Infrarotbeheizung

Ausgangslage

In den Jahren 2009/10 wurden verschiedene Wärmeerzeugungssysteme für die Beheizung von Kachelöfen versuchsweise getestet. Dabei stand die Eruierung des geeigneten Systems zur schonenden Beheizung der historischen Kachelware im Mittelpunkt. Zur Diskussion standen Heizstrahler oder konventionelle Elektroeinsätze. Weitere Vorgaben waren eine verhältnismässig schnelle Transmission der Wärmeenergie in den Raum und eine vertretbar geringe Anschluss-Leistung. Untersucht wurde die Eignung von:

• Elektroheizstäben
• Elektrogebläsen
• Infrarot-Heizgeräten für Wohnhäuser
• industriellen Hochleistungsstrahlern

Die Wahl fiel auf Infrarot-Spezialstrahler. Die Tests sollten die Wärmeleistung der mit diesen Strahlern beheizten Kachelöfen und deren Folgen für die Kachelsubstanz aufzeigen. Untersucht wurden die Belastbarkeit der Kacheln mit der gewählten Beheizungs-Methode und die möglicherweise auftretenden Schäden am Kachelmaterial. Dabei wurden verschiedene relevante Werte erfasst, die in Zusammenhang stehen.

Aus diesen ersten Versuchen kristallisierte sich heraus, dass industrielle Strahler den Vorgaben gerecht werden. Sie sind mit einem speziellen Widerstandsmaterial gebaut, das äusserst langlebig und korrosionsbeständig ist. Die Leistung der Strahler ist entsprechend dem Einsatz in der Praxis auslegbar. Dies betrifft nicht nur die verbaute Leistung, sondern ebenso die Anordnung der Strahler im Brennraum. Auch die Steuerung wird den Begebenheiten vor Ort angepasst programmiert.

Dieses System kommt mit verhältnismässig geringer Anschlussleistung aus, erwärmt aber Materie (Kacheln, Ton, Gips) durch den hohen Emissionsfaktor des Widerstands am schnellsten. Weiter können diese Strahler hinsichtlich Form und Abstand zum inneren Kachelofenmantel genau auf den Ofen ausgelegt werden und sind so hinsichtlich Leistung präzise definierbar. Die Strahler halten in der industriellen Anwendung bis zu 800°C problemlos aus, Werte, die also weit über denjenigen eines Kachelofens liegen. Für deren Beheizung wurde als Obergrenze 300°C definiert, da dies aufgrund der Versuche komplett ausreichend war. Somit werden die Widerstände nie an ihre Belastungsgrenze geführt.

Testphase

Die Firma Origoni baute für die Tests mit Spezialstrahlern zur Beheizung von Kachelöfen einen Musterofen auf, an dem die thermischen Auswirkungen auf die Substanz eines Kachelofens getestet werden konnten. Bei der Wahl der Materialien, dem Kachelwandaufbau und der Wandstärke wurde darauf geachtet, dass sie denjenigen im Rathaus Luzern entsprechen. Im Vorfeld ausgedehnter Tests wurden am für den Test aufgebauten Objekt mit der Industrieversion der Strahler mehrtägige Versuche gefahren, in welchen der Kachelofen auf über 140°C Aussentemperatur erwärmt wurde.

In weiteren Tests wurden im Frühling 2011 zudem verschiedene in der Restaurierung verwendete Farben getestet, um deren Haltbarkeit und allfällige Verfärbungen bei verschiedenen Temperaturen zu prüfen sowie Rissbildungen oder Fugenveränderungen zu provozieren. Schon in dieser Versuchsserie zeigte sich, dass die Beheizung mit Strahlungswärme eine gleichmässige Wärmeverteilung sicherstellt und dass dabei die Stautemperatur im Inneren geringfügig höher ist als die innere Oberflächentemperatur der Kacheln.

Relevante Werte im Testverlauf waren Zeit und Temperatur an verschiedenen Messpunkten sowie die eingesetzte Leistung. Visuelle Werte: Vor Testbeginn wurde der Kachelofen fotografiert. Laufend wurden die möglichen Schäden, die am Kachelofen auftreten können, dokumentiert und protokolliert.

