Hővisszaverő festék: a hőreflexió és az emisszió különbsége

A vékonyrétegű, sugárzástechnikai bevonatok műszaki anyagaiban rendszeresen két szám szerepel egymás mellett: egy magas visszaverési érték (0,93–0,98, illetve „90% fölött”) és egy alacsony emissziós tényező (0,28–0,315). Az olvasó — érthető módon — arra következtet, hogy a kettő ugyanannak a jelenségnek két megfogalmazása, és hogy az egyikből a másik kiszámítható. Nem így van. A hőreflexió és emisszió különbsége abban áll, hogy a két szám két, egymást gyakorlatilag nem átfedő hullámhossz-tartományra vonatkozik, két külön szabvány szerint, két külön műszerrel mérve, és a szerkezet hőmérlegében is két külön helyen lép be.

A tévesztés nem elméleti kérdés. Ha egy kiírásba, tervlapra vagy testületi előterjesztésbe a hosszúhullámú tartományra érvényes 0,685-ös „hővisszaverés” kerül be „68,5%-os napfényvisszaverés” néven, akkor egy szakmailag ellenőrizhető, valóban erős adatot cserélünk le egy olyanra, amely a szóban forgó kérdésre nem ad választ. Fordítva ugyanez igaz: a napsugárzási tartományban mért 0,97-es reflexió nem helyettesíthető be a hőátbocsátási tényező sugárzási tagjába, mert az a tag a felület saját, hosszúhullámú kisugárzását írja le.

Ez a cikk mérnöki részletességgel járja körül a kérdést. Végigmegy a sugárzási spektrum két gyakorlati tartományán, a reflexió–abszorpció–transzmisszió mérlegén, Kirchhoff törvényén és annak félreértett következményén, végül tételesen szétválasztja, hogy az általunk ismert jegyzőkönyvek pontosan mit mértek, és hol nincs még mérés. A záró szakasz öt kérdést ad, amelyekkel bármely gyártó bármely sugárzási száma ellenőrizhető.

A leggyakoribb félreértés a bevonatok piacán: a 97%-os visszaverés melyik sugárzásra vonatkozik

Kezdjük a legkonkrétabb esettel. A MIG-ESP / DHMb bevonatrendszerhez tartozó anyagokban legalább három, egymással össze nem keverhető visszaverési, illetve emissziós szám kering. Mindhárom valós forrásból származik, mindhárom értelmezhető — de csak a saját tartományában.

A sugárzási spektrum két gyakorlati tartománya

Minden abszolút nullpont fölötti hőmérsékletű test elektromágneses sugárzást bocsát ki. A kibocsátott teljesítmény hullámhossz szerinti eloszlását a Planck-féle sugárzási törvény írja le; az eloszlás maximumának helyét a Wien-féle eltolódási törvény adja meg. Ez a törvény az egész kérdés kulcsa, mert a sugárzási maximum helye kizárólag a kibocsátó test hőmérsékletétől függ.

Helyettesítsük be a két érdekes hőmérsékletet. A Nap sugárzó felszíne mintegy 5 772 K hőmérsékletű: λmax = 2 897,8 / 5 772 = 0,502 µm, vagyis 502 nm — a látható zöld tartomány közepe. Egy 20 °C-os épületfelület hőmérséklete 293,15 K: λmax = 2 897,8 / 293,15 = 9,885 µm. Egy −5 °C-os (268,15 K) téli homlokzatfelületnél λmax = 10,81 µm, egy 80 °C-ra felmelegedett (353,15 K) nyári tetőfelületnél 8,21 µm. A két sugárzási maximum között tehát nagyjából húszszoros a hullámhossz-különbség — és ez a húszszoros távolság az, amiért a két jelenségre két külön anyagjellemző és két külön mérés kell.

A napsugárzási tartomány: 300–2500 nm

A földfelszínre érkező napsugárzás energiájának túlnyomó része a 300–2 500 nm-es (0,3–2,5 µm) sávba esik. A referenciaként használt napspektrumot az ASTM G173-03 szabvány rögzíti, 280 és 4 000 nm között; a 2 500 nm fölötti maradék néhány százalék. Ez az a tartomány, amelyben a felület napsugárzási reflektanciáját (ρ_sol, más néven albedó vagy TSR, Total Solar Reflectance — teljes napsugárzási visszaverés) értelmezzük, és amelyben a nyári felmelegedés eldől.

