Thermosimulation: Blumentopfheizung - eine Schnapsidee?

Dylan Winter drehte vor etwa einem Jahr ein Video, in dem vier Teelichter zum Erwärmen eines kleinen, gut isolierten Raumes verwendet wurden. Vor einigen Monaten verbreitete sich dieses Video im Internet und erreichte über fünf Millionen Betrachter. Doch kann diese Kon­struktion wirklich funktionieren? Anhand von Simulationen lässt sich dies ermitteln.

Blumentopfheizung mit vier Teelichtern Bildquelle: © Mentor Graphics
Die Blumentopfheizung mit vier Teelichtern

Will man die Wärmeübertragung dieser Heizungskonfiguration analysieren, so leistet die Strömungssimulations-Software (CFD Software) FloTHERM von Mentor Graphics [1] dabei wertvolle Dienste. Bei der Analyse spielt es keine Rolle, ob die Wärme innerhalb eines IC entsteht und von einem Elek­tronikgerät abgestrahlt wird oder ob sie von einer Kerze stammt und sich in Richtung eines Gesichts ausbreitet. Die drei Arten der Wärmeübertragung (Konduktion: Wärmeübertragung durch einen Festkörper; Konvektion: Wärme, die über Luft transportiert wird; Strahlung: Wärme, die von Oberfläche zu Oberfläche abgestrahlt wird) spiegeln alle Designherausforderungen beim Thermomanagement wider – sei es bei der Kühlung von Elektronik oder dem thermischen Wohlbefinden von Menschen.

Aufbau der Blumentopfheizung
Die vier Teelichter werden in eine Backform gestellt und darüber zwei umgedrehte Terrakotta-Blumentöpfe gestülpt. Der größere Topf hat ein Loch im Boden (oben). Die Teelichter erwärmen die Luft über den Flammen, einschließlich der kalten Umgebungsluft über der Backform und im darüber liegenden kleineren Blumentopf. Die Luft strömt dann wieder nach unten aus dem kleinen Blumentopf heraus in den schmalen „Schornstein“ zwischen innerem und äußerem Topf. Von dort entweicht sie aus dem Loch im oberen Topf (Bild 1). Dieses komplexe 3D-Luftströmungsprofil lässt sich sehr gut mit animierten Partikeln darstellen.
Für das zu simulierende Modell wurde die Blumentopfheizung auf den Boden eines kleinen fensterlosen, mit dicken Ziegelwänden ausgestatteten Raums gestellt. Die Umgebungstemperatur wurde auf 0 °C reguliert, so dass die vorhergesagten Temperaturen dem Anstieg über der Umgebungstemperatur entsprechen.
Wie erwartet, erwärmte sich der innere Topf sehr stark. Der äußere wurde etwas weniger heiß, da sehr viel Wärme über den „Schornstein“ zwischen ihnen strömte. Das entspricht dem Temperaturanstieg. Wenn dies in einem normalen Zimmer mit einer Umgebungstemperatur von 20 °C der Fall wäre, würde die Berührungstemperatur des äußeren Topfes ca. 37 °C betragen.
Welche Auswirkungen hat das nun auf das Zimmer? Das Ganze soll ja als Heizung dienen. Die Lufttemperatur im Zimmer erhöhte sich um 1,5 K. Das ist gar nicht schlecht; vor allem, da nur vier Teelichter als Wärmequelle fungieren. Wenn die vier Kerzen bloß auf dem Boden stehen, geben sie dieselbe Energiemenge in das Zimmer ab. Das kann aber nicht sehr effektiv sein.

Simulation des Luftströmungsprofils Bildquelle: © Mentor Graphics
Bild 1 b) Simulation des Luftströmungsprofils der Blumentopfheizung.