So funktioniert Infrarotwärme

01 / 09 · SPEKTRUM

Wo Infrarotstrahlung im elektromagnetischen Spektrum liegt

Infrarot ist ein energiearmer Bereich des Spektrums, derselben Familie wie die Wärme eines offenen Feuers. Wie Strahlung mit Materie wechselwirkt, bestimmt allein die Wellenlänge, nicht die Leistung.

• Infrarot umfasst ein breites Spektrum mit unterschiedlichem Verhalten
• Bestimmt, wie Strahlung auf Materie trifft
• Die Entdeckung, auf der die gesamte Strahlungswärme beruht

Das elektromagnetische Spektrum ist eine kontinuierliche Skala, die von den längsten Radiowellen mit Wellenlängen von mehreren Kilometern bis zu den kürzesten Gammastrahlen mit weniger als einem Milliardstel Millimeter reicht. All diese Strahlungsformen sind physikalisch dasselbe Phänomen, elektromagnetische Wellen, doch die Wellenlänge bestimmt ihre Eigenschaften vollständig. Radiowellen durchdringen Wände ohne messbare Wirkung, sichtbares Licht wird von farbigen Oberflächen reflektiert, und die hochenergetische Röntgenstrahlung penetriert Weichgewebe. Die Wellenlänge entscheidet, wie Strahlung mit Materie wechselwirkt und ob überhaupt eine biologische Wirkung entsteht.

Infrarotstrahlung liegt unmittelbar jenseits des sichtbaren roten Lichts, woraus sich der Name ableitet. Das lateinische infra bedeutet unterhalb: Infrarot bezeichnet demnach Strahlung mit einer Wellenlänge knapp oberhalb des roten Lichts, jedoch weit unterhalb der Mikrowellen. Das sichtbare Spektrum erstreckt sich von etwa 0,4 Mikrometern für Violett bis 0,7 Mikrometer für tiefes Rot. Dort, wo das Rot endet, beginnt das Infrarotband und reicht bis etwa 1.000 Mikrometer. Ein wesentlicher Punkt sei hier unmittelbar festgehalten: Infrarotstrahlung gehört zum energiearmen und ungefährlichen Teil des Spektrums, derselben Familie wie die Wärme eines Kaminfeuers oder das Sonnenlicht an einem Frühlingstag. Sie unterscheidet sich grundlegend von hochenergetischer Strahlung wie Ultraviolett, Röntgen oder Gamma, die chemische Bindungen in der DNA aufbrechen können. Infrarotstrahlung besitzt je Photon bei Weitem zu wenig Energie, um derartige Schäden zu verursachen. Sie versetzt Moleküle lediglich in Schwingung, und genau diese Schwingung nehmen wir als Wärme wahr.

Die Aussage, ein Heizgerät emittiere Infrarotstrahlung, ist für sich genommen wenig informativ. Sie ähnelt der Angabe, ein Radiosender sende auf Radiofrequenz, ohne zu nennen, ob es sich um UKW oder Langwelle handelt. Das Infrarotband ist so breit, dass Strahlung aus verschiedenen Teilbereichen beim Auftreffen auf den Menschen ein völlig unterschiedliches Verhalten zeigt.

Historisch entdeckte der in Deutschland geborene Astronom William Herschel die Infrarotstrahlung im Jahr 1800. Er zerlegte Sonnenlicht mit einem Prisma und maß die Temperatur in den einzelnen Farbbereichen. Dabei beobachtete er, dass das Thermometer unmittelbar außerhalb des sichtbaren roten Lichts, wo kein sichtbares Licht mehr vorhanden war, die höchste Temperatur anzeigte. Es war der erste Beleg dafür, dass die Sonnenstrahlung über das für das Auge Sichtbare hinausreicht und dass diese unsichtbaren Strahlen Wärme transportieren. Über 220 Jahre später baut die gesamte Branche der Strahlungswärme auf dieser Entdeckung auf.

Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (minus 273,15 Grad Celsius) emittiert elektromagnetische Strahlung. Ein eiskaltes Objekt gibt nur sehr schwache Strahlung ab, aber es gibt sie. Ein menschlicher Körper bei 37 Grad Celsius strahlt kontinuierlich Infrarotenergie in seine Umgebung ab; Thermografiekameras nutzen genau diesen Effekt, um Wärmeverluste in Gebäuden sichtbar zu machen oder Fieber bei Patienten zu erkennen. Wer die Wärme eines aufgeheizten Backofens bereits auf Abstand spürt, ohne ihn zu berühren, erlebt Infrarotstrahlung. Sie ist die Standardform des thermischen Austauschs zwischen Körpern.

Lesen Sie unsere Einführungsseite darüber, was Infrarotwärme ist und welches Prinzip dahintersteht.

02 / 09 · PHYSIK

Die Temperatur der Strahlungsquelle bestimmt die Wellenlänge.

Das Wienschen Verschiebungsgesetz verknüpft Temperatur und Wellenlänge unmittelbar. Je heißer die Quelle, desto kürzer das Spektrum. Bei 1.300 K liegt das Maximum bei 2,2 µm.

