Chłodzenie radiacyjne przegród budowlanych

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 7-8/2010; Opublikowano: 05 sierpień 2010

Chłodzenie radiacyjne jest powszechnym, lecz często niedocenianym zjawiskiem, które w pewnych warunkach prowadzi do nadzwyczajnych strat ciepła przez zewnętrzne przegrody budowlane, również szklane.

Zjawisko to polega na tym, że w nocy przy bezchmurnym niebie na powierzchniach usytuowanych poziomo i ukośnie temperatura może spadać poniżej temperatury powietrza zewnętrznego. Efekt ten dotyczy zarówno powierzchni Ziemi (nocne przygruntowe przymrozki), jak również zewnętrznych przegród budowlanych, nawet w przypadku przegród pomieszczeń ogrzewanych.

Chłodzenie radiacyjne uwidacznia się również na samochodach pozostawionych na parkingu, kiedy zauważamy, że dach oraz przednia i tylna szyba są oszronione, a szyby boczne są czyste.

Przyczyny chłodzenia radiacyjnego przegród budowlanych
Przyczyną chłodzenia radiacyjnego jest sposób wymiany promieniowania podczerwonego pomiędzy atmosferą a powierzchniami stykającymi się z nią. Decydującym czynnikiem jest tutaj istnienie tzw. okna atmosferycznego w podczerwieni.

Z rys. 1 wynika, że dla przedziału długości fali λ = 8 ÷14 μm transmisyjność (przepuszczalność) atmosfery jest bardzo duża.

Z drugiej strony z prawa Plancka wynika, że właśnie w tym przedziale emisja wtórnego promieniowania powierzchni Ziemi, przegród budowlanych, nawierzchni drogowych itp., osiąga wartości maksymalne (rys. 2). Z tych powodów, przy braku zachmurzenia, duża część wtórnego promieniowania podczerwonego może bez przeszkód być wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną.

Ucieczka promieniowania długofalowego powoduje, że w nocy, szczególnie przy braku zachmurzenia obserwuje się efekt „zimnego nieba”. Zjawisko to objawia się tym, że tzw. temperatura kalorymetryczna promieniowania nieboskłonu t_r [°C] jest niższa niż temperatura powietrza zewnętrznego te [°C]. Różnica ta, przy bezchmurnym niebie, może dochodzić w warunkach zimowych do 20^oC. Literatura podaje odpowiednie zależności empiryczne.

Według [1]:

t_r = (t_e – 2l) + 0,2^. t_e (1)

W opracowaniu [2], na podstawie przeprowadzonych badań, sformułowano wzory uzależniające t_r od takich czynników, jak wilgotność powietrza, kąt zenitalny itp. Dla warunków średnich podano:

t_r = 1,33^. t_e – 19,04 (2)

Podręcznik [3] podaje wzór na temperaturę nieboskłonu T_r w stopniach Kelwina:

(3)
gdzie:
T_e – temperatura powietrza w stopniach Kelwina, K,
p_w – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, mm Hg.

Rys. 1. Transmisyjność atmosfery ziemskiej w funkcji długości fali promieniowania podczerwonego [1]

Rys. 2. Krzywe Plancka dla emiterów o temperaturze 0°C, 15°C, 30°C

Chłodzenie radiacyjne jest mniejsze w przypadku przegród usytuowanych pionowo, ponieważ przegrody te wymieniają przez promieniowanie mniej ciepła z atmosferą oraz uzyskują zyski ciepła od gruntu i budynków sąsiednich. Należy podkreślić, że zachmurzenie znacznie zmniejsza transmisyjność atmosfery i osłabia efekt nocnego oziębienia powierzchni. Mając na uwadze opisane zjawiska, do obliczeń gęstości strumienia przepływającego przez przegrody budowlane w nocy, w opracowaniu [1] proponuje się, zamiast temperatury powietrza zewnętrznego te, przyjmować miarodajną temperaturę t_e + Δt.

