Modelling of the longwave radiation incident upon a building

• Autorzy: Nowak H.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie promieniowania długofalowego docierającego do budynku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Rational use of energy in buildings requires, among the other things, the construction of suitable mathematical models allowing calculation of energy consumption within the period of a year. The models should take into account properly transformed and interpreted local meteorological data including data in the range of the longwave radiative environment. The longwave radiation of environment (called also thermal radiation or infrared radiation) can have considerable influence on the radiative balance of the outside surface of building envelope and in consequence, on their thermal balance. The source of thermal radiation around buildings is the longwave radiation of the atmosphere, ground radiation and radiation of the nearest surroundings. The main obstacle is the fact that in Poland, similarly as in other countries, the longwave radiation of the atmosphere is not routinely measured at the meteorological stations. This is why, contribution of the longwave radiation in the thermal balance of buildings is considered, most often, in an inappropriate way which in consequence can lead to underestimation of energy consumption in buildings during the heating season, even up to 26%. The paper presents an empirically verified mathematical model of the longwave radiation incident upon a building. It enables calculation of the intensity of thermal radiation reaching horizontal planes as well as those sloping up to 90°, in various weather conditions, as a function of routinely measured parameters, such as an ambient air temperature, cloud cover factor or alternatively water vapour pressure or dewpoint temperature. The formulated mathematical model of the longwave radiation incident upon a building makes possible the solution of some problems mostly concerned with the calculation of steady-state and transient heat flow through building envelope, including the transparent ones, also using the spectral selective layers with reference to short- and longwave radiation. In the paper various areas of possible application of the model are also discussed.

PL

W zagadnieniu związanym z racjonalnym użytkowaniem energii cieplnej w budynkach jednym z istotnych problemów jest konstruowanie odpowiednich modeli obliczeniowych bilansujących zużycie tej energii w skali roku. Modele te powinny uwzględniać, między innymi, odpowiednio przetworzone i zinterpretowane lokalne dane meteorologiczne, w tym również dane w zakresie długofalowego promieniowania środowiska zewnętrznego. Długofalowe promieniowanie środowiska zewnętrznego (zwane również promieniowaniem cieplnym lub podczerwonym) może w znaczący sposób wpływać na bilans promieniowania zewnętrznych powierzchi przegród budowlanych, a w konsekwencji wpływać na ich bilans cieplny. Źródłem promieniowania cieplnego wokół budynków jest promieniowanie długofalowe atmosfery, promieniowanie gruntu oraz promieniowanie najbliższego otoczenia budynków. Zasadniczą trudnością jest jednak fakt, że zarówno w Polsce jak i w innych krajach promieniowanie długofalowe atmosfery nie jest standardowo mierzone na stacjach meteorologicznych. Stąd, najczęściej udział promieniowania długofalowego w bilansie cieplnym budynków jest pomijany, bądź uwzględniany w sposób nie odzwierciedlający rzeczywistwgo oddziaływania tego promieniowania, co w konsekwencji może spowodować niedoszacowanie zapotrzebowania budynku na ciepło w sezonie ogrzewczym do około 26%. W pracy przedstawiono zweryfikowany doświadczalnie model obliczeniowy oddziaływania promieniowania długofalowego na budynek. Model umożliwia obliczanie natężenia promieniowania cieplnego docierającego do powierzchni poziomych oraz nachylonych do 90 stopni, dla różnych warunków pogodowych, w funkcji standardowo mierzonych wielkości meteorologicznych, jak temperatura powietrza i stopień zachmurzenia nieba lub alternatywnie w funkcji ciśnienia pary wodnej lub temperatury punktu rosy. Sformułowany model obliczeniowy promieniowania długofalowego docierającego do budynku umożliwia rozwiązanie wielu problemów, związanych głównie z analizą ustalonej i nieustalonej wymiany ciepła przegród budowlanych, pełnych oraz przezroczystych, z wykorzystaniem między innymi tzw. spektralnie selektywnych powierzchni radiacyjnych w odniesieniu do promieniowania krótko- i długofalowego. W pracy wskazano również na różnorodne obszary możliwych zastosowań modelu.

Słowa kluczowe

PL

promieniowanie długofalowe; budynek; bilans cieplny; promieniowanie cieplne; model obliczeniowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2001
• Tom: Vol. 47, nr 2
• Strony: 243--267
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., il.