• Die Temperatur legt die dominante Wellenlänge fest
• Opranics Karbonelement erreicht sein Maximum mitten im IR-B
• Mehr Leistung verschiebt das gesamte Spektrum

Hier liegt einer der am häufigsten missverstandenen Aspekte der Strahlungsphysik. Viele gehen davon aus, man könnte eine kurzwellige Strahlungsquelle mit geringerer Leistung bauen oder eine langwellige auf hohe Leistung auslegen. Beides ist physikalisch nicht möglich. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung ist untrennbar an die Temperatur der Strahlungsquelle gebunden, durch ein Gesetz, das der deutsche Physiker Wilhelm Wien bereits 1893 formulierte.

Das Wiensche Verschiebungsgesetz besagt, dass die Wellenlänge, bei der ein erhitzter Körper seine maximale Strahlungsleistung abgibt, umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur dieses Körpers ist. Vereinfacht ausgedrückt: Je heißer ein Körper, desto kürzer die dominante Wellenlänge. Deshalb hat eine Wärmequelle, die rot leuchtet, eine längere dominante Wellenlänge als eine, die gelb oder weiß glüht. Der Schmied, der Eisen erhitzt, beobachtet genau diesen Effekt: Bei rund 800 Grad entsteht rotes Glühen, bei 1.000 Grad ein Orange-Rot, bei 1.300 Grad Gelb und bei über 1.500 Grad schließlich Weiß. Dasselbe Material, aber das Spektrum verschiebt sich mit steigender Temperatur konsequent zu kürzeren Wellenlängen.

Für einen Infrarotstrahler bedeutet das: Die Konstruktion des Heizelements, das verwendete Material und die Betriebstemperatur legen gemeinsam ein spezifisches Spektralprofil fest, das der Hersteller nicht frei wählen kann. Ein Halogenstrahler mit einer Wolframwendel, die bei etwa 2.200 Grad Celsius glüht, erreicht sein Leistungsmaximum bei rund 1,2 bis 1,4 Mikrometern. Daran lässt sich nichts ändern. Ein karbonbasiertes Heizelement nach Opranic-Bauart arbeitet bei Vollleistung mit einer Oberflächentemperatur von rund 950 bis 1.050 Grad Celsius und erreicht sein Maximum damit im optimalen Bereich um 2,2 Mikrometer. Technologie und Temperatur bestimmen das Spektrum gemeinsam.

Mathematisch lässt sich das Wiensche Verschiebungsgesetz so ausdrücken: Die Wellenlänge des Maximums in Mikrometern ergibt sich aus 2.898 dividiert durch die Temperatur in Kelvin. Einige konkrete Beispiele verdeutlichen das: Die Sonnenoberfläche liegt bei rund 5.800 Kelvin, das Maximum der Strahlung bei etwa 0,5 Mikrometern, mitten im gelbgrünen Bereich des sichtbaren Lichts. Es ist kein Zufall, dass das menschliche Auge für genau diesen Wellenlängenbereich am empfindlichsten ist; die Evolution folgte dem Sonnenspektrum. Ein Halogenglühfaden bei 2.500 Kelvin erreicht sein Maximum bei rund 1,16 Mikrometern. Ein karbon- oder NiCr-basierter IR-B-Strahler bei etwa 1.320 Kelvin toppt bei 2,2 Mikrometern. Eine keramische Langwellenplatte bei 600 Kelvin erreicht ihr Maximum bei 4,8 Mikrometern. Und eine Wand in einem beheizten Raum bei 300 Kelvin strahlt ihr Maximum bei knapp 10 Mikrometern ab.

Dieselbe Gesetzmäßigkeit erklärt, warum sich ein Infrarotstrahler nicht allein durch höhere Leistung effizienter machen lässt. Wird einer langwelligen Quelle mehr Strom zugeführt, steigt ihre Oberflächentemperatur, und das Spektrum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Das Produkt verändert dabei seinen Charakter grundlegend. Umgekehrt gilt: Wird die Stromzufuhr eines kurzwelligen Strahlers gedrosselt, sinkt die Oberflächentemperatur und das Spektrum verschiebt sich zu längeren Wellenlängen, jedoch bei weitem nicht ausreichend, um echte Mittelwellenstrahlung zu erzeugen. Strahlelemente sind auf einen engen Betriebstemperaturbereich ausgelegt; wer diesen Bereich verlässt, akzeptiert Kompromisse sowohl bei der Lebensdauer als auch bei der Spektrumsqualität.

Einen strukturierten Kaufratgeber, der unsere Modelle im direkten Vergleich zeigt, finden Sie unter Infrarot Heizstrahler outdoor.

03 / 09 · DREI BÄNDER

Wie Strahlung in der Haut wirkt.

IR‑A dringt 3–5 mm tief ein und kann als stechend empfunden werden. IR‑B (Opranic) wird genau dort absorbiert, wo die Wärmerezeptoren sitzen. IR‑C verbleibt an der Oberfläche.

• IR-A dringt tief ein, IR-C bleibt an der Oberfläche
• IR-B wird dort absorbiert, wo die Wärmerezeptoren sitzen
• Mittelwelle trifft Haut und Wärmeempfinden

Der Infrarotbereich wird konventionell in drei Hauptbänder unterteilt. Diese 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. Das IR-X Carbon Black von Opranic arbeitet in diesem Bereich, mit einem Leistungsmaximum bei 2,2 Mikrometern bei Volllast. 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 Norm ISO 20473 und sind Konventionen, keine scharfen physikalischen Grenzen, erfassen aber einen realen Verhaltensunterschied.

Wenn ein Infrarotstrahl auf die Haut trifft, geschehen drei Dinge gleichzeitig: Ein Teil wird zurück in den Raum reflektiert, ein Teil transmittiert tief in das Gewebe, und ein Teil wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Verteilung zwischen diesen drei Vorgängen hängt vollständig von der Wellenlänge der Strahlung ab. Hier entscheidet die Wahl der Technologie darüber, wie wirksam ein Infrarotstrahler den Aufenthalt auf der Terrasse an einem kühlen Herbstabend angenehm gestaltet.

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 einer Dicke von etwa 100 Mikrometern, darunter die Dermis mit Blutgefäßen, Nervenenden und den wärmeempfindlichen Rezeptoren. Damit die Strahlung ein angenehmes Wärmeempfinden erzeugt, muss sie in der richtigen Tiefe absorbiert werden: tief genug, um die Dermis mit ihren Rezeptoren zu erreichen, aber nicht so tief, dass sie das relevante Gewebe durchdringt, ohne nennenswert zu erwärmen.

Kurzwellige IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern weist eine hohe Transmission durch die Haut auf. Ein erheblicher Anteil der Strahlung durchdringt die Epidermis und kann mehrere Millimeter tief in Dermis und Subkutis vordringen. Gleichzeitig reflektiert die Haut bis zur Hälfte der kurzwelligen Strahlung zurück in die Luft. Der Nettoenergieübertrag pro einfallendem Watt ist dadurch für Komfortheizung weniger effizient, obwohl die Strahlung physikalisch tief eindringt. Genau diese tiefe Penetration kann bei hohen Dosen aus künstlichen Quellen in geringem Abstand als stechend empfunden werden: Die Strahlung erzeugt Wärme in Gewebeschichten unterhalb der Haut, ohne die oberflächlichen Wärmerezeptoren direkt zu aktivieren.

Mittelwellige IR-B im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern verhält sich anders. Die Reflexion der Haut ist in diesem Bereich deutlich geringer, und die Absorption ist hoch in den obersten Hautschichten, wo die Wärmerezeptoren am dichtesten konzentriert sind. Die Strahlung dringt nicht tiefer als etwa 1 Millimeter in die Haut ein, wird aber genau dort aufgenommen, wo sie ein angenehmes Wärmeempfinden ohne oberflächliches Brennen erzeugt. Die Durchblutung verteilt die Wärme anschließend auf natürliche Weise im Körper weiter.

Langwellige IR-C über 3 Mikrometern wird nahezu vollständig in den äußersten Hautschichten absorbiert, häufig innerhalb weniger als 0,1 Millimetern. Das erzeugt ein Gefühl oberflächlicher Wärme, das im Innenraum sehr angenehm ist. Im Außenbereich ist die Intensität langwelliger Quellen jedoch in der Regel zu gering, um gegen Wind und Kälte einen spürbaren Komforteffekt zu erzielen.

Das Absorptionsprofil der Mittelwelle stimmt mit der Anatomie der Haut auf eine Weise überein, die kein Zufall ist. Die Wärmerezeptoren in Epidermis und Dermis liegen in einer Tiefe, in der IR-B-Strahlung effizient absorbiert wird, während IR-A an ihnen vorbeieindringt und IR-C bereits in den abgestorbenen Oberflächenzellen gestoppt wird, bevor ein Signal das Nervensystem erreicht. Für einen Infrarotstrahler, der von Menschen im Außenbereich genutzt wird, ist das IR-B-Band daher der funktionale Sweet spot, an dem Strahlung, Haut und Wärmeempfinden zusammentreffen.

IR-B ist zudem in der Physiotherapie etabliert und kommt in medizinisch zugelassenen Wärmequellen für Neugeborene auf Neonatalstationen zum Einsatz. Infrarotstrahlung ist keine exotische Technologie, sondern eine physikalisch gut charakterisierte Wärmequelle mit bekanntem Wirkprofil.

04 / 09 · WASSER

Der Körper besteht größtenteils aus Wasser.

Wassermoleküle erreichen ihr Absorptionsmaximum bei 1,9 und 3,0 µm. Dazwischen liegt ein optimaler Bereich bei 2,2 µm: hohe Absorption ohne thermische Belastung.

• Das Körperwasser bestimmt die Absorption
• 2,2 µm vermittelt zwischen Absorption und Leistungsdichte
• Bei reduzierter Leistung verschiebt sich der Peak zu 2,7 µm

Wenn man beschreibt, wie Infrarotstrahlung einen Menschen erwärmt, beschreibt man im Kern, wie Strahlung Wasser erwärmt. Der Körper eines Erwachsenen besteht zu etwa 60 bis 70 % aus Wasser. Jede Hautzelle, jedes Blutgefäß, jeder Muskel enthält Wasser, und dieses Wasser bestimmt maßgeblich, wie der Körper mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich wechselwirkt.

