Zu elektrischem Heizungssystem -> Patent DE 10038799

Dieses Heizungssystem eignet sich überall, kann seinen Vorteil aber dort nur zum Teil nutzen, wo die Wände oder relevante Massen und Flächen im Raum eine hohe thermische Trägheit aufweisen. Zwar kann es auch dann mit guten Ergebnissen angewendet werden (das heißt, es garantiert sowohl eine weit höhere Raumklima – Qualität als jedes andere Heizungssystem, als auch gute Abschaltbarkeit und schnelles Einregeln nach Abschaltung), aber es bringt energetisch gesehen nicht mehr einen so großen Vorteil. Wie groß dieser Vorteil gegenüber einem gängigen Heizungssystem ist, ist noch nicht nachgewiesen doch in der Rechnung abschätzbar. Je geringer die thermische Trägheit des Raumes, desto größer die Energieeinsparung bei gleichen Wärmeverlusten (Wärmedurchgangskoeffizienten).

Wände, vor allem wie sie früher gebaut worden sind, aber auch heute noch, sind ja nach heutiger Sicht heizungstechnisch gesehen eine ziemlich dumme Lösung, da ja nicht mehr mit nicht regelbarem teils offenem Holzfeuer geheizt wird. Das kann man sich an einem alten Kachelofen klarmachen. Dieser ist aus keramischen Kacheln zusammen gesetzt, damit möglichst viel von der kurze Zeit abgegebenen hohen Wärmemenge gespeichert und erst langsam abgegeben wird. Die thermischen Eigenschaften dieser Kacheln sind ähnlich denen eines Ziegelsteins. Steine sind leider auch nicht sehr weit davon entfernt. Damit hat jede Mauer, neben dem in der Fachliteratur so oft erwähnten K - Wert, der die Isolationseigenschaften bzw. die Wärmedurchlässigkeit charakterisiert auch die Fähigkeit, Wärme zu speichern. Wenn man ein kaltes Zimmer aufheizt, hat man also einen Wärmespeicher zu füllen, der aus dem Mauerwerk gebildet wird. Das wird in der gesamten Fachliteratur zu Heizungen ignoriert! Wenn dieser Speicher bei einer bestimmten Innentemperatur gefüllt ist, braucht man nur noch einen Bruchteil der vorher benötigten Energie, um diese Temperatur innen zu halten. Aus diesem Grunde müssen Zentralheizungen und Radiatoren in Räumen ordentlich überdimensioniert werden und man muss nach längerer Abwesenheit im Winter anfangs überheizen, damit es nicht Tage dauert, bis eine angenehme Temperatur erreicht wird. Diese Überdimensionierung wird für den Heizungskessel und die Zentralen Einheiten meistens realisiert, was zu einem Rückgang des realen Wirkungsgrades im Normalbetrieb führt (eine in der Fachliteratur fleißig verschwiegene Tatsache). Die Überdimensionierung des Radiators wird aber in so manchem Zimmer vergessen, so dass man hier nach längerer Abwesenheit eventuell einen Tag oder mehr, auch bei eingeschalteter Heizung, frieren muss. Auch das wird in der Literatur verschwiegen. Die theoretischen Wirkungsgrade und die theoretisch erzielbare Wohnqualität bei einer Heizung mit hoher thermischer Trägheit, wie sie fast alle nicht elektrischen und auch viele elektrische Heizungen heute sind, und die realen Werte solcher Heizungen, liegen deshalb weit auseinander.

Bei Zentralheizungen, liegen die realen Wirkungsgrade / Wohnqualität (eines oder beides) unter den in der Fachliteratur angegebenen Werten, vorwiegend wegen den unvorhersehbaren unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Parteien an das System. Hier spielt die Wärmespeicherung im System und den Wänden auch eine generell vom optimalen Betrieb wegführende Rolle. Bei Gebäuden mit mehreren Wohnparteien spart man hauptsächlich durch die für jede Partei reduzierte Grenzfläche zum kalten Außenbereich, also durch geringere Wärmeverluste im Raum.

