Ermittlung der Wärmeproduktion

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

ich möchte gern die Wärmeproduktion in einem offenen System (4*2*1,6m, isolierverglast, 3 Scheiben) ermitteln. Die erwartete Wärme, die darin gebildet werden wird, liegt in der Größenordnung 1-2 kW. Es wird Abluft abgesaugt und Frischluft dadurch in der gleichen Menge eingesaugt (kleine Öffnungen). Das System ist nur mit Luft und dem Wärmeproduzenten gefüllt. Der Wärmeproduzent nimmt ein Volumen von 500L ein und produziert CO2 und CH4, und ist belebter Natur. Die Temperatur kann durch eine Klimaanlage konstant auf bspw. 20°C gehalten werden. Die Frisch- und Abluft konnen auf CO2, CH4 und O2 analysiert werden.

Die Druck- und Temperaturverhältnisse können für die ein- und ausströmende Luft gemessen werden.

Kann man unter diesen Umständen die gebildete Menge zuverlässig mit vertretbarem Aufwand ermitteln? Ich dachte, man könnte die Leistung der Klimaanlage (zum Gegenkühlen) zu Grunde legen.

Zur Überprüfung dieses System wäre als Wärmeproduzent ein Tauchsieder im Wasserbad (500L) denkbar. Die Wirkungsgrade müssen sicher berücksichtigt werden.

Über Expertenmeinungen und rege Diskussionen würde ich mich sehr freuen.

Vielen Dank im Voraus.

Grüße Gerald.

#2

Hallo Gerald,
Die Arbeit, die die Klimaanlage aufbringen muss um das System auf konstante Temperatur zu halten, kann man dazu verwenden um Aufschluss auf die produzierte Wärme zu erhalten - das ist richtig. Allerdings sollte die Klimaanlage auf die Umgebungstemperatur des Systems eingestellt sein, ansonsten tritt eine erhöhte Temperaturabgabe durch die Wände des Systems auf - solange das System nicht gut isoliert ist.

Also wichtig für die Analyse ist, denke ich:

  • eine gute Isolierung des Systems gegen die Umgebung
  • die Klimaanlage ist auf die Umgebungstemperatur eingestellt, d.h. in der Anlage ist es genauso warm wie in der Umgebung.
  • die Leistung der Klimaanlage, die dazu verbraten wird um Reibungsverluste (in der Klimaanlage selbst) auszugleichen muss abgezogen werden. Näherungsweise kann man das bestimmt auch einfach vernachlässigen.
  • die Wärmeabgabe durch die Abluft muss noch ermittelt werden, dazu muss die Menge an Ab- und Zuluft gemessen werden, deren Temperaturdifferenz bestimmt werden und daraus die Energie/Leistung ermittelt werden.

Das müsste Näherungsweise mit dem gehen:

E = Cv * (T1 - T2)

mit Cv als die Wärmekapazität von Luft.
Cv_Luft = 1,005 kJ/(kg K)
Achtung! Die Temperatur muss in Kelvin angegeben werden.

Ich denke, das war mal soweit alles was mir gerade einfällt - ansonsten einfach nochmal nachfragen.
Beste Grüße
Matthias Kesenheimer

#3

Hallo Gerald,

für mich hört sich das ganz danach an als wolltest du wissen was man machen kann damit Tiere in einem Wintergarten nicht sterben wenn man sie da alleine lässt…
Du hast die ganze Lage wirklich nett beschrieben und es gibt sicherlich auch eine wissenschaftliche Antwort, aber die möchte ich dir erst geben nachdem ich weiß was du hier genau planst … Denn ich möchte nicht dafür verantwortlich sein wenn irgendwelche Tiere in deinem Wintergarten eingehen.

#4

Hallo Markus,

Deine Vermutung finde ich interessant. Im Prinzip hast Du damit fast recht. Aber lass es mich entschärfen. In dieser Kammer (Respirationskammer) wird im Moment der Gaswechsel (CO2, O2-Verbrauch und Methan) von landw. Nutztieren erfasst. Diese Methode ist quasi der Goldstandard der Energiebewertung. Die Tiere werden dabei, abgesehen von der Bewegungseinschränkung, nahezu nicht beeinträchtigt. Das ganze Vorhaben läuft so bereits und wird ständig von Tierschutzbeauftragten des Regierungspräsiduums kontrolliert. Die Tiere, im Moment Schafe, gehen für einen Tag in diese Kammer und gehen sogar selbst hinnein. Sie haben sich daran gewöhnt. Und es steht ein ernstzunehmendes Versuchsvorhaben dahinter.
Dieses System wollte ich um meine Ausführungen erweitern, da die Wärmeproduktion bisher aus dem Verbrauch von O2 und der Produktion von CO2 und CH4 geschätzt wird.

Grüße Gerald.

#5

Hallo Matthias,

vielen Dank für Deine Ausführungen. Ich werde Dich bei Gelegenheit darüber informieren wie der Stand der Dinge ist. Mich beruhigt an dieser Stelle, dass dieses Unterfangen möglich ist.

Grüße Gerald.

#6

Hallo Gerald,

naja, war ja auch nicht schwer zu erraten was das ganze werden soll :wink:

Also du solltest hier wie folgt vorgehen:
Da hier ja KEIN isochores Ausgangssystem vorliegt und das system weder isobar noch isotherm ist schlage ich vor:

Angenommen mal es ist eine Scheune hast du unter dem Dachstuhlanfang in jeder Himmelsrichtung vier zentrale Lufteinlässt, dort wird der Luftstorm, die Zusammensetzung, Temperatur und Feuchtigkeitsgrad ermittelt. und du hast an der Scheune am höchsten Punkt einen entsprechend quantifizierten Luftauslass in dem selbiges gemessen wird, u.U. muss der Luftstrom verlangsamt werden, d.h. hier ein „Verwinkelungssystem“ eingeführt werden.
Wenn die Scheune oder was auch immer sonst dicht ist, müsste die Messung so an insg. 5 Punkten ein entsprechendes Resultat liefern. Desweiteren sollte man aber auch überlegen ob man nicht Partikel / Infrarotsensoren einbauen sollte um den Thermokoeffizienten der Energiequellen zu erfassen.

#7

@Markus:
Die Temperatur zu messen reicht aber nicht aus. Gerald will ja die Leistung bestimmen.
Ausserdem: Ob das System isotherm/isobar/oder isochor ist, spielt doch nicht unbedingt eine Rolle, oder?

#8

Achja nochwas:
Es ist sogar ein Isochores System. Das Volumen der Luft bleibt näherungsweise immer das selbe, auch wenn es ausgetauscht wird.