受海洋生物启发的动态建筑立面可以降低供暖制冷和照明成本

由多伦多大学研究人员设计的一种新的低成本“光流体”系统——其灵感来自鱼类、螃蟹和磷虾等海洋生物——可以通过动态改变建筑物的外观来帮助建筑物节省能源。

应用科学与工程学院材料科学与工程系的硕士生RaphaelKay说：“我认为将建筑物视为活的有机体并不过分地进行类比，”他由BenHatton教授指导。在同一个部门。

“就向内和向外的能量流动而言，它们具有新陈代谢。它们必须对不断变化的环境条件做出反应，以保持舒适且功能良好的内部，”凯解释道。

虽然建筑物目前依靠供暖和空调等机械系统来维持舒适的室内温度，但Kay指出，许多动物直接在表面(即它们的皮肤)调节能量传递。

磷虾——在海洋某些区域大量繁殖的类似虾的海洋生物——是透明的，这意味着紫外线会损害它们的内脏。作为回应，他们开发了一种动态遮光系统，在皮肤下的细胞内穿梭色素颗粒，在太亮时使自身变暗，并在太阳褪去时再次变亮。

建筑物也有一个由外立面和窗户组成的“表皮”。但是今天，这些外层大多是静态的和不变的。因此，进入建筑物的光量和热量往往过高或过低，迫使供暖、制冷和照明系统比其他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时打开百叶窗，当你需要更少的时候关闭它们，”凯说。

“这确实节省了能源，但它非常粗糙。为了获得全部好处，你需要这样一个系统自动化和优化，以实时平衡一系列因素，包括温度、太阳强度、角度和为建筑物居住者不断变化的需求提供方向。”

目前有一些技术可以开始实现这一目标：在传统卷帘上添加计算机控制的电机，或者安装电致变色窗户，它可以根据施加的电压改变它们的不透明度。

但总的来说，Kay认为当前的工具集既太昂贵又太有限。

“几乎所有这些系统都很昂贵，依赖于复杂的制造程序，或者只能在有限范围的不透明度之间切换——例如，从非常暗到有点暗，”他说。“也很难实现精细的空间渐变，例如遮蔽窗玻璃的一部分而不是另一部分。”

在本月发表在NatureCommunications上的一篇论文中，Kay、Hatton和他们的研究团队描述了一种克服这些限制的新范式。原型光流控细胞由一层约一毫米厚的矿物油组成，夹在两层透明塑料片之间，由博士查理·卡特里茨(CharlieKatrycz)开发。机械工程专业的学生。

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

绽放的形状可以通过泵的流量来控制：低流量导致大致圆形的绽放，而较高的流量导致复杂的分支模式。

“我们对如何使用绿色、可持续化学物质的‘封闭流体’来改变材料特性感兴趣，”哈顿说。“它非常通用：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.丹尼尔斯建筑、景观与设计学院的助理教授AlstanJakubiec合作，构建计算机模型，模拟使用这些单元的全自动和优化系统与使用电动百叶窗或电致变色窗。

“我们发现，与其他两个选项相比，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%，”Kay说。“这样做的主要原因是我们对遮阳的范围和时间有更好的控制。我们的系统类似于在立面的不同位置和时间打开和关闭数百个小百叶窗。我们可以通过简单的方式实现这一切，可扩展且廉价的流体流动。”

该团队还推测了艺术的可能性。大型细胞阵列可以像像素一样发挥作用，创造出能够产生点画风格艺术品的光流控显示器。在他们的模型中，该团队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省能源的想法将改变围绕建筑设计和气候变化的对话。

“在发达国家，建筑物的排放量约占我们排放量的40%，比任何其他单独部门都要多，”哈顿说。

“造成这种情况的部分原因是我们将建筑设计得不灵活。动态的、自适应的建筑可以降低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够激发人们的想象。”