Infrarotstrahler
Infrarotstrahler sind Bauteile oder eigenständig funktionierende Geräte, die Infrarotstrahlung erzeugen, welche für Erwärmungs- oder Trocknungszwecke eingesetzt werden. Einsatzbereiche sind z. B. in der Tierhaltung, in elektrischen Saunen, als Hallenbeheizung, als Wohnraumheizung oder zu Therapiezwecken in der Medizin. Als Energiequelle für Infrarotstrahler wird brennbares Gas oder elektrischer Strom verwendet. Das Prinzip der Infrarotstrahlung ist bei elektrisch wie auch mit Gas betriebenen Infrarotstrahlern identisch.
Dieser Typ Wärmelampen sendet auch einen Teil sichtbares Rotlicht aus.
Im Gegensatz zu anderen Heizungen funktionieren Infrarotstrahler überwiegend über die Erwärmung der angestrahlten Fläche, nicht durch die Erwärmung der Luft am Heizkörper selbst.
Neben Infrarotstrahlern, also Geräten, die breitbandige Infrarotstrahlung emittieren, gibt es auch Geräte, die Infrarotstrahlung nur in einem relativ schmalen Spektrum aussenden; dazu gehören Infrarotlaser (vor allem der Kohlendioxidlaser) und die Infrarotleuchtdiode.
Prinzip Infrarotstrahler
Das Prinzip der Geräte ist einfach und lässt sich am besten mit dem Sonnenbad auf einem Gletscher erklären. Obwohl die Umgebungstemperatur unterhalb 0 °C liegt, ist es in der Sonne warm. Das liegt an der Wärmestrahlung der Sonne. Dort, wo diese auftrifft, wird sie (teilweise) absorbiert und in Wärme umgewandelt, beispielsweise auf unserer Haut.
Infrarotstrahlung stellt nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums dar. Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als Infrarot liegt im sichtbaren oder gesundheitsschädlichen Bereich (Ionisierende Strahlung) und ist daher unerwünscht. Strahlung mit höherer Wellenlänge hingegen wird zunehmend schlechter absorbiert (beispielsweise Radar, Rundfunk).
Generell gilt, dass jede Strahlung von Materie absorbiert wird, wenn die jeweiligen Atome und Moleküle das Energieniveau, das der jeweiligen Strahlungsfrequenz entspricht, aufnehmen können. Die Frequenzbereiche der Moleküle in der Luft unterscheiden sich von denen von flüssigen oder festen Körpern. Beispielsweise erwärmt Infrarotstrahlung Luft nur vergleichsweise wenig, anders als hingegen Festkörper. Die Energieübertragung erfolgt damit zielgerichtet und direkt und unterscheidet sich deutlich vom Prinzip der Konvektion, d. h. der Erwärmung der Umgebungsluft und dem Transport der Wärmeenergie über ein mobiles Medium. Ziel ist es, den konvektiven Verlust (aufsteigende Warmluft) so gering wie möglich zu halten. Durch eine Abstimmung von abgestrahlter Frequenz und Ziel (z. B. ein bestimmtes Metall) kann die Übertragung noch selektiver werden.
Infrarotheizung
Infrarotheizungen gehören zu den Strahlungs- oder Wärmewellenheizungen und werden vornehmlich in Hallen eingesetzt, wo herkömmliche Konvektionsheizungen unwirtschaftlich wären, deren Warmluft weitgehend nutzlos unter dem Hallendach hängen würde. Dieser Vorteil ist größer bei Hellstrahlersystemen, die mit höherer Temperatur und geringerer Fläche des Strahlers arbeiten. Von Dunkelstrahlersystemen geht eine geringere Brandgefahr aus.
Für den Einsatz im Wohnbereich werden Strahler hinter einer Schutzhülle ins Gehäuse eingefasst, um Verbrennungen am menschlichen Körper im Falle kurzzeitiger Berührung mit der 80–100 °C heißen Strahleroberfläche (bei Flächenstrahlern, bei IR-Heizstäben deutlich mehr) zu verhindern. Die Heizungen werden in vielen verschiedenen Varianten als Fläche, Spiegel, Bild oder Kugel in Ausführungen als fix positionierte Einrichtungskomponente oder als ortsvariables (Trage-)Gerät gefertigt.
