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Thermosimulation

Blumentopfheizung - eine Schnapsidee?

25. März 2014, 13:12 Uhr   |  Von Robin Bornoff


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Die Wärme auffangen

Simulation der Wärmeübertragung
© Mentor Graphics

Bild 2. Simulation der Wärmeübertragung in der Blumentopfheizung.

Simulation gewährt Einblick in physikalische Phänomene oder Designs. Mit Hilfe der Simulation ist das Verhalten eines Systems besser zu verstehen. So lässt sich zum Beispiel beschreiben, warum durch das Überstülpen von ein paar Blumentöpfen über einige Teelichter eine bessere Lösung zum Beheizen eines Zimmers entsteht.
Als Vergleich dient ein Ansatz, bei dem keine Blumentöpfe über Kerzen gestülpt werden. Beide Verfahren geben dieselbe Wärmemenge in das Zimmer ab, so dass zunächst verifiziert werden muss, wie unterschiedlich sich diese beiden Energie-gleichen Formen der Teelicht-Heizung auf den Raum auswirken.
Die Ergebnisse dieser „mit und ohne“-Bedingungen zeigen, dass die Raumlufttemperatur bei Verwendung der Blumentöpfe um etwa 2,8 K anstieg und damit deutlich über dem Wert lag, als die brennenden Kerzen allein die Raumluft auf 20 °C aufgeheizt hatten. Das ist kein großer, aber ein spürbarer Unterschied. Die maximale Wandtemperatur indes fiel ohne Blumentöpfe höher aus, stieg also von 13 °C (mit Blumentöpfen) auf 15,2 °C an. Diese beiden Gegensätze lassen sich vielleicht durch die Art und Weise erklären, wie die von Kerzen erzeugte Wärme im Raum verteilt wird.
Für jedes Objekt im Modell liefert die CFD-Simulation nicht nur die Temperaturen, sondern auch die Wärme, die hindurchströmt – insbesondere die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung. Die 140 Watt, welche die vier Kerzen in den Raum abgeben (konvertiert vom brennenden Wachs), müssen von den Flammen über den Innenraum durch die Wände nach außen geführt werden. Diese Leistung muss erhalten bzw. konserviert werden. Das heißt, die Leistung in den Raum muss der Leistung aus dem Raum heraus entsprechen. Die Überprüfung der Simula­tionsergebnisse zur Nachverfolgung der beiden Hauptübertragungswege über die Wärme, die von der Kerze durch Konvektion (Luftbewegung) und Abstrahlung (Infrarot-Übertragung von Oberfläche zu Oberfläche) zu den Wänden strömt, ergibt die soge­nannten Wärmeströmungs-Budgets (Bild 2).
Die Kerzenflammen brennen sehr heiß – mit etwa 1400 °C. Da sich die Wärmeübertragung durch Abstrahlung auf eine Differenz T (zwischen Quelle und anderen Oberflächen) bezieht, haben die für die Wände sichtbaren Flammen einen viel größeren Anteil an der durch Wärmeübertragung abgegebenen Gesamtwärme (43 %). Wird ein Blumentopf über diese Flammen gestülpt, wird sehr viel dieser Strahlungswärme aufgefangen; sie heizt den Blumentopf auf, so dass die Luft Zeit hat, die Wärme in die Raumluft abzugeben. Dies macht 80 Prozent der insgesamt abgegebenen Leistung aus. (Wärme und Leistung sind in diesem Fall das Gleiche).
Ein Teil der Wärme strahlt dann von den Töpfen auf die Wände ab. Dieser ist aber nur sehr klein, weil der Temperaturunterschied zwischen Töpfen und Wänden viel geringer ist als zwischen Flammen und Wänden. Vielleicht ist das der Vorteil des zweiten, größeren Blumentopfes. Er fängt noch mehr Wärme ab, die dann an die Luft abgegeben wird. Dadurch steigt die Raumlufttemperatur. Zudem geht weniger Wärme durch Abstrahlung an großflächige (und kalte) Wände verloren, wo die dürftige Wärmemenge nur wenig dazu beitragen kann, dass sich die Insassen wohler fühlen.
Alle bisherigen Simulationen waren jedoch falsch. Denn sie wurden unter der Annahme durchgeführt, dass das ganze System lange genug läuft, damit es in einen Zustand gebracht werden kann, bei dem sich die Temperaturen nicht mehr verändern (stationärer Fall). In der Realität brennen diese vier Teelichter aber nur ca. vier Stunden.
Der nächste Schritt ist es, das Einschwingverhalten des Zimmers für diese beiden Erwärmungsmethoden zu simulieren. Auf die Weise lässt sich feststellen, wie sich beide nach vier Stunden verhalten. Unter diesen Zeitbedingungen kann die Blumentopf-Methode im Vergleich zu den bloßen Kerzen sogar vorteilhafter sein.

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1. Blumentopfheizung - eine Schnapsidee?
2. Die Wärme auffangen
3. Es dauert seine Zeit
4. Definition der Wohlfühltemperatur
5. Wohlfühltemperatur als Maß aller Dinge

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