Zjawiska optyczne występujące przy przejściu promieniowania słonecznego przez przezroczystą przegrodę obudowy budynku

Część 10

Określając własności optyczne ciała przezroczystego, jakim jest szyba okienna czy inna przezroczysta przegroda elewacji budynku, istotna jest jego transmisyjność, refleksyjność i absorpcyjność. Dwie ostatnie decydują o wielkości strat, czyli osłabieniu promieniowania w wyniku przejścia przez rozważane ciało. Ze względu na pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego przezroczysta przegroda - okno powinna przepuszczać całkowicie promieniowanie słoneczne w całym zakresie jego widma.

Jednakże, w rzeczywistości transmisyjność przezroczystej przegrody zależy od kąta padania promieniowania, długości fali padającego promieniowania, własności materiału zastosowanego na przeszklenie i stanu jego powierzchni oraz grubości przeszklenia.

Największa przepuszczalność dla promieniowania występuje przy kątach padania równych zero (wzdłuż normalnej do powierzchni). Przy wzroście kąta padania transmisyjność maleje, natomiast wzrasta refleksyjność (absorpcyjność wzrasta nieznacznie). Przy kątach bliskich kątowi 90% praktycznie całe promieniowanie ulega odbiciu.

Promieniowanie słoneczne padające na przezroczyste przegrody obudowy budynków składa się ze składowej bezpośredniej, rozproszonej i odbitej. Składowa bezpośrednia i składowa okołosłoneczna promieniowania rozproszonego są ukierunkowane, natomiast promieniowanie rozproszone izotropowe i odbite padają w pełnym zakresie kątów od 0 do 90 (przy czym różnią się one od siebie własnościami kierunkowymi).

Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem niespolaryzowanym, jednakże dla potrzeb rozważań dotyczących jego przechodzenia przez ośrodki przezroczyste o różnej gęstości (powietrze - szkło), przyjmuje się, że promieniowanie słoneczne jest sumą dwóch wiązek spolaryzowanych, składowej spolaryzowanej prostopadle i składowej spolaryzowanej równolegle.

Fresnel sformułował prawo odbicia dla światła niespolaryzowanego padającego na gładką powierzchnię i przechodzącego z ośrodka 1 o współczynniku załamania n1 do ośrodka 2 o współczynniku załamania n2. Wyprowadził on zależność na współczynniki odbicia r, rozważając osobno składową prostopadłą rp i równoległą rr. Ilustracja graficzna zjawisk zachodzących na granicy dwóch ośrodków jest przedstawiona na rys. 3.2.

Rys.3.2. Przejście wiązki światła niespolaryzowanego przez granicę dwóch ośrodków

Rys. 3.3. Zjawisko wielokrotnego odbicia w przezroczystej przegrodzie

Transmisyjność, refleksyjność i absorpcyjność pojedynczej przezroczystej przegrody, biorąc pod uwagę straty odbicia i pochłaniania, są wyznaczane w podobny sposób, jak opisano to powyżej, uwzględniając zjawisko wielokrotnego odbicia promieniowania padającego na powierzchnię rozdziału dwóch ośrodków. Składową spolaryzowaną prostopadle i równolegle rozpatruje się oddzielnie. Zjawiska zachodzące w przezroczystej przegrodzie (analogia do rys. 3.3) z uwzględnieniem pochłaniania promieniowania przedstawia rys. 3.4.

Rys. 3.4. Zjawisko wielokrotnego odbicia w przezroczystej przegrodzie z uwzględnieniem pochłaniania

Analogicznie jak na rys. 3.4 można przeanalizować zjawisko przechodzenia promieniowania przez dwie przezroczyste osłony uwzględniając zjawisko wielokrotnego odbicia promieniowania na granicach rozdziału kolejnych ośrodków.

