Vortrag textiler schatten in sonnigen ländern

Textiler Schatten in sonnigen Ländern:Textiler Schatten in sonnigen Ländern:Wechselwirkung zwischen Trägermaterial

und Beschichtung zu UV, VIS und IR Strahlung

1. Einleitung2 Problemanalyse2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

AFBW Anwenderforum Textiler Schatten in sonnigen Ländern, Hubertus Pöppinghaus, IF-Group p.1

Sonnenlicht ist die direkt erfahrbare solare Strahlung. Schatten ist in südlichen Ländern die wichtigste Voraussetzung des thermischen sommerlichen Komforts im Außenraum: Zugbeanspruchter, horizontaler Sonnenschutz verbindet die

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad g p ,

Vorteile eines geringen Eigengewichtes mit einer maximalen Schattenausbeute.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 1: Seilnetz mit textilen Rhomben in Palma de Mallorca, Bild 2: Gemälde von Ramon Casas (1889-1890) “Festa a Barcelona”


Sonnenschutz bedeutet immer auch UV-Schutz: Es handelt sich dabei um die energiereichste Strahlung, die unter normalen Umständen unsere Erde erreicht und unsere Haut malträtiert Schattenzelte müssen

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad unsere Erde erreicht und unsere Haut malträtiert. Schattenzelte müssen

deshalb einen maximalen UV-Schutz erreichen. 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

A i l

Bild 3 UV-Index Vorhersage aus den USA und im Bild 4 die „Slip, Slap and Slop” Kampagne aus Australien


A. inlay

Warum werden als Sonnenschutz dunkle Markisenstoffe bevorzugt, die sich speziell in südlichen Gefilden unter direkter solarer Bestrahlung stark aufheizen?

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad direkter solarer Bestrahlung stark aufheizen? 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 5: Foto von dunkelgrünen Markisen in Barcelona Bild 6: Wärmebild der gleichen Fassade aufgenommen um 11:04 UTC im Monat August


Warum ziehen sich Menschen „freiwillig“ unter brüllender Sonne schwarz an?1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Der prämierte österreichische Produkt- und Schattendesigner Gerald Wurz schreibt im deutschen Baunetz: “Dass es unter einemdeutschen Baunetz: Dass es unter einem hellen Sonnenschutz angenehmer sei, als unter einem dunklen, stimme übrigens nicht, so der Designer. Die Touareg, Namenspaten eines der Sonnensegel, wüssten dies bereits seit Jahrhunderten” (www.baunetzwissen.de)


Bild 8: Arabische Frau mit schwarzem niqab SchleierBild 7: Foto von Gerald Wurz

Grund der dunklen Färbung der Garne liegt in ihrer besseren Haltbarkeit, da die Pigmente seit jeher das wirksamste Schutzschild gegen die Sonnenstrahlen bilden. Genauso absurd wäre es zu behaupten, die dunkle Hautfarbe der Südlä d ü d i b t Kühl üb d h ll H tf b

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Südländer würde eine verbesserte Kühlung gegenüber der helleren Hautfarbe

der Nordländer bedeuten. Die dunkle Pigmentierung verhindert stattdessen auf Kosten einer größeren Erwärmung der Haut ein tieferes Eindringen des schädlichen ultravioletten Anteils der Sonnenstrahlung

4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 9: Geschützte schwarze Haut Bild 10: Ungeschützte weiße Haut


Weshalb behaupten aber sogar Hersteller von Markisen, dass dunkle Stoffe mehr Sonnenwärme abschirmen helfen als helle und somit einen besseren Sommerkomfort bieten?

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

„Der Komfort unter einer Markise wird sehr stark von der Farbe des Tuches geprägt“


Bild 11: Katalog der Firma Dickson-sunbrella: http://www.gotthardt-yacht.de/Sunbrella_Dickson.html

Liegt das Problem etwa bei den falsch angewendeten Normen?Sonnenfaktor FS oder Gesamtenergiedurchlassgrad g ist nach der Norm EN 410:1998 „die Summe des direkten Strahlungstransmissionsgrades (τe) und des

k dä Wä b b d ( ) d V l h i l t t b di t

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad sekundären Wärmeabgabegrades (qi) der Verglasung nach innen, letztere bedingt

durch den Wärmetransport infolge Konvektion- und langwelliger IR-Strahlung des Anteils der auftretenden Strahlung, der von der Verglasung absorbiert wird“


