Wärmehaushalt

Wärmehaushalt
von
Toni Müller
Marten Kuhnke
Gordon Fey
Franziska Hack
Thermoregulation
Thermoregultion steht in der Biologie für Thermokonforme, das sind wechselwarme Tiere
(poikilotherme), und für Thermoregulatoren, das sind gleichwarme Tier (homoiotherme).
Die Begriffe Warm- und Kaltblüter werden nicht verwendet und nur noch in Bezug auf
Pferderassen angewandt.
Homoiotherme sind Tiere, die ihre Körpertemperatur auf einem konstanten Grad halten, zu
diesen Tieren gehören die Säugetiere und die Vögel.
Poikilotherme sind hingegen alle Tiere, die ihre Körpertemperatur nach der
Außentemperatur richten müssen. Zu diesen Tieren gehören alle niederen Wirbeltiere
(Fische,Amphibien und Reptilien), sowie die wirbellosen Tiere.
Beide Arten der Tiere haben ihre eigenen Tricks entwickelt um sich vor den Gefahren der
Unterkühlung und der Überhitzung zu schützen. Zunächst erst etwas über die Homoiothermen
und ihren Tricks.
Homoiotherme:Gegen die Unterkühlen, bzw. dem Erfrieren, schützen sie sich, indem sie
entweder die Durchblutug der Haut ändern, das bedeutet, dass auf die Veränderung der
Umgebungstemperatur die Blutgefäße in der Haut erweitert oder verengt werden.Eine andere
Methode sich zu schützen ist die, dass wie der Mensch die Tiere anfangen zu zittern und so
mit sich die Muskeln aufwärmen.
Poikilotherme: Käfer können sogar bei Minustemperaturen im Körper weiter überleben.
Somit haben sie keinen Probleme bei geringen Temperaturen. Andere Poikilotherme nehmen
meist die Temperatur der Umgebung an. Sie müssen sich nahc der Umgebung richten und von
anderen Quellen Wärmeenergie beziehen. Armeisen überleben in dem sie in riesigen Staaten
überleben und somit eine Burg schaffen die sie isoliert.
Winterschlaf und Winterruhe:
Winterschlaf und Winterruhe sind bei Tieren Möglichkeiten den Winter und somit dem
Kältetod zu endgehen. Um jedoch Winterschlaf und Winterruhe zu tun können muss ein
System der Thermoregulation bei den Tieren vorhanden sein, somit können einzig allein
homoiotherme Tiere dies tun.
Winterschlaf: Es Gibt vier Ordnungen dei Winterschlaf tun, das sind einmal die
Insektenfresser (Igel), dann halten einige Nagetiere auch Winterschlaf (Hamster,Murmeltier),
sowie Primaten (Fettschwanzmaki) und die Fledertiere (Fledermäuse). Erst wenn die
Temperatur der Tiere auf 0,2- 5°C fällt darf man sie Winterschläfer nennen. Bei dem
Winterschlaf sinkt die Atem- und Herzschlagfrequenz und der Gesamtenergieumsatz wird
reduziert, so fällt das Tier in einen stärkeren Starrezustand als im Schlaf.
Winterruhe: In der Winterruhe verändern die Tiere nicht so drastisch ihren Stoffwechel wie
bei dem Winterschlaf. Dennoch ernidriegt sich die herzfrequenz doch erreicht sie meist jeden
Tag für ca. 30 min. einen erhöhten Wert. Viele Arten brinegn zu der Zeit auch ihre Jungen zur
Welt, was auf jedenfall ein geregeltes System erfordert.
Haare und Felle:
Viele Tiere haben ein Fell, was ihnen hilft warm zu bleiben, da Luft ein sehr schlechter
Wärmeleiter ist und somit eine Luftschicht zwischen den Haaren entsteht. Viele dieser Tiere
haben aber dazu noch zwei verschiedene Fellarten, die ihnen helfen selbst im Winter noch
eine warme Luftschicht im Fell zu erhalten. Es gibt einmal das Winterfell, bei dem die Haare
länger sind und auch es mehr gibt. Das Sommerfell ist hingegen von der Haarlänge meist
kürzer. Das Aufrichten der Haare sorgt zusätzlich für eine dickere Luftschicht.
