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Wärmeübergangskoeffizient

Ein Wärmeübergangskoeffizient (Formelsymbol <$h$>, oft auch <$\alpha$>) ist ein Maß für die Stärke der Übertragung von Wärme an einer Grenzfläche – beispielsweise von einer Wand eines Gebäudes auf die Raumluft oder die Außenluft. Im Folgenden wird speziell dieser Wärmeübergang zwischen einer Wand und der umgebenden Luft diskutiert. In anderen Fällen, beispielsweise bei vielen Wärmeübertrager, treten auch Flüssigkeiten wie Wasser auf, und es ergeben sich entsprechend völlig andere Zahlenwerte.

Die Oberflächentemperatur einer Wand stimmt nicht ganz mit der Temperatur der Raumluft (in einem gewissen Abstand zur Wand) überein, wenn ein Wärmeaustausch zwischen Raumluft und Wand stattfindet (siehe Abbildung 1). Die Wärmestromdichte (in Einheiten von W / m² = Watt pro Quadratmeter) ist gleich dem Wärmeübergangskoeffizienten multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Raumluft: <$\Phi = h \cdot \Delta T$>. Die Maßeinheit von <$h$> ist also W / (m² K) (Watt pro Quadratmeter und Kelvin) – genauso wie bei Wärmedurchgangskoeffizienten.

Der Wärmeübergangswiderstand <$R$> ist definiert als der Kehrwert des Wärmeübergangskoeffizienten: <$R = 1 / h$>. Er hat die Maßeinheit m² K / W. (Siehe auch den Artikel über Wärmewiderstand.)

Mechanismen des Wärmeaustauschs

Der Wärmeübergang kann mithilfe verschiedener Mechanismen erfolgen:

• In der thermischen Grenzschicht (z. B. einer dünnen Luftschicht nahe der Wand) tritt Wärmeleitung auf; dieser Beitrag ist bei Gasen in der Regel recht gering.
• Zusätzlich kann Wärme durch Konvektion (Umwälzung) verstärkt transportiert werden, z. B. bei natürlicher Konvektion (angetrieben durch Temperaturunterschiede) oder bei Verwendung eines Ventilators.
• Ein weiterer oft wichtiger Effekt ist die Wärmestrahlung; hierbei zählt allerdings nicht die Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Wand, sondern zwischen der Wand und anderen festen Körpern in der Umgebung (beispielsweise gegenüber liegenden Wänden sowie Decke und Boden eines Raums). Der zugehörige Koeffizient steigt mit zunehmender Temperatur der festen Oberfläche an und hängt auch vom Emissionsgrad der Oberfläche ab.

Die Größe des Wärmeübergangskoeffizienten z. B. für die Grenzfläche zwischen Luft und Wand hängt wesentlich von den jeweiligen Umständen ab. Beispielsweise ist der Effekt der Konvektion im Inneren eines Gebäudes bei Wänden meist größer als an Decken oder Böden; typische Werte liegen etwa zwischen 6 und 8 W / (m² K). Auf der Außenseite einer Außenwand ist der Wärmeübergang stark erhöht (z. B. 25 W / (m² K)), weil dort die Luft meist bewegt ist. In der Literatur auffindbare Zahlenwerte beziehen sich entweder auf bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten oder auf Mittelwerte, die typischen Erfahrungswerten entsprechen können.

Auswirkungen des Wärmeübergangswiderstands im Gebäuden

Der Wärmedurchgangskoeffizient einer Wandkonstruktion wird durch die Wärmeübergangskoeffizienten an der inneren und äußeren Oberfläche ein wenig beeinflusst. Wenn beispielsweise <$h$>-Werte von 8 W / (m² K) innen und 25 W / (m² K) außen angenommen werden und eine nicht speziell wärmegedämmte Wand von ihren Materialien her einen U-Wert von 0,8 W / (m² K) hätte, ergibt sich insgesamt ein U-Wert von 0,71 W / (m² K); die Grenzflächen tragen also ein wenig zur Verminderung der Wärmeverluste bei. Wenn eine gut wärmegedämmte Wand von den Materialien her bereits 0,2 W / (m² K) erreicht, verbessert sich dies durch die Grenzflächen nur marginal auf 0,194 W / (m² K).

Abgesehen von der genannten geringfügigen Verminderung von Wärmeverlusten führen die Wärmeübergangswiderstände an Wänden auch zu einer gewissen Absenkung der Oberflächentemperatur einer Außenwand. Dies kann wiederum die Bildung von Feuchtigkeit durch Kondensation von Wasserdampf an der Wand und damit auch die Bildung von Schimmel begünstigen. Im Falle einer nicht wärmegedämmten Wand mit einem effektiven U-Wert von 0,86 W / (m² K) (siehe das obige Beispiel) ergibt sich bei einer Temperaturdifferenz von 20 Kelvin zwischen innen und außen (z. B. 20 °C Raumtemperatur, 0 °C Außentemperatur) eine Wärmestromdichte von ca. 17 W / m² und eine Temperaturabsenkung der inneren Wandoberfläche von ca. 2 Kelvin. Dies hat zur Folge, dass Kondensation bereits für eine relative Luftfeuchtigkeit von deutlich unter 100 % nahe der Wand möglich ist.

Eine weitere Auswirkung des Wärmeübergangswiderstands von Oberflächen ist die Verlangsamung des Wärmeaustauschs mit wärmespeichernden Materialien, was die Wirksamkeit thermisch aktivierter Bauteile etwas vermindert bzw. verlangsamt.

Siehe auch: Wärmedurchgangskoeffizient, Wärme, Wärmeleitung, Wärmeübertrager