Neu­ar­ti­ge Strah­lungs­hei­zung auf Basis von Halbleiter-Bauelementen

Die Idee

Klas­si­sche Hei­zun­gen in Räu­men sind in der Mehr­zahl durch Warm­was­ser oder elek­tri­sche Ener­gie erwärm­te Flä­chen, die auf Grund von phy­si­ka­li­schen Gesetz­mä­ßig­kei­ten Wär­me­en­er­gie an den zu behei­zen­den Raum abge­ben. Die­se Ener­gie­über­tra­gung erfolgt durch Strah­lung an die ande­ren Umschlie­ßungs­flä­chen des Rau­mes und durch Kon­vek­ti­on an die Raum­luft. In Sum­me wer­den damit Wär­me­en­er­gie­ver­lus­te des Rau­mes an die äuße­re Umge­bung aus­ge­gli­chen und die gewünsch­te Raum­tem­pe­ra­tur auf­recht­erhal­ten, die sich aus der Raum­luft­tem­pe­ra­tur und den Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tu­ren der Raum­um­schlie­ßungs­flä­chen ergibt.

In hohen Räu­men, zum Bei­spiel hal­len­ar­ti­gen Situa­tio­nen, oder an Stel­len, die einen höhe­ren Außen­luft­wech­sel auf­wei­sen, wie zum Bei­spiel Ein­gangs­be­rei­che, wird der Anteil an kon­vek­tiv über­tra­ge­ner Wär­me­en­er­gie nicht voll­stän­dig am gewünsch­ten Auf­ent­halts­ort wirk­sam. Der kon­vek­ti­ve Anteil kann oft­mals sogar als Ver­lust gewer­tet wer­den. Hier sind dann Heiz­sys­te­me im Vor­teil, die einen höhe­ren Strah­lungs­an­teil auf­wei­sen. Bei her­kömm­li­chen Hei­zun­gen wird das zum einen durch eine Erhö­hung der akti­ven Flä­che erreicht (Flä­chen­hei­zun­gen wie Fuß­bo­den- oder Decken­hei­zun­gen), und es wird zum ande­ren dar­auf geach­tet, dass die­se akti­ven Flä­chen durch eine opti­mier­te Anord­nung und Aus­rich­tung ihre Wir­kung vor­teil­haft am gewünsch­ten Auf­ent­halts­ort ent­fal­ten können.

Bil­der oben: Klas­si­sche Decken­strahl­plat­ten als Bestand­teil einer PWW-Hei­zung in einer Werkhalle

Die emit­tier­te Strah­lungs­en­er­gie ist bei klas­si­schen Heiz­sys­te­men immer die Wär­me­strah­lung von fes­ten Kör­pern, also elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung in einem bestimm­ten Wel­len­län­gen­be­reich, deren Grö­ße der vier­ten Potenz der Tem­pe­ra­tur des Kör­pers pro­por­tio­nal ist. Die genutz­te Strah­lungs­en­er­gie ist somit an die Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur gebun­den, die gleich­zei­tig die kon­vek­ti­ve Wär­me­über­tra­gung cha­rak­te­ri­siert. Bei eini­gen Anwen­dungs­fäl­len, wie oben beschrie­ben, ist der kon­vek­ti­ve Anteil aber als Ver­lust zu bezeich­nen und somit unerwünscht.

Es gilt den Anteil an der einem Heiz­sys­tem zuge­führ­ten Ener­gie, der in Strah­lung umge­wan­delt wird, signi­fi­kant zu erhö­hen. Das gelingt, indem nicht nur auf die Tem­pe­ra­tur­strah­lung fes­ter Kör­per gesetzt wird, son­dern auf elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung im ver­gleich­ba­ren Wel­len­län­gen­be­reich, die durch Halb­lei­ter­bau­ele­ment erzeugt wird. Im sicht­ba­ren Bereich elek­tro­ma­gne­ti­scher Strah­lung haben sich die­se Bau­ele­men­te als LEDs eta­bliert. Hier nun wer­den LEDs genutzt, die vor­ran­gig im Infra­rot­be­reich emit­tie­ren. Die Grund­idee ist es, Infrarot-LEDs zu ver­wen­den und die bei der Umwand­lung von elek­tri­scher in Strah­lungs­en­er­gie frei wer­den­de Wär­me­en­er­gie auch der Behei­zungs­auf­ga­be zukom­men zu las­sen. Das gelingt dadurch, dass der not­wen­di­ge Kühl­kör­per für die LED als Flä­che aus­ge­bil­det und auf der Rück­sei­te wirk­sam iso­liert ist. Schluss­end­lich ent­steht eine Strah­lungs­hei­zung mit erhöh­tem Strah­lungs­an­teil und gerin­ge­rer Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur als ver­gleich­ba­re Flä­chen­hei­zun­gen, die auch durch elek­tri­sche Ener­gie ver­sorgt werden.

