Wärme im Frühbeet - Gewächshaus

Immer wieder werden wir zu diesem Thema gefragt, deshalb haben wir an dieser Stelle wichtiges und interessantes zum Thema zusammengefasst:
Dieser Bereich wird demnächst noch weiter ausgebaut und erläutert und soll vorerst lediglich einige Fakten aufzeigen.

Einige Anmerkungen zu Beginn

• Besteht zwischen zwei Medien ein Temperaturunterschied, so wird vom die Wärme vom wärmeren zum kälteren Medium transportiert.
• Die Energiemenge hängt nicht von der Starttemperatur, sondern von der Temperaturdifferenz und der Masse von beiden Medium ab.
• Wärmestrahlen sind elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich mit der Wellenlänge von 700nm (namometer) bis ca. 1mm (milimeter)
• Wir können von Frequenzbereich oder Wellenlänge sprechen, die Wellenlänge ist im wesentlichen der Kehrwert der Frequenz
• Die größte für uns relevante Wärmequelle ist unsere Sonne
• Die Sonne liefert ein breites Spektrum an elektromagnetischen Wellen, für uns ungefährliche, jedoch aber auch sehr gefährliche Strahlung
• die "gefährlichen" Strahlung wird durch die Erdatmosphäre absorbiert; damit kommen fast nur noch "ungefährliche" bei uns Wellen an
• Auf der Erde treffen als Strahlung im Wesentlichen nur das sichtbare Licht, die UV-Strahlung und Strahlung im Infrarotbereich auf
• Die durchschnittliche Strahlungsleistung auf der Erde ist die (Solarkonstante) mit einem Wert von ca. 1,37kW/m². Diese Wert ist nahezu konstant, wenn die Strahlung senkrecht auf die Erde trifft.
• Die Wärmeübertragung von der Sonne zu uns geschieht über die Strahlung, die das Weltall (Vakuum) durchdringen kann

Einige notwendige, physikalischen Eigenschaften

• Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung

• Wärmeleitung (Verbreitung von Wärmeenergie über einen festen Stoff)
  Um Wärme weiter zu leiten braucht man einen geeigneten (festen) Trägerstoff. Beispiel hierfür ist ein Metall, welches die Wärme gut  leitet, ohne dass es dabei selbst mitwandert.
  Gute Wärmeleiter sind beispielsweise Metalle
  Schlechte Wärmeleiter hingegen Luft bzw. Gase
   
• Wärmestrahlung (Verbreitung von Wärmeenergie ohne Material)
  Jeder Körper, der über 0 Kelvin (absoluter Nullpunkt mit -273,15°C) liegt, gibt Wärme in Form von Wärmestrahlung ab. Da es sich bei der Wärmestrahlung um einen Energietransport in Form von elektromagnetischen Wellen handelt, ist hierfür kein Trägermaterial notwendig.
  Die Wärmestrahlung funktioniert auch im Vakuum, wie beispielsweise die Sonnenstrahlung durch den luftleerer Weltraum und unsere Atmosphäre. Die Sonnenstrahlen treffen auf der Erde und wärmt diese auf.
  Ein, bezogen auf das Umfeld kälterer Körper, nimmt Energie von der wärmeren Umgebung auf, bis der Körper und das Umfeld die gleiche Temperatur besitzen.
• Die Wärmestrahlung kann ihre Energie angeben an
  - Feststoffe (Metallstab)
  - Flüssigkeiten (Wasser)
  - Gase (Luft)
• Wärmestrahlung kann auch reflektiert werden:
  Beispiel: Thermoskanne, in welcher der heiße Kaffee o.ä. über längere Zeit warm gehalten werden kann, weil die verspiegelte Glasschicht die Wärmestrahlung reflektiert und sie so länger im Gefäß bleibt.
   
