Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος. by Sofia Barmpisi

ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΚΕΛΥΦΟΣ

ΜΠΑΡΜΠΙΣΗ ΣΟΦΙΑ

ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΚΕΛΥΦΟΣ

Μπαρμπίση Σοφία

Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών

ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΚΕΛΥΦΟΣ Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών Ερευνητική εργασία Μπαρμπίση Σοφία Επιβλέπων καθηγητής | Α. Τσαγκρασούλης Μάιος 2019

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της ερευνητικής εργασίας μου, κ. Αριστείδη Τσαγκρασούλη, για τη συμβολή και την καθοδήγησή του. Επίσης, ευχαριστώ την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την υποστήριξη κατά τη διάρκεια της εργασίας.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΕΞΥΠΝΑ ΥΛΙΚΑ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΑΛΟΠΙΝΑΚΩΝ

ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

ΥΛΙΚΑ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ

ΠΟΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ

ΦΕΡΡΟΡΕΥΣΤΑ ΚΑΙ ΕΞΥΠΝΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΗ

ΕΠΙΛΟΓΟΣ

9 12

Εισαγωγή και στόχος ερευνητικού θέματος Βιβλιογραφία

16 21 28 36

Κατηγοριοποίηση έξυπνων υλικών Εφαρμογές έξυπνων υλικών στην Αρχιτεκτονική Έξυπνες δομές Βιβλιογραφία

43 48 53 54 60

Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα Μη ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα Αυτοκαθαριζόμενοι υαλοπίνακες Εφαρμογές και παραδείγματα Βιβλιογραφία

66 70

Εφαρμογές και παραδείγματα Βιβλιογραφία

75 76 84

Κατηγοριοποίηση υλικών αλλαγής φάσης Εφαρμογές και παραδείγματα Βιβλιογραφία

89 94

Εφαρμογές και παραδείγματα Βιβλιογραφία

98 102

Εφαρμογές και παραδείγματα Βιβλιογραφία

106 116

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική Βιβλιογραφία

119

Επίλογος

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Εισαγωγή

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΘΕΜΑΤΟΣ Ο σύγχρονος άνθρωπος περνά το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του μέσα σε κτίρια αναπτύσσοντας πολλές ανθρώπινες δραστηριότητες με βάση τις επιθυμίες του. Ο σχεδιασμός ενός κτιρίου στοχεύει στο να εξυπηρετήσει αυτές τις επιθυμίες προσφέροντας στο χρήστη τις καλύτερες συνθήκες άνεσης, θερμικής, οπτικής ή ακουστικής, αλλά και να δημιουργήσει μια φιλικότερη προς το περιβάλλον λειτουργία του. Εξετάζοντας την εξέλιξη των κτιρίων μέσα στα χρόνια βλέπουμε κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους, να καταναλώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας όσον αφορά την κατασκευή τους, τη λειτουργία τους, την αποκατάστασή τους και τελικά την κατεδάφισή τους (Ramesh, Prakash, Shukla, 2010 / Zhou et al., 2017). Το περίβλημα τους αρχίζει να αλλάζει μορφές, να εξελίσσεται και να συνεισφέρει με μεγάλο ποσοστό στην ενεργειακή απόδοση. Η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στα κτίρια έχει κεντρική σημασία για την επίτευξη των στόχων που τίθενται στη συμφωνία του Παρισιού το 2015 (United Nations Climate change, χχ), καθώς μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και κατά συνέπεια την εκπομπή αερίων θερμοκηπίου χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ανθρώπινη άνεση. Η γνώση, η εμπειρία και τα παράλληλα τεχνολογικά επιτεύγματα της εποχής, δίνουν νέες δυνατότητες ώστε να υπάρχουν στη διάθεσή μας μέσα για να συνεισφέρουμε στον περιορισμό των προβλημάτων. Το κέλυφος ενός κτιρίου είναι το φυσικό σύνορο που διαχωρίζει το εσωτερικό από το εξωτερικό περιβάλλον. Φαίνεται να καταναλώνει αρκετή ενέργεια και αυτό έχει ως αποτέλεσμα, να γίνονται προσπάθειες ώστε να διαμορφώνεται συνεχώς για την κάλυψη των αναγκών των χρηστών και των ενεργειακών απαιτήσεων. Στόχο έχει να δημιουργεί ευχάριστο εσωτερικό κλίμα κατά τη διάρκεια του χρόνου και να προσαρμόζεται στις ιδιαίτερες απαιτήσεις του κλίματος. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να είναι καλά μελετημένο και να κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να ελαχιστοποιεί τις ενεργειακές απώλειες. Η ενέργεια που απελευθερώνεται στο περιβάλλον μέσω της κτιριακής χρήσης, προβληματίζει όλο και περισσότερο το τομέα της κατασκευής. Αυτός είναι και ένας λόγος που η ανάπτυξη και η ενσωμάτωση των ενεργειακά αποδοτικών υλικών και τεχνολογιών στα κτίρια εξελίσσονται συνεχώς τα τελευταία χρόνια. Στην σημερινή εποχή, η οποία χαρακτηρίζεται από ευελιξία, ανεπτυγμένη ψηφιακή τεχνολογία, καινοτομία καθώς και μια έντονη ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος, γίνονται προσπάθειες για έναν πιο ευέλικτο και ευμετάβλητο αρχιτεκτονικό σχεδιασμό που θα ανταποκρίνεται άμεσα στις μεταβαλλόμενες ανάγκες των χρηστών και τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος. Η τεχνολογία, τα απαιτούμενα υλικά και οι κατασκευαστικές τεχνικές εξελίσσονται συνεχώς και δίνουν περιθώρια για υλοποίηση όλων των σχεδιαστικών ιδεών και βελτιστοποίηση των κτιριακών κελυφών μέσα από νέες λύσεις και τεχνικές δόμησης που θα συνεισφέρουν στο κτίριο και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Οι Glass, Dainty και Gibb (2008), αναφέρουν ότι ο σχεδιασμός και η κατασκευή των κτιρίων είναι ζητήματα που απασχολούν ιδιαίτερα την κατασκευαστική βιομηχανία, υποδεικνύοντας ότι απαιτούνται σημαντικές αλλαγές σχετικά με τα υλικά, τις τεχνικές, τις δεξιότητες και τις καινοτομίες που χρησιμοποιούνται. Η μετάβαση σε ασφαλή και βιώσιμα συστήματα χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, έχει σημαντική επίδραση στον τρόπο με τον οποίο επιλέγονται τα παραπάνω, καθώς επίσης και

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

στο πώς σχεδιάζονται και κατασκευάζονται τα νέα κτίρια. Επιπλέον, η μορφή, η δομή, η ποιότητα και η ταυτότητα των κτιρίων υπαγορεύονται από τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτά. Είναι αναγκαίο λοιπόν, όσο οι τεχνολογίες και τα υλικά εξελίσσονται, τόσο και εμείς να σχεδιάζουμε, επανεξετάζοντας ζητήματα που αφορούν τη χρήση ενέργειας στα κτίρια, τη σωστή επιλογή υλικών και τις επιπτώσεις αυτών στο περιβάλλον και στην υγεία των χρηστών (Dean, 1996). Όπως είναι γνωστό, η κατασκευή των κτιριακών δομών αποτελεί μια δραστηριότητα που μπορεί να αφήσει σημαντικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα, εάν δε γίνει με προσοχή. Σημαντικό ρόλο σε αυτή έχουν οι σχεδιαστές, οι μηχανικοί, οι αρχιτέκτονες κ.ά., οι οποίοι κατά το σχεδιασμό πρέπει να λαμβάνουν υπόψιν τους τι ενεργειακές ανάγκες προκύπτουν από τη διαδικασία επεξεργασίας και μεταφοράς των υλικών, για να θέτουν περιβαλλοντικούς περιορισμούς στα υλικά που θα χρησιμοποιήσουν, ώστε να διαχειρίζονται και να περιορίζουν την επίδρασή τους στο περιβάλλον. Το εύρος των υλικών αυξάνεται στη βιομηχανία της οικοδομής και είναι δύσκολο να γνωρίζουν τις ιδιότητές τους και να επιλέγουν τα κατάλληλα κάθε φορά. Για να γίνει πιο εύκολη η επιλογή ανάμεσα στα υλικά, αυτά κατηγοριοποιούνται. Η κατηγοριοποίηση αφορά τόσο τη μοριακή τους δομή, τη συμπεριφορά τους δηλαδή στις διάφορες συνθήκες που προκύπτουν, όσο και την οικονομία τους, διότι στην εποχή μας τείνουμε να χρησιμοποιούμε όσο πιο οικονομικά υλικά γίνεται. Συνήθως, η αξιολόγηση των υλικών και η επιλογή τους προκύπτει μέσα από μια σειρά ερωτημάτων. Τα υλικά και τα προϊόντα είναι ενεργειακά αποδοτικά ως προς τη συνολική εξίσωση ενέργειας, δηλαδή από την πρώτη τους επεξεργασία, ως τη μεταφορά και την τελική τους επεξεργασία; Έχουν περιβαλλοντικές επιπτώσεις για τον άνθρωπο όσον αφορά την υπερεκμετάλλευση πόρων ή τις επιπτώσεις στην τοπική οικονομία; Έχουν δημιουργηθεί με χρήση ανανεώσιμων πηγών; Είναι ανακυκλώσιμα; Είναι σταθερά ως προς την υγιεινή τους και η χρήση τους ή η κατασκευή τους προκαλεί μολύνσεις; (Dean,1996). Στόχος της ερευνητικής εργασίας είναι η καταγραφή και η ανάλυση τεχνολογιών και σύνθετων υλικών που εισήχθησαν στο χώρο της αρχιτεκτονικής, ή βρίσκονται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο και δύναται να συντελέσουν ουσιαστικά στη δημιουργία νέων σχεδιαστικών δυνατοτήτων, ικανών να καλύψουν τις ανάγκες των χρηστών και της εξοικονόμησης ενέργειας. Η διερεύνηση του θέματος θα γίνει μέσω ανασκόπησης παραδειγμάτων και εφαρμογών των παραπάνω. Τα παραδείγματα αυτά θα αναδείξουν τη τεχνολογία υλικών που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του κελύφους των κτιρίων και τις βασικές δομικές λογικές που ακολουθούνται. Επιπλέον, θα εξεταστούν οι προοπτικές ανάπτυξης αυτών και οι διάφοροι πειραματισμοί που γίνονται στο επίπεδο εξέλιξης τους και τελικά, θα αναδειχθούν νέες δυνατότητες που προσφέρει η σύγχρονη αρχιτεκτονική και η τεχνολογία για τη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος ενός κτιρίου, εσωτερικού και εξωτερικού.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κείμενο: Dean Y., (1996), Material’s technology, Mitchell’s building series, (pp. 1- 6) Glass, J., Dainty, A.R.J., Gibb A.G.F., (2008), New build - materials, techniques, skills and innovation, Energy Policy, Elsevier 36 (pp. 4534-4538), ISSN 03014215, www.sciencedirect.com/science/journal/03014215 Ramesh T., Prakash R., Shukla K.K., (2010), Life cycle energy analysis of buildings: an overview, Energy Build 42 (pp. 1592–1600), https:// doi.org/10.1016/j. enbuild.2010.05.007 United Nations Climate change, (2019), The Paris Agreement, https://unfccc. int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement, Πρόσβαση 23/03/2019 Zhou A., Yu Z., Chow CL., Lau D., (2017), Enhanced solar spectral reflectance of thermal coatings through inorganic additives, Energy Build 138 (pp. 641–7), https:// doi.org/10.1016/j.enbuild. 2016.12.027

ΕΞΥΠΝΑ ΥΛΙΚΑ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Τα έξυπνα υλικά (smart materials) είναι υλικά που μπορούν και μεταβάλλουν τις ιδιότητές τους με ελεγχόμενο τρόπο ανάλογα τα εξωτερικά ερεθίσματα που δέχονται, όπως η πίεση, η θερμοκρασία, η υγρασία, το pH, τα μαγνητικά πεδία, το φως ή οι χημικές ενώσεις (Wikipedia, χχ). Από αρχιτεκτονική πλευρά, ορίζονται ως τεχνολογικά υλικά που τοποθετούνται στο κτίριο και αντιδρούν με έξυπνο τρόπο, σε λειτουργίες αίσθησης, ενεργοποίησης και προσαρμόζονται στις αλλαγές του περιβάλλοντος. Αντιθέτως, τα ευφυή υλικά (intelligent materials), έχουν τη «νοημοσύνη» μέσω διαφόρων λειτουργιών να παρουσιάζουν ικανότητα αυτοελέγχου, αντίληψης και ανταπόκρισης σε διάφορα εξωτερικά ερεθίσματα και να διεξάγουν αυτή την απόκριση με ρυθμιζόμενο τρόπο. Η διαφορά μεταξύ ενός έξυπνου υλικού και ενός ευφυή, καθορίζεται συνεπώς από το βαθμό στον οποίο το υλικό μπορεί να συλλέξει πληροφορίες, να τις επεξεργαστεί και να αντιδράσει αναλόγως.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα έξυπνα υλικά παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των κτιρίων και στη λειτουργικότητά τους. Αποτελούν μέρος ενός έξυπνου δομικού συστήματος, το οποίο έχει την ικανότητα να αντιλαμβάνεται το περιβάλλον του. Προσδίδουν αρκετά πλεονεκτήματα στην κατασκευή, όπως ανώτερη αντοχή, βελτιωμένη ανθεκτικότητα, ανταπόκριση σε ακραίες συνθήκες, αισθητική και περιβαλλοντική συμβατότητα, δυνατότητα αυτο - διάγνωσης και αυτο - επούλωσης κ.α. Η χρήση τους βελτιώνει συνεπώς την κατασκευή και δίνει περιθώρια για καινοτόμο σχεδιασμό. Έχοντας υπόψιν τα πλεονεκτήματά τους, τα έξυπνα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά και τους τύπους τους (εικόνα 1).

Εικ. 1. Κατηγοριοποίηση έξυπνων υλικών.

Κατηγοριοποίηση έξυπνων υλικών

Χαρακτηριστικά έξυπνων υλικών Για να διακρίνουμε τα έξυπνα υλικά από τα παραδοσιακά που χρησιμοποιούνται στην αρχιτεκτονική, αρκεί να γνωρίζουμε τα πέντε θεμελιώδη χαρακτηριστικά τους. Αυτά αφορούν την αμεσότητα (αντίδραση σε πραγματικό χρόνο), την μεταβατικότητα (ανταπόκριση σε περισσότερες από μία περιβαλλοντικές συνθήκες), την αυτο - ενεργοποίηση (η “νοημοσύνη” επιδρά εσωτερικά του υλικού και όχι εξωτερικά), την επιλεκτικότητα (διακριτή ανταπόκριση και πρόβλεψη καταστάσεων) και την απευθείας απόκρισή τους (τοπική απόκριση στην ενεργοποίηση) (Addington & Shodek, 2005). Επίσης, μπορούν να ομαδοποιηθούν σε υλικά αλλαγής ιδιότητας (θερμοχρωμικά, θερμοτροπικά, μνήμη σχήματος κλπ), τα οποία συναντάμε σε μεγάλο βαθμό σε εφαρμογές αρχιτεκτονικής, σε υλικά ανταλλαγής ενέργειας, που εφαρμόζονται σε ενεργοποιητές ή αισθητήρες και υλικά ανταλλαγής (διακριτό μέγεθος / τοποθεσία – αναστρεψιμότητα) που λειτουργούν ως μονωτές. Τα έξυπνα υλικά αλλάζουν τις ιδιότητές τους ανάλογα με τα ερεθίσματα που λαμβάνουν. Τα ερεθίσματα αυτά μπορεί να είναι χημικά, θερμικά, μηχανικά, οπτικά ή ηλεκτρικά, ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες περιβάλλοντος του υλικού. Μπορούν επίσης, να ονομάζονται υλικά πρώτου νόμου, διότι μετατρέπουν μια ενέργεια εισόδου σε μια άλλη μορφή, για να παράγουν μια ενέργεια εξόδου σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής (Ritter, 2007).

Τύποι έξυπνων υλικών Όπως φαίνεται και στην εικόνα 1 υπάρχουν δυο κατηγορίες έξυπνων υλικών. Η πρώτη κατηγορία αφορά τα υλικά που υφίστανται αλλαγές στην κατάστασή τους λόγω εισροής ενέργειας, σε μία ή περισσότερες από τις ιδιότητές τους (χημικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές, μηχανικές ή θερμικές) σε άμεση ανταπόκριση με τις αλλαγές των εξωτερικών συνθηκών του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, τα φωτοτροπικά υλικά αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται στο φως, τα ηλεκτροχρωμικά αντιδρούν στην εφαρμοζόμενη τάση, τα θερμοχρωμικά υλικά αλλάζουν την κατάστασή τους όταν έρθουν σε επαφή με θερμική ενέργεια, ενώ τα υλικά αλλαγής μνήμης επηρεάζονται από την εισροή ενέργειας, που μεταβάλλει τη μικροδομή τους μέσω αλλαγής της κρυσταλλικής τους φάσης, επιτρέποντας στο υλικό να παίρνει διάφορες μορφές ανάλογα με το εξωτερικό ερέθισμα που αντιλαμβάνεται από το περιβάλλον του. Εξετάζοντας περαιτέρω τα υλικά αλλαγής μνήμης, βλέπουμε πως μπορούν να κατηγοριοποιηθούν λόγω των ερεθισμάτων τους, σε φωτοτροπικά (επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητική ενέργεια), θερμοστατικά (επηρεάζονται από θερμική ενέργεια), πιεζοηλεκτρικά (επηρεάζονται από μηχανική ενέργεια), ηλεκτρικά (επηρεάζονται από ηλεκτρική ενέργεια), μαγνητικά (επηρεάζονται από μαγνητική ενέργεια) και χημικά (επηρεάζονται από χημική ενέργεια). Τα συγκεκριμένα υλικά χρησιμοποιούνται αρκετά στο πεδίο της αρχιτεκτονικής λόγω της διαθεσιμότητάς τους , της σταθερότητάς τους κ.ά. (Ritter, 2007). Όσον αφορά τα θερμοστατικά υλικά, τα πιο συνηθισμένα είναι τα υλικά θερμικής διαστολής (ΤΕΜ), τα θερμικά διμεταλλικά υλικά (ΤΒ), τα κράματα αλλαγής μνήμης (SMA), καθώς και τα πολυμερή αλλαγής μνήμης (SMP). Τα υλικά θερμικής διαστολής έχουν θετική, αρνητική ή μηδενική διαστολή. Για παράδειγμα, τα υλικά θετικής

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

θερμικής διαστολής χρησιμοποιούνται ως υλικά αλλαγής φάσης (PCM) για την αποθήκευση θερμικής ενέργειας και μπορούν να συνδυαστούν με άλλα υλικά ή συστατικά όπως τα αλκάνια (παραφίνες), τις αλκοόλες (γλυκερίνη) κλπ. Επίσης, τα θερμικά διμεταλλικά είναι σύνθετα υλικά, αποτελούμενα από δυο μεταλλικά συστατικά με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Το συστατικό που έχει υψηλή θερμική διαστολή ονομάζεται παθητικό, ενώ το άλλο ενεργό και αλλάζουν τη μορφή τους παίρνοντας μια καμπυλότητα, ανάλογα με τις συνθήκες της θερμοκρασίας. Τα υλικά αυτά χαρακτηρίζονται από καλή λειτουργικότητα, ολκιμότητα, υψηλό σημείο τήξης, υψηλό συντελεστή ελαστικότητας (συντελεστής Young), υψηλή αντοχή και προβλέψιμη συμπεριφορά. Τα συναντάμε σε διάφορες αρχιτεκτονικές εφαρμογές. Χαρακτηριστική περίπτωση είναι η δημιουργία μιας επιφάνειας που αντιδρά στις εξωτερικές αλλαγές της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα, όπως θα λειτουργούσε αντίστοιχα και το ανθρώπινο δέρμα (εικόνα 2). Συγκεκριμένα, η επιφάνεια έχει την ικανότητα να αλλάζει χρώμα σύμφωνα με τις εξωτερικές συνθήκες. Αποτελείται από σαράντα ακρυλικές μπάλες γυαλιού, οι οποίες μισές περιλαμβάνουν θερμικά διμεταλλικά σπειροειδή ελατήρια και ένα σύνθετο υλικό που αντιδρά στην υγρασία. Οι υπόλοιπες έχουν μόνο τα θερμικά διμεταλλικά σπειροειδή ελατήρια, τα οποία μετατοπίζουν το χρώμα και τις επιφάνειες του φίλτρου χρώματος σε απόκριση της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα, υποδεικνύοντας έτσι τις καταστάσεις του αέρα στο περιβάλλον (Ritter A., 2007). Έρευνα πάνω στα θερμικά διμεταλλικά υλικά έχει κάνει η Doris Kim Sung, η οποία δημιούργησε μια εγκατάσταση εξ ολοκλήρου κατασκευασμένη με αυτά τα υλικά. Η εγκατάσταση ονομάζεται “Bloom”, αποτελείται από 14 χιλιάδες κομμάτια διαφορετικά μεταξύ τους και λειτουργεί ως “επιδερμίδα” ικανή να διατηρεί τη θερμική άνεση

Εικ. 2. Έγχρωμες μπάλες ένδειξης με θερμοδιμεταλλικά σπειροειδή ελατήρια.

Κατηγοριοποίηση έξυπνων υλικών

με περιβαλλοντικά υπεύθυνο και οικονομικά αποδοτικό τρόπο, αντιγράφοντας τα χαρακτηριστικά του ανθρώπινου δέρματος. Τα υλικά επεκτείνονται και συστέλλονται ανάλογα τις μεταβολές της θερμοκρασίας δημιουργώντας συνθήκες σκίασης, ενώ παράλληλα λειτουργούν ως σύστημα αερισμού χωρίς την ανάγκη ηλεκτρικής ενέργειας (εικόνα 3). Επίσης, εργάζεται πάνω στην ενσωμάτωση αυτών των υλικών σε δομικά στοιχεία, όπως υαλοπίνακες και “αναπνευστικά” τούβλα, εμπνευσμένη από τις βιολογικές δυνατότητες των αναπνευστικών οπών και των τραχειακών συστημάτων των εντόμων (Galloway, 2014). Σχετικά με τα κράματα αλλαγής μνήμης (SMA), αποτελούνται από δυο διαφορετικά μεταλλικά στοιχεία τα οποία, μετά από μια θερμομηχανική επεξεργασία, έχουν την ικανότητα να “θυμούνται” και να επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση. Τα υλικά αυτά εντοπίζονται σε καλώδια, ράβδους και σε διάφορες εφαρμογές της αρχιτεκτονικής. Μια εφαρμογή αυτών των υλικών έχει γίνει από την Y.C. Vili (2003), η οποία χρησιμοποίησε υφάσματα με σύρμα από κράματα αλλαγής μνήμης, ώστε να δημιουργήσει ακανόνιστες δομές που θα προσφέρουν σκίαση στους χώρους, ανάλογα τη θερμοκρασία (εικόνα 4). Ενδιαφέρον παρουσιάζουν και οι μελέτες των Benjamin D. και Puckett N., με κράματα αλλαγής μνήμης και πολυμερή αλλαγής μνήμης σε προσόψεις κτιρίων, αντίστοιχα (Kolarevic, 2015). Αναλυτικότερα, ο Benjamin D. σε συνεργασία με τον Sooin Yang δημιούργησαν μια πρωτότυπη λεπτή διαφανή επιφάνεια με παράλληλες σχισμές που την ονόμασαν Living Glass, η οποία αποτελείται από σιλικόνη με ενσωματωμένα σύρματα Flexinol (εικόνα 5.1). Το Flexinol είναι κράμα μνήμης σχήματος που μπορεί να συστέλλεται λόγω ηλεκτρικού ρεύματος και να επανέρχεται

Εικ. 3. Εγκατάσταση “Bloom” με θερμικά διμεταλλικά υλικά.

Εικ. 4. Υφάσματα με σύρμα από κράματα αλλαγής μνήμης.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

στο σχήμα του όταν αυτό διακόπτεται. Στο πείραμα που διεξήχθη, οι μικροελεγκτές στέλνουν ηλεκτρικό φορτίο μέσω των συρμάτων, προκαλώντας στη σιλικόνη συρρίκνωση όταν τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στο εξωτερικό περιβάλλον αυξάνονται. Αφού ολοκληρωθεί αυτή η ενέργεια, οι σχισμές ανοίγουν και εισέρχεται φρέσκος αέρας, ενώ το CO2 αποβάλλεται. Οι σχισμές κλείνουν και πάλι όταν τα επίπεδα CO2 αυξηθούν, αποδεικνύοντας ότι είναι πολύ χρήσιμα για τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα μέσα στο χώρο. Αντίστοιχα, ο Puckett N. πειραματίστηκε με πολυμερή μνήμης σχήματος σε μια επιφάνεια που ήταν κομμένη, όπως φαίνεται στην εικόνα 5.2. Οι λωρίδες παίρνουν μια κάμψη όταν εκτίθενται στο φως του ήλιου, δημιουργώντας έτσι ανοίγματα στην επιφάνεια, ενώ επιστρέφουν στην αρχική τους θέση όταν σταματάει η έκθεσή τους στον ήλιο, κλείνοντας τα ανοίγματα. Εικ. 5. (1) Living Glass, επιφάνεια από σιλικόνη με ενσωματωμένα σύρματα Flexinol, 2007. (2) Δυναμική επιφάνεια από πολυμερή μνήμης σχήματος που ενεργοποιούνται με τον ήλιο, 2012.

Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα υλικά που έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν την ενεργειακή τους κατάσταση, αλλάζοντας τη σύνθεσή τους λόγω μιας εισερχόμενης ενέργειας που μετατρέπεται σε μια άλλη ενέργεια, διαφορετική της αρχικής. Για παράδειγμα, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν την ικανότητα να μετασχηματίζουν τη μηχανική καταπόνηση και τη δονητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, τα θερμοηλεκτρικά χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα και δημιουργούν μια διαφορά θερμοκρασίας στις αντίθετες πλευρές του υλικού, ενώ τα ηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια ελαστική ενέργεια που παραμορφώνει το σχήμα του υλικού (Mohamed, 2017). Τα πιο διαδεδομένα ηλεκτροενεργά έξυπνα υλικά στην αρχιτεκτονική είναι τα πολυμερή. Έχουν δημιουργηθεί πολυμερή που αντιδρούν σε χημικές, θερμικές, οπτικές ή μαγνητικές καταστάσεις. Τα υλικά αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επιφάνειες που έχουν την ικανότητα να παραμορφώνονται για να δημιουργούν διάφορες καταστάσεις σε συστήματα τοίχων. Στο βιβλίο του Ritter (2007), αναφέρεται ένα σύστημα με αισθητήρες και ενεργοποιητές που λαμβάνουν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια από τις δραστηριότητες των χρηστών και τη μετατρέπουν σε κινητική μεταβολή με τη βοήθεια των ηλεκτροενεργών πολυμερών (EAP). Το υλικό είναι ενσωματωμένο στο πάτωμα κοντά στην επιφάνεια του νερού της πισίνας, στους τοίχους που περικλείουν το ντουζ και στην πρόσοψη. Οι αισθητήρες λαμβάνουν τη δραστηριότητα των χρηστών και με τη βοήθεια των πολυμερών, τα στοιχεία αυτά ενεργοποιούνται και αλλάζουν τη μορφή τους. Ο τοίχος του ντουζ για παράδειγμα, μπορεί να πάρει ένα σπιράλ σχήμα, προστατεύοντας αυτόν που το χρησιμοποιεί ή να αλλάξει το σχήμα του για να καλύψει μια άλλη ανάγκη.

Εφαρμογές έξυπνων υλικών στην Αρχιτεκτονική

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Αν κατανοηθούν πλήρως τα χαρακτηριστικά των έξυπνων υλικών και οι ιδιότητές τους, μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε κατασκευαστικές δομές και συστήματα, ώστε να βελτιώσουν σημαντικά τη βιωσιμότητα των κτιρίων και την αποδοτικότητά τους. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 6, υπάρχουν έξυπνα δομικά υλικά (σκυρόδεμα, τούβλα, έξυπνες επικαλύψεις), μη δομικά υλικά, (υαλοπίνακες, σύνθετα υλικά, χρώματα, επιχρίσματα, κλπ.) και δομές με την ικανότητα να “θεραπεύονται” μόνες τους, που μας δίνουν περιθώρια να εξελίξουμε το τρόπο με τον οποίο κατασκευάζουμε ένα κτίριο.

Εικ. 6. Εφαρμογές των έξυπνων υλικών στην αρχιτεκτονική.

Έξυπνο σκυρόδεμα και τούβλα Το σκυρόδεμα έχει τροποποιηθεί με διάφορους τρόπους ώστε να λειτουργεί με έξυπνο τρόπο και να αντιλαμβάνεται το περιβάλλον του (βλέπε κεφάλαιο 4). Μια σημαντική τροποποίησή του επιτυγχάνεται με τη χρήση προσμίξεων, ώστε να λειτουργεί σαν αισθητήρας. Αναφέρεται πιο συγκεκριμένα (Sherif, 2013), ότι έχουν προστεθεί σε αυτό μικρές ίνες άνθρακα που του δίνουν την ικανότητα να ανιχνεύει τάσεις και μικροσκοπικές παραμορφώσεις. Με παρόμοιο τρόπο χρησιμοποιούνται και τα τούβλα, τα οποία μέσω ενσωματωμένων αισθητήρων ή επεξεργαστών σημάτων,

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ανιχνεύουν την υγρασία, τους ήχους, τις δυνάμεις που ασκούνται, διάφορες τάσεις και προειδοποιούν για αστοχίες ή ελέγχουν τη θερμοκρασία και τις δονήσεις που προκαλούνται στο κτίριο (εικόνα 7). Επιπλέον, το σκυρόδεμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έξυπνο υλικό, όταν περάσει από αυτό ηλεκτρικό ρεύμα. Μια τέτοια ενέργεια προτάθηκε από φοιτητές του Innovation Unit of the Royal College of Art (RCA), οι οποίοι ενσωμάτωσαν μελάνη, ως θερμοχρωμικό υλικό στο σκυρόδεμα και δημιούργησαν το “Chronos Chromos Εικ. 7. (1) Φωτογραφία πρωτότυπου ασύρματου συστήματος αισθητήρων τοποθετημένο σε τούβλο. (2) Σχεδίαση ασύρματου αισθητήρα που βρίσκεται σε εξέλιξη.

Εικ. 8. Chronos chromos concrete.

Εικ. 9. (1) Ψηφιακό ρολόι στην γκαλερί Tate. (2) Χρήση της τεχνολογίας του σκυροδέματος σε πισίνα.

Εφαρμογές έξυπνων υλικών στην Αρχιτεκτονική

Concrete” (εικόνα 8). Συγκεκριμένα, οι Glaister, Mehin και Rosen χρησιμοποίησαν καλώδια νικελίου – χρωμίου, τα οποία θερμαίνονται όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα και δημιούργησαν με αυτό το τρόπο διάφορα σχέδια ή νούμερα στο σκυρόδεμα (Glynn, 2006). Η αλλαγή στο χρώμα, εκτός από την άμεση θέρμανση, μπορεί να γίνει έμμεσα από ενδοδαπέδια θέρμανση και να χρησιμοποιηθεί αυτή η τεχνολογία στις πισίνες ή στα μπάνια (εικόνα 9).

Έξυπνη επικάλυψη Έχει αναπτυχθεί μια έξυπνη επικάλυψη (SmartWrap) που θα μπορούσε να αντικαταστήσει όλα τα υπάρχοντα υλικά εσωτερικού και εξωτερικού τοίχου. Το υλικό αυτό ενσωματώνει όλες τις λειτουργίες ενός απλού τοίχου (μόνωση, προστασία, ηλεκτρικό ρεύμα, παράθυρα) σε μια λεπτή μεμβράνη (Fehrenbacher, 2005). Απομονώνει, αποθηκεύει ενέργεια και ρυθμίζει τη θερμοκρασία, καθώς και την παροχή και τον έλεγχο του φωτός. Οι χρήστες μπορούν να την προγραμματίζουν ανάλογα με τις ανάγκες τους. Είναι ελαφρύ υλικό, μπορεί να μεταφερθεί και να εγκατασταθεί πολύ γρήγορα (εικόνα 10). Μια προσαρμοστική, ενεργειακά αποδοτική, ελαφριά και βιώσιμη επικάλυψη δημιούργησαν επίσης και οι Kieran S. και Timberlake J. (2008) για το σχεδιασμό της Cellophane House, μιας κατοικίας που ανατέθηκε στο μουσείο μοντέρνας τέχνης (εικόνα 11). Η συγκεκριμένη επικάλυψη αποτελείται από τέσσερα λειτουργικά στρώματα που τεντώθηκαν σε ένα πλαίσιο αλουμινίου. Κάθε πάνελ τοίχου περιλαμβάνει ένα εξωτερικό διαφανές PET (άχρωμο, διαφανές, φθηνό, με υψηλή μηχανική αντοχή υλικό) για την προστασία από τις καιρικές συνθήκες, ένα στρώμα ΡΕΤ με φωτοβολταϊκά, ένα στρώμα με μια μεμβράνη που εμποδίζει την ηλιακή θερμότητα και την υπεριώδη ακτινοβολία και ένα εσωτερικό στρώμα ΡΕΤ. Επίσης, μεταξύ των στρωμάτων σχεδιάστηκε μια κοιλότητα με στόχο να παγιδεύει τη θερμότητα το χειμώνα και να παρέχει αερισμό το καλοκαίρι, μειώνοντας την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση και τη ψύξη του κτιρίου. Τα οφέλη από τη χρήση τέτοιων εφαρμογών τεχνολογίας θα μπορούσαν να επιτρέψουν στο χρήστη να “προγραμματίσει” και να διαμορφώσει το σπίτι του με οικονομικές και γρήγορες λύσεις, σύμφωνα με τις επιθυμίες του. Επιπλέον, θα μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή, μέσα από συσκευές που θα είναι συνδεδεμένες με το σύστημα του κτιρίου, τι συμβαίνει σε αυτό, ενώ θα εξοικονομεί ενέργεια από τη θέρμανση, τη ψύξη, το φωτισμό και τα συστήματα ανανεώσιμων ηλιακών πηγών και θα περιορίζει ή θα καταργεί την ανάγκη για οικολογικά καταστροφικά, ογκώδη και οικοδομικά υλικά (Sherif, 2013).

Έξυπνοι υαλοπίνακες Οι τεχνολογίες των έξυπνων υαλοπινάκων συνεχώς αυξάνονται σε ζήτηση και οι προσδοκίες τους είναι πολύ υψηλές. Τα υλικά αυτά μπορούν να αλλάζουν την κατάστασή τους αυτόματα ή με τη βοήθεια του χρήστη, ώστε να ελέγχουν με ακρίβεια την ποσότητα φωτός, αντανάκλασης και θερμότητας που περνά μέσα από το παράθυρο (Mohamed, 2017). Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες έξυπνων υαλοπινάκων, οι οποίες θα μελετηθούν αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Έξυπνα σύνθετα υλικά Με τον όρο “σύνθετο” νοείται ένα υλικό που αποτελείται από δύο ή περισσότερα διαφορετικά υλικά ή φάσεις, χρησιμοποιώντας τις καλύτερες ιδιότητες και χαρακτηριστικά των μεμονωμένων συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά (composite materials) αποκτούν διαφορετικές μοναδικές ιδιότητες από εκείνες των συστατικών τους και είναι εύκολα αναγνωρίσιμες. Αποτελούνται από δύο φάσεις, εκ των οποίων η μια είναι το συστατικό ενίσχυσης, που προσδίδει στο σύνθετο τις βελτιωμένες ιδιότη-

Εικ. 10. Έξυπνη επικάλυψη Smartwrap, Εθνικό μουσείο σχεδίου Cooper Hewitt 2003.

Εικ. 11. Έξυπνη επικάλυψη Smartwrap, Μουσείο μοντέρνας τέχνης 2008.

Εφαρμογές έξυπνων υλικών στην Αρχιτεκτονική

τες και η άλλη είναι η μήτρα, που συγκρατεί αυτές τις ιδιότητες. Τα σύνθετα υλικά λοιπόν, κατηγοριοποιούνται με βάση το υλικό της μήτρας (πολυμερή, μεταλλικό ή κεραμικό), το τύπο της ενίσχυσης (κοκκώδη, ινώδη, στρωματικά, φυσικά ή πράσινα υλικά) και το μέγεθός της (μακροσύνθετη, μικροσύνθετη, νανοσύνθετη ενίσχυση) (Ηλιόπουλος, 2015). Λόγω των ιδιοτήτων τους παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή αντοχή, ακαμψία, μείωση βάρους της κατασκευής κ.ά. Εντοπίζονται σε διάφορα κατασκευαστικά υλικά, σε δομές, σε εφαρμογές και παραδείγματα στην αρχιτεκτονική. Για παράδειγμα, ένα σύνθετο τεχνητό υλικό είναι οι συνθετικοί αφροί που συνδυάζονται μηχανικά με ρητίνες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με λεπτά πάνελ και να δημιουργήσουν σύνθετα δομικά στοιχεία. Επίσης, τα ινώδη ενισχυμένα πολυμερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενίσχυση στο σκυρόδεμα, το χάλυβα ή άλλα δομικά υλικά και να δημιουργήσουν ένα νέο σύνθετο υλικό με καλύτερες ιδιότητες ή να συνδυαστούν με αισθητήρες οπτικών ινών, δημιουργώντας ένα ελκυστικό και ιδιαίτερα οικονομικά αποδοτικό σύνθετο (Mohamed, 2017). Τα περισσότερα παραδείγματα που παρουσιάζονται σε αυτή την ερευνητική εργασία αφορούν ιδιότητες, χαρακτηριστικά και εφαρμογές των σύνθετων υλικών.

Έξυπνα χρώματα, βαφές και επιχρίσματα Η βαφή και οι επιστρώσεις είναι αρχαίες τεχνικές για την αλλαγή ή τη βελτίωση των χαρακτηριστικών ή των επιδόσεων ενός υλικού. Η ανάπτυξη έξυπνων χρωμάτων και επιχρισμάτων δίνει σε αυτές τις παλαιές προσεγγίσεις νέες δυνατότητες (Mohamed, 2017). Υπάρχουν έξυπνα υλικά ή προϊόντα που μεταβάλλουν την κατάσταση του χρώματός τους ή τις οπτικές τους ιδιότητες όταν επιδρούν σε ερεθίσματα του φωτός, της θερμοκρασίας, της συμπίεσης, του ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, όπως τα φωτοχρωμικά, θερμοχρωμικά, θερμοτροπικά, ηλεκτροχρωμικά υλικά κ.ά. Τα υλικά αυτά μπορούν να συνδυαστούν με χρωστικές ουσίες και να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές των κτιρίων. Για παράδειγμα, δημιουργήθηκε μια φωτοχρωμική σκόνη που ενσωματώθηκε σε μελάνια και χρώματα με τη μορφή πρόσθετων ή διάφορων διαλυτών και παρατηρήθηκε ότι μπορεί να αντέξει σε χαμηλές και υψηλές θερμοκρασίες (-40οC ως +250οC). Επίσης ενσωματώθηκαν φωτοχρωμικά υλικά σε χρώματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ξύλο, πλαστικό, σκυρόδεμα κλπ και διαπιστώθηκε ότι έχουν υψηλή ευελιξία και απορροφούνται εύκολα (Ritter, 2007). Σε αρχιτεκτονικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται επίσης θερμοχρωμικά πλαστικά, θερμοχρωμικά/θερμοτροπικά γυαλιά και θερμοχρωμικές χρωστικές ουσίες, βαφές ή επιχρίσματα που αντιδρούν στη θερμοκρασία αλλάζοντας το χρώμα τους και τις οπτικές τους ιδιότητες. Ένα από τα πρώτα φωτοχρωμικά γυαλιά εμφανίστηκε στο μουσείο μοντέρνας τέχνης του Μοναχό το 1992, από τους Becker Gewers Kuhn and Kuhn Architects (εικόνα 12), ενώ φωτοχρωμικές χρωστικές ουσίες έχουν εντοπιστεί και σε άλλα προϊόντα, όπως σε περιφερειακά εξαρτήματα του υπολογιστή, το ποντίκι (εικόνα 13). Αυτά τα υλικά αλλάζουν την κατάστασή τους και επανέρχονται ξανά στην αρχική τους (αναστρέψιμα) ή παραμένουν σταθερά (μη αναστρέψιμα). Η θερμοκρασία (ή η περιοχή θερμοκρασιών) στην οποία συμβαίνουν οι αλλαγές χρωμάτων ονομάζεται θερμοχρωμική μεταγωγή ή θερμοκρασία μετάβασης

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

(Garshasbi & Santamouris, 2019).Οι φωτοχρωμικές επιστρώσεις, τα χρώματα και τα μελάνια που χρησιμοποιούνται σε προϊόντα παρουσιάζουν μια φωτοχημική αντίδραση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Η ενσωμάτωση των θερμοχρωμικών υγρών κρυστάλλων και των βαφών Leuco σε αυτά, αυξάνουν την ακρίβεια, τη σταθερότητα και το προσδόκιμο ζωής του προϊόντος (ThermometerSite, χχ). Η βαφή Leuco διατίθεται σε διάφορες μορφές όπως σκόνη, βαφή, μελάνη με βάση το νερό ή σε masterbatch (στερεό ή υγρό πρόσθετο που χρησιμοποιείται για χρωματισμό πλαστικών). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χαμηλές ως μέτριες θερμοκρασίες (-20οC ως +130οC) και είναι μη τοξική (Ritter, 2007 / ThermometerSite, χχ). Όσον αφορά τις χρωστικές ουσίες Leuco, έχουν σχεδιαστεί για να αλλάζουν χρώμα σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (24οC ως 154οC) και διατίθενται σε διάφορα χρώματα (ThermometerSite, χχ). Αναφέρεται επιπλέον, ότι είναι από τα πιο δημοφιλή θερμοχρωμικά υλικά με υψηλή ανακλαστικότητα σε θερμές περιόδους και χαμηλή σε ψυχρές περιόδους, ενώ παράλληλα μπορούν να μειώσουν αισθητά τόσο τα φορτία θέρμανσης όσο και ψύξης των κτιρίων. Ως εκ τούτου, είναι σε θέση να δημιουργήσουν αποτελεσματικά εσωτερικές και εξωτερικές συνθήκες καθ‘όλη τη διάρκεια του έτους. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι χρωστικές Leuco είναι το μόνο είδος θερμοχρωμικών υλικών που έχουν δοκιμαστεί για την εφαρμογή τους στο δομημένο περιβάλλον μέχρι στιγμής, ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας και τις οπτικές,θερμικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Διαπιστώθηκε επίσης, ότι ο φορέας του υλικού και το υπόστρωμα παίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοσή τους. Τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος για παράδειγμα, επηρεάζουν τη φασματική ανακλαστικότητα των υλικών. Παρόλα αυτά, έχει επισημανθεί ένα αρνητικό στοιχείο στις επιφάνειες των υλικών που χρησιμοποιούν βαφές Leuco. Η βαφή εξασθενεί και ξεθωριάζει στο πέρασμα των ωρών, παράλληλα αυξάνεται η ανακλαστικότητα της, ενώ η άχρωμη κατάσταση του υλικού γίνεται πιο σκούρα και η ηλιακή ανάκλαση μειώνεται όταν το υλικό βρίσκεται πολλές ώρες σε έκθεση στον ήλιο. Αυτοί είναι κάποιοι λόγοι που δεν επιτρέπουν στις χρωστικές Leuco να χρησιμοποιηθούν απευθείας στα κτίρια, εκτός εάν αναπτυχθεί μια αποτελεσματική μέθοδος ικανή να χειριστεί το πρόβλημα της εξασθένισης (Karlessi et al., 2009). Όπως προαναφέρθηκε, οι βαφές και οι επιστρώσεις βελτιώνουν τα χαρακτηριστικά και τις επιδόσεις των υλικών, γεγονός που προκάλεσε διάφορες εταιρείες να ασχολούνται με την ανάπτυξη έξυπνων βαφών, χρωμάτων ή επιχρισμάτων. Η εταιρεία OliKrom για παράδειγμα, έχει σχεδιάσει τις δικές της έξυπνες βαφές, μελάνη και επιχρίσματα τα οποία αντιδρούν και αλλάζουν το χρώμα τους ως συνάρτηση της θερμοκρασίας (θερμοχρωμικά), του φωτός (φωτοχρωμικά), της πίεσης (πιεζοχρωμικά), ενός διαλύτη (διαλυτοχρωμικά) και ενός αερίου (αεριοχρωμικά). Για παράδειγμα, έχουν δημιουργήσει επιχρίσματα χρησιμοποιώντας τρεις θερμοχρωμικές τεχνολογίες, την OliKrom@TSoft (εικονα 14.1), την OliKrom@TMemory (εικόνα 14.2) και την OliKrom@TOne (εικόνα 14.3). Η πρώτη τεχνολογία αφορά τις αναστρέψιμες αλλαγές του χρώματος σε καθορισμένη θερμοκρασία Τ1 και την επαναφορά του χρώματος στην αρχική του κατάσταση όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από Τ1 (θερμοκρασίες μεταξύ -100oC ως +100oC). Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο, σε συσκευασίες κλπ. Η δεύτερη, αφορά τις αλλαγές του χρώματος βάση της μνήμης του, δηλαδή το χρώμα αλλάζει την κατάστασή του στη θερμοκρασία Τ1 και ανακτάται ξανά όταν πέσει κάτω από Τ2 και η διαδικασία που ακολουθείται βασίζεται στη μνήμη του χρώματος. Χρησιμοποιείται

Εφαρμογές έξυπνων υλικών στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 12. Επιφάνεια φωτοχρωμικών γυαλιών, Μοντέλο από το μουσείο σύγχρονης τέχνης του Μοναχό, Becker Gewers Kuhn και Kuhn Architects.

Εικ. 13. Θερμοχρωμικές βαφές σε θερμοκρασία 31οC αναμειγμένες με συμπύκνωμα (τεχνολογία από Alsa Corporation).

Εικ. 14. (1) Αναστρέψιμη αλλαγή χρώματος, OliKrom@TSoft. (2) Αναστρέψιμη αλλαγή χρώματος βάση μνήμης, OliKrom@ TMemory. (3) Μη αναστρέψιμη αλλαγή χρώματος, OliKrom@TOne.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

σε διάφορα προϊόντα για έλεγχο της θερμικής κατάστασης συγκεκριμένων στοιχείων ή για να αναγνωρίζονται οι συνθήκες υπερφόρτισης σε ηλεκτρικά εξαρτήματα κλπ. Η τρίτη τεχνολογία αφορά τα χρώματα που αλλάζουν μόνιμα την κατάστασή τους σε δεδομένη θερμοκρασία που κυμαίνεται μεταξύ +60oC ως +900oC και συνήθως χρησιμοποιούνται για να γίνεται φανερή η αύξηση της θερμοκρασίας όταν υπερβαίνεται κάποιο δεδομένο όριο. Η OliKrom βελτιώνει συνεχώς τα προϊόντα της και αναπτύσσει μια σειρά χρωστικών ουσιών με βέλτιστη ρυθμιστική και περιβαλλοντική ποιότητα. Οι πιεζοχρωμικές και φωτοχρωμικές χρωστικές της εντάσσονται σε πολλά προϊόντα, για να ελέγχεται η μηχανική συμπεριφορά τους και χρησιμοποιούνται για διαδραστικότητα ή οπτική σήμανση αντίστοιχα. Υπάρχουν επίσης φθορίζουσες και φωσφορίζουσες μελάνες και χρώματα που ονομάζονται LuminoKrom® και η χρήση τους συναντάται σε εφαρμογές σήμανσης, ασφάλειας κλπ (εικόνα 15). Αξίζει να σημειωθεί, πως τα θερμοχρωμικά χρώματα αποτελούνται και από υγρούς κρυστάλλους που αλλάζουν από το αρχικό τους χρώμα (π.χ. μπλε) σε διάφορα άλλα (π.χ. καφέ, κίτρινο, βιολετί και πράσινο) ανάλογα τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται σε μέταλλα, ξύλο, γυαλί, πλαστικό και άλλα υλικά και είναι διαθέσιμα σε οκτώ διαφορετικά χρώματα, ενώ μπορούν να επεξεργαστούν με άλλα χρώματα. (Ritter, 2007). Ακόμη, η χρήση φωτονικών κρυστάλλων που μεταβάλλουν την κατάστασή τους σε σχέση με το δείκτη διάθλασης ανάλογα με τη θερμοκρασία, προτείνουν μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε χρωστικά επιχρίσματα και βαφές. Λεπτές μεμβράνες φωτονικών κρυστάλλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιστρώσεις στις προσόψεις των κτιρίων, διότι φαίνεται να έχουν υψηλή αντοχή κατά της λεύκανσης και μπορούν να δημιουργήσουν διάφορες θερμοχρωμικές καταστάσεις (Garshasbi & Santamouris, 2019). Τέλος, υπάρχουν φωτοχρωμικά μελάνια (LCR Hallcrest) που αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται σε υπεριώδες φως. Τα μελάνια είναι άχρωμα σε εσωτερικούς χώρους και μετατρέπονται σε ζωντανά χρώματα στους εξωτερικούς, έχοντας έντονο χρώμα μετά από 15 δευτερόλεπτα σε άμεση επαφή τους με ηλιοφάνεια και επιστρέφουν ξανά στην αρχική τους κατάσταση μετά από περίπου 5 λεπτά σε εσωτερικούς χώρους (ThermometerSite, χχ).

ΕΞΥΠΝΕΣ ΔΟΜΕΣ Οι έξυπνες δομές είναι συστήματα που ενσωματώνουν συγκεκριμένες ικανότητες αίσθησης και ενεργοποίησης, ώστε να διαχειρίζονται με έξυπνο τρόπο απαραίτητες ενέργειες για την ομαλή λειτουργία του κτιρίου. Μια έξυπνη δομή αποτελείται από πέντε συστατικά (εικόνα 16): έναν αισθητήρα (απόκτηση δεδομένων) που συλλέγει δεδομένα και τα επεξεργάζεται για να παρακολουθεί τη δομή, ένα σύστημα μεταβίβασης δεδομένων (αισθητήρια νεύρα) που διαβιβάζουν τα δεδομένα στις τοπικές/ κεντρικές μονάδες ελέγχου, μια μονάδα χειρισμού και ελέγχου (εγκέφαλος) που διαχειρίζεται, ελέγχει και αναλύει τα δεδομένα ώστε να βγάλει το κατάλληλο συμπέρασμα και να καθορίσει τις απαιτούμενες ενέργειες, ένα σύστημα με τις οδηγίες των δεδομένων που μεταβιβάζει τις αποφάσεις και τις σχετικές οδηγίες στα μέλη της δομής και τους ενεργοποιητές που ενεργοποιούν τις συσκευές ελέγχου. Σε αυτές εντάσσονται τα υλικά που έχουν την ικανότητα να θεραπεύονται μόνα

Έξυπνες δομές

5 Εικ. 15. (1) Θερμοχρωμικό επίχρισμα. (2) Πιεζοχρωμικό επίχρισμα, OliKrom@ hvOne. (3) Φωτοχρωμική χρωστική ουσία, OliKrom@hvSoft. (4) Φθορίζουσα χρωστική ουσία LuminoKrom®. (5) Φωσφορίζουσα χρωστική ουσία LuminoKrom®.

Εικ. 16. Τα πέντε συστατικά της έξυπνης δομής.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

τους (Self-healing materials), τα υλικά αυτόνομης και αυτογενής επούλωσης (Autonomic/Autogenic materials) και τα υλικά με παθητικές και ενεργές λειτουργείες (Passive/Active mode) (Mohamed, 2017).

Υλικά που “θεραπεύονται” μόνα τους Σύμφωνα με τον Ghosh (2009) στα υλικά αυτά περιλαμβάνονται μέταλλα, πολυμερή, κεραμικά, σύνθετα (περιλαμβάνεται και το σκυρόδεμα) και τα επιχρίσματα. Συγκεκριμένα, αναφέρεται πως εντάσσονται στις έξυπνες δομές διότι περιέχουν ενσωματωμένους θεραπευτικούς παράγοντες που δρουν όταν το υλικό υπέστη κάποια βλάβη, “θεραπεύοντάς” την και αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής του. Τα συγκεκριμένα υλικά εφαρμόζονται σε πολλούς τομείς, διότι είναι υλικά υψηλής τεχνολογίας που προσφέρουν αρκετές δυνατότητες. Σε άρθρο τους οι Shi, Wang και Deng (2019), αναφέρουν ότι αυτοθεραπευτική συμπεριφορά παρουσιάζει το σκυρόδεμα (δείγμα με ρωγμές), που περιέχει ιπτάμενη τέφρα και ίνες για τη βελτίωση της θεραπευτικής απόδοσης, συγκρίνοντας το φορτίο καμπής και κάμψης πριν και μετά τη ρωγμή. Μια ακόμη αυτοθεραπευτική συμπεριφορά του σκυροδέματος αναφέρεται σε συνέντευξη του Dr Henk Jonkers (Arnold, 2011/Giatec Scientific Inc., 2015), ο οποίος είναι μικροβιολόγος που ειδικεύεται στη συμπεριφορά των βακτηριδίων στο περιβάλλον. Πιο συγκεκριμένα, το σκυρόδεμα χρησιμοποιεί βακτήρια για να παράγει ασβεστόλιθο, ώστε να θεραπεύσει τις ρωγμές που εμφανίζονται στην επιφάνειά του (εικόνα 17). Ειδικά επιλεγμένοι τύποι του βακτηρίου γένος Bacillus, μαζί με γαλακτικό ασβέστιο, άζωτο και φώσφορο, προστίθενται στα συστατικά του σκυροδέματος όταν αναμιγνύεται και αποδίδουν στο σκυρόδεμα αυτο-θεραπευτικές ικανότητες (εικόνα 18). Παρόλα αυτά εντοπίζονται δυο βασικά εμπόδια στην ανάπτυξη του υλικού, που αφορούν την αντοχή του στη θλίψη και το υψηλό κόστος που είναι διπλάσιο του συμβατικού σκυροδέματος. Γι΄αυτό το λόγο έγιναν περαιτέρω προσπάθειες για βελτιστοποίηση του υλικού, σε στενή συνεργασία με τους Schlangen E., Wiktor V. και Thijssen A. στο Delft. Εκεί αναπτύχθηκε ένας δεύτερος αυτο-θεραπευτικός παράγοντας, πολύ φθηνότερος και με ισχυρότερο σκυρόδεμα που περιλαμβάνει μόνο το 3-5% του συνολικού όγκου. Επίσης, ακινητοποιεί τη θρεπτική ουσία με βάση τη ζάχαρη, έχει νέο σχήμα και μορφή και τα βακτήρια με τις θρεπτικές ουσίες αποθηκεύονται με διαφορετικό τρόπο καθιστώντας το προϊόν βιώσιμο για τις περισσότερες κατασκευαστικές εφαρμογές σκυροδέματος (Arnold, 2011/Giatec Scientific Inc., 2015).

Υλικά αυτόνομης και αυτογενής επούλωσης Τα σύνθετα υλικά που έχουν την ικανότητα να εμφανίζουν αυτοθεραπευτικές δυνατότητες λόγω απελευθέρωσης ενθυλακωμένων ρητινών ή κολλών, ονομάζονται αυτόνομα. Στο Πανεπιστήμιο του Cardiff (UK), διεξήχθη μια έρευνα που εξέταζε την ικανότητα τεχνητής δημιουργίας τσιμεντοειδούς υλικού με αυτόνομες θεραπευτικές ιδιότητες (Ghosh, 2009). Η βασική ιδέα στηριζόταν στο ότι ο σχηματισμός ρωγμών στη μήτρα προκαλεί ρηγμάτωση των καψουλών και των συγκολλητικών ουσιών που βρίσκονται σε αυτή, οπότε τα περιεχόμενα των καψουλών απελευθερώνονται στο επίπεδο ρωγμής προσπαθώντας να θεραπεύσουν το υλικό (εικόνα 19). Ο

Έξυπνες δομές

Εικ. 17. Σχηματική διαδικασία αυτοεπούλωσης σε σκυρόδεμα. (1) Το νερό εισέρχεται από τα αριστερά σε μια μικροσκοπική ρωγμή ενεργοποιώντας τα ενσωματωμένα βακτήρια. (2) Τα ενεργά βακτήρια σφραγίζουν τις ρωγμές με την παραγωγή ασβεστόλιθου, προστατεύοντας την ενσωματωμένη ενίσχυση χάλυβα από τη διάβρωση.

Εικ. 18. (1) Ο Henk Jonkers τοποθετεί ένα δείγμα αυτο θεραπευτικού σκυροδέματος σε μια μηχανή που θα δημιουργήσει ρωγμές στην επιφάνεια. (2) Το αυτο θεραπευτικό σκυρόδεμα εμφανίζει 50% όγκο επεκταμένου παράγοντα επούλωσης αργίλου. Τα βακτήρια και τα σκούρα σωματίδια διατηρούνται ακινητοποιημένα σε ξεχωριστές θέσεις.

Τσιμεντοειδές υλικό Εύθραστο δοχείο

Εφαρμοζόμενο φορτίο υπό τον έλεγχο διαδρομής Μπάρα υψηλής απόδοσης 3,15χιλ.

4no. Τριχοειδείς σωλήνες OD=4χιλ., ID=3χιλ.

Θεραπευτικό μέσο

Επίπεδο κόλλας κατά την έναρξη της δοκιμής Η ρωγμή σπάει το δοχείο και ο θεραπαυτικός παράγοντας ρέει έξω

Πώμα κεριού

Εγκοπή 5χιλ.

Θεραπευμένη ρωγμή

Εικ. 19. (1) Αυτόνομη επούλωση. (2) Πειραματικές δοκιμές σε δοκούς με εγκοπές για αυτόνομες θεραπευτικές ιδιότητες.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Ghosh (2009) αναφέρει επίσης, πως αν το υλικό έχει γενικές θεραπευτικές ιδιότητες, τότε χαρακτηρίζεται ως έξυπνο υλικό και η διαδικασία επούλωσης που ακολουθεί ονομάζεται αυτογενής. Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν μια “φυσική” θεραπευτική ικανότητα. Για παράδειγμα, τα τσιμεντοειδή υλικά είναι αυτογενή και έχουν την ικανότητα να επιδιορθώνονται από μόνα τους. Αυτό επιτυγχάνεται διότι το σκυρόδεμα επανυδατώνεται από το νερό, το οποίο αντιδράει με τους θύλακες της μήτρας (μη ενυδατωμένου τσιμέντου) και ξεκινάει η διαδικασία ενυδάτωσης (επούλωση). Οι κύριες αιτίες της αυτογενής επούλωσης βασίζονται σε χημικές, φυσικές και μηχανικές διεργασίες. Το φαινόμενο αυτό έχει εντοπιστεί σε έρευνα των Sahaharan και Li (2008), που εξέτασαν την επίδραση της αυτογενής επούλωσης σε κατασκευασμένα τσιμεντοειδή σύνθετα (ECC). Επίσης, οι Reinhartd και Jooss (2003), εξέτασαν την επίδραση της θερμοκρασίας στη διαπερατότητα και στην αυτοθεραπεία του σκυροδέματος με ρωγμές. Στην έρευνα δείχθηκε ότι η μείωση του ρυθμού ροής εξαρτάται από το πλάτος και τη θερμοκρασία της ρωγμής και πως οι μικρότερες ρωγμές θεραπεύονται ταχύτερα από τις μεγαλύτερες, ενώ η υψηλότερη θερμοκρασία ευνοεί μια ταχύτερη διαδικασία επούλωσης.

Υλικά με παθητικές και ενεργές λειτουργίες Τα έξυπνα υλικά που “θεραπεύονται” μόνα τους, ταξινομούνται ανάλογα την παθητική και ενεργή φύση των θεραπευτικών τους ικανοτήτων. Τα έξυπνα υλικά που έχουν την ικανότητα να αντιδρούν στα εξωτερικά ερεθίσματα χωρίς την επέμβαση κάποιου χρήστη, λειτουργούν με παθητικό τρόπο. Αντιθέτως, ένα έξυπνο υλικό με ενεργή λειτουργία απαιτεί παρέμβαση του χρήστη προκειμένου να ολοκληρωθεί η διαδικασία επούλωσης. Ένα υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί σε αρκετές αρχιτεκτονικές εφαρμογές, κυρίως σε επιφάνειες διότι έχει την ικανότητα να αλλάζει τις ιδιότητες του με παθητικό τρόπο, σε απόκριση με την υπεριώδη ακτινοβολία είναι το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Το πρώτο προϊόν που χρησιμοποίησε αυτό το υλικό και βγήκε στην αγορά από Ιάπωνες, ήταν οι αυτοκαθοριζόμενες κεραμικές πλάκες που έχουν την ικανότητα να διαλύουν τα αέρια ρύπανσης. Στην πορεία, ακολούθησαν και άλλα προϊόντα με βάση το διοξείδιο τιτανίου, όπως κατασκευαστικές επιστρώσεις και υαλοπίνακες. Για παράδειγμα, ο Wimmer A. και οι συνεργάτες του (Ritter, 2007), σχεδίασαν μια πολυκατοικία, τη Monte Verde, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην πρόσοψη της (εικόνα 20). Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν μια φωτοκαταλυτική επίστρωση από κεραμικά μπλε-πράσινα πλακάκια που έχουν την ιδιότητα να χρησιμοποιούν τον ήλιο για να σχηματίσουν μια υδρόφιλη επιφάνεια στην οποία το νερό απομακρύνει τις βρωμιές (παθητική λειτουργία επίστρωσης). Τα πλακάκια έχουν την δυνατότητα πέρα του να καθαρίζονται μόνα τους, να καθαρίζουν και τον αέρα λόγω ενεργοποιημένου οξυγόνου, το οποίο παράγεται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που σχηματίζονται στην επιφάνεια της επικάλυψης. Έχει παρατηρηθεί ότι η επιφάνεια αυτή καθαρίζει τον αέρα, όπως θα έκαναν ισοδύναμα 476 φυλλοβόλα δέντρα μεσαίου μεγέθους, πράγμα που σημαίνει ότι η τεχνολογία αυτή αν ενσωματωθεί σε κτίρια πόλεων με πρόβλημα μόλυνσης του αέρα, θα βοηθήσει στην αντιμετώπισή του. Παρόμοιο παράδειγμα συναντάμε στην εκκλησία της Ρώμης (εικόνα 21), που σχεδίασε ο Richard Meier (1996-03). Η δομή του κτιρίου αποτελείται από λευκό σκυρόδεμα, το οποίο είναι

Έξυπνες δομές

Εικ. 20. Monde Verde Tower, Βιέννη.

Εικ. 21. Jubilee Church, Ρώμη, Ιταλία.

Ίνες επικαλλυμένες με κερί, γεμισμένες με μεθακρυλικό μεθύλλιο

Το μεθακρυλικό μεθύλλιο πολυμερίζεται κατά τη διάρκεια της δεύτερης θέρμανσης, κλείνοντας τις προηγούμενες ρωγμές

Η επικάλυψη κεριού τήκεται με την αρχική θέρμανση, το μεθακρυλικό μεθύλλιο απελευθερώνεται από τις ίνες στις ρωγμές

Συγκολλητική ουσία που απελευθερώνεται από τη ρωγμή

Εικ. 22. (1)Ενεργή λειτουργία απελευθέρωσης μέσω τήξης της κέρινης επίστρωσης σε πορώδεις ίνες που περιέχουν ως θεραπευτικό μέσο μεθακρυλικό μεθύλιο. (2)Παθητική λειτουργία απελευθέρωσης μέσω της φυσικής ρωγμής της ίνας υπό φορτίο.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

επικαλυμμένο με διοξείδιο του τιτανίου και μπορεί να καθαρίζεται από μόνο του, ελαχιστοποιώντας την ανάγκη για συντήρηση (Povoledo, 2006). Μια ακόμη έρευνα πάνω στις παθητικές και ενεργές λειτουργίες του σκυροδέματος είναι του Dry (1994). Στην ενεργή λειτουργία (παρέμβαση χρήστη), εφαρμόζεται στη μήτρα μια χαμηλή θερμότητα με αποτέλεσμα η επικάλυψη του σκυροδέματος να τήκεται σε πορώδεις ίνες και το μεθακρυλικό μεθύλιο να μετακινείται προς τη μήτρα. Όταν η θερμότητα αυξάνεται το υλικό αυτό πολυμερίζεται (εικόνα 22.1.) ως αποτέλεσμα να μειώνεται η διαπερατότητα του σκυροδέματος. Η παθητική λειτουργία που εξετάστηκε αφορά την επούλωση του σκυροδέματος, με την απελευθέρωση συγκολλητικών ουσιών από κοίλες ίνες γυαλιού στις ρωγμές του. Η φόρτωση, η οποία προκαλεί τη μικροσυσσωμάτωση στη μήτρα, σπάει τις ίνες γυαλιού επιτρέποντας την απελευθέρωση της χημικής ουσίας και τη ροή της στις ρωγμές (εικόνα 22.2.). Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι οι ρωγμές επουλώνονται και το υλικό γίνεται σκληρότερο. Συνεπώς, το παθητικό σύστημα απελευθέρωσης δεν χρειάζεται επέμβαση, επισκευή και συντήρηση από το χρήστη, ενώ το ενεργό σύστημα απαιτεί ανθρώπινη παρέμβαση που επιτρέπει στο χρήστη να έχει τον έλεγχο και να νιώθει μεγαλύτερη εμπιστοσύνη.

Έξυπνες δομές ως αισθητήρες και συστήματα απομόνωσης βάσης Τα κτίρια υπόκεινται σε δονήσεις, σεισμούς, φορτία ανέμων, που μπορούν να προκαλέσουν βλάβες τόσο στα δομικά συστήματα όσο και στα μη δομικά στοιχεία του κτιρίου. Τα φαινόμενα αυτά μετριάζονται μέσα από ελεγχόμενους μηχανισμούς έξυπνης απόσβεσης. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού έχουν προταθεί συστήματα που βασίζονται σε διάφορα ηλεκτρο-/μαγνητορεολογικά υγρά ή πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα, σε συσσωρευτές ενέργειας, αισθητήρες και ενεργοποιητές για τον έλεγχο των κραδασμών στο κτίριο. Οι Zou Y, Tong και Steven (2000), αναφέρουν ότι οι αισθητήρες με βάση το πιεζοηλεκτρικό υλικό μπορούν να εισάγονται στο υλικό κατασκευής και να ανιχνεύουν τυχόν ζημιές που συμβαίνουν στο κτίριο, καταγράφοντάς τες σε πραγματικό χρόνο. Επιπρόσθετα, οι Addington και Schodek (2005), δοκίμασαν πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες και ενεργοποιητές για τον έλεγχο των κραδασμών των κατασκευών πλαισίου από χάλυβα για εγκαταστάσεις παραγωγής ημιαγωγών. Ο έλεγχος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροποποιήσει τις ιδιότητες ακαμψίας των δομών και γενικά τη συμπεριφορά των δομικών στοιχείων, ενισχύοντάς τα ανάλογα με τις ανάγκες. Όσον αφορά τα συστήματα απομόνωσης βάσης, οι Ramallo, Johnson και Spencer (2002) πρότειναν ένα αποτελεσματικό σύστημα που θα προστατεύει τη δομή από τις διάφορες δονήσεις. Το προτεινόμενο σύστημα αποτελείται από συμβατικά ελαστομερή ρουλεμάν χαμηλής απόσβεσης και “έξυπνα” ελεγχόμενους (ημιενεργούς) αποσβεστήρες και συγκρίνεται με συστήματα απομόνωσης ρουλεμάν μολύβδου. Αποδείχτηκε ότι το σύστημα που προτάθηκε επιτυγχάνει αξιοσημείωτες μειώσεις στις μετατοπίσεις των βάσεων και παρέχει καλή προστασία των δομών και των περιεχόμενών της. Μια άλλη έρευνα των Usman et al. (2009), αξιολόγησε τη δυναμική απόδοση του έξυπνου συστήματος βάσης που χρησιμοποιεί μαγνητορεολογικά

Έξυπνες δομές

ελαστομερή (MREs) και ανέδειξε ότι οι αποκρίσεις του συστήματος MRE (μετατόπιση βάσης, δομική επιτάχυνση και μετατόπιση ιστορικού), ήταν μικρότερες από εκείνες του συγκρίσιμου παθητικού συστήματος. Μέσω της προηγούμενης αναλυτικής μελέτης για τα έξυπνα υλικά, τις δομές και τα συστήματα, παρατηρείται ότι οι έξυπνες τεχνολογίες υλικών είναι το κύριο αντικείμενο που επηρεάζει άμεσα όλες τις διαδικασίες σχεδιασμού, από την πρώτη ιδέα δηλαδή το καινοτόμο σχεδιαστικό υπόδειγμα μέχρι το τέλος της κατασκευής του κτιρίου. Οι προκλήσεις που προκύπτουν για την ανάπτυξη των έξυπνων υλικών γίνονται συνεχώς αντιληπτές, διότι αυτά τα υλικά μπορούν να έχουν εντυπωσιακά αποτελέσματα ως προς το ζήτημα της περιβαλλοντικής κρίσης, τη μείωση του ενεργειακού κόστους και το βιώσιμο αρχιτεκτονικό σχεδιασμό που αποφέρει οφέλη στη μακροπρόθεσμη διατήρηση των πόρων και στη συνολική ποιότητα ζωής. Συνεπώς, τα έξυπνα υλικά προτείνουν μια ολοκληρωμένη προσέγγιση προς ένα νέο καινοτόμο αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, δίνοντας νέες σχεδιαστικές δυνατότητες.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κείμενο: Addington D.M., Schodek D.L., (2005), Smart Materials and New Technologies: For the architecture and design professions, Architectural Press, https://bintian.files. wordpress.com/2013/01/smart-materials-new-technologies-for-the-architecturedesign-professions.pdf Arnold D., (2011), Self-Healing Concrete, Ingenia 46, https://www.ingenia.org. uk/getattachment/Ingenia/Issue-46/SelfHealing-Concrete/Arnold.pdf Dry C., (1994), Matrix cracking repair and filling using active and passive modes for smart timed release of chemicals from fibers into cement matrices, Smart Materials and Structures 3 (pp. 118–23), https://iopscience.iop.org/ article/10.1088/0964-1726/3/2/006/pdf Galloway A., (14/05/2014), When Biology Inspires Architecture: An Interview with Doris Kim Sung, ArchDaily, https://www.archdaily.com/505016/when-biologyinspires-architecture-an-interview-with-doris-kim-sung, Πρόσβαση: 21/04/2019 Garshasbi S., Santamouris M., (2019), Using advanced thermochromic technologies in the built environment: Recent development and potential to decrease the energy consumption and fight urban overheating, Solar energy materials & Solae cells 191 (pp. 21-32), https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.10.023 Ghosh, S. K., (2009), Self-healing materials: Fundamentals, Design Strategies and Applications, Wiley-VCH, Weinheim, Germany Giatec Scientific Inc., (05/2015), Self-Healing Bio-Concrete, https://www. giatecscientific.com/education/bio-concrete/, Πρόσβαση: 05/05/2019 Glynn R., (15/04/2006), Chronos chromos concrete, Interactive Architecture Lab, http://www.interactivearchitecture.org/chronos-chromos-concrete.html, Πρόσβαση: 16/04/2019 Ηλιόπουλος Α., (09/2015), Πτυχιακή Εργασία: Μηχανουργικές κατεργασίες σε σύνθετα υλικά. Μελέτη επίδρασης στις μηχανικές ιδιότητες αυτών, Τσινόπουλος Σ. (Επιμ.), Πάτρα Fehrenbacher J., (26/06/2005), SMARTWRAP: Interactive Building Film, Inhabitat, https://inhabitat.com/smart-wrap/, Πρόσβαση: 19/04/2019 Karlessi T., Santamouris M., Apostolakis K., Synnefa A., Livada I., (2009), Development and testing of thermochromic coatings for buildings and urban structures, Solar Energy 83:3 (pp. 538-551), https://doi.org/10.1016/j. solener.2008.10.005 Kieran S. ,Timberlake J., SmartWrap™, KieranTimberlake, kierantimberlake.com/pages/view/28/, Πρόσβαση: 19/04/2019

https://

Kolarevic B., (05/2015), Actualising (Overlooked) Material Capacities, 237, In: Menges A., (2015), Material Synthesis: Fusing the Physical and the Computational, 85:5 (pp. 128-133), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ad.1965 Mohamed A.S.Y., (2017), Smart Materials Innovative Technologies in architecture; Towards Innovative design paradigm, Energy Procedia 115 (pp. 139154), https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.05.014

Βιβλιογραφία

OliKrom Smart Pigments, Products, https://www.olikrom.com/en/, Πρόσβαση: 17/04/2019 Povoledo E., (28/11/2006), Church on the Edge of Rome Offers a Solution to Smog, The N.Y. Times, https://www.nytimes.com/2006/11/28/world/europe/28smog.html Ramallo J. C., Johnson E. A., Spencer B. F. Jr., (2002), ‘‘Smart’’ Base Isolation Systems, Journal of Engineering Mechanics, http://sstl.cee.illinois.edu/papers/ BaseIsolation.pdf Reinhardt, H.W., Jooss, M., (2003), Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width, Cement and Concrete Research 33 (pp. 981–85) Ritter A., Peat R. (Trans.), (2007), Smart materials in architecture, interior architecture and design, Birkhauser – Publishers for Architecture 81)

Sahmaran, M., Li, V.C., (2008), Cement and Concrete Composites, 30 (pp. 72–

Sherif M.S.Elattar, (2013), Smart structures and material technologies in architecture applications, Academic Journals, 8:31 (pp. 1512-1521), https://doi. org/10.5897/SRE2012.0760 Shi D., Wang J., Deng W., (2019), Smart Building and Construction Materials, Advances in Materials Science and Engineering, Article ID 2432915, https://doi. org/10.1155/2019/2432915 ThermometerSite Division of LCRHallcrest, Technology - LCR Hallcrest Smart Technology, https://www.thermometersite.com/technology, Πρόσβαση: 17/04/2019 Usman M., Sung S. H., Jang D. D., Jung H. J., Koo J. H., (2009), Numerical Investigation of Smart Base Isolation System Employing MR Elastomer, 11th Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Journal of Physics: Conference Series 149, https://iopscience.iop.org/ article/10.1088/1742-6596/149/1/012099/pdf Wikipedia, The free Encyclopedia, Smart material, https://en.wikipedia.org/ wiki/Smart_material, Πρόσβαση: 10/4/2019 Zou Y, Tong L, Steven GP., (2000), Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures - a review, Journal of Sound and Vibration 230 (pp. 357–78), https://doi.org/10.1006/ jsvi. 1999.2624 Εικόνες: Εικόνα 1,6,16: Mohamed A.S.Y., (2017), Smart Materials Innovative Technologies in architecture; Towards Innovative design paradigm, Energy Procedia 115 (pp. 139-154), https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.05.014 Εικόνα 2,4,9,12,13 : Ritter A., (2007), Peat R. (Trans.), Smart materials in architecture, interior architecture and design, Birkhauser – Publishers for Architecture, (pp. 5657) Εικόνα 3: Galloway A., (14/05/2014), When Biology Inspires Architecture: An Interview with Doris Kim Sung, ArchDaily, https://www.archdaily.com/505016/

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

when-biology-inspires-architecture-an-interview-with-doris-kim-sung, Πρόσβαση: 21/04/2019 και http://img.welkermedia.com/uploads/2017/02/maxresdefault-2768x432.jpg Εικόνα 5: Kolarevic B., (05/2015), Actualising (Overlooked) Material Capacities, 237, In: Menges A., (2015), Material Synthesis: Fusing the Physical and the Computational, 85:5 (pp. 128-133), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/ pdf/10.1002/ad.1965 Εικόνα 7: Engel M. J., Zhao L., Fan Z., Chen J., Liu C., Smart Brick - A Low Cost, Modular Wireless Sensor For Civil Structure Monitoring, Micro and Nanotechnology Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign Εικόνα 8: Glynn R., (15/04/2006), Chronos chromos concrete, Interactive Architecture Lab, http://www.interactivearchitecture.org/chronos-chromosconcrete.html, Πρόσβαση: 16/04/2019 Εικόνα 10: Fehrenbacher J., (26/06/2005), SMARTWRAP: Interactive Building Film, Inhabitat, https://inhabitat.com/smart-wrap/, Πρόσβαση: 19/04/2019 Εικόνα 11: Kieran S. ,Timberlake J., SmartWrap™, KieranTimberlake, https:// kierantimberlake.com/pages/view/28/, Πρόσβαση: 19/04/2019 Εικόνα 14,15: OliKrom Smart Pigments, Products, https://www.olikrom.com/en/, Πρόσβαση: 17/04/2019 Εικόνα 17,18: Arnold D., (2011), Self-Healing Concrete, Ingenia 46, https://www. ingenia.org.uk/getattachment/Ingenia/Issue-46/SelfHealing-Concrete/Arnold. pdf Εικόνα 18: Arnold D., (2011), Self-Healing Concrete, Ingenia 46, https:// www.ingenia.org.uk/getattachment/Ingenia/Issue-46/SelfHealing-Concrete/ Arnold.pdf και TUDelf, (03/2016), Self-healing of Concrete by Bacterial Mineral Precipitation, https://www.tudelft.nl/en/ceg/research/stories-of-science/selfhealing-of-concrete-by-bacterial-mineral-precipitation/ Εικόνα 19: Ghosh, S. K., (2009), Self-healing materials: Fundamentals, Design Strategies, and Applications, Wiley-VCH, Weinheim, Germany Εικόνα 20: Mimoa, Monde Verde Tower, https://www.mimoa.eu/projects/ Austria/Vienna/Monte%20Verde%20Tower/, Πρόσβαση: 17/04/2019 και Ritter A., Peat R. (Trans), (2007), Smart materials in architecture, interior architecture and design, Birkhauser – Publishers for Architecture, (pp. 56-57) Εικόνα 21: Meier R. & Partners Architects LLP, (1996 – 2003), Jubilee Church, Rome Italy, https://www.richardmeier.com/?projects=jubilee-church-2 Εικόνα 22, 23: Dry C., (1994), Matrix cracking repair and filling using active and passive modes for smart timed release of chemicals from fibers into cement matrices, Smart Materials and Structures 3 (pp. 118–23), https://iopscience.iop. org/article/10.1088/0964-1726/3/2/006/pdf

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΑΛΟΠΙΝΑΚΩΝ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι υαλοπίνακες πλέον χρησιμοποιούν νέες τεχνολογίες και γίνονται πιο έξυπνοι. Το γυαλί χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως υλικό στα κτίρια. Συνδέει οπτικά το εσωτερικό με το εξωτερικό περιβάλλον, προσφέροντας φως την ημέρα και ευνοεί την καλή υγεία και τις συνθήκες εργασίας ή διαβίωσης μέσα σε ένα χώρο (Ghosh & Norton, 2018). Θεωρείται ότι το υψηλότερο κλάσμα ενεργειακού κέρδους ή απώλειας στις προσόψεις κτιρίων οφείλεται στις γυάλινες επιφάνειες (Aste, Leonforte, Piccolo, 2018) και αυτό συμβαίνει διότι όταν καλύπτουν μεγάλο μέρος του κτιρίου προκαλούν υψηλές απώλειες θερμότητας με αύξηση του φορτίου σε κρύες συνθήκες και μεγάλο ψυκτικό φορτίο ώστε να απομακρύνουν τα ηλιακά κέρδη σε θερμές συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές σε συνδυασμό με την κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση, ψύξη και τεχνικό φωτισμό οδηγούν στην κατανάλωση του 40% της παγκόσμιας ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων (Ghosh & Norton, 2018). Στην υλοποίηση ενός κτιρίου οι σχεδιαστές για να επιλέξουν ανάμεσα σε συγκεκριμένους τύπους υαλοστασίων, πρέπει να σκέφτονται τη μετάδοση του φωτός, τις μονωτικές ιδιότητες των υαλοπινάκων καθώς και το συνδυασμό διάφορων τύπων γυαλιού για την επίτευξη μεταβλητών καταστάσεων στην πρόσοψη των κτιρίων. Σήμερα, υπάρχει μεγάλη ανάπτυξη στο σχεδιασμό των “έξυπνων γυαλιών” που μπορούν να ανταποκρίνονται στις εξωτερικές συνθήκες του περιβάλλοντος. Τα γυαλιά αυτά έχουν τη δυνατότητα να αλλάζουν από καθαρή σε αδιαφανή κατάσταση υπό την επίδραση της ορατής/υπεριώδους/υπέρυθρης ακτινοβολίας και έτσι να αντιδρούν στα ηλιακά κέρδη (Dean, 1996). Τα διαθέσιμα συστήματα υαλοπινάκων ταξινομούνται κυρίως σε δύο κατηγορίες, σε αυτά που ελέγχουν την αύξηση της ηλιακής θερμότητας και αυτά που ελέγχουν τη χαμηλή απώλεια θερμότητας. Συνήθως, σε αυτά τα συστήματα απαιτούνται κάποια επιχρίσματα χαμηλής εκπομπής ώστε να μειώνεται η μεταφορά θερμότητας από την ακτινοβολία (Ghosh & Norton, 2018). Επίσης ταξινομούνται ως “στατικά” ή “δυναμικά” ανάλογα με το αν οι οπτικές ή θερμικές τους ιδιότητες είναι σταθερές ή μπορούν να αλλάξουν. Οι δυναμικοί υαλοπίνακες μπορούν να ταξινομηθούν περαιτέρω σε “παθητικά” ή “ενεργά” συστήματα ανάλογα με το αν κινούνται σε λειτουργία αυτορρύθμισης ή ρύθμισης από τον χρήστη. Οι περισσότεροι υαλοπίνακες είναι χρωμογενείς και η λειτουργία τους βασίζεται στις οπτικές αλλαγές που προκαλούνται στο χρωμογόνο υλικό από την αλλαγή της εφαρμοζόμενης τάσης (ηλεκτροχρωμικά παράθυρα), τη θερμοκρασία (θερμοχρωμικά παράθυρα), την ηλιακή ακτινοβολία (φωτοχρωμικά παράθυρα) και τη συγκέντρωση αερίων (αεριοχρωμικά παράθυρα). Η κατηγορία δυναμικών υαλοπινάκων περιλαμβάνει επίσης συσκευές υγρών κρυστάλλων και συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (Aste et al., 2018). Οι ηλεκτροχρωμικοί υαλοπίνακες και οι συσκευές υγρών κρυστάλλων και αιωρούμενων σωματιδίων εντάσσονται στα ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα, ενώ τα θερμοχρωμικά, θερμοτροπικά, αεριοχρωμικά συστήματα υαλοπινάκων και τα υλικά αλλαγής φάσης στα μη ηλεκτρικά. Τα συγκεκριμένα τζάμια αλλάζουν την κατάστασή τους από διαφανή (λευκά) σε αδιαφανή (έγχρωμα/ημιδιαφανή κατάσταση) και προσαρμόζονται εύκολα στις απαιτήσεις των κτιρίων, ελέγχοντας την ηλιακή θερμότητα και την εισαγωγή του φωτός στο κτίριο. Στην εικόνα 1 φαίνονται ταξινομημένοι οι διάφοροι τύποι γυαλιών και παρακάτω γίνεται αναφορά σε αυτούς για την κατανόηση της λειτουργίας τους.

Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα

Εικ. 1. Τύποι υαλοπινάκων.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ηλεκτροχρωμικοί υαλοπίνακες (EC) Οι ηλεκτροχρωμικοί υαλοπίνακες (EC) αποτελούν ένα δυναμικό σύστημα και λειτουργούν με ένα σύστημα ελέγχου, μεταβάλλοντας τις ιδιότητές τους μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού δυναμικού (τάση ηλεκτρικού ρεύματος). Με την αλλαγή της πολικότητας αυτού του δυναμικού επιτυγχάνεται ο χρωματισμός ή ο αποχρωματισμός του γυαλιού. Το ηλεκτροχρωμικό παράθυρο αποτελείται από τα εξής στρώματα (εσωτερικό προς εξωτερικό) (εικόνα 2): ένα πάνελ από γυαλί ή πλαστικό, ένα αγώγιμο οξειδίου, την ηλεκτροχρωμική στρώση, έναν ιοντικό αγωγό/ ηλεκτρολύτη, το στρώμα αποθήκευσης των ιόντων, μια δεύτερη στρώση αγώγιμου οξειδίου και ένα δεύτερο γυάλινο ή πλαστικό πάνελ (Wael, 2013). Η ηλεκτροχρωμική στρώση περιλαμβάνει μεμβράνη χρωμογόνου υλικού (κυρίως οξείδια μεταβατικών μετάλλων ή ανόργανα υλικά), η οποία επιτυγχάνει την αλλαγή του χρωματισμού του υαλοπίνακα. Το πιο χρησιμοποιούμενο χρωμογόνο υλικό είναι το τριοξείδιο του βολφραμίου (WO3), το οποίο μεταβαίνει από μια διαφανή κατάσταση σε ένα σκούρο μπλε, επιτρέποντας τον ενεργό έλεγχο της ηλιακής θερμότητας και των αποτελεσμάτων της θάμβωσης (Kaltenbach, 2004). Τα υλικά αυτά απαιτούν γενικά τροφοδοσία χαμηλής τάσης (0-10V), έχουν μακροχρόνια ανθεκτικότητα (πάνω από 20.000 κύκλους), εγγυώνται οπτική επαφή μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών χώρων και παρουσιάζουν μακροχρόνια οπτική μνήμη ανοικτού κυκλώματος. Γενικότερα, οι ηλεκτροχρωμικοί υαλοπίνακες είναι εύχρηστοι γιατί δεν εμποδίζουν την ορατότητα σε αντίθεση με τις κουρτίνες ή τα σκίαστρα, ενώ παράλληλα

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

προσφέρουν υψηλή οπτική αντίθεση με γρήγορες εναλλαγές στις καταστάσεις χρωματισμού και απόδοση χρωμάτων. Μειώνουν τόσο την άμεση όσο και τη διάχυτη ακτινοβολία, παρέχουν έλεγχο της οπτικής θάμβωσης και ρύθμιση της θερμικής άνεσης. Επιπλέον, έχουν καλή μηχανική ευελιξία, έχουν χαμηλό κόστος στη διαδικασία κατασκευής τους και μειωμένο κόστος συντήρησης. Στόχο έχουν να ελέγχουν την ηλιακή θερμότητα και να προσφέρουν εξοικονόμηση ενέργειας στο κτίριο (Aste et al., 2018/Παπαθανασοπούλου, 2016).

Συσκευές υγρών κρυστάλλων (LC) Ο υγρός κρύσταλλος (LC) είναι ένα υλικό που ενεργοποιείται με ηλεκτρικό εναλλασσόμενο ρεύμα και είναι κατάλληλο για την εφαρμογή σε υαλοπίνακες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς δυσκολίες σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ -40oC και 40 oC (Kaltenbach, 2004). Οι συσκευές υγρών κρυστάλλων είναι δομικά παρόμοιες με τις συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (SPD). Στην περίπτωση των υγρών κρυστάλλων, το ενεργό στρώμα είναι μια πολυμερής μήτρα με ενσωματωμένα σταγονίδια υγρού κρυστάλλου μικρού μεγέθους. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση εναλλασσόμενου ρεύματος στα διαφανή τοποθετημένα ηλεκτρόδια (τρόπος απενεργοποίησης), οι υγροί κρύσταλλοι είναι τυχαία προσανατολισμένοι και διασκορπίζουν το φως κάνοντας το γυαλί να φαίνεται αδιαφανές. Σε αυτή την κατάσταση το γυαλί αποκλείει την άμεση θέα και παρέχει ιδιωτικότητα σε εσωτερικούς χώρους. Μια διαφανής κατάσταση επιτυγχάνεται όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι ενεργό μέσω των

Εικ. 2. Λειτουργία ηλεκτροχρωμικού υαλοπίνακα.

Εικ. 3. Ηλεκτροχρωμικός υαλοπίνακας που χρησιμοποιείται σε κτίρια γραφείων.

Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα

ηλεκτροδίων, λόγω της ευθυγράμμισης των υγρών κρυστάλλων. Οι συσκευές αυτές απαιτούν συνεχώς εφαρμοζόμενες τάσεις τροφοδοσίας μέχρι 230V για τη λειτουργία τους. Η σταθερότητα στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV) επιτρέπει τη χρήση τους σε εξωτερικές εφαρμογές, αλλά το κόστος είναι ακόμα υψηλό (Aste et al., 2018/Ghosh & Norton, 2018). Τα πιο συνηθισμένα υγρά κρυστάλλων, που τοποθετούνται μεταξύ των υαλοπινάκων, είναι τα στριμμένα νηματικά, τα σιδηροηλεκτρικά, οι φιλοξενούμενοι ξενιστές και τα διασκορπισμένα πολυμερή. Οι Torres at el. (2014) αναφέρουν ότι «τα διασκορπισμένα πολυμερή είναι καταλληλότερα για χρήση στους υαλοπίνακες διότι δεν απαιτούν υψηλή φωτεινότητα (λόγω μεγάλης διαφάνειας), ευρεία γωνία θέασης, γρήγορη απόκριση, επιφανειακή επεξεργασία και ηλεκτρικά ελεγχόμενα επίπεδα μετάδοσης». Στην εικόνα 4 φαίνεται η διαδικασία που ακολουθείται για τη διαφανή και αδιαφανή κατάσταση του υαλοπίνακα. Όσον αφορά τα διασκορπισμένα πολυμερή υγρών κρυστάλλων (PDLC), στην έρευνα των Ghosh και Norton (2018) αναφέρεται ότι με την αύξηση της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται και η θερμική αγωγιμότητα της μεμβράνης πολυμερών, καθώς και η ενίσχυση του υγρού κρυστάλλου. Αυτό βέβαια εξαρτάται από τη συγκέντρωση του υγρού κρυστάλλων στο σύνθετο υλικό. Επίσης, οι επιστρώσεις PDLC σταθεροποιούνται μεταξύ θερμοκρασίας 0°C και 60°C, μπλοκάρουν το 98% της υπεριώδους ακτινοβολίας, ενώ διαμορφώνουν κοντά στο 12% και 38% την υπέρυθρη. Παρουσιάζουν όμως και κάποια μειονεκτήματα που εντοπίζονται στη συνεχή παροχή ρεύματος, ώστε να παραμένουν «διαφανείς» και να παρέχουν θόλωση λόγω διασκορπισμού σε ευρύτερες οπτικές γωνίες, πράγμα που οδηγεί σε σημαντική ποσότητα σκέδασης

Εικ. 4. Υαλοπίνακας με υγρούς κρυστάλους (LC).

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

και σε κιτρίνισμα της επίστρωσης λόγω της υπεριώδους ακτινοβολίας. Συνεπώς, οι υαλοπίνακες με διασκορπισμένα πολυμερή υγρών κρυστάλλων (PDLC) είναι λιγότερο ελκυστικοί για εφαρμογή στα κτίρια.

Συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (SPD) Οι συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (SPD) βασίζονται στην οπτική ανισοτροπία των διπολικών σωματιδίων (πολυαλογονίδια) που αιωρούνται σε ένα φιλμ οργανικού υγρού. Αυτό το φιλμ περικλείεται μεταξύ δύο διαφανών ηλεκτρικών αγωγών. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση στα ηλεκτρόδια (λειτουργία απενεργοποίησης), η συσκευή είναι σε έγχρωμη (αδιαφανή μπλε/μαύρη) κατάσταση, αφού τα σωματίδια έχουν τυχαίο προσανατολισμό και απορροφούν το φως. Όταν η συσκευή κινείται με εναλλασσόμενη τάση, αποκτά μία διαφανή (καθαρή γκριζωπή) κατάσταση, καθώς τα σωματίδια ευθυγραμμίζονται κατά μήκος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου και επιτρέπουν τη μετάδοση φωτός (εικόνα 5,6). Αναφέρεται ότι οι συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (SPD) έχουν υψηλό κόστος (Aste et al., 2018). Παρακάτω ακολουθεί ο Πίνακας 1 που συνοψίζει περαιτέρω τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικά ενεργοποιημένων υαλοπινάκων.

Εικ. 5. Λειτουργία υαλοπίνακα με αιωρούμενα σωματίδια (SPD).

Ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα

Πίνακας 1 Χαρακτηριστικά ηλεκτρικά ενεργοποιημένων υαλοπινάκων Ιδιότητα

Ηλεκτροχρωμικός (EC)

Ενέργεια

Τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος, η τάση κυμαίνεται μεταξύ 0 V και 10V. Καταστάσεις με ενέργεια Αδιαφανής ή έγχρωμο. Καταστάσεις χωρίς Διαφανής. ενέργεια Απαιτούμενη ισχύς Απαιτείται ισχύς για να επιτευχθεί αδιαφανής και διαφανής κατάσταση. Λόγος αντίθεσης Ο λόγος μετάδοσης μεταξύ αδιαφάνειας και διαφάνειας είναι μεγάλος.

Μνήμη Αντοχή Έλεγχος κοντά στο υπέρυθρο (NIR) Χρόνος αλλαγής Ενδιάμεση καταστάση

U-value SHGC

Φως ημέρας/θάμβωση

Χωρίς παροχή, η “αδιαφανής” κατάσταση εξακολουθεί να παραμένει για λίγες ώρες. ~ 105 Δυνατότητα ελέγχου NIR. Παίρνει μερικά δευτερόλεπτα ή λεπτά, εξαρτάται από την περιοχή. Ελεγχόμενες ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ διαφανών και αδιαφανών καταστάσεων. Παρόμοιο με το μονό τζάμι. Η μεταβολή των SGHC μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι υψηλή λόγω του υψηλού λόγου αντίθεσης. Δυνατότητα ελέγχου της αντανάκλασης χρησιμοποιώντας ενδιάμεση κατάσταση και αδιαφανή κατάσταση.

Υγροί κρύσταλλοι (LC)

Συσκευές αιωρούμενων σωματιδίων (SPD)

Τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος, η τάση κυμαίνεται μεταξύ 10V και 110V. Διαφανής. Αδιαφανής ή ημιδιαφανής.

Τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος, η τάση κυμαίνεται μεταξύ 10V και 110V. Διαφανής. Αδιαφανής ή έγχρωμο.

Απαιτείται ισχύς για να επιτευχθεί διαφανής κατάσταση. Ο λόγος μετάδοσης μεταξύ αδιαφάνειας και διαφάνειας είναι χαμηλός καθώς η αδιαφανής/ημιδιαφανής κατάσταση προσφέρει υψηλή διάχυτη μετάδοση. Δεν υπάρχει μνήμη, χωρίς τροφοδοσία γίνεται “αδιαφανές”. ~ 10 εκατομμύρια. Μετάδοση NIR.

Απαιτείται ισχύς για να επιτευχθεί διαφανής κατάσταση. Ο λόγος μετάδοσης μεταξύ αδιαφάνειας και διαφάνειας είναι υψηλός.

Γρήγορη εναλλαγή, λίγα δευτερόλεπτα.

Ελεγχόμενες ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ διαφανών και αδιαφανών/ημιδιαφανών καταστάσεων. ΝΑ Η μεταβολή των SGHC μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι χαμηλή λόγω του χαμηλού λόγου αντίθεσης. Δυνατότητα ελέγχου της απόχρωσης χρησιμοποιώντας αδιαφανή/ημιδιαφανή κατάσταση.

Ελεγχόμενες ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ διαφανών και αδιαφανών καταστάσεων.

Δεν υπάρχει μνήμη, χωρίς τροφοδοσία γίνεται “αδιαφανές”. ~ 10 εκατομμύρια. Μετάδοση NIR.

Παρόμοιο με το μονό τζάμι. Η μεταβολή των SGHC μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι υψηλή λόγω του υψηλού λόγου αντίθεσης. Δυνατότητα ελέγχου της αντανάκλασης χρησιμοποιώντας ενδιάμεση και αδιαφανή κατάσταση.

Εικ. 6. (1) Λειτουργία απενεργοποίησης. (2) Λειτουργία ενεργοποίησης.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Θερμοχρωμικοί υαλοπίνακες Οι θερμοχρωματικοί υαλοπίνακες μεταβάλουν τις ιδιότητές τους άμεσα με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας και γίνονται αδιαφανή όταν ενεργοποιούνται από την αύξηση της θερμότητας. Αυτό συμβαίνει από τις ιδιότητες του πηκτώματος που βρίσκεται μεταξύ των υαλοπινάκων, το οποίο σχηματίζεται από οργανικά πολυμερή και ενεργοποιείται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία αλλάζοντας τις ιδιότητες του, προσφέροντας σκίαση. Με την αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από μια κρίσιμη τιμή τα υλικά αυτά μεταβαίνουν σε μια νέα κατάσταση στην οποία αποκτούν χαρακτηριστικά μετάλλων, καθώς είναι ηλεκτρικά αγώγιμα και ανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία (Παπαθανασοπούλου, 2016). Συνήθως, οι θερμοχρωματικοί υαλοπίνακες περιλαμβάνουν μια μεμβράνη χρωμογόνου υλικού που υφίσταται μεταβατικές φάσεις μονωτικού μετάλλου κοντά σε κρίσιμες θερμοκρασίες. Το τζάμι με βάση αυτή την τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την ηλιακή θερμότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες και αντίθετα, να την μειώσει σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης προσφέρει σχεδόν την ίδια ορατότητα στις δύο καταστάσεις, αλλά αλλάζει δραστικά την ηλιακή μετάδοση στο εγγύς υπέρυθρο, όπου βρίσκεται ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας (περίπου 50%), ανάλογα με τις θερμοκρασίες και το κλίμα. Τα συγκεκριμένα υαλοστάσια, στην πραγματικότητα, μπορούν να θεωρηθούν πολύ αποτελεσματικά καθώς τα ηλιακά κέρδη είναι ευνοϊκά κατά τη χειμερινή περίοδο, ενώ θα πρέπει να μειωθούν το καλοκαίρι (Aste et al., 2018).

Εικ. 7. Τυπική μονάδα θερμοχρωμικού γυαλιού.

Εικ. 8. Επίδραση της θερμότητας στο γυαλί.

Εικ. 9. Τοποθέτηση θερμοχρωμικών παραθύρων σε εκπαιδευτικό ίδρυμα, Kellar, Texas, ΗΠΑ.

Μη ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα

Θερμοτροπικοί υαλοπίνακες Οι θερμοτροπικοί υαλοπίνακες, αλλάζουν αυτόματα την κατάστασή τους από διαφανή σε αδιαφανή ή ημιδιαφανή, μεταβάλλοντας τις ιδιότητές τους από υψηλής μετάδοσης σε ανακλαστικές, όταν αλλάζει η θερμοκρασία του ενεργού στρώματος. Όταν η θερμοκρασία μεταγωγής είναι χαμηλή, τα δύο κύρια διαφανή συστατικά αναμειγνύονται ομοιογενώς ως δείκτες διάθλασης των σωματιδίων και της μήτρας και έτσι το τζάμι γίνεται διαφανές. Σε υψηλή θερμοκρασία, τα σωματίδια αλλάζουν φάση με άνισους δείκτες διάθλασης και η ακτινοβολία διασκορπίζεται από τα σωματίδια ενώ το υλικό αντανακλά ένα τμήμα της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και το στρώμα γίνεται αδιαφανές (Ghosh & Norton, 2018). Η θερμοκρασία μεταγωγής καθορίζεται από την αρχική κατασκευή του υαλοπίνακα και δεν μπορεί να μεταβληθεί στη συνέχεια. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι θερμοτροπικών υλικών, οι υδρογέλες και τα μίγματα πολυμερών. Οι υδρογέλες έχουν καλή οπτική ποιότητα και όταν ενσωματώνονται στους υαλοπίνακες αλλάζουν τη μεταγωγή τους με βάση τη θερμοκρασία, όπως φαίνεται στην εικόνα 10. Αυτός ο τύπος υαλοστασίου προσφέρει υψηλή διαπερατότητα στη διάφανή του κατάσταση και σε συνδυασμό με τζάμια χαμηλής εκπομπής μπορούν να ελέγχουν την ηλιακή ακτινοβολία τους καλοκαιρινούς μήνες, ενώ τους χειμωνιάτικους να λειτουργούν ως ανακλαστήρες (Georg et al.,1998).

ομοιογενές μίγμα

χαμηλή θερμοκρασία/ διαφανής κατάσταση

διασκορπισμένο υλικό

υψηλή θερμοκρασία/ αδιαφανής κατάσταση

θερμοτροπικός υαλοπίνακας με υδρογέλη

2 διαφανής κατάσταση

ημιδιαφανής κατάσταση

αδιαφανής κατάσταση

Εικ. 10. (1) Λειτουργία θερμοτροπικού υαλοπίνακα (διαφανής, αδιαφανής κατάσταση). (2) Θερμοτροπικός υαλοπίνακας υδρογέλης σε διαφανή και αδιάφανη κατάσταση. (3) Διαδικασία αλλαγής υαλοπίνακα Okalux GmbH από διαφανής σε αδιαφανής, Γερμανία Nitz 2005.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Φωτοχρωμικοί υαλοπίνακες Οι φωτοχρωμικοί υαλοπίνακες αλλάζουν την κατάστασή τους ανάλογα με τις μεταβολές στη φασματική μετάδοση της ακτινοβολίας. Οι μεταβολές αυτές επιτυγχάνονται λόγω ενός χημικού υλικού, τόσο οργανικού (σπιροπυράνιο, αζωβενζόλιο κλπ.) όσο και ανόργανου (οξείδια μετάλλων μετάπτωσης, αλογονίδια μετάλλων κ.λπ.), που ενεργοποιείται με το φως μεταξύ δύο ενεργειακών καταστάσεων που έχουν διαφορετικά φάσματα απορρόφησης (Zhang, Zou, Tian, 2013). Συνεπώς, ο υαλοπίνακας από μια κατάσταση χαμηλής διαπερατότητας (σκούρο χρώμα) λόγω υψηλών επιπέδων ακτινοβολίας, μεταβαίνει σε μια υψηλή διαπερατότητα (διαφάνεια) λόγω χαμηλών επιπέδων ακτινοβολίας (Aste et al., 2018). Αναφέρεται ότι είναι ακριβά υλικά και ότι η χρήση τους περιορίζεται σε μικρές περιοχές, όπως οπτικούς φακούς. Εν τούτοις, αντιδρούν αυτόματα στο ερέθισμα της υπεριώδους ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα να δίνουν περιθώρια για βελτίωση και ενσωμάτωσή τους στα κτίρια (Παπαθανασοπούλου, 2016).

Υλικά αλλαγής φάσης Τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) που εφαρμόζονται στη δομή υαλοπινάκων μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας κτιρίου, να βελτιώσουν την εσωτερική θερμική ενέργεια απορροφώντας μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας για αποθή-

Εικ. 11. Φωτοχρωμικά γυαλιά.

Εικ. 12. Φωτοχρωμικός υαλοπίνακας Chameleon.

Μη ηλεκτρικά ενεργοποιούμενα συστήματα

κευση θερμικής ενέργειας , ενώ ταυτόχρονα να αφήσουν την ορατή ακτινοβολία να εισέλθει στο εσωτερικό περιβάλλον για το φωτισμό. Οι Li et al. (2016), ερεύνησαν τη θερμική απόδοση ενός διπλού υαλοπίνακα, ο οποίος ήταν γεμάτος με υλικό αλλαγής φάσης (PCM) με διαφορετικές οπτικές ιδιότητες. Μελετήθηκε επίσης, η επίδραση του συντελεστή απόσβεσης και του δείκτη διάθλασης του PCM στις διαφορετικές καταστάσεις του. Η εικόνα 13 δείχνει τη μονάδα διπλού υαλοπίνακα που περιέχει υλικά αλλαγής φάσης. Όπως φαίνεται, η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της μονάδας υαλοπίνακα μεταδίδεται μερικώς και εν μέρει ανακλάται και το υπόλοιπο τμήμα απορροφάται από τα δύο γυαλιά και το υλικό αλλαγής φάσης. Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας με τον συνδυασμό θερμικής ακτινοβολίας και μεταφοράς πραγματοποιείται στο όριο της εξωτερικής και της εσωτερικής επιφάνειας, αντίστοιχα. Η απορροφούμενη θερμότητα μεταδίδεται με αγωγιμότητα, μεταφορά και ακτινοβολία. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι οπτικές ιδιότητες των υλικών αλλαγής φάσης παίζουν σημαντικό ρόλο στη θερμική απόδοση του υαλοπίνακα. Ο δείκτης διάθλασης του υγρού και στερεού υλικού αλλαγής φάσης δεν έχει μεγάλη επίδραση στη θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας του υαλοπίνακα, ενώ παίζει σημαντικό ρόλο στη μεταδιδόμενη ενέργεια. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι αυξάνοντας το συντελεστή απόσβεσης του υγρού υλικού αλλαγής φάσης η θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας αυξάνεται, ενώ η συνολική μεταφερόμενη ενέργεια και η ηλιακή ενέργεια μειώνονται. Τέλος, για το στερεό υλικό αλλαγής φάσης η επίδραση του συντελεστή απόσβεσης είναι πολύ ισχυρή και διαφορετική με αυτή του υγρού.

περιβάλλον

δωμάτιο

ηλιακή ακτινοβολία αντανάκλαση ηλιακής ακτινοβολίας

μετάδοση ηλιακής ακτινοβολίας

θερμική μεταφορά

μεταβίβαση

θερμική ακτινοβολία

γυαλί

PCM

Εικ. 13. Διπλός υαλοπίνακας με υλικό αλλαγής φάσης (PCM).

Εικ. 14. Υαλοπίνακας με PCM σε στερεή κατάσταση και σε υγρή κατάσταση.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Αεριοχρωμικοί υαλοπίνακες Οι αεριοχρωμικοί υαλοπίνακες αλλάζουν ενεργά την κατάστασή τους ανάλογα τους εξωτερικούς παράγοντες, όπως την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ή τη θερμοκρασία του εσωτερικού αέρα (Georg et al.,1998). Η αλλαγή της κατάστασής τους γίνεται λόγω της επίδρασης των χρωμογόνων υλικών, όταν αυτά αντιδρούν χημικά με υδρογόνο μέσω καταλύτη (Wittwer et al.,2004). Η λειτουργία τους βασίζεται σε έναν ελεγκτή διανομής αερίου που επιτρέπει την εισροή υδρογόνου στο αδρανές αέριο που περικλείεται στην κοιλότητα των υαλοπινάκων ενεργοποιώντας έτσι τον χρωματισμό της οπτικά μεταβαλλόμενης μεμβράνης. Το πιο αποδοτικό (και χρησιμοποιημένο) υλικό είναι το τριοξείδιο του βολφραμίου (WO3), αλλά έχουν μελετηθεί επίσης συσκευές με βάση MοO3 και V2O5 (Aste et al., 2018). Γενικά, η διαδικασία αυτή απαιτεί ένα αρκετά εξελιγμένο σύστημα ελέγχου, εξοπλισμένο με κατάλληλους αισθητήρες και αλγόριθμους ελέγχου, καθώς και το σύστημα διαχείρισης αερίου. Ο αποχρωματισμός συνήθως του υαλοπίνακα επιτυγχάνεται με αλλαγή συγκέντρωσης του υδρογόνου. Υπάρχουν διάφορα συστήματα που βοηθούν αυτή τη διαδικασία (Georg et al.,1998). Συνοψίζοντας, το αεριοχρωμικό υλικό μεταξύ των διπλών υαλοπινάκων έχει τη δυνατότητα να προσφέρει έως και 75% ηλιακή μετάδοση όταν βρίσκεται σε διαφανή κατάσταση, ενώ στην αδιαφανή απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία για να παράγει θερμότητα που μεταφέρεται στο περιβάλλον μέσω της μεταφοράς (Ghosh & Norton, 2018). Παρακάτω ακολουθεί ο Πίνακας 2 που συνοψίζει περαιτέρω τα χαρακτηριστικά των μη ηλεκτρικά ενεργοποιημένων υαλοπινάκων. Πίνακας 2 Χαρακτηριστικά μη ηλεκτρικά ενεργοποιημένων υαλοπινάκων Ιδιότητα

Θερμοχρωμικός

Θερμοτροπικός

Υλικά αλλαγής φάσης

Αερόχρωμος

Διαφανής κατάσταση Αδιαφανής κατάσταση Μνήμη

Κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης. Πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης. Διαφανείς και αδιαφανείς οι δύο καταστάσεις παραμένουν για ώρες ανάλογα τη θερμοκρασία περιβάλλοντος/ μετάβασης και την περιοχή της συσκευής.

Προσθήκη οξυγόνου.

Αντοχή

300°C για ξηρό αέρα και 80°C για σχετική υγρασία 95%, γυμνή θερμοχρωμική ταινία VO2 αποικοδομείται.

200 κύκλους λειτουργίας μεταξύ 200οC ως 80οC.

Έλεγχος κοντά στο υπέρυθρο (NIR)

Αντανακλά το NIR.

Ρυθμίζει το NIR και IR.

Χρόνος αλλαγής

Ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία μετάβασης και την περιοχή της συσκευής. Μη ελεγχόμενες ενδιάμεσες καταστάσεις.

Πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης. Κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης. Η διαφανής κατάσταση παραμένει για μερικές ώρες, εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και την ικανότητα απελευθέρωσης θερμότητας του PCM. Η ηλιακή ακτινοβολία έχει μικρότερη πρόσκρουση. Λόγω της θερμοκρασίας τήξης του θερμικού κύκλου μειώθηκε σε 2οC μετά από ένα χρόνο. Αντανακλά και απορροφά το NIR και για στις δυο καταστάσεις. Ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία μετάβασης και την περιοχή της συσκευής. Μη ελεγχόμενες, ανομοιογενείς ενδιάμεσες καταστάσεις.

U-value

Παρόμοιο με το μονό τζάμι.

Κοντά με τα διπλά τζάμια.

SHGC

Η διαμόρφωση του SHGC είναι χαμηλή λόγω της χαμηλής διαμόρφωσης της ηλιακής μετάδοσης. Η διαμόρφωση IR είναι υψηλή. Δεν υπάρχει διαμόρφωση στο φως της ημέρας, καθώς προσφέρει παρόμοια ορατή μετάδοση και για τις δύο καταστάσεις.

Η διαμόρφωση του SHGC είναι υψηλή.

Ενδιάμεση καταστάση

Φως ημέρας/ θάμβωση

Η αδιαφανή και διαφανή κατάσταση μπορεί να ελέγχει το φως της ημέρας και την αντανάκλαση. Αδιαφανές γίνεται κατά τη διάρκεια του μεσημεριού (υψηλή θερμοκρασία), ενώ διαφανές κατά το πρωί και το απόγευμα (χαμηλή θερμοκρασία).

Παρόμοιο με το μονό τζάμι (διπλοί υαλοπίνακες γεμισμένοι με PCM). Ελέγχουν το SHGC.

Η ανομοιογενής διαδικασία τήξης και στερεοποίησης μπορεί να είναι μη αποδεκτή για τους χρήστες. Η μετάβαση και η αδιαφανής/ημιδιαφανής κατάσταση μπορεί να ελέγξει το φως της ημέρας και τη θάμβωση.

Προσθήκη υδρογόνου. 1 λεπτό.

10.000 e 20000 κύκλοι.

Χαμηλή μετάδοση NIR σε αδιαφανή κατάσταση και ρύθμισή του. Λιγότερο από 10 λεπτά. Χρησιμοποιώντας διαφορετική συγκέντρωση υδρογόνου και οξυγόνου, είναι δυνατές ενδιάμεσες καταστάσεις. Κοντά σε διπλά τζάμια. Η διαμόρφωση του SHGC είναι υψηλή.

Υψηλή διαμόρφωση της φωτεινής/ορατής μετάδοσης, επομένως ο έλεγχος του φωτός είναι υψηλός και μπορεί να ελέγξει και τη θάμβωση.

Αυτοκαθαριζόμενοι υαλοπίνακες

ΑΥΤΟΚΑΘΑΡΙΖΟΜΕΝΟΙ ΥΑΛΟΠΙΝΑΚΕΣ Το αυτοκαθαριζόμενο γυαλί είναι ένας τύπος γυαλιού που διατηρεί την επιφάνειά του καθαρή από βρωμιές ή ακαθαρσίες, χρησιμοποιώντας μια οργανική διαδικασία με την οποία η βρωμιά διαλύεται από το φως και στη συνέχεια ξεπλένεται από τη βροχή. Οι επικαλύψεις τους χωρίζονται σε υδρόφοβες και υδρόφιλες. Οι υδρόφοβες είναι πιο διαδεδομένες, διαμορφώνονται με διάφορες τεχνικές, όπως με μεθόδους φυσικής επεξεργασίας (χάραξη ιόντων και συμπίεση πολυμερικών σφαιριδίων κ.ά.) και είναι αποτελεσματικές στο να καθαρίζονται μόνες τους. Παρόλα αυτά η επεξεργασία τους είναι δαπανηρή και χρονοβόρα και οι επιχρίσεις τους συνήθως θολές. Αντιθέτως, οι υδρόφιλες, που έχουν βάση το διοξείδιο του τιτανίου, μπορούν να σπάσουν χημικά τις απορροφούμενες ακαθαρσίες με το ηλιακό φως (φωτοκατάλυση). Αν και αυτή η επίστρωση υπάρχει σε προϊόντα, ακόμα γίνονται έρευνες για να γίνει πιο αποτελεσματικό. Το 2001, η Pilkington Glass ανέδειξε τα πρώτα αυτοκαθαριζόμενα παράθυρα Pilkington Activ™ και τους επόμενους μήνες κυκλοφόρησαν παρόμοια προϊόντα από άλλες μεγάλες εταιρείες γυαλιού (Wikipedia, 2018). Τα συγκεκριμένα γυαλιά προσφέρουν εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων, καθώς και την ικανότητα να συνδυαστούν με άλλα προϊόντα, για να επιτευχθούν οφέλη όπως η θερμομόνωση, η ηλιακή ενέργεια και ο έλεγχος του θορύβου (Pilkington, 2019).

Εικ. 15. Αυτοκαθαριζόμενη επίστρωση διοξειδίου του τιτανίου σε γυαλί.

Εικ. 16. Διαφορά μεταξύ απλού και αυτοκαθαριζόμενου υαλοπίνακα.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Στην προηγούμενη ενότητα αναφέρθηκαν διάφορα χαρακτηριστικά των υαλοπινάκων με βάση τα υλικά που χρησιμοποιούν στις επιστρώσεις τους. Στη συνέχεια, παρατίθενται ορισμένες έρευνες και πειράματα με μεμονωμένες εφαρμογές αυτών και δίνονται παραδείγματα που αφορούν τους συνδυασμούς τους και τα αποτελέσματά τους. Ένα αρχικό παράδειγμα είναι των Georg et al. (1998), που προσπάθησαν να βελτιστοποιήσουν τους υαλοπίνακες με τη ρύθμιση της ποσότητας του ηλιακού φωτός και της θερμότητας που εισέρχονται στο κτίριο μέσω των παραθύρων. Με τη χρήση αεριοχρωμικών και θερμοτροπικών υαλοπινάκων στόχευσαν στο να βελτιώσουν τα υπάρχοντα συστήματα τζαμιών, μεταβάλλοντας τη διαπερατότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ανάλογα με την είσοδό της, επιτρέποντας την ηλιακή θέρμανση το χειμώνα και αποτρέποντας την υπερθέρμανση το καλοκαίρι, διατηρώντας καλές θερμικές μονωτικές ιδιότητες. Κατέληξαν στο συμπέρασμα πως και οι δύο τύποι υαλοστασίων προσφέρουν υψηλή διαπερατότητα στη διάφανή τους κατάσταση και σε συνδυασμό με τζάμια χαμηλής εκπομπής μπορούν να ελέγχουν την ηλιακή ακτινοβολία τους καλοκαιρινούς μήνες, ενώ τους χειμωνιάτικους να λειτουργούν ως ανακλαστήρες. Οι Allen et al. (2017), ανέπτυξαν ένα νέο τύπο θερμοτροπικού παραθύρου με θερμοτροπική επίστρωση που αποτελείται από υδροξυπροπυλοκυτταρίνη (HPC), που βρίσκεται μεταξύ δύο συμβατικών υαλοπινάκων. Ο συγκεκριμένος τύπος παραθύρου συγκρίθηκε με άλλους και διαπιστώθηκε ότι έχει καλύτερο συντελεστή ηλιακών κερδών (SHGC) και ότι προσφέρει ετήσια εξοικονόμηση ενέργειας άνω του 22% σε σύγκριση με το διπλό υαλοπίνακα. Επίσης, μειώνει τα φορτία ψύξης όταν οι εξωτερικές συνθήκες υπερβαίνουν το απαιτούμενο, ενώ όταν δεν επαρκούν διατηρούν ένα βαθμό οπτικής διαφάνειας προσφέροντας παθητικά ηλιακά κέρδη. Μια ακόμη μελέτη είναι των Ghosh και Norton (2018), οι οποίοι εστίασαν την προσοχή τους σε ηλεκτρικά ενεργοποιημένους τύπους υαλοστασίων (ηλεκτροχρωμικοί, συσκευές υγρών κρυστάλλων και αιωρούμενων σωματιδίων), καθώς και στους συνδυασμούς αυτών για την εφαρμογή τους σε κτίρια χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Αναφέρουν επίσης, διάφορες τεχνολογίες που αφορούν διπλά τζάμια ηλιακού ελέγχου, τζάμια με επίστρωση χαμηλής εκπομπής (Low-e), πρισματικά τζάμια και τζάμια ροής νερού και αέρα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ηλιακής θερμότητας. Ο συνδυασμός διαφόρων συστημάτων υαλοπίνακα είναι μια προσέγγιση που αποσκοπεί στη δημιουργία δυναμικών τζαμιών με στόχο τη καλύτερη λειτουργία του κτιρίου. Για παράδειγμα ο συνδυασμός ηλεκτροχρωμικού υαλοπίνακα με κενού, πετυχαίνουν χαμηλή απώλεια θερμότητας, έλεγχο ηλιακής θερμότητας και καλύτερο φωτισμό (εικόνα 17). Ο συνδυασμός κενού υαλοπίνακα με αιωρούμενα σωματίδια (SPD) προσφέρει χαμηλές τιμές θερμοπερατότητας (U-value=1,00 και 1,16 W/m2K) και συντελεστή ηλιακών κερδών (SHGC) μεταξύ 0,045 και 0,26. Επίσης, αρκετά ηλεκτροχρωμικά τζάμια μπορούν να συνδυαστούν με φωτοβολταϊκά και να προσφέρουν στην απόδοση του κτιρίου περαιτέρω. Τα φωτοβολταϊκά σε συνδυασμό με αιωρούμενα σωματίδια (SPD) παρατηρήθηκε ότι σε μεγάλες επιφάνειες πλεονεκτούν και σε μικρές δεν συμφέρουν λόγω απώλειας ισχύος, ενώ σε συνδυασμό με υγρούς κρυστάλλους (LC) μεταβαίνουν γρήγορα σε καταστάσεις διαφάνειας. Τέλος, ο συνδυασμός διπλών υαλοπινάκων με κενό και φωτοβολταϊκών υαλοπινάκων περιορίζει την υψηλή διείσδυση του φωτός της ημέρας, προσφέρει χαμηλή απώλεια θερμότητας και παράγει ανανεώσιμη ενέργεια.

Εφαρμογές και παραδείγματα

Εικ. 17. Σχηματικό διάγραμμα Συνδυασμός κενού υαλοπίνακα με ηλεκτροχρωμικό.

Ο συνδυασμός υαλοπινάκων μελετήθηκε και στην έρευνα των Sekhar και Toon (1998), οι οποίοι δημιούργησαν ένα διπλό υαλοπίνακα υψηλής απόδοσης, γνωστό ως έξυπνο παράθυρο, που αποτελείται από έναν υαλοπίνακα υψηλής απόδοσης θερμότητας και έναν άλλον με επικάλυψη χαμηλής εκπομπής (Low-e). Με το συνδυασμό αυτών, παράγεται ένα διπλής στρώσης γυαλί υψηλής θερμομόνωσης που παρέχει βέλτιστη ενεργειακή απόδοση και υψηλό επίπεδο μετάδοσης του φωτός με ελάχιστη ανάκλαση. Διαπιστώνεται επίσης, ότι μειώνει το φορτίο ψύξης συμβάλλοντας έτσι στην εξοικονόμηση ενέργειας και ότι έχει την τεχνική δυνατότητα να εξοικονομήσει 70-80% στον ηλεκτρικό φωτισμό, γεγονός που σημειώνει πρόοδο στη συμβατική τεχνολογία και προσφέρει μείωση του CO2, SO2 και NOx κατά περίπου 20% σε ένα κτίριο 20 ορόφων. Η απόδοσή του είναι υψηλότερη από ένα γυαλί πολλαπλών στρώσεων ή από ένα μονό, διότι έχει 1,7 και 3,5 φορές αντίστοιχα καλύτερη θερμομόνωση. Παράλληλα, απομακρύνει την ακτινοβολία και εξασφαλίζει ένα ευχάριστο εσωτερικό περιβάλλον, λόγω της υψηλής ανακλαστικότητας της θερμότητας και της υψηλής ποσότητας φυσικού φωτισμού που εισέρχεται στο κτίριο. Συμπερασματικά, παρατηρείται ότι το έξυπνο παράθυρο ανταποκρίνεται στους καθορισμένους τεχνικούς και οικονομικούς στόχους, καθιστώντας έτσι μια βιώσιμη μακροπρόθεσμη επένδυση για χρήση στα κτίρια, ειδικότερα σε πολυκατοικίες. Όσον αφορά τις τεχνολογίες υαλοπινάκων ροής νερού, αυτές χαρακτηρίζονται από ένα θάλαμο νερού που μεταφέρει την απορροφούμενη ηλιακή ενέργεια στο γυαλί (εικόνα 18). Συγκεκριμένα στη μελέτη των Romero και Hernández (2017), αναφέρεται ότι ένας υαλοπίνακας πολλαπλών στρωμάτων νερού περιλαμβάνει γυάλινες στρώσεις, στρώματα πολυβινυλοβουτυλίου (PVB), επικαλύψεις, κενό αέρα και ένα στρώμα νερού. Η απορρόφηση θερμότητας από την ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από τις φασματικές ιδιότητες των υλικών κάθε στρώματος. Τα κύρια πλεονεκτήματα ενός τζαμιού ροής νερού είναι η εξαιρετικά διαφανής πρόσοψη , η δυνατότητα ψύξης και θέρμανσης, η ανάγκη για τυφλή τοποθέτηση, η λεπτή επένδυση της επιφάνειας και η χαμηλή συντήρηση. Το κύριο μειονέκτημα είναι η πολυπλοκότητα της εγκατάστασης που δημιουργεί μια επίπονη εποικοδομητική διαδικασία και σχεδιασμό. Τα έξοδα εγκατάστασης μιας πρόσοψης που ρέει με νερό είναι συγκρίσιμα με την εγκατάσταση ηλιακού πλαισίου και ελαφρώς χαμηλότερα από τις αεριζόμενες προσόψεις. Αναφέρεται επίσης, ότι η ηλεκτροχρωμική επίστρωση, η οποία τροποποιεί τις φασματικές ιδιότητες, μπορεί να συμπληρωθεί με υαλοπίνακες ροής νερού

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

για να επιτευχθεί προηγμένος έξυπνος υαλοπίνακας, ο οποίος επιτρέπει τη ρύθμιση της εσωτερικής αύξησης της θερμότητας και τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας. Ένα σύνηθες υλικό που χρησιμοποιείται στους υαλοπίνακες ως μόνωση για τη ρύθμιση της θερμότητας είναι το αεροπήκτωμα (Aerogel). Το συγκεκριμένο υλικό είναι μη τοξικό, μη εύφλεκτο, ελαφρύ με χαμηλό δείκτη διάθλασης και παρέχει καλή ακουστική μόνωση. Το πιο συνηθισμένο αεροπήκτωμα είναι του πυριτίου, το οποίο έχει μικρούς πόρους και μειώνει τη ροή θερμότητας λόγω αγωγής (Ghosh & Norton, 2018). Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της θερμικής απόδοσης και της φωτεινότητας. Όταν βρίσκεται σε μονολιθική μορφή, έχει εξαιρετικές θερμικές, ηλεκτρικές, ακουστικές μονωτικές ιδιότητες και επιτρέπει την οπτική αλληλεπίδραση με το περιβάλλον λόγω της διαφάνειάς του, σε αντίθεση με τα αεροπηκτώματα σε κοκκώδη μορφή. Παρόλα αυτά, η διαδικασία κατασκευής τους δεν έχει αναπτυχθεί σε βιομηχανική κλίμακα, λόγω του υψηλού κόστους και του μακρού χρόνου παραγωγής που συνδυάζεται με συμβατικές μεθόδους κατασκευής. Επίσης, οι Zinzi et al. (2019), διεξήχθησαν μια μελέτη κατασκευάζοντας ένα δείγμα υαλοπινάκων που περιείχε τεμάχια μονολιθικού αεροπτηκτώματος (εικόνα 19), με στόχο να συγκρίνουν τις οπτικές ιδιότητες του δείγματος, με άλλες συμβατικές μονάδες διπλού και τριπλού υαλοπίνακα, καθώς και με ένα κοκκώδες αεροπήκτωμα αντίστοιχα σε ίδιους υαλοπίνακες. Μέσα από τη διαδικασία που ακολουθήθηκε, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα τεμάχια μονολιθικού αεροπτηκτώματος είναι υποσχόμενα για εφαρμογές στο κτίριο, διότι έχουν καλή διαφάνεια και επιτρέπουν μια καλή ποιότητα ορατότητας, έχοντας γενικό δείκτη απόδοσης χρώματος κοντά σε ένα από τα συμβατικά συστήματα. Επίσης, σε σύγκριση με το κοκκώδες δείγμα, το μονολιθικό έδειξε

Εικ. 18. Παραδείγματα υαλοπινάκων ροής νερού. (1) Έρευνα των InDeWaG στη BAU. (2) Ολοκληρωμένη εγκατάσταση στο Carcagente, Ισπανία.

Εφαρμογές και παραδείγματα

μεγαλύτερη μετάδοση σε όλο το φάσμα, με υψηλότερες ορατές και άμεσες ηλιακές ευρυζωνικές τιμές κατά 9% και 11% αντίστοιχα. Σε σύγκριση με τους συμβατικούς υαλοπίνακες, η μείωση της διαπερατότητας του φωτός είναι περίπου 13% σε σχέση με τα διπλά τζάμια χαμηλής εκπομπής (Low-e), ενώ παρόμοια δεδομένα παρουσιάζουν και τα τριπλά τζάμια με αέρα. Επιπρόσθετα, έρευνες εξετάζονται γύρω από τεχνολογίες έξυπνων υαλοπινάκων που μπορούν να συνδυαστούν με σκίαστρα και να αλλάζουν αυτόνομα τις οπτικές/θερμικές τους ιδιότητες ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες, εμποδίζοντας την διείσδυση περιττής ποσότητας φωτός και ηλιακής ακτινοβολίας ώστε να προσφέρουν άνεση και εξοικονόμηση ενέργειας. Για παράδειγμα, οι Vlachokostas και Madamopoulos (2012), πρότειναν και παρουσίασαν τα φυσικά οφέλη φωτισμού από το σωστό προσανατολισμό πρισματικών περσίδων γεμισμένων με υγρό (π.χ. νερό), οι οποίες λειτουργούν ως συστατικά στοιχεία φώτων ημέρας και καλύπτουν τόσο τον φυσικό φωτισμό όσο και τις ανάγκες θέρμανσης και ψύξης των χώρων. Οι πρισματικές περσίδες απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία μέσω του υγρού και κατευθύνουν το ηλιακό φως από το άνοιγμα του παραθύρου σε χώρους βαθύτερα μέσα στο δωμάτιο, επιτρέποντας τη μείωση ή/και την εξάλειψη του τεχνητού φωτισμού. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε ανακατεύθυνση του ηλιακού φωτός στην οροφή με συνέπεια την ομοιόμορφη διάχυσή του στο εργασιακό επίπεδο καθώς και από το δωμάτιο έως το διάδρομο για βαθύτερη φυσική διείσδυση του φωτός σε χώρους που συνήθως δε λαμβάνουν φυσικό φως. Αξιοποιήθηκε με αυτό το τρόπο η θερμική ενέργεια του ήλιου, λειτουργώντας ως θερμικό φράγμα και θερμικό μέσο αποθήκευσης, ενώ παράλληλα μπόρεσε να απορροφηθεί η θερμότητα και

Εικ. 19. (1) Κοκκώδες και (2) μονολιθικό αεροπήκτωμα σε υαλοπίνακα.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

να εφαρμοστεί σε δευτερεύουσες εφαρμογές ψύξης και θέρμανσης. Σε συνέχεια της έρευνάς τους (Vlachokostas & Madamopoulos, 2015), πρότειναν και ανέλυσαν μια πρόσοψη με υγρό πρισματικό φράγμα (LFPL), η οποία μπορεί να παράγει θερμική ενέργεια με τη δυνατότητα να προσφέρει ενισχυμένα επίπεδα φυσικού φωτισμού σε χώρους γραφείων και να βοηθήσει θερμικά δευτερεύουσες εφαρμογές θερμικής ενέργειας. Το σύστημα LFPL επιτυγχάνει βαθύτερη φυσική διείσδυση φωτός, καλύτερη ομοιομορφία και υψηλότερα επίπεδα φωτεινότητας σε σύγκριση με ένα χώρο γραφείου χωρίς αυτό. Το προτεινόμενο σύστημα αποτελείται από μια σειρά κοίλων πρισματικών στοιχείων, δηλαδή περσίδες γεμάτες με υγρό (π.χ. νερό) που ανάλογα με τις εποχιακές συνθήκες και τις ανάγκες των χρηστών, περιστρέφονται μέσω ενός συστήματος αυτοματισμού και επιτρέπουν στο φυσικό φως να διεισδύσει βαθύτερα στο δωμάτιο, να δημιουργήσει ομοιόμορφο φωτισμό και να μειώσει τις ζώνες υψηλής φωτεινότητας. Τέλος, αναφέρθηκε πώς το θερμαινόμενο υγρό έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί για δευτερεύουσες θερμικές εφαρμογές, όπως τον κλιματισμό με ηλιακή ενέργεια, το ζεστό νερό κ.ά. Από την άποψη της άνεσης των χρηστών, οι εργαζόμενοι δοκιμάζουν τα οφέλη του φυσικού φωτισμού και ως εκ τούτου μπορούν να ενισχύσουν την απόδοση και την παραγωγικότητα τους και να ρυθμίσουν τους κιρκαδικούς ρυθμούς τους, οι οποίοι οδηγούν σε βελτιωμένη ψυχολογία και ποιότητα ζωής. Για το σκοπό αυτό, την άνεση των χρηστών και την βελτιωμένη ψυχολογία, οι Sadek και Mahrous (2018), υλοποίησαν μια μελέτη με στόχο να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση σε τζάμια που καλύπτουν ολόκληρο το κτίριο, επιτρέποντας παράλληλα στο παράθυρο να παραμείνει περισσότερες ώρες σε μια πιο καθαρή κατάσταση ώστε να μπορούν οι ασθενείς να έρχονται σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον κατά τη διάρκεια της ανάρρωσής τους. Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποίησαν επτά τύπους έξυπνων υαλοπινάκων σε συνδυασμό με τρεις τύπους σκιάστρων, οριζόντιων, κάθετων και συσκευών σκίασης οθόνης. Κατέληξαν στο συμπέρασμα, ότι η ενσωμάτωση των σκιάστρων και ειδικότερα των οριζόντιων, βελτίωσε περισσότερο την απόδοση των υαλοπινάκων μειώνοντας την ποσότητα της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο παράθυρο, επιτρέποντάς του να παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε καθαρότερη κατάσταση χωρίς να επηρεάζει την εσωτερική οπτική άνεση. Επίσης, με την εφαρμογή των υαλοπινάκων επιτεύχθηκαν βελτιώσεις στην ετήσια συνολική κατανάλωση ενέργειας και στις τιμές SHGC (συντελεστής ηλιακών κερδών) και Tv (ορατή μετάδοση), ενώ δεν παρατηρήθηκε αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας για τεχνητό φωτισμό, γεγονός που αποδεικνύει ότι η χρήση έξυπνων υαλοπινάκων συμβάλλει στο φυσικό φωτισμό ακόμα και όταν είναι σε χρωματισμένη κατάσταση. Ενδιαφέρον επίσης, θα προκαλούσε ο έλεγχος διάφορων τεχνολογιών ή υλικών, που χρησιμοποιούνται ίσως σε μικρότερη κλίμακα και θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στους υαλοπίνακες ώστε να προσφέρουν απόδοση στα κτίρια και συνθήκες άνεσης. Για παράδειγμα οι Ren και Wu (2007), χρησιμοποιούν έναν φακό μεταβλητής εστίασης, ο οποίος είναι γεμάτος με υγρό και αλλάζει την εστίασή του με βάση την ανακατανομή του υγρού. Η δομή του φακού περιέχει δύο διαφανείς γυάλινες ή πλαστικές πλάκες και η κάθε πλάκα περιέχει μια οπή, η οποία σφραγίζεται με ελαστική μεμβράνη. Χρησιμοποιώντας ένα μηχανικό ή πιεζοηλεκτρικό ενεργοποιητή, πατιέται η εξωτερική ελαστική μεμβράνη και το υγρό μέσα στο φακό ανακατανέμεται, προκαλώντας στην εσωτερική ελαστική μεμβράνη μια διόγκωση προς τα έξω. Όταν συμβαίνει αυτό, ο φακός αρχίζει να εστιάζει . Για να ελέγξουν

Εφαρμογές και παραδείγματα

το χρόνο απόκρισης του υγρού, οι Ren και Wu (2007), χρησιμοποίησαν μια δέσμη λέιζερ He-Ne και παρατήρησαν ότι όταν ο φακός βρίσκεται σε κατάσταση μη εστίασης, η δέσμη είναι μεγάλη και το φως φράσσεται από το διάφραγμα με αποτέλεσμα η ένταση της δέσμης να είναι ασθενής. Όταν η μεμβράνη πιέζεται για να σχηματίσει ένα κυρτό σημείο, η δέσμη συγκλίνει έτσι ώστε να μπορεί να περάσει περισσότερο φως διαμέσου του διαφράγματος. Μια παρόμοια λογική μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε συστήματα υαλοπινάκων με στόχο να ελέγχεται με βάση την εστίαση, η ποσότητα δέσμης του φωτός που θα εισχωρεί στο εσωτερικό ενός χώρου.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κείμενο: Allen K., Connelly K., Rutherford P., Wu Y., (2017), Smart windows—Dynamic control of building energy performance, Energy and Buildings 139, (pp. 535-546), https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.12.093 Al Touma, A., Ouahrani, D., (2017), Shading and day-lighting controls energy savings in offices with fully-Glazed facades in hot climates, Energy Building 151, (pp. 263–274) Aste N., Leonforte F., Piccolo A., (2018), Color rendering performance of smart glazings for building applications, Solar Energy 176, (pp. 51-61), https://doi. org/10.1016/j.solener.2018.10.026 Dean Y., (1996), Material’s technology, Mitchell’s building series, (pp. 95-96) Georg A., Graf W., Schweiger D., Wittwer V., Nitz P., Wilson H. R., (1998), Switchable glazing with a large dynamic range in total solar energy transmittance (TSET), Solar Energy 62:3, (pp. 215-228), https://doi.org/10.1016/S0038-092X(98)00014-0 Ghosh A., Norton B., (2018), Advances in switchable and highly insulating autonomous (self-powered) glazing systems for adaptive low energy buildings, Renewable Energy 126, (pp. 1003-1031), https://doi.org/10.1016/j. renene.2018.04.038 Kaltenbach F., (Editor), (2004), Translucent materials: Glass, Plastic, Metals, Detail Praxis, 21 Li D., Ma T., Liu C., Zheng Y., Wang Z., Liu X., (2016), Thermal performance of a PCM-filled double glazing unit with different optical properties of phase change material, Energy and Buildings 119, (pp. 143–152), http://dx.doi.org/10.1016/j. enbuild.2016.03.036 Παπαθανασόπουλος Δ., (Ιούνιος 2016), Ερευνητική εργασία: Σχεδίαση και υλοποίηση ηλεκτρονικής διάταξης ελέγχου ηλεκτροχρωμικών παραθύρων, Ενέργεια και περιβάλλον (ΠΜΣ), Πανεπιστήμιο Πατρών, (σελ. 5-9 και 25-26) Pilkington, (2019), Pilkington Activ™ Self-Cleaning Glass, https://www.pilkington. com/en-gb/uk/householders/types-of-glass/self-cleaning-glass, Πρόσβαση 11/4/2019 Ren H., Wu S.T, (2007), Variable-focus liquid lens, Optics Express 15, (pp. 59315936), https://doi.org/10.1364/OE.15.005931 Romero X., Hernández J. A., (2017), Spectral problem for water flow glazings, Energy and Buildings 145, (pp. 67-78), http://dx.doi.org/10.1016/j. enbuild.2017.03.013 Sadek A.H., Mahrous R., (2018), Adaptive glazing technologies: Balancing the benefits of outdoor views in healthcare environments, Solar Energy 174, (pp. 719727), https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.09.032 Sekhar S.C., Toon K.L.C., (1998), On the study of energy performance and life cycle cost of smart window, Energy and Buildings 28:3, (pp. 307-316), https://doi. org/10.1016/S0378-7788(98)00026-7 Torres J., Vergaz R., Barrios D., Sanchez-Pena J., Vinuales A., Grande H.,

Βιβλιογραφία

Cabanero G., (2014), Frequency and temperature dependence of fabrication parameters in polymer dispersed liquid crystal devices, Materials 7, (pp. 3512 3521), https://doi.org/10.3390/ma7053512 Vlachokostas A., Madamopoulos N., (2012), Liquid filled prismatic louver façade for enhanced indoor natural lighting in commercial buildings, Renewable Energy and the Environment, paper JT3A.7 OSA, https://doi.org/10.1364/E2.2012.JT3A.7 Vlachokostas A., Madamopoulos N., (2015), Liquid filled prismatic louver façade for enhanced daylighting in high-rise commercial buildings, Optics Express 23, (pp. A805-818), https://doi.org/10.1364/OE.23.00A805 Wikipedia, The free Encyclopedia, Self-cleaning glass, https://en.wikipedia. org/wiki/Self-cleaning_glass, Πρόσβαση: 11/4/2019 Wittwer V., Datz M., Ell J., Georg A., Graf W., Walze G., (2004), Gasochromic windows, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 84, (pp. 305–314), https://doi.org/10.1016/J. SOLMAT.2004.01.040 Zhang J., Zou Q., Tian H., (2013), Photochromic materials: more than meets the eye, Adv. Mater. 25, (pp. 378–399), https://doi.org/10.1002/adma.201201521. Zinzi M., Rossi G., Anderson A. M., Carroll M. K., Moretti E., Buratti C., (2019), Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel, Solar Energy 183, (pp. 30-39), https://doi.org/10.1016/j. solener.2019.03.013 Εικόνες: Εικόνα 1,4,5,10,17 : Ghosh A., Norton B., (2018), Advances in switchable and highly insulating autonomous (self-powered) glazing systems for adaptive low energy buildings, Renewable Energy 126 (pp. 1003-1031), https://doi.org/10.1016/j. renene.2018.04.038 Εικόνα 2,3,6,8,11 : Dr. Wael S. Bahlol, Smart Glass and Its Benefits on Energy Consumption in Buildings, Chinese-Egyptian Research Journal, Helwan University Εικόνα 7,9 : Windows for high-performance commercial buildings, https://www. commercialwindows.org/dynamic.php Εικόνα 12 : Chameleon Photochromic Smart Window Film Εικόνα 13 : Li D., Ma T., Liu C., Zheng Y., Wang Z., Liu X., (2016), Thermal performance of a PCM-filled double glazing unit with different optical properties of phase change material, Energy and Buildings 119, (pp. 143–152), http://dx.doi. org/10.1016/j.enbuild.2016.03.036 Εικόνα 14 : Goia F., (2012), Thermo-physical behaviour and energy performance assessment of PCM glazing system configurations: A numerical analysis, Frontiers of Arch Research 1, (pp. 341-347), http://dx.doi.org/10.1016/j.foar.2012.10.002 Εικόνα 15 : Youtube,(10/02/2014), Self-cleaning glass windows, Applied Science, https://www.youtube.com/watch?v=UgbT2fJTqFY, Πρόσβαση: 15/04/2019 Εικόνα 16 : Roxit, (22/03/2019), Major Driver For The Demand For Photocatalyst Market In The Country Is Self-Cleaning Applications, Which Are Gaining Popularity, Kentucky News 24, http://www.kyn24.com/business-finans/major-driver-for-thedemand-for-photocatalyst-market-in-the-country-is-self-cleaning-applications-

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

which-are-gaining-popularity-2210355.html, Πρόσβαση: 15/04/2019 Εικόνα 18,19 : Zinzi M., Rossi G., Anderson A. M., Carroll M. K., Moretti E., Buratti C., (2019), Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel, Solar Energy 183, (pp. 30-39), https://doi.org/10.1016/j. solener.2019.03.013 Πίνακες: Πίνακας 1,2 : Ghosh A., Norton B., (2018), Advances in switchable and highly insulating autonomous (self-powered) glazing systems for adaptive low energy buildings, Renewable Energy 126 (pp. 1003-1031), https://doi.org/10.1016/j. renene.2018.04.038

ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν την ικανότητα να μετασχηματίζουν τη μηχανική καταπόνηση και τη δονητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, ώστε να δημιουργούν έξυπνα κτίρια με ανανεώσιμες και βιώσιμες ενεργειακές επιδόσεις. Αν εξετάσουμε την εφαρμογή τους, θα την εντοπίσουμε έντονα σε υλικά που έχουν βάση το τσιμέντο. Όπως χαρακτηριστικά αναφέρεται, τα υλικά που έχουν βάση το τσιμέντο είναι από τα πιο συνηθισμένα δομικά υλικά που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές κτιρίων (Yu & Lau, 2015/Yu, Zhou, Lau, 2016). Έρευνες δείχνουν ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να παραχθεί σε τσιμέντο σε κάποια έκταση μόλις εφαρμοστεί δύναμη συμπίεσης, οπότε η αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας θα συμβάλλει σε ένα ποσοστό στις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου (Chen, Qiu, Han, Lau, 2019). Βέβαια, η παραγόμενη ενέργεια δεν είναι πολύ μεγάλη και γι’ αυτό το λόγο διεξάγονται πολυάριθμες έρευνες για την ανάπτυξη νέων δομικών υλικών με υψηλή ικανότητα πιεζοηλεκτρικής ενέργειας και αποθήκευσης ενέργειας. Πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί σε συσσωρευτές ενέργειας, αισθητήρες και ενεργοποιητές για διάφορα συστήματα κτιρίων. Οι Zou, Tong και Steven (2000), αναφέρουν ότι οι αισθητήρες με βάση το πιεζοηλεκτρικό υλικό μπορούν να εισάγονται στο υλικό κατασκευής και να ανιχνεύουν τυχόν ζημιές που συμβαίνουν στο κτίριο, καταγράφοντάς τες σε πραγματικό χρόνο. Ένα ακόμη υλικό που συναντάται στους αισθητήρες είναι και το PZT (τιτανικός μόλυβδος ζιρκονίου), το οποίο ενσωματώνεται με το τσιμέντο και σχηματίζει ένα νέο σύνθετο κεραμικό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί εξίσου στην κατασκευή των κτιρίων, καθώς παρουσιάζει ισχυρές πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες. Είναι συμβατό με το σκυρόδεμα, παρουσιάζει μεταβολές του όγκου σε σχέση με τις μεταβολές της θερμοκρασίας και τείνει να έχει μια φιλική συμπεριφορά προς το περιβάλλον. Πέρα τις εκτεταμένες προόδους που έχουν σημειωθεί με αυτό το υλικό, ακόμη υπάρχουν προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν. Συγκεκριμένα, μελέτες έχουν αναδείξει ότι η χρήση πιεζοηλεκτρικών κεραμικών με βάση το μόλυβδο μπορεί να οδηγήσει σε αρνητικά περιβαλλοντικά ζητήματα λόγω της τοξικότητας που σχετίζεται με το οξείδιο του μόλυβδου και της υψηλής πίεσης ατμών κατά τη διαδικασία της σύντηξης (Chen et al., 2019). Συνεπώς, είναι σημαντικό να γίνεται έρευνα πάνω στις ιδιότητες των υλικών και να εξετάζονται για τις μηχανικές τους ιδιότητες πριν τη χρήση τους στα κτίρια. Ο έλεγχος της αντοχής τους σε θλίψη, του συντελεστή Young, της πυκνότητας, της ανθεκτικότητας και γενικά οι βασικές παράμετροι που χρειάζονται για τον ασφαλή σχεδιασμό των δομών είναι σημαντικά στοιχεία που λαμβάνονται υπόψιν. Αν αυτό δεν επιτυγχάνεται κατά το σχεδιασμό, το πιο πιθανό είναι η κακή απόδοση των υλικών να οδηγήσει σε υψηλό κόστος συντήρησης και υψηλή κατανάλωση ενέργειας στο κτίριο (Chen et al., 2019). Η κατανάλωση ενέργειας είναι από τα σημαντικότερα στοιχεία όσον αφορά τον σχεδιασμό βιώσιμων και ανανεώσιμων κτιριακών συστημάτων. Τα κτίρια που υπόκεινται σε δονήσεις, σεισμούς, φορτία ανέμων, μεγάλη ανθρώπινη δραστηριότητα, είναι αυτά που παράγουν την περισσότερη ενέργεια και είναι τα κατάλληλα για χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών και αισθητήρων για τη συγκομιδή της. Κτίρια γραφείων ή νοικοκυριά όπου υπάρχει εξοπλισμός, όπως μηχανήματα και πλυντήριο ρούχων αντίστοιχα, μεταφέρουν δονήσεις στο πάτωμα, όπως επίσης και η δραστηριότητα των ανθρώπων μέσα στο κτίριο. Για παράδειγμα, οι Aminzahed, Zhang και Jabbari

Εφαρμογές και παραδείγματα

(2016) χρησιμοποίησαν ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό που ονομάζεται Volture για συγκομιδή ενέργειας με δόνηση που προκαλείται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες στο πάτωμα. Το συγκεκριμένο υλικό μετατρέπει τη σπατάλη ενέργειας από μηχανικούς κραδασμούς σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια και δείχνει αυξημένη συγκομιδή ενέργειας. Οι Elhalwagy, Ghoneem και Elhadidi (2017), εισήγαγαν πιεζοηλεκτρικά δάπεδα σε ένα διαμέρισμα για την ανάκτηση ενέργειας από το περπάτημα των χρηστών στο χώρο. Έχοντας σαν αρχικό δεδομένο ότι η απαιτούμενη ισχύς ημερησίως είναι 10kW, θέλησαν να τη φτάσουν χρησιμοποιώντας 8 πλακάκια (40x40εκ.) της εταιρίας Waynergy (εικόνα 1) και κατέληξαν στο ότι μπορούν να εξοικονομήσουν από αυτά ενέργεια σε ποσοστό 12,33%. Ομοίως, και οι Li και Strezov (2014), αξιοποιώντας την δραστηριότητα των ανθρώπων σε μια βιβλιοθήκη, πρότειναν τα πιεζοηλεκτρικά πλακάκια Pavegen (εικόνα 2) για τη συγκομιδή ενέργειας από το περπάτημα τους. Διαπίστωσαν, καλύπτοντας το 3,1% της συνολικής επιφάνειας της βιβλιοθήκης, ότι μπορούν να καλύψουν το 0,5% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας και να μειώσουν τις εκπομπές θερμοκηπίου ετησίως κατά 10 τόνους, αντικαθιστώντας την ηλεκτρική ενέργεια από το ηλεκτρικό δίκτυο των πλακιδίων. Επιπλέον, λόγω περιβαλλοντικών και καιρικών συνθηκών, τα κτίρια υπόκεινται σε διαβρώσεις και καταπονήσεις. Χρησιμοποιώντας αισθητήρες ενσωματωμένους στις δομές των κτιρίων, μπορούμε και παρακολουθούμε σε τι κατάσταση βρίσκεται το κτίριο. Οι αισθητήρες έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής και είναι δύσκολο να αντικατασταθεί η μπαταρία τους. Γι΄ αυτό το λόγο πολλοί ερευνητές χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικά υλικά στην κατασκευή τους (εικόνα 3), διότι τα υλικά αυτά συλλέγουν ενέργεια και με αυτό το τρόπο βοηθούν στην εξοικονόμηση και τη συντήρηση του κτιρίου (Chen et al., 2019).

Εικ. 1. Πιεζοηλεκτρικά πλακάκια Waynergy.

Εικ. 2. Πιεζοηλεκτρικά πλακάκια Pavegen.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Παρόλο που έχει υπάρξει πρόοδος με τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, υπάρχουν ακόμη πολλά ζητήματα προς επίλυση. Σε αρχικό στάδιο, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η τάση που παράγουν, διότι οι μεγάλες εγκαταστάσεις κτιρίων έχουν υψηλότερες απαιτήσεις σε απόδοση. Επιπλέον, είναι αναγκαία η βελτιστοποίηση τους, ώστε να προσαρμόζονται στις ειδικές περιβαλλοντικές συνθήκες του κτιρίου και να έχουν μακροπρόθεσμη απόδοση, διότι τα κτίρια έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και η αντοχή των υλικών παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτή. Τέλος, η βελτιστοποίηση προτείνεται και για το σχεδιασμό των δομών του κτιρίου, ώστε να είναι πιο αποδοτική η ηλεκτρομηχανική μετατροπή της ενέργειας. Για παράδειγμα, οι συμβατές δομές κτιρίων συνιστούν ένα μέσο για βελτίωση της απόδοσης. Παρόλα αυτά, οι σχεδιαστές συνεχίζουν να μελετούν και να προτείνουν λύσεις για το βέλτιστο χειρισμό των παραπάνω (Chen et al., 2019). Συνοψίζοντας, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ενσωματώνονται ευκολότερα στα δομικά υλικά και στα συστήματα κτιρίων, προσφέροντας βιωσιμότητα στα κτίρια λόγω της συγκομιδής ενέργειας από δομικές καταπονήσεις και τους κραδασμούς, αποθηκεύοντάς την σε δομικά υλικά όπως το τσιμέντο και τα κεραμικά. Επιπλέον, προσφέρουν λιγότερη κατανάλωση ενέργειας και λιγότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και με αυτό το τρόπο επιδρούν θετικά ως προς το περιβάλλον. Οι μέθοδοι και εφαρμογές που ακολουθούνται σε σχέση με αυτά τα υλικά, εξετάζονται και φέρνουν στο φως νέους τομείς έρευνας, με σκοπό αυτοσυντηρούμενες κτιριακές δομές να μπορούν να ενσωματωθούν καλύτερα σε ανανεώσιμα και βιώσιμα συστήματα κτιρίων και να βελτιστοποιήσουν την απόδοσή τους.

Εικ. 3. Πιεζοηλεκτρικά υλικά κατασκευής: (1) πιεζοηλεκτρικός αποσβεστήρας. (2) πιεζοηλεκτρικοί συλλέκτες σε πρόβολο. (3) πιεζοηλεκτρικοί συλλέκτες σε δακτύλιο. (4) πιεζοηλεκτρικός ανεμόμυλος.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κείμενο: Aminzahed I, Zhang Y, Jabbari M., (2016), Energy harvesting from a five-story building and investigation of frequency effect on output power, Int J Interact Des Manuf 10, (pp. 301–308), https://doi.org/10.1007/s12008-016-0309-4 Chen J, Qiu Q, Han Y, Lau D., (2019), Piezoelectric materials for sustainable building structures: Fundamentals and applications, Renewable Sustain Energy Rev 101, (pp. 14-25), https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.09.038 Elhalwagy AM, Ghoneem MYM, Elhadidi M., (2017), Feasibility study for using piezoelectric energy harvesting floor in buildings’ interior spaces, Energy Procedia 115, (pp. 114–26), https://doi.org/10.1016/j.egypro. 2017.05.012 Li X, Strezov V., (2014), Modelling piezoelectric energy harvesting potential in an educational building, Energy Convers Manag 85, (pp. 435–442), https://doi. org/10.1016/j.enconman. 2014.05.096 Ramesh T, Prakash R, Shukla KK., (2010), Life cycle energy analysis of buildings: an overview, Energy Build 42, (pp. 1592–1600), https:// doi.org/10.1016/j. enbuild.2010.05.007 Yu Z, Lau D., (2015), Nano-and mesoscale modeling of cement matrix, Nanoscale Res Lett 10, (pp. 173), https://doi.org/10.1186/s11671-015-0862-y Yu Z, Zhou A, Lau D., (2016), Mesoscopic packing of disk-like building blocks in calcium silicate hydrate, Sci Rep 6, article number: 36967, https://doi.org/10.1038/ srep36967 Zhou A, Yu Z, Chow CL, Lau D., (2017), Enhanced solar spectral reflectance of thermal coatings through inorganic additives, Energy Build 138, (pp. 641–7), https://doi.org/10.1016/j.enbuild. 2016.12.027 Zou Y, Tong L, Steven GP., (2000), Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures - a review, Journal of Sound and Vibration 230, (pp. 357–78), https://doi.org/10.1006/ jsvi. 1999.2624 Εικόνες: Εικόνα 1: Waynergy tile, http://utenportugal.org/wp-content/uploads/ Waynergy-The-way-for-energy-harvesting.pdf Εικόνα 2: http://www.pavegen.com/product και Megson K., Article (20/9/2016), Energy-generating flooring launches in the US as Pavegen’s global expansion continues, CLADnews, http://www.cladglobal.com/CLADnews/ architecture-design/Energy-generating-flooring-Pavegen-kinetic-energy-designtechnology-renewable-energy/327022 Εικόνα 3: Chen J, Qiu Q, Han Y, Lau D., (2019), Piezoelectric materials for sustainable building structures: Fundamentals and applications, Renewable Sustain Energy Rev 101, (pp. 14-25), https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.09.038

ΥΛΙΚΑ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) είναι ουσίες με υψηλή θερμότητα τήξης οι οποίες στερεοποιούνται και τήκονται σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Είναι ικανά να αποθηκεύσουν και να απελευθερώσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Η θερμότητα απορροφάται και στη συνέχεια απελευθερώνεται όταν το υλικό μεταβάλλεται από στερεό σε υγρό και αντίστροφα. Έτσι, τα υλικά αλλαγής φάσης ταξινομούνται ως μονάδες αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας (LHS) (Wikipedia, 2019). Τα δομικά υλικά, όπως το κονίαμα, τροποποιούνται και προσαρμόζονται με υλικά αποθήκευσης θερμότητας, όπως τα υλικά αλλαγής φάσης, για τη ρύθμιση της εσωτερικής θερμοκρασίας και την επίτευξη αυξημένης ενεργειακής απόδοσης. Τα υλικά αυτά απορροφούν και απελευθερώνουν θερμότητα κατά τη διάρκεια αλλαγής φάσης και όταν ενσωματώνονται στο κονίαμα, χρησιμεύουν ως παθητικοί θερμικοί ρυθμιστές της εσωτερικής θερμοκρασίας, εμφανίζοντας προοπτικές για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού (HVAC) στα κτίρια (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018). Όπως αναφέρεται στο άρθρο των Akeiber et al. (2016), υπάρχουν διάφοροι συνδυασμοί υλικών αλλαγής φάσης με κονιάματα. Έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες και έρευνες για τις θερμικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Επίσης, έχουν εξεταστεί τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί των κονιαμάτων για να επισημανθεί αν μπορούν να ενσωματωθούν με υλικά αλλαγής φάσης. Τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) με υψηλή πυκνότητα για αποθήκευση θερμικής ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά ως στρατηγικές παθητικής ψύξης. Επιπρόσθετα, αυξάνουν τη θερμική αδράνεια των κτιρίων, γεγονός που μειώνει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, οδηγώντας στη βελτίωση της θερμικής άνεσης των χρηστών.

Εικ. 1. Οργανικές παραφίνες πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Κατηγοριοποίηση υλικών αλλαγής φάσης

ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ Τα υλικά αλλαγής φάσης κατηγοριοποιούνται σε οργανικά, ανόργανα και ευτηκτικά υλικά. Συγκεκριμένα, τα οργανικά υλικά περιλαμβάνουν παραφίνες και μη παραφίνες και έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και περιορισμούς. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 1 και 2, οι παραφίνες πέρα από την υψηλή λανθάνουσα θερμότητα, είναι ανθεκτικές στη διάβρωση, είναι φθηνότερες, αξιόπιστες και χημικά σταθερές. Αντιθέτως, εμφανίζουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, ασυμβατότητα με τα πλαστικά, έχουν μεγάλες αλλαγές όγκου και ολισθαίνουν από τη μήτρα. Οι μη παραφίνες περιλαμβάνουν εστέρες, γλυκόλες και λιπαρά οξέα, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά από τις παραφίνες και σαν μειονέκτημα έχουν την περιορισμένη ευφλεκτότητα τους και την εφαρμογή τους σε χαμηλότερες κλίμακες θερμοκρασίας. Όσον αφορά τα ανόργανα υλικά αλλαγής φάσης, χαρακτηρίζονται από υψηλή λανθάνουσα θερμότητα ανά μονάδα μάζας και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Συνήθως έχουν μικρότερο κόστος από τα οργανικά υλικά και είναι μη εύφλεκτα. Τέλος, τα ευτηκτικά υλικά αποτελούν συνδυασμό δύο ή περισσότερων υλικών αλλαγής φάσης, για να προσαρμόζονται στις ανάγκες που απαιτούνται κάθε φορά και χρησιμοποιούνται όταν ορισμένα χαρακτηριστικά δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από άλλα υλικά αλλαγής φάσης (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018). Αν τα κτίρια θεωρηθούν θερμοδυναμικά συστήματα, τότε τα υλικά αλλαγής φάσης που χρησιμοποιούνται σε αυτά πρέπει έχουν καλές ιδιότητες αποθήκευσης ενέργειας και να προσφέρουν στην ενεργειακή απόδοση του κτιρίου. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι σημαντική η ισορροπία στην ποσότητά τους που θα ενσωματωθεί στο κονίαμα, αλλά και η αντίστασή τους στη ροή ενέργειας σε όλο το τοίχο. Οι θερμικές

Εικ. 2. Οργανικές μη παραφίνες πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

τους ιδιότητες συνοψίζονται στους πίνακες 1,2 και 3, δίνοντας ενδεικτικά στοιχεία που μπορούν να ληφθούν υπόψιν για την ενσωμάτωσή τους στα κονιάματα.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Τα υλικά αλλαγής φάσης, λόγω των χαρακτηριστικών τους συνδυάζονται με διάφορα υλικά και τα ενισχύουν ως προς τις ιδιότητές τους. Ένα σύνηθες υλικό που ενσωματώνεται με υλικά αλλαγής φάσης είναι το κονίαμα. Τα κονιάματα χρησιμοποιούνται ως μέσο συγκόλλησης των τοίχων και σαν σοβάτισμα, εσωτερικά ή εξωτερικά, ως τελικό στρώμα στα κτίρια. Παίζουν σημαντικό ρόλο στην κατασκευή και γι΄ αυτό γίνονται αρκετές πειραματικές δοκιμές ως προς τη σύμπτυξή τους με υλικά αλλαγής φάσης, που έχουν υψηλή χωρητικότητα αποθήκευσης θερμότητας, ώστε να αυξηθεί η ενεργειακή τους απόδοση. Παρόλα αυτά, πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι η συμπερίληψη αυτών των υλικών σε κονιάματα μπορεί να μειώσει την συμπιεστική αντοχή του σύνθετου υλικού PCM (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018). Μια έρευνα σχετικά με τα κονιάματα PCM των Eddhahak et al. (2014), για τον προσδιορισμό της θερμικής συνεισφοράς των υλικών αλλαγής φάσης, όσον αφορά την απελευθέρωση της θερμότητας κατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης, ανέδειξε ότι τα κονιάματα PCM απελευθερώνουν χαμηλότερη θερμότητα σε σύγκριση με το απλό κονίαμα και ότι η ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης σε αυτό, επηρεάζει την αντίδραση της ενυδάτωσης. Οι Ventolà, Vendrell και Giraldez (2013) διαπίστωσαν ακόμη, ότι το ασβεστοκονίαμα με προσθήκη υλικών αλλαγής φάσης έχει βελτιωμένες θερμομονωτικές ιδιότητες, αντοχή σε θλίψη και ρυθμό ενανθράκωσης σε σύγκριση

Πίνακας 1 Ιδιότητες οργανικών PCM

Πίνακας 2 Ιδιότητες ανόργανων PCM

PCM

Θερμοκρασία μετάβασης φάσης (oC)

Ενθαλπία σύντηξης (kJ/kg)

Proryl Palmitate Glycerin Hexadecane Butyl Stearate Paraffin (C16-C18) Heptadecane Dimethyl Sabacate Paraffin C17 Lactic acid 1-Dodecanol Vinyl Stearate Octadecane Methyl Palmitate Capric Acid Caprylone Camphenilone MICRONAL 26 MICRONAL 5001 Acid Methyl Pentasosane RT-20 Emerest 2325 Emerest 2326 Lithium Chloride Ethanolate

16-19 17,9 18,1 19 20-22 20,8-21,7 21 21,7 26 26 27-29 28-28,1 29 30,1 40 39 26 26 29 22 20 20 21

186 198.7 236 140 152 171-172 120-135 213 184 200 122 244-250.7 205 158 259 205 110 110 197 172 134 139 188

PCM

Θερμοκρασία μετάβασης φάσης (oC)

Ενθαλπία σύντηξης (kJ/kg)

KF . 4H2O FeBr3 . 6H2O CaCl2 . 6H2O CaCl2 . 12H2O LiNO2 . 3H2O Na2SO4 . 10H2O Na2SO4 . 3H2O Na2CO3 . 10H2O CaBr2 . 6H2O LiBr2 . 2H2O FeCl3 . 6H2O Na2HPO4 . 12H2O Mn(NO3) . 6H2O

18,5 21 29-30 29,8 30 31-32,4 32 32-36 34 34 37 35-36 25,8

231 105 171-192 174 296 251,1-254 251 246,5-247 115,5 124 223 265-281 125,9

Πίνακας 3 Μερικές ιδιότητες ευτηκτικών PCM PCM

Θερμοκρασία μετάβασης φάσης (oC)

Ενθαλπία σύντηξης (kJ/kg)

Ga Octadecane+docosane Octadecane+heneicosane

30 25,5-27 25,8-26

80,9 203,8 173,93

Εφαρμογές και παραδείγματα

με το κλασικό ασβεστοκονίαμα. Παρατήρησαν ότι είναι φιλικό προς το περιβάλλον και συμβατό με παραδοσιακά οικοδομικά υλικά, γεγονός που το καθιστά μια βιώσιμη εναλλακτική λύση, αντί της συμβατικής τσιμεντοκονίας, για βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση. Επίσης στην έρευνα των Zhang et αl. (2013), αναφέρεται ένα τσιμεντοκονίαμα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας (TESCM) που κατασκευάζεται με την ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης, με βάση το n-οκταδεκάνιο και το διογκωμένο γραφίτη (EG). Το σύνθετο υλικό από n-οκταδεκάνιο και διογκωμένο γραφίτη έχει καλές επιδόσεις στο κονίαμα και μειώνει τις διακυμάνσεις της εσωτερικής θερμοκρασίας, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για τα κτίρια. Οι Han, Zhang και Yu (2013), πειραματίστηκαν με νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) ως πρόσθετο υλικό στη τσιμεντοκονία, για να βελτιώσουν τις θερμικά αγώγιμες και μηχανικές του επιδόσεις. Χρησιμοποίησαν ενθυλακωμένα υλικά αλλαγής φάσης για τη βελτίωση της συμβατότητας και τη μείωση της διαρροής και διαπίστωσαν μια διαφορά θερμοκρασίας 6,8οC στα μοντέλα κτιρίων που κατασκευάστηκαν με αυτά τα υλικά, συμβάλλοντας έτσι στην ενεργειακή απόδοση των κτιρίων. Επιπλέον, σε πειραματικό στάδιο αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε ένα ακόμη σύνθετο υλικό για την ενίσχυση του κονιάματος από τους Li και Wu (2011), οι οποίοι ενίσχυσαν τη θερμική αγωγιμότητα της παραφίνης με διογκωμένο γραφίτη και διατομίτη. Από την έρευνα διαπιστώθηκε ότι ο γραφίτης έχει βελτιώσει τη θερμική αγωγιμότητα του κονιάματος PCM, λόγω του πλεονεκτήματος της ομοιόμορφης κατανομής των υλικών αλλαγής φάσης και της μηδενικής χημικής αντίδρασης. Ωστόσο, η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης μειώθηκε για την τροποποιημένη μήτρα κονιάματος (εικόνα 3). Ένα ακόμη παράδειγμα είναι των Tie-lin, Mi-mi, Feng-qing (2016). Εδώ η χρήση υλικών αλλαγής φάσης έγινε σε σκυρόδεμα που έχει υποστεί αερόλυση. Χρησιμοποιήθηκαν το στεατικό οξύ και η παραφίνη και δημιουργήθηκε ένα νέο σύνθετο υλικό με βελτιωμένη θερμική απόδοση, κρίσιμη για περιβάλλον κτιρίου. Στην εικόνα

Εικ. 3. Ενσωματωμένα PCM σε κονίαμα.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

4 και 5 φαίνονται οι διάφοροι τύποι PCM που χρησιμοποιούνται στα κονιάματα και οι συνδυασμοί τους. Τα παραπάνω παραδείγματα αναφέρονται στην άμεση ενσωμάτωση των υλικών αλλαγής φάσης στο κονίαμα. Λόγω δυσκολιών που συναντήθηκαν σε αυτή τη μέθοδο, ερευνητές έκαναν δοκιμές με μακρο- και μικρο- ενθυλακωμένα PCM και διαπίστωσαν ότι υπάρχει καλύτερη μεταφορά θερμότητας, χημική συμβατότητα και ότι δεν εμποδίζεται η ενυδάτωση του κονιάματος. Αν και το τελικό υλικό που προκύπτει είναι ακριβό, η ανάλυση του κύκλου ζωής του έχει θετικά αποτελέσματα. Στον πίνακα 4 συνοψίζονται οι ιδιότητες των μικρο- ενθυλακωμένων PCM σε κονιάματα. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι τα συγκεκριμένα υλικά έχουν οδηγήσει σε χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα, ενώ η μηχανική αντοχή τους δεν επηρεάζεται διότι η αναλογία των υλικών αλλαγής φάσης στο κονίαμα είναι πολύ χαμηλή (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018).

Εικ. 4. Τύποι κονιαμάτων με ενσωματωμένα PCMs (2010-2017).

Αριθμός από συνδυασμούς κονιάματος

Εξετάζοντας τις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών αλλαγής φάσης, βλέπουμε ότι έχουν γενικά υψηλή θερμική αδράνεια. Αυτή η ιδιότητα βοηθά στο να αποφεύγονται οι ξαφνικές αλλαγές θέρμανσης και ψύξης στα κτίρια. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπου οι κατασκευές είναι ελαφριές και μειώνεται το πάχος του τοίχου, η θερμική αδράνεια των δομικών στοιχείων τείνει να μειωθεί και αυτή. Για την επίλυση αυτού του ζητήματος, οι Laaouatni et al (2017) ανέπτυξαν μια μελέτη που αφορά το σχεδιασμό ενός «μπλοκ σκυροδέματος» με χρήση σταθεροποιημένου υλικού αλλαγής φάσης, με στόχο την αύξηση της θερμικής αδράνειας του κτιριακού κελύφους. Το νέο αυτό σύστημα λειτουργεί με κάθετους PCM σωλήνες εξαερισμού που ελέγχουν την εσωτερική ενέργεια και αποσκοπούν στον έλεγχο της θερ-

κονίαμα τσιμέντου

κονίαμα ασβέστη

εναέρια ασβέστη και γύψος

κονίαμα ασβέστη και τσιμέντου

Όνομα συνθετικού υλικού

γεωπολυμερές κονίαμα

Εφαρμογές και παραδείγματα

Πίνακας 4 Περίληψη της έρευνας για τις ιδιότητες των μικρο-ενθυλακωμένων PCM σε κονιάματα Ενθυλάκωση και PCM

Σκοπός

Snoeck et αl. (2014)

Μικροενθυλακωμένη παραφίνη

Να μελετηθεί η ικανότητα του PCM να μετριάζει τις θερμικές καταπονήσεις και την επίδρασή του στις μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος.

Το PCM είναι αποτελεσματικό στην ενίσχυση της θερμικής απόδοσης και στην παρεμπόδιση των θερμικών ρωγμών για προσωρινή περίοδο. Μειώνει την αντοχή σε θλίψη στα σύνθετα σκυροδέματα με βάση το PCM. Ο χρόνος ρύθμισης του σκυροδέματος αυξάνεται με την ενσωμάτωση PCM.

Derradji et αl. (2015)

Μικροενθυλακωμένη παραφίνη

Να μελετηθεί η επίδραση επίστρωσης PCM σε γύψο σε θερμικές επιδόσεις και μηχανικές ιδιότητες δομών σκυροδέματος στην Αλγερία.

Καταστροφή των μηχανικών ιδιοτήτων με PCM. Ο βέλτιστος συνδυασμός για τα κτίρια είναι 70% γύψος και 30% PCM. Είναι αποτελεσματικό στην ενίσχυση της θερμικής απόδοσης το χειμώνα και το καλοκαίρι για το κλίμα της Αλγερίας.

Cunha et al. (2013)

Μικροενθυλακωμένη παραφίνη

Σύγκριση μεταξύ δύο διαφορετικών μικροενθυλακωμένων PCM και η επίδρασή τους στη συρρίκνωση του ασβεστοκονιάματος.

Haurie et al. (2016)

Μικροενθυλακωμένη παραφίνη PCM

Aguayo et al. (2016)

Μικροενθυλακωμένη παραφίνη

Μικροσκοπική μελέτη των θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτων των μικρo- ενθυλακωμένων μονωμένων κονιαμάτων PCM μαζί με τον προσδιορισμό της αντοχής στην διάδοση της πυρκαγιάς. Σύγκριση μεταξύ δύο μικρο- ενθυλακωμένων PCM για τον προσδιορισμό της επίδρασής τους στο σύνθετο τσιμεντοκονίαμα χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις FEM

Συρρίκνωση του κονιάματος PCM και αύξηση της απαίτησης νερού για καλύτερη λειτουργία. Από άποψη μηχανικών ιδιοτήτων, η ενθυλάκωση πολυμεθυλακρυλικού είναι καλύτερη από της μελαμίνης-φορμαλδεΰδης. Ο βέλτιστος συνδυασμός και για τα δυο είναι 60% ασβέστης με 40% γύψο και 20% PCM. Οι ίνες μαζί με το σύνθετο κονίαμα PCM παρέχουν καλύτερη ανταλλαγή μεταξύ μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων. Αυξημένη απαίτηση ύδατος για ενυδάτωση και διατήρηση της δυνατότητας επεξεργασίας με μονοστρωματικά κονιάματα στο στάδιο της ρύθμισης. Οι θερμικές ιδιότητες του κονιάματος βελτιώθηκαν. Η ενσωμάτωση 10% PCM είναι η βέλτιστη, με μετριασμό της θλιπτικής αντοχής κατά 5%. Η ομοιόμορφη κατανομή της μικρο- ενθυλάκωσης βρέθηκε μέσω μικροσκοπικής μελέτης. Τα οργανικά PCM δεν είναι καλοί υποψήφιοι για αντοχή στη φωτιά αλλά διαθέτουν καλά χαρακτηριστικά πυρόσβεσης. Το PCM με συσσωματώματα 5 μm δεν ήταν κατανεμημένο ομοιόμορφα σε σύγκριση με άλλο PCM του οποίου τα σωματίδια έχουν μέγεθος 7 μm. Χρησιμοποιήθηκε μοντέλο 2D επίπεδου στελέχους για τον προσδιορισμό της αλληλεπίδρασης μεταξύ PCM και πάστας τσιμέντου. Για τα PCM με συσσωματώματα, υπήρξε συνεχής μείωση των αντοχών σε θλίψη και κάμψη.

Αριθμός από συνδυασμούς PCM

Συγγραφείς

Organic Paraffin

Παρατηρήσεις

Organic Non-Paraffin

Org-Org Paraffin

Org-Org Non-Paraffin

Org-Org Paraffin -non Paraffin

Ευτηκτική ή υβριδική Τύποι από PCM

Εικ. 5. Προτίμηση ενσωματωμένων PCMs σε κονίαμα (2010-2017).

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

μοκρασίας μέσα στο κτίριο (εικόνα 6.1). Οι σωλήνες τοποθετούνται στις κοιλότητες του σκυροδέματος, όπως φαίνεται στην εικόνα 6.2 και το υλικό αλλαγής φάσης ενσωματώνεται απευθείας σε τετηγμένη κατάσταση (θερμοκρασία μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία κολλοειδούς-ζελέ). Το υλικό αλλαγής φάσης που χρησιμοποιείται είναι ένα μίγμα παραφίνης και πολυμερούς στυρολίου, το οποίο έχει υψηλή μηχανική σταθερότητα, που είναι σημαντική για την αποφυγή προβλημάτων διαρροής. Στην εικόνα 6.1 φαίνεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθείται για τη μελέτη της θερμικής δυναμικής του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα του πειράματος προκύπτουν από τη θερμική συμπεριφορά του υλικού αλλαγής φάσης, μέσα από τη σύγκριση τριών περιπτώσεων: κλειστοί σωλήνες, ανοικτοί σωλήνες και σωλήνες με εξαερισμό. Στην εικόνα 7 απεικονίζεται η θερμοκρασία των πέντε αισθητήρων θερμοκρασίας (θερμοστοιχεία Τ1, Τ2, Τ3, Τ4 και Τ8), σύμφωνα με την εξέλιξη της ροής θερμότητας στα διάφορα υλικά. Όπως διακρίνεται, όταν διακόπτεται η θέρμανση οι θερμοκρασίες μειώνονται για να σταθεροποιηθούν γύρω από τη θερμοκρασία αλλαγής φάσης. Η επίδραση του εξαερισμού, σύμφωνα με το θερμοστοιχείο Τ4 βελτιώνει την απελευθέρωση της ενέργειας. Παράλληλα, παρατηρείται ότι ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσουμε στις επιθυμητές θερμοκρασίες βελτιώνεται με τη χρήση υλικού αλλαγής φάσης. Επίσης, υπάρχει αύξηση της θερμικής αδράνειας και οι σωλήνες αυξάνουν την επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας μέσα σε αυτό και επιδρούν στο σύστημα (Laaouatni et al., 2017). Οι καμπύλες θερμοκρασίας που λαμβάνονται από το θερμοστοιχείο Τ2, δείχνουν μικρή διακύμανση στις θερμοκρασίες, 1°C έως 2°C, με πιο γρήγορη απόκριση από τον εξαερισμό. Αυτό το τμήμα του PCM επηρεάζεται πολύ από το θερμαινόμενο μέτωπο, ενώ στην άλλη πλευρά του σωλήνα το επίπεδο θερμοκρασίας ηλεκτρική θερμάστρα

μπλοκ σκυροδέματος

μονωτικός αφρός

PCM σωλήνας

θερμοστοιχεία DAQ σύστημα παροχή ηλεκτρικού ρεύματος

Εικ. 6. (1) Τοποθέτηση σωλήνων στο μπλοκ σκυροδέματος και σχηματική απεικόνιση της πειραματικής διαδικασίας. (2) Φωτογραφία του μπλοκ με ενσωματωμένους PCM σωλήνες.

Εφαρμογές και παραδείγματα

μειώνεται στους περίπου 20 °C, κάτι που αναδεικνύει τη συμβολή των υλικών αυτών στο σύστημα. Και στις δύο περιπτώσεις, κλειστοί και ανοικτοί σωλήνες, οι θερμοκρασίες κυμαίνονται στις ίδιες θερμοκρασίες αλλαγής φάσης. Στην περίπτωση του αερισμού, η θερμοκρασία δεν υπερβαίνει το κατώφλι τήξης και πέφτει γρήγορα από 27°C στους 25°C, πριν συνεχίσει στη θερμοκρασία δωματίου. Στην περίπτωση των ανοιχτών και κλειστών σωλήνων, παρατηρείται ότι το σύστημα διατηρεί μια ποσότητα ενέργειας μετά από 16 ώρες της διακοπής θέρμανσης (θερμοκρασίες μεταξύ 23,5°C και 24,5°C), ενώ με τον εξαερισμό, η θερμοκρασία φτάνει τους 21,5°C. Επιπλέον, το άνοιγμα των σωλήνων βοηθά στη μεταφορά και την ανταλλαγή θερμότητας μέσω των υλικών αλλαγής φάσης, ενώ ο εξαναγκασμένος αερισμός βελτιώνει την ανταπόκριση του συστήματος (Laaouatni et al., 2017). Η μελέτη που περιγράφεται παραπάνω έχει ως στόχο τη βελτιστοποίηση των τοιχωμάτων του κτιρίου. Οι θερμικές ιδιότητες των υλικών αλλαγής φάσης σε συνδυασμό με τους αεριζόμενους σωλήνες, αυξάνουν τη θερμική αδράνεια του συστήματος και αυτό με τη σειρά του εμποδίζει την ταχεία αύξηση των ημερήσιων θερμοκρασιών, η οποία εμποδίζεται επίσης και με την αξιοποίηση του νυχτερινού αερισμού. Συνεπώς, ρόλο παίζει η επίδραση της ταχύτητας του αέρα, όπως και η βελτίωση του ελέγχου της θερμοκρασίας με την καλύτερη προσαρμογή του συστήματος θέρμανσης. Τα αποτελέσματα της έρευνας επιβεβαιώνουν, αφενός τη συμβολή του υλικού αλλαγής φάσης για τον έλεγχο των θερμοκρασιών στο κατασκευαστικό στοιχείο και, αφετέρου την επίδραση αυτών σε μελλοντικές έρευνες για την εξέλιξη επιπλέον προϊόντων για τη βελτιστοποίηση του κτιριακού κελύφους.

Θερμοκρασία (οC)

Οι εφαρμογές των υλικών αλλαγής φάσης στα κτίρια, θα μπορούσαν να εξετα-

Ώρα

Εικ. 7. Χρονική εξέλιξη θερμοκρασίας μέσα στο μπλοκ σκυροδέματος.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

στούν σε διάφορα άλλα πεδία. Για παράδειγμα, μια φθηνή λύση είναι η ενσωμάτωση ανόργανων PCM στο κονίαμα, διότι έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης. Επιπρόσθετα, η χρήση ευτηκτικών PCM, όπως η οργανική παραφίνη με ανόργανο PCM, μπορεί να προσαρμοστεί για να ικανοποιήσει τις επιθυμητές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018). Αρκετές εφαρμογές εντοπίζονται και σε συστήματα ή κατασκευαστικά προϊόντα. Στην οικοδομική βιομηχανία χρησιμοποιείται ένα προϊόν της BASF, το Micronal, που αποτελείται από ενσωματωμένα σφαιρίδια παραφίνης σε ένα πολυμερές και έχει θερμότητα σύντηξης 100 kJ/kg και θερμοκρασία τήξης 23°C (εικόνα 8). Το υλικό αυτό μπορεί να ενσωματωθεί σε γύψο, σκυρόδεμα και γυψοσανίδα, όπως στη γυψοσανίδα ThermalCore, προσφέροντας έλεγχο της θερμικής άνεσης, μέσω των υλικών αλλαγής φάσης που μειώνουν τις μέγιστες θερμοκρασίες (εικόνα 9) (sustainable in steel, χχ). Ένα άλλο προϊόν είναι το Thermusol (sustainable in steel, χχ), το οποίο συναντάται σε τρεις τύπους με θερμότητα σύντηξης 110 kJ/kg, 150 kJ/kg και 160 kJ/kg και θερμοκρασίες τήξης 28°C, 32°C και 60°C αντίστοιχα. Έχει χρησιμοποιηθεί στο εσωτερικό ενός προϊόντος που ονομάζεται K-Block (Salca BV, χχ) και απορροφά το πλεόνασμα θερμότητας κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ το απελευθερώνει τη νύχτα, ελαχιστοποιώντας την κατανάλωση ενέργειας με εύκολο, γρήγορο και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο (εικόνα 10). Το Thermusol συναντάται επίσης, στο προϊόν Thermupod (εικόνα 11) και αυξάνει τη χωρητικότητα αποθήκευσης θερμότητας (Salca BV, χχ). Υλικά αλλαγής φάσης χρησιμοποιούνται ενσωματωμένα και σε διάφορα συστήματα πάνελ (τοίχου, οροφής ή πατώματος) με στόχο να ρυθμίσουν τη θέρμανση, τη ψύξη ή τον αερισμό στο χώρο και να εξοικονομήσουν ενέργεια (εικόνα 12). Συνοψίζοντας, τα υλικά αλλαγής φάσης, όταν ενσωματώνονται στο κονίαμα, μετριάζουν την κατανάλωση ενέργειας, αποθηκεύουν θερμότητα και έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν θερμικές φάσεις, αποθηκεύοντας ή απελευθερώνοντας ενέργεια, ελαχιστοποιώντας έτσι τις ενεργειακές ανάγκες. Έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και κάθε φορά η επιλογή τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Οι μηχανικές και θερμικές ιδιότητές τους εξαρτώνται από τη μικροδομή τους. Αναφέρεται ότι η ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης στο κονίαμα αυξάνει το μακροσκοπικό τους πορώδες, με αποτέλεσμα η θερμική συμπεριφορά τους να βελτιώνεται όσο έρχονται σε επαφή με το περιβάλλον. Αντιθέτως, το υψηλό πορώδες έχει λιγότερη μάζα υλικού και αυτό σαν συνέπεια οδηγεί στη μειωμένη μηχανική αντοχή, λόγω της απουσίας υλικού που αντιστέκεται στην παραμόρφωση (Venkateswara, Parameshwaran, Vinayaka, 2018). Επιπλέον, τα υλικά αλλαγής φάσης ταξινομούνται ως οργανικά, ανόργανα και ευτηκτικά υλικά. Συγκεκριμένα, οι παραφίνες και μη παραφίνες ανήκουν στα οργανικά υλικά και επισημαίνεται ότι οι μη παραφίνες, όπως τα λιπαρά οξέα, έχουν περιορισμένη ευφλεκτότητα και είναι ανανεώσιμα στη φύση, σε αντίθεση με τις παραφίνες. Παρόλα αυτά είναι πιο ακριβά υλικά. Επίσης, η ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης στο κονίαμα ενισχύει τη θερμική αγωγιμότητα του, ενώ σε αντίθετη περίπτωση, θα μειωνόταν ο ρυθμός αποθήκευσης και ανάκτησης ενέργειας. Εν τέλει, όταν χρησιμοποιούνται σε διάφορα συστήματα ή κατασκευαστικά προϊόντα ελέγχουν τη θερμική άνεση, μειώνοντας τις αυξημένες θερμοκρασίες και εξοικονομούν ενέργεια, ρυθμίζοντας τη θέρμανση, τη ψύξη ή τον αερισμό στο χώρο του κτιρίου.

Εφαρμογές και παραδείγματα

Εικ. 8. Προϊόν Micronal της BARF. Εικ. 9. Τοίχος με ThermalCore - κλίση της θερμοκρασίας.

Εικ. 10. Προϊόν K-Block της Salca BV.

Εικ. 11. Προϊόν Thermupod της Salca BV.

Εικ. 12. Συστήματα πάνελ με ενσωματωμένα PCM.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: Κείμενο: Akeiber H., Nejat P., Majid M.Z.A., Wahid M.A., Jomehzadeh F., Zeynali Famileh I., Calautit J.K., Hughes B.R., Zaki S.A, (2016), A review on phase change material (PCM) for sustainable passive cooling in building envelopes, Renew, Sustain. Energy Rev 60, (pp. 1470–1497), http://dx.doi.org/10.1016/j.rser. 2016.03.036 Eddhahak A., Drissi S., Colin J., Caré S., Neji J., (2014), Effect of phase change materials on the hydration reaction and kinetic of PCM-mortars, Journal of Thermal Analysis Calorimetry 117, (pp. 537–545), http://dx.doi.org/10.1007/s10973-0143844-x Han B., Zhang K., Yu X., (2013), Enhance the thermal storage of cement-based composites with phase change materials and carbon nanotubes, Journal of Solar Energy Engineering 135, 24505, http://dx.doi.org/10.1115/1.4023181 Laaouatni A, Martaj N, Bennacer R, Omari M E, Ganaoui M E., (2017), Phase change materials for improving the building thermal inertia, Energy Procedia 139, (pp. 744-749), https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.11.281 Li M., Wu Z., (2011), Preparation and performance of highly conductive phase change materials prepared with paraffin, expanded graphite, and diatomite, International Journal of Green Energy 8, (pp. 121–129), http://dx.doi.org/10.1080 /15435075.2011.546759 Salca BV, Phase change materials, http://www.salcabv.nl/index.asp?Categor ieID=5&PaginaID=6&Taal=EN, Πρόσβαση: 13/04/2019 Sustainable in steel, PCM products, https://www.sustainableinsteel.eu/p/556/ pcm_products.html, Πρόσβαση: 13/04/2019 Tie-lin F., Mi-mi C., Feng-qing Z., (2016), The preparation of phase change energy storage ceramsite from waste autoclaved aerated concrete, Procedia Environmental Science 31, (pp. 227–231), http://dx.doi.org/10.1016/j. proenv.2016.02.030 Venkateswara Rao V., Parameshwaran R., Vinayaka Ram V., (2018), PCMmortar based construction materials for energy efficient buildings: A review on research trends, Energy and Building 158, (pp. 95-122), https://doi.org/10.1016/j. enbuild.2017.09.098 Ventolà L., Vendrell M., Giraldez P., (2013), Newly-designed traditional lime mortar with a phase change material as an additive, Construction and Building Materials 47, (pp. 1210–1216), http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.05.111 Wikipedia, the free encyclopedia, Phase-change material, https://en.wikipedia. org/wiki/ Phase-change_material # Characteristics _and_classification, Πρόσβαση: 23/03/2019 Zhang Z., Shi G., Wang S., Fang X., Liu X., (2013), Thermal energy storage cement mortar containing n-octadecane/expanded graphite composite phase change material, Renewable Energy 50, (pp. 670–675), http://dx.doi.org/10.1016/j. renene.2012.08.024

Βιβλιογραφία

Εικόνες: Εικόνα 1,2,4,5: Venkateswara Rao V., Parameshwaran R., Vinayaka Ram V., (2018), PCM-mortar based construction materials for energy efficient buildings: A review on research trends, Energy and Building 158, (pp. 95-122), https://doi. org/10.1016/j.enbuild.2017.09.098 Εικόνα 3: Li M., Wu Z., (2011), Preparation and performance of highly conductive phase change materials prepared with paraffin, expanded graphite, and diatomite, International Journal of Green Energy 8, (pp. 121–129), http:// dx.doi.org/10.1080/15435075.2011.546759 Εικόνα 6,7: Laaouatni A, Martaj N, Bennacer R, Omari M E, Ganaoui M E., (2017), Phase change materials for improving the building thermal inertia, Energy Procedia 139, (pp. 744-749), https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.11.281 Εικόνα 8-12: Sustainable in steel, PCM products, https://www.sustainableinsteel. eu/p/556/pcm_products.html , Πρόσβαση: 13/04/2019 Πίνακες: πίνακες 1-4: Venkateswara Rao V., Parameshwaran R., Vinayaka Ram V., (2018), PCM-mortar based construction materials for energy efficient buildings: A review on research trends, Energy and Building 158, (pp. 95-122), https://doi. org/10.1016/j.enbuild.2017.09.098

ΠΟΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Όταν αναφερόμαστε σε «πορώδη» υλικά, στην ουσία σχολιάζουμε το ποσοστό των πόρων ως προς τη συνολική μάζα του υλικού που μελετάμε. Όσο πιο μικρό είναι το ποσοστό των πόρων ως προς τη μάζα του υλικού, τόσο πιο μικρό θεωρείται και το πορώδες και το αντίστροφο. «Πόρος» γενικά ονομάζεται ο κενός χώρος μέσα σε κάποιο στερεό υλικό που είναι γεμάτος από αέρα. Επειδή ο αέρας δεν παρουσιάζει καμία σχεδόν μηχανική αντοχή, όσο πιο μικρό είναι το πορώδες σε ένα υλικό, τόσο πιο μεγάλη είναι η αντοχή του σε θλίψη, όπως επίσης τόσο πιο πυκνό είναι το υλικό. Συνεπώς, το πορώδες επηρεάζει την πυκνότητα των υλικών και το ειδικό τους βάρος, την απορροφητικότητα σε νερό, την αντοχή τους στις καιρικές συνθήκες, τη θερμομονωτική και ηχομονωτική τους ικανότητα κ. ά. (Mavrouleas, 2017). Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο κτίριο συμβάλλουν αισθητά στις απώλειες θερμότητας λόγω μεταφοράς, αγωγιμότητας και ακτινοβολίας. Συνήθως, οι απώλειες εντοπίζονται στις περιοχές των δαπέδων, της οροφής, των τοίχων και των παραθύρων (εικόνα 1) και αυτό επιτυγχάνεται, διότι τα στοιχεία αυτά του κτιρίου δεν είναι καλά μονωμένα και έτσι χάνεται μεγάλο μέρος της θερμικής ενέργειας. Συνεπώς, η σωστή επιλογή υλικών για τη μόνωση παίζει σημαντικό ρόλο στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο κτίριο. Συνήθως, τα μονωτικά υλικά είναι πορώδη ή αφρώδη, ενώ παράλληλα πρέπει να έχουν τη χαμηλότερη δυνατή αγωγιμότητα θερμότητας και να είναι δομικά σταθερά (Rashidia, Esfahani, Karimic, 2018).

Εικ. 1. Περιοχές των ενεργειακών απωλειών στο κτίριο.

Εφαρμογές και παραδείγματα

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Διάφορες μελέτες που έχουν διεξαχθεί από ερευνητές, αναδεικνύουν εφαρμογές και ιδιότητες των μονωτικών υλικών με βάση το πορώδες, που επιφέρουν βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης. Η θερμική αντοχή, η θερμική αγωγιμότητα και το πάχος της μόνωσης είναι οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των μονωτικών υλικών. Τα περισσότερα μονωτικά υλικά είναι σύνθετα, όπως για παράδειγμα τα ανόργανα πορώδη υλικά μόνωσης σαν το γεωπολυμερές, που έχει φιλικά χαρακτηριστικά προς το περιβάλλον και διεξάγονται μελέτες σχετικά με αυτό (Rashidia et al., 2018). Συγκεκριμένα, επιστήμονες από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Κρακοβίας παρουσίασαν ένα ανόργανο γεωπολυμερές με υψηλή μόνωση και ανθεκτικότητα (εικόνα 2). Πρόκειται για ένα υλικό που αντέχει σε μεγάλες θερμοκρασίες, αυξάνει τη δύναμη του με βάση αυτή και μπορεί να αντικαταστήσει τον αφρό πολυστερίνης που χρησιμοποιείται για μόνωση. Παράλληλα η πορώδης δομή του του επιτρέπει να αναπνέει, να απορροφά το νερό και να το εξατμίζει ελέγχοντας την υγρασία του χώρου και έχει επίσης την ικανότητα να απορροφά τις μυρωδιές του χώρου (Euronews, 2015). Μελέτες σχετικά με τα μονωτικά υλικά πραγματοποίησαν και οι Alam, Sinhh και Limbachiya (2011), οι οποίοι διερεύνησαν τα πάνελ μόνωσης κενού (VIPs), λόγω της υψηλότερης θερμικής τους αντοχής σαν αποδοτικότερη ενεργειακή λύση για τα κτίρια σε σχέση με τα συμβατικά μονωτικά υλικά. Τα VIPs μπορούν να εφαρμοστούν σε κτίρια σε διάφορες τοποθεσίες, είτε για εξωτερικές είτε για εσωτερικές επιφάνειες, όπως τοίχους, στέγη, ισόγειο, κουφώματα παραθύρων κ.ά. Για την παραγωγή τους χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά όπως ίνες γυαλιού, αφροί, περλίτης και σύν-

Εικ. 2. Ανόργανο γεωπολυμερές.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

θετα υλικά από ίνες/σκόνη. Περισσότερες πληροφορίες αναφέρονται στο άρθρο. Με πάνελ μόνωσης κενού έχουν ασχοληθεί και άλλοι ερευνητές (Bouquerel et al., 2012), χρησιμοποιώντας πορώδη υλικά ανάμεσα σε μεμβράνες φράγματος αερίου, καταλήγοντας στο ότι προσφέρουν αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα, έξι έως δέκα φορές χαμηλότερη από τα συμβατικά μονωτικά υλικά (εικόνα 3). Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών κελύφους, όπως το δυναμικό σύστημα μόνωσης που χρησιμοποιείται για αερισμό αντί των αγωγών ή των ανοιγμάτων. Πρόκειται για ένα σύστημα που αναγκάζει τον αέρα εξαερισμού να μετακινηθεί αργά μέσω των τοίχων του κελύφους, οι οποίοι κατά συνέπεια λειτουργούν ως εναλλάκτες θερμότητας και φίλτρα του συστήματος εξαερισμού (Alongi & Mazzarella, 2015). Ο Imbabi (2012), μελέτησε μια αδρανή δυναμική μόνωση χώρου (VSDI) που συνδυάζει χαμηλού κόστους συμβατικά μονωτικά υλικά με αποτελεσματικό εξαερισμό για την δημιουργία κτιρίων με χαμηλές απωλειες και υψηλής ποιότητας αέρα εσωτερικού χώρου σε κατασκευές με λεπτό τοίχο (εικόνα 4). Τα βασικά χαρακτηριστικά της VSDI είναι η ομοιόμορφη και αμφίδρομη ροή αέρα σε ολόκληρη την περιοχή του τοίχου, η απλή και στιβαρή εγκατάσταση, το χαμηλό κόστος και η παθητική απόδοση. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση των κτιρίων και τη μείωση του άνθρακα με ένα ελάχιστο κόστος, ενώ αποτελούν την ιδανική λύση τόσο για τις νέες κατασκευές όσο και για τις νέες εφαρμογές που θα προκύψουν. Περαιτέρω εργασίες για τη διερεύνηση και ανάπτυξη της χρήσης του VSDI βρίσκονται σε εξέλιξη. Αξίζει να αναφερθεί, πως τα κτίρια εκτίθενται καθημερινά σε μεγάλες ποσότητες ηλι-

Εικ. 3. Πάνελ μόνωσης κενού (VIP).

Εικ. 4. Ενδεικτικό παράδειγμα τοίχου VSDI χρησιμοποιώντας 2 μονωτικά φύλλα.

Εφαρμογές και παραδείγματα

ακής ακτινοβολίας και τα ποσά αυτά συνεισφέρουν στη διείσδυση θερμότητας στο κτίριο. Οι στέγες των κτιρίων πρέπει να είναι καλά μονωμένες, ώστε να εξισορροπείται η θέρμανση από την ηλιακή ακτινοβολία, με στόχο την ενίσχυση της ενεργειακής απόδοσης και τη μείωση των φορτίων ψύξης. Για την επίτευξη αυτού του στόχου μπορεί να τοποθετηθεί πάνω στην οροφή ένα υπόστρωμα υγρού πορώδους υλικού, όπως το υγρό υπόστρωμα άμμου. Η χρήση αυτού του υλικού έχει ψυκτικές επιδράσεις, λόγω της παθητικής εξάτμισης του νερού μειώνοντας τη θερμοκρασία των υλικών της στέγης. Στην εικόνα 5 φαίνεται η διαδικασία που ακολουθείται (Rashidia et al., 2018). Αρκετές έρευνες έχουν διεξαχθεί γύρω από αυτό το σκεπτικό. Για παράδειγμα, οι Mozumder και Singh (2012), παρουσίασαν μια καινοτόμο προσέγγιση στο σχεδιασμό της στέγης, ενσωματώνοντας ένα στρώμα από τεμάχια τέφρας που λειτουργούν σαν πορώδες στρώμα μόνωσης για τη μείωση της ροής θερμότητας που εισέρχεται στο χώρο διαβίωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η στρώση παρέχει εξαιρετική μόνωση και παρουσιάζει δομική σταθερότητα και ανθεκτικότητα. Οι Crawford και da Silva (2014), χρησιμοποίησαν ως βάση τη στέγη και μελέτησαν ένα σύστημα άντλησης παθητικής εξάτμισης με στόχο να μειώσουν τις θερμικές επιβαρύνσεις στο εσωτερικό χώρο του κτιρίου και να πετύχουν μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο κλιματισμό. Συγκεκριμένα, σε μια πειραματική εγκατάσταση που δημιούργησαν (εικόνα 6), τοποθέτησαν μια πορώδη μεμβράνη πάνω σε μια πλάκα χαλκού, ψυχόμενη με αέρα και τη θέρμαιναν από πάνω με λάμπες αλογόνου. Από τη μεμβράνη εξατμιζόταν το νερό, ενώ αναπληρωνόταν από ξεχωριστή δεξαμενή. Οι πειραματικές αυτές δοκιμές στόχευαν στον προσδιορισμό της ικανότητας ενός τέτοιου συστήματος να μειώνει τις θερμοκρασίες της στέγης

Εικ. 5. Προτίμηση ενσωματωμένων PCMs σε κονίαμα (2010-2017).

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

και τις ροές θερμότητας μέσα στο κτίριο, σε σχέση με παραδοσιακές και μη στέγες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα εξάτμισης κρατούσε τη θερμοκρασία της πλάκας του τμήματος δοκιμής σημαντικά χαμηλότερη από τις ανταγωνιστικές επιλογές για μια συνηθισμένη ημέρα καλοκαιριού. Επίσης, σύμφωνα με τη χρήση του ανακτηθέντος νερού, εκτιμήθηκε η απόδοση της μεμβράνης λαμβάνοντας υπ’ όψιν τις συνθήκες ρύπανσής της, γεγονός το οποίο αποδείχθηκε ότι επηρεάζει την ταχύτητα εξάτμισης. Συνεπώς, η χρήση νέων τεχνικών θα μπορούσε να ενισχύσει την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, μειώνοντας τα φορτία ψύξης μέσω εξάτμισης και συμβάλλοντας περαιτέρω ως θερμομόνωση στο κτίριο. Στον Πίνακα 1 συνοψίζονται και άλλα ερευνητικά άρθρα που δημοσιεύθηκαν σχετικά με τις εφαρμογές πορωδών υλικών στα συστήματα ψύξης οροφής (Rashidia et al., 2018). Τα πορώδη υλικά τα συναντάμε και σε συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Για παράδειγμα, η εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί μέσω υλικού αλλαγής φάσης, παίζοντας σημαντικό ρόλο στην ψύξη και τη θέρμανση των κτιρίων. Οι Venkateswara, Parameshwaran και Vinayaka (2018), χρησιμοποίησαν τα συγκεκριμένα υλικά, ενσωματώνοντας τα σε κονίαμα με στόχο να μετριάσουν την κατανάλωση ενέργειας. Εξέτασαν τα μηχανικά χαρακτηριστικά αυτών των υλικών και την ικανότητά τους για αποθήκευση θερμικής ενέργειας και κατέληξαν στο ότι εξαρτώνται από τη μικροδομή τους. Επιπλέον, επισήμαναν ότι λόγω ενσωμάτωσης υλικών αλλαγής φάσης στο κονίαμα αυξάνεται το μακροσκοπικό πορώδες, με αποτέλεσμα η θερμική συμπεριφορά του να βελτιώνεται με τη συνεχή επαφή με το περιβάλλον. Αναφέροντας κάποια παραδείγματα των πορωδών υλικών, βλέπουμε ότι απαιτού-

Εικ. 6. (1) Πειραματική εγκατάσταση συστήματος εξάτμισης. (2) Διατομή του τμήματος δοκιμής.

Εφαρμογές και παραδείγματα

νται περαιτέρω έρευνες ώστε να εξελιχθεί η απόδοσή τους στα κτίρια και να γίνει η εφαρμογή τους αποτελεσματικότερη. Μεγάλο μέρος θερμικής ενέργειας χάνεται όταν η μόνωση δεν είναι επαρκής και η χρήση πορώδους υλικού με τη χαμηλότερη δυνατή θερμική αγωγιμότητα και σταθερή δομή αποτελεί μια καλή επιλογή για την μόνωση. Επίσης, η χρήση υγρών πορωδών υλικών στην επιφάνεια της οροφής έχει ως αποτέλεσμα να προκαλούνται ψυκτικές επιδράσεις από την παθητική εξάτμιση του νερού και τα υλικά αλλαγής φάσης παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας (Rashidia et al., 2018).

Πίνακας 1 Η βιβλιογραφία σχετικά με τις εφαρμογές πορωδών υλικών στα συστήματα ψύξης οροφής. Συγγραφείς

Τύπος Αναζήτησης

Είδη Πρώτης Υλης

Αποτελέσματα

Liu et al. (1997)

Αναλυτικός

Μη υλοποιημένη άμμος

Ibrahim et al. (2003)

Πειραματικός

Πορώδες κεραμικό

Meng and Hu (2005)

Πειραματικός/ Αριθμητικός

Άμμος θαλάσσης

Okada et al. (2008)

Πειραματικός

Πορώδες κεραμικό

Wanphen and Nagano (2009)

Πειραματικός

Βότσαλα, άμμος πυριτίου, ηφαιστειακή τέφρα και πυριτόλιθο

Chen and Liu (2010), Chen (2011)

Μαθηματικός

Κεραμικό υλικό με πορώδες 0,38

dos Santos and Mendes (2013) Gentle et al. (2013)

Μαθηματικός

Άμμος

Πειραματικός

Πλέγμα πολυαιθυλενίου

Crawford and da Silva (2014)

Πειραματικός

Πορώδης μεμβράνη

Shokri Kuehni et al. (2016)

Πειραματικός

Άμμος με διαφορετικό μέγεθος σωματιδίων

Zhang et al. (2017)

Μαθηματικός

Στρώμα πορώδους κεραμικού

Η εξάτμιση στην ελεύθερη επιφάνεια αυξάνει όσο η σχετική υγρασία μειώνεται και η θερμοκρασία περιβάλλοντος αυξάνεται. Μια μέγιστη ψύξη περίπου στα 224 Wm-2 μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση πορώδους κεραμικού εξατμιστή με μεγάλο πορώδες. Το πορώδες κεραμικό έχει σημαντικές δυνατότητες για τις εφαρμογές των κτιρίων στην ψύξη άμεσης εξάτμισης. Οι θερμοκρασίες των εξωτερικών και εσωτερικών επιφανειών της οροφής μπορούν να μειωθούν περίπου στους 25°C και 5°C, αντιστοίχως, χρησιμοποιώντας υγρό πορώδες υλικό στην οροφή σε σύγκριση σε μια συνηθισμένη οροφή. Τα πορώδη κεραμικά που παρασκευάζονται με ανάμειξη αλόφανου και βερμικουλίτη είναι χρήσιμα ως υλικά που συγκρατούν το νερό και αποτρέπουν τα φαινόμενα “αστικής θερμονησίδας”. Μεταξύ των βότσαλων, της πυριτικής άμμου, του πυριτιούχου σχιστόλιθου και της ηφαιστειακής τέφρας, ο πυριτιούχος σχιστόλιθος έχει μεγαλύτερες δυνατότητες μειώνοντας την ημερήσια μέση θερμοκρασία επιφάνειας πάνω από 8,63°C. Η ψύξη του πορώδους εξατμιστικού στρώματος αυξάνεται καθώς η σχετική υγρασία περιβάλλοντος μειώνεται ή αυξάνεται η θερμοκρασία στο περιβάλλον. Η ταχύτητα του ανέμου έχει σημαντικές επιπτώσεις στη θερμοκρασία του πορώδους στρώματος. Η άμμος και τα υγρά υποστρώματα της άμμου έχουν πρωταρχικό δείκτη άνεσης για ολόκληρη την ημέρα. Το πολυμερές πλέγμα είναι κατάλληλο υλικό για δροσερές στέγες. Το πλέγμα πολυαιθυλενίου είναι πορώδες υλικό που έχει την ικανότητα να μειώνει τη μεταφορά ροής κατά τη διάρκεια της νύχτας και να έχει μια μεγάλη μεταφορά μαύρου σώματος που το ορίζει κατάλληλο για εφαρμογή σε συστήματα ψύξης με ακτινοβολία. Το αλάτι που θα κατατεθεί στο σύστημα εξάτμισης εμποδίζει τους πόρους και οδηγεί σε μείωση του ρυθμού της εξάτμισης και επομένως επηρεάζει την ικανότητα ψύξης του συστήματος. Το μήκος των τριχοειδών μεταξύ του αφαιρούμενου μπροστινού τμήματος αφύγρανσης και της επιφάνειας εξάτμισης μειώνεται με μια αύξηση του μεγέθους των σωματιδίων. Η θερμοκρασία της επιφάνειας αυξάνεται αυξάνοντας το μέγεθος των σωματιδίων. Η επαναπλήρωση του υποστρώματος εξάτμισης με νερό προκαλεί κυρίως μείωση της ωριαίας μέγιστης ροής θερμότητας.

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: Κείμενο: Alam M, Singh H, Limbachiya MC., (2011), Vacuum insulation panels (VIPs) for building construction industry - a review of the contemporary developments and future directions, Appl Energy 88, (pp. 3592–602), https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2011.04.040 Alongi A., Mazzarella L., (2015), Characterization of fibrous insulating materials in their application in Dynamic Insulation technology, Energy Procedia 78, (pp. 537–542), https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.732 Bouquerel M., Duforestel T., Baillis D., Rusaouen G., (2012), Heat transfer modeling in vacuum insulation panels containing nanoporous silicas - A review, Energy and buildings 54, (pp. 320-336), https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.07.034 Crawford R., da Silva A.K., (2014), Experimental testing of a passive, evaporation – based roof cooling system, Energy and Buildings 71, (pp. 12-19), https://doi. org/10.1016/j.enbuild.2013.11.009 Euronews, (29/04/2015), Γεωπολυμερές αυξάνει την ανθεκτικότητα και τη μόνωση κτιρίων, https://gr.euronews.com/2015/04/29/volcanic-mud-could-makeideal-building-material-scientists-say, Πρόσβαση: 14/04/2019 Imbabi MSE., (2012), A passive – active dynamic insulation system for all climates, Int J Sustain Built Environ 1, (pp. 247–258), http://dx.doi.org/10.1016/j. ijsbe.2013.03.002 Mavrouleas G., Monoteck Συστήματα μονώσεων, (2017), Πορώδη υλικά, http:// dev.monotech.gr/%CF%80%CE%BF%CF%81%CF%8E%CE%B4%CE%B7-%CF%85%CE %BB%CE%B9%CE%BA%CE%AC/, Πρόσβαση: 14/04/2019 Mozumder A, Singh AK., (2012), Solar heat flux reduction through roof using porous insulation layer, Energy Procedia 30, (pp. 446–451), https://doi.org/10.1016/j. egypro.2012.11.053 Rashidia S., Esfahani J. A., Karimic N., (2018), Porous materials in building energy technologies—A review of the applications, modelling and experiments, Renewable and Sustainable Energy Reviews 91, (pp. 229–247), https://doi. org/10.1016/j.rser.2018.03.092 Venkateswara Rao V., Parameshwaran R., Vinayaka Ram V., (2018), PCM mortar based construction materials for energy efficient buildings: A review on research trends, Energy and Building 158, (pp. 95-122), https://doi.org/10.1016/j. enbuild.2017.09.098 Εικόνες: Εικόνα 1,3,5 : Rashidia S., Esfahani J. A., Karimic N., (2018), Porous materials in building energy technologies - A review of the applications, modelling and experiments, Renewable and Sustainable Energy Reviews 91, (pp. 229–247), https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.092 Εικόνα 2: Euronews, (29/04/2015), Γεωπολυμερές αυξάνει την ανθεκτικότητα και τη μόνωση κτιρίων, https://gr.euronews.com/2015/04/29/volcanic-mud-could-

Βιβλιογραφία

make-ideal-building-material-scientists-say, Πρόσβαση: 14/04/2019 Εικόνα 4: Imbabi MSE., (2012), A passive – active dynamic insulation system for all climates, Int J Sustain Built Environ 1, (pp. 247–258), http://dx.doi.org/10.1016/j. ijsbe.2013.03.002 Εικόνα 6: Crawford R., da Silva A.K., (2014), Experimental testing of a passive, evaporation – based roof cooling system, Energy and Buildings 71, (pp. 12-19), https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.11.009 Πίνακες: Πίνακας 1 : Rashidia S., Esfahani J. A., Karimic N., (2018), Porous materials in building energy technologies - A review of the applications, modelling and experiments, Renewable and Sustainable Energy Reviews 91, (pp. 229–247), https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.092

ΦΕΡΡΟΡΕΥΣΤΑ ΚΑΙ ΕΞΥΠΝΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Τα φερρορευστά (Ferrofluids) είναι κολλοειδή εναιωρήματα μαγνητικών σωματιδίων ενός τομέα, με τυπικές διαστάσεις περίπου 10nμ, διασκορπισμένα σε ένα υγρό φορέα και πρέπει να έχουν μη μηδενικές μαγνητικές ροπές για να δείξουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Μια θεμελιώδης ιδιότητα των μαγνητικών υγρών είναι ότι παρουσία ενός μη ομοιογενούς μαγνητικού πεδίου, έλκονται από την περιοχή όπου η ένταση του πεδίου είναι η μέγιστη. Αυτό συμβαίνει, επειδή οι μαγνητικές ροπές περιστρέφονται στην κατεύθυνση της ελάχιστης ενέργειας, η οποία είναι παράλληλη με το πεδίο με αποτέλεσμα να τραβιέται από τη δύναμη στην κατεύθυνση της κλίσης του πεδίου. Αναφέρεται ότι διαφέρουν από τα μαγνητορεολογικά ρευστά (MRF) και διατηρούν τη ρευστότητά τους ακόμα κι αν υποβάλλονται σε ισχυρά μαγνητικά πεδία (~10kG) (Scherer & Figueiredo Neto, 2005).

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Τα μαγνητορεολογικά ρευστά είναι έξυπνα και ελεγχόμενα υλικά. Πρόκειται για μη κολλοειδή μίγματα σιδηρομαγνητικών σωματιδίων τυχαία διασκορπισμένα σε έλαιο ή νερό (εικόνα 1.1), συν κάποιες ουσίες που δρουν στην επιφάνεια, χρήσιμες για την αποφυγή της καθίζησης των αιωρούμενων σωματιδίων. Αυτό το υλικό γίνεται ξαφνικά έξυπνο και ενδιαφέρον μόλις το μαγνητικό πεδίο περάσει μέσα από αυτό. Τα σιδηρομαγνητικά σωματίδια αισθάνονται το πεδίο επαγωγής και αποκτούν ένα μαγνητικό δίπολο. Στη συνέχεια, κινούνται και επανασχεδιάζουν τη διάταξη τους ρέοντας και σχηματίζοντας αλυσίδες και γραμμικές δομές (εικόνα 1.2). Ο αυξανόμενος αριθμός των βιομηχανικών εφαρμογών αναδεικνύει ότι οι εφαρμογές των μαγνητορεολογικών ρευστών είναι σχετικές για τους μηχανικούς και μπορούν να Εικ. 1. (1) Μικροφωτογραφία ρευστού MR χωρίς μαγνητικό πεδίο, τα σωματίδια διασκορπίζονται τυχαία. (2) Μικροφωτογραφία ρευστού MR με εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο, σχηματίζονται παράλληλες αλυσίδες καρβονυλικού σιδήρου.

