De werking van infraroodverwarmingen

De moleculaire natuurlijke oscillatie van de verwarmingselementen genereert infrarode warmtestraling die overeenkomt met het stralingsspectrum van de zon.

Infraroodstraling dringt voor 98% door de lucht heen. De energie die ze bevat wordt veel beter opgenomen door wanden, vloer en plafond van het vertrek en de objecten (meubels, bewoners). De lucht wordt secundair opgewarmd – door de weerkaatsende warmteafgifte van de omliggende oppervlakken en de objecten in het vertrek.

Convectorverwarmingen (radiatoren) verwarmen vertrekken daarentegen voornamelijk door het verwarmen van de omgevingslucht, het slechtste medium voor warmteoverdracht. De verwarmde lucht stijgt op, de koude lucht stroomt er van onderen achteraan. Er wordt een convectiestroom opgewekt.

De grote temperatuurverschillen tussen verwarmde omgevingslucht en koude buitenmuuroppervlakken gaan ook gepaard met een ongelijkmatige verdeling van vocht.

In tegenstelling tot conventionele verwarmingen zorgen infraroodverwarmingen voor warme wanden, vloer en plafond van het vertrek, een lagere luchttemperatuur en een gelijkmatigere vochtverdeling. De lucht is in zijn geheel frisser en de voeten blijven aangenaam warm.

De thermische energie die wordt verkregen door de omzetting van de geleverde elektrische energie wordt ingedeeld in de stralingscomponent, de convectiecomponent en de warmtegeleidingscomponent.

Het stralingsrendement is de stralingscomponent van het totale verwarmingsvermogen.

Rendabiliteit

Verwarmen met elektriciteit is alleen duur als je in de eerste plaats probeert lucht te verwarmen. Infraroodverwarmingen daarentegen verwarmen hoofdzakelijk wanden, vloer en plafond van het vertrek. Daarom is er 3-4°C minder luchttemperatuur nodig. Omdat per 1°C hogere ruimtetemperatuur 6% tot 7% meer verwarmingsenergie nodig is, kan op die manier al meer dan 20% verwarmingsenergie worden bespaard.

  • Vermindering van ventilatieverliezen:
    
Door de lagere luchttemperatuur in de ruimte gaat er minder verwarmingsenergie verloren door ventilatie.
  • Vermijding van transmissiewarmteverliezen (droge/vochtige wanden):
    
Het binnendringen van vocht door buitenmuren leidt tot een verminderde isolatie en dus tot lagere temperaturen aan de binnenzijde van de buitenmuren. (Al bij een vochtgehalte van 4% daalt de isolatiewaarde met ca. 50%.) 
Infrarood verwarmde wandoppervlakken worden daarentegen warm gehouden en hebben een hogere temperatuur dan de lucht. De hoge oppervlaktetemperatuur gaat de opname van waterdamp door de wanden tegen en voorkomt transmissieverliezen.Stralingswarmte
  • Lage investeringskosten
  • Geen bijkomende kosten (bijv. schoorsteenveger)
  • Geen onderhoud
  • 100% regeneratief te gebruiken
  • Er is noch een ketelruimte noch een schoorsteen nodig
  • Geen noodzaak om verwarmingsbuizen te leggen
  • Geen risico op waterschade door breuk van een verwarmingsbuis

 

Thermische behaaglijkheid

In de verwarmings- en airconditioningstechniek verwijst (thermische) behaaglijkheid naar omgevingstemperaturen en een toestand van de lucht waarin mensen zich het meest comfortabel voelen. Een verwarmingssysteem moet bijdragen aan een behaaglijk interieurklimaat.

De objectieve maatstaf voor behaaglijkheid is de gevoelstemperatuur. Deze is afhankelijk van

  • de temperatuur van de kamerlucht
  • de stralingstemperatuur in de omgeving
  • de verdeling van de luchttemperatuur (gelaagdheid van de lucht)
  • de luchtstroom (tocht)
  • de relatieve luchtvochtigheid

 

Stralingswarmte

Behaaglijkheidscurve

Als de oppervlaktetemperaturen van de wanden sterk verschillen, kan dit van invloed zijn op de behaaglijkheid. Dit wordt dan asymmetrie van de stralingstemperatuur genoemd.

Zelfs temperatuurverschillen van 1°C per meter hoogte worden als storend ervaren. Deze verticale verdeling wordt ook wel gelaagdheid van de luchttemperatuur genoemd. Het temperatuurverloop zou zo constant mogelijk moeten zijn.

Hoe warmer de lucht, des te meer vocht deze kan opnemen. De relatieve luchtvochtigheid is de verhouding tussen de aanwezige hoeveelheid water in de lucht en de maximaal mogelijke hoeveelheid water bij de gegeven luchttemperatuur. Een luchtvochtigheid van 40-50% wordt als bijzonder behaaglijk ervaren.

Tijdens de ventilatie wordt de koude buitenlucht, die slechts een lage absolute luchtvochtigheid heeft, verwarmd tot kamertemperatuur waardoor de relatieve luchtvochtigheid in de ruimte verder afneemt.

Bij een relatieve luchtvochtigheid van 30-70%, een luchtbeweging tot 20 cm/s en grotendeels dezelfde temperatuur van de oppervlakken in het vertrek is de (thermische) behaaglijkheid alleen afhankelijk van de operatieve temperatuur (= gemiddelde waarde van de luchttemperatuur in de ruimte en de gemiddelde stralingstemperatuur van wanden, vloer en plafond van het vertrek).

 

Stralingswarmte

 

Het voelt doorgaans prettiger aan als de stralingstemperatuur hoger is dan de luchttemperatuur. Aangezien infraroodverwarmingen hogere stralingstemperaturen genereren dan luchttemperaturen, verdienen deze ook de voorkeur boven convectorverwarmingen omwille van de behaaglijkheid.

 

Natuurkundige karakteristieken van stralingsverwarmingen

Stralingswarmte

De natuurkundige principes van convectorverwarmingen en stralingsverwarmingen zijn totaal verschillend:

Bij de convectorverwarming (luchtverwarming) wordt de warmte getransporteerd door de stroom warme lucht. Volgens de 1ste en 2de hoofdwet van de thermodynamica zijn hiervoor temperatuurverschillen vereist.

Bij een stralingsverwarming vindt het warmtetransport volgens de kwantummechanica van Max Planck alleen plaats door warmtestraling zonder enig transportmedium. Ze is gebaseerd op de volgende natuurkundige principes:

  • De warmtestraling van een infraroodstralingsverwarming is een elektromagnetische golf zoals licht, elektriciteit, de magnetron, radiogolven, die zich allemaal met de snelheid van het licht bewegen.
  • De golflengtes die kunnen worden gebruikt als infraroodstraling voor verwarmingsdoeleinden bij temperaturen tot 80°C liggen binnen een smalle band tussen 3 en 50 µm (micrometer). Zoals alle warme oppervlakken zijn ze onschadelijk voor de gezondheid. Vanzelfsprekend is er geen elektrosmog.
  • Elk oppervlak kan warmtestralen opnemen (energiewinst door absorptie) en uitzenden (energieverlies door emissie). Stralingsenergie wordt dus gelijktijdig geabsorbeerd en geëmitteerd door een opgewarmd oppervlak.
  • Warmtestraling verwarmt geen lucht, maar alleen vaste en vloeibare lichamen. De omgevingslucht is doorlatend voor warmtestraling en blijft daardoor koel en aangenaam. De temperaturen van de oppervlakken van wanden, vloer en plafond van het vertrek zijn hoger dan de luchttemperatuur. De convectieve verwarming van de aangrenzende luchtlagen gebeurt daarom alleen indirect via de warmere oppervlakken. Bovendien bespaart men bij de ventilatie energie door de lage luchttemperaturen.
  • Door de bijna stationaire lucht (slechts zeer weinig stofturbulentie) kan de ventilatie worden verminderd. Dit bespaart op zijn beurt energie.
  • Infrarood warmtestraling (> 3µm) dringt niet door in normaal glas. De warmtestraling blijft aanwezig in de ruimte.

Het enige doel van stralingsverwarming is het creëren van opgewarmde oppervlakken die vervolgens door (infrarood) warmtestraling voor een aangenaam interieurklimaat zorgen. Voor de plaatsing van de stralingspanelen zijn het plafond en de wanden bijzonder geschikt.

 

Het stralingsvermogen

Het stralingsvermogen van een opgewarmd oppervlak wordt beschreven door de wet van Stefan Boltzmann. Dienovereenkomstig is het evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur van een oppervlak. Dit betekent dat er onafhankelijk van de omgevingstemperatuur warmte wordt uitgestraald – uitsluitend bepaald door de oppervlaktetemperatuur.

Stralingswarmte

Een convectorverwarming daarentegen vereist om te kunnen functioneren ‘verhoogde temperaturen’. Het verwarmingsvermogen is daarom evenredig met het temperatuurverschil tussen de radiator en de omgevingslucht.

 

De uitwisseling van straling

Alle oppervlakken in de ruimte absorberen en emitteren warmtestralen. Het oppervlak met een hogere temperatuur zendt door straling energie uit naar het oppervlak met een lagere temperatuur en omgekeerd. De uitwisseling van straling is dus evenredig met het verschil tussen de twee uitgestraalde vermogens.

Stralingswarmte

Door de uitwisseling van straling worden de oppervlaktetemperaturen in de ruimte genivelleerd. De geabsorbeerde en de geëmitteerde warmte-energie zijn dan even groot. Er ontstaan gelijkmatig verwarmde oppervlakken, inclusief het meubilair – je voelt je op je gemak en behaaglijk.

 

Het verschil tussen uitgestraald vermogen en uitwisseling van straling

Voorbeeld 1:

T1=80°C (het stralingspaneel) en

T2=20°C (de muur)

Het verschil (de uitwisseling van straling) is heel groot.

 

Voorbeeld 2:

T1=80°C (het stralingspaneel) en

T2=50°C (een matig warm stralingspaneel)

Het verschil (de uitwisseling van straling) is duidelijk kleiner.

Het uitgestraald vermogen is in totaal natuurlijk hoger.

 

Voorbeeld 3:

T1=80°C (het stralingspaneel) en

T2=80°C (een ander tegenoverliggend stralingspaneel)

Het verschil (de uitwisseling van straling) is nul.

Het uitgestraald vermogen voor het vertrek wordt echter verdubbeld.

 

Het blijkt duidelijk dat uitwisseling van straling niet hetzelfde is als uitgestraald vermogen.

Dientengevolge kan de formule voor de uitwisseling van straling ook niet worden gebruikt om het uitgestraald vermogen te berekenen.

Aspecten voor de gezondheid

Luchtwervelingen

Mensen die lijden onder huisstofallergieën en astmapatiënten zijn gevoelig voor of reageren allergisch op uitwerpselen van huisstofmijten, die rinitis, jeuk en astma kunnen veroorzaken. Deze uitwerpselen kleven aan het huisstof en worden bij elke vorm van convectie ‘opgedwarreld’. Hoe lager het convectieaandeel van een verwarming, des te beter voor de allergiepatiënt.

Stralingswarmte

Droge verwarmingslucht

Bij conventionele verwarmingen (convectorverwarmingen) ontstaat het gevoel van droge verwarmingslucht. Een lage relatieve luchtvochtigheid kan leiden tot gezondheidsproblemen:

  • Verminderde ademhalingscapaciteit: de zuurstof komt via de longen niet behoorlijk in de bloedsomloop.
  • De vochtigheid van de huid is nauw verbonden met luchtvochtigheid. Daarom heeft de huid voldoende vocht nodig om uitdroging te voorkomen. De gevoeligheid voor huidirritatie en rood worden of zelfs ontsteking wordt eveneens verhoogd door een lage luchtvochtigheid.
  • Slijmvliezen beschikken slechts over weinig bescherming tegen verdamping. Daarom zijn ze gevoelig voor uitdroging. Ze zijn afhankelijk van een hoge luchtvochtigheid om hun functies te behouden. Een laag vochtgehalte in het neusslijmvlies kan er bijvoorbeeld toe leiden dat er vaker neusbloedingen optreden. De immuunafweer van de slijmvliezen kan ook worden verzwakt (verhoogd risico op verkoudheid) en het vermogen om stoffen uit te wisselen kan worden verminderd.
  • Droge ogen: Bij een lage relatieve vochtigheid hebben veel mensen last van rode, branderige of jeukende ogen – vooral contactlensdragers. Het draagcomfort van de contactlenzen wordt verminderd. Oogartsen raden daarom over het algemeen aan om droge verwarmingslucht en tocht te vermijden.

Doorbloeding

In de fysiotherapie wordt infrarood-C-straling gebruikt voor de behandeling van overbelasting van het bewegingsapparaat en aandoeningen zoals doorbloedingsstoornissen. Infraroodverwarming heeft dus in potentie een positief medisch-therapeutisch effect.

 

Stralingswarmte

Gevaar van schimmel

Het vocht in de warme omgevingslucht condenseert door afkoeling op de koude binnenvlakken van de buitenwanden. Condensatie kan schimmel veroorzaken, vooral in hoeken van kamers, achter meubels, gordijnen en andere aan het zicht onttrokken plekken die meer afkoelen dan de rest van de muur. Om schimmelgroei te voorkomen, mag de luchtvochtigheid nooit boven de 80% uitkomen – zelfs niet op afzonderlijke plaatsen.

Mogelijke symptomen die door schimmel worden veroorzaakt, zijn divers en tamelijk niet-specifiek, met inbegrip van:

  • hoestbuien
  • verkoudheid
  • ontsteking van het bindvlies
  • astma
  • huidveranderingen
  • migraine
  • maag- en darmklachten
  • gewrichtsaandoeningen

Omdat de wanden bij het gebruik van infraroodverwarmingen warmer zijn dan de lucht, treedt er geen condensatie op. Eventueel reeds aanwezig vocht wordt aan de wanden onttrokken.