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Infrarotheizung

Infrarotheizungen (oder Strahlungsheizungen) sind Heizsysteme, die vorwiegend Wärmestrahlung (Infrarotlicht) abgeben, anstatt z. B. Luft zu erwärmen und durch Konvektion im Raum zu verteilen. Der Begriff klärt also nur die Art der Wärmeabgabe, aber nicht die der Wärmeerzeugung. Streng genommen ist Wärmestrahlung keine Wärme, weswegen der Begriff Strahlungswärme etwas ungenau ist. Jedoch entsteht Wärme dort, wo Infrarotstrahlung auf Gegenstände trifft und von diesen absorbiert wird. An den erwärmten Gegenständen wird schließlich dann auch die Raumluft erwärmt.

Besonders groß wird der Anteil der in Form von Wärmestrahlung abgegebenen Heizleistung, wenn ein Heizelement mit hoher Temperatur verwendet wird und gleichzeitig die Luftkonvektion behindert wird, z. B. durch ein entsprechendes Gehäuse. Dies ist besonders leicht möglich mit Elektro-Heizstrahlern (Quarzstrahlern), die eine Heizwendel in einem Quarzglasstab enthalten. In der Tat sind viele Infrarotheizungen von der Wärmequelle her Elektroheizungen, und zwar Elektro-Direktheizungen. Der Artikel über Elektroheizung diskutiert die damit resultierenden Nachteile, insbesondere die geringe Systemeffizienz und die daraus resultierenden ökonomischen und ökologischen Nachteile. Teilweise wird mit Begriffen wie Infrarotheizung und Wärmewellenheizung versucht, diese Umstände zu verschleiern. Häufig wird der Begriff sogar irreführend für solche Heizkörper verwendet, bei denen die Wärmestrahlung schwächer wirkt als die Luftkonvektion.

Man beachte, dass fast alle Heizsysteme zu einem gewissen Grad auch Wärmestrahlung abgeben, ohne deswegen unbedingt als Infrarotheizung bezeichnet zu werden. Dies trifft z. B. für Kachelöfen und besonders für Kaminfeuer zu. Auch eine Deckenheizung z. B. mit Deckenstrahlplatten gibt vorwiegend Strahlungswärme ab, da eine Luftkonvektion in diesem Fall kaum auftritt.

Gasbefeuerte Infrarotheizungen; Heizpilze

Eine Infrarotheizung ist auch mit Gasbrennern (meist auf der Basis von Erdgas oder Flüssiggas) möglich. Industriehallen können beheizt werden mit Geräten, bei denen ein nach unten strahlender Körper mit einem Gasbrenner stark erhitzt wird. So wird ein wesentlicher Teil der Heizleistung in nach unten gerichtete Infrarotstrahlung umgewandelt. Erhebliche Verluste entstehen sowohl durch in anderen Richtungen entweichende Infrarotstrahlung als auch über das Abgas. Allerdings wäre eine Warmluftheizung unter Umständen noch ineffizienter, wenn z. B. die Halle nicht gut abgeschlossen werden kann, so dass Warmluft sofort entweichen könnte.

Nach dem gleichen Prinzip arbeiten mit Flüssiggas betriebene Heizpilze, die häufig z. B. bei Gartensitzplätzen genutzt werden. Die Infrarotstrahlung kann unter oder nahe einem Heizpilz sitzende Personen treffen, wird dann auf der Kleidung und der Haut absorbiert, wobei Wärme entsteht. Auf diese Weise lässt sich ein Heizeffekt sogar im Freien erzielen, wo die Erzeugung von Warmluft (die unmittelbar nach oben abziehen würde) sinnlos wäre. Trotzdem ist die Verwendung von Heizpilzen im Freien als große Energieverschwendung anzusehen, da hier für das gemütliche Sitzen von wenigen Personen eine zusätzliche Heizleistung aufgewendet wird, die sonst für ein ganzes Einfamilienhaus ausreichen könnte. In wesentlicher Teil der erzeugten Wärme entweicht übrigens ungenutzt über das heiße Abgas und über die Luft, die an den heißen Teilen vorbeistreicht und dann nach oben steigt.

Hellstrahler und Dunkelstrahler

Infrarot-Heizgeräte Arbeiten mit unterschiedlich hohen Temperaturen der die Wärmestrahlung abgegebenen Flächen. Wenn diese Temperatur relativ hoch ist – beispielsweise über 800 °C –, sieht man die Heizelemente im Betrieb deutlich glühen (rot, orange oder bei besonders hohen Temperaturen sogar gelb), weil ein kleiner Teil der Abstrahlung (meist weit unter 1 %) in Form sichtbaren Lichts geschieht. Hier spricht man von sogenannten Hellstrahlern. Die Abstrahlung kann entweder direkt durch einen elektrischen Heizdraht erfolgen (der häufig innerhalb einer transparenten Quarzröhre liegt) oder indirekt beispielsweise durch eine hoch erhitzte Keramikplatte. Das erzeugte Infrarotlicht hat einen erhöhten Anteil von kürzeren Wellenlängen, z. B. im IR-B.

