die Arbeit zum

Nutzung von herkömmlichen
Glühbirnen als ergänzende
Licht- und Wärmespender in
den kalten Jahreszeiten
Oleksandr Yampolskyy
1
Kurzfassung:
Mit dieser praktischen und theoretischen Studie will ich versuchen aufzuzeigen, dass
sich herkömmliche Glühbirnen nicht nur zur Beleuchtung, sondern in einem gewissen
Umfang auch zur begleitenden Heizung in den kalten Jahreszeiten eignen. Damit wäre der
aktuell propagierte Nutzen von modernen Leuchtstoffröhren (mit Quecksilber!) als
Lichtquellen-Ersatz aus diesem Blickwinkel in kälteren Breitengraden und zu den kühlen
Jahreszeiten zumindest teilweise zu hinterfragen.
Dafür habe ich eine experimentelle Anlage aufgebaut und Messungen zur Wärmeabgabe bei
einer eingeschalteten herkömmlichen 60-W-Glühbirne durchgeführt.
Danach wurde von mir die ungefähre Wärmeleistung der Glühbirnen in einer
mitteleuropäische Durchschnittswohnung [22] theoretisch berechnet und diese Daten
wiederum in ihrer geschätzten Größenordnung auf die herkömmlichen Energieträger und
deren mögliches Einsparungspotential übertragen.
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Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
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2. Hypothesenbildung und grundsätzliche Überlegungen
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3. Material und Methode
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4. Laborversuch und Ergebnisse
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5. Diskussion und Zusammenfassung
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6. Literatur
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1.
Einleitung
Zuerst stellte ich mir die grundsätzliche Frage: Was sind Glühbirnen eigentlich?
Als Glühbirne wird meistens eine birnenförmige Glühlampe bezeichnet, bei der ein Draht aus
Wolfram (Glühwendel) [2] durch hohe Temperatur, erzeugt durch elektrischen Strom, zum
Leuchten gebracht wird. Da dieser Glühwendel sehr dünn ist, wird aufgrund des elektrischen
Widerstandes die nötige Temperatur schnell erreicht (ca. 3000 K) und aufgrund der doppelten
Windung die abstrahlende Oberfläche und damit die Lichtemission vergrößert. Die Lampe
leuchtet durch die Materialeigenschaften eher im Gelb- und Rotbereich des Lichts; dies ist
auch der Grund für die geringe Lichtausbeute der Glühlampe von nur ca. 5% [4, 5].
Abbildung 1: Der Aufbau einer Glühbirne [2]
Man kann die Leuchttemperatur dabei nicht beliebig erhöhen, denn bei einer Zunahme der
Betriebsspannung um ca. 5% wird sich zwar die Helligkeit um ca. 24% erhöhen, aber die
Lebensdauer sinkt dann um ungefähr das Doppelte (siehe Abbildung 2) [3].
Abbildung 2: Abhängigkeit der Lebensdauer und Helligkeit von der Spannung (40W-Glühbirne) [3]
(Das Lumen (photometrische Einheit) ist ein Maß für die gesamte von der Strahlungsquelle
ausgesandte sichtbare Strahlung)
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Deswegen gibt es auch einen Kompromiss zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute. In
der Praxis versucht man zwar die Lebensdauer mit der Dicke des Glühwendels und der
Verminderung der Nennspannung zu erhöhen, aber die Lebensdauer hängt auch anderen
Faktoren wie der genauen Einhaltung der Nennspannung (normale elektrische Spannung im
Netz – 230V in Deutschland) (Netzüberspannungen von bis zu 15% sind in der Praxis
möglich), der sich aus der Nennspannung resultierenden Betriebstemperatur (Temperatur der
Glühlampe bzw. des Glühwendels (je heißer er ist, umso schneller verdampft Wolfram)), den
Erschütterungen im Betrieb und der Umgebungstemperatur ab [3, 15].
2. Hypothesenbildung und grundsätzliche Überlegungen
Das Hauptziel meines Projekts ist, eine Idee zu entwickeln, um die vorhandenen Vorräte
an ungebrauchten Glühbirnen sinnvoll auszunutzen und zu hinterfragen, ob ein durchgängiges
Verbot derselben in kälteren Breitengraden überhaupt die richtige Antwort auf die
Energieproblematik ist.
