Nederlandse vertaling

Nederlandse vertaling Uit het Duits Door Li-Tech Comfort Heating BV voor intern gebruik

Verslag met betrekking tot het onderzoeksproject `voorbeeld vergelijkingsmeting tussen infraroodverwarming en gasverwarming in oude woningen`

Projektleiding: Dr.-Ing. Peter Kosack Graduate School CVT Werkgebied ecologisch bouwen TU Kaiserslautern Gottlieb-Daimler-Sraße 42 67663 Kaiserslautern

Projecttijdperk: 1. 10. 2008 tot 30. 4. 2009

Versie 1; Stand: oktober 2009

© Copyright by Dr.-Ing. Peter Kosack Het onderzoeksverslag mag als geheel naar behoefte gekopieerd en doorgegeven worden. Gedeeltelijk gebruik, vooral als deze de verklaringen van het onderzoeksverslag vervalsen, zijn daarentegen ten strengste verboden!

1 van 53

Samenvatting In het stookseizoen 2008/2009 is een vergelijkingsmeting tussen een infrarood verwarming en een cv gasverwarming uitgevoerd, om met de op de toekomst gerichte structuurveranderingen in het gebruik van de energievoorzieningen het fundamentele nut en kwaliteit van een infrarood verwarming in een woning te onderzoeken. In het onderzoek kon aangetoond worden, dat de infrarood-verwarming een zinvol alternatief is, in vergelijking tot conventionele verwarmingssystemen. Bij de juiste toepassing van een infrarood verwarming levert dit zowel voordelen bij het energieverbruik, als ook bij de kosten en de CO2- uitstoot op. Voorwoord Algemeen, doel van het onderzoek In het stookseizoen 2008/2009 werd een vergelijkingsmeting tussen infrarood verwarming (in het kort: infraroodverwarming) en een cv gasverwarming uitgevoerd. Het doel was het vaststellen van het energie- en energiekostenverbruik van een concreet praktijk voorbeeld en een daaruit afgeleide poging een algemenere schatting van de energiebalans onder vergelijking van ecologische aspecten en de totale kosten voor beide verwarmingssystemennader te kunnen specificeren. Motivatie en achtergrond De energiemarkt is momenteel door sterk stijgende kosten voor fossiele energiedragers gekenmerkt. Ook de daartussen gekomen instorting in deze ontwikkeling als gevolg van de wereldwijde financiële crisis moet naar algemene inschatting als van tijdelijke aard en als korte adempauze worden gezien. Onder deze prijsstijging lijden vooral de eigenaren en huurders van oude gebouwen met een daarbij horend hoog warmte energieverbruik. Er is dan wel veel stimulans van de overheid tot sarnering, toch ontbreken in veel gevallen de daarvoor nodige financiële middelen. Als een mogelijke zeer interessante uitweg wordt op de markt het gebruik van elektrisch gedreven infraroodstralers aangeboden. Dit project moet de tot grondslag dienende bruikbaarheid en het economische, als ook het ecologische nut van deze oplossing van het Praktijk voorbeeld onderzoeken. Dankbetuiging Bijzonder hartelijk bedankt de projectleider de familie Dietz-Groß voor de toestemming van alle nodige installaties, de mogelijkheid, de metingen onder hedendaagse omstandigheden uit te kunnen voeren en voor de veelzijdige ondersteuning tijdens het verloop van het project. Hartelijk dank ook aan de familie Knebel, die een zeer onbureaucratisch projectpartner was en de Li-tech infraroodstraler, als ook de meetinstrumenten ter beschikking stelde. Belangrijke indicatie Het voorliggend verslag is vanwege de grote algemene interesse zo vormgegeven, dat het ook door geïnteresseerde leken begrepen kan worden. Het bevat daarom een overzichtelijke weergave van de fysieke, als ook van de verwarmings - en klimaattechnische grondslagen. Voor betere achtergrondinformatie wordt naast de vakliteratuur ook naar uitgebreide, makkelijker begrijpelijke internetsites verwezen. Voor het onderzoeksverslag zullen er afhankelijk van de berichten van de lezers en volgende uitbreidende analyse van de meetresultaten meerdere versies komen. Vragen, meningen, kritiek en verbeteringsvoorstellen voor volgende versies zijn daarom uitdrukkelijk gewenst! De desbetreffende actuele versie is te vinden onder: http://www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/menu1/1.shtml

2 van 53

Inhoudsopgave 1 Inleiding 1.1 In beginsel toelichting van de taak van het verwarmen 1.2 Motivatie van het voorliggend onderzoek 1.3 Ter verduidelijking van het project en zijn resultaten benodigde grondslagen en achtergrondinformatie 1.3.1 Energie-economische grondslagen en duurzaamheid 1.3.2 Warmtetechnische grondslagen 1.3.3 Medische aspecten 1.3.4 Fundamentele energiestromingen bij verwarmingssystemen: primaire energie, secundaire energie, eindenergie, nuttige energie 1.3.5 Indeling van de verwarmingssystemen naar energiebronnen 1.3.6 Indeling van de verwarmingssystemen naar type warmteverdeling 1.3.7 Bijzondere bouwvormen van verhitters en warmteoppervlaktes 1.3.8 De rol van de opbergmassa voor warmte-energie in verwarmingssystemen 1.3.9 Rangordening van de infraroodverwarming 2

Verwante werken

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Onderzoeksaanpak Bekeken systemen Vergelijking van de energiestromen Onderzoekshypothese Het meetobject Proefopbouw: installaties en meetapparatuur Praktijkproef

4 4.1 4.2

Resultaten en evaluatie De meetresultaten Vergelijking van de alle waarden van het energieverbruik binnen het onderzoekstijdvak

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Interpretatie van de resultaten Interpretatie omtrent het energieverbruik Interpretatie omtrent de kosten Interpretatie omtrent de duurzaamheid/ecologie Interpretatie omtrent medische en wellnessaspecten Kritische opmerkingen over teksten op internetsites en reclamebeweringen in brochures van fabrikanten

6

Conclusies en vooruitzichten

7

Literatuurlijst

Bijlages Bijlage A: Tabellen Bijlage B: Foto´s

3 van 53

1 Inleiding 1.1 In beginsel toelichting van de taak van het verwarmen Het verwarmen dient er over het algemeen voor de binnentemperatuur van gebouwen, ondanks dalende buitentemperaturen, op een voor de mensen verdraagbare aangename of zelfs overleving geschikte temperatuur te houden. Dit is in omgevingen nodig, waar de buitentemperatuur duidelijk onder de 20 graden Celsius kan dalen. Hier gebruiken we het begrip stookperiode. Als stookperiode wordt het tijdvlak bedoeld, waarin het verwarmingssysteem gebruikt wordt om de binnentemperatuur op een richtwaarde van 20 graden celsius te houden. Betrekking hierop, Duitsland heeft een gemiddelde buitentemperatuur over het jaar van 15 graden Celsius, de zogenaamde verwarmingsgrens. Wettelijke regels omtrent de stookperiode zijn er niet, aangezien de behoefte en de dimensionering van een verwarmingssysteem van het klimaat, geografie en hoogtepositie en andere factoren, zoals isolatiestandaards van het gebouw afhankelijk en op iedere plaats verschillend zijn. In extreme gevallen is het zelfs mogelijk, een gebouw zo goed te isoleren, dat zelfs in vriesgebieden überhaupt geen verwarmingssysteem nodig is en een pure proceswarmte door het gebruik voldoende is. De gewone isolatiestandaard, in het bijzonder geldend op dit moment, liggen echter ver daaronder. In de energiebehoefte van een huishouden maakt de verwarming zo’n gemiddeld 76% uit (zie afbeelding 1.1). Er is dus een verwarmingssysteem nodig, die de taak van het verwarmen zo veel mogelijk langdurig, efficiënt en kostenbesparend uitvoert.

Energiebehoefte van een huishouden

Verwarming 76% Licht 2% Koken 4% Koelen, vriezen en wassen 6% Warm water 12%

Afbeelding 1.1: energiebehoefte huishouden (http://de.wikipedia.org/wiki/Energieeinsparung) 1.2 Motivatie van het voorliggend onderzoek De motivatie was de vraagstelling, of een infraroodverwarming een zinvolle oplossing voor de probleemstelling van het verwarmen is. Deelvragen daarbij waren: Is het als verwarming in de woningbouw überhaupt geschikt? Zijn de kosten concurrerend met andere verwarmingssystemen? Is de ecobalans concurrerend met andere verwarmingssystemen? Is het bruikbaar in de praktijk? Is het onbegrensd beschikbaar, dat betekent, wat gebeurd er als iedereen dit doet?

4 van 53

Deze vragen zijn al in een voorafgaand-project van het arbeidsgebied ecologisch bouwen in de jaren 19941996 onderzocht. Daarbij werd de geschiktheid van infraroodstralers in de uitvoering met gloeidraad (badkamerstraler en kerkstraler) in een duurzaam huis onderzocht. Vanwege het zichtbare verschil bij de destijdse energieprijzen tussen olie/gas en stroom werd het onderzoek echter voortijdig afgebroken. Tevens bewees zich de bouwvorm van de gebruikte stralers voor permanent gebruik als enige verwarming als ongeschikt. Met de verandering van energieprijzen en van de marktrijpheid voor het gebruik van infrarood verwarming als oppervlaktestraler, die zo goed als zonder te verslijten werkt en voor permanent gebruik zeer geschikt is, werd het thema opnieuw opgepakt. Als eerste werd een marktonderzoek op het internet uitgevoerd, om geschikte oppervlaktestralers uit te kiezen. Belangrijke criteria waren de fysieke geschiktheid als infraroodstraler (zie ook hier onder): Oppervlaktetemperaturen in het bereik van ca. 60 graden Celsius tot 120 graden Celsius (meer dan 50% puur stralingsaandeel) en Geen opslagmassa (snel in- en uitschakelgedrag). Met de fabrikant van het uitgekozen product werd daarna contact opgenomen en een onderzoekscoöperatie gesloten. Hierbij is het uitdrukkelijk mede te delen, dat het hier niet gaat om een vergelijkend onderzoek tussen verschillende aanbieders of producten, maar om de algemene geschiktheid van infraroodstralers, in het bijzonder oppervlaktestralers, ter verwarming van ruimtes in woonruimtes. 1.3 Ter verduidelijking van het project en zijn resultaten benodigde grondslagen en achtergrondinformatie 1.3.1

Energie economische grondslagen en duurzaamheid

Met het begrip energie economie wordt bedoeld de gehele infrastructuur, die nodig is om de energievoorziening te garanderen. Daarbij hoort het ontsluiten van energievoorzieningen, de energieopwekking, de energieopslag, de energietransport, de energieomzetting en de energiehandel. Vanuit het perspectief van het heelal gezien, zijn er als primaire basis van iedere energie economie in principe drie beschikbare energiebronnen, waaruit alle andere energiedragers door omzetting ontstaan: zonnestraling, zwaartekracht en eigenwarmte van de planeten. De achtergrondstraling als theoretische vierde bron is energie economisch gezien niet bruikbaar. De achtergrondstraling is iedere elektromagnetische straling, die door sterren, pulsaren, quasars etc. in de diepte van het universum ontstaan en van buiten naar ons zonnestelsel gestuurd wordt. De zonnestraling ontstaat door kernfusie in de zon. Dit maakt het mogelijk dat leven op onze planeet aarde mogelijk is en is de met grote voorsprong grootste bruikbare energiebron in het zonnesysteem. Daarom wordt in de kernnatuurkunde getracht deze energiebron in de vorm van een technisch gerealiseerde kernfusie op aarde bruikbaar te maken. De fysieke en technische problemen daarbij zijn echter voor een groot gedeelte nog niet opgelost, zodat deze energiebron in afzienbare tijd niet ter beschikking staat of ten minste zeer onzeker is. De zwaartekracht, veroorzaakt door de massa van het heelal, kan men gebruiken, aangezien de maan om de aarde draait. Daardoor ontstaat bijvoorbeeld eb en vloed met de mogelijkheid, in getijcentrales energie te winnen. De eigenwarmte van de aarde ontstaat hoofdzakelijk door kernsplitsing binnen in de aarde. Deze warmte kan bijvoorbeeld geothermisch gebruikt worden. Op afbeelding 1.2 zijn de drie bruikbare primaire energiebronnen en de daaruit voortvloeiende recuperatieve en fossiele energievormen ofwel energiedragers weergegeven. 1. Door de kernfusie in de zon ontstaat elektromagnetische energie in de vorm van straling, die direct en indirect gebruikt kan worden. 5 van 53

Het directe gebruik van de straling vindt bij de zonne-energie plaats door omzetting van zonnelicht in stroom of warmte. Het indirecte gebruik van de straling vindt bij wind, waterkracht en geometrie plaats door absorptie, dat betekent door opname en omzetting van de straling in warmte. Door de verwarmde lucht ontstaat wind, die in windkrachtinstallaties in stroom omgezet worden. Verwarmd water verdampt en vormt wolken en neerslag. Zo ontstaan beekjes en rivieren, waarin men waterkrachtcentrales bouwen kan. Bij de geometrie door zonnestraling wordt de bovenste bodemlagen verwarmd. Deze opgeslagen warmte wordt door warmtepompen en aardomrandingen gebruikt. Het indirecte gebruik van de straling bij biomassa geschied door fotosynthese in de planten. De meest gebruikte daarbij ontstane energiedrager is hout. 2. Door de kernsplijting binnen in de aarde ontstaat warmte, die via geometrie op verschillende wijze bruikbaar is. 3. Door de zwaartekrachten tussen aarde en maan ontstaat kinetische energie, welke de atmosfeer en de wereldzeeën beweegt. De bewogen atmosfeer levert een bijdrage aan de windenergie. Uit de beweging van het zeewater zoals eb en vloed wordt in getijdencentrales stroom gewonnen.

Afbeelding 1.2: Bruikbaar energiespectrum Kernfusion in der sonne – Kernfusie in de zon Kernspaltung im erdinnern – Kernsplisting in het binnenste van de aarde Gravitation erde/Mond – Zwaartekracht aarde/maan Strahlung (el.magn. Energie) – straling (elektromagnetische energie) Wärme (Wärmeenergie) – Warmte (warmte energie) Bewegung (kinetische Energie) – Beweging (kinetische energie) Solarenergie – zonne-energie Wind – Wind Wasserkraft – waterkracht Biomasse – Biomassa Geothermie – Geothermisch (aardwarmte) Uran – Uranium Erdöl – Petroleum(Aardolie) Erdgas – Aardgas Kohle – kolen Sonstige Ablagerungen - andere deposito's

6 van 53

De fossiele energiedragers steenkool, petroleum (aardolie) , aardgas en andere depots zijn in miljoenen jaren door geologische processen uit biomassa ontstaan. Deze energiebronnen worden tegenwoordig het meest gebruikt. Een bijzonder geval is het element uranium, dat in kerncentrales gebruikt wordt om stroom te verwekken. Het is één van de radioactieve elementen, die voor de eigenwarmte van de aarde zorgen en wordt in mijnen uitgehouwen. In kerncentrales wordt de radioactieve energie in warmte omgezet en daaruit wordt via stoom en turbines stroom verwekt. Dit is eigenlijk een technologische omweg. De directe weg zou zijn, de energie uit atoomenergie zoals bij de andere radioactieve elementen via geometrie direct uit de aarde te winnen. Dragers van de energie economie in Duitsland is hoofdzakelijk de aardolie-industrie, de steenkoolmijnbouw, als ook de elektriciteitsvoorziening, gasindustrie en stadsverwarmingvoorzieningen. Zoals afbeelding 1.3 laat zien, wordt het overgrote gedeelte van de energievoorzieningen is afkomstig uit fossiele energiebronnen. Sinds de jaren 1990, onder de wettelijke eis van een energie-industrie in Duitsland zijn de deelnemende huishoudens betrokken op basis van hernieuwbare energie (stroom-verstrekkingen-wet, duurzame-energiewet).

Afbeelding 1.3: Primair energieverbruik Duitsland Erdgas – aardgas Mineralöl – petroleum (Aardolie) Steinkohle – steenkool Kernenergie – kernenergie Braunkohle – bruinkool Anteil EE – deel van de energie verkregen uit hernieuwbare bronnen. Wasser – water Wind – wind Biomasse – biomassa Restl. -EE – restenergie verkregen uit andere hernieuwbare bronnen. Het begrip langdurigheid stamt oorspronkelijk uit het bosbeheer. Het beschrijft daar de wijze van beheer van het bos, bij welke er altijd enkel zoveel hout wordt onttrokken, als ook opnieuw groeien kan, zodat het bos nooit compleet gekapt wordt, maar zich iedere keer weer in volle omvang kan regenereren. Over het algemeen is langdurigheid van het gebruik van een systeem zo, dat dit systeem in zijn noodzakelijke structuren en eigenschappen in stand gehouden blijft en zijn bestand zich op natuurlijke wijze regenereren kan.

7 van 53

In de energie economie vervullen enkel de regeneratieve energiebronnen de voorwaarden voor langdurigheid, aangezien deze automatisch en een constante,- in overbrengende zin opnieuw groeit- energiestroom leveren, die naar menselijke maatstaven eindeloos is. Vanwege de beperktheid van fossiele energiedragers en de toenemende negatieve bijverschijnselen van het gebruik zoals globale verwarming, milieuvervuiling, stijgende energiekosten als gevolg door schaarste en de sociale gevolgen, is het nodig, zo snel mogelijk om te schakelen op herbruikbare energie. Dit werd reeds met het internationale verdrag van Agenda 21 op de `conferentie van de verenigde naties voor milieu en ontwikkeling `(UNCED) in Rio de Janeiro in 1992 besloten, dat door bijna alle staten van de wereld ondertekend werd. (http://de.wikipedia.org/wiki/Nachhaltigkeit) (http://de.wikipedia.org/wiki/Agenda_21) Aangezien de voor verwarmingsdoelen benodigde energiehoeveelheid in een gemiddeld huishouden ca. drie vierde van het gehele energieverbruik uitmaakt, is daar een snelle omzetting naar herbruikbare energiedragers het meest dringend nodig. 1.3.2

Warmtetechnische grondslagen

Thermische energie (warmte-energie) Thermische energie (ook warmte genoemd) is de energie, die in de ondergeschikte beweging van de atomen of moleculen van een stof opgeslagen is. Het is een toestandsgrootheid van de stof en wordt in de meeteenheid joule gemeten. de thermische energie en de temperatuur zijn onderling afhankelijk via de volgende vergelijking Eth = m * c * T In verhouding met elkaar, waarbij Eth de thermische energie, T de absolute temperatuur, m de massa en c de warmtecapaciteit is. De warmtecapaciteit is zelfs weer temperatuurafhankelijk, dat betekent dat de verhouding niet proportioneel is. Het komt tot zogenaamde faseovergangen zoals bij smeltend ijs, waarbij een gedeelte van de toegevoegde energie voor de smeltvoortgang gebruikt wordt, zonder de temperatuur te verhogen. Tussen twee systemen met verschillende temperaturen worden de temperaturen door warmteoverdracht van het warmere naar koudere systeem automatisch gelijk getrokken, totdat beide dezelfde temperatuur hebben. Men noemt dit thermisch evenwicht. De warmteoverdracht kan door warmtegeleiding, thermische convectie en warmtestraling plaatsvinden. (http://de.wikipedia.org/wiki/Thermische_Energie) Warmtegeleiding Bij de warmtegeleiding (ook warmtediffusie of conductie genoemd), wordt de warmte in een vaste stof of een statisch fluïdum als gevolg van een temperatuurverschil van deeltjes tot deeltjes door een inter-moleculaire wisselwerking overgedragen. Dit gebeurt ook tussen meerdere extracten van vaste stof of fluïdum, die tot rust komen en statisch bij elkaar zijn. Op grond van de energie-instandhouding gaat daarbij geen warmte-energie verloren. Bij de warmtegeleiding wordt thermische energie, maar geen deeltje, van één plaats naar een andere getransporteerd. In de verwarmingstechniek zijn effecten door warmtegeleiding meestal te verwaarlozen. Deze spelen enkel een rol bij een verlies, bijvoorbeeld door slechte isolering van branders en buisleidingen. (http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmeleitung) (Recknagel, Sprenger, Schramek: Handboek voor verwarmings- en klimaattechniek. Oldenbourg. Wetenschappelijke uitgever; 68ste druk (1997/98) Pag. 135 e.v.)

8 van 53

Convectie Warmteconvectie is een vorm van warmteoverdracht, die via de transport van deeltjes verloopt, die de warmteenergie met zich mee voeren. In de verwarmingstechniek spreekt men van de warmteconvectie zonder stofuitwisseling, dit betekent dat er een warmteovergang plaatsvindt van een extract naar een fluïdum (bijvoorbeeld water of lucht), dat de warmtetransport overneemt. Aan de thermische grenslaag tussen extracten en fluïdum is er dan een warmtegeleiding tussen de extractoppervlakte en de direct aan de extractoppervlakte liggende deeltjes van het fluïdum. Toch komt er geen thermisch evenwicht tot stand, aangezien de afhankelijk van de temperatuurverval opgewarmde of afgekoelde deeltjes voortdurend weg vervoerd worden en door nieuwe vervangen worden, waarbij het oorspronkelijke temperatuurverval aangehouden wordt. Bij de in een woning het meest gebruikte warmwaterverwarming is water het warmtetransportmiddel door warmteconvectie in een gesloten buiscyclus tussen brander en de binnenkant van de verwarmingen. Door warmtegeleiding raakt de warmte-energie van de binnenkant naar de buitenkant van de verwarming. Aan de buitenkant van de verwarming is het warmtetransport middel de lucht. Daarbij treedt zogenaamde vrije warmteconvectie op, dit betekent dat de lucht zich oprekt door verwarming en zich naar boven beweegt, van onder stroomt steeds opnieuw koudere lucht langs de grond. In plaats van de veel gebruikte radiatorverwarming kunnen oppervlakteverwarmingen, waterverwarmde vloeren-, muur- of plafondoppervlaktes of andere constructies gebruikt worden. In principe treedt overal warmteconvectie op. De van verwarmingen door warmteconvectie in de lucht overgedragen warmtecapaciteit is proportioneel met het temperatuurverschil tussen verwarmingen en lucht volgens de formule: PHL = w * A * (TH – TL), waarbij w de warmteovergang factor in (W/m2K), A de oppervlakte van de verwarming, TH de temperatuur van de verwarming en TL de luchttemperatuur weergeeft. De warmteconvectie is bij de aangegeven verwarming dus vooral van het temperatuurverschil tussen verwarming en omgeven lucht in de ruimte afhankelijk. (Recknagel, Sprenger, Schramek: Handboek voor verwarming en klimaattechniek, Oldenbourg Wetenschappelijke uitgever; 68ste druk (1997/98) Pag. 146 e.v.) (Dillmann, Andreas (2005): Karl Wieghardt: Theoretische stromingscursus, Universiteitsuitgever Göttingen) (H. Oertel (Hrg.): Prandtl- Wegwijzer door de stromingscursus. Fundamenten en fenomenen, Vieweg 2002 (11de drukl)) (http://de.wikipedia.org/wiki/Konvektion)

9 van 53

Warmtestraling en infraroodstraling Als warmtestraling omschrijft men dat deel uit het spectrum van de elektromagnetische straling, die iedere verwarming afhankelijk van zijn temperatuur uitstraalt, zodra deze van de absolute nulpunttemperatuur van 0 K anders is. Als vorm van warmteoverdracht is het niet aan materie gebonden en treedt in tegenstelling tot warmtegeleiding en warmteconvectie ook in een vacuüm op. De bekendste warmtestraling is de zonnestraling, die zich in het bereik UV-straling, zichtbaar licht en infraroodstraling laat opdelen (zie afbeelding 1.4).

Afbeelding 1.4: warmtestraling in het elektromagnetische spectrum Gammastrahlung – Gammastraling Röntgenstrahlung – Röntgenstraling Wärmestrahlung – Warmte straling Mikrowellen - elektromagnetische golven met een golflengte in het micron bereik Radio-Wellen – Radiogolven Spektrum der Wärmestrahlung - Spectrum van warmtestraling Wellenlänge in µm - Golflengte in microns UV – Strahlung – Ultraviolet straling Sichtbares Licht – zichtbaar licht Infrarot – infrarood Nahes – nabij Mittleres – middel Fernes – ver

10 van 53

De spectrum verdeling van de stralingintensiteit (Plancksches Stralingsspektrum) is afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur van de stralende verwarming. Hoe warmer de verwarmingsoppervlakte is, hoe hoger de intensiteitmaximum en des te verder verschuift zich dit maximum naar kortere golflengtes.

Afbeelding 1.5: Stralingsspectrum van de ideale zwarte straler Planckes Strahlungsspektrum – Planck stralingspectrum Spektrale spezifische Ausstrahlung – spectrale specifieke stralingspectrum spektrale strahldichte - spectrale uitstraling wellenlänge - golflengte

Op afbeelding 1.5 zijn de geïdealiseerde spectra voor de zogenaamde `zwarte straler` weergegeven. Een voorbeeld hierbij is de afstraling van het menselijk lichaam (300 Kelvin) en van de zon (5777 Kelvin). De idealisering van de zwarte straler betekent, dat het aangegeven spectrum volledig afgestraald wordt. In de realiteit zijn er echter enkel ´grijze stralers` bij die de afstraling met een factor ε (0<ε<1) gewogen wordt. Toch is ε bij de meeste oppervlaktes in gebouwen dicht bij 1. Daarom is er in de praktijk over het algemeen geen noemenswaardig verschil tussen zwarte en grijze stralers. Erg belangrijk is dat, de stralingsfactor ε (ook stralingsgetal genoemd) niet met de stralingsefficiëntie van een infraroodstraler te verwarren is. Dit is bij het aangeven van de technische gegevens bij de op de markt aangeboden producten een veel voorkomende fout. De stralingsfactor geeft de stralingscapaciteit van de infraroodstraler weer in verhouding tot die van een ideale zwarte straler, de stralingsefficiëntie geeft het aandeel van de afgegeven stralingscapaciteit in verhouding tot toegevoegde elektrische capaciteit weer. (zie ook: Fröse, H.-D.: Elektrische verwarmingssystemen, Pflaum uitgeverij 1995, 23 e.v.) Volgens Stefan-Boltzmann is de gehele intensiteit van de uitstraling van het lichaam: M = σ * T4 (Stefan-Boltzmannsches-wet) met σ = 5,67 * 10-8 W/(m2K4) (Stefan-Boltzmannconstanten) en T = absolute oppervlaktetemperatuur van het lichaam. De gehele intensiteit stijgt dus met de vierde exponent van de temperatuur sterk. Per vierkante meter oppervlakte straalt de zon dus ca. 400 keer meer energie uit in vergelijking met het menselijk lichaam, ondanks het feit dat de temperatuur maar iets meer dan 19 keer hoger is. Ook bij de Stefan-Boltzmann’s-wet werkt men dicht bij een idealisering. Er wordt zo gedaan alsof het lichaam alleen in het universum zou zijn. In werkelijkheid zijn er talloze lichamen in de kosmos, met hun straling interactie. Daarbij wordt de van een lichaam uitgezonden stralingsenergie op de oppervlakte van een andere 11 van 53

lichaam gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk gereflecteerd. De geabsorbeerde energie draagt ter verwarming bij en veroorzaakt een verhoging van de afstraling. Als het uitgestraalde vermogen van een lichaam volgens de Stefan-Boltzmannschen-wet is P = σ * A * T4, met A = oppervlakte van het lichaam, dan levert dit voor de stralingsuitwisseling tussen twee lichamen het volgende: P12 = σ * k * (T14 – T24), waarbij k voor de stralingsuitwisselhoeveelheid staat, die van de grootte van de tegenzijdige lichaamoppervlaktes en de stralingsfactoren ε1 en ε2 afhangt. De stralingsuitwisseling vindt zo tussen alle lichamen plaats en wordt theoretisch eerst afgerond, als alle lichaamoppervlaktes dezelfde temperatuur hebben. In de realiteit van een verwarmde woonruimte zijn alle stralingoppervlaktes de oppervlaktes van de verwarmingen, muren, plafond, vloeren, ramen, deuren, meubels, mensen, dieren etc. daarbij betrokken. Aangezien de verwarmingen of verwarmingsoppervlaktes de hoogste temperatuur bezitten en constant met energie gevoed worden, zou zich in het ideale geval de temperatuur van alle andere oppervlaktes zo lang verhogen, totdat alle oppervlaktes in de ruimte de temperatuur van de verwarmingsoppervlaktes bereikt zouden hebben. -----------In de verwarmingstechniek speelt in het spectrum van de warmtestraling enkel de infraroodstraling een rol. Het wordt daarom verkort vaak ook als warmtestraling beschreven, terwijl infraroodstraling enkel een deel van de warmtestraling is. Op grond van DIN 5031 wordt de infraroodstraling in het golflengtebereik IR-A (0,78 μm tot1,4 μm), IR-B (1,4 μm tot 3,0 μm) en IR-C (3,0 μm tot 100 μm) ingedeeld. Een andere indeling is de dichtbij, middel en verre infrarood, die in de geowetenschappen gebruikelijk is (zie afbeelding 1.4). Ver infrarood en IR-C zijn gelijk. Dit is het stralingsbereik, in die de in dit project gebruikte infraroodverwarmingen werken. Absorptie van warmtestraling in lucht Naast de energieoverdracht tussen verwarmingen door stralingsuitwisseling is er ook nog de energieoverdracht van lichamen in een daarvan omgeven vloeistof door absorptie van de uitgezonden stralingsenergie uit vloeistofwarmte. In de verwamingstechniek treedt absorptie van infraroodstraling in lucht op, die over het algemeen echter een duidelijk kleiner aandeel aan de energieoverdracht heeft dan de warmteconvectie. De absoptiegraad in afhankelijkheid van de golflengte geeft afbeelding 1.6 weer.