Der zweite Nachteil dieser Wärmespeicherung in den Wänden ist, dass die gespeicherte Wärme im eingeschwungenen Betrieb, bei Wegfall der Heizung langsam weiterhin an die Umwelt abgegeben wird (natürlich nicht nur nach innen, sondern auch nach außen). So kann Sonneneinstrahlung (durchs Fenster) schnell zu einer Überhitzung führen und nach verlassen der Wohnung wird noch lange Wärme abgegeben und sinnlos eine hohe Temperatur gehalten. Auch hier macht eine zusätzlich träge Heizung den Verlust aber noch größer. Wäre die Wand aus Holz oder Kunststoff, würde die Wand selbst, bei über die Wanddicke eingestelltem, gleichem K – Wert, dabei nur einen winzigen Bruchteil der Wärme aufnehmen, die eine Steinwand speichern würde. Das heißt, der Energieaufwand um in den Normalbetrieb zu gelangen ist deutlich geringer. Hier macht eine gut regelbare elektrische Heizung mit fast gar keiner thermischen Trägheit noch mehr Sinn. Es ist jetzt klar, dass mit Materialien mit geringer Wärmespeicherung weniger Heizenergie nötig ist, bei dem gleichen thermischen Isolationswert um dieselbe Temperatur unter gegebenen Außenbedingungen zu erreichen und zu halten. Eine Ziegelmauer kann auch bei hohen Dicken oft einen großen Wärmeverlust bedeuten, weil sie große Wärmemengen durch die Speichereigenschaft "verschlucken", wobei diese Wärmemenge mit der Dicke auch zunimmt. Also braucht man beträchtliche Mengen Energie, um nach einer Unterbrechung der Heizung die Räume innen wieder aufzuheizen und den eingeschwungenen Zustand zu erreichen, vor allem wenn ein hohes Temperaturgefälle ausgeglichen werden muss. So macht abschalten oder niedrig schalten der Heizung weit weniger Sinn, als wenn keine Wärme gespeichert werden würde.

Energetisch gesehen besteht die beste Lösung, aber auch im Sinne geringerer Kosten und einer besseren Wohnqualität, also in der Wahl besserer Materialien für die Wände. So gesehen sind die oft kritisierten Beton – Wände weit besser als Ziegelwände, nur muss ein geeignetes Heizungssystem her. Die Ziegelwände sind das ideale Material für sehr träge Kachelöfen und für Verbrennung primärer Rohstoffe im Wohnbereich. Brenn- und Explosionsgefahr und andere Nachteile, welche in meiner Patentanmeldung erwähnt sind, kommen dann aber noch hinzu. Auf jeden Fall muss man bei Wänden mit hoher Wärmespeicherung und Heizungen mit hoher thermischer Trägheit mit einer langsam einregelbaren Temperatur rechnen, was die Wohnqualität schmälert.

Das erfindungsgemäße elektrische Heizungssystem schafft Abhilfe, auch bei dem Problem der Wärmespeicherung. Es werden großflächig aber mit niedriger Temperatur Innenbereiche eines Raumes geheizt. Durch den Aufbau des Heizungssystems hat die Luft in Randbereichen eine, wenn auch nur bescheiden, geringere Temperatur als in den Nutzbereichen. Die Wärmeaufnahme und -abgabe an den Wandoberflächen hängt aber mit T⁴ von der Temperatur ab. Die Wärmeleitung mit T² vom Temperaturunterschied innen – außen. Da macht 1°C schon einen nicht vernachlässigbaren Unterschied. Trotzdem wird der hohe energetische Gewinn, durch eine schnelle und genaue Regelung ohne Verluste durch Wärmespeicherung im System erreicht. Eine hohe Wärmespeicherkapazität des Mauerwerks schmälert diesen Vorteil. Abhilfe schafft zusätzliche Isolation der Mauern, wie sie in den Neubauten durchwegs schon praktiziert wird. Hier wäre nur noch der Vorteil der Isolation innen im Vergleich zu der außen zu unterstreichen, weil man die Wärmespeicherung innen nicht haben will aber schnellen Temperaturwechsel außen abpuffern will, was der Wärmespeicher nicht isolierte Mauer durchaus kann (nach außen hin also immer noch sinnvoll, die alte Ziegelmauer). Die schnelle und genaue Einregelung der Temperatur wird hiervon kaum beeinflußt. Die in den Mauern gespeicherte Wärme wird nur langsam ausgetauscht, besonders weil die Temperaturunterschiede zur Luft weit geringer als bei einem Radiator sind. Deshalb ist das patentgemäße elektrische Heizungssystem auch bei Wänden mit hoher Speicherkapazität in der Summe ein Gewinn. Auch beim Anheizen nach längerer Abwesenheit im Winter ist man im Vorteil gegenüber gängigen Heizungssystemen, denn bei einem elektrischen Heizungssystem bedeutet eine Überdimensionierung gar kein Verlust im Wirkungsgrad. Wenn man gleiche Qualität mit einer gängigen Heizung erreichen will muss man mit hohen realen Einbußen im Wirkungsgrad für diese rechnen. Dieser geringere reale Wirkungsgrad wirkt sich aber nicht in diesen Einregelphasen sondern im Dauerbetrieb aus! Damit kann man annehmen, dass das erfindungsgemäße elektrische Heizungssystem besser ist als bisher bekannte, und zwar in allen Punkten:

•Wohnqualität

•Umweltfreundlichkeit

•Energie- und Kostenersparnis

und das, obwohl der Wirkungsrad bei der Umwandlung von primären Rohstoffen zu Wärme über den Umweg Strom geringer ist, als der von primären Rohstoffen direkt in Wärme. Man kann aber auch in diesen Punkten viel tun, denn zentral in Kraftwerken kann ein viel höherer Aufwand getrieben werden für hohen Wirkungsgrad und Umweltschutz als dezentral in Wohnungen. Die Fehlerquote bei vielen dezentralen Verbrennungseinheiten sowohl energetisch als auch umwelttechnisch gesehen wird im Vergleich zum Möglichen dezentral in der Summe weit höher sein als an wenigen zentralen Stellen. Auch sozial und finanziell gesehen, kann man die vielen dezentralen Einheiten nur schlecht auf den höchsten Stand von Wissenschaft und Technik bringen. Der Gesetzgeber kann hier viel zu wenig tun, weil das rein statistisch begründet ist. Doch auch der kann noch Fehler einbringen. Eine entsprechende Gesetzgebung könnte andererseits einer richtigen Bauweise und einem entsprechenden, dazu passenden Heizungssystem den Vorrang geben, vor existierenden Lösungen. Dazu muss man die großen Vorteile dieser Lösung erst aber nicht nur vorrechnen sondern in Beispielen belegen können. Dazu braucht man Investitionskapital! Man benötigt auch die Zusammenarbeit mit der Bauindustrie und das alles übersteigt meinen möglichen Wirkungsbereich bei weitem. Wer kann hier helfen, zum Vorteil aller? Man kann das Patent sicher auch noch verbessern, was nicht heißt dass es so nicht schon einen klaren Vorteil bringen würde.