Die sekundäre, nach innen abgestrahlte Strahlungsleistung [qi·Φtot] aufgrund der von der Verglasung absorbierten solaren Wärmeenergie

Der transmittierte Anteil [τe·Φtot] der solaren Globalstrahlung

Bild 12: Schematische Darstellung des g-Wertes nach der Norm EN 410:1998

g∙Φtot = τe∙Φtot + qi∙Φtot

Formel 1: Rechnerische Darstellung des g-Wertes


g g g g

Übersicht der elektromagnetischen Strahlung1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

380nm=0,38μm Bereich der sichtbaren solaren Strahlung 780nm=0,78μm

Einteilung der ultravioletten Strahlung: Internationale Einteilung der infraroten Strahlung:

Bild 13:spektrale Übersicht

1. UV-C (Fernes UV): 200nm bis 280nm 2. UV-B (Mittleres UV): 280nm bis 315nm 3. UV-A (Nahes UV): 315nm bis 380nm

1. VIS (visible): 0,38μm bis 0,78μm 2. NIR (near infrared): 0,78μm bis 3,0μm 3. MIR (middle infrared): 3,0μm bis 50μm 4 FIR (far infrared): 50μm bis 1000μm


4. FIR (far infrared): 50μm bis 1000μm

Die Wärmestrahlung ist ein Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung und wird normalerweise auf den Wellenlängenbereich von 0,1 μm bis 1000 μm (= 1 mm) begrenzt. Sie braucht kein Transportmedium und findet selbst

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad μ ( ) g p

im luftleeren Raum statt.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Konvektion

Wärmeleitung

Wärmestrahlung


Bild 14: Schematische Darstellung der Beziehung der drei Wärmeübertragungsmechanismen

Unsichtbare Wärmestrahlung1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Im Jahr 1800 entdeckt der deutscheAstronom Friedrich Wilhelm Herschelzufällig die Existenz der infrarotenzufällig die Existenz der infrarotenStrahlung bei einer Untersuchung derthermischen Eigenschaften von direkterSonnenstrahlung. Er zerlegte das weißeg gSonnenlicht mit Hilfe eines Prismas undzeichnete die Temperatur mit mehrerenQuecksilberthermometern auf. Zuseinem Erstaunen erschien der größteseinem Erstaunen erschien der größteTemperaturanstieg neben dem rotenBand des sichtbaren Spektrums.Herschel folgerte richtigerweise darausg gdie Existenz einer unsichtbarenWärmestrahlung.


Bild 15: Friedrich Wilhelm Herschel bei seinem bahnbrechenden Versuch

Sichtbare Wärmestrahlung: Oberhalb der Temperatur von 798K (525ºC, genannt Draper point) strahlen alle Objekte im sichtbaren Bereich Das Spektrum der Farben von heißem Eisen wird normaler-

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Bereich. Das Spektrum der Farben von heißem Eisen wird normaler

weise für die Falschfarbendarstellung der Wärmebilder verwendet. 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 16:Weissglühendes Schmiedeeisen


Wärmeübertragungsmechanismen im Bezug zur Leichtigkeit der Baumaterialien: schweres Mauerwerk versus Membranbauten


Bild 17: Schematische Darstellung der Beziehung zwischen den drei Wärmeübertragungsmechanismen und den Baumaterialien gezeichnet von Dr. Rainer Blum


Membranen sind starker solarer Strahlung ausgesetzt bestehend aus ultravioletter Strahlung (UV), sichtbarem Licht (VIS) und dem Bereich des nahen Infrarot (NIR). Sie empfangen aber ebenfalls Strahlung aus dem mittleren Infrarotbereich (MIR) entsprechend der terrestrischen

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad dem mittleren Infrarotbereich (MIR), entsprechend der terrestrischen

Wärmestrahlung der uns umgebenden Objekte.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Solare Strahlung bei 5780K

Objektstrahlung bei 293K


Bild 18: Spektraler Unterschied des ausgesandten Wärmestroms pro m² und Wellenlänge zwischen der Sonnenstrahlung (5780K) und einem Körper bei Zimmertemperatur+20ºC (293K)

