Hoe infraroodverwarming werkt

01 / 09 · HET SPECTRUM

Waar infraroodstraling zich bevindt in het elektromagnetisch spectrum

Infrarood is een laagenergetisch deel van het spectrum, dezelfde familie als de warmte van een open haard. De interactie met materie wordt volledig bepaald door de golflengte, niet door het vermogen.

• Infrarood beslaat een breed bereik met uiteenlopend gedrag
• Bepaalt hoe straling materie ontmoet
• De ontdekking waarop de gehele stralingswarmte-industrie is gebaseerd

Het elektromagnetisch spectrum is een aaneengesloten schaal van straling die loopt van de langste radiogolven van enkele kilometers tot de kortste gammastralen van minder dan een miljardste millimeter. Al deze stralingsvormen zijn hetzelfde basisfenomeen, elektromagnetische golven, maar verschillende golflengten leiden tot volledig verschillende eigenschappen. Radiogolven passeren onschadelijk door muren, zichtbaar licht reflecteert op gekleurde oppervlakken, en de hoogenergetische röntgenstraling dringt door in zacht weefsel. De golflengte bepaalt hoe straling met materie wisselwerkt en of zij überhaupt een biologisch effect heeft.

Infraroodstraling ligt direct voorbij het zichtbare rode licht, vandaar de naam. Het woord infra komt van het Latijnse woord voor onder; infrarood betekent dus straling met een golflengte die net boven die van rood licht ligt, maar ver onder die van microgolven. Het zichtbare licht strekt zich uit van circa 0,4 micrometer voor violet tot 0,7 micrometer voor diep rood. Waar het rode licht eindigt, begint het infrarode gebied, dat doorloopt tot circa 1.000 micrometer. Eén belangrijk punt verdient directe vermelding: infraroodstraling behoort tot het laagenergetische en onschadelijke deel van het spectrum, dezelfde familie als de warmte van een open haard of het zonlicht op een lentedag. Zij verschilt fundamenteel van hoogenergetische straling zoals ultraviolet, röntgen en gamma, die chemische bindingen in DNA kunnen verbreken. Infraroodstraling heeft per foton te weinig energie om dat soort schade te veroorzaken. Zij brengt moleculen slechts in trillende beweging, en juist die trilling ervaren wij als warmte.

Wanneer men zegt dat een straler infraroodstraling uitzendt, is daarmee nog weinig gezegd over het gedrag ervan. Het is vergelijkbaar met de mededeling dat een radiostation op radiofrequentie uitzendt, zonder te vermelden of het FM of langegolf betreft. Het infrarode band is zo breed dat straling uit verschillende delen ervan zich heel anders gedraagt wanneer zij op een mens valt.

Historisch werd infraroodstraling ontdekt door de in Duitsland geboren astronoom William Herschel in 1800. Hij experimenteerde met het uiteenleggen van zonlicht via een prisma en mat de temperatuur in de afzonderlijke kleuren. Tot zijn verbazing gaf de thermometer de hoogste temperatuur aan net buiten het zichtbare rode licht, op een plek waar geen zichtbaar licht meer aanwezig was. Dit was het eerste bewijs dat de straling van de zon verder reikt dan het menselijk oog kan waarnemen, en dat deze onzichtbare stralen warmte met zich meedragen. Meer dan 220 jaar later is de gehele industrie voor stralingswarmte op die ontdekking gebouwd.

Elk voorwerp met een temperatuur boven het absolute nulpunt, min 273,15 graden Celsius, zendt enige vorm van elektromagnetische straling uit. Een ijskoud voorwerp zendt zeer zwakke straling uit, maar die is er wel. Een menselijk lichaam van 37 graden straalt continu infrarode energie uit naar de omgeving; thermografische camera’s maken daarvan gebruik om warmteverlies in gebouwen of koorts bij patiënten zichtbaar te maken. De warmte die u van een hete oven voelt op afstand, zonder hem aan te raken, is infraroodstraling. Het is de standaardvorm van thermische uitwisseling tussen lichamen.

Lees onze introductiepagina over wat infraroodwarmte is en het zonneprincipe achter de technologie.

02 / 09 · DE FYSICA

De temperatuur van de stralingsbron bepaalt de golflengte.

De wet van Wien koppelt temperatuur aan golflengte. Hoe hoger de temperatuur van de bron, hoe korter het spectrum. Bij 1.300 K ligt de piek bij 2,2 µm.

• De temperatuur bepaalt de dominante golflengte
• Het koolstofverwarmingselement van Opranic piekt midden in IR-B
• Meer vermogen verschuift het volledige spectrum

Dit is een van de meest misverstane aspecten van de stralingsfysica. Veel mensen veronderstellen dat het mogelijk is een kortgolvige stralingsbron te bouwen die “zwakker” is, of een langgolvige die op hoog vermogen werkt. Zo werkt het niet. De golflengte van de straling is fysisch onlosmakelijk verbonden met de temperatuur van de bron, via een wet die de Duitse natuurkundige Wilhelm Wien al in 1893 formuleerde.

