DE102015115459A1

DE102015115459A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102015115459A1
Application number: DE102015115459.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung (1) mit
– einer Wärmestrahleranordnung (10) mit einer Mehrzahl von versetzt zueinander entlang einer Strahlerfläche (24) angeordneten Heizelementen (11–20), sowie
– einer Steuereinheit (30), welche dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahleranordnung (10) zu steuern.
Um die Effektivität einer Heizvorrichtung mit einstellbarer Leistung im Hinblick auf die Wärmestrahlung zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Heizelemente (11–20) unabhängig voneinander ansteuerbar sind und die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahleranordnung (10) einzustellen, indem sie wenigstens ein erstes Heizelement (11–19) derart ansteuert, dass die Leistung jedes ersten Heizelements (11–19) immer entweder einem vorgegebenen Minimalwert oder einem vorgegebenen Maximalwert entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrahleranordnung.
Heizvorrichtungen werden in unterschiedlichen Bereichen verwendet. Neben solchen Vorrichtungen, die zum Temperieren eines Geräts bzw. eines Teils desselben dienen, bspw. bei Präzisionsmessgeräten, sind vor allem Heizvorrichtungen gebräuchlich, bei denen ein Innenraum eines Fahrzeugs oder eines Gebäudes beheizt werden soll. Hierbei kann es sich um einen Wohn-, Arbeits- oder Aufenthaltsraum oder z.B. um eine Fahrerkabine handeln. Darüber hinaus werden mit Heizvorrichtungen auch Teile von Außenbereichen beheizt.
Heizvorrichtungen werden normalerweise entweder elektrisch betrieben oder durch Verbrennung eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs. In vielen Fällen wird zur Verteilung der bei der Verbrennung freiwerdenden Wärme ein Flüssigkeits- oder Gaskreislauf genutzt, wie bspw. bei einer Warmwasserheizung. Insbesondere in jüngerer Zeit werden auch Wärmepumpenheizungen eingesetzt, bei denen nur ein Teil der freigesetzten Wärme elektrisch gewonnen wird, während der überwiegende Teil bspw. dem Erdreich entzogen wird.
Für die Frage, wie gut sich ein Raum bzw. ein Außenbereich mit einer bestimmten Heizvorrichtung beheizen lässt, ist zum einen selbstverständlich die Heizleistung ausschlaggebend, zum anderen die Frage, wie effizient die Wärme von der Heizvorrichtung auf die Umgebung übertragen wird. Bekannterweise gibt es drei Mechanismen zur Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung, die hauptsächlich innerhalb von Festkörpern bzw. zwischen in Kontakt stehenden Festkörpern eine Rolle spielt, kann für sich genommen normalerweise keine schnelle und effiziente Wärmeübertragung in alle Bereiche eines Innenraums gewährleisten. Konvektion, die über den Austausch von Flüssigkeiten oder Gasen (bei Innenräumen also über den Austausch von Luft) funktioniert, ist grundsätzlich geeignet, innerhalb einer gewissen Zeit einen Innenraum vollständig zu erwärmen. Allerdings dauert es hier je nach Dimensionierung und Anordnung des Heizkörpers sowie Größe und Struktur des Innenraums relativ lange, bis sämtliche Bereiche erwärmt sind. Dies gilt insbesondere für bodennahe sowie weiter vom Heizkörper entfernte Bereiche.
Diese Probleme ergeben sich bezüglich der Wärmestrahlung nicht. Die Wärmestrahlung erfolgt normalerweise innerhalb eines breiten Spektrums elektromagnetischer Wellen, wobei allerdings bei den gängigen Betriebstemperaturen von Heizkörpern insbesondere die Infrarotstrahlung von Bedeutung ist. Der Vorteil von Wärmestrahlung ist, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und Luft im Wesentlichen störungsfrei durchdringt. Somit können mittels Wärmestrahlung prinzipiell beliebig weit entfernte Bereiche eines Raums, die in Sichtlinie des Heizkörpers liegen, verzögerungsfrei erwärmt werden, wenngleich die Intensität der Wärmestrahlung mit zunehmender Entfernung abnimmt. Die Wärmestrahlung kann auch unmittelbar von Kleidung oder Haut von Personen, die sich in dem Raum befinden, absorbiert werden. Letzteres funktioniert selbstverständlich auch in Außenbereichen (z.B. bei Heizstrahlern in Biergärten), wo Konvektion in der Regel wirkungslos ist.
Fast immer ist die Heizleistung einer Heizvorrichtung einstellbar, d.h. die Heizvorrichtung kann nicht nur ein- und ausgeschaltet, sondern sie kann bspw. auf eine höhere Leistung eingestellt werden, um einen Innenraum auf eine Soll-Temperatur zu erwärmen, und auf eine geringere Leistung, um nach Erreichen der Soll-Temperatur diese durch Ersetzen der Wärmeverluste aufrechtzuerhalten. Ein anderer Grund zum Einstellen der Leistung kann z.B. sein, dass die effektive (d.h. spürbare) Reichweite der Wärmestrahlung reguliert werden soll.
