Grundlagen Strahlungsheizungen

Wirkungsprinzip

Wärmeübertragung durch Strahlung

Strahlungsheizungen nutzen das älteste Prinzip der Wärmeübertragung, nämlich die Wärmestrahlung.

Wie bei der Sonne oder dem Kachelofen (s. Bild) wird die Wärme als langwellige Strahlung ausgesandt.

Die Strahlungsenergie, die auf Oberflächen auftrifft, wird von diesen absorbiert und in Wärme umgewandelt. D. h., die Wärme entsteht erst dann, wenn die Strahlung von einer Oberfläche aufgenommen wird.

Die Raumluft wird durch die Strahlung direkt nicht aufgeheizt. Das unnötige direkte Aufheizen der Raumluft wie bei anderen Systemen spart eine ganze Menge Energie ein.

Bei Strahlungsheizungen erfolgt die Wärmeabgabe in d. R. zum größeren Teil durch Strahlung und zum kleineren Teil durch Konvektion.

Besonders effizient werden die verschiedenen Formen der Strahlungsheizungen z. B. bei großen Räumen oder Flächen und Hallen und bei Raumhöhen > 3 m eingesetzt. Hier sollten generell wegen der höheren Energiekosten keine Konvektionssysteme eingesetzt werden.

Auch im Wohnungsbau mit normalen Raumhöhen sind Fußboden- und besonders Wandheizungen oder Heizleisten die optimale Lösung.

Physikalische Grundlagen

Die beiden Wissenschaftler (Physiker) Stefan und Boltzmann entdeckten vor 150 Jahren das Naturgesetz, dass alle Körper Energie in Form von Lichtwellen ausstrahlen und Max Planck erklärte dann um die Jahrhundertwende (1900), wie dieses Phänomen zustande kommt.

Das Planksche Strahlungsgesetz beschreibt die Wärmestrahlung als elektromagnetische Welle, wie den Strom, die Röntgenstrahlung und das Licht.

Für Körper bei Raumtemperatur ist dieses Licht allerdings unsichtbar, denn es strahlt im IR-Bereich (IR=Infrarot).

Die Helligkeit des abgestrahlten Infrarotlichtes hängt dabei sehr stark von der Temperatur ab.

Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz erklärt den Zusammenhang der Lichtabstrahlung mit der Körpertemperatur für einen schwarzen Körper:

P = s * A *  T⁴

P = Strahlungsleistung (Watt/m²)

A = Fläche

s = Stefan-Boltzmannkonstante (5,667* 10^-8 W/m²K⁴)

T = absolute Temperatur (Kelvin), also mit dem absoluten Nullpunkt als Bezugstemperatur (273 K).

Für einen nicht schwarzen Körper (grauer Lambert-Strahler) gilt:

P = e(T) * s * A *  T⁴

e(T) = gewichteter gemittelter Emissionsgrad über alle Wellenlängen

Viele Körper weichen nur wenig vom idealen Lambert-Strahler ab.

Wenn der Emissionsgrad in dem Frequenzbereich, in dem der Körper einen merklichen Anteil seiner Strahlungsleistung abgibt, nur wenig variiert, lässt sich das Stefan-Boltzmann-Gesetz zumindest näherungsweise anwenden.

Das bedeutet, daß es dann vollkommen dunkel wird, wenn die Temperatur am absoluten Nullpunkt angekommen ist.

Wichtig ist die Abhängigkeit der abgestrahlten Intensität in der vierten Potenz von der Temperatur.

Das bedeutet, daß eine geringe Temperaturänderung schon einen sehr großen Unterschied in der Helligkeit ausmacht.

Der Physiker Wien beschrieb den Zusammenhang des Abstrahlungsmaximums und der Temperatur in einem einfachen Gesetz (Wiensches Gesetz):

l_max = 2980 µm/K  / T

l_max = Wellenlänge, bei der das meiste Licht abgestrahlt wird

T = absolute Temperatur (K)

Beispiel

Fester Körper bei Zimmertemperatur von 20 °C -> absolute Temperatur T von 293 Kelvin (273 + 20) -> Abstrahlungsmaxiumum l_max = 10,17 µm, also mitten im thermischen IR-Bereich.