•  Wärmekonvektion oder Wärmemitführung (Verbreitung von Wärmeenergie über Transportmedien, welche die Wärmeenergie aktiv an einen anderen Ort transportieren)
  Auch hierzu benötigt man einen geeigneten Trägerstoff, der sowohl die Energie, als auch den Stoff transportiert. Geeignete Stoffe hierfür sind z.B. Luft und Wasser oder andere strömungsfähige Medien
  Ein Beispiel hierzu ist die erwärmte Luft, welche an einem Ofen oder Radiator austritt. Ein anderes Beispiel wäre eine Zentralheizung oder ein Fön.
  Ein bekannter Versuch hierzu:
  En Bunsenbrenner erwärmt in einer Glasröhre befindliche Wasser. Das erwärmte Wasser steigt auf und nimmt die Wärmeenergie mit. Während das Wasser nach oben steigt, gibt es Wärme an die Umgebung ab.

• Warme Luft steigt nach oben
   
• Wärmereflexion:
  Helle Flächen reflektieren die Wärme gut, dunkle hingegen schlecht
  Dunkle Fläche absorbieren einen Großteil der Wärmeenergie und heizen diese auf.
   
• Verdunstungskälte
  Im allgemeinen beinhaltet der Erdboden Wasser und hat damit eine gewisse Erdfeuchte. Die Feuchtigkeit (Wassermoleküle) lösen sich von dem Erdreich und gehen in die Umgebung über, solange die umgebende Luft sich in einem ungesättigten Zustand befindet. Bei dem Vorgang der Verdunstung von Feuchtigkeit wir dem Boden Energie entzogen und dieser, sowie die unmittelbar angrenzende Luftschicht kühlen sich ab.
  Das vorgestellte Prinzip kann jeder selbst nachvollziehen:
  Verlässt man im Sommer bei Sonnenschein ein Schwimmbecken des Freibads, beginnt man sofort an zu frieren - weil dieser Effekt der Verdunstungskälte sofort einsetzt. Die Wassermoleküle lösen sich von der Haut, treten in die umgebende Luft über und entziehen dem Körper somit Wärme, man beginnt zu frieren.
  Anderes Beispiel:
  Es ist heiß (Sommer oder Sauna, Fieber oder sonstige Wärme) - der Körper beginnt zu schwitzen -> Schweiß beinhaltet Feuchtigkeit -> durch die Verdunstungskälte kühlt der Körper ab.
  Und ein weiteres Beispiel zur Verdeutlichung:
  Im Hochsommer kann man Getränke kühlen, indem man einen feuchten Lappen auf/um die Flasche legt (Idealfall Flasche direkt in einen Bach oder See legen, da ist das meiste Wasser direkt drum herum und somit wird darüber die meiste Hitze aus der Wasserflasche in Form von Energie entweichen und das Getränk schnell abgekühlt) .
  Diese Prinzip wird auch in der Klimatechnik bei der Verdunstungskühlung oder adiabate Kühlung eingesetzt.
   
• Relative Luftfeuchtigkeit
  Luft hat die Eigenschaft, so lange Wasser aufzunehmen, bis sie in einen gesättigten Zustand (100% Luftfeuchtigkeit) erreicht.
  Kalte Luft kann weniger Wasser aufnehmen als warme Luft. In einem Frühbeet / Gewächshaus ist es meist wärmer als draußen. Die Luftfeuchtigkeit im Innern des Objekts steigt an und das Wasser kondensiert an den kälteren Elementen wie Verglasung und Rahmenkonstruktion.
  
  Kaltes Wasser hat einen geringeren Energiezustand als warmes Wasser, Wasserdampf hingegen hat den höchsten Energiezustand.
  Gerät der Wasserdampf (relative Luftfeuchtigkeit ist 100%) an ein Element mit niedrigerem Energiezustand, dann gibt dieser seine Energie an das kältere Medium ab und das Wasser kondensiert -> es bilden sich Wassertropfen.
  