Aufgrund der gleichmäßigen Strahlungswärme, der geringen Lufterwärmung und -bewegung und des damit einhergehenden geringeren Heizbedarfs kommen Infrarotheizgeräte z. B. in großen oder schlecht gedämmten Räumen und vor allem im Außenbereich zur Anwendung (Straßencafés, Terrassen, Weihnachtsmärkte etc.). Im Unterschied zu konventionellen Heizkörpern wird nicht die Raumluft schichtweise erwärmt, sondern lediglich die angestrahlten Körper, welche die Wärme anschließend an die Luft abgeben. Infrarotheizungen werden mit diesem Argument oft als sehr sparsame Heizungen beworben, bei Dauerbetrieb zur Raumheizung ist eine Infrarotheizung allerdings ähnlich ineffizient wie jede andere Form der Elektroheizung.
Infrarotheizungen in einer Lagerhalle für Coils
Beheizung eines Fahrradverkaufraums durch Infrarotheizungen
Details zu Infrarotheizungen auf einer Messe
Terrassenstrahler (Heizpilz)
für 11-kg-Propan-/Butangasflasche im Standfuß
Elektrischer Betrieb
Grundsätzlich werden Lichtquellen unterteilt nach Art der Emission: Infrarotlampen, wie auch normale Glühlampen und die meisten Lichtquellen gehören zu den thermischen Strahlern, das heißt, sie geben Strahlung aufgrund und entsprechend ihrer Temperatur ab. Siehe dazu auch Schwarzer Körper. Schwarz bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Strahlung nur aufgrund der körpereigenen Temperatur abgegeben wird und nicht aufgrund von Reflexionen oder Ähnlichem „verfälscht“ wird. Umgekehrt gilt, dass jeder Körper mit einer Temperatur über null Kelvin thermische Strahlung abgibt.
Gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz hängt die „Hauptfarbe“ der Wärmestrahlung eines (schwarzen) Körpers nur von dessen Temperatur ab: Je kälter er ist, desto niederfrequenter ist das Maximum der von ihm abgegebenen Strahlung. Beispiel: Ein moderat erhitzter Eisendraht glüht dunkelrot (niederfrequent); wenn der Draht weiter erhitzt wird, erhöht sich die Frequenz, was mit einer hellroten, orangen, gelben oder gar bläulich-weißen Farbe einhergeht. Besitzt der Draht dagegen beispielsweise nur Zimmertemperatur, so liegt seine Strahlung noch „unter“ dem dunkelsten Rot, was menschliche Augen noch erkennen können, mit anderen Worten: Ein solcher Draht scheint nicht von selbst zu leuchten.
Es hängt also von der Art der Lampe und damit der Glühtemperatur ab, wie viel sichtbares Licht und wie viel infrarotes Licht sie abstrahlt. So betrachtet wären daher relativ kühle Lampen recht effiziente Infrarotlampen, doch aufgrund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes sinkt die gesamte Strahlungsleistung eines Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur.
Zuletzt sei noch kurz auf das Plancksche Strahlungsgesetz verwiesen. Es beschreibt die gesamte Frequenzverteilung der Strahlung eines schwarzen Körpers, nicht nur das Maximum. Eine bekannte Ausnahme von der Gruppe der thermischen Strahler (als Lichtquelle) ist die Leuchtdiode: Die abgegebene Strahlung entsteht aus einem Elektronenübergang, der idealerweise nichts mit der Temperatur im Innern der Diode zu tun hat.
Quarzstrahler
Bei einem Quarzstrahler befindet sich der vom elektrischen Strom durchflossene Heizwiderstand in einem mit Inertgas gefüllten leicht opakem Quarzglasrohr. Daher kann die Temperatur des Drahtes höher als bei einem konventionellen Heizstrahler gewählt werden.
Rohre von Quarzstrahlern haben typischerweise 8 – 15 mm Außendurchmesser und sind zumeist zylindrisch-gerade. Sie können mit Drahtklammern aus Niro-Stahl gehaltert und mit 6,3-mm-Flachsteckern elektrisch kontaktiert werden. Das Rohrmaterial besteht aus quarzreichem Glas, reinem Quarzglas oder häufig dem etwas trüben Quarzgut Rotosil. Betriebstemperaturen bewegen sich um 600 °C bis 950 °C.[1]
Halogenstrahler
Bei einem Halogenstrahler ist der Wirkungsgrad höher als beim Quarzstrahler. Er wird auch zu Kochzwecken unter Ceranplatten eingesetzt.