W sposób ideowy zjawisko to ilustruje rys. 3.5. Dwie przezroczyste osłony mogą być wykonane z różnych materiałów, stanowiąc ośrodki o różnym współczynniku załamania, różnym współczynniku absorpcji, mogą też mieć inną grubość. Dlatego też transmisyjność, refleksyjność i absorpcyjność przezroczystych osłon wyznacza się najpierw oddzielnie dla każdej z osłon, dla składowej spolaryzowanej prostopadle i analogicznie dla składowej spolaryzowanej równolegle. Ostatecznie dla niespolaryzowanego promieniowania całkowitą transmisyjność, refleksyjność i absorpcyjność wyznacza się jako średnią arytmetyczną składowych spolaryzowanych prostopadle i równolegle.

Rys. 3.5. Zjawisko wielokrotnego odbicia na granicy ośrodków: powietrza i dwóch przezroczystych przegród z uwzględnieniem pochłaniania

Zamieszczone powyżej rozważania dotyczyły promieniowania bezpośredniego i promieniowania rozproszonego okołosłonecznego. Do dowolnej przezroczystej przegrody stanowiącej obudowę budynku dociera także promieniowanie izotropowe rozproszone przez atmosferę i promieniowanie odbite od otoczenia (przy powierzchniach pochylonych).

W przybliżeniu ilość promieniowania przepuszczanego przez przezroczystą osłonę może być wyznaczana poprzez scałkowanie tego promieniowania względem pełnego zakresu kątów padania. Jednakże z reguły szczegółowy rozkład kątowy promieniowania dyfuzyjnego nie jest znany i nie są dostępne własności spektralne osłon. W przypadku modelu izotropowego promieniowania dyfuzyjnego stosuje się więc metodę uproszczoną określania transmisyjności przegrody. Przyjmuje się, że rozważania są prowadzone w odniesieniu do zastępczego kąta padania promieniowania bezpośredniego, który w przybliżeniu wynosi 60.

Oznacza to, że przepuszczalność dowolnej osłony przezroczystej dla promieniowania dyfuzyjnego docierającego z wszystkich kierunków w sposób równomierny (izotropowy) odpowiada transmisyjności (refleksyjności, abosrpcyjności) dla promieniowania bezpośredniego padającego pod kątem 60 na rozważaną osłonę. W literaturze można znaleŹć zależności (wg Brandemuehla i Beckmana) na zastępczy kąt padania promieniowania na płaszczyznę pochyloną, dla którego wyznacza się transmisyjność dla promieniowania rozproszonego izotropowego i odbitego. Podobnie do tego samego zastępczego kata padania promieniowania można odnosić promieniowanie rozproszone jaśniejącego horyzontu.

Przegrody przezroczyste - szklane są przepuszczalne dla długości fal odpowiadających promieniowaniu słonecznemu w około 90%, a z reguły nieprzezroczyste dla fal długich, czyli dla promieniowania cieplnego. Jednakże szkło pochłania promieniowanie długofalowe i promieniowanie słoneczne. W wyniku czego wzrasta jego temperatura, a w konsekwencji wymiana ciepła z otoczeniem.

Absorpcja promieniowania słonecznego w pomieszczeniu

Promieniowanie słoneczne po przejściu przez przezroczystą osłonę, jaką jest okno, dociera do nieprzezroczystych przegród wewnętrznych pomieszczenia i przedmiotów w nim znajdujących się, gdzie ulega pochłonięciu i odbiciu.

Część promieniowania ulegając wielokrotnemu odbiciu może „wydostać się” z powrotem na zewnętrz przez przezroczystą osłonę. Znaczna część ulega pochłonięciu w elementach wewnętrznych pomieszczenia i staje się Źródłem promieniowania cieplnego.
Udział promieniowania słonecznego, które jest pochłaniane w elementach pomieszczenia, w całkowitym promieniowaniu słonecznym docierającym do wnętrza zależy od absorpcyjności poszczególnych powierzchni wewnętrznych elementów ich pola powierzchni i pola powierzchni przeszklenia, przez które promieniowanie dociera do wnętrza. Dufnie i eckmann przy określaniu udziału promieniowania pochłoniętego w pomieszczeniu w stosunku do promieniowania padającego na przeszklenie o określonej transmisyjności zalecają wprowadzenie i stosowanie w obliczeniach absorpcyjności efektywnej (zastępczej), wykorzystywanej zgodnie z następującą zależnością: