Що насправді означає ступінь випромінювання
Перейти по статті
Ступінь випромінювання зустрічається в кожному технічному паспорті теплоізоляційного покриття, зазвичай як невелике число від 0 до 1. Те, що він описує, визначено точно. Те, що з цього випливає для конструктивного елемента, залежить від геометрії — і саме тут на практиці виникає плутанина.
Визначення закладене у степеневій функції
Кожна поверхня вище абсолютного нуля випромінює тепло у вигляді електромагнітного випромінювання. Скільки саме, описує закон Стефана-Больцмана:
M = ε · σ · T4 [Вт/м²]
σ — стала Стефана-Больцмана, що дорівнює 5,67 · 10−8 Вт/(м²·K4), T — абсолютна температура в Кельвінах. Ступінь випромінювання ε є безрозмірною величиною і показує, яку частку випромінювання ідеального чорного тіла фактично випромінює поверхня.
З цього одразу випливають дві речі:
- Четвертий степінь є вирішальним членом. Між 20 °C (293 K) і 5 °C (278 K) різниця становить лише 15 Кельвінів, але потік випромінювання змінюється приблизно на 20 відсотків. Для промислових поверхонь з температурою 200 °C і вище різниця стає драматичною — там випромінювання є домінуючим шляхом втрат.
- ε і ступінь поглинання на тій самій довжині хвилі ідентичні. Це закон випромінювання Кірхгофа. Поверхня, яка погано випромінює, на тій самій довжині хвилі також погано поглинає.
Типові значення і чому вони дивують
| Поверхня | ε (довгохвильовий) |
|---|---|
| Чорне тіло (модель) | 1,00 |
| Мінеральна штукатурка, мурування, деревина | 0,90 до 0,95 |
| Дисперсійна фарба, незалежно від кольору | близько 0,90 |
| Віконне скло, без покриття | близько 0,84 |
| Low-E покриття на склі | 0,03 до 0,17 |
| Чиста алюмінієва фольга | 0,03 до 0,05 |
Найважливіше значення в цій таблиці — друге. Майже всі будівельні матеріали мають значення близько 0,9. Цегла, вапняно-цементна штукатурка та біла фарба для стін практично не відрізняються за довгохвильовим ступенем випромінювання.
І момент, який регулярно викликає плутанину: видимий колір нічого не говорить про довгохвильовий ступінь випромінювання. Чорна і біла дисперсійні фарби мають однакове значення близько 0,9. Колір впливає на короткохвильовий ступінь поглинання, тобто на поглинання сонячного випромінювання — це зовсім інша величина для зовсім іншої довжини хвилі.
Де низький ступінь випромінювання доведено діє
Існує три добре задокументовані сфери застосування, і вони мають спільну рису: поверхня з низьким ε стикається з повітряним простором або великим температурним перепадом.
Ізоляційне скління
У міжскляному просторі двошарового скління значна частина теплового потоку проходить у вигляді випромінювання між двома скляними поверхнями. Low-E покриття на склі з боку приміщення значно знижує цю частку. Ефект є великим, вимірюваним і регулюється в товарній нормі — перехід від непокритого до покритого енергозберігаючого скління є одним із найбільших стрибків, які будівельна фізика зробила за останні десятиліття.
Бар’єри випромінювання перед повітряним прошарком
Алюмінієве покриття діє як бар’єр для випромінювання лише тоді, коли перед ним є нерухомий повітряний прошарок. Якщо ту саму плівку безпосередньо заламінувати або заштукатурити, ефект повністю зникає: без повітряного зазору немає обміну випромінюванням, який можна було б зменшити, і тепловий потік продовжує йти шляхом теплопровідності.
Це найпоширеніша помилка застосування в цій сфері — і причина, чому ситуацію монтажу слід зазначати в кожному розрахунку.
Гарячі поверхні в машинобудуванні
На трубопроводах, резервуарах і котлах з температурою поверхні значно вищою за кімнатну через четвертий степінь домінує частка випромінювання. Тут покриття, що знижує випромінювання, має своє класичне поле застосування.
Де ситуація на конструктивному елементі ускладнюється
На внутрішній поверхні стіни ситуація інша, ніж у міжскляному просторі, і причина проста: випромінювання і конвекція відбуваються там паралельно, а норма об’єднує обидва в одному числі.
Опір тепловіддачі Rsi з нормативним значенням 0,13 м²K/Вт не є чистою величиною випромінювання. Він містить конвективну частку — рух повітря біля стіни — так само як і обмін випромінюванням з іншими поверхнями приміщення. Той, хто знижує частку випромінювання, змінює Rsi, але не в тому співвідношенні, яке пропонує чистий розрахунок випромінювання.
Крім того, обмін випромінюванням відбувається між стіною та іншими поверхнями того ж приміщення, а не проти холодного зовнішнього простору. Різниця температур тому невелика — кілька Кельвінів замість 25 Кельвінів, з якими рахує розрахунок за DIN 4108-2. І саме ця невелика різниця входить у четвертий степінь.
Що з цього випливає для температури поверхні конкретної конструкції стіни, не можна сказати загально. Це залежить від співвідношення опорів у всій конструкції, від геометрії приміщення та від використання. Відсоткове значення без відповідної конструкції стіни тому не є твердженням.
Що це означає для технічного паспорта
Три питання, які варто ставити до кожного значення ступеня випромінювання:
- Для якого діапазону довжин хвиль діє значення? Довгохвильове (теплове випромінювання при кімнатній температурі) чи сонячне (короткохвильове)? Обидва є значеннями ε, але вони описують різні процеси і мають різні порядки величин.
- За яким методом проводилося вимірювання? Для довгохвильового ступеня випромінювання зазвичай застосовується вимірювання за EN 15976 або за допомогою еміссометра за ASTM C1371. Значення без методу неможливо перевірити.
- Відносно якої поверхні і на якій відстані? Без ситуації монтажу обмін випромінюванням неможливо розрахувати — а без повітряного зазору його, можливо, взагалі не існує.
А U-значення?
Для вимог за Законом про енергоефективність будівель та для програм підтримки враховується не ступінь випромінювання, а розрахункове значення теплопровідності за DIN 4108-4, загальним будівельним дозволом, Європейською технічною оцінкою або гармонізованою товарною нормою. Низьке значення ε не замінює цей доказ, якою б переконливою не була фізика, що стоїть за ним.
Той, хто в розмові з клієнтом аргументує ступенем випромінювання, отже аргументує реальним фізичним ефектом — але не величиною, якою можна обґрунтувати заявку на субсидію.
Джерела
- Закон Стефана-Больцмана та закон випромінювання Кірхгофа — основи теплопередачі
- DIN EN ISO 6946 — Опір теплопередачі та коефіцієнт теплопередачі, опори тепловіддачі
- DIN 4108-2 — Мінімальні вимоги до теплоізоляції, граничні умови розрахунку
- DIN 4108-4 — Розрахункові значення теплота- і вологозахисту
- DIN EN 15976 — Визначення ступеня випромінювання; ASTM C1371 — метод еміссометра
- Закон про енергоефективність будівель (GEG) та BEG-EM-FAQ щодо визнання доказів U-значення
Ця стаття описує загальні фізичні закономірності. Вона не містить твердження про дію конкретного продукту. Те, що було виміряно на окремих об’єктах, наведено з відповідними граничними умовами на сторінці Референції та вимірювання.