BH_2015-02_018

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Strahlungsheizung
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Strahlen
Bilder: Fullwood
die sich auszahlen
Kachelöfen und Infrarotheizungen haben eines gemeinsam:
Sie heizen effizient mit Wärmestrahlung. Doch die Heizleistung
durch Strahlung wird systematisch unterschätzt.
W
ärmestrahlung ist ein physikalisch messbares Phänomen, das
jeder kennt und sofort spürt,
wenn man sich in der Sonne wärmt oder
an einem Lagerfeuer sitzt. Auch konventionelle Heizkörper senden Wärmestrahlen
aus, doch ihre überwiegende Wärmeabgabe geschieht durch Konvektion – so
nennt man das Aufsteigen von Luft, die
sich durch den Kontakt zum Heizkörper
erwärmt hat. Um den Kontakt zur Luft zu
intensivieren, haben konventionelle Heizkörper Lamellen, die die Oberfläche stark
vergrößern.
Merkwürdige Zustände
Das Phänomen der Wärmestrahlung,
das bei traditionellen Kachelöfen genauso wie bei neuen elektrischen Infrarot
(IR)-Heizpaneelen genutzt wird, beruht
auf einer allgemein weniger bekannten
und etwas komplexeren Physik und muss
von Hausbesitzern und Bauwilligen noch
entdeckt werden. Trotz überzeugender
Leistung von Strahlungsheizungen und
zufriedener Kunden, ist die Heizungsbranche auffallend zurückhaltend. Selbst unter
Wissenschaftlern und Technikern gibt es
stark widersprüchliche Meinungen.
Wärmestrahlung hat eine große Bedeutung beim Klimaschutz. Klimaforscher
haben festgestellt, dass sich das Klima der
Erde zwar erwärmt, aber die mittlere Lufttemperatur kaum erhöht hat. Der Theorie
zufolge behindert eine mit Methan und
Kohlendioxid angereicherte Schicht in der
Atmosphäre die Wärmeabstrahlung der
Erde. Der Anstieg der Lufttemperatur der
Erde in den vergangenen hundert Jahren
ist unter den theoretisch erwarteten Werten geblieben und nicht ganz zweifelsfrei
belegt. Daher geht man weg vom Thermometer und bedient sich bei aktuellen
Messungen der Wärmestrahlung. Jüngste
Untersuchungen konnten zeigen, dass die
Wärmestrahlung Landmassen und Meere
erwärmt, aber nicht die Luft. Was zur Bemessung der Klimaveränderung nützlich
ist, könnte auch zur Versachlichung der
Heizdebatte beitragen.
Quantenphysik für Hausbauer
Um die allgemeine Wärmestrahlung
verstehen zu können, ist ein bestimmtes Grundlagenverständnis erforderlich.
Wärmestrahlung unterliegt nicht den
Grundlagen der Thermodynamik, sondern
der Quantenphysik. Diese ist für viele
Baufachleute ein Buch mit sieben Siegeln,
fast schon apokalyptischer Aberglaube.
Die Quantentheorien, so die Auffassung
mancher Zeitgenossen, sind nichts für
jedermann und nichts, dass mit heutigem
Wissen vollständig verstanden werden
kann. Doch so tief muss ein Hausbauer
nicht einsteigen. Es hilft auch schon etwas
Menschenverstand, Akzeptanz für wissenschaftliche Erkenntnisse und die Kenntnis
der Geschichte.
Beginnen wir beim Begriff ‘Strahlung’,
der heute mehr denn je im allgemeinen
Sprachgebrauch wie auch in der Physik im
Einsatz ist. Das Wort hat viele Bedeutungen, beispielsweise wenn wir von einem
‘Menschen mit Ausstrahlung’ sprechen.
Das kann ein fröhlicher ‘Strahlemann’
sein oder ein Übeltäter mit dämonischem
Blick. Unter Esoterikern ist sicher, es
gibt einen Okkultismus und paranormale Wahrnehmung, die Physik tut dies
als unsinnige Geheimniskrämerei und
Wichtigtuerei ab – und schon haben wir
den elementaren menschlichen Konflikt.
Jeder Mensch, der sich beobachtet fühlt,
spürt eine Energie. Jede Person, die an
einem Feuer steht, strahlt danach wie eine
Glühbirne.
