Experten-Ratgeber: Was ist der Kamineffekt?

Ist vom Kamineffekt die Rede, dann meint man einen physikalischen Effekt, der vertikal gerichtete Luftströmungen hervorbringt. Er beruht auf natürlicher Konvektion, also Wärmeströmung. Der Kamineffekt lässt sich technisch nutzen. Zum Beispiel dafür, dass die Abgase von Verbrennungsanlagen wie Heizkesseln, Kaminen und Öfen über den Schornstein abgeführt werden (Stichwort: Naturzugfeuerung).

Grundsätzlich gilt: Warme Luft ist von geringerer Dichte als kalte. Es besteht zwischen beiden ein sogenannter thermischer Dichteunterschied. Der Grund: Bei Erwärmung dehnen sich Stoffe in der Regel aus (Ausnahme Wasser mit seiner Dichteanomalie), das heißt, dass die gleichbleibende Zahl von Teilchen mehr Raum einnimmt, was die Dichte des Stoffs mindert.

Mit Hilfe eines vertikal ausgerichteten Rohres lässt sich die Strömungsrichtung der Luft beeinflussen. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang auch von „richten“. In der Regel bewirkt das Rohr auch eine Beschleunigung der Strömung. Diesen Kamineffekt genannten Effekt veranschaulicht ein einfacher Versuchsaufbau wie im folgenden Video gezeigt:

Am Ende des Rohres setzt sich der Auftrieb der warmen Luft zunächst fort, wobei die Temperatur adiabatisch sinkt. Adiabatisch heißt, dass bei einem thermodynamischen Vorgang, bei dem ein systemischer Zustand in einen anderen überführt wird, keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Damit gebraucht man adiabat synonym zu „wärmedicht“. Erreicht die Temperatur der warmen Abgase am Rohrende und darüber hinaus das Niveau der kühleren Umgebungsluft (beim Schornstein: der Außenluft), endet die Auftriebswirkung. Dies ist i.d.R. dann der Fall, wenn z. B. der Kamin erlischt.

Der erwähnte Dichteunterschied von kalter und warmer Luft verursacht in einem Schornstein eine thermische Konvektion, also eine Wärmeströmung. Dabei tritt die warme Luft, die Abgase der an den Schornstein angeschlossenen Verbrennungsanlage zum Beispiel, über die obere Öffnung des Schornsteins (siehe auch "Kaminkopf") ins Freie aus. Mit dem entstehenden Sog werden schädliche Abgase und Rauch abgezogen und unten an der Öffnung des Schornsteins, die der Feuerstelle nahe ist, frische Luft angezogen.

Der Sog ist das Resultat des im Inneren des Schornsteins entstehenden Unterdrucks. Diesen Teileffekt bezeichnet man auch als Bernoullischen Effekt. Der vorherrschende Außendruck drückt Luft über die untere Öffnung in den Kamin, die gleichfalls erhitzt wird. Das Ganze führt zu einer Selbsterhaltung des Kamineffekts. Denn in der Frischluft steckt neuer Sauerstoff, der das Feuer weiter unterhält beziehungsweise anfacht. Infolgedessen steigt die Brandtemperatur, so dass mehr Luft erwärmt wird und aufsteigt, wobei es zu einer positiven Rückkopplung kommt.

Der Dichteunterschied zwischen der kalten und warmen Luft wird auf der einen Seite des Kreislaufs mit Erwärmen und Abkühlen auf der anderen Seite aufrechterhalten. Den sich daraus ergebenden Differenzdruck bezeichnet man als „treibenden Druck“ oder auch „wirksamen Druck“ genannt. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Schwerkraftwirkung.

Das Ganze lässt sich selbstverständlich auch berechnen. Die folgende Formel zeigt die Abhängigkeit des Differenzdrucks δp vom Dichteunterschied δρ und der wirksamen Höhe h.