Poprawka Δt (zawsze ujemna) wynosi:

(4)
gdzie:
Θ_e – temperatura zewnętrznej powierzchni przegrody w stopniach Kelwina, K,
h_c – współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję, W/(m²K),
ε – emisyjność zewnętrznej powierzchni przegrody.

Podano również wzór na temperaturę zewnętrznej
powierzchni przegrody:

(5)

gdzie:
ϑ_e – temperatura zewnętrznej powierzchni przegrody, °C,
t_e – temperatura wewnątrz budynku, °C,
h_r – współczynnik przejmowania ciepła przez promieniowanie, W/(m²K),
R_p – opór cieplny przegrody budowlanej, bez oporu przejmowania ciepła powierzchni zewnętrznej,
(m²K)/W.

Z dokładniejszej analizy wzorów (4, 5) wynika, że bezwzględna wartość temperatury Δt rośnie wraz ze wzrostem kąta odchylenia przegrody od pionu oraz spadkiem temperatury te, prędkości wiatru v_p, i oporu cieplnego przegrody Rp. W przypadku gdy t_e = -20 °C, v_p = 0, R_p = 0,5 (m²K)/W, Δt wynosi, przy bezchmurnym niebie, około -15 °C. Równocześnie można zauważyć, że temperatura na powierzchni ϑe maleje ze wzrostem R_p. W [1] podano średnioroczne Δt wynikające z badań instrumentalnych
(tab. 1).

Badania termowizyjne chłodzenia radiacyjnego
Na rys. 3 i 4 przedstawiono przykłady zdjęć termowizyjnych ilustrujących omówione wcześniej zjawiska [4, 5]. Zdjęcie z rys. 3 wykonano w nocy, przy bezchmurnym niebie, w okresie wiosennym.
Wyraźnie widać chłodzenie radiacyjne pochyłych połaci dachowych na budynku mieszkalnym.

Zdjęcie z rys. 4 przedstawia pionowe ściany i połać dachową szklarni. Zdjęcie wykonano w nocy, przy bezchmurnym niebie, latem. Tutaj uwidoczniono również inne zjawisko. W celach porównawczych, na połaci dachowej dwie z szyb pojedynczych wymieniono na szyby zespolone (ciemniejsze prostokąty na zdjęciu). Można zauważyć, że chłodzenie radiacyjne jest większe przy lepszej izolacyjności cieplnej przegrody, co jest zgodne z zależnością (5) oraz z innymi zależnościami fizyki budowli.

Tabela 1. Średnioroczne poprawki Δt do nocnej temperatury powietrza zewnętrznego te [°C] [1]

Rys. 3. Chłodzenie radiacyjne na połaci dachowej budynku mieszkalnego

Rys. 4. Chłodzenie radiacyjne na połaci dachowej szklarni

Badania chłodzenia radiacyjnego czujnikami temperaturowymi
Na rys. 5 przedstawiono przykładowe wykresy badania rozkładu temperatur zmierzonych w nocy na powierzchniach szyb zespolonych z szybami zwykłymi oraz z wewnętrzna szybą niskoemisyjną i refleksyjną (przeciwsłoneczną). Szyby były usytuowane ukośnie na połaci dachowej szklarni, pod kątem 36,7^o do poziomu. W przypadku powierzchni wewnątrzkomorowych czujniki temperaturowe zostały przyklejone do wewnętrznych powierzchni szyb przed ich zamontowaniem w wytwórni.

Z analizy wykresów wynika, że w przypadku bezchmurnego nieba chłodzenie radiacyjne spowodowało spadek temperatury na zewnętrznej powierzchni szyb poniżej temperatury powietrza. Spadek ten był największy w przypadku zestawu z szybą niskoemisyjną (o zwiększonej izolacyjności cieplnej). Potwierdzony został wniosek, że dochodzi do pewnego rodzaju sprzężenia zwrotnego – przegrody o lepszej izolacyjności cieplnej są bardziej narażone na radiacyjne straty ciepła.

