Waarom is stralingsverwarming significant beter dan convectie verwarming?

Het is niet normaal dat we in Nederland (en daarbuiten) onze huizen en gebouwen verwarmen met lucht. Volgens het CBS heeft ruim 84 procent van de Nederlanders een Centrale Verwarming (CV) waarbij lucht circuleert tussen de vloer en plafond. Dit noemen we convectie verwarming en volgens ECN wordt een vergelijkbaar percentage CV ook in kantoor- en andere gebouwen toegepast.

Is dit erg? Nee, maar het is een gevolg van onze gas rijkdom uit Groningen, maar convectie verwarming is opgebakken lucht omdat het bijzonder veel energie verbruikt. We weten inmiddels dat deze bron niet oneindig is en dat de gaswinning zo goed als is gestopt. Stralingsverwarming is vele malen efficiënter en energiezuiniger. Een uitleg een onderbouwing in dit artikel, waar we een beetje natuurkunde gaan gebruiken.

Inhoudsopgave

1. De eigenschappen van lucht
2. Energieverkwistende convectie verwarming
3. Stralingsverwarming is efficiënter, gezonder en comfortabeler
4. Haal het zonnetje in huis
5. Echte warmte door stralingsverwarming
6. Je hebt recht op frisse lucht
7. Infraroodpanelen als stralingswarmtebron

1.De eigenschappen van lucht

Lucht is een isolator en geen geleider. Om een huiskamer comfortabel voor een of meerdere personen te maken, moet al die lucht eerst volledig worden opgewarmd. Als dan die lucht is opgewarmd dan ontstaat er convectie: het is vervelend, maar de warmte lucht stijgt op naar het plafond, waar het geen enkel nut heeft.

Lucht is een ongeschikt medium voor warmteoverdracht. Toch gebruiken we het massaal.

De lucht koelt vervolgens af, daalt af naar de vloer, komt langs de radiator en wordt opgewarmd en het hele proces herhaalt zich. Het gevolg is dat er een verschil is van temperatuur tussen de verschillende luchtlagen in een ruimte. Het temperatuurverschil tussen vloer en plafond kan wel oplopen tot 6 tot 10  graden, afhankelijk hoe hoog de ruimte is.

Raar eigenlijk dat we accepteren dat hierdoor een maar een deel van het energieverbruik van een CV effectief wordt gebruikt voor het verwarmen van mensen. Lucht is eigenlijk een ongeschikt medium voor warmteoverdracht.

2. Energieverkwistende convectie verwarming

Het verwarmen van kantoren en andere gebouwen kost volgens het 20 tot 25 procent van het primaire energieverbruik in Nederland blijft uit onderzoek van ECN. De transport sector verbruikt ongeveer even zo veel fossiele brandstof als de openbare gebouwen, scholen, ziekenhuizen, winkels, kantoren enz.

Door het stimuleren van isolatie is de afgelopen jaren dit verbruik gedaald maar is nog steeds (onaanvaardbaar) hoog. Maar er nog een ander aspect.

Uit verschillende onderzoeken is gebleken dat ongeveer de helft van de personen klachten heeft over het thermische milieu. Het is te warm of te koud of klagen over gebrekkige ventilatie, hoofdpijn en worden soms ziek. Convectie verwarming kost veel energie en biedt bovendien vaak net niet het gewenste comfort.

3.Stralingsverwarming is efficiënter, gezonder en comfortabeler

Een stralingswarmtebron warmt niet de lucht op, maar brengt de energie rechtstreeks over naar de mens (en andere objecten in een ruimte). Er is geen medium nodig, zoals lucht bij convectie verwarming. Hiermee heb je al die 20 tot 25 procent besparing te pakken en is daarmee energie-efficiënter. De verbruikte energie wordt veel nuttiger gebruikt.

Omdat personen rechtstreeks worden opgewarmd, neemt het comfort ook toe, omdat het letterlijk individueel is in te regelen. Convectie verwarming creëert een homogeen klimaat, maar mensen zijn nu eenmaal verschillend qua warmte behoefte.

