Entwicklung und Analyse einer selbstkühlenden und substratunabhängigen Beschichtung für technische Textilien unter Nutzung der energiefreien Strahlungskühlung

Abstract

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.