Τι περιγράφει πραγματικά ο συντελεστής εκπομπής
Μετάβαση μέσα στο άρθρο
Ο συντελεστής εκπομπής εμφανίζεται σε κάθε τεχνικό φυλλάδιο μιας μονωτικής επίστρωσης, συνήθως ως μικρός αριθμός μεταξύ 0 και 1. Το τι περιγράφει είναι ακριβώς ορισμένο. Το τι προκύπτει από αυτό για ένα δομικό στοιχείο εξαρτάται από τη γεωμετρία — και ακριβώς εκεί γίνεται ασαφές στην πράξη.
Ο ορισμός βρίσκεται σε μια δύναμη
Κάθε επιφάνεια πάνω από το απόλυτο μηδέν αποδίδει θερμότητα ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Πόση, περιγράφεται από τον νόμο Stefan-Boltzmann:
M = ε · σ · T4 [W/m²]
Το σ είναι η σταθερά Stefan-Boltzmann με 5,67 · 10−8 W/(m²·K4), το T η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin. Ο συντελεστής εκπομπής ε είναι αδιάστατος και δηλώνει ποιο ποσοστό της ακτινοβολίας ενός ιδανικού μέλανος σώματος αποδίδει πράγματι η επιφάνεια.
Δύο πράγματα προκύπτουν αμέσως από αυτό:
- Η τέταρτη δύναμη είναι ο καθοριστικός όρος. Ανάμεσα σε 20 °C (293 K) και 5 °C (278 K) υπάρχουν μόνο 15 Kelvin, όμως η ροή ακτινοβολίας μεταβάλλεται κατά περίπου 20 τοις εκατό. Σε βιομηχανικές επιφάνειες με 200 °C και άνω η διαφορά γίνεται δραματική — εκεί η ακτινοβολία είναι ο κυρίαρχος τρόπος απώλειας.
- Το ε και ο συντελεστής απορρόφησης είναι ίδια στο ίδιο μήκος κύματος. Αυτός είναι ο νόμος ακτινοβολίας του Kirchhoff. Μια επιφάνεια που εκπέμπει κακώς, απορροφά επίσης κακώς στο ίδιο μήκος κύματος.
Τυπικές τιμές, και γιατί εκπλήσσουν
| Επιφάνεια | ε (μεγάλου μήκους κύματος) |
|---|---|
| Μέλαν σώμα (μοντέλο) | 1,00 |
| Ορυκτός σοβάς, τοιχοποιία, ξύλο | 0,90 έως 0,95 |
| Ακρυλικό χρώμα διασποράς, ανεξαρτήτως απόχρωσης | περίπου 0,90 |
| Τζάμι παραθύρου, χωρίς επίστρωση | περίπου 0,84 |
| Επίστρωση Low-E σε γυαλί | 0,03 έως 0,17 |
| Γυμνό αλουμινόχαρτο | 0,03 έως 0,05 |
Η σημαντικότερη τιμή σε αυτόν τον πίνακα είναι η δεύτερη. Σχεδόν όλα τα δομικά υλικά βρίσκονται στο 0,9. Ένα τούβλο, ένας ασβεστοτσιμεντοκονίαμα και ένα λευκό χρώμα τοίχου δεν διαφέρουν πρακτικά στον συντελεστή εκπομπής μεγάλου μήκους κύματος.
Και ένα σημείο που προκαλεί τακτικά σύγχυση: η ορατή απόχρωση δεν λέει τίποτα για τον συντελεστή εκπομπής μεγάλου μήκους κύματος. Ένα μαύρο και ένα λευκό χρώμα διασποράς βρίσκονται και τα δύο περίπου στο 0,9. Η απόχρωση επηρεάζει τον μικρού μήκους κύματος συντελεστή απορρόφησης, δηλαδή την πρόσληψη ηλιακής ακτινοβολίας — ένα εντελώς διαφορετικό μέγεθος για ένα εντελώς διαφορετικό μήκος κύματος.
