Sichtfaktoren (auch: Einstrahlzahlen, Formfaktoren, Winkelverhältnisse) dienen bei der Berechnung des Strahlungsaustausches zwischen verschiedenen Flächen zur Beschreibung der gegenseitigen geometrischen „Sichtverhältnisse“, also der gegenseitigen Lage und Orientierung der Flächen. Der den beiden Flächen 1 und 2 zugeordnete Sichtfaktor gibt an, welcher Bruchteil der von Fläche 1 insgesamt diffus ausgesandten Strahlung direkt auf Fläche 2 trifft.
Handelt es sich bei den Strahlung austauschenden Flächen um Schwarze Strahler oder um Graue Lambert-Strahler (beide Strahlertypen sind stets diffuse Strahler), dann kann die Berechnung der ausgetauschten Strahlung durch Verwendung von Sichtfaktoren stark vereinfacht werden. Auf nicht-diffus strahlende Körper können Sichtfaktoren nur in Ausnahmefällen angewendet werden.
Die Berechnung von Sichtfaktoren erfordert die (analytische oder numerische) Integration über die Raumwinkel, unter welchen die Flächen einander sehen. Geometrische Zusammenhänge zwischen den Sichtfaktoren der beteiligten Flächen erlauben meist, einige der gesuchten Sichtfaktoren aus bereits bekannten abzuleiten und so einen Teil der oft aufwändigen Integrationen zu umgehen.
Für zahlreiche geometrische Anordnungen von Strahlerflächen können die zugehörigen Sichtfaktoren als Formeln oder Tabellen einschlägigen Sichtfaktor-Katalogen entnommen werden.
Strahlungsaustausch Photometrisches Grundgesetz mini|Zwei Flächen als gegenseitige Strahlungspartner im photometrischen Grundgesetz Gemäß dem photometrischen Grundgesetz (offiziell: „radiometrisches und photometrisches Grundgesetz“)International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary. ref. 845-25-088, basic law of radiometry and photometry (abgerufen am 4. Juni 2021). hängt die von einem infinitesimalen Flächenelement auf ein Flächenelement übertragene Strahlungsleistung ab von der in Richtung abgegebenen Strahldichte , von den Flächengrößen und , von den Winkeln und , um welche die Flächen gegen ihre gemeinsame Verbindungslinie geneigt sind, und vom gegenseitigen Abstand der Flächen:
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Um die Strahlungsleistung zwischen endlich großen Flächen und zu erhalten, muss über beide Flächen integriert werden:
.
Betrachtet man ausschließlich diffus strahlende Flächen mit überall konstanter Strahldichte, so ist die Strahldichte an allen Ausstrahlorten und in allen Ausstrahlrichtungen dieselbe und kann als Konstante vor die Integrale gezogen werden:
.
Die Integrale hängen jetzt nur noch von der gegenseitigen geometrischen Konfiguration der beteiligten Flächen ab.
Sichtfaktor
Berücksichtigt man ferner, dass die laut Voraussetzung diffus, also in alle Richtungen des Halbraums gleichmäßig mit der Strahldichte strahlende Fläche insgesamt die Strahlungsleistung
abgibt (siehe → Strahldichte), dann folgt für den Sichtfaktor zwischen beiden Flächen gemäß dessen Definition:
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Diese Integrale können für gegebene Flächenpaare und ein für alle Mal ausgeführt und tabelliert werden.
Beachtet man, dass das Flächenelement von aus betrachtet den Raumwinkel aufspannt (bzw. analog für ), so vereinfachen sich die Integrale zu
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Ein Sichtfaktor ist also im Wesentlichen das Integral über den von einer der Flächen aufgespannten Raumwinkel, gewichtet mit dem Cosinus des Einfallswinkels auf der anderen Fläche.
Zwei Flächen und haben – auch wenn sie unterschiedlich weit von entfernt liegen und verschieden stark gegen die Sichtlinie geneigt sind – denselben Sichtfaktor bezüglich , wenn sie von aus gesehen denselben Raumwinkel aufspannen und unter demselben Einfallswinkel gesehen werden.
Reziprozitätsbeziehung
Vertauscht man in der Definitionsgleichung des Sichtfaktors die Indizes 1 und 2, so erhält man den Sichtfaktor für den Strahlungstransport von 2 nach 1 (orts- und richtungsunabhängiges vorausgesetzt):
.