Ein Problem beim Reduzieren der Heizleistung ist allerdings, dass hierbei in aller Regel die Temperatur des Heizkörpers sinkt. Zwar ist es bspw. bei einem elektrisch betriebenen Heizkörper unabhängig von der Temperatur so, dass praktisch 100 % der eingesetzten elektrischen Energie in Wärme umgesetzt werden, allerdings hängt die Wärmestrahlung massiv von der Temperatur ab. So ergibt sich aus dem Stefan-Boltzmann-Strahlungsgesetz, das die Gesamtstrahlungsleistung (eines idealisierten schwarzen Körpers) proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur ist, also
P_Strahlung ~ T⁴
D.h. insbesondere bei solchen Heizvorrichtungen, deren Effektivität maßgeblich auf Wärmestrahlung beruht, wirkt sich die Verringerung der Temperatur nachteilig aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Effektivität einer Heizvorrichtung mit einstellbarer Leistung im Hinblick auf die Wärmestrahlung zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Durch die Erfindung wird eine Heizvorrichtung zur Verfügung gestellt. Diese umfasst zum einen eine Wärmestrahleranordnung mit einer Mehrzahl von versetzt zueinander entlang einer Strahlerfläche angeordneten Heizelementen. Die Strahlerfläche ist hierbei eine Oberfläche der Wärmestrahleranordnung, von der aus beim Betrieb der Heizvorrichtung Wärmestrahlung ausgesendet werden kann. Hinsichtlich Form und Größe der Strahlerfläche bestehen hierbei kaum Einschränkungen. Da eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung das Beheizen von Innenräumen ist und des Weiteren eine Montage der Wärmestrahleranordnung an einer Wand bevorzugt ist, werden in diesem Fall die maximal möglichen Dimensionen der Strahlerfläche durch die Wand vorgegeben. In diesem Fall kann die Strahlerfläche insbesondere eben ausgebildet sein; es ist im Rahmen der Erfindung aber auch denkbar, dass die Strahlerfläche bspw. konvex und/oder konkav gewölbt oder abgewinkelt ist.
Die Heizelemente sind versetzt zueinander entlang der Strahlerfläche angeordnet, wobei "versetzt zueinander" bedeutet, dass die Heizelemente sich zumindest nicht vollständig überlappen und somit wenigstens teilweise in unterschiedlichen Bereichen der Strahlerfläche angeordnet sind. Hinsichtlich der Betriebsart der Heizelemente (elektrisch, durch Verbrennung etc.) bestehen im Rahmen der Erfindung grundsätzlich keine Einschränkungen, die Heizelemente müssen lediglich kontrolliert aufheizbar sein. In aufgeheiztem Zustand wird in jedem Fall ein gewisser Teil an Wärme durch Wärmestrahlung abgestrahlt, von dem wiederum wenigstens ein Teil über die Strahlerfläche abgestrahlt wird. Die Begriffe "Heizelement"," aufheizen" etc. sind in diesem Zusammenhang nicht einschränkend hinsichtlich der Temperatur auszulegen. Als Aufheizen gilt in diesem Zusammenhang jede Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung der Heizvorrichtung.
Die Heizvorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahleranordnung zu steuern. Hierbei ist der Begriff "Leistung" insbesondere, aber nicht ausschließlich, im streng physikalischen Sinne zu verstehen. Bei elektrischen Betrieb bezeichnet dies die elektrische Leistung, die in der Wärmestrahleranordnung umgesetzt und in Wärme sowie ggf. Licht umgewandelt wird. In einem Fall, in dem die Heizelemente durch Verbrennung betrieben werden, bezeichnet die Leistung die Menge an chemischer Energie pro Zeiteinheit, die in der Wärmestrahleranordnung umgesetzt wird. Bei ebenfalls denkbaren Ausführungsformen, in denen die Heizelemente an einen Flüssigkeits- oder Gaskreislauf angeschlossen sind, steuert die Steuereinheit den Volumenstrom der Flüssigkeit bzw. des Gases. Auch wenn dieser Volumenstrom nicht im physikalischen Sinne einer Leistung entspricht, könnte man auch hier eine Leistung definieren, bspw. als Produkt aus Volumenstrom und Wärmeinhalt pro Volumen.
Erfindungsgemäß sind die Heizelemente unabhängig voneinander ansteuerbar und die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Leistung der Wärmestrahleranordnung einzustellen, indem sie wenigstens ein erstes Heizelement derart ansteuert, dass die Leistung jedes ersten Heizelements immer entweder einem vorgegebenen Minimalwert oder einem vorgegebenen Maximalwert entspricht. Die Steuereinheit ist hierbei in der Lage, die Heizelemente unabhängig voneinander anzusteuern. Dies schließt auch Ausgestaltung ein, wo ggf. noch Heizelemente vorhanden sind, die nur gemeinsam mit einem anderen Heizelement ansteuerbar sind. Solche Ausgestaltungen können allerdings auch dahingehend interpretiert werden, dass es sich hierbei um ein einziges, allerdings flächenmäßig nicht zusammenhängendes Heizelement handelt. Jedenfalls stellt die Steuereinheit die Leistung jedes ersten Heizelements immer (also zu jedem Zeitpunkt) entweder auf den Minimalwert oder auf den Maximalwert ein. Zwischenwerte werden nicht eingestellt. Der vorgegebenen Maximalwert entspricht auch einer maximal möglichen Temperatur des jeweiligen Heizelements, bei der der Anteil der Wärmestrahlung an der abgegebenen Wärmemenge maximal wird. D.h. in dieser Einstellung arbeitet das jeweilige erste Heizelement hinsichtlich der Wärmestrahlung mit maximaler Effizienz. Der Maximalwert kann hierbei durch eine thermische Belastbarkeit des Heizelements, eine aus Gründen der Betriebssicherheit vorgegebene Maximaltemperatur oder durch andere Bedingungen vorgegeben sein. Prinzipiell kann er beliebig gewählt werden, wenngleich es bevorzugt ist, ihn im Rahmen bestehender Beschränkungen maximal zu wählen.
Der Minimalwert ist in jedem Fall selbstverständlich kleiner als der Maximalwert, insbesondere kann er deutlich kleiner sein und bspw. weniger als 10 % des Maximalwerts betragen. Besonders bevorzugt entspricht der Minimalwert Null, was einer Abschaltung des entsprechenden Heizelements entspricht.
Die Idee der Erfindung besteht hierbei darin, die Leistung der Wärmestrahleranordnung nicht wie im Stand der Technik dadurch einzustellen, dass die Temperatur der gesamten Anordnung variiert wird (was entweder kontinuierlich oder über verschiedene Zwischenstufen möglich wäre), sondern dass ein bestimmter, je nach vorgesehener Gesamtleistung variierbarer Anteil der ersten Heizelemente mit Maximalleistung betrieben wird, was ebenfalls einer im Hinblick auf die Emission von Wärmestrahlung optimalen Maximaltemperatur entspricht. Die Leistung, die in den übrigen ersten Heizelementen umgesetzt wird, die beim Minimalwert arbeiten, ist entweder Null oder zumindest vernachlässigbar gering, so dass deren im Hinblick auf die Wärmestrahlung ineffiziente Arbeitsweise nicht ins Gewicht fällt. Der Anteil der ersten Heizelemente, der entsprechend dem Maximalwert betrieben wird, ist hierbei so gewählt, dass sich in der Summe eine gewünschte Gesamtleistung der Wärmestrahleranordnung ergibt. In diese Summe müssen ggf. auch die Leistungen der ersten Heizelemente einbezogen werden, die entsprechend dem Minimalwert betrieben werden (falls dieser von Null verschieden ist), sowie von weiteren Heizelementen, falls vorhanden.
Es sei hierbei angemerkt, dass insbesondere bei unterschiedlicher Dimensionierung oder Bauart der ersten Heizelemente der jeweilige Maximalwert sowie ggf. der Minimalwert von Element zu Element unterschiedlich gewählt werden können. Bei im Wesentlichen gleichartigen ersten Heizelementen sind Maximalwert und Minimalwert bevorzugt für alle ersten Heizelemente gleich.
Da die ersten Heizelemente versetzt entlang der Strahlerfläche angeordnet sind, entspricht – zumindest dann, wenn der Minimalwert Null oder vernachlässigbar klein ist – eine Variation der Anzahl der mit Maximalwert betriebenen Elemente einer Variation des aktiven Anteils der Strahlerfläche. Man kann hier davon sprechen, dass die Strahlungsleistung der ersten Heizelemente (und somit zumindest anteilig die Strahlungsleistung der Wärmestrahleranordnung) nicht über die Temperatur, sondern über die (aktive) Fläche gesteuert wird.
Bevorzugt ist die Steuereinheit daher dazu eingerichtet, die Strahlungsleistung der Wärmestrahleranordnung durch eine Anpassung des aktiven Flächenanteils der Strahlerfläche einzustellen, welcher Flächenanteil den mit dem Maximalwert betriebenen ersten Heizelemente entspricht. Der Flächenanteil, der den mit Maximalwert betriebenen ersten Heizelementen entspricht, ist hierbei selbstverständlich diejenige Teilfläche, die von den entsprechenden Heizelementen geometrisch abgedeckt wird bzw. die deren Oberfläche bildet. Man kann auch sagen, dass dieser Flächenanteil den entsprechenden Heizelementen zuzuordnen ist. Es erfolgt insoweit keine Einstellung der Strahlungsleistung über die Temperatur, da diese durch den Maximalwert im Wesentlichen vorgegeben ist. Vielmehr wird die Strahlungsleistung über den Flächenanteil eingestellt. Aufgrund der fest vorgegebenen Flächenanteile ist die Einstellung der Strahlungsleistung nur in diskreten Schritten möglich, wobei die Schrittweite durch die Größe der Flächenanteile festgelegt ist. Falls die ersten Heizelemente die einzigen Heizelemente sind, kann insbesondere der Flächenanteil proportional zu einer vorgesehenen Strahlungsleistung der Wärmestrahleranordnung sein. Sind noch weitere Heizelemente vorhanden, ist der Flächenanteil insoweit anzupassen. Die gesamte Strahlungsleistung wird in diesem Fall nicht ausschließlich, aber anteilig, durch den genannten Flächenanteil eingestellt.
