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受海洋生物启发的动态建筑外墙可以降低供暖、制冷和照明成本
2022年07月23日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

多伦多大学研究人员设计的新型低成本“光射流”系统鈥攁灵感来源于鱼类、螃蟹和磷虾等海洋生物鈥攃通过动态改变建筑外观,可以帮助建筑节约能源。

应用科学与工程学院材料科学与工程系的硕士生拉斐尔·凯(Raphael Kay)说:“我认为把建筑物视为活的有机体,这一类比并没有延伸太多。”拉斐尔·凯(Raphael Kay)是本·哈顿(Ben Hatton)教授在该系的导师。

Kay解释说:“它们有一个新陈代谢过程,即向内和向外的能量流。它们必须对不断变化的环境条件做出反应,以保持内部舒适且功能良好。”。

虽然建筑物目前依靠诸如供暖和空调等机械系统来维持舒适的室内温度,凯指出,许多动物直接在表面调节能量传递鈥攖帽子是,他们的皮肤。

磷虾鈥攕类hrimp的海洋生物,在海洋的某些区域大量繁殖鈥攁再透明,这意味着紫外线可以损害其内部器官。作为回应,他们开发了一种动态遮光系统,将色素颗粒穿梭在皮肤下方的细胞中,当光线太亮时,色素颗粒会变暗,当太阳逐渐暗淡时,色素颗粒会再次变亮。

建筑物也有一层“表皮”,由外墙和窗户组成。但今天,这些外层大多是静态的和不变的。因此,进入建筑物的光和热量通常过高或过低,迫使供暖、制冷和照明系统比其他系统更努力地工作。

“举个简单的例子,想象一下当你需要更多的日光或太阳能时打开百叶窗,当你需要更少的阳光或太阳能时关闭百叶窗,”凯说。

“这确实节省了能源,但它相当粗糙。为了获得全部好处,你需要对这样一个系统进行自动化和优化,以实时平衡一系列因素,从温度、太阳能强度、角度和方向的变化到建筑物居住者不断变化的需求。”

目前有一些技术可以开始实现这一点:在传统卷帘上增加计算机控制的电机,或者安装电致变色窗口,这些窗口可以根据施加的电压改变其不透明度。

但总体而言,Kay认为当前的工具集既过于昂贵,又过于有限。

“几乎所有这些系统都很昂贵,依赖复杂的制造程序,或者只能在有限的不透明范围内切换鈥攆例如,从非常暗到只有一点暗,”他说也很难实现精细的空间渐变,例如着色窗格的一部分,但不着色另一部分。"

在本月发表在《自然通讯》上的一篇论文中,凯、哈顿和他们的研究团队描述了一种克服这些限制的新范式。原型光射流电池由一层约1毫米厚的矿物油组成,夹在两块透明塑料板之间,由机械工程博士Charlie Katrycz开发。

通过连接到细胞中心的管子,研究人员可以注入少量含有色素或染料的水。注入这种水“客液”会产生一种颜色,可以通过双向运行的数字泵进行控制。添加更多的水会使水华变大,而去除一些水会使水华变小。

水华的形状可以由泵的流速控制:低流速导致大致呈圆形的水华,而高流速导致复杂的分支模式。

哈顿说:“我们感兴趣的是如何利用绿色、可持续的化学物质的‘封闭流体’来改变材料的性质。”。“它用途广泛:我们不仅可以控制每个细胞中水的大小和形状,还可以调整水中染料的化学或光学性质。它可以是我们想要的任何颜色或不透明度。”

除了原型之外,该团队还与约翰·H·丹尼斯建筑、景观与设计学院助理教授阿尔斯坦·雅库比克(AlstanJakubiec)合作,建立了计算机模型,模拟使用这些电池的全自动优化系统与使用电动百叶窗或电致变色窗的系统相比的情况。

Kay说:“我们发现,与其他两种选择相比,我们的系统可以将加热、冷却和照明所需的能源减少多达30%。”。“这样做的主要原因是,我们对遮阳的范围和时间有更精细的控制。我们的系统类似于在一个房间的不同位置和时间打开和关闭数百个小百叶窗莽艾德。我们可以通过简单、可扩展和廉价的流体流动来实现这一切。"

该团队还对艺术可能性进行了推测。大量的细胞阵列可以像像素一样工作,创造出能够制作点画风格艺术品的光流体显示器。在他们的模型中,研究小组甚至模拟了阿尔伯特·爱因斯坦和玛丽莲·梦露的照片。

哈顿希望,利用动态外墙来节约能源的想法将改变围绕建筑设计和气候变化的对话。

哈顿说:“在发达国家,建筑对我们40%的排放量负有责任,这比任何其他单个部门都要多。”。

“部分原因是我们的建筑设计缺乏灵活性。动态、适应性的建筑可以减少我们必须克服的温度和日光梯度,并可能节省大量能源。我们希望我们的贡献能激发人们的想象力。”

标签:海洋化学行业资讯
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