Messung des konvektiven Wärmeübergangs – Entwicklung eines neuen Sensors und bauphysikalische Anwendungen

Die Erfassung konvektiver Wärmeströme von einem Fluid (z. B. Luft) in angrenzende Oberflächen und umgekehrt, ist oft Gegenstand angewandter Forschung, auch in der Bauphysik: z. B. bei der Berechnung der Energiebilanz von Gebäuden, der Wirkung von Heizflächen, der Untersuchung von Zugluft. Ein konvektiver Wärmestrom ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Fluid und der angrenzenden Oberfläche sowie dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten h c . Da h c von der Luftbewegung an der Oberfläche bestimmt wird, diese aber meist örtlich und zeitlich variiert, also schwer zu messen ist, werden oft Rechenmodelle zur numerischen Strömungssimulation eingesetzt: Computational Fluid Dynamics, CFD. Hierbei werden die sog. Navier‐Stokes‐Gleichungen numerisch gelöst. Anschließend werden die h c ‐Werte im Post‐Processing errechnet. Dies geschieht ebenfalls nur näherungsweise, da diese Gleichungen nicht exakt gelöst werden können. Eine Alternative zu dieser mathematischen h c ‐Bestimmung stellt die Messung von h c mit dem hier vorgestellten im Fraunhofer IBP neu entwickelten Convective Heattransfer Meter, CHM dar. Dieses Gerät misst die Temperaturgrenzschichtdicke d an der angeströmten Oberfläche und ermittelt h c über die Beziehung h c = λ/d, mit λ, dem Wärmeleitkoeffizienten des Fluids. Sowohl in einem Versuchsraum als auch im Freiland wurden bauphysikalische Einsatzmöglichkeiten des CHMs nachgewiesen. Beide o.g. Methoden zur Ermittlung von konvektiven Wärmeströmen ergänzen einander insofern, als in Zukunft CHM‐Sensoren zur Validierung von CFD‐Berechnungen eingesetzt werden können. Z.B. können mithilfe von lokal durchgeführten physikalischen CHM‐Messungen an einer Wand „globale” CFD‐Näherungen für die gesamte Wand angepasst werden.