Natürlich ist es heute schwer, den Leuten klar zu machen, dass ein elektrisches Heizungssystem in allen interessierenden und weiter oben erwähnten Punkten weit besser sein kann als die klassischen bekannten Heizungssysteme. Dafür sorgt vielleicht auch die Lobby der Heizungshersteller, die lange an Regelungen entwickelt haben, die beweisbar wenig Sinn machen und kaum einen Vorteil bringen können. Trotzdem will ich hier betonen, daß es sehr gute Heizungssysteme heute auf dem Markt gibt und sich die Leute auch teilweise erfolgreich Mühe gegeben haben, diese energetisch und bezüglich der Wohnqualität zu verbessern. Ich will den verbesserten Wirkungsgrad in den Verbrennungseinheiten hier nicht wegreden. Aber der große Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Heizungssystems ist der, daß über die geringe Wärmespeicherung mit einer entsprechenden Regelung die in der Wohnung benötigte Wärme bei besserer Wohnqualität bedeutend reduziert wird. Das ist mit einem klassischen Zentralheizungssystem mit hoher thermischer Trägheit eben nicht möglich. Ich will hier noch einmal auf die sozialen und finanziellen Aspekte hinweisen und auf die Fehlbarkeit der Menschen, welche es bei Heizungen mit Verbrennung real kaum möglich machen, den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad auch überall verfügbar zu machen. Außerdem bedeutet das Wegfallen der Überdimensionierung einen Verlust an Wohnqualität und das sollte nicht der Weg der heutigen Technik sein! Hier muss man auch darauf Hinweisen, dass bei zentralen Heizungen die Nachtabsenkung ein großes Problem ist, welches entweder die Wohnqualität oder den Wirkungsgrad oder beides essentiell beeinflussen. Was geschieht nämlich wenn der eine abends ordentlich vorheizt und der andere erst Nachts um 2 heimkommt, vor allem am Wochenende, wenn man entspannen muss und genießen will, was auch zur Entspannung gehört, um in der Woche wieder fit zu sein? Was wenn man krank ist und es ständig warm braucht, auch Nachts? Einen nicht überdimensionierte Heizung schafft da Probleme, welche bei einigen Systemen eine Schande für den heutigen Stand von Wissenschaft und Technik sind, besonders wenn es sich um eine Zentralheizung handelt.

Es ist aber sicher, dass die Zukunft Wohnungen gehört, mit Wänden aus Materialien mit geringer Wärmespeicherung und zugleich geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Holz oder Kunststoffe, aber da gibt es bestimmt noch mehr Möglichkeiten, welche man in der Zukunft finden wird. Zu diesen Wohnungen ist mit Abstand die beste Lösung ein erfindungsgemäßes elektrisches Heizungssystem, welches dann optimale Energieeinsparung und Wohnqualität möglich macht. Das erfindungsgemäße elektrische Heizungssystem hat noch viele weitere Vorteile wie geringe Einbaukosten, geringe Herstellungskosten, praktisch wartungsfrei, keine Gefahren im Wohnbereich, leise, zuverlässig, etc. Wenn es auch schwer ist, heute dieses System gegen die Heizungslobby und Starrköpfe aus Wissenschaft und Technik durchzusetzen, die nicht umdenken können und wenn der Durchbruch so gesehen in nicht ganz naher Zukunft liegt, sehe ich trotzdem kein Problem in der Vermarktung heute. Es gibt viele Vorteile, welche man zu Werbezwecken nutzen könnte und es gibt einige elektrische Heizungssysteme weit geringeren Wirkungsgrades und geringerer Leistungsfähigkeit, welche schon verkauft werden. Die Durchsetzung des erfindungsgemäßen Heizungssystems würde auch volkswirtschaftlich durch den geringen Aufwand beim Einbau und in der Wartung einen Gewinn bedeuten, weil Ressourcen freigesetzt werden. Dass man für diese keine Arbeit hat wäre ein lächerliches Argument und ein Zeugnis intellektueller Armut bei denen, welche die entsprechende Verantwortung tragen (ich habe noch mehr Ideen, da wäre Arbeit ohne Ende).