Dabei stelle ich thematisch und als Hypothese in den Vordergrund, dass eine Glühbirne –
wie oben erwähnt - nur 5% der Energie als Licht abgibt (siehe Abbildung 3), der Rest aber
nicht unbedingt als nutzlose Wärme entweicht!
Abbildung 3: Schema der Energienutzung (Wirkungsgrad) in der Glühlampe [15]
Aus dem Schema wird sichtbar, dass der Wirkungsgrad einer Glühlampe als Lichtquelle
sehr gering ist, da ca. 95% der Energie als Wärme ausgestrahlt werden und somit verloren
gehen [4]. Man kann aber diese Wärme in den kalten Jahreszeiten zum Teil ohne
Mehraufwand verwenden, um Räume zusätzlich in einem kleinen Rahmen und wie bisher meist eher unbewusst - zu heizen und somit fossile Brennstoffe zu sparen. Die Nutzung der
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Glühbirnen ist somit nicht immer eine Energieverschwendung, auch wenn die Lichtausbeute
relativ gering ist, und in den wärmeren Jahreszeiten könnte man dann im Wechsel
Energiesparlampen verwenden.
Mit einem praktischen Laborversuch zur Wärmeabgabe einer Glühbirne will ich
versuchen
diese
Vermutung
untermauern
und
beim
Energiesparen
zu
einem
ergebnisorientierten Handeln, insbesondere der Entscheidungsträger, auffordern.
Das Problem der nicht immer gesicherten und komplizierten Entsorgung von
Energiesparlampen mit Quecksilber [6, 8] (ca. 5mg pro Lampe [16, 17]) wird ebenfalls bei
einer weiteren sinnvollen und auch von der Temperatur abhängigen Nutzung der
herkömmlichen Glühbirnen zumindest verringert. Mit der Problematik der Umweltbelastung,
insbesondere für Quecksilber (Hg), hat sich ein weiterer Schüler unserer Arbeitsgruppe bzw.
Schule - Sebastian Frebel – in einer „Jugend forscht“ - Arbeit näher beschäftigt.
3. Material und Methode
Der schematische Aufbau der Apparatur (Abbildung 4) zeigt ein 1-Liter Glasbehälter mit
0,5 Liter Rizinusöl, dem Heizgerät, einem kleinen Stabmagneten zum Umrühren, eine 60-WGlühbirne, eine Lampenfassung mit Kabel und ein Digitalthermometer mit Fühler. Weiterhin
benutzte ich zum Beschweren der Glühbirne eine Metallmutter und zum Gesamtaufbau als
Halter für das Kabel und den Thermometerfühler eine Stativplatte mit Stange und Klammer.
1-Liter-Glasbehälter
Fühler
Digitalthermometer
Lampe
Rizinusöl
Rührmagnet
xx.x
Heizgerät
Abbildung 4. Der schematische Aufbau der experimentellen Anlage
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In einem Vorversuch (Abbildung 5) klärte ich ab, ob eine Glühlampe auch ohne Probleme in
dem Medium Öl funktioniert und Wärme abgibt.
Glühbirne aus
Glühbirne an
Abbildung 5: Photos zum Vorversuch: Funktionierende Glühlampe in Rizinusöl
Apparatur aus
Apparatur an
Abbildung 6: Photos zum funktionierenden Aufbau
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4. Laborversuch und Ergebnisse
Um meine Aussagen zu stützen, führte ich also einen Versuch durch, indem ich eine
Glühlampe in 0,5 Liter Rizinusöl getaucht habe, um dann durch Temperaturmessungen des
Öls aussagekräftige Daten über die Erwärmung durch die 60-W-Lampe zu bekommen.
Das Rizinusöl musste ich aufgrund seiner Viskosität und schlechter Wärmeleitfähigkeit
umrühren, damit sich die Wärme besser verteilt und genauere Messwerte ermöglichen. Dann
habe ich die Messwerte in einem Grafen zusammengefasst und sie linear approximiert
(Abbildung 7).