3.1 Comfort is niet gegarandeerd met convectieverwarming

Uit onderzoek van het FNV blijkt dat mannen bij een lagere temperatuur op kantoor beter functioneren dan vrouwen. Daarnaast, niet iedereen draagt dezelfde hoeveelheid kleren of doen dezelfde werkzaamheden.

Stralingsverwarming creëer je 20 tot 25 procent besparing en is daarmee energie-efficiënter

Uit onderzoek in USA, Canada en Finland onder 34.000 kantoor medewerkers die werkzaam zijn in 215 gebouwen dat 42 procent ontevreden is over het binnenklimaat. In Nederland is door Arbo Kennisnet een vergelijkbaar onderzoek gepubliceerd in 61 kantoorgebouwen. Het onderzoek – uitgevoerd door de WUR – was maar liefste 52 procent ontevreden over het thermische comfort op de werkplek.

3.2 CV is een compromis

In een ruimte waar meerdere mensen aanwezig zijn (woonkamer, kantoortuin enz) is de Centrale Verwarming – ofwel convectie verwarming – altijd een compromis.

Stralingswarmte heeft dit niet; het thermische gewenste klimaat is per individu eenvoudiger te regelen dat het beste bij hem of haar past. In hoofdstuk 5 komen we daar op terug.

Nog een groot voordeel van stralingsverwarming is de natuurlijker ventilatie. Er wordt niet meer gebruik gemaakt van een gemeenschappelijk medium: lucht. Dus een raam opzetten en bij de stralings warmtebron kan prima. Dat moet je bij convectie verwarming niet doen. Dan waait de warmte weg. Letterlijk.

3.3 Convectie verwarming een historische vergissing?

Het overschakelen in het begin van de 20-ste eeuw naar convectie- of luchtverwarming is misschien wel een historische vergissing. Want daarvoor was opwarmen via een stralingswarmtebron – zoals een tegelkachel – was toen veel meer gangbaar, al was het thermische comfort niet denderend.

Een eigentijds stralingswarmtebron is een elektrisch infraroodpaneel. Het is een nieuwe productinnovatie die stralingswarmte afgeeft die comfortabeler, praktischer en bovenal efficiënter is.

Elektrische verwarming heeft geen goede naam

Maar elektrische verwarming heeft geen goede naam. Want is het niet energie verkwistend? Ja en nee. Er zijn elektrische convectorkachels (zie onder) die op dezelfde manier werken als de CV, ofwel convectie verwarming. Infraroodpanelen kunnen lokaal bijverwarmen, waardoor wel degelijk energie bespaard kan worden als de rest van de ruimte een lagere (lucht) temperatuur heeft.

3.4 Combinatie CV en infrarood verwarming: hybride verwarming

Een veel gekozen oplossing is de hybride manier van verwarmen. De combinatie van stralingsverwarming en convectie verwarming geeft veel voordelen omdat de CV thermostaat enkele graden omlaag kan en het thermische comfort lokaal verhoogd wordt met een stralingswarmtebron zoals een infrarood paneel.

3.5 Stralingsverwarming heeft een mooie toekomst

Stralingsverwarming heeft een mooie toekomst, omdat de toepassingen van infrarood verwarming natuurlijk legio zijn. Naast de particuliere sector zoals woonhuizen, appartementen en woonboten zijn er zakelijk ook veel mogelijkheden.

Denk aan kantoor(tuinen), school, openbare gebouwen, restaurants, magazijn en fabrieken. Zo heeft de pluktuin Stoutenburg in hun theehuis infraroodverwarming geïnstalleerd in een slecht geïsoleerd ruimte om toch thermisch comfort te bieden aan hun gasten.

Het vervelende is dat de internationale comfortnormen een doorbraak niet stimuleren en de effecten van stralingsverwarming nog niet bekend zijn bij het grote publiek. Daarnaast is de lobby van de warmtepompen producenten zeer actief in Den Haag en worden warmtepomp nadelen amper gedeeld in de media.

4. Haal het zonnetje in huis

Warmte kan ook worden overgebracht door de zon. In de winter kan je dat bijvoorbeeld sterk ervaren: de temperatuur is relatief laag maar toch wordt je opgewarmd door de zon. Een paar meter verderop in de schaduw heb je een jas nodig, terwijl de luchttemperatuur ongeveer gelijk is.

