Heizung und Kühlung per Strahlungsaustausch
Wie Wärmestrahlung funktioniert
„Heizen mit der Decke? Aber dann kann die warme Luft ja gar nicht aufsteigen und sich im Raum verteilen?“
Nach lebenslangem Luftheizen ist dieser Einwand verständlich – aber er beweist auch, dass über die physikalischen Grundlagen der Wärmestrahlung noch immer Aufklärungsbedarf besteht.
Darum erklären wir an dieser Stelle, wie der Austausch von Wärmestrahlung funktioniert und was er bewirkt.
Die Sonne ist der natürliche Energielieferant der Erde. Neben sichtbaren Lichtstrahlen sendet sie auch unsichtbare Infrarotstrahlen aus – die sogenannte Wärmestrahlung. Diese Strahlung legt bis zur Erde 149.600.000 km Kilometer zurück. Dabei durchdringt sie den luftleeren Weltraum und die Erdatmosphäre gleichermaßen. Erst wenn die Strahlen auf eine feste Oberfläche treffen – zum Beispiel den Erdboden oder die Haut eines Lebewesens – übertragen sie ihre wärmende Energie.
Wenn man sich das vor Augen führt, werden
zwei Dinge sofort klar:
- Wärmestrahlung überträgt Energie selbst auf große Entfernung
- Luft spielt dabei keine Rolle
Ohne die Wärmestrahlen der Sonne wäre unsere Erde eine Eiswüste.
„Aber warum erfrieren wir dann nicht nach Sonnenuntergang?“
Weil die von der Sonne aufgeheizten Oberflächen die Wärme speichern und rund um die Uhr an ihre Umgebung abstrahlen: Heiße Flächen strahlen viel Wärme ab und kalte Flächen wenig. Dabei verhalten sich die Wärmestrahlen der Objekte übrigens genau wie die Sonnenstrahlen: Sie durchdringen die Luft – ohne diese zu erwärmen – und übertragen ihre Energie direkt auf andere Oberflächen. Durch diesen gegenseitigen Strahlungsaustausch gleichen sich die Temperaturen aller Oberflächen aneinander an. Auf jede Entfernung. Und genau das nutzen wir zum Heizen und Kühlen. Ganz nach dem Vorbild der Sonne – nur viel sanfter mit geringen Temperaturdifferenzen.
Warme Oberflächen strahlen viel Wärme ab – kalte Oberflächen strahlen wenig Wärme ab.
Eine warme Oberfläche überträgt also mehr Wärmestrahlung an eine kalte Oberfläche, als sie im Gegenzug von dieser empfängt.
Die warme Oberfläche kühlt ab und die kalte Oberfläche erwärmt sich. Die Temperaturen gleichen sich aneinander an – auf jede Entfernung und ohne dabei die Luft zu temperieren.
Heizen: Wärmestrahlung vs Konvektion
Eine Klimadecke wird im Heizbetrieb sanft erwärmt und strahlt diese Wärme gleichmäßig in den Raum ab. Durch den Strahlungsaustausch erwärmen sich auch die übrigen Oberflächen des Raumes – Boden, Wände und Möbel.
Für den Menschen erzeugen die rundum warmen Oberflächen ein sehr behagliches Raumklima ohne Heizungsluft.
Eine Klimadecke bringt die Wärme fast ausschließlich über den Austausch von Wärmestrahlung in den Raum. Dadurch erwärmt sie in erster Linie die Oberflächen: Decke, Wand, Boden und Möbel werden wärmer als die Luft. Und je wärmer die Oberflächen sind, desto mehr Wärme strahlen sie selbst ab.
Man könnte also sagen: Die reine Wärmestrahlung der Klimadecke verwandelt jede Oberfläche des Raumes in eine sanft temperierte Flächenheizung. Die Luft bleibt dagegen angenehm frisch und wird nicht überheizt. Für Menschen ist dieses Raumklima äußerst behaglich.
Warmes Wasser strömt durch Rohre in der Decke und beheizt deren Oberfläche. An der warmen Deckenoberfläche erwärmt sich die Luft.
Die Warmluft kann an der Decke weder aufsteigen noch abkühlen: Die Konvektion ist ausgebremst. Wärme wird nur noch mit Wärmestrahlung an Boden, Wände und Möbel übertragen.
Alle Oberflächen sind nun wärmer als die Raumluft. Wie die Decke strahlen sie ihre Wärme sanft und gleichmäßig in den Raum.
Eine Fußbodenheizung bringt die Wärme zu jeweils rund 50 % über Konvektion und Wärmestrahlung in den Raum.
Der hohe Konvektivanteil bedeutet im Klartext, dass sich die Luft am Boden aufheizt und an den kühleren Oberflächen der Decke und Wände wieder abkühlt.