Das Wassermolekül weist eine gut charakterisierte Absorptionskurve auf. Sie verläuft nicht gleichmäßig, sondern zeigt ausgeprägte Maxima und Minima. Im sichtbaren Licht und im kurzwelligen IR-A-Bereich um 1 µm absorbiert Wasser kaum; deshalb ist das Meer für sichtbares Licht transparent, und deshalb dringt kurzwellige Strahlung vergleichsweise tief durch die Haut. Ab etwa 1,45 µm steigt die Absorption steil an. Zwischen 1,9 und 3,0 µm liegt ein Absorptionsband, das so stark ausgeprägt ist, dass eine Wasserfilmdicke von wenigen Zehntelmillimetern nahezu die gesamte einfallende Strahlung absorbiert. Das absolute Maximum der Wasserabsorption liegt bei etwa 2,9 bis 3,0 µm.

Hier ergibt sich eine subtile, aber wichtige Frage: Wenn 3,0 µm das Absorptionsmaximum ist, weshalb arbeitet 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 längere Wellenlängen spricht. Andererseits muss die Strahlungsquelle eine ausreichend hohe Leistungsdichte erzeugen, damit die Wärme bei Wind und Kälte spürbar bleibt; das spricht für kürzere Wellenlängen, bei denen die Oberflächentemperatur des Strahlers nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz höher liegt. Bei 2,2 µm auf Nennleistung treffen beide Anforderungen optimal zusammen: Die Wasserabsorption ist weiterhin hoch, und die Leistungsdichte reicht für den gewerblichen Außeneinsatz.

Bei niedrigeren Leistungsstufen verschiebt sich der Emissionspeak zu längeren Wellenlängen und nähert sich dem Absorptionsmaximum des Wassers weiter an, was ein weicheres Wärmeempfinden ergibt. Das interaktive Diagramm oben zeigt, wie sich die Wellenlänge je nach gewählter Leistungsstufe zwischen 2,2 und 2,7 µm bewegt. Dieser gesamte Bereich liegt in einem Fenster, in dem die Hautreflexion gering ist, wie der vorherige Abschnitt gezeigt hat. Das ergibt eine doppelte Optimierung: sowohl für die äußere Hautschicht als auch für die Wassermoleküle im darunterliegenden Gewebe.

Bei Wellenlängen oberhalb von 3 µm sinkt die Oberflächentemperatur der Strahlungsquelle so weit, dass die Leistungsdichte drastisch abnimmt. Leistungsdichte bezeichnet die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit der strahlenden Oberfläche; sie folgt direkt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: Die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit wächst mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Ein Strahler bei 400 °C gibt je Flächeneinheit weniger als ein Sechstel der Strahlungsleistung ab, die ein Strahler bei 900 °C leistet.

Langwellige IR-C-Strahlung ist daher für den Innenraumeinsatz gut geeignet, wo moderate Leistungsdichte ausreicht und kein Wind die Wärmewirkung mindert; für offene Terrassen mit hoher konvektiver Wärmeabfuhr ist sie hingegen unzureichend.

In stark windexponierten Umgebungen und bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann ein kurzwelliger Infrarotstrahler mit hoher Leistungsdichte auf gleichem Abstand wärmer wirken als ein mittelwelliger Strahler. Das liegt nicht daran, dass Kurzwelle für die Haut vorteilhafter wäre, sondern daran, dass die hohe Oberflächentemperatur der Strahlungsquelle schiere Watt pro Quadratmeter über die Absorptionsoptimierung stellt. Der Preis dafür ist eine schlechtere Hautverträglichkeit bei längerer Exposition, ein höherer Anteil reflektierter Energie und eine Wärmeempfindung, die viele Nutzer auf Dauer als hart und stechend beschreiben.

Für sorgfältig geplante Außenterrassen mit moderatem Windschutz ist ein mittelwelliger IR-B-Infrarotstrahler mit einem Emissionspeak um 2,2 µm in nahezu allen Fällen die ausgewogenere Wahl, sowohl für den Komfort als auch für die langfristige Hautgesundheit. Kurzwellige Strahler sind eine legitime Option in extremen, windintensiven Industrieumgebungen mit kurzen Expositionszeiten; dabei sollte man sich jedoch bewusst sein, dass die höhere Leistungsdichte auf Kosten der Hautverträglichkeit erkauft wird.

05 / 09 · MOLEKULARE EBENE

Schwingungen werden zu Wärme.

Die Strahlung regt Schwingungsmoden in Molekülen an. Die Energie wird direkt in Wärmebewegung umgewandelt, ohne dass die dazwischenliegende Luft erwärmt wird.

• Wärme entsteht erst, wenn die Strahlung absorbiert wird
• Die Wassermoleküle schwingen und erwärmen sich
• Erwärmt Körper und Oberflächen, nicht die Luft dazwischen

Ein weit verbreitetes Missverständnis besagt, Infrarotstrahlung sei Wärme, die durch den Raum reist. Tatsächlich handelt es sich um elektromagnetische Energie, die sich als Welle ausbreitet. Wärme entsteht erst, wenn diese Energie von Materie absorbiert und in molekulare Bewegung umgewandelt wird. Diese Unterscheidung ist das physikalische Fundament der Infrarot-Technologie und erklärt, warum sie sich grundlegend von konvektiver Heizung unterscheidet.

