18/02/2016
Introductie op stralingswarmte als verwarming
Spectrum van zonnestraling.
Het menselijk lichaam is een stralingsbron, evenals de zon. Toch wordt (infrarood) straling tegenwoordig nog maar mondjesmaat toegepast voor verwarming van gebouwen. Dit is toch merkwaardig, omdat infrarood stralingssystemen met betrekking tot gezondheid, comfort, energie en kosten vele voordelen kennen ten opzichte van convectiesystemen.
In dit artikel geef ik een introductie over stralingswarmte: wat het is, hoe het werkt en hoe we het kunnen toepassen voor verwarming in ruimtes.
Zonnewarmte
Warmte in de vorm van straling is een bekend fenomeen: vrijwel iedereen vindt het heerlijk om opgewarmd te worden door zonnestralen. Maar wat is zonnewarmte nu eigenlijk? Zonlicht bestaat uit een breed spectrum van elektromagnetische straling, variërend van UV tot infrarood. UV-straling tast materialen aan en is bij langere blootstelling schadelijk voor de gezondheid. Het spectrumgedeelte van zonlicht dat stralingswarmte afgeeft is infrarood: infra betekent onder. Zie het spectrum van zonnestraling op de afbeelding boven dit artikel.
Iedereen kent ook het verschijnsel dat zonlicht in de winter binnen achter glas voelbaar is, terwijl het buiten koud is. Om dit verschijnsel uit te leggen moeten we het infraroodspectrum analyseren: om het simpel te houden beschouwen we het spectrum van het nabij-infrarood met korte golf (ca. 780nm) en lange golf infraroodstraling (ca. 10.000nm).
Stralingsspectrum nader bekeken: Hoe korter de golflengte van de straling, des te meer energie die bevat.
Nu blijkt dat korte golf infraroodstralen door glas heen gaan en ons lichaam en alle materie in de kamer aanstralen en opwarmen, terwijl lange golf infraroodstralen uitgezonden door de opgewarmde materie en het menselijk lichaam het glas weer opwarmen en er niet doorheen gaan. Lucht in contact met opgewarmde materie zal eveneens opwarmen. De warmte zit nu gevangen en het wordt binnen steeds warmer zolang de zon naar binnen schijnt. Dit noemen we het broeikaseffect.
Menselijk lichaam
De lage temperatuur en het type straling (lange golf nabij-infrarood) benaderen die van het menselijk lichaam. Biologisch gezien betekent dit dat het menselijk organisme zo min mogelijk verstoord wordt, terwijl het lichaam zeer ontvankelijk is voor dit soort warmtestraling. Zonlicht bevat een gedeelte infraroodstraling. Dit verklaart waarom we op wintersport op luwe plekken met ontbloot lichaam in de zon kunnen liggen bij temperaturen onder nul.
Op wintersport: bij zeer lage temperaturen is het buiten toch lekker vertoeven in de zon
Stralingsverwarming is niet verwarmen maar opwarmen!
Een van de eigenschappen van infraroodstraling is dat die alleen materie opwarmt en niet de lucht. Hier wordt handig gebruik van gemaakt bij infraroodtoepassingen. Als we een infraroodstraler als warmtebron toepassen, dan moeten we fundamenteel anders denken. Luchttemperatuur is hierbij niet meer de graadmeter: een kamerthermostaat zal niet goed werken als middel om de behaaglijkheid in de woning te regelen, omdat de luchttemperatuur niet direct door infraroodstraling beïnvloed wordt. Sterker nog: als de kamerthermostaat zelf wordt aangestraald zal die waarschijnlijk een hogere waarde aangeven dan de kamertemperatuur! In principe wordt de ruimte zelf dus niet verwarmd maar wordt aangestraalde materie (zoals steen, hout, kunststoffen, water, de huid, enz.) opgewarmd. Een infraroodverwarming moet daarom goed ontworpen (gesitueerd) en ingeregeld worden.
Lage temperatuurverwarming (LTV)
Warmtestralers waarbij geen licht wordt waargenomen vallen onder de zogenaamde donkere stralers. Infraroodstraling is niet zichtbaar maar wel degelijk voelbaar. Langdurige blootstelling aan deze warmtestraling is aangenaam en niet gevaarlijk.
De temperatuur van de stralingsbron en het materiaal ervan bepalen de intensiteit van de straling. Stalen houtkachels stralen bij een temperatuur tussen 250-5000C. Stralingspanelen stralen bij een lagere temperatuur: 60-1250C. Keramische tegelkachels stralen bij ca. 30-500C en warmtemuren en vloer- en plafondverwarming stralen bij nog lagere temperaturen (18-230C) warmte uit. Stralingsbronnen met een bedrijfstemperatuur lager dan 500C behoren tot de lage temperatuur verwarming (LTV) en stralen ongeveer met dezelfde golflengte als het menselijk lichaam (ca 10.000nm). Dit is interessant, omdat het menselijk lichaam daar zeer gevoelig voor is. Sterker nog, je mag de warmtebron aanraken (knuffelmuur), zonder gevaar voor verbranden.
Stralingsoppervlak
Hoe groter het stralingsvlak, des te lager de stralingstemperatuur en stralingsintensiteit kunnen zijn. Warmtemuren en vloer- en plafondverwarming hebben een veel groter oppervlak dan een tegelkachel of infraroodpanelen. Een groot stralingsoppervlak zorgt voor een zeer gelijkmatig stralingspatroon bij lage oppervlaktetemperaturen. Infraroodstraling zal door lichte, glimmende en spiegelende oppervlakken weerkaatst worden en door donkere, matte oppervlakken geabsorbeerd worden. Ook dit is een interessant verschijnsel: een infrarood stralingsbron zal andere objecten aanstralen die op hun b***t ook weer gaan stralen. Ook kan infraroodstraling door middel van spiegelende vlakken gericht en gebundeld worden.
Infraroodstraling is dus bij uitstek geschikt om in hoge en open ruimtes een aangenaam klimaat te creëren. Voor architecten biedt dit de mogelijkheid voor bijzondere ruimtelijke ontwerpen, die anders moeilijk te verwarmen zijn. Ook bij renovatie en restauratie biedt infraroodstralingsverwarming vaak uitkomst.
In een volgende artikelen zal ik dieper ingaan op lage temperatuur verwarming (LTV), eigenschappen, voor- en nadelen en verschillende systemen