بخشی از مقاله
نقش نماهاي هوشمند متحرك در ارتقاء بهره وري و کاهش اتلاف مصرف انرژي
چکیده
امروزه مشغله فکري بسیاري از طراحان و مهندسین ساختمان و مدیران منابع انرژي، افزایش مصرف و خطر اتمام سریع منابع فسیلی، می باشد. بحران هاي زیست محیطی و انرژي به عنوان مسئله اي اساسی در زندگی بشر مطرح شده است. معماري نیز از این پدیده مهم مستثنا نبوده است، زیرا میزان مصرف انرژي در ساختمان ها تاثیر بسیار زیادي بر روي محیط زیست دارد.
نماي ساختمان به عنوان حد فاصل فضاي درون و بیرون، داراي توان بالقوه اي در جهت مصرف بهینه انرژي از یک سو
و ابزار بهره مندي از انرژي هاي طبیعی تجدید پذیر از سوي دیگر است. در بناهاي سنتی، نما به صورتی ثابت و غیرقابل تغییر در فرم کلی و نقاط پر و خالی آن اندیشه می شد که انطباق با ساعات مختلف روز و فصول مختلف در آن وجود نداشت. از اینرو استفاده از عناصر متحرك و فناوري هاي نوین در زمینه معماري به دلیل انطباق با شرایط مختلف محیطی می تواند باعث کاهش مصرف انرژي در ساختمان ها شود. یکی از این عناصر مهم، نماهاي متحرك هوشمند می باشند. نماهاي هوشمند به عنوان رویکردي جدید در معماري، نماهایی هستند که قادرند خود را با شرایط محیطی داخل و خارج بنا تطبیق دهند. این نماها که در تقلید از سیستم واکنش موجودات زنده ساخته می شوند، می توانند در پاسخ به شرایط مختلف جوي مانند وزش باد، گرما و سرماي بیش از حد و تغییر تابش نور خورشید عکس العمل نشان دهند و یا در داخل ساختمان با مشاهده موردي چون تجمع بیش از اندازه جمعیت، تغییراتی در ابعاد و اندازه از خود بروز دهند. یکی از مهم ترین اهداف پوسته هاي هوشمند در ساختمان ایجاد حالتی بهینه بین آسایش انسان و مصرف انرژي می باشد. بنابراین پوسته ساختمان با پاسخگویی به عناصر طبیعی مانند آفتاب و سایه و همچنین پاسخگویی به عناصر داخلی مانند بار گرمایی داخل، نه تنها می تواند محیط راحت تري براي کار یا زندگی فراهم کند، بلکه می تواند ساختمان به صرفه تري به لحاظ انرژي ایجاد کند. در این مقاله به بررسی اجمالی از نماهاي هوشمند، طبقه بندي آنها و تفاوت در طرز عملکرد آنها
و به بررسی مفصل نماهاي متحرك هوشمند، ویژگی ها و نمونه هاي موردي در خارج و داخل کشور، خواهیم پرداخت.
کلمات کلیدي: نماي هوشمند، نماي متحرك مکانیکی، کاهش مصرف انرژي در ساختمان
مقدمه
اگرچه نماهاي کنونی داراي فرمی ثابت هستند، آنها هنوز براي پاسخگویی با سناریوهاي مختلف طراحی می شوند. آنها برخی اوقات این مسئولیت را دارند که به بیشترین گرماي خورشیدي ممکن اجازه ورود دهند، در حالی که همچنین مسئولیت
خارج نگه داشتن آن را در سایر زمان ها دارا هستند. آنها همچنین موظفند تا هواي محیط خارجی را از ساختمان دور نگه دارند ولی آنها همچنین فورا براي تنفس ساختمان نیاز به تهویه دارند.[4]
احتیاجات نامتجانس نما و از آنجایی که نیروهایی که بر ساختمان عمل می کنند ثابت و پایدار نیستند و تغییر می کنند به همراه رشد علم و فناوري هاي نوین، باعث گردیده نماها هر روز بیشتر به عملکردي که پوست براي بدن موجودات زنده دارد، نزدیک شوند.
پوست همچون پوششی محافظ از اندام هاي داخلی انسان در برابر عوامل و پدیده هاي طبیعی محافظت می کند و فضا و محیط درونی بدن را در شرایط متعادل نگه می دارد. البته در مقیاس محدود و مشخص، امکان کنش بین پدیده هاي بیرونی و درونی را نیز میسر می سازد. این نکته مهم در مورد پوست وجود دارد که به عنوان موجودي زنده و پویا در برابر برخی شرایط متفاوت محیطی واکنش هاي متفاوت از خود بروز می دهد و در برابر دگرگونی هاي بیرونی عکس العمل هاي متفاوتی نشان می دهد.[6]
در دنیاي معاصر با استفاده از برخی مصالح و فناوري هاي هوشمند به تدریج این امکان در حال شکل گیري است که نماي ساختمان، همانند پوست یا پوسته اي هوشمند طراحی یا اجرا گردد تا بتوانند در برابر بعضی از عوامل بیرونی کنش هاي متفاوتی بروز دهد و به این ترتیب امکان استفاده از برخی پدیده هاي محیط طبیعی فراهم آید.[8]
پوسته ها، بنابر موقعیت قرارگیریشان، زمان استفاده از آنها در کوتاه مدت و بلند مدت، کاربرانی که از آنها بهره می برند و شرایط محیطی می توانند عملکرد هاي مختلفی داشته باشند. انطباق هر پوسته با عملکردش سبب پاسخگویی بنا به نیازهاي مورد نظر و صرفه جویی در مصالح و انرژي می گردد. نمونه هایی از این پوسته ها، پوسته هاي چند عملکردي و هوشمند می باشند.[9]
نماهاي متحرك قابلیت تطبیق با شرایط محیطی به منظور حفظ و کاهش مصرف انرژي در ساختمان، شرایط آسایش کاربران را در مواردي همچون تنظیم میزان حرارت خورشید، نور ورودي، کنترل تهویه طبیعی و دربرخی از حالات تولید انرژي را نیز فراهم می کنند. این نماها می توانند با توجه به شرایط مختلف محیطی تغییر حالت دهند و زمینه کاهش مصرف انرژي در ساختمان ها را فراهم کنند. مکانیسم حرکتی نماهاي متحرك شامل مکانیسم هاي دستی و سیستم هاي الکترومکانیکی و هوشمند می شود .[12]
نماهاي هوشمند
نماهاي هوشمند از طریق تکنولوژي هاي هوشمند سازي (سنسور، سیستم کنترل و محرك) می توانند شرایط محیط را حس کرده و اصلاحات و تغییراتی را براي رسیدن به اهداف مشخص شده ایجاد کنند. نما از طریق سنسورهایی اطلاعات محیطی را دریافت کرده و این اطلاعات را به یک پردازشگر مرکزي می فرستد تا پس از پردازش داده ها دستورالعل هاي مناسب به نما داده شود و نما توسط محرك ها به حرکت درآید. در این فرایند، نما می تواند خود را با شرایط محیطی و بسیاري از متغیرهاي داخل و خارج ساختمان، مانند گرماي خورشید، نور روز، تهویه و تولید انرژي تطبیق دهد.
از ویژگی هاي اصلی نماهاي هوشمند میتوان به پویایی و فعال بودن؛ انعطاف پذیري و سازگاري با محیط داخل و خارج؛ واکنش پذیري و پاسخده بودن را اشاره کرد.
نماهاي هوشمند یک روند حرکتی معماري است براي کاهش اتلاف انرژي، کاهش آلودگی هوا، کاهش آلودگی صوتی، استفاده از انرژي هاي تجدید پذیر، ایجاد تعامل بین ساختمان و محیط، ایجاد تعامل بین ساختمان و کاربر.
نماهاي هوشمند و تطبیق پذیر محدود به نماهاي متحرك مکانیکی نیستند بلکه ترکیب مصالح هوشمند با شبکه هاي کامپیوتري نیز گروه دیگري از نماهاي هوشمند را به وجود آورده اند که در آنها تغییر و واکنش به شرایط متغیر نه از طریق حرکت مکانیکی اجزا بلکه از طریق تغییر خواص مصالح صورت می گیرد.
بنابراین براي هوشمند سازي نما سه راهکار پیشنهاد می شود: (1 استفاده از مصالح هوشمند و تغییر خواص آنها تحت شرایط محیطی؛ (2 استفاده از سیستم هاي مکانیکی شامل سنسور، پردازشگر و محرك (3 ترکیبی از مصالح هوشمند و سیستم هوشمند مکانیکی.
(1 مصالح هوشمند نما، گروهی از نماهاي هوشمند هستند که در آنها تغییر و واکنش به شرایط متغیر نه از طریق حرکت مکانیکی اجزا بلکه از طریق تغییر خواص مصالح صورت می گیرد. استفاده از مصالح هوشمند در نما یا باعث ایجاد حرکت در اجزاي نما می شود و یا بدون حرکت و فقط باعث تغییر در خواص مصالح از جمله رنگ، شفافیت و یا ذخیره انرژي در ماده می شود.[5]
(2 نماهاي متحرك مکانیکی می توانند شرایط محیط راحس کرده و اصلاحات و تغییراتی را براي رسیدن به اهداف مشخص شده ایجاد کنند. نما از طریق سنسورهایی اطلاعات محیطی را دریافت کرده و این اطلاعات را به یک پردازشگر مرکزي می فرستد تا پس از پردازش داده ها دستورالعل هاي مناسب به نما داده شود و نما توسط محرك ها به حرکت در آید. در این فرایند، نما می تواند خود را با شرایط محیطی و بسیاري از متغیرهاي داخل و خارج ساختمان، مانند گرماي خورشید، نور روز، تهویه ، تولید انرژي و حتی تجمع بیش از حد جمعیت تطبیق دهد.[5]
(3 در این نوع براي دستیابی هرچه بیشتر به ویژگی ها و مولفه هاي تعاملی بودن از جمله کنترل، انتخاب گري و سرعت در پاسخگویی از ویژگی ذاتی مصالح هوشمند در چارچوب سیستم هاي مدیریت هوشمند (BMS) و از طریق حرکت مکانیکی نما استفاده می گردد.
