EP3239616B1

EP3239616B1 - Infrarot-heizeinrichtung zum beheizen eines gebäudes sowie verfahren zum beheizen eines gebäudes mit einer solchen infrarot-heizeinrichtung

Info

Publication number: EP3239616B1
Application number: EP17000740.5A
Authority: EP
Inventors: Thomas KÜBLER
Original assignee: Kuebler GmbH
Current assignee: Kuebler GmbH
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: DE102016005263A1; EP3239616A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Heizeinrichtung zum Beheizen eines Gebäudes sowie ein Verfahren zum Beheizen eines Gebäudes mit einer solchen Infrarot-Heizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 11.
Heizungsanlagen zum Beheizen von großen Gebäuden, wie insbesondere Hallen, die eine Vielzahl von einzelnen Infrarotstrahlern, insbesondere Dunkelstrahlem, umfassen, werden seit langem von der Anmelderin vertrieben und sind darüber hinaus beispielsweise aus der DE 10 2007 047 661 A1 bekannt. Die Dunkelstrahler umfassen ein oberhalb eines zu beheizenden Bereichs des Gebäudes horizontal aufgehängtes, nach unten hin offenes Gehäuse, in welchem ein Strahlungsrohr aufgenommen ist, das durch einen Gasbrenner mit erhitztem Abgas beaufschlagt wird. Das andere Ende des Strahlungsrohres wird über ein Sauggebläse mit Unterdruck beaufschlagt und ist an eine Abgasleitung angeschlossen. Aufgrund der hierdurch erzeugten Temperatur der in der Regel schwarzen Außenseite des Strahlungsrohres im Bereich von 300 °C bis 750 °C strahlt diese Infrarot-Strahlung nach Art eines schwarzen Körpers ab, welche zu einer direkten Erwärmung des Aufenthaltsbereich von Menschen unterhalb des Strahlungsrohres führt. Hierbei ist es gegenüber herkömmlichen Gebäude-Heizungen, bei denen Warmluftheizungen zum Einsatz gelangen, von Vorteil, dass in einem Gebäude lediglich die Oberflächen von Menschen, Tieren und Gegenständen durch die Infrarotstrahlung erwärmt werden, nicht jedoch das Luftvolumen innerhalb des Gebäudes. Da in diesem Falle keine Luft im Bodenbereich der Halle erwärmt wird, die anschließend nach oben steigt und im Aufenthaltsbereich der Personen nicht mehr als warme Luft zur Verfügung steht, arbeiten die beschriebenen Infrarotheizungen vergleichsweise ökonomisch und werden demgemäß bevorzugt zum Beheizen von Hallen eingesetzt.
Weiterhin ist es bekannt, elektrischen Strom durch Fotovoltaik-Anlagen zu erzeugen, die jeweils eine Vielzahl von Fotovoltaik-Modulen aufweisen, die aus dem auftreffenden Sonnenlicht elektrischen Strom erzeugen, der bekannter Maßen über Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist wird. Aufgrund des in den letzten Jahren stark angewachsenen Anteils an regenerativen Energieerzeugungseinrichtungen, die an das elektrische Stromnetz angeschlossen sind, ist die Produktion an elektrischer Energie hierbei starken Schwankungen unterworfen, die mangels fehlender geeigneter Energiespeicher oftmals zu lokalen Überlastungen der Stromnetze führen können, so dass seitens der Betreiber der Stromnetze für die Abnahme von elektrischer Energie zu Spitzenzeiten sogar Vergütungen für den abgenommenen Strom gezahlt werden, um die Abnahme von elektrischer Energie zu den Spitzenzeiten zu begünstigen.
Bei den zuvor genannten Infrarot-Heizeinrichtungen ergibt sich das Problem, dass diese ausschließlich mit Gas beheizt werden können, ohne dass die Möglichkeit besteht, diese bei einem Überschuss an elektrischer Energie im öffentlichen Stromnetz, wie er beispielsweise an kalten sonnen- und windreichen Wintertagen auftritt, in effizienter Weise zum Beheizen von Gebäuden einzusetzen.
Ein weiteres Problem der zuvor genannten Infrarot-Heizungsanlagen besteht darin, dass die Oberflächentemperatur der Strahlungsrohre durch die Abkühlung der Heißgase vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende des Rohres hin fortlaufend abnimmt. Durch die T⁴ - Abhängigkeit der Intensität der abgestrahlten Infrarotstrahlung von der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) nimmt die Intensität der Infrarotstrahlung vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende des Strahlungsrohrs hin überproportional ab, was dazu führt, dass die Intensität der abgestrahlten Infrarotstrahlung über die Länge des Strahlungsrohres hinweg nicht konstant ist. Da die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Strahlungsrohres materialbedingt bei ca. 650 °C liegt, wird die maximal mögliche Intensität der Infrarotstrahlung nur im ersten Teilbereich des Strahlungsrohres erhalten, wohingegen zum stromabwärtigen Ende des Rohres hin lediglich ein geringerer Teil der im Heißgas enthaltenen Wärmeenergie in Infrarotstrahlung umgesetzt wird. Da der Wirkungsgrad des Gesamtsystems bezogen auf die eingesetzte Primärenergie beim Beheizen von großen Gebäuden wie Hallen umso höher liegt, je größer der Anteil der vom Strahlungsrohr abgegebenen Infrarotstrahlung ist, verringert sich der Gesamtwirkungsgrad der Dunkelstrahler aufgrund der abkühlungsbedingten Abnahme der Temperatur des Strahlungsrohres hierdurch in nachteiliger Weise.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Infrarot-Heizeinrichtung mit einem heißgasbeaufschlagen Strahlungsrohr zu schaffen, welche eine effizientere Beheizung eines Gebäudes sowohl mit einem fossilen Energieträger, als auch mit elektrischen Strom ermöglicht.
Stromnetz angeschlossen sind, ist die Produktion an elektrischer Energie hierbei starken Schwankungen unterworfen, die mangels fehlender geeigneter Energiespeicher oftmals zu lokalen Überlastungen der Stromnetze führen können, so dass seitens der Betreiber der Stromnetze für die Abnahme von elektrischer Energie zu Spitzenzeiten sogar Vergütungen für den abgenommenen Strom gezahlt werden, um die Abnahme von elektrischer Energie zu den Spitzenzeiten zu begünstigen.
Bei den zuvor genannten Infrarot-Heizeinrichtungen ergibt sich das Problem, dass diese ausschließlich mit Gas beheizt werden können, ohne dass die Möglichkeit besteht, diese bei einem Überschuss an elektrischer Energie im öffentlichen Stromnetz, wie er beispielsweise an kalten sonnen- und windreichen Wintertagen auftritt, in effizienter Weise zum Beheizen von Gebäuden einzusetzen.
Ein weiteres Problem der zuvor genannten Infrarot-Heizungsanlagen besteht darin, dass die Oberflächentemperatur der Strahlungsrohre durch die Abkühlung der Heißgase vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende des Rohres hin fortlaufend abnimmt. Durch die T⁴ - Abhängigkeit der Intensität der abgestrahlten Infrarotstrahlung von der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) nimmt die Intensität der Infrarotstrahlung vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende des Strahlungsrohrs hin überproportional ab, was dazu führt, dass die Intensität der abgestrahlten Infrarotstrahlung über die Länge des Strahlungsrohres hinweg nicht konstant ist. Da die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Strahlungsrohres materialbedingt bei ca. 650 °C liegt, wird die maximal mögliche Intensität der Infrarotstrahlung nur im ersten Teilbereich des Strahlungsrohres erhalten, wohingegen zum stromabwärtigen Ende des Rohres hin lediglich ein geringerer Teil der im Heißgas enthaltenen Wärmeenergie in Infrarotstrahlung umgesetzt wird. Da der Wirkungsgrad des Gesamtsystems bezogen auf die eingesetzte Primärenergie beim Beheizen von großen Gebäuden wie Hallen umso höher liegt, je größer der Anteil der vom Strahlungsrohr abgegebenen Infrarotstrahlung ist, verringert sich der Gesamtwirkungsgrad der Dunkelstrahler aufgrund der abkühlungsbedingten Abnahme der Temperatur des Strahlungsrohres hierdurch in nachteiliger Weise.
Aus der EP 2 492 600 A1 ist eine Anordnung zum Beheizen eines Raumes bekannt, welcher ein Strahlungsrohr umfasst, das über einen Brenner zur Abgabe von Infrarotstrahlung mit erhitztem Gas beaufschlagt wird. Die Anordnung umfasst weiterhin ein Heizregister, welches elektrisch über eine Photovoltaikanlage mit elektrischem Strom versorgt wird und welches an einer Zufuhrleitung angeordnet ist, über welche dem Brenner Frischluft zugeführt wird. Durch das Heizregister wird die vom Brenner angesaugte Frischluft elektrisch erwärmt, wenn der Solarkollektor mit Sonnenlicht bestrahlt wird. Das Dokument gibt keinen Hinweis, das Heizregister oder gar ein Kontaktelement direkt am Strahlungsrohr anzuordnen, um das darin geführte, vom Brenner erwärmte Heißgas zusätzlich zu erwärmen.
Die DE 196 17 718 A1 betrifft einen Deckenradiator, welcher ein durch Heißgas beaufschlagtes Heizrohr aufweist, an welchem wenigstens drei strahlenförmig angeordnete bogenartige Strahlplatten mit glatten und profilierten Strahlflächen geformt sind, über welche die dem Heizrohr zugeführte thermische Energie als Infrarotstrahlung abgestrahlt wird.
Schließlich beschreibt die FR 2 514 870 A3 ein U-förmig gebogenes Strahlungsrohr, in welchem elektrische Heizelemente angeordnet sind, die über einen Ventilator mit Luft beaufschlagt werden, die entlang des Strahlungsrohres gefördert wird, um das Strahlungsrohr von innen her rein elektrisch zu beheizen. Dem Dokument ist kein Hinweis auf einen Brenner zu entnehmen, welcher dem Strahlungsrohr erhitztes Gas zuführt.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Infrarot-Heizeinrichtung mit einem heißgasbeaufschlagen Strahlungsrohr zu schaffen, welche eine effizientere Beheizung eines Gebäudes sowohl mit einem fossilen Energieträger, als auch mit elektrischen Strom ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beheizung eines Gebäudes mit einer Infrarot-Heizeinrichtung zu schaffen, mit welcher sich der für den Betrieb der Heizeinrichtung erforderliche Bedarf an fossilen Energieträgern verringern lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 11 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung umfasst eine Infrarot-Heizeinrichtung zum Beheizen von Gebäuden ein Strahlungsrohr und einen mit diesem an einem ersten Ende strömungsmäßig verbundenen Brenner, insbesondere einen Gas oder Ölbrenner, der das Strahlungsrohr in bekannter Weise mit erhitztem Abgas beaufschlagt, das das Strahlungsrohr an seiner Oberfläche auf eine Temperatur von z.B. 600 °C erwärmt, so dass dieses Infrarotstrahlung nach Art eines schwarzen Körpers oder Dunkelstrahlers in das zu beheizende Gebäude abstrahlt.
Die erfindungsgemäße Infrarot-Heizeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Strahlungsrohr eine elektrische Widerstandsheizung aufweist oder eine solche enthält, mit welcher dieses zumindest abschnittsweise zusätzlich oder auch alternativ zur Beheizung durch den Brenner mit elektrischem Strom einer Stromquelle beheizt werden kann.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Überschuss an elektrischem Strom im öffentlichen Netz, wie er beispielsweise an kalten windreichen und sonnenreichen Wintertagen zu beobachten ist, die überschüssige Energie in effizienter Weise zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt werden kann, in denen bereits eine Infrarot-Heizeinrichtung mit Dunkelstrahlern installiert ist. Um diese zu betreiben, ist es im einfachsten Falle lediglich erforderlich, das Strahlungsrohr elektrisch von seiner Aufhängung im Bereich der Hallendecke und dem Brenner zu isolieren und über beispielsweise an der Außenseite des Strahlungsrohres angebrachte Elektroden mit einer Stromquelle, vorzugsweise dem öffentlichen 50-Hertz Wechselstrom- Netz, zu verbinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beheizung eines Gebäudes mit einer Infrarot-Heizeinrichtung zu schaffen, mit welcher sich der für den Betrieb der Heizeinrichtung erforderliche Bedarf an fossilen Energieträgern verringern lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 10 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung umfasst eine Infrarot-Heizeinrichtung zum Beheizen von Gebäuden ein Strahlungsrohr und einen mit diesem an einem ersten Ende strömungsmäßig verbundenen Brenner, insbesondere einen Gas oder Ölbrenner, der das Strahlungsrohr in bekannter Weise mit erhitztem Abgas beaufschlagt, das das Strahlungsrohr an seiner Oberfläche auf eine Temperatur von z.B. 600 °C erwärmt, so dass dieses Infrarotstrahlung nach Art eines schwarzen Körpers oder Dunkelstrahlers in das zu beheizende Gebäude abstrahlt.
Das Strahlungsrohr weist eine elektrische Widerstandsheizung auf oder enthält eine solche, mit welcher dieses zumindest abschnittsweise zusätzlich oder auch alternativ zur Beheizung durch den Brenner mit elektrischem Strom einer Stromquelle beheizt werden kann. Die Infrarot-Heizung umfasst ferner eine elektrische Schalteinrichtung und zeichnet sich dadurch aus, dass das Strahlungsrohr wenigstens einen ersten Teilabschnitt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff aufweist, und dass die Widerstandsheizung wenigstens ein erstes und ein zweites im Abstand zueinander am Teilabschnitt angeordnetes elektrisches Kontaktelement umfasst, welches über die elektrische Schalteinrichtung mit der Stromquelle verbindbar ist.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Überschuss an elektrischem Strom im öffentlichen Netz, wie er beispielsweise an kalten windreichen und sonnenreichen Wintertagen zu beobachten ist, die überschüssige Energie in effizienter Weise zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt werden kann, in denen bereits eine Infrarot-Heizeinrichtung mit Dunkelstrahlern installiert ist. Um diese zu betreiben, ist es im einfachsten Falle lediglich erforderlich, das Strahlungsrohr elektrisch von seiner Aufhängung im Bereich der Hallendecke und dem Brenner zu isolieren und über beispielsweise an der Außenseite des Strahlungsrohres angebrachte Elektroden mit einer Stromquelle, vorzugsweise dem öffentlichen 50-Hertz Wechselstrom- Netz, zu verbinden.
