Hősugárzás Hővédő fóliák

Hősugárzás Hővédő fóliák Szikra Csaba Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Építészmérnöki Kar Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

A sugárzás alaptörvényei A az érkező energia E=A+T+R Ideális testek Reflektív Abszolút fekete Transzmisszív Opaque Transzparens

A napsugárzás Wien Törvénye A Egy felület által kibocsátott sugárzás intenzitása függ a felület hőmérsékletétől. A kisugárzott energiának egy bizonyos hullámhosszon maximuma van. A maximumhoz tartozó λ m hullámhossz és a felületi hőmérséklet közötti összefüggést a Wien törvény határozza meg, amely szerint λ m *T=const (3000), ahol T a felszín (abszolút skálán mért) hőmérséklete

A sugárzás alaptörvényei A testek közötti energia csere E=A+T+R Q = σε [ ] T 4 T 4 1 2

A napsugárzás Intenzitása A sugárzás energiahozamát a sugárzás intenzitásával (W/m 2 ) fejezzük ki. A földi atmoszférán kívül a napsugárzás intenzitása éves periodicitással 1300-1400 W/m 2 között ingadozik (extrateresztriális sugárzás). Hogy ebből mennyi jut egy a Föld felszínén elhelyezett felületre, az függ attól, hogy a sugárzás milyen szög alatt éri a felületet (hiszen csak a merőleges összetevővel számolhatunk), azaz függ a naptári és a napi időtől, a felület tájolásától és dőlésétől, a sugárzásnak milyen hosszú utat kell megtennie a légkörön keresztül, hosszabb út esetén a felszínre érkező intenzitás kisebb, mennyi a vizsgált helyszín tengerszint feletti magassága, hiszen ez befolyásolja a légkörben megtett út hosszát mennyi a légkörben a vízgőz, a köd, a felhőzet, a többatomos gázok, a légköri szennyeződés (szilárd lebegő részecskék - aeroszol). A sugárzási energia egy része párhuzamos nyalábok formájában, mint direkt sugárzás érkezik. A légkörben lévő -előbb felsorolt- részecskék által visszavert sugárzás már nem jellemezhető ilyen határozott irányítottsággal, ez a diffúz sugárzás (zárt felhőzet, köd esetén szinte csak ez érkezik a földi felszínre). A részecskék az őket érő sugárzás egy részét elnyelik és ők maguk is bocsátanak ki - hosszabb hullámhosszon - saját sugárzást. Végül egyes esetekben figyelemreméltó szerepet játszhat a felszínről (talaj, hó, burkolat) visszavert sugárzás is.

A napsugárzás Spektrális eloszlása A nap felületi hőmérsékletének megfelelő spektrumú sugárzás Az atmoszférára ra érve Illetve a föld f felszínén A teljes spektrumban három intervallumot különböztethetünk meg.

A napsugárzás Spektrális eloszlása Az ultraibolya sugárzás. Élettani szerepe igen fontos, egyes anyagok, felületképzések öregedése miatt Állagvédelmi szempontból ugyancsak érdekes, energetikai szerepe elhanyagolható. A látható fény az ibolyától a vörösig. Ebben az intervallumban érkezik a sugárzási energiának majdnem a fele. Természetes világítás és fűtőhatás s szempontjából egyaránt fontos. A rövid hullámhosszú infravörös sugárzás. Ebben az intervallumban a sugárzási energiának valamivel több, mint a fele érkezik. Fűtőhatása fontos.

A napsugárzás Spektrális eloszlása A görbén látható "beharapások" oka, hogy a levegőben lévő vízgőz, a felhőzet zet, a szilárd szennyezőanyagok a sugárzás egy részét (bizonyos hullámhossztartományokban többet, másokban kevesebbet) elnyelik, továbbá maguk is bocsátanak ki sugárzást. Ennek megfelelően a görbe alakja is kisebb-nagyobb mértékben változik a levegő pillanatnyi nedvességtartalmának és szennyezettségének függvényében.

