Forscher entdecken neuen Mechanismus zur energiesparenden Gebäudekühlung

Angesichts der weltweit steigenden Temperaturen wächst auch der Bedarf an nachhaltigeren Kühlmöglichkeiten. Forscher der UCLA und ihre Kollegen haben nun ein kostengünstiges und skalierbares Verfahren gefunden, um Gebäude im Sommer zu kühlen und im Winter zu heizen.

Unter der Leitung von Aaswath Raman, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UCLA Samueli School of Engineering, veröffentlichte das Forschungsteam kürzlich eine Studie in Zellberichte Physikalische Wissenschaft Detaillierte Beschreibung einer neuen Methode zur Manipulation der Bewegung von Strahlungswärme durch gängige Baumaterialien, um das Wärmemanagement zu optimieren.

Strahlungswärme, die wir spüren, wenn eine heiße Oberfläche unsere Körper und Häuser erwärmt, und die von elektromagnetischen Wellen übertragen wird, bewegt sich auf Bodenhöhe über das gesamte Breitbandspektrum zwischen Gebäuden und ihrer Umgebung wie Straßen und benachbarten Gebäuden. Zwischen Gebäuden und dem Himmel hingegen bewegt sich Wärme in einem viel schmaleren Teil des Infrarotspektrums, dem sogenannten atmosphärischen Transmissionsfenster. Der Unterschied in der Art und Weise, wie Strahlungswärme zwischen Gebäuden und dem Himmel bzw. dem Boden bewegt wird, stellte lange Zeit eine Herausforderung für die Kühlung von Gebäuden mit kleineren, dem Himmel zugewandten Oberflächen dar. Diese Gebäude sind im Sommer schwer zu kühlen, da sie bei hohen Außentemperaturen die Wärme vom Boden und benachbarten Wänden speichern. Im Winter sind sie ebenso schwer zu heizen, da die Außentemperaturen sinken und die Gebäude Wärme verlieren.

„Wenn wir uns historische Städte wie Santorini in Griechenland oder Jodhpur in Indien ansehen, stellen wir fest, dass die Kühlung von Gebäuden durch die Reflexion von Sonnenlicht auf Dächern und Wänden schon seit Jahrhunderten praktiziert wird“, sagte Raman, der das Raman Lab an der UCLA Samueli leitet. „In den letzten Jahren gab es ein großes Interesse an kühlenden Dachbeschichtungen, die Sonnenlicht reflektieren. Aber die Kühlung von Wänden und Fenstern ist eine viel subtilere und komplexere Herausforderung.“

Da sich jedoch gezeigt hat, dass die Kühlung von Gebäuden durch die Verwendung von superweißer Farbe auf den Dächern, die das Sonnenlicht reflektiert und Wärme in den Himmel abstrahlt, erfolgreich ist, machten sich die Forscher daran, einen ähnlichen passiven Strahlungskühleffekt zu erzielen, indem sie Wände und Fenster mit Materialien beschichteten, die die Wärmebewegung zwischen Gebäuden und ihrer Umgebung auf Bodenhöhe besser steuern können. Die Forscher zeigten, dass Materialien, die Strahlungswärme bevorzugt innerhalb des atmosphärischen Fensters absorbieren und abgeben können, im Sommer kühler und im Winter wärmer bleiben können als herkömmliche Baumaterialien.

„Wir waren besonders begeistert, als wir herausfanden, dass Materialien wie Polypropylen, das wir aus Haushaltskunststoffen gewonnen haben, sehr effektiv Wärme im atmosphärischen Fenster selektiv abstrahlen oder absorbieren können“, sagte Raman. „Diese Materialien grenzen an das Alltägliche, aber die gleiche Skalierbarkeit, die sie so weit verbreitet macht, bedeutet auch, dass wir sie in naher Zukunft bei der Wärmeregulierung von Gebäuden sehen könnten.“

Der Ansatz des Teams nutzt nicht nur leicht zugängliche und kostensparende Materialien, sondern bietet auch den zusätzlichen Vorteil, dass Energie gespart wird, da weniger Klimaanlagen und Heizungen eingesetzt werden, die nicht nur teuer im Betrieb sind, sondern auch zu Kohlendioxid-Emissionen beitragen.

„Der von uns vorgeschlagene Mechanismus ist völlig passiv, was ihn zu einer nachhaltigen Möglichkeit macht, Gebäude je nach Jahreszeit zu kühlen und zu heizen und ungenutzte Energieeinsparungen zu erzielen“, sagte Jyotirmoy Mandal, der Erstautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand in Ramans Labor. Mandal ist jetzt Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Princeton University.

Den Forschern zufolge ist die neue Methode leicht skalierbar und wird sich besonders positiv auf einkommensschwache Gemeinden auswirken, die keinen oder nur einen begrenzten Zugang zu Kühl- und Heizsystemen haben und in denen es weltweit immer mehr Opfer infolge extremer Wetterereignisse gibt.

Raman und sein Team erforschen Möglichkeiten, diesen Effekt bei größeren Gebäuden zu demonstrieren und die damit verbundenen tatsächlichen Energieeinsparungen zu ermitteln, insbesondere in hitzegefährdeten Gemeinden in Südkalifornien.