Ein weiterer Vorteil, der sich durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt, ist darin zu sehen, dass der Brenner mit einer geringeren Leistung betrieben und der zur Erreichung des optimalen Oberflächentemperatur des Strahlungsrohres erforderliche zusätzliche Anteil an Energie über die Widerstandsheizung aus dem elektrischen Stromnetz bezogen werden kann. Hierdurch lassen sich die Heizkosten insgesamt insbesondere bei einem Überschuss an elektrischem Strom im Stromnetz mitunter beachtlich reduzieren.
Nach einem weiteren der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken umfasst das Strahlungsrohr wenigstens einen ersten elektrisch leitenden Teilabschnitt, der auch das gesamte Strahlungsrohr umfassen kann, wenn dieses wie üblich aus Stahlblech mit einer Wandstärke von beispielsweise 1,5 mm besteht. Die Widerstandsheizung umfasst bei dieser Ausführungsform wenigstens ein erstes und ein zweites im Abstand zueinander am Teilabschnitt angeordnetes elektrisches Kontaktelement, welches über eine elektrische Schalteinrichtung mit der elektrischen Stromquelle verbindbar ist, um den elektrisch leitenden Teilabschnitt, d.h. den zwischen den beiden elektrischen Kontaktelementen liegenden Bereich des Strahlungsrohres, zu bestromen. Diese Ausführungsform der Erfindung besitzt den Vorteil, dass sie sich mit geringem Aufwand an bestehenden Infrarot-Heizeinrichtungen nachrüsten lässt, da die Strahlungsrohre hierzu lediglich elektrisch isoliert und zwei Elektroden im Abstand voneinander am Strahlungsrohr befestigt werden müssen, beispielsweise durch eine Klemmschelle oder dergleichen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich zum ersten Teilabschnitt wenigstens ein oder vorzugsweise auch mehrere weitere elektrisch leitende Teilabschnitte am Strahlungsrohr definiert, welche durch Anbringen einer entsprechenden Anzahl von elektrischen Kontaktelementen/Elektroden an der Außenseite des Strahlungsrohrs bereitgestellt werden können. Die Vielzahl von elektrisch leitenden Teilabschnitten sind dabei vorzugsweise jeweils einzeln oder auch gruppenweise über die elektrische Schalteinrichtung mit der Stromquelle, das heißt vorzugsweise dem elektrischen Wechselstromnetz, verbindbar, um beispielsweise zwei oder mehr der Teilabschnitte bei Bedarf zu- oder abschalten zu können und dementsprechend die vom Strahlungsrohr in das Gebäude abgegebene Strahlungsleistung der Infrarotstrahlung auf ein gewünschtes Maß zu verändern.
Um bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Erfindung die elektrisch leitenden Teilabschnitte zu aktivieren, ist jeder Teilabschnitt der Vielzahl von elektrisch leitenden Teilabschnitten über ein jeweiliges elektrisches Kontaktelement und einen diesem zugeordneten Schalter mit der Stromquelle verbindbar. Obgleich die Schalter auch mechanische KontaktSchalter wie beispielsweise handbetätigte mechanische Schalter oder Relais sein können, werden bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise elektronische Schalter eingesetzt, wie beispielsweise Hochleistungs-Halbleiterschalter, die vorzugsweise durch eine entsprechende elektronische Steuerungseinrichtung der elektrischen Schaltungsrichtung über ein Bussystem ansteuerbar sind.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die elektrische Schalteinrichtung die Schalter mit einer vorzugsweise veränderbaren Taktfrequenz und/oder einer veränderbaren Dauer öffnet und schließt, um die in dem jeweiligen Teilabschnitt im Mittel erzeugte elektrische Heizleistung zu verändern. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Heizleistung in den jeweiligen elektrisch leitenden Teilabschnitten des Strahlungsrohres mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, bzw. auf einen solchen zu regeln, was mit den bekannten, ausschließlich durch einen Brenner beheizten Strahlungsrohren aufgrund der zur Modulation der Brenner benötigten Regelungseinrichtungen nur mit großem Aufwand möglich ist. Hinzu kommt, dass es aufgrund der durch die Abkühlung des heißen Gases bedingten Abkühlung der Oberfläche des Strahlungsrohres vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende hin bei den bekannten, rein gasbetriebenen Dunkelstrahlern mit einem einzelnen Strahlungsrohr bisher nicht möglich war, die Abnahme der Oberflächentemperatur über die Länge des Strahlungsrohres hinweg überhaupt zu kompensieren. Dies wird nun erstmals durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht.
Anders ausgedrückt ist es mit der erfindungsgemäßen, zuletzt beschriebenen Lösung möglich, die Oberflächentemperatur des Strahlungsrohres durch eine entsprechende Anpassung der Stromstärke, bzw. der Ein- und Ausschaltfrequenz der jeweiligen elektrischen Schalter, über die der Stromfluss in dem betreffenden Teilabschnitt zu- oder abgeschaltet wird, nach einem vorgegebenen Temperaturprofil zu regeln. Diese Regelung ist insbesondere bei einem Mischbetrieb der Heizeinrichtung von besonderem Vorteil, da hierdurch nicht nur der Brennstoffverbrauch des Brenners reduziert, sondern auch der Infrarot-Strahlungswirkungsgrad insgesamt erhöht werden kann, da vereinfacht ausgedrückt auch die sonst kälteren stromabwärtigen Bereiche des Strahlungsrohres durch die gezielt zugeführte elektrische Heizenergie auf die gewünschte Oberflächentemperatur angehoben werden.
In besonders einfacher und kostengünstiger Weise lässt sich die zuvor beschriebene Ausführungsform in der Praxis dadurch verwirklichen, dass das Strahlungsrohr insgesamt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere Edelstahl, besteht, und die Kontaktelemente in vorzugsweise gleichen Abständen voneinander über die Länge des Strahlungsrohres hinweg an oder auf dem Strahlungsrohr angeordnet sind. Obgleich die Stromquelle hierbei auch eine elektrische Gleichstromquelle sein kann, deren positive und negative Pole wechselweise nacheinander über die Länge der Strahlungsrohres hinweg mit den Kontaktelementen elektrisch leitend verbindbar sind, ist diese bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Wechselstromquelle, deren Nullleiter und deren wenigstens eine Phase abwechselnd über die Länge des Strahlungsrohres hinweg elektrisch leitend mit den Kontaktelementen verbindbar sind. Durch diese Schaltungsanordnung ergibt sich der Vorteil, dass mit einer minimalen Anzahl an elektrischen Schaltern und Kontakten eine Vielzahl von elektrisch leitenden Teilabschnitten des Strahlungsrohres einzeln, bzw. in Gruppen beheizt werden können.
Obgleich die Stromquelle bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise eine Stromquelle mit einer festen Wechselstromfrequenz ist, ist es nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ebenfalls möglich, eine elektrische Wechselstromquelle mit einer veränderbaren Frequenz einzusetzen. Hierdurch ist es möglich, die Frequenz der Wechselspannung beispielsweise auf einige 100 Hz oder gar Kilohertz einzustellen, wodurch aufgrund des sogenannten Skineffekts der elektrische Stromfluss in den Bereich der Außenseite des Strahlungsrohres verlagert wird, was in vorteilhafter Weise dazu führt, dass bei einem Mischbetrieb insbesondere im stromabwärtigen Bereich des Strahlungsrohres ein geringerer Anteil an der zugeführten elektrischen Heizleistung auf das in diesem Bereich kühlere Abgas übergeht und von diesem abgeführt wird. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass die zugeführte Heizleistung nicht über die Höhe des Wechselstroms sondern über die Taktzeiten, mit denen dieser den entsprechenden elektrischen Teilabschnitten zugeleitet wird, verändert wird.
Um die Anpassung der Oberflächentemperaturen des Strahlungsrohres in den verschiedenen elektrisch leitenden Teilabschnitten des Strahlungsrohres in steuerungstechnischer Hinsicht besonders einfach vornehmen zu können, kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die elektrische Schalteinrichtung den Stromfluss und/oder die Frequenz des Stromflusses, d.h. die ein- und Ausschaltfrequenz der Schalter, in einem oder mehreren der elektrisch leitenden Teilabschnitte in der Weise verändert, dass die Differenz der Oberflächentemperaturen zwischen den elektrisch leitenden Teilabschnitten im Bereich des ersten Endes und den elektrisch leitenden Teilabschnitten im Bereich des zweiten Endes des Strahlungsrohres verringert wird. Hierzu kann die Temperatur in den jeweiligen Teilabschnitten/Heizzone der Widerstandsheizung ggf. über Sensoren, wie z.B. Infrarotsensoren, erfasst werden.
Um das der erfindungsgemäßen Infrarot-Heizeinrichtung zu Grunde liegende Prinzip einer Kombination eines bekannten heißgasbeaufschlagten Strahlungsrohres mit einer elektrischen (ohmschen) Widerstandsheizung nicht nur bei Neuanlagen, sondern auch bei bereits installierten Altanlagen auf einfache Weise im Nachhinein anwenden zu können, kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das Strahlungsrohr in einer Halterung aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufgenommen ist, der eine hinreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Dieser Werkstoff ist vorzugsweise ein keramischer Werkstoff.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, wenn das Strahlungsrohr durch ein elektrisch nicht leitendes Trennelement, wie beispielsweise eine Keramikscheibe oder einen Keramikstutzen, elektrisch vom Brenner sowie auch von einem das Heißgas aus dem zweiten Ende des Strahlungsrohes absaugenden Gebläse isoliert ist.
