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Konvektion

Konvektion bedeutet zunächst einfach eine Umwälzung (Strömung) eines Gases (z. B. Luft) oder einer Flüssigkeit. Eine solche kann beispielsweise durch einen Ventilator angetrieben werden (erzwungene Konvektion). Häufig wird eine Konvektion aber auch allein durch Temperaturunterschiede angetrieben (freie Konvektion). Beispielsweise wird die Luft in der Umgebung eines Heizkörpers erwärmt, dehnt sich dadurch aus und strömt nach oben, weil ihre Dichte reduziert ist, so dass der Auftrieb etwas größer ist als ihr Gewicht. Kühlere Luft strömt von unten nach und wird dann ebenfalls erwärmt. So ergibt sich ein Strömungsmuster im ganzen Raum (siehe Abbildung 1): Die Luft strömt am Heizkörper nach oben, der Decke entlang bis zur gegenüber liegenden Wand, dort nach unten und am Boden entlang zurück. Auf diesem Weg kann die Luft Wärme z. B. an Decke, Wände und den Boden abgeben. Somit stellt die Konvektion einen Mechanismus dar, über den Wärme vom Heizkörper in den ganzen Raum transportiert wird. Dieser Wärmetransport ist weitaus stärker als der durch die Wärmeleitung, da die Wärmeleitfähigkeit der Luft sehr gering ist.

Vor allem bei stark gerippten Heizkörpern ist der Wärmetransport durch Konvektion dominierend; man nennt solche Heizkörper deswegen auch Konvektoren. Mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Raumluft wird die Konvektion erheblich stärker: Es wird mehr Luft umgewälzt, und zusätzlich wird die aufsteigende Luft wärmer. Dadurch ergibt sich ein relativ hoher Wert des sogenannten Heizkörperexponenten.

Auch kalte Körper können eine Konvektion antreiben. Beispielsweise kann an einem Fenster Luft abgekühlt werden, dadurch nach unten sinken und so eine Konvektion in umgekehrter Richtung wie bei einem Heizkörper bewirken. Wenn sich eine Sitzgelegenheit vor dem Fenster befindet, kann es dort unangenehm kühl werden. Häufig wird ein Heizkörper unterhalb des Fensters angebracht, der die Konvektion nach oben erzwingt und somit das Frösteln am Sitzplatz verhindert, freilich auch die Wärmeverluste am Fenster vergrößert. Besser ist es, ein Fenster mit guter Wärmedämmung zu verwenden, so dass selbst ohne Heizkörper darunter eine gute Behaglichkeit erzielt wird.

Materialien für die Wärmedämmung enthalten häufig viel Luft, da diese eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Gleichzeitig muss aber die Konvektion dieser Luft verhindert werden. Dies wird z. B. in Schaumstoffen dadurch erreicht, dass die Luft in vielen kleinen Bläschen festgehalten wird, die nicht miteinander verbunden sind.

Konvektion tritt auch in Flüssigkeiten auf, beispielsweise in Wasser. Vereinzelt gibt es noch Zentralheizungssysteme, bei denen das Heizungswasser allein durch die Konvektion aufgrund der Temperaturunterschiede umgewälzt wird, also ohne eine Heizungs-Umwälzpumpe. Man spricht von einem Schwerkraftsystem, da die Schwerkraft für den Mechanismus der Konvektion unabdingbar ist. Dieses Prinzip erfordert allerdings großzügige Rohrquerschnitte und eine hohe Vorlauftemperatur und ist deswegen energetisch ungünstig, vor allem wenn eine Wärmepumpe oder ein Brennwertkessel als Wärmequelle dient. Deswegen werden solche Schwerkraftsysteme heute kaum mehr gebaut. Der Energiebedarf einer modernen Heizungs-Umwälzpumpe ist weitaus geringer als die Effizienzverluste eines Schwerkraftsystems.

Siehe auch: Wärme, Heizkörper, Zentralheizung, Wärmeleitung, Schwerkraftsystem, Heizkörperexponent