Stralingsverwarming: gezonde warmte met minder energie

Transcriptie

1 Stralingsverwarming: gezonde warmte met minder energie De Nederlandse overheid wil dat Nederland in 2050 alleen nog maar duurzame energie gebruikt. Om dit doel te bereiken moeten alle Nederlandse huishoudens in de komende jaren van het gas af. Op dit moment zijn nog maar 6% van de huishoudens gasloos. Meer dan 85% van de woningen in Nederland beschikt over centrale luchtverwarming. Luchtverwarming is echter een inefficiënte manier van verwarmen want het volledige volume aan lucht in de ruimte moet worden opgewarmd. Daarbij heeft warme lucht de vervelende eigenschap om naar het plafond te stijgen, waar ze van geen enkel nut is. Slechts een miniem deel van het energieverbruik van de centrale verwarming wordt nuttig gebruikt voor het verwarmen van mensen. Ook levert het niet het gewenste resultaat op: uit onderzoeken in kantoren en openbare gebouwen blijkt dat ongeveer 1 op 2 personen ontevreden is met het thermisch milieu. Ze hebben het te warm of te koud, ze klagen over slechte ventilatie, of ze worden ziek. We hebben een efficiëntere, comfortabelere en gezondere oplossing nodig, en die bestaat gelukkig: stralingsverwarming. Een stralingswarmtebron brengt energie rechtstreeks over naar de mens, zonder dat daarvoor eerst alle lucht in de ruimte moet worden opgewarmd. Dat is uiteraard veel energie-efficiënter. Omdat stralingsverwarming mensen rechtstreeks kan verwarmen, verhoogt ook het thermisch comfort in spectaculaire mate. De opkomst van een geheel nieuwe stralingswarmtebron is het (elektrische) verwarmingspaneel of (elektrische) verwarmingsfolie. Beide worden ook wel als infrarood (IR) verwarming aangeduid maar dit is feitelijk een onjuiste term want alle lichamen geven infraroodstraling af. Infraroodstraling is onzichtbaar voor het menselijk oog, maar door de huid waarneembaar wegens hun warmtewerking. Veel mensen denken dat elektrische verwarming energieverkwistend is maar dat is onjuist en hangt af van diverse factoren zoals mate van isolatie, gebruik en wensen van gebruiker. Aangezien een elektrisch stralingspaneel heel snel warmte kan leveren, hoeft het alleen maar te worden ingeschakeld als het nodig is, terwijl andere verwarmingsbronnen een ruimte continu op temperatuur moeten houden om instant comfort te kunnen leveren. Stralingsverwarming is net zo goed geschikt voor woonhuizen als voor kantoren, winkels, scholen, ziekenhuizen, openbare gebouwen, fabrieken als magazijnen. Nieuw wetenschappelijk onderzoek dringt langzaam maar zeker door tot de internationale comfortnormen, die nu nog een obstakel vormen voor de doorbraak van stralingsverwarming. Het aanbod van informatie blijft echter versnipperd en stralingsverwarming is nog steeds een grote onbekende voor het grote publiek. Hoe verloopt warmteoverdracht? De huidige verwarmingssystemen zijn bijna allemaal gebaseerd op het verwarmen van de lucht. Dat lijkt vanzelfsprekend, maar luchtverwarming ( convectie ) is niet de enige vorm van voelbare warmteoverdracht. Warmte kan ook worden overgebracht door conductie of straling. Als het belang van conductie of straling in de totale warmteoverdracht toeneemt, dan kan een mens zich s winters perfect comfortabel voelen bij relatief lage luchttemperaturen. Er zijn 3 vormen van warmteoverdracht: 1. Conductie 2. Convectie 3. Straling Straling werkt op een totaal andere manier dan convectie of conductie. De overdracht van straling verloopt op dezelfde manier als de overdracht van licht of geluid.