Nach einem weiteren der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken ist die elektrische Stromquelle bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beheizung eines Gebäudes mit einer zuvor beschriebenen Infrarot-Heizeinrichtung ein öffentliches Stromnetz oder eine Fotovoltaikanlage. Gemäß dem Verfahren wird bei einem Überschuss an elektrischer Energie im öffentlichen Stromnetz oder bei einem Überschuss an von der Fotovoltaikanlage produzierter elektrischer Energie die elektrische Widerstandsheizung aktiviert und das Strahlungsrohr ausschließlich oder zusätzlich zu der vom Brenner erzeugten thermischen Energie elektrisch beheizt. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die von der elektrischen Widerstandsheizung in das Strahlungsrohr eingebrachte elektrische Heizleistung vom ersten brennerseitigen Ende aus in Strömungsrichtung des Heißgases zunehmend erhöht wird, so dass die Oberflächentemperatur über die Länge des Strahlungsrohres hinweg, welche beispielsweise 5 m oder auch mehr betragen kann, konstant ist oder einem gewünschten Temperaturprofil entspricht.
Um hierbei den Anteil der vom Strahlungsrohres in das Gebäude abgestrahlten Infrarotstrahlung so soweit wie möglich zu erhöhen und dementsprechend den Gesamtwirkungsgrad der Infrarot-Heizeinrichtung entsprechend zu steigern, kann es nach einem weiteren der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken vorgesehen sein, die vom Brenner erzeugte Heizleistung insbesondere durch eine Verringerung der zugeführten Brennstoffmenge und eine entsprechende Verringerung der Luftzufuhr zum Brenner in dem Umfang zu reduzieren, in dem die von der elektrischen Widerstandsheizung bereit gestellte Heizleistung erhöht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Infrarot-Heizeinrichtung, bei der das Strahlungsrohres in insgesamt neun elektrisch leitende Teilabschnitte, bzw. Heizzonen unterteilt ist, die über entsprechende Schalter einzeln oder in Gruppen elektrisch beheizbar sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Infrarot-Heizung 1 zum Beheizen eines nicht näher gezeigten Gebäudes ein Strahlungsrohr 2, das an seinem ersten Ende in bekannter Weise mit einem Brenner, insbesondere einem Gasbrenner oder auch ein Ölbrenner 4, verbunden ist, der das Innere des Strahlungsrohres 2 mit erhitztem Abgas beaufschlagt, um dieses auf eine Oberflächentemperatur von z.B. 600 °C oder mehr zu erwärmen. Wie bei derartigen Infrarot-Heizeinrichtungen üblich, wird das Abgas 6 des Brenners 4, welches aufgrund des Wärmeaustauschs mit der Innenwand des Strahlungsrohres 2 vom brennerseitigen Ende zum stromabwärtigen Ende hin zunehmend abkühlt, von einem Gebläse 20 abgesaugt, welches repräsentativ für eine Absaugeinrichtung steht, die insbesondere auch das Gebläse einer Sammel-Abgasanlage sein kann, an die eine Vielzahl von Strahlungsrohren 2 angeschlossen sind.
Wie der Darstellung der Fig. 1 weiterhin entnommen werden kann, weist das Strahlungsrohr 2 eine elektrische Widerstandsheizung 8 auf, mit welcher dieses durch eine elektrische Stromquelle 14 beheizbar ist. Die Stromquelle 14 bildet bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung das öffentliche 50 Hz - Wechselstromnetz, dessen Phase P und Nullleiter N ebenfalls über einen symbolisch gezeigten Wechselrichter 14b mit einer Fotovoltaik-Anlage verbunden sind, welche beispielhaft durch das Fotovoltaik-Modul 14a symbolisiert wird.
Wie der Darstellung der Fig. 1 weiterhin entnommen werden kann, ist das Strahlungsrohr 2 in Halterungen 16 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufgenommen und über elektrisch ebenfalls nicht leitende Trennabschnitte 18 vom Brenner 4 sowie auch vom Gebläse 20 elektrisch isoliert.
