Thermische Behaglichkeit im Raum durch Strahlungsheizung

Das Wärmeempfinden von Personen wird nicht nur durch die Temperatur der Raumluft sondern auch durch die der Oberflächen in einem Raum erheblich beeinflusst. Jede Oberfläche eines Körpers also auch eine Wand gibt entsprechend seiner absoluten Temperatur und seines Abstrahlungsverhaltens eine bestimmte Menge Wärmeenergie als Infrarot-Strahlung an die Umgebung ab. Alle Oberflächen in einem Raum stehen in permanentem Strahlungsaustausch zu einander.

Auch der Mensch nimmt daran teil, wenn er den Raum betritt. Da der Mensch in Wohnräumen meist eine höhere Oberflächentemperatur aufweist als die meisten anderen Oberflächen, verliert er permanent Wärme, sowohl durch Strahlung als auch im Kontakt mit der Raumluft durch Konvektion. Nimmt die Temperatur einer Oberfläche beispielsweise deshalb ab, weil die Oberfläche zu einer Außenwand gehört, die im Winter die Wärme nach draußen leitet, nimmt auch die raumseitig orientierte Strahlungsleistung ab.

Irgendwann reicht dann die eigene Wärmeproduktion nicht mehr aus und der Raum muss mit Wärme versorgt werden. Führen wir dem Raum nun die Menge an Energie zu, die durch diese Außenwand verloren gegangen ist, so ist rein rechnerisch der Wärmebedarf gedeckt. Meist wird die Energie aber nicht an der Stelle wieder zugeführt, an der sie auch verloren gegangen ist.

Nähern wir uns nun dieser kalten Oberfläche, nimmt der Einfluss der anderen Wände immer mehr ab und die verbleibende Wärmestrahlung der Außenwand reicht nicht aus, um unseren Wärmehaushalt im Gleichgewicht zu halten. Da Menschen hinsichtlich ihres Wärmeempfindens nicht zwischen Strahlung und der sie umgebenden Luft unterscheiden können, entsteht deshalb vor dieser kalten Wand oft der Eindruck, als ob es zieht und die Wand oder das Fenster undicht sind, nur weil weniger Wärmestrahlung von der Wand ausgeht.

Es könnte also sein, dass die raumseitige Oberfläche nach wie vor kalt bleibt und eine andere Wand oder die Raumluft dafür wärmer geworden ist. Damit überhaupt ein angenehmes Raumklima entstehen kann, ist es unbedingt nötig, zunächst die Temperaturniveaus der jeweiligen Raumoberflächen (Boden, Wände, Decke) einander so anzugleichen, dass diese kaum noch Unterschiede aufweisen. Im rein konvektiven Heizbetrieb ist ein solcher Ausgleich nicht möglich, da durch die Konvektion bestimmte Abschnitte der Raum-Hüllfläche besonders aufgeheizt werden, hingegen andere kühl bleiben.

Nur Strahlungsheizgeräte können Abschnitte der inneren Hüllfläche differenziert so erwärmen, dass sie untereinander keine Temperaturunterschiede bzw. nur geringe Temperaturunterschiede aufweisen. Entscheidend für die thermische Behaglichkeit ist das uns umgebene Klima bezogen auf die gefühlte Temperatur. Dabei wird das Raumklima durch die operative Temperatur, nämlich dem Mittelwert aus Luft- und Strahlungstemperatur der Oberflächen der inneren Hüllfläche sowie der relativen Luftfeuchtigkeit und der Luftbewegung bestimmt. Die körperliche Aktivität und die Kleidung können bei normaler Raumnutzung vorgegebenen sein, sodass nur die für das Raumklima relevanten Daten zur Bestimmung der Behaglichkeit als Variable eingehen.

Beurteilt wird das Raumklima und damit auch die Behaglichkeit nach dem sogenannten PMV Index. Dieser Index ist das vorausgesagte mittlere Votum, einer großen Personengruppe anhand einer 7-stufigen Klima-/Behaglichkeitsbeurteilungsskala. Der PMV-Index beruht auf dem Wärmegleichgewicht des menschlichen Körpers. Das thermische Gleichgewicht ist erreicht, wenn die im Körper erzeugte Wärme gleich der an die Umgebung abgegebenen Wärme ist. In diesem Fall ist der PMV-Index 0 und wird neutral bezeichnet. Der Index kann von neutral abweichen, und zwar über die Stufen +/-0,5, +/-1, +/-2 und +/-3, die unter anderem leicht warm/kühl, warm/kühl bzw. heiß/kalt symbolisieren. Eine Regelung muss nicht gleich exakt danach arbeiten, es reicht eventuell aus, eine vereinfachte andere Grundlage der Wärmeberechnung und Steuerung zugrunde zu legen, und insbesondere auf den Strahlungsabgleich abzustellen.

Zu betonen ist, dass dieser Strahlungsabgleich auch zusätzlich zur Klima- oder Behaglichkeitsberechnung nach der DIN EN ISO 7730 herangezogen werden kann. Dieser Strahlungsabgleich, sieht vor, dass die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Oberflächen der inneren Hüllfläche maximal 5°C, vorzugsweise maximal 3°C beträgt. Dies wird durch die Strahlungsheizgeräte erreicht, die die unterschiedlichen Temperaturniveaus ausgleichen, z. B. die Temperaturen einer Fensterfront verglichen mit einer Innenwand. Darüber hinaus kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass das Strahlungsheizsystem die Hüllflächen so aufheizt, dass die Differenz zwischen der Oberfläche der Hüllfläche und der Raumluft kleiner gleich 4°C beträgt und/oder der Temperaturunterschied zwischen Fuß- und Kopfhöhe (ca. bei 1,75 m) kleiner gleich 3°C.

Die Aufgabe besteht darin ein Heizsystem für ein Gebäude mit entsprechender Steuerung- und Regelungstechnik bereitzustellen, das sehr energieeffizient arbeitet und dem Raum nur so viel Wärme zufügt, wie unbedingt nötig ist, damit sich der Mensch darin behaglich fühlt. Aus diesem Grund hat Vitramo ein „Strahlungsheizsystem für ein Gebäude sowie ein Verfahren zum Steuern eines Strahlungsheizsystems“ nach diesen Vorgaben entwickelt und unter „Patents Nr. 10 2009 51 187“ patentieren lassen.

Die Verarbeitungsvorgaben der Steuereinheit sind so veränderbar, dass von einem Neutralbereich des Klimas oder der Behaglichkeit, wie es zuvor definiert wurde, abweichende Wunschklima- oder Wunschbehaglichkeitsvorgaben als Sollwerte abspeichert werden können. Dadurch, dass in die Steuerung sowohl die Lufttemperatur als auch die Strahlungstemperatur der inneren Hüllfläche und die Luftfeuchtigkeit im Raum eingehen, ist es möglich, gezielt die gefühlte Wärme einer Person im Raum zu beeinflussen.

https://www.infrarotheizung-vitramo.de/Infothek/Anwendung.html#Regelung-nach-thermischer-Behaglichkeit