De wet van Wien stelt dat de golflengte waarbij een verhit voorwerp maximale straling uitzendt, omgekeerd evenredig is met de absolute temperatuur van dat voorwerp. Eenvoudig gezegd: hoe hoger de temperatuur, hoe korter de dominante golflengte. Daarom heeft een warmtebron die rood gloeit een langere dominante golflengte dan een bron die geel of wit licht geeft. Wanneer een smid ijzer verhit, verschuift de gloed van rood bij ongeveer 800 graden, naar oranjerood bij 1.000 graden, naar geel bij 1.300 graden en uiteindelijk naar wit boven de 1.500 graden. Hetzelfde materiaal, maar het spectrum verschuift naar kortere golflengten naarmate de temperatuur stijgt.

Voor een stralingsverwarmingselement betekent dit dat de constructie, het materiaal en de werktemperatuur samen het spectraalprofiel vastleggen. Een halogeenstraler met een wolfraamgloeidraad die gloeit bij circa 2.200 graden Celsius heeft zijn vermogenspiek rond 1,2 tot 1,4 micrometer. Dat valt niet te wijzigen. Een koolstofgebaseerd verwarmingselement van het type dat Opranic toepast, werkt bij een oppervlaktetemperatuur van circa 950 tot 1.050 graden Celsius op volledig vermogen en heeft daarmee zijn piek in het optimale gebied rond 2,2 micrometer. De technologie en de temperatuur bepalen het spectrum gezamenlijk.

Wiskundig luidt de wet van Wien als volgt: de piekgolflengte, uitgedrukt in micrometer, is gelijk aan circa 2.898 gedeeld door de temperatuur in Kelvin. Enkele concrete voorbeelden: de zon heeft een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 5.800 Kelvin, wat resulteert in een piekgolflengte van circa 0,5 micrometer, midden in het geelgroene gebied van het zichtbare licht. Het is geen toeval dat het menselijk oog het meest gevoelig is voor groen licht; wij hebben ons ontwikkeld onder het spectrum van de zon. Een wolfraamgloeidraad in een halogeenlamp bij 2.500 Kelvin piekt bij circa 1,16 micrometer. Een koolstof- of NiCr-gebaseerde IR-B-straler bij ongeveer 1.320 Kelvin piekt bij 2,2 micrometer. Een keramisch langgolfpaneel bij 600 Kelvin piekt bij 4,8 micrometer. En een muur in een verwarmde ruimte bij 300 Kelvin piekt bij bijna 10 micrometer.

Hetzelfde principe verklaart waarom een infraroodstralingsbron niet efficiënter wordt door uitsluitend het vermogen te verhogen. Wanneer men een langgolvige bron van meer stroom voorziet om meer warmte te genereren, stijgt de oppervlaktetemperatuur, waardoor het spectrum naar kortere golflengten verschuift. Het product verandert daarmee van karakter. Omgekeerd geldt: wanneer men de stroom naar een kortgolvige straler beperkt om de intensiteit te verlagen, daalt de oppervlaktetemperatuur en verschuift het spectrum naar langere golflengten, maar bij lange na niet genoeg om werkelijk middengolf te worden. Stralingselementen zijn ontworpen rond een smal temperatuurvenster; buiten dat venster opereren leidt tot compromissen in zowel levensduur als spectrumkwaliteit.

Voor een overzicht dat onze modellen naast elkaar vergelijkt, zie infrarood stralers buiten.

03 / 09 · DRIE BANDEN

Waar de straling terechtkomt in de huid.

IR‑A dringt 3–5 mm door en kan een stekend gevoel geven. IR‑B (Opranic) wordt geabsorbeerd precies op de diepte waar de warmtereceptoren zich bevinden. IR‑C blijft in de kleding steken.

• IR-A dringt diep door, IR-C blijft aan het oppervlak
• IR-B wordt geabsorbeerd waar de warmtereceptoren zitten
• Middelgolf ontmoet huid en warmtebeleving

Het infraroodgebied wordt conventioneel onderverdeeld in drie hoofdbanden. Die indeling is gebaseerd op het gedrag van de straling wanneer zij op materie valt, en in het bijzonder op menselijk weefsel.

