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Funktions- und Heizprinzip von Strahlungswärme

Wie funktioniert Strahlungswärme? Wie können Strahlen Räume erwärmen? Wie setzt man Strahlungswärme als Heizquellen in Häusern ein?

Strahlungswärme erhitzt ähnlich dem Prinzip der Sonnenstrahlung den von den Strahlen erfassten Raum. Die Strahlen erwärmen dabei nicht die Luft wie bei normalen Konvektionsheizungen, sondern die bestrahlten Gegenstände und Wände, die dann gleichzeitig selbst als Heizkörper fungieren. Wie das Prinzip der Strahlungswärme genau funktioniert, haben wir im Folgenden Artikel beschrieben.

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Übertragungsprinzip von Strahlungswärme

Auch der menschliche Körper strahlt hauptsächlich infrarotes Licht als Wärme ab. (Foto: energie-experten.org)
Auch der menschliche Körper strahlt hauptsächlich infrarotes Licht als Wärme ab. (Foto: energie-experten.org)

Die Übertragung von Wärme von z. B. dem Heizkörper auf einen Wohnraum erfolgt in der Regel über einen Wärmeträger wie der erwärmten Luft. Wärme kann aber auch per Strahlung übertragen werden, ohne dass es dafür eines Transportmediums bedarf. Über dieses Übertragungsprinzip erhalten wir z. B. nur auf dem Strahlungswege die Wärme von der Sonne.

Bei der Sonnenstrahlung unterscheidet man die Strahlung hinsichtlich des ausgesandten Spektrums elektromagnetischer Wellen in zwei Bereiche: In den Bereich des sichtbaren Lichts und den Bereich des unsichtbaren Lichts, den sogenannten infraroten Wärmewellenbereich.

Unterscheidung von Wärmewellenstrahlen

Die Wellenlänge ist ein Maß für die Entfernung zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenspitzen und wird in Metern ausgedrückt. (Grafik: energie-experten.org)
Die Wellenlänge ist ein Maß für die Entfernung zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenspitzen und wird in Metern ausgedrückt. (Grafik: energie-experten.org)

Die Übertragung von Strahlungswärme funktioniert mit elektromagnetischen Wellen im nicht sichtbaren infraroten Lichtwellenbereich zwischen 780 und 1.000.000 Nanometern (Nm), die feste Moleküle in der Luft zum Schwingen bringen und so Wärme entstehen lassen. Strahlungswärme unterscheidet man weitergehend hinsichtlich ihrer Wärmewirkung entsprechende der DIN 5031 nach den Strahlungswärme- bzw. Infrarotwellenbereichen

  • IR-A (kurzwellig),
  • IR-B (mittelwellig) und
  • IR-C (langwellig).

Strahlungswärme mit einer Wellenlänge im 1.000er Nanometer-Bereich dringt dabei tiefer in die Haut ein als Infrarotstrahlungswärme im 10.000er oder 100.000er Nanometer Bereich und sorgt daher auch für ein anderes Wärmeempfinden. Grund dafür ist der relativ schmale Bereich zwischen 8 und 10 Mikrometer Wellenlänge. Strahlungswärme mit einer Wellenlänge von über 1.000.000 Nanometer werden u.a. z.B. in Mikrowellen eingesetzt, um Essen zu erwärmen, oder als Radiowellen mittels UKW.

Wellenlängen und Wärmewirkung von Strahlungswärme
Einteilung nach DIN 5031Wellenlängenbereich in NanometernWärmewirkung auf der Haut in Millimeter
IR-A780 bis 1400 Nmbis 5 mm Eindringtiefe
IR-B1400 bis 3000 Nmbis 2 mm Eindringtiefe
IR-C3000 bis 1000000 Nmbis 0,3 mm Eindringtiefe

Absorption und Emission von Strahlungswärme

Trifft die Strahlungswärme auf einen Gegenstand, so hängt es von der Temperatur der Strahlungswärme und von der Oberflächenbeschaffenheit ab, inwieweit der Gegenstand Strahlung absorbiert und auch wieder emittiert. Bei der Abgabe (Emission) der Strahlungswärme an den Raum gilt, je höher die Temperatur, desto kürzer ist die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung.

