- Dunkelstrahler
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Infrarotstrahler sind Bauteile oder eigenständig funktionierende Geräte, die Infrarotstrahlung erzeugen, welche für Erwärmungs- oder Trocknungszwecke eingesetzt werden. Diese werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, z. B.: Tierhaltung, elektrische Sauna, Hallenbeheizung oder in der Medizin.
Als Energiequelle für Infrarotstrahler wird brennbares Gas oder elektrischer Strom verwendet. In diesem Artikel wird der Begriff "Infrarotstrahler" mit gasbetriebenen Infrarotstrahlern gleichgesetzt. Das Prinzip der Infrarotstrahlung ist jedoch bei elektrisch- wie auch gas-betriebenen Infrarotstrahlern identisch.
Der Vorteil von Infrarotstrahlung liegt darin, dass nicht wie bei herkömmlichen Heizungen die Luft erwärmt wird, sondern die angestrahlte Oberfläche.
Inhaltsverzeichnis
Geschichte
1939 erfand Günther Schwank die keramische Brennerplatte, und legte damit den Grundstein für eine Heizungstechnologie die bis heute in puncto Wirtschaftlichkeit und Effizienz ihresgleichen sucht: Infrarotstrahler. Schwank machte sich die positiven Eigenschaften der Keramikplatte zunutze und schuf bereits 1939 die erste Strahlungsheizung – einen Hellstrahler. Im Wesentlichen unterscheidet man heute bei direktgasbefeuerten Geräten zwei Infrarotstrahlerarten: Hellstrahler und Dunkelstrahler.
Prinzip Infrarotstrahler
Das Prinzip der Geräte ist einfach und lässt sich am besten mit dem Sonnenbad auf einem Gletscher erklären. Obwohl die Umgebungstemperatur im Minus-Bereich liegt, ist es in der Sonne warm. Das liegt an der Wärmestrahlung, korrekterweise Infrarotstrahlung genannt, der Sonne. Dort, wo die Infrarotstrahlen auftreffen (absorbiert werden), werden sie in Wärme umgewandelt, beispielsweise auf unserer Haut. Insbesondere im Gegensatz zu den meisten festen Materialien ist unsere Atmosphäre nicht (oder nur sehr begrenzt) in der Lage Infrarotstrahlung zu absorbieren. Luft erwärmt sich daher nicht und auch im Schatten bleibt es kalt. Hell- und Dunkelstrahler bedienen sich derselben natürlichen Technik, nur, dass Wärme genau dort erzeugt wird, wo sie gebraucht wird – direkt am Arbeitsplatz.
Vorteile
Aus der Funktion ergeben sich bereits die Vorteile der Geräte. Infrarotstrahlen benötigen kein „Trägermedium“ zum Transport ihrer Energie. D. h., sie gelangen nahezu verlustfrei vom Gerät zum Körper und verursachen zudem keine Zugerscheinungen, wie dies bei konventionellen Systemen unvermeidbar der Fall ist. Unangenehme Zugluft oder Staubaufwirbelungen gehören der Vergangenheit an. Weil Infrarotstrahler primär die Oberflächen und nur sekundär die Luft erwärmen, kann die Lufttemperatur durchschnittlich 2–3 °C unter der vom Menschen gefühlten Temperatur liegen, wird aber dennoch als behaglich empfunden. Diese Faktoren wirken sich positiv auf das Raumklima aus – die Arbeitsqualität steigt, Allergieerscheinungen werden gemindert. Weitere Vorteile dieser Systeme liegen in ihren ressourcenschonenden und gleichzeitig energiesparenden Arbeitsweisen. Da die Luft nicht direkt erwärmt wird, entstehen auch keine teuren Warmluftpolster unter dem Dach. Je nach Gerätetyp und Hersteller lassen sich nachweislich bis zu 50% Energie gegenüber herkömmlichen Heizungssystemen einsparen. Hellstrahler haben dabei den größeren Vorteil, weil ihr Wirkungsgrad, also das, was nachweislich an Wärme am Boden ankommt, gegenüber Dunkelstrahlern höher ist. Prinzipiell gelten natürlich weiterhin die Gesetze der Thermodynamik, so dass alle Körper, die beispielsweise innerhalb einer Halle per Infrarotstrahlung erwärmt wurden, auch ihrerseits per Wärmeleitung die Luft erwärmen. Dieser Effekt ist allerdings unter den meisten Umständen deutlich geringer als es bei den konventionellen Systemen der Fall wäre.
Hellstrahler
Hellstrahler werden durch einen atmosphärischen Brenner direkt beheizt und mit Erdgas- oder Flüssiggas betrieben. Sie werden an Wand oder Decken installiert und dienen hauptsächlich zur Erwärmung hoher oder schlecht gedämmter Hallen. Sie heißen Hellstrahler, weil die Erzeugung von Infrarotstrahlen durch eine sichtbare Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches an der Geräteunterseite vonstatten geht. Dabei glühen Keramikplatten „hell“. Die perforierten Keramikplatten bilden gleichzeitig das Herzstück der Hellstrahler. Durch sie strömt das Gas-Luft-Gemisch und verbrennt an deren Oberflächen. Die Keramikplattenoberfläche erhitzt sich dabei bis auf 950 °C und gibt Infrarotstrahlung ab. Reflektoren leiten die Strahlung gezielt 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 70er Jahren an, die Keramikplatte zu perfektionieren. 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 bis 1,3 mm Durchmesser auf einer Tafel. Die Oberfläche, die so genannte Tiefeneffektstruktur, entwickelt von Schwank, 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 dieselbe Keramikplatte und den Effekt heiße Oberfläche – kühle Flamme nutzen. Eine hochwertige Keramikplatte hat eine unbegrenzte 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 zurückreflektiert wird. Die Strahlung wird an der Oberfläche in Wärme umgewandelt und die Temperatur der Keramikplatte fängt an zu steigen, ein „Pingpong“ der Strahlung.
Gehäuse
Als bemerkenswerte Innovation muss die patentierte Delta-Mischkammer herausgehoben werden. Es handelt sich um eine konstruktive Veränderung des Gehäuses, welche zwei wesentliche Vorteile mit sich bringt. Erstens, die Vorwärmung des Gas-Luft-Gemisches. Die Innenseite der Delta-Mischkammer bildet gleichzeitig eine Seite des Reflektors. Streicht nun das heiße Abgas über diesen Reflektor, entsteht ein Wärmeübergang zur Mischkammer, das wiederum erwärmt das Gas-Luft-Gemisch und verbessert die Energieausbeute. Zweitens der „Kamineffekt“. Temperaturdifferenzen bewirken in der Mischkammer einen Auftrieb, den so genannten Kamineffekt. Durch ihn verteilt sich das Gas-Luft-Gemisch sehr homogen, es wird gleichmäßig und gut vermischt. Und wie beim Kfz-Vergaser ist ein homogenes Gemisch entscheidend für eine saubere Verbrennung und eine optimale Energieausbeute.
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 72%. Die Spitze dieses Feldes markiert ein Hellstrahler mit Delta-Mischkammer, der sogar einen Strahlungsfaktor von über 80% erreicht. Jeder Prozentpunkt mehr bedeutet mehr Wärme im Aufenthaltsbereich. Der Strahlungsfaktor ist demzufolge ein direkter Indikator der Energieausbeute und damit ein direkter Indikator, wie viel Heizkosten sich sparen lassen.
Einsatzgebiete
Hellstrahler eignen sich besonders für höhere Hallen mit Deckenhöhen über 6 m, zur Beheizung schlecht gedämmter Hallen oder zur Freiluftbeheizung. Das Einsatzgebiet von Hellstrahlern ist nahezu unbegrenzt. In Industrie, Werkstätten, Ausstellungshallen, Museen, Lagerhallen, Flugzeughangars, Kirchen und vielen Anwendungsbereichen mehr werden Hellstrahler millionenfach in Europa eingesetzt. Als besondere Anwendungsfälle können die Beheizung von Läger zur Kondensatfreihaltung und die Beheizung von Fußballstadien genannt werden.
Vorschriften/Abgasführung
Die Abgase von Hellstrahlern können aufgrund der fast schadstofffreien Verbrennung indirekt über die Raumluft abgeführt werden. Es muss lediglich eine Frischluftzufuhr von 10 m³/h pro 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 problemlos möglich.
Dunkelstrahler
Dunkelstrahler in einer KFZ-Werkstatt.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 eingesetzt. Der Begriff Dunkelstrahler wird auch für elektrische keramische Infrarotstrahler verwendet, weil die Strahler neben der IR-Strahlung maximal ein schwaches rötliches Licht emittieren.
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. Moderne Geräte arbeiten mit einem drückenden System. Das heißt, der Ventilator sitzt an der gleichen Stelle des Brenners und „drückt“ die Flamme weit in das Strahlungsrohr. Somit wird eine lange und laminare Flamme erreicht, die den Strahler über die gesamte Länge gleichmäßig erwärmt. Zudem ist der Ventilator nicht den heißen Abgasen ausgesetzt. Ältere Konstruktionen nutzen noch das Sauggebläse am anderen Ende des Rohres. Die Ventilatoren erzeugen dabei einen Unterdruck, der die Gase durch das Strahlrohr transportiert. Jedoch sind hier die Ventilatoren immer den heißen Gasen ausgesetzt, was eine kürzere Lebensdauer der Ventilatoren zur Folge hat. Das Strahlungsrohr wird von einem Reflektor abgedeckt, der die Wärmestrahlung in den gewünschten Bereich lenkt. Zur Steigerung des Strahlungsfaktors kann das Reflektorblech mit einer Wärmedämmung aus einer mineralischen Faser ausgestattet werden. Bei einigen Herstellern wird diese Wärmedämmung allerdings nicht benötigt, da der Reflektor so gut gekantet ist, dass der beste Strahlungsfaktor gegeben ist.
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 70%) ist kaum noch zu steigern und wird niemals das hohe Niveau von Hellstrahlern erreichen. Durch die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Abgaswerte stoßen die Entwickler hier an ihre Grenzen.
Abgasführung
Dunkelstrahler müssen ihre Abgase direkt aus der Halle abführen. Diese werden über entsprechende Abgasrohre entweder einzeln pro Gerät oder gesammelt von mehreren Geräten direkt über einen Kamin aus der Halle abgeführt. Die Abgasanlage bedarf einer jährlichen Prüfung durch den Schornsteinfeger.
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. Ob Industrie-, Lager-, Ausstellungs- oder Sporthallen, für fast jeden Einsatzbereich lässt sich eine Dunkelstrahlerlösung finden. Für den Einsatz in hohen Hallen oder für die Freiluftbeheizung sind sie ungeeignet.
Regelung
Die Regelung entspricht der von Hellstrahlern. Lediglich müssen bei Sammelabgasanlagen die Abgasventilatoren zusätzlich gesteuert werden.
Siehe auch
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