Insbesondere dann, wenn nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von ersten Heizelementen vorhanden ist, lassen sich durch das bloße Umschalten zwischen Minimalwert und Maximalwert unter Umständen nicht alle gewünschten Gesamtleistungen einstellen. Anders ausgedrückt, eine Feineinstellung der Gesamtleistung ist hierdurch unter Umständen nicht möglich. Aus diesem Grund ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Leistung der Wärmestrahleranordnung einzustellen, indem sie wenigstens ein zweites Heizelement derart ansteuert, dass die Leistung jedes zweiten Heizelements einem vorgegebenen Minimalwert, einem vorgegebenen Maximalwert oder wenigstens einem (vorgegebenen) Zwischenwert entspricht. Der hier genannte Minimalwert bzw. Maximalwert kann einem bezüglich der ersten Heizelemente vorgegebenen Minimalwert bzw. Maximalwert entsprechen, kann aber auch unterschiedlich gewählt werden. Auch hierbei entspricht der Minimalwert bevorzugt Null. Jedenfalls kann die Leistung jedes zweiten Heizelement wenigstens einen Zwischenwert, bevorzugt eine Mehrzahl von Zwischenwerten, die zwischen Minimalwert und Maximalwert liegen, annehmen. Insbesondere ist es möglich, dass jeder beliebige Zwischenwert zwischen Minimalwert und Maximalwert angenommen werden kann, was einer kontinuierlichen Einstellbarkeit entspricht. Bei der beschriebenen Ausgestaltung wird gewissermaßen die Grobeinstellung der Leistung über das bzw. die ersten Heizelemente vorgenommen und die Feineinstellung über das bzw. die zweiten Heizelemente. Normalerweise ist es ausreichend und daher auch bevorzugt, dass die Heizeinrichtung genau ein zweites Heizelement umfasst. Es sei darauf hingewiesen, dass die Unterscheidung zwischen erstem und zweiten Heizelement primär darauf beruht, auf welche Art und Weise die Heizelemente von der Steuereinheit angesteuert werden. Konstruktiv können erste und zweite Heizelemente identisch ausgebildet sein.
Die Steuereinheit kann auch als Regeleinheit ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit mit wenigstens einem Temperatursensor zur Messung einer Umgebungstemperatur verbunden und ist dazu eingerichtet, die Leistung der Wärmestrahleranordnung zum Erreichen eines Sollwerts der Umgebungstemperatur einzustellen. Hierbei schließt das Erreichen des Sollwerts auch ein Einhalten des Sollwerts ein. Der wenigstens eine Temperatursensor kann hierbei bspw. eine Lufttemperatur, eine Wandtemperatur oder dergleichen registrieren, was ggf. auch berührungslos mittels Erfassung von Infrarotstrahlung erfolgen kann. In bekannter Weise kann die Steuereinheit die Leistung der Wärmestrahleranordnung z.B. auf einen maximal möglichen Wert einstellen, wenn die Umgebungstemperatur deutlich, bspw. um 15 °C, unter dem Sollwert liegt. In diesem Fall werden sämtliche ersten sowie ggf. zweiten Heizelemente auf den Maximalwert eingestellt. Nähert sich die Umgebungstemperatur dem Sollwert an, kann die Steuereinheit die Gesamtleistung der Wärmestrahleranordnung reduzieren, was bspw. dadurch erfolgt, das ein Teil der ersten Heizelemente auf den Minimalwert eingestellt (z.B. abgeschaltet) wird. Ist der Sollwert erreicht, kann eine Feineinstellung der Gesamtleistung dadurch erfolgen, dass bei Vorhandensein eines zweiten Heizelement die Leistung desselben auf einen Wert eingestellt wird, der im Zusammenspiel mit den Leistungen der ersten Heizelemente eine möglichst exakte und stabile Einhaltung der Umgebungstemperatur ermöglicht.
Vorteilhaft sind die Heizelemente nebeneinander entlang der Strahlerfläche angeordnet. Der Begriff "nebeneinander" ist nicht dahingehend zu verstehen, dass die Heizelemente zwangsläufig horizontal zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet lediglich, dass die Heizelemente einander nicht überlappen. Überlappungen können ggf. dazu führen, dass ein Heizelement die Wärmestrahlung eines anderen blockiert, was einen unerwünschter Effekt wäre. Bei dieser Ausgestaltung kann man jedem Heizelement einen Teil der Strahlerfläche eindeutig zuordnen. Bevorzugt sind die Heizelemente hierbei entlang der Strahlerfläche voneinander beabstandet.
