Wie viel Wärme eines Feuers wärmt Ihr Zuhause tatsächlich?

Das ist so eine komplizierte Frage! Das Schlimmste ist, dass die Wärme, die den Schornstein verlässt, Luft aus dem Raum mit sich zieht – Luft, die von außen ersetzt werden muss. Damit eignen sich Brände eigentlich ganz gut als Lüftungsanlagen.

Ob ein Feuer ein Gebäude erwärmt, hängt zu einem sehr großen Teil davon ab, inwieweit kühle Luft an vom Feuer erhitzten Teilen vorbeiströmen kann. Dies macht einen Holzofen (Metalltopf "im Raum" mit einem kleinen Rohr, das herausführt) viel effizienter als eine Feuerstelle. In vielen Fällen verfügt ein Kamin jedoch über andere Mechanismen zur Verbesserung der Wärmeübertragung - beispielsweise über Kanäle, die neben dem Schornstein verlaufen und kühle Luft aus dem Raum ansaugen und erwärmen.

Das zu messen ist ziemlich schwierig. Ich nehme an, Sie beginnen damit, die Temperatur des Abwassers an der Stelle im Schornstein zu messen, die sich noch direkt im Haus befindet (die Luft kühlt möglicherweise stärker ab, wenn Sie weiter nach draußen kommen, aber das heizt nur den Außenschornstein und das Haus). Außerdem benötigen Sie die Strömungsgeschwindigkeit der Luft - damit können Sie die "Wärme, die aus dem Schornstein austritt" abschätzen (für die Anfangstemperatur Außentemperatur annehmen, weil Sie Außenluft ansaugen). Messen Sie als Nächstes bei einem Kamin, der sich an der Außenwand befindet, die Temperatur der Außenwand (IR-Thermometer ohne Kontakt) und treffen Sie vernünftige Annahmen über den h-Faktor der an der Wand vorbeiströmenden Luft und den Wärmetransport. Ich würde mir keine Gedanken über die Ziegel des Schornsteins und deren Wärmekapazität machen - im stationären Zustand, dass weder Energie gewinnt noch verliert.

Messen Sie schließlich, wie viel Holz Sie pro Stunde verbrennen, und verwenden Sie dies, um die Nettowärme abzuschätzen, die hineingeht. Auf diese Weise können Sie abschätzen, wie viel Wärme in das Haus gelangt. Sie können auch messen, wie warm das Haus mit dem Feuer wird (wiederum den stationären Zustand verwenden) und sehen, welche Art von (elektrischer) Heizung Sie für den gleichen Effekt benötigen würden.

Beachten Sie, dass ein Kamin als Heizstrahler am effektivsten ist - Sie sitzen / stehen in der Nähe und fühlen sich warm, obwohl der Raum ziemlich kühl sein kann.

Wie ich schon sagte - das ist ein wirklich schwieriges Problem.

Dies ist eine ausgezeichnete Frage, die jedoch nicht ohne Weiteres beantwortet werden kann, wie in Floris's Antwort erörtert .

Hier ist ein Versuch, wie man eine Schätzung der Effizienz erhält. Es ist die Methode , die ich für ziemlich genau halte: Die tatsächlichen Werte müssen durch experimentelle Messungen verfeinert werden: Ich bin nicht allzu zuversichtlich, was die tatsächlichen Zahlen anbelangt, die aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Berechnung gegenüber den verwendeten Variablen (insbesondere der vierten Leistungseinfluss der Flammentemperatur).

Bei einem offenen Kamin scheint es vernünftig anzunehmen, dass der größte Teil der Wärmeübertragung an den Raum durch Strahlung erfolgt ; dies wird Ihnen ein warmes Gefühl geben und auch Dinge im Raum erwärmen, die dann die Temperatur durch Leitung und Konvektion erhöhen. Dies liegt daran, dass das Feuer, wie in Floris' Antwort besprochen , sehr viel Luft anzieht. Der Schornstein und die Form des Herdes sind so gewählt, dass die Hitze des Feuers einen beträchtlichen Luftzug durch das Feuer und den Schornstein hinauf erzeugt, um das Feuer lustvoll brennen zu lassen, und dies würde die Konvektion / Leitung stark einschränken.

Von hier aus erhalte ich eine Flammentemperatur zum Verbrennen von Holz von etwa$1300{\rm K}$( dh $1027{\rm ^o C}$). Von hier bekomme ich eine$\Delta H$zum Verbrennen von Holz von ca$15{\rm MJ \,kg^{-1}}$. Angenommen, wir können brennen$50{\rm kg}$Holz für eine Stunde, um eine Flammenfläche von zu geben$\frac{1}{2}{\rm m^2}$.

Dann ist die Gesamtwärmeleistung ($\Delta H$) pro Sekunde ist$50\times 15\times 10^6/3600\approx 208{\rm kW}$.

