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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Infrarotheizpaneel mit Belüftung umfassend eine Heizplatte bestehend aus einer Frontplatte aus wärmeleitendem Material mit einem auf einer Seite (Rückseite) wärmeleitend befestigtem Heizelement, einer Rückenplatte, Front- und Rückenplatte mechanisch verbindende Seitenelemente wobei die Rückenplatte über der Rückseite der Heizplatte zu liegen kommt und einem Lüfter.
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In ganzjährig oder saisonal kalten Klimazonen, in denen die Monatdurchschnittstemperaturen deutlich unter 5°Celsius liegen, ist eine angemessene Raumheizung nicht nur dem Komfort dienlich, sondern überlebenswichtig. Man geht davon aus, dass die Einführung einer effektiven Raumheizung in Europa und Nordamerika im Laufe des 19. und 20. Jahrhunderts mindestens so viel zur Reduktion durch widrige Wetterbedingungen verursachter Krankheiten und Sterbefälle beigetragen hat, wie alle anderen medizinischen Fortschritte zusammengenommen.
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Die nach wie vor verbreitetste Methode der Raumheizung besteht aus einer zentralen Wärmequelle die mit Kohle, Öl, Gas oder elektrischer Energie betrieben wird und in der Wohnung an vorteilhaften Stellen angebrachten Heizkörpern, die die Wärmeenergie von der Wärmequelle mittels eines Überträgermediums, meistens Wasser, zugeführt bekommen. Der von den Heizkörpern erzielte Heizeffekt beruht hierbei zum großen Teil auf sogenannter Kontaktwärme, bei der der Heizkörper die Umgebungsluft aufwärmt und diese sich dann durch eine natürlich einsetzende Konvektionszirkulation mehr oder weniger gleichmäßig im Raum verteilt. Die von dem Heizkörper abgegebene Infrarotstrahlungsenergie ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Dem entsprechend sind konventionelle Heizkörper so ausgestaltet, dass sie eine möglichst große Oberfläche besitzen, um die Luft möglichst effektiv erwärmen zu können. Eine in den Raum gerichtete Abstrahlungsfläche für die abgegebene Infrarotenergie ist oft nicht vorgesehen und wäre bei den üblichen Heizkörpertemperaturen auch nicht sonderlich effektiv.
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Der Nachteil der traditionellen Heizmethode ist, insbesondere bei großen oder schlecht isolierten Räumlichkeiten, dass die Aufheizung langsam von statten geht und aufgrund der Wärmeverluste durch Wände und/oder Decken, bzw. gegebenenfalls auch Undichtigkeiten von Fenstern oder Türen, ein dementsprechend großer Energieverbrauch damit verbunden ist. Schon seit längerem werden darum in großen Gebäuden wie Kirchen oder Hallen, jedoch in jüngerer Zeit zunehmend auch in energiebewusst geplanten Wohnhäusern, auf dem Prinzip der sogenannten Strahlungsheizung basierende Heizkörper eingebaut. Im Gegensatz zu den traditionellen Heizkörpern beruht bei diesen die Heizwirkung nicht vornehmlich auf der Übertragung von Kontaktwärme, sondern die Hauptheizwirkung wird durch die Infrarotstrahlung erzielt. Heizkörper für diese Strahlungsheizung brauchen keine möglichst große Gesamtoberfläche und damit Kontaktfläche zur Luft, sondern eine möglichst große Fläche um Infrarotstrahlung abgeben zu können und zwar auf wichtige Stellen im Raum gerichtet. Diese sind zum Beispiel solche, an denen sich Personen bei üblicher Benutzung des Raumes am meisten aufhalten. Infrarotstrahlungsheizkörper sind darum in der Regel als flache Paneele ausgeführt und umfassen eine Frontplatte aus gut wärmeleitendem, thermisch stabilem und chemisch inertem Material, häufig Glas, und auf der vom Raum abgewandten Rückseite der Frontplatte wärmeleitend befestigtem Heizelement, üblicherweise elektrischer Art. Hinter dem Heizelement ist wärmeisoliert ein flächiger Infrarotreflektor angebracht, der dafür sorgt, dass die nach hinten abgegebene Infrarotstrahlung auch in den Raum hinein reflektiert wird. Üblicherweise wird die Wärmeisolation zwischen dem Heizelement und dem Reflektor schlicht durch Freilassen eines Luftspalts erreicht.