2 Iedereen kent het effect van stralingswarmte, want het is de directe warmte die door de zon wordt geleverd. Tijdens de lente of de herfst kan het in direct zonlicht en afgeschermd van de wind warm genoeg zijn om comfortabel in T-shirt op een terras te zitten, terwijl het een paar meter verderop in de schaduw zo koud kan zijn dat je een jas moet aandoen ook al is op beide plaatsen de luchttemperatuur ongeveer gelijk. Zomers is het verschil even duidelijk. Bij hoge temperaturen zoeken we verkoeling door uit de zon en in de schaduw te gaan zitten, ook al is de luchttemperatuur op beide plekken min of meer dezelfde. Infrarode straling heeft namelijk geen temperatuur, alleen maar energie. Pas als de straling op het oppervlak botst van iets dat massa heeft wordt de energie geabsorbeerd en omgezet in warmte. Lucht heeft nauwelijks massa, zodat infrarode straling bijna geen directe opwarming van de lucht als gevolg heeft. Daarom is de luchttemperatuur ongeveer even hoog in de schaduw als in de zon. De infrarode straling van de zon zorgt wel voor een indirecte opwarming van de lucht. De zonnestraling wordt geabsorbeerd door het aardoppervlak en omgezet in warmte. Het opgewarmde aardoppervlak zorgt vervolgens voor een vertraagde opwarming van de lucht door de eerder beschreven effecten van conductie en convectie. Het is dus niet de zon maar het aardoppervlak dat de lucht op aarde verwarmt. Dat verklaart waarom het na het vallen van de avond warmer is dan bij het krieken van de dag: het aardoppervlak is s avonds warmer dan s morgens. Hoewel de zon de primaire bron is van alle straling en daarmee (samen met geothermische energie) aan de basis ligt van de twee andere vormen van warmteoverdracht straalt alles en iedereen op aarde infrarode straling uit: het aardoppervlak, een steen, een mens, een stoel, een boek, een blokje ijs, enzovoort. Warmteoverdracht via straling ontstaat bij een temperatuurverschil tussen 2 objecten. De uitgezonden straling wordt geabsorbeerd (en in sommige gevallen gereflecteerd of doorgelaten) door de oppervlakken van objecten en lichamen met een lagere temperatuur dan het uitstralende object. Er is echter een belangrijk verschil tussen de straling afkomstig van de zon en de straling die wordt geproduceerd door het aardoppervlak, een object, of een mens. De zon is veel heter dan alle dingen op aarde, en het is de temperatuur van een object die bepaalt welke golflengtes in het elektromagnetisch spectrum de overhand hebben: hoe hoger de temperatuur, hoe groter het aandeel van kortgolvige straling. Zonnestraling bevat bijvoorbeeld ook ultraviolette straling en kortgolvige infraroodstraling, terwijl objecten met een lagere oppervlaktetemperatuur (tot ongeveer 100 graden) uitsluitend langgolvige infraroodstraling uitzenden. Dit verschil is essentieel. Omdat kortgolvige straling diep doordringt in het lichaam, kan ze schade aanrichten. Te lang in de zon zitten is daarom geen goed idee. Langgolvige infraroodstraling dringt echter niet in het lichaam door en is geheel onschadelijk gelukkig maar, aangezien alles rondom ons heen, gedurende dag en nacht, langgolvige infraroodstraling uitzendt. De menselijke huid is beschermd tegen de nadelige effecten van de zonnestraling door een groot deel van de kortgolvige straling te weerkaatsen in plaats van te absorberen. Met de veel minder krachtige, langgolvige infraroodstraling gebeurt echter het omgekeerde: de huid absorbeert deze straling bijna volledig, terwijl slechts een miniem percentage van de infrarode stralen (ongeveer 2%) wordt weerkaatst. Dat maakt de mens zeer gevoelig voor het opwarmend effect van langgolvige infraroodstraling.