A hosszúhullámú tartomány: a felület saját hősugárzása

A második tartomány a felület saját hőmérsékleti kisugárzása. Épületfizikai szempontból ez nagyjából 3 és 50 µm közé esik, a mérési szabványok jellemzően az 5–25 µm-es sávban dolgoznak, a gyakorlati súlypont pedig a 7–14 µm közötti, úgynevezett atmoszferikus ablakban van — ez az a sáv, amelyben a földi felületek a hideg égbolt felé a leghatékonyabban sugároznak, mert a légkör itt átlátszó.

Miért nem ugyanaz a szám a kettőre

A két tartományban a sugárzás–anyag kölcsönhatás fizikai mechanizmusa különbözik. A napsugárzási tartományban a visszaverést elsősorban a pigmentszemcsék méret- és törésmutató-viszonyai határozzák meg: a titán-dioxid (rutil) szemcséi a látható és a közeli infravörös hullámhosszakon erős szórócentrumok, ezért egy jól formulázott fehér bevonat itt magas reflexiót ad. Ez optikai szórási jelenség, amely a fél mikrométeres nagyságrendű szemcséken zajlik.

A hosszúhullámú tartományban ezzel szemben nem a szórás, hanem a molekuláris rezgési átmenetek — a kötések nyújtási és hajlítási módusai — dominálnak. A karbonátoknak, szilikátoknak és a szerves kötőanyagoknak ebben a sávban erős, jellegzetes abszorpciós sávjaik vannak, és ahol a felület elnyel, ott ki is sugároz. Az elnyelést itt a kémiai összetétel dönti el, nem a szín. Tartósan alacsony emisszióhoz ezért jellemzően szabad töltéshordozós reflexió kell — fém, ITO vagy dópolt ón-oxid réteg —, nem pigment.

Ebből következik a cikk legfontosabb gyakorlati mondata: egy felület napsugárzási reflektanciájából nem lehet a hosszúhullámú emisszióját kiszámítani, és fordítva sem. A kettő két független anyagjellemző, amelyeket két külön mérés ad meg.

Reflexió, abszorpció, transzmisszió

A sugárzási energiamérleg alapösszefüggése minden hullámhosszon külön-külön érvényes. A felületre érkező sugárzás vagy visszaverődik, vagy elnyelődik, vagy áthalad az anyagon:

Egy 0,4–0,6 mm száraz rétegvastagságú, pigmentált ásványi bevonat mind a napsugárzási, mind a hosszúhullámú tartományban átlátszatlannak tekinthető, tehát τλ ≈ 0. Ezzel a mérleg kéttagúra egyszerűsödik: ρλ + αλ = 1. Ez az összefüggés az, amiért egy átlátszatlan felületnél a reflexió és az elnyelés ugyanannak az éremnek a két oldala — de csak azonos hullámhosszon.

Fontos a mérési geometria is. A reflexiót lehet irányfüggően (adott beesési és megfigyelési szög mellett) és féltérbelien (a teljes féltérbe visszavert energiára összegezve) mérni. Épületfizikai célra a féltérbeli érték a használható, mert a felület minden irányba szórt visszaverését magában foglalja; ezt integráló gömbbel felszerelt spektrofotométerrel mérik. Ugyanígy az emissziónál is meg kell adni, hogy normál irányú (εn) vagy féltérbeli (εh) értékről van szó — a kettő nem azonos, és az átszámítás sem univerzális. Az MSZ EN ISO 6946:2017 C melléklete a féltérbeli értékkel dolgozik, a DIN EN 12898 viszont normál irányú εn-t ad meg; ezt a különbséget a behelyettesítés előtt kezelni kell.