Abbildung 7: Temperaturerhöhung von 0,5 l Rizinusöl durch eine eingeschaltete Glühbirne in
Abhängigkeit von der Zeit
Der durchschnittliche Temperaturanstieg
ΔT
betrug 0,02366 K/s und die spezifische
Δt
Wärmekapazität cp von Rizinusöl beträgt 1,92 kJ/(kg·K) [12] bei einer Dichte von Rizinusöl
ρ = 0,95-0,97 g/cm3 [18].
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5. Diskussion und Zusammenfassung
Nach der Formel [1]
ΔQGB
ΔT
= c pVρ
Δt
Δt
(1)
(V ist das Volumen von Rizinusöl) kann ich so den Wärmestrom berechnen, den die
Glühbirne abgibt, dies sind ca. 21,83W, was ca. 30% der Lampenleistung beträgt. Bei allen
Rechnungen ging ich allerdings theoretisch davon aus, dass der Vorgang adiabatisch ist, also
ohne Wärmeverlust abläuft (was technisch nicht möglich ist). Da so ein deutlicher
Unterschied zwischen den theoretischen Erwartungen und der Praxis zu sehen ist, muss ich
die Messung wiederholen. Bis dahin muss ich bei den Berechnungen den theoretischen
Wärmeverlust der 60W-Glühbirne von 95% benutzen, dies sind 57,5 W. Wenn ich jetzt den
gemessenen durchschnittlichen Temperaturanstieg
ΔT
Δt
mit dem Quotienten aus der
theoretischen und dem gemessenen Wärmeleistung multiplizieren. Dadurch bekomme ich den
theoretischen Temperaturanstieg. Dieser beträgt 0,0623 K/s. Da die Luftdichte ρ = 1,293
kg/m³ [9] und die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen (denn in einer
geschlossenen Wohnung kann sich nur der Druck ändern) der Luft cV = 0,717 kJ/(kg·K) [10]
bekannt sind, kann man die Formel (1) auch benutzen, um in einem (theoretisch
angenommenen) abgeschlossenen thermodynamischen System auszurechnen, wie viel
Kubikmeter Luft eine Glühbirne in einer Minute um 1K erhitzen kann. Leider war es mir
natürlich im Rahmen dieses Schulversuchs nicht möglich, in einem völlig isolierten Raum zu
messen – es geht also Wärme nach außen verloren. Auch sind in der Praxis – also an
Glühlampen im Raum - diese Messwerte natürlich nur sehr bedingt übertragbar, da durch
Konvektion die Wärme von den Lampen unregelmäßig verteilt wird. Die meiste Wärme wird
sich wahrscheinlich in Richtung Decke verteilen und dort die Energie abgeben. Dies will ich
in kommenden Versuchen abklären. Eine Heizwirkung bleibt allerdings trotzdem bestehen, da
man ein mehrgeschossiges Gebäude wärmetechnisch gesehen als Ganzes auffassen muss,
wobei allerdings dessen Volumen so groß ist, dass die Heizwirkung gering ist. Auch das
Problem, dass sich die Wärme in der Glühbirne staut, kann vernachlässigt werden, da diese
Wärme nach dem Ausschalten der Lampe an die Luft abgegeben wird. Außerdem ist das
Volumen des Gases in der Glühbirne bei der Volumenberechnung mit einbezogen.
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Um einen ungefähren Vergleich zu ermöglichen, berechne ich hier den Einfluss der
Glühbirnen auf die Temperatur in einer perfekt wärmeisolierten Wohnung, die also
hypothetisch keine Wärme verliert. Ich setze voraus, dass diese Wohnung eine Fläche A von
80 m² und eine Höhe h von 2,5 m hat [22]. Wenn diese Wohnung von 8 Glühbirnen nGB
(Anzahl der Glühbirnen) beleuchtet wird [22], die täglich 4 Stunden t (Brennzeit) brennen,
dann erzeugen sie gemäß
EH =
ΔQ
n t
Δt GB
(2)
7177 kJ an Energie pro Tag und erwärmen die Wohnung nach der Formel
ΔT =
EH
cV Ahρ
(3)
um 38,7 K
Wenn man diesen Wert als einen Durchschnittswert für einen Haushalt annimmt, kann
man die ungefähre Wärmeenergie der Glühbirnen ausrechnen, die alle deutschen Haushalte in
einem Jahr (während der Heizperiode) erzeugen. Die Anzahl der Haushalte nh beträgt in
Deutschland ca. 39,2 Millionen [19] und die durchschnittliche Heizperiode tH beträgt 6
Monate (ca. 180 Tage). Die Formel für die erzeugte Energie Eg lautet
Eg = EH tH nh.