Missbrauch leicht möglich
Der Begriff ‘Strahlung’ verursacht eine
weitere Schwierigkeit. Da gibt es etwa
kosmische Strahlung, UV-Strahlung,
Licht, Wärme- und Infrarotstrahlung,
Mikrowellenstrahlung, Röntgenstrahlung
und vieles mehr. Auch Licht oder Farbe
ist eine elektromagnetische Strahlung.
Diese wird selbstverständlich als völlig
ungefährlich betrachtet, weil wir die
Wahrnehmung mit dem Auge kennen
und schätzen.
Schwieriger wird es schon bei den
künstlich erzeugten Mikrowellen und
Radiowellen. Hier spricht man verniedlichend von Wellen statt Strahlung. Ob diese Wellen als harmlos zu betrachten sind,
bleibt strittig. Ultraviolettstrahlung (UV)
ist einerseits für den Menschen belebend
und lebensnotwendig, anderseits zerstörerisch. Röntgenstrahlung verwendet
man besser nur dosiert, was anfangs nicht
bekannt war. Eher unumstritten sind die
Folgen der radioaktiven Strahlung, und
vor kosmischen schütze uns der Himmel.
Dies lässt ahnen, wie schwer eine Einschätzung für einen Verbraucher ist und
wie leicht damit Missbrauch betrieben
werden kann.
Besonders in einem Badezimmer mit viel ‘hölzerner’ Wandfläche können Infrarotheizungen effektiv und schnell zuheizen
Thermografie macht’s sichtbar
Rote und lange Wärmestrahlung
Infrarotstrahlung kann man mit dem
Auge nicht sehen. Sie lässt sich aber
sichtbar machen, wie es im Bauwesen
bei thermografischen Aufnahmen einer
Gebäudehülle genutzt wird. Mit den
Aufnahmen werden Energieverluste visualisiert. Dies hört sich einfach an, ist aber
doch schwierig. Denn die kunterbunten
Bilder der Thermografiekamera stellen
die Oberflächentemperatur der Gebäudehülle dar, die nicht zwingend Wärme aus
dem Inneren des Gebäudes sein muss.
Einfacher ist es mit einer Digitalkamera,
den gerichteten Strahl einer InfrarotFernbedienung der Audio-/Videoanlage
sichtbar zu machen.
Beim Heizen ist die Wärmestrahlung,
die hauptsächlich von langwelliger Infrarotstrahlung und im geringen Maße
von rotem Licht verursacht wird, von
erheblicher Bedeutung. Schon 1800
entdeckte William Herschel die ‘Infrarotstrahlung’ beim Messen der Farbtemperatur von Spektralfarben. Er bemerkte eine
hohe Temperatur im roten Bereich des
Lichtspektrums, weswegen er eine unsichtbare Energieform vermutete. Herschel
formulierte dies als Strahlungswärme unterhalb (lat. ‘infra’) des roten Spektrums,
kurz gesagt ‘Infrarotstrahlung’. Heute
wissen wir, dass sich dem sichtbaren
Spektrum das Infrarotspektrum anschließt.
Und so wie jede Farbe eine spezielle
Wellenlänge besitzt, gibt es im Infrarotbereich auch Wellenlängen mit spezieller
Wirkung. Je weiter die Wellenlänge vom
sichtbaren Licht entfernt liegt, umso mehr
‘grillt’ sie die menschliche Haut. Wer
kennt nicht die geröteten Nordländer an
den mediterranen Stränden bzw. den Teutonengrill. Verursacher ist die ultraviolette
und infrarote Solarstrahlung.
Mit Lichtgeschwindigkeit
Welche geballte Kraft hinter den Sonnenstrahlen steckt, kann man sich an
einem frostigen Wintertag vorstellen. Die
Strahlungsenergie der Sonne sorgt dafür,
dass Eis sogar bei Minustemperaturen
Strahlungsheizung
Schwächer als die Solarstrahlung ist die StrahCO2 + H2O
mindert
lungsleistung des Feuers
Wärmestrahlung
bzw. die eines Kaminofens.