Ebenfalls bevorzugt sind die Heizelemente elektrisch betreibbar. Die Heizwirkung eines solchen Heizelements beruht in aller Regel auf einem ohmschen Widerstand. Dieser kann auch als Heizwiderstand bezeichnet werden. Das Heizelement kann hierbei ggf. vergleichsweise großflächig, aber extrem flach ausgeführt sein, wobei der Widerstand durch eine mäandrierende oder andere wegverlängernde Form vergrößert sein kann. Ggf. kann ein Heizelement auch ein Glühelement umfassen, das innerhalb eines Hohlkörpers angeordnet ist, in dessen Inneren sich ein Teilvakuum oder ein Halogen befindet.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei elektrisch betreibbaren Heizelementen ist es bevorzugt, dass die Heizelemente an wenigstens einer sich über die Strahlerfläche erstreckenden Trägerplatte angeordnet sind. Es können hierbei mehrere Trägerplatten sein, die sich über die Strahlerfläche erstrecken. Falls es sich um mehrere Trägerplatten handelt, können diese wiederum bspw. an einem gemeinsamen Rahmen, Gestell oder dergleichen montiert sein. Es wäre hierbei möglich, dass ein oder mehrere Heizelemente mit jeweils einer Trägerplatte eine Art Modul bilden, wobei die gesamte Wärmestrahleranordnung aus mehreren, insbesondere gleichartig ausgebildeten Modulen beliebig zusammengesetzt wird. Die Heizelemente können sich im Prinzip wenigstens teilweise in der Trägerplatte, auf deren Vorderseite oder auf deren Rückseite befinden, wobei die Vorderseite diejenige Seite ist, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung dem zu beheizenden Raum zugewandt ist. Für das Material der Trägerplatte kommen verschiedene Materialien infrage, wobei im Hinblick auf die Temperaturentwicklung der Heizelemente zumindest eine gewisse Hitzebeständigkeit vorteilhaft ist. Unter die Ausgestaltung mit wenigstens einer Trägerplatte fallen auch Flachheizkörper, die bspw. gut an einer Wand eines Raumes angebracht werden können.
Vorteilhaft ist wenigstens eine Trägerplatte durchlässig für Infrarotstrahlung, wobei wenigstens ein Heizelement an einer Rückseite der Trägerplatte angeordnet ist. Die Trägerplatte dient hierbei gleichzeitig einerseits als Schutz für die Heizelemente vor mechanischer Beschädigung, andererseits als Schutz für einen Benutzer, der somit nicht unmittelbar die Heizelemente berühren kann. Der Begriff der Durchlässigkeit kann hier selbstverständlich nicht genau quantifiziert werden, da bekanntermaßen jedes Material zumindest Teile des Infrarotspektrums absorbiert oder reflektiert. Eine Trägerplatte kann in diesem Zusammenhang z.B. als durchlässig für Infrarotstrahlung angesehen werden, wenn sie eine Transmission von wenigstens 70 % der seitens der Heizelemente eingestrahlten Infrarotstrahlung ermöglicht. Geeignet hierfür kann bspw. eine Trägerplatte aus Quarzglas sein.
Die Effektivität einer derartigen Anordnung kann weiterhin dadurch gesteigert werden, dass wenigstens ein Reflektor auf einer Rückseite wenigstens eines Heizelements angeordnet ist. Der Reflektor wirkt hierbei selbstverständlich reflektierend für Infrarotstrahlung, während es von untergeordneter Bedeutung ist, ob er andere Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums reflektieren kann. Durch einen Reflektor kann nicht nur bspw. bei einer Wandmontage verhindert werden, dass etwa die Hälfte der Wärmestrahlung direkt die hinter der Wärmestrahleranordnung liegende Wand trifft und beheizt. Es ist ggf. auch möglich, durch Form und Ausrichtung des Reflektors die Wärmestrahlung in bestimmte Richtungen zu lenken, zu verteilen oder zu fokussieren.
Hinsichtlich der Anordnung der Heizelemente besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Heizelementen entlang einer ersten Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sein. D.h. diese Heizelemente können wenn die Wärmestrahleranordnung bspw. an einer Wand montiert ist, horizontal nebeneinander oder aber vertikal übereinander angeordnet sein. Auch eine diagonale Anordnung ist denkbar. Die einzelnen Heizelemente könnten hierbei streifenartig ausgebildet sein, wobei sich z.B. der einzelne Streifen horizontal erstreckt und die Heizelemente vertikal übereinander angeordnet sind oder aber umgekehrt.
Es ist weiterhin möglich, dass eine Mehrzahl von Heizelementen entlang einer zweiten Richtung, welche zur ersten Richtung senkrecht ist, angeordnet sind. D.h. insgesamt ergibt sich hier eine Art rechteckiges Raster, auf dem die Heizelemente angeordnet sind. Sie sind gewissermaßen zeilenweise und spaltenweise ausgerichtet. Hierbei entspricht jedem Heizelement eine rechteckige Fläche, die von dem jeweiligen Heizelement wenigstens überwiegend bedeckt sein kann.