Bauarten und  Formen von Strahlungsheizungen

Nach den Ausführungsformen der Strahler unterscheidet man:

- Flächenstrahlungsheizung

- Plattenstrahlungsheizung

- Infrarotstrahlungsheizung

Nach den mittleren Oberflächentemperaturen unterscheidet man:

- Niedertemperaturstrahlungsheizung (bis ca. 60°C)

- Mitteltemperaturstrahlungsheizung (bis ca. 200°C)

- Hochtemperaturstrahlungsheizung (bis ca. 900°C)

Im Niedertemperaturbereich (bis ca. 60°C) gibt es z. B. die wasserführenden Systeme als Flächenstrahlungsheizung (z. B. Fußboden- Wand- oder Deckenheizung), Heizleisten oder auch die Plattenstrahlungsheizung (an der Decke abgehängte Strahlplatten).

Im Mittel- und Hochtemperaturbereich (200-900°C) gibt es die Plattenstrahlungsheizung und mit direkter Beheizung des Strahlers durch Gas oder Strom die Infrarotsysteme.

Vorteile der Strahlungsheizungen gegenüber herkömmlichen Heizsystemen mit Konvektion

Energieeinsparung

Es gibt nur wenige spezielle Einsatzfälle, die u. U. gegen die eine oder andere Form einer Strahlungsheizung sprechen könnten, z. B.:

Bei einer Fußbodenheizung (FBH), wenn die Wärmeabgabe über dem Fußboden vom Menschen nicht vertragen wird.

Bei Gebäuden in Leichtbauweise mit geringer Wärmespeicherkapazität (Holzhäuser etc.), wo nur die Raumluft schnell aufgeheizt werden muss und nicht auch noch die Umfassungskonstruktion. Hier wäre eine FBH zu träge.

Wenn generell eine schnelle Aufheizung der Raumluft gewünscht wird oder erforderlich ist.

Strahlungsheizungen und Energieeinsparverordnung (EnEV)

Unverständlicherweise wird bei den Wärmeübertragungssystemen die Strahlungsheizung als effiziente Maßnahme zur Energieeinsparung in der nicht zu Ende gedachten und zu laschen Energieeinsparverordnung noch nicht einmal direkt erwähnt.

Dafür wird um so mehr informiert über sehr dicke Wärmedämmung, Solaranlagen, mehr oder weniger teure Wärmeerzeugungssysteme, Niedrigenergiehäuser mit künstlicher Belüftung etc.

Für fast alle energiesparende Lösungen (selbst z. B. für effiziente Umwälzpumpen etc.) gibt es außerdem auch Fördermittel, bis jetzt aber nicht für Strahlungsheizsysteme.

Das Planksche Strahlungsgesetz beschreibt die Wärmestrahlung als elektromagnetische Welle, damit ist es ein Teil der Quantenphysik.

Mit den Methoden der Thermodynamik (Wärmelehre) kann Strahlung somit (nach Prof. C. Meier) nicht behandelt werden. Das wird aber gemacht, mit der Folge einer Überbewertung der Konvektionsheizung und Unterbewertung der Strahlungsheizung.

Selbst DIN-Normen können, sogar mit Unterstützung der Wissenschaft, mitunter nur ein Regelungsinstrument zur Durchsetzung wirtschaftlicher Interessen sein.

Mehr zur > Tragödie der Strahlung, von  Prof. Dr.-Ing. Claus Meier, Architekt SRL, BayAK Nürnberg.

(Quelle: http://clausmeier.tripod.com/missbr.htm)

Wird fortgesetzt

Deckenstrahlungsheizung

Bildquelle: Frenger

Was ist in einer Sport- oder Industriehalle wichtiger als ein angenehm warmer, aber nicht zu heißer Fußboden und angenehm temperierte Sportgeräte?

Ein Effekt, der übrigens mit einer Luft- oder einer Fußbodenheizung kaum erzielt werden kann.

Heizen und Kühlen mit wasserführenden Deckenstrahlplatten

Heizen

Deckenstrahlheizungen benötigen die Raumluft nicht als Wärmeträger (tatsächliche Lufttemperatur < gefühlte).

Im Falle von Lüftungswärmeverlusten geht weniger Wärme verloren.

Die Temperatur unter Decke/Dach steigt weniger stark gegenüber Heizkörpern (Transmissions-Wärmeverlust geringer).

Nach DIN 18599 darf die ermittelte Heizlast mit dem Faktor 0,85 verkleinert werden.

Im Heizbetrieb erfolgt die Wärmeabgabe der Decke hauptsächlich durch Strahlung.

Kühlen

Korrosionsfeste Deckenheizelemente aus Cu oder Al eignen sich sehr gut zur Kühlung.

Im Kühlbetrieb erfolgt die Wärmeaufnahme  der Decke zu ca. 60% durch Strahlung, die zur Abkühlung aller Umgebungsflächen und Einrichtungsgegenstände führt.

Der konvektive Anteil von ca. 40% bringt zusätzlich eine direkte Kühlung der Raumluft.

Vorlauf- und Oberflächentemperaturen

1. Hallen > 4 m Raumhöhe

Heizbetrieb:

VL-Temperaturen von 70 bis 90 °C

Oberflächentemperatur 21 bis 28 °C

Kühlbetrieb:

Oberflächentemperatur 16 bis 22 °C

2. Räume bis 3 m Raumhöhe (Büros etc.)

Heizbetrieb:

Wärmezufuhr je nach Bedarf (Einzel-/Mischerregelung)

VL-Temperaturen 70 °C (gleitend)

Oberflächentemperatur 21 bis 28 °C (gleitend)

Kühlbetrieb

Oberflächentemperatur 16 bis 22 °C (gleitend)

Quelle: IKZ HAUSTECHNIK 5/2008; www.best-bredemann.de

Heizleisten (Sockelleistenheizung) > Bild

Unverständlicherweise wird diese geniale Form von Energieeinsparung und Behaglichkeit in Deutschland wenig beachtet und noch weniger publiziert.

Dafür um so mehr über sehr dicke Wärmedämmung, einer nicht zu Ende gedachten und zu laschen Energieeinsparverordnung, "Plastikhäuser" mit künstlicher Belüftung etc.

Funktion:

In einer formschönen Verkleidung (z. B. aus Holz) verbirgt sich ein Heizregister. Durch dessen Kupferkernrohr fließt das Heizungswasser und erwärmt die aufgepressten Aluminium-Lamellen.

Der hauchdünne Warmluftschleier steigt bei richtig bemessenen Vorlauftemperaturen an der Wand über der Heizleiste hoch, solange er wärmer ist, als die Raumluft (Coanda-Effekt).

Bei 45°C Vorlauf erzeugen diese Systeme schon ein akzeptable Wärmeleistung von ca. 140 W/m.

Der Wärmeinhalt des Luftschleiers wird an die oberste Wandschicht abgegeben. Der abgekühlte Luftschleier schiebt sich horizontal in den Raum und sinkt dann langsam unter Mitnahme von Staubpartikel zu Boden.

Die Wände geben die empfangene Energie als langwellige Strahlung in den Raum ab.

Vorteile:

- Bis zu 30% Energieeinsparung

- Durch geringe Wassermengen im Heizsystem sehr reaktionsschnell,

  kurze Aufheizphasen

- Gesundes Raumklima mit staubfreier Luft

- Gleichmäßige Erwärmung des gesamten Raumes

- Für große Glasflächen geeignet

- Montage auch hinter Möbeln möglich

Einsatz

Besonders geeignet für Altbauten, in denen bautechnisch keine Fußbodenheizung möglich ist oder in anderen Fällen auch nicht erwünscht ist.

Anwendung auch in leichten Gebäuden mit geringer Wärmespeicherkapazität (Holzhäuser, Fertighäuser) zu empfehlen.

Besondere Bauformen

Heizleisten für spezielle Problemlösungen gibt es auch als:

- Zargen aus Stahl für Türleibungen

- Beheizte Pfosten für lange Fensterfronten

 !  Interessante und lesenswerte Beiträge, u. a. auch vom Erfinder

    der Heizleisten Alfred Eisenschink > www.sancal.de

Quelle: http://www.sancal.de/

Infrarotheizungen

Begriffe

Infrarot, Abkürzung IR (alt Ultrarot) bezeichnet den unsichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich an den langwelligen Anteil (rot) des sichtbaren Lichtes anschließt und Wellenlängen λ zwischen etwa 800 nm und 1 mm umfasst.

Infrarotstrahlen entwickeln beim Auftreffen auf feste oder flüssige Gegenstände Wärme.

Infrarotstrahlen sind Lichtwellen oberhalb des sichtbaren Bereichs. Diese Wärmestrahlung kann am ehesten mit der des Sonnenlichtes verglichen werden.

Die Erzeugung der Infrarotstrahlung erfolgt durch die direkte Erhitzung eines Körpers in d. R. mit Strom (z. B. Heizsonne) oder durch Verbrennung mit Gas.

Die nachfolgend beschriebenen Hell- und Dunkelstrahler werden direkt mit Erd- oder Flüssiggas befeuert.

Infrarotheizungen

Das sind Heizungssysteme, die Infrarotstrahlung erzeugen und somit als Wärmequelle genutzt werden können.

Diese Systeme zeichnen sich durch geringsten Wärmeverlust aus.

Weitere Vorteile sind u. a.:

Bis zu 54% Energie- und Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Systemen,

das angenehme Raumklima (ähnlich dem natürlichen Wärmeprinzip der Sonne),

niedrige Investitionskosten, kurze Amortisationszeiten,

die gleichmäßige Wärmeverteilung auch in schlecht gedämmten Hallen,

die kurzen Aufheizzeiten

sowie das staub- und zugfreie Beheizungsprinzip.

Einsatz

Besonders geeignet für große Räume und Flächen (Hallen). Der Vorteil liegt darin, dass die Objekte direkt erwärmt werden und nicht die Luft, die in hohen Räumen nach oben steigt.

Von oben nach unten heizen ist somit nicht notwendig.

Hell- und Dunkelstrahler mit Gasbrenner

Hellstrahler

Der Hellstrahler ist eine Variante der Infrarotheizung. Die Erzeugung von Infrarotstrahlen geht z. B. durch die sichtbare Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches mit einem Gasbrenner von statten. Dabei glühen Keramikplatten hell auf.

Der Nachteil dieser Hellstrahlersysteme (mit Gasbrenner) ist, dass die Abgase nicht in geschlossenen Systemen abgeführt werden sondern indirekt über die Raumluft entsorgt werden.

Innerhalb der Strahlungsheizungen wird zwischen dem Hellstrahler mit offener Verbrennung und dem Dunkelstrahler mit geschlossener Verbrennung unterschieden

Dunkelstrahler

Dunkelstrahler sind Rohre, meist in U-Form, durch die Verbrennungsgase mit einer Temperatur bis zu 800 °C geleitet werden.

Ein Gasbrenner, der an einem Rohrende montiert ist, verbrennt Erd- oder Flüssiggas, ein Sauggebläse am anderen Rohrende erzeugt den nötigen Unterdruck für den Verbrennungsgastransport.

Durch einen Reflektor, der über dem gesamten Rohrsystem angebracht ist, wird die nach oben gestrahlte Wärme der Rohre in die zu beheizenden Bereiche gelenkt.

Infolge der U-förmigen Ausbildung des Strahlrohres ist die mittlere Oberflächentemperatur mit etwa 250 – 500 °C über der gesamten Länge annähernd gleich.

Der Name „Dunkelstrahler“ ist an sich aus technischer Sicht überholt, da er einst für eine nicht glühende Heizfläche im Gegensatz zum Hellstrahler stand.

Heute findet man auch bei den Hochleistungsgeräten unter den Dunkelstrahlern glühende Rohre.

Der wesentliche Unterschied zwischen Hell- und Dunkelstrahlern ist, dass der Dunkelstrahler eine geschlossene Verbrennung realisiert, was eine kontrollierte Abführung der Abgase ermöglicht.

Mehrere Geräte können an eine gemeinsame Abgasleitung angeschlossen werden.

Quelle: Kübler Hallenheizungen

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.