Dat geldt ook voor objecten. Warmte verplaatst zich sneller door metaal dan door steen of hout. De thermische weerstand van metaal is nu eenmaal lager als hout of baksteen. Lucht heeft ook een hoge thermische weerstand dus wordt minder snel warm. Lucht wordt daarom ok veel gebruikt als isolator, den aan de spouwmuren waarbij stilstaande lucht isolerend werkt.

De zon is al even genoemd. De warmte uitwisseling die we ervaren komt door elektromagnetische energie in het spectrum wat dicht tegen de zichtbare rode kleur licht ligt: infrarood.

Infraroodstraling heeft geen lucht of water – of elk ander medium – nodig om energie over te brengen. Net als met de overdracht van geluid of licht.

4.1 Infrarode straling heeft alleen energie

Infrarood straling heeft geen temperatuur maar alleen maar energie. Als de straling bots op een oppervlakte van een object die massa heeft, dan wordt die energie geabsorbeerd en omgezet in …warmte. Aangezien lucht amper massa heeft, wordt de lucht niet direct opgewarmd door infrarood straling.

4.2 Stralingsverwarming door de zon is prachtig

In de natuur merk je dit ook. Zowel in de schaduw als in de zon is de luchttemperatuur ongeveer gelijk. Dat komt omdat de infrarode straling afkomstig van de zon indirect de lucht opwarmt. Hoe?

Het aardoppervlak absorbeert de zonnestraling en zet dit om naar warmte. Het opgewarmde aardoppervlakte zorgt er voor dat de lucht vertraagd worden opgewarmd. Zo stijgt gaandeweg de dag de temperatuur op aarde.

4.3 Lucht moet opgewarmd worden

Dat verklaart waarom het ’s ochtends frisser is dan ’s avonds. Het aardoppervlakte moet de lucht opwarmen en dat duurt even en ’s avonds is dat een feit. Ook in de verschillende jaargetijden merk je dat. In de winter is de temperatuur van het aardoppervlakte veel lager dan in de zomer. De dagen zij korter dus wordt de lucht ook minder warm.

Maar een opgewarmde aarde zorgt er ook voor dat de temperatuur ’s nachts niet teveel daalt, zeker als er een wolkendek is. De wolken vormen een soort isolatie waardoor de temperatuur minder daalt. De natuur zit fraai in elkaar!

5. Echte warmte door stralingsverwarming, zoals bij convectie verwarming

Binnenshuis is het perfect mogelijk de zon na te bootsen. Stralingswarmtebronnen kan je op verschillende manieren inzetten om een ruime te verwarmen.

1. Direct zonnestraling van buiten
2. Zonne collectoren
3. Stralingswarmte bronnen gebruiken zoals de good old tegelkachel of  moderne infraroodpanelen

Zoals in voorgaande al aangegeven, zal de stralingswarmte niet rechtstreeks de lucht opwarmen maar wordt elektromagnetische energie die massa aanraakt opgewarmd. In gebouwen en huizen betekent dat de vloer, muren, meubels en natuurlijk ook de aanwezige mensen in die ruimte.

Als het aandeel stralings meer dan 50% bedraagt dan is er sprake van een stralingswarmtebron. Bij de bekende CV radiatoren is dit tussen de 20 en 30 procent. Daarom is convector een beter woord, heteluchtblazers produceren bijna 100% convectie en helemaal geen warmtestraling.

5.1 Stralingsverwarming is comfortabeler en gezonder

De thermische comfort wordt mede bepaalt door factoren die per individu verschillen. Neem alleen verschillende soorten kleding en hoeveelheid activiteit van het lichaam. Maar er zijn externe factoren die het thermische comfort beïnvloeden:

• Luchtvochtigheid en circulatie die in huis redelijk te beheersen is
• Lucht temperatuur die door convectie karakter varieert
• Stralingstemperatuur, de gemiddelde temperatuur van alle oppervlakten in een ruimte

Om bij het laatste te beginnen, de stralingstemperatuur maakt jou in de zon warmer maakt in de schaduw, ook al is de luchttemperatuur gelijk. Zo ook binnen. In een ruimte met een hoge stralingstemperatuur kan het comfortabel zijn als de luchttemperatuur laag is. Andersom kan het in een ruimte met een lage stralingstemperatuur niet comfortabel zijn, ondanks de hoge luchttemperatuur.