Verdunstungskälte:
Schwitzen und Hecheln sind Möglichkeiten um Verdunstungskälte zu erschaffen. Beim
Hecheln entsteht diese Kälte indem Nasenhöhlensekret verdunstet wird. Luft wird durch die
Nase eingeatmet und durch den Mund wieder ausgeatmet. Das beste Beispiel ist der Hund
aber auch Katzen, Schafe und Anthilopen nutzen diese Eigenschaft. Der Vorteil vom Hecheln
gegen über dem Schwitzen ist der, dass kein Salzverlust entsteht duch das Schwitzen.
Allerdings besteht die Gefahr, dass der ph-Wert des Blutes steigt, da zu viel Sauerstoff
eingeatmet wird und zu viel Kohlendioxid ausgeatmet wird. Auch der Elefant hat seine
Möglichkeiten erschaffen sich zu kühlen. Der asiatische Elefant kann mit dem Rüssel
Speichel aus den Backentaschen holen und diesen über den Körper verteilen. Hingegen der
afrikanische Elefant fächelt sich Luft mit seinen großen Ohren zu.
Energieentwertung
In jedem Haushalt wird Energie dazu verwendet elektronische Gegenstände anzutreiben oder
Wärme zu erzeugen. Aber wo geht die Energie hin wenn sie verbraucht wurde?
Erst einmal, Energie wird nicht wirklich verbraucht, sie wird nur in andere Energie
umgewandelt. Nehmen wir zum Beispiel einen Haarföhn. Damit dieser funktioniert muss ihm
elektrische Energie zugeführt werden, in diesem Fall kommt sie aus der Steckdose. Die Folge
ist, dass der Föhn angeht und warme Luft aus ihm strömt.
Die elektrische Energie wird dazu verwendet Drähte im Gerät zu erhitzen und einen kleinen
Propeller zu drehen, der die durch die Drähte erwärmte Luft nach draußen befördert. Die
elektrische Energie wird also in den Drähten zu Wärmeenergie umgewandelt. Diese wird von
den Drähten an die Luft weitergegeben, wodurch sich die Luft erwärmt. Die Wärmeenergie
verteilt sich darauf sozusagen im ganzen Raum, im ganzen Haus und schließlich auch
außerhalb des Hauses.
Auch der Propeller im Föhn gibt etwas Wärme ab. Denn wenn er sich dreht, entsteht Reibung
mit der Luft, die ihn umgibt, und wo Reibung ist, entsteht auch Wärme, die sich wiederum
ausbreitet.
So Funktioniert das mit allen energiebetriebenen Geräten. Die „Antriebsenergie“ wird in
jedem Fall am Ende in Wärmeenergie umgewandelt. Da man diese Form von Energie nicht
mehr als dieselbe Antriebsenergie benutzen kann, spricht man von Energieentwertung.
Energieverlust
Sobald man sein Zuhause erwärmen möchte schaltet man die Heizung ein. Dabei wird
chemische Energie von Öl in Wärmeenergie umgewandelt in dem man das Öl verbrennt. Die
Folge ist, dass das Öl seine Wärme an Wasser abgibt. Das heiße Wasser fließt darauf durch
den Heizungskörper und erwärmt die Luft in dem Raum, in dem sich der Heizkörper befindet.
Irgendwann gibt die Luft aber die Wärme an die Wände des Hauses ab. Diese wiederum
geben sie an die äußere Luft ab. Man spricht von einem Energieverlust. Das Problem ist,
dass das verbrennen von Öl Geld kostet. Um also den Energieverlust zu verlangsamen (und
um Geld zu sparen) kann man sein Haus mit speziellen Kameras untersuchen lassen. Diese
Kameras zeigen, an welchen Stellen des Hauses besonders viel Temperaturverlust herrscht.
Diese Stellen werden rot bis violett dargestellt. Dieses Verfahren nennt man Thermografie.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann man bestimmte Stellen am Haus isolieren, damit nicht mehr
so viel Wärme verloren geht.
Es gibt aber auch Fälle, in denen Energietransport erwünscht ist. Zum Beispiel wenn man die
Wärmeenergie nicht behalten möchte sondern eher „loswerden“ will, um Sachen kühl zu
halten. Zum Beispiel bei einem Kühlschrank, einem Computer oder einer Klimaanlage. Dazu
werden besondere Maßnahmen ergriffen.
