redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

25
WWW.REDWELL.COM REDWELL COMPARISON STUDY 2010 Redwell Infrared-Heater in comparison to conventional Heater In cooperation with ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI LABORATORY OF HEAT TRANSFER AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING REDWELL MANUFAKTUR GmbH is proud to present the results of the Comparison Study developed by the ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI and wants to confirm the results herewith. Hartberg, Dezember 2010 © Copying the report is forbidden. Also the usage of parts of the report , especially in connection with wrong and distorted facts is not allowed. (Version 1.2) General Manager REDWELL MANUFAKTUR GMBH Am Ökopark 5, A-8230 Hartberg Phone: +43 3332 61105 offi[email protected]

Upload: raclausschmidt

Post on 19-Sep-2014

78 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

WWW.REDWELL.COM

REDWELLCOMPARISON STUDY 2010Redwell Infrared-Heater in comparison to conventional Heater

In cooperation with ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI LABORATORY OF HEAT TRANSFER AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING

REDWELL MANUFAKTUR GmbH is proud to present the results of the Comparison Study developed by the ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI and wants to confi rm the results herewith.

Hartberg, Dezember 2010© Copying the report is forbidden. Also the usage of parts of the report , especially in connection with wrong and distorted facts is not allowed. (Version 1.2)

General Manager REDWELL MANUFAKTUR GMBH

Am Ökopark 5, A-8230 HartbergPhone: +43 3332 61105offi [email protected]

Page 2: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

HELLENIC REPUBLIC LABORATORY OF HEAT TRANSFER AND SCHOOL OF ENGINEERING

ENVIRONMENTAL ENGINEERING Professor Dr.-Ing. Agis M.Papadopoulos

ARISTOTLE Phone: +30 2310 996015 Fax: +30 2310 996012 Thessaloniki, 26/11/10 UNIVERSITY e-mail: [email protected]

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

THESSALONIKI URL: http://aix.meng.auth.gr Ref. No: 385/10 ENERGY SECTION

 

 

A preface to the study 

 

The construction branch accounts the most for the energy and resources consumption amongst all 

other branches in Europe, whilst it produces significant amounts of demolition waste, without being 

very efficient in its reuse and recycling. 

A huge potential  lies, however, precisely  in  this  situation,  as  the branch presents  the  single most 

important potential for a sustainable approach of the anthropogenic environment.  

It  is of  interest  to notice,  that almost  forty years after  the  first oil crisis, space heating demand of 

residential  buildings  remains  the most  interesting  field  to  save  energy.    In  addition  one  cannot 

neglect  to  consider  the  issues  of  thermal  comfort  and  indoor  air  quality,  which  are  far  more 

important  today  than  they  used  to  be  thirty  years  ago,  as  they  are  tightly  linked  to  the  energy 

performance of buildings and, reasonably enough, to their operational expenses. 

The evaluation of space heating systems, and therefore also of  infrared radiative systems  is,  in this 

line of approach, a necessity. 

It  is  not  an  easy  task,  as  the  evaluation  of  heating  power  and  efficiency  of  radiative  systems  is 

depending  to  a much  larger  extent  on  parameters  like  the  quality  of  the  building  shell’s  thermal 

insulation and  its thermal storage capacity, as well as on the control and regulation of the systems, 

compared to the one of conventional, convective systems. The lack of respective EN standards does 

not make this task easier. 

The  research  project  „Evaluation  of  Redwell  Infrared  Heating  Systems”,  was  carried  out  in  the 

Laboratory  of  Heat  Transfer  and  Environmental  Engineering,  at  the  Mechanical  Engineering 

Department of the Aristotle University of Thessaloniki, funded by Redwell Manufaktur GmbH and in 

the period between May 2009 and July 2010. The evaluation was based on a life cycle approach and 

on the comparative consideration of the most popular space heating systems. 

 

Considering their energy efficiency, Redwell  Infrared heating systems are efficient and effective, as 

one  can deduce  from  the  comparison between  those  and  conventional  systems. Redwell  systems 

SCHOOL OF ENGINEERING ■ BOX 483 ■ ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI ■ GR-541 24 THESSALONIKI ■ GREECE

Page 3: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

rank amongst  the  leading ones,  considering  their primary energy demand and  their eco‐efficiency 

over  the  systems’  life  cycle.  The  same  applies with  respect  to  the  operational  expenses  and  the 

feasibility of the systems considered, with Redwell systems being highly competitive. 

 

When it comes to thermal comfort, one cannot fail to notice the clear advantage of Redwell systems, 

compared  to  conventional heating  systems with  convective  baseboard heaters, provided  that  the 

building shell is well thermally insulated. 

 

Finally, one can only stress  the necessity  for a European EN standard on  infrared radiative heating 

systems, within the umbrella of the space heating systems standard, in order to be able to evaluate 

these  efficient  systems  correctly  and  fairly  and  in  a  way  conforming  to  the  demands  set  by 

contemporary regulations like the German EnEV 2009. 