Das Strahlungsrohr 2 besteht bei der gezeigten Ausführungsform in bekannter Weise aus Metall, z.B. aus Edelstahl, und ist von seinem brennerseitigen Ende aus zu seinem stromabwärtigen Ende hin in mehrere elektrisch leitende Teilabschnitte A1 bis A9 unterteilt, die jeweils eine Heizzone bilden und durch die zugehörigen Kontakte K1 bis K10 definiert werden. Wie dargestellt sind die Kontakte K1 bis K10 abwechselnd mit dem Nullleiter N und der Phase P des elektrischen Wechselstromnetzes 14 verbunden, wobei bei der gezeigten Ausführungsform lediglich die mit der Phase verbundenen elektrischen Kontaktstellen K2, K4, K6, K8 und K10 über elektrisch betätigbare Schalter S1 bis S5 mit der Phase P verbunden sind. Die übrigen Kontakte K1, K3, K5, K7 und K9 sind demgegenüber direkt an den Nullleiter N des Wechselstromnetzes 14 angeschlossen, was den Schaltungsaufbau und die benötigte Anzahl an elektrischen Schaltern S1 bis S5 in vorteilhafter Weise verringert. Dennoch besteht die Möglichkeit, auch die mit dem Nullleiter N verbundenen Kontakte K1, K3, K5, K7 und K9 mit entsprechenden elektrischen Schaltern zu versehen, die in gleicher Weise wie die anderen Schalter über eine elektrische Schalteinrichtung 12 und ein in gestrichelten Linien angedeutetes Bussystem geöffnet und/oder geschlossen werden können, um die einzelnen Teilabschnitte A1 bis A9 entsprechend einem gewünschten Temperatur elektrisch zu beheizen.
Um hierbei die Heizleistung in den unterschiedlichen Heizzonen, die durch die Teilabschnitte A1 bis A9 definiert werden, beispielsweise vom brennerseitigen Ende zum gebläseseitigen Ende hin sukzessive von Zone zu Zone zu erhöhen, erfolgt das Einschalten und Ausschalten der Schalter S1 bis S5 vorzugsweise getaktet mit unterschiedlichen Taktraten und/oder Einschaltdauern, wie dies beispielsweise von der Ansteuerung von elektrischen Gleichstromantrieben nach dem sogenannten elektrischen Pulsweitenmodulationsverfahren her bekannt ist.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die auf das Strahlungsrohr 2 in den jeweiligen Heizzonen übertragene elektrische Leistung, die aufgrund des ohmschen Widerstandes des Werkstoffs des Strahlungsrohres zu einer Erwärmung desselben führt, ohne eine aufwendige Einzelregelung des Stroms in jeder Heizzone, bzw. den betreffenden Teilabschnitten A1 bis A 9 verändern lässt. Das zuvor Gesagte gilt in gleicher Weise für den Fall, dass die Stromquelle eine elektrische Gleichstromquelle wie z.B. ein Fotovoltaikmodul 14a ist, das in entsprechender Weise unter Umgehung des Wechselrichters 14b direkt über die betreffenden Kontakte K1 bis K9 und nicht näher gezeigte elektrische Schutzreinrichtungen mit dem Strahlungsrohr 2 verbunden werden kann.
Gemäß einer nicht näher gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann weiterhin zwischen dem Gebläse 20 und dem stromabwärtigen Ende des Strahlungsrohres 2 ein Wärmetauscher angeordnet sein, der die thermische Restenergie des heißen Abgases 6 aus diesem extrahiert und diese beispielsweise einem Pufferspeicher zuführt, von welchem aus die zurückgewonnene Wärmeenergie einer herkömmlichen Konvektionsheizung, oder auch einem Brauchwasserspender zugeführt werden kann, welcher sich bevorzugt in einem zweiten, von dem Bereich des Strahlungsrohres 2 thermisch isolierten Gebäudeteil befindet. Hierdurch wird der Vorteil erhalten, dass auch der Teil der insbesondere im stromabwärtigen Teil des Strahlungsrohres 2 eingebrachten elektrischen Heizenergie, welche auf das kühlere Abgas 6 übergeht und dieses in unerwünschter Weise erwärmt, zu einem großen Teil zurückgewonnen werden kann.

Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Infrarot-Heizeinrichtung
2: Strahlungsrohr
4: Brenner
6: erhitztes Gas/Abgas
8: elektrische Widerstandsheizung
12: elektrische Schalteinrichtung
14: Stromquelle
14a: Fotovoltaik -Anlage
14b: Wechselrichter
16: elektrisch isolierende Halterung für Strahlungsrohr
18: nicht leitendes Trennelement
20: Gebläse
A1 - A9: elektrisch leitende Teilabschnitte des Strahlungsrohres/Heizzonen
S1 - S5: Schalter
K1 - K10: elektrisch leitende Kontaktelemente
P: elektrische Phase des Stromnetzes
N: elektrischer Nullleiter

Claims

Infrarot-Heizung (1) zum Beheizen von Gebäuden, mit einem Strahlungsrohr (2) und einem mit diesem an einem ersten Ende strömungsmäßig verbundenen Brenner (4), über welchen dem Strahlungsrohr (2) ein vom Brenner (4) erhitztes Gas (6) zuführbar ist, mittels welchem das Strahlungsrohr (2) zur Abgabe von Infrarotstrahlung an seiner Oberfläche erwärmbar ist, wobei das Strahlungsrohr (2) eine elektrische Widerstandsheizung (8) aufweist, mit welcher dieses zumindest abschnittsweise mit elektrischem Strom einer Stromquelle (14, 14a) beheizbar ist.