3 Luchtverwarming isoleert, maar verwarmt niet Het is interessant om een vergelijking te maken tussen de verwarming van de aarde en de verwarming van een gebouw. De zon verwarmt ons op drie manieren: door directe aanstraling en opwarming van het lichaam (als we tenminste niet in de schaduw zitten), door het verhogen van de temperatuur van de oppervlakken in onze omgeving (waardoor het lichaam minder warmte verliest aan die oppervlakken), en door een indirecte opwarming van de lucht (waardoor het lichaam minder warmte verliest aan de lucht). De centrale verwarming verwarmt ons op een heel andere manier. Ze imiteert niet de zon maar één van de effecten ervan: het opwarmen van de lucht. Die opgewarmde lucht wordt vervolgens zo goed mogelijk vastgehouden door een luchtdicht gemaakt gebouw, waarvan het effect enigszins vergelijkbaar is met dat van een dik wolkendek. Daarbij zal het opwarmen van de lucht in de ruimte ook onrechtstreeks voor een beperkte temperatuursverhoging zorgen van de oppervlakken in de ruimte, omdat de warmte van de lucht via conductie wordt overgedragen naar de muren, de vloer en het plafond. Wat de centrale luchtverwarming echter niet doet, is het direct en daadwerkelijk opwarmen van de mens en het gebouw zelf. In feite is luchtverwarming strikt gesproken helemaal geen verwarming: het is isolatie. Een hogere luchttemperatuur zorgt ervoor dat het lichaam minder warmte verliest aan de omgeving via convectie, omdat het temperatuurverschil tussen huid en lucht kleiner wordt. Kleding doet precies hetzelfde door de luchtlaag tussen huid en textiel op te warmen, maar is veel efficiënter dan luchtverwarming omdat niet heel de kamer maar slechts een dun laagje lucht wordt opgewarmd de nodige energie daarvoor wordt door het lichaam zelf geleverd. Alleen wanneer de luchttemperatuur in een ruimte hoger is dan de temperatuur van de huid, zorgt luchtverwarming voor een daadwerkelijke opwarming van de mens. Maar uiteraard zet niemand de verwarming hoger dan 30 graden. Stralingsverwarming: echte warmte Het is perfect mogelijk om binnenshuis het effect van de zon na te bootsen, wat veel voordelen oplevert. Stralingswarmte kan op twee manieren worden ingezet voor de verwarming van een gebouw: enerzijds door het benutten van directe zonnestraling, wat bereikt kan worden door een optimale oriëntatie en een aangepast ontwerp van het gebouw, of door het gebruik van zonnecollectoren. Anderzijds kan stralingswarmte ook geproduceerd worden door een andere stralingswarmtebron dan de zon, zoals een tegelkachel of een elektrisch infraroodpaneel. In het geval van watergevoede infraroodverwarming kan het water verwarmd worden door zonnecollectoren, zodat beide methodes worden gecombineerd. Stralingswarmte is praktischer binnen dan buiten, omdat we de omgevingsfactoren onder controle hebben. Als er buiten een wind opsteekt, dan is het opwarmende effect van de zonnestraling snel weg. Het lichaam verliest bij toenemende luchtcirculatie veel meer warmte door convectie. Ook een hoge luchtvochtigheid kan het effect van straling tenietdoen: als er een wolk voor de zon schuift, is het effect van zonnestraling meteen weg. Wolken en wind zijn geen factoren binnenshuis en dus kan stralingswarmte perfect gecontroleerd worden. Wel kunnen net zoals in het geval van zonnestraling andere objecten een schaduw werpen, zodat de plaatsing van stralingswarmtebronnen, meubels en andere objecten een invloed kan hebben op de directe aanstraling van een mens.