Wohl verläuft diese im
O2 + N2
lassen Wärmestrahlung durch
Raum durch mehrfache
Reflexion und Absorption
Remission
Absorption
parallel und wir sind dieser
Luft
Strahlung viel näher. Damit
Reflexion
erreicht ein Feuer oder Kaminofen auch eine hohe InDie Wirksamkeit der Wärmestrahlung wird von vielen
tensität und Wirkung. Sogar
Faktoren beeinflusst. Sie durchdringt Luft bzw. Sauerstoff
eine schwache Glühbirne
(O2) und Stickstoff (N2) vollständig, wird von Kohlendioxid
aus den ‘guten alten Tagen’
(CO2), Wasserdampf (H2O) und Staubpartikeln gemindert
sowie von Glas blockiert. Abhängig vom Empfängermateri- und eine Kerze haben eine Strahlungsleistung und
al, seiner Farbe und Oberflächenstruktur wird die Wärmewärmen. Der Glühbirne
strahlung reflektiert, absorbiert und remittiert.
verhalf dies in der EU zum
Untergang, die Kerze hat
vom festen in den gasförmigen Aggregat- scheinbar eine Schonfrist.
zustand wechselt bzw. sublimiert. Dies ist
Die Wärmestrahlung der Sonne oder
umso erstaunlicher, wenn man bedenkt,
des Feuers durchdringt in geminderter
dass die Solarstrahlung nicht parallel ge- Stärke auch Glas. Dies ist geradezu perbündelt ist, sondern nur strahlförmig auf fekt, denn so kann sie in der Bilanzierung
die Erde auftrifft. Je weiter die Strahlen
eines Gebäudes als passiver Energiege‘streuen’ und je stärker sie zur Erde ge- winn gutgeschrieben werden. Jeder kennt
neigt sind, umso schwächer wirken sie.
den Effekt, bei Sonnenschein hinter eine
Die riesige Entfernung bzw. den luftleeren Scheibe zu sitzen: brütende Hitze durch
Raum zwischen Sonne und Erde über- Solarstrahlung, die aber mangels UVwindet die Solarstrahlung ungehindert Anteil keinen Sonnenbrand verursacht!
mit Lichtgeschwindigkeit. Und mit dieser Die eindringende Strahlungsleistung der
Geschwindigkeit rasen auch die Photonen Sonne ist recht gering. Der solare Energieeiner Strahlungsheizung durch den Raum. gewinn wird dadurch erreicht, dass durch
Kleine Moleküle in der Luft wie Sauerstoff Glas eingedrungene Strahlung nicht mehr
und Stickstoff durchdringen die Strahlen entweichen kann. Sie wird im Raum mehrungehindert, etwas behindert werden sie fach reflektiert und teilweise absorbiert. So
von Wasserdampf und Staub, deutlich erwärmt sie Gegenstände, Flüssigkeiten
behindert werden sie von Fensterglas und und raumumfassende Flächen. Die Raumgänzlich behindert werden sie von einer temperatur steigt, weil die Gegenstände
Wand.
die Luft erwärmen. Selbst Fenster und
380nm
Sonne
Erde
Kein Leben ohne Photon: Die Solarstrahlung trifft mit Lichtgeschwindigkeit als
elektromagnetische Wellen auf die Erde
kosmische
Höhenstrahlung
Gammastrahlung
Röntgenstrahlung
780nm 1Mio.nm
Rundfunk
Wärmestrahlung
Jede Ecke wird erreicht
fern
Empfänger
nah
mittel
Glas blockiert
Strahlung
über 5.000 nm
UV-B
UV-A
Strahlungskörper
Mobilfunk
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UV-C
20
KW LW
Sichtbares Infrarot- Mikro- RadioUVLicht
strahlung wellen- wellen
Strahlung
strahlung
Wechselstrom
Das Spektrum des sichtbaren Lichts reicht von 380 bis 780 Nanometer Wellenlänge. Die Wärmestrahlung beginnt im sichtbaren Rotbereich. Elektrische Infrarotheizungen strahlen ab dem mittleren Infrarotbereich mit einem Maximum bei 9.000 Nanometer
Strahlung
Max Planck entwickelte das Modell eines
schwarzen Körpers mit einer zentralen
Strahlungsquelle. An einer Öffnung konnte
die Temperatur des Hohlraums gemessen
werden und daraus die Strahlungsleistung
abgeleitet werden. Zudem ließ sich die
Spektralverteilung bestimmen
Türen öffnen hilft da wenig, denn die Wärmestrahlung findet kaum den Weg hinaus.
Warum nur passiv?
Bei der Wärmebedarfsberechnung wird
für Glasflächen der passive Solargewinn
respektiert, indem ein g-Faktor (Energiedurchlassgrad) den physikalisch schlechten Dämmwert von Glas schönrechnet.
Anderseits werden Heizungen ignoriert,
die aktiv Strahlungswärme liefern. Dies ist
erstaunlich, weil Glas kaum Wellenlängen
über 2.700 Nanometer durchlässt, wo die
technisch genutzte Infrarotstrahlung erst
beginnt. Die remittierte Strahlung von
Gegenständen und Wänden im Raum
durchdringt das Glas etwas, weswegen aus
energetischer Sicht eine Fensterabdeckung
wie ein Vorhang bei Nacht naheliegt.
Wir stellen fest, dass es auf die Wellenlänge der Strahlung ankommt und das
Medium dazwischen fast vernachlässigt
werden kann. Doch welchen Einfluss hat
die Wärmestrahlung auf das auftreffende
Material? Am einfachsten verständlich ist
dies für Licht. So erzeugen Farbmoleküle
je nach Lichtquelle eine elektromagnetische Strahlung, die vom Auge bzw. Gehirn
als Farbe interpretiert wird. Das Besondere
des Farbmoleküls ist es, einen Teil des
einfallenden Lichtes zu absorbieren und
nur die Restenergie als Farbwirkung zu
emittieren. Die absorbierte Energie wird
je nach Farbtiefe in Wärme umgewandelt.
Neben der Farbe des Gegenstands hat
auch seine Oberflächenstruktur und Masse
Einfluss. Glatte Oberflächen reflektieren
die Strahlung stärker, dunkle Oberflächen
erwärmen sich stärker, schweres Material
kann die Energie als Wärme speichern,
und Holz kann von allem etwas.
Was ist Wärme?
Wärme ist ein Zittern von Atomen. Dies
bewirken Elektronen, die von einer energiearmen zu einer energiereichen Elektronenbahn eines Atoms springen. Mit zunehmender Erwärmung eines Gegenstands
steigt die Aktivität der Elektronen, womit
die Wärmeleitung oder Wärmestrahlung
zunimmt. Im Gegenstand wandert die
Wärme immer vom Warmen zum Kalten.
An der Oberfläche entweicht die Energie
ohne Verlust beim Wärmeübergang als
elektromagnetische Welle in die Luft oder
den luftleeren Raum. Kann die Oberfläche
des Gegenstands die Wärme gut an die
Luft abgeben, so bleibt er halbwegs kühl.
Kann der Gegenstand die Wärme nicht an
die Luft abgeben, so wird er heiß und die
Wärmestrahlung ist hoch. Die Qualität der
Oberfläche ist bedeutend.
Echte Physiker
Ende des 19. Jahrhunderts schufen
Gustav Kirchhoff und Albert Einstein die
Grundlagen der Strahlungstheorie. Der
Quantenphysiker Max Planck erkannte,
dass die Energieteilchen bzw. das Photon (griech. ‘Licht’) in Portionen bzw.
Quanten durch den Raum wandern. Mit
der 1879 von den Physikern Josef Stefan
und Ludwig Boltzmann entwickelten
mathematischen Betrachtung gelang es,
die Strahlungsleistung eines Körpers zu
berechnen. Dabei wird von der absoluten Temperatur von 0 Kelvin (–273 Grad
Celsius) ausgegangen, wo die Strahlung
null ist. Dies bedeutet, dass jeder Körper
mit einer Temperatur höher als –273 Grad
strahlt. Ein Eiswürfel z.B. strahlt mit 273
Kelvin (0 °Celsius) und ein Radiator mit
333 Kelvin (60 Grad).
Die Physiker erkannten, dass die Strahlungsleistung in einem geschlossenen
Hohlraum nur von der Oberflächentemperatur des strahlenden Körpers abhängig ist.
Noch wichtiger war aber ihre Feststellung,
dass eine Verdopplung der Oberflächentemperatur die Strahlungsleistung eines
idealen Körpers um Faktor 16 erhöht.
Max Planck schaffte es, die Strahlungsleistung für einen ‘Schwarzen Körper’ zu
berechnen und die spektrale Verteilung
zu bestimmen. Auf seiner Grundlage lässt
sich heute die Strahlungsleistung berechnen und qualitativ bewerten. Abweichend
vom ‘schwarzen’ Idealfall kommt für die
praktische Berechnung ein Korrekturfaktor
zur Anwendung, der vom Material des
strahlenden Körpers abhängig ist.
Wie in der Ausgabe 2015-01 berichtet,
wurde 2014 durch die Interessensgruppe
‘Paneia’ (www.paneia.eu) eine Qualifizierung von Infrarotheizungen nach
Kategorien vorgenommen. Hintergrund
dieser Maßnahme ist es, die Vielzahl an
Strahlungsheizung
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ka
Die sichtbare Flamme des Ofens wärmt
marginal und bringt eher rotes Licht. Die
Temperatur der Ofenoberfläche bestimmt
die wesentliche Strahlungsleistung. Kann
die Ofenwand ihre Energie nicht an die
Luft abgeben, so wird sie immer heißer
und strahlt immer stärker.
Bei Kachelöfen kennt man trichterförmige Topfkacheln. Der Trichter steckt in
der Ofenwand und wird unten sehr heiß,
weil er näher zur Feuerung ist und kaum
von zirkulierender Luft gekühlt wird.
Rückseitig absorbieren die Tonkacheln
ausgezeichnet die Wärmestrahlung des
Ofenfeuers, die dank des Tons im mittleren Infrarotbereich abgestrahlt wird. Aus
dem Trichter strahlt wie aus einem Lautsprecher die Energie heraus. Wir könnten
sagen, dass die Photonen wie Geschosse
aus der Topfkachel katapultiert werden.
Die hohe Masse der Tonkacheln bedingt
eine gute Wärmespeicherfähigkeit, weswegen der Ofen nachheizt. Seine mittlere
Wellenlänge muss für den Menschen
wohl die ideale sein oder er hat sich in
der Evolution daran am besten angepasst.
Ohne uns am Ofen eine Verbrennung
zu holen, spüren wir seine Wärme. Der
Mensch hat also eine Wahrnehmung für
Strahlungsenergie, der eine mehr und an-
25
zu
Eine andere Betrachtung
bis 8.000), langwelliges (… bis 15.000)
und fernes (über 15.000). Wie in der Spektralgrafik ersichtlich ist, liegt der Infrarotbereich unter und der Ultraviolettbereich
über dem sichtbaren Bereich. Je weiter
entfernt die elektromagnetische Strahlung
vom sichtbaren Licht ist, umso gefährlicher
wird sie für den Menschen. Zu beachten
ist auch, dass die Schädlichkeit der Solarstrahlung in Höhenlagen zunimmt. Noch
problematischer sind die Gamma- und
Höhenstrahlung aus dem Kosmos, die
Flugpersonal-/reisende betrifft. Zusammengefasst bedeutet dies: Normales Licht
ist harmlos, UV- und Infrarotstrahlung sind
ja nach Wellenlänge, Intensität und Expositionszeit überwiegend unbedenklich.
Die unbekannten Langzeitfolgen sind das
eigentliche Problem.
30
gl
ha
be
konventionellen Elektroheizungen von Infrarotheizungen qualitativ unterscheiden zu
können. Denn darin liegt auch der besondere Unterschied. Mit Strom heizen ist teuer, mit Wärmestrahlen heizen ist elementar
und mit elektrischer Infrarotstrahlung
heizen ist effektiv. Denn die Leistungsaufnahme einer elektrischen Infrarotheizung
ist nicht gleich seiner Strahlungsleistung.
Wandtemperatur (°C)
22
15
10
10
14
18
22
26
30
Raumlufttemperatur (°C)
Das Behaglichkeitsprofil nach Bedford und Liese zeigt bei der Strahlungsheizung ein
behagliches Empfinden bei einer Raumlufttemperatur von 14 bis 18 Grad Celsius
Behaglichkeitsprofil nach Bedford und Liese
dere weniger. Es ist wichtig zu erkennen,
dass die Tonkachel die Strahlung in einer
‘natürlichen’, also verträglichen, Wellenlänge aussendet.
den. Darum hat die Anordnung des Ofens
im Raum eine große Bedeutung. Wer zu
lange direkt vor einem Feuer oder Ofen
gesessen hat, muss sich alsbald abkühlen
oder ‘entladen’.
Zuerst war die Praxis
Heizen für die Behaglichkeit
Kachelöfen und Topfkacheln gibt es
schon seit dem Mittelalter, ihre Wirkung ist
also schon lange bekannt, nur nicht, wie
sie physikalisch funktionieren. Vergleichen
wir dazu unsere heutige Heiztechnik, so
müssen wir diese als prähistorisch einstufen. Aber Vorsicht, denn Kachelöfen
haben einen bemerkenswerten Nachteil.
