Grundlegende Experimente zu  beheizten Räumen--- Jugend Forscht  2009

Wir haben uns mit der Frage beschäftigt, warum konventionelle Heizungssysteme wie bei uns zu Hause oder in der Schule so unangenehme Luft erzeugen. Dabei sind wir auf eine viel tiefergehende Problematik von Heizungssystemen gekommen. Um das Problem experimentell zu untersuchen haben wir zwei identische Räume im Massstab 1:10 aus Ytong gebaut und mit zwei verschiedenen Heizungssystemen ausgestattet. Im einen Raum ist ein selbstgebauter Konvektor und im anderen Raum eine Hüllflächenthermierung eingebaut.
Beide Heizungen werden mit heißem Wasser mit 75° Vorlauftemperatur versorgt. Im Kühlschrank haben wir dann Heizkurven mit und ohne Lüftungssituationen aufgenommen. Aufgrund der signifikanten Überlegenheit der Hüllflächenthermierung haben wir uns daraufhin gefragt, welchen Einfluss die Baumaterialien auf das Heizungssystem haben. Uns ist aufgefallen, dass die U-Werte von Baustoffen das Wärmespeichervermögen der Materialien gar nicht berücksichtigen, was zu falschen Einschätzungen zum Dämmverhalten führt. Um diesen Sachverhalt zu untersuchen haben wir 5 Kuben aus Holz, Styropor, Gipskarton, Ytong und Vollziegel gebaut, die wir mit einer 40W Strahlungsheizung thermostatisieren können.
Diese Kuben haben wir vom 27.Dezember 2007 an auf dem Dach des Schulgebäudes dem Wetter ausgesetzt und dabei Untersuchungen über die Transmissionswärmeverluste angestellt. Zu diesem Zweck bauten wir ein Dateninterface mit Verstärkerschaltung und schrieben die nötige Software, um 35 Temperaturmesswerte (5 mal je 6 Außentemperaturen in den Mitten der nach den Himmelsrichtungen ausgerichteten Wände und die Innentemperatur) und die 5 Heizungsleistungen minütlich aufzuzeichnen. Parallel erfassten wir noch Wetterdaten mit Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Außentemperatur, Solarstrahlung, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit. Durch die bisherigen Auswertungen können wir zeigen, dass sich der Transmissionswärmeverlust von Leichtbaustoffen und Dämmstoffen nur unter idealen Bedingungen durch UWerte beschreiben lässt. Bei Massivbaustoffen gibt es ebenso Abweichungen wie bei Windeinfluss. Die Abweichungen sind signifikant. Unsere Messungen sind durch vergleichende Mehrfachmessungen bis auf 0,25K bei -10°C und 0,07K bei +30°C genau.

Durch die Berücksichtigung von Volumenarbeit bei der Temperaturmodellierung unter nicht-stationären realen Bedingungen können wir reale Messkurven reproduzieren. Die Antiproportionalität von Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit können wir im Experiment und theoretisch bestätigen. Die Ergebnisse haben eine gewisse Bedeutung für die Praxis der Gebäudedämmung, für die Erhebung des Transmissionswärmeverlustes nach EnEV und DIN832 und für die Ausstellung von Energiepässen nach §18 EnEV. Aufbauend auf unserer Arbeit haben wir uns mit dem Wärmebrückenproblem der Ecken und Kanten beschaäftigt, um unsere umfangreichen Messungen mit verschiedenen Heizungen und verschiedenen Baustoffen unter realen Wetterbedingungen zu verbessern.

Für den ersten Versuch bauten wir ein Styropormodell mit einem Einschub für eine Wand beliebigen Materials. Diese Wand wird im Inneren von einer 50W Halogenlampe beheizt. Die Wärmebildkamera "filmt" diese Wand von Außen. Den ganzen Versuchsaufbau haben wir in einer Gefriertruhe untergebracht, um so Windstille und eine einigermaßen konstante Außentemperatur zu sichern. In dem zweiten Versuch setzten wir unseren Ziegel- und Styroporkubus in die Truhe und richteten die Wärmebildkamera auf eine Ecke aus. Derzeit
sind wir mit der Auswertung dieser Messreihe beschäftigt.

Sebastian Vogt(17) und Sören Gensmer(15)

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letzte Änderung: 06.01.2010