  Das Beispiel kann jeder selbst an einem kleinen Versuch nachvollziehen:
  Man stellt eine gekühlte Getränkeflasche im Sommer an einen sonnigen Platz. Die warme Luft mit der hohen (absoluten) Luftfeuchtigkeit kommt mit der kalten Oberfläche der Flasche in Berührung und sofort schlägt sich die Feuchtigkeit aus der umgebenden Lust als Wassertröpfchen nieder.

Mit diesen Voraussetzungen zu dem Thema: Wärme in Gewächshaus/Frühbeet

Wie kommt die Wärme in das Gewächshaus bzw. Frühbeet

• Die Wärme wird durch die direkte Sonnenstrahlung in das Gewächshaus eingebracht. Die Strahlung besteht aus sichtbarem Licht, aus UV- und Infrarot- Strahlung. Im Gegensatz zu normalen Fensterglas ist die Alltop - Verglasung UV durchlässig. Bei der Durchdringung der Strahlung entstehen je nach Einfallswinkel und Verschmutzunggrad der Verglasung Verluste durch Reflexion und Lichtbrechung
  Weitere Informationen: siehe „Freilandanlagen für Schildkröten“ Verlag Chimaira S.127 Thema Verglasung
   
• Die Energie, welches in ein Gewächshaus eingebracht wird, ist in erster Linie von der Witterung und der Jahreszeit abhängig (siehe Solarkonstante).
   
• Eine weitere Möglichkeit, vor allen in den Übergangszeiten, in das System Wärme einzubringen, ist die Inbetriebnahme einer Zusatzheizung, wie beispielsweise einem oder mehrere Wärmestrahler oder anderen aktiven Heizelementen.
   
• Die Wärmestrahlung gibt ihre Energie an feste, flüssige oder gasförmige Medien ab. Dabei erwärmt sich das Innere des Gewächshauses
  feste Medien sind beispielsweise die Innenseite der Verglasung, die Rahmenkonstruktion, jeder Grashalm oder das Erdreich
  flüssige Medien sind beispielsweise das Wasser des Badeschale oder kleine Pfützen
  gasförmige Medien ist die Luft
   
• Die in dem Gewächshaus "gefangene" Wärmeenergie kann nicht durch Wärmestrahlung wieder nach außen abgegeben werden, da diese Wärmeenergie (Strahlung) im Gegensatz zu der (gerichteten) Sonnenstrahlung diffus ist und die Verglasung den Austritt verhindert.
   
• Die Verteilung der Wärme geschieht mit Hilfe der Wärmekonvektion
   
• Wärmeverluste treten z.B. durch Wärmeleitung von der Luft zum Aluminiumrahmen bzw. Verglasung auf
   
• Die durch den Erdboden aufgenommene Energie wird über zwei Wege abgegeben und kühlt damit ab
   - durch Wärmeleitung an die unteren Schichten des Erdreichs, da diese kälter sind als die Oberfläche des Bodens
   - durch die Verdunstung und damit Abgabe der Feuchtigkeit an die Luft (siehe Verdunstungskälte)
   
• Bei Wasserpfützen oder beim Badeschale treten dieselben Effekte auf wie bei dem Erdreich
   
• Die erwärmte Luft steigt nach oben
   
• Bei Temperaturabsenkung in der Nacht wird das Erdreich, falls dieses Wärme ist als die umgebende Luft, Wärmestrahlung an die Umgebung abgeben.
   
• Solange eine Restfeuchte in dem Erdreich vorhanden ist, wird diese durch Verdunstung das Erdreich weiter abkühlen.
   

Bei der Betrachtung der Energiebilanz in einem geschlossenen Raum sind die "Gewinne" und die "Verluste" zu betrachten
( Hinweis: Die folgende Betrachtung gilt für einen sonnigen Sommertag. Für den Winter stimmt zwar die Vorgehensweise, es muss jedoch mit den entsprechenden Werten gerechnet werden.)