Kirchhoff törvénye és a gyakorlati következménye

Kirchhoff sugárzási törvénye köti össze az elnyelést a kibocsátással. Pontos, spektrális és irányfüggő alakjában a törvény azt mondja ki, hogy termikus egyensúlyban egy felület adott hullámhosszon és adott irányban vett emisszióképessége megegyezik az ugyanazon a hullámhosszon és ugyanabban az irányban vett abszorpcióképességével:

A gyakorlatban gyakran elhangzik ennek egy leegyszerűsített, pontatlan változata: „Kirchhoff kizárja, hogy egy felület egyszerre legyen jó reflektor és rossz emitter.” Ez így nem igaz, és a félreértés forrása. A törvény hullámhosszanként érvényes, nem a teljes spektrumra összegezve. Egy polírozott alumíniumfelület mindkét tartományban jó reflektor és mindkettőben rossz emitter — ebben nincs ellentmondás. Egy klasszikus fehér cool-roof bevonat a napsugárzási sávban jó reflektor (ρ_sol ≈ 0,8), a hosszúhullámú sávban viszont jó emitter (ε ≈ 0,9) — ebben sincs. A kettő azért fér meg egymás mellett, mert a két érték két különböző hullámhossz-tartományra vonatkozik.

A fehér festék paradoxona

A leggyorsabb ellenőrzés, amellyel a két tartomány különbsége belátható, a gyártó saját összehasonlító táblázata. Ez a táblázat a hosszúhullámú emissziót adja meg különböző anyagokra — és éppen azt mutatja meg, hogy a szemmel látható fehérséghez az emissziónak semmi köze.

A táblázat két sora dönti el a kérdést. A polírozott fehér márvány — a felsorolás vizuálisan legfehérebb anyaga — emissziója 0,90. A szürkés alumíniumé 0,03. Vagyis a látható tartományban mért fehérség és a hosszúhullámú emisszió között nincs kapcsolat. Az emisszió a kémiai összetétel függvénye, nem a színé: a mészkő, amely kalcitból áll, 0,92-es értéket mutat, és a márvány sem más, mint átkristályosodott kalcit.

Mit mérnek valójában a jegyzőkönyvek

A két tartományhoz két külön szabványcsalád tartozik. A napsugárzási oldalon spektrofotométerrel, integráló gömbbel mérünk, és a mért spektrumot egy referencia napspektrummal súlyozzuk. A hosszúhullámú oldalon FTIR-reflektanciából számítunk emissziót, vagy hordozható emissziométerrel mérünk közvetlenül. A két eljárás sem műszerben, sem kiértékelésben nem cserélhető fel.

A táblázat utolsó sora külön figyelmet érdemel. Az MSZ EN ISO 6946:2017 normatív C melléklete valóban lehetővé teszi, hogy alacsony emissziójú felületnél a táblázatos Rsi és Rse helyett részletes számítás készüljön — de kizárólag a sugárzási tagon, a hr = ε · hr0 összefüggésen keresztül. A konvektív tag ebben az eljárásban rögzített: beltéren irányfüggő állandó (felfelé irányuló hőáramnál 5,0, vízszintesnél 2,5, lefelé irányulónál 0,7 W/(m²K)), kültéren a szélsebesség függvénye (hce = 4 + 4v). A napsugárzási reflektancia ebbe a számításba egyáltalán nem lép be, mert a hőátbocsátási tényező definíció szerint napsugárzás nélküli, stacioner állapotra vonatkozik.

A mi adataink: mit mond az akkreditált reflexiómérés, és mit nem

A rendelkezésre álló dokumentumok közül egyetlen olyan van, amely hivatalos vizsgálóhely mérési jegyzőkönyve: az MFPA Weimar (Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar) B 21.15.223.01 számú jelentése. A mérés Agilent Cary 5000 spektrofotométerrel, DRA 2500 teflonbevonatú integráló gömbbel, közel merőleges beesésnél, 21 °C-on, 3 mm-es apertúrával, mintánként két minta két-két mérési helyén készült, és féltérbeli spektrális reflexiót ad meg sávonként.

Amit ez a jegyzőkönyv nem mond meg: semmit a hosszúhullámú emisszióról. A mért sáv 2 500 nm-nél véget ér, a felület saját hősugárzása pedig 3 µm fölött kezdődik. A két tartomány között nincs átfedés, tehát az MFPA-mérésből az emissziós tényezőre következtetni nem lehet — sem közvetlenül, sem a ρ + α = 1 összefüggésen keresztül, mert az is csak azonos hullámhosszon érvényes.

Ahol az emissziós adat még hiányzik

A hosszúhullámú oldalon a helyzet lényegesen összetettebb. Az általunk átnézett dokumentumokban legalább hat különböző emissziós érték szerepel ugyanarra a termékcsaládra, részben eltérő eljárásmegjelöléssel, részben minden megjelölés nélkül.

Mit adna az emisszió a szabvány keretei között — a levezetés

Nézzük meg, mit jelentene a különböző emissziós tényezők behelyettesítése az MSZ EN ISO 6946:2017 C melléklete szerint. A sugárzásos hőátadási tényező a feketetest sugárzási tényezőjéből és az emisszióból áll elő:

Ebből az ε = 0,315 értékkel hr = 0,315 · 5,705 = 1,797 W/(m²K). A konvektív tag vízszintes hőáramnál a szabvány szerint hci = 2,5 W/(m²K), rögzített érték. A belső felületi hőátadási ellenállás tehát Rsi = 1 / (1,797 + 2,5) = 1 / 4,297 = 0,233 m²K/W, szemben a táblázatos 0,13 m²K/W értékkel. Külső oldalon Tmn = 273 K mellett hr0 = 4 · 5,67 · 10⁻⁸ · 273³ = 4,614 W/(m²K), a konvektív tag hce = 4 + 4v, ami v = 4 m/s szélsebességnél 20 W/(m²K); ebből hr = 0,315 · 4,614 = 1,454 és Rse = 1 / (20 + 1,454) = 1 / 21,454 = 0,047 m²K/W, szemben a táblázatos 0,04 m²K/W értékkel.

Mi következik ebből: nyári kültéri hatás igen, téli beltéri hatás bizonyítatlan

A két tartomány szétválasztásának az a haszna, hogy megmondja, melyik hatás melyik számon áll vagy bukik. A nyári kültéri hatás a napsugárzási reflektancián áll — és ott van hivatalos vizsgálóhelyi mérésünk. A besugárzási csúcsban a felületi hőmérséklet-különbséget a sol-air (napsugárzással egyenértékű külső hőmérséklet) összefüggés adja:

A második, szintén kültéri hatás az éjszakai kisugárzáshoz kötődik. Derült éjszakán a homlokzat és a lapostető a 7–14 µm-es atmoszferikus ablakon keresztül a látszólag −20 és −40 °C közötti hőmérsékletű égbolt felé sugároz, és a levegő hőmérséklete alá hűlhet. Ezen a ponton az alacsony emisszió előny, mert csökkenti a kisugárzási veszteséget és vele a felületi páralecsapódást.

A harmadik eset a beltéri téli alkalmazás, és itt fordul meg a fizika iránya. Beltéren az alacsony emissziójú felület Rsi-je nő, a belső falfelület hőmérséklete pedig ezzel csökken. Ez nem elméleti aggály: a low-e bevonatok szakirodalma kifejezetten figyelmeztet rá.

MIG Active Coating Explained — a gyártó műszaki magyarázó videója

A gyártó tíz perces angol nyelvű magyarázó videója az aktív bevonat működési elvét mutatja be, elsősorban a nedvességkezelés és a felületi klíma oldaláról: a pórusos, ásványi film pára-átbocsátását, a felület kiszáradását és az ebből következő felületi klímát tárgyalja, szemléltető animációkkal.

Öt kérdés, amit egy terméklap sugárzási számához fel kell tenni

A következő öt kérdés bármely gyártó bármely „hővisszaverő”, „reflektív” vagy „low-e” termékére alkalmazható, és mindegyikre írásbeli válasz kérhető. Ha bármelyikre nincs válasz, az adott szám kiírásba, tervlapra és energetikai előterjesztésbe nem kerülhet be.