4 Net zoals de zon warmt een stralingswarmtebron niet rechtstreeks de lucht op, maar brengt ze elektromagnetische energie over (zonder energieverlies) naar alles wat massa heeft. In de context van gebouwen- verwarming zijn dat bijvoorbeeld de vloer, de muren, het plafond, de meubels en natuurlijk ook de mensen zelf. In tegenstelling tot bij luchtverwarming worden mens en gebouw bij het gebruik van een stralings- warmtebron dus daadwerkelijk opgewarmd. Daarbij zorgt de directe opwarming van de oppervlakken in de ruimte ook voor isolatie van het lichaam. Ten eerste zal alles wat in het gezichtsveld van de stralingswarmtebron ligt in temperatuur stijgen en vervolgens zelf meer elektromagnetische energie uitstralen, zodat het warmteverlies van het lichaam naar de omringende oppervlakken wordt beperkt. In feite wordt zo de hele ruimte onderdeel van het verwarmingssysteem. Ten tweede zorgen de opgewarmde oppervlakken via conductie en convectie ook voor een beperkte en vertraagde opwarming van de lucht, waardoor het lichaam minder warmte verliest aan de omringende luchtlaag. Kortom, luchtverwarming isoleert, terwijl stralingsverwarming isoleert én verwarmt, net zoals de zon. Geen enkele stralingswarmtebron levert 100% straling. De zon doet dat wel, maar die bevindt zich in een vacuüm. Op aarde is er lucht en dus gaat straling altijd samen met convectie. Het oppervlak van een stralingswarmtebron maakt contact met de lucht, die door conductie wordt opgewarmd en stijgt. De verhouding van convectie en straling in de totale warmteoverdracht kan wel grondig verschillen. We spreken van een stralingswarmtebron als het aandeel straling meer dan 50% bedraagt. Bij de radiatoren die meestal met de CV-systemen worden gebruikt is het aandeel straling slechts 20-30%. Onze moderne radiatoren zijn in feite dus convectoren. Hete luchtblazers produceren zelfs 100% convectie. Verwarmen met straling komt in de praktijk vrijwel altijd neer op het verwarmen d.m.v. straling en convectie. Zowel de stralingsoppervlakken als de aangestraalde oppervlakken maken contact met de lucht en warmen die op door conductie. Stralingsverwarming is energie-efficiënter, gezonder en comfortabeler Vloerverwarming verwarmt de vloer van een vertrek gelijkmatig door middel van warmtestraling. Omdat de vloer met een lage temperatuur wordt verwarmd en een egaal oppervlak heeft, is er nauwelijks sprake van convectie. Doordat de warmte vrijwel geheel wordt afgegeven door radiatie verdeeld over de gehele vloer, is de warmteafgifte overal in de ruimte gelijk en is er slechts minimaal sprake van temperatuurgelaagdheid in de ruimtelucht. De bedoeling van verwarmen is niet het verwarmen van het gebouw maar het verwarmen van de mensen. Daarom moeten we begrijpen hoe het menselijk lichaam warmte uitwisselt met de omgeving. Er zijn 4 factoren van invloed: 1. Luchtvochtigheid (minder van belang bij verwarming) 2. Luchtcirculatie (tocht, meestal wel onder controle binnen) 3. Luchttemperatuur 4. Stralingstemperatuur Het zijn dus vooral luchttemperatuur als de stralingstemperatuur die belangrijk zijn.

5 De stralingstemperatuur is minstens even belangrijk voor het comfort als de luchttemperatuur. De stralingstemperatuur is de gemiddelde temperatuur van alle oppervlakken in de ruimte en vertegenwoordigt alle infrarode straling die in een ruimte wordt uitgewisseld. Ons lichaam kan ook als een verwarmingstoestel worden beschouwd. Omdat de temperatuur van de omgeving vrijwel altijd lager is dan de temperatuur van ons lichaam, stralen wij constant warmte uit: ongeveer 100 watt voor een persoon in rust. Warmte stroomt altijd van warm naar koud. Deze warmt uitwisseling tussen menselijk lichaam en de omgeving verloopt in rust via convectie (ongeveer 30%), straling (ongeveer 45%) en rest via evaporatie (25%). Omdat de warmte uitwisseling via straling minstens even belangrijk is als de warmt uitwisseling via convectie, is een hoge luchttemperatuur dus GEEN vereiste of garantie voor thermisch comfort. Hoe werkt stralingsvermogen? Een ruimte dient te worden voorzien van voldoende vermogen om aan een goed stralingscomforten verwarmingsvermogen te voldoen. Door grote vlakken op relatief lage temperatuur te brengen en reflecterende isolatie toe te passen is maar weinig vermogen nodig per m2. Hoe warmer een voorwerp is, hoe meer warmte het afstraalt. Verwar elektrisch vermogen niet met geëmitteerde warmte-energie ofwel uitgestraalde vermogen ook wel stralingswarmte genoemd. Een elektrische stroom wordt door het IRIS-systeem gestuurd, waar de weerstand in deze laag zorgt voor opwarming ervan. Dit gebeurt snel en efficiënt waardoor het IRIS-systeem in weinig minuten zorgt voor een