Folgende Mess- und Prüfwerte wurden kontinuierlich überwacht und protokolliert:

• Innen-Temperatur der Kacheln (3 verteilte Messpunkte mit eingelegten Fühlern im Kachelofenmantel, 1 cm hinter der Innenwand); Fühler F1 (T1), F2 (T2) und F3 (T3)
• Aussentemperatur der Kacheln (8 verteilte Messpunkte); Fühler F4 (T4) wird permanent via Messgerät überwacht. Die anderen Messpunkte werden entsprechend manuell laufend erfasst.
• Leistung der Strahler über die Steuerung (0-100% regulierbar in Stufen von 1-10); Die Leistungsstufe, welche verwendet wird, ist protokolliert.
• Kontrolle der Fugen und Kacheln (Rissbildung / Spannungsrisse etc.)
• Kontrolle der Veränderungen der Farben auf der Glasur der Kacheln

Testverlauf

Der Testverlauf umfasste vier Phasen:

Phase 1: Aufheizen der Kachelofensubstanz (Normalbetrieb bis max. 50°C Kacheltemperatur aussen) Referenzpunkt ist dabei Messpunkt F4 (T4)

Phase 2: Halten der Temperatur und Nachverfolgen der Temperatur-Verteilung, dies über mehrere Stunden

Phase 3: Abkühlung. Nachverfolgung der Temperaturverteilung und Speicherungszeit

Phase 4: Erhöhung der Kacheltemperatur auf 120°C (Halten der Temperatur über mehrere Stunden)

Auch nach diesem Test konnten keinerlei Schäden am Kachelofen festgestellt werden, weder an Fugen noch an Kacheln und ebenso wenig im Inneren des Ofens.

Die Beheizung mit den Hochleistungsstrahlern ist gefahrlos für die Kachelofensubstanz wie auch für die in der Restaurierung verwendeten Farben. Durch den Einsatz von Strahlern mit einem hohen Emissionswert, den gewählten Spezial-Strahlern, wird eine homogene Erwärmung der Substanz des Kachelofens gewährleistet sowie eine verhältnismässig schnelle Transmission der Wärmeenergie in den Raum sichergestellt. Die Anschluss-Leistung der Spezialstrahler ist verhältnismässig gering und wird mehrheitlich in Strahlungswärme umgesetzt. Die Steuerungsmöglichkeiten, zusammen mit diversen Sicherheitskomponenten, garantieren einen langlebigen und gefahrlosen Betrieb der auf diese Weise beheizten Kachelöfen.

Die Testserie war unerlässlich und erbrachte die nötigen Erfahrungswerte für eine sichere Umsetzung. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurde die Auslegung der Spezial-IR-Heizung im Inneren der Kachelöfen objektspezifisch geplant.

Effekt bei herkömmlichen Heizstäben

Herkömmliche Elektroheizstäbe werden wesentlich wärmer als die im Rathaus gewählten IR-Strahler (ca. 500° bis zu 800°C, rotglühend) und besitzen einen relativ tiefen Emissionswert im Sinne der Wärmestrahlung. Sie erzeugen primär Konvektionswärme, im Unterschied zu den im Rathaus eingesetzten Strahlern, die durch den hohen Emissionswert der Strahler vorwiegend Strahlungswärme erzeugen.

Der Heizeinsatz konventioneller Elektrostäbe wärmt vorwiegend die Luft im Ofeninnern, die in der Folge die Kachelsubstanz nur stark verzögert erwärmt. Sie wird dabei auf bis zu 250°C erwärmt und bewirkt eine sehr inhomogene Erwärmung der Kachelsubstanz. Da Luft die Eigenschaft hat, nur bei einer grossen Temperaturdifferenz einen Körper erwärmen zu können, und da in einem Ofenkörper zudem die Luftschichtung zwischen Boden und Decke sehr gross ist, erwärmt sich der Kachelofen zuerst oben, womit eine grosse Differenz zwischen unten und oben entsteht.

