Bauphysikalische Grundlagen

W-2.4 Strahlungseigenschaften von Oberflächen

Emittiert ein Körper bei der Temperatur T die maximal mögliche Strahlung, so wird er als "schwarzer Körper" oder auch schwarzer Strahler bezeichnet. Die emittierte Strahlung ist der 4. Potenz der absoluten Temperatur des Körpers proportional und wird nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet:

\(E_S = \sigma \cdot T^4\)

[W/m2]

(W-9)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4 heißt die Stefan-Boltzmann-Konstante. In der Praxis wird die Gleichung (W-9) umgeschrieben zu:

\(E_S = C_S \Bigl(\frac{T}{100} \Bigr)^4\)

[W/m2]

(W-10)

wobei CS = 5,77 W/m2K4 die Strahlungskonstante des schwarzen Strahlers angibt. Mit der Strahlungskonstante C von Baukörpern aus beliebigen Baustoffen und dem langwelligen Emissionsgrad:

\(\varepsilon =\frac {C}{C_S}\)

[-]

(W-11)

ergibt sich die Strahlungsemission eines beliebigen Baustoffes:

\(E=\varepsilon \cdot C_S \Bigl(\frac{T}{100}\Bigr)^4\)

[W/m2]

(W-12)

Jeder Strahler der Temperatur T kann langwellige Strahlung sowohl emittieren als auch absorbieren. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz ist der Emissionsgrad der Strahleroberfläche bei jeder Temperatur und für jede Wellenlänge gleich dem Absorptionsgrad der Oberfläche

\(\varepsilon = \alpha_L\)

[-]

(W-13)

und damit gilt auch

\(E=A_L\)

[W/m²]

(W-14)

Die Größenordnung des Emissionsgrades einiger üblicher Baustoffe beträgt.:

Baustoffe mineralisch	0,8	bis	0,9
Baustoffe metallisch	0,4	bis	0,8
Aluminium blank, hochglänzend	0,02	bis	0,05
Gläser	0,3	bis	0,9

Das kurzwellige Absorptionsverhalten von Baustoffen hängt auch von der Farbgebung der Oberfläche ab. Bild W-9 zeigt, dass sich dunkel gefärbte Oberflächen stärker erwärmen als helle. Dies hat für die thermische Beanspruchung von Außenbauteilen erhebliche Konsequenzen.

Farben können, unabhängig von ihrem Strahlungsverhalten im sichtbaren Bereich, im langwelligen Spektrum unterschiedlich reagieren. Bild W-10 veranschaulicht, wie das langwellige Reflexionsvermögen einer Farbe von der Wellenlänge der Strahlung abhängt. Die weiße Farbe wird nur in einem kleinen Wellenlängenbereich als weiß (reflektierend) wahrgenommen. Bei größeren Wellenlängen wird sie "schwarz" und absorbiert fast 80 % bis 95 % der ankommenden Strahlung. Die rote Farbe ist ab etwa 2 µm Wellenlänge "weißer" als die weiße, welche im langwelligen Bereich nahezu "schwarz" ist.

Bild W-9:

Tagesgang der Oberflächentemperatur einer verschieden gestrichenen Westwand während eines strahlungsreichen Sommertages. Zum Vergleich ist auch der zeitliche Verlauf der Außenlufttemperatur eingezeichnet.

Bild W-10:

Reflexionsvermögen einer Wandoberfläche in Abhängigkeit der Wellenlänge bei unterschiedlichen Farbgebungen

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