OliNo

Duurzame Energie

Infraroodpanelen nabij ramen, gaat de infraroodstraling er doorheen of niet?

Geplaatst door Marcel van der Steen in Uitleg
Tags: , , , ,
Geef een reactie

teaser_infraroodstralingVerliesDoorGlasOfNietInfraroodpanelen worden steeds vaker aangeboden als een goedkoper (en comfortabeler) alternatief voor het creëren van een prettig binnenklimaat in je huis of kamers, dan centrale verwarming. Nu snap ik heel goed hoe theoretisch de infraroodpanelen werken en hoe het creëren van een goed binnenklimaat werkt en daar heb ik al een uitleg over gegeven.

Echter ik ben twee partijen in 1 week tegengekomen die veel infraroodpanelen verkopen en die me vertellen dat straling van infraroodpanelen zo door ruiten van ramen gaat naar buiten gaat. Als ik dan zeg dat dat niet klopt dan zeggen beide partijen me dat ze dat geleerd hebben van hun infraroodpaneelfabrikanten. Dat lijkt me onzin, en ik laat in dit artikel zien dat er geen directe infraroodstraling door een gewone ruit heengaat. Ik leg uit hoe warmte wél door een ruit verloren kan gaan, echter dat is een heel ander proces dan dat de infraroodstraling er doorheen gaat.

Infraroodpanelen

ceilingPanelInfraroodpanelen zijn panelen die je, in de meeste gevallen, aansluit aan de elektriciteit (stekker in het stopcontact). De panelen worden warm, ongeveer 90 graden Celcius, en stralen daarmee warmte uit. Als je in de bundel van deze uitgestraalde warmte komt dan voel je dat als mens zijnde. Het is vaak een prettige warmte, een ervaring die vergelijkbaar is met het zitten in de zon.

Nu zijn er panelen die een oppervlaktetemperatuur hebben van ongeveer 90 graden, je hebt er ook van ongeveer 350 graden. Je hebt ook warmtespiralen en die worden zichtbaar rood bij aanstaan, en dat is dan een spiraaltemperatuur van zeg 1500 graden of meer. Die laatste bedoelen we hier niet.

De panelen die 90 graden worden, zijn inzetbaar in gewone huiskamers tegen wanden en tegen plafonds tot wellicht 2.5 meter hoogte. De panelen van 350 graden kunnen ingezet worden bij erg hoge plafonds, bijvoorbeeld 4 meter, of hoge zolders. Of in werkplaatsen op hoogtes vanaf 4 meter. Je moet ze niet per ongeluk aanraken want daarvoor zijn deze laatste te heet.

De straling afkomstig van panelen van 90 graden wordt vaak langegolfstraling genoemd en die van 350 graden wordt vaak kortegolfstraling genoemd. Het is wel zo dat de straling van een paneel van 350 graden een kortere golflengte heeft dan die van 90 graden, echter kijken we naar straling van een gloeispiraal of van de zon (worden zo heet dat ze tevens licht uitzenden) dan is de straling van beide panelen (90 en 350 graden) allebei langgolvig te noemen. We komen hier later op terug, wanneer we uitleggen dat langegolfstraling niet door glas heengaat.

Infraroodstraling door glas of niet?

We hebben bij OliNo een infraroodcamera waarmee we foto’s kunnen maken waarbij de intensiteit van iedere pixel in de foto de temperatuur van dat gedeelte van de foto die de pixel aangeeft.

We hebben als voorbeeld een 75W halogeenlamp aangezet en die even laten opwarmen en daarvan een foto gemaakt. Een gewone foto en daarin een infraroodfoto.

HalogeenlampZijkant_1mvanafRaam

De halogeenlamp van de zijkant gezien. Opgewarmd aan de zijkant maximaal 80 graden. Staat op 1 meter afstand van een raam met dubbel glas (uit 1983, dus niet het allernieuwste van het nieuwste). We gaan de temperatuur van de voorkant van de lamp meten en laten zien, en gaan daarna kijken of we van buiten de straling door de dubbele ruit heen kunnen zien met de infraroodcamera.

