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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flächenheizung mit wenigstens einem über wenigstens eine Strahlungswärme emittierenden Oberfläche verfügenden Flächenelement, das mit einer das Flächenelement beheizenden Wärmequelle zum Zwecke einer flächig gleich verteilten Abstrahlung der Strahlungswärme über die wenigstens Oberfläche thermisch gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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Flächenheizelemente der vorstehend genannten Gattung vermögen Wärme über eine Oberfläche in Form langwelliger elektromagnetischer Strahlen gleichmäßig an die Umgebung abzugeben, die wie bei Sonnenstrahlen, Menschen, Gegenstände, Wände, etc. direkt erwärmen. Eine Luftumwälzung, wie sie bei konventionellen Konvektionswärmequellen auftritt, entfällt größtenteils bei derartigen Strahlungsheizungen. So ist es möglich, dass in strahlungsbeheizten Räumen die Raumtemperatur bis zu 3°C unter der von Luft beheizten Wärmesystemen liegen kann, obwohl das Wärmeempfinden und die Behaglichkeit in beiden Fällen die selbe ist. Der entscheidende Vorteil von Strahlungsheizungen liegt demzufolge in der unmittelbaren Erwärmung von Oberflächen ohne dabei die Luft selbst zu erwärmen.
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Gattungsgemäße Flächenheizelemente gehen aus einer Vielzahl von Druckschriften hervor. Repräsentativ für die vorstehend bezeichneten, gattungsgemäßen Flächenheizelemente sei auf die
DE 10340857 A1 verwiesen, die eine aus einer Natursteinplatte, vorzugsweise aus einer Marmorplatte gefertigte Flächenheizvorrichtung beschreibt, an deren Rückseite eine als Widerstandsheizung ausgebildete Heizdrahtanordnung mittels eines adhäsiv wirkenden Haftmittels gefügt ist.
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Flächenheizvorrichtungen der vorstehenden Gattung erreichen im Heizbetrieb durchaus Oberflächentemperaturen von mehr als 100°C, wodurch jedoch das Verletzungsrisiko in Form von Verbrennungen durch Hautkontakt beträchtlich zunimmt. Gleichwohl gattungsgemäße Flächenheizelemente mit Oberflächentemperaturen von weit unter 100°C betrieben werden, um die vorstehende Verbrennungsgefahr weitgehend auszuschließen, belegen Untersuchungen über das kalorische Wahrnehmungsempfinden beim Menschen, dass künstlich erzeugte Wärmestrahlung umso mehr als angenehm empfunden wird, je mehr sich das künstlich erzeugte infrarote Wellenlängenspektrum dem von der Sonne herrührenden Infrarot-Spektrum ähnelt bzw. angleicht. Für eine technische Umsetzung dieser Erkenntnis gilt es demzufolge, die Oberflächentemperatur von Flächenheizungen zu erhöhen, wodurch jedoch das Verletzungsrisiko gleichermaßen ansteigt.
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Aus
DE 10 2004 046 033 A1 ist eine energiesparende Heizeinrichtung mit einer für Infrarotstrahlung zumindest teilweise durchlässigen, dem zu beheizenden Raum zugewandten Trägerschicht, einer zur Erzeugung und Abgabe von Wärme durch Strahlung und/oder Konvektion dienenden, elektrisch kontaktierten Heizschicht, und einer auf der dem zu beheizenden Raum abgewandten Seite der Heizschicht angeordneten Schutzschicht bekannt. Die Schutzschicht dient zur Minimierung von Wärmeverlusten aufgrund von Wärmeströmen in Richtung der Außenseite des zu beheizenden Raums und ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Dabei ist zur Unterdrückung des Wärmeverlustes aufgrund von Konvektion/Wärmeleitung eine Teilschicht aus einem wärmeisolierenden oder reaktiven Gas oder aus Vakuum vorgesehen.
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In KOHLRAUSCH, Friedrich: Praktische Physik, Optik, Tabellen und Diagramme zu Kapitel 6. [online], 1996, [online eingestellt 19112010], 403 bis 461, insb. 414. http://www.ptb.de/cms/publikationen/buecher/der-kohlrausch-praktische-physik/praktische-physik-band-1.html [online] ist ein Diagramm offenbart, aus dem der spektrale Transmissionsgrad von optischen Fenstern im UV, Sichtbaren und nahen IR hervorgeht.