Ein Computer überhitzt bei längerer Nutzung schon mal gerne. Damit das nicht passiert,
werden die Transistoren und Mikroprozessoren mit Kühlkörpern ausgestattet. Solche
Kühlkörper bestehen meist aus Aluminium, da dieses Metall ein sehr guter Wärmeleiter ist.
Die Prozessoren geben die Wärme an das Metall ab, welches wiederum die Wärme an die
Luft abgibt. Auf diese Weise bleiben die Prozessoren kühl. Häufig befindet sich noch ein
kleiner Ventilator am Kühlkörper.
Eine Klimaanlage funktioniert auf fast dieselbe Art wie ein Kühlschrank. In Rohren befindet
sich ein Kältemittel (entweder Ammoniak oder ein Halogenwasserstoff). Diese Flüssigkeit
„nimmt“ die Wärme in dem Raum auf, der gekühlt werden soll. Dann fließt sie nach außen
und gibt die Wärme an die Luft ab. Diese fließt wieder nach innen (einfaches Beispiel).Der
Vorgang wiederholt sich immer wieder um die Temperatur konstant niedrig zu halten.
(Einfaches Beispiel für eine Klimaanlage)
Energieumsatz in einem Haus
Einleitung
Tabelle: Energienutzung im privaten Bereich
1 %: Licht
2 %: Kochen
4 %: Waschen, Kühlen, Unterhaltung
7 %: Warmwasser
31 %: Kraftfahrzeuge
55 %: Heizen
Diese Tabelle macht deutlich, dass für die Heizung in einem Haus die meiste Energie
verbraucht wird.
Die verschiedenen Arten des Energietransports sind – auch im Haus:
1. die Wärmeleitung
Bei der Wärmeleitung wird die Energie von der Materie transportiert, ohne dass diese selbst
mitbewegt wird. Dabei „fließt“ die Wärme stets in Richtung des Temperaturgefälles. Bei der
Wärmeleitung wird die Energie von Teilchen zu Teilchen weitergegeben.
Am Beispiel des Hauses: Ist die Außenseite der Wand kühler als die Innenseite, wie es z.B.
im Winter der Fall ist, so fließt ständig Wärme durch die Wand zur Außenseite. Dort wird sie
an die Außenluft abgegeben.
2. die Konvektion
Bei der Konvektion strömt innere Energie mit der Materie.
Das geschieht im Haus durch Öffnen der Fenster und Türen und durch undichte Stellen,
Fugen und Ritzen.
3. die Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist Energietransport ohne Materie. Jeder Körper strahlt Energie ab. Bei
höherer Temperatur mehr als bei niedriger. Dabei ändert sich die Temperatur eines Körpers
nicht, wenn die in einer bestimmten Zeit abgestrahlte Energie gleich ist der in der gleichen
Zeit aufgenommenen Energie.
Dieser Grundsatz gilt auch für ein Haus.
Bei einem Haus fließt bei niedrigen Außentemperaturen ein ständiger Strom von Energie nach
draußen. Um die Innentemperatur konstant zu halten, muss daher ständig Energie zugeführt
werden.
Das Haus stellt also einen Energiewandler dar. Die gesamte Energie, die wir in das Haus
hineinstecken, fließt wieder in die Umgebung, und zwar unabhängig, ob das Haus gut oder
schlecht isoliert ist. Schalten wir die Heizung ab, dann fließt so lange Energie nach draußen,
bis sich die Temperaturen innen und außen ausgeglichen haben.
Energiesparmassnahmen beim Wärmehaushalt eines Hauses
Tabelle: Wärmeverluste bei einem Haus (Durchschnittswert)
+ 100 %: Heizkessel
- 10 %: Keller und Boden
15 %: Dach
20 %: Abgase
25 %: Wände
30 %: Lüftung und Fenster
1. Energiesparen durch Dämmung
Die Tabelle macht deutlich, dass Außenwände und Fenster die größten energetischen
Schwachstellen eines Hauses sind.