Jedes Molekül besteht aus Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungen lassen sich als kleine Federn beschreiben, um die die Atome in definierten Frequenzen schwingen. Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Molekül, deren Frequenz mit dessen natürlicher Schwingungsfrequenz übereinstimmt, wird die Energie resonant übertragen und das Molekül beginnt stärker zu schwingen. Dieser Vorgang wird als Vibrationsresonanz bezeichnet, und er ist es, der Infrarotstrahlung in Wärme verwandelt.

Das Wassermolekül H₂O besitzt drei wesentliche Schwingungsmoden: symmetrische Streckschwingung, asymmetrische Streckschwingung und Biegeschwingung des Bindungswinkels zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Resonanzfrequenzen dieser Moden entsprechen Wellenlängen von etwa 2,7, 2,9 und 6,3 Mikrometern. Daraus erklärt sich die besonders starke Absorption von Wasser im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern: Die Infrarotstrahlung trifft exakt die Eigenfrequenzen der Moleküle, und die Energie wird effizient übertragen. Eine stärkere Schwingung des Wassermoleküls ist präzise das, was eine höhere Temperatur definiert. Die Energie hat den Übergang vom elektromagnetischen Zustand in thermische Energie im Gewebe vollzogen.

Damit erklärt sich auch, warum Infrarotstrahlung eine Oberfläche erwärmen kann, ohne die dazwischenliegende Luft zu erwärmen. Die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff, sind homonukleare Moleküle mit sehr wenigen Schwingungsmoden, die dem Infrarotspektrum entsprechen. Stickstoff absorbiert in dem für Komfortheizungen relevanten Band nahezu nichts. Die Strahlung durchdringt die Luft ohne nennenswerten Verlust, bis sie auf eine wasserhaltige Oberfläche trifft, einen Menschen, eine Pflanze, einen Holzboden, wo sie absorbiert wird und Wärme erzeugt.

Eine bemerkenswerte Konsequenz daraus ist, dass die Luft zwischen dem Strahler und dem Aufenthaltsbereich vergleichsweise kühl bleibt, selbst wenn die Strahlungswärme als angenehm empfunden wird. Hier ist jedoch eine wichtige praktische Differenzierung erforderlich. Die Infrarotstrahlung selbst wird von Wind nicht abgelenkt, da sie sich unabhängig von Luftbewegungen geradlinig ausbreitet. Allerdings gibt die Haut gleichzeitig Wärme an die Umgebung über Konvektion ab, und diese konvektiven Verluste steigen mit der Windgeschwindigkeit erheblich an. Dasselbe Prinzip erklärt, warum ein windiger Tag bei gleicher Lufttemperatur deutlich kälter wirkt als ein stiller Tag. Bei starkem Wind ist deshalb eine höhere Strahlungsintensität oder ein geringerer Abstand erforderlich, nicht weil die Strahlung selbst nachlässt, sondern weil der Körper mehr Wärme an die bewegte Luft abgibt. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu Konvektionsheizern, die im Wind nahezu wirkungslos werden. Ein gut positionierter Infrarotstrahler liefert auch bei Wind Wärme; er muss lediglich etwas mehr Energie zuführen, um den erhöhten Wärmeverlust an der Haut auszugleichen.

Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft haben einen gewissen, wenn auch geringen Einfluss. Diese Moleküle besitzen Schwingungsmoden im Infrarotbereich und absorbieren bestimmte Spektralanteile. Darin liegt im Übrigen die physikalische Ursache des atmosphärischen Treibhauseffekts. Für die Abstände, die in der Praxis relevant sind, wenige Meter auf einer Terrasse oder in einem Wintergarten, ist diese Absorption jedoch vollständig vernachlässigbar. Die Strahlung erreicht den Aufenthaltsbereich praktisch unverändert.

06 / 09 · INDUSTRIE

Dieselbe Physik, die die Industrie seit Jahrzehnten nutzt.

IR-B kommt bei der PET-Trocknung, der Kunststoffformgebung, der Lebensmittelsterilisation und in Papiermaschinen zum Einsatz. Opranic überträgt das industrielle Know-how auf die Komfortheizung.

• Dieselbe Physik trocknet Farbe und formt PET
• Die Wellenlänge wird nach dem Material gewählt
• Jahrzehntelange Industrietechnik auf Komfortanwendungen übertragen

Es liegt nahe, die Diskussion über Wellenlänge und Absorption für akademisch zu halten. Das wäre ein Irrtum. Dieselbe Wellenlängenauswahl, die 2,2 µm optimal für die menschliche Komfortheizung macht, macht andere Wellenlängen optimal für völlig andere industrielle Anwendungen. Die Infrarot-Technologie wird in großem Maßstab eingesetzt, um Lacke zu trocknen, Kunststoffflaschen zu formen, Verpackungen zu sterilisieren, Klebstoffe auszuhärten und vieles mehr. In jedem Fall wird die Wellenlänge auf das jeweilige zu erwärmende Material abgestimmt.

