Top Blog: Wärme – Energie für alle Lebensbereiche

Text: Melanie Heider

Die Sonne ist die wichtigste Wärmequelle für Mensch, Tier- und Pflanzenwelt. 

WÄRME

Energie für alle Lebensbereiche 

Vieles hat der Mensch erfunden: Fahrzeuge, Flugzeuge und Maschinen. Allen Meilensteinen gingen exakte Beobachtungen physikalischer Phänomene voraus – von der Aerodynamik über die Elektrizität, den Magnetismus, bis hin zur Wärmelehre. Denn Naturgesetze bilden die Grundlage des täglichen Lebens. Kaum eine andere Größe übt dabei mehr Einfluss auf Mensch und Materialien aus als das Feld der thermischen Energie. 

Wärme ist essenziell: für organisches Wachstum und körperliches Wohlbefinden, für ingenieurtechnische Weiterentwicklungen, modernen Wohnraum, kulinarischen Genuss, einwandfreie Hygiene und eine innovative Energiewirtschaft im Einklang mit der Natur. 

Exakt 36,3 bis 37,4 °C beträgt die normale Körperkerntemperatur eines Erwachsenen. Um diese konstant zu halten, überwacht der Hypothalamus, ein Areal im Zwischenhirn, permanent alle wesentlichen körpereigenen Mechanismen und passt sie mittels Thermoregulation – durch Wärmespeicherung oder Transpiration (Schwitzen) – auf äußere Temperaturschwankungen an. Daran zeigt sich: Der Mensch steht in einer ständigen Wechselbeziehung zu seiner Umwelt. Wärmende oder kühlende Kleidung, Klima- und Heiztechnik, warmes Wasser oder Beschattungs- und Sonnenschutzsysteme helfen dem Körper dabei, sich vor Überhitzung oder Unterkühlung zu schützen und schaffen eine angenehme Umgebungsatmosphäre. 

HEISSES ALLTAGSWISSEN
Während Weiß Sonnenlicht reflektiert, absorbiert Schwarz die Sonnenstrahlung und speichert die darin enthaltene Wärmeenergie, wodurch sich die Temperatur des Körpers erhöht. 

Was ist Wärme?

Der Fachbegriff „Wärme“ bezeichnet lediglich den reinen Austauschprozess, d.h. die Energieübertragung (Q) zwischen zwei Körpern – durch direkte Leitung, Konvektion (über Luft) oder als Strahlung. Das alltagssprachlich verwendete Wort „Wärme“, mit dem eine Eigenschaft bzw. ein Zustand beschrieben wird, existiert in diesem Sinne also nicht. Physikalisch korrekt lautet die Definition „Innere Energie“ oder „Thermische Energie“. Auch eine physikalische Größe „Kälte“ gibt es im Übrigen nicht. Durch die Etablierung des Begriffs „Temperatur“ ist es zumindest möglich, geworden „Wärme“ bzw. „Kälte“ zu beziffern. Der absolute Nullpunkt liegt bei -273,15 Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen enthält Materie somit Energie in Form von Wärme. 

Erklärbar wird dies beim Blick auf die Grundlagenphysik: Alle Materie besteht aus Teilchen – vereinfacht ausgedrückt aus Atomen, d.h. Protonen und Neutronen im Kern und Elektronen Hülle. Wärmeenergie bringt die Bausteine der Materie in Bewegung: Je höher die thermische Energie, desto mehr kommt es zu einer ungeordneten Bewegung der Atome, Ionen oder Moleküle, aus denen Materie aufgebaut ist. Jeder Stoff und jede Substanz ist dabei Träger interner thermischer Energie und kann durch Zu- und Abführen von Wärme in den Aggregatzuständen „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“ vorkommen. 