HalogeenlampVanVorenGezien

De lamp heeft een maximale temperatuur van 151 graden. Dat is dus flink meer dan de 90 graden van een gewoon infraroodpaneel. De lamp staat 1 meter van de ruit af, een afstand die een dichtbij geplaatst paneel aan de wand of aan het plafond ook al snel zal hebben. We gaan buiten eens een foto nemen:

BuitenGewoneFoto

We staan nu buiten en ik laat eerst de gewone foto zien. Ik heb ook een rechthoek gedefinieerd waar de cursor de maximale temperatuur laat zien, in dit geval 15,5 graden. En die temperatuur ligt buiten de straling van de lamp!! Gemeten in de straling van de lamp is de temperatuur slechts 12 graden! We gaan eens kijken naar het infraroodplaatje (tegelijkertijd genomen door de infraroodcamera).

BuitenIRfoto

Kijk eens naar het resultaat. Ikzelf ben zichtbaar als reflectie in de ruit, en bij mijn hand ligt zo de hoogste temperatuur (glas reflecteert deels de omgeving, vandaar). Tevens zijn bovenaan de twee silhouetten van mijn lantaarns die in mijn tuin staan zichtbaar (daarin zit ledverlichting en die zijn wat warmer dan de omgeving waardoor ik ze zelfs zie in de ruit). De rechthoek waarbinnen de maximale temperatuur wordt gegeven door de cursor ligt op dezelfde plek als in de gewone foto, en je ziet helemaal niets van de gloeilamp. Oftewel, de infraroodstraling van een object van 151 graden op 1 m afstand van een dubbele ruit gaat NIET door de ruit heen, want anders had ik deze moeten zien in dit plaatje!!!

Er komt nu een theoretische uitleg waarom dat niet zo is, en na die uitleg komt weer een experiment om te laten zien dat er wel verlies van warmte door een ruit heen kan gaan en wordt uitgelegd hoe dat in zijn werk gaat.

 Transmissie van standaard glas en de straling van een 90 en 350 graden infraroodpaneel

Theoretisch kan verklaard worden waarom standaard glas niet doorlatend is voor langegolf infraroodstraling, en ook kan uitgelegd worden dat straling afkomstig van een 90 en een 350 graden infraroodpaneel in dit geval moet worden gezien als langegolf infraroodstraling.

Ik heb gezocht naar de eigenschap van glas die vertelt of glas doorlatend is of niet, en dat is de transmissie van glas. We weten dat de transmissie van gewoon glas, voor zichtbaar licht hoog is (dichtbij 1 wat het maximum is). Want we kunnen gewoon door een ruit heenkijken. We weten ook dat voor UV straling een standaardglas bijna niet doorlatend is; we worden nauwelijks bruin als we in zonlicht achter een ruit gaan zitten. Zoekende op internet kom ik erachter dat standaardglas de benaming natronkalkglas (Eng: soda-lime glass of soda-lime silica glass) heeft en dat dit glas voor 90 % van de toepassingen gebruikt wordt: ruiten, glazen servies etc. De transmissie wordt hierbij gegeven.

transmittance-soda_lime-glass-clear

Het gaat dus om natronkalkglas (soda-lime glass clear). Ik laat de golflengtes van een groot gebied zien, van 300 nm tot 4500 nm, en het gaat me vooral om de infraroodstraling, vanaf 800 nm en verder. Je ziet dat de transmissie (doorlating) hoog is tot ongeveer 2,7 micrometer en dan ineens afzakt tot 0.

Het is nu van belang te weten hoe de straling eruit ziet afkomstig van een 90 en een 350 graden paneel, hoe deze straling zich verhoudt ten opzichte van deze doorlaatkarakteristiek en hoeveel procent van de straling van de panelen dan nog door de ruit heen kan gaan.

De straling van een infraroodpaneel is bij benadering te bepalen door ervan uit te gaan dat het infraroodpaneel een zwarte straler is. Dat houdt in een straler die heel efficiënt warmte uitstraalt. De formule die aangeeft hoeveel straling per golflengte uitgestraald wordt is dan de volgende:

formuleZwarteStraler (bron Wiki).

Wat hier van belang is te weten, is dat T de absolute temperatuur is, en we hebben het over een 90 graden paneel (=363 K) en een 350 (=623 K) graden paneel. We kunnen nu de energie die uitgestraald wordt per golflengte, in een grafiek zetten.