Kunststoffe absorbieren Infrarotstrahlung vorwiegend oberhalb von 2 µm. Dünne Kunststofffolie für Lebensmittelverpackungen absorbiert kurzwellige Strahlung aus Halogenlampen kaum, nimmt Mittelwellenstrahlung hingegen effizient auf. Genau deshalb nutzen moderne PET-Flaschenblasmaschinen mittelwellige IR, um Vorformlinge vor dem Blasvorgang aufzuheizen. Textilien, Papier und Holz, alle organischen Materialien mit Wasser oder OH-Bindungen, absorbieren am stärksten in demselben Spektralbereich wie menschliche Haut. Der Grund liegt in den Molekülstrukturen dieser Materialien, die denen von Wasser oder anderen schwingungsempfindlichen Bindungen ähneln.

Kurzwellige Strahlung wird in der Industrie vor allem dann eingesetzt, wenn dicke, pigmentierte Materialien erwärmt werden sollen, die bei vielen Wellenlängen absorbieren, etwa Metallblech, dunkles Gummi oder Karosserieteile. Dort liefert die Kurzwelle hohe Intensität und dringt tief ein. Für eine Terrasse, auf der Menschen sitzen und entspannen, ist die Anforderung genau umgekehrt: Die Energie soll in der Hautoberfläche verbleiben, nicht tief eindringen. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist der Einsatz eines kurzwelligen Infrarotstrahlers für Komfortheizung so, als würde man eine Industrielampe zur Kunststoffhärtung wählen, obwohl man nur ein Buch lesen möchte.

Heraeus, einer der weltweit führenden Hersteller industrieller IR-Systeme, veröffentlicht technische Daten, die exakt dieselbe Physik belegen, die Opranic auf der Anwenderseite anwendet. Wenn ein Gastronom einen Opranic Infrarot-Heizstrahler für seine Außengastronomie erwirbt, wirken dieselben optischen Prinzipien, die PET-Flaschen in einer deutschen Fabrik formen oder Druckfarbe auf einer belgischen Druckmaschine trocknen, angewendet auf eine Terrasse und den menschlichen Körper.

07 / 09 · SICHERHEIT

Bewertet von internationaler Expertise.

ICNIRP hat Expositionsgrenzwerte für Infrarot festgelegt. Komfortniveaus liegen mit deutlichem Abstand darunter. Mittelwellige Infrarotstrahlung ist sicherer als kurzwellige.

• Zu wenig Energie, um DNA zu schädigen
• Internationale Grenzwerte mit deutlichem Sicherheitsabstand
• Mittelwelle schont tieferes Gewebe

Die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung, ICNIRP, ist die globale Referenzorganisation für Sicherheitsrichtlinien zu elektromagnetischer Strahlung unterhalb ionisierender Energieniveaus. Sie veröffentlicht Grenzwerte, die nationale Behörden weltweit als Grundlage nutzen, und ihre Leitlinien zur Infrarotexposition sind seit Jahrzehnten etabliert.

Infrarotstrahlung gehört zum nicht-ionisierenden Teil des Spektrums. Die Photonen besitzen nicht genug Energie, um chemische Bindungen in der DNA aufzubrechen. Das ist ein grundlegender Unterschied zur ultravioletten Strahlung, die ionisierend wirkt und bei Überexposition Hautkrebs verursachen kann. IR-Strahlung auf Komfortniveau hat keinen solchen Wirkmechanismus. Die einzigen Sicherheitsparameter, auf die ICNIRP sich konzentriert, sind thermische Effekte: Haut und Auge sollen keiner Strahlungsintensität ausgesetzt werden, die eine Überhitzung des Gewebes bewirkt.

Bei einer typischen Terrasseninstallation liegt die Strahlungsintensität eines korrekt montierten Infrarotstrahlers, etwa eines PRO V70 in 2,5 m Montagehöhe, weit unterhalb der ICNIRP-Grenzwerte für eine mehrere Stunden täglich andauernde Exposition. Produktkonstruktion, Abstand und Leistungsverteilung stellen dies sicher. Auch die Augensicherheit ist umfassend bewertet. Während das direkte Hineinschauen in einen sehr heißen Halogen- oder Kurzwellenstrahler Beschwerden verursachen kann, gilt die diffuse Strahlung eines korrekt installierten Mittelwellenstrahlers auf Komfortniveau als sicher für den normalen Gebrauch.

Ein wesentlicher Vorteil von Mittelwellenstrahlern bei 2,2 µm liegt in der Absorption der Strahlung in den vorderen Strukturen des Auges: Hornhaut und Kammerwasser absorbieren bei genau diesen Wellenlängen sehr stark. Die Strahlung dringt dadurch nicht so tief ins Auge vor, wie es kurzwellige IR-A tun kann. Kurzwelliges IR-A zwischen 0,8 und 1,4 µm passiert die Hornhaut und kann die Netzhaut mit deutlich höherer Intensität erreichen. Das ist einer der Gründe, warum ICNIRP für kurzwellige Exposition strengere Grenzwerte festgelegt hat. In der Praxis liegen all diese Werte weit von der alltäglichen Exposition an einem gut konstruierten Komfortwärmegerät entfernt; als ingenieurstechnisches Prinzip ist es jedoch konsequent, eine Technologie zu wählen, die von Natur aus auf der sichereren Seite liegt.