Aus dem Vergleich der beiden Gleichungen folgt die Reziprozitätsbeziehung der Sichtfaktoren:
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Ist einer der beiden Sichtfaktoren bekannt, so erlaubt diese Beziehung sofort und ohne weitere Rechnung den anderen zu ermitteln.
Additivität
Ein Integral über eine Fläche kann in eine Summe von Integralen über deren Teilflächen zerlegt werden. Entsprechend kann auch ein Sichtfaktor in eine Summe von Teil-Sichtfaktoren bezüglich der Teilflächen zerlegt werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn über die Teilflächen leichter integriert werden kann oder die einfacheren Teil-Sichtfaktoren einer Tabelle entnommen werden können.
Sichtfaktor-Algebra
Findet der Strahlungsaustausch zwischen Flächen statt, welche einen geschlossenen Hohlraum bilden (alle als orts- und richtungsunabhängig vorausgesetzt), so folgt aus der Strahlungsbilanz für die Fläche
nach Division durch die Summenregel: {| |style=" border: 1px solid black; padding:5px"| |} Der in der Summe auftretende Summand beschreibt den Strahlungsaustausch der Teilfläche mit sich selbst. Er ist für ebene und konvexe Flächen stets Null, kann für konkave Flächen aber ungleich Null sein.
In einem von Teilflächen gebildeten Hohlraum treten insgesamt Sichtfaktoren auf. Diese müssen nicht unbedingt alle einzeln durch Ausführen der oben angegebenen Integrale ermittelt werden. Sichtfaktoren können bestimmt werden, indem die Summenregel auf jede der Teilflächen angewendet wird. Die Reziprozitätsbeziehung liefert weitere Sichtfaktoren. Es bleiben somit nur noch
Sichtfaktoren unabhängig voneinander zu bestimmen. Diese Zahl verringert sich noch um die Anzahl der konvexen und ebenen Teilflächen, für die ist.H.D. Baehr, K. Stephan: Wärme- und Stoffübertragung. 5. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2006, ISBN 978-3-540-32334-1, S. 637
Beispiel Man betrachte einen kugelschalenförmigen Hohlraum, welcher von der inneren Kugelfläche 1 und der äußeren Kugelfläche 2 begrenzt wird. Zu bestimmen sind die Sichtfaktoren , , und .
Da Fläche 1 konvex ist, folgt sofort .
Die auf Fläche 1 angewendete Summenregel liefert ; die gesamte von der inneren Fläche 1 abgegebene Strahlung fällt also auf die äußere Fläche 2.
Aus der Reziprozitätsbeziehung folgt .
Die auf Fläche 2 angewendete Summenregel schließlich ergibt: . ist nicht gleich Null, da Fläche 2 konkav ist und ein Teil der von ihr abgegebenen Strahlung wieder (an anderer Stelle) auf sie selbst trifft.
In diesem Fall mit bleibt also nur ein einziger Sichtfaktor ( oder ) aus den geometrischen Daten des Hohlraums zu bestimmen. Diese Bestimmung kann bei diesem Beispiel sogar einfach durch Berechnung eines algebraischen Terms erfolgen, also ohne Ausführung des definierenden Integrals; dies stellt jedoch nicht den Normalfall dar.
Anwendung
Voraussetzung für die Anwendung von Sichtfaktoren ist, dass die von den beteiligten Flächen ausgehende Strahldichte auf jeder Fläche konstant ist und richtungsunabhängig (diffus) abgegeben wird.
Diese Voraussetzung ist insbesondere erfüllt, wenn die beteiligten Flächen Schwarze Strahler mit jeweils räumlich konstanter Temperatur sind, da Schwarze Strahler zwangsläufig auch diffuse Strahler sind. In diesem Fall ist der Strahlungsaustausch besonders einfach zu berechnen, da jede Schwarze Teilfläche alle auftreffende Strahlung absorbiert und keinerlei reflektierte Strahlung zu berücksichtigen ist.
Liegen zwei Schwarze Strahler 1 und 2 mit dem gegenseitigen Sichtfaktor vor, so ist die von 1 ausgehende und bei 2 eintreffende Strahlungsleistung gegeben durch
Nun ist aber die von der gesamten Sendefläche in alle Richtungen abgegebene Strahlungsleistung nichts anderes als die mit der Fläche multiplizierte spezifische Ausstrahlung des Strahlers, welche im Falle eines Schwarzen Strahlers mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnet werden kann: .
| || : || Stefan-Boltzmann-Konstante |- | || : || absolute Temperatur der Fläche 1
Es ist also {| |style=" border: 1px solid black; padding:5px"| |} Da der Empfänger ebenfalls ein Schwarzer Strahler mit dem Reflexionsgrad Null ist, wird die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert.
Die Eigenemission Grauer Lambert-Strahler mit räumlich konstanter Temperatur erfüllt ebenfalls die Voraussetzung konstanter und diffuser Strahldichte. Hier setzt sich jedoch im Allgemeinen die von jeder Teilfläche abgegebene Strahldichte zusammen aus der Eigenemission der Fläche und einem reflektierten Anteil jener Strahlung, die von den anderen Teilflächen her eintrifft (und ihrerseits sowohl deren Eigenemissionen als auch reflektierte Anteile enthält). Dies erfordert die Aufstellung entsprechend detaillierter Gleichungssysteme (siehe z. B. Radiosity).
Differentielle Sichtfaktoren Bisher wurden Sichtfaktoren zwischen endlichen Flächen behandelt. Sie dienten zur Ermittlung der von einer der Flächen auf die andere übertragenen, in Watt gemessenen Strahlungsleistung. In der Praxis treten jedoch häufig auch differentielle Flächen auf, etwa wenn die von einer Strahlungsquelle mit der Fläche an einem bestimmten Punkt mit der infinitesimalen Fläche erzeugte Bestrahlungsstärke, also eine in Watt pro Quadratmeter gemessene Leistungsdichte ermittelt werden soll.
Differentielle Flächen erster Ordnung sind z. B. infinitesimal dünne aber endlich oder unendlich lange Streifen, Kreisringe und Ähnliches. Sie dienen oft als Ausgangspunkt für Integrationen über endliche Flächen. Differentielle Flächen zweiter Ordnung sind infinitesimal kleine Flächenstücke, wie sie beispielsweise im fotometrischen Grundgesetz bereits verwendet wurden.
In der Notation kann am jeweiligen Index des Sichtfaktors kenntlich gemacht werden, ob es sich um eine endliche oder differentielle Fläche handelt (z. B. ). Sichtfaktoren auf eine differentielle Fläche sind selbst differentielle Größen (z. B. ).
Zwei differentielle Flächen Die Strahlungsleistung, welche die Fläche mit der Strahldichte in den von ihr überblickten Halbraum abgibt, ist . Die davon auf die Fläche treffende Strahlungsleistung ist durch das fotometrische Grundgesetz gegeben. Das Verhältnis beider ist .
Durch Vergleich dieses Ausdrucks mit dem Ausdruck für den umgekehrten Strahlungsfluss (der sich durch Vertauschen der Indizes ergibt) erhält man die Reziprozitätsbeziehung {| |style=" border: 1px solid black; padding:5px"|
Eine differentielle und eine endliche Fläche Ist die Sendefläche differentiell, so ist die abgegebene Strahlungsleistung wiederum , während das fotometrische Grundgesetz nun über die endliche Empfangsfläche integriert werden muss: .
Betrachtet man den umgekehrten Strahlungsfluss, so ist die Sendefläche endlich, und sie gibt die Strahlungsleistung ab. Das fotometrische Grundgesetz ist ebenfalls über zu integrieren: .
Der Vergleich der beiden so erhaltenen Sichtfaktoren liefert die Reziprozitätsbeziehung {| |style=" border: 1px solid black; padding:5px"|
Sichtfaktoren zwischen einer differentiellen und einer endlichen Fläche sind oft einfacher zu ermitteln als Sichtfaktoren zwischen zwei endlichen Flächen, da anstelle eines Doppelintegrals nur ein Integral über eine Fläche ausgeführt werden muss.
Beispiel mini|Welcher Bruchteil der Wärmeabstrahlung des Erdbodens kommt bei einem Betrachter an, dessen untere Gesichtsfeldhälfte vom Boden eingenommen wird? Dieses Beispiel zeigt die Anwendung der Reziprozitätsbeziehung zwischen einer differentiellen und einer endlichen Fläche.
Eine flächige diffuse Strahlungsquelle mit der konstanten Strahldichte fülle die eine Hälfte des Gesichtsfeldes des Aufpunkts aus. Zu bestimmen ist die resultierende Bestrahlungsstärke am Punkt . Man denke beispielsweise an einen Punkt auf einer Gebäudewand, dessen untere Gesichtsfeldhälfte von Wärme abstrahlendem Erdboden eingenommen wird. Wie viel der vom Erdboden in alle Richtungen abgestrahlten Wärme trifft bei diesem Punkt ein?