Technik & Wissenschaft
So funktioniert Infrarotwärme
Vom elektromagnetischen Spektrum bis zur Haut Ihrer Wange: die Physik hinter einem gut gewählten Heizstrahler
So funktioniert Infrarotwärme
Durch elektromagnetische Strahlung, die geradlinig von einer Strahlungsquelle ausgeht und erst dann in Wärme umgewandelt wird, wenn sie von Haut, Kleidung oder anderen Oberflächen absorbiert wird. Es ist dasselbe Prinzip, das Sie wärmt, wenn Sie an einem kalten Wintertag in der Sonne stehen, und dasselbe Prinzip, das in der Industrie zum Trocknen von Farbe, Erwärmen von Kunststoffflaschen und Sterilisieren von Verpackungen eingesetzt wird. Was einen gut konstruierten Infrarot-Außenheizstrahler von einem durchschnittlichen unterscheidet, hat weniger mit der aufgenommenen Leistung zu tun als mit der Wellenlänge, auf der die Strahlung emittiert wird. Auf dieser Seite gehen wir im Detail darauf ein, warum die Wellenlänge der am meisten unterschätzte Parameter in der Strahlungswärme ist und warum ein Heizelement mit einem Leistungsmaximum bei 2,2 Mikrometern spürbar besseren Wärmekomfort im Freien liefert als eines mit einem Maximum bei 1,0 oder 1,2 Mikrometern.
Det elektromagnetiska spektrumet
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Infraröd strålning ligger mellan mikrovågor och synligt ljus, i den lågenergetiska och ofarliga delen av spektrumet. Den är samma familj av strålning som värmen från solen och en brasa.
Spektrumet
Var infraröd strålning finns i det elektromagnetiska spektrumet
Das elektromagnetische Spektrum ist eine kontinuierliche Skala der Strahlung, die von den längsten Radiowellen mit mehreren Kilometern Wellenlänge bis zu den kürzesten Gammastrahlen mit weniger als einem Milliardstel Millimeter reicht. All diese Strahlungsformen sind dasselbe Grundphänomen, elektromagnetische Wellen, jedoch verleiht eine unterschiedliche Wellenlänge ihnen völlig verschiedene Eigenschaften. Radiowellen durchdringen Wände gefahrlos, sichtbares Licht wird von farbigen Oberflächen reflektiert, und die sehr energiereiche Röntgenstrahlung penetriert Weichgewebe. Die Wellenlänge bestimmt, wie die Strahlung mit Materie interagiert und ob sie überhaupt eine biologische Wirkung hat.
Infrarotstrahlung liegt genau jenseits des sichtbaren roten Lichts, daher der Name. Das Wort infra stammt aus dem Lateinischen und bedeutet unterhalb; infrarot bezeichnet also Strahlung mit einer Wellenlänge knapp oberhalb der des roten Lichts, aber weit unterhalb der von Mikrowellen. Das sichtbare Licht erstreckt sich von etwa 0,4 Mikrometern für Violett bis 0,7 Mikrometer für tiefes Rot. Dort, wo das Rot endet, beginnt das Infrarot, das sich bis zu etwa 1.000 Mikrometern erstreckt. Ein wichtiger Hinweis vorab: Infrarotstrahlung gehört zum energiearmen und ungefährlichen Teil des Spektrums, derselben Familie wie die Wärme eines Lagerfeuers oder das Sonnenlicht an einem Frühlingstag. Sie unterscheidet sich grundlegend von energiereicher Strahlung wie Ultraviolett, Röntgen und Gamma, die chemische Bindungen in der DNA brechen können. Infrarotstrahlung besitzt eine viel zu geringe Energie pro Photon, um diese Art von Schaden zu verursachen. Sie versetzt Moleküle lediglich in eine Schwingungsbewegung, und genau diese Schwingung nehmen wir als Wärme wahr.
Wenn man sagt, dass ein Heizstrahler Infrarotstrahlung abgibt, ist damit über sein Verhalten noch sehr wenig gesagt. Das ist in etwa so, als würde man sagen, ein Radiosender sendet auf einer Radiofrequenz, ohne zu erwähnen, ob es sich um UKW oder Langwelle handelt. Das Infrarotband ist so breit, dass Strahlung aus verschiedenen Bereichen davon sehr unterschiedlich reagiert, wenn sie auf einen Menschen trifft.
Historisch wurde Infrarotstrahlung vom in Deutschland geborenen Astronomen William Herschel im Jahr 1800 entdeckt. Er experimentierte damit, Sonnenlicht mithilfe eines Prismas aufzuspalten und die Temperatur in den einzelnen Farbbereichen zu messen. Zu seiner Überraschung zeigte das Thermometer die höchste Temperatur knapp außerhalb des sichtbaren roten Lichts, dort wo kein sichtbares Licht mehr vorhanden war. Dies war der erste Nachweis, dass die Strahlung der Sonne über das vom Auge Wahrnehmbare hinausgeht und dass diese unsichtbaren Strahlen Wärme transportieren. Mehr als 220 Jahre später basiert die gesamte Branche der Strahlungsheizung auf dieser Entdeckung.
Alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts, minus 273,15 Grad Celsius, geben irgendeine Form elektromagnetischer Strahlung ab. Ein eiskaltes Objekt gibt sehr schwache Strahlung ab, aber sie ist vorhanden. Ein menschlicher Körper bei 37 Grad strahlt Infrarotenergie in seine Umgebung ab, was Wärmebildkameras nutzen, um Wärmeverluste in Gebäuden oder Fieber bei Patienten sichtbar zu machen. Wenn man die Wärme eines Backofens aus der Entfernung spürt, ohne ihn zu berühren, ist es Infrarotstrahlung, die man wahrnimmt. Sie ist die Standardform des thermischen Austauschs zwischen Körpern.
Wiens förskjutningslag
Temperaturen bestämmer våglängden — klicka på en topp för att jämföra
Samma naturlag styr alla strålkällor. Solen vid 5800 K toppar i synligt ljus, halogenlampan vid 2500 K toppar i IR-A, och Opranics IR-B-emitter vid cirka 1320 K toppar vid 2,2 µm. Våglängden är låst till temperaturen.
Fysiken
Varför strålkällans temperatur bestämmer vilken våglängd den avger
Hier liegt einer der am häufigsten missverstandenen Aspekte der Strahlungsphysik. Viele glauben, man könne eine kurzwellige Strahlungsquelle bauen, die „schwächer“ ist, oder eine langwellige, die mit hoher Leistung betrieben wird. So funktioniert das nicht. Die Wellenlänge der Strahlung ist physikalisch an die Temperatur der Strahlungsquelle gebunden, durch ein Gesetz, das der deutsche Physiker Wilhelm Wien bereits 1893 formulierte.
Wiens Verschiebungsgesetz besagt, dass die Wellenlänge, bei der ein erhitztes Objekt maximale Strahlung abgibt, umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur des Objekts ist. Einfach ausgedrückt: Je wärmer das Objekt, desto kürzer die dominante Wellenlänge. Deshalb hat eine Wärmequelle, die rot leuchtet, eine längere dominante Wellenlänge als eine, die gelb oder weiß leuchtet. Wenn der Schmied Eisen erhitzt, wechselt es von rotem Glühen bei etwa 800 Grad zu Orange-Rot bei 1.000 Grad, zu Gelb bei 1.300 Grad und schließlich zu Weiß bei über 1.500 Grad. Dasselbe Eisen, aber das Spektrum verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen.
Für einen Infrarotstrahler bedeutet das, dass die Gestaltung des Heizelements, das Material und die Betriebstemperatur den Hersteller gemeinsam auf ein bestimmtes Spektrumprofil festlegen. Ein Halogenstrahler mit einem Wolframfaden, der bei etwa 2.200 Grad Celsius glüht, hat seinen Leistungsgipfel bei rund 1,2 bis 1,4 Mikrometer. Das lässt sich nicht ändern. Ein karbonbasiertes Heizelement vom Typ Opranic arbeitet bei einer Oberflächentemperatur von etwa 950 bis 1.050 Grad Celsius bei Maximalleistung und erreicht damit seinen Gipfel im optimalen Bereich um 2,2 Mikrometer. Technologie und Temperatur bestimmen das Spektrum gemeinsam.
Mathematisch ausgedrückt lautet Wiens Verschiebungsgesetz, dass die Wellenlänge des Maximums, gemessen in Mikrometern, ungefähr 2.898 dividiert durch die Temperatur in Kelvin beträgt. Einige konkrete Beispiele: Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 5.800 Kelvin, was eine Spitzenwellenlänge von rund 0,5 Mikrometern ergibt, mitten im gelbgrünen Bereich des sichtbaren Lichts. Es ist kein Zufall, dass das menschliche Auge am empfindlichsten für grünes Licht ist; wir haben uns unter dem Spektrum der Sonne entwickelt. Ein Glühfaden in einer Halogenlampe bei 2.500 Kelvin hat seinen Spitzenwert bei etwa 1,16 Mikrometern. Ein karbon- oder NiCr-basierter IR-B-Strahler bei etwa 1.320 Kelvin hat seinen Spitzenwert bei 2,2 µm. Eine keramische Langwellplatte bei 600 Kelvin hat ihren Spitzenwert bei 4,8 Mikrometern. Und eine Wand in einem warmen Raum bei 300 Kelvin hat ihren Spitzenwert bei fast 10 Mikrometern.
Dasselbe Prinzip erklärt, warum eine Infrarotstrahlungsquelle nicht allein durch Erhöhung der Leistung effizienter gemacht werden kann. Wenn man einer langwelligen Quelle mehr Strom zuführt, um mehr Wärme zu erzeugen, steigt ihre Oberflächentemperatur, was das Spektrum zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Das Produkt ändert seinen Charakter. Ebenso gilt: Wenn man den Strom zu einem Kurzwellenstrahler drosselt, um die Intensität zu senken, sinkt die Oberflächentemperatur und das Spektrum verschiebt sich zu längeren Wellenlängen, aber bei weitem nicht ausreichend, um echte Mittelwelle zu werden. Heizelemente sind auf einen engen Betriebstemperaturbereich ausgelegt, und ein Abweichen davon führt zu Kompromissen sowohl bei der Lebensdauer als auch bei der Spektrumqualität.
Für einen zusammenfassenden Kaufratgeber, der unsere Modelle direkt vergleicht, siehe Infrarotstrahler für den Außenbereich.
