Breathing
Panel

Year:
2013

Institution:
IaaC (Institute for Advanced Architecture of Catalonia)

Research Book:
Download

Partners:
Dimitris Aidonis
Giombatista Arredia


Τα αυτοματοποιημένα συστήματα εξαερισμού είναι συνήθως πολύπλοκα χαρακτηριστικά του κτιρίου. Τα κινούμενα στοιχεία απαιτούν κινητήρες που προσθέτουν επιπλέον κόστος, βάρος και κατανάλωση ενέργειας στην κατασκευή, ενώ συχνά έχουν σημαντικό μέγεθος, επηρεάζοντας έτσι την αισθητική της κατασκευής. Τα έξυπνα υλικά είναι εδώ για να αλλάξουν αυτό το καθεστώς και να ανοίξουν το δρόμο προς μια νέα αρχιτεκτονική. Το Breathing Panel είναι ένα χαμηλού κόστους, ελαφρύ, ανθεκτικό και αποδοτικό πάνελ ανεμογεννήτριας. Χρησιμοποιεί σύρμα shape memory alloy για να δημιουργήσει άνοιγμα ίσο με το 35% της συνολικής επιφάνειας του πάνελ. 

Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, οι ανάγκες της αρχιτεκτονικής αυξάνονται. Οι κατασκευές ολοένα και περισσότερο εξαρτώνται από μηχανήματα και κατά συνέπεια, από περισσότερες πηγές ενέργειας. Η μετάβαση σε μια αυτόνομη προσέγγιση της αρχιτεκτονικής έρχεται με μια επανεξέταση της συμβατικής μηχανικής που θα χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, για τη ρύθμιση θερμοκρασίας, τον εξαερισμό και τη σκίαση. Τα κινητικά συστήματα παρατηρούνται συχνά πλέον στις αρχιτεκτονικές εφαρμογές, όμως συνήθως, απαιτούν περίπλοκα μηχανικά στηρίγματα. Οι νέες τάσεις στην αρχιτεκτονική υποδηλώνουν νέα ριζοσπαστικά μονοπάτια για την επίλυση αυτών των προβλημάτων. Η προσπάθεια επικεντρώνεται στην εισαγωγή πιο αποτελεσματικών, οικονομικών, οικολογικών και οικονομικά αποδοτικών λύσεων εμπνευσμένων από τη φύση. Παράλληλα με την έρευνα για τη μηχανική, συνεχίζεται η μελέτη και η δημιουργία νέων υλικών. Ανακαλύπτονται ανεκμετάλλευτες ή κατασκευάζονται νέες ιδιότητες υλικών, που φανερώνουν τη μετατόπιση της διαδρομής σε ένα πρότυπο όπου τα δομικά υλικά εμφανίζουν νέες, εξειδικευμένες ιδιότητες. Αυτά τα υλικά μπορούν να παρουσιάσουν συμπεριφορές που θα χρειάζονταν πολύ περισσότερες προσπάθειες για να επιτευχθούν με συμβατική τεχνολογία. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες (1984-2004), η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας αυξήθηκε ραγδαία, μαζί με όλες τις τρομακτικές συνέπειές της. Η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας αυξήθηκε κατά 49% περίπου και οι εκπομπές CO2 περίπου 43% κατά τη διάρκεια αυτών των ετών. Στην Ευρώπη, τα κτίρια ευθύνονται για το 37% περίπου της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Στην Ισπανία το ποσοστό αυτό είναι περίπου 23%. Περίπου το ήμισυ αυτού του ποσοστού προέρχεται από τη χρήση συστημάτων HVAC (συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού). Οι προβλέψεις δείχνουν σημαντική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας για τον κλιματισμό των κτιρίων στην Ευρώπη για τα επόμενα 15 χρόνια, της τάξεως του 50%. Το κόστος συντήρησης των συστημάτων HVAC έχει επίσης σημαντική επίδραση στα έξοδα μιας χώρας. Αν παραλληλίσουμε τα κτίρια με ζωντανούς οργανισμούς, τα συστήματα εξαερισμού και κλιματισμού είναι μια στήριξη της ζωής που αγωνίζεται να κρατήσει μια ασθενή οντότητα ζωντανή. Η έρευνά μας επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός συστήματος που βοηθά ένα κτίριο να «αναπνέει» μόνο του, ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τις ανάγκες του κατοίκου. Στα πρώτα στάδια της έρευνάς μας συνειδητοποιήσαμε τη δυναμική των έξυπνων κινητών μηχανισμών για αυτούς τους τύπους εφαρμογών. Οι δομές πλαισίων και πάνελ στην αρχιτεκτονική θεωρούνται γενικά σταθερές και άκαμπτες, αλλά οι ευέλικτες, μπορούν να παράγουν κινητικές ιδιότητες. Αυτό θα έκανε μια δομή ικανή να "ανταποκριθεί" σε εξωτερικά ερεθίσματα, καθιστώντας τη έτσι "έξυπνη". Το σχέδιό μας, δείχνει την προσέγγισή μας σε αυτά τα θέματα. Με την έρευνα και την εξερεύνηση διαφόρων "έξυπνων" υλικών και τελικά την επιλογή ενός, συνδυάσαμε τη χρήση προηγμένων ψηφιακών εργαλείων και μηχανημάτων κατασκευής για να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε ένα λειτουργικό πρωτότυπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση αντί των συμβατικών συστημάτων εξαερισμού.