COOL FUN FACT 
Physikalisch gesehen erzeugt ein Kühlschrank keine Kälte. Vielmehr arbeitet er kontinuierlich gegen die natürliche Flussrichtung von Wärme, die gemäß des 2. Thermodynamischen Hauptsatzes von selbst immer nur vom wärmeren zum kälteren Körper fließt. Ähnlich wie Klima- und Kühlanlagen entzieht er dem Innenraum und den darin befindlichen Objekten Wärme, transportiert sie nach außen und gibt sie an die Umgebung ab. 

Die älteste und wichtigste Wärmequelle ist die Sonne – kein fester Himmelskörper, sondern eine Kugel aus Gas bzw. Plasma, in deren Inneren fortwährend Kernfusionsprozesse von Wasserstoff zu Helium ablaufen. Grundlage für die Entstehung von Sonnenenergie – und damit die Lebensbedingungen auf dem Planeten Erde, insbesondere die pflanzliche Photosynthese – ist die wohl bekannteste Formel der Physik: E=mc2. 1905 entdeckte Albert Einstein im Rahmen der Relativitätstheorie die Äquivalenz von Masse und Energie. Die Gleichung besagt, dass die Energie (E) eines Objekts der Masse (m) entspricht und diese einander bedingen, d.h. durch Lichtgeschwindigkeit (c) mit 300.000 Kilometer/Sekunde ineinander umgewandelt werden können. Je heißer ein Objekt ist, desto heftiger bewegen sich seine Atome und Moleküle. Je niedriger die Temperatur eines Körpers ist, desto langsamer bewegen sich die Teilchen. Durch die unter enormen Druck und hoher Temperatur stattfindende Kernfusion in der Sonne wird verloren gegangene Materie als Strahlungsenergie freigesetzt. Darüber hinaus kann Wärme bei vielen anderen physikalischen oder chemischen Vorgängen erzeugt werden, wie etwa bei der Verbrennung von Kraftstoffen, durch Reibung oder durch Absorption von Licht. 

SUN FUN FACT 
Im Hochsommer ist die Sonne mit etwa 152 Millionen Kilometern am weitesten von der Erde entfernt, während es im Januar „nur“ 147 Millionen Kilometer sind. Nicht die Entfernung, in der die Erde die Sonne umrundet, beeinflusst daher die Jahreszeiten, sondern der Einfallswinkel des Sonnenlichts durch die Neigung der Erdachse (23,44 °). Insgesamt ist der Abstand das ganze Jahr über optimal: wäre er geringer, wäre es zu heiß, wäre er größer, wäre es zu kalt. 

Wärme als wichtiger Wirtschaftszweig 

Ohne den Einsatz von Wärmetechnik wäre das gesamte Leben weniger vielfältig und fortschrittlich. Denn nahezu alle Produkte des Alltags stehen im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung in der erzeugenden und verarbeitenden Metall- und Kunststoffindustrie sowie den traditionellen Handwerksbetrieben wie Schmieden, Töpfereien, Glasbläserei, Goldschmieden oder der heutigen Bauwirtschaft. 

Abgeleitet von den natürlichen Vorbildern Sonne, Blitz und Feuer sind im Laufe der Menschheitsgeschichte zahlreiche Erfindungen entstanden, die den heutigen hohen Lebens- und Hygienestandard prägen – von der Dampfmaschine und Motoren über Haushaltsgeräte, Heiz- und Kühlsysteme bis hin zu Baustoffen. Mit intelligenter „Smart Home“-Steuerungstechnik für z.B. Rollläden, Heizung und Fenster oder ganz aktuell in Coronazeiten mit Infrarot-Wärmebildkameras zur Bestimmung der Körpertemperatur setzt sich die technische Entwicklung im Wärmeumfeld weiter fort.

