Verwarmingssystemen anno 2000 zijn bijna allemaal gebaseerd op het verwarmen van lucht. In de verblijfsruimtes heerst zodoende een contante, vastgestelde temperatuur van zeg 22 graden wat niet iedereen prettig vindt. Een andere mogelijkheid is om een lagere luchttemperatuur te regelen (17 graden) en dan lokaal te zorgen voor warmte-overdracht middels straling. Er wordt dan bespaard op luchtverwarming en middels lokale straling kan ieder het voor zichzelf prettig maken.

Straling en energieuitwisseling

We starten met de zon. Deze straalt grote hoeveelheden energie de ruimte in, door het uitzenden van elektromagnetische straling. Een klein gedeelte van deze straling komt op de aarde terecht. Allerlei zaken als gebouwen, de bodem, de mensen, bomen etc, vangen deze straling op en zetten deze op in warmte waardoor zijzelf in temperatuur stijgen. Deze objecten nemen dus de straling van de zon op, en zijn daarmee ook meteen in staat om zelf ook goed warmtestraling uit te stralen. Hoe hoger de temperatuur van een object, des te meer deze middels straling zal uitzenden naar zijn omgeving. Materialen als gepolijst aluminium of metalen als chroom hebben geen goed oppervlak om straling op te vangen; zij reflecteren het. Ook wanneer ze zelf een hoge temperatuur hebben, dan kunnen ze zelf nauwelijks warmte middels straling uitzenden. Dit heeft te maken met het oppervlak van deze metalen zelf, en men zegt dan dat deze materalen een lage emissiviteit hebben. Dus de meeste materialen (huid, boomschors, gras, water, steen ect) hebben een hoge emissiviteit, wat ze dus goede stralingsabsorbeerders maakt, en tegelijkertijd ook goede stralers zelf. Hoe hoger de temperatuur van het object zelf, des te meer deze naar de omgeving straalt.
De omgeving zelf bestaat vaak ook uit objecten met een bepaalde temperatuur. Deze stralen dan zelf ook energie middels straling uit. Tussen twee objecten met verschillende temperatuur (en verondersteld gelijke emissiviteit) zal het object met de hoogste temperatuur meer straling uitstralen dan het object met lagere temperatuur. Hiermee verliest het object met hogere temperatuur dus warmte (middels straling).
Zie ook onderstaande plaatje, en kijk dan naar de pijlen waar “radiation” bijstaat.

De zon is veel warmer dan de mens, en dus zal er een netto energiestroom zijn, door straling, van de zon naar de mens.
De mens is weer warmer dan het gras en wellicht ook de muur en de wolken. En dus verliest de mens netto energie als gevolg van straling naar deze objecten.

Hierbij nog een plaatje van een gedeelte van een bewolkte hemel, genomen op 9 oktober om 5 uur ’s morgens.

Het was buiten ongeveer 6 graden C. De foto laat zien dat de wolken een temperatuur van -15 graden C laten zien en de achtergrond -40. Die -40 moet eigenlijk nog veel lager zijn; het meetapparaat kon niet lager. Dus bij een bewolkte hemel hebben we al snel te maken met een hemelvlak rondom ons dat koud is en waarnaar wij veel energie stralen. Mocht de hemel wolkenloos zijn, dan is ons verlies al meteen een stuk groter.

Verschillende soorten straling

De straling van de zon, met zijn oppervlaktetemperatuur van 6000 graden, wordt kortegolfstraling genoemd, en die van de objecten op aarde zelf (bijna allen met een tamperatuur van minder dan 100 graden Celcius) wordt langegolfstraling genoemd. De kortegolfstraling van de zon kan door ruiten heengaan, echter langegolfstraling weer niet. Tevens wordt de kortegolfstraling door objecten met een verschillende kleur verschillend geabsorbeerd (zwart veel meer dan wit), met langegolfstraling is dit onderscheid er weer niet.
Het is nog steeds zo dat objecten met een lage emissiviteit, dus bijvoorbeeld gepolijst aluminium en chroom, de straling weerkaatsen ipv opnemen.
Kortegolfstraling van de zon is, in grote hoeveelheden, schadelijk voor de mens. Langegolfstraling echter in het geheel niet.

Belang van straling

In een normale situatie, binnenshuis met een gewone luchttemperatuur, en met een lage inspanning, is de mate van energieverlies van een mens voor 45 % afkomstig door (netto) warmteuitstraling, voor 30 % door convectie (luchtstroom die langs het lichaam) en 25 % (de rest) door evaporatie (verdamping). Dus het aandeel straling is aanzienlijk.
Door de conventionele manier van verwarmen, met centrale verwarming, wordt lucht verwarmd. Hiermee wordt een groot energieverlies van de mens als gevolg van convectie naar de lucht, voorkomen. Men kan echter ook anders de mens zich behaaglijk laten voelen, en dat is het verlies als gevolg van straling te laten verminderen.