Kortgolfige infraroodstraling, IR-A, beslaat 0,78 tot 1,4 micrometer en vereist zeer hete bronnen met oppervlaktetemperaturen boven 1.700 graden Celsius. De zon is het natuurlijke voorbeeld; halogeenlampen en kortgolfstralers zijn de kunstmatige equivalenten. Middelgolfige infraroodstraling, IR-B, ligt tussen 1,4 en 3 micrometer en wordt geproduceerd door bronnen van circa 600 tot 1.700 graden. Het IR-X Carbon Black-element van Opranic werkt in dit gebied, met een vermogenspiek bij 2,2 micrometer op maximaal vermogen. Langgolfige infraroodstraling, IR-C, strekt zich uit van 3 micrometer tot 1.000 micrometer en is afkomstig van koelere bronnen: keramische panelen, verwarmde oppervlakken en het menselijk lichaam zelf. De grenzen bij 1,4 en 3 micrometer volgen de ISO 20473-norm en zijn conventies eerder dan scherpe fysische scheidslijnen, maar zij beschrijven een reëel verschil in gedrag.

Wanneer een infrarode straal de huid raakt, vinden er gelijktijdig drie processen plaats: een deel wordt teruggekaatst naar de omgeving, een deel wordt diep in het weefsel getransmitteerd, en een deel wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte. De verhouding tussen deze drie processen hangt volledig af van de golflengte van de straling. Dat is het punt waarop de keuze voor een bepaalde technologie praktische betekenis krijgt voor iemand die op een herfsavond comfortabel buiten wil zitten.

De buitenste huidlaag, het stratum corneum, is ongeveer 10 tot 20 micrometer dik en bestaat uit dode keratinecellen en lipiden. Daaronder ligt de epidermis van circa 100 micrometer, en daaronder de dermis met bloedvaten, zenuwuiteinden en de warmtegevoelige receptoren. Om een aangenaam warmtegevoel te genereren, moet de straling op de juiste diepte worden geabsorbeerd: diep genoeg om de dermis te bereiken waar de receptoren zich bevinden, maar niet zo diep dat zij er zonder noemenswaardige opwarming doorheen gaat.

Kortgolf IR-A tussen 0,8 en 1,4 micrometer heeft een hoge transmissie door de huid. Een aanzienlijk deel van de straling gaat rechtstreeks door de epidermis heen en kan enkele millimeters diep in de dermis en subcutis doordringen. Tegelijkertijd reflecteert de huid tot de helft van de kortgolfige straling terug de lucht in. Het nettoresultaat is dat de energieoverdracht per invallende watt minder efficiënt is voor comfortverwarming, ook al dringt de straling fysiek diep door. Juist die diepe penetratie kan bij hoge doses van kunstmatige bronnen op korte afstand als stekend worden ervaren: de straling bereikt lagen onder de huid en wekt daar warmte op zonder de oppervlakkige warmtereceptoren rechtstreeks te activeren.

Middelgolf IR-B rond 2 tot 3 micrometer gedraagt zich anders. De huidreflectie is in dit gebied aanzienlijk lager, en de absorptie is hoog in de bovenste huidlagen waar de warmtereceptoren het dichtst bij elkaar zitten. De straling dringt niet dieper dan circa 1 millimeter in de huid door, maar dat is precies de diepte waarop zij moet worden opgenomen om een aangenaam warmtegevoel te geven zonder het oppervlak te verbranden. De bloedsomloop verspreidt de warmte vervolgens op een natuurlijke manier verder door het lichaam.

Langgolf IR-C boven 3 micrometer wordt vrijwel volledig geabsorbeerd in de allerbuitenste huidlagen, vaak binnen minder dan 0,1 millimeter. Dat geeft een gevoel van oppervlakkige warmte dat binnenshuis zeer aangenaam is, maar buiten is de intensiteit van langgolfige bronnen doorgaans te laag om enig noemenswaardig comforteffect te bieden tegen wind en kou.

Het absorptieprofiel van middelgolfstraling valt samen met de anatomie van de huid op een manier die geen toeval is. De warmtereceptoren in de epidermis en dermis bevinden zich op een diepte waar IR-B-straling efficiënt wordt geabsorbeerd, terwijl IR-A er voorbij dringt en IR-C wordt tegengehouden in de dode buitenste cellen voordat er een signaal het zenuwstelsel bereikt. Voor een straler die bestemd is voor gebruik door mensen is het IR-B-band daarom de functionele sweet spot waar straling, huid en warmtebeleving samenkomen.

IR-B is bovendien ingeburgerd in de fysiotherapie en wordt toegepast in medisch goedgekeurde warmtebronnen voor pasgeboren kinderen op neonatologieafdelingen. Infraroodstraling is geen exotische technologie, maar een goed gekarakteriseerde warmtebron met een bekend profiel.

04 / 09 · WATER

Het lichaam bestaat grotendeels uit water.

Watermoleculen bereiken hun absorptiepiek bij 1,9 en 3,0 µm. Daartussenin ligt een optimum bij 2,2 µm: hoge absorptie zonder ongemak.

