So funktioniert die elektrische Widerstandsheizung

Die Wärmeleistung der Widerstandsheizung hängt gemäß dem Ohmschen Gesetz

• zum einen vom Wert des elektrischen Widerstands ab. Der wiederum ergibt sich in Abhängigkeit vom materialeigenen Widerstand, dem Querschnitt und der Länge des Heizwiderstands.
• Zum anderen entscheidet die an den Heizwiderstand angelegte Spannung, sprich: der elektrische Stromdurchfluss, über die Wärmeleistung.

Wichtig: Die Spannung muss so gewählt werden, das der Heizwiderstand beziehungsweise die zugehörige Isolierung nicht so heiß werden, dass sie schmelzen.

Das Verhältnis einer an einem elektrischen Leiter (Widerstand) anliegenden elektrischen Spannung (U) zur Stärke (I) des hindurchfließenden elektrischen Stromes wird definiert als elektrischer Widerstand (R).

Ohm ist die abgeleitete SI-Einheit des elektrischen Widerstands mit dem Einheitenzeichen Ω (großes griechisches Omega). Gemäß des ohmschen Gesetzes ist der Heizwiderstand eine Konstante entsprechend der Formel:

\(R = {U \over I}\)

Um die Spannung (R) zu berechnen, die nötig ist, um eine bestimmte Umgebungstemperatur (T_U) zu erzeugen, kann man die Endtemperatur (T_W) der Widerstandheizung als Gleichgewicht zwischen zugeführter (elektrischer) Leistung (P) und der abgegebenen Wärmeleistung nach folgender Formel betrachten:

 \(T_{W} = {T_{U} + P\cdot R}\)

Aus dieser Formel lassen sich dann die gewünschten Werte berechnen.

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Neben den metallischen Leitern werden auch keramische Materialien eingesetzt, zum Beispiel Siliziumkarbid. Beispielsweise in elektrischen Öfen für sehr hohe Temperaturen stecken Heizstäbe aus diesem Material.

Je nachdem, in welcher Form beziehungsweise Ausführung der Heizwiderstand eingesetzt wird, unterscheidet man nach folgenden technischen Bezeichnungen:

• Heizpatrone (eine Metallpatrone in Zylinderform, die als Gehäuse für eine darin steckende gewendelte Heizwicklung dient),
• Heizwendel,
• Heizleiter,
• Heizband,
• Heizmanschette (in der Regel eine flexible Manschette, die beispielsweise zum Erwärmen und Warmhalten von Maschinen und Geräten in kalten Arbeitsumgebungen dient),
• Heizmatte,
• Heizregister (hier überträgt erhitzte Draht seine Wärme direkt an einen vorbeiziehenden Luftstrom)
• oder elektrischer Heizkörper.

Der Aufbau von Widerstandsheizungen variiert je nach Einsatzzweck, gewünschter Wärmeverteilung und Bauform. Die Unterschiede liegen in der Konstruktion, der Wärmeübertragung und der Flexibilität der Heizkörper.

Heizpatronen sind zylindrische Heizelemente, die in einem Metallgehäuse untergebracht sind und elektrische Energie in Wärme umwandeln. Im Inneren befindet sich ein spiralförmiger Heizdraht, der aus hochtemperaturbeständigen Materialien wie Nickel-Chrom (NiCr) gefertigt ist, da diese bei hohen Temperaturen stabil bleiben und nicht oxidieren.

Der Draht ist in einem elektrisch isolierenden, aber thermisch leitenden Material wie Magnesiumoxid (MGO) eingebettet, das auch für eine gleichmäßige Wärmeverteilung sorgt. Das äußere Gehäuse besteht in der Regel aus Edelstahl oder einem ähnlichen hitzebeständigen Metall, um die Patrone vor mechanischen Einwirkungen und Korrosion zu schützen.

Heizpatronen sind für punktuelle Anwendungen konzipiert und werden oft in Bohrungen oder Halterungen eingebaut, um Maschinen, Werkzeuge oder Flüssigkeiten gezielt zu beheizen. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Leistungsdichte aus und können Temperaturen von bis zu 750 °C oder mehr erreichen.

Heizwendeln sind spiralförmig gewickelte Drähte, die elektrische Energie in Wärme umwandeln und vielseitig einsetzbar sind. Sie bestehen meist aus hochtemperaturbeständigen Materialien wie Nickel-Chrom (NiCr) oder Kanthal, da diese auch bei hohen Temperaturen stabil bleiben und nicht leicht oxidieren.

Die Spirale ermöglicht eine kompakte Bauweise, wobei eine große Oberfläche für eine effiziente Wärmeübertragung bereitgestellt wird. Heizwendeln werden häufig in Haushaltsgeräten wie Toastern, Heizlüftern und Elektroherden eingesetzt, da sie einfach zu montieren und kostengünstig herzustellen sind.