Entsprechend des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik kann Wärme aber nur von einem wärmeren auf einen kälteren Körper übergehen, sodass erst bei Temperaturen, die höher sind als die Körpertemperatur des Menschen, Strahlungswärme vom Menschen absorbiert werden kann. Neben der Temperatur ist dabei auch der Abstand zur Wärmequelle entscheidend. So wird z. B. Strahlungswärme eines nur wenige Grade wärmeren Kachelofens bereits in nächster Nähe als warm empfunden.

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Einsatz und Arten von Strahlungswärmeheizungen

Um Strahlungswärme zum Heizen zu nutzen, kommen unterschiedliche Heizsysteme zum Einsatz. In geschlossenen Räumen werden Infrarotheizungen an der Wand oder Decke montiert. Zum Einsatz kommen dabei langwellige IR-C-Strahlungswärme-Heizungen. Hierzu zählen

Alle anderen Elektroheizkörper oder Direktheizgeräte funktionieren nach dem normalen Konvektionsprinzip.

Außerhalb von Gebäuden werden kurz- und mittelwellige Strahlungsheizungen wie z.B. Heizstrahler eingesetzt, da deren Wärmewirkung entsprechend der kälteren Umgebungstemperatur höher ist.

Strahlungswärme wird auch im medizinischen Bereich insbesondere zur schonenden Bestrahlung von Säuglingen eingesetzt. Neben einfachen Wickeltischstrahlern, gibt es auch verschiedenste Geräte der Medizintechnik, um die Strahlungswärme so schonend wie möglich abzugeben.

Der CERAMOTHERM Infrarotstrahler von Weyer mit keramischen Heizelementen errechnet über einen Prozessor entsprechend dem Abstand zur Liegefläche die Strahlungsintensität und ermöglicht so eine Feineinstellung in mW/cm² oder %. (Foto: energie-experten.org)
Der CERAMOTHERM Infrarotstrahler von Weyer mit keramischen Heizelementen errechnet über einen Prozessor entsprechend dem Abstand zur Liegefläche die Strahlungsintensität und ermöglicht so eine Feineinstellung in mW/cm² oder %. (Foto: energie-experten.org)
Der hydrosun Infrarotstrahler neo filtert mit Wasser die von der Halogenlampe erzeugten Infrarot B- und C-Strahlen heraus, so dass nur die tiefenwirksamen und hautschonenden Infrarot A-Anteile zur Wirkung kommen. (Foto: energie-experten.org)
Der hydrosun Infrarotstrahler neo filtert mit Wasser die von der Halogenlampe erzeugten Infrarot B- und C-Strahlen heraus, so dass nur die tiefenwirksamen und hautschonenden Infrarot A-Anteile zur Wirkung kommen. (Foto: energie-experten.org)

Unterscheidung von Infrarot- und Strahlungswärme

Eine trennscharfe Abgrenzung zwischen Strahlungswärme- und Konvektionsheizungen ist jedoch nicht möglich, da auch "normale" Heizkörper (Radiatoren, Flachheizkörper) nicht nur die Luft erwärmen, sondern ebenfalls Strahlungswärme abgeben. Dies ist jedoch keine Infrarotstrahlung. Dies liegt daran, dass Wärmestrahlung aus unterschiedlichen elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Die Intensität der Strahlung verteilt sich dabei nicht gleichmäßig auf alle Wellenlängen. Dabei gilt, dass sich ein Strahlungswärmemaximum bei immer kürzeren Wellenlängen bildet, je wärmer ein Körper ist. So liegt z. B. die höchste Strahlungsintensität der Sonne nicht im infraroten, sondern im sichtbaren Bereich des Lichts.

Während Wärmestrahlung schon bei sehr geringen Heizkörpertemperaturen demzufolge abgegeben wird, so spricht man nur von Infrarotstrahlung bei höheren Temperaturen, bei denen Strahlungswärme mit einer Wellenlänge abgegeben wird, die in den infraroten Bereich zwischen 780 Nanometer und 1 Million Nanometer Wellenlänge fällt. Wird die Wellenlänge der Infrarotstrahlung kürzer als 780 Nanometer, dann geht Infrarotstrahlung in sichtbares Licht über. Die Strahlungswärme wird dann als sichtbares oder ultraviolettes Licht ausgesendet. Strahlungswärme darf daher nicht ausschließlich mit der Infrarotstrahlungswärme gleichgesetzt werden.

Übersicht des elektromagnetischen Wellenspektrums nach der Wellenlänge
Elektromagnetische WellenWellenlängeWeitergehende Unterscheidung
Gammastrahlen< 10 pm
Röntgenstrahlen10 pm – 1 nm
Ultraviolette Strahlung1 nm – 380 nmschwache UV-Strahlen, starke UV-Strahlen, extrem ultraviolette Strahlung
Lichtspektrum380 nm – 780 nmRot, Orange, Gelb, Grün, Blau Violett
Infrarotstrahlung780 nm – 1 mmFernes Infrarot, mittleres Infrarot, nahes Infrarot
Terahertzstrahlung30 µm – 3 mm
Mikrowellen1 mm – 1 mDezimeterwellen, Zentimeterwellen, Millimeterwellen
Radiowellen1m - 10 kmLangwelle, Mittelwelle, Kurzwelle, Ultrakurzwelle

Verhältnis von Strahlungswärme und Strahlungsleistung

Um mit Strahlungswärme Räume beheizen zu können, muss eine Infrarotheizung jedoch nicht mehrere hundert Grad heiß werden. Dies liegt an dem physikalischen Grundprinzip, dass sich die entstehende Strahlungswärme nicht linear zur Temperatur des Heizkörpers erhöht, sondern um den Faktor 4 ansteigt: Verdoppelt man die Temperatur des Infrarot-Heizkörpers, so versechzehnfacht sich die abgestrahlte Strahlungsleistung.

Stefan-Boltzmann-Gesetz: Strahlungsleistung P = Stefan-Boltzmann-Konstante σ x Körperfläche A x absolute Temperatur T^4

Dieses Prinzip nutzen Infrarotheizungen aus und können mit sehr kurzen Reaktionszeiten eine hohe Strahlungswärmetemperatur erzeugen. Daher sind diese Art von Wärmestrahlungsheizungen auch beliebte Heizkörper in Badezimmer, die sehr kurzfristig beheizt werden sollen. Und aufgrund des Prinzips der exponentiellen Vergrößerung der Strahlungswärme ist es auch möglich, im Freien bei sehr kalten Temperaturen Strahlungswärme zu erzeugen.

Hier erfahren Sie Detailinformation zur Heiztechnik von Infrarotheizungen.

Energieeffizienz von Strahlungswärmeheizungen

Das schnelle Erhitzen eines Raumes hat jedoch auch Nachteile, da permanent Energie zur Erzeugung der Wärmestrahlen zugeführt werden muss. Der Raum kühlt sich daher ohne Strahlungswärme im Gegensatz zum Konvektionsheizkörper recht schnell wieder ab. Trotzdem werben Hersteller damit, dass man mit z. B. einer Infrarotheizung weniger Strom verbraucht als andere Stromheizungen. Der Grund für diese Ersparnisse soll wieder in den Wärmestrahlen liegen, die nur gezielt den Bereich erwärmen, der auch beheizt werden soll.

Im Gegensatz dazu würden Konvektionsheizungen die Wärme über die Raumluft umwälzen auch Wärme für den nicht unmittelbar genutzten Aufenthaltsort produzieren und damit ungenutzt lassen. Das ist aber nicht so, da eine Heizungsanlage immer so viel Wärme in die Räume abgeben muss, wie durch die Gebäudehülle verloren geht. Daran kommt auch eine elektrische Strahlungswärmeheizung nicht vorbei. Die Energieeffizienz einer Strahlungsheizung ist daher nicht besser als eine typische Elektroheizung.

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"Funktions- und Heizprinzip von Strahlungswärme" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.