TransmittanceSodaLimeEnStraling90En350graden

In de grafiek zien we drie lijnen. De zwart gestippelde is de transmissie van een gewone ruit (soda-lime clear glass) zoals eerder besproken. Daarna de twee grafieken die aangeven hoeveel energie er zit (relatief) in een uitstralingskarakteristiek van een 350 graden en een 90 graden paneel (energie per golflengte). Nu bepalen we het gedeelte dat door het gewone glas heengaat als volgt: we vermenigvuldigen, golflengte per golflengte, iedere stralingsgrafiek met de doorlaatgrafiek en tellen daarna de gevonden waardes op. Zoals is te zien zal dat weinig opleveren voor de 350 graden stralingsgrafiek en nog minder voor de 90 graden stralingsgrafiek. De percentages ten opzichte van het totaal aan energie in de band 0 – 20 micrometer staan aangegeven: slechts 4,3 % van de energie van een 350 graden paneel en 0,2 % van de energie van een 90 graden paneel. Nogmaals:

Slechts 0,2 % van de infraroodstraling van een 90 graden infraroodpaneel gaat door gewoon glas heen!

Slechts 4,3 % van de infraroodstraling van een 350 graden infraroodpaneel gaat door gewoon glas heen!

Dit is verwaarloosbaar. Overigens hebben we het hier over een enkel glas, niet eens dubbelglas wat het meeste wordt gevonden in de huizen van tegenwoordig. We kunnen er dus vanuit gaat dat er nog minder doorheen gaat als langegolfstraling.

 Maar ruiten staan toch bekend om energieverlies?

Een gewone ruit verliest meer energie per oppervlakteeenheid dan een gewone muur, bij gelijk verschil aan binnen- en buitentemperatuur. Echter hoe dat in zijn werk gaat is als volgt: de muur en het glas worden aan de kamerzijde opgewarmd hetzij door warme lucht (centrale verwarming), of door infraroodstraling (infraroodpanelen). Daardoor gaat in zowel de ruit alsook in de muur de warmte langzaam door de ruit en de muur heen richting de koude buitenlucht. De ruit warmt in zijn binnenste op richting de kant van de ruit aan de buitenlucht en zo ook de muur. Een ruit is dunner dan een muur en dus zal bij een ruit eerder de ruit opgewarmd zijn tot het de rand met de buitenlucht bereikt heeft, dan dat een muur dan doet. Het principe van verlies van warmte is bij een muur en een ruit dus hetzelfde: de infraroodstraling gaat er niet doorheen, echter warmt zowel de muur alsook de ruit op, en de muur en ruit warmen verder op totdat ze de buitenlucht bereikt hebben. Daar geven ze hun warmte middels straling weer af.

Een voorbeeld is geforceerd door de genoemde halogeenlamp dichtbij de dubbele ruit te plaatsen. Nu staat er dus een stralingsbron op slechts 10 cm afstand van de dubbele ruit.

HalogeenDichtbijRuit_

Wat zien we hier? Rechts de lamp, en het warmste punt in de eerste rechthoek is bijna 100 graden C. Daarna de ruit die op 10 cm afstand direct aangestraald wordt. Hier is de maximale temperatuur ongeveer 31 graden. En in gebied 3 zien we bijna 43 graden, en dat is omdat glas zo’n 10-15 % weerkaatst van de omgeving. Dus zo’n 10-15 % van de lamp (was ongeveer 150 graden, dus 15 -23 graden) komt bij de temperatuur van de ruit, die op die plek zoals aangegeven in rechthoek 3, best 20 – 25 graden kan zijn.

Nu gaan we naar buiten en daar zien we het volgende.

BuitenBijHalogeenDichtbijDeRuit

Mooi hé? De ruit is opgewarmd en heeft intern de warmte doorgegeven naar de buitenkant van de ruit. Het warmste plekje is bijna 18 graden en de normale temperatuur is ongeveer 12 graden. Het is verlies als gevolg van de interne opwarming en warmtegeleiding van de ruit, en zeker niet doordat de infraroodstraling erdoorheen gaat.

Om dit laatste nog eens aan te tonen, heb ik de lamp een stuk hoger en verderweg van de raam geplaatst. Zie daarvoor het volgende plaatje.