A napsugárzás Áteresztés, elnyelés, visszaverés Ha mindhárom tényező zérusnál nagyobb, akkor a test áteresztő (transzparens). Ha az áteresztési tényező t = 0, a test nem áteresztő (opaque). Ne keverjük össze az áteresztő és az átlátszó test fogalmát! Utóbbi csak a látható fény tartományára értelmezhető, a vizuális érzékeléssel összefüggő dolog, az előbbi bővebb fogalom, nemcsak a látható fényre, hanem más hullámhossztartományba eső sugárzásra is értelmezhető. Egyes testek, felületképzések a, r, t értékei a hullámhossztól függenek, mások a napsugárzás és mások a hosszúhullámú infrasugárzás tartományában. (Adott esetben erre N és A indexek utalnak.) Az ilyen testeket, felületképzéseket szelektívnek nevezzük. Ha egy test felületét sugárzás éri, a felületre jutó energiával három dolog történhet: a felület az energia egy részét elnyeli, az elnyelt hányad nagyságát az "a" elnyelési (abszorpciós) tényező jellemzi, a felület a sugárzás egy részét visszaveri, a visszavert hányadot az "r" visszaverési (tükrözési, reflexiós) tényező jellemzi, a felület és a mögöttes anyag a sugárzás egy részét átereszti, az áteresztett hányadot a "t" áteresztési (transzmittálási) tényező jellemzi. Az elnyelt, visszavert és áteresztett energia összeg megegyezik a felületre jutó energiával, azaz a + r + t = 1

A transzparens test energia mérlege Transzparens test energiamérlege A külső felületre érkező napsugárzás egy része visszaverődik. Egy másik részt a test átereszt, ez változatlan hullámhosszúságú sugárzás formájában a helyiségbe jut. A külső felületre érkező sugárzás egy része elnyelődik, ettől a szerkezet felmelegszik. Miután többnyire kis tömegű és igen vékony rétegről van szó, a felmelegedés gyors és gyakorlatilag a teljes keresztmetszetben (vastagságban) egyenletes.

Különböző jellegű üvegezések (elnyelő, reflektív, áteresztő, egyrétegű, többrétegű)

Az üveg viselkedése Áteresztési tényező [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Transzparens test energiamérlege Az üveg áteresztési tényezője a hullámhossz függvényében változik: a hosszúhullámú infra sugárzás az üvegen nem tud áthatolni. 10 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 µm Áteresztési tényező [%] A napsugárzás energia spektruma [E] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 µm

Az üveg viselkedése

A napsugárzás Naptényező A tapasztalat szerint, két áteresztő szerkezeten keresztül (A és B), a helyiségbe jutó hőmennyiségek aránya állandó, akármilyen szög alatt is esik a napsugárzás a felületükre. E tapasztalat alapján választottak egy etalonszerkezetet, amely a 3 mm vastag, egyrétegű, tiszta közönséges ablaküveg. Különböző beesési szögek mellett (ami egyben különböző tájolásokat, naptári és napi időpontokat is jelent!) részletes vizsgálatokkal meghatározták, hogy az etalonszerkezeten át mennyi hő jut a helyiségbe. (Angol betűszó alapján ISRG jelöléssel.) Ha most van egy új j transzparens szerkezetünk, elegendő egyetlen beesési szög mellett megmérni, hogy a rajta át a helyiségbe bejutó hőmennyiség hogyan aránylik az etalonszerkezeten át - azonos feltételek mellett - bejutó hőmennyiséghez. Ez az arányszám a naptényez nyező. A naptényező ismeretében az áteresztő szerkezet egységnyi felületén át a helyiségbe jutó energiaáram: q = I SRG * N W/m 2 ahol N -a naptényez nyező, ISRG -az etalonszerkezeten át bejutó energiaáram ram. A naptényező nevezetlen szám, értéke 0 és 1 között van. A naptényező nemcsak a szerkezet által áteresztett sugárzásra, hanem az elnyelt energiából hőátadás és saját sugárzás révén a helyiségbe jutó energiaáramra is - tehát a hőnyereség minden formájára együttesen - jellemző.

A napsugárzás Az üvegezés energia mérlege: A társított szerkezetek naptényezője függ a társított szerkezet helyétől. A külső árnyékoló naptényezője kisebb, mert az elnyelt sugárzástól felmelegedett szerkezet a külső levegőt melegíti.

A napsugárzás Az üvegezés energia mérlege: Az üvegezés belső felülete és a helyiség levegője között is van hőátadás, ez azonban kisebb, hiszen a légmozgás is kevésbé intenzív. Az üvegezésre a helyiség felől hosszúhullámú infravörös sugárzás jut amit az üveg nem enged át, tehát ez részben elnyelődik, részben visszaverődik. A szokványos üvegezés a helyiség felől érkező hosszúhullámú infravörös sugárzás mintegy 80 %-át elnyeli. Az elnyelt energiától az üveg felmelegszik, a nagyobb hőmérsékletkülönbség miatt a környezetbe távozó hőveszteség nagyobb lesz.

A napsugárzás Az üvegezés energia mérlege: Ha a belső felület kevesebb hosszúhullámú infravörös sugárzást nyel el, akkor az üvegezés kevésbé melegszik fel, a környezetbe távozó hőveszteség kisebb lesz.

A fóliával ellátott üvegezés Energia mérlege: Az üvegházhatás mind a téli, mind a nyári félévben igen jelentős szerepet játszik. Télen az üvegházhatás révén "csapdába esett" sugárzási energia a hőveszteség figyelemre méltó hányadát: 15-30 %-át fedezheti. Ebből a szempontból az a transzparens szerkezet előnyös, amely a napsugárzást átereszti, de hőátbocsátási tényezője kicsiny, tehát adott belső-külső hőmérsékletkülönbség mellett kicsi a környezetbe távozó hőáram. Nyáron a helyiségekben spontán módon kialakuló belső hőmérséklet avagy klimatizálás esetén a hűtés energiaigénye döntően az üvegezésen keresztül bejutó sugárzási hőáramtól függ.

A fóliával ellátott üvegezés Téli hővédelem: A helyiség felől érkező hosszúhullámú infravörös sugárzás nagy része (70-75 %) visszaverődik. Így az üvegezés kevesebb energiát nyel el, hőmérséklete alacsonyabb lesz és ennek következtében kisebb lesz a környezet felé távozó hőáram.

A fóliával ellátott üvegezés Nyári hővédelem: A külső tér felől érkező napsugárzás jelentős részét visszaveri a környezet felé

Az ablak Az épület téli hővédelmében: Épületeink jelentős részének, falszerkezeteinek hőátbocsátási tényezője k = 0,7 W/m 2 K körüli érték. A szokványos kettős üvegezésű ablakok hőátbocsátási tényezője k = 2,5 W/m 2 K körüli érték. A homlokzatok üvegezési aránya 25-60 % között változik. Az első esetben a homlokzaton át távozó transzmissziós hőveszteség 54 %-a,% a második esetben 82 %-a% jut az üvegezésre! A határoló szerkezetek hőszigetelése folyamatosan javul, ennek technikai és piaci feltételei adottak. Tételezzük fel, hogy a falszerkezetek olyan jó hőszigetelést kapnak, amely a hőátbocsátási tényezőjüket felére csökkenti (k = 0,35 W/m2K), de az üvegezés változatlan marad. A homlokzat egészére a transzmissziós hőveszteség csökkenése az első esetben 23 %,% a második esetben alig haladja meg a 9 %-ot%! A hőveszteségnek az üvegezésre jutó hányada pedig eléri a 70, illetve a 90 %-ot.% Az üvegezések hőtechnikai minőségét háromféle módon lehet javítani: harmadik üvegtábla beépítésével, amely nehezebb, bonyolultabb tok- és szárnyszerkezetet igényel és utólagos kivitelezése nem mentes a nehézségektől, két üvegtábla között k nemesgáz töltet alkalmazásával, amely új és aránylag drága ablakszerkezetek esetén lehetséges, az üvegezés fóliabevonatolásával, amely új és meglévő szokványos üvegezéseken egyaránt lehetséges, utólag is igen rövid idő alatt, a helyiséget használók zavarása nélkül alkalmazható.

Az ablak Az épület nyári hővédelmében: Nyáron a napsugárzás következtében a helyiségbe jutó hőterhelés 1 m 2 falszerkezet esetén 5-15 W/m 2 nagyságrendű. Ugyanakkora szokványos üvegezésen át a helyiségbe jutó hőterhelés 300-450 W/m 2 a nagyságrendi különbség önmagában hangsúlyozza a hővédelem fontosságát Az üvegezésen bejutó sugárzási hőterhelés és a káprázási problémák csökkentésének lehetséges módjai: belső árnyékoló szerkezet alkalmazása, amely nem elég hatékony, külső árnyékoló szerkezet alkalmazása, amely hatékonyabb, de drágább, karbantartása nehézkes és mindkét esetben tudomásul kell venni a gátolt kitekintést és fel kell tételezni a helyes működtetést az üvegezés fóliabevonatolásával, amely új és meglévő szokványos üvegezéseken egyaránt lehetséges, utólag is igen rövid idő alatt, a helyiséget használók zavarása nélkül alkalmazható, a kitekintést nem gátolja, karbantartani, működtetni nem kell.