Bio-inspirierte Oberflächen zur Verdunstungskühlung von Gebäudehüllen (BIOCOOL)

Abstract

Ausgangssituation/Motivation: Durch den Klimawandel und die Notwendigkeit zur Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs in Gebäuden und Vermeidung von Urban Heat Islands besteht der dringende Bedarf an der Weiterentwicklung passiver Kühltechniken, die den Energie-verbrauch reduzieren, die Umwelt und das Ökosystem unterstützen und ein zufriedenstellendes Maß an Komfort bieten. Die Verbesserung von Systemen direkter Verdunstungskühlung für Gebäudehüllen zielt auf verbesserte Effektivität zum Einsatz in gemäßigten Klimazonen ab. Bioinspiration hat sich in den letzten Jahrzehnten als Innovationsmethode für die Entwicklung nachhaltiger Lösungen für die gebaute Umwelt etabliert. Das Projekt BIOCOOL besteht aus einer Sondierung zur Übertragung von morphologischen Prinzipien aus der Biologie in formoptimierte keramische Ober-flächen zur Klimatisierung von Gebäudehüllen durchgeführt werden. In Laubbäumen bestimmen die Formen von Blättern die thermischen Eigenschaften und insbesondere die Effizienz von Verdunstung und somit Kühlung. Eine Ableitung dieses Phänomens bietet einen Anhaltspunkt zur Entwicklung optimierter Formen für Bauteile. • Die Einbindung in das System Gebäude, im besonderen Wasserkreislauf und Energiemanagement, und die Auswirkungen auf den Stadtraum auf Fußgänger- und Quartierebene werden in Konzepten und Simulationen untersucht. Die Gebäudehülle wird dabei als Energieträger und als aktives Element im Sinn von Eco-system Services interpretiert, und die Auswirkungen auf Stadtraum und Umwelt in mehrere Größen Skalen und Aspekten abgeschätzt. Die Studie wird von zwei akademischen Institutionen mit langjähriger Erfahrung im Energy Design und Bauphysik unter Einbindung von Studierenden durchgeführt. Die Marktnähe und Wirtschaftlichkeit der Innovation werden in Workshops mit Stakeholdern aus der Industrie sichergestellt. BIOCOOL bereitet den Weg für ein industrielles Forschungsprojekt, indem Daten über Proofof-Concept Prototypen, Experimente und Analysen zur Auswirkung der neuen Technologie aufbereitet werden. Inhalte und Zielsetzungen: Zielsetzung dieses Projektes ist es zu zeigen, dass auf der Basis der durchgeführten Grundlagenforschung und neuer Erkenntnisse über Formprinzipien mit Hilfe von parametrischem Design und Simulationen Paneele aus porösen Materialien mit 3-D Oberflächenstrukturen hergestellt werden können. Dieser Form-Funktionszusammenhang sowie der Einsatz von speziell angepassten keramischen Materialien mit definierter Porosität und Mikrostruktur kann die Verdunstungseffizienz der Elemente im Vergleich zu konventionellen Technologien erhöhen. Die Performance der installierten Prototypen hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften wurde untersucht, vergleichend evaluiert, und nachhaltige Low-Tech Konzepte zur Systemintegration entworfen. Methodische Vorgehensweise: Nach einer extensiven Materialstudie wird ein Set von mehreren Platten erstellt, die digital formoptimiert werden. Ein Proof-of-Concept Mockup im Außenraum dient zur Datenerstellung, die analysiert wurde. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Es konnte die Wirksamkeit von keramischen Paneelen mit unterschiedlicher Farbgebung und 3-d Oberflächen gezeigt werden. Es konnten Lösungsansätze demonstriert werden, die allerdings nur auf der Basis der Gestaltung von Baumaterialien unter der Voraussetzung sorgfältiger Bewässerung umsetzbar sind. Ausblick: Mit dem Projekt BIOCOOL wird aufgezeigt, dass passive Kühlung durch Verdunstung erreicht werden kann. Diese Sondierung ist nicht nur für den Gebäudebereich, sondern auch für andere Technologiebereiche interessant in denen Wärmetauscher eingesetzt werden können.

Background/Motivation: Due to climate change and the need to reduce overall energy demand in buildings and avoid urban heat islands, there is an urgent need for the further development of passive cooling techniques that reduce energy consumption, support the environment and ecosystem, and provide a satisfactory level of comfort. The improvement of direct evaporative cooling systems for building envelopes aims to improve effectiveness for use in temperate climate zones. Bioinspiration has established itself in recent decades as an innovation method for developing sustainable solutions for the built environment. The BIOCOOL project consists of an exploration of the transfer of morphological principles from biology to form-optimized ceramic surfaces for conditioning building envelopes. In deciduous trees, the shapes of leaves determine the thermal properties and particularly the efficiency of evaporation and thus cooling. Deriving from this phenomenon offers a starting point for the development of optimized shapes for building components. Integration into the building system, particularly the water cycle and energy management, and the impact on the urban space at pedestrian and neighborhood levels, are examined in concepts and simulations. The building envelope is interpreted as an energy carrier and an active element in terms of ecosystem services, and the impact on the urban space and environment is estimated at multiple scales and aspects. The study is conducted by two academic institutions with long-standing experience in energy design and building physics, involving students. The market proximity and economic viability of the innovation are ensured in workshops with industry stakeholders. BIOCOOL paves the way for an industrial research project by preparing data on proof-ofconcept prototypes, experiments, and analyses of the impact of the new technology. Content and objectives: The aim of this project is to demonstrate that based on the fundamental research and new insights into design principles, panels made of porous materials with 3D surface structures can be produced using parametric design and simulations. This form-function relationship and the use of specially adapted ceramic materials with defined porosity and microstructure can increase the evaporation efficiency of the elements compared to conventional technologies. The performance of the installed prototypes in terms of their thermal properties was investigated, comparatively evaluated, and sustainable low-tech concepts for system integration were designed. Methodological approach: After an extensive material study, a set of several plates is created, which are digitally optimized for shape. A proof-of-concept mockup in outdoor space is used to generate data that is then analyzed. Results and conclusions: The effectiveness of ceramic panels with different color and 3D surfaces could be demonstrated. Solution approaches could be demonstrated, but they are only feasible on the basis of the design of building materials, assuming careful irrigation. Outlook: The BIOCOOL project demonstrates that passive cooling can be achieved through evaporation. This exploration is not only interesting for the building sector but also for other technology areas in which heat exchangers can be used.