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Die Strahlungsheizung funktioniert umso besser, je höher die Temperatur der Heizpaneele ist. Die dabei maximal erreichbare Temperatur ist jedoch auch durch das Material bzw. die auftretende Materialermüdung und auch durch Sicherheitsaspekte begrenzt, etwa falls sich Personen in nächster Nähe zum Paneel aufhalten können und somit bei zu hoher Temperatur eine unangenehme Überwärmung erfahren oder sogar Verbrennungen erleiden könnten. Da jedoch die abgegebene Strahlungsleistung mit der vierten Potenz der Temperatur steigt, wird auch durch eine absolut gesehen vergleichsweise kleine Temperaturerhöhung ein großer Effekt bei der abgegebenen Strahlungsleistung erreicht. So strahlt z. B. ein 180 Grad heißes Heizpaneel ca. die 3,5 fache Menge an Infrarotstrahlleistung ab wie ein 60 Grad heißes Paneel gleicher Form und Fläche.
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Da der Heizeffekt bei der Strahlungsheizung auf direkter Infrarotstrahlung basiert, stellt sie eine natürliche, der Erwärmung durch Sonnenstrahlung nachempfundene Art der Heizung dar. Dies bedingt bautechnisch, dass die Strahlheizpaneele nicht wie die bisher verwendeten Heizkörper positioniert werden, z. B. unter einem Fenster, sondern man in ihrer Positionierung im Prinzip relativ frei ist, solange ihre Flächennormale die richtige Ausrichtung aufweist.
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Bei Verwendung nur eines einzelnen Heizpaneels hat die Strahlungsheizung ebenfalls mit der Sonnenwärme gemein, dass eine ungleichmäßige Erwärmung auftreten kann: die dem Heizpaneel zugewandte Seite eines Körpers wird zwar warm, aber die gegenüberliegende Seite bleibt, bis auf die durch die Strahlungsheizung als Nebeneffekt erzielte Raumlufterwärumung, kalt. Dieser Nachteil kann jedoch prinzipiell durch Verwendung entsprechend positionierter zusätzlicher Heizpaneele weitestgehend vermieden werden.
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Ein wesentlicher Vorteil einer Strahlheizung besteht darin, dass die Heizwirkung sehr schnell nach dem Einschalten vorliegt, da man nur auf die Aufheizung der Abstrahlplatte und nicht der gesamten Raumluft warten muss. Da eine Erwärmung der Raumluft im Wesentlichen nicht erforderlich ist, verringern sich auch die Wärmeverluste deutlich, die ja hauptsächlich dadurch entstehen, das Raumwärme durch die Wände nach draußen abgegeben wird, oder noch gravierender, die warme Raumluft direkt durch Undichtigkeiten von Türen oder Fenstern nach draußen entweicht.
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Die üblicherweise von Heizpaneelen erreichbaren Temperaturen betragen nur etwa 200 Celsius. Dies ist begrenzt einerseits durch die schnellere Materialermüdung bzw. chemische Korrosion bei höheren Temperaturen und andererseits auch durch Sicherheits- und Komfortaspekte. Wenn sich zum Beispiel Personen direkt vor dem Paneel aufhalten, ist es nicht ratsam eine sehr hohe Temperatur einzustellen. Das Material der Front bzw. Strahlplatte ist so gewählt, dass sie einerseits sehr gut wärmeleitet und andererseits eine geringe eigene Wärmekapazität besitzt und dabei chemisch möglichst inert ist. Damit wird erreicht, dass sie sich nach Einschalten des Paneels schnell auf die gewünschte Solltemperatur aufheizt. Das in der Praxis am häufigsten verwendete Material, welches diese Eigenschaften mit einem vergleichsweise günstigen Preis verbindet ist Glas.