Afbeelding 1.6: Absorptiespectra van verschillende stoffen in de lucht Absorptionsvermögen – absorptiecapaciteit Wellenlänge - Golflengte UV-Strahlung – ultraviolet straling Sichbare – zichtbaar Nahes Infrarot – nabij infrarood Mittleres Infrarot – middle infrarood Fernes Infrarot – ver infrarood

12 van 53

Het is makkelijk te herkennen, dat door hoge luchtvochtigheid grote delen van de infraroodstraling geabsorbeerd kunnen worden. Dit transparante venster is alleen in het bereik van ca. 7μm tot 13 μm te herkennen, aangezien de infraroodstraling zich dan bijna ongehinderd door de lucht kan uitbreiden. De daar gemarkeerde absorptiebereik voor ozon, steenkoolwaterstoffen en geoxideerde stikstof spelen in de woonruimte geen rol. Het stralingsmaximum van de gebruikte infrarood-C-straling ligt ideaal in dit transparante venster. Vanwege de grens bij 7μm moet de oppervlaktetemperatuur van de straler ca. 120°C niet overtreffen. De onderste oppervlaktetemperatuurgrens wordt door de verhouding van stralings- en warmteconvectieaandeel vastgelegd en zou 60°C niet mogen overschrijden (zie beneden). (http://www.webgeo.de/beispiele/rahmen.php?string=de;1;k_304;1;;;;) (http://www.ikg.rt.bw.schule.de/planck/planck1.html) (http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungsgesetz) (http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_Körper) (http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum) (http://de.wikipedia.org/wiki/Infrarotstrahlung) (http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmestrahlung) (http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungsaustausch) (http://www.ing-buero-ebel.de/strahlung/Strahlungsaustausch%20-%20Wikipedia.htm) (Baehr, H.D., Stephan, K.: Warmte- en stofoverdracht, 4de druk. Springer uitgeverij, Berlijn 2004) Comfort In de verwarmings- en klimaattechniek betekent (thermische) comfort de omgevingstemperatuur en de luchttoestand, waarin zich een mens het beste voelt. Daarvoor worden de begrippen gevoelde temperatuur en comforttemperatuur ingevoerd. Gevoelstemperatuur en comforttemperatuur Een verwarmingssysteem heeft niet alleen tot doel, bij lage buitentemperaturen te zorgen voor een overlevingsmogelijkheid, maar moet ook bijdragen aan een comfortabel ruimteklimaat. Objectieve meetbare parameters daarvoor zijn de zogenaamde gevoelstemperatuur en de comforttemperatuur, die onderwerp van de DIN 33 403, DIN EN ISO 7730 en de DIN 1946 zijn. De comforttemperatuur is een sub-concept van de gevoelstemperatuur en wordt verkregen op vooraf bepaalde gestandaardiseerde fysiologische en individuele parameters van de temperatuur, die wordt gevoelt in binnenruimtes, die op de basis van DIN EN ISO 7730 bij een statistisch groot aantal mensen (ten minste 90%) tevredenheid veroorzaakt. Gevoelstemperatuur en comforttemperatuur zijn afhankelijk van De luchttemperatuur in de woonruimte, De stralingstemperatuur van de omgeving, De luchttemperatuurverdeling (luchtlagen), De luchtstroming (tochtwind) en De relatieve luchtvochtigheid. Een uitgebreide weergave daarvan vindt men in (Recknagel, Sprenger, Schramek: Handboek voor verwarming en klimaattechniek,Oldenbourg. Wetenschappelijke uitgeverij; 68ste druk (1997/98) Pag. 50 e.v.) Luchttemperatuur in een ruimte De luchttemperatuur in een ruimte is een fysieke parameter, die de energetische toestand van de lucht in de ruimte beschrijft. Het wordt in Kelvin (K) of in graad Celsius (°C) aangegeven. In het voorliggende verslag wordt °C gebruikt. In Kelvin worden temperatuurverschillen aangegeven. De luchttemperatuur in de ruimte geeft indirect de thermische energie in de lucht weer, die met de omgeving van de ruimte of in de ruimte aanwezige objecten of personen interactief kan zijn. Dit gebeurt bij temperatuurverschillen met de lucht door warmtegeleiding van de warmere naar de koudere kant. 13 van 53

Fysiologisch wordt warmtegeleiding door het menselijk lichaam in de lucht als afkoeling aangevoeld, het tegenovergestelde als opwarmen. (http://de.wikipedia.org/wiki/Temperatur) Stralingtemperatuur van de omgeving De stralingstemperatuur van de omgeving is de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de ruimte aangrenzende vlaktes (muren, vloeren, plafond, deur- en raamoppervlaktes van de verwarming). Het is gevormd uit het quotiënt van de som van de producten van de verschillende oppervlakken en de temperatuur en de som van de individuele gebieden: tU = (Σ Ai ti / Σ Ai ) met: Ai :vlakte-inhoud van de oppervlakte ti : Temperatuur van de oppervlakte Ze is verbonden met de waargenomen temperatuur en een maat voor de mens waargenomen thermische straling uit de omgeving. Stralingstemperatuursymmetrie Als de muren van de ruimte een groot verschil in oppervlaktetemperaturen hebben, kan dit invloed op het comfort hebben, desondanks dat de gemiddelde stralingstemperatuur van de omgeving een aangename temperatuur heeft. Men spreekt dan van stralingstemperatuur asymmetrie. Op grond hiervan is het niet zinvol, verwarmingsoppervlaktes met temperaturen van meer dan ca. 120°C te gebruiken, aangezien de asymmetrie dan al duidelijk aan te voelen is. Bij een ongunstige plaatsing van de infraroodstraler zoals bijvoorbeeld tegenover ruiten, is de asymmetrie al bij ca. 80°C storend. Infraroodstralers worden daarom het best aan de muren van de kant van de ruiten of dwars daarvan aangebracht. Bij montage aan het plafond moet de afstand van op zijn minst een meter van de muur aangehouden worden. Een staande houding is enkel in hoge ruimtes, zoals bij oude gebouwen te vinden is zinvol. (Deskundig rapport over het thermische comfort in woonruimtes met betrekking tot elektrische verwarmingen, Prof. Dr.-Ing. Bruno Gräff, November 2006; http://ihs-europe.de/wp-content/uploads/2009/03/gutachten-uber-infraheat-vprofgraff-in-pdf-datei.pdf) (Onderzoeksverslag B I 5 80 01 97 – 14, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen, Optimering van het plaatse van verwarmingen en luchtverversingselementen door middel van stromingssimulatie, Universität Gesamthochschule Kassel, 1999) Luchttemperatuurverdeling Onder de mogelijke luchttemperatuurverdeling is in een binnenruimte de verticale verdeling van de luchttemperatuurlagen voor de gevoelstemperatuur relevant. Horizontale of onregelmatige verdelingen komen of niet voor of er wordt via de luchtstromingen rekening mee gehouden. Bij de luchttemperatuurlaag is het temperatuurverloop afhankelijk van de hoogte van de vloeren. Het temperatuurverloop is afhankelijk van de soort verwarming, de isolatie en de dichtheid van de ruimte ten opzichte van de buitenlucht. Het temperatuurverloop moet het liefst constant zijn. Onderzoeken (bijvoorbeeld (Olesen, B. W., M.Schøler en P. O. Fanger, Indoor Climate, 36. S. 561/579 (1979)) concludeerden, dat temperatuurverschillen al vanaf 1K per hoogtemeter als storend ondervonden kunnen worden. Luchtstroming De luchtstroming wordt veroorzaakt door luchtdruk verschillen, gerichte beweging van het geheel van de luchtdeeltjes aan een bepaald punt van de ruimte. Dit wordt als gemiddelde snelheid van luchtdeeltjes in m/s aangegeven. Het heeft voor het geval dat de luchtdeeltjes kouder zijn dan de omgevingslucht in de ruimte en de beweging constant in één richting verloopt, een bijzonder grote invloed op het comfort. Men spreekt dan van tocht. Volgens ISO 7730 en VDI 2083 zijn luchtstromingen onder 0,1 m/s niet storend en hebben geen invloed op het comfort. (http://de.wikipedia.org/wiki/Tochtwind)

14 van 53

Luchtvochtigheid De luchtvochtigheid beschrijft het aandeel van waterdamp in de lucht. Aangezien het opneembaar vermogen van de lucht voor watermoleculen van de temperatuur afhangt, onderscheid men tussen absolute en relatieve luchtvochtigheid. Hoe warmer de lucht is, des te groter is de afneembare waterhoeveelheid. De absolute luchtvochtigheid wordt in waterhoeveelheid per ruimtevolume aangegeven (g/m3). De relatieve luchtvochtigheid is de verhouding tussen de werkelijke hoeveelheid water in de lucht en maximaal mogelijke waterhoeveelheid bij een gegeven luchttemperatuur en wordt in % aangegeven. De kracht van verdamping op de menselijke huid hangt af van de relatieve luchtvochtigheid. Door verdamping ontstaat verdampingskou op de huid. Voor de comfort speelt bij luchttemperaturen rond de 20°C pas relatieve luchtvochtigheid van onder de 30% of boven de 70% een rol (DIN 1946). (http://de.wikipedia.org/wiki/Luchtvochtigheid) Operatieve temperatuur In de praktijk is het comfort vooral afhankelijk van de omgevingstemperatuur en de stralingstemperatuur van de omgeving, eventueel nog van tochtwind verschijnselen. Daarom werd in de DIN EN ISO 7730 ook nog het begrip van de operatieve temperatuur gedefinieerd, die precies deze parameters omvat. (Recknagel, Sprenger, Schramek: Handboek voor verwarmings- en klimaattechniek,Oldenbourg, Wetenschappelijke uitgever; 68ste druk (1997/98) Pag. 54) (Onderzoeksverslag B I 5 80 01 97 – 14, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen, Optimering van het aanbrengen van verwarmingen en luchtververserelementen door middel van stromingssimulatie, Universität Gesamthochschule Kassel, 1999) In het makkelijkste geval zonder tochtwind verschijnselen is de operatieve temperatuur To het gemiddelde uit de luchttemperatuur TR en het gemiddelde van de stralingstemperatuur van de omgeving TU: To = (Tr + Tu)/2 . De optimale operatieve temperatuur hangt dan over het algemeen nog van de activiteit en kleding van de mensen af. Bij een zittende bezigheid en lichte bekleding is bijvoorbeeld de operatieve temperatuur bij 21,5°C optimaal. Bij de keuze van de dimensionering van een verwarmingssysteem met het daarbij behorende besturingssysteem is het voldoende, de eisen voor het bereiken van het doel van een bepaalde operatieve temperatuur te vervullen. Bij klimaatsystemen zijn de eisen hoger en alle eisen voor het bereiken van de ingestelde gevoels temperatuur moeten vervuld worden, dus moet ook bijvoorbeeld de luchtvochtigheid geregeld worden. De operatieve temperatuur wordt in de vorm van comfortvelden in stralingstemperatuur-luchttemperatuurdiagrammen weergegeven (zie afbeelding 1.7). Hogere stralingstemperaturen worden tegenover hogere luchttemperaturen vaak als aangenamer aangevoeld. Een verwarmingssysteem, dat in beginsel hogere stralingstemperaturen dan luchttemperaturen verwekt, heeft op grond van comfortredenen daarom de voorkeur.

15 van 53

Afbeelding 1.7: Stralingstemperatuur-Luchttemperatuur-Diagram Mittlere Oberflächentemperatur der Raumbegrenzungen – De gemiddelde oppervlaktetemperatuur van het vertrek. Noch behaglich – nog steeds behaaglijk Unbehaglich warm – onaangenaam warm Behaglich – behagelijk Empfundene Temperatur – gevoelstemperatuur Unbehaglich kalt – onbehaaglijk koud Raumlufttemperatur - ruimte lucht temperatuur Geltungsbereich – geldigheidsgebied Rel. Luftfeuchte φi von 30 bis 70 % - relatieve luchtvochtigheid φi van 30% tot 70% Luftbewegung von 0 bis 20 cm/s – luchtverplaatsing van 0 tot 20 cm/s Weitgehende Temperaturgleichheit – Uitgebreide temperatuurverdeling Aller raumbegrenzenden Flächen – alle ruimte beperkte wanden.

