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Was versteht man unter Temperaturstrahlung?

Wärme kann durch Konvektion und durch Strahlung übertragen werden. Für die Übertragung der Wärmeenergie bei Strahlung ist kein Stoff als Träger erforderlich. So wie es zum Beispiel bei der Übertragung der Wärmeenergie von der Sonne auf die Erde1) erfolgt, der Zwischenraum ist praktisch stofffrei. Die Wärmestrahlung oder auch Temperaturstrahlung hängt von der jeweiligen Temperatur des strahlenden Körpers ab. Ein gut projektiertes Passivhaus nutzt die solare Wärmeeinstrahlung in den Tagesstunden von der Sonne.
Ein Passivhaus muss gut geplant und gebaut werden. Je nach Klimazone wird ein Passivhaus bevorzugt mit entsprechenden Baustoffen erstellt. Im kühleren Norden und geringer Sonnenscheindauer sind wärmespeichernde Materialen sinnvoll. Ebenso sollten die Konstruktionen dicht sein und die Raumhöhe braucht nicht sehr hoch sein. Je weiter nach Süden, so mehr nehmen die Konstruktionen mit Wärmespeicherung zu. Durch die Amplitudendämpfung der Wände, Decken und Fußböden erfolgt ein Ausgleich der Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht. Im Süden werden daher massive Materialien (Bruchsteine) für die Mauerwerke verwendet, die Raumhöhe ist höher, da sich oben die sehr warme Luft ansammelt. Ebenso sind diese Konstruktionen sehr offen, sodass immer Luft durchströmen kann. In den kühleren Regionen wird Heizenergie und in den wärmeren Regionen Energie für die Kühlung benötigt. Mittel- und Westeuropa befindet sich zwischen diesen beiden Zonen, daher muss hier eine effektive Konstruktion aus Wärmespeicherung und Wärmedämmung ausgewählt werden.

Die Strahlung eines Körpers pro Flächeneinheit nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab oder zu. Auf die Erde treffen daher Anfang Januar etwa 100 W pro m2 mehr Strahlung als Anfang Juli. Ebenso ist der Einfallswinkel auf die Fassade steiler und es wird eine kleinere Fläche erwärmt. Der Effekt, der im Sommer auf die horizontale Fläche (Erdboden) wirkt.
Da im Juli die Tageslänge am nördlichen Wendekreis der Sonne doppelt so lang wie im Januar ist, ist es wärmer. Trotz, dass die Wärmestrahlung von der Sonne geringer ist.

Dabei kann der Körper einen gasförmigen, flüssigen oder festen Aggregatzustand haben. Von der Oberfläche des Körpers werden aus innere Energie entstehende elektromagnetische Wellen geradlinig mit Lichtgeschwindigkeit ausgesendet (emittiert). Die Temperaturstrahlung umfasst den Wellenlängenbereich 0,8 bis 800 µm , wobei der Hauptanteil der ausgestrahlten Wärmeenergie im Bereich um 0,8 bis 10 µm liegt. (Sichtbares Licht für das menschliche Auge 0,4 bis 0,8 µm.)

Trifft Temperaturstrahlung auf einen Körper, so gibt es je nach Eigenschaft des Körpers verschieden Möglichkeiten:

1. Der Körper kann die auftreffende Strahlung absorbieren.
2. Der Körper kann die auftreffende Strahlung reflektieren.
3. Der Körper kann die Strahlung unverändert hindurchlassen.

Im Allgemeinen können alle drei Fälle gleichzeitig auftreten. Für die auftreffende Bestrahlungsstärke Ε (in W/m2) gilt:

Ε = aΕ +rΕ + dΕ
1 = a + r + d

worin
aΕ absorbierte Teil,
rΕ reflektierte Teil,
dΕ durchgelassene Teil

Es bedeutet
a Absorptionskoeffizient
r Reflexionskoeffizient
d Durchlasskoeffizient.

Bei dieser IR-Aufnahme einer Hausfassade kann man sehr deutlich die verschiedenen Temperaturstrahlungen erkennen. Geringe Wärmestrahlung des Himmels am frühen Morgen (im Bild rechts oben).