• Het lichaamswater bepaalt de absorptie
• 2,2 µm weegt absorptie af tegen vermogensdichtheid
• Lager vermogen verschuift het spectrum naar 2,7 µm

Wanneer wordt beschreven hoe infraroodstraling een mens verwarmt, gaat het in wezen om hoe die straling water verwarmt. Een volwassen menselijk lichaam bestaat voor circa 60 tot 70 procent uit water. Elke huidcel, elk bloedvat en elke spier bevat water dat bepaalt hoe het lichaam wisselwerkt met elektromagnetische straling in het infrarode gebied.

De watermolecuul heeft een goed gedocumenteerde absorptiecurve. Die curve is niet vlak, maar vertoont uitgesproken pieken en dalen. Water absorbeert slecht bij zichtbaar licht en kortgolvige IR-A rond 1 micrometer; dat is de reden waarom de oceaan transparant is voor zichtbaar licht en waarom kortgolvige straling gemakkelijk door huid heen dringt. Vanaf ongeveer 1,45 micrometer neemt de absorptie sterk toe. Tussen 1,9 en 3,0 micrometer ligt een absorptieband zo krachtig dat een waterfilm van slechts enkele tienden van een millimeter vrijwel alle invallende straling absorbeert. De absorptiepiek ligt rond 2,9 tot 3,0 micrometer.

Een subtiel maar wezenlijk punt: als 3,0 micrometer de absorptiepiek is, waarom straalt een geoptimeerd verwarmingselement dan bij 2,2 en niet bij 3,0? Het antwoord ligt in een afweging tussen twee concurrerende eisen.

Enerzijds wil men dat de straling door water in de huid wordt geabsorbeerd, wat pleit voor een langere golflengte. Anderzijds moet de stralingsbron een voldoende hoge vermogensdichtheid kunnen leveren om bij wind en koude merkbaar warm aan te voelen, wat pleit voor een kortere golflengte waarbij de oppervlaktetemperatuur hoger uitvalt conform de wet van Wien. Bij 2,2 micrometer op vol vermogen komen beide eisen optimaal samen. De absorptie door water blijft hoog, terwijl de vermogensdichtheid toereikend is voor commercieel gebruik in de buitenlucht.

Bij lagere vermogensniveaus verschuift de piek naar langere golflengten, dichter bij het absorptiemaximum van water, wat een zachtere warmtebeleving oplevert. De interactieve grafiek hierboven toont hoe de golflengte tussen 2,2 en 2,7 micrometer verschuift afhankelijk van het gekozen vermogensniveau. Dit gehele bereik valt binnen een venster waarin de reflectie van de huid laag is, zoals in de vorige sectie is toegelicht. Dat levert een dubbele optimalisatie op: zowel voor de buitenste huidlaag als voor de watermoleculen in het weefsel.

Bij golflengten boven 3 micrometer daalt de oppervlaktetemperatuur van de stralingsbron zo ver dat de vermogensdichtheid sterk terugloopt. Vermogensdichtheid is de hoeveelheid watt per vierkante meter stralend oppervlak, en dat is een rechtstreeks gevolg van de wet van Stefan-Boltzmann: het uitgestraalde vermogen per oppervlakte-eenheid groeit met de temperatuur tot de vierde macht. Een straler op 400 graden Celsius straalt per oppervlakte-eenheid minder dan een zesde van het vermogen uit dat een straler op 900 graden produceert.

Daarom functioneert langgolvige IR-C uitstekend binnenshuis, waar een gematigde vermogensdichtheid volstaat en er geen wind voor verstoring zorgt, maar schiet het tekort op open terrassen waar de convectieve afkoeling aanzienlijk is.

In sterk aan wind blootgestelde omgevingen en bij zeer lage temperaturen kan een kortgolvige straler met hoge vermogensdichtheid op dezelfde afstand nadrukkelijker warm aanvoelen dan een middelgolvige straler. Dat komt niet doordat kortgolf beter is voor de huid, maar doordat de oppervlaktetemperatuur zo hoog is dat het rauwe wattage per vierkante meter zwaarder weegt dan de absorptieoptimalisatie. De keerzijde is een verminderde gewenning van de huid, een hogere fractie gereflecteerde energie, en het gegeven dat de straling op den duur als hard en prikkelend wordt ervaren.

Voor goed ontworpen buitenterrassen met een redelijke windafscherming is een middelgolvige IR-B-straler met een piek rond 2,2 micrometer vrijwel altijd de meer evenwichtige keuze, zowel voor comfort als voor langdurige huidgezondheid. Kortgolf is een legitiem alternatief in extreem winderige, industrieel georiënteerde omgevingen met korte blootstellingstijden, maar dan dient men zich bewust te zijn dat het een compromis is waarbij huidcomfort wordt ingeleverd ten gunste van pure vermogensdichtheid.

05 / 09 · MOLECULAIR NIVEAU

Trillingen worden warmte.

De straling exciteert trillingsmodi in moleculen. De energie wordt rechtstreeks omgezet in warmtebeweging, zonder dat de tussenliggende lucht wordt opgewarmd.

