Absorption und Wärme auf Oberflächen
Gallerie
Außenbauteile und deren Oberflächen sind latent
unterschiedlichen umweltbedingten Einflüssen ausgesetzt (z.B.
klimatischen Veränderungen im Tages- und Jahresverlauf sowie
Erwärmungs- und Abkühlvorgängen durch Temperaturwechsel). Dies
führt zu Spannungen aus Längenänderungen in den Bauteilen, was im
schlimmsten Fall Schäden verursacht. Die sich tatsächlich
einstellende Oberflächentemperatur wird dabei aus der Summe aller
einzelnen Einflüsse gebildet. Dazu zählen:
- Leitfähigkeit des Materials
- Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenseite
- Albedo (Rückstrahlvermögen) der Oberflächenstruktur
- Beschaffenheit der Oberfläche, z.B. farbige Beschichtungen
- Absorptionsvermögen des Materials
- Windgeschwindigkeit
- Konvektion
- Regen
- Art der Sonnenstrahlung, direkt oder diffus
- Wärmerückstrahlung des Materials
Grundsätzlich gilt, dass alle Körper Strahlung empfangen und
abgegeben. Von den Oberflächen der Körper bzw. Baustoffe wird die
Strahlung teilweise zurückgeworfen, der nicht reflektierte Teil
absorbiert und in Wärme umgewandelt. In Abhängigkeit zur
Materialbeschaffenheit des Körpers wird die Wärme als innere
Energie gespeichert und weiter in das Bauteil geleitet. Dieser
Vorgang führt zu einer materialspezifischen und
temperaturabhängigen Längenänderung. Mit der Auswahl des Materials,
der Oberflächenbeschaffenheit oder der Farbe kann man diesen
Prozess beeinflussen. Deutlich wird der Einfluss der farbigen
Beschichtung bei einer sonnenbeschienenen Fläche und den daraus
resultierenden Oberflächentemperaturen.
Vergleich der Absorptionsgrade unterschiedlicher üblicher Baustoffe nach Baehr und Stephan (Baehr, H.D.; Stephan, K. ; Wärme- und Stoffübertragung; Auszug Kap. 5.5 Strahlungsaustausch, aus Tab. 5.8,S.633)
Hashem Akbari veröffentlichte eine Übersicht zu verschieden
farbigen Musterflächen, von weißem bis schwarzem Lack und
unterschiedlichen Materialien, gleichen Aufbaus und gleicher
Abmessung, die im Hinblick auf die Auslegung passiver Kühlsysteme
im urbanen Raum untersucht wurden. In Abhängigkeit der
unterschiedlichen Farben und Absorptionsgrade stellten sich
Steigerungen der Oberflächentemperaturen von +10 K bis +49 K
ein.
Temperaturerhöhung ausgewählter Baustoffe und Beschichtungen
(nach H. Akbari)
Absortionsgrad αs ausgewählter Baustoffe und Beschichtungen
(nach H. Akbari)
Akbari H.; Opportunities for saving energy and improving air
quality in urban heat islands“ veröffentlicht in „advances in
passive cooling“, James and James (Science Publishers) Ltd.; London
2007; S.44
Zur Vorhersage der möglichen Erwärmung von Stoffen, können die
Werte des Absorptionsgrades αs für bautypische Materialien genutzt
werden. Der Einfluss des Temperaturbereichs auf den Emissionsgrad
kann jedoch für eine übliche Nutzung im Baubereich vernachlässigt
werden, da nach VDI 3789-2 der betreffende Bereich nur von
-30°C bis +100°C reicht. Sollen Bauteiloberflächen eine geringe
Temperatur unter solarer Bestrahlung annehmen, muss der Quotient
aus Absorptionsgrad und Emissionsgrad (as/ε) klein sein.
Temperaturverlauf der Messungen im Freilandprüfstand am 21.09.2011
in Winningen/Mosel
Untersuchungen der Bergischen Universität Wuppertal an
Schieferdächern zeigen deutlich, wie groß der Einfluss der
wetterbedingten Einflüsse auf einem Dach sein kann. Aufgrund der
Materialeigenschaft des Schiefers erfolgt unter solarer Bestrahlung
eine unverzügliche und schnelle Erwärmung der Konstruktion. Das
Beispiel der Messungen vom 21.09.2011 zeigt, wie die
temperaturmäßig eingeschwungene Dachkonstruktion eine Temperatur
besitzt, die der Umgebung entspricht. Mit der beginnenden direkten
Bestrahlung steigt die Temperatur auf der Unterseite des Schiefers
innerhalb von 8.00 Uhr bis 10.00 Uhr um ca. 12 K, während sich
zeitgleich die Umgebungsluft nur um ca. 3 K erwärmt. Zur
Mittagszeit erreicht die Schieferfläche dann eine
Oberflächentemperatur, die bei ca. 48°C liegt, und damit 24 K
über der Temperatur der Umgebungsluft. Kommt es zu einer
Unterbrechung der direkten solaren Bestrahlung durch den Durchzug
eines Wolkenfeldes, beginnt unverzüglich der Abkühlungsprozess der
Konstruktion, die sich dann der Temperatur der Umgebungsluft
annähert.
Mit den Temperaturveränderungen setzen zugleich Änderungen der
Länge oder der Raumausdehnung von Baustoffen ein. Bei den meisten
Baustoffen oder Bauteilen ist dies hauptsächlich eine
längenbezogene Ausdehnung oder Kürzung, was in den Bauteilen zu
Zwängung führen kann. Dieser Umstand muss bereits in der Planung
berücksichtigt werden und sich in Form von Fugen in den
Bauwerken wiederfinden; insbesondere bei metallischen Baustoffen
ist dies zu beachten. So gibt die DIN 18339 VOB Vergabe- und
Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C für Klempnerarbeiten
die maximalen Abstände von Bewegungsausgleichen vor. Gleiche
Vorgaben findet man aber ebenso für die Ausführung von Klinker-,
gefliesten Fassaden oder Fassaden aus Metalltafeln. Hier müssen
entweder Feldbegrenzungsfugen eingeplant werden, um Spannungen aus
der Konstruktion auszugleichen, oder die Halterungen von
Metalltafeln mit Langlochkonstruktionen nachgewiesen werden, um
Längenveränderungen aus thermischen Veränderungen
aufzunehmen.