Neue Farbe sorgt für zusätzliche Isolierung, was zu Einsparungen bei Energie, Kosten und Kohlenstoffemissionen führt.

14. August 2023

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von Mark Golden, Stanford University

Wissenschaftler der Stanford University haben eine neue Art von Farbe erfunden, die im Sommer Häuser und andere Gebäude kühler und im Winter wärmer halten kann. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs, der Kosten und der Treibhausgasemissionen.

Die Raumheizung und -kühlung macht etwa 13% des weltweiten Energieverbrauchs und etwa 11% der Treibhausgasemissionen aus. Die neuen Farben reduzierten den Energieverbrauch für die Heizung in Experimenten mit künstlichen, kalten Umgebungen um etwa 36%, wie eine heute in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie zeigt. Sie reduzierten den Energiebedarf für die Kühlung in künstlich warmen Bedingungen um fast 21%. In Simulationen eines typischen Wohngebäudes mit mittlerer Höhe in verschiedenen Klimazonen der Vereinigten Staaten mit der neuen Farbe auf Außenwänden und Dächern sank der Gesamtenergieverbrauch für Heizung, Lüftung und Klimaanlage im Laufe eines Jahres um 7,4%.

'Der Energieverbrauch und die Emissionen durch Heizung werden voraussichtlich aufgrund von Energieeffizienzgewinnen weiter sinken, aber der Einsatz von Klimaanlagen nimmt zu, insbesondere in den Entwicklungsländern in einer sich erwärmenden Welt', sagte der leitende Autor der Studie, Yi Cui, Professor für Materialwissenschaft und -technik, Energiewissenschaften und -technik sowie für Photonenwissenschaften am SLAC-Nationalbeschleunigungslabor der Stanford University.

'Für Heizung und Klimaanlage müssen wir den Energieverbrauch und die Emissionen weltweit reduzieren, um unsere Ziele für eine emissionsfreie Zukunft zu erreichen', sagte Cui, der das Precourt Institute for Energy und den Sustainability Accelerator leitet, beide an der Stanford Doerr School of Sustainability. 'Die Reduzierung des Wärmestaus zwischen dem Lebens- und Arbeitsraum von Menschen und ihrer Umgebung gewinnt immer mehr Aufmerksamkeit, und neue Materialien für verbesserte Isolierung - wie niedrig emittierende Filme für Fenster - sind gefragt.'

Aktuelle niedrig emittierende Farben haben normalerweise eine metallische silberne oder graue Farbe, deren Ästhetik ihren Einsatz begrenzt. Die neu erfundenen Farben bestehen aus zwei separaten Schichten: einer infrarotreflektierenden unteren Schicht mit Aluminiumflocken und einer ultradünnen, infrarottransparenten oberen Schicht mit anorganischen Nanopartikeln, die in einer breiten Farbpalette erhältlich ist. Das Infrarotspektrum des Sonnenlichts verursacht 49% der natürlichen Erwärmung des Planeten, wenn es von Oberflächen absorbiert wird.

Um die Wärme draußen zu halten, kann die Farbe auf Außenwände und Dächer aufgetragen werden. Der Großteil dieses infraroten Lichts durchdringt die Farbschicht der neuen Farben, reflektiert von der unteren Schicht und tritt als Licht wieder aus, ohne von den Baumaterialien als Wärme absorbiert zu werden. Um die Wärme drinnen zu halten, wird die Farbe auf Innenwände aufgetragen, wo die untere Schicht erneut die infraroten Wellen reflektiert, die Energie übertragen und für das menschliche Auge unsichtbar sind.

Konkret werden bis zu etwa 80% des hochmittleren Infrarotlichts von den Farben reflektiert und tragen während kalter Witterung und warmer Witterung wesentlich dazu bei, die Wärme drinnen bzw. draußen zu halten. Die Farbschicht reflektiert auch einige Infrarotlichter im nahen Bereich, was die Einsparungen bei der Klimatisierung erhöht. Das Forschungsteam hat ihre Farben in Weiß, Blau, Rot, Gelb, Grün, Orange, Lila und Dunkelgrau getestet. Die Forscher stellten fest, dass sie in den gleichen Farben im Vergleich zu konventionellen Farben zehnmal besser sind.

Die Farben können auch außerhalb von Gebäuden angewendet werden, um anderswo die Energieeffizienz zu verbessern. Zum Beispiel könnten sie Lastwagen und Güterwagen abdecken, die für den Kühltransport verwendet werden, bei dem die Kühlkosten bis zur Hälfte des Transportbudgets ausmachen können.

'Beide Schichten können auf verschiedene Formen und Materialien aufgesprüht werden und liefern eine zusätzliche Wärmebarriere in vielen verschiedenen Situationen', sagte Yucan Peng, Mitautor der Studie, der sein Promotionsstudium in Materialwissenschaft 2020 an der Stanford University absolvierte und nun ein Postdoktorand am Geballe Laboratory for Advanced Materials von Stanford ist.

The researchers also evaluated how practical their paints would be in various situations. Both layers are water-repellant, which should enhance stability in humid environments. Painted surfaces can be cleaned easily with wet cloth or water flushing, the researchers report. Furthermore, the paints' performance and aesthetics were not diminished after continuous exposure for one week to high temperature (176 degrees Fahrenheit), low temperature (-320.5 degrees Fahrenheit), as well as high acidic and low acidic environments. The paint actually increased the use of air conditioning slightly in some U.S. cities, but no location showed an increased total HVAC load.

'Our team continues to work on refining the paint formulations for practical applications,' said the study's other co-lead author, Jian-Cheng Lai, a postdoctoral scholar advised by Zhenan Bao, professor of chemical engineering. 'For example, water-based solutions would be more environmentally friendly than the organic solvents we used. That could facilitate the commercialization of the paints.'

Provided by Stanford University