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Um eine schnelle Aufheizung zu erreichen muss das Heizelement des Paneels und die sie versorgende Stromquelle über eine entsprechende hohe Leistung verfügen, die meist höher liegt als die Dauerleistung, die nötig ist, um eine übliche Solltemperatur nur zu halten. Eine hohe Leistung ist auch nötig, wenn das Paneel im Prinzip in der Lage sein soll, eine vergleichsweise hohe Paneeltemperatur erreichen und halten zu können. Ist die Paneelhöchsttemperatur z.B. 200°Celsius, und es wird aber üblicherweise nur mit 120°C betrieben gibt es einen Leistungsüberschuss von mehr als einem Faktor 2.
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Oft ist eine reine Strahlheizung alleine für eine angenehme Heizwirkung ausreichend. Bei Räumen mit feuchter Luft oder mit feuchten Wänden wäre eine Erwärmung und damit verbundene Trocknung der Raumluft aber oft angebracht, um ein komfortables Raumklima zu schaffen. Da die im Dauerbetrieb abgegeben Leistung einer Strahlheizung oft nicht sehr hoch ist, findet jedoch nur eine langsame Aufheizung und Trocknung der Raumluft statt. Diese relativ geringen Dauerleistungsabgaben bei üblichen Solltemperaturen des Heizpanels sind durch die schon erwähnten durch praktische und/oder Sicherheitsüberlegungen begrenzten Paneeltemperaturen bedingt. Eine höhere Leistungsabgabe wäre bei üblichen Paneelen automatisch mit einer höheren Paneeltemperatur verbunden, was oft nicht erwünscht oder möglich ist, z.B. wenn man an die zulässige Maximaltemperatur stößt oder wenn sich Personen vor oder in der Nähe des Paneels befinden, die bei einer höheren Paneelsolltemperatur einer zu starken Infrarotstrahlung ausgesetzt wären.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe eine schnellere Erwärmung insbesondere bei feuchten Räumen zu ermöglichen und dabei die oben beschriebene unbenutzte Leistungsreserve zu verwenden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Infrarotheizpaneel mit Belüftung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Lüfterregelung nach Anspruch 10. Das Infrarotheizpaneel zeichnet sich dadurch aus, dass in der Rückenplatte und in den sie mit der Frontplatte verbindenden Seitenteilen Öffnungen vorhanden sind in oder über zumindest einem Teil derer Lüfter eingebaut bzw. befestigt sind. Diese Lüfter saugen kühle, feuchte Raumluft an, pressen sie in den von Heiz- und Rückenplatte sowie Seitenteilen umschlossenen Innenraum, wo die Luft dann am Heizelement entlangströmt, erwärmt wird und dann durch die anderen, nicht mit Lüftern versehenden, Öffnungen wieder in den Raum austritt wo durch die erwärmte Luft eine Konvektionsströmung einsetzt, die die abgegebene Kontaktwärme im ganzen Raum verteilt. Diese natürliche Konvektion wird unterstützt, wenn die Lüfter auf der Rück- oder Unterseite des Paneels montiert sind und eine im Wesentlichen von unten nach oben gerichtete Strömung aufbauen. Das erfindungsgemäße Heizpaneel ist dabei sinnvollerweise entweder freistehend oder an einer Wand montiert einsetzbar, wobei immer ein ausreichender Raum zwischen den Luft Ein- und Austrittsöffnungen und den Wänden bzw. Boden oder Decke des Raumes bestehen sollte.