 

Die in einem Körper absorbierte Strahlung wird in innere Energie zurück verwandelt. Das geschieht bei den meisten festen und flüssigen Körpern in einer sehr dünnen Randschicht. zum Beispiel bei elektrisch leitenden Körpern schon in einer Tiefe von 0,001 mm und bei Nichtleitern bis 1 mm. Schwarze Körper haben a = 1.
Die Reflexion von Wärmestrahlung kann spiegelnd (bei blanken, glatten Oberflächen, Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) oder diffus (matte Oberflächen) erfolgen. Weiße Körper haben r = 1.
Die Bezeichnung schwarzer oder weißer Körper hängt vom Verhalten bei Wärmestrahlung ab und darf nicht mit dem Aussehen verwechselt werden. Für die Wärmestrahlung nahezu schwarzer Körper sind zum Beispiel Raureif (a =0,98), Ruß (a=0,95) oder weiße Emaille (a=0,91). Weiße Körper sind polierte Gold- oder Kupferoberflächen mit a=0,02 bis 0,03. [1]

Damit Putze auf einer Außendämmungen nicht reißen, müssen sie einen hellen Farbton aufweisen. Meistens handelt es sich um einen Kunststoffputz mit einer:
Strahlungsabsorptionszahl von µ = 0,30 bis 0,40 und einer
Reflexionszahl von µ = 0,60 bis 0,70

Auf massiven Wänden hingegen können durchgefärbte Kalkputze mit dunkler Einfärbung appliziert werden, welche eine:
Strahlungsabsorptionszahl von µ = 0.65 bis 0,80 bei einer Reflexionszahl von µ = 0,35 bis 0,20 aufweisen. [2]

Aus diesen bautechnischen Ausführung lässt sich ein höherer Anteil an Wärmestrahlung durch Absorption gewinnen.

Ein neues Produkt sind Glasflocken mit speziellen Beschichtungen, die als Bestandteil von Hausanstrichen ein Temperaturmanagement ausüben. Erfolgt eine direkte Sonnenbestrahlung, wie im Winter, wo die Sonnenbahn tiefer verläuft, so erfolgt eine Absorption der Wärmestrahlung. Im Sommer bei hohem Sonnenstand erfolgt dagegen eine Reflektion der Sonnenstrahlung. Dieses Produkt befindet sich noch in der Entwicklungsphase im Labor.[3]

Körper, die eine auftreffende Strahlung vollständig hindurch lassen, heißen diatherm, sie haben d=1. Völlig durchlässig sind ein- und zweiatomige Gase. Mehratomige Gase, zum Beispiel CO2 und H2O haben d <1 und a>0. Die Durchlässigkeit hängt auch von der Wellenlänge der Strahlung ab.

Glas zum Beispiel ist für den sichtbaren Bereich der Temperaturstrahlung sehr gut durchlässig, während es die langwellige Wärmestrahlung weitgehend reflektiert. Diese Eigenschaften des Glases haben den sogenannten Treibhauseffekt zur Folge:
Bei der Sonnenstrahlung (Strahlertemperatur von etwa 6700 K) liegt das Intensitätsmaximum im sichtbaren Bereich. Damit dringt ein großer Teil der Sonnenstrahlung durch das Glasfenster hindurch. Im Raum wird diese Strahlung zum größten Teil von Gegenständen und Wänden zu innere Energie absorbiert, die dann wieder durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben wird und den Raum erwärmt. Zur Vermeidung einer hohen Sonneneinstrahlung durch die Fenster in den Raum werden Sonnenschutzfolien eingesetzt. Sinnvoll ist dies dann, wenn im Sommer eine hohe Aufwärmung der Raumluft und ein starker Blendeffekt auf tritt. Das können zum Beispiel Büroräume mit großem Fensteranteil sein.

Eine Wandoberfläche emittiert nach dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz Wärmestrahlung. Es wird ein Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert. Es geht von jeder Bauteiloberfläche stets emittierte (eigene) und reflektiert (fremde) Strahlung aus.
Haben die beiden Bauteiloberflächen eine unterschiedliche Temperatur, so wird durch Strahlung Wärme auf das Bauteil mit niedrigerer Oberflächentemperatur übertragen.
Die Berechnung des übertragenen Wärmestroms zwischen zwei parallelen gleichgroßen Flächen erfolgt nach der Formel

Formel Berechnung des übertragenen Wärmestroms zwischen zwei parallelen gleichgroßen Flächen

Der Strahlungsaustausch zwischen eingeschlossener und umschließender Fläche erfolgt in einem geschlossen Raum, sodass keine Strahlung den Raum verlässt. Hierzu eine Beispielberechnung mit einer Strahlungsheizung in einem Raum. Die Berechnung erfolgt nach der Formel

Formel zur Berechnung des Strahlungsaustausches zwischen eingeschlossener und umschließender Fläche

Strahlung der Körper ist abhängig von der Entfernung und dem Winkel Der dritte Fall liegt zum Beispiel bei einem Wohngebäude vor. Die Flächen mit denen ein Strahlungsaustausch erfolgt, sind weder gleich groß und liegen schräg zueinander. Es trifft nur ein Teil der von einer Fläche ausgehenden Strahlung die andere. Der Wärmestrom hängt von der Temperaturdifferenz der n Flächen und deren Emissionsverhältnisse, den jeweiligen Winkeln und der Entfernungen ab. Als Lösungsmethoden stehen analytische Verfahren (Doppelintegrale), ein grafisches Verfahren, die experimentelle Modelluntersuchung und andere zur Verfügung.
Eine Berechnung des Wärmestroms durch Strahlung bei einem Gebäude ist daher äußerst kompliziert. Die Höhe des Wärmestromes durch eine Konstruktion setzt sich aus mehreren Einflussfaktoren zusammen. Deren gegenseitige Einflussnahme kann bisher nicht vollständig geklärt werden.