Daraus lässt sich bereits ablesen, dass die Raumluft immer wärmer ist als die Oberflächen – sonst gäbe es diese permanente Luftbewegung nicht. Die Wärmestrahlung erwärmt die Oberflächen also nicht genug, um die Konvektion auszubremsen. Darum zirkuliert die Luft mit hoher Geschwindigkeit im Raum und es kommt zu Phänomenen wie abfallender Kaltluft an den Fenstern.
Warmes Wasser strömt durch Rohre im Fußboden und beheizt dessen Oberfläche. An der warmen Oberfläche erwärmt sich die Luft.
Die warme Luft steigt auf, überträgt ihre Wärme oben auf die kühleren
Oberflächen und sinkt wieder zu Boden: Die Luft zirkuliert im Raum.
Auch der Fußboden sendet Wärmestrahlung aus. Wegen der starken Konvektion bleiben die Oberflächen aber trotzdem immer kälter als die Luft.
Kühlen: Wärmestrahlung vs Konvektion
Zum Kühlen nutzt man den Strahlungsaustausch in umgekehrter Richtung: Wenn sich die Oberflächen im Sommer aufheizen, strahlen sie viel Wärme ab.
Eine Klimadecke nimmt diese Wärmestrahlung auf und führt sie mit ihrem Kühlwasser ab. Leise und ohne kalte Zugluft.
Durch direkte Sonneneinstrahlung und Abwärme können sich die Wände und der Fußboden im Sommer stark aufheizen. Diese überhitzten Oberflächen strahlen sehr viel Wärme ab und stören die natürliche Wärmeregulation des Menschen.
Darum kühlt man die Decke: Alle überhitzten Oberflächen übertragen ihre Wärme nun per Strahlungsaustausch an die kühlere Klimadecke, wo sie kontinuierlich mit dem Kühlwasser abgeführt wird. Dabei erkalten die Oberflächen und strahlen entsprechend weniger Wärme in den Raum. Jetzt kann der Mensch seine überschüssige Wärme wieder an die kühlere Umgebung abstrahlen und fühlt sich wohl.
Idealerweise wird die Klimadecke durch eine kontrollierte Wohnraumlüftung ergänzt: Diese entfeuchtet die Luft beim hygienischen Luftwechsel und ermöglicht dadurch eine beliebig starke Klimatisierung.
Sind die Oberflächen im Sommer aufgeheizt, strahlen sie viel Wärme in den Raum. Durch die Rohre der Klimadecke wird nun kaltes Wasser geleitet, um die Deckenoberfläche zu kühlen.
Die abgekühlte Deckenoberfläche absorbiert Wärmestrahlung aus dem Raum. Diese Wärme führt sie permanent mit ihrem Kühlwasser ab. Der Strahlungsaustausch zwischen der kühlen Decke und den warmen Oberflächen kühlt jetzt auch die Wände, den Boden und die Möbel.
Die abgekühlten Oberflächen strahlen weniger Wärme in den Raum und erlauben dem Körper wieder eine behagliche Wärmeregulation, ohne zu schwitzen.
Denn auch der Körper gibt seine überschüssige Wärme am liebsten durch den Strahlungsaustausch an kühlere Oberflächen ab.
Der Mensch gibt seine überschüssige Wärme bevorzugt über Wärmestrahlung an kühlere Oberflächen ab. Wenn die umliegenden Oberflächen dafür zu warm sind, schwitzt er, um stattdessen stärker durch Verdunstung zu kühlen. Eine Klimaanlage unterstützt diese Reaktion, indem sie kalte Luft durch den Raum bläst.
Das lindert zwar die Symptome der Überhitzung, aber es beseitigt nicht ihre Ursache:
Die Wände bleiben warm und strahlen noch immer zu viel Wärme ab. Der Körper schwitzt wegen der Wärmestrahlung und friert wegen der kalten Zugluft. Auf Dauer wirkt das unbehaglich und erhöht das Erkältungsrisiko.
Die Oberflächen sind aufgeheizt – durch Sonneneinstrahlung sowie die Abwärme von Personen und Technik. Diese Wärme strahlen sie in den Raum und verhindern damit die natürliche Wärmeregulation des Menschen. Denn der Mensch kann nun selbst kaum noch Wärme abstrahlen.
Da die warmen Hüllflächen die Wärmeregulierung über den Strahlungsaustausch verhindern, schwitzt der Mensch, um sich durch Verdunstung zu kühlen. Der kalte Luftzug einer Klimaanlage verdunstet den Schweiß und kühlt die Haut.
Die Kaltluft lindert kurzfristig die Überhitzung des Menschen, aber sie beseitigt nicht die Ursache: Die Wärmestrahlung von den Hüllflächen bleibt unbehaglich stark. Der Mensch schwitzt weiterhin durch die warmen Hüllflächen und friert auf Dauer durch die kalte Zugluft.