Während bei einer gegebenen Anzahl von ersten Heizelementen durch eine gewünschte Gesamtheizleistung im Wesentlichen bestimmt ist, wie viele Heizelemente entsprechend dem Maximalwert betrieben werden, gibt es hierbei verschiedene Möglichkeiten, welche der Heizelemente dies sein sollen. So wäre es denkbar, dass bevorzugt Heizelemente in einem unteren Bereich, in einem oberen Bereich oder in einem zentralen Bereich der Strahlerfläche ausgewählt werden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die ersten Heizelemente derart anzusteuern, dass die entsprechend dem Maximalwert betriebenen ersten Heizelemente möglichst gleichmäßig über die Strahlerfläche verteilt sind. Es versteht sich, dass eine Verteilung hierbei niemals exakt gleichmäßig sein kann. Sollen bspw. bei einem Feld von 5 × 5 Heizelementen drei Heizelemente mit Maximalwert betrieben werden, so können diese nicht exakt gleich verteilt sein. Eine annähernd gleichmäßige Verteilung könnte darin bestehen, dass eines der drei Heizelemente sich mittig in der oberen Hälfte der Strahlerfläche befindet, während die beiden anderen Heizelemente sich links und rechts in der unteren Hälfte befinden. Sollen in dem genannten Fall von 25 Heizelementen bspw. 12 Heizelemente mit Maximalwert betrieben werden, so könnte zeilenweise jedes zweite Heizelement ausgewählt werden, wobei in aufeinanderfolgenden Zeilen jeweils ein Versatz um ein Heizelement vorgenommen wird. Durch die wenigstens annähernde Gleichverteilung der Heizelemente über die Fläche soll erreicht werden, dass auch die Verteilung der Wärmestrahlung zumindest annähernd gleichmäßig ist.
Das erfindungsgemäße Konzept funktioniert dann optimal, wenn die mit Maximalwert betriebenen Heizelemente solche Heizelemente, die mit Minimalwert betrieben werden, nicht oder nur unwesentlich aufheizen. Andernfalls würde dies bedeuten, dass die gewissermaßen optimal bei Maximalwert arbeitenden Heizelemente sich zu Gunsten anderer Heizelemente abkühlen, womit sie ihrer idealerweise möglichst hohe Betriebstemperatur einbüßen würden. Aus diesem Grund ist bevorzugt, dass benachbarte Heizelemente gegeneinander thermisch isoliert sind. Es versteht sich, dass eine thermische Isolierung niemals absolut sein kann. Allerdings kann eine thermische (Teil-)Isolierung dadurch gegeben sein, dass benachbarte Heizelemente nur über eine relativ schlecht wärmeleitende Trägerplatte (bspw. aus Quarzglas) verbunden sind.
Auch wäre es denkbar, die Konvektion durch Trennwände oder Ähnliches zu beschränken.
Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrahleranordnung zur Verfügung gestellt. Die Wärmestrahleranordnung umfasst eine Mehrzahl von versetzt zueinander entlang einer Strahlerfläche angeordneten Heizelementen, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Gemäß dem Verfahren wird die Leistung der Wärmestrahleranordnung eingestellt, indem wenigstens ein erstes Heizelement derart angesteuert wird, dass die Leistung jedes ersten Heizelements immer entweder einem vorgegebenen Minimalwert oder einem vorgegebenen Maximalwert entspricht. Die genannten Begriffe wurden bereits mit Bezug auf die erfindungsgemäße Heizvorrichtung erläutert und werden daher nicht nochmals erklärt.
Bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens entsprechen den bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigt:
1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung; sowie
2: eine schematische Darstellung eines Teils der Heizvorrichtung aus 1.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Heizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Heizvorrichtung 1 umfasst eine Wärmestrahleranordnung 10, eine Steuereinheit 30 sowie einen mit Letzterer verbundenen Temperatursensor 31. Die Wärmestrahleranordnung 10 umfasst insgesamt zehn Heizelemente 11–20, die vorliegend entlang einer Strahlerfläche 24 in fünf Reihen zu je zwei Heizelementen angeordnet sind. Die Reihen erstrecken sich hierbei entlang einer ersten Richtung X und sind übereinander entlang einer zweiten, hierzu senkrechten Richtung Y angeordnet. Jedes der Heizelemente 11–20 ist über eine eigene Steuerleitung 32 mit der Steuereinheit 30 verbunden und somit individuell ansteuerbar. Über die Verbindung mit dem Temperatursensor 31, der bspw. Teil eines Raumthermostats sein kann, registriert die Steuereinheit einen Istwert einer Umgebungstemperatur und vergleicht diesen mit einem z.B. benutzerseitig vorgegebenen Sollwert.
Stellt die Steuereinheit 30 bspw. anfangs einen erheblichen Temperaturunterschied von 15 °C fest, stellt sie die Leistung sämtlicher Heizelemente 11–20 auf einen vorgegebenen Maximalwert ein. Dieser kann bspw. derart vorgegeben sein, dass ein Benutzer die Wärmestrahleranordnung 10 ohne Verbrennungsgefahr noch berühren kann.
2 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung den Aufbau der Wärmestrahleranordnung 10. Hierbei sind Heizelemente 19, 20 an einer aus Quarzglas bestehenden Trägerplatte 21 angeordnet. Sie befinden sich hierbei auf einer Rückseite 21.1 der Trägerplatte 21, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung vom Benutzer bzw. vom zu beheizenden Raum abgewandt ist. Im vorliegenden Fall ist die Wärmestrahleranordnung 10 als Elektroflachheizkörper zur Wandmontage ausgebildet. Die eigentliche Aufhängung erfolgt hierbei über einen Rahmen 23, an dem die Trägerplatte 21 befestigt ist. Jedes der Heizelemente 19, 20 ist hierbei als flächiger Heizwiderstand mit mäandrierender Form ausgebildet. Die Heizelemente 19, 20 sind im vorliegenden Fall völlig baugleich. Auf den Rückseiten 19.1, 20.1 der Heizelemente 19, 20 ist ein Reflektor 22 angeordnet. Wird ein Heizelement 19, 20 über seine Steuerleitung 32 mit Strom versorgt, wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt und das entsprechende Heizelement 19, 20 erwärmt sich. Die hierbei entstehende Wärme wird zu einem gewissen Teil auf die Umgebung übertragen und zwar durch Wärmeleitung, Konvektion sowie Wärmestrahlung.