(4)
Daraus ergibt sich, dass alle deutschen Haushalte in Deutschland ca. 5,1·1013 kJ
Wärmeenergie durch Glühbirnen jährlich erzeugen. Ein Liter Heizöl hat einen Brennwert WÖl
von 10,08kWh oder 36,3MJ [14].
Es stellte sich mir nun die Frage: Welche Menge Heizöl kann diese Heizart (bei einem
hypothetisch angenommenen völlig wärmeisolierten Raum!) jährlich ersetzen? Die Formel für
die Berechnung der Ölmenge MÖl lautet
MÖl = Eg/WÖl
(5)
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Mit dieser Energiemenge könnte man – leider nur in der Theorie der völlig
wärmeisolierten Umgebung - in Deutschland jährlich 1,4·109 Liter oder 1,4·106 Kubikmeter
Heizöl sparen.
Da der Heizwert von Holz WH von 8 bis 16 MJ/kg [11] und der Brennwert von Erdgas WG
31 MJ/m³ [11] betragen, kann man auch die Holz- MH und Gasmenge MG mit der Formel (5)
berechnen, die die „Glühbirnenheizung“ theoretisch „ersetzen“ würde. Die entsprechenden
Berechnungen ergeben, dass man mit der Glühbirnenheizung 1,65·109 m³ Gas oder von
3,2·106 bis 6,4·106 Tonnen Holz in einem abgeschlossenen thermodynamischen System mit
optimaler Wärmeabgabe der Glühbirnen einsparen könnte.
Eine Energiesparlampe hat einen Wirkungsgrad von 20-40% [20], verliert also auch
immerhin 60-80% als Wärmeenergie. Da die Leuchtkraft einer 60W-Glühbirne die einer
12W-Energiesparlampe entspricht [7], kommt heraus, dass bei einer Energiesparlampe 7,29,6W als Wärmeenergie abgegeben werden. Daraus folgt, dass eine Energiesparlampe 0,4320,576
kJ/min
als
Wärmestrom
WE
abgibt.
Wenn
man
alle
Glühbirnen
durch
Energiesparlampen ersetzt, würde die Wärmeenergie pro Tag nach der Formel (2, siehe oben)
829,44-1106 kJ betragen. Für die ganze Heizperiode würde das nach der Formel (4, siehe
oben) 5,85·1012-7,8·1012 kJ Wärmeenergie EE ergeben, die alle Häuser in Deutschland
während
der
Heizperiode
erzeugen.
Somit
gewinnt
man
durch
Ersetzung
der
Energiesparlampen durch Glühbirnen nach der Formel
Egew=Eg-EE
(6)
4,32·1013-4,515·1013kJ Wärmeenergie während der Heizperiode. Nach der Formel 5
gerechnet ergibt sich, dass man damit 1,2·1010-1,24·1010 Liter oder 1,2·107-1,24·107 m3
Heizöl oder 2,7·106-5,64·106 Tonnen Holz oder 1,4·109-1,46·109 m3 Erdgas deutschlandweit
sparen kann (jedenfalls direkt bezogen auf ein geschlossenes System).
Jetzt
versuche
ich
das
Wärmeersparnis
in
einem
nicht
wärmeisolierten
Durchschnittshaushalt abzuschätzen. Eine Durchschnittswohnung mit einer Fläche A von
80 m² und einer Höhe h von 2,5 m hat 8 Glühbirnen nGB. Der Verbrauch einer
Durchschnittswohnung beträgt 150 kWh/(m2·a) [22]. Der ganze Wärmeverlust erfolgt
während der Heizungsperiode, denn wenn man die Temperatur auf dem konstanten Niveau
halten will, muss man heizen. Somit beträgt der Verbrauch einer Durchschnittswohnung
12000 kWh/a oder 43,2·106 kJ/a. Diese Energie muss durch die Heizung ersetzt werden.