Messstation „Kühle Schattenzelte“: Sonnenstrahlung kann nur im Freien untersucht und gemessen werden. Die Messstation befand sich deshalb auf etwa 100 m Höhe über dem Mittelmeer auf einer offenen Terrasse im

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad

zwölften Stock am Hang des Collserolahügels in Barcelona4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 19: Gerüst mit der Sagrada Familia Kirche im Hintergrund, Bild 20: Messstation mit den verschiedenen Membranproben von oben gesehen


Die Erfassung der Messwerte erfolgte alle zwei Sekunden. Diese Rohwerte wurden alle zwei Minuten als Mittelwerte und innerhalb eines Zeitraumes von einer halbe Stunde jeweils als Extremwerte im Datenlogger abgespeichert.

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad j gg g p4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 21: Links geschütztes Thermo-Hygrometer und rechts Ultrasonic Anemometer Bild 22: Albedometer mit zwei Pyranometern


Schematische Darstellung der Membran im Wärmestrahlungsfeld: Auf der Unterseite der transluzenten Membran müssen vier Wärmestrahlungsquellen summiert werden. Die laminare

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Wärmestrahlungsquellen summiert werden. Die laminare

Luftströmung (Konvektion) wurde dabei weggelassen.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

1. Die von der Membran reflektierte, solare Albedostrahlung [Φalbedo] (VIS und NIR)

2. Der transmittierte Anteil [ΦT] der solaren Globalstrahlung (VIS und NIR)

3 Die von der Membran selber abgestrahlte3. Die von der Membran selber abgestrahlte Wärmeleistung [ΦE] (MIR)

4. Die von der Membran reflektierte Hinter-grundsstrahlung [Φhinter] (MIR)

Bild 23:Schema der vier ausgewerteten Wärmequellen unter einer zugbeanspruchten Schattenkonstruktion


Die Thermografie ist ein nicht invasives Verfahren, um die Temperaturen eines Körpers als Bild darstellen zu können. Die thermografische Kamera bearbeitet jedes einzelne Pixel als


640 pix

thermografische Kamera bearbeitet jedes einzelne Pixel als Messpunkt einer bestimmten Temperatur.


640 pix

480pix

Tabelle 1: Excel-Datei der Temperaturen des linken Wärmebildes: jedes Pixel ist eine Temp.

Bild 24: Bildliches Resultat der Messung


g

Textile Membranen haben eine Masse von nur etwa 1kg/m² und eine Dicke von 1mm. Jede Temperaturveränderung an der außenliegenden Seite wird aufgrund ihrer hautähnlichen Eigenschaften fast ohne

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Seite wird aufgrund ihrer hautähnlichen Eigenschaften fast ohne

Verzögerung an die Innenseite weitergegeben. 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge


Film1: 176 thermographische Einzelbilder, die alle zwei Minuten am 4. August 2009 von 5:02 bis 10:22 UTC Zeit aufgenommen worden sind

Geringer Emissionsgrad: Wie kann man den Wärmestrom durch die Oberflächenbehandlung beeinflussen? Elektrisch leitende, metallische Materialien strahlen deutlich weniger Wärme frontal ab und haben einen

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Materialien strahlen deutlich weniger Wärme frontal ab und haben einen

leicht erhöhten seitlichen, streifenden genannten Strahlungsaustritt. 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bild 25: Bild eines mit warmen Wasser gefüllten, Bild 26: Wärmebild desselben metallisch bedruckten Bechers


gmetallisch bedruckten Bechers

Die emittierte Strahlungsleistung oder der abgestrahlte Wärmestrom eines Körpers hängt von der vierten Potenz seiner absoluten Oberflächentemperatur und seinem Emissionsgrad ab. Temperatur und


Wärmestrom verbindet nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann die Konstante σ = 5,67 * 10-8 W/m2

* K4


Φschwarz = σ . T4Φgrau = ε . σ . T4

Wärme-

Emissionsgrad

Schwarzer KörperGrauer Körper Wärmequelle

AbsorbierterAbsorbierter Wärmestrom ΦA

Reflektierter Wärmestrom ΦR

ε

Absorbierter Wärmestrom ΦA

εEmittierter Wärmestrom ΦE0 < ε < 1 ε = 1


Formel 2: Strahlungsleistung eines diffus-grauen Körpers Formel 3: Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers

Die Selektive Eigenschaften der Materialien bezüglich Strahlungsab-sorption und -emission ist weiter verbreitet als gemeinhin angenommen wird. Die Farben im sichtbaren Spektrum ist eine gutes Beispiel dafür.