 

For the effective co‐operation within this project we would like to thank the managing director of the 

Redwell Manufaktur GmbH company, Mr. Michael Buschhoff, as well as the head of distribution DI 

Mr. Werner Erhart.  

 

For  the elaboration of  this study  I would  like  to  thank  the staff members of our Laboratory and  in 

particular: 

Dipl.‐Ing. Alex Adam (Mr.) 

Dr.‐Ing. Dimitrios Anastaselos (Mr.) 

Dr.‐Ing. Simos Oxizidis (Mr.) 

Dipl‐Ing. Ifigeneia Theodoridou  (Ms.) 

Thessaloniki, November 2010 

 

 

Professor Dr.‐Ing. Agis M. Papadopoulos 

SCHOOL OF ENGINEERING ■ BOX 483 ■ ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI ■ GR-541 24 THESSALONIKI ■ GREECE

Page 4: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

 

Contents

Contents  2

Task  3

Objectives  3

1. Objectively comparable parameters  3

2. Comparison to conventional heating systems  3

3. Re‐definition of a category for REDWELL Infrared Heaters  3

Fundamentals for the calculation  4

1. Norms and regulations  4

2. Methodology of the EnEV  5

3. Expenditure factor for REDWELL Infrared Heaters  5

4. Heating Systems Examined  8

5. Test object  8

Results  10

1. Evaluation of the tested REDWELL Infrared Heaters  10

Energy evaluation  10

Comprehensive evaluation of the different heating systems  10

Most important operational aspects  10

2. Adjusted utilization factors of the different heating systems  11

3. Primary energy use of the different heating systems  11

4. Life cycle Analysis and eco‐efficiency  12

5. Feasibility Study  13

6. Thermal comfort  19

Summary  23

Conclusion  23

Page 5: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

3  

Task In the context of a research project, our laboratory was asked by REDWELL MANUFAKTUR GmbH to 

conduct a comprehensive analysis and test the "REDWELL Infrared Heating Systems" and compare 

them to traditional conventional heating systems  (direct electrical, oil, gas and heat pump heating 

systems). This study should also be considered as a recommendation to the political decision makers 

(minister of the environment) and/or European energy offices to view the REDWELL infrared heaters, 

based on their excellent overall characteristics, not as an electrical direct heater but as a distinctive, 

re‐defined heating system. 

Objectives

1. Objectively comparable parameters 

The evaluation of the REDWELL infrared heaters is to be made based on the objectively comparable 

following parameters: 

Efficiency  (primary  energy  demand,  capacity  and  performance,  GWP  (Global  Warming 

Potential)) 

Cost effectiveness (purchase , installation and running costs) 

Quality (fabrication, materials, warranties) 

Thermal comfort (comparable key figures) 

Environmental impact 

2. Comparison to conventional heating systems 

All parameters analyzed are compared by using the heating systems mentioned below: 

Direct electrical heating 

Oil fired heating 

Gas fired heating 

Air‐to‐water heat pump and water‐to‐water heat pump (combined with underfloor heating) 

Integrated system featuring hot water preparation by solar thermal systems 

Integrated system featuring with photovoltaic system for power generation 

3. Re‐definition of a category for REDWELL Infrared Heaters 

The  laboratory  results  and  practica Microsoft Office Outlook.lnk l  field  trials  show  the  specific 

position of the REDWELL infrared heaters and the necessity of a re‐definition for a completely new 

heating system category. 

Page 6: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

4  

 

Fundamentals for the calculation

1. Norms and regulations 

The  calculations were  carried out based on  the  following  norms  and  regulations, with  their most 

important boundary values used being the following: 

• EnEV 2009 (Energy Conservation Regulation 2009) 

The calculations were made according to the requirements of the EnEV, part 4 (facilities for heating, 

cooling  and  room  ventilation  technology  as well  as hot water  supply)  under  consideration  of  the 

default values as defined  in appendix 1  (§3 and §9)  requirements  for residential buildings and 2  (§4 

and  §9)  requirements  for  non‐residential  buildings  and  based  on  DIN  4701.  The most  important 

norms and regulations of the EnEV used, are: 

DIN V 18599, part 1 to 10, Energy analysis of buildings 

DIN V 4108‐6:2003, Calculating the annual heating and annual heating energy use 

DIN V 4108‐2:2003, Minimum requirements for thermal protection 

DIN V 4701‐10:2003, Energy analysis of heating and ventilation systems 

DIN V 4701‐12:2004, Energy analysis of heating and ventilation systems in existing buildings 

DIN EN 832:2003, Calculation of  the heating energy use, residential buildings 

DIN  EN  ISO  6946:2003,  Building  components  and  building  elements ‐  Thermal  resistance  and  thermal 

transmittance 

DIN EN ISO 13789:1999, Specific transmission heat loss coefficient 

DIN EN ISO 13370:1998, Heat transfer via the ground 

DIN EN ISO 10077‐1:2000, Thermal performance of windows, doors and shutters 

EN 13790 Energy Conservation Regulation 13790 

Thermal comfort evaluated according to EN‐ISO 7730 and ASHRAE 55 

Calculations for climatic conditions of Thessaloniki, Greece 

Simulation for climatic conditions of different European climatic regions. 

