Wie sinnvoll sind Infrarotheizungen?
Wollen wir uns unabhängig von Gas und Erdöl machen, spielt Strom aus erneuerbaren Energien bei der Wärmeproduktion der Zukunft eine wichtige Rolle. Wie sinnvoll sind vor diesem Hintergrund Infrarotheizungen? Wie fällt der Vergleich mit Wärmepumpen aus? Eine Studie der Hochschule Konstanz kommt zu interessanten und überraschenden Erkenntnissen.
Infrarotheizungen aus Marmor sind besonders edel und dekorativ.
Foto: Panthermedia.net/vanitjan
Infrarotheizungen sind schnell montiert, lassen sich unabhängig von Gas oder Öl betreiben und versprechen eine gesunde Wärme. Dennoch: Wie sinnvoll sind Infrarotheizungen, vor allem vor dem Hintergrund, dass sie mit teurem Strom aus der Steckdose betrieben werden? Ein Forschungsprojekt der HTWG Konstanz hat sich mit dem Potenzial solcher Stromheizungen als Alternative zu Wärmepumpensystemen beschäftigt. Denn eines ist klar, wollen wir die Energiewende herbeiführen, wird Strom eine wichtige Rolle beim Heizen einnehmen müssen – und zwar Strom aus Solar- oder Windenergie.
| Darum geht es in diesem Artikel: |
Das ist der Status Quo
Aus heutiger Sicht und mit Blick auf den energetischen Zustand vieler Altbauten ist das Heizen mit Strom ineffizient und teuer. Ein alleiniges Heizen mit Infrarotheizungen macht daher wenig Sinn. Anders sieht es bei bauphysikalisch hocheffizienten Gebäuden aus, hier muss wenig „Fremdenergie“ zugeführt werden, um die gewünschte Raumtemperatur zu erhalten.
Hier kann eine Infrarotheizung aus ökonomischer Sicht sinnvoll sein, da sie sehr viel günstiger zu montieren sind als wassergeführte Systeme. Darüber hinaus fallen die Wartungskosten für die Heizung weg. Es braucht keinen Schornsteinfeger und keinen Heizungsbauer. Wird der Strom für den Betrieb der Infrarotstrahler darüber hinaus mit einer Photovoltaikanlage erzeugt, passt es auch aus ökologischer Sicht.
Wie funktioniert Infrarotstrahlung?
Wärme wird grundsätzlich auf drei Arten übertragen: Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung. Bei Infrarotheizungen macht die Wärmestrahlung einen Großteil der Wärmeübertragung aus. Diese wollen wir uns daher einmal etwas genauer anschauen und bemühen aus diesem Grund die Thermodynamik:
Jeder Körper sendet elektromagnetische Wellen aus, sofern er eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat. Die Wellenlänge ist dabei umso kürzer, je höher die Temperatur des Körpers ist. Und je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher wird die elektromagnetische Strahlung. Die Wärmestrahlung braucht hierbei kein Medium zur Übertragung der Wärme, sie funktioniert daher auch im Vakuum. Das ist auch der Grund, warum ein nur mit Infrarotheizung beheizter Raum eine kühlere Raumtemperatur als eine mit Konvektionswärme beheizter Raum haben kann, um die gleiche Behaglichkeit zu empfinden.
Ein bestimmtes Spektrum der elektromagnetischen Strahlung wird auf der Haut als Wärme empfunden – das ist die Infrarotstrahlung. Dabei ist jeder Körper zugleich Sender und Empfänger. Sind die Körper gleich warm, befinden sie sich im Strahlungsgleichwicht. Ist der eine Körper hingegen wärmer als der andere, gibt dieser mehr Energie in Form von Strahlung ab, als er empfängt. Das ist das Prinzip der Infrarotheizung.
Wichtiger Punkt bei einer Infrarotheizung ist die Wärme der Oberfläche, je höher die Temperatur, desto größer die Strahlungsleistung. Durch eine Verdoppelung der Oberflächentemperatur lässt sich die Strahlungsleistung in etwa verdrei- bis vervierfachen. Halbiert man die Oberflächentemperatur braucht es hingegen eine drei- bis vierfache Fläche, um die gleiche Strahlungsleistung in den Raum abzugeben.
Worauf kommt es bei einer Infrarotheizung an?