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Der wesentliche Vorteil, der durch die in Anspruch 1 offenbarten Merkmale erreicht wird, ist eine schnellere Erwärmung und eine bessere Zirkulation der Raumluft und eine zusätzliche Heizwirkung über Kontaktwärme, die besonders bei feuchten Räumen für die Herstellung eines angenehmen Raumklimas nötig ist. Da die mittels der Lüfter erzeugte Luftströmung innerhalb des Paneels eine Kühlung des Heizelements und somit auch der Abstrahl-Frontplatte bedeutet, muss das Heizelement zum Erreichen/Halten einer eingestellten Solltemperatur der Heizplatte mit höherer Leistung betrieben werden, als in einem üblichen Paneel ohne Belüftung, bzw. bei dem hier offenbarten Paneel mit ausgeschalteten Lüftern. Die hierfür nötige Leistungsreserve ist jedoch häufig dadurch gegeben, dass die tatsächlich eingestellte Solltemperatur unter der maximal möglichen liegt. Trotz der zusätzlichen Kontaktwärmeabgabe entsteht also keine oder im Wesentlichen keine Notwendigkeit das Heizelement größer zu dimensionieren, und damit teurer zu machen, als bei einem Infrarotheizpaneel nach dem Stand der Technik, welches nicht mit einer eingebauten Belüftung ausgestattet ist.
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Falls die Lüfter in oder auf die Rückenplatte eingebaut bzw. befestigt sind, bedeutet dies eine Verkleinerung der Reflektorfläche der Rückenplatte und damit eine weniger effektive Strahlungsabgabe. Da jedoch, um eine effektive Zirkulation zu erreichen, keine sehr großen und/oder zahlreichen Lüfteröffnungen benötigt werden, ist dieser Verlust an Reflektorfläche zumeist akzeptabel. Falls gewünscht kann dieser Verlust an Reflektorfläche auch dadurch minimiert werden, dass die Lüfter so ausgestaltet sind, dass ihre dem Heizelement zugewandte Seite mit einer infrarotreflektierenden Folie oder Beschichtung versehen ist. Alternativ wäre auch denkbar, die Lüfter ausschließlich in oder auf den Seitenelementen einzubauen und somit die rückwärtige Reflektorfläche voll zu erhalten.
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Die Lüfter sollten hierbei, wie in Anspruch 10 offenbart, so angesteuert werden, dass nach dem Einschalten des Paneels die Lüfter zunächst ausgeschaltet bleiben, bis die Heizplatte ihre Solltemperatur erreicht hat. Erst dann werden die Lüfter mit eingeschaltet, wodurch sich im Innern des Paneels ein effektiv das Heizelement kühlender Luftstrom ausbildet, durch den zusätzliche Wärme vom Heizelement in den Raum transportiert werden kann, wodurch es möglich ist, das Heizelement weiter mit voller Leistung oder zumindest mit einer relativ zur Dauerleistung erhöhten Leistung zu betreiben, ohne die gewünschte Solltemperatur der Frontplatte zu überschreiten. Falls dies gewünscht ist, z. B. bei feuchter Raumluft, und falls eine solche Leistungsreserve vorhanden ist, z.B. wenn die eingestellte Solltemperatur deutlich unter der maximal möglichen Paneeltemperatur liegt, kann also eine Heizwirkung über Kontaktwärme ermöglicht und die Raumluft erwärmt werden, um dadurch schneller einen gewünschten komfortablen Zustand zu erreichen. Nach Ablauf einer gewissen Zeit oder bei Erreichen einer gewissen Solltemperatur der Raumluft werden die Lüfter erfindungsgemäß abgeschaltet, und die Leistungsaufnahme des Heizelements auf die zur Erhaltung der Solltemperatur nötige Dauerleistung gedrosselt.
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Durch diese Maßnahme wird der Energieaufwand soweit wie möglich minimiert und die durch die Belüftung erreichte ‚Zusatzheizung‘ bedarfsgerecht und sparsam eingesetzt. Dies hat den weiteren Vorteil die Geräuschbelastung durch die laufenden Lüfter verfahrenstechnisch zu minimieren. Technische Merkmale, die zur Geräuschminimierung beitragen, sind die Verwendung mehrerer Lüfter und die Bevorzugung größerer Durchmesser und niedrigerer Drehzahlen um den Transport der gleichen Menge Luft zu erreichen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Infrarotheizpaneels und Verfahrens der Lüftersteuer- bzw. -regelung bestehen darin, dass hier auf eine einfache Art und Weise die beschriebene üblicherweise vorhandene Leistungsreserve ausgenutzt wird um ein schnelleres Aufheizen des Raumes zu ermöglichen.