Wenn man die Energiesparlampen durch Glühbirnen während der Heizperiode ersetzt,
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gewinnt man 1,1·106-1,14·106 kJ Wärmeenergie. Das sind 2,5-2,6% der zum Heizen
benötigten Energie. Die oben genutzten Daten habe ich in der Verbraucherzentrale Hessen in
Darmstadt bekommen.
Außerdem wäre so ein Glühbirnenverbot wirklich sinnvoll? Laut dem Mannheimer
Ökonom Andreas Löschel wäre das Glühbirnenverbot nur ein Tropfen im Meer, denn die
geplante Ersparnis ab 2012 um 15 Mio Tonnen CO2 jährlich wäre nur 0,4% des CO2Ausstoßes in Europa. China stößt zum Beispiel 5 Milliarden Tonnen CO2 jährlich aus und es
werden 550 Millionen Tonnen pro Jahr mehr. Mit diesen Werten hätte das Glühbirnenverbot
nur das CO2-Wachstum in China um eine Woche verzögert [13].
Neben den oben genannten Problemen hat das Glühbirnenverbot das Problem, dass die
Energiesparlampen und ihre Entsorgung doch nicht so gut sind, wie es die Werbung
verspricht. Das wichtigste Argument gegen die Energiesparlampe ist das Beinhalten des
Quecksilbers. Auch wenn das ganz geringe Mengen ist, muss man eine Glühbirne mit einem
speziellen Verfahren entsorgen. Auch gehört Quecksilber zu den gefährlichsten Stoffen, weil
es sich im menschlichen Körper nicht abgebaut werden kann. Außerdem gibt es in
Deutschland zu wenig Abgabestellen für Energiesparlampen. Auch werden nur 40% der
Energiesparlampen fachgerecht entsorgt. Was mit den anderen passiert, weiß man nicht.
Vielleicht vermodern sie irgendwo auf einer Müllhalde und verpesten die Umwelt. Neben der
Umweltproblematik sind die Energiesparlampen auch nicht so langlebig, wie es auf der
Verpackung steht – eine Energiesparlampe muss man nach 4000 – 5000 Einschaltzyklen
ersetzen. Insbesondere schneiden die billigen Energiesparlampen (möglicherweise auch am
meisten verkauften) bei der Leuchtkraft schlecht ab. Schon nach 1500 Leuchtstunden sinkt
ihre Leuchtkraft um 20%. Dabei senden sie statt eines kontinuierlichen Lichtstrahls ein
Flackern aus und manche von ihnen produzieren Infraschall, was ich schon aus manchen
Kaufhäusern kenne. Auch die elektromagnetische Strahlung der Energiesparlampen ist für die
Computerbildschirme zu stark und kann diese auch schädigen. Möglicherweise ist sie auch für
die Menschen schädlich, aber die Untersuchungen auf diesem Gebiet sind noch unzureichend.
Auf alle Fälle raten die Ärzte, sich von den energiesparenden Lichtquellen fernzuhalten. Und
zuletzt sind Energiesparlampen sehr temperaturanfällig – bei der Hitze sinkt ihre Lebensdauer
und bei der Kälte leuchten sie schlechter oder gar nicht. Auch erzeugen sie Störströme im
Netz, die man auch bezahlen muss und die auch für die anderen elektrischen Geräte gefährlich
werden können. [21]
12
Wie man diese Überlegungen mit weiteren Messungen und genaueren Daten zu meinen
auf theoretischen Vorgaben beruhenden Schätzungen untermauern oder widerlegen kann,
versuche ich in Zukunft heraus zu finden:
Æ Wichtig wäre hier die Klärung die Messung der Wärmeabgabe im Raum und ein
Vergleich mit der Wärmeabstrahlung einer Leuchtstoffröhre. Leider konnte dieser Versuch
aufgrund der Zeitknappheit und eines Defekts nicht mehr durchgeführt werden.
Æ
Die
reale
Übertragbarkeit
der
Wärmemessungen
und
der
verwendeten
Umrechnungsformeln auf einen idealtypischen Wohnraum, der natürlich in der Realität nie
ein abgeschlossenes thermodynamisches System darstellen wird, wie es bei den
mathematischen Berechnungen hier vorausgesetzt wurde.
Die durchgeführten Messungen der Erwärmung des Rizinusöls mit der Glühbirne und die
nachfolgenden theoretischen Einschätzungen deuten jedoch die Möglichkeit an, dass
Glühbirnen für die Heizung der Räume in den kalten Jahreszeiten als Zusatz zur
Zentralheizung, also als Licht- und Wärmequelle in einem kleinen Rahmen durchaus auch
weiterhin sinnvoll verwendet werden können.
Da die Entsorgung der quecksilberhaltigen Leuchtstoffröhren immer noch freiwillig ist,
würde dies auch zu einer Verringerung der Schadstoffbelastung im Müll führen.
13
6. Literatur
1. Demtröder, W.: Experimentalphysik 1, Springer Verlag, 5.Auflage 2008, S.290
2. Heinz, R.: Grundlagen der Lichterzeugung, HIGHLIGHT Verlagsges. mbH, 1.Auflage
2004, S. 26
3. Heinz, R.: Grundlagen der Lichterzeugung, HIGHLIGHT Verlagsges. mbH, 1.Auflage
2004, S. 27
4. Heinz, R.: Grundlagen der Lichterzeugung, HIGHLIGHT Verlagsges. mbH, 1.Auflage
2004, S. 29
5. Holzinger, H.: Von der Wachskerze zur Glühlampe, Verlag Harri Deutsch, Thun und
Frankfurt am Main, 1. Auflage 1998, S.37
6. Holzinger, H.: Von der Wachskerze zur Glühlampe, Verlag Harri Deutsch, Thun und
Frankfurt am Main, 1. Auflage 1998, S.101
7. Holzinger, H.: Von der Wachskerze zur Glühlampe, Verlag Harri Deutsch, Thun und
Frankfurt am Main, 1. Auflage 1998, S.106
8. Holzinger, H.: Von der Wachskerze zur Glühlampe, Verlag Harri Deutsch, Thun und
Frankfurt am Main, 1. Auflage 1998, S.110
9. Kurzweil, P. et al.: Formelsammlung Physik, Vieweg+Teubner, 2. Auflage 2009, S.71
10. Kurzweil, P. et al.: Formelsammlung Physik, Vieweg+Teubner, 2. Auflage 2009, S.111
11. L. Meyer, G.-D. Schmidt: Duden Basiswissen Schule Physik; Bibliographisches Institut
& F. A. Brockhaus AG, Mannheim, DUDEN PAETEC GmbH; 2005, S.150
12. Recknagel, Sprenger und Schramek, „Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik“,
Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 73. Auflage 2007, S.97.
13. Spiegel (2010): Ökonom kritisiert Glühlampenverbot, Nr.1, 04.01. 2010, S. 52
14. http://www.zentralheizung.de/heizkosten/heizoel.php
15. http://de.wikipedia.org, Seite: Glühbirne
16. http://de.wikipedia.org, Seite: Kompaktleuchtstofflampen
17. http://de.wikipedia.org, Seite: Richtlinie 2002/95 EG (RoHS)
18. http://de.wikipedia.org, Seite: Rizinusöl
19. http://de.wikipedia.org/wiki/Haushalt_(Hauswirtschaft)
20. http://www.hk24.de/produktmarken/innovation/energiefragen/energiemanagement/effizi
enter_energieeinsatz/beleuchtung.jsp (Internetseite der Handelskammer Hamburg)
21. http://deutsche-welle.de/dw/article/0,,5108832,00.html; http://deutschewelle.de/dw/article/0,,4619517,00.html (Internetseiten der „Deutsche Welle“ auf Russisch)
22. Verbraucherzentrale Darmstadt: Mündliche Beratung, Fr. Karin Gerhardt, 11.1.2010
14