Poröse Zementfliesen kühlen Gebäude passiv

Eine neue Materialentwicklung der University of Pennsylvania nutzt Verdunstungskälte für die passive Gebäudekühlung. Poröse Zementfliesen speichern Wasser in einem gezielt erzeugten Rissnetzwerk und können die Temperatur unter kontrollierten Bedingungen deutlich senken.

Steigende Temperaturen erhöhen den Kühlbedarf von Gebäuden und damit den Energieaufwand für die Gebäudetechnik. Eine Forschungsgruppe der University of Pennsylvania untersucht deshalb einen Ansatz, der ohne Ventilatoren, Kompressoren oder komplexe bewegliche Bauteile auskommt: Eine poröse Zementfliese nimmt Wasser auf, verteilt es über ein gezielt erzeugtes Rissnetzwerk und gibt es anschließend durch Verdunstung wieder ab. Das Prinzip ist von der Haut afrikanischer Elefanten inspiriert.

Von der Elefantenhaut zum Fassadenmaterial

Afrikanische Elefanten nutzen die Struktur ihrer Haut zur Thermoregulation. Falten und Risse können Wasser aufnehmen und über längere Zeit an der Oberfläche halten. Bei der Verdunstung wird der Umgebung Wärme entzogen. Genau diesen physikalischen Effekt der Verdunstungskälte überträgt das Forschungsteam auf die Gebäudehülle.

Für das neue Material kombinieren die Forschenden Portlandzement mit Kieselgur, auch Diatomeenerde genannt. Dabei handelt es sich um ein poröses Sediment aus den Schalen fossiler Kieselalgen. Die feinen Poren der Kieselgur können Wasser schnell aufnehmen und speichern. Gleichzeitig entsteht beim kontrollierten Trocknen des Materials ein Rissnetzwerk, das nicht allein als Materialschaden betrachtet wird, sondern gezielt für den Wassertransport genutzt wird.

Damit unterscheidet sich das Konzept von einer herkömmlichen mineralischen Fassadenoberfläche. Auf einer wenig saugfähigen Oberfläche kann ein Wassertropfen abperlen oder unmittelbar ablaufen. Bei der entwickelten Fliese wird das Wasser dagegen durch Poren und Risse aufgenommen und über die Oberfläche verteilt. Die Risse übernehmen dabei die Funktion kapillarer Transportwege.

Gezielte Risse steuern den Wassertransport

Ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung ist die kontrollierte Geometrie des Rissnetzwerks. Die Forschenden erzeugen durch eine gezielte Materialzusammensetzung und Trocknung definierte Rissmuster. Zusätzlich lassen sich durch geometrische Strukturen bestimmte Bereiche als Spannungskonzentratoren nutzen. Auf diese Weise entstehen beispielsweise hexagonale Muster, die das Wasser nicht nur aufnehmen, sondern auch seitlich über die Fliese verteilen.

Das ist insbesondere für geneigte Flächen relevant. Wasser würde auf einer Dach- oder Fassadenfläche normalerweise aufgrund der Schwerkraft nach unten ablaufen. Das entwickelte Netzwerk kann dagegen den Wassertransport in verschiedene Richtungen unterstützen und den Abfluss verzögern. Die poröse Matrix nimmt dabei zusätzlich Wasser auf.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Wasseraufnahme innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgt. Die hohe Porosität der verwendeten Kieselgur unterstützt die kapillare Aufnahme, während die Rissstrukturen als größere Transportwege dienen. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel beider Strukturen: Die Poren speichern Wasser, die Risse verteilen es.

Verdunstung als passive Kühlung

Die Kühlwirkung beruht auf einem bekannten bauphysikalischen Prinzip. Beim Übergang von flüssigem Wasser zu Wasserdampf wird Verdampfungswärme benötigt. Diese Energie wird der unmittelbaren Umgebung entzogen. Eine feuchte Oberfläche kann dadurch deutlich kühler sein als eine trockene Oberfläche, sofern die Umgebungsbedingungen eine ausreichende Verdunstung ermöglichen.

Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem von Temperatur und relativer Luftfeuchte ab. Besonders bei trockener Luft kann die Verdunstung erhebliche Mengen Wärme abführen. Bei hoher Luftfeuchtigkeit nimmt dagegen die Fähigkeit der Luft ab, zusätzlichen Wasserdampf aufzunehmen. Die Kühlleistung eines solchen Fassadensystems ist deshalb nicht unabhängig vom Standort und vom Wetter.

Auch die Forschungsgruppe weist darauf hin, dass die absoluten Kühlwerte von den Umgebungsbedingungen abhängen. Die Versuche wurden unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt, um verschiedene Rissgeometrien miteinander vergleichen zu können.

Deutliche Temperaturunterschiede im Modellversuch

Für einen Demonstrationsversuch bauten die Forschenden ein maßstäbliches Modellhaus mit einer geneigten Dachfläche. Die entwickelten Fliesen wurden mit zwei Varianten herkömmlichen zementbasierten Putzes verglichen. Alle Materialien erhielten vergleichbare Wassermengen und wurden einer definierten Wärmestrahlung ausgesetzt.