Wie bereits geschrieben, sollte eine Infrarotheizung seine Wärme primär über Wärmestrahlung in den Raum abgeben. Um den Strahlungswirkungsgrad der Heizung zu optimieren, sollte der Anteil der Wärmeabgabe über Wärmestrahlung maximiert und die Anteile der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmeströmung minimiert werden. In der Praxis sieht das so aus, dass möglich viel der elektrischen Energie dazu verwendet werden sollte, die zum Raum hin orientierte Vorderseite zu erwärmen.
Leider ist es nicht möglich, 100 Prozent der eingesetzten Energie in Form von Strahlungsenergie abzugeben. Es geht immer ein Teil der Wärme durch Konvektion und Transmission verloren. Je besser die Infrarotheizung, desto besser ist der Strahlungswirkungsgrad, der sich aus dem Quotienten der Strahlungsleistung geteilt durch die zugeführte elektrische Energie ergibt. Das beste Strahlungsverhalten bei einem hohen Emissionsgrad sollen die beiden Materialien Quarz und Keramik haben. Es soll bei 95 Prozent liegen. Nach Messungen der TU Dresden liegt der Strahlungswirkungsgrad von Infrarotheizungen bei etwa 71 Prozent.
Bei der Wahl der richtigen Infrarotheizung sollten Sie auch auf das Innenleben der Heizung schauen. Heizungen, bei denen eine indirekte Wärmeübertragung an die strahlende Vorderseite stattfindet, haben größere Wärmeverluste. Sie haben eine Platte aus beschichtetem Stahlblech oder Glas, die vor das Heizmedium montiert wird. Von Vorteil sind zudem Infrarotpaneele mit Kohlenstoff als Basis der Bauweise. Sie sind Heizmedien aus Carbon vorzuziehen. Kohlenstoff-Silizium-Produkte sind formstabil und werden vollflächig verbaut. Es braucht keine Einbettung in einen schweren Speicherkern, vielmehr lassen sie sich direkt an der Produktvorderseite verbauen. Auf diese Weise geht keine Energie verloren.
Welche Vorteile hat Infrarotstrahlung?
Eine Infrarotheizung hat im Vergleich zur klassischen Konvektionsheizung einige Vorteile:
- Es kommt bei der Infrarotstrahlung zu keinen Staubaufwirbelungen (Stichwort: Haustaub-Allergiker)
- Die thermische Behaglichkeit stellt sich bereits bei niedrigen Temperaturen ein
- Die Montage erfolgt einfach durch Anschluss an das bestehende Stromnetz
- Die meisten Menschen empfinden Infrarotwärme als angenehm und entspannend
- Erzeugt kein klimaschädliches Kohlendioxid
- Es kein Service und keine Wartung notwendig
Zur thermischen Behaglichkeit möchten wir an dieser Stelle noch ein paar Worte verlieren, denn jeder Mensch empfindet sie anders. Der eine braucht es wärmer, der andere fühlt sich bei niedrigen Raumtemperaturen wohl. Das liegt zum Beispiel am Energieumsatz der jeweiligen Person oder wie sie gekleidet ist. Auch macht es einen Unterschied, ob man still an einer Stelle sitzt oder sich bewegt.
Generell geht es beim Empfinden von Behaglichkeit darum, dass der Mensch ständig darauf angewiesen ist, seine Temperatur auf einem bestimmten Niveau zu halten. Wir fühlen uns behaglich, wenn wir über unsere Körperoberfläche genauso viel Energie verlieren wie empfangen. Verlieren wir mehr Energie, ist es uns zu kalt, erhalten wir zu viel Energie, ist es uns zu warm.
Infrarotstrahlen haben den großen Vorteil, dass sie ihre Wirkung erst entfalten, wenn sie auf feste Körper treffen – zum Beispiel auf die Hautoberfläche. Dort sorgen die Strahlen für eine sofortige Erwärmung und sorgen dafür, dass wir uns auch bei niedrigeren Raumtemperaturen bereits wohlfühlen. Ein klassisches Beispiel: Eine Infrarotheizung neben der Dusche montiert sorgt dafür, dass wir beim Verlassen der Duschkabine nicht so schnell frieren. Es reicht aus, die Heizung wirklich nur während des Duschvorgangs einzuschalten – ganz unabhängig von der sonstigen Raumtemperatur.
Welche Arten von Infrarotheizungen gibt es?