Το αρχικό πεδίο έρευνας ήταν η κάμψη κατασκευαστικών σκελετών. Αυτό προέκυψε από τον πειραματισμό μας με νήματα. Κατά τη δοκιμή των μοτίβων νήματος σε λεπτά ξύλινα πλαίσια, συνειδητοποιήσαμε ότι η συνδυαστική δύναμη πολλαπλών νημάτων είναι αρκετή για να κάμψει το σκελετό. Αυτό μας οδηγεί στην ιδέα μιας δομής που αποτελείται από πλαίσια κάμψης. Προσπαθώντας να κάνουμε το σύστημα να ανταποκρίνεται με έναν τρόπο, κληθήκαμε να βρούμε ένα υλικό που θα το βοηθούσε να αλληλεπιδρά. Συνεπώς, η έρευνα συνεχίστηκε με την εξερεύνηση υλικών νήματος που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως παράγοντες κάμψης. Παράλληλα, ερευνήσαμε για το κατάλληλο υλικό του πλαισίου, καθώς και για το κατάλληλο για αρχιτεκτονικές εφαρμογές υλικό των πάνελ πλήρωσης.

Η τελική φάση της έρευνας επικεντρώνεται στις ενεργές συνιστώσες του πάνελ εξαερισμού. Πάνελ που αποτελούνται από ένα άκαμπτο πλαίσιο και ένα εύκαμπτο υλικό επιφάνειας που κάμπτεται για να δημιουργήσει ανοίγματα. Τα πάνελ συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα σύστημα εξαερισμού που μπορεί να έχει εφαρμογή σε στέγη ή σε πρόσοψη. Ο μηχανισμός που παρέχει την ενεργοποίηση συνδέεται με ένα σύστημα αισθητήρων που μπορεί να ρυθμίσει τα ανοίγματα σύμφωνα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες (θερμοκρασία, υγρασία, άνεμος κ.λ.π.). Το φυσικό αποτέλεσμα της έρευνας, αποτελείται από μια πρωτότυπη μονάδα, που επαναλαμβανόμενη, μπορεί να συνθέσει το μοτίβο της συνολικής επιφάνειας. Το προτότυπο σύστημα, παρέχει βασική προστασία από τις εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες, ενώ παράλληλα μπορεί να εξασφαλίσει ανοίγματα κατόπιν αιτήματος. Σημαντικές παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι το μέγεθος των ανοιγμάτων, η αποτελεσματικότητα του μηχανισμού, καθώς και η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης κόστους και ενέργειας.

Η έρευνά μας μας έδωσε την ευκαιρία να πειραματιστούμε χρησιμοποιώντας ένα ανταποκρινόμενο υλικό. Μελετώντας τη συμπεριφορά του, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς του, καταλήξαμε στο συμπέρασμα πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην αρχιτεκτονική. Μετά από μια εμπεριστατωμένη φάση πειραματισμού, εστιάσαμε σε μια εφαρμογή που έχει ουσιαστικό, αρχιτεκτονικό περιεχόμενο. Η χρήση του σύρματος shape memory alloy ως ενεργοποιητή ενός μηχανισμού πάνελ εξαερισμού ανοίγματος-κλεισίματος κατέδειξε τη χρησιμότητα των «έξυπνων υλικών» ως στοιχεία κτιρίων πραγματικής κλίμακας. Ένα τέτοιο σύστημα έχει μια σειρά πλεονεκτημάτων: Πρώτον, αποτελείται από αρθρωτά ελαφρά εξαρτήματα. Δεν υπάρχουν μηχανισμοί, πράγμα που σημαίνει ότι η δομή είναι σημαντικά ελαφρύτερη και οπτικά «ανάλαφρη». Ο ίδιος ο μηχανισμός ενεργοποίησης είναι περισσότερο αξιόπιστος από ένα συμβατικό ισοδύναμο. Το σύρμα shape memory alloy δε βασίζεται σε μηχανικά ή ηλεκτρικά μέρη. Βασίζεται στη δική του χημική σύνθεση. Είναι αυτόνομο και μπορεί να ενεργοποιηείται σχεδόν απεριόριστα. Συνεπώς, το κόστος συντήρησης είναι ελάχιστο. Το συνολικό κόστος κατασκευής είναι επίσης χαμηλό. Λιγότερο βάρος και απουσία εξελιγμένων μηχανισμών σημαίνει εύκολη, χαμηλού κόστους κατασκευή και συναρμολόγηση.