Kondensat am geöffneten Dachfenster

Gerade zur kühleren Jahreszeit kann man eine Kondensatbildung auf der äußeren Seite von Thermoglas feststellen. Je höher die Luftfeuchte im Außenbereich ist, so deutlicher ist, die Kondensatbildung zu erkennen. Das Gleiche trifft auch für eine Thermohaut zu, nur sieht man hier den Feuchteanfall nicht. Durch den geringeren Wärmefluss durch das Bauteil, hier die isolierte Glasscheibe, kühlt die äußere Oberfläche als Folge des Strahlungsaustausches mit der Umgebung stark ab. Die Aufnahme des Dachfensters wurde am 22. 7. 2013 um 7.55 Uhr aufgenommen. Das Fenster war leicht geöffnet. Die Außentemperatur betrug 21,6 °C, die Oberflächentemperaturen der Glasscheibe (außen) 12 °C der Dachsteine 13,5 °C und die Temperatur zum klaren Himmel -20 °C. Die Raumtemperatur lag etwa bei 23-25 °C.

Die Wärme wird so durch Konvektion und durch Strahlung übertragen. Es ist anzunehmen, wenn sich die Wärmeübertragung durch Konvektion durch eine nachträgliche Wärmedämmung verringert, so verändert sich das Verhältnis zur Wärmestrahlung. Lag zum Beispiel der U-Wert vor der Dämmmaßnahme bei U = 1,5 W/m2K und liegt dieser theoretisch nach der Dämmung bei 0,4 W/m2K, so reduziert sich die Wärmeübertragung durch Strahlung nicht gleichzeitig auch auf 27 %. Bei ähnlicher Oberflächenstruktur bleibt der Anteil der Wärmeübertragung durch Strahlung gleich und erhöht sich im Verhältnis zur Wärmekonvektion auf circa das 3-fache. Wie groß dieser Anteil ist, lässt sich eventuell als Modell bestimmen aber nicht als Größe zur allgemeinen Berechnung des Energiehaushaltes eines Gebäudes, da bei jedem Gebäude andere und unterschiedlich große Einflussfaktoren vorliegen.

Je kleiner der rechnerische U-Wert wird, um so größer ist seine Abweichung vom praktischen Energieverbrauch. Die Wärmestrahlung geht nur indirekt über den Wärmeübergangskoeffizienten in die Berechnung eingeht.
Die Gleichungen für den Strahlungstransport sind nur phänomenologische2) Gleichungen, also Hypothesen und keine Naturgesetze. Aus den genannten Gründen kann der Energieverbrauch eines Gebäudes mit einer U-Wert-Berechnung nur grob geschätzt werden. Dies trifft auch für den rechnerischen Energiebedarf im Bedarfsausweis zu.

Weitere Ausführungen zur Strahlung, schwarzer Körper, Strahlungsintensität, Kirchhoffsches Gesetz usw.

Als Ergänzung: Links zur Optik

Quelle:
[1] Mayer,Günter, Schiffner, Erich; Technische Thermodynamik, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1983 2. Aufl. S. 247 ff
[2] Bossert, Paul; Die 8 energierelevanten Faktoren der Aussenwand, 20.06.2003
Bockhardt, Hans-Dieter; Güntzschel, Peter; Poetschukat, Armin; Grundlagen der Verfahrenstechnik für Ingenieure, 1. Aufl. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 1981, S. 209f
[3] Die Häuser werden glitzern, Impulse 3/2010 S. 48
Autorenkollektiv: Lehrbriefreihe: Technische Wärmelehre. I-III. Dresden: Zentralstelle für das Hochschulfernstudium 1969, Lbf. 7-10
Weitere Informationen unter: Schwarzer Körper (Teil I), Wechselwirkung von Licht und Materie gibt Einblick in die Welt der Quanten display-magazin.net
1)Betrag von Heinz Thieme "Die Erdatmosphäre - ein Wärmespeicher" unter http://freenet-homepage.de/klima/wspeicher.html , Hier wird der Wärmeeintrag in das System Erde/Atmosphäre beschrieben.
2)Pänomenologie = Beschreibung von sinnlich wahrnehmbaren Gegebenheiten


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