Unter diesen Bedingungen blieb die Temperatur unter den porösen Zementfliesen über mehrere Bewässerungszyklen bei etwa 32 °C. Unter gerissenem kommerziellem Putz wurden etwa 42 °C gemessen, bei einer ungerissenen Variante etwa 52 °C. Der Unterschied betrug damit im Versuchsaufbau rund 10 beziehungsweise 20 Kelvin.

Die Ergebnisse zeigen vor allem einen Unterschied in der Dauer der Kühlwirkung. Bei einer herkömmlichen Putzoberfläche kann das aufgebrachte Wasser schnell ablaufen oder kurzfristig verdunsten. Das entwickelte Material hält einen größeren Teil des Wassers zurück und ermöglicht dadurch eine länger anhaltende Verdunstung. Für bestimmte Fliesengeometrien konnte eine Kühlwirkung über einen Zeitraum von bis zu etwa 20 Stunden beobachtet werden.

Die Ergebnisse sind allerdings noch kein Nachweis dafür, dass sich reale Gebäude unter allen klimatischen Bedingungen um 10 oder 20 °C abkühlen lassen. Die Untersuchung fand im Labor und an einem maßstäblichen Modell statt. Für eine Anwendung an Gebäuden müssten unter anderem die tatsächliche Fassadenfläche, die Ausrichtung, die klimatischen Bedingungen, die Wasserversorgung sowie die thermischen Eigenschaften des gesamten Wand- oder Dachaufbaus berücksichtigt werden.

Interessant für die Gebäudehülle

Aus ingenieurtechnischer Sicht liegt die Bedeutung des Ansatzes deshalb weniger in einer einzelnen Temperaturangabe als in der Kombination mehrerer Funktionen innerhalb eines Materials. Die Gebäudehülle übernimmt nicht nur die Abgrenzung zwischen Innen- und Außenraum, sondern wird selbst zu einem Bestandteil der thermischen Regelung.

Das Prinzip steht damit in einer Reihe von Ansätzen, die passive oder adaptive Gebäudekonzepte untersuchen. Dazu gehören beispielsweise Verschattung, natürliche Lüftung, speicherfähige Bauteile, reflektierende Oberflächen oder Systeme zur Verdunstungskühlung. Auch andere Fassadenkonzepte nutzen bereits poröse Materialien und Wasser für die Kühlung. Die Penn-Forschung setzt dabei insbesondere auf die kontrollierte Kombination aus Porosität und Rissgeometrie.

Für die praktische Anwendung stellen sich damit zahlreiche konstruktive Fragen. Dazu gehören die Dauerhaftigkeit bei wiederholten Nass-Trocken-Zyklen, Frostbeanspruchung, Verschmutzung und biologische Besiedlung ebenso wie die mechanische Belastbarkeit der Fliesen. Hinzu kommen Fragen der Befestigung, der Wartung und der Integration in bestehende Fassaden- und Dachsysteme.

Auch der Wasserbedarf muss betrachtet werden. Eine passive Kühlung ist nicht automatisch ressourcenschonend, wenn dafür dauerhaft Trinkwasser eingesetzt werden muss. Die Forschenden denken deshalb über eine bedarfsgerechte Bewässerung nach, die beispielsweise Wetterdaten und den aktuellen Kühlbedarf berücksichtigt. Regenwasser oder andere geeignete Wasserquellen könnten dabei grundsätzlich eine Rolle spielen. Welche Lösungen technisch, hygienisch und wirtschaftlich sinnvoll sind, wäre jedoch Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Vom Labor zur skalierbaren Anwendung

Die Forschungsgruppe sieht einen Vorteil des Ansatzes darin, dass die verwendeten Ausgangsmaterialien vergleichsweise einfach verfügbar sind und die Materialstruktur auf größere Flächen übertragen werden könnte. Die Studie untersucht bereits Fliesen im Maßstab von etwa 100 × 100 Millimetern sowie einen größeren Modellaufbau.

Für die Übertragung auf reale Gebäude reicht eine Skalierung der Fliesenfläche allein jedoch nicht aus. Entscheidend wäre das Zusammenspiel mit dem gesamten bauphysikalischen Aufbau. Die Verdunstung findet an der Außenoberfläche statt, während die tatsächliche Innenraumtemperatur unter anderem von Wärmedämmung, Speichermasse, solaren Einträgen, Fensterflächen und Lüftung abhängt. Die Kühlwirkung einer Fassade lässt sich daher nicht unmittelbar mit der Temperatur der Materialoberfläche gleichsetzen.

Die nächsten Entwicklungsschritte liegen entsprechend in der Erprobung unter realen Witterungsbedingungen. Dabei dürften insbesondere Langzeitverhalten, Wasserverbrauch, Verschmutzung, Frost-Tau-Wechsel und die Kombination mit bestehenden Fassadensystemen relevant werden. Die aktuelle Arbeit liefert dafür zunächst einen materialtechnischen Ansatz und einen experimentellen Nachweis der Funktionsweise.

Quelle: https://kurzlinks.de/pqio