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Thermodynamische Grundlagen zurStrahlungswirkungsgrad-Messung

1. Internationaler Workshop Infrarotheizung„Prüfmethode für den Strahlungswirkungsgrad von Niedertemperatur-

Infrarotheizungen und deren Normung“

10. April. 2014

Dr.-Ing. Peter Kosack

Technische Universität Kaiserslautern

Inhalt1 Begriffsbestimmungen

2 Thermodynamische Grundlagen

3 Prüfmethode im Überblick

Diese Vortragsfolien wurden auf dem oben genannten Workshop präsen�ert.

Falls Interesse an einem Vortrag vor Ort besteht, bite per E-Mail unter

kosack@rhrk.uni-kl.de an mich wenden.

Bei der Zusammenstellung wurde bei allen Abbildungen streng darauf geachtet, dass

diese frei verfügbar waren oder frei gegeben wurden. Falls das im Einzelfall entgegen

meiner Kenntnis nicht der Fall sein sollte, bite ich um Nachricht.

© Dr.-Ing. Peter Kosack

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Strahlereinteilung nach Temperatur und Strahlungsspektrum

Niedertemperatur-Infrarotstrahler

Infrared Low Temperature Emitter

Hochtemperatur-DunkelstrahlerInfrared Medium

Temperature EmitterInfrared Dark Emitter

Hochtemperatur-HellstrahlerInfrared High

Temperature EmitterInfrared Bright Emitter

K800 (ca.500°C) K523 (ca.250°C)

Die Einteilung der Infrarotstrahler richtet sich im Wesentlichen nach der bereits üblichen

Einteilung am Markt.

Die Grenze zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Strahlern markiert auch

die Grenze zwischen den möglichen Messverfahren zur Bes�mmung des

Strahlungswirkungsgrades. Unter 250°C sind die bisherigen Messverfahren aus dem

Hochtemperaturbereich nicht anwendbar (siehe auch Folie 6).

Die Bilder zeigen typische am Markt erhältliche Produkte.

Zur Einordnung bezüglich des ausgestrahlten Strahlungsspektrums dient die mitlere

Grafk. Zum Vergleich sind der Mensch als Infrarotstrahler mit ca. 300 K

Oberfächentemperatur (rote Linie) und die Sonne (gelbe Linie) mit dem zugehörigen

Spektrum gekennzeichnet.

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UnterschiedLeistung, Wirkungsgrad, Energie-Effizienz

Leistung =umgesetzte Energiepro Zeitraum beikonstantemSystemzustand

Angabe in W oder kW

Normen (IR-Strahler):Normen zuelektrischen Heizgeräten

Vergleich PKW:Angabe der Motorleistungin kW oder PSbei einer bestimmtenMotordrehzahl

(Strahlungs-)Wirkungsgrad =Verhältnis von zugeführterLeistung oder Energiezu abgegebenerLeistung oder Energie beikonstantemSystemzustand

Angabe in %

Normen (IR-Strahler):DIN EN 416 / 419 fürHochtemperatur-Gasstrahler

Vergleich PKW:Verhältnis von zugeführterchemischer Energie (Benzin)zu abgegebenermechanischer Energieam Motorbei einer bestimmtenMotordrehzahl

Energieeffizienz =Maß für denEnergieaufwand zurErreichung einesfestgelegten Nutzens(Nutzenprofil)

Angabe in Wh oder kWh

Normen (IR-Strahler):Keine

Vergleich PKW:Angabe desEnergieverbrauchsin Litern/100km z.B. beim Neuen EuropäischenFahrzyklus (NEFZ)

In vielen Veröfentlichungen zu Infrarotstrahlern werden die Begrife Leistung,

Wirkungsgrad und Energie-EAzienz verwechselt oder völlig falsch verwendet.

Insbesondere der für Infrarotstrahler wich�ge und kennzeichnende Begrif des

Strahlungswirkungsgrades wird häufg falsch verwendet und mit dem elektro-

thermischen Wirkungsgrad oder der Energie-EAzienz verwechselt.

Der elektro-thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von insgesamt abgegebener

thermischer Leistung zur zugeführten elektrischen Leistung und liegt immer bei 100%.

Der Strahlungswirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Strahlungs-Leistung zur

zugeführten elektrischen Leistung und liegt bei Niedertemperatur-Infrarotstrahlern

immer weit unter 100% (siehe Folie 7).

Für die EnergieeAzienz gibt es für Infrarotstrahler generell noch keine Defni�on, da für

die verschiedenen Anwendungszwecke wie z.B. Raumheizung noch kein Nutzenprofl

wie bei anderen Produkten defniert wurde.

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Prinzipielle Formen der Wärme-Übertragung

Wärmeleitung

Wärmestrahlung

Wärme bewegt sich als Wärmestrom immer von „Warm“ zu „Kalt“, bis alles gleich warm ist, d.h. alle Moleküle gleich stark schwingen.

Konvektion

Die Folie veranschaulicht die drei grundsätzlichen Formen der Wärme-Übertragung.

Bei der Wärmeleitung wird die Wärme in einem Feststoff oder einem ruhenden Fluid infolge eines Temperaturunterschiedes von Teilchen zu Teilchen durch intermolekulare Wechselwirkung weitergeleitet.

Konvektion ist eine Form der Wärmeübertragung, die auf dem Transport von Teilchen beruht, die die Wärmeenergie mit sich führen. Im Beispiel werden die direkt über der erhitzten Platte befindlichen Luftmoleküle durch Wärmeleitung erhitzt, die Luftschicht über der Platte dehnt sich aus, wird leichter und steigt dadurch auf. Von den Seiten strömt kalte Luft nach und es entsteht eine natürliche (nicht z.B. durch Lüfter erzwungene) Konvektion.

Wärmestrahlung ist die Wärme-Übertragung per elektro-magnetischer Strahlung, die nicht an ein materielles Medium gebunden ist und deshalb auch im Vakuum funktioniert. Typisches Beispiel ist die von der Sonne auf die Erde übertragene Wärmeenergie.

Im Beispiel mit dem Wassertopf über einem Feuer sind nochmals alle drei Übertragungsarten veranschaulicht. Grundsätzlich treten in der Praxis fast immer alle drei Wärme-Übertragungsarten gemeinsam auf und müssen auch gemeinsam betrachtet werden. Dies gilt insbesondere für die Niedertemperatur-Infrarotstrahler.

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Wärmeübertragung im System NT-Infrarotstrahler/Raum

Wand

Luft-Absorption

Rück-Strahlung

Wärmeleitungin die Wand

Konvektion

Infrarot-Strahlung

Wärmeleitungin die Luft

Die Folie veranschaulicht die Wärmeübertragung bezüglich der drei Übertragungsarten

in einem Raum.

Ein an der Wand mon�erter Niedertemperatur-Infrarotstrahler gibt Strahlungswärme

sowohl raumsei�g als auch wandsei�g ab. Die raumsei�g abgegebene Strahlung wird

teilweise durch die Luf absorbiert und gelangt an die Raumoberfächen, die das Meiste

davon absorbieren und dadurch erwärmt werden. Auch die absorbierende Luf wird

erwärmt.

Die Rückstrahlung setzt sich zusammen aus der vom Strahler stammenden refek�erten

Strahlung und der Strahlungswärme der Wand.

Die wandsei�g abgegebene Strahlungswärme erwärmt die rückwär�ge Wandfäche.

Diese so entstandene Wärme wird per Wärmeleitung sowohl in die Wand als auch an

die Lufschicht zwischen Wand und Strahler abgegeben.

Durch die Erwärmung der Lufschichten vor und hinter dem Infrarotstrahler entsteht

natürliche Konvek�on.

Parallel zu Wärmestrahlung und Konvek�on entsteht auch noch Wärmeleitung vom

Strahler in die Raumluf und vom Strahler über die Halterungen in die Wand.

Alle Wärmeübertragungen fndet man in gleicher Weise, nur unterschiedlich in den

Anteilen verteilt bei Deckenmontage des Strahlers.

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Die Energiebilanz und daraus abgeleitete Messgrößen

Zu ermittelnde Größen: Temperatur des Paneels (T1), Temperatur der Raumoberfläche (T2),

Emissionsgrad des Paneels (1), Emissionsgrad der Wände (

2), aktive Vorderfläche

des Paneels (A1) und die zugeführte elektrische Leistung (Pel).

Elektrisch erzeugte Wärmeleistung = Wärmeleitung + Konvektion + Wärmestrahlung

= Einstrahlzahl von A2 = 1 in Räumen

Wie in Folie 5 dargestellt, wird die elektrisch erzeugte Wärmeleistung des

Niedertemperatur-Infrarotstrahlers durch alle drei Wärmeübertragungsarten

abgegeben. Dies wird in der angegebenen Energiebilanz-Gleichung ausgedrückt. Um die

Rückwirkung im Raum zu berücksich�gen, muss für die Wärmestrahlung die sogenannte

Strahlungsaustausch-Formel verwendet werden, die die efek�v in den Raum

abgegebene Strahlungsleistung beschreibt.

In der Tabelle ist dargestellt, wie groß der Fehler werden würde, würde man stat der

Strahlungsaustausch-Formel nur die normale Strahlungsformel verwenden. Bei den

Hochtemperatur-Strahlern spielt der Fehler keine Rolle und wird deshalb in den dor�gen

Messverfahren vernachlässigt. Für die Niedertemperatur-Infrarotstrahler muss jedoch

ein Messverfahren angewendet werden, das auf der Strahlungsaustausch-Formel

beruht. Dieses neu entwickelte Messverfahren wird auf dem vorliegenden Workshop

vorgestellt.

Der Strahlungswirkungsgrad ist dann das Verhältnis der von der Vorderseite des

Strahlers in den Raum abgegebenen efek�ven Strahlungsleistung im Verhältnis zur

zugeführten elektrischen Leistung, die der elektrisch erzeugten Wärmeleistung

entspricht.

Besonders kri�sch ist die Messung des Emissionsgrades, da dieser auch für die exakte

Temperaturmessung bes�mmend ist. Fehlerbetrachtungen im Zusammenhang mit der

Entwicklung des Messverfahrens haben gezeigt, dass kleine Ungenauigkeiten bei der

Bes�mmung des Emissionsgrades zu großen Gesamtehlern von bis zu 20% und mehr

führen können.

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Theoretische Grenzen des Strahlungswirkungsgrads

Idealisierte Annahmen: 1) Homogene Temperaturverteilung auf der Paneel-Vorderseite;2) ideale Dämmung der Paneel-Rückseite; Wandaufhängung

3) ideale Emmissionsgrade = 1; keine Wärmeleitung in Aufhängung oder Luft.4) keine Luft-Absorption, Umgebungstemperaturen homogen und konstant 20°C

d.h., die technisch realisierbaren Wirkungsgrade liegen typisch 5% und mehr darunter !!!

Mit Hilfe der Gleichungen aus Folie 6 lässt sich auch die theore�sche Grenzlinie für den

Strahlungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Oberfächentemperatur des Strahlers

ermiteln. Dies ist für Temperaturen von 30°C bis 130°C dargestellt, in der sich fast alle

am Markt erhältlichen Strahler bewegen.

Dabei wurden die in der Folie genannten idealen Annahmen unterstellt, die so gut in der

Praxis nicht umsetzbar sind und einem idealen MessauMau entsprechen würden.

Diese Grenzlinie hat für alle Größen von Strahlerfächen Gül�gkeit.

Oberhalb des dargestellten Bereichs facht die Kurve ab und erreicht bei 250°C, also der

Grenze zu den Hochtemperatur-Infrarotstrahlern, ca. 72 %.

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Einfluss von Luftabsorption und Aufheizzeit

Für die Behaglichkeit istdie Aufheizung derRaum-Oberflächenentscheidend !

Die Luftabsorptionmuss daher beimStrahlungswirkungsgradinsbesondereoberhalb ca. 100°Cberücksichtigt werden(roter Bereich).

Die Speichermassewirkt sich zwar erst imZusammenspiel mit derTemperatur-Regelungaus, mindert jedoch dieeffektive Erwärmung derRaum-Oberflächen.Sie wird indirekt über dieAufheizzeit erfasst.

Wie in den früheren Folien bereits angedeutet, ist die efek�v abgegebene

Strahlungsleistung entscheidend, da dadurch die Raumoberfächen erwärmt werden,

was wiederum entscheidend ist für thermische Behaglichkeit ist (S�chwort „Opera�ve

Temperatur“).

Sobald die mitlere Oberfächentemperatur des Strahlers über 100°C steigt, gerät das

abgestrahlte Spektrum zunehmend in den Dämpfungsbereich zwischen 5 und 8 µm

Wellenlänge. Die Lufabsorp�on kann dabei bis über 20% betragen und ist bei den

Messungen ebenfalls zu berücksich�gen.

Die efek�v abgegebene Strahlungsleistung wird auch durch die Speichermasse

beeinfusst, was sich jedoch erst im Zusammenspiel mit der Temperatur-Regelung wie

folgt auswirkt:

Beim Einschalten des Strahlers verbleibt dieser bei hoher Speichermasse lange im

Konvek�ons-Bereich mit nur geringer efek�ver Strahlungsleistung. Entsprechendes

geschieht beim Ausschalten. Über gleiche Zeiträume im Vergleich mit einem Strahler mit

niedriger Speichermasse, wird bei etwa gleicher Endtemperatur der Strahleroberfäche

viel weniger Strahlungsenergie abgegeben.

Dieser Efekt wird durch die Messung von AuSeiz- und Abkühlzeit erfasst.

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Zusammenhänge im Überblick

Die Folie zeigt die wich�gsten, den Strahlungswirkungsgrad bes�mmenden Aspekte im

Überblick.

Den Infrarotstrahler mit seinen Kenngrößen Temperatur und Emissionsgrad, die

Bes�mmung der efek�ven Strahlungsleistung (Neto-Strahlung) mitels

Strahlenaustausch-Formel, den Strahlungswirkungsgrad als Verhältnis von efek�ver

Strahlungsleistung und zugeführter elektrischer Leistung und die Berücksich�gung der

Absorp�on in Luf.

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Dr.-Ing. Peter KosackGraduate School CVTArbeitskreis Ökologisches Bauen

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