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Die Ansteuerung des Heizelements erfolgt üblicherweise automatisiert durch eine Steuer- und Regelelektronik. Diese kann in ihrer Funktionalität erweitert werden und auch die Steuerung bzw. Regelung der Lüfter übernehmen. Die vom Benutzer einzustellenden Parameter sind zum einen die Solltemperatur des Paneels, die sich daraus ergibt wie nah am Paneel sich der Benutzer aufhalten möchte, und zum anderen die Laufzeit der Lüfter bzw., falls eine entsprechende Sensorik vorhanden ist, die gewünschte Solltemperatur des Raumes bei der die Lüfter abgeschaltet werden sollen. Die Regelung der Lüfter und der Leistungsaufnahme des Paneels im Laufe des Aufheizvorgangs wird dann von der Steuer- und Regelelektronik übernommen.
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Um diese Zusatzbelüftung möglichst effizient auszugestalten, empfiehlt es sich, die Ansaug- und Ausströmöffnungen so zu positionieren, dass die Luft möglichst gleichmäßig über das Heizelement innerhalb des Paneels streicht, sodass sich keine besonders kalten oder heißen Stellen bilden.
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Im Folgenden sollen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination realisierbar sind, vorgestellt werden.
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Als vorteilhafteste Einbauposition hat sich in der Praxis der Einbau des Lüfters oder der Lüfter in die Rückenplatte ergeben. Zusätzlich dazu ist es auch denkbar einen oder mehrere Lüfter in ein Seitenelement zu integrieren, am besten in das nach Installation des Paneels auf der Unterseite befindliche.
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Um eine möglichst geringe Geräuschbelastung während des Laufs der Lüfter zu erreichen, verwendet man idealerweise ein Paneel mit mehr als einem eingebauten Lüfter und bevorzugt dabei Modelle mit größerem Durchmesser und niedrigerer Drehzahl (zur Erzeugung eines gegebenen Luftstroms). Dies ist weiterhin der oben angesprochenen gleichmäßigeren Verteilung des Luftstroms innerhalb des Heizpaneels dienlich was eine gleichförmigere Kühlung des Heizelements und damit eine effektivere Heizung bewirkt.
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Damit die Energie effizient genutzt und die Heizleistung je nach Bedarf abgegeben werden kann, sollten die Lüfter schaltbar und idealerweise auch in ihrer Drehzahl steuerbar sein. Dies kann denkbarerweise eine manuelle Steuerung und Schaltung umfassen, aber besser erfolgt dies automatisiert durch eine Steuer- bzw. Regelelektronik. Diese sollte in der Lage sein, die Lüfter einzeln oder zumindest seitenweise (sprich alle Lüfter auf der gleichen Seite) schalten und steuern zu können.
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Um die Leistungsabgabe über die Zeit hinweg sinnvoll und an die vorliegenden Bedingungen angepasst durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Paneel über Sensoren zur Temperaturmessung verfügt, und zwar einmal zur Bestimmung der Temperatur der Heizplatte, sodass eine Ist-Temperatur der Heizplatte mit einer eingestellten Solltemperatur verglichen werden kann, und zum anderen Sensoren zum Erfassen der Raumtemperatur, die entweder an einer kühlen, der Raumluft exponierten Stelle des Heizpaneels, oder aber unabhängig vom Paneel an einer strategisch günstigen Stelle des Raumes installiert werden kann. Mittels dieser Sensoren ist es dann möglich, durch die Elektronik die Leistungsaufnahme des Heizelementes und die Drehzahl der Lüfter so regeln zu lassen, dass eine optimale Heizwirkung erreicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der hier offenbarten Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterten Beispiel einer bevorzugten Ausführung. Dies dient nur der Illustration und soll die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken.
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Es folgt eine kurze Beschreibung der Abbildungen. Es zeigen:
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1: Schematische Rückansicht eines erfindungsgemäßen Infrarotheizpaneels mit rechteckiger Front- u. Rückenplatte und auf der Rückenplatte installiertem Lüfter
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2: Schnitt entlang der x-z-Ebene durch das Infrarotheizpaneel nach 1
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1 zeigt eine Rückansicht einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Infrarotheizpaneels 10. Es sind abgebildet die rechteckige Rückenplatte 12 die mittels eines sie an allen vier Seiten umschließenden Rahmens aus Seitenteilen 13 mit einer, in 1 nicht sichtbaren, zur Rückenplatte flächengleiche Heizplatte 19 bestehend aus Glas-Frontplatte 11 und daran auf der Rückseite wärmeleitend befestigtem Heizelement 15 (siehe 2) verbunden ist. Horizontal mittig, jedoch vertikal leicht nach unten versetzt und über einer kreisförmigen Öffnung 16 auf der Rückseite der Rückenplatte ist ein Lüfter 14 befestigt, hier schematisch vierblättrig dargestellt, jedoch sind auch andere Ausführungen denkbar. Wesentlicher ist die horizontal mittige und vertikal leicht nach unten versetzte Positionierung, die, zusammen mit den in den Seitenteilen vorhandenen Austrittsöffnungen (nicht sichtbar) eine gleichmäßige Strömung im Innern des Heizpanels 10 gewährleistet. Ebenfalls auf der Rückseite der Rückenplatte befestigt befindet sich eine Steuer- und Regelelektronik. Sowohl Lüfter als auch die Elektronik sind von möglichst flacher Bauform, um die Tiefe des Heizpaneels 10 so gering wie möglich zu halten, was einem platzsparenden Einbau dienlich ist.
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2 zeigt den in 1 angedeuteten Schnitt AA durch die Ausführung des erfindungsgemäßen Infrarotheizpaneels nach 1. Wie dort zu sehen ist werden die flächengleichen Heizplatte 19 und die auf ihrer der Heizplatte infrarotreflektierend ausgestaltete Rückenplatte 12 durch den Rahmen 13 parallel zueinander und flüchtig mit einem gewissen Abstand übereinander gehalten, sodass zwischen ihnen ein luftgefüllter Innenraum besteht. Aus beiden Figuren zusammengenommen ergibt sich, dass die bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Infrarotheizpanels eine im Wesentlichen quaderförmige Geometrie aufweist und im Inneren einen Hohlraum umschließt. Diese Geometrie hat sich für Infrarotheizpaneele bewährt, da sie zum einen einfach zu realisieren ist und zum anderen einen platzsparenden Einbau ermöglicht. Zwischen dem Innen- und dem Außenraum ist über eine kreisförmige Öffnung 16 in der Rückenplatte sowie längliche Öffnungen 17 in den Seitenteilen ein Luftaustausch möglich. Mittels des Lüfters 14 wird Raumluft angesaugt und in den Innenraum des Paneels gepresst, wodurch dort eine das Heizelement 15 kühlende Luftströmung entsteht. Die erwärmte Luft tritt durch die länglichen Öffnungen 17 in den Seitenteilen wieder in den Raum aus und verteilt dort die vom Heizelement 15 aufgenommene Kontaktwärme. Auf der Rückseite der Rückenplatte befestigt sind der Lüfters 14 die Regelelektronik 18 abgebildet, wobei Letztere die Drehzahl des Lüfter 14 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren regelt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Infrarotheizpaneel
- 11
- Frontplatte
- 12
- Rückenplatte
- 13
- Rahmen aus Seitenteilen
- 14
- Lüfter
- 15
- Heizelement
- 16
- kreisförmige (Ansaug-)Öffnung
- 17
- längliche (Austritts-)Öffnung
- 18
- Steuerelektronik
- 19
- Heizplatte
