Forscher entdecken neuen Mechanismus, um Gebäude zu kühlen und gleichzeitig Energie zu sparen

Da die Temperaturen weltweit steigen, besteht auch ein Bedarf an nachhaltigeren Kühllösungen. Forscher der UCLA und ihre Kollegen haben nun ein erschwingliches und skalierbares Verfahren gefunden, um Gebäude im Sommer zu kühlen und im Winter zu heizen.

Unter der Leitung von Aaswath Raman, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UCLA Samueli School of Engineering, veröffentlichte das Forschungsteam kürzlich eine Studie in Zellberichte Physikalische Wissenschaften Einzelheiten zu einer neuen Methode zur Manipulation der Strahlungswärmebewegung durch gängige Baumaterialien zur Optimierung des Wärmemanagements.

Strahlungswärme, die wir spüren, wenn eine heiße Oberfläche unseren Körper und unser Zuhause erwärmt, und die von elektromagnetischen Wellen übertragen wird, breitet sich über das gesamte Breitbandspektrum in Bodennähe zwischen Gebäuden und ihrer Umgebung, wie benachbarten Straßen und Bauwerken, aus. Im Gegensatz dazu bewegt sich Wärme zwischen Gebäuden und dem Himmel in einem viel engeren Teil des Infrarotspektrums, dem atmosphärischen Transmissionsfenster. Der Unterschied in der Ausbreitung der Strahlungswärme zwischen Gebäuden und dem Himmel im Vergleich zum Boden stellt seit langem eine Herausforderung für die Kühlung von Gebäuden mit weniger zum Himmel gerichteten Oberflächen dar. Diese Gebäude lassen sich im Sommer nur schwer kühlen, da sie bei hohen Außentemperaturen die Wärme von den angrenzenden Böden und Wänden speichern. Ebenso schwierig sind sie im Winter zu erwärmen, wenn die Außentemperatur sinkt und Gebäude Wärme verlieren.

„Wenn wir uns historische Städte wie Santorini in Griechenland oder Jodhpur in Indien ansehen, sehen wir, dass die Kühlung von Gebäuden durch die Reflexion der Sonnenstrahlen von Dächern und Wänden eine Praxis ist, die es schon seit Jahrhunderten gibt“, erklärt Raman, der das Raman-Labor leitet an der UCLA Samueli. „In den letzten Jahren besteht großes Interesse an kühlenden Dacheindeckungen, die das Sonnenlicht reflektieren. Doch die Kühlung von Wänden und Fenstern ist eine viel subtilere und komplexere Herausforderung. »

Nachdem die Forscher jedoch den Erfolg der Kühlung von Gebäuden durch die Verwendung von ultraweißer Farbe auf Dächern gesehen hatten, um Sonnenlicht zu reflektieren und Wärme an den Himmel abzustrahlen, machten sie sich daran, einen ähnlichen passiven Strahlungskühlungseffekt zu erzeugen, indem sie Wände und Fenster mit Materialien verkleideten, die das besser bewältigen können Wärmebewegung zwischen Gebäuden und ihrer bodennahen Umgebung. Die Forscher zeigten, dass Materialien, die Strahlungswärme innerhalb des atmosphärischen Fensters bevorzugt absorbieren und abgeben können, im Sommer kühler als herkömmliche Baumaterialien und im Winter wärmer bleiben können.

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

Neben der Nutzung leicht zugänglicher, kostengünstiger Materialien bietet der Ansatz des Teams auch den zusätzlichen Vorteil, Energie zu sparen, indem die Abhängigkeit von Klimaanlagen und Heizungen verringert wird, deren Betrieb nicht nur teuer ist, sondern auch zu Kohlendioxidemissionen beiträgt.

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

Den Forschern zufolge lässt sich die neue Methodik leicht skalieren und wird besonders große Auswirkungen auf einkommensschwache Gemeinden mit begrenztem oder keinem Zugang zu Kühl- und Heizsystemen haben, in denen es weltweit zu einem Anstieg der Opferzahlen aufgrund extremer Wetterereignisse kommt.

Raman und sein Team untersuchen Möglichkeiten, diesen Effekt in größeren Gebäudemaßstäben zu demonstrieren und konkrete Energieeinsparungen zu erzielen, insbesondere in hitzegefährdeten Gemeinden in Südkalifornien.