•  Der Energiegewinn entsteht durch die Wärmestrahlung, welche durch die Sonnenstrahlung in das Gewächshaus eindringt
  Unter Verwendung der Solarkonstante von ca. 1,37kW/m² und den oben beschriebenen Verlusten kann den tatsächlich eingebrachte Energie berechnen
  In einem Beispiel kann man zur Vereinfachung mit einer eingebrachten Leistung von 500W/m² rechnen …
  Das würde ca. 8 PAR Strahler á 60W pro m² entsprechen
  In einem Gewächshaus von 5 * 2 m würde das eine Anzahl von 83 Wärmestrahlern mit einer Leistung von jeweils 60W ergeben.
   
• Die Verluste in dem Gewächshaus entstehen im wesentlichen durch Wärmeleitung von der Luft zu der Verglasung und der Rahmenkonstruktion. sofern es im Gewächshaus kälter ist als im Freien. (Falls die Fenster einen Gewächshauses bzw. der Deckel eines Frühbeets geöffnet ist, wird der größte Teil der Wärmeenergie über diesen Weg entweichen)
   
• Verluste, die durch Wärmeleitung von der Erdoberfläche in tiefere Schichten entstehen, kann man bei einem Gewächshaus nicht unbedingt von Verlusten sprechen, da diese ja gewünscht sind
   
• Die Wärmeverluste bei der Verglasung sind durch den k-Wert (heute u-Wert), der Fläche und dem Temperaturunterschied zu bestimmen
  Beispiel: Plexiglas Alltop hat einen k=2,5 W/m²K Trifft man die folgende Annahme: Die Fläche sei A=1m², die Temperaturdifferenz sei ΔT=20°. Mit diesen Werten kommt man zu folgendem Wärmeverlust Q über die Verglasung:
  Q = 2,5W/m²K * 1m² * 20° = 25W
   
• Die Berechnung der Wärmeverluste durch die Rahmenkonstruktion zu berechnen, würde hier den Rahmen sprengen,
  er ist jedoch bei Aluminium absolut nicht vernachlässigbar!
   
• Das Ergebnis der Betrachtung zeigt, dass die durch das Sonnenlicht eingebrachte Energie um ein Vielfaches höher ist, als die entstehenden Verluste
   

Aus den bisherigen Betrachtungen heraus kann man folgende Schlüsse ziehen

• Der wärmste Punkt wird immer im oberen Bereich des Gewächshauses oder eines Frühbeetes sein
   
• Die festen Medien, wie beispielsweise Rahmenelemente, Verglasung oder das Erdreich erwärmen sich durch die Absorbierung der Wärmestrahlung und heizen sich damit auf, geben die Energie bei einer Temperaturdifferenz wieder an die Umgebung ab.
   
• Gleichzeit gibt das Erdreich durch Verdunstung (oder Wärmestrahlung bei der Absenkung der Temperatur) die Energie an die umliegende Luftschichten ab, die wiederum nach oben steigen,  und dadurch das Erdreich auskühlen.
   
• Die durch das Erdreich erwärmte Luft steigt sofort nach oben und die Abkühlung des Bodens wird fortgeführt.

Gesondert sollte noch die Aufwärmung und die Abkühlung des Gewächshauses oder Frühbeets betrachtet werden

• Durch die Nachtabkühlung ist die Wärmeabgabe des Gewächshauses wesentlich höher als die Energieaufnahme, da die Sonnenstrahlen und damit auch die Wärmestrahlen fehlen.
  Das bedeutet, dass die Temperaturdifferenz von innen nach außen bzw. die Wärmeenergie im Gewächshaus durch die Wärmeleitung durch Verglasung und Rahmenelemente abnimmt. Dabei sind die Wärmeverluste durch die Verglasung und die Rahmenkonstruktion (und ggf. Ritzen und Fugen) zu betrachten.
  Da sich die Luft wesentlich schneller abkühlt als das Erdreich, gibt der Boden durch Wärmestrahlung (und auch Verdunstung) Energie ab und kühlt dadurch aus.
   
