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使用充满流体的通道的原型显示出降低建筑物供暖和制冷成本的希望。

时间:2023-10-07   访问量:111

由于如此关注开发和改进可再生能源,多伦多大学的一组研究人员正在寻找减少能源使用的方法。拉斐尔·凯 (Raphael Kay) 是一名研究生,现为哈佛大学研究员,他将其建筑学本科学位与生物启发工程实验室相结合,将自然界中有用的策略应用到建筑环境中。
 
“某些哺乳动物通过切换表面毛细血管和靠近身体核心的深静脉之间的血流来调节体温。随着靠近体表的毛细血管内的流量增加,生物体散发出更多的热量,”他说。

以此机制为灵感,团队开发了一个原型使用流体控制有多少光和太阳能可以穿过玻璃板,产生多层光流效应,使建筑物能够节约能源、减少人工照明并减少热量损失。它从自然界的加热和冷却控制机制中汲取灵感,以减少建筑环境消耗的总体能源。 
 
根据国际能源署 2022 年建筑报告,建筑物消耗了全球能源供应的 30% 和能源行业总排放量的 27%。预计到 2050 年,全球空调需求将增加两倍。减少每栋建筑的能源使用量可能会对全球能源行业产生重大影响,并大幅减少消耗。

然而,目前的建筑系统不具备这种能力。在传统建筑中,供暖和制冷系统的设计基于围护结构的性能,即内部和外部之间的屏障。这包括每种材料的 R 值、窗户的位置、有多少太阳能可以穿过玻璃,以及围护系统和建筑结构之间的连接点可能发生热损失的热桥。

当前的建筑方法和材料提供了不同的遮阳、玻璃和隔热性能,但这些静态解决方案不会随着外界天气条件的变化而调整其配置或性能。

“现有的立面无法实现对其太阳环境的选择性、可重构响应,”凯说。“没有窗户、遮阳帘或彩色胶片技术可以随着太阳条件的变化独立调节阳光的量(强度)、波长和色散。”

多层光流控原型将塑料片堆叠在一起,每层都包含用于流体运动的毫米级通道。它是一个 15 x 15 x 2 立方厘米的双层/三层装置,由具有毫米级通道的聚合物片制成。各种流体成分通过每层的通道泵送以控制阳光的穿透。

建筑物的各个立面都会经历微气候,具体取决于建筑物面是否处于阳光直射或阴影下、室外温度、风速以及内部的供暖和制冷需求。该原型包含多个层,使不同的流体能够同时泵送通过连续的层,从而创建一个动态系统来自动控制窗户每个部分的光和太阳能。
 
为了在寒冷气候地区实施,可以将乙二醇添加到流经每一层的流体中以降低冰点。这将使建筑物能够从太阳能收益中受益,并减少冬季建筑围护结构的热量损失,而不会有系统冻结的风险。

研究团队目前正在与行业专家合作,以更好地了解建筑施工中的原型实施。

“实现这个原型最简单、最具扩展性的方法是什么?有多少个频道?有哪些类型的渠道?流体通道有多粗或多细?有哪些类型的液体?我们的泵送系统是什么样的?我们把泵放在哪里?” 凯说,这只是研究人员希望解决的一些问题。

由于许多现有建筑物已经矗立,该团队还希望开发一个原型版本,作为现有窗户系统的附加组件。虽然可能不如在新玻璃系统中安装毫米级通道那么有效,但该附加组件仍将对现有建筑的供暖和制冷要求产生重大影响,并促进更轻松的实施,以帮助业主更快、更有效地实现能源目标。


研究项目的模拟结果显示,仅使用一层液体,每年可节省 25% 的供暖、制冷和光能,使用第二层可节省高达 50% 的能源成本。凯。

早期的模拟和建模表明,该系统可节省高达 75% 的加热能源、20% 的人工照明能源和 43% 的运行能源。这将对建筑环境、供暖和制冷系统的规模和容量以及建筑物每年消耗的能源产生巨大影响。

他说,该原型机的运行成本约为每立方米玻璃 100 美元,从运营角度来看,这仅占该系统潜在节省成本的一小部分。多层光流控系统可以将加热和冷却负载降低一半,不仅减少了施工期间暖通空调系统的资本成本,而且还减少了分配给它们的空间,从而使整个建筑的可用面积更大。

凯为其硕士论文开发的原型的应用正在多伦多继续进行,而凯正在攻读博士学位。在哈佛大学生物矿化和仿生学实验室。凯希望大约一年内能推出更大的原型,并可以在实际建筑物上进行测试。

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