Infrarotheizungen sind aus verschiedenen Materialien wie Glas, Keramik, Marmor, Stahl oder Naturstein und in unterschiedlichen Designs erhältlich. Es gibt sie zudem als Spiegelheizungen oder Bilderheizungen, dann übernehmen sie noch eine weitere Funktion. Im Handel sind zudem Heizkörper für die Wand- oder Deckenmontage sowie mobile Infrarotheizungen mit Standfüßen erhältlich. Auch eine Unterputzmontage ist möglich, hier handelt es sich in der Regel um Niedertemperaturstrahler, während zum Beispiel Spiegel- oder Bildheizungen Hochtemperaturstrahler sind.
Während im Privatbereich meist Infrarotpaneele zum Einsatz kommen, sind es im industriellen Bereich oder im Außenbereich eher Infrarotstrahler. Hier muss zwischen kurzwelligen Hellstrahlern und langwelligen Dunkelstrahlern unterschieden werden. Während bei Dunkelstrahlern eine Abdeckung aus Keramik oder Metall über den Heizelementen angebracht ist, besteht bei Hellstrahlern freie Sicht auf selbige. Die Strahlung von Dunkelstrahlern wird meist als angenehmer empfunden, da nicht so intensiv. Dafür sind Hellstrahler weniger anfällig bei Wind oder Zugluft.
Potenzial von Infrarotheizungen
Wie eingangs bereits kurz erwähnt, hat die Hochschule Konstanz, Fachbereich Energieeffizientes Bauen im Forschungsprojekt IR-Bau untersucht, welches Potenzial Infrarotheizungen für die Zukunft besitzen – insbesondere im Zusammenspiel mit hocheffizienten, sehr gut gedämmten Gebäuden und mit dem Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien. Es wird davon ausgegangen, dass Strom in der Zukunft eine wichtige Rolle bei der Wärmeerzeugung spielen wird, um die Energiewende zu schaffen. Als Alternative stehen hierfür auch Wärmepumpen zur Verfügung, es wird daher in der Studie stets darauf geschaut, wie Infrarotheizungen im Vergleich zur Wärmepumpentechnik abschneiden.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Studie im Überblick:
- Infrarotheizsysteme haben im Vergleich zu Fußbodenheizungen einige Vorteile, die eine Reduzierung der Übergabeverluste bewirken. Der Erzeugernutzwärmebedarf liegt bei Infrarotheizungen rund 5 bis 10 Prozent unter dem von Fußbodenheizsystemen.
- Wärmepumpen sind das effizientere System zur Wärmeerzeugung, allerdings sind deutlich höhere Anfangsinvestitionen notwendig. Steckt man das gesparte Geld in eine Photovoltaik-Anlage (am besten zusätzlich mit Energiespeicher), holen Infrarotheizungen auf.
- In kleinen und gut gedämmten Gebäuden (Ein- und Zweifamilienhäuser) haben Infrarotheizungen in Kombination mit einer Photovoltaikanlage deutliche ökonomische und ökologische Vorteile. Je größer das Gebäude (zum Beispiel Bürogebäude), desto geringer sind die Vorteile gegenüber Wärmepumpen.
- Die Warmwasserbereitung erfolgt bei Infrarotheizungen nicht zentral zusammen mit der Wärmebereitung. Alternativen sind Direktdurchlauferhitzer, Elektroboiler oder dezentrale Brauchwarmwasserwärmepumpen. Hier muss noch geschaut werden, welche Lösung die Beste ist.
- Die thermische Behaglichkeit lässt sich beim Einsatz von Infrarotheizungen durch eine Deckenmontage steigern. Generell kommt es jedoch auf die Oberflächentemperatur der Heizungen an. Ist die zu hoch, führt das zu Unbehaglichkeit. Als Alternative bieten sich größere Heizflächen mit verminderter Oberflächentemperatur an.
- Ein vermehrter Einsatz von Infrarotheizungen (und anderen Stromheizungen) hat Auswirkungen auf das Gesamtenergiesystem in Deutschland. Diese müssen untersucht werden, dass es insbesondere in der Heizperiode zu Lastspitzen kommen kann.
Den kompletten Abschlussbericht der Studie finden Sie hier.
Derzeit arbeitet die HTWG Konstanz an der Folgestudie IR-Bau 2. Hier geht es unter anderem darum, Planungsempfehlungen aus den bereits bekannten Daten abzuleiten. Das betrifft zum Beispiel die Trinkwassererwärmung oder die Auswirkungen von Gebäudegröße und Gebäudetypologie auf die ökologische und ökonomische Bewertung.
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