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

Eine 2023 veröffentlichte Marktprognose erwartete, dass der globale Dachmarkt bis 2033 rund 140 Milliarden US-Dollar erreichen könnte, ausgehend von fast 82 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023. Wohn- und Gewerbegebäude benötigen geeignete Dachlösungen, die regelmäßig erneuert werden müssen. Eine im damaligen Marktüberblick genannte Schätzung bezifferte den Anteil von Dachsanierungen auf 94 Prozent. Der Geltungsbereich dieser Zahl ist zu beachten; sie lässt sich nicht ohne Weiteres auf sämtliche Dachprojekte in Nordamerika übertragen.

Das Ersetzen alter Dächer dreht sich oft darum, sie umweltfreundlich und energieeffizient zu machen. Kühldächer reflektieren Sonnenstrahlung und senken die Dachtemperatur. Als mögliches Einsparbeispiel wurden 0,50 US-Dollar je Quadratfuß genannt. Die tatsächliche Einsparung hängt unter anderem von Klima, Dämmung und Gebäude ab; ohne einen Bezugszeitraum ist die Zahl kein allgemeiner jährlicher Sparbetrag.

Eine ältere Prognose für den globalen Kühldachmarkt rechnete mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 5,7 Prozent bis 2025. Dies war eine Prognose, kein nachgewiesenes Wachstumsergebnis. Reflektierende Materialien wie weiße Membranen oder Beschichtungen können bei entsprechender Sonneneinstrahlung deutlich kühlere Oberflächen haben als dunkle Dächer; eine Temperaturdifferenz von 50 Grad Fahrenheit entspricht etwa 28 Grad Celsius.

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 reagieren auf Temperatur und können den Heiz- und Kühlenergiebedarf senken

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

Die Forscher Charlie Xiao, Elliot Hawkes und Bolin Liao untersuchten, wie sich der Energiebedarf für Heizung und Kühlung und damit der Einsatz fossiler Brennstoffe in Gebäuden senken ließe.

Die adaptiven Ziegel besitzen einen passiven Strahlungsschalter, der innerhalb einer Temperaturspanne von weniger als 3 °C zwischen zwei Zuständen wechseln kann. Im Außenversuch bei konstant gehaltener Temperatur verringerte das Gerät den Energieaufwand für Kühlung um den Faktor 3,1 und für Heizung um den Faktor 2,6 gegenüber den jeweiligen nicht umschaltenden Vergleichsgeräten. Dies sind Versuchsergebnisse am Prototyp, keine garantierten Einsparfaktoren für ein vollständiges Gebäude.

Der passive Schalter ist quadratisch und hat eine Seitenlänge von vier Zoll, also etwa 10,2 Zentimetern. Bewegliche Lamellen verändern seine Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe abhängig von der Temperatur.

Laut Forscher Charlie Xiao:

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

Die Forscher legten eine Zieltemperatur der Ziegel von 65 °F, also etwa 18 °C, zugrunde.

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. 

Heizung und Kühlung machen einen großen Teil des Gebäudeenergiebedarfs aus

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. 

Nach dem Forschungsbericht entfällt ungefähr die Hälfte des Energieverbrauchs eines durchschnittlichen US-Gebäudes auf Heizung und Kühlung. Eine effizientere Temperierung kann daher viel bewirken. Die globale Erwärmung erhöht vielerorts den Kühlbedarf, während in zahlreichen Regionen weiterhin erheblicher Heizbedarf besteht.

Herkömmliche Kühldächer, etwa reflektierende Beschichtungen, Membranen, Schindeln oder Ziegel, reflektieren Sonnenlicht und geben Wärme als Infrarotstrahlung ab. In kalten Jahreszeiten kann diese zusätzliche Wärmeabgabe den Heizbedarf erhöhen. Ob ein solches Dach insgesamt Energie spart, hängt daher vom Klima und vom Gebäude ab.

Ein Material, das seine Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe selbsttätig an die Temperatur anpasst, könnte diesen Zielkonflikt verringern. Der Umschaltmechanismus benötigt keinen Strom; daraus folgt jedoch nicht, dass das gesamte Gebäude ohne Heizung oder Klimaanlage 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. 

Das Design lässt sich durch die Wahl des Phasenwechselmaterials auf unterschiedliche Schalttemperaturen abstimmen. Andere Oberflächenbeschichtungen könnten zudem die Strahlungskühlung, die Wärmeaufnahme im Heizzustand und die Haltbarkeit verbessern.

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. 

Auch diese Beschichtung benötigt für ihren eigenen Betrieb weder Erdgas noch Strom. Sie ersetzt damit nicht automatisch sämtliche Heiz- und Kühlanlagen des Hauses.

Laut Junqiao Wu:

„Unsere Ganzjahres-Dachbeschichtung wechselt abhängig von der Außentemperatur automatisch zwischen Kühlhalten und Warmhalten.“ Wu beschrieb damit die passive Wärmeregulierung des Materials, nicht eine unbegrenzt leistungsfähige Heizung oder Klimaanlage.