Πού λειτουργεί αποδεδειγμένα ένας χαμηλός συντελεστής εκπομπής
Υπάρχουν τρεις καλά τεκμηριωμένες εφαρμογές, και έχουν ένα κοινό στοιχείο: Η επιφάνεια με το χαμηλό ε βρίσκεται απέναντι από έναν αεροχώρο ή μια μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας.
Μονωτικός υαλοπίνακας
Στο διάκενο μεταξύ των τζαμιών μιας διπλής υαλόστασης, ένα σημαντικό μέρος της θερμικής ροής διέρχεται ως ακτινοβολία μεταξύ των δύο επιφανειών γυαλιού. Μια επίστρωση Low-E στο τζάμι της εσωτερικής πλευράς μειώνει δραστικά αυτό το ποσοστό. Το αποτέλεσμα είναι μεγάλο, μετρήσιμο και ρυθμισμένο στο πρότυπο προϊόντος — η μετάβαση από το χωρίς επίστρωση στο επιστρωμένο θερμομονωτικό τζάμι είναι ένα από τα μεγαλύτερα άλματα που έχει κάνει η δομική φυσική τις τελευταίες δεκαετίες.
Φράγματα ακτινοβολίας μπροστά από στρώμα αέρα
Μια επικάλυψη αλουμινίου λειτουργεί ως φράγμα ακτινοβολίας μόνο όταν μπροστά της υπάρχει ένα ακίνητο στρώμα αέρα. Αν το ίδιο φύλλο ενσωματωθεί απευθείας με λαμινάρισμα ή σοβάτισμα, το αποτέλεσμα εξαφανίζεται εντελώς: Χωρίς αεροδιάκενο δεν υπάρχει ανταλλαγή ακτινοβολίας που να μπορεί να μειωθεί, και η θερμική ροή συνεχίζει ως αγωγή.
Αυτό είναι το πιο συχνό σφάλμα εφαρμογής σε αυτόν τον τομέα — και ο λόγος για τον οποίο η κατάσταση εγκατάστασης πρέπει να αναφέρεται σε κάθε τεκμηρίωση.
Θερμές επιφάνειες σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις
Σε σωληνώσεις, δεξαμενές και λέβητες με θερμοκρασίες επιφάνειας σαφώς πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, το ποσοστό ακτινοβολίας κυριαρχεί λόγω της τέταρτης δύναμης. Εδώ έχει η επίστρωση μείωσης εκπομπής το κλασικό της πεδίο εφαρμογής.
Πού η υπόθεση γίνεται περίπλοκη στο δομικό στοιχείο
Σε μια εσωτερική επιφάνεια τοίχου η κατάσταση είναι διαφορετική από ό,τι στο διάκενο υαλοπίνακα, και αυτό για έναν απλό λόγο: ακτινοβολία και συναγωγή τρέχουν εκεί παράλληλα, και το πρότυπο συνοψίζει και τα δύο σε έναν αριθμό.
Η αντίσταση θερμικής μετάβασης Rsi με την πρότυπη τιμή 0,13 m²K/W δεν είναι καθαρό μέγεθος ακτινοβολίας. Περιλαμβάνει το συναγωγικό ποσοστό — την κίνηση αέρα στον τοίχο — όπως και την ανταλλαγή ακτινοβολίας με τις υπόλοιπες επιφάνειες του χώρου. Όποιος μειώνει το ποσοστό ακτινοβολίας, μεταβάλλει το Rsi, αλλά όχι στην αναλογία που υποδεικνύει ο καθαρός υπολογισμός ακτινοβολίας.
Επιπλέον: Η ανταλλαγή ακτινοβολίας γίνεται μεταξύ του τοίχου και των υπόλοιπων επιφανειών του ίδιου χώρου, όχι προς τον κρύο εξωτερικό χώρο. Η διαφορά θερμοκρασίας είναι έτσι μικρή — λίγα Kelvin αντί των 25 Kelvin με τα οποία υπολογίζει η τεκμηρίωση κατά DIN 4108-2. Και ακριβώς αυτή η μικρή διαφορά εισέρχεται στην τέταρτη δύναμη.