16 van 53

1.3.3 Medische aspecten Allergie/astma Door de bestaande CV verwarmingstechniek worden vooral mensen met een huismijtallergie getroffen. Dit is een allergie met een sensibel gevoel en een allergische reactie tegenover de uitwerpselen van huismijt, die een neusontsteking, jeuk en allergische reactie in de vorm van astma kunnen veroorzaken. Veroorzaakt wordt deze reactie van het immuunsysteem niet door de huismijt direct, maar door de uitwerpselen van huismijt, die in de stof leven. Deze uitwerpselen plakken aan het stof in huis en wordt met iedere vorm van warmteconvectie `opgedwarreld`. Hoe lager het warmteconvectieaandeel, hoe beter voor de persoon met de allergie. Het minst hoge warmteconvectieaandeel heeft de infraroodstralingsverwarming. (Wilfried Diebschlag, Brunhilde Diebschlag: Huismijtallergieën. Sanitaire en hygiënische aspecten. 2de druk, Herbert Utz uitgeverij, München 2000) Medische warmtebehandeling De medische warmtebehandeling met infraroodstraling behoort tot de fysieke therapie of fysiotherapie. Daar houdt men zich bezig met medische behandelingsvormen, die op fysieke principes zoals warmte, elektrische stroom, infrarood- en Uv-straling, watertoepassingen en mechanische behandelingen zoals massage. Vooral het gebruik van infrarood-C-straling, zoals het ook bij infraroodsauna´s gebruikt wordt, is in de pijntherapie, bij overbelastingen van gewrichten en bij de behandeling van doorbloedingsstoringen goed onderzocht. Een infraroodstralingsverwarming heeft dus meestal een positief medisch-therapeutisch effect. Daarnaast is het dat stralingsaandeel dat ons iedere dag sowieso constant omgeeft, aangezien het van alle objecten meer of minder sterk afgestraald wordt. (Richter W., Schmidt W.: Milde Ganzkörper-Hyperthermie mit Infrarot-C-Strahlung. Z Onkol/J Onkol 34(2002) 49 - 58) (Schmidt W., Heinrich H., Wolfram G.: Detoxifikation und Immunstimulation durch Infrarot-C-Strahlung. Biol. Med. 33 (2004) 66 – 68) 1.3.4

Fundamentele energiestromingen bij verwarmingssystemen: primaire energie, secundaire energie, eindenergie, nuttige energie

Met primaire energie bedoeld men economisch de energie die met de in de natuur voorkomende energiebronnen als vrije of gebonden energiebron ter beschikking staat. Daarbij horen de eerder genoemde energieën van het energiespectrum: - Duurzame energie, zoals biomassa, waterkracht, zonne-energie, aardwarmte (geometrie) en windenergie, - Fossiele energie, zoals bruinkool, steenkool, aardgas en aardolie en - Kernenergie (uraan). Secundaire energie of energiedragers ontstaan door verliesvolle omzettingsprocessen, zoals verbranding, kernsplijting of raffineren. Energiedragers zijn bijvoorbeeld gas, elektrische energie, benzine, kerosine of stadsverwarming. De na eventuele verdere omzetting of overdragsverliezen voor bij de consument aankomende energie noemt men eindenergie. De nuttige energie is uiteindelijk die energie, die de consument door directe toepassing of na omzetting van eindenergie voor de gewenste energiedienst ter beschikking staat. Tot de nuttige energie behoren warmte, kou, licht, mechanisch werk of echogolven. Over het algemeen is de nuttige energiehoeveelheid kleiner dan de eindenergiehoeveelheid, aangezien de energieomzetting uit eindenergie ook veel verliest. Een gloeilamp verwekt bijvoorbeeld zowel licht als ook warmte uit de eindenergie stroom. Normaal gesproken wordt de warmte echter niet gebruikt. 17 van 53

(http://de.wikipedia.org/wiki/Primärenergie) (http://de.wikipedia.org/wiki/Sekundärenergie) (http://de.wikipedia.org/wiki/Endenergie) (http://de.wikipedia.org/wiki/Nutzenergie)

1.3.5

Indeling van de verwarmingssystemen volgens energiebronnen

Vanwege de ecologische aspecten is het zinvol, verwarmingssystemen naar de gebruikte energiebronnen voor de omzetting in warmte en zijn herkomst in te delen. Fysiek gezien hebben we met vier verschillende energievormen te maken: - Chemische energie: vaste bandstoffen, olie, gas - Elektrische energie - Zonnestralingsenergie - (omgeving-) warmte De zonnestralingsenergie en omgevingswarmte zijn van zich uit regeneratieve energievormen. Bij de chemische en elektrische energie komt het op de vooropgeslagen energiebronnen aan of het regeneratief is of niet. Vaak is de herkomst ook gemengd. Zo bedraagt het regeneratieve aandeel in de stroomverzorging ondertussen meer dan 15% en in de aardgasleidingen worden regionaal verschillende, maar doorgaans nog geringe aandelen van een paar procent aan biogas erbij gemengd. Vaste brandstoffen en olie kunnen volledig uit biomassa verwekt bij de consument aangeleverd worden. Aangezien de overgang naar regeneratieve energieën in de energievoorziening in zijn geheel een relatief langzaam proces over tientallen jaren is, zou bij de keuze van een verwarmingssysteem op de mogelijk makkelijkste en volledigste gebruiksmogelijkheid van regeneratieve energieën gelet worden.

18 van 53

1.3.6

Indeling van de verwarmingssystemen naar type warmteverdeling ------------------------------

Individuele verwarming Met een individuele verwarming bedoeld men verwarmingen, bij die de warmte uit de toegevoerde eindenergievorm zoals gas, olie, hout, kool of stroom eerst in de ruimtes door middel van zelfstandige energieomzetters verwekt wordt. De warmtebron bevindt zich dus in de desbetreffende ruimtes en heeft als doel, de directe omgeving waar de verwarming in staat onafhankelijk van andere ruimtes te verwarmen. De warmteverdeling vindt ook in dezelfde ruimte plaats. Tot de individuele verwarmingen behoren de open haard, gesloten haarden, zoals haardkachels, tegelkachels, grondkachel, langdurig brandende kachels met aangesloten olietank en gas-enkele kachels met gasaansluiting direct in de ruimte of elektrisch gestuurde weerstandsverwarmingen zoals straalkachels, elektrisch verwarmde radiatoren, infraroodstralers (warmtestralers), Electrische-vloerverwarming of elektrischeaccumulatieverwarming. Centrale verwarming Bij centrale verwarming bevindt zich de energieomzetter van eindenergie tot warmte en daarmee de warmtebron centraal in het gebouw of in het gebouwcomplex. De warmte-energie moet door geschikte media zoals water, waterdamp of hete lucht eerst in de verschillende ruimtes verdeelt worden en dan via verwarmingen of verwarmingsoppervlaktes in de ruimte. De meest gebruikte centrale verwarming in Duitsland is de gas-centrale verwarming met warmwater als transportmedium, de zogenaamde warmwaterverwarming. Andere zijn de olie-centrale verwarming, de verschillende soorten van warmtepompverwarmingen en de pelletsverwarming. In het voorliggende onderzoek wordt een gas-centrale verwarming met een decentraal verwarmingssysteem uit enkele infrarood verwarmingen vergeleken. Warmteoverdrachtsprincipe in de woonruimte: warmteconvectie- en stralingsverwarming In dit onderzoeksverslag wordt van stralingsverwarming gesproken, wanneer het door straling via de verwarming of verwarmingsoppervlakte in de ruimte aangegeven aandeel van de energiehoeveelheid meer dan 50% is. Dit wordt in de praktijk echter niet vaak behaald (zie beneden). Overeenkomstig wordt van warmteconvectie gesproken als het door warmteconvectie via de verwarming of verwarmingsoppervlakte in de ruimte afgegeven aandeel van de energiehoeveelheid meer dan 50% is. Bij bijna alle op de markt te krijgen verwarmingen gaat het om warmte-convectieverwarmingen. Belangrijke mededeling: Iedere vorm van verwarming of verwarmingsoppervlakte geeft de warmte-energie zowel door straling, als ook door warmteconvectie, in een meestal te verwaarlozen klein aandeel zelfs door warmtegeleiding af. Doorslaggevend is de mengverhouding. Door verkeerde of verkeerd begrepen weergaven in reclamebladen, op internetsites en andere publicaties van de verwarmingsbranche wordt vaak de indruk gewekt, alsof er ´zuivere´ stralings- of warmte-convectieverwarmingen zijn. Deze is echter enkel in een fysiek experiment met grote kosten bereikbaar. In de verwarmingstechnische praktijk is dit verre van het geval.

19 van 53

Aandelen warmteconvectie- en stralingsverwarming bij verschillende verwarmingen en verwarmingsoppervlaktes In beginsel is de verdeling van warmteconvectie- en stralingsaandeel van de oppervlaktetemperatuur, oppervlaktetoestand en de bouwvorm van de verwarming afhankelijk. In de meest eenvoudige ontwerp van de vrijstaande paneelradiator met een plaat, stralingsfactor bijna bij 1 en gebruikelijke grootte van ca. een halve tot één vierkante meter zijn bij ca. 60°C tot 70°C oppervlaktetemperatuur beide aandelen gelijk. Bij lagere oppervlaktetemperaturen overheerst het warmteconvectieaandeel, bij hogere oppervlaktetemperaturen het stralingsaandeel. Bij ingewikkeldere bouwvormen zoals deelverwarmingen, straalbuisradiatoren, lamellenradiatoren en plaatverwarmingen bestaand uit meerdere platen en een convector geeft het warmte-convectieaandeel door schoorsteeneffecten sterk toe en kan zelfs bij hoge capaciteit- en oppervlaktetemperaturen van 90°C meer dan 90% bedragen. Omgekeerd neemt bij de eenvoudige verwarming het stralingsaandeel met toenemende oppervlakte toe. Bij een oppervlakte van meer dan 10 vierkante meter is daarom de gelijkheid van warmteconvectie- en stralingswarmte al bij ca. 45°C tot 50°C oppervlaktetemperatuur bereikt. (Recknagel, Sprenger, Schramek: handboek voor verwarming en klimaattechniek,Oldenbourg Wetenschappelijke uitgeverij; 68ste druk (1997/98) pag. 435 e.v. en pag. 938 e.v. en Pag. 836) 1.3.7

Bijzondere bouwvormen van verhitters en warmteoppervlaktes

Tegelkachel en open haard Tegelkachels en open haarden zonder luchtkanalen lijken in hun afstraalbeeld het meest op de eenvoudige plaatverwarming, de oppervlakte is door de vierkantvormige schacht over het algemeen groter. Aangezien de oppervlaktetemperaturen typisch bij ca.80°C liggen, is het de klassieke stralingsverwarming. Bij tegelkachels en vele open haarden met luchtkanalen overweegt echter door de sterke kacheleffecten het warmte-convectieaandeel. Plintconvector De plintconvector (ook plintverwarming genoemd) is een speciale vorm van warmte-convectieverwarmingen. De plintconvector loopt meestal aan de binnenkant van buitenmuren dicht bij de vloeren. De verwarmingselementen van de plintconvector bestaan uit een door warmwater doorstroomde buis met vele daarop aangebrachte lamellenblikken. Door de lamellen wordt een lokaal kacheleffect (warmteconvectie) verwekt. Plint-convectoren bouwen een warme lucht gordijn langs de muren of langs glasvlaktes van de ruiten op. Daardoor worden de muur- en ruitoppervlaktes verwarmt. Door de daardoor ontstane stralingstemperatuur van de oppervlaktes stelt zich het gewenste comfort in. Aangezien de warme lucht gordijn zeer dun is in vergelijking met de luchtstroom van andere warmteconvectieverwarmingen en zich maar langzaam beweegt, wordt de lucht in de ruimte langzamer verwarmd en blijft over het algemeen beneden de temperatuur van het warme lucht gordijn. De plintconvector geeft daarmee een geoptimaliseerde vorm van warmteconvectie weer. Om een stralingsverwarming te kunnen worden, zou de oppervlaktetemperatuur van de muur of ruitoppervlakte door het warme lucht gordijn op minstens 45°C verwarmd moeten worden, wat echter niet het geval is. Grote oppervlakteverwarmingen (plafond-, muur- en vloerverwarmingen) Grote oppervlakteverwarmingen ontstaan meestal door in de pleisterlaag van plafonds en muren of in de vloerbepleistering flexibele verwarmingsbuizen aan te leggen. Men spreekt dan van plafond- muur- of vloerverwarming. Door warmtegeleiding worden de oppervlaktes verwarmt en zo voor een aangename gemiddelde stralingstemperatuur gezorgd. De lucht wordt overwegend door langzame warmteconvectie verwarmt. 20 van 53

Ditzelfde geldt, wanneer in plaats van waterdoorstroomde verwarmingsbuizen elektrisch gedreven verwarmingsleidingen of verwarmingsfolies gebruikt worden. Plintconvector en grote oppervlakteverwarmingen worden onjuist stralingsverwarmingen genoemd terwijl deze over het algemeen minder dan 50% van de toegevoegde energie of elektrische energie in de vorm van straling in de ruimte afgeven. Bedoeld wordt met de uitdrukking het voordeel, dat deze voor een hoge gemiddelde stralingstemperatuur van de omgeving zorgen, aangezien de ruimteoppervlaktes gedeeltelijk direct, gedeeltelijk via het stralingsaandeel en gedeeltelijk via een luchtgordijn opgewarmd worden. Ideaal zou het bij grote oppervlakteverwarmingen zijn, als alle ruimte oppervlaktes een lage temperatuur zouden hebben van ongeveer 20oC tot 25oC. Dit resulteert dat tussen de ruimte oppervlaktes en een gekleed menselijk lichaam er zo goed als geen stralingsuitwisseling plaatsvindt, omdat de oppervlaktetemperaturen bijna gelijk zijn. Dit wordt als bijzonder aangenaam ervaren. De van zulke verwarmingen afgegeven warmtecapaciteit in de ruimte vindt vooral plaats door wamteconvectie en door stralingsabsorptie door de lucht in de ruimte. De voordelen zijn ongeveer gelijk als bij een echte stralingsverwarming: - Geen ruimteverlies door verwarmingen in de ruimte; - Geen stofnesten op de verwarmingen; - weinig temperatuurgradiënt over de hoogte van de ruimte; - Geringere luchttemperatuur dan bij de klassieke convectieverwarming; daardoor ontstaat een fysiologisch voordelige verwarming van de mens; - Geen of geringe vochtigheid aan bouwonderdelen, dat verhindert schimmelvorming. 1.3.8