Oft werden sie auf isolierenden Trägern aus Keramik oder Glimmer fixiert, um den Kontakt mit anderen Bauteilen und damit Kurzschlüsse zu vermeiden. Offene Heizwendeln geben Wärme direkt an die Umgebung ab, sind jedoch nicht berührungssicher und erfordern Schutzvorrichtungen wie Gitter oder Gehäuse.

In industriellen Anwendungen werden Heizwendeln zur Beheizung von Öfen oder Gießereiformen verwendet, da sie schnell auf hohe Temperaturen erhitzt werden können. 

Heizbänder sind flache, flexible Heizelemente, die entwickelt wurden, um große Flächen oder zylindrische Objekte wie Rohre oder Tanks gleichmäßig zu beheizen. Sie bestehen aus einem Heizleiter, der in ein flexibles Trägermaterial wie Glasfasergewebe, Silikon oder Metall eingebettet ist, um Wärmeübertragung und mechanische Stabilität zu gewährleisten.

Heizbänder werden oft mit einer Isolationsschicht ummantelt, die sie vor Feuchtigkeit, Chemikalien und elektrischen Kurzschlüssen schützt. Sie können in unterschiedlichen Längen, Breiten und Leistungen gefertigt werden, um individuellen Anforderungen zu entsprechen. Durch ihre flexible Bauweise können sie sich an unregelmäßige Formen anpassen und sind einfach zu installieren, indem sie mit Klettverschlüssen, Spannbändern oder Klebeflächen fixiert werden.

Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen, bei denen Wärme gleichmäßig über eine Fläche verteilt werden soll, z. B. in der Kunststoffverarbeitung, der chemischen Industrie oder für Frostschutzmaßnahmen an Wasserleitungen.

Heizbänder können Temperaturen von bis zu 400 °C oder mehr erreichen, je nach Material und Bauweise. Oft werden sie mit Thermostaten oder Temperaturreglern kombiniert, um eine präzise Steuerung der Wärmeabgabe zu ermöglichen.

Heizmanschetten sind flexible Heizwiderstände, die speziell entwickelt wurden, um zylindrische Objekte wie Rohre, Behälter oder Maschinenbauteile effizient zu erwärmen oder warmzuhalten. Ein großer Vorteil ist, dass sie auch auf unregelmäßigen oder empfindlichen Oberflächen eingesetzt werden können, ohne Schäden zu verursachen.

Sie bestehen aus einem Heizleiter, der in hitzebeständige Materialien wie Glasfasergewebe, Silikon oder Edelstahl eingebettet ist, wodurch sie robust und gleichzeitig anpassungsfähig sind. Je nach Bauweise können Heizmanschetten Temperaturen von bis zu 300 °C oder mehr erreichen.

Oft verfügen sie über Klettverschlüsse, Spannbänder oder andere Befestigungselemente, um eine einfache Montage und Demontage zu ermöglichen. Sie werden häufig mit Temperatursensoren oder Thermostaten ausgestattet, um eine präzise Regelung und Überwachung der Temperatur zu gewährleisten.

Heizmatten sind flächige Widerstandsheizungen, die entwickelt wurden, um große Oberflächen gleichmäßig zu beheizen und häufig in Anwendungen wie Fußbodenheizungen, Dachrinnenheizungen oder Laborausrüstungen eingesetzt werden.

Sie bestehen aus einem Heizleiter, der in ein flexibles Trägermaterial wie Glasfasergewebe, Kunststoff oder Silikon integriert ist, wodurch sie gleichzeitig robust und anpassungsfähig sind.

Heizmatten sind in verschiedenen Größen und Leistungsstärken erhältlich und können je nach Anwendung zugeschnitten oder angepasst werden. Die Wärme wird gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt, was sie besonders für großflächige Heizaufgaben geeignet macht.

Heizmatten lassen sich einfach installieren, da sie meist dünn und flexibel sind und entweder auf Oberflächen aufgelegt oder unter Materialien wie Fliesen verlegt werden können. Ihre Isolationsschicht schützt die Heizleiter vor Feuchtigkeit, chemischen Einflüssen und mechanischer Beschädigung, was ihre Langlebigkeit erhöht.

Je nach Ausführung können Heizmatten Temperaturen von bis zu 200 °C oder mehr erreichen, was sie auch für industrielle Anwendungen geeignet macht.

Heizregister sind Heizelemente, die speziell entwickelt wurden, um Wärme an einen vorbeiströmenden Luftstrom abzugeben, und finden Anwendung in Heizlüftern, Klimaanlagen oder industriellen Luftheizsystemen.

Sie bestehen aus einem Heizdraht, meist aus Materialien wie Nickel-Chrom (NiCr) oder Kanthal, der auf isolierenden Trägern wie Keramik befestigt ist, um Kurzschlüsse und Wärmeverluste zu vermeiden. Der Heizdraht wird elektrisch erhitzt und die entstehende Wärme wird durch den Luftstrom, der über oder durch das Register geführt wird, gleichmäßig verteilt. Ein Lüfter oder Gebläse sorgt dabei für eine kontrollierte und effiziente Wärmeübertragung an die Umgebung.