5.2 Warmte uitwisseling

De warmte uitwisseling tussen jouw lichaam en de omgeving verloopt door 3 processen:

• Convectie, de warmte uitwisseling van het lichaam met de omringende lucht
• Straling ofwel de warmte uitwisseling tussen oppervlakten in een ruimte met het lichaam
• Evaporatie, het vochtverlies van de huid (dat is niet alleen bij zweten!)

Je kunt je voorstellen bij sporten of andere zware fysieke inspanningen, de evaporatie groot is. Net als bij hoge temperaturen, want dan ga je ook zweten. Als het hard waait of er is een ventilator aan het draaien dan zal warmteverlies ontstaan door convectie.

In een huiskamer, kantoor of werkkamer doen we het fysiek rustiger aan. Daar is de luchtcirculatie en de fysieke activiteit beperkt. De warmtewuitwisseling tussen je lichaam en zijn direct omgeving gaat voor ongeveer 45 procent elektromagnetisch straling. Circa 30 procent gaat via convectie en de rest van de warmte uitwisseling gaat via evaporatie.

5.3 Binnenshuis gevoelig voor stralingstemperatuur

Met bovenstaande getallen in het achterhoofd, is de conclusie dat het lichaam meer gevoelig is voor stralingstemperatuur (45%) dan luchttemperatuur (30%), zeker binnenshuis. Een hoge luchttemperatuur is daarom geen garantie voor thermische comfort.

Ons lichaam is meer gevoelig voor stralingstemperatuur (45%) dan luchttemperatuur (30%), zeker binnenshuis

Direct opwarming van de mens is efficiënter dan het verwarmen van alle lucht in een ruimte, tenzij de ruimte heel erg klein is. Nogmaals, lucht heeft een hoge thermische weerstand en een lage warmte capaciteit en is daarmee een inefficiënt medium voor warmteoverdracht.

5.4 Lage temperatuur en toch thermische comfort hebben

De bovengenoemde hoge efficiëntie van stralingsverwarming kan ook geleverd worden bij een lage lucht temperatuur. En daar ligt een besparingskans. Een lagere lucht temperatuur van 1 graad kan een gas besparing van 7 tot 10 procent opleveren, dus van 2 graden van 14 tot 20 procent.

Stel je gebruikt 2000 kuub per jaar en als je rekent met gasprijs van 1,30 per kuub (september 2023) en je zet de thermostaat structureel twee graden lager, dan bespaar je 280 tot 400 kuub per jaar (€365 – €520).

Door stralingsverwarming lokaal en/of tijdelijk toe te passen (hybride verwarming) kan deze besparing verzilverd worden. Ja de infraroodpanelen werken op stroom, maar onder de streep bespaart het je geld.

6. Je hebt recht op frisse lucht

Convectieverwarming is energie verkwistend maar ook nog ongezond. Door de eerder genoemde luchtcirculatie gaan stof, pollen en ziektekiemen rondzweven. Voor mensen met allergie of astma hebben daar met name last van maar eigenlijk is het voor niemand goed. Daarnaast is gaat de combinatie convectieverwarming en natuurlijke ventilatie slecht samen.

Ventilatie betekent dat lucht ververst wordt, terwijl bij convectie verwarming juist de warmte lucht zo lang mogelijk moet worden vastgehouden. Als je wilt ventileren gaat de warmte naar buiten en alle kieren, ramen en gleuven dichtstoppen doet de natuurlijk ventilatie niet goed.

De luchtkwaliteit is slecht gesteld in vele huishoudens.

De luchtkwaliteit is slecht gesteld in vele huishoudens. De behoefte en noodzaak aan warmte lucht is veelal hoger dan de behoefte aan ventilatie. Uit onderzoek is gebleken dat op maar liefst 80 procent van de leslokalen in Noord Holland geen gezond binnen klimaat heeft. In de Benelux is ook dit onderzocht (door Gezonde Scholen) en dat in 43 procent van de gevallen door de scholen geklaagd wordt over slechte ventilatie. De Corona periode heeft dat zeker verbetering in gebracht, maar ventileren en convectie verwarming zijn tegenstijdige wensen.

