DE2510589A1 - Strahlungsheizflaeche - Google Patents

Description

• Strahlungsheizfläche Die Erfindung betrifft eine Heizfläche für hohe Abstrahlungstemperatur mit einer Beschichtung zur Begünstigung der Wärmestrahlung und zur Unterbindung der Konvektion sowie als Schutz vor Verbrennung bei Berührung, geeignet für den Anschluß an Sammelheizungs-Systeme mit mittelbarer oder unmittelbarer Enereie-Ubertragung .
• Heizflächen sind diejenigen Bauteile von Sammelheizungsanlagen, die letztlich den zu beheizenden Räumen die erforderliche Wärme energie vermittcln . Vom physikalischen Prinzip ihrer Wirkungsweise hängt die Qualität des erreichbaren Raumklimas ab . läßt die Betriebstemperatur etwa nur lufterwärmung zu, ist das Ergebnis luftheizungsklima mit hoher lufttemperatur, hohem Staubgehalt der luft, und beachtlicher Energie-Verschwendung infolge des Warmluftverlustes durch Winddrift . Im deutlichen Gegensatz dazu steht das Strahlungsklima mit kühler, staubfreier weil unbewegter luft und besonderer Wirtschaftlichkeit . Dazu sind jedoch Betriebstemperaturen nötig, die mit Sammelheizungen bisher insbesondere wegen der damit verbundenen Verbrennungsgefahr als nicht praktikabel galten . Die wrforschung der Strahlungsphysik und deren konsequente Anwendung zeigt, daß sich gerade die Verbrennungsgefahr von selbst ausschließt, wenn die wichtigsten Funktionen, d.s. die Abstrahlung einerseits und die gleichzeitige Unterbindung der Konvektion an der Heizfläche gesichert sind Bei bekannten Heizflächen für Sammelheizungen wie z.B, bei Gliederheizkörpern, sog. Radiatoren, oder Röhrenheizkörpern, auch bei Plattenheizkörpern oder Konvektoren liegen die betriebstemperaturen im Bereich von 40-800 C . Die Wärmeabgabe erfolgt nahezu ausschließlich durch Konvektion . Die ohnehin minimale Strahlungsabgabe an den Raum ist vielfach auch noch konstruktiv verhindert, sei es durch die Anordnung der Rippen beim Radiator, oder durch die Verkleidung beim Konvektor Das Ergebnis ist starke luftumwälzung in den zu beheizenden Räumen, großer Anstieg der lufttemperatur mit der Höhe im Raum, viel Staubaufwirbelung, hoher Wärm.everlust über Winddrift durch Türfugen und Fensterfugen, verstärkt durch das Druckprofil vom Fußboden zum Deckenbereich Der wichtigste Nachteil dessen sind der Staubgehalt der luft - er führt mit Langzeitwirkung u.a. zu lungencarzinomen - und die relativ Hohe lufttemperatur in Einatmungshöhe - sie widerspricht der biologisch und physiologisch notwendigen Temperatur der Einatmungsluft Um die Temperaturverhältnisse in den beheizten Räumen einigermaßen annehmbar zu gestalten, müssen die bekannten Heizkörperarten in Fensternähe, d .h. im Bereich der Außenwände installiert werden . weil andererseits die Wärmeerzeuger jeweils im Zentrum der Häuser stehen, mindestens aber selbst zentrale Einrichtungen darstellen, bedeutet die Installation der Heizflächen an der Peripherie der Bauten erheblichen materiellen Aufwand Eine Weiterentwicklung der Heizflächen für Sammelheizung in Richtung eines physiologisch günstigen Strahlungsklimas ist ausgeblieben, weil Rohrleitungen und Heizflächen aus Metall mit höherer Betriebstemperntur zwangsläufig Verbrennungsgefahr mit sich gebracht hätten Um Strahlungswärme in angenehm wirksamen und wirtschaftlichen Bereich zu bringen, sind Abstrahlungstemperaturen der Heizfläcnen bis 150° C nötig . Ein Berührungsschutz von derart heißen Guß- oder Stahlheizkörpern bleibt unbefriedigend weil mit der Oberflächentemperatur ein ungewöhnlicher Anstieg der Konvektion eintreten würde, was folglich eine noch stärkere Staubbelastung der Zimmerluft nach sich zöge Einzige technische Ausnahme war bisher der Kachelofen Richtige Konstruktionen erreichten die nötigen Abstrahlungstemperaturen von 100-150° O . Dabei gibt es am Kachelmantel keine Verbrennungsgefahr . Außerdem läßt sich in kachelofenbeheizten Räumen eine auffällig niedrige Lufttemperatur von 16-18° C bei voller Behaglichkeit feststellen, kein Warmluftstau unter der Zimmerdecke, und ein minimaler Staubgehalt der Luft . Also trotz der hohen Abstrahltemperatur eine ungewöhnlich kleine Konvektionsleistung an der Heizfläche Die Ursache dieser Tatsachen ist in der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit des irdenen Kachelmaterials zu sehen . Bei der Berührung mit der bloßen Hand z.B. entzieht die Haut der berührten Fläche eine kleine Wärmemenge . Die oberste Grenzschicht wird dadurch gekühlt Aus dem tieferen Bereich der Kachel @ann Wärme nicht rasch genug achgeleite tet werden. er na. es an der Haut nur zu einer Wärmereiz, aber zu kei@er Verbrennung kommen kann . Der gleiche @Kühleffekt@ tritt an der obersten Grenzschicht durch Konvektion als Folge der Luftberührung auf . Die Kontaktfläche kühlt in dem Maße aus, wie die Grenzschicht der Luft Wärme mitführt . Das Ergebnis ist ein Beharrungszustand der Konvektion, der weit unter dem Naß des Energie-Austausches liegt, der an Heizflächen mit hoher leitfähigkeit aus dem Innern des Materials zu beobachten ist . Die Strahlungs-Emission wird dadurch nicht eingeschränkt . Wegen ihrer relativ kurzen Wellenlänge durchdringt sie die Kontaktschicht, soweit sie nicht ohnehin aus mikroskopisch feinen Nischen und Vertiefungen der porösen, oder rauhen Oberfläche emittiert wird Diese physikalische Erkenntnis wurde bisher in der Heiztechnik nicht angewendet . Eine bekannte Heizflächenkonstruktion bietet zwar Wärmestrahlung von vertikal angeordneten Flächen die nicht von zirkulierenden Wärmeträgern mit Energie versorgt werden, sondern durch direkte elektrische Widerstandsheizung . Die Heizflächen sind dabei Glasscheiben, oder Metallplatten, die z.B. durch Widerstandslackierung erwärmt werden . Die Temperaturen müssen bei ca 80° C begrenzt werden, um Verbrennungsgefahr auszuschließen + er aus wirtschaftlichen und Annehmlichkeits-Gründen erwünschte Infrarot-Strahlungsbereich bis 150° C muß dieser Lösung versperrt bleiben .
• Der Konvektionsanstieg bei der Metallausführung ist ein erheblicher nachteil Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Heizfläche für Sammelheizungen so auszubilden, daß ihre Oberfläche gleiche oder ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Konvektion und Strahlungs-Emission hat wie die Ofenkachel, um damit erstmals auch für Sammelheizungen das gesunde Strahlungsklima zu ermöglichen und ungleich bessere Wirtschaftlichkeit in bezug auf Energie-Verbrauch und Installation zu erreichen, dabei aber jede Verbrennungsgefahr auszuschließen .
• Bei der erfindungsgemäßen Heizfläche wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das wärmeleitende Grundmaterial eine Emissionsschicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit erhält Dieser besonders einfache aufbau erfüllt alle gestellten Aufgabe , Die Emissionsschicht gewährleistet gleichzeitig die hohe Emissions-Temperatur und niedrige Konvektions-Temperatur . Die erfindungsgemäßen Heizflächen können eben oder konvex gekrümmt sein, müssen vertikal angeordnet sein, reichen ln einer bevorzugten Ausführung vom Boden bis zur Decke . Eine Emissions-Temperatur bis 150° C läßt die eigentliche Heizfläche auf rund 2/5 bis 1/4 bisheriger Heizflächen schrumpfen . Die damit erzielbare Naterial-Ersparnis ist von erheblichem volkswirtschaftlichem Vorteil . Die erfindungsgemäßen Heizflächen werden vorzugsweise an der P.auminnenseite aufgestellt, sodaß sie die an sich kalten Außenwände bestrahlen . Die memperaturen dieser Wände steigen dadurch beträchtlich Das Ergebnis ist nicht etwa ein höherer Wärmeverlust nach außen, sondern infolge der natürlichen Austrocknung der Baustoffe ein wesentlich verringerter Wärmedurchgang Die zentrale Anordnung im Haus-Grundriß ermöglicht eine zentrale Berohrung für zirkulierende Warmetrager Dies bringt zusätzlich erhebliche Material-Einsparungen . Das gilt auch für den Fall einer direkten elektrischen Beheizung des erfindungsgemäß beschichteten Grundmaterials der Heizfläche . Vorteilhafterweise erschließt diese Ausführung der Erfindung wirtschaftliche Beheizungsarten z.B. von Stahlbeton- oder Stahl-Skelettbauweisen, die aus statischen Gründen keinerlei Beruhrung Innerhalb tragender Teile zulassen . Die Erfindung bringt nicht nur den physiologisch wichtigen Vorteil des Strahlungsklimas, seine natürliche Wirtschaftlichkeit, sondern erschließt diese Vorteile erstmals der herkömmlichen Anwendung zirkulierender Wärmeträger Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor ij denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Heizflächen dargestellt sind Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Heizfläche mit Kurve des Temperaturverlaufes Figur 2 eine ebene, von zirkulierenden Wärmeträgern durchströmte Heizfläche, Emissionsschicht teilweise geschnitten ; Figur 3 eine gekrümmte Heizfläche, Emissionsschicht teilweise geschnitten Figur 4 eine mit erfindungsgemäßen Heizflächen ummantelte Reihe von Säulen Figur 5 erfindungsgemäße Heizflächen als Füllung von Rahmen-Fachwerk Der Wärtnetransport aus dem Heizmedium ins Grundmaterial geht ungehindert, d . h. ohne Temperaturverlust (T1) zu vonstatten (s. Figur 1) , Ein praktisch unbedeutender Temperaturabfall ergibt sich an der Trennlinie zwischen Grundmaterial (1) und Emissionsschicht (2j . In der Emissionsschicht fällt die Temperatur in Richtung zu den Emissionspunkten nur leicht, sodaß die hohe Emissionstemperatur (TE) zustandekommt . Im äußersten Bereich der Emissionsschicht, sinkt durch Konvektion d.h. infolge Wärmemitnahme der berührenden Luft die Oberflächentemperatur auf die Konvektionstemperatur (TK) In einer besonders einfachen Bauar-: iSt die erfindungsgemäße Heizfläche ein flacher Plattenheizkörper (Figur 2) aus Metall . Das Grundmaterial (1) erfährt die Wärmezufuhr aus dem Heizmedium im Innern, das durch einen Zulauf (3) eingeleitet wird und abgekühlt durch den Rücklauf (4) wieder ausfließt . Die Emissionsechicht (2) ist auf der Sichtseite aufgebracht Zur Sicherung des bestmöglichen Emissionswinkels in Richtung auf die kalten Außenwände des zu beheizenden Raumes ist eine bevorzugte Konstruktion walzenförmig gekrümmt (Figur 3) . Die Krümmung deckt einen Winkel von 9o°, 18o0, 2700 oder 360° . Die Emissionsschicht (2) ist auf das Grundmaterial (1) deckend aufgebracht . Zulauf und Rücklauf-Anschluß (3 bzw. 4) liegen im Innenraum des Hohlzylinder-Sektors (5) innerhalb dessen auch die Rohrinstallation untergebracht ist Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizfläche wird mit dem Grundmaterial ein Stützelement ummantelt, z.O. eine Säule mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, die Emissionsechicht deckt das Grundmaterial völlig ab . Bei dieser Ausführung kann die Wärmezufuhr außer über zirkulierende Wärmeträger auch durch elektrische Widerstandsheizung an das Grundmaterial erfolgen . Diese Heizflächenkonstrektion ermöglicht es die Strahlungstemperatur innerhalb der Glasfasaden von Stahlgbeton-Skelettbauweisen in behagliche Bereiche anzuheben, ohne ungesunae luftheizung und Staubarnwirbelung zu veranstalten . Figur 4 zeigt eine Reihe von Säulen, die von der erfindungsgemaß beschichteten Heizfläche ummantelt sind Eine bevorzugte Variante der Ausführung ohne zirkulierende Wärmeträger zeigt Figur 5 . Die erfindungsgemäß beschicnteten Heizflächen sind als Füllung des Fassaden-Fachwerke ausgebildet . Dabei kompensiert die Heizfläche den Strahlungsverlust, den personen gegen die kalten Fensterflächen erleiden, direkt und im gleichen Strahlungswinkel Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt . Diese zeigen Anwendungen wie sie vorzugsweise in der Wohnraumbeheizung möglich sind . Die Heizflächen können aber auch in gewerblichen Räumen, oder bei Beheizung exponierter Arbeitsplätze wie im Kranführerhäuschen, in Versammlungsräumen,um nur einige zu nennen,verwendet werden

Claims (1)

1. Patentansprüche X Heizfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeführende Material (1) mit einer die Wärme schlecht leitenden Emissionsechicht (2) versenen ist, welche Wärmeabgabe durch Strahlung begünst.igt, solche durch Konvektion aber hemmt 2. Heizfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.

   daß die Emissionsschicht (2) aus temperaturfesten Faserstoffen besteht, die in sich gewebt, gewirkt, oder verfilzt sind 3. Heizfläche nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsschicht aus temperaturfestem Chemiewerkstoff besteht 4. Heizfläche nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Dmissionsschicht körnige, keramiscne Füllstoffe eingebettet sind 5. Heizfläche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsschicht aus Chemiewerkstoff mit blasenförmigen Gaseinschlüssen besteht 6. Heizfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsschicht (2) aus elektrostatisch aufgeflocktem Flausch besteht 7. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Schicht von einem zirkulierenden Wärmeträger mit Energie versorgt wird 8. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärme führende Schicht durch elektrische Widerstandsheizung direkt mit Energie versorgt wird 9. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Schicht eben ist lo. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Schicht zweidimensional gekrümmt ist 11. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Schicht einen Hohlraum umschließt der die Energie-Versorgungsleitungen aufnimmt 12. Heizfläche nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Schicht Bauteile umschließt oder verkleidet, die andere bautechnische Aufgaben erfüllen