IR-X Carbon Black Leistungsmaximum
Tre band
Var strålningen tar vägen i huden
Drei Bänder mit unterschiedlichem Charakter
Der Infrarotbereich wird konventionell in drei Hauptbänder unterteilt. Die Einteilung basiert darauf, wie die Strahlung sich verhält, wenn sie auf Materie trifft, und insbesondere auf menschliches Gewebe.
Kurzwellige Infrarotstrahlung, IR-A, umfasst 0,78 bis 1,4 Mikrometer und erfordert sehr heiße Quellen mit Oberflächentemperaturen über 1.700 Grad Celsius. Die Sonne ist das natürliche Beispiel, Halogenlampen und Kurzwellenstrahler die künstlichen. Mittelwellige Infrarotstrahlung, IR-B, liegt zwischen 1,4 und 3 Mikrometern und wird von Quellen zwischen etwa 600 und 1.700 Grad erzeugt. Opranics IR-X Carbon Black arbeitet in diesem Bereich mit einem Leistungsmaximum bei 2,2 Mikrometern bei Maximalleistung. Langwellige Infrarotstrahlung, IR-C, erstreckt sich von 3 Mikrometern bis zu 1.000 Mikrometern und stammt von kühleren Quellen: Keramikpaneelen, erwärmten Oberflächen, dem menschlichen Körper selbst. Die Grenzen bei 1,4 und 3 Mikrometern folgen der ISO 20473-Norm und sind Konventionen eher als scharfe physikalische Grenzen, erfassen jedoch einen realen Unterschied im Verhalten.
Die Haut als optischer Filter
Wenn ein Infrarotstrahl auf die Haut trifft, geschehen drei Dinge gleichzeitig: Ein Teil wird zurück in den Raum reflektiert, ein Teil wird tief in das Gewebe transmittiert, und ein Teil wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Verteilung zwischen diesen drei Vorgängen hängt vollständig von der Wellenlänge der Strahlung ab. Hier liegt die praktische Bedeutung der Technologiewahl für eine Person, die an einem Herbstabend warm auf einer Terrasse sitzen möchte.
Die äußerste Hautschicht, das Stratum corneum, ist etwa 10 bis 20 Mikrometer dick und besteht aus abgestorbenen Keratinzellen und Lipiden. Darunter liegt die Epidermis mit etwa 100 Mikrometern Dicke, und darunter die Dermis mit Blutgefäßen, Nervenenden und den wärmeempfindlichen Rezeptoren. Damit die Strahlung eine angenehme Wärmeempfindung erzeugt, muss sie in der richtigen Tiefe absorbiert werden. Tief genug, um die Dermis zu erreichen, wo die Rezeptoren sitzen, aber nicht so tief, dass sie hindurchgeht, ohne etwas Relevantes zu erwärmen.
Das Verhalten der drei Bänder
Kurzwelle IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern weist eine hohe Transmission durch die Haut auf. Ein erheblicher Teil der Strahlung dringt direkt durch die Epidermis und kann mehrere Millimeter tief in Dermis und Subkutis eindringen. Gleichzeitig reflektiert die Haut bis zur Hälfte der kurzwelligen Strahlung zurück in die Luft. Das Ergebnis ist, dass die Energieübertragung pro einfallendem Watt für Komfortwärme weniger effizient ist, obwohl die Strahlung physikalisch tief eindringt. Gerade diese tiefe Penetration kann bei hohen Dosen aus künstlichen Quellen in geringem Abstand als stechend empfunden werden. Die Strahlung erreicht Schichten unterhalb der Haut, wo sie Wärme erzeugt, ohne die oberflächlichen Wärmerezeptoren direkt zu aktivieren.
Mittelwelle IR-B im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern verhält sich anders. Die Hautreflexion ist in diesem Bereich deutlich geringer, und die Absorption ist hoch in den obersten Hautschichten, wo die Wärmerezeptoren am dichtesten sitzen. Die Strahlung dringt nicht tiefer als etwa 1 Millimeter in die Haut ein, aber genau dort soll sie aufgenommen werden, um eine angenehme Wärmeempfindung zu erzeugen, ohne die Oberfläche zu verbrennen. Die Durchblutung verteilt die Wärme anschließend auf natürliche Weise im Körper weiter.
Langwelle IR-C über 3 Mikrometern wird nahezu vollständig in den äußersten Hautschichten absorbiert, häufig innerhalb von weniger als 0,1 Millimetern. Das erzeugt ein Gefühl oberflächlicher Wärme, das in Innenräumen sehr angenehm ist, aber im Freien ist die Intensität langwelliger Quellen in der Regel zu gering, um gegen Wind und Kälte eine nennenswerte Komfortwirkung zu erzielen.
Die richtige Tiefe, die richtigen Rezeptoren
Das Absorptionsprofil der Mittelwelle stimmt mit der Anatomie der Haut auf eine Weise überein, die kein Zufall ist. Die Wärmerezeptoren in Epidermis und Dermis befinden sich in einer Tiefe, in der IR-B-Strahlung effizient absorbiert wird, während IR-A an ihnen vorbeizieht und IR-C in den abgestorbenen Oberflächenzellen gestoppt wird, bevor ein Signal das Nervensystem erreicht. Für einen Heizstrahler, der von Menschen im Außenbereich genutzt wird, ist das IR-B-Band daher der funktionale Sweet Spot, an dem Strahlung, Haut und Wärmewahrnehmung zusammentreffen.