6.1 Stralingsverwarming laat de lucht onbewogen

Bovenstaande paradox heeft stralingsverwarming niet. De lucht in ruimte blijft grotendeels onbewogen. Stof en andere (ongewenste) materialen worden niet door de ruimte verspreid. Natuurlijke ventilatie kan gewoon plaats vinden omdat verwarming en ventilatie niet meer van hetzelfde medium gebruik maken: lucht.

De warmte zit met name opgeslagen in de objecten, zoals het plafond, de wanden, meubels, vloeren en de aanwezige mensen. Deze warmte verdwijnt niet direct als het raam wordt opgezet.

’s Nachts koelt de aarde niet direct af als de zon is ondergedoken

In de natuur zie je hetzelfde fenomeen. ’s Nachts koelt de aarde niet direct af als de zon is ondergedoken. De warmte zit niet in de lucht maar in het aardoppervlak. En dat koelt langzaam af.

Dat betekent niet dat er helemaal geen warmte verloren gaat bij stralingsverwarming bij ventilatie. Want de lucht wordt uiteindelijk vertraagd indirect opgewarmd door de straling en die warme lucht verdwijnt natuurlijk ook door het raam. Maar thermisch comfort is eerder aanwezig bij lage omgevingstemperatuur , dus het energieverlies is kleiner in vergelijking met convectie verwarming. Het kost minder energie om meer frisse lucht binnen te laten komen.

7. Infraroodpanelen als stralingswarmtebron

Er zijn verschillende manieren om stralingsverwarming op te wekken. Vroeger werden bijvoorbeeld tegelkachels gebruikt, tegenwoordig zijn het infraroodpanelen in allerlei uitvoering vormen. Infraroodpanelen zijn erg dun (circa 2,5 cm) en lijken op spiegels of schilderijen. Gangbare afmetingen zijn 60 x 60 cm en passen ook in een systeemplafond, maar 60 x 100 cm is ook mogelijk. Grotere afmetingen komen ook voor, maar in grotere ruimtes worden meerdere infraroodpanelen geplaatst.

Het oppervlakte materiaal is veelal metaal (aluminium) en dat is omdat de thermische weerstand zeer laag is en leveren daardoor zeer snel warmte op. Glas en spiegels komt ook veel voor en duurt iets langer op warmte af te geven.

7.1 Infraroodpaneel zuinig dan elektrische kachel

Een elektrische kachel werkt ook volgens het principe van convectieverwarming. Daarom zijn het ook stroom slurpers omdat lucht opgewarmd moet worden. Infraroodpanelen zijn zuiniger omdat

Bovenstaande speelt met name een grote rol waar de isolatie matig is, zoals monumentale gebouwen (kerken, eeuwenoude gebouwen, musea) maar ook huizen die voor 2000 zijn gebouwd. In een goed geïsoleerd nieuwbouwhuis scoort convectieverwarming gelukkig beter.

7.3 De toekomst is hybride verwarming

We komen tot het slot van dit artikel. We komen uit een situatie dat convectieverwarming dominant is in Nederlandse huishouden en kantoren. Maar het is inefficiënte vorm van verwarmen waarbij het lastig is om iedereen tevreden te stellen. Stralingsverwarming is effectiever om zeer gericht – desnoods per persoon – te verwarmen.

Gas is duur en zal nog duurder worden.

Wij denken dat toekomst hybride verwarming is: de combinatie van de CV ketel die een basistemperatuur van ca 17 graden regelt. Lokaal, zoals de keukentafel, zithoek of de werkplek op kantoor kan infrarood verwarming een uitkomst bieden door infraroodpanelen te gebruiken.

Naast het thermische comfort kan het ook een besparing geven op de gasrekening. Gas is duur en zal nog duurder worden. De overheid stuurt de energietransitie door energiebelasting op gas langzaam aan te verhogen en elektra te verlagen Elektriciteit gebruiken heeft de toekomst. Dit is a mogelijk voor elektrische auto’s maar steeds meer door infrarood verwarming!