Nicht zuletzt bleibt bei gängigen, nicht elektrischen Heizungsanlagen die graue Energie unerwähnt, welche den Verbrauch durch Lagerung, Transport, Herstellung, Wartung (wieder Transport), etc. bedeutet. Wenn man das auf die Anzahl der dezentralen Heizungen aufrechnet, ist das ein Riesenverlust an primären Rohstoffen, der bei zentraler Verbrennung größtenteils erspart werden würde. Außerdem bedeutet das erhöhte Risiko bei vielen dezentralen Verbrennungsanlagen und auch beim Transport wieder sicher eine höhere Fehleranzahl, was wieder zu Verlusten führt, die man durch zentrale Verbrennung reduzieren könnte.

Weitere Vorteile und ähnliche Überlegungen in der Patentanmeldung selbst.

Wieso großflächiges und schnelles Aufheizen Energie spart? Es gibt sehr viele Gründe aus der Physik und Technik die das eindeutig belegen. Hier versuche ich die wichtigsten aufzuzählen:

• Großflächiges Heizen erlaubt immer niedrigere Temperaturen zum heizen. Das reduziert sicher Überhitzung von Randbereichen (Wände, Decke, Boden) und Entweichen heißer oder warmer Luft. => Energieeinsparung.
• Man kann durch großflächiges Heizen viel schneller einen Raum aufheizen als mit geringer Austauschfläche. Damit schadet abschalten oder runterregeln auch bei kurzen Pausen nicht der Lebensqualität. Abschalten oder niedrigregeln führt zu Energieeinsparung.
• Großflächiges heizen erlaubt also schnelles und homogenes aufheizen. Das ermöglicht eine genaue Messung der Raumtempratur, eine genaue Regelung und besser eingestellte Raumtemperatur. Das bedeutet bessere Wohnqualität. Das bedeutet aber noch zusätzlich Energieeinsparung durch die bessere Regelung (keine lokale/ kurzzeitige Überhitzung), durch geringere Luftbewegung durch Konvektion (auch geringere Konvektion an Randbereichen) und durch kurzzeitiges Aufheizen.
• Kurzzeitiges aufheizen mit Niedrigtemperatur bedeutet Energieeinsparung. Beim Aufheizen findet ein Wärmeverlust durch alle Randbereiche eines Raumes statt, der größer ist als beim halten der Temperatur, weil vermehrt wärmere Luft entweicht (nie ganz isotrop das Aufheizen) und die Konvektion stärker ist (auch die Wärmeaufnahme der Wände, ~T⁴). Je kürzer dieser Zeitraum, desto weniger Verluste.
• Durch großflächiges Heizen mit Niedertemperatur schafft man aber durch die weiter oben angegebene Reduzierung der Verluste und durch weitere Effekte wie geringere Verluste durch Umwandlung der Wärme in Luftbewegung oder geringere Ausdehnungsverluste wie bei höheren Temperaturen (warme Luft hat geringere Dichte um sie durch kleine Flächen stärker aufzuheizen braucht man mehr Energie: Q=c_p*ρ*V*ΔT), in gleicher Zeit dieselben Temperaturunterschiede in einem gegebenen Raum mit weniger Energie zu erzeugen.
• Der große Vorteil aber ist eindeutig eine schnelle und genaue Regelung, die, wenn richtig eingestellt, sehr viel Energie sparen kann bei gleicher oder besserer Lebensqualität als es bisher mit allen existierenden Heizungssystemen der Fall ist.

Der große Vorteil vor allen existierenden Heizungssystemen also durch großflächig also schnell und homogen heizen, mit Niedertemperatur, also geringeren Randverlusten heizen und geringe thermische Trägheit, also schnell regeln. Noch Reduzierung der thermischen Trägheit der Randbereiche, was durch spezielle Isolation innen, die schon zum Teil vom Heizungssystem selber realisiert wird, erreicht werden kann, und man hat so bedeutende Vorteile, dass kein Heizungssystem von heute sich auch nur annähernd mehr damit messen kann.

Autor: Norbert Kailan

Unterschrift: