Die Temperierung der Gebäude-Hüllflächen 21

Glas und die elektromagnetische Strahlung

"Für sichtbares Licht ist die Durchlässigkeit besonders hoch; daher ist Fensterglas durchsichtig. Für langwellige Infrarotstrahlung aber ist Fensterglas nahezu völlig undurchlässig. Würden unsere Augen nur in diesem Bereich sehen, wäre Fensterglas so undurchsichtig wie eine Mauer aus Stein." aus: www.weltderphysik.de/de/4587.php

"Glas ist für sichtbares Licht transparent. Im Empfindlichkeitsbereich der Infrarotkamera (8-12 µm) lässt Glas keine Wärmestrahlung durch, ein Effekt den man in Treibhäusern benutzt." aus: solarsystem.dlr.de/Missions/SOFIA/irexperimente.shtml

Durchlässigkeit von Fensterglas für Strahlung bestimmter Wellenlängenbereiche. Beachte: UV- und IR-Strahlung gehen nicht durch, Lichtstrahlen schon. Und - wer hätte das gedacht - auch Wind geht nicht durchs Glas. Wie schön, welch grandioser Schutzeffekt einer simplen Glasscheibe für das Haus des ahnungslosen Bewohners!
(Grafik: Prof. Dr.-Ing. habil. Claus Meier)

Meier: "Ein Naturgesetz der elektromagnetischen Strahlung besagt, daß die Wärmestrahlung eines Temperaturstrahlers [im maßgeblichen Wellenlängenbereich über 2,7 µm (Mikrometer)] normales Fensterglas nicht durchdringt. (...)

Dies bedeutet:

Das U-Wert-Denken muß auch beim Fenster neu durchdacht werden."

Doppel- und Dreifachscheiben, Edelgasfüllungen und metallische Beschichtungen zur "Reduzierung der Transmissionswärmeverluste" (Thermodynamik) reduzieren erst mal die Solargewinne, die tagsüber an jeder Himmelsrichtung als direktes und indirektes Sonnenlicht - eine elektromagnetische energiereiche Strahlung! - kostenlos in alle Fenster einstrahlen, und zwar je zusätzlicher Scheibe um ca. 10 Prozent, bei Wärmeschutzglas (bedampftem und höher reflektierendem Glas auch wesentlich mehr). Gegenüber der Durchstrahlung mit Temperaturstrahlen/Wärmestrahlen/Infrarotstrahlen erzielen Doppelscheiben oder gar Dreifachscheiben keine Wirkung, da schon die erste Scheibe "dicht macht". Übrigens genauso, wie für die wesentlichen Wellenlängenbereiche der hochenergetischen UV-Strahlung, oder sind Sie schon mal hinter einer Glasscheibe braun geworden? Und logischerweise hat man früher eine geradezu ideale Energiesparbauweise praktiziert: Einfachfenster mit Einfachglas - das am Tag das Maximum an Solareinstrahlung im Lichtspektrum zuläßt und für die Nacht? Klappladen! Der dann die mit dem Strahlungsausgleich gegenüber dem eisigen Nachthimmel verbundenen Wärmeverluste extrem absenkt. Auch ein Rollo / Rolladen erfüllt diese Funktion perfekt. Bei diesen zusätzlichen "Ladenkonstruktionen" ist aber grundsätzlich zu unterscheiden: Einmal eine außen vor dem Fenster liegende Konstruktion, die die Glasscheibe vor dem Lichteinfall im heißen Hochsommer schützt - man denke an die Jalousieläden, die wir heute noch in den Mittelmeerländern in reicher Zahl bewundern können, teils auch mit Ausstelläden, die vom geschlossenen Fensterladenrahmen aus nach außen hochgeklappt und arretiert werden können. Diese Außenkonstruktion hält dann in der eisigen Winternacht die dahinter liegende Scheibe warm, was Kondensatanfall auf der Scheibe verhindert. Außerdem liefert die Außenkonstruktion einen wesentlich verbesserten Schallschutz, zusätzlich auch Einbruchschutz. Nachteil: Eben die außen stattfindende Bewitterung, die zu höheren Kosten wegen der deshalb nötigen verstärkten Bauweise und zu dennoch immer wiederkehrendem Instandsetzungaufwand führt.

Wesentlich einfach und kostengünstiger zu verwirklichen ist nun die zweite Variante: Der Innenladen. Ob das nun dicht schließende Innenklappläden sind, die sich dank raffinierter Faltmechanik paßgenau in die Fensterleibung einpassen können oder Innenrollos - seien es textile Stores aus blickdichten oder durchbrochenen Textilien, ein Faltrollo mit ausfaltbarem Material (Plissee) - oder auch ganz normale Vorhänge. Immer gilt das gleiche Prinzip: Die Fensterfläche wird zum Raum hin abgedeckt und wenn das Fensterglas abkühlt, bleibt die Flächenverblendung quasi auf Raumtemperatur und erhält das behagliche Raumgefühl des Nutzers. Im Sommerfall erhitzt die durch das Glas scheinende Sonne die Innenabdeckung, ein gleichzeitig gekipptes Fenster sorgt dann für direkte Abführung der Heißluft nach draußen. Auch das spart Heizenergie im Winter und im Sommer Kühlenergie. So einfach machte es sich der hausbackene Energiesparer vergangener Zeiten und sogar "schön" durften seine einfallsreichen Hilfskonstruktionen aussehen.

Und was die Kosten im Vergleich zum Fensterrausreißen und Erneuern in heute geforderter Isolierbauweise betrifft, ist das historische Energiesparmodell mit Einfachfenster und Laden bis heute unerreicht günstig. Verglichen mit all dem Technikkram, denn eine heißgelaufene Fensterbauindustrie in den Markt preßt.

Die auf die Scheibe gestrahlte Wärmewelle - wir stellen uns spaßeshalber mal ein Photonenblitzkorpuskelbällchen vor - hat an der Glasscheibe prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Sie wird reflektiert, prallt also in den Raum zurück, oder
sie wird im Glas absorbiert und erwärmt dieses etwas, um von dort etwas zerkleinert weitertransportiert zu werden, je nach Zufall zurück in den Raum, in Scheibenebene oder gar hinaus aus dem Raum.

Nur ein Bruchteil der Strahlungsenergie wird also den Raum durch das geschlossene Fenster verlassen, der überwiegende Teil der Strahlunsgwärme unterschiedlicher Strahler (Kaminfeuer, Kachelofen, temperierte Wand, Strahlplatte) verbleibt also im Raum. Zugegebenermaßen haben wir aber da noch die Wärmekonvektion. Sie führt erhitzte Warmluft - umso mehr, je höher der Temperaturunterschied der Wärmequelle zur Umgebungsluft des Raumes ist - an die kühle Fensterscheibe und kühlt - die Scheibe dabei erwärmend - daran ab. Und je kälter die Scheibe ist, umso mehr. Im Bereich Wärmekonvektion nützt eine weitere Scheibe also freilich etwas. Doch wie viel - gerade im Vergleich zum Fensterladen/Rolladen? Bestimmt niemals so viel, daß die Mehrkosten für teurere Bauweise und Instandhaltung der Superfenster durch entsprechende Heizenergieeinsparung in wirtschaftlich vertretbaren Zeiträumen zurückfließen können, oder? Schauen Sie diesbezüglich nur mal auf die vom Energieverbrater berechneten Amortisationszeiten für den Fensteraustausch als Enzelmaßnahme. Na?

Weiter mit Prof. Meier: "Außerdem kann bei einer strahlungsintensiveren Heizung die Raumlufttemperatur gegenüber den konvektionsoptimierten Heizungen wesentlich gesenkt werden – die Energieeinsparung ist demzufolge eine gewaltige [vgl. Meier, C.: Praxis-Ratgeber zur Denkmalpflege Nr.7, Januar 1999. Altbau und Wärmeschutz - 13 Fragen und Antworten. Informationsschriften der Deutschen Burgenvereinigung e.V. Marksburg - 56338 Braubach]."

Und auch nicht noch so viel Energieverschwendung durch nächtliche Temperaturabsenkung kann das je wieder wettmachen - was doch jeder vom Stop-and-Go-Stadtverkehr bei seinem eigenen Auto schon herausbekommen hat. Stetig, nicht Bremsgasbremsgas soll man fahren, wenn es um geringen Spritverbrauch geht!

Meier: "Die Konzentration auf die "Minimierung" der k_F-Werte ist insofern ... einseitiges Vorgehen und bezieht sich nur auf Konvektionsheizungen.

Bei der Strahlungsheizung [die es freilich als reine "Strahlungs"-Heizung gar nicht geben kann, da von gegenüber der Luft wärmeren Körpern immer eine mit Lufterwärmung verbundene Konvektion ausgeht, gemeint also: "Bei der ausschließlichen Betrachtung der von einer Wärmequelle ausgehenden Wärmestrahlung und der Betrachtung deren heiztechnischer Wirkung] herrschen andere physikalische Gesetze als bei übertemperaturabhängigen Konvektionsheizungen [die selbstverständlich immer auch einen Wärmestrahlungsanteil haben].

Die Strahlungsheizung [strahlungsoptimierte Heizung] muß deshalb aus grundsätzlichen physiologischen und ökologischen Erwägungen heraus gegenüber der Konvektionsheizung [auf Heizluftkonvektion optimierte Heizmethode] favorisiert werden. Die in der Heiztechnik fast ausschließliche Beschränkung auf die Konvektionsheizung ist nicht zu verantworten."

Soweit Prof. Dr.-Ing. habil. Meier [exemplifizierende und erläuternde Einschübe ohne Anfürungszeichen: Konrad Fischer].

"Die Tragödie der Strahlung

Die Heiztechnik ist nicht in der Lage, die Strahlung physikalisch richtig einzuordnen. Sie verharrt in den methodischen Regularien der für eine übliche Konvektionsheizung geltenden klassischen Wärmelehre und versucht nun, die Strahlung hier mit einzupassen. Strahlung ist jedoch eine elektromagnetische Welle und kann deshalb mit Wärmeleitung und Wärmeströmung nicht gleichgesetzt werden. Man begeht damit methodisch einen gravierenden Fehler. Dieser allgemeine Mißstand wird jedoch systematisch zu verschleiern versucht: dies wird anhand von Dokumenten untermauert.

Zunächst wird zur Orientierung ein kurzgefaßter Text vorangestellt, der in "Wohnung und Gesundheit" 3/01 - Nr. 98 erschienen ist.

Humane Strahlungswärme

Strahlungswärme bedeutet eine Nutzwärme, die physiologisch günstig bewertet und vom menschlichen Organismus als wohltuend empfunden wird. Seit Urzeiten nutzt und genießt der Mensch die Strahlungswärme der Sonne.

Es gibt drei Möglichkeiten des Wärmetransportes: Die Wärmeleitung, die Wärmeströmung oder Konvektion und die Wärmestrahlung.

Die Wärmeleitung und damit auch die Konvektion ist Teil der klassischen Wärmelehre und braucht zum Wirksamwerden immer Temperaturdifferenzen (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - Wärme fließt vom höheren zum niedrigeren Potential). Dies wird auch bei den Dimensionen erkennbar (W/m²K), (W/mK). In der Heiztechnik spricht man von "Übertemperaturen".

Die von einer Oberfläche ausgehende Wärmestrahlung, wie z.B. die Heizfläche einer Strahlungsheizung oder die Oberfläche eines Raumes, ist als Wärmestrahler eine elektromagnetische Welle, gleich dem sichtbaren Licht, der Radiowelle, den Röntgenstrahlen und gehorcht im Gegensatz zur Wärmeleitung quantenmechanischen Gesetzen, eben dem Planckschen Strahlungsgesetz.

Dieses Strahlungsgesetz läßt sich nicht aus der klassischen Physik herleiten, sondern erfordert die Annahme quantenhafter Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlungsenergie durch den Schwarzen Strahler [8]. Es mußte damals von Planck ein radikaler Bruch mit den klassischen Vorstellungen der Wärmelehre vollzogen werden. Somit läßt sich Strahlung physikalisch auch nicht mit den Mitteln der kinetischen Wärmelehre beschreiben [11].

Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt nun die Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge; das Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann führt daraus abgeleitet zur Strahlungsleistung, die sich nun proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur verhält (~ T⁴ ). Strahlung benötigt zum Wirksamwerden also lediglich eine Temperatur.

Eine Temperaturdifferenz, wie sie bei der Thermodynamik erforderlich wird, ist bei der Strahlung also fehl am Platz. Dies drückt sich auch in der Dimension für die Strahlungsleistung aus (W/m²).

Mit der Wärmestrahlung werden besonders günstige Wärmeleistungen erreicht, weil diese allein von der "absoluten Temperatur" abhängen. Damit fallen Unterschiede von z. B. 10 oder 15 K nicht groß ins Gewicht, wie dies beim klassischen Wärmeübergang der Fall ist. Eine Strahlungsheizung [KF: auf Strahlungswirkung optimierte Heizungstechnik] funktioniert [KF: hinsichtlich der Wirkung der Wärmestrahlung] allein durch eine temperierte Fläche und kann deshalb auch nicht mit einer üblichen [KF: auf Heizluftkonvektion optimierte] Konvektionsheizung, die auf vorliegende Temperaturdifferenzen zwischen Heizkörper und Luft angewiesen ist, verglichen werden.

Da Strahlung keine Luft, sondern nur massive Stoffe erwärmt (erst die erwärmten Oberflächen geben dann Energie an die Innenraumluft ab), ist bei einer [KF: auf Wärmestrahlungswirkung optimierte] Strahlungsheizung die Wandtemperatur immer höher als die Raumlufttemperatur. Dies hat Vorteile: Bei dem hygienisch notwendigen Luftaustausch wird dadurch viel Energie gespart. Auch werden Kondensatschäden (Schimmelpilzbildung) vermieden. Wer also Energie sparen und Schimmelpilze vermeiden will, wählt eine [KF: auf Strahlunsgwirkung optimierte] Strahlungsheizung! Bei vielen Bauten, besonders aber in der Denkmalpflege, hat sich die Temperierung durch eine Strahlungsheizung sehr bewährt [3].

Warum aber hat sich bei diesen vielen Vorteilen eine Strahlungsheizung noch nicht endgültig durchgesetzt?

Daß das Plancksche Strahlungsgesetz und die Wiensche Strahlungsformel in [8] einen Faktor 2 enthält, der in den einschlägigen Fachpublikationen fehlt, ist schon recht bemerkenswert. Sollte die Heizungsbranche gegenüber den hervorragenden Vorteilen einer Strahlungsheizung Korrekturen eingeführt haben, die die Strahlungsleistung einer Strahlungsheizung gewaltig mindern? [5], [6].

Wegen der Vorstellung einer räumlich nur nach einer Seite hin gerichteten Strahlung wird vom "Schwarzen Strahler in den Halbraum" gesprochen (so z. B. in [2] und [5]). Sind als Konsequenz dieser Argumentation die Ergebnisse der Strahlungsgesetze halbiert worden, so ist dies nicht gerechtfertigt. Wenn eine Fläche gemäß dem Strahlungsgesetz Energie emittiert, dann strahlt sie eine bestimmte Energieleistung pro Flächeneinheit ab (W/m²), unabhängig von der Form der Strahlfläche (Kugelgestalt oder ebene Fläche). Die emittierte Leistung der Fläche ist in beiden Fällen gleich, nur die empfangenen Flächen erleiden durch die unterschiedliche Erreichbarkeit der emittierten Strahlen Reduzierungen. Bei einer Wandflächenheizung in einem geschlossenen Raum (Hohlraumstrahlung) allerdings erfolgen keine Reduzierungen.

In Anlehnung an die klassische Thermodynamik werden bei der Strahlungsheizung Differenzen gebildet. Wärmestrahlung jedoch wirkt als elektromagnetische Welle und ist allein von der absoluten Temperatur abhängig, ist also immer positiv (+). Insofern ist es falsch, bei zwei gegenüberliegend angeordnete Temperaturstrahlern (z. B. Heizfläche und Wandfläche) die Strahlungsleistungen mit einem positiven (+) und einem negativen (-) Vorzeichen zu belegen. Diese Differenzbildung (T₁⁴ - T₂⁴) ist jedoch überall vorzufinden, z. B. in [1], [2], [4], [9], [10]. Man berechnet damit jedoch die Strahlungsbilanz einer Heizfläche, nicht aber die Summe der in den Raum strahlenden Energie. Bei einer Strahlungsheizung versagt dieses Modell der Differenzbildung, es führt zu absurden Ergebnissen.

Was passiert, wenn zwei gleich große Strahlplatten oder sogar Strahlwände gegenüberliegend angeordnet werden, die beide das gleiche Temperaturniveau haben? Die Energieabgabe in Richtung des Raumes (und darauf kommt es ja doch an) würde bei der Differenzbildung dann zu Null werden - ein Unding. Ein solches Ergebnis muß falsch sein, denn immerhin strahlen beide Flächen recht deutlich. Werden die Temperaturen der beiden Flächen, sagen wir, auf 40 °C gebracht, so wird es für einen Menschen im Raum gewiß recht unangenehm warm - und doch wird für die beiden Heizflächen jeweils eine Wärmeabgabe von Null errechnet! Dies kennzeichnet in eindrucksvoller Weise die Unrichtigkeit einer Differenzbildung, beim Strahlungsaustausch wird mit der Strahlungsaustauschzahl also fehlerhaft gerechnet.

Die bei einer Strahlungsheizung übliche Anwendung der Strahlungsaustauschzahl C_1,2 [9] beinhaltet sowohl die Halbierung der Strahlleistung als auch die Differenzbildung. Insofern werden grundsätzlich zu niedrige Ergebnisse berechnet.

Darüber hinaus werden u.a. bei der Ableitung der Strahlungsausgleichzahl für zwei parallele Flächen, die im übrigen auch in der DIN EN ISO 6946 von 1996 aufgeführt ist, gemäß [2] noch folgende Randbedingungen angenommen [5], [6] :

1. Es wird eine einmalige Reflektion berücksichtigt.
Diese Einschränkung beschreibt einen Zeitpunkt, der bei vorliegender Lichtgeschwindigkeit der Strahlung in Sekundenschnelle vorbei ist. In Wirklichkeit erfolgt, besonders bei Wandflächen, eine vielfache Reflektion, die solange anhält, bis die gesamte Strahlungsenergie absorbiert und nach gewisser Zeit der Energieaustausch zwischen den beiden Flächen abgeschlossen ist - die Temperaturen gleichen sich an. Wenn alle Strahlung jedoch absorbiert wird, dann nähert sich der Emissionsgrad der Zahl 1 und wird zum Schluß zu 1.

2. Es werden zwei gleich große und parallele Flächen angenommen.
Bei der verallgemeinerten Anwendung dieser Strahlungsaustauschzahl trifft dies selten zu.

3. Die seitlichen Strahlungsverluste werden zu Null.
Inwieweit diese Randbedingung gesetzt werden kann, hängt vom Abstand der beiden Flächen ab. Um seitliche Strahlungsverluste vernachlässigen und dies einigermaßen rechtfertigen zu können, müssen die beiden Strahlflächen sehr eng beieinander liegen oder sehr groß sein. In Praxis ist dies aber selten der Fall, es sei denn, es handelt sich um einen geschlossenen Raum mit vielfältigen Reflektionen.

4. Die beiden Temperaturen T₁ und T₂ werden konstant angenommen. Dies trifft in Realität nicht zu, da ein Strahlungsaustausch erfolgt (s. Randbedingung 1).

5. Die beiden Emissionsgrade (gr.) e₁ und e₂ werden konstant angenommen.
Auch dies trifft bei einem Innenraum in Realität nicht zu, da durch wiederholte Reflektionen man sich dem "Schwarzen Strahler" nähert (s. Randbedingung 1).

Diese Randbedingungen müssen beachtet werden. Es ist zu vermuten, daß bei der in der Fachwelt doch allgemein angenommenen Gültigkeit dieser in der Literatur vorzufindenden Strahlungsaustauschzahlen (u.a. in [9]) man gar nicht ahnt, wie fehlerhaft man rechnen kann.

Um die Wärmestrahlung den thermodynamischen Rechenmethoden anzupassen, wird zusätzlich noch die T⁴-Differenz durch die Temperaturdifferenz T₁- T₂ geteilt, um am Ende wieder analog der allerdings für die Strahlung nicht zutreffenden kinetischen Wärmelehre mit einer Temperaturdifferenz multiplizieren zu können.

Quintessenz:
Die langjährig angewendeten und damit auch fälschlicherweise als "bewährt" bezeichneten Formelansätze für die Berechnung der Strahlungsaustauschzahlen erweisen sich für die Beurteilung der wahren Strahlungsverhältnisse als logisch widersprüchlich; sie verstoßen gegen die elementaren Gesetzmäßigkeiten der Strahlungsphysik.

Bemerkenswert ist, daß bei Anwendung der "praktizierten" Formeln stets alle errechneten Werte zu Ergebnissen führen, die zu niedrig ausfallen. Dies bedeutet neben einer Überdimensionierung der Anlage eine generelle Unterbewertung und damit Benachteiligung der Strahlungsheizung! Bei einer solchen Methodik braucht man sich dann auch nicht zu wundern, daß die Strahlungsheizung nicht die Geltung erreicht, die sie verdient.

Es ist deshalb ernsthaft die Frage zu prüfen, inwieweit hier nicht grundsätzlich umgedacht werden muß, damit bei der Installation von Heizungsanlagen die rechnerisch produzierten Benachteiligungen der Strahlungsheizung der Vergangenheit angehören.

Literatur:
[1] Bogoslowskij, V. N.: Wärmetechnische Grundlagen der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1982.
[2] Cerbe, G.; Hoffmann, H.-J.: Einführung in die Thermodynamik - von den Grundlagen zur technischen Anwendung, Hanser Verlag München.
[3] Großeschmidt, H.: Das temperierte Haus: sanierte Architektur und Großvitrine. Aspekte der Museumsarbeit in Bayern, MuseumsBausteine Band 5, Landesstelle für die nichtstaatlichen Museen beim Bayerischen Landesamt für Denkmalpflege
[4] Lutz, P.; Jenisch, R.; Klopfer, H.; Freymuth, H.; Krampf, L; Petzold, K.: Lehrbuch der Bauphysik, Teubner Verlag Stuttgart, 3. Auflage 1994.
[5] Meier, C. (Hrsg.): Wärmeschutzplanung für Architekten und Ingenieure. Rudolf Müller Verlag Köln, 1995; 2 Bände mit insgesamt 1800 Seiten; (im Mai 1998 vom Markt genommen).
[6] Meier, C.: Humane Wärme. Strahlungswärme als energiesparende Heiztechnik. bausubstanz 1999, H. 3, S. 40.
[7] Meier, C.: Bauphysik - aus den Gleisen geraten. bausubstanz 2000, H. 11/12, S. 48.
[8] Meyers Enzyklopädisches Lexikon. Bibliographisches Institut Mannheim, Wien, Zürich 1971
[9] Recknagel, H.; Sprenger, E; Hönmann, W.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München und Wien: R. Oldenbourg Verlag 1988/1989.
[10] Reeker, J.; Kraneburg, P.: Haustechnik - Heizung, Raumlufttechnik, Werner Verlag Düsseldorf 1994.
[11] Tipler, P.A.: Physik. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford, 1994.

Dieser Text machte schon vor der Veröffentlichung einigen "Experten" Kopfzerbrechen, denen der Artikel zwecks Begutachtung zugeschickt wurde.

Ein Oberingenieur mit über 40 Jahren Berufserfahrung schreibt am 15. 12. 1998: "Ich habe Sie im Verdacht, daß Sie eine revolutionierende Erfindung gemacht haben, die es ermöglicht, aus einer Heizwand mehr Energie herauszuholen als man hineinbringt". Weiter heißt es: "Das ist sicher die umwälzenste Erfindung unserer Zeit, Herr Professor, da sehe ich Sie schon mit dem Bundesverdienstkreuz herumlaufen".

Eine Firma für Haus- und Küchentechnik schreibt am 07.01.1999: "Insofern teilen wir die Ansicht von Prof. Meier nicht, wonach Strahlung keine Luft erwärmt, sondern nur massive Baustoffe ..."

Ein pensionierter Fachhochschulprofessor und öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger schreibt am 05. 02. 1999: "Die Kritik an der Strahlung in den Halbraum ist nicht berechtigt. Auch führt die Differenzbildung bei der Ermittlung der erforderlichen Strahlungsflächen bei der Beheizung eines Raumes durch eine Strahlungsheizung nicht zu "absurden Ergebnissen", wie der Verfasser schreibt. Der Unterzeichnete weiß aus eigener Erfahrung, daß Flächenstrahlungsheizungen dann richtig dimensioniert sind, wenn sie nach den Dimensionierungsverfahren der Heizungstechnik ausgelegt werden. Dies trifft ebenso auf die Strahlungsaustauschzahl zu, bei der der Verfasser behauptet, daß diese wegen der Halbierung der Strahlungsleistung und Differenzbildung zu falschen Ergebnissen führen würde. Wegen der falschen bzw. unrichtigen Einschätzung der Auslegungsverfahren der Strahlungsheizung kommt der Verfasser schließlich zu Folgerungen, die dem Stand der Technik auf diesem Gebiet einfach nicht gerecht werden".

Auch Prof. Bach vom Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik (IKE) in Stuttgart lieferte am 09.06.1999 eine Stellungnahme ab, in der es u. a. heißt: "Abgesehen davon, daß dieser Teil seiner Ausführungen für mich nicht nachvollziehbar ist, dürfen seine Behauptungen über die Praxis in der Heiztechnik nicht unwidersprochen bleiben." Und weiter wird geschrieben: "Im Übrigen hat Herr Prof. Meier in allen 5 Punkten die übliche Berechnung des Strahlungsaustausches und der dabei verwendeten Randbedingungen falsch verstanden". Wegen der Bedeutsamkeit der Strahlung in Theorie und Praxis wird der Antwortbrief auf diese Stellungnahme vorgelegt:

Herrn
Prof. Dr.-Ing. Heinz Bach
IKE, Lehrstuhl f. Heiz- und Raumlufttechnik Universität Stuttgart

Pfaffenwaldring 35
70 569 Stuttgart

Nürnberg, den 29.06.1999

"Humane Strahlungswärme"
Ihre Stellungnahme vom 09.06.99

Sehr geehrter Herr Prof. Bach,
der o.g. Artikel scheint beim Neubeuerner Institut auf Mißtrauen zu stoßen, denn bisher lagen mir drei Stellungnahmen vor, die alle die Kernaussagen des Artikels nicht behandelten, sondern sie mit Nebensätzen umgingen. Zwischenzeitlich handelt es sich bei dem nochmals überarbeiteten Text, den ich beilege, mit Rücksicht auf die Leserschaft um die dritte Kürzung, die sich nur verbal, also ohne Formeln, mit dieser Materie auseinandersetzt. Dies geschah bereits ausführlich in [3] und zusammengefaßt in [4] (ebenfalls beiliegend), so daß die "Diskussion" dieser Problematik meine Sichtweise zum Thema nur erweitern kann.

Nun werden Sie bemüht, um "Licht in das Dunkel" zu bringen. Dr. Schneider bat mich mit Schreiben vom 14.06., den Sachverhalt mit Ihnen abzuklären.
Persönlich konnten wir uns auf dem BHKS/VDI-Symposium am 26. und 27. September 1991 auf der Wartburg bekannt machen und damals habe ich in meinem Referat auf die nachweisbare Effizienzlosigkeit dicker Dämmungen hingewiesen. Heute wird dieser Unfug allgemein vorgeschrieben. Wie Sie daraus ersehen können, setze ich mich auch kritisch mit technischen Entwicklungen auseinander.

Bei meinen Überlegungen betrachte ich nur die Wärmestrahlung und ihre physikalischen Gesetzmäßigkeiten als selbständige Heiztechnik.

Ausgehend von der römischen Hypokaustenheizung stellt sich die Frage, wie die Strahlungswärme von umschließenden Bauteilen rechnerisch erfaßt werden kann. Hierfür dient die Plancksche Strahlungsformel [1] und als Integral das Stefan-Boltzmannsche Gesetz [4].

Dabei müssen nun die zwei im Artikel aufgeworfenen Fragen geklärt werden:
1. Warum fehlt im Gegensatz zum Planckschen [1] (Bd. 18, S. 747) und Wienschen Strahlungsgesetz [1] (Bd. 25, S. 346) in der einschlägigen Fachliteratur der Faktor 2.
2. Warum muß bei der Quantifizierung der Strahlungsleistung für einen Raum die Differenz zweier Strahlflächen gebildet werden? Planck hätte bei seinen Messungen der Hohlraumstrahlung infolge des dort vorliegenden Strahlungsgleichgewichtes dann das Ergebnis "Null" erhalten!
Die Beantwortung dieser Fragen erfolgt u. a. auch in dem Ihnen vorliegenden Manuskript.

Die Ableitung der Strahlungsausgleichszahl gemäß [6] und [8] habe ich unter Berücksichtigung der aufgeführten fünf Randbedingungen nachvollzogen und komme eben auch zu dem allseits bekannten Ausdruck. Diese Randbedingungen werden in [6] genannt und begrenzen die Einsatzmöglichkeit. Was habe ich da "falsch verstanden"?