IR-B ist zudem in der Physiotherapie etabliert und wird in medizinisch zugelassenen Wärmequellen für Neugeborene auf Neonatalogieabteilungen eingesetzt. Infrarotstrahlung ist keine exotische Technologie, sondern eine gut charakterisierte Wärmequelle mit bekanntem Profil.
Infraröda våglängder och vattenabsorption
Välj effektnivå på IR-X
Effekt
100 %
Filament
1050 °C
Våglängdstopp
2,2 µm
Opranic IR-X använder kontinuerlig spänningsdimning, vilket innebär att filamentets temperatur och strålningens våglängd förskjuts beroende på vald effektnivå. Dra i knapparna ovan för att se hur IR-X glider över vattenabsorptionens optimala område, från 2,2 µm vid P5 till 2,7 µm vid P1. Kurvorna är beräknade efter Plancks strålningslag.
Tre tekniker jämförda
Avvägningen bakom 2,2 µm
Kroppen är mest vatten
Wenn wir darüber sprechen, wie Infrarotstrahlung einen Menschen erwärmt, geht es im Kern darum, wie die Strahlung Wasser erwärmt. Der Körper eines Erwachsenen besteht zu etwa 60 bis 70 Prozent aus Wasser. Jede Hautzelle, jedes Blutgefäß, jeder Muskel enthält Wasser, das maßgeblich bestimmt, wie der Körper mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich interagiert.
Das Wassermolekül weist eine gut charakterisierte Absorptionskurve auf. Sie ist nicht gleichmäßig, sondern hat ausgeprägte Maxima und Minima. Wasser absorbiert schlecht bei sichtbarem Licht und kurzwelligem IR-A um 1 Mikrometer. Deshalb ist das Meer für sichtbares Licht transparent und deshalb wird kurzwellige Strahlung leicht durch die Haut transmittiert. Bei etwa 1,45 Mikrometern beginnt die Absorption stark anzusteigen. Zwischen 1,9 und 3,0 Mikrometern liegt ein Absorptionsband, das so stark ist, dass ein Wasserfilm von nur wenigen Zehntelmillimetern nahezu die gesamte einfallende Strahlung absorbiert. Das Absorptionsmaximum liegt bei etwa 2,9 bis 3,0 Mikrometern.
Warum 2,2 µm und nicht 3,0 µm
Ein feiner, aber wichtiger Punkt: Wenn 3,0 µm das Absorptionsmaximum ist, warum strahlt ein optimiertes Heizelement dann bei 2,2 µm und nicht bei 3,0 µm? Die Antwort liegt in einer Abwägung zwischen zwei konkurrierenden Anforderungen.
Einerseits soll die Strahlung vom Wasser in der Haut absorbiert werden, was für eine längere Wellenlänge spricht. Andererseits muss die Strahlungsquelle eine ausreichend hohe Leistungsdichte erzeugen können, um bei Wind und Kälte spürbar warm zu wirken, was für eine kürzere Wellenlänge spricht, bei der die Oberflächentemperatur gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz höher ist. Bei 2,2 µm auf maximaler Leistung werden diese Anforderungen optimal erfüllt. Die Wasserabsorption ist weiterhin hoch, während die Leistungsdichte für den gewerblichen Außeneinsatz ausreicht.
Bei niedrigeren Leistungsstufen verschiebt sich das Maximum zu längeren Wellenlängen und nähert sich noch stärker dem Absorptionsmaximum von Wasser an, was ein weicheres Wärmegefühl erzeugt. Die interaktive Grafik oben zeigt, wie die Wellenlänge je nach gewählter Leistungsstufe zwischen 2,2 und 2,7 Mikrometern gleitet. Dieser gesamte Bereich liegt in einem Fenster, in dem die Hautreflexion gering ist, wie im vorherigen Abschnitt gezeigt. Das ergibt eine doppelte Optimierung sowohl für die äußere Hautschicht als auch für die Wassermoleküle im Gewebe.
Warum keine noch längeren Wellenlängen
Bei Wellenlängen über 3 Mikrometer sinkt die Oberflächentemperatur der Strahlungsquelle so weit, dass die Leistungsdichte drastisch abnimmt. Leistungsdichte ist die Wattmenge pro Quadratmeter Strahlfläche und eine direkte Konsequenz des Stefan-Boltzmann-Gesetzes: Die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit wächst mit der vierten Potenz der Temperatur. Ein Strahler bei 400 Grad Celsius gibt weniger als ein Sechstel der Leistung pro Flächeneinheit ab, verglichen mit einem Strahler bei 900 Grad.
Deshalb funktioniert langwelliges IR-C hervorragend in Innenräumen, wo eine moderate Leistungsdichte ausreicht und kein Wind stört, für offene Terrassen mit hoher konvektiver Abkühlung ist es jedoch unzureichend.
Kurzwelle hat ihre Berechtigung, aber mit einem Preis
In extrem windexponierten Umgebungen und bei sehr niedrigen Temperaturen kann ein kurzwelliger Infrarotstrahler mit hoher Leistungsdichte wärmer wirken als ein mittelwelliger Infrarotstrahler auf gleichem Abstand. Das liegt nicht daran, dass Kurzwelle besser für die Haut ist, sondern daran, dass seine Oberflächentemperatur so hoch ist, dass die reine Leistung pro Quadratmeter die Absorptionsoptimierung überwiegt. Der Preis dafür ist eine schlechtere Hautverträglichkeit, ein höherer Anteil reflektierter Energie und das Empfinden der Strahlung als hart und stechend bei längerer Nutzung.