De rol van de accumulerende massa van warmte-energie in verwarmingssystemen

Zowel in individuele verwarmingen als ook in centrale verwarmingen wordt de warmte-energie direct door de afgifte in de massa van het verwarmingssysteem opgeslagen. Afhankelijk van het verwarmingssysteem zijn deze opslagruimtes van verschillende grootte, dit is afhankelijk van de massa. Over het algemeen geldt: hoe groter de massa, hoe groter de warmteopslag. Zulke opslagmassa´s zijn het water in de verwarming en de verwarming zelf, vuurvaste tegels in open haarden en elektrische verwarmingen of de vloerbepleistering. In vroegere tijden, waar de kamerkachels met vaste brandstof standaard was en er nog geen stuurbare verwarmingen waren, was een zo groot mogelijke opslagmassa gewenst. De kachel werd dan enkel één of twee keer per dag met brandstof gevuld en de opslagmassa zorgde voor een gelijkmatige warmteafgifte in de ruimte, ook als het vuur in de haard al uit was. Dit was ook nog het geval bij latere veel gebruikte olie- en gasverwarmingen zonder stuursysteem en simpele ventielen aan de verwarmingen. Als de afgifte in de ruimte bijna gelijk met de warmteverwekking plaatsvindt, speelt de grootte van de opslagmassa geen rol. Dit is bij moderne verwarmingssystemen met ruimtetemperatuurregelaars en huizen met een gering energiebehoefte niet het geval. Een afwisselende zonnestraling, het gebruik van extra warmtebronnen (bijvoorbeeld de oven) of het openen van een raam zorgen ervoor dat een snelle reactie van de verwarmingsbesturing noodzakelijk is. De regelaar kan echter enkel de warmtetoevoer in de opslag regelen, maar niet de afgifte van warmte-energie uit de opslagmassa in de ruimte stoppen of toelaten. Voor het geval dat er snel verwarmt moet worden, is er bij grote opslagmassa´s een grote tijdelijke vertraging. Bij vloerverwarmingen, die als opslagmassa de complete bepleistering moeten verwarmen, kan deze vertraging meerdere uren duren. In het omgekeerde geval, als bij meer verwarmen van de ruimte, bijvoorbeeld door het opwarmen van de ruimte door de laagstaande winterzon via een zuidelijk raam, de warmte toevoer echter via de verwarming moet onderbreken, komt het door het reeds opgeslagen warme verwarmingswater in de verwarming tot een oververhitting van de ruimte en onnodig energieverbruik. Regeltechnisch spreekt men van overvliegen en regeltraagheid.

21 van 53

Een energiebesparende verwarming met een regeling moet daarom in tegenstelling tot de algemene mening, een zo klein mogelijke opslagmassa in de verwarming en verwarmingsoppervlaktes hebben. Dit wordt niet genoemd over de opslag bij centrale verwarmingen in de stookruimte, aangezien de warmteafgifte van daaruit onder controle van de regeling ligt. Een grote opslagmassa bij infraroodstralers zorgt ervoor dat de straler na ieder keer aan en uitzetten door de regeling, lange tijd op temperatuur tussen omgevingswarmte (luchttemperatuur) en 60°C blijft. Dit betekent dat men met lange opwarm- en afkoeltijden van duidelijk meer dan vijf minuten te maken heeft, in plaats van in een ideaal geval met minder dan één minuut. In deze tijd werkt de infraroodstraler als warmteconvectieverwarming. De voordelen als infraroodstraler gaan dan in zijn geheel bij het gebruik van zo´n straler nog meer verloren, hoe hoger de opslagmassa is. Veel van zulke `infraroodstralers` zijn daarom enkel warmte-convectieverwarmingen met verhoogd stralingsaandeel. Dit geldt ook voor dicht bij de muuroppervlakte ingebouwde elektrische verwarmingsfolies, die dan wel ten opzichte van klassieke oppervlakteverwarmingen grote oppervlaktetemperaturen bereiken, maar de complete muur als achterliggend opslagmassa hebben. In totaal geven ze minder dan 50% van de toegevoegde elektrische energie als infraroodstraler af. Over het algemeen ontstaat bij een montage dicht bij de vloer extra door grote oppervlakte warmteconvectie een luchtgordijn, ongeveer gelijk als bij de plintconvector. (http://de.wikipedia.org/wiki/Heizungsregler) (http://de.wikipedia.org/wiki/Überschwingen) (Otto Föllinger: Regelungstechnik, Hüthig uitgeverij) (Lutz & Wendt: Taschenbuch der Regelungstechnik, Verlag Harry Deutsch) (Fröse, H.-D.: Elektrische Heizsysteme, Pflaum Verlag 1995) 1.3.9

Rangordening van de infraroodverwarming

Als infraroodverwarmingen worden verwarmingen naar volgende definitie beschreven: het zijn individuele verwarmingen, stralingsverwarmingen, dit betekend meer dan 50% puur stralingsaandeel van de in de ruimte afgegeven warmte-energie het stralingsmaximum ligt in het bereik van infrarood (ook bij verwarmingen die een zichtbaar aandeel afstralen, dus rood gloeien). De afgegeven straling van een infraroodverwarming komt overeen met de natuurlijke infraroodstraling in het zonnelicht onder het zichtbare gebied. Gas-infraroodverwarming Gas-infraroodverwarmingen of zogenaamde warmtestralers worden in de industrie en op de camping met brandgas, meestal een vloeibaar gas, bij stationair gebruik (vaste positie) zelden ook met aardgas uitgevoerd. Daarbij verwarmd de gasvlam een gloeiobject. Industriewarmtestralers kunnen alleen voor grote halverwarming gebruikt worden. Voor de gasstraler moeten aan speciale veiligheidsregels voldaan zijn. Op grond daarvan is deze verwarming voor een woning niet geschikt. De laatste paar jaren werden steeds meer terrasstralers (ook verwarmings-paddestoelen genoemd) op open plekken en terrassen van café´s gebruikt. Ook deze zijn niet geschikt voor woonruimtes. Gas-infraroodverwarmingen behoren tot de hoge temperatuur stralers, bij die de warmte-energie aan of in het afstraalcomponent verwekt en met hoge temperatuur (honderden tot ruim duizend graden) afgestraald wordt. Deze verwarmingsvorm wordt gebruikt, om over een grote afstand of in grotere omvang warmte-energie af te geven. Door de hoge temperatuur bestaat over het algemeen brandgevaar, die door veiligheidsmaatregelen beheerst moeten worden. 22 van 53

Electrische IR-verwarming Electrische warmtestralers, quarzstralers, Licht infrarood straler Elektrische warmtestralers behoren ook tot de hoge temperatuur stralers en werken in principe zoals een gloeilamp, echter over het algemeen met een op een drager opgerolde weerstandsdraad, die door de elektrische stroom tot gloeien gebracht wordt. Bij de meeste warmtestralers ligt het stralingsmaximum in het infrarood-B gedeelte, dat betekent, dat het donkerrood gloeit. Een bijzondere positie neemt de zogenaamde quarzstraler in. Zijn stralingsmaximum ligt in het infrarood-A gedeelte, hij is lichtrood gloeiend en de gloeispiraal is met een quarzglasbuis omgeven, om de stralingsmogelijkheid goed door te laten komen. Quarzstralers hebben met meer dan 95% het hoogste stralingaandeel onder de infraroodstralers. Infraroodstralers, waarvan het stralingsmaximum in het infrarood-A of infrarood-B gedeelte liggen, worden ook als lichtstralers gezien, aangezien ze zichtbaar gloeien. Donkere stralers Een infraroodstraler, waarvan het stralingsmaximum in het infrarood-C-bereik ligt, noemt men donkere straler, aangezien er geen zichtbaar lichtaandeel is. Donkere stralers zijn er zowel met gas, alsook elektrisch. Een bijzondere bouwvorm van de donkere straler is de elektrisch uitgevoerde infrarood oppervlakte verwarming. De oppervlaktetemperaturen liggen meestal onder de 150°C. De meest voorkomende van beide bouwvormen zijn die van staal en gietijzer met geïntegreerd verwarmingsspiraal en die met gebruik van elektriciteit door middel van carbonfolies, die in een frame opgehangen zijn. Zulke infrarood-oppervlakteverwarmingen worden in dit onderzoek gebruikt. Stralingswerkingsgraad Voor gas- infraroodverwarmingen geldt naast de gasrichtlijn (90/396/EWG) die in DIN EN 416-2 en in DIN EN 419-2 beschreven stralingswerkingsgraad. Beide zijn beslissend voor een rationeel energiegebruik en de spaarzaamheid, waarbij naar een stralingswerkingsgraad (komt overeen met het infraroodaandeel) zo hoog mogelijk over de 50% gestreefd wordt. Voor elektrische infraroodverwarmingen is analoog een stralingswerkingsgraad in verhouding tussen infraroodstralingsprestatie en toegevoegde elektrische prestatieve gebruiken, waarvoor er echter nog geen norm is.

23 van 53

2

Verwante werken

Wetenschappelijk vakliteratuur over het gebruik van infraroodverwarningen in woonruimtes is er (bijna) niet, aangezien het gebruik als `hoofd`verwarming nog niet vaak gebruikt wordt. Typische gebruik gevallen voor infraroodverwarmingen waren tot nu toe grote gebouwen of half open gebouwen zoals opslaghallen, beurshallen, washallen, sport- en paardrijhallen, vliegtuighangars, in het agrarisch gebied met stallen of kassen, kerken en voetbalstadiums. Belangrijkste reden voor het gebruik was de doelgerichte verwarming van werkplekken zonder energiecomplexe complete verwarming van de lucht in de ruimte. Er waren dan wel talrijke, ook bedrijfsinterne onderzoeken over het gebruik van meestal gasbedreven infraroodverwarmingen in zulke gebouwen, alsook desbetreffende werkplekonderzoeken bijvoorbeeld door de bedrijfsvereniging. De resultaten van deze deels zeer gedetailleerde onderzoeken kunnen echter maar zeer beperkt gebruikt worden voor woonruimtes, aangezien hier een geheel ander verbruiksprofiel ontstaat. Vooral kunnen hier geen goed onderbouwde argumenten over het energieverbruik uit afgeleid worden. In woonruimtes zijn daarnaast uitsluitend elektrische donkere stralers als ´hoofd´verwarming te gebruiken. Het gemeenschappelijke in beide gebruiksruimtes is het vermijden van de verwarming van de lucht, die in de woonruimte vooral net als bij gebouwen naar verwachting energie spaart. Van een lijst met aanbieders van infraroodverwarmingen voor woonruimtes zijn er bedrijfsinterne onderzoeken over het energieverbruik voor en na de ombouw op infraroodstralers. Echter worden over het algemeen enkel de eindenergieverbruiken vergeleken, wat enkel in de directe vergelijking met andere elektrische verwarmingen een beetje betrouwbaarheid geeft. Er wordt gesproken van tot 70% bespaarmogelijkheid. Het nadeel bij deze onderzoeken is ook, dat aan de ene kant van een bepaalde eenzijdigheid bij de keuze van de objecten uitgegaan moet worden en aan de andere kant kunnen de waarden bij een ervoor- en erna vergelijking over het algemeen door omgangsveranderingen van de bewoners en door verschillende weersomstandigheden vervalst zijn. De tijdgelijke meting op het gelijke standpunt met vergelijkbare bewonersomgang en gelijke bouwsubstanties, zoals het in het huidige onderzoek het geval is en de bovengenoemde nadelen vermijdt, is ook zo´n onderzoek niet bekend.

24 van 53

3 Onderzoeksaanpak Om de eerder gestelde vragen te beantwoorden, zijn eerst op abstracte oppervlakte geschikte onderzoeksobjecten vastgesteld. Daarbij gaat het om de systemen gasverwarming/centrale warmwaterverwarming CV ) en infraroodverwarming. 3.1 Bekeken systemen Het systeem gasverwarming: In de basis van de meest populaire structuur van een centrale gas verwarming in een oud huis, is een gasverwarming met een centrale gasbrander in een onverwarmde kelderruimte, een verwarmd water circuit naar de afzonderlijke ruimtes en met kleppen geregelde radiatoren. Over het algemeen zijn de resultaten dan ook op olieverwarmingen met dezelfde structuur overdraagbaar. De primaire energiedrager en tegelijkertijd ook eindenergie is het aan het huis via de gasleiding aangeleverde aardgas. Een verlies tijdens de transportweg van de gasleverancier naar de huisaansluiting wordt buiten beschouwing gelaten. De verbruikenergie is de aan de lucht van de woonruimtes afgegeven warmte-energie door warmteconvectie (zie afbeelding 3.1) De daarbij ontstane luchtstroom verwekt een groot temperatuurverschil tussen boven en onder in de ruimte.

Afbeelding 3.1: Principetekening van een cv installatie (centrale gas-warmwater-verwarming). Radiator – radiator Heizungsinstallation – verwarmingsinstallatie Gasanschlub – gasaansluiting

25 van 53

Het systeem infraroodverwarming: Er worden oppervlakte-infraroodstralers geplaatst, zoals vrij opgehangen schilderijen aan de muren in de ruimtes en op de elektrische-installatie aangesloten. Als alternatief is dit ook middels een plafondmontage, ongeveer zoals bij een lamp mogelijk. Bij het systeem hoort ook het vooraangelegde publieke stroomnetwerk (zie afbeelding 3.2). De primaire energiedrager van de stroomvoorziening is een mix van gecombineerde energieopwekkers. Verbruikenergie is de in de woonruimte afgegeven infraroodstralingsenergie.

