Kann das Material eines Daches die Außenluft kühlen und den Energiebedarf senken?

Die Forscher untersuchten drei verschiedene Arten von Dachstrategien und ihre Auswirkungen auf die oberflächennahe Temperatur und den Kühlenergiebedarf durch regionale Modellierung im Raum Chicago.

Betongehwege, schwarze Asphaltstraßen, Verkehr, Ziegel- und Stahlgebäude. Diese gemeinsamen Stadtelemente können Wärme speichern und die Temperaturen erhöhen, was als städtischer Wärmeinseleffekt bezeichnet wird.

Da die Temperaturen in den Sommermonaten immer wärmer werden, müssen Großstädte wie Chicago Entscheidungsträger und Gemeinden mit Informationen über Strategien ausstatten, um ihre Bewohner kühl zu halten. Eine Strategie beinhaltet etwas, das alle Gebäude bereits haben: ein Dach. Bestimmte Dachmaterialien können dazu beitragen, die umgebende Außenluft zu kühlen und den Bedarf an Klimaanlagen (AC) zu verringern.

Um zu verstehen, wie sich das Klima auf städtische Gemeinden auswirkt, untersuchten Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) drei verschiedene Arten von Dachstrategien und ihre Auswirkungen auf die oberflächennahe Temperatur und den Kühlenergiebedarf durch regionale Modellierung im Großraum Chicago .

„Wir haben uns entschieden, unser Modell während eines Hitzewellenereignisses laufen zu lassen – bei dem die Temperaturen das 95. Perzentil überschreiten, das in einer Stadt an drei aufeinanderfolgenden Tagen beobachtet wird – und nicht bei durchschnittlichen Sommertemperaturen, damit wir den potenziellen Nutzen maximieren können“, sagte Rao Kotamarthi, wissenschaftlicher Direktor von Argonne’s Center for Climate Resilience and Decision Science (CCRDS) und Autor der Studie.

Das Team führte ein regionales Klimamodell durch, das den Großraum Chicago und drei Arten von Dächern simulierte: kühle Dächer (in wärmereflektierendem Weiß gestrichen), grüne Dächer (Vegetation) und Solarpaneele.

„Die Kosten zwischen den Dächern betragen ungefähr den Faktor 3. Welche Option ist die kostengünstigste, um den größten Nutzen zu erzielen? Wenn sich eine Community für eine Strategie entscheidet, können wir uns das Modell ansehen und ihr eine konkrete Antwort geben.“ — Rao Kotamarthi, wissenschaftlicher Direktor des CCRDS

Sie fanden heraus, dass die drei Dachtypen die oberflächennahe Temperatur und den AC-Verbrauchsbedarf während der Tagesstunden, wenn die Lufttemperatur am höchsten ist, reduzierten. Coole Dächer senkte die oberflächennahe Temperatur um 1,5 Grad Celsius, gefolgt von 1,2 Grad für Gründächer und 0,6 Grad für Solardächer im gesamten Raum Chicago.

Da alle Dacheindeckungsstrategien Kühleffekte bieten, reduzieren sie den Wechselstromverbrauch. Kühldächer reduzierten den Wechselstrom-Energieverbrauch am stärksten, gefolgt von Gründächern und Solardächern. Der Energiebedarf reduzierte sich nachweislich um 16,6 %, 14,0 % bzw. 7,6 %, wenn Kühldächer, Gründächer und Solardächer eingesetzt werden.

Insgesamt zeigte der großflächige Einsatz von Kühldächern das beste Potenzial für Kühleffekte und Kühlenergieeinsparungen. Sie kosten weniger als die beiden anderen Technologien und benötigen kein zusätzliches Wasser. Allerdings sind sie bei der Bewältigung von Regenwasserlasten nicht hilfreich, wie dies bei Gründächern möglich ist. Interessengruppen können die Ergebnisse der Studie nutzen, um nachhaltige Entwicklungsansätze zu unterstützen, den Kühlenergiebedarf im Sommer zu senken und langfristig dazu beizutragen, die Treibhausgasemissionen in der Region Chicago zu minimieren.

Diese Arbeit wurde im Rahmen der durchgeführt Gemeinschaftsforschung zu Klima- und Stadtwissenschaften (CROCUS) Städtisches integriertes Feldlabor. CROCUS wird von Argonne in Zusammenarbeit mit akademischen und kommunalen Organisationen sowie Bürger- und Branchenvertretern geleitet. CROCUS konzentriert sich auf die Region Chicago und untersucht den städtischen Klimawandel und seine Auswirkungen auf die Umweltgerechtigkeit.

Der Tageszyklus der Einwirkungen verschiedener Dächer. Einheiten sind in Grad Celsius. (Bild vom Argonne National Laboratory.)

Die Ergebnisse dieser Basisstudie werden CROCUS-Gemeinden dabei helfen, Abhilfemaßnahmen zu planen und zu testen. Die Forscher werden eng mit CROCUS-Gemeinschaftsorganisationen und -Mitgliedern zusammenarbeiten.

„Der Kostenunterschied zwischen den Dächern beträgt ungefähr den Faktor drei“, sagte Kotamarthi, der auch wissenschaftlicher Direktor von CROCUS ist. ​„Welche Option ist die kostengünstigste, um den größten Nutzen zu erzielen? Wenn sich eine Community für eine Strategie entscheidet, können wir uns das Modell ansehen und ihr eine konkrete Antwort geben.“

Und die Ergebnisse sind ein guter Ausgangspunkt für das, was die Forscher als nächstes erreichen wollen: ein Modell im städtischen und globalen Maßstab für jede der Dachoptionen. Aber wie integriert man ein Gründach in ein Computermodell? Zunächst werden Forscher daran arbeiten, Gründächer besser zu verstehen, indem sie Messungen auf Oberflächen- und Gebäudeebene durchführen, um die Darstellung eines Gründachs zu verbessern.

„Wir haben nur sehr wenige Messungen für Gründächer“, sagte Kotamarthi. ​„Wir müssen messen, wie viel Energie hineingeht, wie viel herauskommt, wie viel Wasser es benötigt und wie schnell es es speichert.“ Wir benötigen diese Messungen, um ein umfassendes Verständnis des Prozesses zu erhalten, damit wir Berechnungen und Modelle verfeinern können.“

Forscher werden die Dächer von CROCUS-Partnern im gesamten Stadtgebiet vermessen. Beispielsweise verfügt die Northeastern Illinois University über beide Dachtypen, während andere Partnergebäude über Solarpaneele verfügen.

Schließlich wollen die Forscher die Auflösung des Modells bis hin zum Straßenmaßstab verbessern. Kotamarthi erklärte, dass ihnen dies dabei helfen werde, den Unterschied zwischen Häusern und Straßen zu erkennen, was wichtig sei, weil es dabei helfen werde, Fragen zu beantworten wie etwa: Wenn ein Baum gepflanzt wird, wie stark kühlt er dann das nahegelegene Gebäude und den Bürgersteig?

Die Forschung des Teams verwendet Supercomputing Ressourcen der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) und des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). ALCF und NERSC sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science am Argonne bzw. Lawrence Berkeley National Laboratory.

Community Research on Climate and Urban Science (CROCUS) wird vom Programm „Office of Science, Biological and Environmental Research“ des DOE finanziert und untersucht den städtischen Klimawandel und seine Auswirkungen auf die Umweltgerechtigkeit in der Region Chicago. CROCUS ist eine Gemeinschaftsstudie, an der akademische, kommunale und zivilgesellschaftliche Partner beteiligt sind, darunter Argonne, Chicago State University, City Colleges of Chicago, North Carolina A&T State University, Northeastern Illinois University, Northwestern University, University of Chicago, University of Illinois Chicago, University of Illinois Urbana-Champaign, University of Notre Dame, University of Wisconsin-Madison, University of Texas-Austin und Washington University-St. Louis. CROCUS arbeitet außerdem mit dem Discovery Partners Institute in Chicago und mit CIEMAT in Spanien zusammen. Zu den Gemeinschaftsorganisationen von CROCUS gehören Blacks in Green, Greater Chatham Initiative, Puerto Rican Agenda und der Metropolitan Mayors Caucus.

Erfahren Sie mehr über CROCUS unter cro​cus​-urban​.org.

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Argonne National Laboratory. Von Marguerite Huber.

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