Um einen Ofen aber effizient und schonend zu beheizen, wäre genau das Umgekehrte notwendig. Die Luftschichtung zwischen Boden und Eindeckung ist enorm, die Temperaturdifferenz zwischen unten und oben beträgt bis zu 80°C.

Effekt bei Strahlungs- oder Infrarotwärme

Strahlungswärme, wie sie ein herkömmlicher Kachelofen in den Raum abgibt, hat eine andere Wärmestrahlungswellenlänge. Dieses Verhalten macht man sich mit dem Einbau von IR-Strahlern zunutze, indem quasi der Ofen im Ofen gebaut wird: Dabei wird zuerst die Kachelsubstanz, nicht die Luft, erwärmt. Dazu benötigt man ein Widerstandmaterial, das einen hohen Emissionswert hat, um primär Strahlungswärme zu erzeugen.

Die im Rathaus verbauten Strahler besitzen einen sehr hohen Emissionswert und erzeugen fast ausschliesslich Strahlungswärme. Der Infrarot-Heizeinsatz wärmt ohne Verzögerung vorwiegend das innere Kachelmaterial und ist damit sehr reaktionsstark. Zirkulierende Luft und Temperatur der Kachelsubstanz gleichen sich einander an. Dadurch entsteht bei der Lufttemperatur praktisch keine Schichtung zwischen Boden und Eindeckung.

Der Kachelofen wird in grösstmöglichem Mass gleichmässig erwärmt. Können die Infrarot-Heizeinsätze am Boden angeordnet werden, nähert man sich der Situation eines traditionell befeuerten Ofens an, in dem sich die Wärme von unten nach oben ausbreitet.

Bedarfsgesteuerte Einzelraumregelung

Die umfassenden IR-Strahler-Einsätze (anstelle der örtlich wirkenden Gaseinsätze) bewirken eine ausgewogenere und schneller reagierende Abstrahlung des Kachelofens. Mit deren Einbau konnte die Raumtemperatur-Regelung von einem 24-Stunden-Vollbetrieb auf eine bedarfsgesteuerte und energiesparende Einzelraumregelung umgerüstet werden.

Die intelligente Regelung unterscheidet neu verschiedene Raumbetriebsarten:

• Komfort: Diese wirkt typischerweise bei Anwesenheit von Personen,und es ist ein Raumtemperatursollwert von 20° hinterlegt.
• Economy: Während den ordentlichen Abwesenheitszeiten, z. B. in der Nacht, wird die Temperatur auf 14°C bis 16°C reduziert.
• Schutzbetrieb: Bei längeren Abwesenheitszeiten, z. B. Ferienbetrieb, kann der Sollwert auf zirka 10°C abgesenkt werden.

Die Anwesenheit von Personen wird pro Raum durch einen Präsenzmelder erfasst. Sie schaltet automatisch (nach einer einstellbaren Zeitverzögerung) die Betriebsart auf Komfort und gibt auch die zusätzlichen, mobilen IR-Heizwände frei. Diese sind über entsprechend geschaltete Steckdosen im Regelsystem eingebunden und können je nach Bedarf flexibel eingesetzt werden. Meldet der Präsenzmelder „Abwesenheit“, schaltet die Raumregelung automatisch wieder zurück auf den Economy-Betrieb und reduziert die Wärmeabgabe auf den Kachelofen.

In Abhängigkeit von der gemessenen Raumtemperatur und dem jeweiligen Sollwert werden die IR-Heizelemente über ein Stromventil stetig, dass heisst im Bereich von 0-100% geregelt. Parallel wird die Ofenkerntemperatur beobachtet. Sobald diese den eingestellten Grenzwert von 60°C übersteigt, wird die IR-Strahler-Leistung begrenzt.

Vielfach ist die Raumbelegung auch vorgängig bekannt. Damit die Räume dann schon beim Betreten behaglich warm sind, kann der Hauswart für jedes einzelne Zimmer das Wochenzeitschaltprogramm vorgeben.