Zur Hautgesundheit wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren diskutiert, ob intensive IR-A-Strahlung zu oxidativem Stress und einer Beeinträchtigung des Kollagens beitragen kann. Die Forschungslage ist nicht einheitlich. Die natürliche IR-A-Strahlung der Sonne gilt dermatologischer Expertise zufolge bei normaler Dosis als unbedenklich, und Infrarotstrahlung 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 auf Mittelwelle bei 2,2 µm zu setzen. Die Strahlung wird im äußeren Millimeter der Haut absorbiert und erreicht die Fibroblasten in der Dermis nicht auf vergleichbare Weise.

08 / 09 · LULEÅ

Luleå Tekniska Universitet, unter arktischen Bedingungen.

Eine unabhängige Studie an der LTU bestätigte: Mittelwellen-IR erzeugt bei gleicher Leistungsstufe eine gleichmäßigere und angenehmere Wärme als kurzwellige Strahlung.

• Unabhängige Studie 2019
• Veröffentlichte und frei zugängliche Forschung
• Gleichmäßige Wärme ohne Hotspots

Im April 2019 führte Luleå Tekniska Universitet in Zusammenarbeit mit der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Vattenfall eine unabhängige experimentelle Studie durch. Ziel war es zu untersuchen, ob Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windturbinenblättern unter arktischen Bedingungen eingesetzt werden kann, ein Problem, das die skandinavische Windkraftbranche alljährlich erhebliche Produktionsverluste kostet. Opranic lieferte die Strahlungsquellen für die Studie: zwei spezifische Typen, IR-X Carbon Black-Strahler mit einem Leistungsmaximum bei 2,4 Mikrometern sowie Halogenstrahler mit einem Leistungsmaximum bei 1,4 Mikrometern.

Die Studie wurde im Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics veröffentlicht und ist als peer-reviewte Forschung frei zugänglich. Die Versuche fanden in Klimakammern der Arctic Falls-Anlage in Piteå statt, wo die Umgebungstemperatur zwischen 0 und minus 30 Grad Celsius präzise geregelt werden konnte. Die Blätter wurden mit einer Schicht weichen Raureifs versehen und anschließend mit verschiedenen Kombinationen von IR-Strahlern aus 1,0 und 1,5 Metern Abstand erwärmt.

Die Ergebnisse sind technisch aufschlussreich und bestätigen mehrere Grundsätze, auf denen Opranic seine Produkte seit über 20 Jahren aufbaut. Erstens zeigte die Studie, dass die Kombination aus IR-X Carbon Black und Halogen bei 1,5 Metern Abstand das effektivste Abtauergebnis lieferte, mit einer Schmelzrate von 0,20 Kilogramm Eis pro Minute. Die alleinige IR-X-Kombination erzielte auf demselben Abstand 0,13 Kilogramm pro Minute. Zweitens ergab die Studie, dass der IR-X Carbon Black-Strahler eine breitere Wärmeverteilung erzeugt, während der Halogenstrahler konzentriertere Wärme abgibt, genau so, wie es das Wiensche Verschiebungsgesetz und die Strahlungsphysik vorhersagen. Drittens, und das ist für die Komfortwärme entscheidend, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass längere Wellenlängen effizienter darin sind, Energie in der Oberfläche zu binden, weil die Absorption in diesem Spektralbereich höher ist.

Eine weitere Beobachtung verdient besondere Aufmerksamkeit: Bei zu geringem Abstand von 1,0 Meter stieg die Oberflächentemperatur des Blattes so stark an, dass Überhitzung drohte. Bei 1,5 Metern hingegen wurde eine gleichmäßige Wärmeverteilung ohne Überhitzung erreicht. Daraus lässt sich auch eine praktische Schlussfolgerung für die Komfortheizung ziehen: Der Abstand zwischen einem Infrarotstrahler und den Personen darunter ist nicht beliebig. Eine korrekt positionierte Einheit in der richtigen Montagehöhe liefert gleichmäßige Wärme ohne Hotspots.

Die Studie dokumentierte zudem einen interessanten Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen in Bezug auf verschiedene Eisarten. Der IR-X Carbon Black-Strahler bei 2,4 Mikrometern erwies sich als wirksamer gegen leichten Schnee und Raureif, da diese porösen Eiskristalle viel Luft und weniger dicht gepacktes Wasser enthalten. Der Halogenstrahler bei 1,4 Mikrometern schnitt bei klarem Blankeis mit seiner anderen optischen Struktur etwas besser ab. Die Kombination beider Typen erzielte insgesamt die beste Leistung, weil die beiden Wellenlängen unterschiedliche Kristallstrukturen abdeckten. Diese Lösung ist ingenieurstechnisch elegant: Sie gründet auf dem Verständnis der Rolle, die die Wellenlänge bei der Energieübertragung spielt.

Das abschließende Fazit der Forscher in der Publikation verdient besondere Beachtung: Eine Kombination aus zwei Infrarot-Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen liefert ein breiteres Spektrum und damit eine effektivere Enteisung als der ausschließliche Einsatz eines einzigen Typs. Für einen Komfort-Infrarotstrahler auf der Terrasse lautet die Schlussfolgerung, dass ein durchdachter Mittelwellenstrahler mit einem moderat breiten Spektrum um 2,4 Mikrometer die technisch ausgewogenste Wahl darstellt: breit genug, um benachbarte Wellenlängen einzuschließen, schmal genug, um keine Energie in Bereichen zu verschwenden, in denen Haut und Wasser die Strahlung kaum absorbieren.