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Die
DE 10 2009 021 148 A1 offenbart eine Türe mit einem eingebauten oder aufgesetzten, handelsüblichen Heizregister. Das Heizregister besteht aus einer elektrisch beheizbaren Folie, einem dahinter angebrachten Wärmedämmstoff, z. B. Presskork, und einer Abdeckung als Wärmeabstrahlfläche.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flächenheizung zur Abstrahlung von Strahlungswärme in eine Umgebung mit wenigstens einem Flächenelement, das mit einer das Flächenelement beheizenden Wärmequelle thermisch gekoppelt ist und das wenigstens eine Oberfläche aufweist, über die durch Beheizen des Flächenelementes erzeugbare Strahlungswärme in die Umgebung emittierbar ist, dadurch weiterzubilden, dass zum einen die von der Flächenheizung abgestrahlte Strahlungswärme ein gegenüber bisherigen Flächenheizungen verbessertes Wärmeempfinden auslöst, ohne dabei andererseits das Verletzungsrisiko durch Verbrennungen bei Hautkontakt zu erhöhen.
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Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den erfindungsgemäßen Gedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
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Lösungsgemäß zeichnet sich eine Flächenheizung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass beabstandet zu der wenigstens einen Oberfläche, auf deren der Umgebung zugewandten Seite, eine Trennwand angebracht ist, die aus einem für die Strahlungswärme transparenten Material besteht. Die spektralen Transmissionseigenschaften sind derart gewählt, dass die seitens der Flächenheizung emittierte Strahlungswärme die Trennwand ohne oder weitgehend ohne die Trennwand durch Absorptionsprozesse erwärmende Wechselwirkungen durchdringt. Hierzu gilt es für die Trennwand ein Material auszuwählen, dessen Transmissionsgrad 100% oder möglichst nahe 100% für die emittierte Strahlungswärme beträgt.
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Ferner gilt es, zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche des Flächenelementes und der Trennwand für Unterdruckbedingungen zu sorgen, die einen konvektiven Wärmeenergietransport von Seiten der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche hin zur Trennwand vollständig oder weitgehend vollständig unterbindet. Hierzu umschließen wenigstens die Oberfläche des Flächenelementes und die Trennwand ein Volumen gasdicht derart, dass es möglich ist, innerhalb des gasdicht abgeschlossenen Volumens gegenüber dem atmosphärischen Umgebungsdruck einen geringeren Druck, vorzugsweise Vakuumbedingungen, herzustellen.
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Unter dem Begriff „atmosphärische Umgebungsdruckbedingungen” sind jene natürlichen Druckbedingungen gemeint, die in unmittelbarer Umgebung am Standort der Flächenheizung vorherrschen. Für gewöhnlich wird hierzu die internationale Standortatmosphäre (ISA) zugrunde gelegt, die eine Temperatur von 15°C und einen Umgebungsdruck von 1013,25 Hektopascal vorsieht.
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Die innerhalb des von Seiten der Strahlungswärme abstrahlenden Oberfläche des Flächenelementes und der Trennwand begrenzten Volumens vorherrschenden Unterdruckbedingungen sowie der Abstand zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche und der Trennwand sind in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel derart zu wählen, so dass eine konvektive Erwärmung der Trennwand von Seiten der die Strahlungswärme abstrahlenden Oberfläche vollständig oder zumindest weitgehend vollständig vermieden wird. In besonders vorteilhafter Weise gilt es, die Temperatur der Trennwand auf Umgebungstemperaturbedingungen zu halten. Um dies zu realisieren, ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche und der Trennwand möglichst groß zu wählen. In diesem Fall ist es nicht notwendigerweise erforderlich, die Unterdruckbedingungen gegenüber dem Umgebungsdruck stark abzusenken. Gleichwohl gilt es auch in diesem Fall, einen konvektiven Wärmeenergieübergang zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche und der Trennwand zu unterbinden. Gilt es jedoch aufgrund konstruktiver Vorgaben den Abstand zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche und der Trennwand klein zu wählen, so bedarf es einer wirksamen Absenkung des Unterdruckes gegenüber den Umgebungsdruckbedingungen. Die Wahl von Unterdruck und dem vorstehend bezeichneten Abstand ist von einem Fachmann je nach Ausführungsbeispiel selbständig vorzunehmen, so dass die Eigentemperatur der Trennwand im Bereich der Umgebungstemperatur oder leicht darüber zu liegen kommt.