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad p g p

Die Bezeichnung low-e (Geringer Emissionsgrad) macht deshalb nur Sinn, wenn das entsprechende Spektrum der Wellenlängen definiert ist.


Frischer Schnee, Low-e in VIS: ε = 10-20% Frischer Schnee, High-e in MIR: ε = 99,5%

Bild 27: Lago Maggiore im Winter Bild 28: manipuliertes Bild 51 Schwarzer”


Bild 27: Lago Maggiore im Winter Bild 28: manipuliertes Bild 51 „Schwarzer Schnee im mittleren Infrarotbereich

Weiße Membranen haben selektive Eigenschaften: sie erscheinen weiß im sichtbaren Spektrum und schwarz in längeren Wellenlängen. Folglich reflektieren diese Membranen sehr gut das Sonnenlicht, aber

b bi / itti f t ll St hl i lä I f t A di

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad absorbieren/emittieren fast alle Strahlung im längeren Infrarot. Aus diesem

Grund verlieren Zeltbauten sehr viel Energie zum offenen Himmel hin.


SHOW ROOM

Low-e in VIS: ε = 14,5% High-e in MIR: ε = 90%

ENTRANCE

Bild 29 und 30: Links Fotografie und rechts das Wärmebild eines mit 50°C heißen Wasser gefüllten Inox-Kochtopfes.



Weiße PVC/PES Membrane im Vergleich mit Tinox-Beschichtung:Selektive Beschichtungen aus Titan-Nitrit-Oxid absorbieren die gesamte Wärme im VIS-Bereich und reduzieren auf ein Minimum die abgestrahlte 4. Geringer Emissionsgrad

5. Vorschläge Energie im MIR-Bereich. Sie werden deshalb als Wärmefalle für Solar-energie benutzt

PVC/PES weiss

0,8

0,9

1

Tinox

ReflexionAbsorption

0,4

0,5

0,6

0,7

Grad Reflektion

Absorption

0

0,1

0,2

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Reflexion

Absorption

Wellenlänge

Sonnenlicht (VIS) Messbereich der Wärmebildkameras (MIR)

Sonnenlicht (VIS) Messbereich der Wärmebildkameras (MIR)


Wärmebildkameras (MIR) Wärmebildkameras (MIR)Bild 31: Messung vom ITV Denkendorf Bild 32: Webseite Almeco-Solar


Beispiel 1Infrarote Wärmestrahlung

von einer farbigen HoseBilder 33-36: Selina mit farbiger Sommerhose, Foto und Wärmebild in Barcelona

Farbe beeinflusst nicht den Emissionsgrad außerhalb des sichtbaren Spektrums!

Beispiel 2Auswirkung direkter

Sonneneinstrahlung auf


gdie selbe farbige Hose

Geringer Emissionsgrad : Low-e Beschichtungen helfen die Wärmestrahlung im längeren Infrarotbereich zu reflektieren. Es ist deshalb wichtig dass die Beschichtung auf der richtigen Seite

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad deshalb wichtig, dass die Beschichtung auf der richtigen Seite

aufgebracht ist. Weiß reflektiert besser das Sonnenlicht als low-e.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge


Bild 37 und 38: Foto und Wärmebild eines mit zwei Membranen bespannten 50ºC warmen Inoxtopfes

Vorschläge: Membranen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen der Sonneneinstrahlung und der Konvektion. Die große Auswahl der modernen Materialien mit ihren unterschiedlichen Oberflächenbe-


handlungen macht es möglich für die verschiedenen Anforderungen spezifische Lösungsvorschläge zu erarbeiten.


