Sind Infrarotheizungen ein Heizsystem für die Zukunft?

Heizsysteme basieren bislang meist auf einer hydraulischen Verteilung mit angeschlossener energetischer Wandlungseinheit. Dabei wird das Prinzip der Bedarfsentwicklung umgesetzt. Das heißt, dass im Raum ein thermisches Bedarfsniveau definiert wird, das durch das hydraulische System und die daran angeschlossenen Wärmeübergabeeinrichtungen gedeckt werden muss. Für die Auslegungsnormen stellt diese Herangehensweise die etablierte Methode dar. Zu hinterfragen ist jedoch, ob die bauliche Bilanzgrenze des Raumes auch die Bilanzgrenze für die Aufrechterhaltung der thermischen Gütekriterien ist. Anhaltswerte dafür, dass dies nicht der Fall ist, wurden in der Vergangenheit durch die Definition einer Aufenthaltszone (1 m Entfernung von der Außenwand/0,5 m Entfernung von der Innenwand) beschrieben.

Elektrische Heizsysteme und hier speziell Infrarotheizsysteme¹⁾, verschärfen diese Sichtweise und fokussieren auf eine gezielte Beheizung des Nahbereiches um den Menschen, die man als „Kernaufenthaltszone“ bezeichnen kann. Das dynamische Systemverhalten wird hierbei speziell auf diesen Anwendungsfall abgestellt. Konsequent weitergedacht wird in diesem Zusammenhang auch die Wirkung auf den Menschen. Durch die Infrarotheizung wird der Strahlungswärmestrom in den Mittelpunkt der Betrachtung gestellt. Aktuell noch weitestgehend offen ist, wie unterschiedliche Wellenlängen der thermischen Strahlung auf die thermische Akzeptanz des Nutzers wirken. Dazu sind weitere Forschungsarbeiten angeraten.

In diesem Zusammenhang stellt sich aus praktischer Sicht die Frage, ob ein klassisches wasserbasiertes Heizsystem und ein System auf Basis von Infrarotheizungen eine geeignete Kombination darstellen können.

Speziell unter dem Gesichtspunkt der Substitution von fossilen Energieträgern wurde hierzu an der TU Dresden eine Studie zu IR-Heizungssystemen durchgeführt mit dem Ziel die Systemkombinatorik mit wasserbasierten Systemen zu analysieren. Die nachfolgenden Ausführungen fassen die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie /1/ zusammen.

Fußnote:

¹ Der Begriff „Infrarotheizung“ ist prinzipiell nicht auf ein Wandlungssystem (elektrisch/wasserbasiert) fokussiert, sondern wird vielmehr über einen Strahlungswirkungsgrad von mindestens 40 % definiert. D.h. mindestens 40 % der Wärmeabgabe muss über Strahlung erfolgen.

Systembeschreibung

Die Analysen in /1/ basieren auf einer ersten Studie, die im Jahr 2023 durchgeführt wurde /2/. Hier wurde ein typisches Einfamilienhaus betrachtet /3/, dessen umhüllende Bauteile so angepasst wurden, dass unterschiedliche Baualtersklassen (BA) realisiert werden konnten (Bild 1).

Mit Bezug auf Tabelle 1 entsprechen die in Klammern stehenden Werte den Heizlasten der Baualtersklassen. Die Leistung der Wärmeerzeuger wurde weitestgehend auf 120 % der Heizlast der Gebäude ausgelegt. Nur bei ausgewählten Varianten mit Wärmepumpe erfolgte eine kleinere Auslegung auf 30 % der Heizlast des Gebäudes. Der Index an den Systembezeichnungen verweist auf diesen Umstand.

Bild: TU Dresden

Entsprechend der Klassifizierung der Tabelle 1 wurde eine intermittierende und eine durchgehende Betriebsweise analysiert. Für die intermittierende Betriebsweise erfolgte die Analyse zweier Teilvarianten. In der ersten Variante wurde die Beheizung über ein klassisches, wasserbasiertes System mit freien Heizflächen (FH) angesetzt. Die zweite Variante stellt eine Hybridvariante aus freien Heizflächen und IR-Heizungen dar. In den hybriden Untersuchungen wird das wasserbasierte Heizsystem durchgehend bei niedrigen Systemtemperaturen betrieben²⁾ und die Infrarotheizungen laufen nur zu den definierten Nutzungszeiten. Hinsichtlich der Modellierung der IR-Heizungen wurde ein System mit einem Strahlungswirkungsgrad von 50 % technisch umgesetzt³⁾. Für die Bewertung der analysierten Systemkombinationen wurden ein energetischer Kennwert und ein repräsentativer thermischer Behaglichkeitskennwert herangezogen. Die energetischen Kennwerte wurden in Nutzenergie- und Endenergiekennwerte unterschieden. Hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit wurde die Einhaltung der Summenhäufigkeit der operativen Raumtemperatur analysiert. Kleine Unterschreitungen der Solltemperatur in einem Bereich von bis zu 10 % der Nutzungszeit wurden als akzeptabel angesehen. Bei etwaigen Überschreitungen des Grenzwertes in den Analysen wurde die Anheizzeit des intermittierenden Systems verlängert. Die Analysen wurden mit dem an der TU Dresden weiterentwickelten numerischen Simulationsprogramm TRNSYS-TUD /4/ durchgeführt.

Fußnote:

² Auf die Verwendung einer örtlichen Regeleinrichtung der freien Heizflächen wird innerhalb der hybriden Varianten verzichtet, da die Infrarotheizungen mit elektronischen Reglern ausgestattet sind.

³ Der Strahlungswirkungsgrad einer Flächenheizung variiert stark mit deren Ausrichtung. Die höchsten Strahlungswerte werden durch ein Deckensystem realisiert, da hier der konvektive Wärmeübergang gering ist. Eine Installation an der Wand begünstigt hingegen konvektiv bedingte Auftriebsströmungen und führt zu tendenziell niedrigeren Strahlungswärmeströmen und somit Strahlungswirkungsgraden. Im Sinne einer allgemeingültigen Aussage wurden diese Effekte in den dieser Veröffentlichung zugrundeliegenden Analysen nicht berücksichtigt.

Variantenvergleich

Nachfolgend sollen die Ergebnisse der Studie dokumentiert werden. Die Aufbereitung der Ergebnisse erfolgt hierbei nach den Baualtersklassen als Ordnungskriterium.

Neubau (Anlehnung an KfW 40)

Tabelle 2 liefert die energetischen Kennwerte für ein Neubaugebäude in Anlehnung an den KfW 40 Standard. Bei der Analyse ist zu beachten, dass zwischen der intermittierenden und der durchgängigen Betriebsweise zu unterscheiden ist. Bei der intermittierenden Betriebsweise wurde die Version mit freien Heizflächen so eingestellt, dass der Nutzungszeit eine zweistündige Anheizphase vorgeschaltet ist. Bei den IR-Heizungen gibt es diese Anheizphase aufgrund der sehr schnellen Reaktionsfähigkeit nicht. Gütekriterium bei allen Betrachtungen war die Einhaltung der operativen Raumtemperatur zu Nutzungsbeginn.

Bild: TU Dresden

Analysiert man die Daten der Tabelle 2 für den durchgehenden Betrieb, so wird deutlich, dass als Nutzenergie für das wasserbasierte System höhere Kennwerte zu verzeichnen sind als für das IR-Heizungssystem. Dies lässt sich mit der bleibenden Regelabweichung der thermostatischen Regelventile bei der Variante mit freien Heizflächen begründen. Auch für die Variante des intermittierenden Betriebes wird die bleibende Regelabweichung bei den energetischen Kennwerten im Raum sichtbar, jedoch liegt der Nutzenergiebedarf mit IRH aufgrund der besseren Dynamik über dem Wert der freien Heizflächen.Grundsätzlich sind jedoch bei der intermittierenden Betriebsweise im Vergleich zur durchgehenden Betriebsweise energetische Reduktionen von ΔQ_End = 16 …26 % zu realisieren.

Gebäude nach EnEV04

Für ein Gebäude nach EnEV04 Standard sind die energetischen Ergebnisse der Tabelle 3 zu entnehmen. Sie enthält auch die Anteile an der jeweiligen Energieart in %. Für alle Ergebnisse der Tabelle 3 werden die Kriterien der operativen Raumtemperatur während der Nutzungszeit eingehalten, daher soll auf das Kriterium der thermischen Behaglichkeit nicht weiter eingegangen werden.

