Bauphysik

6. Strahlungsfeld Sonne / Atmosphäre

E.K. Tschegg, Labor für Materialwissenschaften E206-4, TU Wien

SS

Strahlung des schwarzen Körpers

= 3,74 10-16 W m2

= 0,01439 m k

= Wellenlänge m

=absolute Temperatur K

= Wärmefluss W m-2

Planck‘sches Strahlungsgesetz

6.1.1 Absorption, Reflexion und Transmission

Idealer schwarzer Körper absorbiert alle auftreffende Strahlung.

Natürlicher, grauer Körper reflektiert einen Teil der Strahlung.

Durchsichtiger Körper lässt zudem einen Teil der Strahlung durch.

Durchsichtiger Körper undurchsichtiger Körper

( = 1, = 0 ideal schwarze Körper)( = 0, = 1 ideal weißer Körper)

q ...Energiestrom pro Fläche

6.1.2 Emission, Absorption

Das Emissionsvermögen E eines beliebigen Körpers, d.h. der pro

Oberflächeneinheit in den Halbraum ausgestrahlte Energiestrom, verhält sich bei gegebener Temperatur zum Emissionsvermögen ES des schwarzen Körpers (Kirchhoff'sches Gesetz).

Absorption: Da ein schwarzer Körper alle Strahlung absorbiert, d.h. s = 1, folgt:

... Emissionsgrad

Gegebener Temperatur nur für eine bestimmte Wellenlänge,

= f( ,T) Unterschiedliche Wellenlängebereiche können und sehr verschiedenvoneinander sein (z.B. Sonnenkollektoren: großes Absorptionsvermögen im sichtbaren Bereich, kleines Emissionsvermögen im Wärmestrahlungsbereich).

Ein sog. grauer Körper strahlt nur einen Teil des Energiestromes eines ideal schwarzen Körpers.

α .... Absorptionsgrad

grauer Körper

6.1.3 Richtungsabhängigkeit der Ausstrahlung

In vielen Fällen strahlt eine Quelle entsprechend dem Gesetz von Lambert

Die Strahlungsstärke [W-sterad -1 einer "Lambert'schen Fläche" in Richtung ist also umden Faktor cos kleiner als in Normalrichtung, d.h. ihre Strahlungsdichte W m-2 sterad-1 ist im allgemeinen nur näherungsweise erfüllt, gilt aber streng für die Hohlraumstrahlung(schwarzer Körper).

Die Gültigkeit des Lambert'sehen Gesetzes ein glühender Zylinder als gleichmäßiges

Rechteck, eine Kugel (Bsp. Sonne) als gleichmäßig leuchtende Kreisscheibe erscheint.

6.1.4 Strahlungsaustausch zwischen Flächen

Zwei undurchsichtige Körper (t = 0) so strahlt jeder Energie ab und empfängt Energie vom anderen Körper.

Jeder Körper seiner Oberflächentemperatur T primäre Strahlung qs aus.

Strahlung des Gegenkörpers reflektiert einen Teil qr, gesamte

ausgestrahlte Energie qs + qr ist.

Resultierender Wärmestrom qres (parallele Flächen, A1 = A2):

Häufig fällt nicht die gesamte Strahlung des einen Körpers auf den anderen Körper. Indiesem Fall ist der Formfaktor F12 durch 1. 2 . 12 ersetzen.

Wiensche Verschiebungsgesetz

Stefan-Boltzmanngesetz

Kirchhoff‘sches Gesetz

Abstrahlung der Wärmeenergie

.. Emissionsgrad E , ES , q, qS ....Energiestrom pro Fläche

ES ... für schwarzer Körper

Maximum der Strahlungsintensität

Emission und Absorption

6.2 Strahlungsprozesse an der Gebäudehülle

Oberflächentemperatur K

kurzwelliger Absorptionsgrad(Sonnenstrahlung)

Strahlungsintensität der Sonne

langwellige Strahlungsintensität,Atmosphäre und Umgebung

langwelliger Emissionsgrad derGebäudeoberfläche A langwelligemAbsorptionsgrad der Gebäudeober-fläche (Kirchhoff'sches Gesetz)

Hauswand durch Sonnenstrahlung (sowohl direkt wie diffus, Wellenlängenbereich < 0,3 m bis 3 m) Infrarotstrahlung der Atmosphäre ( = 3 bis 100 m) Wärme zugeführt. Die Oberfläche strahlt gemäss dem Stefan-Boltzmann'schen Gesetz proportional zur vierten Potenz ihrer Oberflächentemperatur T0 Energie ab.

