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| Foto: Astra Natursteinheizungen |
Konrad Fischer Im Zuge der an vielen Stellen genannten Einsparung von Energie, insbesondere der Heizenergie, ist es nicht nur notwendig, über Dämm- und Baustoffe nachzudenken, sondern auch über die Heiztechnik. Eine kritische Analyse der gängigen Systeme zeigt interessante Ergebnisse.
Dipl.-Ing. Konrad Fischer, Architekt BYAK, Hochstadt/Main
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| Bild 1: Die durch den Heizkörper erwärmte Luft transportiert die Wärme mittels Konvektion in den Raum |
Es gibt drei Arten des Energietransportes, die Wärmeleitung, die Wärmeströmung (Konvektion) und die Wärmestrahlung. Bei der Wärmeleitung findet der Austausch und damit die Weitergabe der Wärmeenergie, welche grundsätzlich eine Bewegungsenergie auf der atomaren Ebene ist, unmittelbar zwischen den benachbarten Atomen und Molekülen statt. Bei der Wärmeströmung nimmt ein flüssiges oder gasförmiges Medium Wärmeenergie meist in Form von Wärmeleitung auf und überträgt die Wärme durch gerichtete Bewegung. Eine typische Anwendung ist die durch Konvektion bedingte Luftumwälzung in einem Raum (Bild 1). Eine notwendige Voraussetzung zur Entstehung von Wärmeleitung oder –strömung ist ein Temperatur- bzw. Druckgefälle. Nur in diesem Fall´kann ein Ausgleichsvorgang entstehen.
Der Wärmetransport durch Strahlung unterscheidet sich grundsätzlich von den Vorgängen der Wärmeübertragung durch Leitung oder Konvektion. Der Unterschied besteht darin, dass die Strahlung an keinen stofflichen Träger gebunden ist und damit auch nicht vom Temperaturfeld des durchstrahlten Mediums abhängt.
| Bestandteile der Luft
78% Stickstoff N2 |
Strom, Licht, Röntgenstrahlen, Höhenstrahlung und eben auch die Wärmestrahlung des Temperaturstrahlers (Strahlungsheizung) stellen physikalisch etwas ganz anderes dar als die Wärmeleitung und die Konvektion. Die Gesetze zur Beschreibung der elektromagnetischen Strahlung sind ausschließlich Bestandteil der Quantenmechanik.
Das Plancksche Strahlungsgesetz und das daraus abgeleitete Gesetz von Stefan und Boltzmann erfordern zur Bestimmung der Strahlungsenergie nur die absolute Temperatur, während die Thermodynamik, die in der Wärmeleitung und Wärmeströmung zur Anwendung kommt, mit Temperaturdifferenzen rechnet.
Daraus folgt, dass in der Heiztechnik quantenmechanisch zu behandelnde elektromagnetische Strahlung und die thermodynamisch zu behandelnde Konvektionsheizung zu trennen sind.
Die Durchlässigkeit normalen Fensterglases beschränkt sich auf den Spektralbereich kurzwelliger Sonnenstrahlung, der etwa zwischen 0,3 und 2,5µm liegt. Die durch einen Wärmestrahler erzeugte langwellige Temperaturstrahlung liegt bei Oberflächentemperaturen von 20 bis 30°C etwa zwischen 3 und 40µm, das Maximum liegt bei ca. 10µm.
Ultraviolette Strahlung gelangt nicht durch die Fenster in die Wohnung, aus diesem Grund gibt es keine Sonnenbräune hinter einer Glasscheibe, und langwelliges Infrarot der Temperaturstrahlung dringt nicht nach draußen.
Das Fenster erzeugt den »Treibhauseffekt«: Wenn Sonnenstrahlung in einen Raum eindringt, von den Raumflächen absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, kann die daraus resultierende Wärmestrahlung nicht mehr hinaus.
Temperaturprofil eines WohnhausesDurch die Temperierungsnachrüstung eines Hauses, Hanglage mit drei Geschossen, HLZ-Mauerwerk 36,5 (Hochlochziegel, 36,5cm dick), großzügige Belichtung mit Verbundfenstern, DG-Ausbau mit Gipskarton und ca. 4cm Dämmung, aus dem Jahr 1963 im Winter 1999/2000, hat sich nach der ersten Heizperiode eine Ersparnis beim Ölverbrauch von etwa 30% gegenüber der vorherigen Heizung mit Einzelölöfen ergeben. Der Betrieb der Temperieranlage (offen geführter Vor- und Rücklauf über Sockel, auf Vorlauf sparsam bemessene, mit Thermostat zuschaltbare Strahlungsplatten nach Bedarf) ergab nach ca. 6 Wochen Dauerbetrieb folgenden Zustand:
Die Temperierung funktioniert wie gewünscht, Schon bei geringer Temperatur über dem Gefrierpunkt bzw. entsprechender Einstrahlung der Wintersonne sind die Zusatzstrahlplatten nicht mehr erforderlich. Dann genügen zwei Sockelröhrchen zum Erreichen eines behaglichen Wohnklimas. |
Im historischen Massivbau gibt es die Temperierung der Raumhülle mittels einfacher oder raffinierter Heiztechniken sozusagen seit der Antike bis in die Neuzeit. Die Baumeister der römischen Thermen und Kloster- bzw. Burgenbauten mit ihrem unter dem Fußboden geführten Heizsystem, der sog. Hypokaustenheizung (griech. »Unterfeuerung«), und der Abgasführung durch Lüftungsziegel (Tubuli) in der Wand bis über Dach lösten die Heizungsprobleme, das Energie Sparen und die Substanzschonung im Massivbau gleichermaßen durch Erwärmen der Raumhülle, nicht der Raumluft.
Ein Versuch im Pierce Laboratory, USA, verdeutlichte das Ziel strahlungsorientierter Heiztechnik: Personen in einem Raum mit 50°C warmer Luft und gekühlten Wänden froren jämmerlich, während sie bei 10°C und erhitzten Wänden ins Schwitzen gerieten (Quelle: Techn. Info »Strahlungsenergie – die Ur-Energie, neu entdeckt, TT Technotherm«).
Als stationäre Strahlungsheizkörper funktionierten dann die Kachelöfen und offenen Kaminfeuerungen, die in den Raum hineinstrahlten und durch Strahlungsausgleich zwischen den Wänden zu angenehmen Umgebungstemperaturen führten. Und das bei geringem Energieverlust, da die flüchtige Raumluft kaum bzw. nur in sekundärem Maße Energie aufnahm und die speicherfähigen Umgebungsflächen bzw. der massive Grundofen die Wärmeenergie lange festhielt. Obendrein sorgte das wärmende »Rückgrat« der Kaminanlage für beste Ausnutzung der Rauchabgase im ganzen Gebäude.
Die Strahlungsheizung entspricht auch der menschlichen Physiologie. Der menschliche Körper kann über die Haut 99% der auf ihn einwirkenden Wärmestrahlung aufnehmen. Da er seit Anfang seiner Existenz der Sonnenstrahlung ausgesetzt war, ist seine Körperkonstitution und die Art, Energie aufzunehmen, darauf eingerichtet.
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| Bild 2: Die Strahlheizung verteilt die mittels infraroter Strahlung übertragene Energie gleichmäßig im Raum |
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| Bild 3: Gemeinsam mit der Konvektion der Warmluft werden Staub und sonstige Partikel transportiert |
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| Bild 4: Da warme Luft nach oben steigt, verursacht Konvektionswärmeverteilung immer auch ein vertikales Temperaturgefälle |
Eine Temperierung der Räume, egal ob für den dauernden Aufenthalt von Menschen oder als Museumsdepot, erfolgt durch die Energieversorgung der Wärmeverlustfläche des Gebäudes. Die erwärmten Außenwände versorgen dann den Innenraum mit Strahlungswärme. Die angestrahlten Körper (Wände, Decke, Boden, Möbel, Nutzer) strahlen ihrerseits Wärmestrahlung in alle Richtungen. Damit sorgt der Strahlungsausgleich für allseits temperiertes Raumklima und vermeidet Verwirbelung der Luft (Bild 2). Der Fußbodenbereich bleibt warm. Das Strahlungsprinzip, das selbstverständlich nicht nur für elektrische Marmorheizung, sondern für alle Strahlungsheizungen gilt, beeinflusst den Energieverbrauch günstig ohne korrespondierende Gesundheits- und Feuchteschäden:
• Luft bleibt der Atmung vorbehalten, kein staub- und keimbefrachteter Energieträger wie bei Konvektions- oder Radiatorheizung, dadurch sauberere Lunge und Raumschale (Bild 3),
• die erwärmten Wände vermindern Kondensatanfall und auf diese Weise die Bauteilkorrosion der Außenwände, der gefürchtete Schimmelbefall bleibt aus,
• die speicherfähige Bauwerksmasse speichert die Heizenergie ohne Umweg,
• eine Strahlungsheizung liefert das behagliche Raumklima mit geringeren Raulufttemperaturen als ein lufterhitzendes System,
• durch Wegfall der Raumluftumwälzung durch Konvektion unterbleiben die unangenehmen Abkühleffekte an Fensterflächen,
• hohe Räume erhalten bei Sockeltemperierung die Wärme genau im Aufenthaltsbereich, wo sie der Benutzer braucht (Bild 4),
• die Wärmeleitfähigkeit der sonst feuchten Wand verringert sich durch Trocknung der dem Raum zugewandten Seite, dadurch leitet der Innenbereich der temperierten Außenwand weniger Energie in den Wandquerschnitt ab.
Der Einsatz von elektrischer Heizenergie ist nicht unproblematisch. Hier sind aber Entwicklungen zu beobachten, welche die Elektroheizung in konkurrenzfähige Bereiche rücken. So lassen sich Temperieranlagen in Objekten ohne Platz für Heiztechnik, Kessel, Kamine und Brennstofflager mit Elektroenergie versorgen.
Da der Energiemarkt ständig in Bewegung ist, sind aktuelle wirtschaftliche Analysen erforderlich, um Preisbewegungen am Öl- und Gasmarkt in Beziehung mit der jeweils erforderlichen Anlageninvestition zu setzen. Auch das Contracting-Angebot (Bereitstellung von »Wärme« inkl. der dazu gehörenden Technik und Energie, Refinanzierung durch Lieferpreis der Energie) bietet vielleicht interessante Lösungen. Ohnehin gibt es für Elektroheizungen oft Tarife, die gerade bei Temperiertechnik zu wirtschaftlichen Modellen führen können.
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