Projekt: Thermografische Vermessung von Isolierglas Definitionen: M: Strahlungsdichte eines Körpers[W/cm 2 ] : Emissionsgrad : Transmissionsgrad : Reflexionsgrad T: Temperatur[K] : Stefan-Konstante: 5,67*10-12 [W/cm 2 K 4 ] Indizes: t: target (Glasprobe) o: gemessene Strahlung (output) i: Strahlung aus einer Quelle (input) 1.Einführung Früher galten Fenster als Schwachstellen in der Wärmedämmung von Gebäuden, d.h. über sie ging in der Regel mehr Wärme verloren als durch Sonneneinstrahlung gewonnen wurde. Seit einigen Jahren sind nun moderne Fensterverglasungen Stand der Technik. Zu deren Aufbau (siehe hierzu Abb.1) gehört eine mit einer speziellen Reflexionsschicht beschichtete Isolierglasscheibe mit der Eigenschaft Wärmestrahlung aus dem Inneren des Raumes zu reflektieren. Dies hilft neben anderen Maßnahmen wie einer Edelgasfüllung (z.b. Krypton) im Glaszwischenraum, den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) eines Fenstern deutlich zu erniedrigen und gleichzeitig den Energiedurchlass solarer Wärmestrahlung (g-wert) auf einen hohem Wert zu belassen. Die Reflexionsschicht ist aus praktischen Gründen im Zwischenraum angebracht um eine Korrosion oder Beschädigung der Schicht an Luft zu verhindern. Reflexionsschicht Innenseite des Fensters 4 3 2 1 Aussenseite des Fensters Gasfüllung Glas Glas Abb.1: Aufbau eines modernen 2-Scheiben Isolierglases Ziel der nachfolgenden Untersuchung ist, die Qualität einer modernen Isolierglasscheibe im Bezug auf die Reflexionsschicht mit Mitteln der IR-Thermografie und IR-Spektroskopie zu untersuchen. Repräsentativ wurden Isolierglasproben (Einfachglas aus einer Doppelverglasung) zweier renommierter Glashersteller Fränkisches Thermoglas GmbH, Fabrikstrasse 13, 91456 Diespeck/Stübach Arcon, Schorba 4, 07751 Bucha
untersucht. 2.Versuchsaufbauten Es wurden folgende zwei verschiedene Messmethoden angewandt, eine Messung im Reflexionsmodus mit IR-Kamera und eine Messung mittels IR-Spektrometer im Transmissionsmodus. 1. Reflexionsmessung (Reflexionsmodus) mit IR-Kamera: Wellenlängenbereich 7,5-13µm Der Messaufbau zu IR-Reflexionmessung verschiedener Glasscheiben hatte die nachfolgende Struktur. Mit der IR-Kamera wurde dabei die Temperatur der Wärmestrahlung gemessen. Daten der IR-Kamera: Typ: Optris Infrasight Wellenlängenbereich 7,5-13µm Elektronische Regelung Glasprobe gemessene Wärmestrahlung Wärmeeinstrahlung Einstrahlwinkel Infrarot-Kamera Strahlungsquelle Abb.2: IR-Messung mit Wärmebildkamera 2. Transmissionsmessung (Transmissionsmodus) mit dem IR-Spektrometer Wellenlängenbereich > 0,8µm Die Messung der Glasproben im Transmissionsmodus wurde in Zusammenarbeit mit dem Department Chemie (Arbeitskreis Prof. Dr. W. Schnick) der Ludwig-Maximilians- Universität München/Grosshadern durchgeführt *. Die Proben wurden in senkrechter Orientierung der Reflexionsschichtseite in Richtung Strahlungsquelle vermessen (Reflexionsschicht auf Seite der Strahlungsquelle). Daten des Spektrometers: Typ: Bruker IFS 66v/s Quelle: Nd:YAG Laser KBr Strahlenteiler 3.Theoretische Grundlagen zur IR-Messung * Wir bedanken uns bei der Arbeitsgruppe, insbes. Bei Herrn U. Baisch für die gute Zusammenarbeit
Ein Körper kann Wärmestrahlung aus seiner Umgebung reflektieren, transmittieren oder absorbieren. Nach dem Kirchhoff schen Strahlungsgesetz ist bei gleicher Wellenlänge das Emissionsvermögen gleich dem Absorptionsvermögen eines Körpers. Somit ergibt sich die Beziehung zur Emission, Reflektion und Transmission wie folgt: =1 (Gl.1) Wird in einem Wellenlängenbereich gemessen, bei dem sich ein Körper transparent zeigt, dann hat die in Transmission gemessene Strahlung Anteile aus durch das Glas transmittierter Strahlung und emittierter Strahlung des Körpers vorzuweisen. Der Emissionsanteil (abgestrahlte Strahlung) resultiert aus der Temperatur des Körpers und wird bei den Messverfahren i. d. R. als Hintergrundstrahlung bei der Eichung berücksichtigt, aufgezeichnet wird dann nur der Transmissionsanteil der Strahlung. Im Wellenlängenbereich, bei dem ein Körper keine Transmission zeigt, wird in der Praxis sinnvollerweise meist die Reflexion gemessen. Hier lässt sich die Reflexion auch durch den Emissionsgrad ausdrücken, so dass gilt: =1 (Gl.2) Auch hier setzt sich die reflektierte Wärmestrahlung eines nicht transparenten Objekts