Für ordentlich konstruierte Außenterrassen mit moderatem Windschutz ist ein mittelwelliger IR-B-Heizstrahler mit einem Maximum um 2,2 µm fast immer die ausgewogenere Wahl, sowohl für den Komfort als auch für die langfristige Hautgesundheit. Kurzwelle ist eine legitime Alternative in extrem windexponierten, industriell geprägten Umgebungen mit kurzen Expositionszeiten, allerdings sollte man sich bewusst sein, dass dies ein Kompromiss beim Hautkomfort zugunsten reiner Leistungsdichte ist.
Molekylär nivå
Så fungerar infravärme på molekylär nivå: vibrationer blir till värme
Ein verbreitetes Missverständnis ist, dass Infrarotstrahlung selbst Wärme ist, die sich durch den Raum bewegt. Strahlung ist elektromagnetische Energie, die sich in Wellenform ausbreitet, und Wärme entsteht erst, wenn die Energie von Materie absorbiert und in molekulare Bewegung umgewandelt wird. Dieser Unterschied ist die Grundlage der gesamten Strahlungstechnik und erklärt, warum sie sich so grundlegend von der Konvektionsheizung unterscheidet.
Alle Moleküle bestehen aus Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungen lassen sich wie kleine Federn beschreiben, und die Atome können um ihre Gleichgewichtslagen schwingen. Jedes Molekül hat spezifische Schwingungsfrequenzen, die für seine Struktur charakteristisch sind. Wenn eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz, die der natürlichen Schwingungsfrequenz eines Moleküls entspricht, auf dieses trifft, wird die Energie resonant übertragen und das Molekül beginnt stärker zu schwingen. Dieser Vorgang wird als Schwingungsresonanz bezeichnet und verwandelt Infrarotstrahlung in Wärme.
Das Wassermolekül, H2O, hat drei grundlegende Schwingungsmoden: symmetrische Streckung, asymmetrische Streckung und Biegung des Bindungswinkels zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Moden haben Resonanzfrequenzen, die Wellenlängen von etwa 2,7, 2,9 und 6,3 Mikrometern entsprechen. Dies ist der Grund, warum Wasser im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern so stark absorbiert. Die Infrarotwellen stimmen mit den eigenen Schwingungen der Moleküle überein, sodass die Energie effizient übertragen wird. Wenn das Wassermolekül stärker schwingt, definiert genau das eine höhere Temperatur. Die Energie hat sich von einem elektromagnetischen Zustand in Wärmeenergie im Gewebe verwandelt.
Dies erklärt auch, warum Infrarotstrahlung eine Oberfläche erwärmen kann, ohne die dazwischenliegende Luft zu erwärmen. Die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff, sind sogenannte homonukleare Moleküle mit sehr wenigen Schwingungsmoden, die dem Infrarotspektrum entsprechen. Stickstoff absorbiert in dem Band, in dem Komfortheizstrahler arbeiten, nahezu nichts. Die Strahlung durchquert die Luft damit ohne nennenswerte Verluste, bis sie auf eine wasserhaltige Oberfläche trifft, einen Menschen, eine Pflanze, einen Holzboden, wo sie absorbiert wird und zu Wärme wird.
Eine elegante Konsequenz ist, dass die Luft zwischen dem Heizstrahler und dem Nutzer verhältnismäßig kühl bleibt, auch wenn die Wärme im Strahlungsfeld angenehm ist. Hier ist jedoch eine wichtige praktische Einschränkung erforderlich. Die Infrarotstrahlung selbst wird durch Wind nicht weggeblasen, da sie sich unabhängig von Luftbewegungen geradlinig ausbreitet. Gleichzeitig verliert die Haut jedoch über Konvektion Wärme an die Umgebung, und dieser konvektive Verlust nimmt mit der Windgeschwindigkeit stark zu. Das ist dasselbe Prinzip, das einen windigen Tag bei gleicher Lufttemperatur viel kälter erscheinen lässt als einen windstillen Tag. An einem windigen Tag muss man daher mit höherer Strahlungsintensität oder geringerem Abstand kompensieren, nicht weil die Strahlung selbst schlechter wird, sondern weil der Körper mehr Wärme an die bewegte Luft abgibt. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu Konvektionsheizern, die bei Wind praktisch wirkungslos werden. Ein gut positionierter Infrarotstrahler liefert Wärme auch bei Wind, er muss lediglich etwas mehr Energie zuführen, um die erhöhte Abkühlung der Haut auszugleichen.
Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft machen einen gewissen kleinen Unterschied. Diese Moleküle haben Schwingungsmoden im Infrarotbereich und absorbieren bestimmte Teile des Spektrums. Das ist der Grund, warum die Atmosphäre überhaupt einen Treibhauseffekt hat. Für die Abstände, um die es auf einer Terrasse geht, einige Meter, ist diese Absorption jedoch völlig vernachlässigbar. Die Strahlung erreicht den Nutzer in der Praxis unverändert.