Wenn dagegen die Temperatur wesentlich niedriger ist (z. B. unter 300 °C), entsteht zwar immer noch gut spürbare Wärmestrahlung (etwa man mit der Hand in die Nähe kommt), jedoch praktisch kein sichtbares Licht; bei solchen Geräten spricht man von Dunkelstrahlern. Hier wird die Wärme beispielsweise von Keramikplatten oder metallischen Körpern abgestrahlt, die von der anderen Seite her beheizt werden. Die Abstrahlung liegt weitgehend im längerwelligen IR-C-Bereich.

Die pro Fläche des abstrahlenden Elements abgegebene Wärmeleistung hängt stark von der Temperatur des Heizelements ab. Dies bedeutet, dass ein Hellstrahler die gleiche Heizleistung mit einer wesentlich geringeren Fläche des Heizelements erzielen kann. Mit diesem Ansatz sind also wesentlich kompaktere Bauweisen möglich. Damit wird auch die Betriebstemperatur meist relativ kurz nach dem Einschalten erreicht. Außerdem kann die Wärmestrahlung dann beispielsweise mithilfe von Reflektoren besser gebündelt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, selbst über eine Entfernung von einigen Metern noch eine relativ geringe Fläche des Strahls und somit eine konzentrierte Beheizung zu erzielen. Dies kann beispielsweise bei einem im Badezimmer aufgestellten Infrarotstrahler günstig sein, der gezielt den Bereich beim Waschbecken beleuchten soll. Dagegen ist es bei der Beheizung eines größeren Bereichs kein Vorteil; dort wünscht man eher die verteilte diffuse Strahlung eines Dunkelstrahlers.

Hellstrahler können auch einen wesentlichen höheren Strahlungswirkungsgrad (siehe unten) erreichen, was jedoch keineswegs zwangsläufig eine hohe Energieeffizienz bedeutet.

Ein Nachteil von Hellstrahlern ist, dass eine höhere Gefahr von Verbrennungen bei Berührung oder auch der Auslösung eines Brandes besteht. Ein Stück weit können solche Gefahren mit einem Berührungsschutz vermieden werden; damit kann immerhin die direkte Berührung eines Heizelements verhindert werden. Beispielsweise werden Quarzstäbe, die eine elektrische Heizwendel enthalten und im Betrieb sehr heiß werden, häufig hinter einem metallischen Gitter montiert. Dagegen werden Dunkelstrahler häufig ohne Berührungsschutz verwendet und lassen sich dann auch optisch oft besser z. B. in eine Decke integrieren.

Strahlplattenheizungen mit Wärmezufuhr durch heißes Wasser sind grundsätzlich Dunkelstrahler mit relativ niedriger Temperatur und müssen entsprechend große Flächen haben.

Die Verschwelung von Staub und damit die Bildung unangenehmer Gerüche ist sowohl bei Hellstrahlern als auch bei Dunkelstrahlern kaum vermeidbar, da sie bereits ab Temperaturen von gut 50 °C erfolgt. Hellstrahler sind diesbezüglich tendenziell sogar günstiger, da auf kompaktere Heizelemente insgesamt weniger Staub gerät.

Strahlungswirkungsgrad

Der Anteil der Wärmeabgabe eines Heizkörpers, der in Form von Wärmestrahlung geschieht, wird als Strahlungswirkungsgrad bezeichnet. Je höher dieser Strahlungswirkungsgrad ist, desto berechtigter ist die Bezeichnung "Infrarotheizung". Hellstrahler erreichen hier typischerweise deutlich höhere Werte als Dunkelstrahler. Über die Energieeffizienz ist damit jedoch nichts ausgesagt, da es stark von der Situation abhängt, in wieweit die Wärmeabgabe über Konvektion ebenfalls nützlich ist oder ob die Zufuhr von Wärmestrahlung effizienter ist als durch Konvektion.

Der Artikel über Strahlungswirkungsgrad enthält weitere Details.

Infrarotheizung als Grundbeheizung

Es ist technisch möglich, ein ganzes Gebäude mithilfe von Infrarotheizgeräten im Winter warm zu halten. Diese Geräte werden dann also nicht für eine zeitlich und räumlich gezielte Zusatzbeheizung genutzt, sondern zur Grundbeheizung. Soweit es sich um Elektroheizgeräte handelt, ist dies freilich energetisch sehr ungünstig:

• Grundsätzlich gilt, dass die Primärenergie (z. B. der Brennstoff in einem Wärmekraftwerk) auf diese Weise sehr ineffizient genutzt wird. Ein großer Teil der Primärenergie geht bei der Stromerzeugung verloren, ein kleinerer auf dem Weg der elektrischen Energie zum Verbraucher, und nur was übrig bleibt (oft nur ca. ein Drittel der Primärenergie), kann zur Beheizung des Gebäudes beitragen. Dieses grundsätzliche Problem aller Elektroheizungen gilt genauso für Elektro-Infrarotheizungen.

• Der genannte Nachteil könnte allenfalls relativiert werden, wenn die Beheizung durch Infrarotstrahlung eine wesentlich geringere Menge von Heizwärme erfordern würde. Genau dies ist allerdings bei der Grundbeheizung beispielsweise von Wohnräumen nicht der Fall, auch wenn es von manchen Herstellern behauptet wird. Wohnräume, die im Winter auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, verlieren nämlich zwangsläufig gewisse Wärmemengen durch Wärmeleitung (→ Transmissionswärmeverluste) und Lüftungsverluste, die durch Heizwärme ersetzt werden müssen, soweit nicht die Sonneneinstrahlung und innere Wärmegewinne dafür ausreichen. In welcher Form diese Heizwärme zugeführt wird (als Wärmestrahlung oder durch Konvektion), ist energetisch von untergeordneter Bedeutung. (Bei einer gezielten Zusatzbeheizung mit einzelnen Infrarotheizkörpern kann dies anders sein, was im folgenden Abschnitt diskutiert wird.)

Für die Hersteller von Infrarotheizgeräten ist es natürlich vorteilhaft, wenn diese Geräte möglichst flächendeckend eingesetzt werden, weswegen der Einsatz für die Grundbeheizung immer wieder mit äußerst zweifelhaften Argumenten und Behauptungen propagiert wird. Beispielsweise wird immer wieder darauf hingewiesen, dass man mit der Infrarotheizung nicht die Raumluft erwärme, sondern direkt die Gegenstände, und deswegen mit einer niedrigeren Raumtemperatur auskomme. Mit letzterem ist die Temperatur der Raumluft gemeint, aber deren Absenkung kann allenfalls die Lüftungsverluste etwas vermindern; zumindest bei nicht speziell wärmegedämmten Gebäuden sind aber die Transmissionswärmeverluste dominierend, und diese können kaum abnehmen, wenn man die Wände mit Infrarotstrahlung warm hält.

Gezielte Wärmeabgabe

Unter bestimmten Umständen können Infrarotheizungen energieeffizienter als andere Heizsysteme eingesetzt werden, selbst wenn die (z. B. elektrische) Wärmeerzeugung ineffizient ist:

• Da Infrarotheizsysteme häufig auf relativ kleinen Strahlern beruhen, kann ihre Heizwirkung rasch an- und ausgeschaltet werden. Dadurch kann z. B. ein Elektroheizstrahler in einem Badezimmer gezielt für wenige Minuten am Tag nach dem Duschen eingesetzt werden. Dies kann deutlich sparsamer sein, als den Raum den ganzen Tag über stärker zu heizen. Allerdings ist eine ausreichende Grundbeheizung mit anderen Mitteln trotzdem nötig, allein schon um Feuchtigkeitsprobleme zu vermeiden.

• Die Wärmestrahlung ist häufig stark gerichtet. Wenn gezielt Personen angestrahlt werden (z. B. an einem Bürositzplatz), anstatt dass ein großer Raum beheizt wird, kann dies wiederum energetisch günstig sein, wenn dafür die Lufttemperatur etwas tiefer gehalten wird.
• Wenn beispielsweise aus einer Industriehalle erwärmte Luft ständig durch offene Tore entweichen kann, ist eine Infrarotheizung weniger energieaufwendig, da ein gewisses Wärmeempfinden erreicht wird, ohne dass die ganze Raumluft wesentlich aufgeheizt wird.

Dagegen entsteht durch die generelle Verwendung einer Infrarotheizung z. B. für die Grundbeheizung eines Wohnhauses höchstens ein geringfügiger energetischer Vorteil dadurch, dass die Raumtemperatur ein wenig tiefer gehalten werden kann. Dies verkehrt sich rasch in einen großen Nachteil, falls die Wärmeerzeugung ineffizient ist, was insbesondere für Elektroheizungen zutrifft.

Man beachte auch, dass häufig auch Außenwände von Infrarotheizungen angestrahlt werden. Dann liegt die Temperatur der Wandoberfläche oberhalb der Lufttemperatur, und die Verluste durch Wärmeleitung können entsprechend erhöht sein. (Die reduzierte Lufttemperatur kann dann allenfalls die Lüftungsverluste reduzieren.) Zwar wird teils behauptet, die Wärmeleitfähigkeit der Wände würde durch den Trocknungseffekt so reduziert, dass die Verluste durch Wärmeleitung dennoch zurückgehen. Dies ist allerdings fragwürdig, zumal die Wände normalerweise ohnehin trocken sein sollten.

Anstrahlen von Fenstern

Auch wenn ein Infrarotstrahler auf ein Fenster gerichtet ist, führt dies zu vermehrten Wärmeverlusten. Zwar ist das Fenster für den Großteil der Wärmestrahlung undurchlässig. Jedoch wird die Wärmestrahlung vom Glas zu einem großen Teil nicht reflektiert, sondern absorbiert, so dass das Glas erwärmt wird. Dies führt dann zu erhöhten Wärmeverlusten nach außen.

Komfortaspekte

Ein durch eine Heizung erhöhtes Niveau an Wärmestrahlung in einem Raum wird im Winter häufig als angenehm empfunden – angenehmer als stärker erwärmte Luft. Es wird so auch bei einer etwas tieferen Raumtemperatur eine gute Behaglichkeit erreicht. Allerdings ist diese Art von Erwärmung ungleichmäßiger, wenn sie von nur einem Ofen ausgeht.

Zu starke Wärmestrahlung kann den Komfort auch beeinträchtigen. Unangenehm ist es, von einer Seite stark angestrahlt zu werden, während die andere Körperseite kalt bleibt. (Dieser Effekt tritt z. B. an Lagerfeuern auf.) Außerdem kann eine unangenehme Reizung der Augen auftreten. Dies kommt oft bei Heizstrahlern vor, aber auch bei manchen Holzöfen (z. B. Schwedenöfen), die recht hohe Oberflächentemperaturen erreichen. Ein weiterer Effekt hoher Oberflächentemperaturen ist, dass Staub verschwelt wird, was zur Geruchsbildung führt.

Verbindung mit Photovoltaik

Der energetische Nachteil der elektrischen Infrarotheizung wird gelegentlich mit dem Argument relativiert, man könne dafür ja Photovoltaik bzw. überschüssigen Solarstrom einsetzen. Dies lässt allerdings außer acht, dass Solarstrom vorwiegend zu Zeiten anfällt, in denen der Heizwärmebedarf gering ist. Mit Solarstromspeichern lässt sich dieses Problem nicht auf wirtschaftlich verträgliche Weise lösen.

Unlautere Werbung für Infrarotheizungen

Manche Vorteile des Konzepts der Infrarotheizung sind durchaus real, wie oben beschrieben, jedenfalls bei geeigneten Einsatzbedingungen. Allerdings wird in großem Umfang mit unlauteren Methoden für Infrarotheizungen geworben (siehe z. B. Ref. [5]). Einige typische Beispiele für fragwürdige Argumente werden im Folgenden gegeben:

• Häufig wird verschleiert, dass es sich um Elektroheizungen handelt, gegen die etliche Gründe sprechen. Wohl zu diesem Zweck wurden auch Begriffe wie "Wärmewellenheizung" und "Natursteinheizung" erfunden.
• Soweit die elektrische Natur des Heizkörpers offengelegt wird, wird dies oft mit wenig überzeugenden Argumenten relativiert – etwa, dass man diesen Strombedarf ja mit Photovoltaik decken könnte, was aber nur sehr eingeschränkt der Fall ist.
• Während bei zeitlich und räumlich gezieltem Einsatz von Infrarotheizung tatsächlich oft große Energieeinsparungen möglich sind, wie oben erklärt, ist dies bei der Grundbeheizung von Wohnräumen in der Regel nicht der Fall. Trotzdem wird dies immer wieder behauptet, ohne dass hier für Fachpersonen nachvollziehbare physikalische Gründe oder auch überzeugende experimentelle Belege verfügbar wären.
• Oft wird angeführt, dass Strahlungswärme vorteilhafter sei als Konvektion. Hierbei wird übersehen, dass auch viele Infrarotheizkörper einen erheblichen Anteil der Wärme über Konvektion abgeben. Außerdem erscheint die Problematik von Konvektion (mit Aufwirbelung von Staub) häufig übertrieben dargestellt.
• Nachteile mancher Infrarotheizungen wie z. B. erhöhte Brandgefahr und Gerüche durch verschwelten Staub werden verschwiegen.

Gelegentlich vorgebrachte Behauptungen, die beschriebenen Einschätzungen seien immerhin auf bestimmte Infrarotheizgeräte (etwa auf Hellstrahler mit höherem IR-B-Anteil) nicht anwendbar, sind in der Regel nicht stichhaltig.

Siehe auch: Heizstrahler, Wärmestrahlung, Wärmewellenheizung, Strahlungswirkungsgrad, Elektroheizung, Handtuchtrockner, RP-Energie-Blog 2015-09-08, RP-Energie-Blog 2016-02-29