TU Dresden vergleicht Flächenspeicherheizung und Infrarotheizung

(28.10.2024) Die Technische Universität Dresden hat in einer aktuellen wissenschaftlichen Studie die elektrische Flächenspeicherheizung (Teilspeicherheizung) mit der elektrischen Infrarotheizung verglichen. Im Rahmen der Studie, die im Auftrag der Lucht LHZ Elektroheizung GmbH & Co. KG durchgeführt wurde, standen Effizienz, Energieverbrauch und Temperaturverteilung im Raum im Vordergrund.

Die Ergebnisse des messtechnischen Vergleichs zeigen deutliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit und den Einsatzmöglichkeiten der beiden Heizsysteme. Während die Analysen der mittleren Aufenthaltszone eine annähernde Gleichwertigkeit der Heizsysteme zeigen, kann die IRH die Nahzone effizienter beheizen. Die TSP benötigt dagegen deutlich weniger Leistung, um die Raumtemperatur im Fernbereich zu erhöhen.

Die Ergebnisse des messtechnischen Vergleichs zeigen deutliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit und den Einsatzmöglichkeiten der beiden Heizsysteme. (Grafik: TU Dresden/Lucht LHZ) 

Flächenspeicherheizung: Effiziente und gleichmäßige Wärmeverteilung

Die Flächenspeicherheizung der Lucht LHZ zeichnet sich durch eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung im gesamten Raum aus. Mit einem Stromverbrauch von durchschnittlich 375 Watt pro Stunde (Wh) konnte eine Raumtemperatur von 21°C gehalten werden. Dank der Keramik-Speichersteine und dem besonderen Rippenkleid benötigte sie nur 16 Minuten pro Stunde Strom und sparte somit etwa 34% Energie im Vergleich zur Infrarotheizung.

Infrarotheizung: Gezielte Wärme für ausgewählte Bereiche

Im Vergleich dazu zeigt die Infrarotheizung konstruktionsbedingt eine andere Wärmeverteilung, da sie überwiegend Strahlungswärme abgibt. Sie ist besonders effizient in Räumen mit abgegrenzten Zonen, in denen einzelne Bereiche gezielt erwärmt werden. Bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 568 Watt pro Stunde verbrauchte sie 26 Minuten pro Stunde Strom.

Aufgabenstellung der Studie

Im Rahmen des Projektes sollten umfangreiche messtechnische Untersuchungen für die Raumheizung mit einer elektrischen Teilspeicherheizung und einer elektrischen Infrarotheizung vergleichend im Combined Energy Lab der TU Dresden durchgeführt werden.

Dazu wurden folgende Aufgaben durchgeführt:

• Definition eines geeigneten Versuchsaufbaus im Combined Energy Lab der TU Dresden sowie Festlegung der erforderlichen Messstellen
• Installation und Inbetriebnahme des Versuchsaufbaus
• Durchführung von Messreihen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen
• Auswertung der Messdaten
• Vergleichende Betrachtung der beiden Heizungssysteme

Allgemeines zum Versuchsaufbau

Für die Durchführung der Versuche wird der Innenklimaraum der TU Dresden (Combined Energy Lab 2.0) genutzt. Dieser ermöglicht eine vollständige Regulierung der Temperatur aller Umfassungsflächen. Der Bereich der möglichen Oberflächentemperaturen liegt bei 5°C ≤ ϑW ≤ 50°C, während auf der Luftseite Temperaturen von 10°C ≤ ϑL ≤ 35°C  gewährleistet werden können.

Außenansicht des Versuchsraumes 1. Die Innenmaße betragen B x L x H = (4 x 5 x 2,5) m³. (Bild: TU Dresden)  

Messkonzept, Versuchsaufbau und Sensorik

Der messtechnische Aufbau wurde in Abstimmung mit dem Auftraggeber erarbeitet und implementiert. Infolge der differierenden Funktionsweise der Raumbeheizung erfolgt eine vergleichende Analyse einer elektrischen Teilspeicherheizung sowie einer Infrarotheizung, jeweils mit einer elektrischen Leistung von Pel = 1.500 W. In einem ersten Schritt wurde das Heizgerät jeweils mittig vor der 4 m langen Seitenwand installiert. 

Die Teilspeicherheizung (Bezeichnung: TSP) wurde dabei auf die dazugehörigen Standfüße gestellt, während die Infrarotheizung (Bezeichnung: IRH) mit Hilfe von Magneten an der Seitenwand befestigt wurde, wobei die lange Seitenkante vertikal ausgerichtet war. 