aangename lange golf infrarode warmt uitstraling. Het kenmerk van infrarode straling is dat niet lucht, maar objecten, wanden en mensen en dieren worden verwarmd. Wat niet wordt opgenomen bij een object als warmte, wordt weerkaatst naar andere objecten en gaat niet verloren. Lange golf infrarood gaat ook niet door glas heen, maar wordt hierdoor weerkaatst. Door al deze kenmerken is het op temperatuur houden van een ruimte minder energieintensief dan bij luchtverwarmingssystemen. Zelfs natuurlijke ventilatie is mogelijk. Alle oppervlakken in een ruimte krijgen na een bepaalde periode dezelfde temperatuur. De reflectie-isolatie zorgt ervoor dat het verlies van infrarode straling naar buiten toe wordt beperkt tot slechts 17 W/m2. Dit wordt berekend a.d.h.v. de stralingswet van Stefan en Boltzmann: Q = 5,671 x ε x (T/100)4 in [W/m2]. Q is het stralingsvermogen in W/m2 en is bij een gegeven wandtemperatuur en emissiviteit van het materiaal eenvoudig te berekenen. De op 21 C (294 K) verwarmde IRIS-systeem straalt naar beide kanten uit. Bij een emissie-coëfficient van 0,9 betekent dit Q = 381 W/m2. Dit is het stralingsvermogen richting de ruimte conform dezelfde formule. De naar buiten toe afgegeven straling wordt vrijwel tenietgedaan door de reflectie-isolatie. Uitgaande van een emissiefactor van 0,04 is het verlies slechts Q = 17 W/m2. Een vermindering van 96%. Daarnaast zorgen de luchtspouwen tussen de isolatiefolie en de wand nog voor extra isolatie op het gebied van conductie- en convectiebeperking. Er zijn geen andere isolatiemaatregelen noodzakelijk. De isolatiefolie dient daarnaast als dampscherm en zorgt dat geen condensvorming kan plaatsvinden.

6 IRIS-systeem of warmtepomp? Iedere situatie is anders en er is geen "one size fits all". IRIS is bijvoorbeeld een droog systeem. Indien er sprake is van een goed geïsoleerde woning (Rc 4,0 of hoger), dan kan een warmtepomp in gebruik ook zéér aantrekkelijk zijn. De afweging voor een warmtepomp berust op nog meer factoren in combinatie met andere renovatie- of nieuwbouw afwegingen zoals b.v. investeringsbedrag, wensen t.a.v. koeling en sanitair warm water. Het voordeel van IRIS is dat het geen dik pakket isolatie vereist, maar slechts 18mm isolatiefolie en dus haast altijd toepasbaar is. Dit dunne pakket is voldoende om energie terug te kaatsen en minimaal door te stralen/emitteren. Ik moet me hier helaas nogmaals technisch uitdrukken: bij het IRIS gelden voornamelijk stralingswetten (kwantummechanica) en niet de stromingswetten (thermodynamica). Een voordeel van deze vorm van reflectie isolatie is tevens dat in de zomer de straling van de opgewarmde muren naar binnen toe minimaal is. Ook voor oudere gebouwen is IRIS dus uitermate geschikt. In combinatie met eigen zonnepanelen of met de inkoop van enkel duurzame groene stroom zorgt u ervoor dat uw fossiele voetafdruk minder belasting vormt voor het milieu. U verstookt immers geen fossiele brandstoffen. Door de zuinigheid van de IRIS verwarming ligt het voor veel huishoudens binnen bereik een volledige dekking mogelijk te maken van het stroomverbruik met de opbrengst van zonnepanelen. Het systeem werkt op 22 Volt wisselspanning en is hierdoor veilig in gebruik. Ook geschikt voor plafonds en natte ruimten. Het is mogelijk uitsparingen voor Electra dozen te maken en ook het ophangen van voorwerpen door de wand heen is mogelijk. Er dient alleen voor gezorgd te worden dat u de koperen strippen niet onderbreekt. Daarnaast middels isolatietape of kunststof pluggen contact met de koolstoflaag zoveel als mogelijk vermijden. Intensiteit ofwel uitgestraald vermogen De intensiteit van warmtestraling (ook wel het uitgestraalde vermogen genoemd), net zoals de intensiteit van zichtbaar licht of geluid, neemt af naarmate de afstand tot de bron groter wordt. Volgens de omgekeerde kwadratenwet is de intensiteit van de warmtestraling omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tot de stralingsbron. Met andere woorden: als de afstand tot de stralingswarmtebron verdubbelt, wordt de intensiteit 4 x kleiner. De vierkantjes zijn