dadurch gekennzeichnet,
dass die Infrarot-Heizung eine elektrische
Schalteinrichtung (12,S1 bis S5) aufweist, und dass Strahlungsrohr (2) wenigstens einen ersten Teilabschnitt (A1) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff aufweist, und dass die Widerstandsheizung (8) wenigstens ein erstes und zweites im Abstand zueinander am Teilabschnitt (A1) angeordnetes elektrisches Kontaktelement (K1, K2) umfasst, welches über die elektrische Schalteinrichtung (12, S1 bis S5) mit einer elektrischen Stromquelle (14, 14a) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strahlungsrohr eine Vielzahl von elektrisch leitenden Teilabschnitten (A1 bis A9) aufweist, die jeweils einzeln oder in Gruppen über die elektrische Schalteinrichtung (12, S1 bis S5) mit der Stromquelle (14, 14a) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Teilabschnitt der Vielzahl von elektrisch leitenden Teilabschnitte (A1 bis A9) über ein jeweiliges elektrische Kontaktelemente (K1 bis K5) und einen diesem zugeordneten Schalter (S1 bis S5) mit der Stromquelle (14, 14a) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Schalteinrichtung (12) die Schalter (S1 bis S5) mit einer vorzugsweise veränderbaren Taktfrequenz und/oder einer veränderbaren Dauer öffnet und schließt, um die in dem jeweiligen Teilabschnitt (A1 bis A9) erzeugte elektrische Heizleistung zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlungsrohr (2) insgesamt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff , insbesondere Edelstahl, besteht, dass die Kontaktelemente (K1 bis K10) in vorzugsweise gleichen Abständen voneinander über die Länge des Strahlungsrohres (2) hinweg am Strahlungsrohr angeordnet sind, und dass die Stromquelle (14, 14a) eine elektrische Gleichstromquelle ist, deren positive Pole und negative Pole abwechselnd nacheinander über die Länge des Strahlungsrohes (2) hinweg mit den Kontaktelementen (K1 bis K10) elektrisch leitend verbindbar sind, oder dass die Stromquelle (14, 14a) eine Wechselstromquelle ist, deren Phase (P) und Nullleiter (N) abwechselnd über die Länge des Strahlungsrohres (2) hinweg elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (K1 bis K10) verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromquelle (14) eine elektrische Wechselstromquelle mit einer vorzugsweise veränderbaren Frequenz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Schalteinrichtung (12) den Stromfluss und/oder die Frequenz des Stromflusses in einem oder mehreren der elektrisch leitenden Teilabschnitte (A1 bis A9) in der Weise verändert, dass die Differenz der Oberflächentemperaturen zwischen den elektrisch leitenden Teilabschnitten (A1 bis A4) im Bereich des ersten Endes und den elektrisch leitenden Teilabschnitten (A5 bis A9) im Bereich des zweiten Endes des Strahlungsrohres (2) verringert wird und/oder einem vorgegebenen Temperaturprofil entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlungsrohr (2) in einer Halterung (16) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufgenommen ist, insbesondere in einer Halterung (16) aus einem keramischen Werkstoff.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlungsrohr (2) durch ein elektrisch nicht leitendes Trennelement (18), insbesondere eine Keramikscheibe oder einen Keramikstutzen, elektrisch vom Brenner (4) und/oder einem das Heißgas (6) aus dem zweiten Ende des Strahlungsrohes absaugenden Gebläse (20) getrennt ist.
Verfahren zum Beheizen eines Gebäudes mit einer Infrarot-Heizeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Stromquelle (14) ein öffentliches Stromnetz oder eine Fotovoltaikanlage ist, und dass bei einem Überschuss an elektrischer Energie im öffentlichen Stromnetz oder bei einem Überschuss an von der Fotovoltaikanlage produzierter elektrischer Energie die elektrische Widerstandsheizung (8) aktiviert und das Strahlungsrohr (2) ausschließlich oder zusätzlich zu der vom Brenner (4) erzeugten thermischen Energie elektrisch beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von der elektrischen Widerstandsheizung (8) in das Strahlungsrohr (2) eingebrachte elektrische Heizleistung vom ersten brennerseitigen Ende aus in Strömungsrichtung des Heißgases betrachtet erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vom Brenner (4) erzeugte Heizleistung in dem Umfang reduziert wird, in dem die von der elektrischen Widerstandsheizung (8) bereit gestellte Heizleistung erhöht wird.