Solarbetriebene adaptive Beschichtung für die Strahlungskühlung von Gebäuden
Gebäude sind für etwa 90 % des Stromverbrauchs in Hongkong und über 60 % der Kohlenstoffemissionen verantwortlich. Die Energieeinsparung in Gebäuden ist für die Erreichung der Klimaschutzziele von entscheidender Bedeutung. Forschende der Polytechnischen Universität Hongkong (PolyU) haben eine umweltfreundliche, solarbetriebene adaptive Strahlungskühlungsbeschichtung (SARC) für Gebäudedächer und -wände entwickelt.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor LU Lin Vivien, Professorin am Department of Building Environment and Energy Engineering an der PolyU, zusammen mit dem Schlüsselmitglied des Teams, Dr. Quan GONG, Postdoktorand am selben Department, eine SARC-Beschichtung auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CDs) entwickelt, die die Kühlleistung je nach Sonneneinstrahlung anpassen kann.
Die neue photolumineszierende Nanobeschichtung mit Strahlungskühlung kann Sonnenenergie in Lichtenergie umwandeln. Mit zunehmender Sonnenintensität erhöht sich die Sonnenreflexion der Beschichtung, wodurch verhindert wird, dass Gebäude übermäßig viel Wärme absorbieren.
Umweltfreundliche photolumineszierende Beschichtung mit Strahlungskühlung
Herkömmliche photolumineszierende Kühlmaterialien basieren in der Regel auf Seltenerdmetallen und Perowskit-Materialien, die Umweltrisiken bergen. Um diese Probleme zu lösen, hat das Team von Professor Vivien Lu umweltfreundliche, polymerbasierte CDs als photolumineszierende Materialien in die Beschichtung für Strahlungskühlung eingeführt. Nanogroße CDs wurden in Polymere eingebettet, um ein biologisch unbedenkliches Material zu schaffen.
Die Polymer-CDs wurden gleichmäßig auf hohle Glaspartikel aufgetragen, um Smart Cooling Beads zu erzeugen, die es der Beschichtung ermöglichen, ultraviolettes Licht effektiv in sichtbare Lichtphotonen umzuwandeln und die effektive Sonnenreflexion zu erhöhen. Dieses wasserlösliche SARC erfordert lediglich die Verdunstung von Wasser, um eine Beschichtung auf Gebäudeoberflächen zu bilden, ohne flüchtige organische Verbindungen freizusetzen, wodurch die Luftverschmutzung reduziert wird.
Die Ergebnisse zeigen, dass die neue SARC-Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen zur Strahlungskühlung die effektive Tageslichtreflexion von 92,5 % auf 95 % verbessert und den Kühleffekt um 10 % bis 20 % erhöht. So kann sie beispielsweise die Temperatur um bis zu 25 °C senken, wenn sie auf Betondächern aufgetragen wird.
Veranstaltungstipp: Funktionelle Beschichtungen
Beschichtungen sollen inzwischen nicht mehr nur gut aussehen und vor Korrosion schützen. So gut und wichtig beide Eigenschaften sind, viele Kund:innen wollen mehr. Viele dieser Anforderungen lassen sich mit dem Begriff „Funktionale Beschichtungen“ beschreiben. Beliebte Schlagwörter, die hier oft fallen, sind anti-Eis, anti-Graffiti, Selbstheilung oder die oft genannte Haifischhaut. Manche dieser Eigenschaften sind inzwischen gut erforscht und am Markt etabliert, andere haben noch praktische Hürden zu überwinden. Welche funktionellen Beschichtungen zu welcher dieser Kategorien gehören, vermittelt Ihnen das FARBE UND LACK Seminar „Funktionelle Beschichtungen“ am 26.11.2024 in Essen.
Gebäudekühlung bei minimalem Energieverbrauch
Im Rahmen eines Demonstrationsprojekts mit der Regierungsabteilung der Sonderverwaltungszone Hongkong brachte das Team die SARC-Beschichtung auf den Dächern von Containerhäusern auf einer Baustelle in Hongkong auf. Nach etwa zweieinhalb Jahren kontinuierlicher Exposition im Freien blieben die beschichteten Dächer unter Sonneneinstrahlung 24 °C kühler als Betondächer. Die Beschichtung erwies sich als äußerst langlebig, da die Sonnenreflexion über den Zeitraum von zwei Jahren um weniger als 2 % abnahm. Durch die Reduzierung der Klimatisierungslast konnten jährliche Energieeinsparungen von 10 % erzielt werden.
Durch die Kartierung des durchschnittlichen jährlichen Temperaturabfalls und der Kühlleistung in verschiedenen Klimaregionen Festlandchinas stellte das Team fest, dass die neue SARC-Beschichtung umso größere Temperaturunterschiede erzielte, je stärker die Strahlung war. Am Beispiel von Hongkong und zehn Städten auf dem chinesischen Festland – Peking, Hangzhou, Guangzhou, Changsha, Hotan in Xinjiang, Shenyang, Guilin, Fuzhou, Chongqing und Lanzhou – wird durch die Einführung dieser neuartigen Kühlbeschichtung für Gebäude in jeder Stadt eine jährliche Stromeinsparung zwischen 97 und 136 kWh/m² prognostiziert.
Professor Vivien Lu sagte: „Da die globale Erwärmung zunimmt und extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen immer häufiger auftreten, konzentriert sich die wissenschaftliche Gemeinschaft zunehmend darauf, Wege zu finden, Gebäude zu kühlen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu minimieren. Unsere neuartige SARC-Beschichtung weist eine außergewöhnliche Kühlleistung auf und eignet sich für eine Vielzahl von Klimazonen, wodurch die Entwicklung von Kühlmaterialien der nächsten Generation beschleunigt wird.“
„Diese wasserlösliche Beschichtung kann auch in verschiedenen Farben hergestellt werden, sodass sie sich leicht mit Farbrollern auf Gebäudedächern, Wänden, Straßen und städtischen Oberflächen auftragen lässt. Sie erzielt sowohl kühlende als auch ästhetische Verbesserungen und bietet eine vielversprechende Lösung für eine nachhaltige Stadtentwicklung und die Minderung des städtischen Wärmeinseleffekts.“
Integration von bifazialen Solar-Photovoltaikmodulen
Mit Unterstützung des Carbon Neutrality Funding Scheme der PolyU hat das Team die photolumineszierende Beschichtung auch in bifaziale Solar-Photovoltaik (PV) integriert, um eine synergetische Verbesserung des Wärmemanagements und der Stromerzeugung zu erreichen und Gebäude von Energieverbrauchern in Energieerzeuger zu verwandeln.
Das Team plant die Installation von bifazialen PV-Modulen auf den Dächern des im Bau befindlichen PolyU Kowloon Tong Studentenwohnheims, wobei auf den entsprechenden Bereich unter den Modulen eine neue Beschichtung aufgebracht wird, um die Stromerzeugung zu verbessern und gleichzeitig die Gebäude durch Strahlung zu kühlen.
Das Team geht davon aus, dass dieses System mit Doppelfunktion die Stromerzeugung um 30–50 % verbessern und die CO2-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen unbeschichteten Dächern um 30 % senken wird. Am Beispiel dieses Projekts kann die Installation von PV-Modulen auf einer Fläche von ca. 600 m² auf den Dächern von Wohnheimen 97.000 kWh Strom erzeugen, was zu jährlichen Kosteneinsparungen von über 120.000 HK$ führt.
Das Team entwickelt außerdem eine selbstanpassende Beschichtung auf Paraffinbasis für Strahlungskühlung, die bei kaltem und heißem Wetter eine angemessene Sonnenreflexion aufrechterhalten kann und so im Winter wärmt und im Sommer kühlt.
Quelle: The Hong Kong Polytechnic University