telkens even groot. Als de afstand toeneemt, moet de straling van hetzelfde deel van het stralingsvermogen steeds over een grotere oppervlakte worden verdeeld. Als je de formule van de oppervlakte van een bol invult in de formule van de intensiteit krijg je de kwadratenwet: I = P bron / 4πr # I is de intensiteit in watt per vierkante meter (W/m 2 ) P bron is het stralingsvermogen in watt van de bron (W) r is de afstand in meter (m) Het vermogen van bijvoorbeeld een speaker wordt naar alle kanten verdeeld. Daardoor wordt de intensiteit bij een grotere afstand steeds kleiner. Dit is bij bijvoorbeeld geluid duidelijk te merken. Als je op een festival dicht bij de speakers staat, is het geluid heel hard. De intensiteit is dan heel

7 hoog. Als je helemaal achteraan staat, is de intensiteit echter zo laag dat je het geluid nauwelijks kan horen. Dit heeft te maken met het feit dat op een grotere afstand, het vermogen over een groter oppervlak moet verspreiden. Omdat de bron alle kanten op straalt, is dit oppervlak te benaderen met een bol. Om iets zinvols te kunnen zeggen over lichtbronnen (of eigenlijk alle bronnen die iets uitzenden) heeft men de term intensiteit bedacht. Zo kun je spreken van een grote geluidsintensiteit bij hard geluid of een lage lichtintensiteit bij weinig licht. Het gaat daarbij om de hoeveelheid energie. Het is vaak makkelijker om over het vermogen te spreken. Dit is de energie in één seconde. De intensiteit is het vermogen dat een bron op een bepaalde oppervlakte uitoefent ook wel uitgestraald vermogen genoemd. De formule is: I = P/A waarbij: I is de intensiteit in watt per vierkante meter (W/m2) P is het vermogen in watt (W) A is de oppervlakte in vierkante meter (m2) Dit is wezenlijk anders dan het vermogen dat erin wordt gestopt. Ook de gebruikte materialen kunnen een grote invloed hebben op de verdeling van de stralingstemperatuur in een ruimte. Materialen met een hoge emissiviteit absorberen een groot deel van de inkomende straling, stijgen daardoor in temperatuur, en stralen vervolgens zelf meer energie uit. In principe kan ook stralingsverwarming voor een homogene verdeling van de warmte verzorgen, maar alleen als volledige bouwoppervlakken (muren, plafond, vloer) energie uitstralen. Deze zogenaamde thermisch actieve oppervlakken gebruiken meestal warm water als medium maar dit kan net zo goed met een carbon folie die warm gemaakt wordt door weerstand toe te voegen. De wet van Stefan-Boltzmann De wet van Stefan-Boltzmann geeft aan hoe de intensiteit of het uitgestraalde vermogen van een voorwerp afhangt van de temperatuur en de grootte van het oppervlak van een voorwerp. Een twee keer zo hoge temperatuur leidt tot een 16 keer zo grote intensiteit. Door isolatie aan de achterkant van het paneel kun je dus een hogere temperatuur van de oppervlakte verkrijgen. Het uitgestraalde vermogen van een warmtebron hangt niet alleen af van de afstand. Een andere factor is de temperatuur van de lichtbron. Met de wet van Stefan-Boltzmann kun je het uitgestraalde vermogen (ook wel intensiteit genoemd) van de straling die een lichtbron uitzendt berekenen. Hiervoor geldt: I bron = σ T 4 I bron is de stralingsintensiteit in watt per vierkante meter (W/m 2 ) σ is de constante van Stefan-Boltzmann = 5, Js 1 m 2 K 4 T is de temperatuur in kelvin (K) Door de formule van de intensiteit en de wet van Stefan-Boltzmann te combineren, kun je de het stralingsvermogen ofwel warmte uitstraling berekenen als de oppervlakte en temperatuur bekend zijn. De formule voor het stralingsvermogen wordt: P bron = σ A T 4. P bron is het stralingsvermogen in watt (W) σ is de constante van Stefan-Boltzmann A is de oppervlakte in vierkante meter (m 2 ) T is de temperatuur in kelvin (K).

8 Deze formule is in een tabel gezet. De warmte-uitstraling is veel hoger dan het ingebrachte vermogen dus dit zou je ook als een soort COP kunnen beschouwen. Laten we deze de Stralingswarmte Efficiency Factor (SEF) noemen. Bron: Stralingsverwarming: Gezonde warmte met minder energie door Kris de Dekker. Zijn uitstekende boek is te bestellen op: