Durchbruch bei der Regulierung der Haushaltstemperatur ohne Erdgas- oder Stromverbrauch
Wissenschaftler haben eine intelligente Dachbeschichtung für alle Jahreszeiten entwickelt, die Häuser im Winter warm hält und im Sommer kühlt, ohne Erdgas oder Strom zu verbrauchen. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Forschungsergebnisse weisen auf eine bahnbrechende Technologie hin, die die Energieeinsparungen kommerzieller Kühldachsysteme übertrifft.
"Unsere Ganzjahres-Dachbeschichtung schaltet automatisch von kühl auf warm um, je nach Außentemperatur. Dies ist eine energie- und emissionsfreie Klimaanlage und Heizung in einem Gerät", so Junqiao Wu, Wissenschaftler in der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UC Berkeley, der die Studie leitete.
Die heutigen Systeme für kühle Dächer, wie z. B. reflektierende Beschichtungen, Membranen, Schindeln oder Dachziegel, haben helle oder dunklere "kühle" Oberflächen, die das Haus durch Reflexion des Sonnenlichts kühlen. Diese Systeme geben auch einen Teil der absorbierten Sonnenwärme als thermische Infrarotstrahlung ab; bei diesem natürlichen Prozess, der als Strahlungskühlung bekannt ist, wird thermisches Infrarotlicht von der Oberfläche weggestrahlt.
Das Problem vieler derzeit auf dem Markt befindlicher Kühldachsysteme ist, dass sie im Winter weiterhin Wärme abstrahlen, was die Heizkosten in die Höhe treibt, erklärte Wu.
"Unser neues Material - eine temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung (TARC) - kann Energieeinsparungen ermöglichen, indem es die Strahlungskühlung im Winter automatisch abschaltet und so das Problem der Überkühlung überwindet", sagte er.
Ein Dach für alle Jahreszeiten
Metalle sind in der Regel gute Leiter von Strom und Wärme. Im Jahr 2017 entdeckten Wu und sein Forschungsteam, dass sich die Elektronen in Vanadiumdioxid gegenüber Elektrizität wie ein Metall, gegenüber Wärme jedoch wie ein Isolator verhalten - mit anderen Worten, sie leiten Strom gut, ohne viel Wärme zu leiten. "Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu den meisten anderen Metallen, bei denen die Elektronen Wärme und Strom proportional leiten", erklärte Wu.
Unterhalb von etwa 67 Grad Celsius ist Vanadiumdioxid auch für thermisches Infrarotlicht transparent (und absorbiert es daher nicht). Sobald Vanadiumdioxid jedoch 67 Grad Celsius erreicht, geht es in einen metallischen Zustand über und wird für thermisch-infrarotes Licht absorbierend. Diese Fähigkeit, von einer Phase in eine andere zu wechseln - in diesem Fall von einem Isolator zu einem Metall - ist charakteristisch für ein sogenanntes Phasenwechselmaterial.
Um zu sehen, wie sich Vanadiumdioxid in einem Dachsystem verhalten würde, entwickelten Wu und sein Team eine 2 mal 2 Zentimeter große TARC-Dünnschichtvorrichtung. TARC "sieht aus wie Klebeband und kann auf einer festen Oberfläche wie einem Dach angebracht werden", so Wu.
In einem Schlüsselexperiment richtete der Co-Autor Kechao Tang im letzten Sommer ein Experiment auf dem Dach von Wus Haus in der East Bay ein, um die Funktionsfähigkeit der Technologie in einer realen Umgebung zu demonstrieren.
Ein drahtloses Messgerät, das auf Wus Balkon aufgestellt wurde, zeichnete über mehrere Tage hinweg kontinuierlich die Reaktionen einer TARC-Probe, einer handelsüblichen dunklen Dachprobe und einer handelsüblichen weißen Dachprobe auf Veränderungen des direkten Sonnenlichts und der Außentemperatur auf.
Wie TARC bei der Energieeinsparung abschneidet
Die Forscher nutzten dann die Daten aus dem Experiment, um zu simulieren, wie TARC das ganze Jahr über in Städten aus 15 verschiedenen Klimazonen auf dem amerikanischen Festland abschneiden würde.
Wu zog Ronnen Levinson hinzu, einen Mitautor der Studie, der als Wissenschaftler und Leiter der Heat Island Group in der Energy Technologies Area des Berkeley Lab tätig ist, um ihnen bei der Verfeinerung ihres Modells der Dachoberflächentemperatur zu helfen. Levinson entwickelte eine Methode zur Schätzung der TARC-Energieeinsparungen auf der Grundlage von mehr als 100.000 Gebäudesimulationen, die die Heat Island Group zuvor durchgeführt hatte, um die Vorteile von kühlen Dächern und kühlen Wänden in den Vereinigten Staaten zu bewerten.
Finnegan Reichertz, ein Schüler der 12. Klasse der East Bay Innovation Academy in Oakland, der im vergangenen Jahr als Sommerpraktikant für Wu arbeitete, half bei der Simulation, wie sich TARC und die anderen Dachmaterialien zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Tagen des Jahres für jede der 15 Städte oder Klimazonen verhalten würden, die die Forscher für die Studie untersuchten.
Die Forscher fanden heraus, dass TARC in 12 der 15 Klimazonen die bestehenden Dachbeschichtungen in Bezug auf Energieeinsparungen übertrifft, insbesondere in Regionen mit großen Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht, wie in der San Francisco Bay Area, oder zwischen Winter und Sommer, wie in New York City.
"Mit der Installation von TARC könnte ein durchschnittlicher Haushalt in den USA bis zu 10 % Strom einsparen", sagte Tang, der zum Zeitpunkt der Studie als Postdoktorand im Labor von Wu tätig war. Heute ist er Assistenzprofessor an der Universität Peking in Peking, China.
Herkömmliche kühle Dächer haben einen hohen Sonnenreflexionsgrad und eine hohe Wärmeabgabe (die Fähigkeit, Wärme-Infrarotstrahlung abzugeben), selbst bei kühlem Wetter.
Den Messungen der Forscher zufolge reflektiert TARC das ganze Jahr über etwa 75 % des Sonnenlichts, aber seine Wärmeabgabe ist hoch (etwa 90 %), wenn die Umgebungstemperatur warm ist (über 25 Grad Celsius oder 77 Grad Fahrenheit), was den Wärmeverlust an den Himmel fördert. Bei kühlerem Wetter schaltet die TARC-Wärmeabstrahlung automatisch auf einen niedrigen Wert um und hilft so, die Wärme aus der Sonnenabsorption und der Innenraumheizung zurückzuhalten, so Levinson.
Die Ergebnisse von Infrarot-Spektroskopie-Experimenten, die mit fortschrittlichen Instrumenten in der Molecular Foundry des Berkeley Labs durchgeführt wurden, bestätigten die Simulationen.
"Die einfache Physik sagte voraus, dass TARC funktionieren würde, aber wir waren überrascht, dass es so gut funktionieren würde", sagte Wu. "Ursprünglich dachten wir, dass der Wechsel von Erwärmung zu Abkühlung nicht so dramatisch sein würde. Unsere Simulationen, Freiland- und Laborexperimente haben das Gegenteil bewiesen - das ist wirklich aufregend."
Die Forscher planen, TARC-Prototypen in größerem Maßstab zu entwickeln, um seine Leistung als praktische Dachbeschichtung weiter zu testen. Laut Wu könnte TARC auch als Wärmeschutzbeschichtung eingesetzt werden, um die Batterielebensdauer in Smartphones und Laptops zu verlängern und Satelliten und Autos vor extrem hohen oder niedrigen Temperaturen zu schützen. Es könnte auch zur Herstellung von temperaturregulierendem Gewebe für Zelte, Gewächshausabdeckungen und sogar Hüte und Jacken verwendet werden.
Die Co-Autoren der Studie waren Kaichen Dong und Jiachen Li.
Die Molecular Foundry ist eine Einrichtung für Nanowissenschaften am Berkeley Lab.
Diese Arbeit wurde in erster Linie durch das DOE Office of Science und ein Bakar-Stipendium unterstützt.
Die Technologie steht zur Lizenzierung und Zusammenarbeit zur Verfügung. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an das Büro für geistiges Eigentum von Berkeley Lab,ipo@lbl.gov.
Weitere Informationen:
https://newscenter.lbl.gov/2021/12/16/roof-year-round-energy-savings/ [This is automatically translated from English]