Samma fysikaliska princip styr val av IR-band i industrin och på terrassen. IR-B vid ~2,2 µm matchar OH-bindningars resonansfrekvens i organiska material — vatten, plast, papper och mänsklig hud reagerar identiskt.
Industriell ingenjörskonst
Samma fysik som används när industrin värmer plast och torkar papper
Es mag naheliegend erscheinen, die Diskussion über Wellenlänge und Absorption als rein akademisch abzutun. Das ist sie nicht. Dieselbe Wahl der Wellenlänge, die 2,2 Mikrometer für die Komfortheizung von Menschen optimal macht, macht andere Wellenlängen optimal für vollständig andere industrielle Anwendungen. Die IR-Technologie wird in großem Maßstab eingesetzt, um Farbe zu trocknen, Plastikflaschen zu formen, Verpackungen zu sterilisieren, Klebstoffe zu härten und vieles mehr. In jedem Fall wird die Wellenlänge auf das spezifische Material abgestimmt, das erhitzt werden soll.
Kunststoffe absorbieren beispielsweise Infrarotstrahlung vorwiegend im Bereich über 2 Mikrometer. Dünne Kunststofffolie für Lebensmittelverpackungen absorbiert kurzwellige Strahlung von Halogenlampen sehr schlecht, absorbiert jedoch mittelwellige Strahlung effektiv. Deshalb verwenden moderne PET-Flaschenblasmaschinen mittelwellige IR, um Vorformlinge vor dem Blasen zu erwärmen. Textilien, Papier und Holz sowie alle organischen Materialien mit Wasser- oder OH-Bindungen absorbieren am besten in demselben Bereich wie menschliche Haut. Der Grund dafür ist, dass sie Molekülstrukturen enthalten, die denen von Wasser oder anderen schwingungsempfindlichen Bindungen ähneln.
Kurzwellige Strahlung wird in der Industrie hauptsächlich eingesetzt, wenn dicke, pigmentierte Materialien erhitzt werden sollen, die bei vielen Wellenlängen absorbieren, beispielsweise Metallbleche, dunkles Gummi oder Karosserieteile. Dort liefert die Kurzwelle hohe Intensität und dringt tief ein. Für eine Terrasse, auf der Menschen sitzen und einen Kaffee trinken, ist die Anforderung genau entgegengesetzt: Die Energie soll an der Hautoberfläche verbleiben und nicht tief eindringen. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist der Einsatz eines kurzwelligen Infrarotstrahlers für Komfortwärme vergleichbar damit, eine Industrielampe zur Kunststoffhärtung zu wählen, wenn man eigentlich nur ein Buch lesen möchte.
Heraeus, einer der weltweit führenden Hersteller industrieller IR-Systeme, veröffentlicht technische Daten, die exakt dieselbe Physik zeigen, die Opranic auf der Verbraucherseite anwendet. Wenn ein schwedischer Kleinunternehmer einen Opranic-Heizstrahler für seine Außengastronomie kauft, sind es dieselben optischen Prinzipien, die PET-Flaschen in einer deutschen Fabrik erhitzen oder Druckfarbe auf einer belgischen Druckmaschine trocknen, nur angewandt auf eine Außenterrasse und einen menschlichen Körper.
Säkerhet
Infraröd strålning vid komfortnivåer är säkerhetsbedömd av internationell expertis
Die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung, ICNIRP, ist das globale Referenzgremium für Sicherheitsrichtlinien im Bereich elektromagnetischer Strahlung unterhalb ionisierender Niveaus. Sie veröffentlicht Grenzwerte, die nationale Behörden weltweit als Referenz verwenden, und ihre Richtlinien zur Infrarotexposition sind gut etabliert.
Infrarotstrahlung gehört zum nichtionisierenden Teil des Spektrums, was bedeutet, dass die Photonen nicht genug Energie besitzen, um chemische Bindungen in der DNA aufzubrechen. Das ist ein grundlegender Unterschied zur ultravioletten Strahlung, die ionisierend ist und bei Überexposition Hautkrebs verursachen kann. IR-Strahlung auf Komfortniveau hat keinen solchen Wirkmechanismus. Die einzigen Sicherheitsparameter, auf die sich die ICNIRP konzentriert, sind thermische Effekte, d. h. dass Haut oder Auge keiner so hohen Strahlungsintensität ausgesetzt werden dürfen, dass das Gewebe überhitzt.
Bei einer typischen Terrasseninstallation liegt die Strahlungsintensität eines korrekt montierten Heizstrahlers, beispielsweise eines PRO V70 in 2,5 Metern Höhe, weit unterhalb der ICNIRP-Grenzwerte für eine mehrere Stunden täglich andauernde Exposition. Die Konstruktion des Produkts, der Abstand und die Leistungsverteilung gewährleisten dies. Auch die Augensicherheit ist gut bewertet. Während der direkte Blick in einen sehr heißen Halogen- oder Kurzwellenstrahler Beschwerden verursachen kann, gilt die diffuse Strahlung eines korrekt installierten Mittelwellenstrahlers auf Komfortniveau für den normalen Gebrauch als sicher.
