Infrarotbeheizung
Das Beheizen eines Kachelofens mit Infrarot-Speizalstrahlern
Die Idee einer substanzschonenden, reaktionsstarken Beheinzung von Kachelöfen konnte an über 100 Objekten mit Erfolg in die Praxis umgesetzt werden
Unser weltweites und schweizweites Alleinstellungsmerkmal.
Als Beispiel: die Kachelöfen im Rathaus Luzern
Die mit der Infrarot-Kamera aufgenommenen Bilder illustrieren den Effekt der Infrarotwärme im Kachelofen deutlich: die Wärmeverteilung im Ofenkörper ist jetzt homogen, ebenso ist die Wärmeschichtung ausgeglichen.
Die Wärmeverteilung sowie die Wärmeleistung der Kachelöfen präsentieren sich vor Ort äusserst erfreulich. Die Wandstärken sind bei allen Kachelöfen unterschiedlich, entsprechend ist auch die Temperaturverteilung schwierig zu steuern. Die Reaktionszeit der IR-Spezialstrahler ist aber, trotz dieser zum Teil grossen Wandstärkendifferenzen, enorm kurz und die Wärmeverteilung sehr homogen. Hier zeigt sich die Funktionsweise von Strahlungswärme im Vergleich zu herkömmlichen Heizstäben sehr deutlich. Auch die Temperaturschichtung im Inneren des Kachelofens ist deutlich tiefer als mit konventionellen Heizstäben.
Jeder Kachelofen kann substanzschonend mit Infrarot-Spezielheizstrahlern beheizt werden.
Pioniere im Beheizen von Kachelöfen mit einer Infrarotbeheizung
Die Beheizung der Kachelöfen im Rathaus Luzern mit Infrarot-Spezialstrahlern im Detail
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
Die Messpunkte F2 bis F4 (in der Mitte) sind an das Prüfgerät angeschlossen.
3D-Ansicht des Kachelofens mit den Strahlern im Innenraum
Nachverfolgen der Temperaturverteilung und der Speicherungszeit
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.
Funktionsprinzip der Strahlungs- oder Infrarotwärme im Ofeninnern
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.
Der Ofen 6 im Portraitsaal wurde vor der aktuellen Intervention mit einem Gas-Heizeinsatz beheizt.
Illustration der Wärmeverteilung im Ofen mit Hilfe der Wärmebildkamera
Im am Ofen 5, Vorzimmer, nachfolgend gezeigten Beispiel ist ein kreisförmiger Infrarot-Strahler im untersten Bereich des Kachelofens eingebaut. Dieser ist nicht höher als ein Viertel der Gesamthöhe des Ofens, und flächenmässig machen die Infrarotstrahler nur einen Bruchteil der gesamten Innenfläche des Körpers aus, den Rest des Ofeninnern erreicht die Strahlungswärme über die Reflektion der langewelligen Wärmestrahlung. Es verhält sich ähnlich, wie bei der Beheizung eines Wohnraums mit modernen Infrarot-Heizkörpern, zum Beispiel aus Glas, welches auch einen hohen Emissionswert besitzt. Der Grossteil der Materie im Raum wird über die Reflektion der Wärmestrahlung erreicht. Die Fläche der Heizung selbst, die benötigt wird, macht nur einen Bruchteil der gesamt Fläche aus, und trotzdem wird das ganze Zimmer gleichmässig erwärmt.
Die Wärmeverteilung sowie die Wärmeleistung der Kachelöfen präsentieren sich vor Ort äusserst erfreulich. Die Wandstärken sind bei allen Kachelöfen unterschiedlich, entsprechend ist auch die Temperaturverteilung schwierig zu steuern. Die Reaktionszeit der IR-Spezialstrahler ist aber, trotz dieser zum Teil grossen Wandstärkendifferenzen, enorm kurz und die Wärmeverteilung sehr homogen. Hier zeigt sich die Funktionsweise von Strahlungswärme im Vergleich zu herkömmlichen Heizstäben sehr deutlich. Auch die Temperaturschichtung im Inneren des Kachelofens ist deutlich tiefer als mit konventionellen Heizstäben.
Die mit der Infrarot-Kamera aufgenommenen Bilder illustrieren den Effekt der Infrarotwärme im Kachelofen deutlich: Die Wärmeverteilung im Ofenkörper ist jetzt homogen, ebenso ist die Wärmeschichtung ausgeglichen.
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.
Behaglichkeit / Raumklima
Früher mussten die Räumlichkeiten ergänzend mit elektrischen Luftheizapparaten erwärmt werden. Zudem benötigten die Gasheizungen Frischluft, welche durch die undichte Bauhülle von aussen nachströmte. Dies hatte zur Folge, dass sich im Winter ein sehr trockenes Raumklima entwickelte.
Dank der neuen, viel ausgewogeneren Strahlungsheizung stellt sich bereits bei tieferen Raumlufttemperaturen eine angenehme Behaglichkeit ein, verbunden mit dem erfreulichen Effekt der höheren relativen Raumluftfeuchtigkeit. Dies wirkt sich positiv auf das Raumklima aus, sowohl für die Besucher wie auch für die wertvolle Innenausstattung.
Sicherheitseinrichtungen
In jedem Kachelofen sind zusätzlich ein unabhängiger Temperaturthermostat und ein Rauchmelder eingebaut. Im Ereignisfall würden diese Elemente die IR-Einsätze stromlos schalten und über das System verschiedene E-Mail- oder SMS-Empfänger alarmieren.
Remote-Bedienung
Das komplette Regelungs- und Steuerungssystem ist via Web visualisiert und einfach zu bedienen. So kann der Hauswart oder das Gebäudemanagement der Stadt Luzern vom Arbeitsplatz aus, aber auch über ein Smart-Phone die Anlage bedienen und überwachen. Natürlich ist auch die Bedienung vom Service-Raum aus gewährleistet.
Kontrollierte Inbetriebnahme
Bei der Inbetriebnahme wurden die Kachelöfen behutsam über mehrere Tage in kleinen Temperaturschritten von 5°C bis auf 40°C Kerntemperatur aufgeheizt. Nach der völligen Austrocknung der Öfen nach mehreren Betriebsstunden konnte die Kerntemperatur langsam auf die maximalen 60°C angehoben werden.
Fazit
Die Idee einer substanzschonenden, reaktionsstarken Beheizung der Kachelöfen konnte am Objekt Rathaus Luzern mit Erfolg in die Praxis umgesetzt werden. Die in der Zwischenkontrolle am 8.November 2011 mit der Wärmebildkamera aufgenommenen Werte und das Abgleichen der Messwerte der Steuerung haben erwiesen, dass von heiz- und steuerungstechnischer Seite her das Heizsystem den Anforderungen vollumfänglich gerecht wird.
Die angestrebte gleichmässige Entwicklung von Strahlungswärme auf die Masse und die ebenso kontinuierliche Temperaturverteilung der beheizten Kachelöfen, ein sehr wichtiges Kriterium zum Schutz der historischen Substanz, konnte zur Zufriedenheit aller Beteiligten realisiert werden.
Die Anschlussleistung der Infrarot-Strahlungswärme ist geringer als die herkömmlicher Heizstäbe. Zudem ist die Reaktionsstärke der IR-Strahler weit höher als die gebräuchlicher Stahl-Strahler, ein wichtiger Fakt für eine energiesparende, bedarfsgeführte Einzelraumregelung. Entscheidend sind Emissionswert und Aufbau der Strahler. Mit diesem System können die Energie bedarfsgerecht eingesetzt und die internen und externen Wärmegewinne effektiv verwertet werden.
Der Unterschied zwischen Konvektionswärme und Strahlungswärme ist jedem Hafner bekannt, nicht ausreichend aber einem breiteren Publikum. Es fehlt auch konventionellen Heizungsingenieuren an Erfahrung. Mit dem erfolgreichen Projekt Rathaus Luzern wurde ein Meilenstein gesetzt, der Beachtung finden wird und vor allem für die Beheizung historischer Kachelöfen Vorbildwirkung hat.
Wärme ist nicht gleich Wärme
Die Vorteile von Beheizen mit Infrarot liegen auf der Hand
- Man benötigt keinen Kamin
- Man kann statische Probleme umgehen, da der Kachelofen auch ohne Innenleben aufgebaut werden kann
- Man kann das Innenleben des Kachelofens historisch restaurieren
- Man kann jeden Kachelofen mit Infrarot beheizen - auch in Museen, alten denkmalgeschützten Objekten oder Gebäuden ohne Kamin
Jeder Kachelofen wird individuell begutachtet, danach wird Ihrem Wünschen und Ansprüchen nach ein Konzept erstellt. Es kann somit jeder Kachelofen mit Infrarot beheizt werden.
Machen Sie sich doch ein eigenes Bild und kommen Sie einmal in unserer Ausstellung vorbei, und lassen sich von der Wärme eines Infrarotbeheizten Kachelofens überzeugen.
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