Dafür entwickelten die Wissenschaftler eine temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung, kurz TARC. Sie reduziert bei kühleren Bedingungen die thermische Abstrahlung, um unerwünschten Wärmeverlust zu begrenzen.

Simulationen für verschiedene US-Klimazonen ergaben als mögliches Einsparpotenzial eines durchschnittlichen Haushalts bis zu zehn Prozent seines Stromverbrauchs. Das ist eine modellierte Möglichkeit und keine garantierte Einsparung für jedes Haus. Die Beschichtung reflektiert ganzjährig etwa 75 Prozent des Sonnenlichts. Oberhalb von etwa 25 °C erreicht ihr thermischer Emissionsgrad ungefähr 90 Prozent; bei kühleren Bedingungen fällt er ab.

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 bezeichnet sich als großen gewerblichen Dachanbieter in Atlanta und als einen der führenden Anbieter Nordamerikas. Nach Unternehmensangaben beschäftigt es zertifizierte Fachkräfte für Gründächer und bietet auch Solardächer an. Solche Anlagen können unter geeigneten Standort- und Verbrauchsbedingungen mehr als 25 Prozent des Energiebedarfs eines Gebäudes decken. Zum Angebot gehört außerdem eine Dachdämmung aus Polyisocyanurat, die bei fachgerechter Ausführung Heiz- und Kühlenergie in Gewerbe- und Industriegebäuden einsparen kann.

Gegründet im Jahr 2005, ist Whitco Roofing ein privat gehaltenes Unternehmen 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 gewerbliche Heizung energieeffizient zu gestalten, bietet Grundfos Umlaufpumpen, Mischschleifen, verteilte Pumpenlösungen, Booster‑Sets, Inline‑Einphasenpumpen, Hydro‑Booster und vieles mehr an. Für energieeffiziente Heizung in Wohngebäuden verwendet Grundfos hauptsächlich Umlaufpumpen. 

Im Geschäftsjahr 2022 verzeichnete Grundfos einen Nettoumsatz von 33,3 Milliarden dänischen Kronen (2021: 28,7 Milliarden). Der Umsatz stieg gegenüber 2021 in lokalen Währungen um 12,1 Prozent. Die Umsatzrendite erhöhte sich von 11,4 auf 11,8 Prozent.

3. Tesla Solar Roof

Ein Tesla (TSLA )Solar Roof kann mit dem Hausbatteriesystem Powerwall kombiniert werden. Solardachziegel erzeugen Strom, den die Batterie für einen späteren Verbrauch oder die Versorgung bei Netzausfällen speichern kann. Die beschränkte Dachgarantie läuft unter den jeweiligen Bedingungen bis zu 25 Jahre. Die Dauer einer Ersatzstromversorgung hängt unter anderem vom Ladezustand, der Batteriegröße, den angeschlossenen Lasten und der verfügbaren Solarproduktion ab; eine unbegrenzte Versorgung rund um die Uhr ist damit nicht garantiert.

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. 

Die damals genannten Unternehmenszahlen von fast vier Gigawatt installierter Solarleistung auf nahezu 480.000 Dächern und mehr als 25 Terawattstunden erzeugter Energie bezogen sich auf Teslas Solarinstallationen insgesamt. Sie sind historische Angaben und dürfen nicht allein dem Produkt Solar Roof zugerechnet oder als aktueller Installationsstand verstanden werden.

Zum System gehört ein Wechselrichter. Über die Tesla-App lassen sich unter anderem die Energieproduktion und der Speicherzustand überwachen sowie Benachrichtigungen und verfügbare Fernsteuerungsfunktionen nutzen.

Im dritten Quartal 2023 erzielte Tesla einen Umsatz von 23,35 Milliarden US-Dollar und eine operative Marge von 7,6 Prozent. Die zuvor genannten Werte von rund 21,4 Milliarden US-Dollar und 17,2 Prozent gehörten zum dritten Quartal 2022.

Gebäude und Energieeffizienz: Der Weg nach vorn

Globale Erwärmung und Klimawandel stellen Gesellschaften vor große Herausforderungen. Regierungen, Behörden, internationale Organisationen und Unternehmen arbeiten an einem effizienteren Energieeinsatz. Neben neuen Technologien helfen auch Verbesserungen bestehender Gebäudesysteme.

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 eine effizientere Warmwasserbereitung kommen je nach Gebäude Durchlauferhitzer, indirekt beheizte Speicher oder solarthermische Anlagen infrage. Auch die Rückgewinnung von Wärme aus Abwasser kann Energie sparen.

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. 

Auch die Energieinfrastruktur kann profitieren: Ein geringerer Verbrauch und eine gezielte Senkung von Lastspitzen entlasten das Stromnetz und können Engpässe verringern.

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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