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Open Access
Entwicklung und Analyse einer selbstkühlenden und substratunabhängigen Beschichtung für technische Textilien unter Nutzung der energiefreien Strahlungskühlung
(2024) Zimmermann, Lea; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und des städtischen Wärmeinseleffekts (UHI) ist der Bedarf an Kühlenergie insbesondere in städtischen Gebieten gestiegen und wird voraussichtlich auch in Zukunft weiter zunehmen. Bisherige konventionelle Kühlsysteme für Gebäude wie Klimaanlagen basieren auf thermodynamischen Kreisläufen, die einen großen Teil des Strombedarfs ausmachen und gleichzeitig Abwärme und Kohlendioxid (CO2) an die Umwelt abgeben. Technologien wie die Strahlungskühlung bieten eine nachhaltige und energiefreie Lösung, indem sie die Wellenlängenbereiche der Atmosphäre, die für elektromagnetische Strahlung transparent sind, das so genannte atmosphärische Fenster (8-13 µm), nutzen, um Wärmestrahlung in den kälteren (3 K) Weltraum abzugeben. Durch die Entwicklung von Beschichtungen, die selektiv Wärme durch die Atmosphäre abstrahlen und weniger Sonnenwärme absorbieren, ist eine Abkühlung unter die Umgebungstemperatur auch tagsüber möglich. Während sich bisherige Veröffentlichungen im Bereich der textilen Gebäudekühlung auf spezifische Faserstrukturen und textile Trägermaterialien sowie komplexe Mehrschichtaufbauten konzentrierten, was den Einsatz für hochskalierte Außenanwendungen einschränkt, zielt diese Arbeit auf die Entwicklung einer neuartigen, substratunabhängigen Beschichtung mit spektral selektiven Strahlungseigenschaften hin. Durch die detaillierte Abstimmung von Beschichtungsparametern wie der Partikelkonzentration, verteilung und -größe in Kombination mit niedrig emittierenden und solarreflektierenden Partikeln sowie einem stark im mittleren Infrarot emittierenden Matrixmaterial, wird eine substratunabhängige Kühlung unter die Umgebungstemperatur erreicht, gezeigt am Beispiel von drei für den Membran- und Zeltbau typischen Gewebetypen. Darüber hinaus ist die Beschichtung so konzipiert, dass sie einfach auf verschiedene textile Materialien appliziert werden kann und gleichzeitig eine geringe Dicke aufweist, um hohe Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten. Um die Funktionsweise des entwickelten Beschichtungssystems weiter zu validieren, wurden Tests im Freien mit einem konzipierten Messaufbau durchgeführt, um Temperaturunterschiede und Kühlleistungen unter realen Wetterbedingungen zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Beschichtung (zwischen 7-19 Uhr) an einem heißen Sommertag um durchschnittlich 2 °C unter der Umgebungstemperatur liegt. Darüber hinaus wird ein thermisches Modell an textile Materialien angepasst und validiert, um die Kühlleistung für verschiedene Wetterszenarien zu simulieren und zu berechnen. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger textilbasierter Kühltechnologien und bietet eine vielversprechende Lösung für den wachsenden Bedarf an energieeffizienter Kühlung in städtischen Umgebungen.
Open Access
The influence of background materials on the radiative cooling performance of semi-transparent and opaque textiles : a theoretical and experimental analysis
(2024) Zimmermann, Lea; Aili, Ablimit; Stegmaier, Thomas; Kaya, Cigdem; Gresser, Götz T.
This paper investigates the theoretical and experimental cooling performance of textile materials utilizing radiative cooling technology. By applying Kirchhoff’s law, the emissivity of surfaces is determined, revealing that materials with high transmission values can achieve comparable cooling performance to those with high reflection values. Notably, materials exhibiting moderate reflectance and transmittance in the solar range tend to absorb minimal solar radiation, thus offering high theoretical cooling performance. However, practical applications like building envelopes or clothing present challenges due to the impact of background radiation on overall cooling capacity. Despite their intrinsic cooling properties, a significant portion of solar radiation is transmitted, complicating matters as the background can significantly affect overall cooling performance. This study provides a solution that accounts for the influence of background materials. Based on spectral data, various background materials and their impact on different semi-transparent comparison materials can be considered, and cooling performance can be simulated. This enables the simulation of cooling performance for various application scenarios and facilitates comparisons between transparent, semi-transparent, and opaque textile materials.
Open Access
Self-cooling textiles : substrate independent energy-free method using radiative cooling technology
(2024) Zimmermann, Lea; Stegmaier, Thomas; Kaya, Cigdem; Gresser, Götz T.
Due to climate change, population increase, and the urban heat island effect (UHI), the demand for cooling energy, especially in urban areas, has increased and will further increase in the future. Technologies such as radiative cooling offer a sustainable and energy-free solution by using the wavelength ranges of the atmosphere that are transparent to electromagnetic radiation, the so-called atmospheric window (8-13 µm), to emit thermal radiation into the colder (3 K) outer space. Previous publications in the field of textile building cooling have focused on specific fiber structures and textile substrate materials as well as complex multi-layer constructions, which restrict the use for highly scaled outdoor applications. This paper describes the development of a novel substrate-independent coating with spectrally selective radiative properties. By adapting the coating parameters and combining low-emitting and solar-reflective particles, along with a matrix material emitting strongly in the mid-infrared range (MIR), substrate-independent cooling below ambient temperature is achieved. Moreover, the coating is designed to be easily applicable, with a low thickness, to ensure high flexibility and scalability, making it suitable for various applications such as membrane architecture, textile roofs, or tent construction. The results show a median daytime temperature reduction (7 a.m.-7 p.m.) of 2 °C below ambient temperature on a hot summer day.