aus der selbst emittierten Wärmestrahlung und aus der von ihm reflektierten Strahlung (z.b. aus einer Quelle) zusammen. M o =M t M r (Gl.3) Wird ein bei der Anregungswellenlänge nicht transparenter Körper mit einer Quelle angestrahlt, dann ergibt sich für die Temperatur der gesamten gemessenen Strahlung aus dem Stefan- Bolzmann-Gesetz und (Gl.3) der Ausdruck: T o = T t 4 T i 4 1/ 4 (Gl.4) Der Gesamtausdruck (Gl.4) resultiert aus der Tatsache, dass der Körper (z.b. die Glasscheibe) neben dem Reflexionsvermögen auch eine Temperatur hat und darum Wärme emittiert. Die Temperatur des Körpers kann sich durch die eingestrahlte Strahlung leicht erhöhen. Messungen im Transmissionmodus 4.Messergebnisse In der ersten Messreihe wurde die Transmission der Proben mittels dem Spektrometer Bruker IFS 66v/s für Wellenlängen > 0,8µm bestimmt. Ab einer Wellenlänge von ca. 5µm ergab sich für die verschiedenen Glasscheiben keine Transmission,es ist daher folgend nur der relevante Bereich dargestellt. Das Spektrum einer Floatglasscheibe weist nach der Messung folgende 3-Bereiche charakteristischen Transmissionsbereiche auf: 0,8 bis ca. 2,75µm: Transmissiongrad ca. 0,8 2,75 bis ca. 4,5µm: Transmissiongrad ca. 0,2 ab 4,5 µm: Transmission geht gegen Null Für die Scheiben mit Reflexionsschicht auf Floatglas ergaben sich Ergebnisse, die sich folgend charakterisieren lassen:
0,8 bis ca. 1,2µm, Transmissiongrad ca. 0,5 1,2 bis ca. 2,7µm, Transmissiongrad <0,2 ab 2,7µm, Transmission geht gegen Null Floatglas Arcon FTG Abb.3: Transmission von Isolierglasscheiben (der Hersteller Arcon und FTG) mit Reflexionsschicht im Vergleich zu einer baugleichen Floatglasscheibe ohne Reflexionschicht Messungen im Reflexionsmodus Die nächste Messung wurde an einer Floatglasscheibe im Reflexionsmodus vorgenommen. Wie auch schon die Transmissionmessung gezeigt hat, ergibt sich keine relevante Transmission im Bereich von 7,5 13µm, die Untersuchung beschränkte sich daher auf Reflexion und Absorption. Die Messwerte und deren Interpolierung in Abb.4 zeigen, dass die Strahlung überwiegend im Glas absorbiert und nicht reflektiert wird. Die Interpolierung ergibt Werte von 0,09 für den Reflexionsgrad und 0,91 für die Emission bzw. die Absorption der Floatglasscheibe. Diese Werte berücksichtigen die Tatsache, dass eingestrahlte Strahlung die Glasscheibe durch Absorption erwärmt und dadurch ein höherer Betrag zur emittierten Strahlung geliefert wird. Die besten interpolierten Werte ergaben sich bei einer Temperaturanhebung von 10% der Temperaturdifferenz von eingestrahlter und Strahlung und ursprünglicher Glastemperatur. Der Reflexionswert von 0,09 stimmt gut mit Vergleichsmessungen für Floatglas überein *. * Vergleichsmessungen mit der Wärmebildkamera ergeben analoge Werte
Abb.4: Reflexion und Absorption (Emission) an einer Floatglasscheibe (senkrechtem Einfall der Strahlung). Gemessen wurde die Temperatur der reflektierten Strahlung als Funktion der Temperatur der eingestrahlten Strahlung. Die weiteren Messungen im Reflexionsmodus wurden an einfachen Isolierglasscheiben mit Reflexionsschicht vorgenommen. Um die winkelabhängigkeit festzustellen hatte die einfallende Strahlung unterschiedliche Winkel von 20, 40, 60 un d 80. Glas-Typ FTG Arcon Raumtemperatur [ C] 12,7±0,5 12,9±0,5 Glastemperatur [ C] 11,6±0,2 13,3±0,2 Temperatur der einfallenden Strahlung [ C] 25,5±0,5 26,5±0,5 Gemessene Strahlung bei einem Winkel von 80 [ C] 24,5±0,3 25,5±0,2 Gemessene Strahlung bei einem Winkel von 60 [ C] 24,7±0,5 25,9±0,5 Gemessene Strahlung bei einem Winkel von 40 [ C] 24,8±0,5 26,0±0,5 Gemessene Strahlung bei einem Winkel von 40 [ C] 24,8±0,2 26,2±0,2 Wird die gemessene Strahlungstemperatur analog zu Abb.4 ausgewertet, d.h. für jeden Messpunkt wird der Reflexionsgrad bestimmt, dann ergeben sich die in Abb.5 dargestellten Werte. (Es wurde jedoch keine Temperaturanhebung berücksichtigt, Grund: nicht relevant bei hohem Reflexionsgrad)
Arcon FTG Abb.5: Resultierende Reflexionsgrade im Wellenlängenbereich von 7,5 bis 13µm der Isolierglasscheiben mit Reflexionsbeschichtung Wie in Abb.5 zu erkennen, liegen die Reflexionsgrade für IR-Strahlung im Bereich von 7,5 bis 13µm Wellenlänge bei Werten von 0,92 bis 0,97. Es wird also bei den unterschiedlichen Einfallswinkel jeweils über 90% der Wärmestrahlung reflektiert.
