Photonic Cooling - Effizientere Gebäudekühlung durch Nutzung von Photonik

In diesem Sondierungsprojekt wurde der Ansatz des Photonic Cooling zur Gebäudekühlung auf seine praktische und kosteneffiziente Umsetzbarkeit bewertet. Konkret wurden dabei kostengünstige photonische Oberflächen und Konzepte evaluiert, die einerseits eine große Reflexion der einfallenden Solarstrahlung (>97%) aufweisen und andererseits die Wärmeabstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 13 Mikrometer nicht behindern. Aufbauend auf diesen Anforderungen wurden verschiedene Konzepte zur Gebäudekühlung mittels Photonic Cooling erarbeitet, sowie Modellrechnungen zu möglich erzielbaren Kühlleistungen durchgeführt als auch deren Auswirkung auf das Stadtklima abgeleitet. Auf Basis von Mikroklimamodellierungen wurde zudem die Auswirkung eines derartigen Ansatzes zur Minimierung der Ausbildung von städtischen Wärmeinseln evaluiert. Ziel dieser Untersuchungen war eine verbesserte Abschätzung geben zu können, inwieweit und unter welchen Voraussetzungen ein Photonic Cooling Ansatz zur Gebäudekühlung sinnvoll eingesetzt und in weiterer Folge zu einer höheren Lebensqualität in Städten beitragen kann.

Ausgangssituation/Motivation

Bedingt durch den Klimawandel und durch die zunehmende Ausbildung von ausgeprägten Wärmeinseln im städtischen Bereich ist es zu erwarten, dass die Anzahl der Klimaanlagen zur Raumkühlung und damit der Stromverbrauch im Sommer in städtischen Gebieten steigen wird. Die von den Klimaanlagen zusätzlich generierte Abwärme, welche sich mit der vergrößerten Anzahl von Klimageräten entsprechend skaliert, lässt wiederum einen zusätzlichen unerwünschten Effekt auf das Mikroklima erwarten, der sich in weiterer Folge negativ auf die Gesundheit und die Lebensqualität der Menschen auswirken wird. In diesem Zusammenhang stellen innovative und energieeffiziente Kühlsysteme eine erstrebenswerte Zielsetzung dar.

Das Projekt „Photonic Cooling - Effizientere Gebäudekühlung durch Nutzung von Photonik" hatte in diesem Zusammenhang als Zielsetzung abzuklären, inwieweit die Technologie des Photonic Cooling zur Reduktion von Wärmeinseln im städtischen Bereich sowie zur Verminderung des Stromverbrauchs von Klimageräten beitragen kann.

Inhalte und Zielsetzungen

Beim Photonic Cooling Ansatz soll die Strahlungskühlung speziell an sonnigen und klaren Tagen zusätzlich genutzt werden. In der Regel scheitert das Konzept zur Nutzung der photonischen Strahlungskühlung tagsüber daran, dass mehr Wärmeleistung durch solare Einstrahlung und/oder durch die warme Umgebungsluft aufgenommen wird als mittels Wärmestrahlung abgegeben werden kann. Obwohl der grundlegende Ansatz schon über einen längeren Zeitraum verfolgt wurde, ist es, bedingt durch die ständige technologische Weiterentwicklung sowie durch den zunehmenden Erkenntnisgewinn über die Wirkung von optischen und photonischen Strukturen, erst kürzlich gelungen, eine nennenswerte Kühlleistung auch während des Tages zu realisieren.

Methodische Vorgehensweise

Für eine praktische Umsetzung des Photonic Cooling Ansatzes waren und sind allerdings noch viele Fragen offen. Zum einen ist es erforderlich, kostengünstige Materialien und Herstellungsverfahren für die zugrundeliegenden (photonischen) Beschichtungen zu finden, zum anderen mussten Konzepte erarbeitet werden, die eine Integration des Photonic Cooling-Ansatzes in ein Gebäude ermöglichen, ohne die dabei erreichbare Kühlleistung nennenswert zu verringern. Letztlich galt es nachzuweisen, dass ein derartiger Ansatz auch tatsächlich zu einer energieeffizienten Gebäudekühlung und zu einer Abnahme der Ausbildung von städtischen Wärmeinseln beitragen kann. All diese Themen adressierte das vorliegende Projekt und liefert damit erste Erklärungen hinsichtlich des Anwendungspotentials sowie über mögliche Ansätze für eine praktische Umsetzung und Implementierung des Photonic Cooling Konzeptes.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Quantifizierung des Einflusses von Klimaanlagenabwärme auf städtisches Mikroklima, Stromverbrauch und Treibhausgas (THG) Emissionen

Im Rahmen des Projektes wurde ein Zusammenhang zwischen der Abwärme von Klimaanlagen auf die lokale Temperaturzunahme in Städten hergestellt und der Einfluss dieser Wärmeabgabe auf das zukünftige Stadtklima untersucht. Basierend auf Messungen des Stromverbrauchs und den maximalen Kühlgradtagen für das Jahr 2009 – 2016 wurde ein Modell entwickelt,, und somit erstmals die Berechnung der Einfluss von Abwärme von Klimaanlagen auf das Stadtklima von Wien, sowie eine Prognose für die Situation im Jahr 2050, ermöglicht. Die Modellergebnisse deuten darauf hin, dass die benötigte elektrische Energie zur Gebäudekühlung von derzeit 22 GWh/Jahr auf 95 (33 - 189) GWh/Jahr bis zum Jahre 2050 ansteigen wird. Darüber hinaus wurden bestehende sozio-ökonomische Modelle zur Prognose des Energieverbrauchs durch Klimaanlagen in Städten weiterentwickelt.

Photonic Cooling

Im Bereich der Photonic Cooling Technologie wurden effiziente Funktionsmuster mit kostengünstigen, kommerziell verfügbaren Materialien realisiert und anschließend deren Wärmeabstrahlungsleistung experimentell bestimmt. Die günstigsten Ausführungsformen von Photonic Cooling wurden zum Patent angemeldet. Aus einer im Rahmen des Projektes durchgeführten SWOT Analyse lässt sich jedoch eine wesentliche Schlussfolgerung ziehen: Aus aktueller Perspektive bietet sich mittelfristig kein kommerzielles Verwertungspotential für Photonic Cooling.

Das ökonomische Potential von Photonic Cooling lässt sich nur langfristig in Kombination mit innovativen Kühlkonzepten erschließen. Eine Konsequenz aus dieser Schlussfolgerung ist, dass kein akuter Handlungsbedarf an weiterführenden Verwertungsaktivitäten besteht. Demnach ist das Verwertungspotential von Photonic Cooling ein langfristiges und diese

Technologie kann nur in Kombination mit Klimasystemen funktionieren, die sich von heutigen Standardlösungen deutlich unterschieden.

Einsatz von Photonik Cooling zur Gebäudekühlung/Energie-einsparung im Gebäude

Erstmals wurden verschiedene Einsatzszenarien von Photonic Cooling in der Gebäudetechnik analysiert und deren potentielle Energieersparnis bestimmt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der 4 Einsatzfälle, dass die bemerkenswert positiven Eigenschaften der Photonic-Kühltechnik grundsätzlich nur genutzt werden können, wenn deren Einsatz in Gebieten stattfindet, die an den meisten Tagen des Jahres einen wolkenfreien Himmel haben und zudem eine sehr geringe Luftfeuchtigkeit aufweisen. Der bisher erreichte Entwicklungsstand der Photonic-Kühlfläche müsste auch durch entsprechende Forschungsanstrengungen wesentlich gesteigert werden. Sowohl die derzeit erreichte Abkühlung als auch die spezifische Infrarotstrahlungsleistung müssten für einen sinnvollen Praxiseinsatz verbessert und das thermodynamische Verhalten der Photonic- Kühlplatten durch entsprechende Kennlinienfelder für eine Berechnung zugänglich gemacht werden.

Ausblick

Erstmals wurde das Potential von Photonic Cooling für eine Verbesserung des urbanen Mikroklimas untersucht. Die zunehmende Wärmeabgabe von Klimaanlagen und die daraus resultierende Zunahme der lokalen Stadttemperatur wurden auf Basis einer Abschätzung zur zukünftigen Verbreitung von Klimageräten und für zukünftig vorherrschende Stadttemperaturen ermittelt. Da der Einfluss der Wärmeabgabe von Klimaanlagen auf das Stadtklima auf Basis von vorliegenden Ergebnissen aus der Literatur untersucht wurde, können aus den in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnissen nur generelle Schlussfolgerungen über den Einfluss auf die erwarteten Maximaltemperaturen gezogen werden. Schlussfolgerungen auf den Ort der auftretenden Wärmeinseln oder eine lokal zuordenbare Temperaturzunahme würden außerdem eine ortsaufgelöste Klimamodellierung erfordern. Des Weiteren konnte hinsichtlich der Photonic Cooling Technologie kein kurz- bzw. mittelfristiges kommerzielles Verwertungspotential identifiziert werden.

Jedoch werfen die Projektergebnisse eine Reihe von interessanten weiterführenden Fragestellungen auf, die in zukünftigen F&E Projekten untersucht werden sollen. Diese Fragestellungen umfassen einerseits die Untersuchung des lokalen Wärmeinseleffektes durch Klimaanlagen auf einer kleineren Skala und alternative Städte (Bauweise). Weiters werden F&E Aktivitäten angestrebt, die die Realisierung und Charakterisierung von Photonic Cooling Funktionsmustern zum Ziel haben und gleichzeitig deren Integration in innovative Kühlsysteme vorantreiben.

Paper

• Estimating the daily peak and annual total electricity demand for cooling in Vienna, Austria by 2050 (Urban Climate Volume 28, June 2019)

Projektleitung

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

Dr Gerhard Peharz
Franz-Pichler-Strasse 30
Tel.: +43 (316) 876 3205
E-Mail: Gerhard.peharz@joanneum.at
Web: www.joanneum.at