Bild: TU Dresden

Die Ergebnisse zeigen, dass der Anteil der IR-Heizungen bei den hybriden Varianten zwischen 12 und 13 % bezogen auf die Nutzenergie und zwischen 12 und 39 % bei der Endenergie schwankt. Wesentlicher Grund für die große Schwankungsbreite ist die Auslegung des Wärmeerzeugers. Beim BW-Kessel wurde dieser bewusst auf 120 % der Heizlast ausgelegt, was der Praxis entspricht. Die LWWP wurde hingegen nur auf 30 % der Heizleistung ausgelegt. Damit wird eine lange Laufzeit der Wärmepumpe über das gesamte Jahr erreicht. Zu erkennen ist dies aus Bild 2 , das die mittlere stündliche Heizleistung für eine ausgewählte hybride Variante mit IR-Heizungen zeigt.

2 - Stündliche Heizleistung für die hybride Variante mit LWWP (Systemtemperaturen: 35/28 °C) Bild: TU Dresden

Altbau (WSVO77 / Baualtersklasse 1950)

Für die Kategorie der Altbauten sind die Ergebnisse der Studie /1/ den Tabellen 4 und 5  sowie den Bildern Bild 3  und Bild 4 zu entnehmen.

Bild: TU Dresden

3 - Nutzenergiebedarf – ausgewählte Varianten der Analyse für die Baualtersklasse WSVO77 (intermittierender Betrieb) Bild: TU Dresden

Die Ergebnisse für die WSVO 77 zeigen (Tabelle 4), dass zwischen der Wärmepumpe und dem Niedertemperaturkessel in Hinblick auf die Nutzwärme nahezu kein Unterschied besteht. In Bezug auf die Endenergie sind deutliche Differenzen erkennbar. In der Kombination mit der Luftwasserwärmepumpe und einer intermittierenden Betriebsweise wurde das System zur hydraulischen Grundversorgung so gewählt, dass die Wärmepumpe eine Leistung von 30 % bezogen auf die Normheizlast besitzt.

4 - Nutzenergiebedarf – ausgewählte Varianten der Analyse für die Gebäude nach BA 1950 (intermittierender Betrieb) Bild: TU Dresden

Die Systemtemperaturen wurden auf ϑ_V/ϑ_R = 45/35 °C angepasst⁴⁾ (monoenergetisches hybrides System) (Erklärung Fußnote ⁴⁾). Zusätzlich wurde als Vergleichsvariante ein System ausschließlich mit Wärmepumpe, ohne IR-Heizungen, betrachtet. Im Hybridbetrieb wird durch die „Kleinstwärmepumpe“ in Kombination mit IR-Heizungen die Heizaufgabe erfüllt. Die Kriterien der thermischen Behaglichkeit werden eingehalten. In Hinblick auf die spezifische Nutzwärme werden jedoch durch das System mit reiner Luft/Wasser-Wärmepumpe niedrigere spezifische Energiekennwerte bestimmt, da der intermittierende Betrieb hier deutlich höhere Temperaturreduktionen während der Nichtnutzungszeiten bewirkt. Der Betrieb der Kleinstwärmepumpe führt zu höheren Raumtemperaturen außerhalb der Nutzungszeit und somit zu höheren energetischen Kennwerten.

Fußnote:

⁴ Diese Variante folgt dem Prinzip, dass das hydraulische System des Altbaus bestehend bleibt, die Wärmepumpe leistungsreduziert installiert wird und die residuale Restheizlast durch die IR-Heizungen gedeckt wird.

Bild: TU Dresden

Für die numerischen Untersuchungen nach BA 1950 (Tabelle 5) ist zunächst festzustellen, dass für alle Varianten die operativen Raumtemperaturen während der Nutzungszeit eingehalten werden. Das bedeutet, die Kombination der unterschiedlichen technischen Systeme erfüllt die Heizaufgabe. Energetisch betrachtet belegt der Anteil der IR-Heizungen Werte zwischen 17 …42 % bezogen auf die Endenergie, je nach Art des klassischen Wärmeerzeugers. Hinsichtlich der Dynamik der Systeme ist festzustellen, dass die Anheizzeiten durch den Einsatz von IR–Heizungen im Vergleich zu einem klassischen, wasserbasierten System verkürzt werden können. Die IR-Heizung als Komponente wirkt nahezu trägheitslos bei der Wärmeübergabe im Raum.