5.Abschließendes Fazit der Untersuchung Es wurde Isolierverglas mit IR-Reflexionsschicht zweier Hersteller untersucht, es ergaben sich in Bezug auf die Strahlungseigenschaften keine essentiellen Unterschiede. Im Vergleich zu gewöhnlichem Floatglas ohne Reflexionsbeschichtung bestanden jedoch erhebliche Unterschiede. Die Wirkung einer Isolierglasscheibe mit IR-Reflexionsschicht ergibt sich wie folgt. 1. Von der Strahlung, die sich überwiegend in einem Wohnraum befindet (Raumtemperatur 20-25 C, relevanter Wellenlängenbereich 5-15µm: siehe Abb.6) wird durch die Reflexionsschicht das meiste wieder in den Raum zurückreflektiert, wenn sie versucht durch das Fenster aus dem Raum zu gelangen. 2. Die Sonnenstrahlung selbst, mit einem Maximum bei 0,5µm, kann fast ungehindert durch Glas und Reflexionschicht gelangen, denn oberhalb 1,2µm befindet sich nur noch ein geringer Anteil am gesamten solaren Strahlungsspektrum, siehe Abb.6. 3. Im Raum wird die kurzwellige solare Strahlung an den Gegenständen und deren Oberflächen in langwelligere Strahlung umgewandelt (kleine Energien entstehen durch physikalische P.). Strahlung mit einer zwei bis dreifachen Wellenlänge im Vergleich zur eingefallenen Sonnenstrahlung, wird dann ebenso von der Reflexionsschicht reflektiert, wie die restliche Wärmestrahlung im Raum. Grund: Im Wellenlängenbereich von 1,2 bis 2,7µm besitzt bei beschichtetem Glas eine geringere Transparenz. Geht man davon aus, dass dies überwiegend auf Reflexion von Strahlung zurückzuführen ist und das ist berechtigt, da die dünne Funktionsschicht selbst kaum absorbiert, ergibt sich hier ebenso ein höherer Gewinn in der Energiebilanz. Anmerkung: Isolierglas ohne Reflexionsbeschichtung oder jede andere Floatglasscheibe würde nur etwa 50% der langwelligen Wärmestrahlung (Strahlung über 4,5µm) eines Raumes reflektieren, aber immerhin. Denn die Strahlung würde erst an der Glasscheibe absorbiert und dann zu 50% wieder in den Raum reflektiert. Die restlichen 50% würden dann eventuell auf eine äußere Isolierglasscheibe treffen oder gleich nach außen gehen. Die Reflexionsbeschichtung jedoch, ermöglicht den optimalen ''Einfang'' von Wärmestrahlung im Raum (zu weit über 90%). Bei geringem U-Wert können so Fenster innerhalb eines Jahres mehr Energie ''Einfangen'' als durch sie verloren geht. Ein Zahlenbeispiel zur Energiebilanz : An einem Fenster (Größe 2qm) in Südost-Südwest Orientierung, und mittleren klimatischen Verhältnissen (Heizgradstunden: 84khK/Heizperiode) kommt es bei einem U-Wert des Fensters von 1,5W/m 2 K zu einem Wärmeverlust pro Heizperiode von Q Verlust =2 1,5 84KWh=252KWh Die solaren Gewinne in der Heizperiode betragen für das angenommene Fenster hingegen bei mittleren Standardwerten (nach EnEV) und einem g-wert von 0,7 Q Gewinn =2 0,7 270KWh=378KWh Wie im Ergebnis zu erkennen, wird durch das Fenster mehr Energie gewonnen als entweicht.
Arcon FTG Abb.6: Oben: Strahlungsspektren verschiedener (schwarzer) Strahler und der Sonne. Unten: Strahlungsspektren von Körpern unter 300 C bis zum Raumtemperaturbereich.