Hohe Alltagsrelevanz für Werkstoffe und Welt 

Vor allem die Wirtschaftsgeschichte Südwestfalens ist vom Feld der Wärmeenergie geprägt: Als Herz der Industriekultur mit hoher Handwerksdichte bescherten einst das reiche Erzvorkommen und die ertragreichen Wälder für die Gewinnung von Holzkohle die Erfolgsgeschichte der Eisenverhüttung und Stahlerzeugung. Bis heute zählen heimische mittelständische Betriebe zu den Spezialisten und Weltmarktführern auf dem Gebiet der thermischen Erzeugnisse – von der Werkstoffproduktion bis zum Bearbeiten und Veredeln durch Schweißen, Schmieden und Verzinken. 

Rund um den Globus stammen Messtechnologien für den Hochtemperaturbereich oder Heiz- und Kühlsysteme wie auch wärmebehandelte Konstruktionsteile z.B. für die Automobilindustrie, die Medizin- und Pharmabranche oder den Bereich der Erneuerbaren Energien aus Siegen-Wittgenstein und den Nachbargebieten – darunter auch elektrothermische Anlagen, die durch konstante Wärmezufuhr für flüssige Aggregatzustände in der Lebensmittel- oder Chemieindustrie sorgen und so eine funktionierende Versorgungs- und Abwasserwirtschaft in Gebieten mit extremen Witterungsverhältnissen ermöglichen. 

Ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll 

Um die menschlich herbeigeführten Auswirkungen auf das Klima wissend, rücken klimaneutrale Alternativen wie Erneuerbare Energien (Sonnen-, Wind- und Wasserenergie) oder klimafreundliche Hybrid-Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung vermehrt in den Fokus. Sie reduzieren den CO2-Ausstoß und setzen zum Teil auf regenerative Engeriegewinnung mit Solar, Biomasse oder Wasser. 

KLIMASCHUTZ 
Der natürliche Treibhauseffekt ist für Mensch, Tier und Pflanzenwelt lebenswichtig, da er verhindert, dass die vom Boden abgegebene Wärmestrahlung ins Weltall entweicht. Zusammen mit der Freisetzung von umweltschädlichen Emissionen wie Chemikalien und den Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) sowie der weltweiten Entwaldung sind jedoch höhere Durchschnittstemperaturen und eine allmähliche Klimaverschiebung mit Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem die Folge. Ressourcenschonendes Bauen und eine nachhaltige Energiewirtschaft sind ein aktiver Beitrag zum Klimaschutz. 

Wer heutzutage bauen, modernisieren oder renovieren möchte, muss sich daher frühzeitig die Frage nach der langfristigen und nachhaltigen Energieversorgung des Gebäudes stellen. Auch der Einsatz von Kaminen, Öfen und Fußbodenheizungen bzw. Keramik-Klimaböden kann dazu beitragen, den Heizbedarf auf Dauer einzusparen. 

Staatliche Fördermittel und KfW-Kredite im Rahmen des CO2-Gebäudesanierungsprogramms schaffen finanzielle Anreize, bei der Neuanschaffung, der Optimierung oder dem Austausch von älteren Anlagen (z.B. Ölheizungen) auf erneuerbare Energien zu setzen. Wichtig: Wer von den Fördermöglichkeiten Gebrauch machen möchte, muss die Antragsstellung vor Vorhabenbeginn (Abschluss eines der Ausführung zuzurechnenden Lieferungs- oder Leistungsvertrages) beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausführkontrolle (BAFA) eingereicht haben. Lediglich Planungsleistungen dürfen davor erbracht werden. 

Neueste Heiztechnik steigert die Energieeffizienz und reduziert Emissionen. 

Um weniger Ressourcen zu verbrauchen gilt es, die aktuell verwendeten Rohstoffe möglichst effizient zu nutzen. So spielt im Baubereich die Wärmedämmung von Wohnraum und Gebäuden gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV) eine immer zentralere Rolle. Neben speziellen Dach- und Außenwandtechnologien ist der fachgerechte Einbau von hochwertigen Fenstern und Außentüren wesentliche Maßgabe. Im Rahmen des KfW-Förderprogramms für Energieeffizienzhäuser misst der „Blower Door Test“ beispielsweise die Luftdichtigkeit von Gebäuden. 