هدف از این مقاله بررسی نماهاي هوشمند مکانیکی در کاهش مصرف انرژي و ارتقا بهره وري آن می باشد.
نماهاي متحرك مکانیکی
مصالح هوشمند مزیت هاي بسیاري را براي ساختمان هاي با کارایی بالا ارائه می دهند اما عملکرد آن ها اغلب به محدوده خاصی از شرایط آب و هوایی و واکنش هاي پیش بینی شده محدود می شود. در پوسته هاي ساختمان با کارایی بالا، اغلب باید طیف وسیع تري از شرایط و معیارهاي عملکردي تطبیق یابند. بنابراین اغلب مصالح هوشمند در پوسته هاي ساختمانی پیچیده با سیستم هاي مدیریتی پیشرفته ترکیب می شوند.
نماهاي متحرك به عنوان بخشی از نماهاي هوشمند، قادر به تنظیم شکل، فرم، جهت گیري یا بازشوهاي خود به طور خودکار در برابر پارامترهاي زیست محیطی از جمله دما، رطوبت، باد و غیره هستنند. نماهاي جنبشی، دینامیک و سازگار براي پاسخ به محیط زیست هستند. نماهاي جنبشی بهبود مثبتی را روي هر نما ارائه می دهند و وقتی که به طور مناسب طراحی شوند، می توانند مصرف انرژي سرمایی و گرمایی را بهبود بخشند و می توانند مقدار زیادي نور طبیعی مطلوب را فراهم کنند و تولید الکتریسیته کرده و از مزایاي تهویه طبیعی استفاده کنند.[10] این امر اغلب از طریق اتوماسیون ساختمان و عناصر تطبیق پذیر فیزیکی مانند لوورها، سایه اندازها، تهویه هاي متحرك یا ترکیب مصالح هوشمند انجام می شود.
به طور کلی نماهاي متحرك هوشمند براي کنترل و بهبود چهار متغیر عمده زیست محیطی در ساختمان به کار می روند که عبارتند از:[1]
Adaptive Building Initiative
(1کنترل انرژي حرارتی خورشید
انرژي خورشید از این طریق توسط عوامل مختلفی اعم از کرکره هاي متحرك بیرونی و پیش آمدگی هاي قابل تنظیم در نماهاي متحرك کنترل می شود. رایج ترین آن ها سایبان ها و کرکره هاي متحرك داخلی هستند که به علت ارزانی وسهولت استفاده، در داخل ساختمان ها از آنها استفاده می شود.
سیستم استراتا (تصویر (1 توسط شرکت مهندسی بارو هاپولد در همکاري با مبتکر سازه هاي متحرك چاك هابرمن که
یک واحد هوشمند با نام را پایه گذاري کرده اند، توسعه یافته اند.
تصویر:1 سیستم ABI Strata
این سیستم از واحدهاي مدولارمتحرك اتوماتیکی تشکیل شده است که هنگام جمع شدن، داخل یک پروفیل ظریف پنهان می شوند و هنگامی که باز می شوند یک سطح تقریبا پیوسته را تشکیل می دهند. این سطح شامل یک سري صفحات است که می توانند از مصالح مختلفی (مانند فلز، پلاستیک و چوب) تشکیل شده باشند. این سیستم براي کاربردهایی مناسب است که وسیله سایه انداز لازم است در سازه زیرین ساختمان پنهان شود. از مزایاي این سیستم این است که می تواند در طرح هاي غیر مستطیلی نیز استفاده شود. همچنین این سیستم می تواند در حالت غیر عمودي یا به عنوان سایه بان مستقل نصب شود مانند پردیس حقوق در مادرید (تصویر (2 طراحی شده توسط نورمن فاستر که به منظور به حداقل رساندن تابش خورشیدي ناخواسته و تامین نور طبیعی در داخل، از این سیستم براي آتریوم دایره اي شکل مرکزي استفاده کرده است.[5]
تصویر:2 سیستم استراتا استفاده شده در پردیس حقوق مادرید
ساختمان BRE (تصویر (3 یک نمونه از ساختمان هایی است که از کرکره هاي متحرك بیرونی براي کاهش مصرف انرژي بهره جسته است. استفاده از این کرکره ها اجازه تهویه، سایه اندازي و کنترل میزان نور وارده را به داخل ساختمان به کاربران می دهد، این کرکره هاي متحرك به وسیله سیستم هاي کامپیوتري کنترل می شوند.[1]