Die Gesamtstrahlungsleistung liegt nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz in der Größenordnung von$\frac{1}{2}\times\sigma\,T^4$(mit einem$\frac{1}{2}{\rm m^2}$Flammenbereich vom Raum aus gesehen), dh $\frac{1}{2}\times 5.7\times 10^{-8}\times 1300^4\approx 81{\rm kW}$.

Unsere Effizienz liegt hier also im zweistelligen Prozentbereich. Ich glaube nicht, dass es ganz so hoch ist wie die$30\%$hier impliziert. Ich hatte erwartet, dass die Antwort winzig sein würde - in der Größenordnung von$1\%$. Ich bin skeptisch gegenüber dieser genauen Antwort, aber ich glaube, Sie könnten eine gute Schätzung von seiner Methode erhalten, indem Sie Experimente zur Messung der Holzverbrennungsrate verwenden (Sie würden dies über viele Stunden messen, um eine gute Schätzung der Rate zu erhalten), ein Pyrometer zum Sondieren die Temperatur und Temperaturgleichmäßigkeit der Flamme und vielleicht eine Ad-hoc-Bildverarbeitung eines Videos des Feuers, um den Strahlungsbereich abzuschätzen. Sie könnten sogar eine grobe Pyrometrie mit einem Farbvideo durchführen, indem Sie ein Laborpyrometer verwenden, um Ihre Messung zu kalibrieren. Basierend auf dieser Berechnung würde ich zwischen schätzen$10\%$Und$30\%$Effizienz. Wie gesagt, das ist viel besser als ich dachte. Sie müssten jedoch experimentieren, um diese Methode zu verfeinern: Beachten Sie die sehr hohe Empfindlichkeit der Berechnung gegenüber den verwendeten Variablen - insbesondere der Flammentemperatur (die einen vierten Potenzeinfluss hat).

Bei einem geschlossenen Holzofen wäre die Situation deutlich komplizierter. Das Gehäuse des Ofens wird durch den Nachhallofen im Inneren auf eine bestimmte Temperatur gebracht: mehrere hundert Grad Celsius, die dann den Raum durch Konvektion, Leitung sowie Strahlung erwärmt. Ich wage zu behaupten, dass es Spezifikationen und Standards für die Effizienz von Heizöfen gibt, anhand derer Sie die Temperatur des Ofens und seine Leistungsabgabe abschätzen können.

Die Antwort ist, es hängt von der Art Ihres Kamins ab. Ein gewöhnlicher gemauerter Schornstein, der aus einem Kamin besteht, der direkt nach außen entlüftet, hat einen sehr geringen Wirkungsgrad. Der durch das Feuer erzeugte Luftzug zieht warme Luft aus dem Haus, und die meiste Wärme wandert direkt nach oben.

Es gibt verschiedene Arten von Kaminen, die speziell versuchen, dieses Problem anzugehen. Das sind wirklich weniger Kamine und mehr Holzöfen. Sie behalten jedoch manchmal einige der Merkmale eines normalen Kamins bei, wie z. B. einen gemauerten Schornstein, Ziegel zum Speichern der Wärme und einen Herd. In der Regel gibt es mehrere Merkmale zur Steigerung der Effizienz, wie z. B. Leitbleche zur Umlenkung des Luftstroms in der Einheit, um eine bessere Wärmeübertragung zu ermöglichen, und verschiedene Materialien wie Speckstein, um Wärme zu absorbieren und zu speichern.

Ich habe eine Zahl von 5-10 % als Effizienz eines klassischen Kamins gesehen, mit einem Maximum von etwa 20 %, wenn Kamintüren aus Glas verwendet werden. Ich weiß nicht, ob diese Zahlen berechnet oder gemessen wurden. Dies schließt Wärme aus, die durch die Notwendigkeit verloren geht, warme Luft aus dem Raum zu ziehen, um Abgase zu entlüften. Die EPA liefert Zahlen , die darauf hindeuten, dass Holzöfen im Allgemeinen im Bereich von 60-70 % liegen.

Angesichts des oben Gesagten gibt es viele Dinge, die die Effizienz beeinflussen. Beispielsweise verringert eine unvollständige Verbrennung die Effizienz – das Vorhandensein von sichtbarem Rauch weist auf eine unvollständige Verbrennung hin, und daher steigt ein Teil des Brennstoffs durch den Schornstein. Die Art des verbrannten Holzes beeinflusst die Effizienz, da verschiedene Hölzer unterschiedliche Flammentemperaturen haben und dies nichtlineare Auswirkungen hat. Was benötigt wird, ist die Maximierung der Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen über der Flamme und der Abgastemperatur, wenn der isolierte Teil des Schornsteins erreicht ist. Da Kamine jedoch auf einen natürlichen, durch Temperaturunterschiede induzierten Luftzug angewiesen sind, um Luft in die Grippe zu ziehen, kann dieser Temperaturunterschied nicht zu niedrig sein, oder der Rauch steigt nicht durch den Schornstein auf.