Afbeelding 3.2: principe opbouw van infraroodverwarming Infrarotstrahler – infrarood stralings paneel Elektroinstallation – elektrische installatie Stromanschlub – stroom aansluiting Vorgelagertes stromnetz - vooraf aangelegd stroomnet

26 van 53

3.2 Vergelijking van de enrgiestromen De energiestroom in het systeem gasverwarming wordt in afbeelding 3.3 weergegeven.

Afbeelding 3.3 energiestroom van de gasverwarming Brennerverluste – Brander verliezen Vorlaufverluste –aanvoer transportverliezen Wärmeenergie Brennraum – Warmte-energie verbrandingskamer Nutzenergie Wärme der luft – Nuttige warmte uit de lucht Rücklaufverluste – retour transportverliezen Umwandlungsverluste von Wärme des Heizwasser in Wärme der luft vernachlässigbar – Omzettingsverlies van het hete water aan de lucht is verwaarloosbaar De primaire energiedrager aardgas is bij zijn aanlevering aan het huis ook meteen eindenergie en wordt bij de verbranding in de brander in ca. 10kWh warmte-energie per kubieke meter gas omgezet. Een deel daarvan komt via warmtewisselaars in het warm water circuit, de rest gaat als brandverlies via de kelderruimte of de schoorsteen naar buiten verloren. De buizen van het warm water circuit van branders naar de radiatoren en weer terug zijn meer of minder geïsoleerd in de muren en in plafonds aangebracht en verwarmen deze van binnenuit op. Een klein deel van de warmte-energie komt daardoor direct via muren, plafonds en vloeren in de ruimtes. Een veel groter deel gaat via de buitenmuren verloren, aangezien het temperatuurverschil in de winter naar buiten het grootst is. Verder zorgen vooral in oude gebouwen zogenaamde warmtebruggen voor de afkoeling naar buiten. Het warmteverlies ontstaat zowel in de aanvoer, alsook in de retour van het warm water circuit. Via radiatoren wordt de overgebleven warmtehoeveelheid als verbruikenergie aan de lucht van de ruimte afgegeven. De gelijktijdig door de radiatoren afgegeven stralingswarmte (infraroodstraling), is zeer gering, aangezien deze maar een paar procent van de gehele afgegeven warmtehoeveelheid bedraagt en uiteindelijk ook de lucht in de ruimte verwarmt. Via de warmteconvectie van de lucht in de ruimte worden de objecten in de ruimte en de ruimte begrenzende oppervlaktes (muren, plafonds en vloeren) verwarmt. Over het algemeen is daardoor de luchttemperatuur in de ruimte hoger dan de oppervlaktetemperaturen. Vooral in oude gebouwen vooral die met verouderde branders, kan door slechte isolering, een groot verlies tot stand komen, dat minder dan de helft van de primaire energie als verbruiksenergie in de lucht van de ruimte overblijft.

27 van 53

De energiestroming van het infrarood verwarming systeem is in afbeelding 3.4 weergegeven.

Afbeelding 3.4: Energiestroming van de infraroodverwarming Regenerativ erzeugter stromanteil – elektriciteit uit regeneratieve bronnen geproduceerd Übertragungsverluste beim regenerativen stromanteil – transmissieverliezen geresulteerd door het transport van de regeneratieve bronnen Umwandlungsverluste strom /infrarotstrahlung vernachlässigbar – de verliezen om elektriciteit te transformeren naar infrarood straling is verwaarloosbaar klein Nutzenergie infrarotstrahlung – nuttige energie van infrarood straling Fossile und nukleare energieträger – fossiele en nucleaire energy bronnen Thermische undwandlungsverluste im kraftwerk – thermische verliezen van de energy transformatie in de elektriciteit centrale Übertragungsverluste beim fossilen und nuklearen stromteil – omzettingsverlies van de elektriciteit opgewekt uit fossielen en nucleaire energy bronnen -------------------------------------------De primaire energie in het stroomnetwerk wordt in regeneratief verwerkte stroom, alsook in fossiele of nucleaire energiedragers ingedeeld. Het indelen in de verschillende regeneratieve energieën blijven achterwege, aangezien deze voor de latere balans geen rol spelen. Uit de fossiele en nucleaire energiedragers wordt elektrische energie en warmte-energie gewonnen, waarbij de warmte-energie over het algemeen als warmte ongebruikt in de omgeving wordt afgegeven. Tussen de centrales en de huisaansluiting treedt een overdragingsverlies van gemiddeld ca 10% van de verwekte energie op. In het huis wordt de aangekomen elektrische energie in de infraroodstralers in warmtestralingsenergie (infraroodstraling) als verbruikenergie omgezet en direct in de woonruimte afgestraald. De directe opwarming van de lucht zoals bij de radiatoren is zeer gering. Er ontstaat vergelijkbaar geen warmteconvectie. De infraroodstraling verwarmt vooral direct de oppervlaktes van de muren, plafonds en vloeren, alsook de objecten in de ruimte. Een klein gedeelte van de infraroodstraling wordt in de lucht geabsorbeerd en verwarmt deze direct. Verder wordt de lucht indirect via de aangestraalde oppervlaktes via grootoppervlakkige, extreem zwakke warmteconvectie opgewarmd. Over het algemeen zijn daardoor de oppervlaktes in de ruimte warmer dan de lucht. 3.3 Onderzoekshypothese Het belangrijkste verschil in beide energiestromen is, dat bij de infraroodverwarming vanaf de huisaansluiting tot de verbruiksenergie geen verlies meer optreedt. Daarnaast is de infraroodstraling beter geschikt als verwarming dan opgewarmde lucht, om voor een behaaglijke temperatuur in de ruimte te zorgen (steekwoord operatieve temperatuur). De kosten voor de desbetreffende aangeleverde energievorm (eindenergie) beginnen bij de huisaansluiting. Er wordt vanuit gegaan, dat ter verwekking van de behaaglijke ruimtetemperatuur in het geval van de infraroodverwarming een duidelijk kleinere hoeveelheid aan energie, gemeten in kWh, nodig is dan bij de gasverwarming. Dit kan ertoe leiden dat de infraroodverwarming bij de huidige prijsontwikkeling dezelfde prijs of zelfs goedkoper in de onderhoudskosten is dan de gasverwarming. Tegelijkertijd kan de infraroodverwarming ondanks het meerekenen van het verlies bij de centrale in het verbindingsnetwerk in de CO2 balans hetzelfde of beter zijn. 28 van 53

Deze beweringen werden met het voorliggende project als voorbeeld onderzocht. Het doel van het project was daarbij met zo min mogelijk testinspanning zo veel mogelijk algemene vragen (zie motivatie) te beantwoorden met een bewust afzien van beantwoording van gedetailleerde vragen zoals naar de invloed van verschillende bouwvormen van de infraroodstralers etc. Na het vaststellen van het abstracte systeem werd een concreet meetobject gezocht, waarbij naar mogelijkheid beide systemen op dezelfde standplaats met dezelfde bewoners en dezelfde bouwsituatie vergeleken konden worden. Met deze voorwaarden konden van begin af aan veel hindernissen en invloedsfactoren zoals weersafhankelijkheid, verschillende gebruiksomstandigheden en verschillende invloeden van de bouwsituatie (isolatie, opslagomstandigheden e.d.) in hun verschillende uitwerkingen op het onderzoeksresultaat geminiseerd worden. 3.4 Het meetobject Bij het meetobject gaat het om een tweegezins woning, tweeëneenhalve etage, typisch ongeïsoleerd oud gebouw, bouwjaar 1930, zandsteen-muurwerk, aanbouw 1955 en renovatie 1967 met dezelfde muursterkte en bouwstoffen, ongeïsoleerd kelderplafond en ongeïsoleerde vloerplaten Een deel werd gerenoveerd begin 90er jaren met houtbeklede isolatie (12 cm minerale wol, aluminium bedekt) op de uitgebouwde zolder (een ruimte, drempelhoogte ca. 40 cm) en ingebouwde isoleerglasramen in het hele huis. De woningen zijn door een afgesloten trappenhuis met elkaar verbonden. Sinds 1993 is het gebouw met een laagtemperatuur-gasverwarming met desbetreffende verwarmingen, ongeïsoleerde verwarmingsbuizen en separate verwarmingscircuits voor beide woningen voorzien. De warmtebehoeftenberekening resulteerde gelijke waarden per vierkante meter voor beide woningen. Het verbruik tot nu toe werden met warmtetellers gemeten. De woning op de begane grond is 102,6 m2, de woning op de eerste etage, inclusief uitgebouwde zolder en via de trap in de gang direct toegankelijke bovenkamer 160,7 m2 verwarmd woonoppervlakte. Beide woningen hebben dezelfde opzet en hetzelfde aantal en grootte van de ruiten (zie hieronder). Beide woningen werden door dezelfde familie gebruikt. In de projectperiode waren regelmatig drie personen aanwezig. 3.5 Proefopbouw: installatie en meetapparatuur In de onderste woning werd een complete infraroodverwarming uit de volgende componenten geïnstalleerd: Diversen infraroodverwarmingen (bedrijf Knebel, www.infrarot-flachheizung.de), plan, zie hieronder). Daarbij gaat het constant om elektrisch gestuurde donkere stralers met oppervlaktetemperaturen tussen 70°C en 110°C. Per ruimte: Afstandsthermostaat FS20 STR2 (bedrijf ELV, www.elv.com en Stopcontacten FS20 ST2 (Fa. ELV, www.elv.com). Stroomverbruik-meetapperatuur: ENERGY CONTROL 3000 USB (Fa. VOLTCRAFT, www.conrad.de), ENERGY SENSOR ES-1 (Fa. VOLTCRAFT, www.conrad.de). Er werden oppervlakte-infraroodstralers op basis van weerstandsfolies zonder opslagmassa decentraal ongeveer zoals bij aan de muur hangende schilderijen in de ruimtes aangebrachte en aan de normale stopcontacten van de huiselektro installatie aangesloten. Daarbij werd gelet op de belastbaarheid van de afzonderlijke stroomcircuits en waar nodig nieuwe leidingen geïnstalleerd. Tussen infraroodstraler en stopcontact werden afstand bedienbare schakelaars (FS20 ST2) aangebracht, die via afstandsthermostaten (FS20 STR2) gestuurd worden. De aangegeven infraroodstraling is in het langgolvige infrarood C bereik (zie boven) zonder zichtbare aandeel. De thermische opslagcapaciteit van de oppervlakte infraroodstralers is zo gering, dat bij kortstondig contact geen verbrandgevaar bestaat. Om problemen door hitteophoping te vermijden, mogen ze echter niet afgedekt of achter gordijnen opgehangen worden. De opstelling van de oppervlakte- infraroodstralers met weergave van de daarbij horende aansluitingscapaciteit zijn op afbeelding 3.5 geschetst. De opstellingen is zo gekozen, dat tegelijkertijd - Een gelijkmatig `verlichten´ van de ruimte, - Vermijding van stralingsasymmetrie, - Een compensatie van de relatief geringe stralingstemperatuur van de raamoppervlaktes 29 van 53

- En het vermijden van directe aanstraling van raamoppervlaktes (grootste warmteverlies) Gerealiseerd kon worden. Ruiten zijn transparant voor zichtbaar licht en kortgolvig infrarood. Voor langgolvig infrarood (het bereik van de warmtestraling bij de gebruikte infraroodstralers) is het bijna ondoordringbaar (net zoals bij zwarte ruiten in het zichtbare bereik). Deze golflengteafhankelijkheid van de transparantie is bijvoorbeeld doorslaggevend voor het zogenaamde heet huiseffect (hetgeen dat ruiten ook voor UV-licht bijna ondoordringbaar maakt, speelt in deze context geen rol). De infraroodstraling kan dus wel de ruimte door de ruit niet verlaten, maar wordt afhankelijk van de instraalhoek voor een groot deel door de ruiten geabsorbeerd (net zoals door de muren) en warmt deze op. De rest van de niet geabsorbeerde infraroodstraling wordt in de ruimte gereflecteerd. Het warmteverlies treedt dan in werking zoals bij de muren door transmissieverliezen en stralingsverliezen door slechte isolatie parameters van het glas (hier worden geïsoleerde ruiten gebruikt), die vanwege de slechte isoleerwaarden tegenover de buitenmuren oppervlaktematig gezien hoger is. Aangezien de absorptie met stijgende invalshoek toeneemt (loodrecht het grootst), zou een direct aanstralen van de ruiten vermeden moeten worden.

Afbeelding 3.5: Plan benedenwoning meetobject Terasse – Terras Bad + WC – bad en toiletruimte Wohnzimmer – woonkamer Flur – entree Windfang – windvanger Wohndiele – hal, vestibule Schafzimmer - slaapkamer Küche – keuken Arbeitszzimmer – werkkamer (De bijbehorende foto´s zijn in de bijlage te vinden.) 30 van 53

De afstandsthermostaten zijn zo opgedeeld, dat ze direct van de infraroodstralers aangestraald worden (´zichtcontact´) en zo als een zogenaamde globethermometer werken, waarmee de bedrijfstemperatuur gemeten wordt. Het stroomverbruik-meetapparatuur werd dubbel geïnstalleerd, om met reservemogelijkheden gegevensverlies tegen te gaan. Om te meten werden de geïnstalleerde infraroodstralers tot vier ruimtegroepen samengevat. Groep 1: badkamer Groep 2: keuken/gang Groep 3. Werkkamer/slaapkamer Groep 4: woonkamer In deze groepen zijn de meetwaarden in de onderstaande analyse vermeld Daarnaast werden regelmatig (op zijn minst wekelijks op de afleesdagen voor het gasverbruik) luchttemperatuur- en muuroppervlaktetemperatuur metingen met mobiele meetapparatuur (luchttemperatuur/vochtigheidsmeetapparatuur AZ 8703 en infrarood-thermometer Model ST-8838, bedrijf ELV) doorgevoerd, om te controleren of in de IR-verwarmde ruimtes de gemiddelde muuroppervlaktetemperaturen hoger zijn dan de luchttemperaturen. De bovenwoning werd installatietechnisch niet verandert. Kort voor begin van het project werd enkel een nieuwe circulatiepomp geïnstalleerd en de warmtecyclus hydraulisch ingesteld. De warmtecyclus van de benedenwoning werd stilgelegd. De drinkwaterverwarming werd in beide woningen door de gasverwarming overgenomen. 3.6 Praktijkproef De installaties werden geïnstalleerd zoals gepland, en in oktober 2008 zijnde metingen begonnen. Eerst werd in een praktijkproef getracht de beide woningen op gelijke luchttemperatuur te houden. Dit lukte niet door het subjectieve verschillende gevoel van behaaglijkheid bij dezelfde luchttemperatuur. Zodra de aan de thermostaten ingestelde en gemeten luchttemperatuur hetzelfde was, was of de IR-verwarmde woning subjectief te warm bij een aangename temperatuur in de gasverwarmde woning of de gasverwarmde woning te koud bij een aangename temperatuur in de IR verwarmde woning. De oorzaak ligt in het verschil van verwarmingstype. Daarnaast is de behaaglijke temperatuur van de lucht afhankelijk van de gemiddelde temperatuur van muur- en raamoppervlaktes (zie boven). Daarom werden in de praktijkproef tot midden november 2008 de thermostaat instellingen zo verandert, totdat in beide woningen het gelijk behaaglijke gevoel kwam. Aangezien beide woningen door alle leden van dezelfde familie gebruikt werden, waren er geen verschillen in gebruiksgedrag. Bij dezelfde subjectieve behaaglijkheid kon de luchttemperatuur in de ruimtes van de IR verwarmde woning ca. 1 tot 2 graden lager ingesteld worden dan in de desbetreffende gasverwarmde woning.

31 van 53

4 Resultaten en evaluatie Na de praktijkproef werd het begin van de meettijd op 16-11-2008 vastgelegd. Het reservemeetsysteem voor de infraroodverwarming werd op 26-11-2008 in gebruik genomen, om alle meetwaarden voor de zekerheid dubbel te kunnen analyseren. De vastgestelde meetgegevens voor de infraroodverwarming werden uit de gegevensloggers regelmatig met bijbehorende software in een separate database op twee separate laptops gezet en voor de zekerheid gekopieerd. Aangezien de infraroodverwarming via de normale stopcontacten-stroomcyclussen waren aangesloten, werd ter controle van de normale huishoud stroomtellers wekelijks afgelezen. Gelijktijdig werd de gasteller afgelezen en ter controle van deze waarden de warmte hoeveelhedenteller voor de warmtecyclus van de bovenwoning afgelezen. Echter was de datum van deze teller om geijkt te worden reeds verlopen en kon daarom enkel als grof aanknopingspunt tegen afleesfouten dienen. De meettijdruimte eindigde op 30-04-2009. Daarna begon de gegevensverwerking en analyse. Bij de gegevensverwerking werden de verbruikswaarden van de beide databases voor de infraroodverwarming op gelijkheid gecontroleerd en tegen de verbruikswaarden van het huishoudstroom op plausibiliteit gecontroleerd. Zoals gewoonlijk werd met de afleeswaarden van de gasteller en warmte hoeveelheidteller omgegaan. Alle bevestigde meetwaarden werden aansluitend ter verdere verwerking in een tabel calculatieprogramma overgebracht. 4.1 De meetresultaten Hieronder zijn de grafisch verwerkte meetresultaten en de verbruikssommen over de gehele meettijd weergegeven. De gedetailleerde tabelwaarden zijn in de bijlage toegevoegd. Energieverbruik van de infraroodverwarming De volgende afbeeldingen illustreren de individuele consumptie in de ruimte per groep

Energieverbruik badkamer

Afbeelding 4.1: verbruik van groep 1 (badkamer) Tagesverbrauch – dagelijks gebruik Datum – datum 32 van 53

Energieverbruik keuken/gang

Afbeelding 4.2: verbruik van groep 2 (keuken/gang) Tagesverbrauch – dagelijks gebruik Datum – datum

Energieverbruik werkkamer/slaapkamer

Afbeelding 4.3: verbruik van groep 3 (werkkamer/slaapkamer) Tagesverbrauch – dagelijks gebruik Datum – datum

33 van 53

Energieverbruik woonkamer

Afbeelding 4.4: verbruik groep 4 (woonkamer) Tagesverbrauch – dagelijks gebruik Datum – datum

In afbeelding 4.5 zijn de verbruiksgroepen in de dagsommen weergegeven.

Gezamenlijke energieverbruik

Afbeelding 4.5: gehele dag-energieverbruik van alle groepen Tagesverbrauch – dagelijks gebruik Datum – datum Gruppe - groep Het gehele verbruik van de infraroodverwarming in de complete meettijd was 7.305,92 kWh.

34 van 53

Energieverbruik van de gasverwarming Het verbruik van de gasverwarming werd via de gastellers wekelijks toegevoegd. De verbruikte gashoeveelheid werd met de van de plaatselijke voorziener aangegeven factoren in energie omgerekend. Dit is op afbeelding 4.6 weergegeven.

Gezamenlijke energieverbruik gas

Afbeelding 4.6: week-energieverbruik van de gasverwarming Wochenverbrauch – wekelijks gebruik Kalenderwochen – kalender weken (weeknummers) In vergelijking daartoe is het energieverbruik van de infraroodverwarming op wekelijkse basis op afbeelding 4.7 weergegeven.

Gezamenlijke energieverbruik infrarood

Afbeelding 4.7. Week-energieverbruik van de IR verwarming Wochenverbrauch – wekelijks gebruik Kalenderwochen – kalender weken (weeknummers) Gruppe – Groep Het gehele verbruik van de gasverwarming in de complete meettijd was 34.742,33 kWh. De separate meting van de energiehoeveelheid voor de drinkwaterverwarming zou behoorlijke inspanning bij de installaties hebben veroorzaakt en werd daarom weggelaten. Omdat er overwegend warmwater voor het douchen nodig was, werd een pakketwaarde van 400 kWh per persoon voor de meettijd van 5,5 maanden 35 van 53

gebruikt (normale standaardwaarden inclusief badwater liggen tussen 800 kWh en 1000 kWh per persoon en jaar). Voor de regelmatig aanwezige bewoners is dit dan een verbruik van 1200 kWh. Het gecorrigeerde totaalverbruik van de gasverwarming in de meettijd was daarom 33.542,33 kWh. Om een vergelijking met de hedendaagse stand van HR-techniek mogelijk te maken, wordt het gecorrigeerd totaalverbruik nogmaals 10% omlaag gerekend. Dat komt overeen met een verbruikswaarde, zoals dit met een gas-HR-verwarming in het meetobject bereikbaar zou zijn. Het berekende totaalverbruik van de gasverwarming in HR-techniek in de meettijd was dan 30.188,1 kWh.

4.2 Vergelijking van de totale waarden van het energieverbruik tijdens de onderzoekstijd Om een vergelijkingsbasis voor het energieverbruik te hebben, worden deze over de woonoppervlaktes gerekend. Daarmee ontstaat: Het woonoppervlakte totaalverbruik van de infraroodverwarming in de meet tijd was 7.305,92 kWh/102,6m2= 71,21 kWh/m2. Het woonoppervlakte gecorrigeerde totaalverbruik van de gasverwarming in de meet tijd was dan 33.542,33 kWh/160,7m2= 208,73 kWh/m2. Het woonoppervlakte betrokken berekende totaalverbruik van de gasverwarming in HR-techniek in de meetperiode was 30188,1 kWh/160,7 m2 = 187,85 kWh/m2. De woonoppervlakte betrokken totaalwaarden zijn op afbeelding 4.8 weergegeven.

Afbeelding 4.8: woonoppervlakte betrokken energieverbruik in vergelijking Wohnflächenbezogener Energieverbrauch – Woonoppervlakte betrokken energieverbruik Energieverbrauch in – energieverbruik in NTG – lage temperatuur gas verwarming BWG – HR-techniek 36 van 53

In vergelijking met een laagtemperatuur-gasverwarming (NTG) bedraagt het eindenergieverbruik van de infraroodverwarming (IR) maar 34,1%, ten opzichte van de gasverwarming in HR-techniek (BWG) maar 37,9%. Dat betekend, het eindenergieverbruik van de gasverwarming bedraagt meer dan 2,5 keer meer dan die van de infraroodverwarming. 5 Interpretatie van de resultaten 5.1 Interpretatie met betrekking tot het energieverbruik Ondanks de van te voren als tendentieus vermoedde informatie over verschillende fabrikanten en hun interne onderzoeken uit welke de onderzoekshypothese ontwikkeld werd, valt het verschil in eindenergie verrassend duidelijk uit. Aangezien systematische fouten door de keuze van het object en de meetverdeling zo goed als uitgesloten werd en de bewoners betrouwbaar betrokken meegewerkt hebben (geen verandering in het verbruikgedrag tijdens de meetperiode), kunnen de meetresultaten als typisch voor oude huizen aangenomen worden. De verschillen waren de volgende: A. Overdrachtsverliezen tussen gasbrander en verwarmingen; capaciteitverliezen in de Electro installatie zijn veronachtzaam gering. B. Instellingsverliezen (vanwege traagheid) door het instellen van de gasverwarming en de opslagmassa van de verwarmingen. Als de verwarmingen van de gasverwarming gedeeltelijk meer dan 10 minuten vanaf het openen van de ventielen voor het opwarmen nodig hebben en na het open draaien nog minstens 30 minuten voor het opwarmen van de ruimte, lag de opwarmtijd (op minstens 60°C) bij de infraroodstralers bij minder dan 4 minuten en de afkoeltijd (van 60°C naar minder dan 30°C) bij minder dan 7 minuten. Doorslaggevend was daarbij, dat de tijd, in die de infraroodstralers als warmteconvectie verwarming werkten, zo kort mogelijk was. Daarnaast is het gehele instellingsconcept van de infraroodverwarming met eigen ruimte instelling zonder buitentemperatuur voelers veel flexibeler dan bij de gasverwarming. Duidelijk laat zich het voordeel zien van de instellingssnelheid bij het minste verbruik van de zuidelijkste georiënteerde woonkamer bij koude of koele, maar vooral bij zonnige dagen eind januari en in de overgangstijd begin april. Het vermijden van instellingsverliezen is ook één van de belangrijkste voordelen ten opzichte van alle grote oppervlakteverwarmingen, bij die de traagheid nog groter is dan bij de radiatoren. Het hier gespaarde aan eindenergie is met zulke verwarmingen ondanks lage verlooptemperaturen zeer waarschijnlijk niet haalbaar. C. Verschillende beluchting verliezen door verschillende luchttemperaturen in de ruimte. In beide woningen werd op gelijke wijze gedisciplineerd gelucht. D. Transmissiewarmteverliezen (droge/natte muur): de transmissiewarmteverliezen zijn in de praktijk door natte muren enorm. De lage temperaturen van de binnenkanten van de buitenmuren bij vriestemperaturen in het buitenbereik zijn bij ongeïsoleerde muren hoofdzakelijk door de verminderde isolatiewaarden wegens doorvochten veroorzaakt. De steekproefmetingen resulteerden in de gasverwarmde woning oppervlaktetemperaturen van de binnenkant van de buitenmuren tot zo’n ca. 14°C lager. De infrarood verwarmde muuroppervlaktes werden op minstens ca. 19°C gehouden en waren gemiddeld altijd hoger dan de luchttemperatuur. Door de hoge oppervlaktetemperaturen werd daarnaast opname van waterdampdoor de muren zo veel mogelijk tegen gegaan. Voor een duidelijk verschil door het drogen en droog houden van de muren spreken ook doorgevoerde metingen in huizen uit andere projecten, waar waterdamptegenhoudende verf op de binnenkanten van buitenmuren geverfd werd. De muuroppervlaktetemperaturen blijven daarbij net (ca.1 K) onder de luchttemperatuur. (www.hygrosan.de) Vochtig muurwerk heeft ten opzichte van droog muurwerk drastisch verminderde isolatiewaarden. 4 % vocht verminderd de isolatie met ca. 50%. Door de uitdroging van de buitenmuren door de infraroodverwarming (gebouwopdroging is een klassieke behandeling van infraroodstralers) zou de isolatiewaarden waarschijnlijk zo sterk verhogen, dat de verhoging de transmissieverliezen door het grotere temperatuurverschil tussen binnen- en buitenoppervlakte van de buitenmuren meer dan compenseren. 37 van 53

(Ernst Vill: "Mauerfeuchtigkeit - Ursachen, Zusammenhänge, Lösungen", Verlag - Ernst Vill, Sauerlach 2002) 5.2 Interpretatie met betrekking tot de kosten Stroomkosten Als vergelijkingsbasis werden de in heel Duitsland beschikbare strandaard tarieven van de vier `klassieke` landelijke stroomaanbieders EnBW, EON, RWE, Vattenfall en de vier landelijk beschikbare ecostroomaanbieders EWS, Greenpeace Energy, Naturstrom, Lichtblick met 100% gecertificeerde regeneratieve stroom gebruikt. Regionaal kunnen de getallen afhankelijk van de beschikbare aanbieders naar boven of onder afwijken. Het laagste standaardtarief (werkprijs voor 4.000 kWh, zomer 2009) lag bij 19,5 cent/kWh, de hoogste bij 23,8 cent/kWh. Aangezien het basistarief bij alle acht aanbieders ongeveer gelijk en te verwaarlozen zijn v, werden deze in de kostenvergelijking niet meeberekend. Gaskosten Aangezien de vier grote stroomaanbieders EnBW, EON, RWE en Vattenfall ook als gasaanbieders op de markt zijn, werden als vergelijkingsbasis ook deze landelijk beschikbare standaardtarieven gekozen. Regionaal kunnen ook deze getallen afwijken. Het laagste standaardtarief (werkprijs voor 20.000 kWh met stand zomer 2009) lag bij 5,0 cent/kWh, de hoogste bij 5,9 cent/kWh. Aangezien het basistarief bij alle vier aanbieders zoals hiervoor ongeveer gelijk en te verwaarlozen zijn, werden deze in de kostenvergelijking niet meeberekend. Ontwikkeling van stroom- en gasprijzen De stroomprijzen zijn in de laatste 10 jaar sinds de liberalisering van de markten gemiddeld ca 2,25% per jaar, de gasprijzen ca. 7,1% per jaar gestegen. De koppeling van gas- aan olieprijzen zal in toekomstige tijd zo blijven en maar beide fossiele brandstoffen zullen snel minder worden. De stijgingen bij de stroomprijzen werden tot 40% door heffingen van de staat veroorzaakt en er verschijnen eerste kostverminderende effecten door regeneratieve stroomverwekking tot stand. Daardoor is een voortzetting van deze verschillende ontwikkelingen zeer waarschijnlijk. Dat betekend dat de gasprijs ook in de toekomst beduidend sneller zal stijgen dan de stroomprijs. Onder deze bewering is de ontwikkeling op grond van de bovengenoemde stijgingstermijnen op afbeelding 5.1 weergegeven. De blauwe lijnen laten de ontwikkeling van de gasprijzen zien, de groene die van de stroomprijzen. Beide over het aantal jaren vanaf 2009. Aangezien het gasverbruik van de gasverwarming in kilowatturen minstens 2,5 keer het stroomverbruik van een infraroodverwarming is, moet de gasprijs met deze verbruik correctiefactor voorspelt worden. Dit is met de rode lijn weergegeven. Kostenvergelijkingsschatting tussen infrarood- en gasverwarming Afbeelding 5.1 laat zien, dat de onder aan de gasprijslijn en boven aan de stroomprijslijn over ca. 14 jaar zich snijden, dit betekend dat op zijn laatst dan het verbruik van infraroodstralers goedkoper is dan die van de gasverwarming. Aangezien de investeringskosten van de infraroodverwarming na eerste grove inschattingen maar ca. de helft zijn van die van een gasverwarming, komt het sparen van kosten nog eerder, eventueel zelfs direct. Het gehele overlappingsbereik, waar de gasverbruikskosten hoger kunnen worden dan de stroomverbruikkosten, is gestreept aangegeven op de foto. Regionaal bieden enige aanbieders speciale tarieven aan voor zogenaamde stroom voor directe verwarming. Daarmee zijn de verbruikskosten van de infraroodverwarming over het algemeen direct goedkoper dan die van de gasverwarming. 38 van 53

