DE102014001044A1

DE102014001044A1 - Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen

Info

Publication number: DE102014001044A1
Application number: DE102014001044.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Zur Beheizung von begrenzten Raumbereichen werden oftmals Strahlungsheizsysteme auf Basis des Prinzips der Temperaturstrahlung verwendet. Die dabei unter Umständen entstehenden Verluste durch konvektiven Wärmetransport bzw. Wärmeleitung können durch die Anwendung eines anderen Prinzips als das der reinen Temperaturstrahlung verringert werden.

Description

Hohe und ausgedehnte Räume, beispielsweise Werkhallen, Flugzeughangars o. ä, erfordern oftmals besondere Systeme, um eine energieeffiziente Beheizung zu ermöglichen. Die anzuwendenden Installationen sollen aus Gründen der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Lage sein, die benötigten thermischen Raumparameter nur an ausgewählten Orten aufrecht zu erhalten. Diese Orte können zum Beispiel die Aufenthaltszonen des Personals sein oder besondere Produktions- und Lagerzonen. Andere Raumbereiche mit geringeren Anforderungen an die thermischen Raumparameter können demnach mit kleinerem energetischem Einsatz konditioniert werden. Ähnliche Aufgabenstellungen, nämlich die gezielte Energiezufuhr zu Heizzwecken auf begrenzte örtliche Bereiche, können auch im Wohnungs- und Gesellschaftsbau auftreten. Beispielhaft sind hier Eingangsbereiche mit dauerhaften Aufenthaltszonen des Servicepersonals zu nennen.
Typischerweise werden für diese Aufgaben oftmals sogenannte Strahlungsheizungen eingesetzt. Hierbei senden Oberflächen von auf unterschiedliche Art und Weise erwärmten Körpern elektromagnetische Strahlung in der projektierten Menge aus, die am gewünschten Empfängerort auftreffen und in Festkörpern in sensible Wärme umgewandelt werden. Die infolge der Temperatur der Oberflächen ausgesendete elektromagnetische Strahlung wird auch als Temperaturstrahlung bzw. im nicht sichtbaren Frequenzbereich als Infrarotstrahlung bezeichnet. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten rund um das Thema Temperaturstrahlung sind seit Langem bekannt und anwendungsbereit – vgl. [1]–[3]. Entsprechend den Ausbreitungsgesetzen kann die Strahlungsenergie gezielt auf den Empfängerort gerichtet und dort zur Wirkung gebracht werden.
Die notwendige Oberflächentemperatur dieser Arten von Strahlungsheizungen wird üblicherweise durch elektrische Widerstandelemente oder durch fossile Brennstoffe unter zu Hilfenahme von verschiedenen Erzeugungs-, Wärmetransport- und -übertragungsmethoden erreicht. Bespiele für am Markt verfügbare Systeme sind Deckenstrahlungsheizungen mit dem Wärmetransportmedium Wasser, elektrisch- und gasbetriebene Infrarotstrahlungssystem („Dunkelstrahler”) bzw. mit Anteilen im sichtbaren Frequenzbereich sogenannte Hellstrahler.
Die Leistung der hierbei von Oberflächen ausgesendeten Strahlung wird unter anderem von der Temperatur bestimmt. Sie ist der vierten Potenz der Temperatur proportional. Die somit gegenüber der Umgebung notwendigen, erhöhten Oberflächentemperaturen haben auch Nachteile. Zum einen können sich Gefährdungen in Hinsicht auf Berührungen durch Menschen oder in Hinsicht auf die Gefahr einer Brandentstehung ergeben. Zum anderen gibt die Oberfläche auch einen spürbaren Betrag an Wärme durch Konvektion an die umgebende Raumluft ab, der in den überwiegenden Fällen als Verlust zu bezeichnen und damit unerwünscht ist. Die Energieabgabe der Oberfläche, bestimmt durch ihre Oberflächentemperatur, ist demzufolge wegen der Temperaturstrahlung erwünscht und durch die Ausrichtung und Übertragung auf/an einen konkreten Ort vorteilhaft, infolge Konvektion an die Raumluft in vielen Fällen aber mit Verlusten behaftet. Des Weiteren können Verluste durch Wärmeleitung durch die gewählte Befestigungsweise auftreten.
Eine erfolgreiche Auflösung dieses Widerspruches ergibt sich dadurch, dass die Ausbreitung und Übertragung von Energie durch Strahlung für Heizzwecke beibehalten wird, als Quelle der Strahlung aber nicht mehr primär oder ausschließlich die Temperaturstrahlung benutzt wird. Durch vergleichsweise geringere Oberflächentemperaturen werden somit Verluste begrenzt, und die neuartige Vorrichtung kann energieeffizienter den gewünschten Heizprozess bewerkstelligen.
Halbleiterbauelemente bieten sich für diesen skizzierten Weg an.
In der Beleuchtungstechnik hat sich im letzten Jahrzehnt eine revolutionäre Entwicklung vollzogen. Mit Hilfe von LEDs (light-emitting diode/Licht-emittierende Diode) und OLEDs (organic light-emitting diode) konnte dort ein analoger Prozess erfolgreich vollzogen werden – die Ablösung von reinen Temperaturstrahlern (Glühlampe, Halogenglühlampe) durch Halbleiterbauelemente. Diese Halbleiterbauelemente sind so beschaffen, dass die Energieabgabe des Gesamtsystems durch Strahlung mit einem bemerkenswerten Betrag im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums durch andere Prozesse als nur durch Temperaturstrahlung erfolgt und somit eine vergleichsweise hohe Lichtausbeute in Bezug auf die eingesetzte elektrische Leistung zu verzeichnen ist. Bei den angeführten Halbleiterbauelementen LED und OLED führt die Rekombination von Ladungsträgern entgegengesetzter Ladung zur Freisetzung von elektromagnetischer Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich. Die Entwicklungen auf diesem Gebiet werden weiter vorangetrieben, wobei den OLEDs auf Grund der einfacheren und schnelleren Herstellung, der großflächig emittierenden Quellen und der geringen Aufbauhöhen bei Überwindung der noch vorhandenen Probleme wie ausreichende Lebensdauer, Homogenität der Leuchtdichte und eine optimierte Betriebstemperatur die größere Zukunft vorhergesagt wird [4].
In Analogie zur Beleuchtungstechnik kann die Ausbreitung und Übertragung von Energie durch Strahlung für Heizzwecke durch Verwendung von Halbleiterbauelementen optimiert werden. Die Aufgabe wird dadurch erfüllt, in dem eine Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen ähnlich der LED/OLEDs aufgebaut ist, die Halbleitermaterialien aber so ausgewählt werden, dass die Emission von elektromagnetischer Strahlung des Gesamtsystems vorzugsweise nicht im sichtbaren Bereich sondern vorrangig im infraroten Bereich mit einer Wellenlänge von > ca. 0,7 Mikrometer erfolgt. Eine Emission im sichtbaren Bereich hätte für den Einsatzfall Heizung Nachteile in Hinsicht auf

– unerwünschte Verluste durch lichtdurchlässige Elemente (z. B. Fenster)
– durch die Regelung der Heizleistung nach der Raumtemperatur nicht erwünschte physiologische Einflüsse auf den Menschen.

Die dabei möglichen energetischen Effekte werden mit dem Beispiel 1 abgeschätzt. Beispiel 1 Daten einer am Markt verfügbaren OLED (Bezugsfläche ist die emittierende Fläche)

Oberflächentemperatur:	ca. 40°C
elektrische Leistungsaufnahme:	ca. 177 W/m²
emittierte Strahlungsleistung im sichtbaren Bereich (Ursache: Rekombination von Ladungsträgern):	ca. 32 W/m²
restliche Leistungsabgabe infolge Temperaturstrahlung, Konvektion und Leitung:	ca. 145 W/m²

Die Anteile Temperaturstrahlung und Konvektion werden mit den üblichen Berechnungsansätzen der technischen Thermodynamik abgeschätzt. Eine horizontale Fläche mit einer Wärmeabgabe nach unten gibt bei einer Oberflächentemperatur von 40°C und einer Umgebungstemperatur von 20°C

infolge Temperaturstrahlung: ca. 102 W/m²

infolge Konvektion: ca. 25 W/m²

ab. Das Verhältnis von Temperaturstrahlung zu Konvektion beträgt für diesen Fall somit ca. 4/5 zu 1/5.
Wird der Heizfall durch Strahlung als Einsatzzweck gesehen und angenommen, dass die durch Rekombination von elektrischen Ladungsträgern entstandene Strahlung durch eine entsprechende Wahl der Halbleitermaterialien im nicht sichtbaren Bereich emittiert wird, dann beträgt der Wirkungsgrad dieser Strahlungsheizung ca. (102 + 32)/177 = ca. 76%. Die Verluste betragen somit ca. 24% bzw. in absoluten Zahlen: ca. 43 W/m².
Für die gleiche Gesamtstrahlungswärmeabgabe müsste ein reiner Temperaturstrahler eine Oberflächentemperatur von ca. 46°C aufweisen. Die notwendige wirksame Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur vergrößert sich dabei von 20 Kelvin auf 26 Kelvin und somit um 30%. Die Verluste durch Konvektion und Leitung sind der wirksamen Temperaturdifferenz in erster Näherung direkt proportional und würden somit auch um ca. 30% bzw. auf ca. 56 W/m² steigen. Die erzielte Einsparung von ca. 13 W/m² entspricht in diesem Beispiel ca. 7,5% der elektrischen Leistungsaufnahme.
Diese kurze Abschätzung zeigt, welches energetisches Einsparpotential mit einer Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen auf Basis von Halbleitern realisiert werden kann, bei der die zu übertragene Leistung infolge Strahlung zu einem nennenswerten Anteil nicht durch reine Temperaturstrahlung sondern durch die Rekombination von Ladungsträgern in Halbleitern bereitgestellt wird. Die prognostizierten Einspareffekte werden infolge der Gesetzmäßigkeiten bei der konvektiven Wärmeabgabe bei anders angeordneten Heizflächen als horizontal/Wärmeabgabe nach unten noch wesentlich größer und können durchaus bis in den Bereich von 40% gehen.
Das zu verwendende Halbleitermaterial strahlt vorzugsweise im nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von ca. 0,7 bis ca. 25 Mikrometer. Diese Region ist ca. 80-mal größer als die des sichtbaren Lichtes. Dadurch ergeben sich wesentlich größere Einsatzchancen von verschiedenen Materialien.
Die flächige Dimension der Vorrichtung ist der Heizaufgabe anzupassen und ergibt sich aus der flächenspezifischen Leistung der Halbleiterbauelemente und dem Heizbedarf. Sie wird ähnlich der von herkömmlichen Heizkörpern sein. Dabei können Forderungen aus dem Herstellungsprozess dazu führen, dass sich die Vorrichtung aus einer Vielzahl von einzelnen aktiven Flächen zusammensetzt.
Anforderungen bei Beleuchtungslösungen an die spektralen Verteilung der emittierten Strahlung (Stichwort Farbwiedergabe), an die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte oder der Ausschluss von geringfügigen Defekten können bei der vorgeschlagenen Vorrichtung infolge der Unsichtbarkeit der emittierten Strahlung für Menschen herabgesetzt werden. Dies senkt die Herstellungskosten der Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen.