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Selbstverständlich sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, in denen zum einen die Oberflächentemperatur der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche des Flächenelementes so hoch ist und zum anderen der innerhalb des Volumens vorherrschende Unterdruck sowie der Abstand zwischen der die Strahlungswärme emittierenden Oberfläche und der Trennwand aufgrund konstruktiver Vorgaben derart gewählt sind, dass eine Eigenerwärmung der Trennwand aufgrund konvektiver Wärmeaustauschprozesse technisch unvermeidbar ist. In einem derartigen Fall gilt es dafür Sorge zu tragen, dass durch die geeignete Wahl der vorstehenden Parameter, nämlich Oberflächentemperatur, Unterdruck und Abstand die Eigentemperatur der Trennwand in einem Temperaturbereich liegt, der unterhalb einer maximal vertretbaren Temperatur liegt, bei der physiologische Verbrennungserscheinungen an der Hautoberfläche eindeutig auszuschließen sind.
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Um die Strahlungsabsorption der die Trennwand transmittierenden Strahlungswärme auszuschließen bzw. zu minimieren, gilt es, die Trennwand aus einem für IR-Strahlung transparenten Material zu fertigen. Besonders geeignete Materialien hierzu stellen folgende, in nicht begrenzter Zusammenstellung aufgelistete Materialien dar: CsBr, KCl, KBr, NaCl, Csl, KRS-6, AgCl, AgBr, ZnSe, ZnS, CdTe, GaAs, Si, Ge.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt das Flächenelement eine Trägerplatte in Form einer Naturstein-, Ton- oder Keramikplatte dar, die eine die Strahlungswärme abgebende erste Oberfläche und eine diese Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, die mit einer elektrischen Widerstandsheizung als Wärmequelle thermisch gekoppelt ist. Hierbei ist die elektrische Widerstandsheizung derart auf der zweiten Oberfläche aufgebracht, dass wenigstens eine Heizdrahtanordnung flächig auf der zweiten Oberfläche verteilt angeordnet ist, so dass von Seiten der ersten Oberfläche über die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt Strahlungswärme emittiert wird. Gegenüber der die Strahlungswärme abgebenden ersten Oberfläche ist beabstandet zu dieser die deckelartig ausgebildete Trennwand vorgesehen, die mit der ersten Oberfläche ein gasdichtes Volumen umschließt, das möglichst luftleer zur Vermeidung konvektiver Wärmetransportströme abgepumpt ist.
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Neben der vorstehend beschriebenen Vermeidung konvektiver Transportströmungen innerhalb des von der deckelartig ausgebildeten Trennwand umschlossenen Volumens gilt es auch äußere Konvektionsströme zu vermeiden. Grundsätzlich emittieren Wärmestrahlplatten in Abhängigkeit ihres Emissionsgrades und ihrer Temperatur Wärmestrahlung und gleichzeitig entsteht aufgrund ihrer Oberflächenbeschaffenheit und der Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur Konvektion. Konvektion ist jedoch in Fällen von Flächenstrahlheizungen meist eine unerwünschte Begleiterscheinung, da die Raumluft einer unkontrollierten Erwärmung unterliegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gilt es den Transmissionsgrad der Trennwand für die Wärmestrahlung zu maximieren, da hierdurch umso mehr die Oberflächentemperatur der Trennwand sich der Umgebungstemperatur annähert, d. h. an der Trennwand entsteht bestenfalls keinerlei Konvektion, da keine die Trennwand erwärmenden Absorptionen stattfinden. Somit erreicht man mit hohen „ungefährlichen” Oberflächentemperaturen an dem beheizten Flächenelement hohe Strahlungsenergie, ohne dabei gleichzeitig einen hohen Konvektionsanteil in Kauf nehmen zu müssen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a Querschnitt durch ein Flächenelement mit deckelförmiger Trennwand,
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1b Querschnittsdarstellung durch ein beheiztes Flächenelement mit elliptisch ausgeformter Trennwand sowie
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1c Flächenheizung mit kugelartig ausgebildeter Trennwand.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1a ist der Längsschnitt durch ein Flächenheizelement dargestellt, das ein plattenförmig ausgebildetes Flächenelement 1, beispielsweise in Form einer Naturstein-, Ton- oder Keramikplatte vorsieht, an der rückseitig eine elektrische Widerstandsheizung 2 angebracht ist, die das Flächenelement 1 derart erwärmt, so dass an der Oberfläche 3 des Flächenelementes 1 Strahlungswärme S flächig gleich verteilt in die Umgebung U abgestrahlt wird.
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Um eine für den Menschen möglichst angenehm empfindbare Strahlungswärme S zu erzeugen, wird die Oberflächentemperatur des Flächenelementes 1 größer als 100°C, vorzugsweise größer 120°C, vorzugsweise größer 200°C gewählt, um auf diese Weise Strahlungswärme S in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 9 μm und darunter emittieren zu können.
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Aufgrund der hohen Oberflächentemperatur der Oberfläche 3 des Flächenelementes 1 gilt es, diese gegenüber der Umgebung U dahingehend zu schützen, so dass ein unbeabsichtigter körperlicher Kontakt auszuschließen ist, ohne dabei das Wärmeabstrahlungsvermögen des Flächenelementes 1 nachhaltig zu beeinflussen.
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Hierzu ist um das Flächenelement 1 eine deckelartig ausgebildete Trennwand 4 vorgesehen, die aus einem für die Strahlungswärme S transparenten Material besteht. Die Materialwahl für die Ausbildung der Trennwand 4 ist derart vorzunehmen, dass die Trennwand 4 eine hohe Transmission für die von der Oberfläche 3 abgegebene Strahlungswärme S besitzt, d. h. der Transmissionsgrad sollte möglichst hoch, nahe 100%, gewählt sein.
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Um zudem zu vermeiden, dass sich die Trennwand 4 aufgrund konvektiver Erwärmung seitens der Oberfläche 3 des Flächenelementes 1 erwärmt, gilt es, die deckelartig ausgebildete Trennwand 4 möglichst gasdicht an das Flächenelement 1 zu fügen, so dass die Trennwand 4 gemeinsam mit dem Flächenelement 1 ein Volumen V einschließt, das möglichst luftleer abgepumpt wird. Aufgrund der Luftleere innerhalb des Volumens V können jegliche den Wärmestrom übertragende konvektive Strömungen unterbunden werden, so dass die Trennwand 4 keiner konvektiven Erwärmung unterliegt.
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Das in 1b dargestellte Ausführungsbeispiel sieht im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 1a eine im Längsschnitt elliptisch geformte Trennwand 4 vor, die über eine verbesserte Eigenstabilität verfügt und somit dem innerhalb des Volumens V herrschenden Unterdruck besser standhalten kann.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 1c dargestellt, in der das Flächenelement 1 jeweils zwei gegenüber liegende Strahlungswärme S abstrahlende Oberflächen 3, 3' aufweist. Die Heizanordnung 2 ist vergleichsweise mit einer Sandwich-Struktur innerhalb des Flächenelementes 1 angeordnet.
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Das Flächenelement 1 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1c von einer kugelförmigen oder im Querschnitt zylinderförmigen Trennwand 4 umgeben, die eigenstabil ein inneres Volumen V umschließt, das gegenüber den äußeren Umgebungsdruckbedingungen U einen Unterdruck einschließt, um auf diese Weise konvektive Wärmeströmungen von Seiten des beheizten Flächenelementes 1 zur Trennwand 4 zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flächenelement
- 2
- Wärmequelle
- 3
- Strahlungswärme emittierende Oberfläche
- 4
- Trennwand
- S
- Strahlungswärme
- V
- Gasdicht eingeschlossenes Volumen
- U
- Umgebung
