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Wärmestromdichteeinheiten und Umrechnungen

Rechnen Sie zwischen Watt pro Quadratmeter und Kilowatt pro Quadratmeter um und erfahren Sie mehr über Oberflächenwärmeübertragung und Dämmberechnungen.

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Kurz erklärt: wärmestromdichteeinheiten und umrechnungen

Wärmestromdichte ist die physikalische Größe, die die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit übertragene Wärmeenergiemenge angibt. Sie wird in vielen Bereichen genutzt, von Solarenergieberechnungen über Gebäudedämmung bis zur Elektronikkühlung und Industrieofenauslegung.

Im Internationalen Einheitensystem ist die abgeleitete Einheit der Wärmestromdichte Watt pro Quadratmeter (W/m²); für große Werte wird Kilowatt pro Quadratmeter (kW/m²) verwendet, in der wissenschaftlichen Literatur gelegentlich auch Kalorie pro Quadratzentimeter-Sekunde.

Physikalische Größe
Wärmestromdichte
Dimensionssymbol
[MT⁻³]
Abgeleitete SI-Einheit
Watt pro Quadratmeter
SI-Einheitensymbol
W/m²
Solare Einstrahlung (Freiland)
≈1000 W/m² (auf Meereshöhe, mittags)

Was ist Wärmestromdichte?

Wärmestromdichte gibt die Wärmeenergiemenge an, die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit durch eine Oberfläche fließt, und wird meist mit dem Symbol q dargestellt. Sie dient dazu zu messen, wie schnell eine Oberfläche sich erwärmt oder Wärme verliert.

Wärmestromdichte ergibt sich aus dem Produkt von Wärmeleitfähigkeit und Temperaturgradient (Fouriersches Gesetz: q = -k × dT/dx); dieser Zusammenhang zeigt, dass die Wärmestromdichte sowohl von den Materialeigenschaften als auch von der Größe des Temperaturunterschieds abhängt.

Die SI-Einheit der Wärmestromdichte

Watt pro Quadratmeter (W/m²) ist die abgeleitete SI-Einheit der Wärmestromdichte und gibt an, wie viele Watt Wärmeenergie pro Sekunde durch eine Fläche von 1 Quadratmeter fließen.

Diese Einheit liegt zahlreichen Energieberechnungen zugrunde, vom Wirkungsgrad von Solarmodulen bis zum Wärmeverlust von Gebäudewänden -- derselbe Gesamtwärmeverlust ergibt bei einer kleineren Fläche einen höheren Wärmestromdichtewert.

Solare Einstrahlung und Wärmestromdichte

Außerhalb der Erdatmosphäre beträgt die solare Einstrahlung (Solarkonstante) etwa 1361 W/m²; beim Durchqueren der Atmosphäre geht ein Teil verloren, sodass sie auf Meereshöhe an einem klaren Tag mittags auf etwa 1000 W/m² sinkt.

Dieser Wert dient als Standardreferenz bei Leistungsberechnungen für Solarmodule (Photovoltaik) und solare Warmwasserbereiter -- die Modulleistung wird meist nach dieser Standardtestbedingung (STC) von 1000 W/m² angegeben.

Wärmestromdichte bei der Gebäudedämmung

Die durch eine Wand, ein Dach oder ein Fenster eines Gebäudes entweichende Wärmemenge lässt sich als Wärmestromdichte ausdrücken; dieser Wert hängt vom Temperaturunterschied zwischen innen und außen sowie vom Wärmedurchlasswiderstand (der Dämmqualität) des Bauteils ab.

Eine gut gedämmte Wand hat eine deutlich niedrigere Wärmestromdichte als eine ungedämmte Wand -- dieser Unterschied schlägt sich direkt in der Energierechnung und der erforderlichen Heiz- beziehungsweise Kühlkapazität nieder.

Wärmestromdichte bei der Elektronikkühlung

Moderne Prozessoren und Leistungselektronikbauteile erzeugen auf kleiner Fläche große Wärmemengen; das kann zu sehr hohen Wärmestromdichtewerten führen (teilweise über 100 W/cm²).

Um diese hohe Wärmestromdichte auf sicheren Temperaturen zu halten, werden Kühlkörper, Wärmeleitpasten und bei manchen Hochleistungssystemen Flüssigkeitskühlung eingesetzt -- unzureichende Kühlung kann zur Überhitzung und zum Ausfall des Bauteils führen.

Wie wird Wärmestromdichte gemessen?

Wärmestromdichte kann direkt mit sogenannten Wärmestromsensoren gemessen werden, meist dünnen, auf eine Oberfläche aufgesetzten Plattengeräten; diese Sensoren berechnen die Wärmestromdichte aus dem geringen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten der Platte.

Bei Gebäudedämmprüfungen dient die Messung der Wärmestromdichte dazu zu überprüfen, wie gut die tatsächliche Dämmleistung vor Ort mit den theoretischen Berechnungen übereinstimmt.

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Watt pro QuadratmeterW/m²Öffnen
Kilowatt pro QuadratmeterkW/m²Öffnen
Kalorie pro Quadratzentimeter-Sekundecal/cm²·sÖffnen

Quellen

  1. BIPM: The International System of Units (SI Brochure)
  2. NIST: Guide for the Use of the International System of Units

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