Twórcy

autor

Nowak H.

• Wrocław University of Technology, Institute of Building Engineering, Department of Building and Environmental Physics, Wrocław

Bibliografia

• 1. L. ALADOS-ARBOLEDAS J.I. JIMÉNEZ, Y. CASTRO-DIÉZ, Thermal radiation from skies in Granada, Theor. Appl. Climatol., 37, 84-85, 1986.
• 2. P. BERDAHL, R. FROMBERG, The thermal radiance of clear skies, Solar Energy, 29, 299-314, 1982.
• 3. J.A. CLARKE, Energy simulation in building design, Adam Hilger Ltd., Bristol and Boston 1985.
• 4. R.J. COLE, The longwave radiation incident upon the external surface of buildings, Building Services Engineering, 44, 195-206, 1976.
• 5. G. FINGER, F. THIEBAUD, CH. ZÜRCHER, F.K. KNEUBÜHL, TH. FRANK, IR-properties of the atmosphere relevent to energy losses of buildings caused by heat radiation, Fourth International Conference on Infrared and Millimeter Waves and their Applications, pp. 55-56, Miami Beach, Florida, December 10-15, 1979.
• 6. C.G. GRANQVIST, Spectrally selective surfaces for heating and cooling applications, SPIE Optical Engineering Press, Vol. TT1, Washington 1989.
• 7. J. JANUSZEWSKI, Radiative interaction of the sky [in Polish], COW, 2, 33-34, 1991.
• 8. P. KLEMM, Physics of materials and design of buildings. Some models and survey methods [in Polish], T. 1, Technical University of Łódź, Łódź 1993.
• 9. F.K. KNEUBÜHL,G. FINGER, F. THIEBAUD, CH. ZÜRCHER, R. SAGELSDORFF, TH. FRANK, Energy saving by reduction of thermal radiation from building envelopes, The International Congress on Building Energy Management, Portugal, May 12-15, 1980.
• 10. E. KOSSECKA, Problems of thermal dynamics of building walls [in Polish], Polish Academy of Science, KILiW, IPPT, Vol. 45, Warszawa 1998.
• 11. W. MARKS, Multi-criteria optimisation of blocks of flats, Archives of Civil Engineering, 43, 3, 283-300, 1997.
• 12. M. MARTIN, Radiative cooling, Cook J. [Ed.], Passive Cooling, Series: Solar Heat Technologies, No. 8, Massachusetts Institute of Technology, 1989.
• 13. K. MATHIS, Validation of models for estimating atmospheric radiation, EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Section Applied Physics in Building, Dübendorf, Switzerland, June 1991.
• 14. J.L. MONTEITH, Principles of environmental physics, Ed. Arnold (Publishers) Limited, 1973.
• 15. H. NOWAK, The sky temperature in net radiant heat loss calculations from low-sloped roofs, Infrared Physics, 29, 2-4, 231-232, 1989.
• 16. H. NOWAK, The longwave radiative heat transfer of the building envelopes, Infrared Physics, 32, 357-363, 1991.
• 17. H. NOWAK, On modelling of the longwave radiation around buildings, Dept. Physical Aspects of the Built Environment (FAGO Group), Faculty of Architecture, Building and Planning, Eindhoven University of Technology, Report No. 94.40.K, Eindhoven, The Netherlands, August 1994.
• 18. H. NOWAK, Interaction of environmental thermal radiation on the building [in Polish], Scientific Papers of the Institute of Building Engineering, No. 72, Monographs No. 31, Wrocław University of Technology, Wrocław 1999.
• 19. T.R. OKE, The energetic basis of the urban heat island, Quart. J. of the Royal Meteor. Soc., 108, No. 455, pp. 1-24, 1982.
• 20. L. ŚLIWOWSKI, Indoor microclimate and thermal comfort [in Polish], Wrocław University of Technology, Wrocław 2000.
• 21. The PASSYS Project, Phase 1. Subgroup Model Validation and Development, Final Report 1986-1989. Edited by Thermal Insulation Laboratory, Technical University of Denmark.
• 22. CH. ZÜRCHER, G. FINGER, F.K. KNEUBÜHL, F. THIEBAUD, H. VETSCH, Thermal radiation properties of building envelopes relevant to energy losses, Proc. the 9th CIB Congres, August 15-19, Vol. 3A, pp. 431-442, Stockholm 1983.