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Thermodynamik & Wärmeübertragung

Wärmestrom durch Wärmedurchgang

Welcher Wärmestrom fließt bei bekanntem k-Wert durch eine Fläche A bei der Temperaturdifferenz ΔT?

Umstellen nach

Ist der Wärmedurchgangskoeffizient k einer Wand oder einer Wärmeübertragerfläche bekannt, folgt der Wärmestrom einfach aus Q̇ = k · A · ΔT. ΔT ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden auf den Seiten der Wand – also z. B. Raumluft minus Außenluft bei einem Bauteil oder die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Kühlmedium bei einem Wärmeübertrager.

Die Formel ist die Grundgleichung der Wärmeübertrager-Auslegung (Plattenwärmeübertrager, Rohrbündel, Heizregister, Fernwärmeübergabestationen) und zugleich der Transmissionswärmeverluste von Gebäudehüllen. Bei Wärmeübertragern ändert sich die Temperaturdifferenz entlang der Fläche; dann ist für ΔT die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz ΔT_ln einzusetzen (Rechner im Bereich TGA).

Größen und Einheiten

SymbolBedeutungEinheit
Wärmestromübertragene Wärmeleistung (1 000 W = 1 kW)W
Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert)Kennwert der Wand bzw. des Wärmeübertragers (siehe k-Wert-Formel)W/(m²·K)
FlächeWärmeübertragungsflächem²
Temperaturdifferenzzwischen den Fluiden beider Seiten; bei Wärmeübertragern die mittlere (logarithmische) TemperaturdifferenzK

Rechner

W
W/(m²·K)
typisch: Außenwand 0,2 … 1,5 · Plattenwärmeübertrager Wasser/Wasser 2 000 … 5 000
m²
typisch: 0,5 … 500
K
typisch: 3 … 40

Ergebnis

Rechenweg

  1. Werte eintragen, eine Größe leer lassen, „Lösen“ drücken.

Ergebnis ohne Gewähr – ersetzt keine Fachplanung.

Beispiel

Ein Plattenwärmeübertrager zur Systemtrennung hat 2,5 m² Übertragungsfläche und einen k-Wert von 3 000 W/(m²·K). Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärkreis beträgt 8 K. Welche Leistung überträgt er?

  1. Gegeben: k = 3 000 W/(m²·K), A = 2,5 m², ΔT = ΔT_ln = 8 K. Gesucht: Q̇.
  2. Formel: Q̇ = k · A · ΔT.
  3. Einsetzen: Q̇ = 3 000 W/(m²·K) · 2,5 m² · 8 K = 60 000 W = 60 kW.
  4. Praxis: Mit zunehmender Verschmutzung (Fouling) sinkt k; Hersteller legen deshalb mit einem Zuschlag von 10 … 30 % Fläche aus.

Ergebnis: 60 000 W = 60 kW

Gültigkeit & Hinweise

  • Gilt im stationären Zustand. Bei Wärmeübertragern ist ΔT die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz ΔT_ln (Gegen-/Gleichstrom), nicht die Differenz der Eintrittstemperaturen.
  • k und A müssen sich auf dieselbe Bezugsfläche beziehen (bei Rohren: Innen- oder Außenfläche).
  • Bei Gebäudebauteilen entspricht die Formel dem Transmissionswärmeverlust mit U statt k und ΔT = Innen- minus Außentemperatur.

Typische Fehler

  • k in kW/(m²·K) oder Q̇ in kW mischen – die Formel ist hier in W.
  • Eintrittstemperaturdifferenz statt mittlerer Temperaturdifferenz verwenden (überschätzt die Leistung).