Der Wärmedurchgang durch eine Wand oder die Fenster setzt sich aus Konvektion und
Wärmeleitung zusammen
2. wirksame Heizungssysteme
moderne Steuerungseinrichtungen für die Heizungsanlage, alle Heizkörper sind heutzutage
mit Thermostaten ausgestattet, regelmäßige Wartung und Einstellung der Anlage
3. Maßnahmen, die von jedem einfach durchgeführt werden können
a) Heizkörper müssen die Wärme frei an die Raumluft abgeben können. Sie dürfen auf keinen
Fall durch Möbel verstellt werden.
b) Rollläden und Vorhänge sollte man in der Nacht schließen, damit weniger Wärme über die
Fenster verloren geht.
c) Richtiges Lüften
Kurzes, kräftiges Lüften ist besser als Dauerlüften über gekippte Fenster. Durch Dauerlüften
werden Wände und Möbel abgekühlt.
Beim Lüften sollte auch die Heizung abgestellt sein.
d) die richtige Temperatur
Jedes Grad weniger Raumtemperatur bringt etwa 6% Energieersparnis.
Man braucht im Winter nicht mit T-Shirt rumlaufen, man kann auch mal einen Pullover
anziehen.
Nicht alle Räume einer Wohnung müssen gleich beheizt werden.
Für die unterschiedlichen Räume werden folgende Temperaturen empfohlen:
Badezimmer:
24°C
Arbeits- und Kinderzimmer: 22°C
Wohn- und Esszimmer:
20°C
Küche, Korridor:
18°C
Hobbyraum, Schlafzimmer: 16°C
Treppenhaus, Windfang:
12°C
Kellerräume:
6°C (Frostschutzgrenze)
Eine Absenkung der Temperatur nachts für alle Wohnräume auf 14°C ist ebenfalls
empfehlenswert.
Energie sparen: Wärmedämmung
In jedem modernen Haushalt muss Energie gespart werden und wird Energie gespart, und
zwar nicht nur bei so offen sichtlichen Energiesparvorrichtungen wie Energiesparlampen. Wie
beim Menschen selbst entfällt auch im Haushalt der Hauptanteil der benötigten Energie (55%)
auf das Heizen.
Um nicht unnötig Wärme vom Haus an die Umwelt abzugeben und so die Energie zu
entwerten werden Häuser schon immer gedämmt.
Wie funktioniert Wärmedämmung?
Neue Häuser werden innen oder außen mit Dämmstoffen verkleidet. Das gilt sowohl für die
Wände, als auch für das Dach und den Keller.
Häufig genutzte Dämmstoffe sind:
-Kunststoffe wie Styropor (großporig)
-Glaswolle
-Schaumglas
-Bimsstein
-Ziegel (Wand- & Dach-)
-Porenbeton
-Fasern wie Wolle, Flachs, Hanf
Diese Stoffe eignen sich deshalb gut als Dämmstoffe, weil sie eine geringe
Wärmeleitfähigkeit bzw. eine hohe Wärmekapazität haben.
Auch die Fenster in einem modernen Haus sind gedämmt; 2-3 Glasscheiben mit Luft
dazwischen leiten nicht so gut die Wärme wie herkömmliche Fenster.
Wie effektiv ist Wärmedämmung?
Ein gedämmtes Haus benötigt weit weniger als ein drittel an Energie bzw. Heizöl und so im
Endeffekt Geld als ein nicht gedämmtes Haus. Um ein paar Beispiele zu nennen:
100 qm- Haus von:
Heizölverbrauch /Jahr:
Energieverbrauch/ m² /Jahr:
1960
3700l
280kWh
1982
1500l
1995
1000l
2005
500l-700l
70kWh
Nach deutschem Gesetz darf ein Neubau nur noch maximal 78kWh pro m² pro Jahr zum
Heizen benötigen.
Was verspricht die Zukunft?
Momentan wegen hohem Produktionsaufwand noch sehr teuer, aber nichtsdestotrotz die
effektivste und deshalb vielleicht fortschrittlichste Methode ein Haus zu dämmen ist
Vakuumdämmung. Hierzu wird ein druckresistenter Stoff unter Unterdruck oder im Vakuum
in Edelstahl oder Kunststoff eingeschweißt. Da nur wenige Moleküle in der Dämmschicht
verbleiben, wird die Wärme hier fast gar nicht geleitet. Eine Schicht Vakuumdämmung ist
etwa so effektiv wie 30 cm herkömmlicher Dämmstoff.