δp = h mal g mal (ρ₂ – ρ₁)

Mit h = wirksame Höhe in Metern (m), g = Erdbeschleunigung (in Metern pro Quadratsekunde, m/s²), ρ₁ = Dichte bei Temperatur T₁ (in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³) und ρ₂ = Dichte bei Temperatur T₂ (in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³).

Der Druckunterschied verursacht demnach einen Luftstrom mit der Geschwindigkeit v nach der folgenden Formel:

v = Wurzel aus ½ mal g mal h mal ((T₁ minus T₂) geteilt durch T₂)

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Während in klassischen Kaminzug-Anwendungen wie dem Schornsteinen warme Luft in der Regel nach oben austritt, 

• nutzen sogenannte Fallwindkraftwerke beispielsweise Kamineffekte aus, die sich aus „herabfallender“ kalter Luft ergeben.
• Auch in sogenannten Aufwindkraftwerken, bei denen unter einem Dach solar erwärmte Luft durch einen Turm hindurch nach oben aufsteigt und dabei zum Antriebsmittel für Turbinen wird,
• sowie in Naturzugkühltürmen, bei denen die durch Kühlwasser erwärmte Luft ohne weitere Hilfsmittel aufsteigt, wirken Kamineffekte.
• Sogenannte Anzündkamine basieren ebenfalls auf dem Effekt, um Holzkohle schneller zu entzünden.
• Nicht zuletzt wirkt der Kamineffekt an allen erwärmten Flächen, darunter
  • Heizkörper,
  • Kühlrippen (von Motoren oder elektrischen Bauteilen) und
  • Hausfassaden. Wobei Voraussetzung ist, dass die geometrische Form und die Maßverhältnisse der Bauteile einem Kamin ähneln.

Wissen sollten Sie sie auch, dass der Kamineffekt in Teilen dieser Welt schon lange beim Hausbau berücksichtigt wird: Traditionell gebaute arabische Häuser beispielsweise nutzen ihn als wirksamen Kühleffekt. Und der persische Windturm Bādgir („Windfänger“) nutzt den Kamineffekt seit Jahrhunderten zum Lüften und Kühlen von Gebäuden.

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Die für den Kamineffekt typischen Strömungen und Drücke sowie die oben bereits erwähnte positive Rückkopplung sind nicht nur nützlich, sondern bergen auch Gefahren. Das muss beim Planen und Errichten von Gebäuden mit entsprechenden Heizungsanlagen und Lüftungsanlagen unbedingt berücksichtigt werden.

Insbesondere konstruktiv als „Rohre“ im weitesten Sinne zu bewertende Bauabschnitte wie Treppenhäuser oder Tunnel können zu Gefahrenstrecken für Mensch und Tier werden. Nur ein Beispiel dafür ist die Brandkatastrophe der Gletscherbahn Kaprun 2 am 11. November des Jahres 2000, bei der in Österreich 155 Menschen starben. In dem im Tunnel brennend bergauf fahrenden Zug der Gletscherbahn Kaprun 2 kamen 150 der 162 Passagiere infolge der Rauchgasvergiftung um. Zudem starben im Gegenzug der Zugführer und ein Tourist sowie drei Personen auf der Bergstation infolge der Rauchgasvergiftung.

Um die Gefahren des Kamineffekts wenigstens zu minimieren und bestenfalls auszuschließen, baut man in Schornsteinen beispielsweise die sogenannten Rauchgasklappen ein. Sie sorgen dafür, dass der Schornstein von außen keine kalte Luft ansaugt und die Rauchgase in Ihre Wohnung drückt. Das wäre insbesondere dann technisch möglich, wenn der Wind in den Schornstein fahren könnte.

Alternativ zur Rauchgasklappe kann der Kamin auch anderweitig von der Luftzufuhr abgeschnitten werden. Wichtig: Jeder Schornstein muss passgenau auf die Feuerstelle abgestimmt werden (Dimensionierung), denn der Kamineffekt wird maßgeblich von den Rauchgasen der Feuerstelle beeinflusst.

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