Το τι προκύπτει από αυτό για τη θερμοκρασία επιφάνειας μιας συγκεκριμένης κατασκευής τοίχου δεν μπορεί να λεχθεί γενικά. Εξαρτάται από τον λόγο των αντιστάσεων σε ολόκληρο το δομικό στοιχείο, από τη γεωμετρία του χώρου και από τη χρήση. Ένα ποσοστό χωρίς την αντίστοιχη κατασκευή τοίχου δεν είναι επομένως καμία δήλωση.
Τι σημαίνει αυτό για ένα τεχνικό φυλλάδιο
Τρεις ερωτήσεις που πρέπει να θέτει κανείς σε κάθε αναφορά συντελεστή εκπομπής:
- Για ποιο εύρος μήκους κύματος ισχύει η τιμή; Μεγάλου μήκους κύματος (θερμική ακτινοβολία σε θερμοκρασία δωματίου) ή ηλιακή (μικρού μήκους κύματος); Και τα δύο είναι τιμές ε, αλλά περιγράφουν διαφορετικές διεργασίες και έχουν διαφορετικές τάξεις μεγέθους.
- Με ποια μέθοδο μετρήθηκε; Για τον συντελεστή εκπομπής μεγάλου μήκους κύματος συνηθίζεται η μέτρηση κατά EN 15976 ή με εκπομπόμετρο κατά ASTM C1371. Μια τιμή χωρίς μέθοδο δεν είναι επαληθεύσιμη.
- Απέναντι σε ποια επιφάνεια και σε ποια απόσταση; Χωρίς την κατάσταση εγκατάστασης δεν μπορεί να υπολογιστεί η ανταλλαγή ακτινοβολίας — και χωρίς αεροδιάκενο ενδεχομένως δεν υπάρχει καν.
Και ο συντελεστής U;
Για τις απαιτήσεις κατά τον Gebäudeenergiegesetz (GEG) και για προγράμματα επιδότησης δεν μετρά ο συντελεστής εκπομπής, αλλά η τιμή υπολογισμού της θερμικής αγωγιμότητας κατά DIN 4108-4, μιας γενικής οικοδομικής άδειας εποπτείας, μιας Ευρωπαϊκής Τεχνικής Αξιολόγησης ή ενός εναρμονισμένου προτύπου προϊόντος. Μια χαμηλή τιμή ε δεν αντικαθιστά αυτή την τεκμηρίωση, όσο πειστική κι αν είναι η φυσική πίσω από αυτήν.
Όποιος επιχειρηματολογεί στη συζήτηση με τον πελάτη με τον συντελεστή εκπομπής, επιχειρηματολογεί λοιπόν για ένα πραγματικό φυσικό φαινόμενο — αλλά όχι για ένα μέγεθος με το οποίο μπορεί να τεκμηριωθεί μια αίτηση επιδότησης.
Πηγές
- Νόμος Stefan-Boltzmann και νόμος ακτινοβολίας του Kirchhoff — βασικές αρχές μετάδοσης θερμότητας
- DIN EN ISO 6946 — Αντίσταση θερμικής διαπερατότητας και συντελεστής θερμοδιαπερατότητας, αντιστάσεις θερμικής μετάβασης
- DIN 4108-2 — Ελάχιστες απαιτήσεις θερμομόνωσης, οριακές συνθήκες τεκμηρίωσης
- DIN 4108-4 — Τιμές υπολογισμού θερμομόνωσης και προστασίας από υγρασία
- DIN EN 15976 — Προσδιορισμός του συντελεστή εκπομπής· ASTM C1371 — μέθοδος εκπομπόμετρου
- Gebäudeenergiegesetz (GEG) καθώς και BEG-EM-FAQ σχετικά με την αναγνώριση τεκμηρίωσης συντελεστή U
Αυτό το άρθρο περιγράφει γενικές φυσικές σχέσεις. Δεν περιέχει καμία δήλωση για την επίδραση ενός συγκεκριμένου προϊόντος. Τι μετρήθηκε σε μεμονωμένα αντικείμενα, αναφέρεται με τις αντίστοιχες οριακές συνθήκες στη σελίδα Αναφορές και μετρήσεις.