A – Kühl­kör­per
B – Infra­rot-LED
C – Iso­lie­rung
D – bezüg­lich Strah­lungs­ab­ga­be opti­mier­te Ober­flä­che (zum Bei­spiel mit Heiz­kör­per­lack behan­delt)
E – der Behei­zungs­auf­ga­be abge­wand­te Sei­te
F – der Behei­zungs­auf­ga­be zuge­wand­te Seite

Der Demo­stra­tor

Das Grund­prin­zip wur­de in einem Demons­tra­tor umge­setzt. Der Demons­tra­tor und ein ver­gleich­ba­res Stan­dard­pro­dukt wur­den in einer Test­kon­fi­gu­ra­ti­on unter­sucht. Die Ergeb­nis­se bele­gen die theo­re­ti­schen Überlegungen.

Neu­ar­ti­ge Strah­lungs­hei­zung
mit Halbleiter-Bauelementen

Tech­ni­sche Daten

  • 328 x 615 x 29 mm
  • Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur vorn ca. 56°C … 58°C
  • Leis­tungs­auf­nah­me stu­fen­los ein­stell­bar bis ca. 200 W

Mess­wer­te

  • bei tu ca. 15,5°C / senk­rech­te Anordnung
  • Leis­tungs­auf­nah­me (ein­ge­stellt) ca. 195 W

Pro­dukt Fa. ESTEXO –
Sim­ply-Line Strah­lungs­plat­te 200 Watt

Tech­ni­sche Daten

  • 300 x 600 x 25 mm
  • Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur vorn ca. 85°C … 95°C
  • Leis­tungs­auf­nah­me 200 W  ± 10 %

Mess­wer­te

  • bei tu ca. 15,8°C / senk­rech­te Anordnung
  • Leis­tungs­auf­nah­me ca. 193 W

Auf­tei­lung der zuge­führ­ten elek­tri­schen Energie

Das Refe­renz­ob­jekt 

Ab dem 30.11.2019 prä­sen­tiert die Staat­li­che Schlös­ser, Bur­gen und Gär­ten Sach­sen gemein­nüt­zi­ge GmbH unter der Über­schrift Fes­tung Xpe­ri­ence in der Fes­tung Dres­den ein ganz beson­de­res mul­ti­me­dia­les Erleb­nis. Mit moderns­ten Ani­ma­ti­ons­mit­teln wird dem Besu­cher die wech­sel­vol­le Geschich­te Dres­dens und der Fes­tung nahe gebracht.

Für die Aus­ga­be­sta­ti­on der Audio­gui­des im Ein­gangs­be­reich galt es, den dafür zustän­di­gen Mit­ar­bei­tern akzep­ta­ble Arbeits­be­din­gun­gen bereit­zu­stel­len. Das pla­nen­de Inge­nieur­bü­ro sah dafür eine her­kömm­li­che Strah­lungs­hei­zungs­plat­te („Infra­rot­hei­zung“) mit 600 W elek­tri­sche Anschluss­leis­tung im Decken­be­reich vor. Die­se wur­de ersetzt durch eine Strah­lungs­hei­zung mit Infra­rot LEDs mit nahe­zu iden­ti­schen Abmes­sun­gen und mit einer Anschluss­leis­tung von 480 W, die einen höhe­ren Strah­lungs­an­teil bie­tet. Ver­wen­det wur­den 180 LEDs OSRAM SFH 4715AS.

Bil­der:
Neu­ar­ti­ge Strah­lungs­hei­zung mit Halb­lei­ter­bau­ele­men­ten – Ein­bau­si­tua­ti­on im Refe­renz­ob­jekt und Funktionszustand

Die Ein­satz­be­rei­che

Woh­nungs- und Gesellschaftsbau

Kraft- und
Schie­nen­fahr­zeug­bau

Sons­ti­ges