Buitenshot_halogeenweerverwijderdVanhetRaam

Nu zit dus de hotspot onderaan de foto, temperaturen max 17 en normaal rond 11 graden. En kijk nu waar de warmtebron binnen staat.

WarmtebronVerderVanRuitEnVeelHoger

De warmtebron staat hoger op de ruit (en verder). Wat we dus aan warmteplaatje zien is de nog opgewarmde ruit van toen de warmtebron er dichtbij stond. Dat gedeelte ven de ruit is nog warm en straalt zijn energie af naar de omgeving, en de infraroodcamera pikt dat op. De warmtebron staat inmiddels op een andere positie (veel hoger). Hiermee toon ik aan dat het warmteverlies door een ruit die is van absorptie van de warmte door de ruit, opwarming van de ruit zelf en deze opwarming gaat door richting de buitenkant van de ruit, waar de ruit opwarmt en zijn energie uitstraalt naar de omgeving.

Let verder wel, staat de warmtebron op ongeveer 1 meter afstand, dan is het effect niet eens meetbaar.

Conclusie

Een infraroodpaneel van 90 graden of van 350 graden zal zijn straling niet direct verliezen door een gewone ruit heen. Het proces van verlies van warmte gaat middels het opwarmen van de ruit, eerst aan de binnenzijde, en daarna richting de buitenzijde. Aan de buitenzijde straalt de iets opgewarmde ruit zijn energie af naar de omgeving. Is de ruit beter isolerend, zoals HR++, dan zal dit proces langzaam gaan.

Hoe te verwarmen met infraroodpanelen in een serre?

Er werd dus gezegd dat in een (glazen) serre beter niet met infraroodpanelen verwarmd kon worden, want de warmtestraling zou door het glas naar buiten gaan. Dit is dus niet waar! Het is wel zo dat het opwarmen van de ruiten snel gaat en dat de ruiten sneller dan muren hun warmte transporteren naar buiten toe. Het is dus van belang dat de ruiten goed isolerend zijn (bijvoorbeeld HR++) en dat je rekening houdt met iets meer vermogen aan infraroodpanelen dan in een ruimte met veel minder ruiten.

Links

Voorbeelden van IR warmtepanelen.

1267640_AB_02_FB.EPS_1000_IRPaneel

De gebruikte IR camera.

1008455_RB_01_FB.EPS_1000_IRcamera

9 Reacties to “Infraroodpanelen nabij ramen, gaat de infraroodstraling er doorheen of niet?”

  1. roland Says:

    Vreemd verhaal, achter glas voel je infrarood staling van de zon, dat is geen warmtegeleiding, zoals wordt beweerd.

    Om stralingswarmte tegen te houden, wordt het glas steeds vaker van een dun metaallaagje voorzien. Dit type beglazing heet HR-glas. Het laagje metaal is zo dun, dat het nauwelijks waar te nemen is, het laat het zichtbare licht voor het grootste deel door (lichttransmissie LTA circa 79%) Dubbele (HR++) bron: Wikipedia, dubbel glas

  2. mvdsteen Says:

    Roland. Ik ben ban g dat je mijn artikel niet goed gelezen hebt. Kortegolf IR straling, bijvoorbeeld zoals van de zon, gaat wel door normale ruiten heen (zonder specifieke extra reflectielagen, dus gewoon glas). Waar precies staat dat, volgens jou, ik wel gezegd zou hebben dat zonne IR straling niet door een gewone ruit heen zou gaan?

  3. Thomas Says:

    Wat je hier meet is dat er geen straling door de ruit komt die door de IR-meter gedetecteerd wordt.
    Een andere proef is meten hoeveel van de warmte gereflecteerd wordt door de ruit. Dus aan de binnenkant gaan staan en de temperatuur meten. Alweer met de beperking dat dit alleen de straling meet waar de IR-meter gevoelig voor is. Maar hier merk je wel het veschil tussen absorptie (ruit wordt langzaam warm en daar heb je weinig aan) en reflectie (de ruit voelt meteen behaaglijk warm aan).
    Als je dit goed wilt doen heb je een breedbandige energiedetector nodig.

