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).

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.

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

patrz też:

^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 1, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 10/2007
^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 2, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 11/2007
^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 3, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 12/2007
^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 4, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 1/2008
^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 5, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 2/2008
^. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 6, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 3/2008

oraz:

- Przepływ energii promieniowania przez warstwowe zestawy szyb , Zbigniew Respondek, Świat Szkla 6/2005 

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 2, Zbigniew Respondek, Świat Szkla 1/2005

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 1, Zbigniew Respondek, Świat Szkla 12/2004 

więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2010

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne