红外线加热器的工作原理

热导体的分子固有振荡产生红外热辐射,与太阳的辐射光谱一致。

红外线穿透空气达98%。其中包含的能量更有效地被房间表层和物体(装置、居住者)吸收。空气被二次加热——通过周围表面和房间内物体的反射散热。

而对流加热器(发热体)主要通过加热室内空气来加热房间,这是最差的载热介质。被加热的空气上升,冷空气向下流动。这产生一个对流。

加热的室内空气和冷的外壁表面之间的巨大温度差异也伴随着不均匀的湿度分布。

与传统加热器不同,红外线加热器提供温暖的房间表层、较低的空气温度和更均匀的湿度分布。整体空气更清新,双脚保持舒适温暖。

从输送电能的转换获得的热能被分成辐射部分、对流部分和热传导部分。
辐射效率是总热功率的辐射部分。

经济性

如果我们试图用电主要去加热空气,是很昂贵的。与此相反,红外线加热器主要是加热房间表层。因此,所需空气温度要低 3-4°C。室内空气温度每高 1°C,需要多 6% 至 7% 的热能,因此这样就可以节省 20% 以上的热能。

  • 减少通风损失
    由于室内空气温度较低,通风造成的热能损失较少。
  • 避免传导热损失(干/湿墙):
    外壁的润湿导致隔热性降低,从而导致外壁内侧温度较低。(4% 的湿度就会使隔热值降低约 50%。)
    另一方面,红外加热的墙壁表面保持温暖并且具有比空气更高的温度。较高的表面温度防止
    辐射热 水蒸气通过墙壁吸收并避免传导损失。
  • 投资成本低
  • 无需额外费用(例如清扫烟囱)
  • 无需维护
  • 100% 可再生使用
  • 无需供暖室或壁炉
  • 无需铺设加热管
  • 没有因加热管破损导致的水害风险

 

热舒适度

在供暖设备和空调中,(热)舒适是指人们感觉最舒适的环境温度和空气状态。加热系统应当有助于营造舒适的室内环境。

客观的舒适度测量参数就是感知的温度。它取决于

  • 室内空气温度
  • 环境的辐射温度
  • 空气温度分布(空气分层)
  • 空气流动(通风)
  • 相对空气湿度

 

辐射热

舒适曲线

如果房间墙壁的表面温度差异很大,会对舒适度产生影响。这涉及辐射温度不对称

即使每一米高度有 1°C 的温差,也会让人感觉不适。这种垂直分布也称为空气温度分层。温度变化应尽可能恒定。

空气越暖,它能够吸收的水分就越多。相对湿度是空气中当前含水量与给定空气温度下最大可能的含水量之比。令人感到特别舒适的是 40-50% 的湿度。

在通风时,绝对湿度很低的外部冷空气被加热至室温,房间内的相对湿度继续下降。

在 30-70% 的相对湿度、空气运动最高为 20 cm/s 和房间表面具有广泛的温度均匀性时,(热)舒适度仅取决于作用温度(=室内空气温度平均值房间表层的平均辐射温度)。

 

辐射热

 

当辐射温度高于空气温度时,感觉趋向于更舒适。红外线加热器产生的辐射温度高于空气温度,因此出于舒适原因也令它们比对流加热器更受青睐。

 

辐射加热器的物理特性

辐射热

对流加热器与辐射加热器的物理原理是完全不同的:

对流加热(空气加热)时,通过热空气的热流进行热传导。根据第 1 和第 2 热力学主要定律是需要温差。

辐射加热时,根据 Max Planck 量子力学,热传导在没有任何传导介质的情况下仅通过热辐射进行。这基于以下物理原理:

  • 红外线辐射加热器的热辐射是一种电磁波,例如光、电、微波、无线电波,所有这些都以光速运动。
  • 用于 80°C 以下加热目的的红外线辐射波长在 3 至 50 µm(微米)的狭窄频段内。像所有经过温度调节和温暖的表面一样,它们对健康无害。当然也没有电磁污染。
  • 任何表面都能够吸收(通过吸收获取能量)并发出(通过放射损失能量)热辐射。因此,辐射能量由经过温度调节的表面同时吸收和放射。
  • 热辐射不会加热空气,而只加热固体和液体。室内空气对于热辐射而言是可以穿透的,因此保持凉爽宜人。房间表层表面的温度高于空气温度。因此,相邻空气层的加热通过较热的表面间接对流。在通风时,由于气温较低,也可以节省能源。
  • 由于空气几乎静止(只有很少的灰尘扰动),可以减少通风。这再次节省了能源。
  • 红外线热辐射 (>3μm) 不会穿透普通玻璃。热辐射留在房间里。

辐射加热器的任务仅仅是实现温度调节表面,然后通过(红外线)热辐射确保舒适的室内温度和湿度。天花板和墙壁特别适合作为辐射面的位置。

 

辐射功率

Stefan Boltzmann 定律说明了温度调节表面的辐射功率。因此,它与表面绝对温度的四次方成正比。这意味着无论环境温度如何,都会发出热辐射,而这仅受表面温度影响。

辐射热

与此相反,对流加热器需要“过温”才能发挥作用。因此,热功率与发热体和室内空气之间的温差成正比。

 

辐射交换

房间内的所有表面都吸收并发出热辐射。温度较高的表面通过辐射向温度较低的表面释放能量,反之亦然。因此,辐射交换与两个辐射功率的差异成正比。

辐射热

由于辐射交换,房间的表面温度互相补偿。然后,吸收和发出的热能相等。由此产生均匀的温度调节表面,包括家具,使人们感觉愉快舒适。

 

辐射功率和辐射交换之间的差异

例 1:

T1=80°C(辐射板)

T2=20°C(墙壁)

差异(辐射交换)非常大。

 

例 2:

T1=80°C(辐射板)

T2=50°C(适当温度调节的辐射板)

差异(辐射交换)非常小。

辐射功率当然总体上更高。

 

例 3:

T1=80°C(辐射板)

T2=80°C(相对的另一个辐射板)

差异(辐射交换)为零。

然而,房间的辐射功率增加了一倍。

 

显然,辐射交换与辐射功率不相符。

因此,辐射交换的公式肯定不能用于确定辐射功率。

健康方面

空气扰动

房屋粉尘过敏患者和哮喘患者对尘螨粪便敏感或有过敏反应,这可能引发鼻炎、瘙痒和哮喘。这种粪便粘附在室内粉尘上,并随着各种形式的对流而“扰动”。加热器的对流率越低,对过敏患者而言就越好。

辐射热

干燥的加热空气

传统的加热器(对流加热器)使人产生加热空气干燥的感觉。相对湿度过低会导致健康问题:

  • 呼吸能力下降:通过肺部进入血液的氧气更少。
  • 皮肤水分与空气湿度密切相关。因此,皮肤需要足够的湿度,以免干燥。湿度过低会使皮肤受到刺激、发红甚至发炎的可能性增加。
  • 粘膜只有很弱的蒸发保护性。因此它们很容易变干。为了保持其功能,它们需要较高的湿度。鼻粘膜中湿度过低可能导致流鼻血的发生率增加。此外,可能削弱粘膜的免疫防御能力(感冒风险增加)和代谢能力。
  • 眼睛干燥:在相对湿度很低的情况下,许多人眼睛发红、灼热或发痒,特别是隐形眼镜佩戴者。隐形眼镜的佩戴舒适性受到限制。因此,眼科医生通常建议避免干燥的加热空气和气流。

血液循环

物理疗法中,红外线 C 辐射对于运动系统超负荷和治疗血液循环障碍等情况。因此,红外线加热总体上具有积极的医学治疗效果。

 

辐射热

霉菌侵袭

温暖的室内空气含有的水分,通过冷却在外壁较冷的内表面上冷凝。冷凝水可能导致霉菌形成,特别是在房间的角落,家具、窗帘以及其他比墙壁其余部分更冷的隐蔽区域。为了避免霉菌生长,任何时候湿度都不应超过 80%,包括个别区域。

可能由霉菌引起的症状多种多样且非常不确定,包括:

  • 咳嗽
  • 流涕
  • 结膜炎
  • 哮喘
  • 皮肤损伤
  • 偏头痛
  • 胃肠道疾病
  • 关节疾病

由于使用红外线加热器时墙壁比空气温暖,因此完全不会发生冷凝。墙壁已经含有的水分将被除去。