将建筑立面变为“有机体”，可根据环境自行改变，降低供暖、制冷和照明成本

多伦多大学的研究人员受鱼类、螃蟹和磷虾等海洋生物的启发，设计了一种新的低成本“光流控”系统，可以通过动态改变建筑物的外观来节约能源。


“我不认为把建筑看作是有生命的有机体太过夸张了，就向内和向外的能量流动而言，它们有新陈代谢。他们必须对不断变化的环境条件做出反应，以保持舒适和良好的内部功能。”应用科学与工程学院材料科学与工程系的研究生拉斐尔·凯(Raphael Kay)说，他的导师是本·哈顿(Ben Hatton)教授。


目前的建筑依靠诸如暖气和空调这样的机械系统来维持舒适的室内温度，而许多动物直接在表面——也就是它们的皮肤——调节能量传递。



磷虾类海洋生物在海洋的某些区域大量繁殖，它们是透明的，这意味着紫外线会损害它们的内部器官。作为回应，他们开发了一种动态遮光系统，在皮肤下的细胞中穿梭着色素颗粒，在外面太亮的时候让自己变黑，在太阳变暗的时候又变亮。


建筑也有一个“皮肤”，包括它们的外立面和窗户。但今天，这些外层大多是静态的、不变的。因此，进入建筑物的光和热往往过高或过低，迫使供暖、制冷和照明系统比正常情况下更努力地工作。


举个简单的例子，想象一下，当你需要更多的日光或太阳热量时，你就打开百叶窗，当你需要更少的日光或太阳热量时，就关上百叶窗。


这确实节省了能源，但它相当粗糙。为了获得充分的效益，您需要这样一个系统是自动化的，并进行优化，以实时平衡一系列因素，从温度、太阳强度、角度和方向的变化，到建筑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的滚动百叶窗上安装计算机控制的电机，或者安装电致变色窗户，可以根据施加的电压改变其不透明度。


但总的来说，Kay认为目前的工具既太昂贵，也太有限。


他说“几乎所有这些系统都很昂贵，依赖于复杂的制造过程，或者只能在有限的不透明度范围内切换——例如，从非常暗到稍微暗。也很难实现精细的空间层次，比如遮光窗格的一部分，而不是另一部分。”



在本月《自然通讯》上发表的一篇论文中，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。这个原型光流控电池由一层大约一毫米厚的矿物油组成，夹在两片透明的塑料片之间，由机械工程博士生查理·卡特里兹(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”会产生颜色的变化，这种变化可以通过一个双向运行的数字泵来控制。添加更多的水会使花开得更大，而去除一些水会使花开得更小。


水花的形状可以由泵的流量控制低流量导致一个大致圆形的水花，而高流量导致复杂的分支模式。


哈顿说“我们感兴趣的是如何用绿色、可持续的化学物质‘密闭流体’来改变材料的性质。这是非常多功能的我们不仅可以控制每个细胞中水的大小和形状，我们还可以调节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。”


除了这些原型之外，该团队还与约翰h丹尼尔斯建筑、景观和设计学院的助理教授阿尔斯坦·雅库比克(Alstan Jakubiec)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色窗的系统的对比。


凯说“我们发现，与其他两种选择相比，我们的系统可以减少加热、冷却和照明所需的能源多达30%。主要原因是我们可以更好地控制遮阳的程度和时间。我们的系统类似于在façade上不同的位置和时间打开和关闭数百个微型百叶窗。我们可以通过简单、可伸缩和廉价的流体流动实现这一切。”


该团队还对艺术的可能性进行了推测。大阵列的细胞可以像像素一样，创造出能够产生点彩画风格艺术品的光流控显示器。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·梦露的图像。


哈顿希望，使用动态立面来节约能源的想法将改变建筑设计和气候变化之间的对话。


在发达国家，建筑的排放量约占总排放量的40%，高于任何其他单个行业。部分原因是我们设计的建筑具有灵活性。动态的，适应性的建筑可以减少温度和日光梯度，这是我们必须克服的，并可能节省大量的能源。我们希望我们的贡献能激发人们的想象力。