 

REDWELL Infrared Heater 

• Wall  system, 900 W output, 90%   emitted by  radiation,  10% by  convection,  temperature  

differential of 0,5 to 2°C 

Convective Systems 

• Fuel oil fired system with a feed temperature of 70°C and a 20 °C temperature drop. Mean 

annual performance coefficient 85% 

 

Page 7: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

5  

2. Methodology of the EnEV 

The following demonstrates the methodology of the EnEV, the necessity of the expenditure 

factor ep and highlights the essential data used. 

 

 

Figure 1. Methodology of the EnEV (Energy Conservation Regulation) 

 

 

3. Expenditure factor for REDWELL Infrared Heaters 

The expenditure factor ep  is determined according to DIN 4701‐10 and  is generally determinable 

based on standard values. The methods described here allow a consideration of device‐specific key 

values which are mentioned in the production manuals. 

A  part  of  the  research  project was  to  determine,  that  a REDWELL  infrared  heater  can  achieve  a 

higher  output  than  theoretically  possible,  regarding  the  installed  electrical  power,  and  this 

conforming to DIN. This can only be shown in comparison to conventional convective heating in two 

ways: 

a) by evaluating the heating of the building shell and the interacting radiation of the walls. 

b) by evaluating the better  thermal comfort, which  leads  to a reduction of  the air  temperature 

and therefore lower energy use. 

These methods allow a consideration of device‐specific key values, but  it  is necessary  to  take  into 

account that both factors are building‐dependent: 

The expenditure factor ep influences the primary energy use, viz.:  ep = Qp/(Qh+Qw) 

 

Page 8: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

6  

1. They depend on the insulation (Um or km). 

2. They depend on the surface materials (radiative emission and absorption factors α and ε). 

3. They depend on the thermal inertia of the building’s shell. 

4. They depend on the ratio of ventilation to transmission losses. 

 

Those  four  relations  can principally be determined mathematically as well as experimentally.  It  is 

necessary  to achieve  the highest accuracy, but also  to provide generally applicable  results and not 

ones reduced to specific applications.  In this sense a combination of measures and calculations has 

been used with the aim to sustain the  integrated comparison of a conventional convective heating 

system and a REDWELL infrared heater with regard to thermal comfort and energy use. 

 

i. A space heating with REDWELL infrared heaters heats surfaces of spatial boundaries as well as 

the objects  in  the  room and not directly  the air of  the  room. Compared  to  this, a  convective 

heating system heats the total air of the room, which leads to a higher installation power of up to 

+32%. 

ii. With space heating by REDWELL  infrared heaters, the room‐boundary surfaces are heated and 

thereby the heat storage capacity of the building elements are exploited and the heat losses due 

to ventilation are significantly lower. As a result, the installation power capacity can be rated by 

up to 35% lower, compared to conventional, convective heating systems. 

iii. As wall surfaces generally have a higher surface temperature, comparable good thermal comfort 

conditions occur at up to 3,5°C lower air temperature values, in comparison to the convectional 

heating systems.  If there  is effective regulation of the heater through the air temperature, the 

result is a difference between the installation power capacity and the real running time of up to ‐

7%. 

iv. As all of  these  results are strongly determined by  the building dependent  factors  (1)  ‐  (4),  the 

conclusion  is  that  the  in‐put generation  for  the  room heating  ("factor power  in‐put" or  "factor 

energy  expenditure"  in  the  calculation  according  to  EnEV  can  only  be  expressed  as  their 

functions.  From  the  arithmetic  results  one  can  conclude,  that  for  a  typical  insulated  building 

according to EnEV 2009, with a heated volume per heater of up to 100 m³ (ca. 40m²), the factor 

power  in‐put or expenditure factor ep    is valued 0,65. With very well‐insulated buildings (k<0,2 

W/m²K) there are ep –values of 0,55 and lower achievable.  

 

 

 

 

 

 

Page 9: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

7  

The simulations carried out resulted  in the array of curves depicted in the following figure 2, where 

the  dependence  of  the  energy  efficiency  value  ep    on  the  in‐put  generation  (correlates with  the 

thermal transmittance as relation of the influence of the insulation) and the room’s area ( with a very 

sensitive thermostat) has been calculated. 

 

Figure 2. Expenditure factor ep in dependence on the heated surface and the thermal    transmittance  

In this line of thought the following calculations of the primary energy use and the expenditure factor 

for room heating with REDWELL infrared heaters can be approached with the aforementioned 

values of power in‐put, corresponding to the requirements of EnEV, in a sound and reliable way.