Im Anschluss wurde die Infrarotheizung an der langen Seite nahe der Außenwand (Bezeichnung: IRH_SW) montiert. Diese Untersuchung zielt darauf ab, die Auswirkungen einer suboptimalen Installationsvariante auf die Raumbeheizung zu erfassen.

Im Rahmen der nachfolgenden Analysen erfolgt die Installation der folgenden Sensoren und Messgeräte im Innenklimaraum:

• Temperaturmesslanze: Zur Bestimmung der Lufttemperatur über der Höhe in der Raummitte installiert, der Abstand der Sensoren beträgt jeweils 10 cm.
• Globethermometer: Bestimmt die operative Raumtemperatur in drei Entfernungen vom Heizgerät bestimmt. 
• Thermografiekamera: Misst die mittlere Oberflächentemperatur der Vorderseite des jeweiligen Heizgerätes. 
• One-Wire-Temperatursensoren: Installiert in den temperierbaren Wänden dienen sie der Regelung und Steuerung verschiedener Lastzustände. 
• SICAM-Messumformer: Dient der Messung der elektrischen Größen Spannung, Stromstärke und Leistung.

Alle Messwerte werden mit einem Datenlogger und der dazugehörigen Software der Firma Ahlborn aufgezeichnet und gespeichert.

Versuchsablauf

Die Analysen erfolgen unter stationären Bedingungen. Durch Variation der Temperatur der Raumumfassungsflächen und der Sollwertvorgabe wurden mehrere Messpunkte definiert. Alle „Innenwände” sowie Decke und Boden hatten bei allen Versuchen eine Temperatur von 21 °C. Die Temperatur der „Außenwand” wurde zwischen 17°C und 19°C variiert. Der Sollwert am Raumthermostat betrug während der Versuche 21°C / 22°C / 23°C.

Auswertemethodik und Vergleichskriterien 

An den beschriebenen Messstellen wird jeweils der stationäre Zustand abgewartet und mindestens eine Stunde gehalten. Anschließend werden die Messdaten gemittelt und für die Auswertung verwendet. Das erste Vergleichskriterium ist die Temperaturverteilung im Raum. Dabei werden die Messpunkte der Globethermometer nah, mittig und fern verglichen. Weiterhin wird untersucht, welche elektrische Leistung für die jeweils mit dem Globethermometer gemessenen operativen Raumtemperaturen benötigt wird. Als Referenzpunkt dient hier jeweils eine Nullmessung bei ausgeschalteten Heizungen als Vergleichsgröße für alle drei untersuchten Heizungen TSP, IRH und IRH_SW. Durch die Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leistung und der erreichten Raumtemperatur für jede Heizung und jedes Globethermometer kann abschließend eine Aussage über die jeweilige Effizienz getroffen werden.

Ergebnisse und Energetische Analyse

Die vollständigen Ergebnisse der Untersuchung finden sich in der Studie „Messtechnischer Vergleich der Raumbeheizung mit einer elektrischen Teilspeicherheizung und einer Infrarotheizung” des Instituts für Energietechnik der Technischen Universität Dresden.

Auf Basis aller untersuchten Messpunkte kann für jede untersuchte Heizung ein funktionaler Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung und der damit erzielten, gemessenen Erhöhung der operativen Raumtemperatur in Form von Ausgleichsgeraden ermittelt werden. Mit ihrer Hilfe kann die, für eine beliebige Raumtemperaturerhöhung im Innenklimabereich des Combined Energy Labs erforderliche, elektrische Leistung für die Randbedingungen näherungsweise rechnerisch ermittelt werden. Während die Analysen für den mittleren Aufenthaltsbereich nahezu eine Gleichwertigkeit der Heizsysteme zeigen, kann das IRH den Nahbereich effizienter beheizen. Dagegen benötigt die TSP deutlich weniger Leistung, um die Raumtemperatur im Fernbereich zu erhöhen.

Die ungünstig positionierte IRH an der senkrecht zur Außenwand stehenden Innenwand schneidet dagegen in allen drei untersuchten Bereichen aufgrund des größeren Abstandes und der geringeren Sichtbarkeit der Globe-Thermometer am schlechtesten ab. Die Tendenzen sind aufgrund der realitätsnahen Raumkonstellation auf die Praxis übertragbar.