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Fußbodenheizung - Wärmeübergang durch Konvektion

Autoren
OldBo
27.02.2010

Radtke 23.07.2009
Die Wärmeabgabe der Fußbodenheizung ist – will man sie bis ins letzte Detail bestimmen – eine außerordentlich komplexe Angelegenheit.
Abb. 23.8. Unterschiedliche Richtungen und Temperaturen auftretender Luftströmungen.
 Abb. 23.8. Unterschiedliche Richtungen und Temperaturen auftretender Luftströmungen.
Abb. 23.9. Temperaturprofil eines Raumes mit Fußbodenheizung.
 Abb. 23.9. Temperaturprofil eines Raumes mit Fußbodenheizung.
Die Wärmeabgabe der Fußbodenheizung ist – will man sie bis ins letzte Detail bestimmen – eine außerordentlich komplexe Angelegenheit. Einerseits ergeben sich an jeder Stelle des Fußbodens in Verbindung mit dem Fußbodenheizungssystem, den Rohrabständen und Betriebstemperaturen, unterschiedliche Oberflächentemperaturen, andererseits je nach Raumgeometrie immer wieder andere Verhältnisse. Die Oberflächentemperaturen der Raumumfassungswände verursachen in Verbindung mit der Fußbodenheizung Luftströmungen verschiedener Geschwindigkeit und Richtung; sie beeinflussen den konvektiven Wärmeübergang an die Raumluft.
In Abb. 23.8 ist am Beispiel eines Raumes mit zwei Außenwänden in Verbindung mit einer großen Fensterfläche dargestellt, wie die Luftströmungen gerichtet sein können.
Vor der Fensterfront Fe wird sich eine mehr oder weniger intensive Fallströmung L1 einstellen. Sie wird sich bei ihrem Weg über den Fußboden mehr und mehr erwärmen, an der gegenüberliegenden Wand aufsteigen und unter der Zimmerdecke zur Fensterfront zurückkehren, L3. Aber auch vor der im Beispiel angenommenen zweiten Außenwand AW2 wird eine zweite Fallströmung L2 entstehen. Sie bewegt sich quer zur Strömung L1 und ist aufgrund der besseren Wärmedämmung der Wand gegenüber der Fensterfront nicht so ausgeprägt. Deshalb wird L2 unmittelbar an der Außenwand AW2 zunächst stark auftreten, sich jedoch mit größer werdendem Abstand von der Außenwand AW2 verringern und sich mit der Strömung L1 vermischen.
Der konvektive Wärmeübergang wird somit durch folgende Faktoren beeinflusst:
Bei den meisten Betrachtungen genügt es, nur eine Außenwand mit Fensterfront zugrunde zu legen. Die sich einstellende Luftströmung verursacht ein Temperaturprofil gemäß Abb.23.9.
Raumgeometrie
Für die Wärmeübertragung an den Raumumfassungsflächen sind nach Untersuchungen von Schlapmann nicht etwa die mittleren Raumtemperaturen, sondern die in Nähe der Umfassungsflächen auftretenden Lufttemperaturen maßgebend. In der Praxis stellt sich vor der Fensterfront eine turbulente Luftströmung ein, die am Boden umgelenkt wird und parallel zum Fußboden in das Rauminnere verläuft. Unterhalb dieses Zwangluftstromes ist noch eine freie Konvektion in nur unbedeutendem Maße vorhanden. Erst wenn die Zwangströmung unterbrochen ist, spielt für die freie Konvektion die Raumhöhe eine Rolle. Die Raumtiefe ist für den Auftrieb bedeutungslos. Die Fallströmung hat eine bestimmte kinetische Energie. Sie kann nur durch eine gleichgroße, entgegengerichtete Luftströmung aufgehalten werden. Mit zunehmender Raumtiefe nimmt die Geschwindigkeit der umgelenkten Fallströmung ab. Somit wird auch der konvektive Wärmeübergang in diesem Bereich nahezu Null.
Temperatur der Umfassungsflächen
Bislang hat man den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit von der Fußbodenübertemperatur dargestellt. Die Untertemperatur der Außenwand hat einen größeren Einfluss auf die Raumluftströmung; insofern wird mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen der Außenwand und der mittleren Raumlufttemperatur der Wärmeübergangskoeffizient für Konvektion größer.
Quellen
Das ABC der Flächenheizung und Flächenkühlung Winnenden: Heizungs-Journal Verlags-GmbH, ISBN 3-924788-16-2
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