Die Wärmeleitung ist im vorliegenden Fall dadurch begrenzt, dass jedes Heizelement 19, 20 nur in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft sowie der Trägerplatte 21 steht, was den Wärmeübergang begrenzt. Insbesondere können die Heizelemente 19, 20 gegenüber einander als im Wesentlichen thermisch isoliert betrachtet werden. Ein Teil der Wärme wird an die Luft übertragen und durch Konvektion von dieser abgeführt. Wenngleich auch dies zur Erwärmung des umgebenden Raumes beiträgt, so ist dieser Effekt doch zunächst lokal begrenzt und trägt nicht zur schnellen Erwärmung entferntere Bereiche des Raumes bei. Diese beruht im Wesentlichen auf der Wärmestrahlung, die ihrerseits eine massive Temperaturabhängigkeit zeigt. Hinsichtlich der Wärmestrahlung ist die Effektivität der Heizelemente 11–20 beim Maximalwert der Leistung somit wesentlich höher als bei niedrigeren Werten. Die Wärmestrahlung (im Wesentlichen Infrarotstrahlung) geht von der gesamten Oberfläche jedes Heizelements 11–20 aus und durchdringt die Trägerplatte 21 ohne wesentliche Verluste. Die von den Rückseiten 19.1, 20.1 ausgehende Wärmestrahlung wird vom Reflektor 22 reflektiert und somit ebenfalls nach vorne gelenkt. Im vorliegenden Fall ist der Reflektor 22 im Wesentlichen flach ausgebildet, er könnte aber auch gewölbt sein, um eine gezielte Lenkung bzw. Fokussierung der Wärmestrahlung zu erreichen.
Nachdem sämtliche Heizelemente 11–20 für eine gewisse Zeit entsprechend dem Maximalwert betrieben wurden, hat sich die Raumtemperatur z.B. bis auf 5 °C der Solltemperatur angenähert. Dies führt dazu, dass die Steuereinheit 30 die Gesamtleistung auf bspw. 75 % reduziert. Hierbei werden allerdings nicht die Einzelleistungen der Heizelemente 11–20 jeweils auf 75 % des Maximalwerts eingestellt. Vielmehr werden neun erste Heizelemente 11–19 von der Steuereinheit 30 so angesteuert, das jedes von ihnen entweder abgeschaltet ist oder seine Leistung dem Maximalwert entspricht. Das heißt jedes der ersten Heizelemente 11–19 arbeitet entweder gar nicht oder mit maximaler Effizienz hinsichtlich der Wärmestrahlung. Ein zweites Heizelement 20 wird hingegen von der Steuereinheit 30 so angesteuert, das sein Leistung jeden Wert zwischen Null und dem Maximalwert annehmen kann. Soll nunmehr eine Gesamtleistung von 75 % der Maximalleistung erzeugt werden, so werden zwei erste Heizelemente, bspw. die Heizelemente 13 und 18, abgeschaltet, während die verbleibenden ersten Heizelemente 11, 12, 14, 15, 16, 17, 19 weiterhin mit maximaler Leistung arbeiten, was in der Summe 70 % der möglichen Maximalleistung entspricht. Für die noch fehlenden 5 % wird das zweite Heizelement 20 mit der Hälfte des Maximalwerts betrieben. Durch die Aktivierung von sieben ersten Heizelementen 11, 12, 14, 15, 16, 17, 19 werden auch 70% der Strahlerfläche 24 aktiviert, d.h. man kann sagen, dass die Strahlungsleistung über den Flächenanteil eingestellt wird, der den aktiven (also mit Maximalwert betriebenen) ersten Heizelementen entspricht. Dies wird ergänzt durch das zweite Heizelement 20, dessen Strahlungsleistung über seine Temperatur eingestellt wird.
Nähert sich die aktuelle Raumtemperatur weiter dem Sollwert an, kann die Leistung der Wärmestrahler Anordnung 10 weiter reduziert werden, bspw. auf 33 %. In diesem Fall könnten z.B. sämtliche ersten Heizelemente bis auf die Heizelemente 13, 16, 17 abgeschaltet werden und das zweite Heizelement 20 mit 30 % seiner maximaler Leistung betrieben werden, was 3 % der möglichen Maximalleistung der Wärmestrahleranordnung 10 entspricht.
