Physikalische Grundlagen

Die physikalischen Grundlagen von Konvektionsheizungen und Strahlungsheizungen sind völlig verschieden:

Bei der Konvektionsheizung (Luftheizung) erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeströmung von warmer Luft. Gemäß 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik sind dafür Temperaturdifferenzen erforderlich.

Bei einer Strahlungsheizung vollzieht sich der Wärmetransport gemäß der Quantenmechanik nach Max Planck ohne irgendein Transportmedium nur durch Wärmestrahlung. Sie stützt sich auf folgende physikalische Grundlagen:

  • Die Wärmestrahlung einer Infrarotstrahlungsheizung ist eine elektromagnetische Welle wie das Licht, der Strom, die Mikrowelle, die Radiowellen, die sich alle mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

  • Die als Infrarotstrahlen für Heizzwecke mit Temperaturen von bis zu 80°C in Frage kommenden Wellenlängen liegen im schmalen Band zwischen 3 und 50 µm (Mikrometer). Sie sind so wie alle temperierten und warmen Flächen gesundheitlich gefahrlos. Elektrosmog liegt selbstverständlich nicht vor.

  • Jede Fläche ist in der Lage, Wärmestrahlen aufzunehmen (Energiegewinn durch Absorption) und auszusenden (Energieverlust durch Emission). Strahlungsenergie wird somit von einer temperierten Fläche zugleich absorbiert und emittiert.

  • Wärmestrahlung erwärmt keine Luft, sondern nur feste und flüssige Körper. Die Raumluft ist durchlässig für Wärmestrahlen und bleibt deswegen kühl und angenehm. Die Temperaturen der Raumumfassungsflächen sind höher als die Lufttemperatur. Die Erwärmung angrenzender Luftschichten erfolgt demzufolge konvektiv erst mittelbar durch die wärmeren Oberflächen. Beim Lüften wird infolge der niedrigen Lufttemperaturen auch Energie gespart.

  • Infolge der nahezu ruhenden Luft (nur sehr geringe Staubaufwirbelung) kann seltener gelüftet werden. Dies spart wiederum Energie.

  • Infrarotwärmestrahlung (>3µm) durchdringt kein normales Glas. Die Wärmestrahlung verbleibt im Raum.

Die Aufgabe einer Strahlungsheizung besteht einzig und allein darin, temperierte Flächen zu schaffen, die dann durch (infrarote) Wärmestrahlen ein angenehmes Raumklima gewährleisten. Für die Lage der Strahlflächen bieten sich insbesondere die Decke und die Wände an.

Die Strahlungsleistung

Die Strahlungsleistung einer temperierten Fläche wird vom Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben. Demnach ist sie proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur einer Oberfläche. D.h. unabhängig von der Umgebungstemperatur werden Wärmestrahlen emittiert – bedingt allein durch die Oberflächentemperatur.

Strahlungsleistung
Eine Konvektionsheizung dagegen braucht zum Funktionieren „Übertemperaturen“. Die Wärmeleistung ist somit proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Raumluft.

Der Strahlungsaustausch

Alle Oberflächen im Raum absorbieren und emittieren Wärmestrahlen. Die höher temperierte Fläche gibt an die niedriger temperierte Energie durch Strahlung ab und umgekehrt. Der Strahlungsaustausch ist somit proportional zur Differenz beider Strahlungsleistungen.

Strahlungsleistung
Durch den Strahlungsaustausch gleichen sich die Oberflächentemperaturen im Raum an. Absorbierte und emittierte Wärmeenergie sind dann gleich groß. Es entstehen gleichmäßig temperierte Flächen einschließlich der Möbel – man fühlt sich wohl und behaglich.

Der Unterschied zwischen Strahlungsleistung und Strahlungsaustausch

Beispiel 1:

T1=80°C (Strahlplatte) und
T2=20°C (Wand)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist sehr groß.


Beispiel 2:

T1=80°C (heiße Strahlplatte) und
T2=50°C (mäßig temperierte Strahlplatte)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist wesentlich kleiner.
Die Strahlungsleistung ist insgesamt natürlich höher.


Beispiel 3:

T1=80°C (Strahlplatte) und
T2=80°C (weitere Strahlplatte gegenüber)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist gleich Null.
Die Strahlungsleistung jedoch verdoppelt sich in dem Raum.


Damit ist klar, dass Strahlungsaustausch nicht Strahlungsleistung entspricht und die Formel für den Strahlungsaustausch keinesfalls für die Bestimmung der Strahlungsleistung verwendet werden darf. Leider wird das dennoch von Kritikern der Strahlungsheizung gelegentlich (wider besseres Wissen) getan.

Wärmeleistung

Die Wärmeleistung aller Strahlungsheizungen (Infrarotheizungen) setzt sich aus Strahlungsleistung und konvektiver Leistung zusammen.

Die Strahlungswärmeleistung (qr) wird mit dem Planckschen Strahlungsgesetz für die Halbraumstrahlung berechnet.

Die dazu benötigten Parameter sind:

• ϑsi (in °C) Temperatur der strahlenden Oberfläche: z.B. 80°C
• Cs (in W/m²K⁴) Strahlungszahl des schwarzen Strahlers: 5,67 W/m²K⁴
Emissionsgrad: 0,93
Strahlungsleistung

Die Konvektionswärmeleistung (qc) wird über den Temperaturunterschied zwischen Strahlungsfläche (ϑsi) und Raumlufttemperatur (ϑi) bestimmt. Die dazu benötigten Parameter sind:

• ϑsi (in °C) Temperatur der strahlenden Oberfläche: z.B. 80°C
• ϑi (in °C) Temperatur der Raumluft: z.B. 18°C
Waermeleistung

Die gesamte Wärmeleistung (qc) einer Strahlungsheizung ergibt sich aus der Addition von Strahlungswärmeleistung (qr) und Konvektionswärmeleistung (qc):
Waermeleistung
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