Infrarotlampen
Infrarotlampen (auch Rotlichtlampen oder Wärmelampen genannt) sind Lampen, die ganz überwiegend nicht sichtbare Wärmestrahlung abgeben. Dazu wird in die Lampe ein zumeist roter Filter eingebaut, um das restliche (nicht-rote) sichtbare Licht herauszufiltern. Auch können die eingesetzten Leuchtmittel diese Filter in ihrer Glasumhüllung direkt enthalten. Die emittierte Strahlung umfasst dann neben dem (noch sichtbaren) roten Lichtanteil hauptsächlich nur noch sogenannte nahe Infrarotstrahlung (NIR).
Infrarotlampen werden zum Beispiel in Kükenaufzuchtstationen und Terrarien eingesetzt. Sie geben Infrarotstrahlung in dem Bereich ab, den viele Lebewesen als angenehm empfinden. Dies lässt sich durch den hohen Anteil an NIR-Strahlung erklären, dem energiereichsten Infrarot mit der zugleich höchsten Eindringtiefe (von trotzdem nur wenigen Millimetern, siehe Eindringtiefen von IR-Strahlung): Die entstehende Wärme wird durch die auftreffende Strahlung also knapp unterhalb der Hautoberfläche erzeugt, und nicht direkt auf der Hautoberfläche, welches zumindest Menschen mitunter als unangenehm empfinden (Hautaustrocknung und Verbrennungsgefühl). Zugleich lösen diese Infrarotlampen trotz ihrer Leistung durch ihre milde und tiefrote Strahlung keinen Fluchtreflex bei Tieren aus, die ansonsten direktes Sonnenlicht meiden.
Die Intensität von modernen Infrarotlampen kann auch gedimmt werden. Die Glühwendel leuchtet dann nicht mehr grell weiß bis hellgelb, sondern nur noch rötlich. Die Intensität des Infrarotlichts wird dadurch – aufgrund der Verschiebung des Strahlungsmaximums (siehe Wiensches Verschiebungsgesetz) – nur wenig geringer.
Es gibt auch modifizierte Infrarotlampen, die eher als Infrarotstrahler ausgelegt sind. Bei diesen wird der Anteil an sichtbarer Strahlung weiter reduziert und dafür anteilsmäßig mehr mittleres Infrarot (MIR) emittiert. Lampen auf der Basis von Glühwendeln können so noch einen Wellenlängenbereich von 5 – 10 µm erreichen. Diese Art der Infrarotlampe wird benutzt, wenn Körper aufgewärmt werden sollen, die für den NIR-Bereich (weitgehend) unsichtbar sind, d. h., die entsprechende Strahlung ungehindert passieren lassen. Ein Beispiel dafür ist Wassereis. Es ist im sichtbaren Bereich und im NIR praktisch durchsichtig. Erst im fernen Infrarot (FIR) wird es undurchsichtig, nimmt also die gesamte Energie der Strahlung auf und wird somit erwärmt. Wirksame „Eis-Auftau-Infrarotheizungen“ müssen also einen hohen Anteil an FIR-Strahlung abgeben.
Auch in industriellen Heizprozessen werden elektrische Infrarotstrahler z. B. beim Thermoformen eingesetzt.
Gasbetrieb
Heizstrahler in der Industrie und beim Camping sind hingegen meist mit Brenngas oder Flüssiggas betrieben, bei stationärem Einsatz seltener auch mit Erdgas. Dabei erhitzt die Gasflamme den Glühkörper. Industrieheizstrahler können zur alleinigen Hallenheizung verwendet werden. Für die Gasstrahler sind die für Gasgeräte gültigen Aufstellungsbestimmungen einzuhalten. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie für den Wohnbereich kaum geeignet. In den letzten Jahren kamen immer mehr Terrassenstrahler (auch „Heizpilze“ genannt) in Außenbereichen wie Straßencafés zum Einsatz. Diese Außenheizungen stehen wegen ihrer „Ästhetik“ und Klimaschädlichkeit in der Kritik, sind aber in den meisten deutschen Städten noch zugelassen (Stand: 2008).[2][3] Im Wesentlichen unterscheidet man heute bei direktgasbefeuerten Geräten zwei Infrarotstrahlerarten: Hellstrahler und Dunkelstrahler.