• Warmte ontstaat pas wanneer de straling wordt geabsorbeerd
• Watermoleculen trillen en warmen op
• Verwarmt lichamen en oppervlakken, niet de lucht ertussen

Een veelvoorkomend misverstand is dat infraroodstraling op zichzelf warmte is die door de ruimte reist. Straling is elektromagnetische energie die zich voortplant als golven; warmte ontstaat pas wanneer die energie door materie wordt geabsorbeerd en wordt omgezet in moleculaire beweging. Dit onderscheid vormt de basis van de gehele stralingstechniek en verklaart waarom zij zo anders werkt dan convectieve verwarming.

Alle moleculen bestaan uit atomen die door chemische bindingen bijeengehouden worden. Die bindingen zijn te beschrijven als kleine veren, waartussen de atomen rond hun evenwichtsposities kunnen trillen. Elke molecuul heeft specifieke trillingsfrequenties die kenmerkend zijn voor haar structuur. Wanneer een elektromagnetische golf met een frequentie die overeenkomt met de natuurlijke trillingsfrequentie van een molecuul die molecuul bereikt, wordt de energie resonant overgedragen en begint de molecuul heviger te trillen. Dit proces heet trilresonantie en zet infraroodstraling om in warmte.

Het watermolecuul, H₂O, kent drie hoofdtrillingsmodi: symmetrische rekking, asymmetrische rekking en buiging van de bindingshoek tussen waterstof en zuurstof. Deze modi hebben resonantiefrequenties die overeenkomen met golflengten rond 2,7, 2,9 en 6,3 micrometer. Dat is de reden waarom water zo sterk absorbeert in het band van 2 tot 3 micrometer. De infrarode golven komen overeen met de eigen trillingen van de moleculen, waardoor de energie efficiënt wordt overgedragen. Wanneer het watermolecuul heviger trilt, is dat precies wat een hogere temperatuur definieert. De energie heeft de overgang gemaakt van een elektromagnetische toestand naar warmte-energie in het weefsel.

Dit verklaart ook waarom infraroodstraling een oppervlak kan verwarmen zonder de tussenliggende lucht op te warmen. De hoofdbestanddelen van lucht, stikstof en zuurstof, zijn zogeheten homonucleaire moleculen met zeer weinig trillingsmodi die aansluiten bij het infrarode spectrum. Stikstof absorbeert vrijwel niets in het band waarin comfortverwarmers werken. De straling doorkruist de lucht daardoor zonder noemenswaardig verlies, totdat zij een waterrijk oppervlak bereikt: een mens, een plant, een houten vloer. Daar wordt zij geabsorbeerd en omgezet in warmte.

Een elegante consequentie hiervan is dat de lucht tussen de verwarmer en de gebruiker relatief koud blijft, ook wanneer de warmte in het stralingsveld aangenaam is. Hier is echter een belangrijke praktische nuancering op zijn plaats. De infraroodstraling zelf wordt niet weggeblazen door wind, omdat zij zich in rechte lijnen voortplant ongeacht de luchtbeweging. Tegelijkertijd verliest de huid warmte aan de omgeving via convectie, en dat convectieve verlies neemt sterk toe met de windsnelheid; hetzelfde principe dat een winderige dag veel kouder doet aanvoelen dan een windstille dag bij dezelfde luchttemperatuur. Op een winderige dag moet men compenseren met een hogere stralingsintensiteit of een kortere afstand, niet omdat de straling zelf minder effectief wordt, maar omdat het lichaam meer warmte afgeeft aan de bewegende lucht. Dat verschilt wezenlijk van convectieverwarmers, die bij wind vrijwel nutteloos worden. Een goed geplaatste infraroodstraler levert ook bij wind warmte; hij moet eenvoudigweg iets meer energie aanvoeren om de toegenomen afkoeling van de huid te compenseren.

Kooldioxide en waterdamp in de lucht maken een zeker, zij het gering, verschil. Deze moleculen hebben trillingsmodi in het infrarode gebied en absorberen bepaalde delen van het spectrum. Dat is de reden waarom de atmosfeer überhaupt een broeikaseffect heeft. Voor de afstanden die op een terras relevant zijn, enkele meters, is deze absorptie echter volledig verwaarloosbaar. De straling bereikt de gebruiker in de praktijk onverminderd.

06 / 09 · INDUSTRIE

Dezelfde fysica die de industrie al decennia toepast.

IR‑B wordt toegepast bij PET-drogen, kunststofvorming, voedselverhitting en papierproductie. Opranic vertaalt de kennis van de industrie naar comfortverwarming.

• Dezelfde fysica die verf droogt en PET vormt
• De golflengte wordt afgestemd op het materiaal
• Decennia industrie-ervaring toegepast op comfortverwarming

Het is verleidelijk om de discussie over golflengte en absorptie als puur academisch te beschouwen. Dat is ze niet. Dezelfde keuze van golflengte die 2,2 micrometer optimaal maakt voor menselijke comfortverwarming, maakt andere golflengten optimaal voor geheel andere industriële toepassingen. IR-technologie wordt op grote schaal ingezet voor het drogen van verf, het vormen van kunststofflessen, het steriliseren van verpakkingen, het uitharden van lijm en vele andere processen. In elk geval wordt de golflengte afgestemd op het specifieke materiaal dat moet worden verwarmd.

Kunststoffen absorberen infraroodstraling voornamelijk in het gebied boven 2 micrometer. Dunne kunststoffolie voor voedingsverpakkingen absorbeert kortvermogen straling van halogeenlampen nauwelijks, maar absorbeert middelgolfige straling efficiënt. Dat is de reden waarom moderne PET-flesvormmachines middelgolfige IR gebruiken om prevormen op te warmen vóór het blaasproces. Textiel, papier en hout, alle organische materialen met water of OH-bindingen, absorberen het sterkst in hetzelfde golflengtegebied als menselijke huid. De oorzaak is dat zij moleculaire structuren bevatten die vergelijkbaar zijn met die van water of andere trillingsgevoeligen bindingen.

Kortvermogen straling wordt in de industrie voornamelijk ingezet wanneer dikke, gepigmenteerde materialen verwarmd moeten worden die bij veel golflengten absorberen, zoals metaalplaat, donker rubber of carrosseriedelen. De korte golf levert daarbij hoge intensiteit en dringt diep door. Voor een toepassing waarbij mensen zich in de directe nabijheid van de straler bevinden, is het vereiste precies omgekeerd: de energie moet aan het huidoppervlak blijven en niet diep doordringen. Een kortvermogen straler inzetten voor comfortverwarming is vanuit technisch oogpunt vergelijkbaar met het kiezen van een industrielamp voor kunststofuitharding terwijl men eigenlijk alleen een boek wil lezen.

Heraeus, een van ’s werelds toonaangevende fabrikanten van industriële IR-systemen, publiceert technische gegevens die exact dezelfde fysica tonen die Opranic toepast aan de consumenten kant. Wanneer een ondernemer een Opranic-verwarmer aanschaft, zijn het dezelfde optische principes die PET-flessen verwarmen in een Duitse fabriek of drukinkten drogen op een Belgische drukpers, toegepast op een andere context en het menselijk lichaam.

07 / 09 · VEILIGHEID

Beoordeeld door internationale expertise.

ICNIRP heeft blootstellingslimieten vastgesteld voor IR. Comfortniveaus liggen ruimschoots onder deze grenswaarden. Middelgolfige IR is veiliger dan korte golf.

• Mist de energie om DNA te beschadigen
• Internationale limieten met ruime marge
• Middelgolf spaart dieper weefsel

De Internationale Commissie voor bescherming tegen niet-ioniserende straling, ICNIRP, is het mondiale referentieorgaan voor veiligheidsrichtlijnen rond elektromagnetische straling onder ioniserend niveau. De commissie publiceert grenswaarden die nationale autoriteiten wereldwijd als referentie hanteren, en haar richtlijnen voor blootstelling aan infraroodstraling zijn goed ingeburgerd.

Infraroodstraling behoort tot het niet-ioniserende deel van het spectrum, wat betekent dat de fotonen onvoldoende energie bezitten om chemische bindingen in DNA te verbreken. Dat is een fundamenteel verschil met ultraviolette straling, die ioniserend is en bij overmatige blootstelling huidkanker kan veroorzaken. IR-straling op comfortniveaus kent dit werkingsmechanisme niet. De enige veiligheidsparameters waarop ICNIRP zich richt, zijn thermische effecten: huid en oog mogen niet worden blootgesteld aan een zo hoge stralingsintensiteit dat weefsel oververhit raakt.

Bij een typische installatie ligt de stralingsintensiteit van een correct gemonteerde IR-straler, bijvoorbeeld een PRO V70 op 2,5 meter hoogte, ruimschoots onder de grenswaarden die ICNIRP hanteert voor dagelijkse blootstelling van meerdere uren. De constructie van het product, de afstand en de vermogensverdeling borgen dit gezamenlijk. Ook de oogveiligheid is zorgvuldig beoordeeld. Direct inkijken in een zeer hete halogeen- of kortegolfstraler kan ongemak veroorzaken, maar de diffuse straling van een correct geïnstalleerde middelgolfstraler op comfortniveaus wordt als veilig beoordeeld voor normaal gebruik.

