Новая недорогая “оптожидкостная” система, разработанная исследователями Университета Торонто и вдохновленная морскими обитателями, такими как рыбы, крабы и криль, может помочь зданиям экономить энергию за счет динамического изменения внешнего вида.
В то время как здания в настоящее время полагаются на механические системы, такие как отопление и кондиционирование воздуха, для поддержания комфортной температуры в помещении, исследователи отмечают, что многие животные регулируют передачу энергии непосредственно на поверхности, то есть на своей коже.
Криль – морские организмы, похожие на креветок, которые в огромных количествах обитают в определенных районах океана, — прозрачны, а это значит, что ультрафиолетовое излучение может повредить их внутренние органы. В ответ на это они разработали систему динамического затенения, перемещающую пигментные гранулы внутри клеток под кожей, чтобы они темнели, когда на улице слишком ярко, и снова становились светлее, когда солнце исчезает.
Здания также имеют “оболочку”, состоящую из их внешних фасадов и окон. Но сегодня эти внешние слои в основном статичны и неизменны. В результате количество света и тепла, поступающих в здание, часто слишком велико или слишком мало, что вынуждает системы отопления, охлаждения и освещения работать интенсивнее, чем им пришлось бы в противном случае.
“В качестве простого примера представьте, что вы открываете жалюзи, когда вам нужно больше дневного света или солнечного тепла, и закрываете их, когда вам нужно меньше”, – говорит Кей – магистр, ведущий работу.
“Это действительно экономит энергию, но это грубая экономия. Чтобы воспользоваться всеми преимуществами, вам необходимо, чтобы такая система была автоматизирована и оптимизирована, чтобы сбалансировать целый ряд факторов в режиме реального времени, от изменений температуры, интенсивности солнечного света, угла и направления до меняющихся потребностей жильцов здания “.
Существуют некоторые современные технологии, которые могут начать достигать этого: добавление двигателей с компьютерным управлением к традиционным рулонным шторам или установка электрохромных окон, которые могут изменять свою непрозрачность в ответ на приложенное электрическое напряжение.
Но в целом Кей считает нынешний набор инструментов как слишком дорогостоящим, так и слишком ограниченным.
“Почти все эти системы дороги, требуют сложных производственных процедур или могут переключаться только между ограниченным диапазоном непрозрачности — например, от очень темного до слегка темного”, – говорит он. “Также трудно добиться тонких пространственных градаций, таких как затенение одной части оконного стекла, но не другой”.
В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Nature Communications, Кей, Хаттон и их исследовательская группа описывают новую парадигму, которая преодолевает эти ограничения. Прототип оптожидкостных элементов состоит из слоя минерального масла толщиной примерно в один миллиметр, зажатого между двумя прозрачными листами пластика, разработанного Чарли Катричом, аспирантом в области машиностроения.
Через трубку, подсоединенную к центру ячейки, исследователи могут вводить небольшое количество воды, содержащей пигмент или краситель. Впрыскивание этой водной “гостевой жидкости” создает ячейки похожие на цветок) которым можно управлять с помощью цифрового насоса, работающего в обоих направлениях. Добавление большего количества воды делает ячейки больше, в то время как удаление части воды делает его меньше.
Форма цветка может регулироваться расходом насоса: низкие скорости потока приводят к примерно круглому налету, в то время как более высокие приводят к сложным разветвлениям.
В дополнение к прототипам команда работала с Алстаном Якубицом, доцентом факультета архитектуры, ландшафта и дизайна Джона Х. Дэниелса, над созданием компьютерных моделей, которые моделировали, как полностью автоматизированная и оптимизированная система, использующая эти ячейки, будет сравниваться с системой, использующей моторизованные жалюзи или электрохромные окна.
“Мы обнаружили, что наша система может снизить потребление энергии, необходимой для отопления, охлаждения и освещения, до 30 процентов по сравнению с двумя другими вариантами”, – говорит Кей. “Основная причина этого заключается в том, что мы гораздо лучше контролируем степень и время солнечного затенения. Наша система аналогична открытию и закрытию сотен крошечных жалюзи в разных местах и в разное время по всему фасаду. Мы можем достичь всего этого с помощью простого, масштабируемого и недорогого потока жидкости”.
Команда также размышляет о художественных возможностях. Большие массивы ячеек могут действовать как пиксели, создавая оптожидкостные дисплеи, способные создавать произведения искусства в стиле пуантилизма. В своих моделях команда даже смоделировала образы Альберта Эйнштейна и Мэрилин Монро.
Хаттон надеется, что идея использования динамических фасадов для экономии энергии изменит разговоры как о дизайне зданий, так и об изменении климата.
Статья: Raphael Kay et al, Decapod-inspired pigment modulation for active building facades, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31527-6
Журнал: Nature Communications
Набираем группы для обучения: https://cyberkoalastudios.com/groups-all/