Die Kriterien, nach denen die Steuereinheit 30 die Gesamtleistung der Wärmestrahleranordnung 10 bestimmt, können unterschiedlich gewählt werden und sind im Rahmen der Erfindung nicht entscheidend. In jedem Fall wird entsprechend der benötigten Gesamtleistung ein Teil der ersten Heizelemente 11–19 (ggf. auch keins oder alle) mit maximaler Leistung betrieben, wodurch sich die Gesamtleistung (und somit die aktive Strahlerfläche) im vorliegenden Fall in Schritten von 10 % einstellen lässt. Der ggf. fehlende Betrag an Gesamtleistung wird durch das zweite Heizelement 20, das sich kontinuierlich einstellen lässt, zur Verfügung gestellt.
Die Steuereinheit 30 ist hierbei dazu eingerichtet, für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der mit maximaler Leistung betriebenen ersten Heizelemente 11–19 zu sorgen. So wird sie bspw. dafür sorgen, dass sich die Anzahl der aktiven ersten Heizelemente 11–19 in der linken Hälfte von derjenigen in der rechten Hälfte höchstens um eins unterscheidet und das ebenso die Anzahl der aktiven ersten Heizelemente 11–19 in den einzelnen Reihen sich maximal um eins unterscheidet (so dass es bspw. nie eine Reihe ohne aktive erste Heizelemente 11–19 gibt, während gleichzeitig in einer anderen Reihe zwei erste Heizelemente 11–19 aktiv sind). Es können zusätzliche oder auch hiervon abweichende Kriterien für die gleichmäßige Verteilung gelten, wobei allerdings in jedem Fall verhindert werden soll, dass sich die aktiven ersten Heizelemente 11–19 alle in einem Bereich der Strahlerfläche 24 befinden. Auf diese Weise wird für eine wenigstens annähernd gleichmäßige Verteilung der Wärmestrahlung gesorgt.
Bezugszeichenliste

1: Heizvorrichtung
10: Wärmestrahleranordnung
11–19: erstes Heizelement
19.1, 20.1, 21.1: Rückseite
20: zweites Heizelement
21: Trägerplatte
22: Reflektor
23: Rahmen
24: Strahlerfläche
30: Steuereinheit
31: Temperatursensor
32: Steuerleitung
X: erste Richtung
Y: zweite Richtung

Claims

Heizvorrichtung (1) mit – einer Wärmestrahleranordnung (10) mit einer Mehrzahl von versetzt zueinander entlang einer Strahlerfläche (24) angeordneten Heizelementen (11–20), sowie – einer Steuereinheit (30), welche dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahleranordnung (10) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (11–20) unabhängig voneinander ansteuerbar sind und die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahlerordnung (10) einzustellen, indem sie wenigstens ein erstes Heizelement (11–19) derart ansteuert, dass die Leistung jedes ersten Heizelements (11–19) immer entweder einem vorgegebenen Minimalwert oder einem vorgegebenen Maximalwert entspricht.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert Null entspricht.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Strahlungsleistung der Wärmestrahleranordnung (10) durch eine Anpassung eines Flächenanteils der Strahlerfläche (24) einzustellen, welcher Flächenanteil den mit dem Maximalwert betriebenen ersten Heizelemente (11–19) entspricht.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahlerordnung (10) einzustellen, indem sie wenigstens ein zweites Heizelement (20) derart ansteuert, dass die Leistung jedes zweiten Heizelements (20) einem vorgegebenen Minimalwert, einem vorgegebenen Maximalwert oder wenigstens einem vorgegebenen Zwischenwert entspricht.
Heizvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch genau ein zweites Heizelement (20).
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) mit wenigstens einem Temperatursensor (31) zur Messung einer Umgebungstemperatur verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Leistung der Wärmestrahleranordnung (10) zum Erreichen eines Sollwerts der Umgebungstemperatur einzustellen.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (11–20) nebeneinander entlang der Strahlerfläche (20) angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (11–20) elektrisch betreibbar sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (11–20) an wenigstens einer sich über die Strahlerfläche (24) erstreckenden Trägerplatte (21) angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Trägerplatte (21) durchlässig für Infrarotstrahlung ist, wobei wenigstens ein Heizelement (11–20) an einer Rückseite (21.1) der Trägerplatte (21) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reflektor (22) auf einer Rückseite (19.1, 20.1) wenigstens eines Heizelements (11–20) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Heizelementen (11, 12) entlang einer ersten Richtung (X) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Heizelementen (11, 13, 15, 17, 19) entlang einer zweiten Richtung (Y), welche zur ersten Richtung (X) senkrecht ist, angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die ersten Heizelemente (11–20) derart anzusteuern, dass die entsprechend dem Maximalwert betriebenen ersten Heizelemente (11–20) möglichst gleichmäßig über die Strahlerfläche (24) verteilt sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Heizelemente (11–20) gegeneinander thermisch isoliert sind.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrahleranordnung (10) mit einer Mehrzahl von versetzt zueinander entlang einer Strahlerfläche (24) angeordneten Heizelementen (11–20), die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei die Leistung der Wärmestrahlerordnung (10) eingestellt wird, indem wenigstens ein erstes Heizelement (11–19) derart angesteuert wird, dass die Leistung jedes ersten Heizelements (11–19) immer entweder einem vorgegebenen Minimalwert oder einem vorgegebenen Maximalwert entspricht.