Adaptive Dachziegel könnten der Schlüssel zur Reduzierung des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung sein

Nach Schätzungen von Marktforschungsstudien kann der globale Dachmarkt bis 2033 die Schwelle von US$140 Milliarden überschreiten, von fast US$82 billion im Jahr 2023. Keine Bauarbeiten sind ohne eine Dachelösung abgeschlossen. Sie ist sowohl für Wohn- als auch für Gewerbegebäude gleichermaßen essenziell. Der Markt ist dynamisch, da Dächer in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen. In Nordamerika sind laut einer Marktforschungs‑schätzung 94% of roofing projects Dachsanierungen. 

Das Ersetzen alter Dächer dreht sich oft darum, sie umweltfreundlich und energieeffizient zu machen. Kühl­dächer, die in der Lage sind, Sonnenstrahlung zu reflektieren und die Dachtemperatur zu senken, können US$0.50 per square foot, wie einige Studien zeigen. 

Einige Schätzungen gehen davon aus, dass der globale Markt für kühlende Dächer bis 2025 mit einer CAGR von 5.7% through 2025 wachsen wird. Reflektierende Dachmaterialien, wie weiße Membranen oder Beschichtungen, können die Oberflächentemperatur des Daches um bis zu 50 degrees Fahrenheit senken. 

Während Kühl‑ oder Heizeigenschaften zu einem entscheidenden Merkmal von Dachelösungen geworden sind, zeigt das Interesse an Nachhaltigkeit und Energieeinsparungen, dass Lösungen effizient sein müssen. 

Wir beginnen die heutige Diskussion mit einer solchen Lösung, die weltweit in der Dachindustrie für Aufsehen gesorgt hat. 

Adaptive Dachziegel: Empfindlich gegenüber Außentemperatur; Hilft, den Energieverbrauch zu senken

Wissenschaftler der University of California, Santa Barbara, haben eine akademische Forschung veröffentlicht, die detailliert beschreibt, wie Dachziegel Heiz- und Kühlkosten senken können. 

Zweck der drei an diesem Projekt beteiligten Forscher, Charlie Xiao, Elliot Hawkes und Bolin Lao, war es, die Energiekosten der Amerikaner zu senken und den Bedarf an fossilen Brennstoffen für haushaltsinterne HLK‑Systeme zu reduzieren. 

These adaptive tiles verfügen über einen Strahlungsschalter, der zwischen Heiz‑ und Kühlzuständen umschalten kann. Er kann innerhalb von 3 °C um die Schalt‑Temperatur zwischen Kühl‑ und Heizzustand wechseln. Er kann den Kühl‑ und Heizbedarf im Vergleich zu statischen Geräten um mehr als das 2,5‑fache reduzieren. 

Der „Schalter“, also das passive thermoregulierende Gerät, ist ein 4‑Zoll‑Quadrat. Es dient als bewegliche Oberfläche, die ihre thermischen Eigenschaften ändern kann, um auf ein Temperaturband zu reagieren.

Laut Forscher Charlie Xiao:

“Es wechselt zwischen einem Heizzustand und einem Kühlzustand, abhängig von der Temperatur der Ziegel.”

Die Forscher haben die Lösung für eine Zieltemperatur von 65 °F (etwa 18 °C) entwickelt. 

Aber warum wird diese Lösung von der Dachindustrie mit so großer Erwartungshaltung aufgenommen? Die Beantwortung dieser Frage erfordert ein Verständnis des US‑Energieverbrauchs‑Szenarios im Gebäudesektor. 

50 % des Energieverbrauchs von US‑Gebäuden entfällt auf Heizung und Kühlung

Der Umfang des Energieverbrauchs, der für Heizung und Kühlung von US‑Gebäuden aufgewendet wird, ist enorm. Laut der United States Energy Information Administration, machte der kombinierte Endverbrauch von Wohn- und Gewerbesektor im Jahr 2022 etwa 29 % des gesamten US‑Endverbrauchs aus. Werden die Verluste im elektrischen System mit einbezogen, machten Wohn‑ und Gewerbesektor 38 % des gesamten US‑Energieverbrauchs im Jahr 2022. 

Mit 50 % des US‑Gebäudeenergieverbrauchs, der für Heizung und Kühlung verwendet wird, muss das System um jeden Preis energieeffizient sein. Darüber hinaus wird der Klimawandel und die globale Erwärmung den Kühlbedarf erhöhen. Dennoch wird es Regionen geben, in denen der Heizbedarf ebenfalls hoch bleibt und sogar steigen könnte. 

Traditionelle Kühl­dachsysteme, einschließlich reflektierender Beschichtungen, Membranen, Schindeln oder Ziegel, funktionieren nach dem Prinzip, Häuser durch Reflexion von Sonnenlicht zu kühlen. Diese Lösungen geben einen Teil der eingeschlossenen Wärme als thermisch‑infrarote Strahlung ab. Das Problem dieser Lösungen entsteht jedoch, wenn Kühl­dachsysteme im Winter weiterhin Wärme abstrahlen, wodurch die Heizkosten steigen. Kurz gesagt, es fehlt an Energieeffizienz und Kostenwirksamkeit. 

Berücksichtigt man all diese oben genannten Aspekte, ist eine Lösung, die je nach Außentemperatur zwischen Heiz‑ und Kühlzuständen wechseln kann, ein echter Wendepunkt, zumal sie ohne Strom auskommt. 

Die Lösung wird zudem als wegweisend für die Branche angesehen, weil sie die Anforderungen von Heizung und Kühlung im selben Gebäude am selben Tag erfüllen kann. Es gibt derzeit nur wenige Technologien, die automatisch zwischen passiver Heizung und Kühlung umschalten können. Die verfügbaren Lösungen sind jedoch meist ineffizient für tägliches Umschalten, da sie einen großen Temperaturbereich benötigen, um den Zustand zu wechseln. 

Die Forscher behaupten außerdem, dass ihr Design hochgradig anpassungsfähig ist. Es kann verschiedene Temperatureinstellungen erreichen, indem das Phasenwechselmaterial verändert wird. Für höhere strahlende Kühlung, verbesserte Heizleistung und überlegene Haltbarkeit müssen die adaptiven Ziegel lediglich ihre Beschichtung ändern. 

Ein weiteres Merkmal, das die Lösung attraktiv macht, ist ihr einfaches Design und das Potenzial für kostengünstige Produktion. 

Während all diese Vorteile und Nutzen darauf warten, von der Branche genutzt und in größerem Unternehmensmaßstab produziert zu werden, arbeiten zahlreiche weitere Gebäudelösungen daran, den Heiz‑/Kühlenergieverbrauch zu reduzieren. Wir werden nun einige dieser Lösungen betrachten. 

Intelligente Dachbeschichtung für ganzjährige Energieeinsparungen

Wissenschaftler, die an einer Studie unter der Leitung von Junqiao Wu, einem Fakultätswissenschaftler in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley, entwickelten eine ganzjährige intelligente Dachbeschichtung, die Häuser im Winter warm und im Sommer kühl hält. 

Wie die vorherige Lösung erfordert auch diese keinen Erdgas- oder Stromanschluss. 

Laut Junqiao Wu:

“(Our) all-season roof coating automatically switches from keeping you cool to warm, depending on outdoor air temperature. It is energy-free, emission-free air conditioning and heating, all in one device.”

Um ihr Ziel zu erreichen, entwickelten die Wissenschaftler ein neues Material namens temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung (TARC). TARC schaltet die strahlende Kühlung im Winter automatisch ab, sodass keine Überkühlung und Energieverschwendung entsteht. 

Mit TARC erwarten die Wissenschaftler, dass der durchschnittliche Haushalt in den Vereinigten Staaten bis zu 10% on electricity spare. Die Lösung kann das ganze Jahr über 75 % des Sonnenlichts reflektieren. Wenn jedoch die Umgebungstemperatur über 25 °C (77 °F) liegt, erreicht ihre thermische Emission etwa 90 %. 

Junqiao Wu, der seine Begeisterung über das, was die Lösung erreichen könnte, zum Ausdruck brachte, sagte:

“Wir dachten ursprünglich, der Wechsel von Erwärmung zu Kühlung wäre nicht so dramatisch. Unsere Simulationen, Feldversuche und Laborexperimente haben das Gegenteil bewiesen – das ist wirklich spannend.” 

Die Forscher planten, TARC‑Prototypen zu entwickeln, die für Anwendungen in größerem Maßstab geeignet sind. Sie hofften, dass TARC sich als thermisch schützende Beschichtung bewähren würde, um die Batterielebensdauer in Smartphones und Laptops zu verlängern. Weitere Einsatzmöglichkeiten könnten der Schutz von Satelliten und Autos vor extrem hohen oder niedrigen Temperaturen sowie die Herstellung temperaturregulierender Stoffe für Zelte, Gewächshausabdeckungen, Hüte und Jacken sein. 

Energieeffiziente Lösungen für US‑Gebäude, insbesondere mit Fokus auf effiziente Dächer, sind ebenfalls auf Unternehmensniveau verfügbar. Wir werden im nächsten Abschnitt einige dieser Lösungen sehen. 

1. Whitco Roofing, Inc.

Whitco positioniert sich als größter kommerzieller Dachunternehmer in Atlanta und als einer der führenden Dachunternehmer in Nordamerika. Whitco ist eines der wenigen kommerziellen Dachunternehmen in Nordamerika, das zertifizierte Fachkräfte für Gründächer beschäftigt. Es bietet zudem Solardachpaneele an, die effizient mehr als 25 % des gesamten Energiebedarfs eines Gebäudes decken können. Zu den Lösungen gehören auch Polyisocyanurat‑Dachdämmungen. Bei korrekter Anwendung kann diese Lösung die Heiz‑ und Kühlkosten in kommerziellen und industriellen Anwendungsfällen erheblich senken. 

Gegründet im Jahr 2005, ist Whitco Roofing ein privately held company mit Sitz in Atlanta, Georgia, USA. 

2. Grundfos

Wenn es um einen ganzheitlichen Ansatz zur Reduzierung des Heiz‑ oder Kühlenergieverbrauchs in Gebäuden geht, steht Grundfos an vorderster Stelle. Seine Lösungen richten sich sowohl an kommerzielle als auch an private Gebäude. 

Um die commercial heating energieeffizient zu gestalten, bietet Grundfos Umlaufpumpen, Mischschleifen, verteilte Pumpenlösungen, Booster‑Sets, Inline‑Einphasenpumpen, Hydro‑Booster und vieles mehr an. Für energieeffiziente Heizung in domestic setups verwendet Grundfos hauptsächlich Umlaufpumpen. 

Im Geschäftsjahr 2022 verzeichnete Grundfos einen Nettoumsatz von DKK 33.3bn (2021: DKK 28.7 Mrd.). Das Unternehmen verzeichnete ein Umsatzwachstum von 12,1 % in lokalen Währungen gegenüber dem Vorjahr (2021). Die Umsatzrendite stieg 2022 auf 11,8 % gegenüber 11,4 % im Jahr 2021. 

3. Tesla Solar Roofs

Die Installation von Tesla Solar Roofs ermöglicht es, das eigene Haus mit einem vollständig integrierten Solar‑ und Energiespeichersystem zu versorgen. Sie bietet eine 25‑jährige Garantie und 24/7‑Ausfallschutz. Das Solardach wird durch Powerwall ergänzt, eine kompakte Hausbatterie für rund um die Uhr Energie‑Sicherheit. Diese Batterien helfen, die vom Solardach erzeugte Energie zu speichern, um das Haus jederzeit mit Strom zu versorgen. 