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

12 15 20 25 30 35 40

Beheizte Flaeche pro Heizkoerper [m2]

0,28 0,3 0,33 0,35 0,4 0,45 0,5

Ein

gan

gsl

eist

un

g

WaermdurchgangskoeffizientHeated area per heater (m2)

Thermal transmissivity

 

Page 10: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

8  

4. Heating Systems Examined 

The next table (table 1) shows the scenario to be analyzed for the building (construction year 1970). 

Table 1. Parametrical analysis ‐ scenario for the study ‐ construction year 1970 

 

Scenario  Insulation  Windows Conden‐

sing boiler 

RED WELL  infrared heaters 

solar collectors 

photo voltaic system 

0  Basis (old  oil‐boiler)  yes  yes  old  no  no  no 

1  REDWELL infrared heaters 

EnEv09  EnEv09  no  yes  no  no 

2  REDWELL infrared heater + solar collectors 

EnEv09  EnEv09  no  yes  yes  no 

3  REDWELL infrared heater + solar collector + PV plant 

EnEv09  EnEv09  no  yes  yes  yes 

4  air‐to‐water heat pump with underfloor heating 

EnEv09  EnEv09  no  no  no  no 

5  water‐to‐water heat pump  with underfloor heating 

EnEv09  EnEv09  no  no  no  no 

6  direct electrical heating  EnEv09  EnEv09  no  no  no  no 

7  new oil boiler  EnEv09  EnEv09  no  no  no  no 

8  new oil boiler + solar coll.  EnEv09  EnEv09  no  no  yes  no 

9  new gas boiler  EnEv09  EnEv09  no  no  no  no 

10  new gas boiler + solar collectors 

EnEv09  EnEv09  new  no  yes  no 

5. Test object 

For the life cycle analysis of the building, the CML 2001 method (CML 2 baseline method, 2001) was 

used.  The  calculations were  carried  out with  the  software AKZ  Simapro  (PRé Consultants,  2009) 

version  7.1 whereby Ecoinvent Software  version 2.1  served as databank. The  twin  family house  is 

situated in an urban area, in central Germany, in Frankfurt am Main (figure 3). According to this, the 

climatic data of Frankfurt am Main have been used (table 2). 

Position "Frankfurt am, Main", [N 50°  2'] [E   8° 36'] required indoor temperature = 19.0 °C 

 

Table 2. Data for the dimensioning of the heating systems Source: "Climate Design Data 2009 ASHRAE Handbook" 

 maximal 

temperature [oC] 

day temperature [

oC] 

wind speed [m/s]  wind direction 

heating period  ‐10.5  0  3.2  30 

cooling period  30.8  10.6  3.7  210 

Page 11: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

9  

  

 

 Figure 3. Views of the twin family house analyzed 

 Table 3. Typical building components and their U‐values for a building of the seventies   Construction year 1970 

Construction component 

construction (from outside to inside)  U‐values [W/m2K] 

external wall  • plaster mortar of lime • armed concrete • lime or cement plaster 

3,69 

cellar ceiling  • min. impact noise insulation • concrete pavements, ribbed slab or steal stone slab 

1,59 

flat roof  • lime plaster • steal stone slab tv 600/190 • lime or cement plaster 

2,12 

inclined roof  • lime plaster • wood fibre board • air layer ventilated • support batten • counter batten • roofing 

1,51 

windows  2‐pane insulating glazing wooden frame without thermal insulation  4,3  

Page 12: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

10  

Results

1. Analysis of the tested REDWELL Infrared Heaters 

Energy evaluation 

For  the optimization of  the REDWELL heaters and  for  the  study of  the operational  scenarios,  the 

building was dynamically simulated with the software Energy Plus.  In practical test runs at a mean 

surface  temperature  of  about  95°C  on  the  REDWELL  infrared  heaters,  a  constant  radiation 

percentage  of  90% was measured.  This  occurred  by measuring  the  electric  input  power  and  the 

resulting difference to the calculated radiation power based on measuring the surface temperature. 

This difference represents the convective part of the system. 

Comprehensive evaluation of the different heating systems 

For the  lifecycle analysis of the building the CML 2001 method (CML 2 baseline method, 2001) was 

used. The calculations occurred with the software AKZ SimaPro (PRé Consultants, 2009) version 7.1 

and Ecoinvent Software version 2.1 served as databank. 

The most important operational aspects 

Building shell 

The building  shell was  recalculated by achieving  the  reference values of  the EnEV  for  the  thermal 

transmittance with the help of an external thermal  insulation composite system  (ETICS). Based on 

this, the external construction elements were  insulated, so that the requirements of the EnEV were 

fulfilled. 

