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Glas und die elektromagnetische Strahlung
Für sichtbares Licht ist die Durchlässigkeit von Glas besonders hoch; daher ist Fensterglas durchsichtig. Für langwellige Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich über 2,7 µm dagegen ist Fensterglas nahezu völlig undurchlässig (ein Naturgesetz der elektromagnetischen Strahlung). Würden unsere Augen nur in diesem Bereich sehen, wäre Fensterglas so undurchsichtig wie eine Mauer aus Stein (nach: „Wie funktioniert ein Treibhaus?“, www.weltderphysik.de/de/4587.php).
Daher muss das U-Wert-Denken auch beim Fenster neu durchdacht werden:
Doppel- und Dreifachscheiben, Edelgasfüllungen und metallische Beschichtungen zur „Reduzierung der Transmissionswärmeverluste“ (Thermodynamik) sind überhaupt nicht notwendig, wenn Temperaturstrahler (Quantenmechanik) zur Gebäudeheizung verwendet werden, da die Wärmeenergie (Kaminfeuer, Kachelofen, temperierte Wand, Infrarot-Heizpaneel) ohnedies im Raum verbleibt. Die Fixierung auf die „Minimierung“ der kF-Werte ist insofern ein einseitiges Vorgehen und bezieht sich nur auf Konvektionsheizungen.
Außerdem kann bei einer Strahlungsheizung die Raumlufttemperatur wesentlich gesenkt werden – die Energieeinsparung ist demzufolge eine gewaltige!
Bei einer Strahlungsheizung herrschen andere physikalische Gesetze. Die Strahlungsheizung muss deshalb aus grundsätzlichen physikalischen, physiologischen und ökologischen Erwägungen heraus und aufgrund wirtschaftlich-technischer und gesundheitlicher Vorteile gegenüber der Konvektionsheizung favorisiert werden. Die in der Heiztechnik und der industriehörigen „Bauphysik“ fast ausschließliche Beschränkung auf die Konvektionsheizung ist nicht zu verantworten.
Der methodische Fehler der konventionellen Heiztechnik
Strahlungswärme bedeutet eine Nutzwärme, die physiologisch günstig bewertet und vom menschlichen Organismus als wohltuend empfunden wird. Seit Urzeiten nutzt und genießt der Mensch die Strahlungswärme der Sonne.
Die konventionelle Heiztechnik ist nicht in der Lage, die Strahlung physikalisch richtig einzuordnen. Sie verharrt in den methodischen Regularien der für eine übliche Konvektionsheizung geltenden klassischen Wärmelehre und versucht nun, die Strahlung hier mit einzupassen. Strahlung ist jedoch eine elektromagnetische Welle und kann deshalb mit Wärmeleitung und Wärmeströmung nicht gleichgesetzt werden. Man begeht damit methodisch einen gravierenden Fehler. Dieser allgemeine Missstand wird jedoch systematisch zu verschleiern versucht.
Die drei Möglichkeiten des Wärmetransports
Es gibt drei Möglichkeiten des Wärmetransports: (1) Wärmeleitung, (2) Wärmeströmung oder Konvektion und (3) Wärmestrahlung.
Die Wärmeleitung und damit auch die Konvektion ist Teil der klassischen Wärmelehre und braucht zum Wirksamwerden immer Temperaturdifferenzen (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik – Wärme fließt vom höheren zum niedrigeren Potential). Dies wird auch bei den Dimensionen erkennbar [W/m²K], [W/mK]. In der Heiztechnik spricht man von „Übertemperaturen“.
Dagegen ist die von einer Oberfläche ausgehende Wärmestrahlung, wie z. B. die Heizfläche einer Strahlungsheizung oder die Oberfläche eines Raumes, eine elektromagnetische Welle, gleich dem sichtbaren Licht, der Radiowelle, den Röntgenstrahlen, und gehorcht im Gegensatz zur Wärmeleitung quantenmechanischen Gesetzen, eben dem Planckschen Strahlungsgesetz.
Dieses Strahlungsgesetz lässt sich nicht aus der klassischen Physik herleiten, sondern erfordert die Annahme quantenhafter Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlungsenergie durch den Schwarzen Strahler.
Es musste damals von Max Planck ein radikaler Bruch mit den klassischen Vorstellungen der Wärmelehre vollzogen werden. Somit lässt sich Strahlung physikalisch auch nicht mit den Mitteln der kinetischen Wärmelehre beschreiben.
Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt nun die Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge; das Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann führt daraus abgeleitet zur Strahlungsleistung, die sich nun proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur verhält (~ T4).
Strahlung benötigt zum Wirksamwerden also lediglich eine Temperatur. Eine Temperaturdifferenz, wie sie bei der Thermodynamik erforderlich wird, ist bei der Strahlung also fehl am Platz. Dies drückt sich auch in der Dimension für die Strahlungsleistung aus: Watt pro Quadratmeter [W/m²].
Vorteile durch Strahlungsheizung
Mit der Wärmestrahlung werden besonders günstige Wärmeleistungen erreicht, weil diese allein von der „absoluten Temperatur“ abhängen. Damit fallen Unterschiede von z.B. 10 oder 15 K nicht groß ins Gewicht, wie dies beim klassischen Wärmeübergang der Fall ist. Eine Strahlungsheizung funktioniert allein durch eine temperierte Fläche und kann deshalb auch nicht mit einer üblichen Konvektionsheizung, die auf vorliegende Temperaturdifferenzen zwischen Heizkörper und Luft angewiesen ist, verglichen werden.
Da Strahlung keine Luft, sondern nur massive Stoffe erwärmt (erst die erwärmten Oberflächen geben dann Energie an die Innenraumluft ab), ist bei einer Strahlungsheizung die Wandtemperatur immer höher als die Raumlufttemperatur.
Dies hat Vorteile:
Bei dem hygienisch notwendigen Luftaustausch wird dadurch viel Energie gespart.
Auch werden Kondensatschäden (Schimmelpilzbildung) vermieden.
Wer also Energie sparen und Schimmelpilze vermeiden will, wählt eine Strahlungsheizung!
Bei vielen Bauten, besonders aber in der Denkmalpflege, hat sich die Temperierung durch eine Strahlungsheizung sehr bewährt.
Quellen:
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