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Wärmestrom

Dem allgemeinen Verständnis nach beschreibt der Begriff Wärmestrom die Energie, die eingesetzt wird, um beispielsweise Wärme für Heizungen zu erzeugen. Aus physikalischer Perspektive stammt der Begriff aus der Wärmeübertragung. Demnach fließt ein spezifischer Wärmestrom in einer bestimmten Zeit von einem Ort hoher Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur. Dies kann stoffgebunden durch Konvektion, Strahlung oder Wärmediffusion (Konduktion) erfolgen.

Latenter Wärmestrom

Ein latenter Wärmestrom beschreibt den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig. Dieses Phänomen ist sowohl in der Meteorologie als auch in der Versorgungstechnik bestens bekannt. Ein einfaches Beispiel aus dem Alltag verdeutlicht das zugrundeliegende Prinzip anschaulich: Die Zufuhr thermischer Energie sorgt dafür, dass Wasser bis zum Siedepunkt erhitzt werden kann. Wird Energie über diesen Punkt hinaus zugeführt, so wird das Wasser nicht heißer, sondern verdunstet. Dabei nimmt das Volumen erheblich zu. Gasförmig – als Dampf – enthält das Wasser mehr Energie als im flüssigen Zustand. Und das, obwohl der Dampf nicht heißer ist. Bei der Kondensation des Dampfs zu Wasser wird die Energie wieder frei, das Volumen nimmt ab. Die Temperatur bleibt konstant, der Aggregatzustand ändert sich.

Definition latenter Wärmestrom

Ganz ähnlich verhält es sich, wenn Sonnenstrahlen auf Wasser treffen. Die warmen Strahlen erwärmen Wassermoleküle und setzen sie frei. Kondenswasser entsteht und geht in die Atmosphäre ein. Die Temperatur der Umgebungsluft bleibt konstant. Kennzeichnend für latente Wärmeströme ist also ein Mechanismus, der eine Wärme- bzw. Energieübertragung zwischen einem oder zwei Medien hervorruft.

Dieser durch latente Wärmeströme hervorgerufene Effekt ist ein großer Regulationsfaktor unseres Klimas, denn: Ein Großteil der Sonneneinstrahlung auf der Erde wird vom Wasser in der Atmosphäre absorbiert und in Verdunstungswärme umgewandelt. Die Temperatur der Umgebungsluft ändert sich dabei jedoch nicht. Die Auswirkungen des latenten Wärmestroms in der Atmosphäre sind aber derart komplex, dass sie sich derzeit nicht zur Gänze simulieren lassen.

Sensibler Wärmestrom

Im Unterschied zur latenten Wärme bei der die Energie bei der Verdunstung von Wasser gebunden und im Dampf gespeichert ist, handelt es sich bei einem sensiblen Wärmestrom um fühlbare Wärme. Der Begriff sensible Wärme beschreibt die messbare Wärme.

Fühlbarer Wärmestrom

Ein fühlbarer Wärmestrom ist ein alternativer Begriff für sensiblen Wärmestrom. Der Definition zufolge beschreibt der fühlbare Wärmestrom die thermische Energie, die sich unmittelbar in messbaren Temperaturen äußert. Fühlbare oder sensible Wärmeströme werden in Meteorologie und Versorgungstechnik in Abgrenzung zu latenten (verborgenen) Wärmeströmen verwendet. Zur Veranschaulichung ein Beispiel aus der Praxis: Treffen Sonnenstrahlen auf nasse Böden, dann existieren zwei Wärmeströme:

  • der fühlbare (sensible) Wärmestrom sorgt dafür, dass die Temperaturen ansteigen und sich die Luft erhitzt
  • der latente (verborgene) Wärmestrom, der in die Verdunstung des Wassers geht

Grundsätzlich ist viel Energie erforderlich, um den Boden im gewählten Beispiel zu trocknen. Bis dahin steht weniger Energie bereit, um die Temperatur ansteigen zu lassen. Fühlbare und latente Wärmeströme bedingen einander also. Das Verhältnis wird als Bowen-Ratio bezeichnet.

Stationärer Wärmestrom

Die stationäre Wärmeleitung geht davon aus, dass Temperaturdifferenzen zeitlich und örtlich unverändert bleiben. Das bedeutet: Wand- und Fluidtemperaturen ändern sich nicht. Das klingt zwar wie einem Lehrbuch für angehende Ingenieure entnommen, erklärt aber weshalb Sommerhitze in vielen Wohnungen kaum auszuhalten ist. Faktoren für die Berechnung des stationären Wärmestroms sind Außen-, Innentemperaturen sowie Wandinnen-, Wandaußenseite und den thermischen Widerstand. Berechnungen auf Grundlage dieser Parameter zeigen beispielsweise auf, wie positiv sich die Dämmung von Hauswänden auf die Raumtemperaturen auswirken – Sommer wie Winter.

Flexibler Wärmestrom

Für die Bereitstellung und Versorgungssicherheit regenerativer Energien ist flexibler Wärmestrom ein wichtiger Faktor. Die Grundidee klingt simpel: Weil die Sonne nicht immer scheint und der Wind nicht ständig weht, sollen flexible Wärmestrom-Anlagen mithilfe intelligenter Steuerungen vor allem dann aufgeladen werden, wenn im Netz gerade viel Strom angeboten wird und deswegen entsprechend günstig ist.

Was in der Theorie einleuchtet, ist aber in der Praxis eine große Herausforderung. Modellversuche bestätigen, dass das Prinzip funktioniert. Allerdings ist die gezielte Lastverlagerung ein anspruchsvoller Prozess, bei dem es Überlastungen des Stromnetzes zu verhindern gilt.

Definition flexibler Wärmestrom
Definition flexibler Wärmestrom

Konvektiver Wärmeübergang | Wärmestrom

Das Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs lässt sich an einem Beispiel anschaulich erläutern. Wenn Sie ein eiskaltes Getränk in ein Glas füllen, das die gleiche Temperatur hat wie die Umgebung, dann wird das Getränk wärmer und das Glas kälter. Es bilden sich Kondensationströpfchen. Was ist passiert? Der Temperaturunterschied sorgt für einen Wärmetransport. Man spricht von einem konvektiven Wärmeübergang. Den konvektiven Wärmestrom machen sich Heizsysteme zunutze. Diese wird als erzwungene Konvektion bezeichnet.

Natürlicher Wärmestrom

Während im Erdinneren Temperaturen von bis zu 7.000 Grad Celsius herrschen, sind die Temperaturen auf der Erdoberfläche mit durchschnittlich 15 Grad Celsius vergleichsweise moderat. Vor diesem Hintergrund ist es wenig verwunderlich, dass sich die Geothermie diese Differenz in Form eines natürlichen Wärmestroms zunutze macht. Der Wärmetransport erfolgt über die Mechanismen der Wärmeleitung (Konduktion) und mithilfe aufsteigenden Thermalwassers (Konvektion).