Heating Systems 

In each of the different variations the old oil‐fired boiler was replaced by a new boiler (oil or gas fired 

one) with better efficiency, or by an electrical direct heating, a hot pump heating or by a REDWELL 

infrared heater. 

Renewable Energies 

To  reach  the best  result  regarding energy and environmental efficiency,  the heating systems were 

combined  with  renewable  energy  systems.  These  are  photovoltaic  systems  to  support  the 

generation  of power  in  operating REDWELL  infrared  heaters  and  solar  thermal  collectors  for  the 

water heating. 

 

Page 13: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

11  

2. Adjusted utilization degrees of the different heating systems 

The results for the building of the year 1970 with regard to the efficiency and utilization degrees are 

shown in table 4. 

Table 4.  Degrees of efficiency and utilization of the systems and the resulting  expenditure factors 

 

 Scenario 

degree of efficiency 

degree of utilization  

expenditure factor ep 

0  Basis (old oil boiler)  0.85  0.85  1.18 

1  REDWELL infrared heater  1.00  1.54  0.65 

2  REDWELL infrared heater + solar collectors  1.00  1.54  0.65 

3  REDWELL infrared heater + solar collectors + photovoltaic plant 

1.00  1.54  0.65 

4  air‐to‐water heat pump with floor heating  2.5  (COP)  2.5   0.40 

5  water‐to‐water heat pump with underfloor heating 

3.5 (COP)  3.5   0.29 

6  direct electrical heating  1.00  1.00  1.00 

7  new oil boiler  0.94  0.94  1.06 

8  new oil boiler + solar collectors  0.94  0.94  1.06 

9  new gas boiler  0.95  0.95  1.05 

10  new gas boiler + solar collectors  0.95  0.95  1.05 

  

3. Primary energy use of the different heating systems 

Using the table 5 below, one can see that only new gas‐ or oil‐fired boiler systems achieve a better 

total energy requirement then REDWELL infrared heaters. In combination with regenerative energy 

systems  (solar collectors and photovoltaic)  the  lowest primary energy use with REDWELL  infrared 

heaters is achieved. Direct electric heating or air‐to‐water heat pumps consistently achieve between 

+20 to +40% higher primary energy use compared to REDWELL infrared heaters. 

The primary energy factor, which depends on each country’s energy mix, has an important influence 

on the calculation of the heat and hot water requirements. Interacting between this primary energy 

factor and  the energy expenditure  factor, as well as  the utilization degree of  the system one gets 

from  the heat demand  to  the primary energy demand, which  is directly  comparable between  the 

different systems. 

Qp = (Qh+Qw) * ep . 

Page 14: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

12  

 

Table 5. Primary energy use basis Germany for the building of 1970.  

Scenarios 

heat require‐ment QH 

primary energy factor 

Germany 

hot water requirement 

Qw 

primary energy factor 

Germany 

primary energy 

requirement Qp 

kWh/m2a  fp  kWh/m

2a  fp  kWh/m

2a 

0  Basis (old oil boiler)  327.59  1.15  12.58  2.70  401.4 1  REDWELL infrared heater  152.64  2.70  12.28  2.70  107.2 2  REDWELL infrared heater + solar collectors  113.85  2.70  0.00    74.0 

3 REDWELL infrared heater + solar collectors + photovoltaic system 

41.54  2.70  0.00  2.70  27.0 

4 air‐to‐water heat pump with underfloor heating 

341.72  2.70  12.28  2.70  141.6 

5 water‐to‐water heat pump with underfloor heating 

369.10  2.70  12.28  2.70  110.6 

6  direct electrical heating  133.92  2.70  12.28  2.70  146.2 7  new oil boiler  69.51  1.15  12.28  2.70  86.7 8  new oil boiler with solar collectors  50.57  1.15  0.00  2.70  53.6 9  new gas boiler  67.62  1.15  12.28  2.70  83.9 10  new gas boiler with solar collectors  48.38  1.15  0.00  2.70  50.8 

4. Life cycle analysis and eco‐efficiency 

To get a directly comparable  result between  the different  scenarios,  the evaluation  factors  (costs, 

primary  energy  use  and  eco‐efficiency)  need  to  be  normalised.  One  can  obtain  comparable 

conclusions according  to  table 6 only with  the  right corrector  factors. These are defined as a non‐

dimensional value  ‐ performance  (life cycle)  ‐ where the smallest value represents the overall most 

favourable  heating  system.  The  calculation  of  the  performance  (life  cycle)  is  done  with  the 

aforementioned  Software  AKZ  SimaPro  (PRé  Consultants,  2009)  version  7.1  and  the  data  bank 

Software Ecoinvent version 2.1. This one takes into consideration the whole life cycle of the systems 

used ‐ from production and operation, to maintenance, disassembly and disposal. 