Operationele temperatuur (comforttemperatuur)

Een mens heeft een bepaalde temperatuur nodig om zich behaaglijk te voelen, en ieder mens heeft een andere temperatuur waarbij deze zich behaaglijk voelt (ook nog eens afhankelijk allerlei andere factoren, o.a. van de mate van inspanning etc). We kunnen dit een operationele temperatuur noemen (wordt ook wel eens de comforttemperatuur genoemd). Deze operationele temperatuur is een combinatie van luchttemperatuur en stralingstemperatuur. Men kan zo een lage luchttemperatuur combineren met een hoge stralingstemperatuur om te komen tot de juiste operationele temperatuur waarbij iemand zich behaaglijk voelt. Andersom kan ook, een hoge luchttemperatuur en een lagere stralingstemperatuur.
De huidige veel toegepaste centrale verwarming echter, leidt tot klachten, namelijk niet iedereen voelt zich behaaglijk bij een bepaalde vaste luchttemperatuur. Echter men kan de luchttemperstuur niet lokaal aanpassen, daar deze overal ongeveer dezelfde is.
De volgende grafiek geeft deze mate van ontevredenheid goed weer.

Op de verticale as de PPD in %, wat wil zeggen het percentage van de mensen die ontevreden zijn (Percentage of People Dissatisfied). En dit als functie van de heersende luchttemperatuur. De groene lijn geeft aan dat voor zittend werk de temperatuur van 21 graden leidt tot “slechts” 5 % niet-tevreden personen. Wanneer er echter personen zijn die licht werk uitvoeren (ze staan, bewegen zich op gewone loopsnelheid), dan geldt voor een dergelijke groep dat de best geaccepteerde temperatuur ron de 17 graden ligt. En voor die groep geldt dat er 20 % ontevreden is met een luchttemperatuur van 21 graden! Zo wordt duidelijk dat met een vastgestelde luchttemperatuur een groot aantal mensen niet tevreden zal zijn.

Een behaaglijk binnenklimaat voor iedereen

Om tot een voor iedereen behaaglijke operationele temperatuur te kunnen komen, moet er naast een bepaalde luchttemperatuur, ook iets lokaals geregeld kunnen worden. Dat laatste kan met straling op een makkelijke manier. Men zou lokale stralingsbronnen kunnen toepassen voor bepaalde lokaties binnenshuis of in kantoor, die de mensen zelf kunnen regelen. En door dan tegelijkertijd te zorgen voor een relatief lage luchttemperatuur van bijvoorbeeld 17 graden, kan zo ieder voor zichzelf de personlijke warmtestraler regelen om te komen voor de operationele temperatuur die voor deze persoon behaaglijk is.
Een voorbeeld is in kantoor. De luchttemperatuur wordt op 17 graden afgesteld en iedere werknemer heeft voor zijn werkplek een warmtestraler. Ieder kan deze voor zichzelf regelen. Een persoon die zich warm heeft aangekleed kan zodoende kiezen voor weinig straling, evenals een ander die dichtbij het raam zit en de zonnestralen komen binnen. Weer een andere kan een koukleum zijn en voor zichzelf de warmtestraler flink aanzetten, terwijl collega’s in de buurt hier geen problemen van hoeven te ondervinden.

Infraroodpaneel Heatfun van Taglumo, met verlichting geïntegreerd.

Een ander voorbeeld is het toepassen van warmtestralers in bijvoorbeeld een badkamer. Daar wordt gedurende de dag maar weinig gebruik van gemaakt. Bij een ingestelde luchttemperatuur van 17 graden Celcius (in plaats van 23 graden continue), en een warmtestraler die aangaat wanneer er iemand in de badkamer komt, leidt dit direct tot een aangename omgeving terwijl er zo over de dag genomen veel energie bespaard kan worden. Een in standen instelbare straler kan het zo ook nog eens behaaglijk maken voor personen met verschillende voorkeuren.