Bilder 39 und 40: Bild und Wärmebild der Messanordnung mit 12 verschiedenen Materialien unter der direkten Sonneneinstrahlung von Barcelona



Ein rein weißes Schattenzelt reflektiert optimal die Sonneneinstrahlung. Gleichzeitig strahlt es im mittleren Infrarotbereich seine Wärme maximal zum kühlen Himmel ab Um seinenmaximal zum kühlen Himmel ab. Um seinen Wärmeeintrag so gering wie möglich zu halten, sollte seine Transluzenz (Lichtdurchlässigkeit) dabei so gering wie möglich gehalten werden. g g g g

Bild 41: Foto eines weißen PVC/PES Schattenzeltes


Bei einem kleinen Schattenzelt kann eine schwarze Innenoberfläche nützlich sein. Der Vorteil liegt in der großen Absorption sowohl der kurzwelligen als auch der langwelligen Wärmestrahlung Eine

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad kurzwelligen als auch der langwelligen Wärmestrahlung. Eine

Reflektion der Albedostrahlung wird dadurch vermieden.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bilder 42: Dunkler Sonnenschutz (PVC/PES Netz von Ferrari) über einer Dachterrasse von Barcelona


Die mit low-e beschichtete Seite sollte immer dem Boden zugewandt sein, da sie die Wärmeabstrahlung zum Nutzer hin verringern hilft. Um die reflektierte Albedostrahlung zu reduzieren sollte ein low e

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad Um die reflektierte Albedostrahlung zu reduzieren, sollte ein low-e

Schattenzelt allerdings eine gewisse Größe aufweisen. 4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bilder 43: BP Tankstellenüberdachung in Barcelona


Als erste Näherung kann der in den USA entwickelteSolar Reflectance Index (SRI) benutzt werden. Ervereinigt die beiden Werte der solaren Reflektion und

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad g

der längerwelligen, infraroten Wärmeabgabe in einemWert bei definierten, sommerlichen Wetterbedingungen(Solare Globalstrahlung=1000 W/m² , Lufttemp.=310K,Himmelstemp. =300K, Konvektionskoef.= 12 W/m² K)


p )

Solar reflectance

Thermal emittance

SRI‐value

Temperature roof

black 5% 90% 0 82,5ºC

white 80% 90% 100 44,6ºC

Black acrylic 4,1% 90% ‐1 82,9ºCBild 78: Foto eines weißen, reflektierenden Flachdachs

Cold black acrylic

17,4% 60% ‐2 83,2ºC

PE silvergrey 24,5% 79% 20 74,8ºC

PVC/PES low‐e 74,3% 31% 76 53,7ºC

Alu.sheet low‐e 87,2% 5% 93 47,1ºC

PTFE white 75,4% 90% 93 47,3ºC

PVC/PES white 79,9% 88% 100 44,6ºC

Bild 44 : Berechnung des Solar Reflectance Index (Heat island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory) für eine low-e Folie. Um die Aus-

Tabelle 3: Solar Reflectance Index von sieben ausgesuchten Materialien


Bild 44 : Berechnung des Solar Reflectance Index (Heat island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory) für eine low e Folie. Um die Auszeichnung LEED Sustainable Sites Credit 7.2 führen zu können, muss mind. 75% der Oberfläche eines Flachdachs einen SRI-Wert von 78 erreichen.

In der spanischen Provinz Almeria wurde aufgrund der im Sommer weiß gekalkten Wintergärten der Albedowert der Region von 19% auf 32% gesteigert. Damit wurde während der letzten dreißig Jahre die Temperatur um 0 9 °C kt äh d i ll i i Süd i 1 3°C ti

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad 0.9 °C gesenkt während sie allgemein in Südspanien um 1-3°C anstieg.4. Geringer Emissionsgrad5. Vorschläge

Bilder 45 und 46: Campo de Dalias mit 70% der Oberfläche bedeckt mit Polyethylen gedeckten Gewächshäusern


Aufgrund der solaren Reflektion (Albedo) und der diffusen Strahlung ist der Randbereich einer Schattenkonstruktion weniger geschützt als ihr zentraler Bereich. Doppelt gekrümmte Oberflächen haben zusätzlich das Problem, dass i i h i d kl i h Vi P kt S l h ß hi öff d

1. Einleitung2. Problemanalyse3. Wärmeübertragung4. Geringer Emissionsgrad sie sich wie das klassische Vier-Punkt Segel nach außen hin öffnen und

dementsprechend weniger Sonnenschutz bieten.


Bilder 47: Zeichnung aus „Under Cover guidelines for shade planing…“2003, Bild 48 parasol by Tuuci


Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

Hubertus Pöppinghauswww if group dewww.if-group.de


Vortrag textiler schatten in sonnigen ländern

Technology

Transcript of Vortrag textiler schatten in sonnigen ländern