Strahlungsheizung

Dieser Artikel wurde auf derQualitätssicherungsseitedesPortals Energieeingetragen. Dies geschieht, um die Qualität der Artikel aus demThemengebiet „Energie “formal und inhaltlich auf ein in der Wikipedia gewünschtes Niveau zu bringen. Wir sind dankbar fürdeine Mithilfe;bitte beteilige dich an derDiskussion(neuer Eintrag)oder überarbeite den Artikel entsprechend.

Historischer elektrischer Heizstrahler („Heizsonne “)

Strahlungsheizung in einer Flugzeugwartungshalle

EineStrahlungsheizungoderWärmewellenheizungist eineHeizung,deren überwiegende Wärmeabgabe durchInfrarotstrahlerin Form vonWärmestrahlungerfolgt. Sie unterscheidet sich von derKonvektionsheizung,die ihre Wärme überwiegend durchKonvektionabgibt. Man unterscheidet zwei verschiedene Bauformen der Strahlungsheizung: die Hochtemperaturstrahler und die Niedertemperaturstrahler.

Physikalische Grundlagen

Jeder Körper, dessen Temperatur über demabsoluten Nullpunktliegt, gibtWärmestrahlungan seine Umgebung ab. Die Leistung und Wellenlänge dieser Strahlung hängt gemäß demStefan-Boltzmann-Gesetzund demWienschen Verschiebungsgesetzvon der Temperatur des Strahlers ab:

• die heiße Sonne strahlt mit ihrer wärmendenSonnenstrahlung(überwiegend)kurzwellig,die Wellenlänge liegt zwischen 780 und 1400 nm, siehe dazu auchStrahlungshaushalt der Erde.
• Objekte strahlen bei Raumtemperatur (20 °C)langwelligeWärmestrahlung ab, die Wellenlänge liegt zwischen 1400 und 3000 nm, siehe dazu auchEinteilung des Spektralbereichs von Infrarotstrahlung)

Das physikalisch korrekt ausgedrückte Wirkprinzip der Strahlungsheizung – bezogen auf den Strahlungsanteil – ist derStrahlungsaustauschdes Strahlers mit seiner Umgebung. Bei im Vergleich zur Umgebung sehr kleinflächigen Hochtemperaturstrahlern kann die Rückwirkung der Umgebung auf den Strahler vernachlässigt werden. Gemäß demStefan-Boltzmann-Gesetzist die abgestrahlte Leistung etwa abhängig von der vierten Potenz der Temperatur. Bei höheren Temperaturen (rot bis gelb glühende Heizelemente) ist der Strahlungsanteil groß und lässt sich durch optische Reflektoren richten und bündeln. Somit ist die nutzbareEnergiedes Systems höher als bei Konvektion oder Wärmeleitung.

Prinzipien der Anwendung

Bei der Strahlungsheizung wird der überwiegende Teil der Wärmeenergie durch Wärmestrahlung direkt übertragen. Alle Gegenstände und Materialien, die Wärmestrahlung absorbieren, geben wiederum Wärme durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung an vorbeistreichende Luft ab. Durch Wärmestrahlung erwärmte Luft gibt Wärme durch Wärmestrahlung undKonvektionab. Im Gegensatz dazu wird bei einerKonvektionsheizungdanach getrachtet, zum überwiegenden Teil die Raumluft zu erwärmen und als Wärmeträger zu nutzen und die Wärme durch Konvektion im Raum verteilt (nachteilig daran ist, dass Luft nur geringeWärmespeicherkapazitäthat). Bei beiden Heizungsarten wird Wärme auch in Wasserdampf alsVerdampfungsenthalpiegebunden und durch Konvektion und Lüften abgeführt.

Wärmestrahlen erreichen und erwärmen

• die oberste Schicht der Raumwände und der Möbel und Einrichtungsgegenstände,
• die Bewohner der Räume
• zu einem geringen Anteil die „Treibhausgase “(CO₂und Wasserdampf) der Raumluft (siehe dazuTreibhauseffekt).

Die Hauptbestandteile der Atmosphäre,StickstoffundSauerstoff,haben als zweiatomige Moleküle weder ein statischesDipolmomentnoch einÜbergangsdipolmoment,sie werden durch Strahlung des infrarotenLichtsnicht angeregt.

Fensterglas ist für langwellige Wärmestrahlungpraktisch undurchlässig,langwellige Wärmestrahlung wird dabei entweder (entsprechend demWärmedurchgangskoeffizientenrespektiveWärmedurchlasskoeffizientender Glassorte) absorbiert oder zurück in den Raum reflektiert.Die Reflexion ist vom Einfallswinkel abhängig (siehe dazuReflexionsgrad,ReflexionsfaktorundTotalreflexion). Dagegen ist Fensterglas für eintretendekurzwellige Wärmestrahlung der Sonne (zwischen 200 und 2500 nm) beinahe zu 100 % durchlässig (sieheEnergiedurchlassgrad), dieser mögliche Wärmeeinfall und die Undurchlässigkeit für Raumwärme wird deshalb auch beiSolarthermiekollektorenundGlashäuserngenutzt.

Abgrenzung zur Konvektionsheizung

Die Abgrenzung zwischen Strahlungsheizung und Konvektionsheizung ist nicht immer einfach:

• Eine Strahlungsheizung hat immer gleichzeitig warme Bauteile, die die umgebende Luft erwärmen und damit Konvektion erzeugen. Sie wird als Strahlungsheizung bezeichnet, wenn der überwiegende Teil ihrer Wärmeabgabe durch Strahlung erfolgt.
• Eine Konvektionsheizung ist warm und gibt damit gleichzeitig Wärmestrahlung ab. Sie wird als Konvektionsheizung bezeichnet, wenn der überwiegende Teil ihrer Wärmeabgabe durch Konvektion erfolgt.
• EineHeizleisteerzeugt als Konvektionsheizung einen dünnen Wärmeschleier vor einer Wand, erwärmt diese dadurch, die dann wiederum Wärme abstrahlt.

Charakteristiken

Zu den Vorteilen von Infrarotheizungen zählen die niedrigen Investitionskosten, die nicht nötige Wartung und Instandhaltung, die kurze Reaktionszeit und ein hoher Wirkungsgradam Ort der Heizungdurch vollständige Wandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie (Stromerzeugung nicht mit berücksichtigt). Nachteilig ist insbesondere die geringeEnergieeffizienzund damit der hohe Stromverbrauch, sodass Infrarotheizungen gemäßMartin Pehntvor allem für sehr effiziente Gebäude geeignet sind. Verglichen mitWärmepumpenheizungenbenötigen Infrarotheizungen etwa dreimal so viel elektrische Energie. Aufgrund dieser Eigenschaften erweisen sich Infrarotheizungen ebenfalls als Problem für die Stromversorgung, da sie dieSpitzenlastan kalten Wintertagen unverhältnismäßig stark ansteigen lassen.Damit einher gehen folglich auch hohe Betriebskosten, da viel Strom bezogen werden muss, und bei Bezug von Strom aus fossilen Energien hoheTreibhausgasemissionen.Zudem muss im Gebäude eine separates System für die Erzeugung von Warmwasser installiert werden.

Niedertemperaturstrahler

Niedertemperaturstrahler sind in der Regel Heizkörper, über die anderweitig erzeugte oder gespeicherte Wärmeenergie emittiert wird. Wirkmedien sind entweder Warmwasser (über Heizschlangen, Heizkörper oderHeizleisten) oder in Folien eingebettete flächige elektrische Heizmatten (ausGraphitoderRuß). Gängige Bauformen dabei sindFußbodenheizung,WandheizungoderDeckenheizungssysteme,es gibt aber auch Sonderbauformen (z. B.Bauteilheizung) für spezielle Anforderungen.

Strahlungsheizkörper im Niedertemperaturbereich benötigen auf Grund ihres Funktionsprinzips eine wesentlich größere raumseitige Abstrahlfläche als ein Konvektorheizkörper. Sie können in raumbegrenzende Bauteile integriert sein (Vorteil: kein eigener Platzbedarf – Nachteil: schlechte Wartbarkeit) oder als flache Bauelemente auf Wand oder Decke appliziert sein (Vorteil: leichte Wartbarkeit – Nachteil: bei Wänden: evtl. Wegfall von Stellplatz).

Hochtemperaturstrahler

Handelsüblicher elektrischer Hochtemperatur-Heizstrahler

Kopfbereich eines gas­betriebenenTerrassenstrahlers

Bei den Hochtemperaturstrahlern wird die Heizenergie am oder im Abstrahlbauteil erzeugt und mit hoher Temperatur abgestrahlt. Diese Heizungsform wird verwendet, um über einen größeren Abstand oder in größerem Umfang Heizenergie abzugeben. Hochtemperaturstrahler werden gewöhnlich als Heizstrahler bezeichnet. Beispiele dafür sind

• elektrische Heizstrahler, z. B.BadzusatzheizungundWickeltischwärmer,sowie
• Gasheizstrahler, z. B. derkatalytischeBauheizer,Terrassenstrahler(in der Alltagssprache auchHeizpilzgenannt, was auch als Marke eingetragen ist,und in ÖsterreichHeizschwammerlgenannt) und dieindustrielle Hallenarbeitsplatzheizung.

Durch die hohe Temperatur besteht zumindest Verbrennungsgefahr, in der Regel sogar Brandgefahr, der durch entsprechende Vorsichtsmaßnahmen (Abschirmung, Anbringung außerhalb des Arbeitsbereichs, Abstände zu anderen Gegenständen) begegnet werden muss.

Nach rasch steigender Beliebtheit existieren wegen der hohenKohlendioxidemissionenin vielen größeren Städten und deutschen Bundesländern Verbote für den Einsatz von gasbetriebenen Terrassenstrahlern in öffentlichen Betrieben wie Gaststätten. Ein Verbot für die gelegentliche private Nutzung existiert nicht.

Elektrischer Betrieb

Elektrischer Heizstrahler für einen Wickeltisch

Bei einer Strahlungsheizung erhitzt sich eine vonelektrischem StromdurchflosseneHeizwendeloder ein Heizstab und strahlt dadurchWärmein Form vonInfrarotstrahlenab. Hinter dem Glühkörper befindet sich ein Spiegel, der die Infrarotstrahlen in eine Richtung lenkt. Da der Glühkörper mehrere hundert Grad Celsius heiß wird, ist stets ein Berührungsschutz angebracht. Der Glühkörper ist vom Aufbau her eine um einen Keramikkern zur Isolation gegen Kurzschluss gewickelte Heizspirale. DieHeizspiraledes Glühkörpers wird auch Glühwendel genannt.

Heute werden elektrische Infrarotheizstrahler in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. in der Gastronomie und im privaten Bereich als Außen-Heizung, Zusatzheizungen in Badezimmern und überall dort, wo kurzfristig Wärme benötigt wird. SpezielleWickeltisch-Heizstrahler sind für den Wickelplatz von Babys konzipiert, meist sind diese mit 600 W Heizleistung und mit Splitterschutz (wegen Quarz-Heizstab) ausgelegt. Neuere Geräte besitzen eine Abschalt-Automatik (meist nach 10 oder 20 Minuten Heizbetrieb).

Eine Sonderform des elektrischen Heizstrahlers ist dieRotlichtlampe,bei der die über den Glühfaden erzeugte Wärmeenergie hoch genug ist, um aus kleinerem Abstand medizinisch wirken zu können. Aber auch hier ist eine Brandgefahr nicht auszuschließen (unbemerkter Stoffkontakt während der Bestrahlung).

Eine bedeutsame Sonderform des elektrischen Heizstrahlers ist dieGlühlampe.Bei dieser Bauform wird zwar auch der größte Teil der eingesetzten Energie in Wärmestrahlung umgesetzt. Ein gemessen an anderen Bauformen hoher, gleichwohl insgesamt immer noch geringer Teil der Strahlung (ca. 5 % der eingesetzten Energie) wird jedoch im sichtbaren Bereich des Spektrums emittiert. Dies gelingt, indem der Glühkörper in einSchutzgaseingeschlossen wird, was höhere Temperaturen des Glühkörpers ermöglicht.

Siehe auch

• Radiator
• Heizkörper

Literatur

• A. Kollmar, W. Liese:Die Strahlungsheizung.4. Auflage. R. Oldenbourg, München 1957.
• Bernd Glück:Strahlungsheizung – Theorie und Praxis.Verl. für Bauwesen / C. F. Müller Verl., Berlin / Karlsruhe 1982,ISBN 3-7880-7157-5.Auszüge online
• Laszlo J. Bánhidi:Radiant heating systems: design and applications.(= International series on building environmental engineering; 3) Pergamon Press, Oxford 1991,ISBN 0-08-034345-7.

Weblinks

• Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile der Wärmewellenheizung einfach erklärt
• Beschreibung diverser Heizstrahler