Als de werkelijke ontwikkeling van het op afbeelding 5.1 aangegeven vermoedde spectrum zou afwijken, kan desondanks met grote waarschijnlijkheid van een vergelijkbare ontwikkeling uit worden gegaan. (www.verivox.de)

Afbeelding 5.1: vermoedelijke prijsverloop van gas ten opzichte van stroom. Cent – cent Spektrum der vermuteten entwicklung der strom-preise - Spectrum van de vermoedelijke ontwikkeling van de elektriciteitsprijzen Gewichtete gaspreiskurven – Gewogen gasprijs curves Streuung der vermuteten gaspreisentwicklung - verdeling van de vermoedelijke ontwikkeling van de gasprijzen Jahre ab – Jaren van

39 van 53

5.3 interpretatie met betrekking tot duurzaamheid/ecologie CO2-Emissie De gemiddelde waarden van de CO2-emissie bedraagt 541 g/kWh in de stroomverwekking in Duitsland in 2007 (bron: BDEW). Nieuwe gegevens zijn nog niet toegankelijk, daarom wordt deze waarde gebruikt. Aangezien het aandeel van regeneratieve energieën in de stroommix voortdurend toeneemt, is de actuele emissiewaarde eerder lager. Bij de vergelijking van de CO2-emissies werd bewust de stroommix van het gehele jaar gebruikt, terwijl het aandeel aan stroom uit koolcentrales en daarmee het CO2-aandeel in de winter groter is dan in de zomer. Hetzelfde geldt echter ook voor het stroomaandeel uit windkrachtenergiecentrales, waarvan de capaciteit behoorlijk uitgebouwd wordt. In eerste instantie moet er bij benadering een beginpunt worden bereikt. Om tegenover de momenteel verschillende CO2-emissies fair te blijven, zou men consequent naast de tijdelijke ook de ruimtelijke (afhankelijk van de plaats) waarden schommelingen mee moeten nemen. Zo´n gedetailleerde weergave zou van de trend afleiden, zo snel mogelijk op regeneratieve energie over te stappen. Een aanbeveling van fossiele brandstoffen wegens kort tijdige lagere CO2- emissie zou contraproductief zijn voor deze trend, aangezien het gebruik voor minstens 20 jaar vaststaat. Als vergelijkingsgrootte voor de gasverwarming wordt de standaardwaarde voor gas-HR-techniek van 249 g/kWh (IWU 2006) gebruikt, terwijl in het meetobject een emissiesterkere lage temperatuur-gasverwarming geïnstalleerd is. Daarom is er ook een berekende gecorrigeerde verbruikswaarde voor een HR-techniek (BWG) in het meetobject voor de vergelijking opgenomen. Zet men de emissies met het woonoppervlakte betrokken energieverbruik samen, dan komt het volgende daarbij tot stand: Woonoppervlakte betrokken CO2-emissie van de infraroodverwarming (IR): 541 g/kWh * 71,21 kWh/m2 = 38,52 kg/m2. Woonoppervlakte betrokken CO2-emissie bij de HR-gasverwarming (BWG): 249 g/kWh * 187,85 kWh/m2 = 46,77 kg/m2. De waarden zijn op afbeelding 5.2 weergegeven.

Abeelding 5.2: vergelijking van de CO2-emissies Het verschil tussen beide waarden is zeer groot, zodat de algemene uitspraak mogelijk is, dat de infraroodverwarming met betrekking tot CO2-emissies beter uit de bus komt dan de gasverwarming. Dit geldt nog meer bij het gebruik van 100% regeneratieve stroom. 40 van 53

Discussie over de energie kwaliteit In de discussie om het verbruik van elektrische energie voor verwarmingsdoeleinden wordt vaak het begrip exergie gebruikt, die de mate van energieaandeel van de gebruikte energievorm is, die maximaal gebruikt kan worden. Hoe hoger de exergie, hoe hoger de fysieke kwaliteit van de energievorm. Elektrische energie heeft daarna een veel hogere kwaliteit dan warmte-energie. (Exergie betekend - Het deel van de energie dat kan worden omgezet in technische arbeid(natuurkunde) door een hoeveelheid stof naar omgevingscondities (omgevingsdruk en -temperatuur) te brengen) Vanwege deze kwaliteitsdefinitie is men vaak van mening, dat elektrische energie „zonde“ om te verwarmen is. Deze beoordeling gaat absoluut aan het thema duurzaamheid voorbij. Zoals de inleidende informatie met betrekking tot het thema energievormen en duurzaamheid uitgebreid is weergegeven, is in de eerste plaats belangrijk of een energie regeneratieve bronnen heeft of niet. Dit maakt de ecologische kwaliteit van een energievorm uit. Vooral de energiebronnen met het meest generatieve, zoals de zon en de wind zijn bijzonder goed om in te zetten om elektrische energie te winnen. De eindenergie in de vorm van elektrische stroom uit regeneratieve bronnen moet daarom hoogste prioriteit hebben. Een met 100% regeneratief verwekte elektrische stroom infraroodverwarming is helemaal één van de duurzaamste verwarmingen. Aangezien de kosten voor 100% regeneratief huishoudsstroom intussen met conventionele aanbiedingen gelijkgetrokken zijn, is hier ook geen ecologische achtergrond meer, een voorkeur voor de klassieke stroommix te hebben (zie boven). 5.4 Interpretatie met betrekking tot medische en wellness-aspecten Desondanks dat er geen expliciete medische of gezondheids onderzoeken plaatsgevonden hebben, waren er ongevraagd vaak subjectieve beoordelingen door bewoners en bezoekers in deze richting. Typische opmerkingen waren. - Geen stofgeur/verwarmingsgeur; deze eigenschap werd vooral door personen met astma, die een groot aandeel van de bezoekers uitmaakte, positief opgemerkt. - Warme voeten (in tegenstelling tot de conventionele verwarming); - Frisse (koele) lucht; - plezierige warmte. In het meetobject waren er geen acute problemen met schimmelvorming. Desondanks kan er over het algemeen vanuit worden gegaan, dat de uitdroging van de muren de schimmelvorming en alle daarmee verbonden gezondheidsrisico´s tegenwerkt. 5.5 Kritische opmerkingen over teksten op internetsites en reclamebeweringen in brochures van fabrikanten In de projectperiode waren er veel gesprekken met bezoekers van het meetobject. Daarnaast waren er veel aanvragen voor het project, zowel van vakmensen alsook van geïnteresseerde leken, die het op de projectwebsite gezien hadden. In deze gesprekken en aanvragen waren er veel vragen over internetwebsites en reclamebladen van verwarming fabrikanten. Op de meest voorkomende fouten in de reclamebeweringen wordt hier ingegaan: - Perpetuum mobiel en de onwerkelijk efficiëntie coëfficiënten van straling Door het foutieve gebruik van de stralings fysicalische gelijkheden wordt veelvuldig beweerd dat van infraroodstralingen meer stralingscapaciteit afgegeven wordt dan wordt aangeleverd in de vorm van elektrische energie. De infraroodstraler zou dan een Perpetuum Mobiel zijn, en dit zou schending van de wet zijn voor energiebesparing in de fysica. Zulke beweringen zijn onzinnig tot onserieus. Net zo onserieus zijn extreme waarden van stralings-werkingsgraden. Waarde van meer dan 90% zijn door donkere stralers technisch gezien niet mogelijk. Waarden van 98% tot 100% hebben te maken met de werkingsgraad van de omzetting van elektrische energie in warmte-energie over het algeheel, dus IR-stralings41 van 53

en warmteconvectie aandeel samen en niet met de IR-straling alleen. Toch wordt de indruk gewekt dat het hier gaat om de straling efficiëntie . -

Infraroodverwarmingen die er geen zijn.

Van een paar aanbieders worden klassieke elektrische verwarmingen zoals vloer-, plafond- of muurverwarmingen met ingebouwde verwarmingsfolies net als elektrische radiatoren als infraroodverwarmingen op de markt gebracht. Hierbij gaat het echter om warmteconvectie-verwarmingen met ten opzichte van normale warmteconvectie-verwarmingen een iets verhoogd stralingsaandeel. Het eerder in dit onderzoek geanalyseerde bezuinigen zoals bij echte infraroodstralers is met zeer grote waarschijnlijkheid niet mogelijk. Hetzelfde geldt voor elektrisch vrij opstelbare oppervlakteverwarmingen, waarvan de oppervlaktetemperatuur onder de 60°C (normaal gesproken 30°C tot 50°C) liggen of bij die door de soort opbouw hoge warmteconvectie ontstaat (schoorsteeneffect). Ook bij deze overheerst het warmteconvectie-aandeel. Ook deze verwarmingen worden als infraroodverwarmingen aangeprezen, terwijl ze dit op grond van de eerder genoemde definitie niet zijn. 6 Conclusies en vooruitzichten Uit het onderliggend onderzoek kon geconcludeerd worden, dat de infraroodverwarming een zinvol alternatief ten opzichte van ´normale´ verwarmingsystemen is. Tot nu toe wordt de infraroodverwarming in normen (bijvoorbeeld straling efficiëntie bij elektrische oppervlakteverwarmingen) en verordeningen (bijvoorbeeld EnEV) niet of niet voldoende onderzocht. In de EnEV wordt het met `normale` elektrische –individuele verwarmingen gelijkgesteld, terwijl men hier door het principe van de stralingverwarming ten opzichte van de normaal gesproken meest gebruikte elektrische verwarmingen op de basis van warmteconvectie naar verwachting bezuinigen kan. Bij de bovengenoemde bedrijfsinterne vergelijkingen kan tussen elektrische vloerverwarmingen of nacht accumulatie verwarmingen en infraroodverwarmingen ca. 50% bespaard worden. Deze beweringen worden door het onderliggend onderzoek indirect bevestigd, aangezien de bedrijfinterne vergelijkingen tussen gas- en infraroodverwarmingen over het algemeen direct bevestigd wordt. Vooral het vervangen van nacht accumulatie verwarmingen en elektrische vloerverwarmingen zou vanwege de eenvoudige omzetting (weinig of geen extra elektro-installatie, enkel infraroodstraler montage) en vooral geringe investeringskosten (over het algemeen de helft of minder van een gas-verwarming) een makkelijk uitvoerbare klus voor de stijging van de . Nog meer kwaliteit criteria, die voor de infraroodverwarmingen spreken zijn: Geringe investeringskosten Geen extra kosten (bijvoorbeeld schoorsteenveger) Geen periodieke controles 100% regeneratief mogelijk Ook al zijn er geen vergelijkbare onderzoeken met betrekking tot fabricaten, toch zijn er algemene eigenschappen voor infraroodstralers (donkere stralers) in woonruimtes die zich door dit project op kunnen laten stellen: Oppervlaktetemperaturen tussen 60°C en 120°C, Geen opslagmassa´s en Eenvoudige, vlakke opbouw, om het warmteconvectie-aandeel te minimaliseren. In nakomende onderzoeken zouden de resultaten van het onderliggend onderzoek een bredere opzet moeten hebben. Vooral zou daarmee keuze- en dimensionerings criteria voor infraroodsystemen zowel bij de sarnering in het bestand, alsook in nieuwe huizen onderzocht moeten worden. Erg interessant is hierbij het vervangen van nacht accumulatie verwarmingen. 42 van 53

Daarnaast zijn zinvolle alternatieven voor een mogelijk duurzame en efficiënte drinkwaterverwarming ten opzichte van eerder beleid te ontwikkelen. 7 Literatuurlijst Navolgend worden enkel onderbouwende leerboeken als achtergrondinformatie opgesteld. Vanwege het betere overzicht worden de in het verslag direct aangegeven literatuurboeken hier nogmaals genoemd. Kübler, Thomas: Infrarot-Heizungstechnik für Großräume, Vulkan Verlag 2001 Herwig, Heinz: Wärmeübertragung A - Z: Systematische und ausführliche Erläuterungen wichtigerGrößen und Konzepte, Springer, Berlin; 1. Auflage, 2000 Polifke, Wolfgang; Kopitz, Jan: Wärmeübertragung. Grundlagen, analytische und numerische Methoden, mit SoftwarePaket Scilab auf CD-ROM; Pearson Studium 2005 Herr, Horst: Wärmelehre. Technische Physik 3; Europa-Lehrmittel; 4. A., 2006 Konstantin, Panos: Praxisbuch Energiewirtschaft: Energieumwandlung, -transport und –beschaffung im liberalisierten Markt; Springer, Berlin; 2. Aufl. 2009 Petermann, Jürgen (Herausgeber): Sichere Energie im 21. Jahrhundert; Hoffmann und Campe, 2008

43 van 53

Toebehoren Toebehoren A: Tabellen Tabel 1: Dagelijks gemeten waarden van het elektriciteitsverbruik voor infrarood verwarming van de gemeten groepen.

44 van 53

45 van 53

46 van 53

47 van 53

Tabel 2: Wekelijks gemeten waarden van het elektriciteitsverbruik voor infrarood verwarming van de gemeten groepen. Kalender-wochen – kalenderweken (weeknummers) Wochenwerte –wekelijkse waarde Gruppe - groep

48 van 53

Tabel 3: Wekelijkse metingen op verbruik gas verwarming Datum – datum Zählerstände gas – meterstanden gas Kalenderwochen –kalenderweken (weeknummers) Wochengebrauch – wekelijks gebruik Kubikmeter gas – kubieke meter gas

49 van 53

Toebehoren B: foto’s

Foto B1: Slaapkamer

Foto B2: Woonkamer

50 van 53

Foto B3: Badkamer

51 van 53

Foto B4: Keuken

Foto B5: Hal, Vestibule

52 van 53

Foto B6: Werkkamer

53 van 53