Labor für Materialwissenschaften E206-4, TU Wien

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1 Labor für Materialwissenschaften E206-4, TU Wien
Bauphysik 6. Strahlungsfeld Sonne / Atmosphäre E.K. Tschegg, Labor für Materialwissenschaften E206-4, TU Wien SS

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3 Strahlung des schwarzen Körpers Planck‘sches Strahlungsgesetz
= 3, W m2  = 0,01439 m k = Wellenlänge m =absolute Temperatur K = Wärmefluss W m-2

4 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 q ...Energiestrom pro Fläche ( = 1,  = 0  ideal schwarze Körper) ( = 0,  = 1  ideal weißer Körper)

5 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). α .... Absorptionsgrad  ... Emissionsgrad Absorption: Da ein schwarzer Körper alle Strahlung absorbiert, d.h. s = 1, folgt: Gegebener Temperatur nur für eine bestimmte Wellenlänge,  = f( ,T) Unterschiedliche Wellenlängebereiche können  und  sehr verschieden voneinander 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. Absorptionsgrad grauer Körper

6 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 um den 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.

7 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. In diesem Fall ist der Formfaktor F12 durch 1.  2 .  12 ersetzen.

8 Maximum der Strahlungsintensität
Wiensche Verschiebungsgesetz Maximum der Strahlungsintensität Stefan-Boltzmanngesetz Abstrahlung der Wärmeenergie Kirchhoff‘sches Gesetz  .. Emissionsgrad E , ES , q, qS ....Energiestrom pro Fläche ES ... für schwarzer Körper Emission und Absorption

9 6.2 Strahlungsprozesse an der Gebäudehülle
Oberflächentemperatur K kurzwelliger Absorptionsgrad (Sonnenstrahlung) Strahlungsintensität der Sonne langwellige Strahlungsintensität, Atmosphäre und Umgebung langwelliger Emissionsgrad der Gebäudeoberfläche A langwelligem Absorptionsgrad 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.

10 Extraterrestrische Spektrum der Sonne
Spektrum der Sonne  schwarzer Körper  große Unregelmäßigkeiten, da die Sonnenstrahlung aus Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Gase zusammengesetzt ist.

11 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.

12 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 der direkten 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.

13 6.2.2 Berechnung der Sonneneinstrahlung

14 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

15 Reflexions- und Transmissionsgrad verschiedener Gläser bei senkrechtem Strahlungseinfall

16 Fenster; Sonnenenergiegewinn und Strahlungsverluste
Fenstern wahrend der Heizperiode  Transmissionsverlusten + nutzbaren Sonneneinstrahlung. Glasflächen auftreffende Sonneneinstrahlung  Einfallswinkel und spektralen Glaseigenschaften teilweise durchgelassen bzw. reflektiert. Mit Hilfe von Wärmebilanzen für beide Glasscheiben lässt sich die Wärmestromdichte q durch eine Doppelverglasung ableiten: Der Gesamtenergiedurchlassgrad g als Kennwert einer Verglasung gibt an, welcher Anteil der einfallenden Son- nenenergie bei praktisch senkrechter Inzidenz die Verglasung durchdringt.

17 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.

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24 Wärmetransport durch Strahlung an 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).