Strahlungsprozesse klare Winternacht verantwortlich für das Absinken der äußeren

Oberflächentemperatur der Gebäudehülle unter die Umgebungstemperatur

Unterkühlung mit wachsendem Emissionsvermögen des Oberflächenmaterials zunimmt

Temperaturdifferenzen von bis gegen 10°C hervorruft.

Extraterrestrische Spektrum der Sonne

Spektrum der Sonne schwarzer Körper

große Unregelmäßigkeiten, da die Sonnenstrahlung aus Emissions-

und Absorptionsspektren verschiedener Gase zusammengesetzt ist.

6.2.1 Sonne und Atmosphäre als Strahlungsquellen

Wärmequelle für das Leben auf der Erde Sonne.

Außenrand der irdischen Lufthülle senkrechte Strahlungsfluss Is)

pro m2 ca. 1,394 kW/m2 (Solarkonstante).

Teil dieser Strahlung in den Luftschichten reflektiert, gestreut oder absorbiert.Direkte senkrechte Einstrahlung für mittlere Höhenlagen ca. 600 W/m2 bis 900 W/m2 im Winter resp. Sommer. An der Erdoberfläche wiederum wird ein Teil reflektiert.

Intensität des Sonnenlichtes auf der Erdoberfläche

Hängt von der Zusammensetzung der Atmosphäre und besonders von der Länge des

Weges ab, den das Licht in derselben zurücklegen muss, d.h. vom Höhenwinkel der Sonne.

Für einen Wert von M = 2 (Sonnenhöhe = 30°) ist bei klarem Wetter die Intensität derdirekten Sonneneinstrahlung etwa 420 bis 830 W/m2. Davon entfallen etwa 3% in den UV-Bereich, ca. 44% in den sichtbaren Bereich und ca. 53% in den Infrarotbereich.

6.2.2 Berechnung der Sonneneinstrahlung

6. 3 Spektrale Eigenschaften von Baumaterialien

Reflexionsvermögen senkrechtem Einfallswinkel des Prüfstrahls relativ hohe IR- Emissionsgrad o von bis zu 92 %.

Gegensatz dazu solare Absorptionsvermögen sehr stark vom Material ab

Farbe nicht unbedingt als ein Maß für diesen Wert interpretiert werden darf

Reflexions- und Transmissionsgrad verschiedener Gläser bei senkrechtem Strahlungseinfall

Fenster; Sonnenenergiegewinn und Strahlungsverluste

Fenstern wahrend der Heizperiode Transmissionsverlusten + nutzbaren

Sonneneinstrahlung.

Glasflächen auftreffende Sonneneinstrahlung Einfallswinkel und spektralenGlaseigenschaften teilweise durchgelassen bzw. reflektiert.

Mit Hilfe von Wärmebilanzen für beide Glasscheiben lässt sich die Wärmestromdichte qdurch eine Doppelverglasung ableiten:

Der Gesamtenergiedurchlassgrad g alsKennwert einer Verglasung gibt an,welcher Anteil der einfallenden Son-nenenergie bei praktisch senkrechterInzidenz die Verglasung durchdringt.

Bauthermographie

Mit Hilfe der Infrarot-Thermographie kann ein sichtbares Abbild der unsichtbaren Wärmestrahlung von Gebäude erzielt werden. Aus diesem Grund wird die IR-Thermographie heute vielfach angewandt, um die Temperaturverteilung auf Gebäudeoberflächen zu erfassen und daraus eventuell Rückschlüsse auf Wärmeverluste (Wärmebrücken, Wärmelecke) abzuleiten.

Da aber die von einer Oberfläche emittierte Wärmestrahlung nicht nur von der Wärmedämmung des Grundmaterials, sondern auch von anderen Einflüssen - Sonneneinstrahlung, Windanströmung, Emissionsgrad des Materials - abhängt, sind thermographische Bewertungen von Gebäuden mit der nötigen Vorsichtigkeit zu verwenden.

Wärmetransport durch Strahlungan den Transmissionsverlusten bei transparenten Fassadenelementen lässt sich drastisch verringern - entweder durch Beschichtung des Glases mit Materialien hohen IR Reflexions-vermögens oder durch Einspannen einer IR-reflektierenden Plastikfolie in den Luftzwischenraum (im neben-stehenden Bild sind die entsprechenden IR-verspiegelten Glasoberflächen von außen nach innen numeriert).