Automated ventilation systems are usually complex building features. Moving elements require motors that add cost, weight and energy consumption to the construction, while they are often significant in size, reducing the structure’s visual delicacy. Smart materials are here to change this paradigm and open the path towards a new architecture. The breathing panel is a low cost, lightweight, durable and efficient modular ventilation panel. It uses a shape memory alloy wire to create an opening equal to 35% of the panel’s total area.

As technology advances, so does the needs of architecture augment. Building structures are becoming more and more dependent on machinery and, consequently, energy sources. The shift to a self-sufficient approach on architecture, comes with a reconsideration of conventional mechanics, used to provide, amongst others, temperature regulation, ventilation and shading. Kinetic systems are seen in architectural applications, more often nowadays, but they usually come with complicated mechanical supports. New trends in architecture indicate new radical paths for solving these problems. The effort is focused on introducing more efficient, economic, ecologic and cost-effective solutions inspired by nature. Parallel to the investigation on mechanics, the study and creation of new materials is constantly ongoing. New, unexploited material properties are discovered or engineered, showing the shift of the path to a paradigm where construction materials display special new properties. These materials can exhibit behaviors that would need much more effort to achieve with conventional technology. During the last two decades (1984-2004), world energy consumption has rapidly increased, along with all its frightening consequences. Primary energy consumption has grown about 49% and CO2 emissions about 43% during these years. In Europe, buildings are responsible for about 37% of the global energy consumption. In Spain this percentage is about 23%. Around half of this percentage comes from the use of HVAC systems (Heating, Ventilation and Air conditioning systems). Predictions indicate an important growth in energy consumption for building‘s air conditioning in Europe for the next 15 years, of around 50%. Maintenance costs of HVAC systems are also a considerable effect on the country expenses. In a metaphor where buildings are living organisms, ventilation and air conditioning systems are a life support struggling to keep a sick entity alive. Our research focuses on the development of a system that helps a building breath on its own, according to the environmental conditions and the inhabitant‘s needs. Ventilation and shading, though, had always been an important issue when it comes to sustainability, therefore, research on smart materials and intelligent constructions applications in this field is essential. On the very first stages of our research we realised the potential of intelligent kinetic mechanisms for these types of applications. Frame and panel structures in architecture are generally considered fixed and rigid, but flexible ones can yield kinetic properties. This would make a structure able to “respond” to external stimuli, thus becoming “intelligent”. Our project illustrates our approach on these matters. By researching and exploring various “smart” materials, and eventually choosing one, we combined the use of advanced digital tools and fabrication machinery to design and fabricate a functional prototype that can be used as an alternative to conventional ventilation systems.

The initial exploration field of the research was the bending of frame structures. This emerged from our experimentation with threads. While testing thread patterns on thin wooden frames, we realized that the collective force of multiple threads is enough to bend the frame. This lead us to the idea of a structure consisting of bending frames. Trying to implement a behavior to the system, we were called to find a material that would actuate a responsive system. So, the research continued with the exploration of thread materials that could be used as bending agents. In parallel, we investigated on an appropriate material of the frame as well as suitable fill material that would make the panel suitable for architectural application.

The final phase of the project focuses on active ventilation panel components. Panels consisting of a rigid frame and a flexible fill material that bends to create openings. The panels are combined to form a ventilation system that can have an application on a roof or on a facade. The mechanism that provides the actuation is connected to a sensor system than can adjust the openings according to the enviromental conditions (tempeature, humidity, wind etc). The research physical outcome consists of a prototype component that can be part of the overall skin structure. It provides basic protection from the external environmental conditions, while being able to offer openings on request. Important parameters taken into consideration is the size of the openings, the efficiency of the mechanism, as well as the minimization of cost and energy consumption.

Our research gave us the oportunity to experiment using a responsive material. By studying its behavior as well as its advantages and limitations we drew conclusion on how it could be used in architecture. After a thorough multi-directional experimentation phase, we focused on an application that is of essential architectural meaning. The use of muscle wire as an actuator of an opening-closing ventilation panel mechanism demonstrated the capacity of “smart materials” to serve as real-scale building elements. A system like that has a series of advantages: First, it consists of modular lightweight components. There are no motors or mechanisms involved, which means that the structure is significantly lighter and visually delicate. The actuating mechanism itself is more reliable than a conventional equivalent. Muscle wire does not rely on mechanical or electical parts. I relies on its own chemical composition. It is autonomous and can be actuated practically infinite times. Maintenance cost is therefor minimal. The overall construction cost is also low. Less weight and absence of sophisticated mechanisms means easy, low cost construction and assembly.