09 / 09 · PRAKTISCHE AUSWAHL

So lesen Sie eine Produktspezifikation.

Prüfen Sie die angegebene Emissions-Wellenlänge, nicht nur die Wattangabe. Wo die Energie abgegeben wird, ist entscheidender als die elektrische Aufnahmeleistung.

• Spektrumsmaximum in Mikrometern suchen
• Carbon-Mittelwelle für die Terrasse
• Reflektor und Gehäuse bestimmen den Komfort

Wer einen Infrarot-Heizstrahler für den Außenbereich kaufen möchte, findet die Wellenlänge selten prominent in der Produktbeschreibung. Dabei ist sie der wichtigste technische Parameter überhaupt. Das folgende Bewertungsschema basiert auf der Physik, die in diesem Artikel beschrieben wurde.

Suchen Sie zunächst nach einer Angabe zum Emissionsmaximum oder zur dominanten Wellenlänge. Ein Hersteller, der seine Technologie beherrscht und transparent kommuniziert, gibt an, dass das Strahlelement sein Emissionsmaximum im IR-B-Band hat, idealerweise mit einem genauen Wert in Mikrometern. Nennt die Spezifikation ausschließlich die Wattzahl oder arbeitet sie mit vagen Begriffen wie „angenehme Wärme“ oder „tiefenwirksam“, lässt sich das Produkt technisch nicht seriös einordnen. Das muss kein Ausschlusskriterium sein, liefert aber keine Grundlage für eine fundierte Kaufentscheidung.

Prüfen Sie zweitens das Strahlelement. Halogen- und Kurzwellen-Quarzrohre arbeiten im IR-A-Band mit einem Emissionsmaximum zwischen 1,0 und 1,4 µm. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Materialien schnell und tief erwärmt werden müssen oder wo extreme Windexposition eine hohe Leistungsdichte erfordert. Carbon- und NiCr-basierte Strahlelemente emittieren im Mittelwellenbereich bei etwa 2,0 bis 2,5 µm; sie sind auf Komfort ausgelegt, mit einem Emissionsmaximum, das optimal zur Absorption in der menschlichen Haut passt. Keramische Elemente und FIR-Paneele arbeiten im Langwellenbereich oberhalb von 3 µm und sind für den Innenraum konzipiert, wo weder Wind noch große Volumenverluste die Strahlungswärme beeinträchtigen.

Berücksichtigen Sie drittens das Gesamtsystem um das Strahlelement. Geometrie, Material und Oberflächenveredelung des Reflektors bestimmen, wie viel der abgegebenen Energie tatsächlich in Richtung der Person gelenkt wird und wie viel seitlich oder nach oben verloren geht. Ein physikalisch einwandfreies IR-B-Element mit schlecht konstruiertem Reflektor liefert weniger Komfort als ein durchdacht aufgebautes System mit demselben Element. Opranic entwickelt seit mehr als 20 Jahren Strahlelement, Reflektor, Gehäuse und Elektronik als aufeinander abgestimmte Einheit.

Beziehen Sie auch die Nutzungsumgebung in Ihre Entscheidung ein. Für vergleichsweise windgeschützte Terrassen, Gastronomiebereiche und private Außenanlagen ist ein Infrarotstrahler im IR-B-Mittelwellenbereich nahezu immer die richtige Wahl: sowohl für den Komfort als auch für die langfristige Hautverträglichkeit. In extrem windexponierten, industrienahen Umgebungen mit kurzen Verweilzeiten (etwa Hafenareale oder offene Bahnsteige) kann Kurzwellentechnologie aufgrund ihrer reinen Leistungsdichte gelegentlich berechtigt sein. In diesen Fällen sollte man sich jedoch bewusst sein, dass die Strahlung die Haut stärker beansprucht und ein dauerhafter Aufenthalt direkt unter dem Strahler nicht empfohlen wird.

Lassen Sie abschließend den Preis nicht als alleiniges Kriterium gelten. Ein Strahler, dessen Emissionsmaximum physikalisch im falschen Wellenlängenbereich liegt, wird unabhängig von seiner Leistungsaufnahme nie denselben Komfort erzielen. Das Prinzip lässt sich präzise beschreiben: Ein UKW-Radio empfängt keine Langwellensendungen, egal wie weit man den Lautstärkeregler aufdreht. Die Physik der IR-Strahlung ist seit mehr als hundert Jahren bekannt und unveränderlich. Es lohnt sich, ein Produkt zu wählen, das von Grund auf mit diesem Wissen konstruiert wurde.

Wenn Sie verstehen möchten, wie die Wellenlänge die Effizienz in der Praxis beeinflusst, lesen Sie mehr über die Grundprinzipien der Opranic-Technologie, besuchen Sie unseren Kaufratgeber für Infrarotstrahler im Außenbereich, oder erfahren Sie, wie IR-X Carbon Black im PRO V70 integriert ist.