Ein subtiler Vorteil von Mittelwellenstrahlern bei 2,2 µm ist, dass die Absorption der Strahlung in den vorderen Bereichen des Auges, der Hornhaut und dem Kammerwasser, bei genau diesen Wellenlängen sehr hoch ist. Das bedeutet, dass die Strahlung nicht so tief ins Auge eindringt wie Kurzwellenstrahlung. Kurzwellige IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern passiert die Hornhaut und kann die Netzhaut mit deutlich höherer Intensität erreichen, was einer der Gründe ist, warum die ICNIRP strengere Grenzwerte für Kurzwellenexposition festgelegt hat. In der Praxis liegen all diese Niveaus weit von der alltäglichen Exposition bei einem gut konstruierten Komfortheizstrahler entfernt, aber als ingenieurtechnisches Prinzip ist es sinnvoll, eine Technologie zu wählen, die von Natur aus auf der sichereren Seite liegt.
Hinsichtlich der Hautgesundheit wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren diskutiert, ob intensive IR-A zu oxidativem Stress und Kollagenveränderungen beitragen kann. Die Forschungslage ist uneinheitlich. Natürliche solaren IR-A wird von dermatologischen Fachleuten bei normalen Dosen nicht als schädlich angesehen, und IR-Strahlung wird seit Jahrzehnten medizinisch zur Wundheilung und Hautpflege eingesetzt. Einige Studien zeigen jedoch, dass künstliche Kurzwellenquellen aus kurzer Distanz freie Radikale in den tieferen Hautschichten erzeugen können. Das ist ein weiterer Grund, für Komfortwärme Mittelwelle bei 2,2 µm zu bevorzugen. Die Strahlung wird im äußeren Millimeter der Haut absorbiert und dringt nicht auf dieselbe Weise zu den Fibroblasten in der Dermis vor.
Infraröd strålning för avisning av vindkraftblad under arktiska förhållanden
Längre våglängder är mer effektiva för att få energin att fastna i ytan, eftersom absorptionen är högre i det spektrumet. En kombination av IR-strålare med olika våglängder ger ett bredare spektrum och därmed effektivare resultat.
— Slutsats, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019
Oberoende bevis
Luleå tekniska universitet validerade våglängdens betydelse under arktiska förhållanden
Im April 2019 wurde an der Luleå tekniska universitet in Zusammenarbeit mit der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Vattenfall eine unabhängige experimentelle Studie durchgeführt. Ziel war es zu untersuchen, ob Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windkraftanlagenblättern unter arktischen Bedingungen eingesetzt werden kann, ein Problem, das die skandinavische Windkraftbranche jeden Winter erhebliche Produktionsverluste kostet. Opranic lieferte die Strahlungsquellen für die Studie, zwei spezifische Typen: IR-X-Strahler mit einem Emissionsmaximum bei 2,4 Mikrometern und Halogenstrahler mit einem Emissionsmaximum bei 1,4 Mikrometern.
Die Studie wurde im Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics veröffentlicht und ist als peer-reviewed Forschungsarbeit frei zugänglich. Die Tests wurden in einer Klimakammer in der Arctic Falls-Anlage in Piteå durchgeführt, wo die Umgebungstemperatur zwischen 0 und minus 30 Grad Celsius kontrolliert werden konnte. Die Blätter wurden mithilfe von Schneekanonen mit weichem Raureif beschichtet und anschließend mit verschiedenen Kombinationen von IR-Strahlern aus Entfernungen von 1,0 und 1,5 Metern erwärmt.
Die Ergebnisse sind technisch interessant und bestätigen mehrere Grundlagen, auf denen Opranic seine Produkte seit über 20 Jahren aufbaut. Erstens zeigte die Studie, dass die Kombination aus IR-X und Halogen das effektivste Enteisungsergebnis in 1,5 Metern Abstand erzielte, mit einer Schmelzrate von 0,20 Kilogramm Eis pro Minute. Die Kombination aus ausschließlich IR-X auf demselben Abstand schmolz 0,13 Kilogramm pro Minute. Zweitens zeigte die Studie, dass der IR-X-Strahler eine breitere Wärmeverteilung liefert, während Halogen konzentriertere Wärme erzeugt, genau wie das Wiensche Verschiebungsgesetz und die Strahlungsphysik vorhersagen. Drittens, und das ist entscheidend für die Komfortheizung, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass längere Wellenlängen effektiver darin sind, die Energie an der Oberfläche zu binden, da die Absorption in diesem Spektrum höher ist.
Eine zusätzliche Beobachtung: Bei zu geringem Abstand von 1,0 Meter stieg die Oberflächentemperatur des Blatts so stark an, dass die Gefahr einer Überhitzung bestand. Bei 1,5 Metern wurde eine gleichmäßige Wärmeverteilung ohne Überhitzung erreicht. Das ist auch für Verbraucher eine lehrreiche Erkenntnis: Der Abstand zwischen einem Heizstrahler und den Personen darunter ist entscheidend, und eine gut positionierte Einheit in der richtigen Höhe liefert gleichmäßigen Komfort ohne Hitzepunkte.
Die Studie stellte auch einen interessanten Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen gegenüber verschiedenen Eistypen fest. Der IR-X-Strahler bei 2,4 Mikrometern war effektiver gegen leichten Schnee und Raureif, da diese porösen Eiskristalle viel Luft und weniger dicht gepacktes Wasser enthalten. Der Halogenstrahler bei 1,4 Mikrometern war etwas besser gegen klares Blankeis, das eine andere optische Struktur aufweist. Die Kombination beider erzielte die beste Gesamtleistung, da die beiden Wellenlängen unterschiedliche Kristallstrukturen abdeckten. Das ist eine ingenieurtechnisch elegante Lösung, die auf dem Verständnis der Rolle der Wellenlänge basiert.
Das abschließende Fazit der Forscher in der Publikation ist es wert, hervorgehoben zu werden: Eine Kombination aus zwei Typen von Infrarotstrahlern mit unterschiedlichen Wellenlängen liefert ein breiteres Spektrum und damit eine effektivere Enteisung, was eine Kombination aus ausschließlich demselben Typ übertraf. Für einen Komfort-Heizstrahler für die Terrasse lautet die Schlussfolgerung, dass ein gut konstruierter Mittelwellenstrahler, der ein moderat breites Spektrum um 2,4 Mikrometer liefert, eine technisch ausgewogene Wahl darstellt: nicht so schmal, dass benachbarte Wellenlängen verfehlt werden, und nicht so breit, dass Energie in Wellenlängen verschwendet wird, in denen Haut und Wasser nicht effektiv absorbieren.
Praktiskt val
Så fungerar infravärme i praktiken: så läser du en produktspecifikation
Wenn du vor dem Kauf eines Infrarot-Außenheizstrahlers stehst, wird die Wellenlänge selten als erstes beworben, ist aber das Wichtigste, worauf du achten solltest. Hier ist ein Rahmen, der auf der zuvor erläuterten Physik basiert.
Suche zunächst nach Angaben zum Spektrumpeak oder zur dominanten Wellenlänge. Ein Hersteller, der seine Technologie kennt und transparent kommuniziert, gibt an, dass der Heizstrahler seinen Leistungspeak im IR-B-Bereich hat, möglichst mit einer genauen Angabe in Mikrometern. Wenn die Spezifikation stattdessen nur die Leistung in Watt nennt oder vage Begriffe wie „wohlige Wärme“ oder „tiefenwärmend“ verwendet, lässt sich das Produkt technisch kaum bewerten. Das muss kein Warnsignal sein, liefert aber keine Daten für eine fundierte Entscheidung.
Zweitens: Überprüfe die Strahlungsquelle. Halogen- und Kurzwellen-Quarzrohre arbeiten im IR-A-Bereich mit einem Peak bei etwa 1,0 bis 1,4 Mikrometern. Sie werden eingesetzt, wo eine schnelle Erwärmung dicker Materialien erforderlich ist oder in extrem windexponierten Umgebungen, in denen reine Leistungsdichte vor Absorptionsqualität steht. Carbon- und NiCr-basierte Heizelemente arbeiten im Mittelwellenbereich bei etwa 2,0 bis 2,5 Mikrometern und sind auf Komfort ausgelegt, mit Fokus auf Hautabsorption und langfristiges Wohlbefinden. Keramik- und FIR-Paneele arbeiten im Langwellenbereich über 3 Mikrometer und eignen sich für den Innenbereich, wo Wind und große Volumenverluste keine Rolle spielen.
Drittens: Beachte das System rund um das Heizelement. Die Geometrie, das Material und die Oberflächenbehandlung des Reflektors bestimmen, wie viel der Energie tatsächlich auf dich gerichtet wird und wie viel seitlich oder nach oben verloren geht. Ein optimales IR-B-Element mit einem schlechten Reflektor liefert weniger Komfort als ein gut konstruiertes System mit demselben Element. Opranic hat dieses Zusammenspiel seit mehr als 20 Jahren als Gesamtsystem entwickelt: Heizelement, Reflektor, Gehäuse und Elektronik in Abstimmung.
Berücksichtige auch die Einsatzumgebung. Für vergleichsweise geschützte Terrassen, Restaurants und private Gärten ist ein Mittelwellen-IR-B-Heizstrahler fast immer die beste Wahl, sowohl für den Komfort als auch für die Hautgesundheit auf Dauer. Für extrem windexponierte, industriell geprägte Umgebungen mit kurzen Expositionszeiten, wie Häfen oder offene Bahnsteige, kann Kurzwellentechnologie aufgrund ihrer reinen Leistungsdichte eine legitime Wahl sein. Dabei sollte man sich jedoch bewusst sein, dass die Strahlung stärker auf die Haut einwirkt und ein längerer direkter Aufenthalt darunter nicht empfohlen wird.
Verlasse dich abschließend nicht allein auf einen niedrigen Preis. Ein Heizstrahler, der physikalisch im falschen Wellenlängenbereich arbeitet, wird unabhängig von seinem Preis niemals denselben Komfort liefern, genauso wenig wie ein UKW-Radio Langwellensendungen empfangen kann, egal wie laut man es dreht. Die Physik setzt die Grenzen, und die Physik der Infrarotstrahlung ist seit über hundert Jahren bekannt. Es lohnt sich, ein Produkt zu wählen, das auf Basis dieses Wissens entwickelt wurde.
Wenn du verstehen möchtest, wie die Wellenlänge die Effizienz in der Praxis beeinflusst, lies mehr über die Grundprinzipien der Opranic-Technologie, sieh dir unseren Kaufratgeber für Infrarot-Außenheizstrahler an oder erfahre, wie IR-X Carbon Black in den PRO V70 integriert ist.