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Glossar - Begriffe verständlich erklärt
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Übersicht
>> Thermostatisches Mischventil
Temperaturgradient
- Unterschiedliche Temperaturgradienten kontinentaler Tiefbohrungen
Als Temperaturgradienten bezeichnet man einen räumlichen Temperaturunterschied, der durch einen mathematischen Gradienten beschrieben wird. Der Temperaturgradient ist üblicherweise in alle drei Raumrichtungen ausgeprägt und gibt daher den Temperaturunterschied in x-, y-, und z-Richtung an. Für spezielle Anwendungen ist jedoch auch nur ein zwei- oder gar eindimensionaler Temperaturgradient von Belang, wobei sich dieser auch wesentlich einfacher auf mathematischem Wege beschreiben lässt.
Der Temperaturgradient ist ein wesentlicher Bestandteil vieler technischer Fragestellungen, zum Beispiel der Diffusion, Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion. In der Meteorologie ist der atmosphärische Temperaturgradient von entscheidender Bedeutung. In der Geologie und besonders in der Geothermie spielt der Temperaturgradient der Erdkruste, die so genannte geothermische Tiefenstufe eine wichtige Rolle.
Die geothermische Tiefenstufe ist die Tiefe, in der sich die Erdkruste um ein Grad Celsius erwärmt, und steht damit für den Temperaturgradienten derselben. Eine solche Erwärmung erfolgt durchschnittlich alle 33 Meter, wobei man aufgrund dessen auch oft einen Gradienten von 3 °C pro 100 Meter angibt. Es treten jedoch erhebliche Abweichungen von diesem Mittelwert auf, so zum Beispiel auf der Schwäbischen Alb mit 11 Metern oder in Südafrika mit 125 Metern. Diese Abweichungen sind unter anderem durch die örtlich variierende Mineralogie, Geologie, Morphologie und besonders vulkanische Aktivität bedingt. Hervorgerufen werden die höheren Temperaturen durch höheren Oberflächenwärmefluss.
Die Wärme im Erdinnern stammt zu 70 Prozent aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdmantel und Erdkern und zu 30 Prozent aus der aufsteigenden Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung. Die geothermische Tiefenstufe ist zum Beispiel für die Geothermie, aber auch für jede Art von Tiefbohrungen relevant. In vulkanisch aktiven Gebieten ist sie besonders klein, wobei es jedoch im Bereich von Subduktionszonen in größeren Tiefen auch zu einer Inversion des Temperaturgradienten kommen kann.
Thermische Behaglichkeit
Damit Menschen sich behaglich fühlen, ist es notwendig, dass die Raumluft sowie die Umschließungsflächen (z.B. Wände, Decke) eine bestimmte Temperatur aufweisen. Je geringer dabei die Oberflächentemperatur von Wänden, Decke und Boden ist, desto größer muss die Raumtemperatur sein, um das Gefühl von Behaglichkeit zu erreichen. Dabei sollte die Temperaturdifferenz zwischen Raumlufttemperatur und mittlerer Oberflächentemperatur 2 bis 3 K (°C) nicht überschreiten.
Bei älteren Gebäuden ist die Temperaturdifferenz in der Regel aber wesentlich größer. Dies führt bei Altbauten in der Regel zu höheren Raumtemperaturen und damit auch zu größeren Wärmeverlusten. Abhilfe ist durch Anhebung der Oberflächentemperatur der Wände z.B. durch das Anbringen eines Wärmedämmverbundsystems auf der Außenseite der Außenwand möglich. Dies führt zudem dazu, dass Heizkörper effizienter eingesetzt werden können, da die Vorlauftemperatur reduziert werden kann.
Thermostatisches Mischventil
In einem Solarspeicher können je nach Sonneneinstrahlung und momentanem Verbrauch höhere Warmwassertemperaturen entstehen. Zum Schutz gegen Verbrühung wird am Warmwasseraustritt des Speichers ein thermostatisches Mischventil installiert. Durch Zumischung von Kaltwasser wird die maximale Warmwassertemperatur auf einen eingestellten Wert begrenzt.
Tiefe Erdwärmesonden
Die tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung. Sie besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der ein Fluid zirkuliert. In der Regel schließt man dabei das Fluid in einem koaxialen Rohr ein: Im Ringraum der Bohrung fließt das kalte Wärmeträgerfluid nach unten, um anschließend in der dünneren eingehängten Steigleitung erwärmt wieder aufzusteigen. Derartige Erdwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und den Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW betragen und somit wesentlich kleiner sein als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Austauschfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie praktisch der Mantelfläche der Bohrung entspricht. Neue tiefe Erdwärmesonden werden zurzeit (2005) in Aachen (Universität) und Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.
Alternativ zur Zirkulation von Wasser (eventuell mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern (Wärmerohre oder aus dem Englischen Heatpipes) vorgeschlagen worden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Flüssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden, oder ein Gemisch beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Eine derartige Sonde kann auch unter Druck und dann beispielsweise mit Kohlendioxid betrieben werden. Heatpipes können eine höhere Entzugsleistung haben als konventionelle Sonden, da sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels haben können. Durch die Isolierproblematik bei höheren Wasserdrücken ist der eigentliche Wärmeverlust im Bereich von 0-1000 mtr. festzustellen. Selbst gute PU Schäume verhindern nicht das hineindiffundieren von H²O Molekülen. Das beste wäre eine Vakuumrohrummantelung für den Vor- und Rücklauf.
Thermodynamik
Die Thermodynamik, auch als Wärmelehre bezeichnet, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsform und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie erweist sich als vielseitig anwendbar in der Chemie, Biologie oder auch Geothermie. Mit ihrer Hilfe kann man zum Beispiel erklären, warum bestimmte chemische Reaktionen spontan ablaufen und andere nicht. Die Thermodynamik ist eine rein makroskopische Theorie, die davon ausgeht, dass sich die physikalischen Eigenschaften eines Systems hinreichend gut mit makroskopischen Zustandsgrößen beschreiben lassen.
Dabei werden intensive Zustandsgrößen, beispielsweise Temperatur T, Druck p und chemisches Potenzial μ, von extensiven Zustandsgrößen, beispielsweise innerer Energie U, Entropie S, Volumen V und Teilchenzahl N, unterschieden. Die Arbeit W und die Wärme Q sind keine Zustandsgrößen, da sie nicht vom Zustand des Systems zu einem gegebenen Zeitpunkt sondern von seiner gesamten Vorgeschichte abhängen.
Die Gleichungen, die konkrete Zusammenhänge zwischen den Zustandsgrößen für spezielle physikalische Systeme (z.B. ideales Gas) liefern, heißen Zustandsgleichungen.
Die Thermodynamik kann vollständig auf vier Axiome, den vier Hauptsätzen, aufgebaut werden. Diese Axiome sind in ihrer ursprünglichen Formulierung - entsprechend ihrer Entstehung beruhend auf empirischen Beobachtungen - reine Erfahrungssätze. Aus diesem Grund behält sie den ausgezeichneten Status einer eigenständigen physikalischen Theorie. Ihre Anwendbarkeit muss auf geeignete Systeme eingeschränkt werden, nämlich solche, die sich aus genügend vielen Einzelsystemen, also meist Teilchen, zusammensetzen.
Transmissionswärmeverlust
Wärmestrom durch die Außenbauteile je Grad Kelvin Temperaturdifferenz. Es gilt: je kleiner der Wert, um so besser ist die Dämmwirkung der Gebäudehülle. Durch zusätzlichen Bezug auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche liefert der Wert einen wichtigen Hinweis auf die Qualität des Wärmeschutzes. Nach der Energieeinsparverordnung (EnEV) liegen die zulässigen Höchstwerte zwischen 1,55 (große Nichtwohngebäude mit Fensterflächenanteil über 30%) und 0,44 W/(m²× K) (kleine Gebäude).
Treibhauseffekt
- Schema des Treibhauseffekts (Quelle: energydesign)
- Auswirkungen des anthropogenen Treibhauseffekts
Der Treibhauseffekt lässt sich auf Treibhausgase wie Wasserdampf (H20), Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), fluorierte Verbindungen (FCKW und FKW) oder Distickstoffoxid (N2O, auch bekannt als Lachgas) zurückführen, welche die kurzwellige Strahlung der Sonne weitgehend ungehindert auf die Erde durchlassen, die längerwellige Wärmeabstrahlung von der Erde in den Weltraum aber in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbieren und ungerichtet wieder abstrahlen. Die zurück zur Erdoberfläche gehende Strahlung wird, da sie der Wärmeabstrahlung der Erde entgegengesetzt gerichtet ist, auch als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet.
In der Folge erhöht sich die Temperatur der unteren Atmosphäre, der Troposphäre und der Erdoberfläche zusätzlich zur Sonneneinstrahlung. Die wärmere Erdoberfläche sendet wiederum entsprechend mehr Wärmestrahlung aus. Dieser Prozess der Erwärmung und Strahlungszunahme setzt sich so lange fort, bis der nicht absorbierte Anteil der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche und die nach außen gerichtete Strahlung der Atmosphäre zusammen genommen genau so groß sind, wie die Sonneneinstrahlung auf die Erde. Dann herrscht, auf erhöhtem Temperaturniveau, ein Gleichgewicht zwischen der Erdoberfläche und den untersten Luftschichten.
Treibhausgase gibt es in der Atmosphäre von Natur aus, vor allem die genannten Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die von ihnen verursachte Temperaturerhöhung wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Ohne diesen läge die längerfristig und global gemittelte bodennahe Lufttemperatur der Erde bei etwa -18 °C und damit um etwa 33 °C unter dem heute tatsächlich vorhandenen Mittelwert von etwa +15 °C – die Erde wäre damit für die meisten höheren Lebewesen unbewohnbar. Die durch menschliche Eingriffe verursachte Erhöhung der Treibhausgase in der Erdatmosphäre nennt man anthropogener Treibhauseffekt.
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