    Een klein proefje met een ‘antieke’ spiegen en een IR pistoolthermometer laat zien dat ik dan de temperatuur van de spiegel meet, en niet van de CV-radiator van 30 graden.

    Zo’n thermometer werkt van 5.5 tot 14 um. Geen idee hoe dat overeenkomt met de energie van zo’n warmtestraler.Maar ook op HR glas meet ik de temperatuur van het glas, niet de reflectie van de CV radiator.

    Maar de warmte zal niet ontsnappen, maar inderdaad de ruit opwarmen. Daar is HR glas voor gemaakt, maar het is ook de verklaring waarom de lenzen op IR-camera’s niet van glas zijn ;)

  4. Marcel van der Steen Says:

    Thomas,
    ik weet niet precies voor welke golflengte(s) mijn IR camera gevoelig is. Alleen hij kan toch onderscheid maken, per pixel van zijn CCD, of het een temperatuur van 0 – 650 graden is, en in een ander bereik va -20-125 graden C. Hij zal wel de intensiteit van de IR straling meten (op iedere pixel), en daar de temperatuur die erbij hoort voor uitrekenen.
    Ik verwachtte op zijn minst iets van een silhouet van de halogeenlamp terug te kunnen vinden, als het zo zou zijn geweest dat de IR straling van een dergelijke halogeenlamp door een dubbele ruit heen zou gaan. En dat is dus niet zo (zoals verwacht).
    Het opwarmen van de ruit heeft ook een doel, namelijk dat het ruitoppervlak aan de binnenkant (de ruimtekant) minder koud is en dus personen nabij deze ruit zullen minder stralingsverlies van hun lichaam naar deze ruit hebben. De IR-panelen warmen zo ook de muren en de vloer op, allemaal om onze stralingsverliezen naar deze oppervlakken om ons heen te beperken.
    Als je praat over het meten van de temperatuur van een spiegel, dan praat je over de temperatuur van het glas van de spiegel zelf. Glas heeft een emissiviteit van ongeveer 0.90, dus ik meet 10 % reflectie en 90 % is echt afkomstig van de ruittemperatuur zelf. Als ik een foto maak van een ruit kan ik makkelijk mezelf zien, en dat is niet omdat de ruit zo heel erg goed reflectert (slechts 10 %) maar omdat het oppervlak zo mooi recht is, en dus kan ik makkelijk mezelf herkennen. De temperatuur die ik meet is dan dus voor 90 % afkomstig van de ruit zelf en voor 10 % van dat lichaamsdeel van mij waar ik de sensor op richt.
    De IR-camera’s hebben zeker geen glas als ingangsvlak, de mijne heeft germanium.

  5. Sjaak Says:

    Toch vraag ik mij dan af waarin de HR++ ruit zich onderscheid. Die metaallaag heeft toch een doel?

  6. Marcel van der Steen Says:

    Als die metaallaag aan de binnenkant van de buitenruit zit, dan snap ik het wel. De binnenruit warmt op door absorptie van warmtestraling en door convectie van warme lucht in de binnenruimte die tegen de ruit aankomt. Daardoor gaat deze binnenruit aan zijn buitenkant ook opwarmen en straalt dan uit, richting de binnenkant van de tweede ruit. Doordat die een metaal-achtige laag heeft kaatst die vooral de langegolf IR straling van de buitenkant van de binnenste ruit terug. Hier zit dan je voordeel. De binnenkant (naar binnengerichte kant) van de buitenste ruit absorbeert zo veel minder de straling afkomstig van de buitenkant van de binnenste ruit.

  7. Jan Tjemme van Wieringen Says:

    Bij correcte plaatsing van HR glas zit de warmtereflecterende coating (metaallaag met lage emissiviteit) op de spouwzijde van de binnenruit (dat heet positie 3 bij glasbedrijven omdat ze het eerste glasoppervlak van buitenaf positie 1 noemen). Zo straalt de warme binnenruit de minste infraroodstraling uit naar het gas in de spouw en de koude buitenruit. De positie van de warmtereflecterende coating is gemakkelijk te ontdekken: als je in huis een vlammetje op circa 10 cm van het glas houdt, zie je vier gereflecteerde vlammetjes: drie gele en 1 met iets afwijkende kleur (rose blauw of groen). Van binnenuit gezien is dit meestal het tweede vlammetje (de reflectie van positie 3 van buitenaf gezien).

  8. J.P. Janssen Says:

    Goed stuk, ik ging er ook vanuit dat een groot deel van de straling verloren zou gaan

    @Jan Tjemme Precies zoals ik het al eens ergens gelezen heb.

  9. Marcel van der Steen Says:

    In navolging van opmerking 3, waarin een IR meter bepaalde straling kan detecteren en andere mogelijk niet, ben ik eens gaan uitzoeken hoe een IR meter meet.
    Ik kom op het volgende: de sensor, die achter de Germanium lens zit, heeft een gevoeligheidsbereik van 8 – 14 micrometer. Dus alleen straling in dit gebied is waar de sensor gevoelig is. Deze gevoeligheid zal niet constant zijn over dit spectrale gebied van 8 – 14 micrometer, maar we gaan er wel vanuit dat deze spectrale gevoeligheid bekend is van deze sensor. Zo weten we dus voor iedere pixel hoe gevolig deze is voor straling uit het golflengtegebied van 8 – 14 micrometer. Als nu een voorwerp een bepaalde temperatuur heeft dan hoort hierbij een enerieuitstraling die past bij de temperatuur van het voorwerp en die past bij de emissiviteit van het oppervlak van dit voorwerp. In feite gaat de IR-camera ervan uit dat het voorwerp een energieuitstraling heeft zoals die van een zwarte straler echter met een bepaalde efficiëntie die onder de 1 ligt (de emissiviteit), dus een grijze straler.
    Deze energieuitstraling is voor een voorwerp met bepaalde emissiviteit dus bekend en te berekenen. Doordat de spectrale gevoeligheid van een pixel van de sensor bekend is, kan berekend worden per voorwerp van een bepaalde temperatuur welke waarde als uitkomst resulteert van de vermenigvuldiging van het gevoeligheidsspectrum van de pixel/sensor en het energie-uitstralingsspectrum van het voorwerp. Deze berekeningen kunnen worden opgeslagen in een interne tabel in de IR-camera. Zodra nu een bepaalde meetwaarde wordt gevonden per pixel, kan dit worden gecorrigeerd naar de ingegeven emissiviteit (omrekenen naar niveau zwarte straler) en in de interne tabel opgezocht worden welke temperatuur bij die resulterende waarde hoort.
    Nu is dus de aanname dat een voorwerp dus een afstraalprofiel heeft van een grijze straler (is die van een zwarte straler maar dan een bepaald constant niveau minder). Echter zou je een bepaald voorwerp hebben van een bepaalde temperatuur, maar je zou die straling dan deels wegfilteren door gebruik van een bepaalde filterlaag, dan resulteert straling die er kwa spectrale vorm niet meer uitziet als die van een grijze straler en dus is de meetmethode van een IR camera niet meer correct.
    Dus in het geval van een lamp van 150 graden, die achter een ruit staat, dan kan de ruit een gedeelte van de straling van de lamp van 150 graden wegfilteren/blokkeren en een gedeelte doorlaten. Die straling die dan doorgelaten wordt kan goed ver buiten het gevoelige spectrale gebied liggen van de sensor van de IR-camera (8-14 micrometer) en dus door de IR camera niet meetbaar. Maar er kan dus wel degelijk straling zijn, die dan afkomstig zou zijn van de warmtebron (de lamp) en deels weggefilterd door de ruit. Of dit echt zo te verwachten is, wordt dan weer duidelijk in de theoretische beschouwing van dit artikel, waar de transmissie van gewoon glas nul is bij golflengtes boven de 2.7 micrometer. Door dan de spectrale energieuitstraalgrafieken te bepalen voor warmtebronnen van 90 en 350 graden is te zien dat er bijna geen straling wordt afgegeve kleiner dan 2.7 micrometer.
    Dus, de IR meter kan wel degelijk gefilterde straling niet meten, en dus dan zou er toch verlies door de ruiten zijn die de IR camera niet meet.

Geef een reactie

 

WP Theme & Icons by N.Design Studio
Gebruiksvoorschriften | Privacybeleid Adverteren Entries RSS Comments RSS Log in