Table 6. Results of the eco‐efficiency for the 1970 building 

Scenario Primary energy use 

GWP (Global Warming Potential) 

Performance (life cycle) 

kWh/m2a  kg CO2 eq  ‐ 

0  Basis (old oil boiler)  401.4  35,320  267.6 

1  REDWELL infrared heater  107.2  8,059  89.4 

2 REDWELL infrared heater + solar collectors 

74.0  5,570  68.1 

3 REDWELL infrared heater + solar collectors + photovoltaic system 

27.0  2,030  36.8 

4 air‐to‐water heat pump with underfloor heating 

141.6  8,323  92.3 

5 water‐to‐water heat pump with underfloor heating 

110.6  10,654  112.6 

6  direct electrical heating  146.2  11,000  115.3 

7  new oil boiler  86.7  8,618  86.1 

8 new oil boiler with solar collectors 

53.6  5,124  66.1 

9  new gas boiler  83.9  7,040  74.5 

10  new gas boiler with solar collectors  50.8  4.547  53.0 

Page 15: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

13  

 

In  table  6  it  becomes  evident  that  only  the  gas‐fired‐heating  system  (new  gas  boiler)  achieves  a 

better performance  factor of approx. 5%  in comparison to the REDWELL  infrared heater. All other 

heating  systems,  such  as  air‐to‐water  heat  pump,  direct  electrical  heating  and  oil  boiler  are 

definitively less favourable compared to the REDWELL Infrared Heating System. 

5. Feasibility Study  

Based  on  the  tables  7  and  8,  in which  the  costs  of  the  different  systems  are  shown  both  for  a 

renovation and for  a new construction, the feasibility study for these systems was carried out (fig. 4‐

8). 

The following marginal conditions represent the base for the calculation of feasibility: 

Energy costs status: April 2010, Germany 

Inflation rate: 1.5 % 

Capital costs: 2.0% 

Observation period : 20 years (projection of the operative costs for 20 years) 

Saving  always  relative  to  the  old  oil  boiler  (no  additional  insulation  measurements 

considered) 

  

Page 16: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

14  

Table 7. Cost description  ‐ renovation scenario ( in EUR)                 Scenarios 

 Redwell heaters 

Redwell heater + solar 

collectors 

Redwell heater + solar 

collectors + photovoltaic 

system 

air‐to‐water heat pump 

 water‐to‐water 

heat pump 

direct electrical heating 

new oil boiler 

new oil boiler + solar collectors 

new gas boiler 

new gas boiler + solar collectors 

Investment costs (one‐time) 

 

Heater  14,500  14,500  14,500  18,000  21,000  9,500  4,000  4,000  4,500  4,500 

Conduit for underfloor heating 

‐  ‐  ‐  11,500  11,500  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Installation solar collectors 

‐  12,000  12,000  ‐  ‐  ‐  ‐  12,000  ‐  12,000 

Installation photovoltaic 

‐  ‐  24,500  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Total investment costs 

14,500  26,500  51,000  29,500  32,500  9,500  4,000  16,000  4,500  16,500 

Running costs (ongoing) 

 

Plus energy costs  photovoltaic system 

‐  ‐  9,100  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Energy costs 0.193 €/kWh 

0.193 €/kWh  0.193 €/kWh  0.193 €/kWh  0.193 €/kWh 0.193 €/kWh 

0.63 €/l  0.63 €/l  5,5 cent/kWh  5,5 cent/kWh 

Maintenance costs  ‐  100 €/year  200 €/ year  100 €/ year  100 €/ year  ‐  150 €/ year  250 €/ year  150 €/ year  250 €/ year 

Total running costs 

3,132  2,164  ‐6,936  4,140  3,234  4,275  3,044  1,524  2,904  1,335 

Total over 20 years  ‐88,002  ‐79,649  107,467  ‐129,016  ‐109,751  ‐111,828  ‐78,972  ‐57,634  ‐76,186  ‐53,709 

 

Page 17: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

15  

Table 8. Cost description – New construction scenario (in EUR)                 Scenarios 

  Redwell heater 

Redwell heater + solar 

collectors 

Redwell heater + solar 

collectors + photovoltaic 

system 

air‐to‐water heat pump 

water‐to‐water heat 

pump 

direct electrical heating 

new oil boiler 

new oil boiler + solar collectors 

new gas boiler 

new gas boiler + solar collectors 

Investment costs (one‐time) 

 

Heater  14,500  14,500  14,500  18,000  21,000  9,500  4,000  4,000  4,500  4,500 

Conduits  ‐  ‐  ‐  ‐   ‐  ‐  8,500  9,000  8,500  9,000 

Radiator  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  4,200  4,200  4,200  4,200 

Conduit for underfloor heating 

‐  ‐  ‐  11,500  11,500  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Heating room + chimney 

‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  6,000  6,000  6,000  6,000 

Installation of solar collectors 

‐  12,000  12,000  ‐  ‐  ‐  ‐  12,000  ‐  12,000 

Installation photovoltaic 

‐  ‐  24,500  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Total investment costs 

