Wärmeflussdifferenz

Wärmeflussdifferenz bezeichnet die Differenz der Wärmeflussdichten oder der durch verschiedene Wege eines Systems hindurchfließenden Wärmemenge pro Fläche. Sie wird häufig mit Δq'' notiert, wobei q'' die Wärmeflussdichte in Watt pro Quadratmeter angibt. Die Begrifflichkeit beschreibt damit Unterschiede im Wärmestrom zwischen zwei Orten, Pfaden oder Bauteilabschnitten, z. B. zwischen zwei Oberflächen, Materialien oder Zuständen eines Bauteils.

Zur Bestimmung der Wärmeflussdifferenz verwendet man das Fourier'sche Gesetz. In einer isotropen, konstant leitfähigen Region gilt q'' = -k ∇T, wobei k die Wärmeleitfähigkeit und ∇T der Temperaturgradient ist. Die Differenz zweier örtlicher Wärmeflussdichten ergibt sich dann aus der Differenz der jeweiligen q''-Werte: Δq'' = q''(x2) - q''(x1). In einer eindimensionalen, homogenen Stäbe ist q'' entlang der Länge konstant, sodass Δq'' = 0; in mehrschichtigen Systemen, bei räumlich variierenden Materialien oder bei parallelen Wärmepfaden kann q'' jedoch von Ort zu Ort variieren.

Anwendungsgebiete finden sich in der Bauphysik, der Elektronik- und Energietechnik sowie in der HVAC-Technik. Die Wärmeflussdifferenz ist ein zentrales Kenngrößenpaar bei der Auslegung von Dämmsystemen, Kühlungslösungen und Verbindungen, wo unterschiedliche Wärmewiderstände, Grenzflächenwiderstände oder Querschnitte zu unterschiedlich verteilten Wärmestromen führen können.

Messung und Berechnung erfolgen durch direkte Messung der Wärmeflussdichte mit Sensoren oder durch Ableitung aus Temperaturfeldern und Materialkenngrößen (k, D) mithilfe numerischer Methoden wie Finite-Elemente- oder Finite-Differenzen-Verfahren. In der Praxis dient die Analyse der Wärmeflussdifferenz der Optimierung von Wärmepfaden und der Minimierung unerwünschter Temperaturgradienten.