Een subtiel voordeel van middelgolfstralers bij 2,2 micrometer is dat de absorptie van straling in de voorste delen van het oog, het hoornvlies en het kamerwater, juist bij deze golflengten zeer hoog is. Daardoor dringt de straling minder diep het oog binnen dan korte golf kan doen. Korte-golf IR-A tussen 0,8 en 1,4 micrometer passeert het hoornvlies en kan het netvlies bereiken met aanzienlijk hogere intensiteit; dat is een van de redenen waarom ICNIRP voor korte-golfblootstelling striktere grenswaarden hanteert. In de praktijk liggen al deze niveaus ver van de alledaagse blootstelling bij een goed ontworpen comfortverwarmer, maar als ingenieursprincipe is het verstandig te kiezen voor een technologie die van nature aan de veiligere kant ligt.

Op het gebied van huidgezondheid wordt in de wetenschappelijke literatuur al enige jaren gediscussieerd over de vraag of intensieve IR-A kan bijdragen aan oxidatieve stress en aantasting van collageen. Het onderzoek is verdeeld. Volgens dermatologische expertise wordt de natuurlijke IR-A van de zon bij normale doses niet als schadelijk beschouwd, en IR-straling wordt al decennialang medisch ingezet voor wondgenezing en huidverzorging. Sommige studies tonen echter aan dat kunstmatige kortegolfbronnen op korte afstand vrije radicalen kunnen genereren in de diepere huidlagen. Dat is een bijkomende reden om de voorkeur te geven aan middelgolf bij 2,2 micrometer voor comfortverwarming. De straling wordt geabsorbeerd in de buitenste millimeters van de huid en bereikt de fibroblasten in de dermis niet op dezelfde wijze.

08 / 09 · LULEÅ

Luleå Tekniska Universiteit, onder arctische omstandigheden.

Een onafhankelijk onderzoek bij LTU bevestigde dat middelgolfige IR bij gelijk vermogen een gelijkmatiger en aangenamer warmtegevoel oplevert dan korte golf.

• Onafhankelijk onderzoek 2019
• Gepubliceerd en openlijk toegankelijk onderzoek
• Gelijkmatige warmte zonder hotspots

In april 2019 werd een onafhankelijk experimenteel onderzoek uitgevoerd aan Luleå Tekniska Universitet, in samenwerking met de onderzoeks- en ontwikkelingsafdeling van Vattenfall. Het doel was te onderzoeken of infraroodstraling kan worden ingezet voor het ontijzelen van windturbinebladen onder arctische omstandigheden, een probleem dat de Scandinavische windenergiesector elk winter aanzienlijke productieverlies kost. Opranic leverde de stralingsbronnen voor het onderzoek: twee specifieke typen, namelijk IR-X-stralers met een vermogenspiek bij 2,4 micrometer en halogeenstralers met een vermogenspiek bij 1,4 micrometer.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics en is openlijk toegankelijk als peer-reviewed publicatie. De testen werden uitgevoerd in een klimaatkamer bij de Arctic Falls-installatie in Piteå, waar de omgevingstemperatuur kon worden geregeld tussen 0 en min 30 graden Celsius. De bladen werden bedekt met zachte rijp via sneeuwmachines en vervolgens opgewarmd met verschillende combinaties van IR-stralers op een afstand van 1,0 en 1,5 meter.

De resultaten zijn technisch interessant en bevestigen een aantal uitgangspunten waarop Opranic zijn producten al meer dan 20 jaar baseert. Ten eerste toonde het onderzoek aan dat de combinatie van IR-X en halogeen het meest effectieve ontijzelingsresultaat opleverde op 1,5 meter afstand, met een smeltsnelheid van 0,20 kilogram ijs per minuut. De combinatie van uitsluitend IR-X op dezelfde afstand smolt 0,13 kilogram per minuut. Ten tweede bleek dat de IR-X-straler een bredere warmteverdeling geeft, terwijl halogeen meer geconcentreerde warmte levert, precies zoals de wet van Wien en de stralingsfysica voorspellen. Ten derde, en dit is doorslaggevend voor comfortverwarming, concludeerden de onderzoekers dat langere golflengten effectiever zijn in het overdragen van energie aan het oppervlak, omdat de absorptie in dat spectrum hoger is.

Een aanvullende bevinding: bij een te korte afstand van 1,0 meter liep de oppervlaktetemperatuur van het blad zo hoog op dat oververhitting dreigde. Op 1,5 meter werd een gelijkmatige warmteverdeling bereikt zonder oververhitting. Dit is ook een leerzame conclusie voor gebruikers: de afstand tussen een IR-straler en de personen eronder is van belang, en een correct geplaatste eenheid op de juiste hoogte levert gelijkmatig comfort zonder hotspots.

Het onderzoek registreerde ook een opvallend verschil tussen de twee golflengten bij uiteenlopende ijstypen. De IR-X-straler bij 2,4 micrometer was effectiever tegen lichte sneeuw en rijp, omdat deze poreuze ijskristallen veel lucht bevatten en minder dicht gepakt water. De halogeenstraler bij 1,4 micrometer presteerde iets beter tegen helder blank ijs, dat een andere optische structuur heeft. De combinatie van beide gaf de beste totaalprestatie, doordat de twee golflengten verschillende kristalstructuren dekten. Het is een constructief elegante oplossing die voortkomt uit inzicht in de rol van golflengte.

