Wärmetransport: Formen und ihre Anwendung

Verschiedene Arten des Wärmetransports im Überblick  

Geht es um den Wärmetransport, lassen sich grundsätzlich drei verschiedene Mechanismen voneinander unterscheiden. Diese sind:

• Wärmeleitung oder Konduktion
  
• Wärmestrahlung oder thermische Strahlung
  
• Wärmemitführung oder Konvektion
  

In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie die Wärmetransport-Formen ablaufen und zeigen, wann sie in der Praxis zum Einsatz kommen.

Wärmetransport in Form von Wärmeleitung   

Die Wärmeleitung oder Konduktion beschreibt den Transport thermischer Energie durch feste Körper. Erwärmt sich eine Stelle eines Materials, versetzt das seine Teilchen in Schwingungen. Sie stoßen an benachbarte Teilchen und geben auf diese Weise Energie weiter. Grundsätzlich wandert die Wärme dabei immer von einer warmen Stelle mit hoher Teilchenbewegung zu einer kühleren Stelle mit geringerer Teilchenbewegung.

Ob ein Material ein guter Wärmeleiter ist, lässt sich am sogenannten Wärmeleitkoeffizienten (λ) erkennen. Dieser gibt an, wie viel Wärme - bei einer Temperaturdifferenz von einem Kelvin - durch einen Meter des Materials strömt. Die Einheit ist demzufolge Watt pro Meter und Kelvin. Hier einige Beispiele:

• Kupfer hat einen Wärmeleitkoeffizienten von 372 W/mK und ist daher ein sehr guter Wärmeleiter
  
• Mineralwolle hat einen Wärmeleitkoeffizienten von 0,035 W/mK und ist daher sehr schlechter Wärmeleiter
  

In der Praxis findet der Wärmetransport in Form von Konduktion statt, wenn die Wärme aus einem beheizten Raum durch die Wände nach außen strömt.

Energietransport in Form von Wärmestrahlung   

Die Temperatur- oder  Wärmestrahlung  beschreibt den Transport thermischer Energie ohne jegliche Materie. Sie funktioniert auch in einem Vakuum und hängt grundsätzlich von der Temperatur eines Körpers ab. Die Sonne ist zum Beispiel so heiß, dass wir die Strahlung in Form von Licht sogar sehen können. Strahlen kühlere Körper Wärme ab, lässt sich das hingegen nur mit einer  Thermografie-Kamera sichtbar machen. Der Grund: Die Strahlung liegt dabei im infraroten, also für das menschliche Auge nicht sichtbaren Bereich.

Technisch nutzen lässt sich die Wärmetransport-Form mit einer Flächenheizung oder einer  Infrarotheizung. Die abgestrahlte Wärme geht dabei tief unter die Haut und wird von vielen Menschen als sehr angenehm empfunden.

Wärmetransport in Form von Wärmemitführung   

Die Wärmemitführung oder  Konvektion  beschreibt den Transport thermischer Energie, gebunden an strömende Medien. Sie tritt überwiegend an Flüssigkeiten sowie Gasen auf und ist immer mit einem Materietransport verbunden. Der Energietransport findet dabei auch hier von einer wärmeren zu einer kühleren Stelle statt. Geht es um die Bewegung der einzelnen Stoffe, unterscheiden Experten die freie und die erzwungene Konvektion.

• Die  freie Konvektion  entsteht durch Dichteunterschiede der entsprechenden Stoffe. Heizt sich die Raumluft zum Beispiel an einem Heizkörper auf, sinkt ihre Dichte. Die Luft steigt auf und nimmt thermische Energie mit. Auf dem gleichen Prinzip basiert übrigens auch die Funktion einer  Schwerkraftheizung, die thermische Energie ohne Pumpe durch das Rohrsystem im Haus transportiert.
  
• Die  erzwungene Konvektion  erfolgt durch Unterstützung von außen. Dabei versetzen Ventilatoren und Pumpen Gase oder Flüssigkeiten in Bewegung. Statten Hausbesitzer einen  Heizkörper mit Lüfter  aus, können sie auf diese Weise den Wärmetransport über Konvektion und somit auch die Leistung der Heizfläche steigern.

Im Alltag überlagern sich verschiedene Transportformen  

In der Praxis finden die unterschiedlichen Arten des Wärmetransports selten allein statt. So gibt eine heiße Bratpfanne thermische Energie zum Beispiel in Form von Strahlung und Leitung ab. Während die Leitung zwischen Pfanne und Bratgut erfolgt, lässt sich die Wärmestrahlung auch mit ausreichend Abstand über der Bratpfanne noch mit bloßer Hand spüren. Ein Beispiel aus der Heizungstechnik ist der Heizkörper, der Wärme in Form von Strahlung sowie Konvektion abgibt.

Typische Beispiele für den Wärmetransport aus der Praxis 

Kenntnisse über die Mechanismen des Energietransports helfen, den Wohnkomfort zu steigern und die Heizkosten zu senken. Die folgenden Abschnitte erklären das an zwei einfachen Beispielen. 

Höherer Wohnkomfort durch Wärmestrahlung

Wärmestrahlung tritt tief in die Haut ein und versetzt Moleküle in Schwingung. Das ist sehr angenehm und funktioniert unabhängig von der Luft in einem Raum. Mit einer Flächenheizung muss diese also weniger stark erwärmt werden. Das mindert die Wärmeverluste über die Gebäudehülle und verhilft gleichzeitig zu einer höheren Behaglichkeit.

Transport der Wärme über die Fassade mindern

Während der Wärmetransport an Heizflächen möglichst ungehindert erfolgen soll, ist er an Außenwänden nicht erwünscht. Denn dabei geht wertvolle Heizwärme verloren. Das führt wiederum zu einem höheren Verbrauch und steigenden Heizkosten. Für Abhilfe sorgen dabei Wärmedämmstoffe an der Fassade. Diese haben einen sehr geringen Wärmeleitkoeffizienten und stören die Wärmeleitung durch die Wand.