14,500  26,500  51,000  29,500  32,500  9,500  22,700  36,200  23,200  35,700 

Running costs (ongoing) 

 

Plus energy costs  photovoltaic system 

‐  ‐  9,100  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Energy costs 0.193 €/kWh 

0.193 €/kWh  0.193 €/kWh  0.193 €/kWh  0.193 €/kWh 0.193 €/kWh 

0.63 €/l  0.63 €/l  5.5 cent/kWh  5.5 cent/kWh 

Maintenance costs  ‐  100 €/year  200 €/ year  100 €/ year  100 €/ year  ‐  150 €/ year  250 €/ year  150 €/ year  250 €/ year 

Total running costs 

2,261  1,560  ‐8,311  2,500  2,368  3,521  2,493  1,358  2,171  1,128 

Total over 20 years  ‐67,577  ‐65,470  139,756  ‐98,512  ‐89,429  ‐92,140  ‐84,729  ‐73,449  ‐60,477  ‐48,842 

Page 18: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

16  

In the tables 7 and 8 one can see that REDWELL infrared heaters are considerably more cost effective 

in the renovation scenario than heat pumps or direct electrical heating systems. Here again only oil‐ 

and  gas‐fired  boilers,  running  on  fossil  fuels,  are  cheaper.  In  the  new  construction  scenario, 

REDWELL infrared heaters are by far the cheapest total alternative (purchase and running costs); in 

interaction with photovoltaics one can achieve high total returns due to the electricity sales, much 

higher than with all of the other heating systems. 

The performance reduction of heat pumps, with  increasing  lifetime has been considered, as well as 

the  loss  of  efficiency  of  all  other  studied  systems.  Therefore  another  important  advantage  of 

REDWELL infrared heaters becomes evident: the constant, maintenance‐free and constant over their 

lifetime performance. 

Regarding the running costs of the different heating systems for the building, they are shown in the 

following figures. Smaller values correspond to better performance and  indicate a more favourable 

system (fig. 4 to 7). 

 

 

 

  Figure  4. View  of  the  total  investment  costs  of  the  heating  systems  (building  from  1970)  including   building's insulation 

Page 19: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

17  

 

Figure  5.  Feasibility  calculation  of  the  investment  costs  of  the  heating  systems  (building  from  1970)  ‐  renovation scenario 

 Figure 6. Comprehensive cost overview of the heating systems ( building from 1970) + running costs  (20 years) ‐ renovation scenario 

Page 20: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

18  

 

Figure 7. Feasibility calculation of the investment costs of heating systems ‐ new construction scenario 

 

 

Figure  8.  Comprehensive  cost  overview  of  the  heating  systems  +  running  costs  (20  years)  ‐  new construction scenario 

Page 21: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

19  

6. Thermal comfort 

The  thermal comfort  in a  room  is  significantly determined by  the  relative humidity. As a hygienic 

compromise of the different requirements, the limit values of 40% and 60% apply in general. 

Thereby the following risks are prevented: 

reduction of sultriness and at the same time lowers subjection to infections. 

reduction of odour nuisance 

increased defence of the skin against microbes, avoidance of electrostatic charge and 

prevention of  mould  and fungal growth 

To show the interaction between the physiological processes in the body and the physical exchange 

with  the  environment,  Prof.  Povl  Ole  Fanger  [Fanger  1972]  developed  in  1969  a 

statistic/mathematical  method  of  objectivised  presentation  of  thermal  comfort.  Hereby,  the 

fulfilment of thermal comfort is basically seen as an energy service, which has to be provided by the 

building and its technology. 

Predicted Mean Vote (PMV) & Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD) 

According to ÖNORM EN  ISO 7730 [ÖNORM EN  ISO 7730:2006], thermal comfort  is defined as the 

feeling,  which  expresses  satisfaction  with  the  environmental  climate.  Dissatisfaction  can  be 

expressed by discomfort of the body on the whole, due to the impact of heat or cold. 

Already in the sixties, Fanger developed the so called „Predicted Mean Vote“ from these factors and 

through large‐scale laboratory and field trials. This is a value to determine the statistic average vote 

of a human group. The heat balance  is  taken as a basis, as  this  is  frequently done  in  the  technical 

sense, and  is determined by  input meaning heat production and output meaning heat dissipation. 

The relationship between PMV and PPD is the fact that, if this balance is equal to zero, the body has 

to make no effort to achieve a balance. If this difference differentiates from zero, the organism has to 

provide equilibrium and this is felt as discomfort. If the calculation diverges into the negative area, it 

means that firstly these conditions are felt as too cold and secondly that the predicted percentage of 

dissatisfaction  increases.  The  PPD  index  reacts  in  the  same  way,  if  the  PMV  index  changes  to 

positive, the environment is felt as too warm. Figure 9 presents this relationship again, whereby  

PMV:"Predicted‐Meam‐Vote" = the predicted mean vote of the climate 

PMV:  "Predicted‐Percentage‐of Dissatisfied" = predicted percentage of  the population dissatisfied 

with the climate. 