Hellstrahler
Hellstrahler werden durch einen atmosphärischen Brenner direkt beheizt und mit Erdgas, Petroleum oder Flüssiggas betrieben. Sie werden an der Wand oder an Decken installiert. Sie heißen Hellstrahler, weil die Erzeugung von Infrarotstrahlen durch eine sichtbare Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches an der Geräteunterseite vonstattengeht. Dabei glühen Keramikplatten „hell“. Die perforierten Keramikplatten bilden gleichzeitig das Herzstück der Hellstrahler. Durch sie strömt das Gas-Luft-Gemisch und verbrennt an deren Oberfläche. Die Keramikplattenoberfläche erhitzt sich dabei bis auf 950 °C und gibt Infrarotstrahlung ab. Reflektoren reflektieren die Strahlung nach unten in den Aufenthaltsbereich.
Platten
Früher waren die Keramikplatten relativ einfach aufgebaut. Im Durchschnitt besaßen sie circa 1200 Löcher und erreichten lediglich ein Viertel der Größe heutiger Platten. Die Oberfläche der rechteckigen Platten war eben. Entwickler fingen bereits in den 1970er Jahren an, die Keramikplatte zu verbessern. Sie hatten erkannt, dass Leistungsausbeute und Emission zum Großteil von der Oberflächenbeschaffenheit und vom Aufbau der Platte abhängig sind. Heute befinden sich zwischen 3000 und 4000 Löcher mit 1 – 1,3 mm Durchmesser auf einer Tafel. Die Oberfläche, die so genannte Tiefeneffektstruktur, ähnelt einer gleichmäßig angeordneten Bienenwabe. Durch sie vergrößert sich die spezifische Oberfläche und damit auch die Wärmeübertragungsfläche und die Strahlungsausbeute um rund 60 %. In jedem Loch brennt quasi eine kleine Flamme. Dadurch entsteht eine sehr heiße Keramikoberfläche, obwohl die eigentlichen Flämmchen relativ kühl bleiben. Dies reduziert die Stickoxid-Werte (NOx) auf einen kaum messbaren Bereich. Die Kohlenmonoxid-Werte (CO) liegen im Bereich von modernen Brennwertkesseln, die oftmals die gleichen Keramikplatten und den gleichen Effekt – heiße Oberfläche und kühle Flamme – nutzen. Eine hochwertige Keramikplatte hat eine sehr hohe Lebensdauer. Durch fortschrittliche Herstellungsverfahren besitzen sie ein außerordentlich dichtes und homogenes Gefüge. Das ist vor allem bei den unzähligen Wechselwirkungen kalt/heiß, verursacht durch Ein- und Ausschaltvorgänge vieler Betriebsjahre, wichtig.
Reflektoren
Um den Ansprüchen auf hohe Leistungsausbeute gerecht zu werden, gibt es neben unisolierten Geräten auch vollisolierte. Die Isolation bewirkt, dass der Wärmeübergang zur Reflektoraußenseite sehr gering ist, dadurch entsteht im Strahler ein Heißluftpolster, die Reflektoren werden heiß und strahlen ihrerseits Wärme ab. Diesen Effekt nennt man Kombistrahlung. Ein weiterer „Reflektor“, jedoch in Gitterform, das so genannte Strahlungsgitter, sitzt direkt unter den Keramikplatten. Er bewirkt, dass die Strahlung von den Keramikplatten zum Teil zu ihnen reflektiert wird. Die Strahlung wird an der Oberfläche in Wärme umgewandelt und die Temperatur der Keramikplatte fängt an zu steigen, ein „Pingpong“ der Strahlung.
Infrarotleistung
Die Leistung der Geräte hat sich in den letzten Jahren rapide gesteigert. Erreichten früher Geräte durchschnittlich nur 40–50 %, liegt die abgestrahlte Leistung (Strahlungsfaktor) heute zwischen 65 % und 77 % (Stand: 2006). Der Strahlungsfaktor ist demzufolge ein direkter Indikator der Energieausbeute.
Einsatzgebiete
Hellstrahler eignen sich besonders für höhere Hallen mit Deckenhöhen über 6 m, zur Beheizung schlecht gedämmter Hallen oder zur Freiluftbeheizung. Sie kommen in Industrie, Werkstätten, Ausstellungshallen, Museen, Lagerhallen, Flugzeughangars, Kirchen und vielen weiteren Anwendungsbereichen zum Einsatz. Als besondere Anwendungsfälle können die Beheizung von Lagern zur Kondensatfreihaltung und die Beheizung von Fußballstadien genannt werden.
Vorschriften zur Abgasführung
Die Abgase von Hellstrahlern können aufgrund der fast schadstofffreien Verbrennung indirekt über die Raumluft abgeführt werden. Es muss eine Frischluftzufuhr von 10 m³/(h·kW) gewährleistet werden.
Regelung
Die Strahler lassen sich entweder in Stufen oder modulierend regeln. Je nach Planung und Temperaturprofil der Halle können unterschiedliche Temperaturen in einem Raum realisiert werden. So kann auf individuelle Temperaturanforderungen einzelner Zonen bzw. Arbeitsplätze flexibel eingegangen werden. Die Bedienung der Geräte erfolgt durch einfache Zeitschaltuhren oder komplexe Steuerungen, die die An- und Abschaltvorgänge mit Strahlungsfühlern regeln. Moderne Steuerungen ermitteln selbstständig den optimalen Einschaltzeitpunkt. PC-Anbindung oder Anbindung an die Gebäudeleittechnik ist ebenfalls möglich.
Dunkelstrahler
Dunkelstrahler erzeugen die Wärme ebenfalls durch Verbrennung eines Sauerstoff-Gas-Gemisches, jedoch in geschlossenen Brennern mit Strahlrohren. Die Verbrennung ist also nicht sichtbar, daher der Name Dunkelstrahler. Durch die erzeugten Heißgase wird die Oberfläche der Strahlrohre erhitzt, die die Wärme überwiegend als Strahlung abgeben. Als Brennstoff wird Erd- und Flüssiggas, sowie Heizöl eingesetzt, wobei Letzteres nur wenige Hersteller anbieten.
Aufbau
Dunkelstrahler sind relativ einfach aufgebaute Geräte bestehend aus einem Brenner, einem Ventilator, einem Strahlungsrohr und darüber angeordneten Reflektoren. Ein linear oder U-förmig ausgebildetes Rohr dient als Strahlfläche. Der Brenner, der an einem Ende des Strahlrohres montiert ist, erzeugt eine Flamme, die relativ weit in das Rohr hineinreicht. Unterschieden wird hierbei zwischen Geräten mit Über- oder Unterdruck. Bei Überdruckgeräten sitzt der Ventilator an der gleichen Stelle wie der Brenner und „drückt“ die Flamme weit in das Strahlungsrohr. Der Ventilator ist hierbei nicht den heißen Abgasen ausgesetzt. Bei Undichtigkeiten an der Gerätekonstruktion können aufgrund des Überdrucks innerhalb des Systems Abgase in den Aufstellraum austreten. Bei Geräten im Unterdruckbetrieb, also mit Sauggebläse am Ende des Strahlungsrohres, wird ein Unterdruck erzeugt. Vorteil dieser Bauart besteht darin, dass auch bei Undichtigkeiten an der Konstruktion keine Abgase in den Aufstellraum gelangen können. Hierbei müssen die Abgasventilatoren entsprechend temperaturbeständig sein, da diese den heißen Gasen ausgesetzt sind. Bei beiden Arten wird eine lange und laminare Flamme erzeugt, die den Strahler über die gesamte Länge gleichmäßig erwärmt. Das Strahlungsrohr wird von einem Reflektor abgedeckt, der die Wärmestrahlung in den gewünschten Bereich lenkt. Zur weiteren Steigerung des Strahlungsfaktors kann das Reflektorblech mit einer Wärmedämmung aus mineralischen Fasern versehen werden.
Infrarotleistung
Die Rohroberflächentemperatur beträgt je nach Leistung und Ausführung zwischen 300 und 650 °C. Abhängig von der Bauart und Brennertechnologie arbeiten Dunkelstrahler aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen mit Strahlungsfaktoren zwischen 45 % und 55 %. Der Strahlungsgrad moderner, isolierter Geräte (Strahlungsfaktor bis 77 %) ist kaum noch zu steigern und wird niemals das hohe Niveau von Hellstrahlern erreichen. In der Praxis wird dies dadurch relativiert, dass bei Hellstrahlern in geschlossenen Hallen eine Belüftung installiert werden muss, die viel eingebrachte Wärme abtransportiert. Durch die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Abgaswerte stoßen die Entwickler hier an ihre Grenzen.
Abgasführung
Die Abgase von Dunkelstrahlern müssen über eine geeignete Abgasanlage aus der Halle abgeführt werden. Diese kann entweder einzeln pro Gerät oder gemeinsam mit mehreren Geräten erfolgen. Diese Art der Abgasabführung wird im Allgemeinen als Sammelabgasanlage bezeichnet. Die Abgasanlage bedarf einer jährlichen Prüfung durch den Schornsteinfeger.
Betriebsweise
Dunkelstrahler können wahlweise die notwendige Verbrennungsluft dem Aufstellraum entnehmen (raumluftabhängige Betriebsweise, Typ B) oder raumluftunabhängig (Typ C) betrieben werden. Bei dieser Betriebsweise wird die notwendige Verbrennungsluft vom Freien herangeführt. Dies erfolgt in der Regel über eine konzentrische Abgasanlage, wodurch die warmen Abgase die für die Verbrennung notwendige Außenluft vorerwärmen.
Einsatzgebiete
Dunkelstrahler strahlen in geringerer Intensität als Hellstrahler, versorgen aber aufgrund ihrer Länge ein größeres Strahlungsfeld pro Gerät. Aufgrund der geringeren Oberflächentemperatur können sie bereits in Räumen ab einer Deckenhöhe von ca. 4 m eingesetzt werden. In explosionsgeschützten Bereichen oder Umgebungen mit korrosiven Luftbestandteilen ist ein Betrieb der Geräte nicht möglich.
Regelung
Die Regelung entspricht der von Hellstrahlern. Lediglich müssen bei Sammelabgasanlagen die Abgasventilatoren zusätzlich gesteuert werden.
Vor- und Nachteile
Infrarotstrahlen benötigen kein „Trägermedium“ zum Transport ihrer Energie. Das heißt, sie gelangen nahezu verlustfrei vom Gerät zu den angestrahlten Oberflächen, statt durch die Konvektion der Luft. Natürlich erwärmen alle Körper, die beispielsweise innerhalb einer Halle per Infrarotstrahlung erwärmt wurden, auch ihrerseits per Wärmeleitung die Luft. Dieser Effekt ist allerdings unter Umständen deutlich geringer, als es bei den konventionellen Systemen der Fall wäre. Da die Luft nicht direkt erwärmt wird, entstehen unter Umständen geringere Warmluftpolster unter dem Dach. Je nach Gerätetyp und Hersteller soll sich so unter bestimmten Bedingungen Energie gegenüber herkömmlichen Elektroheizungen einsparen lassen. Eine Infrarotheizung kann also vorteilhaft sein, wenn in einem großen Raum nur lokal geheizt werden soll, ohne die gesamte Raumluft zu erwärmen. Der Einsatz kann auch sinnvoll sein, wenn z. B. Kellerräume nur wenige Stunden pro Woche genutzt werden sollen, weil sich Oberflächen unter der Infrarotstrahlung sehr schnell erwärmen.
Um aber einen ganzen Raum inklusive der Raumluft dauerhaft auf eine bestimmte Temperatur zu heizen, verbraucht eine Infrarotheizung genauso viel Energie wie jede andere Elektroheizung. Daher raten Verbraucherzentralen in der Regel aufgrund der hohen Betriebskosten von Infrarotheizungen im häuslichen Umfeld ab.[4]
Wirkungsgrad
Mit elektrischem Strom betriebene Infrarotstrahler geben bis zu 86 % der zugeführten Energie als Strahlung ab.[5] Die Glühfäden emittieren die Wärme mittels Infrarotstrahlung. Der Verlust von Energie ist auf die Leitungen und die Konvektion zurückzuführen, insgesamt werden jedoch (wie bei jeder anderen Elektroheizung auch) nahezu 100 % der Energie in Wärme umgewandelt. Ein hoher energetischer Wirkungsgrad einer einzelnen Komponente ist jedoch nicht zwingend mit hoher Energieeffizienz gleichzusetzen. Bezieht man die Energieabgabe bei der Stromerzeugung und -verteilung ein, sind elektrische Direktheizungen meist ineffizient, um Niedertemperaturraumwärme bereitzustellen.[6] Wird bei der Stromerzeugung Primärenergie mit Kohlenstoffdioxidgehalt verwendet (Erdöl, Erdgas), ergibt sich eine hohe Klimabelastung durch den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß. Da elektrische Energie meist drei- bis viermal teurer ist als beispielsweise thermische Energie aus einer Gasheizung, sind die Betriebskosten relativ hoch.