W czasie zachmurzenia temperatury na zewnętrznych powierzchniach szyb były co prawda wyższe od temperatury powietrza, jednak dokładniejsze obliczenia wykazały, że są one niższe niż wynika to z klasycznej teorii przepływu ciepła.

Rys. 5. Rozkład temperatur w badanych szybach zespolonych: a) podczas pogodnej nocy, b) podczas pochmurnej nocy

Rys. 6. Rozkład temperatur na powierzchniach oszklenia tradycyjnego i ciepłochronnego

Rys. 7. Kondensacja pary wodnej na powierzchni szyby ciepłochronnej od strony powietrza zewnętrznego

Praktyczne skutki chłodzenia radiacyjnego szyb zespolonych
Przy eksploatacji okien z oszkleniem tradycyjnym (np. okna skrzynkowe, ościeżnicowe) poważnym problemem jest kondensacja pary wodnej na wewnętrznej części oszklenia. W skrajnych przypadkach, przy szczególnie niskich temperaturach, możliwe jest nawet zamarzanie kondensatu na powierzchniach od strony pomieszczenia.

Użytkownicy, którzy wymienili takie oszklenie na szyby ciepłochronne mogą zaobserwować zjawisko odwrotne - para wodna może kondensować również na zewnętrznej powierzchni oszklenia. W szczególnie niekorzystnych warunkach może wystąpić przyklejanie się do powierzchni zewnętrznej oszklenia padającego śniegu lub zamarzanie kondensatu (rys. 8). Zjawiska te mają przyczyny wynikające z rozkładu temperatur na powierzchniach oszklenia.

Ich nasilenie ma miejsce np. nad ranem, w warunkach zmniejszenia skuteczności ogrzewania, przy dużej wilgotności powietrza zewnętrznego lub w warunkach chłodzenia radiacyjnego (rys. 6). Zjawisko częściej obserwowane jest w dolnej części okna, na co ma wpływ pionowy rozkład temperatur w pomieszczeniu (rys. 7).

Należy również zwrócić uwagę, że jeżeli na powierzchni przegrody występuje wykraplanie pary wodnej, maleje opór przejmowania ciepła powierzchni przegrody, na skutek występowania ciepła kondensacji.

Na rys. 9 przedstawiono przykład kondensacji na szybach zewnętrznych szklanej elewacji, która częściowo stanowi przegrodę przeźroczystą, a częściowo przykrywa elementy konstrukcyjne i jest w tych miejscach dodatkowo docieplona wełną mineralną.

Fotografia została wykonana w godzinach porannych w okresie grzewczym. Należy tutaj zwrócić uwagę na dwa aspekty: po pierwsze kondensat widoczny jest tylko na panelach docieplonych, po drugie kondensat zbiera się w środkowej części paneli (inaczej niż w przypadku kondensacji od strony pomieszczenia, gdzie kondensat zbiera się przeważnie w pobliżu obrzeży), co świadczy o wyższej temperaturze, tzn. gorszej izolacyjności cieplnej w obrębie złączy.

Jest to następny przykład sprzężenia zwrotnego na szklanych przegrodach budowlanych – kondensacja na powierzchniach zewnętrznych nie występuje na mostkach termicznych.

dr inż. Zbigniew Respondek
Politechnika Częstochowska,
Wydział Budownictwa

Literatura
- A Building and Its Phisical Environment. Red.: L. Śliwowski. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej 1992.
- Nowak H.: Oddziaływanie cieplnego promieniowania środowiska zewnętrznego na budynek. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 1999.
- Pogorzelski J.A.: Fizyka cieplna budowli. PWN, Warszawa 1976.
- Rajczyk J., Respondek Z., Rajczyk Z.: Chłodzenie radiacyjne przegród budowlanych i nawierzchni drogowych. Międzynarodowa Konferencja Naukowotechniczna nt. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Częstochowa 2005.
- Respondek Z.: Sprzężone gazowo płyty szklane w budownictwie. Sposoby badań i obliczeń. Seria Monografie nr 151. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008.