• Am Morgen nach dem Einsetzen der Sonnenstrahlung wird dem Gewächshaus wieder mehr Energie zugeführt,. Es beginnt der oben beschriebene Kreislauf. An dem höchsten Punkt des Gebäudes werden die höchsten Temperaturen vorherrschen, der Boden wird wieder der kälteste Punkt sein.
   

Noch ein wichtiger Punkt zu der Temperaturmessung:

• Mit einem Infrarotmessgerät kann keine Lufttemperatur gemessen werden, es ist nur in der Lage, die Oberflächentemperatur eines Gegenstands zu messen. Geeignete Messgeräte zur Erfassung der Lufttemperatur sind
  Bimetall- oder Flüssigkeitsmessgeräte. Auch elektronische Messgeräte mit einem Temperatursensor sind geeignet.

Frühbeet oder Gewächshaus ?

In einem Gewächshaus ist ein großes Luftvolumen vorhanden und dadurch, dass ein Wärmeaustausch von innen nach außen nur schwer möglich ist, bleibt die darin enthaltene Lufttemperatur lange konstant. Bis sich ein großes Luftvolumen (wie im Gewächshaus vorhanden) erwärmt dauert es länger als bis sich ein kleineres Luftvolumen (wie im Frühbeet) erwärmt hat. Bei der gesamten Betrachtung kommt der Höhe des Raumes eine besondere Bedeutung zu. Je höher der Raum ist, umso später wird die warme Luft den Boden erreichen.

Der Nachteil des Einen wird zum Vorteil des Anderen:
Bis das Gewächshaus in Bodennähe eine hohe Lufttemperatur hat, dauert es relativ lange (Luftvolumen und -erwärmung siehe oben), dafür hält es die höheren Lufttemperaturen nachts länger (es dauert länger, bis die Luft darin wieder abgekühlt ist). Ein Frühbeet hingegen hat in Bodennähe relativ schnell hohe Lufttemperaturen  (ebenfalls Luftvolumen und -erwärmung siehe oben beschrieben), dafür kühlt es in der Nacht aber auch schneller wieder aus.

Ein Effekt den man bei der Haltung von Schildkröten genau so haben will - morgens schnell warm, dass sich die Tiere aufwärmen und auf ihre Vorzugstemperatur kommen können und Nachts die Abkühlphase.
Das kann mittels eines gut isolierten und funktionierenden Frühbeets besser realisiert werden, als mit einem Gewächshaus.

Ein Gewächshaus hat zweifelsfrei Vorteile für den Pfleger wie:

• Bequemes hantieren und während eines Regens geschütztes Arbeiten im Trockenen möglich
• Überwinterungsmöglichkeit für große Pflanzen

Sofern man jedoch etwas sucht um den Tieren ein Optimum zu bieten, ist ein Frühbeet besser geeignet - es sollte eigentlich um die darin lebenden Tiere gehen und nicht um die Bequemlichkeit und den Komfort für den Halter.

Als ganz wichtiger Hinweis an dieser Stelle gilt:
Auch ein Frühbeet sollte groß sein und nicht bei 1qm enden, denn was bringen alle Vorteile für das Tier, wenn es keine Lauffläche hat um nach erreichen der Vorzugstemperatur seinem Bewegungsdrang nachkommen zu können?
Die Tiere sitzen einen nicht ganz unerheblichen Zeitraum im Jahr im Frühbeet/Gewächshaus und in dieser Zeit sollten sie auch mehr Lauffläche haben, als wie wenn sie in einem Terrarium gehalten werden würden.
Freilandhaltung heißt nicht nur, dass sich die Tiere nicht im Haus aufhalten, sondern dass sie ein möglichst natürliches Leben haben - ein Leben mit genügend großem Auslauf.