Stralers

Er zijn verschillende soorten stralers te verkrijgen. Het grootste verschil zit hem in de tijd van opwarmen. Een ouderwetse (tegel)kachel is een straler met een relatief hoge temperatuur (kan 100 graden Celsius of nog hoger zijn) en een grote warmtecapaciteit. Het duurt even voordat deze op temperatuur is en geeft dan voor langere tijd (uren) zijn warmte af. Door toepassing van een stralingskachel wordt een lokaal microklimaat gecreeerd dat in verschillende zones in de ruimte een verschillende operationele temperatuur creeert. De meer rustige activiteiten worden dan dichterbij de kachel gedaan en de activiteiten met meer beweging iets verder ervan af.
Een ander voorbeeld zijn warmtemuren, of –plafonds, of vloeren met vloerverwarming. Daar doorheen loopen slangen met warm (30 graden) aan water en door het grote oppervlak is een lage temperatuur voldoende om toch een behaaglijke operationele temperatuur te creeeren. Een dergelijke aanpak zorgt ook voor een meer homogene operationele temperatuur in de ruimte. Ook deze stralers hebben een lange opwarmtijd en geven gedurende langere temperatuur hun energie af. In feite verwarmen deze stralers niet de mensen, want hun temperatuur is vaak niet hoger dan die van de mens zelf. Ze zorgen er wel voor dat de mens zelf geen tot weinig energie verliest door straling aan de omgeving. Dit is een vorm van isolatie.
Een derde vorm van stralers zijn infraroodpanelen. Deze panelen kunnen tegen de wand of plafond gehangen worden en werken veelal op elektriciteit. Al dan met met een regelaar ingebouwd of extern. Ze zijn heel snel op temperatuur (vaak tegen de 80 – 100 graden oppervlaktetemperatuur) en zijn dus in staat om snel een behaaglijk microklimaat te creeeren nadat ze aangeschakeld worden. De ontwikkeling van deze panelen gaat snel de laatste jaren.

Besparingsmogelijkheden

Door het niet continue gebruiken van de warmtestralers en het tegelijkertijd toepassen van een luchttemperatuur van 17 graden Celcius kan zo energie bespaard worden.
Door het lokaal gebruik van warmtestralers in een grote ruimte kan ook bespaard worden op energie en tegelijkertijd een prettig klimaat geschapen worden voor iedereen afzonderlijk.
In ruimtes met hoge plafonds (kerken) kan toepassing van warmtestralers een groot voordeel opleveren. Dit omdat de straling dwars door de ruimte gaat en ook van grote afstand gewoon hun op mensen en meubels verwarmende werking doet, zonder direct de lucht op te warmen. Bij luchtverwarming zou er enorm veel verwarmd moeten worden en de meeste warmte gaat naar boven, waar je er dan niets aan hebt.
Het kan echter zo zijn dan niet voor alle situaties het interessant is om warmtestraling toe te passen. In een woonkamer waar mensen geen vaste plek hebben, zou men dan overal stralers moeten toepassen om ervoor te zorgen dat wanneer mensen lokaal ergens zijn, er ook een straler is om te zorgen voor de benodigde stralingswarmte. Wanneer de woonkamer echter niet goed geïsoleerd is en er dus relatief veel licht verloren gaat, is warmtestraling weer een optie omdat centrale verwarming alleen de lucht zou verwarmen die als gevolg van slechte isolatie weer snel verloren gaat naar buiten. Ook zou men in een woonkamer plekken kunnen definiëren waar warmtestralers in de buurt zijn (de sofa, de eetkamertafel) waar men dan een prettig klimaat heeft, en in bepaalde andere plekken waar men toch alleen maar loopt, heeft (en dus een fysieke activiteit uitoefend) men dan geen stralers. Ook kan men de wanden voorzien van een verf die straling van de stralers reflecteerd. Hiermee wordt de straling dan niet gebruikt om de wanden op te warmen, maar de straling die ertegen komt wordt gereflecteerd. Of de muren nu koud of warm zijn, ze nemen geen straling op en stralen die ook niet af. Dus ze worden als niet hinderlijk ervaren.
In een woonruimte kan natuurlijk ook gebruik gemaakt worden van grote stralingsoppervlakken zoals vloerverwarming of wandverwarming.
Er is samenvattend wel degelijk (flink) te besparen, in bepaalde situaties, door het toepassen van stralingswarmte. Daarnaast kan stralingswarmte lokaal een prettig microklimaat creeeren.

Meer info

Veel informatie en inspiratie is gekomen uit het boek: Stralingsverwarming; gezonde verwarming met minder energie., door Kris de Decker.
Hij houdt ook een interessante website/blog bij op www.lowtechmagazine.be.
Bij interesse in dit onderwerp raad ik zeker dit boek en de website aan. Je vindt daarin ook uitleg over stralingssymmetrie, lokaal onbehagen, isolatie dmv reflectiematerialen en voorbeelden van besparingsmogelijkheden uitgewerkt.