Gebäudeisolierung – Hausisolierung
Um die Wärmeverluste in der Industrie und auch im Hochbau zu minimieren , wird häufig Wärmedämmung eingesetzt. Der Zweck der Wärmedämmung besteht darin, den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten durch Zugabe von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verringern . Die Wärmedämmung von Gebäuden ist ein wichtiger Faktor für den thermischen Komfort der Bewohner. Die Wärmedämmung reduziert unerwünschte Wärmeverluste und reduziert auch unerwünschte Wärmegewinne. Daher kann die Wärmedämmung den Energiebedarf von Heizungs- und Kühlsystemen senken. Es muss hinzugefügt werden, es gibt kein Material, das Wärmeverluste vollständig verhindern kann, Wärmeverluste können nur minimiert werden.
Ähnlich wie bei Kleidung basiert die Wärmedämmung auf Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und deren Geometrie (z. B. Doppelglasfenster). Die isolierenden Eigenschaften dieser Materialien ergeben sich aus den isolierenden Eigenschaften der Luft. Viele Isoliermaterialien (z. B. Wolle) funktionieren einfach dadurch, dass sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine großflächige Konvektion verhindern . Die Geometrie dieser Materialien spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Beispielsweise wird durch eine Vergrößerung der Breite der Luftschicht, beispielsweise durch Verwendung von zwei durch einen Luftspalt getrennten Glasscheiben, der Wärmeverlust mehr als nur durch eine Vergrößerung der Glasdicke verringert, da die Wärmeleitfähigkeit von Luft viel geringer ist als die von Glas .
Dämmstoffe
Wie bereits geschrieben, basiert die Wärmedämmung auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit . Diese Materialien werden als Isolationsmaterialien bezeichnet . Übliche Isolationsmaterialien sind Wolle, Glasfaser, Steinwolle, Polystyrol, Polyurethan und Gänsefedern usw. Diese Materialien sind sehr schlechte Wärmeleiter und daher gute Wärmeisolatoren.
Es muss hinzugefügt werden, die Wärmedämmung beruht in erster Linie auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen. Gase weisen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften auf und sind daher ein gutes Isolationsmaterial, wenn sie eingeschlossen werden können (z. B. in einer schaumartigen Struktur ). Luft und andere Gase sind im Allgemeinen gute Isolatoren. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Abwesenheit von Konvektion . Viele Isolationsmaterialien (z. B. Polystyrol) funktionieren daher einfach, indem sie eine große Anzahl von gasgefüllten Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern . Bei allen Arten der Wärmedämmung wird durch die Evakuierung der Luft im Hohlraum die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Isolators weiter verringert.
Der Wechsel von Gastasche und festem Material führt dazu, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einer raschen Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.
Es ist zu beachten, dass Wärmeverluste durch heißere Gegenstände durch drei Mechanismen (entweder einzeln oder in Kombination) auftreten:
Bisher haben wir Wärmestrahlung als einen Modus von Wärmeverlusten nicht diskutiert . DieWärmestrahlung wird durch elektromagnetische Strahlung vermittelt und benötigt daher kein Medium für die Wärmeübertragung. Tatsächlich ist die Energieübertragung durch Strahlung am schnellsten (mit Lichtgeschwindigkeit) und wird im Vakuum nicht gedämpft. Jedes Material, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, gibt Strahlungsenergie ab . Die meiste Energie dieser Art befindet sich im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet. Um diese Art der Wärmeübertragung zu verringern, sollten Materialien mit niedrigem Emissionsvermögen (hohes Reflexionsvermögen) verwendet werden. Reflektierende Isolierungen bestehen normalerweise aus mehrschichtigen, parallelen Folien mit hohem Reflexionsvermögen, die beabstandet sind, um die Wärmestrahlung zurück zu ihrer Quelle zu reflektieren. Das Emissionsvermögen & egr ; der Oberfläche eines Materials ist seine Wirksamkeit bei der Emission von Energie als Wärmestrahlung und variiert zwischen 0,0 und 1,0. Polierte Metalle haben im Allgemeinen ein sehr geringes Emissionsvermögen und werden daher häufig verwendet, um Strahlungsenergie wie bei Erste-Hilfe-Decken an ihre Quelle zurück zu reflektieren .
Isolationsarten – Kategorisierung von Isolationsmaterialien
Für Dämmstoffe können drei allgemeine Kategorien definiert werden. Diese Kategorien basieren auf der chemischen Zusammensetzung des Grundmaterials, aus dem das Isoliermaterial hergestellt wird.
In der weiteren Lektüre gibt es eine kurze Beschreibung dieser Arten von Isolationsmaterialien.
Anorganische Isolationsmaterialien
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, können anorganische Materialien entsprechend klassifiziert werden:
- Fasermaterialien
- Glaswolle
- Steinwolle
- Zelluläre Materialien
- Calciumsilicat
- Zellglas
Organische Isolationsmaterialien
Die in diesem Abschnitt behandelten organischen Isolationsmaterialien stammen alle aus einem petrochemischen oder erneuerbaren Ausgangsmaterial (biobasiert). Fast alle petrochemischen Isolationsmaterialien liegen in Form von Polymeren vor. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind alle petrochemischen Isolationsmaterialien zellulär. Ein Material ist zellulär, wenn die Struktur des Materials aus Poren oder Zellen besteht. Andererseits enthalten viele Pflanzen aufgrund ihrer Festigkeit Fasern, weshalb fast alle biobasierten Isolationsmaterialien faserig sind (mit Ausnahme von expandiertem Kork, der zellulär ist).
Organische Dämmstoffe können entsprechend klassifiziert werden:
- Petrochemische Materialien (Öl / Kohle abgeleitet)
- Expandiertes Polystyrol (EPS)
- Extrudiertes Polystyrol (XPS)
- Polyurethan (PUR)
- Phenolschaum
- Polyisocyanuratschaum (PIR)
- Nachwachsende Rohstoffe (pflanzlich / tierisch)
- Zellulose
- Kork
- Holzfaser
- Hanffaser
- Flachswolle
- Schafwolle
- Baumwollisolierung
Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand
Eine Hauptquelle für Wärmeverluste aus einem Haus sind Wände. Berechnen Sie die Wärmeflussrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Die Wand ist 15 cm dick (L 1 ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 1 = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und Außenseite betragen h 1 = 10 W / m 2 K und h 2 = 30 W / m 2K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten insbesondere von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) stark abhängen.
- Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
- Nehmen wir nun eine Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke expandierte Polystyrolisolierung (L 2 ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 2 = 0,03 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.
Lösung:
Wie geschrieben wurde, umfassen viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Leitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bekannt ist . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Kühlung entspricht :
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.
- kahle Wand
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 3,53 [W / m 2 K] × 30 [K] = 105,9 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 105,9 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 3177 W.
- Verbundwand mit Wärmedämmung
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 0,276 [W / m 2 K] × 30 [K] = 8,28 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 8,28 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 248 W.
Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, eine Zugabe der nächsten Schicht Wärmeisolator verursacht keine so hohen Einsparungen. Dies ist besser aus der Wärmewiderstandsmethode ersichtlich, mit der der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.
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