Vorteile der beschriebenen Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen gegenüber herkömmlichen Strahlungsheizungen können sich am konkreten Einsatzort weiterhin ergeben durch

– ein verringertes Installationsgewicht des Systems
– geringere Anschaffungs- und Installationskosten
– durch eine sinnvolle Ergänzung eines vorhandenen Konzeptes zur Eigenstromversorgung mittels BHKW, Photovoltaik o. ä.

Des Weiteren sind Kombinationen von Flächen auf Halbleiterbasis innerhalb einer Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen möglich, die jeweils Beleuchtungs- oder Beheizungsaufgaben übernehmen, und es sind Flächen auf Halbleiterbasis sinnvoll, die beide Aufgaben – Beheizung/Beleuchtung – innerhalb einer Fläche erfüllen können. Diese Möglichkeiten ergeben sich aus den gleichen Wirkprinzipien und somit dem ähnlichen Aufbau der Funktionsflächen für die Aufgaben Beheizung/Beleuchtung (die Halbleitermaterialien müssen entsprechend der jeweils gewünschten spektralen Emissionsbandbreite ausgewählt und angeordnet werden und die getrennte Schaltung und Regelung der Funktionen muss möglich sein).
Es ist vorteilhaft, die beschriebene Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen zur Einhaltung der gewünschten Raumtemperatur in ihrer Leistungsabgabe regelbar auszuführen. Dies kann durch Regelung der zugeführten elektrischen Leistung erfolgen oder durch die Veränderung der Größe der aktiv geschalteten Fläche bzw. Flächenanteile der Vorrichtung.
Zitierte Nichtpatentliteratur

[1] Robert Siegel, John R. Howell, Joachim Lohrengel: „Wärmeübertragung durch Strahlung – Grundlagen und Materialeigenschaften", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1988
[2] Robert Siegel, John R. Howell, Joachim Lohrengel: „Wärmeübertragung durch Strahlung – Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen und in Umhüllungen", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1991
[3] Robert Siegel, John R. Howell, Joachim Lohrengel: „Wärmeübertragung durch Strahlung – Strahlungsübergang in absorbierenden, emittierenden und streuenden Medien", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1993
[4] Christoph Gärditz: „Organische Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke", Dissertation Technische Fakultät Universität Erlangen-Nürnberg, perspektivenverlag Kösching 2007

Claims

Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen durch Übertragung von elektromagnetischer Strahlung dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterbauelemente verwendet werden, in denen die elektromagnetische Strahlung durch die Rekombination von Ladungsträgern erzeugt wird und diese elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge von größer ca. 0,7 Mikrometer hat.
Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsabgabe der Vorrichtung durch elektromagnetische Strahlung regelbar ausgeführt ist.
Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen entsprechend Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Leistungsabgabe der Vorrichtung durch elektromagnetische Strahlung durch die Regelung der elektrischen Leistungszufuhr zur Vorrichtung ausgeführt ist.
Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen entsprechend Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Leistungsabgabe der Vorrichtung durch elektromagnetische Strahlung durch die Veränderung der Größe der aktiv geschalteten Fläche bzw. Flächenanteile erfolgt.
Vorrichtung zur energieeffizienten Beheizung von Raumbereichen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Elemente zur Beleuchtung innerhalb der Vorrichtung konstruktiv integriert sind.