The optimum, means a low number of dissatisfied persons, which according to Fanger is defined by 

5% at best, is achieved, if the calculation of the mean predicted vote is equal to zero. 

Page 22: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

20  

Annotation  Fanger ‐ Skala  percentage dissatisfied 

cold  ‐3  99,1 

cool  ‐2  76,8 

slightly cool  ‐1  26,1 

neutral  0  5,0 

slightly warm  1  26,1 

warm  2  76,8 

hot  3  99,1 

Figure 9. Relationship PMV and PPD and the corresponding feeling according to ÖNORM 7730 [ÖNORM 7730:2006, S.:6] 

 

 

 

Figure 10. PMV Rate (year of construction 1970) 

  

Betriebszeit  Betriebszeit 

Page 23: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

21  

 

Figure 11. PPD Rate (year of construction 1970) 

 

In  figure 10 of  the building of 1970  it  is evident  that during  the heating operation only   REDWELL 

infrared heaters can be found within the  thermal comfort limits,  respectively as shown in figure 11, 

REDWELL infrared heaters come nearest to the optimum of the 0% PPD‐rate. 

Criteria of  local comfort 

Apart  from  criteria  of  statistical  comfort,  further  criteria  can  be  determined  to  define  thermal 

comfort. In this context the mean monthly changes of temperature of certain surfaces were analysed 

and shown  in figure 12. The values correspond to the mean surface temperatures for all floors after 

the latest renovation measures for the 1970 constructed building. 

Betriebszeit  Betriebszeit 

Page 24: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

22  

 

Figure 12. internal temperatures of surfaces of a characteristic cellar wall      (year of construction 1970) 

 

One  can  see  that  during  the  operation  of  the  different  heating  systems,    the REDWELL  infrared 

heaters achieve surface temperatures on the inside wall which are generally by 0,5‐1,5°C higher than 

the  surface  temperature  when  heating  with  a  new  gas‐fired  boiler.  Furthermore,  this  curve  for 

REDWELL infrared heaters is valid for all walls of a room, as opposed to the curves for the gas‐fired 

boiler system, which is only valid for the wall area around the heater. All the other wall surfaces are 

still  significantly  colder.  This  condition  contributes  considerably  to  the  improvement  of  thermal 

comfort through the operation of REDWELL infrared heaters. 

Page 25: redwell-studie-uni-thessaloniki-v1.2-2011-en

LABORATORY OF HEAT TRANSFER & ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI GR-54124 THESSALONIKI TEL. +30 2310 996015 FAX. +30 2310 996012

23  

Summary With regard to energy use, REDWELL  infrared heaters are extremely efficient and effective, as one 

can see in the comparison to conventional heating systems. When it comes to primary energy use as 

well  as  to  eco‐efficiency  over  the  entire  life  cycle  they  rank  amongst  the  best  solutions.  Even  in 

considering costs and feasibility, REDWELL infrared heaters produce impressive results, compared to 

conventional heating systems 

Regarding thermal comfort, REDWELL infrared heaters principally have the edge on all conventional 

heating  systems with  convective heaters, provided  the building  shell  is well  insulated. Even when 

comparing  underfloor  heating  systems  with  high  thermal  inertia,  the  advantages  of  REDWELL 

infrared heaters prevail. Also concerning their fabrication and their resulting durability the REDWELL 

infrared heaters are unsurpassed, as they have no moving parts or fluid working medium, whereby 

they have practically all modern quality distinctions and test certificates. 

The use of REDWELL  infrared heaters  in well‐insulated buildings fulfils the existing requirements of 

the EnEV 2009. 

A combination of REDWELL  infrared heaters and solar thermal and photovoltaic systems results  in 

an environmental, economical and energetic optimal overall solution, which outperforms any other 

heating  system.  Especially  in  the  refurbishment  of  old  buildings,  the  use  of  REDWELL  infrared 

heaters  is  the most  economical  solution  for  the  building  owner.  But  also  in  new  constructions, 

REDWELL  infrared  heaters  definitely  represent  an  economically  and  ecologically  reasonable 

alternative to conventional heating systems. 

Conclusion The  study clearly  shows  that REDWELL  infrared heaters have  the absolute edge on other heating 

systems  such  as  direct  electrical  heating  and  air‐to‐water  heat  pumps,  when  considering  all 

economical and ecological aspects. Furthermore, they can be considered as feasible alternatives to 

oil  and  gas  heating,  as  well.  This  is  the  reason why  we  strongly  recommend  defining  a  special 

category  for  Infrared Heaters within  the different heating systems,  in order  to classify  them  in  the 

appropriate manner and in accordance with their high performance capacity in the systemic process 

of EnEV 2009.