受海洋生物啟發的動態建筑立面可以降低供暖制冷和照明成本

由多倫多大學研究人員設計的一種新的低成本“光流體”系統——其靈感來自魚類、螃蟹和磷蝦等海洋生物——可以通過動態改變建筑物的外觀來幫助建筑物節省能源。

應用科學與工程學院材料科學與工程系的碩士生RaphaelKay說：“我認為將建筑物視為活的有機體并不過分地進行類比，”他由BenHatton教授指導。在同一個部門。

“就向內和向外的能量流動而言，它們具有新陳代謝。它們必須對不斷變化的環境條件做出反應，以保持舒適且功能良好的內部，”凱解釋道。

雖然建筑物目前依靠供暖和空調等機械系統來維持舒適的室內溫度，但Kay指出，許多動物直接在表面(即它們的皮膚)調節能量傳遞。

磷蝦——在海洋某些區域大量繁殖的類似蝦的海洋生物——是透明的，這意味著紫外線會損害它們的內臟。作為回應，他們開發了一種動態遮光系統，在皮膚下的細胞內穿梭色素顆粒，在太亮時使自身變暗，并在太陽褪去時再次變亮。

建筑物也有一個由外立面和窗戶組成的“表皮”。但是今天，這些外層大多是靜態的和不變的。因此，進入建筑物的光量和熱量往往過高或過低，迫使供暖、制冷和照明系統比其他情況下更努力地工作。

“舉個簡單的例子，想象一下當你需要更多的日光或太陽熱時打開百葉窗，當你需要更少的時候關閉它們，”凱說。

“這確實節省了能源，但它非常粗糙。為了獲得全部好處，你需要這樣一個系統自動化和優化，以實時平衡一系列因素，包括溫度、太陽強度、角度和為建筑物居住者不斷變化的需求提供方向。”

目前有一些技術可以開始實現這一目標：在傳統卷簾上添加計算機控制的電機，或者安裝電致變色窗戶，它可以根據施加的電壓改變它們的不透明度。

但總的來說，Kay認為當前的工具集既太昂貴又太有限。

“幾乎所有這些系統都很昂貴，依賴于復雜的制造程序，或者只能在有限范圍的不透明度之間切換——例如，從非常暗到有點暗，”他說。“也很難實現精細的空間漸變，例如遮蔽窗玻璃的一部分而不是另一部分。”

在本月發表在NatureCommunications上的一篇論文中，Kay、Hatton和他們的研究團隊描述了一種克服這些限制的新范式。原型光流控細胞由一層約一毫米厚的礦物油組成，夾在兩層透明塑料片之間，由博士查理·卡特里茨(CharlieKatrycz)開發。機械工程專業的學生。

通過連接到細胞中心的管子，研究人員可以注入少量含有顏料或染料的水。注入這種水“客液”會產生一種顏色的綻放，可以通過雙向運行的數字泵進行控制。添加更多的水會使花朵變大，而去除一些水會使花朵變小。

綻放的形狀可以通過泵的流量來控制：低流量導致大致圓形的綻放，而較高的流量導致復雜的分支模式。

“我們對如何使用綠色、可持續化學物質的‘封閉流體’來改變材料特性感興趣，”哈頓說。“它非常通用：我們不僅可以控制每個細胞中水的大小和形狀，還可以調整水中染料的化學或光學性質。它可以是我們想要的任何顏色或不透明度。”

除了原型之外，該團隊還與約翰H.丹尼爾斯建筑、景觀與設計學院的助理教授AlstanJakubiec合作，構建計算機模型，模擬使用這些單元的全自動和優化系統與使用電動百葉窗或電致變色窗。

“我們發現，與其他兩個選項相比，我們的系統可以將加熱、冷卻和照明所需的能源減少多達30%，”Kay說。“這樣做的主要原因是我們對遮陽的范圍和時間有更好的控制。我們的系統類似于在立面的不同位置和時間打開和關閉數百個小百葉窗。我們可以通過簡單的方式實現這一切，可擴展且廉價的流體流動。”

該團隊還推測了藝術的可能性。大型細胞陣列可以像像素一樣發揮作用，創造出能夠產生點畫風格藝術品的光流控顯示器。在他們的模型中，該團隊甚至模擬了阿爾伯特愛因斯坦和瑪麗蓮夢露的圖像。

哈頓希望使用動態立面來節省能源的想法將改變圍繞建筑設計和氣候變化的對話。

“在發達國家，建筑物的排放量約占我們排放量的40%，比任何其他單獨部門都要多，”哈頓說。

“造成這種情況的部分原因是我們將建筑設計得不靈活。動態的、自適應的建筑可以降低我們必須克服的溫度和日光梯度，并可能節省大量能源。我們希望我們的貢獻能夠激發人們的想象。”