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 hc. Da hc 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 hc-Werte im Post-Processing errechnet. Dies geschieht ebenfalls nur näherungsweise, da diese Gleichungen nicht exakt gelöst werden können. Eine Alternative zu dieser mathematischen hc-Bestimmung stellt die Messung von hc 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 hc über die Beziehung hc = &lgr;/d, mit &lgr;, 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.

Measuring the convective heat transfer - development of a new sensor and some applications in the field of building physics
Recording convective heat fluxes from some fluid (e.g. air) into any surface- and vice versa- often is a task in applied research. This holds too for building physics, e.g. computing the energy balance of buildings, the effectivity of heating surfaces, the physical cause for unwanted local cooling (draught). The convective heat flux is the product of the difference of temperatures between the fluid and the adjacend surface and the convective heat transfer coefficient hc. The air movement close to the surface determines hc. But the accurate measurement of velocities and directions of the currents is nearly impossible because of its spacial and temporal fluctuations. Therefore flow conditions at surfaces often are only calculated by Computational Fluid Dynamics (CFD). Here the Navier-Stokes -equations are solved numerically. Subsequently the hc-values are calculated by Post-Processing, but also only numerically because these equations cannot be solved exactly. An alternative to the mathematical determination of hc is its measurement, using the here presented new Convective Heattransfer Meter (CHM), developed at Fraunhofer IBP. Its principle is to measure the thickness of the temperature boundary layer d close to the surface. And hc follows from hc = &lgr;/d, &lgr; the thermal conductivity coefficient of the fluid.
Two successful applications of the CHM in the field of building physics are presented: one indoor and one outdoor experiment. Both a.m. methods to record the convective heatflux complement one another because CHMs can be used to validate CFD-calculations in future. E.g. local CHM-measurements on a wall area can be used to fit global CFD- approximation results for the whole wall.