Sitzt man zu nahe dran, so wird man von
der Strahlung ‘gedörrt’ oder förmlich gela-
Die vorrangige Aufgabe des Heizens
von Wohnräumen oder Häusern ist es,
eine Behaglichkeit zu erzielen. Darum
ist nur die gefühlte Temperatur in einem
Raum wichtig, die im Wesentlichen von
der Raumluft- und der Oberflächentemperatur der Außenwände sowie der
Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird. Sie kann
für einen Bereich angegeben werden,
wie dies im Diagramm nach Bedford und
Liese dargestellt ist. Je höher der Unterschied zwischen Raumlufttemperatur und
Wandtemperatur, umso unangenehmer
wird dies empfunden. Kalte Wandflächen
verursachen eine ‘Kältestrahlung’, ein
fühlbarer Wärmeentzug, weil man selbst
ausstrahlt und von der Wand deutlich weniger Energie zurückkommt. Wohl ist zu
beachten, die Behaglichkeitstemperatur je
nach Stimmung und Alter für jeden Menschen anders ist.
Grundsätzliche Bedenken
Natürlich empfundene Strahlungswärme
erzeugen die Sonne und das Feuer. Künstliche Strahlungswärme erzeugen Gasöfen,
Infrarotlampen, Infrarotheizplatten u.v.m.
Abhängig der Wellenlänge wird die Infrarotstrahlung in die fünf Bereiche eingeteilt:
nahes Infrarot (780 bis 1.400 Nanometer),
kurzwelliges (… bis 3.000), mittleres (…
Umdenken ist gefragt
Gedanklich verbinden wir eine Infrarotheizung mit einem Gerät. Besser wäre
Infrarottechnologie zu sagen, denn es ist
eine Funktionalität zwischen Sender und
Empfänger. So unterscheiden sich die
Infrarotheizgeräte durch ihre speziellen
Eigenschaften, und jeder Mensch hat dafür
ein unterschiedliches Wärmeempfinden.
Zudem ist es ein Unterschied, ob uns eine
Strahlung im Freien direkt oder in einem
Raum mit mehrfacher Reflexion und Remission trifft.
In heutigen Wohnhäusern wird die Heizenergie meist über die Fußböden, Heizkörper, Wandflächen oder den Sockel verteilt.
Hier spricht man von Konvektionsheizungen (Konvektion, lat. ‘mittragen’), da die
Wärmeverteilung über die Luft erfolgt. Diese erwärmt sich bspw. am Heizkörper und
dehnt sich aus und wird darum leichter.
So steigt sie hoch und unten strömt kalte
Luft nach. Dies funktioniert besonders gut,
wenn der Heizkörper am kalten Fenster
platziert wird. Seit fast 100 Jahren ist diese
komfortable und praxiserprobte Technik
mit Warmwasserkreisläufen bekannt.
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Besser durchheizen
Das Prinzip hat aber auch Nachteile.
Die Luftzirkulation transportiert nicht nur
Wärme, sondern auch Staubpartikel und
Wasserdampf, was an kalten Bauteilen
zur Kondensation und Schimmelbildung
führt. Zudem ist der Energieaufwand zum
Heizen eines Raumes verhältnismäßig
hoch, wenn die Außenwände nicht stark
gedämmt sind oder aus ‘kalten’ Baustoffen
bestehen. Konvektionsheizungen sorgen
grundsätzlich für Unbehagen, je höher der
Temperaturunterschied zwischen warmer
Raumluft und kalter Wand ist. Für stetiges
Aufheizen und Abkühlen eines Raumes
sind Konvektionsheizungen ungeeignet.
CLH Stammhaus-Bau GmbH
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Strahlungsheizung
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Sie verursachen Luftströmungen in einem
Raum, die als Zugluft empfunden werden
und vermeintlich undichte Fenster oder
offene Türen vermuten lassen.
Völlig anderes Prinzip
Bei einer Direktheizung wird die Wärme unmittelbar übertragen, die Strahlungswärme des Heizgerätes erwärmt den
Gegenstand bzw. Menschen. Kleinmolekulare Gasteilchen wie Sauerstoff oder
Stickstoff behindern die Wärmestrahlung
nicht, wohl aber große Teilchen wie Wasserdampf. Eine Direktheizung ist nicht
unbedingt ein modernes Gerät. Der altbackene Begriff Radiator (lat. ‘strahlend’)
beschreibt einen glühend heißen Gussheizkörper bzw. einen Wärmestrahler.
Wirklich altbacken sind unsere heutigen
Lamellenheizkörper, die mit ihrer großen
Oberfläche die Wärme gut an die Luft abgeben und die zwischen den Platten meist
vollkommen verdreckt sind. Sie geben
immerhin einen geringen Teil ihrer Energie
als Strahlungswärme ab. Und das kennt
jeder, der sich zum schnellen Aufwärmen
dem Heizkörper nähert und ihn so ‘direkt’
nutzt. Umgekehrt verursacht eine Strahlungsheizung auch eine Konvektion, weil
ein Teil der Wärme durch direkten Kontakt
an die Luft abgegeben wird.
Simple Sache
Heutige Heizsysteme und vor allen Dingen die Methode der Berechnung einer
Heizleistung, wie sie auch für die Energieeinsparverordnung genutzt wird, basieren
auf einem thermodynamischen Prinzip.
Man nehme eine Außen- und Innentemperatur, dazwischen eine Wand und bemesse
den Wärmestrom von warm nach kalt. Aus
der Temperaturdifferenz und dem Wandwiderstand ergibt sich der Heizenergiebedarf.
Hat die Wand exzellente Dämmwerte, wie
bei Styropordämmung, so ist der theoretische Energiebedarf minimal. Dies kann
aber in der Heizpraxis zu ganz anderen
Ergebnissen führen.
Bemessen wir einen (strahlenden) Radiator zu 100 Prozent nach thermodynamischen Regeln, entsteht eine Fehlinterpretation. Denn er liefert eine wirksame
Strahlungsleistung. In der Folge wird die
Wand kostspielig überdämmt und die
Heizungsanlage überdimensioniert. Im
Obergeschoss eines Massivholzhauses ist
das nur zu gut bekannt, dort wird kaum
Heizenergie benötigt. Befürworter der
Strahlungsheizung sprechen von einem
Generalirrtum bei der Bemessung von
Heizungsanlagen, was Kritiker wiederum
auf die Palme bringt bzw. sie um ihre
unvergänglichen Lorbeeren fürchten lässt.
Elektrische Infrarotheizungen
Seit wenigen Jahren werden am Markt
elektrische Infrarotheizungen angeboten
und sie sind bereits länger in Blockhäusern
erfolgreich im Einsatz. Wir beschreiben
also mit dieser Heiztechnik kein Neuland.
Bei einer elektrischen Infrarotheizung
wird eine Heizplatte via Strom erhitzt.
Meist sind es Marmorplatten, weil diese
die Energie dank ihrer Struktur effizient
und mild als Wärmestrahlung abgeben.
Je nach Raumdimension kommen Geräte
mit 500 bis 1.000 Watt Leistungsaufnahme
zum Einsatz. Daraus produzieren sie eine
Heizleistung bzw. Strahlungsleistung wie
jeder normale Heizkörper, nur eben sehr
effizient. Ein Thermostat regelt abhängig
von der Raumtemperatur das Einschaltintervall. Sie werden am besten schräg oder
vertikal an der Wand montiert, können aber
auch mit angemessenem Abstand unter der
Decke hängen. Infrarotheizungen bedingen
auch eine geringe konvektive Heizwärme.
So wäre es nur richtig, sowohl die konvektive als auch die radiative Heizleistung zu
berechnen.
Keine Kondensationsprobleme
Ein besonderer Vorteil von Strahlungsheizungen liegt darin, dass ihre Wärmestrahlung in einem geschlossenen Raum
immer weiter reflektiert und absorbiert
wird bis sich ein Gleichgewichtszustand
einstellt. Es entsteht im Raum ein ‘Treibhauseffekt’. Der Leistungsverlust beim
ersten Auftreffen der Strahlung auf einen
Körper ist verhältnismäßig gering, da je
nach Material ein großer Teil der Energie
vom absorbierenden Körper auch wieder
abgegeben wird. Die Strahlungsenergie
erreicht auch für Konvektionsheizungen
schwer zugängliche Raumecken. Es
werden also Probleme mit Wärmebrücken und dortigen Kondensationsstellen
vermieden. Letzterer Punkt ist sogar die
Ursache für die starke Verbreitung dieser
Heiztechnik bei der Altbausanierung, wo
mit dicker Innendämmung nur risikoreich
gearbeitet werden kann.
Enorme Temperaturwirkung
Um eine ausreichend hohe Heizleistung
für einen Raum zu bekommen, muss man
die Strahlungsleistung der elektrischen
Infrarotheizung oder eines simplen Radiators ermitteln. Dies geschieht über die
Oberflächentemperatur der Heizfläche in
Watt pro Quadratmeter. Bei einem Radiator bedient man sich der mittleren Temperatur zwischen Vorlauf und Rücklauf.
Elektrische Infrarotheizungen werden bei
einer Oberflächentemperatur von 85 bis
105 Grad betrieben. Die hohe Temperatur
macht Sinn, denn der Wirkungsgrad steigt
überproportional mit der Temperatur.
Infrarotheizungen sind unempfindlich
gegenüber offen stehende Fenster, denn
die Raumtemperatur ist grundsätzlich
niedriger und ein Wärmeabtransport durch
Konvektion findet kaum statt. So kann die
Strahlungswärme am offenen Fensterspalt
kaum entweichen. Ein weiterer Aspekt ist,
dass die Infrarotstrahlung kein Glas durchdringt. Übermäßig gedämmte, x-fache Verglasung kann man sich sparen. Das direkte
Beheizen bedingt eine geringere Raumtemperatur und je geringer diese ist, umso
wohler fühlt man sich. Und mit jedem Grad
geringerer Lufttemperatur senkt man den
Energieverbrauch überproportional. Sehr
schnell werden die raumumschließenden
Wände erwärmt, bis sich eine konstante
Temperatur einstellt. Zudem eignen sich
Infrarotheizungen, einen Raum in kürzester
Zeit aufzuheizen, zum Beispiel kurzzeitig
morgens das Bad oder ein zeitweise genutztes Ferienblockhaus.
Bestens bei Massivholzwänden
Die Kombination aus Strahlungsheizung und massiven Holzwänden zeigt
spannende Aspekte. Denn Holz hat eine
ausgezeichnete Absorptionsfähigkeit für
Wärmestrahlen. Das bedeutet, dass die
Strahlungsenergie in der anisotropen
röhrenförmigen Holzstruktur mehrfach
absorbiert und remittiert wird. Die Wärmestrahlung kann bewiesen, dass eine
massive Holzwand viel effektiver wirkt,
als dies der U-Wert der Wand vormacht.
Wärmestrahlung macht sich bedingt
durch die größere Oberflächengeometrie
bei runden Blockbalken stärker bemerkbar
als bei flachen. Dieser Effekt wurde durch
Blockhauskenner hinlänglich erklärt.
Dagegen wurde dies über thermodynamische Berechnung immer verneint –
sprich – er wurde als Unfug beschrieben.
Aber, wie konnten die Menschen früher
in den kalten borealen Regionen der Erde
überleben? Sie wohnten in Blockhäusern
mit ‘dünnen’ runden Blockwänden, die
mit einer Feuerstätte direkt und sparsam
beheizt wurden. Es ist grotesk, dass wir
heute dreimal dickere Blockwände bauen
müssen!
Eine interessante Möglichkeit eine
Strahlungsheizung zu bauen, bietet die Sockelheizung. Dies sind im einfachsten Fall
dicke Heizrohre parallel zum Fußboden
bzw. zur Außenwand verlegt oder querförmige am Sockel montierte Heizleisten.
Die Rohre oder Heizleisten strahlen ihre
Energie direkt auf die Wand, und die aufsteigende Luft wärmt oben. Dann wirkt die
gesamte Wand trotz geringer Oberflächen-
temperatur aber mit großer Fläche als guter
Wärmestrahler. Alternativ können Heizwasserrohre innerhalb der Wand verlegt
werden; dies ist jedoch aufwändig, riskant
wegen etwaiger Beschädigungen und muss
nicht immer effektiv wirken.
Die elektromagnetische Belastung bzw.
der Elektrosmog durch Infrarotheizungen
bezeichnen wir bis dato als ungeklärt.
Dabei betrachten wir die Feldstärke des
Heizgerätes und nicht den Betrieb mit
Wechselstrom. Klar ist, dass der Biorhythmus des Menschen beim Schlafen nicht
durch Elektrosmog gestört werden sollte.
So sollten vorsichtshalber nachts keine
Infrarotheizungen in Schlafzimmern betrieben werden. Solange eine Gefährdung
nicht ausgeschlossen ist, gilt hier der Ver-
zicht. Auch dürfen wir die elektromagnetische Strahlung des Heizgerätes nicht mit
der Wärmestrahlung der Sonne oder von
Feuerstellen vergleichen. Unterscheide
zu natürlichen Strahlen können bei den
Wellenlängen, der Intensität und vielem
mehr bestehen. Spätfolgen sind nie auszuschließen – aber auch nicht bei einem
Sonnenbrand.
BH