Fazit

Die numerischen Analysen zeigen, dass aus technischer Sicht IR-Heizungen im Neubau als Stand-Alone und im Bestandsbau als Hybridvariante mit einer Kleinstwärmepumpe (bezogen auf die Normheizlast) die operativen Raumtemperaturen realisieren können, ohne dass das bestehende Wärmeübergabesystem geändert werden oder die Gebäudehülle ertüchtigt werden muss.

Die Anheizzeiten sind bei IR-Heizungen kürzer als bei konventionellen Systemen, dies resultiert in einer längeren Absenkphase mit niedrigeren Raumtemperaturen. Aus energetischer Sicht ist dies als Vorteil zu werten.

Besonders für die Sanierung von Gebäuden stellt die hier untersuchte Kombination aus Wärmepumpe (Nennleistung 30 % der Heizlast) und IR-Heizungen ein interessantes System dar, um schnell fossile Energieträger zu substituieren. Zusammenfassend dokumentiert Bild 5 den Anteil der Infrarotheizungen an der Endenergie der untersuchten Baustandards für die untersuchten Varianten mit hybrider Wärmeübergabe.

5 - Anteile der Infrarotheizungen an der Endenergie für verschiedene Baustandards (Varianten: hybrid mit LWWP30) Bild: TU Dresden

Abschließend wird darauf verwiesen, dass innerhalb der Studie keine ökonomische Bewertung der umgesetzten Varianten vorgenommen wurde.

Abkürzungen

AZ Anheizzeit

BA Baualtersklasse

BW Brennwertkessel

durchg. durchgängiger Betrieb

COP Coefficient of Performance

FH freie Heizflächen (Radiatoren)

KfW Kreditanstalt für Wiederaufbau

LWWP Luft-Wasser-Wärmepumpe

interm. Intermittierender Betrieb

IR/IRH Infrarot/Infrarotheizung

NT Niedertemperaturkessel

TRV Thermostatregelventil

WE Wärmeerzeugung

WSVO Wärmeschutzverordnung

WÜ Wärmeübergabe

Symbole

ϑ_opoperative Raumtemperatur°C

ϑ_V Vorlauftemperatur°C

ϑ_R Rücklauftemperatur°C

t Zeit h

q_Nutz spezifischer Nutzenergiebedarf kWh/m²

Q_End Endenergie (energieformunabhängig)

Q_Erz Erzeugerendenergie (gasbasiert) kWh

Q_F,NT Feuerungswärme (NT – Kessel)kWh

Q_{End, (FH+IRH)} Endenergie (Summe aus freien Heizflächen und Infrarotheizungen) kWh

Q_Nutz,FH Nutzenergie (bezogen auf freie Heizflächen) kWh

Q_Nutz,IRH Nutzenergie (bezogen auf Infrarotheizungen) kWh

Q_{Nutz, (FH+IRH)} Nutzenergie (Summe aus freien Heizflächen und Infrarotheizungen) kWh

W_Erz Erzeugerendenergie (elektrisch) kWh

Literatur

Literaturhinweise

• /1/ Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Knorr, M.; Perschk, A.; Seifert, J.: Energetische Bewertung des Einsatzes einer Infrarotheizung als Spitzenlastabdeckung in Kombination mit einer Wärmepumpe für verschieden Bestandsgebäude, Forschungsbericht TU Dresden, 2024

• /2/ Knorr, M.; Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Seifert, J.; Perschk, A.: Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Forschungsbericht TU Dresden, 2023

• /3/ Seifert, J.: Ein Beitrag zur Einschätzung der energetischen und exergetischen Einsparpotentiale von Regelverfahren in der Heizungstechnik, Habilitationsschrift, TU Dresden, 2009

• /4/ Perschk, A.: Gebäude und Anlagensimulation – Ein „Dresdner Modell“. In: Gesundheitsingenieur (2010), August, Nr. 4