1. Melyik hullámhossz-tartományra vonatkozik a szám? Ha 300–2 500 nm, akkor napsugárzási reflektanciáról van szó, és a nyári felmelegedésről mond valamit. Ha 5–25 µm, akkor hosszúhullámú emisszióról, és az éjszakai kisugárzásról, illetve a felületi hőátadás sugárzási tagjáról. A tartomány megjelölése nélküli szám értelmezhetetlen.
2. Melyik szabvány szerinti eljárással mérték, és melyik laboratóriumban? A napsugárzási oldalon ASTM E903 vagy C1549, ASTM G173-03 szerinti súlyozással; a hosszúhullámú oldalon DIN EN 12898, EN 15976, ASTM C1371 vagy ASTM E408. Kérje a labor nevét és akkreditációs számát, valamint azt, hogy a mérés a valós, kikeményedett bevonaton készült-e, nem pedig fémlemezre felvitt vékony mintán.
3. Reflexió vagy emisszió, és ha reflexió, akkor melyik? Az emisszió kiegészítőjeként megadott „hővisszaverés” (például 0,685) nem albedó, és nem írható ki napfényvisszaverésként. A napsugárzási reflektanciát és a hosszúhullámú emissziót két külön sorban kell megadni, mert a nemzetközi cool-roof minősítés is így kéri. Ellenőrzésként érdemes összeadni az egy termékhez tartozó ε és R értéket: átlátszatlan felületen az összegnek 1,00 körülinek kell lennie.
4. Súlyozott egyszám vagy sávonkénti spektrum? Egy spektrális jegyzőkönyv sávonként közöl értékeket; ebből az ASTM G173-03 szerinti súlyozással áll elő az egyetlen ρ_sol szám, és abból az ASTM E1980 szerint az SRI. Ha csak sávonkénti adat van, azt sávmegjelöléssel kell idézni, összevont értékként nem.
5. Öregítés előtt vagy után mérték? A cool-roof gyakorlat (CRRC-protokoll) hároméves természetes vagy azzal egyenértékű gyorsított öregítés utáni értéket is kér, mert a szennyeződés, a mikrobiális bevonódás és az UV-terhelés a reflektanciát számottevően rontja. Az emissziót ugyanígy meg kell mérni öregítés előtt és után — a brit BR 443:2019 nemzeti konvenció épp a tartósságra hivatkozva zárja ki a szabad, koszolódó felületek low-e beszámítását.

Egy hatodik, kiegészítő kérdés a színre vonatkozik. A napsugárzási reflektancia erősen színfüggő, a hosszúhullámú emisszió gyakorlatilag nem az. Ha a terméklap egyetlen reflexiós értéket ad meg egy több tucat színt tartalmazó színkártyához, akkor meg kell kérdezni, melyik színre vonatkozik a mérés, és mennyi a legsötétebb rendelhető árnyalat értéke. Az MFPA-jegyzőkönyv esetében ez a kérdés eldőlt: a mérés világos, fehér mintán készült.

Összefoglalás: mit írjon a tervlapra

A tervlapon és a kiírásban a sugárzási jellemzőket két külön sorban kell szerepeltetni, mindkettőt a mérési sáv és a szabvány megjelölésével. A napsugárzási oldalon jelenleg a hivatkozható adat az MFPA Weimar B 21.15.223.01 jegyzőkönyve, sávonkénti értékekkel; ez harmadik fél által, hivatalos vizsgálóhelyen mért adat, és névvel, jegyzőkönyvszámmal idézhető. A hosszúhullámú oldalon a magyar TÜV-igazolás εn = 0,315 értéke idézhető, a DIN EN 12898:2019-06 eljárás megnevezésével — de a mérési jegyzőkönyv hiányában ehhez oda kell írni, hogy gyártói adatról van szó.

A hőátbocsátási tényezőbe egyik szám sem vihető be közvetlenül: a napsugárzási reflektancia azért nem, mert az U-érték napsugárzás nélkül definiált; a hosszúhullámú emisszió pedig csak az MSZ EN ISO 6946:2017 C melléklete szerinti, a konvektív tagot érintetlenül hagyó részletes számításon keresztül léphet be, és ott is csak akkor, ha az emisszió mérési jegyzőkönyvvel alátámasztott. A CE-teljesítménynyilatkozat NPD-je miatt a termék a 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet szerinti energetikai igazolásban hőszigetelő rétegként semmiképp nem szerepeltethető.

Ami ezen a két soron túl marad, az három védhető, dokumentált állítás: a bevonat a napsugárzási tartományban kiemelkedően jól reflektál, ezért a nyári felület hűvösebb marad; kültéren az alacsony emisszió csökkenti az éjszakai kisugárzást és vele a felületi páralecsapódást; a réteg pedig ásványi kötésű és páraáteresztő, tehát nem zárja el a falszerkezetet. A beltéri téli hőtechnikai előnyre ma nincs olyan mérési adatunk, amellyel ki lehetne állni egy felkészült energetikus elé — és ezt a cikk azért mondja ki, mert egy tervezői döntésben a hiányzó adat ismerete ugyanolyan értékes, mint a meglévő.