Absorption
Grundsätzlich ist die Absorption der Strahlung eines Infrarotstrahlers abhängig von dessen emittierter Wellenlänge in Bezug auf das Absorptionsspektrum des zu erwärmenden Materials (vgl. Infrarotstrahlung). Eine sorgfältige Auswahl des geeigneten Infrarotstrahlers ist erforderlich, um die Absorption zu erhöhen.
Mittleres oder klassisches (normales) Infrarot (MIR; Wellenlänge: 3 – 50 µm): Wasser beispielsweise besitzt ein Absorptionsspektrum mit einer Spitze von ungefähr 3,0 µm. Dies bedeutet, dass die Emissionsstrahlung von mittelwelligen Strahlern oder Karbon-Infrarotstrahlern von Wasser und Wasser-basierten Schichten (menschlicher Körper) besser absorbiert wird als die kurzwellige Strahlung. Selbiges gilt für zahlreiche Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylen. Deren Absorptionsspitze liegt um die 3,5 µm.
Nahes Infrarot (NIR; Wellenlänge: 0,78 – 3,0 µm): Umgekehrt absorbiert eine Vielzahl an Metallen Infrarotstrahlung nur im Bereich der Kurzwelle und zeigt eine hohe Reflexion bei Lang- und Mittelwellen. Keramik-Heizelemente arbeiten mit einer Temperatur zwischen 300 und 700 °C und generieren Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich bereits ab 2 – 10 µm. Die meisten Kunststoffe und zahlreiche andere Materialien absorbieren die Infrarotstrahlung am besten in diesem Bereich, weshalb Keramikstrahler bei diesen Materialien bevorzugt verwendet werden.
Tiefenwirkung
Der infrarote Spektralbereich unterteilt sich in folgende Abschnitte (DIN 5031).[7][8] Entscheidend für eine Nutzung in Außenbereichen ist die Tiefenwirkung unter die Hautschichten, die trotz Luftbewegungen als Wärme spürbar ist.
| Infrarotbereich | Wellenlänge in nm | Bereich | Eindringtiefe in mm |
|---|---|---|---|
| IR-A (nahes Infrarot) | 780 bis 1.400 | kurzwellig | bis 5,0 |
| IR-B (nahes Infrarot) | 1.400 bis 3.000 | mittelwellig | bis 2,0 |
| IR-C (mittleres Infrarot) | 3.000 bis 50.000 | langwellig | bis 0,3 |
| IR-C (fernes Infrarot) | 50.000 bis 1.000.000 | langwellig | bis 0,3 |
Weblinks
Einzelnachweise
- Heizelement in Form eines rohrartigen Bauteils Patentschrift EP1119220A2, abgerufen am 25. Dezember 2019.
- Almut F. Kaspar: Klimakiller: Heizpilze erhitzen die Gemüter. In: Stern. 12. November 2007.
- Tobias Kniebe: Heizpilz – Klimawandel auf der Terrasse. In: Süddeutsche Magazin. („Das Prinzip“), 10. Januar 2008.
- Stromheizung meistens unwirtschaftlich. (Memento des Originals vom 15. Mai 2016 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. In Verbraucherzentrale. Verbraucherzentrale Bundesverband e.V., 28. Januar 2016, abgerufen am 15. Mai 2016.
- 2008 ASHRAE Handbook - Heating, Ventilating, and Air-Conditioning Systems and Equipment. (I-P Edition) American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2008, ISBN 978-1-60119-795-5, Tabelle 2, S. 15.3.
- Günther Frey et al.: Studie zu den Energieeffizienzpotentialen durch Ersatz von elektrischem Strom im Raumwärmebereich. (PDF) izes gGmbH, Bremer Energie Institut, 28. Februar 2007, abgerufen am 24. Mai 2016.
- Matthias Morfeld: Querschnitt Rehabilitation, physikalische Medizin und Naturheilverfahren: ein fallorientiertes Lehrbuch. Urban&FischerVerlag, 2007, ISBN 978-3-437-41178-6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Christian Raulin, Bärbel Greve: Laser und IPL-Technologie in der Dermatologie und Ästhetischen Medizin. Schattauer Verlag, 2003, ISBN 3-7945-2236-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