Heizregister können Temperaturen von mehreren hundert Grad erreichen, wodurch sie auch für Hochleistungsanwendungen geeignet sind. Sie bieten eine schnelle und direkte Erwärmung von Luft, was sie ideal für den Einsatz in industriellen Trocknungsanlagen oder Klimatisierungssystemen macht.

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Eine als Elektro-Direktheizung arbeitende Widerstandsheizung wird auch Stromdirektheizung genannt. Sie gibt die Heizwärme direkt an den beheizten Raum ab. Der Vorteil dieser Heizungen ist der, dass ihre Installation recht günstig ist. Zumindest im Vergleich mit dem Einbau einer Zentralheizung.

Allerdings kostet ihr Betrieb vergleichsweise viel. Das liegt vor allem an der geringen Energieeffizienz, die ihnen eigen ist. Verbraucher sollten hier skeptisch gegenüber Werbeversprechen von Herstellern und Anbietern sein, die behaupten, dass die Betriebskosten ihrer Fabrikate und /oder neusten Gerätegenerationen nennenswert niedriger seien.

Folgende Heizungssysteme zählen zu dieser Art von Widerstandsheizungen:

• elektrisch beheizte Heizkörper: Dazu zählen sowohl sogenannte Radiatoren, als auch sogenannte Konvektoren sowie elektrisch beheizte Handtuchtrockner. Sie sind entweder ähnlich wie die einzelnen Heizkörper einer Zentralheizung fest montiert oder dank Rollen mobil, also frei im Raum beweglich.
• Elektro-Heizstrahler: Dazu zählt beispielsweise eine Infrarotheizung. Die E-Heizstrahler besitzen oft einen Stab-Einsatz, etwa ein Glühdraht in einem Rohr aus Quarz. Der Heizstab wird unter Strom sehr heiß und strahlt die Wärme Großteils ab. Man spürt sie unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts, wobei die Wärme nur dort spürbar ist, wo der Strahler direkt hin strahlt. Ähnliches gilt für nach diesem Prinzip arbeitende Infrarot-Lampen.
• mobile Heizlüfter: Viele dieser recht kompakten Widerstandsheizungs-Geräte erwärmen die Raumluft und wälzen sie um. Der Nachteil: Heizlüfter wirbeln buchstäblich eine Menge Staub auf.
• Elektro-Fußbodenheizungen: Widerstandsheizungen für den Fußboden bestehen aus sogenannten Heizschlangen, die unter dem Fußbodenbelag verlegt wurden. 

Eine Widerstandsheizung ist dann eine Elektrospeicherheizung beziehungsweise Nachtspeicherheizung, wenn sie während sogenannter Schwachlast-Zeiten ihren integrierten Wärmespeicher aufheizt, die sich dann nach Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt abrufen lässt.

Verglichen mit den zuvor beschriebenen Varianten der direkten Widerstandsheizung hat die Elektrospeicherheizung den Vorteil, dass der Speicher mit „Stromwärme“ gefüllt wurde, die wegen der niederen Preise von Strom in der Nacht (sogenannter Niedertarifstrom) günstiger ist. Das spart Energiekosten.

Dafür ist die Installation der Nachtspeicherheizungsanlage, insbesondere in der Form einer Zentralheizung, aufwendiger und entsprechend teurer. Auch in Sachen Energie-Effizienz lässt eine solche Widerstandsheizung sehr zu wünschen übrig, da es hier hohe Verteilungs- und Bereitschaftsverluste gibt.

Eine Elektrospeicherheizung kann man wie folgt umsetzen:

• zentral elektrisch beheizter Wärmespeicher: Ein zentral elektrisch beheizter Wärmespeicher, der beispielsweise ein Heizelement aus Keramik enthält, das sehr heiß werden kann, lässt sich wie ein herkömmlicher Heizkessel im Keller installieren. Er überträgt seine Wärme direkt an die angeschlossenen Komponenten der Zentralheizung, darunter handelsübliche Heizkörper.
• Mini-Elektrospeicheröfen: Die kleinen Elektrospeicheröfen stellt man dort auf, wo ihre Wärme direkt gebraucht wird. Da sie jedoch nur wenige Speicherplatz haben, kann es vorkommen, dass die Speicher auch tagsüber zu teureren Stromtarifen aufgefüllt werden müssen, weil der Wärmevorrat aus der Nacht nicht über den ganzen Tag hinweg langt. Eine unerwünschte Nebenwirkung dessen kann eine schwankende Raumtemperatur sein.

Abzugrenzen von einer solchen Widerstandsheizung sind Wärmepumpen, die mit Hilfe eines elektrisch betriebenen Kompressors arbeiten. Die Heizwärme entsteht dabei über die Kompression und Entspannung eines Kältemittels unter Zuführung von Umweltenergie. Die Elektrizität wird also nicht über einen Widerstand in Wärme umgewandelt, sondern gemäß der Thermodynamik über Druckausübung auf ein Gas.

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