Sie empfehlen zur Lektüre den Rietschel/Raiß. Bei meinem Vordiplom im SS 59 an der TU Berlin bin ich noch von Prof. Raiß geprüft worden (Note: sehr gut); Sie sehen also, daß ich mich in Fragen der Heizung und Lüftung schon ein wenig auskenne. Über die Integrität von Prof. Raiß gibt es keine Zweifel, immerhin wurde er von Prof. Esdorn als ein Wissenschaftler charakterisiert, der sich stets dem höchsten Ziel, der Wahrheit, verpflichtet fühlte.

Gehen wir deshalb in seinem Sinne an die Frage der Strahlungswärme heran.

Ich finde in Rietschel/Raiß "Heiz- und Lüftungstechnik" 1958 auf Seite 351 unter "B. Strahlungswärmeaustausch" folgenden Satz:
"..., daß jede Fläche gleichzeitig Wärme abgibt, aufnimmt und rückstrahlt, wobei nicht nur die erste Emission und Absorption, sondern auch der weitere Weg der reflektierten Wärme mit neuerlicher Teilabsorption und Reflektion betrachtet werden muß. Zur Vereinfachung der Rechnung vernachlässigt man meist die Wiederabsorption der reflektierten Strahlung, bricht also den Vorgang nach der ersten Reflektion ab. Das ist zulässig, wenn die Absorptionszahlen beider Flächen nahe bei 1 liegen, oder wenn der Abstand der Flächen voneinander, im Verhältnis zu ihrer Ausdehnung, so groß ist, daß nur sehr kleine Beträge der reflektierten Strahlung jeweils die andere Fläche wieder treffen. Für zwei idealisierte Fälle, die auch praktische Bedeutung haben, kann eine einfache exakte Lösung angegeben werden, nämlich für zwei ebene parallele Flächen unendlicher Ausdehnung und ...".

Dazu wäre folgendes zu sagen:

1. Bei der Ableitung der Strahlungsausgleichszahl wird nur die Reflektion, also die zurückkommende Strahlung berücksichtigt. Die absorbierte Strahlung geht bei der Ableitung verloren. Diese absorbierte Energie führt aber zur Temperaturerhöhung, so daß die Annahme konstanter Temperaturen fehlerhaft ist (s. Kommentar zur Randbedingung 1).

2. Es heißt, auch weitere Reflektionen seien zu betrachten. Aber nur "zur Vereinfachung" könne man nach der ersten Reflektion abbrechen. Nun, mehrere Reflektionen abzuleiten, führt zu einem Zahlensalat, der unüberschaubar wird. Man kommt also damit nicht weiter. Die Zulässigkeit einer derartigen Vorgehensweise wird mit zwei Argumenten begründet: a) wenn die Absorptionszahlen nahe bei 1 liegen. Wenn diese jedoch nahe bei 1 liegen müssen, dann ist es nur ein kleiner Schritt, sie mit 1 anzunehmen. Damit wäre dann die vielfache Reflektion einer Hohlraumstrahlung berücksichtigt (s. Kommentar zur Randbedingung 1), b) oder nur sehr kleine Beträge der reflektierten Strahlung die andere Fläche treffen. Bei der Ableitung der Strahlungsausgleichszahl wird jedoch gemäß Randbedingung 3 genau das Gegenteil angenommen, es werden keine seitlichen Verluste berücksichtigt. Auch bei einem geschlossenen Raum mit strahlenden Wandflächen trifft dieses Argument nicht zu. Ein Zimmer wirkt wie ein Hohlraum und ermöglicht eine vielfache Reflektion.

3. Für zwei "idealisierte" Fälle "unendlicher Ausdehnung" wird eine exakte Lösung angegeben. Wann aber kommt dies vor?

Entscheidend für die Fragwürdigkeit der Strahlungsausgleichszahl dürfte aber die eingearbeitete Differenzbildung sein. Darüber hinaus bleibt zu klären, warum die Strahlungsleistungen nicht den Faktor 2 enthalten. Diese beiden Aspekte bedürfen der Klärung.

Mit freundlichen Grüßen
gez. C. Meier

Anlagen:
Manuskript "Humane Strahlungswärme"
Humane Wärme

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