Zusammensetzungs­technisch besteht ein Solardach sowohl aus gläsernen Solarpaneelen als auch aus Stahl­dachziegeln. Die gläsernen Solarpaneele erzeugen Energie. Die architektonisch hochwertigen Stahlziegel sollen dem Dach Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit verleihen. 

Laut offiziellen Zahlen des Unternehmens hat das hauseigene Tesla‑Team von Energie‑Fachleuten fast 4 Gigawatt Solarleistung auf nahezu 480.000 Dächern installiert. Insgesamt erzeugen diese Dächer mehr als 25 TWh saubere Energie. 

Das System beinhaltet außerdem Tesla Solar‑Wechselrichter, um das System gut integriert, sicher, zuverlässig und ausfallsicher zu halten. Mit der Tesla‑App kann die Energieproduktion in Echtzeit überwacht werden. Es ist zudem möglich, das System von überall aus mit sofortigen Benachrichtigungen und Fernzugriff zu steuern. 

Im 3. Quartal 2023 verzeichnete Tesla einen Umsatz von mehr als US$21.4 billion. Die operative Marge lag bei 17,2 %. 

Gebäude und Energieeffizienz: Der Weg nach vorn

Globale Erwärmung und Klimawandel sind zivilisationelle Herausforderungen. Regierungen, Regulierungsbehörden, internationale Gremien und Unternehmen sind bestrebt, Lösungen zu entwickeln, die zu effizienten Energiemodulen führen. Neben spezialisierten Lösungen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, diese Probleme durch kleine, tägliche Änderungen an unseren Gebäudesystemen anzugehen. 

Das US Office of Energy Efficiency and Renewable Energy empfiehlt viele solcher Lösungen, wie das Hinzufügen von Dämmung, die Nutzung von LED‑Beleuchtung, die Installation von Wärmepumpen usw. 

Menschen, die in heißen und feuchten Klimazonen leben, können entfeuchtende Wärmerohrsysteme einsetzen, um die Luftfeuchtigkeit im Innenraum zu reduzieren und den Komfort zu verbessern. Die Minimierung von Energieverlusten in Luftkanälen ist ein weiterer Weg, um Energieeffizienz zu fördern. Das Isolieren und luftdichte Abdichten der Kanäle kann dabei hilfreich sein. 

Für effiziente Warmwasserbereitung in Gebäuden können energieeffiziente Lösungen wie Durchlauferhitzer, indirekte Warmwasserbereiter, Solar‑Warmwasseranlagen usw. in Betracht gezogen werden. Die Einführung von Prozessen wie der Rückgewinnung von Abwasserwärme kann ebenfalls nützlich sein. 

Es gibt zahlreiche Vorteile, den Heiz‑/Kühlenergieverbrauch zu senken. Es geht nicht nur um Kosteneinsparungen. Es hat größere gesellschaftliche Vorteile. Sie tragen zur Resilienz von Gemeinschaften bei und schaffen ein energieeffizientes und gerechtes System. In jeder Region gibt es benachteiligte Gemeinschaften, die auf kostengünstige Technologien und Infrastruktur angewiesen sind, um einen ununterbrochenen Energiefluss zu erhalten. 

Energieeffiziente Systeme führen zudem zu weniger Luftverschmutzung, was der allgemeinen Gesundheit einer Gemeinschaft zugutekommt. Weniger Verbrennung fossiler Brennstoffe ist zudem vorteilhaft für unser Ökosystem, die Pflanzen und Tiere in unserer Umgebung. 

Ihr Nutzen für die Infrastruktur‑Wirtschaft eines Landes ist ebenfalls bedeutend. Effiziente Energiesysteme entlasten das Stromnetz, reduzieren Engpässe und die Belastung der Stromverteilung zu jedem Zeitpunkt. 

Die Vorteile sind so weitreichend und umfassend, dass wir in Zukunft mehr Lösungen wie adaptive Dachziegel benötigen. Es ist definitiv ein ermutigender Meilenstein auf dem Weg zu Effizienz und Nachhaltigkeit. 

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