De slotconclusie van de onderzoekers in de publicatie verdient vermelding: een combinatie van twee typen infraroodstralers met verschillende golflengten biedt een breder spectrum en daarmee effectievere ontijzeling, met een betere uitkomst dan een combinatie van uitsluitend hetzelfde type. Voor comfortverwarming luidt de conclusie dat een goed geconstrueerde middelgolfstraler met een gematigd breed spectrum rond 2,4 micrometer een technisch evenwichtige keuze is: niet zo smal dat aangrenzende golflengten worden gemist, niet zo breed dat energie verloren gaat aan golflengten die huid en water niet efficiënt absorberen.

09 / 09 · PRAKTISCHE KEUZE

Hoe u een productspecificatie leest.

Controleer de opgegeven vermogenspiekgolflengte, niet alleen het wattage. Waar de energie wordt afgegeven is belangrijker dan hoeveel er van het net wordt afgenomen.

• Zoek de spectrumpiek in micrometer
• Koolstof middelgolf voor terras
• Reflector en behuizing bepalen het comfort

Bij de aanschaf van een infraroodstraler voor buiten is de golflengte zelden het eerste wat in de marketing naar voren komt, maar het is wel het belangrijkste gegeven om op te letten. Hieronder volgt een kader op basis van de fysica die in dit artikel is behandeld.

Zoek allereerst naar de opgegeven spectrumpiek of dominante golflengte. Een fabrikant die zijn techniek beheerst en daar transparant over is, specificeert dat het straalelement zijn vermogenspiek heeft in IR-B, bij voorkeur met een exact getal in micrometer. Als de specificatie uitsluitend het vermogen in watt vermeldt, of vage termen als “warme warmte” of “diepverwarmend” hanteert, is een technische beoordeling van het product niet goed mogelijk. Dat hoeft geen reden tot bezorgdheid te zijn, maar het levert geen gegevens op voor een onderbouwde beslissing.

Controleer vervolgens de straalbron. Halogeen- en korte-golfkwartselementen werken in het IR-A-band met een piek rond 1,0 tot 1,4 micrometer. Ze worden ingezet waar snelle opwarming van dikke materialen vereist is, of in sterk windblatgestelde omgevingen waar zuivere vermogensdichtheid zwaarder weegt dan absorptiekwaliteit. Koolstof- en NiCr-gebaseerde straalelementen werken in de middelgolf rond 2,0 tot 2,5 micrometer en zijn ontworpen voor comfort, met nadruk op absorptie in de huid en langdurig aangenaam gebruik. Keramische en ver-infraroodpanelen werken in de langgolf boven 3 micrometer en zijn geschikt voor binnenruimten waar wind en grote volumeverliezen geen rol spelen.

Let ten derde op het systeem rondom het straalelement. De geometrie, het materiaal en de oppervlakteafwerking van de reflector bepalen hoeveel van de energie daadwerkelijk op u wordt gericht en hoeveel naar de zijkanten en omhoog verloren gaat. Een uitstekend IR-B-element met een matige reflector levert minder comfort op dan een goed ontworpen systeem met hetzelfde element. Opranic heeft dit gedurende meer dan 20 jaar als een geheel ontwikkeld: straalelement, reflector, behuizing en elektronica in samenhang.

Betrek ook de gebruiksomgeving in de afweging. Voor relatief beschutte terrassen, restaurants en tuinen is een middelgolf IR-B-straler vrijwel altijd de beste keuze, zowel voor comfort als voor de huidgezondheid op langere termijn. Voor sterk aan wind blootgestelde, industriële omgevingen met korte blootstellingstijden, zoals havens of open perrons, kan kortegolftechnologie soms een legitieme keuze zijn vanwege de hoge vermogensdichtheid. Men dient er dan rekening mee te houden dat de straling meer belastend is voor de huid en dat langdurig direct verblijf eronder niet aangewezen is.

Laat tot slot een lage prijs niet de doorslag geven. Een straler die fysiek in het verkeerde golflengteband werkt, zal nooit hetzelfde comfort leveren, ongeacht hoe laag de aanschafprijs is. Dat is vergelijkbaar met een FM-radio die nooit langgolfsignalen zal ontvangen, hoe hoog men het volume ook zet. De fysica stelt de grenzen, en de fysica van infraroodstraling is al meer dan honderd jaar goed gedocumenteerd. Het loont om te kiezen voor een product dat met die kennis als fundament is ontworpen.

Wilt u begrijpen hoe de golflengte de efficiëntie in de praktijk beïnvloedt, lees dan meer over de grondbeginselen van de Opranic-techniek, bekijk onze koopgids voor infraroodstralers buiten, of lees hoe IR-X Carbon Black is geïntegreerd in de PRO V70.