Energieerzeugung im Überblick

Gasheizungen nutzen am häufigsten Erdgas oder auch Biogas, um Wasser zu erwärmen. Neueste Brennwerttechnik sorgt dafür, dass im Gegensatz zu alten Heizungsanlagen die Energieeffizienz steigt und der CO2-Ausstoß auf ein Minimum reduziert wird. 

EE-Hybridheizungen kombinieren Technologie-Komponenten zur thermischen Nutzung erneuerbarer Energien (Solar, Biomasse oder Wärmepumpe). 

Gas-Hybridheizungen kombinieren eine Gasheizung mit einem oder mehreren Technologie-Komponenten zur thermischen Nutzung erneuerbarer Energien (Solar, Biomasse oder Wärmepumpe) über eine gemeinsame Steuerungs- und Regelungstechnik. 

Biomasse-Heizungen bedienen sich klimaneutralen Brennstoffen auf Basis des Materials Holz. Das Angebot reicht von Pelletheizungen mit gepresstem Holz und Sägenebenprodukten, über Holzhackschnitzelanlagen bzw. bis hin zum Biomasse-Heizkraftwerk für Einfamilienhäuser und Gewerbebetriebe. 

Wärmepumpen gibt es mit Luft- , Wasser- oder Erdwärme-Funktionsweise. Das Prinzip ist überall gleich: Sie entziehen ihrer Umwelt Wärme (Umgebungsluft, Grundwasser oder Erdwärme) und geben sie als Heizenergie ab. 

Geothermie sind Erdwärmeanlagen, bei der eine Doppel-U-Sonde in bis zu maximal 200 Metern Tiefe eingebracht und zementiert wird. Ein darin zirkulierendes Wärmeträgermedium nimmt die Erdwärme auf und transportiert sie zu der obertägigen Wärmepumpe, die diese weiter aufheizt und dem Heizkreislauf als Nutzwärme (Raumheizung, Brauchwasser) zur Verfügung stellt. 

Blockheizkraftwerke erzeugen nach dem Prinzip der Kraft-Wärme- Kopplung mittels Gas Strom und Wärme. Sie sind heute Basis für de- zentrale Nah- und Fernwärmekonzepte. 

Photovoltaik-Anlagen wandeln mithilfe von Solarzellen Sonnenenergie in elektrische Energie um. Nicht verbrauchter Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist und vergütet. 

Solarthermie-Anlagen absorbieren durch Sonnenkollektoren die in der Sonnenstrahlung enthaltene Energie und wandeln diese in Wärme um, die zur Wassererwärmung oder zum Heizen genutzt werden kann. Sie wird in einem thermisch isolierten Wassertank gespeichert und dient dem Eigenverbrauch. 

Photothermie nennen sich Kombi-Anlagen aus Photovoltaik und Solarthermie – sie wandeln Sonnenenergie sowohl in Wärme als auch in Strom um. 

Kamine und Öfen standen schon immer im Mittelpunkt von Wohnräumen. Früher eher wegen ihres funktionalen Nutzens besonders geschätzt, gesellt sich heute der zeitlose Design-Faktor dazu. Moderne Feuerstellen versprühen mit innovativem Gasbetrieb oder klassischen Holzscheiten wohlige Wärme im Wohnraum und zaubern ein Ambiente mit höchster Wohlfühlqualität. 

Feuer übt seit jeher eine Faszination auf den Menschen aus. Mit Kerzen, Fackeln oder Feuerschalen lässt sich das tieforangefarbene Flammenspiel nach Hause holen. Auf der Terrasse, dem Balkon oder integriert in sicheren Behältnissen im Wohnraum bzw. als Bioethanol-Feuerobjekte verbreiten sie nach Sonnenuntergang oder an tristen Tagen eine magische Atmosphäre. 

FÖRDERMITTEL 2020
Das Marktanreizprogramm 2020 des Bundesamts für Wirtschaft und Ausführkontrolle (BAFA) sieht seit diesem Jahr vor, dass von der Festbetragsförderung auf eine anteilige Förderung umgestellt wird. So werden künftig EE-Hybridheizungen mit Solarthermie-, Biomasse- und Wärmepumpenanlagen grundsätzlich mit 35 Prozent der förderfähigen Kosten gefördert. Gas-Hybridanlagen und Solarkollektoranlagen werden grundsätzlich mit 30 Prozent der förderfähigen Kosten gefördert. Gasbrennwertheizungen, die erst im Laufe von zwei Jahren um eine Technologiekomponente zur Nutzung erneuerbarer Energien erweitert werden, können eine Förderung von 20 Prozent der förderfähigen Kosten erhalten. Außerdem wird der Ersatz von Ölheizungen durch eine Biomasse-Anlage, Wärmepumpe oder Hybridanlage mit einer zusätzlichen Prämie von 10 Prozentpunkten auf den normalen Fördersatz belohnt. (Quelle: www.bafa.de) 

Wohnwelt als Wohlfühlwelt 

Etwa 80 Prozent der Sinneseindrücke nimmt der Mensch über den Sehsinn wahr – ein Grund, weshalb harmonische Formen und aufeinander abgestimmte Einrichtungsgegenstände so entscheidend für das allgemeine Wohlfühlempfinden sind. Kissen, Polstermöbel, Vorhänge, Teppiche oder Betten wecken bereits optisch die Assoziation von Gemütlichkeit und Behaglichkeit – verstärkt wird das Gefühl durch den taktilen Reiz. Etwa 10.000 Rezeptoren in der Hautoberfläche der Hand senden durch Berührung und Fühlen Informationen ans Gehirn, die das menschliche Wohlbefinden fördern können. 

Das Thema Dekorieren und Einrichten zieht sich vom Wohnraum über die Küche bis hinein in die Badezimmer, die sich längst in Private Spas verwandelt haben. Besonders die natürliche Materialfamilie mit Holz, Schiefer und Textilien entfaltet dabei ihre volle Wirkung. Im Trend liegen sowohl Parkettböden wie auch moderne Fliesen, Massivholzmöbel, samtige Bezüge, dicht gewebte Stoffe und gröbere Texturen wie Cord. Naturnahe Nuancen wie Erdbraun, Steingrau, Brombeere, Smaragdgrün, Curry, Cognac oder Sand bilden dabei die idealen Interieur Basics. Komplementärfarben wie kräftiges Meerestiefenblau, Accessoires aus Kupfer und Messing oder spannende Kontrast- Kombinationen aus warm und kühl wirkenden Werkstoffen setzen die passenden Highlights. 

Wohltuendes Wundermittel 

Wärme hat einen wesentlichen Einfluss auf das menschliche Wohlbefinden und unterstützt den Organismus bei verschiedenen Heilungsprozessen. Schon in der Antike wurde Wärme zur Linderung von körperlichen Beschwerden eingesetzt, was die Wärmetherapie zu einem der ältesten medizinischen Verfahren macht. Der Grund: Wärme hat eine muskelentspannende und durchblutungsfördernde Wirkung und hilft, die Geschmeidigkeit der Gelenkflüssigkeit und den Lymphfluss zu erhöhen. 

Hausmittel wie Wärmflaschen, Kirschkernkissen, Wärmepflaster und Wärmekompressen kennt jeder. Ihre Wirkung ist effektiv, wenn auch meist oberflächlich. In der Schulmedizin, der Naturheilkunde, der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) oder der Physiotherapie wird gezielt Wärme als Behandlungsmethode eingesetzt, z.B. in Form von Thermotherapie mit Ultraschall, Reizstrom oder Infrarotlicht, bei Fango- bzw. Moorbädern bzw. Wärmepackungen sowie Wärme-Massagen z.B. Hot-Stone und beim Schröpfen. 

Als Beauty-Booster kommt Wärme bei Ultraschall-, Radiofrequenz- oder Elektrotherapieanwendungen zum Einsatz, z.B. zur Faltenglättung oder zum Anregen des natürlichen Haarwachstums in der Kopfhaut. Dabei wirken elektromagnetische Wellen und Vibrationen direkt auf die Moleküle und Körperzellen ein, was einen Wärmeeffekt im Behandlungsgebiet erzielt und die Bildung von Kollagen- und Elastin-Fasern sowie die Zellproduktion aktiviert. 

Die thermische Wirkung elektromagnetischer Strahlung wird auch bei Laseranwendungen verwendet, um z.B. Faltenbildung, Pigmentstörungen, Tattoos oder Narben zu korrigieren bzw. Körperbehaarung zu reduzieren. Mikroskopisch winzige Lichtimpulse zerschießen Pigmente bzw. Zellen und erzwingen zugleich den Effekt der Wundheilung vom umgebenden gesunden Gewebe, wodurch die Bildung neuer Hautzellen angeregt wird. In Form der photodynamischen Therapie wird Laserlicht auch bei der Behandlung von Tumorzellen eingesetzt.

Die Lasertechnik hat zudem das Gebiet der chirurgischen Medizin revolutioniert und macht computergestützt präzise Schnitte ohne Skalpell möglich – sowohl äußerlich an der Oberhaut wie auch innerlich am Gewebe. Auch bei der Abtrennung und Korrektur der Hornhaut des Auges kommen längst innovative Lasertechnologien zur Anwendung. 

UV-LICHT & OZONLOCH
Normalerweise schirmt das Spurengas Ozon in 15 bis
35 km bzw. bis zu 50 km über der Erde (Stratosphäre) den energiereichsten Teil der Sonnenstrahlung ab und absorbiert die für Haut, Augen und Erbgut gesundheitsschädliche UV-Strahlung. Seit den 1980er-Jahren ist bekannt: Der durchschnittliche Ozongehalt von 310 Dobson Units (= 3,1 mm) ist teilweise gesunken. Liegt der Wert unter 200 Dobson Units, ist von einem Ozonloch die Rede. Bis sich die Schicht durch das Verbot von ozonschädlichen Chemikalien (wie FCKW) komplett erholt hat, werden noch Jahrzehnte vergehen. 

Trockene vs. feuchte Hitze 

Infrarotstrahlung (IR) wird als Tiefenwärme bezeichnet. Denn das in der Strahlungsenergie der Sonne enthaltene natürliche Rotlicht erhitzt nicht die Umgebungsluft, sondern wirkt direkt auf den Organismus ein. Indem die Infrarotwellen die Moleküle im Körper in Schwingung versetzen, wird die Hautoberfläche erwärmt und erreicht durch Wärmeleitung auch tiefer gelegenes Gewebe. Die Wärme bedingt, dass sich die Blutgefäße weiten, Muskeln entspannen und die Durchblutung und der körpereigene Stoffwechsel allgemein angeregt werden. Der wohltuende Effekt der trockenen Hitze kann durch Rotlichtlampen oder Infrarotkabinen gezielt herbeigeführt werden. 

Beim Saunieren mit Aufguss bzw. einem Besuch im Dampfbad oder der Therme bewirkt die warme bis heiße feuchte Umgebungsluft das Ansteigen der gesamten Körpertemperatur. Die Erzeugung des künstlichen Fiebers bewirkt die Bildung von Antikörpern und die Stärkung des Immunsystems. Durch die kalte Dusche davor und danach wird zusätzlich die Fähigkeit des Körpers trainiert, sich schneller an seine Umgebungstemperatur anzupassen. Zudem wird die Durchblutung gefördert und der Kreislauf angeregt. Eine gesunde Verfassung ist Voraussetzung.