Εικ. 2. Φερρορευστά υλικά επί παρουσία μαγνήτη (ενεργοποιημένη κατάσταση) και μόλις αφαιρεθεί ο μαγνήτης (απενεργοποιημένη κατάσταση).

Εφαρμογές και παραδείγματα

χρησιμοποιηθούν σε πολλές συσκευές, διότι παρέχουν βέλτιστες επιδόσεις. Χαρακτηρίζονται επίσης, από γρήγορη απόκριση, απλή διεπαφή μεταξύ της ηλεκτρικής τροφοδοσίας και της μηχανικής ισχύος εξόδου και από δυνατότητα ελέγχου και ενσωμάτωσης σε πολύπλοκο σύστημα. Σήμερα, τα υλικά αυτά είναι μια αξιόπιστη τεχνολογία για πολλές εφαρμογές μηχανικής. Οι εφαρμογές αυτών των υλικών εντοπίζονται σε αποσβεστήρες μονής απόληξης, που καταστέλλουν τους κραδασμούς των μηχανικών εξαρτημάτων και τους βιομηχανικούς κραδασμούς και σε αποσβεστήρες διπλής απόληξης, που χρησιμοποιούνται κυρίως για τη σταθεροποίηση των κτιρίων και των γεφυρών κατά τη διάρκεια σεισμών (Spaggiari, 2013). Ο ερευνητικός τομέας των μαγνητικών ρευστών είναι ένας πολυεπιστημονικός τομέας. Διάφορες έρευνες έχουν γίνει γύρω από τη σύνθεσή τους, τις φυσικές ιδιότητές και τις εφαρμογές τους σε τεχνολογικά προϊόντα. Οι περισσότερες εφαρμογές βασίζονται στα χαρακτηριστικά του μαγνητικού υγρού. Αυτά αφορούν το μαγνητικό πεδίο, όπου το υγρό πηγαίνει στο πιο ισχυρό πεδίο και παραμένει εκεί, ενώ παράλληλα μπορεί να αλλάξει τις φυσικές του ιδιότητες και την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που την απορροφά σε βολικές συχνότητες και θερμαίνεται. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τα μαγνητικά υγρά χρήσιμα για πολλούς τεχνολογικούς, βιολογικούς και ιατρικούς σκοπούς, καθώς και μια βοήθεια στην έρευνα μηχανικής και στην επιστήμη των υλικών. Για παράδειγμα, τα φερρορευστά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καλοί αγωγοί θερμότητας σε ένα προϊόν, λόγω της καλής θερμικής τους χωρητικότητας και να τη διατηρήσουν σταθερή. Επίσης, συναντώνται σε αδρανείς και ιξώδεις κινητήρες απόσβεσης, όπως τους βηματικούς κινητήρες (stepper motors), με στόχο να απορροφούν την ανεπιθύμητη δόνηση και τους κραδασμούς του κτιρίου. Στον τομέα των υλικών, η σύνθεση των φερρορευστών συναντάται στη δημιουργία βιοσυμβατικών επικαλύψεων, που μιμούνται τη λειτουργία των ζωντανών κυττάρων (Scherer & Figueiredo Neto, 2005). Μια ακόμη εφαρμογή τους εντοπίζεται στην ενσωμάτωσή τους με υγρούς κρυστάλλους. Συγκεκριμένα, οι Brochard και de Gennes (1970), πρότειναν την εισαγωγή ανισοτροπικών μαγνητικών νανοσωματιδίων σε υγρή κρυσταλλική μήτρα, ώστε να προσανατολίζονται με καλύτερο τρόπο στο μαγνητικό πεδίο. Αναφέρουν πως ο μηχανισμός που είναι υπεύθυνος για τον προσανατολισμό των υγρών κρυστάλλων, οφείλεται στην μηχανική σύζευξη των μαγνητικών προσανατολισμένων σωματιδίων και του χρήστη. Στους λυοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους, η χρήση φερρορευστών αύξησε σημαντικά την απορρόφηση δείγματος φωτός, η οποία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για να κατανοηθεί η συμπεριφορά των σύνθετων υγρών. Συνεπώς, οι υγροί κρύσταλλοι με πρόσμιξη φερρορευστών θα μπορούσαν να χρησιμοποιούνται σε συστήματα, αφού οι μαγνητο-οπτικές ιδιότητες τους είναι αξιοσημείωτες και αποκρίνονται σε μικρά μαγνητικά πεδία. Στις αρχές των φερρορευστών βασίζονται και τα σιδηρομαγνητικά υλικά (ferromagnetic), τα οποία αλλάζουν την κατάστασή τους σε διάφορες μορφές παρουσία μαγνητικού πεδίου, ενώ όταν αυτό αφαιρείται, το υλικό επιστρέφει στην αρχική υγρή μορφή του (εικόνα 2). Οι Goldman και Myers (2007) στην προσπάθειά τους να μελετήσουν αυτό το υλικό, ανέπτυξαν μια μέθοδο εξώθησής του χρησιμοποιώντας ένα ρομπότ, ώστε να δημιουργήσουν κατασκευές από σιδηρομαγνητικά υλικά που παίρνουν διάφορες μορφές γύρω από το μαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται. Αυτή η διεργασία εξώθησης επιτρέπει στην κατασκευή να αντιστέκεται στη

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

βαρύτητα και σιγά σιγά προσεγγίζει μια αρχιτεκτονική κλίμακα, φέρνοντας μια νέα ελευθερία στον σχεδιαστή και τον κατασκευαστή. Λόγω του ότι τα φερρορευστά λειτουργούν παρουσία ενός μαγνήτη, αναπτύχθηκε ως κύριο στοιχείο της κατασκευής ένα υλικό που μπορεί να αλλάζει τη μορφή του σε στερεή κατάσταση, μέσα από τις ελεγχόμενες εγγενείς δυνάμεις και μορφές του μαγνητικού πεδίου. Για την κατασκευή χρησιμοποιήθηκαν δυο κεραμικοί μαγνήτες, που εσωτερικά τους είχαν σιδηρομαγνητικό υλικό, το οποίο αρχικά ήταν αναμεμειγμένο με γύψο και το σκυρόδεμα, αλλά παρατηρήθηκε πως τα μείγματα ήταν πολύ αδύνατα και βαριά για να δημιουργήσουν τις μορφές. Στη συνέχεια, επιλέχθηκε μια εποξική ρητίνη ταχείας σκλήρυνσης, η οποία αποδείχτηκε καλύτερο υλικό. Στην εικόνα 3, το υλικό παίρνει μορφή ανάμεσα από τους μαγνήτες και παρατηρείται πως περιορίζεται τόσο στην απόσταση της έλξης όσο και στην γωνία μεταξύ του βασικού κεραμικού μαγνήτη και του επιπέδου. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός χρησιμοποιήθηκε μια άλλη μέθοδος εισαγωγής του υλικού ανάμεσα στις πλάκες, που είναι τοποθετημένες στο ρομπότ κάθετα στην κίνηση του εργαλείου (εικόνες 4 και 5), η οποία έγινε με εισαγωγή της ρητίνης στάζοντας από ένα παγωμένο σάκο σιλικόνης (εικόνα 6). Συνεπώς, οι κατασκευές από σιδηρομαγνητικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία δομών και να εξελιχθούν περαιτέρω ως προς τις δυνατότητες των υλικών, των μαγνητών και των μεθόδων που χρησιμοποιούνται. Αυτή η νέα τεχνική που χρησιμοποιεί υλικά που μεταβάλλονται με τα μαγνητικά πεδία οδηγεί σε νέες προοπτικές στην κατασκευή. Οι δυνατότητες αυτών των υλικών, θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν ανάμεσα από υαλοπίνακες και να προσφέρουν σκίαση όταν ενεργοποιείται το μαγνητικό πεδίο. Παράλληλα, θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε συστήματα σκίασης ή σε κατασκευές δευτερευουσών προσόψεων και να προσφέρουν αντίστοιχα, δυνατότητες σκίασης και μια δυναμικότητα στην πρόσοψη του κτιρίου μέσα από τις μορφές και τα σχήματα που θα παίρνει το υλικό.

Εικ. 3. Σιδηρομαγνητικό υλικό ανάμεσα από τους δυο κεραμικούς μαγνήτες.

100

Εφαρμογές και παραδείγματα

Εικ. 4. Νέα μέθοδος εισαγωγής υλικού για διάφορες διαμορφώσεις μαγνητών και μαγνητικών πεδίων.

Εικ. 5. Εργαλείο τοποθετημένο στο ρομπότ χρησιμοποιώντας τη μέθοδο στάλαξης.

Εικ. 6. Αξονομετρικό σχέδιο του εργαλείου με 4’’ κενό μεταξύ των πλακών.

101

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: Κείμενο: Brochard F., de Gennes P.G., Theory of magnetic suspensions in liquid crystals, Journal de Physique, 31:7 (1970) 691-708, https://doi.org/10.1051/ jphys:01970003107069100 Goldman M., Myers C., Freezing the Field _ Robotic Extrusion Techniques Using Magnetic Fields, Acadia | DISCIPLINES + DISRUPTION, (2007) 260 – 265, http:// papers.cumincad.org/data/works/att/acadia17_260.pdf Scherer C., Figueiredo Neto A. M., Ferrofluids: Properties and Applications, Brazilian Journal of Physics, 35:3A (2005) 718-727, http://www.sbfisica.org.br/bjp/ files/v35_718.pdf Spaggiari A., Properties and applications of Magnetorheological fluids, Frattura ed Integrità Strutturale, 23 (2013) 57-61, https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.23.06 Εικόνες: Εικόνα 1: Spaggiari A., Properties and applications of Magnetorheological fluids, Frattura ed Integrità Strutturale, 23 (2013) 57-61, https://doi.org/10.3221/IGFESIS.23.06 Εικόνα 2-6: Goldman M., Myers C., Freezing the Field _ Robotic Extrusion Techniques Using Magnetic Fields, Acadia | DISCIPLINES + DISRUPTION, (2007) 260 – 265, http://papers.cumincad.org/data/works/att/acadia17_260.pdf

102

ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΗ

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Η αρχιτεκτονική αντλούσε ανέκαθεν έμπνευση από τη φύση. Τα υλικά που παρατηρούνται στη φύση (ζώα, φυτά) φανερώνουν εξαιρετικές ιδιότητες, έχουν οργανωμένες δομές και δείχνουν μεγάλες αντοχές στα ερεθίσματα που δέχονται. Το τελευταίο διάστημα, οι ιδιότητες αυτές μελετώνται και ενσωματώνονται σε νέα σύνθετα υλικά που βρίσκουν την εφαρμογή τους στο τομέα της αρχιτεκτονικής. Η μελέτη των στοιχείων της φύσης, των δομών, των συστημάτων που υπάρχουν σε αυτή και η εφαρμογή τους στον τεχνολογικό σχεδιασμό για την επίλυση προβλημάτων, ορίζουν την επιστήμη της βιομιμητικής. Ο όρος αυτός προέρχεται από τις λέξεις “βίος + μίμησις”. Σύμφωνα λοιπόν με αυτόν τον όρο, οι άνθρωποι μιμούνται τη φύση, η οποία καταφέρνει και επιλύει προβλήματα μηχανικής, έχοντας αυτο-θεραπευτικές ικανότητες, ανοχή στην έκθεση του περιβάλλοντος και την ικανότητα να αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια (Wikipedia, χχ), δημιουργούν σύνθετα υλικά και προϊόντα και επιλύουν προβλήματα που προκύπτουν κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού.

ΒΙΟΜΙΜΗΣΗ ΣΤΗΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Παρατηρώντας τους φυτικούς οργανισμούς και τα έντομα, ο Vincent J. και η Benyus J., αναφέρουν σε μελέτες τους πως υπάρχει μια μπογιά με το όνομα Lotusan, η οποία μιμείται τις ιδιότητες των υπερυδροφοβικών φύλλων του λωτού και κάνει τις επιφάνειες αυτό-καθαριζόμενες (εικόνα 1). Παρατήρησαν επίσης, ότι τα μάτια και τα αυτιά των εντόμων, όπως και τα φύλλα των φυτών που βρίσκονται σε τροπικά δάση, έχουν αντι-ανακλαστικές επιφάνειες και έτσι δημιουργήθηκαν φύλλα πολυαιθυλενίου που χρησιμοποιούνται σε γυάλινες επιφάνειες ηλιακών πάνελ και αυξάνουν τη συλλογή φωτός κατά 10% (Μαρούδα, 2015). Εικ. 1. (1) Υπερυδροφοβικές ιδιότητες των φύλλων του λωτού. (2) Τα φύλλα του λωτού σε μικροκλίμακα. (3) Βαφή Lotusan σε σκυρόδεμα.

Εικ. 2. Σχηματική απεικόνιση της μορφής του Homarus americanus.

106

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική

Αντικείμενο έρευνας των Al-Badry, Berdos, Bryskina και Cheng (2016) για τη δημιουργία νέων σχεδιαστικών υλικών εμπνευσμένων από τη φύση, είναι το κέλυφος του αμερικάνικου αστακού (Homarus americanus). Το κέλυφός του αποτελείται από διάφορες περιοχές που η κάθε μια έχει ξεχωριστές ιδιότητες ακαμψίας, γεγονός που προκάλεσε το ενδιαφέρον των ερευνητών γιατί ενώ ολόκληρο το κέλυφος του αστακού είναι φτιαγμένο από το ίδιο σύνθετο υλικό, τη χιτίνη που έχει τη μορφή πολυμερών ινών, αυτό συμπεριφέρεται διαφορετικά σε κάθε περιοχή. Ο στόχος της έρευνας λοιπόν, είναι η δημιουργία συστημάτων που θα είναι ικανά να καλύψουν αρχιτεκτονικές εφαρμογές. Για να εξάγουν τα πειράματά τους χρησιμοποίησαν ως υλικό μεμβράνες από λατέξ σε υγρή και στερεή μορφή, για τις ελαστικές τους ιδιότητες και την αποθήκευση της δύναμης όταν αυτές τεντώνονται, μεταλλικά σύρματα, πλαστικά φύλλα πολυπροπυλενίου και πλαστικό πλέγμα (εικόνα 3). Αρκετά πειράματα διεξήχθησαν για την κατανόηση της συμπεριφοράς του υλικού και της γεωμετρίας του και παρατηρήθηκε ότι το υλικό μπορεί να πάρει τρισδιάστατη μορφή, έχοντας διπλή καμπυλότητα με μικρή διακύμανση στο βαθμό της (εικόνα 4). Επίσης, παρατηρήθηκε ότι οι ιδιότητές του μπορούν να χρησιμοποιηθούν με πιο παραγωγικό τρόπο, όπως για παράδειγμα σε περίπλοκες επιφάνειες που θα δημιουργούν δυναμικές όψεις στα κτίρια. Επιπλέον, για τη δημιουργία κελύφους σε κτίρια έχουν παρατηρηθεί διάφορες φυσικές δομές που εντοπίζονται σε ζωντανά κύτταρα ως και ορυκτά κρύσταλλα. Συγκεκριμένα, οι Arup σχεδίασαν την πρόσοψη του εθνικού κέντρου υγρού στίβου Water Cube για τους Ολυμπιακούς αγώνες της Κίνας, εμπνευσμένοι από τη σαπουνόφουσκα και τις φυσικές δομές που αναφέρθηκαν (Burridge, χχ). Χρησιμοποίησαν αιθυλένιο τετραφθοροαιθυλένιο (ETFE) στην πρόσοψη, το οποίο ζυγίζει μόλις 1%

Εικ. 3. (1) Υγρό λατέξ με πλαστικό πλέγμα/ Υγρό λατέξ με μεταλλικά σύρματα. (2) Φύλλο λατέξ με μεταλλικά σύρματα/ Φύλλο λατέξ με πολυπροπυλένιο.

Εικ. 4. Τρισδιάστατη μορφή υλικού.

107

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

του γυαλιού και είναι καλύτερο θερμομονωτικό (εικόνα 5). Διαπίστωσαν ότι το κτίριο έχει υψηλή απόδοση, διότι χρησιμοποιεί για θέρμανση το 20% της ηλιακής ενέργειας που αποθηκεύεται και εξοικονομεί το 55% της απαιτούμενης ενέργειας για το φωτισμό των αιθουσών από το ηλιακό φως που εισέρχεται μέσω της διαφάνειας. Ενδιαφέρον ακόμη παρουσιάζουν χαρακτηριστικά φυτών και οι ιδιότητές τους, που συναντώνται σε εφαρμογές της αρχιτεκτονικής. Για παράδειγμα, ο κώνος ελάτης αντιδρά παθητικά στις αλλαγές της υγρασίας του περιβάλλοντός του, λόγω της υγροσκοπικής του ιδιότητας και συνεπώς δεν καταναλώνει ενέργεια. Αυτή την ιδιότητα εκμεταλλεύτηκαν οι Menges και Reichert (2012) και ανέπτυξαν ένα σύστημα βιομιμητικής απόκρισης που δεν απαιτεί ούτε εξωτερική ενέργεια, ούτε μηχανικό ή ηλεκτρονικό έλεγχο. Χρησιμοποίησαν συστήματα με δυο στρώσεις από ξύλο και άλλα σύνθετα υλικά και έκαναν πειράματα για να ελέγξουν την απόκρισή τους στην υγρασία. Παρατήρησαν λοιπόν, ότι ένα φύλλο ξύλου αλλάζει το σχήμα του από ευθύ σε καμπύλο σε μόλις λίγα λεπτά με ποσοστό αλλαγών στη σχετική υγρασία από 40% ως 70%. Η έρευνα αυτή, τους οδήγησε να δημιουργήσουν αρχικά μια επιφάνεια που μεταβάλλει το πορώδες του κελύφους της, την “Responsive Surface Structure I” (εικόνα 6) με απόκριση στις αλλαγές της 20 δευτερόλεπτα. Αργότερα σε μια δεύτερη εφαρμογή του συστήματος, ανέπτυξαν την “Responsive Surface Structure IΙ” (εικόνα 7), ενώ ακολούθησαν και άλλες εφαρμογές σε διάφορες κατασκευές (εικόνα 8). Το συγκεκριμένο σύστημα, έχοντας αυτές τις ιδιότητες θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε δευτερεύουσες προσόψεις κτιρίων και να συνεισφέρει στην απόδοσή τους, μιας και δεν απαιτεί κάποιο ηλεκτρονικό έλεγχο και ενέργεια.

Εικ. 5. (1) Εσωτερική άποψη του Water Cube, Ολυμπιακοί αγώνες Κίνας 2008. (2) Η επένδυση των φυσαλίδων αφήνει περισσότερο φωτισμό να εισέρχεται και έχει αυτό – καθαριστικές ιδιότητες.

Εικ. 6. Responsive Surface Structure I (2006-07).

108

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 7. Responsive Surface Structure II (2008).

Εικ. 8. (1) FAZ Pavilion Frankfurt (2010). (2) HygroScope – Meteorosensitive Morphology (2012) in Centre Pompidou Paris.

109

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Σύμφωνα με ομιλία της στο TED (2012) η Doris Kim Sung, βιολόγος και αρχιτέκτονας, αναφέρει πως η ανθρώπινη επιδερμίδα είναι το όργανο που ρυθμίζει φυσιολογικά τη θερμοκρασία του σώματος και πως η εξωτερική επιφάνεια των κτιρίων θα πρέπει να συμπεριφέρεται παρόμοια με αυτή, ώστε το κτίριο να συμπεριφέρεται καλύτερα σε σχέση με τις εξωτερικές συνθήκες που επικρατούν. Στην έρευνά της, δουλεύει με έξυπνα θερμικά διμεταλλικά υλικά που δεν απαιτούν μηχανισμούς ελέγχου και ενέργειας, με στόχο να δημιουργήσει συστήματα που θα λειτουργούν σαν την επιδερμίδα. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, δημιούργησε την εγκατάσταση “Bloom” που προσφέρει συνθήκες σκίασης και αερισμού, έχοντας πολλαπλές προοπτικές σε μελλοντικές αρχιτεκτονικές εφαρμογές. Η εφαρμογή αυτών των υλικών αναφέρεται σε ένα κτίριο στη Κίνα. Η πρόσοψη του κτιρίου καλύπτεται από μια τετραώροφη γυάλινη κάλυψη με θερμικά διμεταλλικά στοιχεία, η οποία προσφέρει οπτική πρόσβαση, ενώ ανοίγει και κλείνει σε ανταπόκριση με τον ήλιο. Επίσης, έχει την ικανότητα να καλύπτει συγκεκριμένα μέρη του κτιρίου, σε περίπτωση που κάποιος θέλει ιδιωτικό χώρο. Με το σύστημα αυτό, τα κτίρια ελέγχουν το επίπεδο του κλιματισμού, ενώ επισημαίνεται πως δεν χρειάζονται κάλυψη στα παράθυρα από περσίδες ή κουρτίνες (εικόνα 9). Σε συνέχεια της έρευνας, δημιούργησε ένα παράθυρο με διπλό τζάμι που στο εσωτερικό του υπάρχει μια επικάλυψη από θερμικά διμεταλλικά υλικά. Όταν ο ήλιος χτυπάει το εξωτερικό επίπεδο του υαλοπίνακα, θερμαίνεται το κενό ανάμεσά του και το υλικό τυλίγεται, εμποδίζοντας την εισροή του ήλιου. Αυτό το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολυώροφα κτίρια, διότι μπορεί να αντιδρά ανεξάρτητα στις συνθήκες κάθε ορόφου ανάλογα με την κίνηση του ήλιου (εικόνα 10).

Εικ. 9. Κτίριο στη Κίνα με θερμικά διμεταλλικά στοιχεία.

110

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 10. Διπλό παράθυρο με θερμικά διμεταλλικά στοιχεία.

Εικ. 11. Δομές που αναπνέουν.

Εικ. 12. Λεπτομερή διαδικασία λειτουργίας διηλεκτρικού ελαστομερούς υλικού.

111

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Το τελευταίο κομμάτι της ομιλίας της επικεντρώνεται στη βιολογία και το αναπνευστικό σύστημα των ακρίδων. Οι ακρίδες αναπνέουν από πλαϊνές οπές στο σώμα τους, που ονομάζονται “σπείρες” και μεταφέρουν τον αέρα μέσα τους. Έχοντας αυτό το δεδομένο, προσπαθεί να δημιουργήσει αρχιτεκτονικές δομές που θα επιτρέπουν στον αέρα να εισέρχεται στο κτίριο μέσω οπών. Συγκεκριμένα, τοποθετεί διμεταλλικά στοιχεία στις δομές και όταν οι καιρικές συνθήκες είναι κρύες, αυτά εμποδίζουν τον αέρα να εισέλθει στο εσωτερικό του κτιρίου. Αντιθέτως, υπό ζεστές συνθήκες τυλίγονται και επιτρέπουν τον αερισμό στο κτίριο (εικόνα 11). Συνεπώς, οι δομές έχουν την ικανότητα να αερίζουν το χώρο του κτιρίου ανεξάρτητα από την επέμβαση του χρήστη (άνοιγμα παραθύρου) και να λειτουργούν ακούραστα και αποτελεσματικά, όπως η ίδια αναφέρει (Sung ,2012). Μια άλλη περίπτωση βιομίμησης με αρκετό ενδιαφέρον, δημιουργήθηκε παρατηρώντας το ανθρώπινο σώμα και την ικανότητά του να διατηρεί σταθερές τις συνθήκες του εσωτερικού περιβάλλοντος μας, παρά τις εξωτερικές συνθήκες (ομοιόσταση). Η εταιρεία Decker Yeadon σχεδίασε ένα σύστημα πρόσοψης που ονομάζει “Homeostatic facade system”, το οποίο αποτελείται από πρόσοψη διηλεκτρικού ελαστομερούς και είναι τοποθετημένο ανάμεσα από διπλό υαλοπίνακα. Χαρακτηρίζεται από την ικανότητα του να διαστέλλεται σαν τεχνητός μυς όταν θερμαίνεται από τον ήλιο, σκιάζοντας έτσι το εσωτερικό του κτιρίου, ενώ συστέλλεται όταν δεν υπάρχει θερμότητα, επιτρέποντας το φυσικό φωτισμό. Ανταποκρίνεται λοιπόν, στις περιβαλλοντικές συνθήκες και έχει πλεονέκτημα έναντι άλλων συστημάτων, εξαιτίας της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του τοπικού ελέγχου (Minner, 2011/ Labarre, 2011).

Εικ. 13. (1) Πρόσοψη κτιρίου σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και (2) υψηλής θερμοκρασίας.

112

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 14. Θαλάσσια κοράλλια ως μέσο έμπνευσης για τη τεχνολογία που ανέπτυξε ο Brent Constanz στο πανεπιστήμιο του Stanford.

Εικ. 15. Μέρη των φτερών της λιβελούλας.

Εικ. 16. Διαφορετικές τυπολογίες της κατασκευής για την επίτευξη του πειράματος.

113

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

Σε συνέντευξη που παραχώρησε ο Brent C. στο “Human World” (Salazar, 2012), αναφέρεται η προσπάθειά του να δημιουργήσει υψηλής απόδοσης τσιμέντα, εμπνευσμένος από το τρόπο που δημιουργούνται τα κοράλλια της θάλασσας (εικόνα 14). Τα κοράλλια λαμβάνουν μέταλλα και διοξείδιο του άνθρακα και στη συνέχεια εκκρίνουν ανθρακικό ασβέστιο για τη δημιουργία του σκληρού κελύφους τους (Εγγλέζου, 2014). Τη διαδικασία αυτή μιμείται ο Brent C. και εξηγεί πως έχει αναπτύξει ένα τρόπο να συλλέγει το διοξείδιο του άνθρακα, να το διαλύει σε θαλασσινό νερό και να σχηματίζει ανθρακικό ασβέστιο που μπορεί να το χρησιμοποιήσει για τη δημιουργία μιγμάτων, συνθετικών πετρωμάτων όπως ο ασβεστόλιθος ή ως τσιμέντο και να το χρησιμοποιήσει σαν σκυρόδεμα, αντικαθιστώντας το συνηθισμένο σκυρόδεμα (Portland), με στόχο να απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Επιπλέον, σε έρευνα των Ojeada, Masseti, Poplawski και Lundberg (χχ), μελετάται η λογική πίσω από την κατασκευή των φτερών της λιβελούλας με στόχο να βρεθούν νέες λύσεις για δομές με δυνατότητα ανάπτυξης ελαφρού βάρους. Για την επίτευξη αυτού του στόχου κατασκευάστηκε ένας πνευματικός μηχανισμός ανάπτυξης φτερών που μιμείται τα φτερά της λιβελούλας. Στην κατασκευή χρησιμοποιούνται διπλές επιφάνειες με πολυαιθυλένιο που ανάμεσά τους ασκείται πίεση με αέρα για ενεργοποίηση της επιφάνειας και έλεγχο της δυσκαμψίας και ευελιξίας που απαιτούνται σε αυτές τις κατασκευές (εικόνα 17). Έγιναν δοκιμές με διάφορους συνδυασμούς ώστε να διευκρινιστεί ο καλύτερος τρόπος λειτουργίας της κατασκευής. Η μεγαλύτερη πρόκληση της έρευνας στη διαδικασία κατασκευής ήταν η “σφράγιση” των επιφανειών πολυαιθυλενίου. Παρατηρείται ότι το συγκεκριμένο υλικό δεν μπορεί να αντέξει μεγάλη πίεση και πως πρέπει να γίνουν περισσότερες έρευνες σε αυτό

Εικ. 17. Διαφορετικές τυπολογίες της κατασκευής (αλυσίδα – τρίγωνο) για την επίτευξη του πειράματος.

114

Βιομίμηση στην Αρχιτεκτονική

το κομμάτι για να έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερα προτζεκτ. Η Benyus J. σε ομιλία της στο TED (2009), αναφέρει διάφορα νέα προϊόντα που προκύπτουν από τη παρατήρηση της φύσης. Για παράδειγμα ο καρχαρίας Galapagos, έχει προσελκύσει την προσοχή των επιστημών εξαιτίας του δέρματός του (λέπια), που εμποδίζει τη συσσώρευση βακτηρίων πάνω του ή ακαθαρσιών. Υπάρχει μια εταιρεία που ονομάζεται “Sharklet Technologies”, η οποία χρησιμοποιεί τεχνολογίες βασισμένες στα λέπια του καρχαρία και δημιουργεί επιφάνειες που τοποθετεί σε διάφορες εγκαταστάσεις, όπως κτίρια νοσοκομείων για να εμποδίζεται η προσκόλληση βακτηρίων και οι μολύνσεις (εικόνα 18). Επίσης, αναφέρει ένα σκαθάρι της ερήμου Ναμίμπια, το οποίο έχει μικρά βαθουλώματα στη πλάτη του και συλλέγει μόνο του νερό από την ομίχλη. Ο Parker A. μελέτησε αυτό το έντομο και διάφορες εταιρείες όπως η Grimshaw, σκέφτονται αυτό το “μηχανισμό” για να δημιουργούν επιστρώσεις σε κτίρια, ώστε να συλλέγεται νερό από την ομίχλη (εικόνα 19, 20). Έχοντας αναφέρει μερικά από τα σημαντικά παραδείγματα εφαρμογών που βασίζονται στην έννοια της βιομιμητικής, κλείνουμε το κεφάλαιο με την Janine Benyus που αναφέρει ότι “η βιομιμητική είναι η πρακτική της εφαρμογής μαθημάτων από τη φύση στην εφεύρεση πιο υγιεινών, πιο βιώσιμων τεχνολογιών για τους ανθρώπους” (Benyus, χχ) και πως “έχει γίνει δημοφιλής στο κλάδο του σχεδιασμού, επειδή οι άνθρωποι ψάχνουν νέους πιο βιώσιμους τρόπους για να σχεδιάζουν και οι οργανισμοί της φύσης ξέρουν ήδη πως να το κάνουν αυτό, οπότε πρέπει να συνειδητοποιήσουμε ότι οι απαντήσεις στις ερωτήσεις μας για βιωσιμότητα βρίσκονται γύρω μας” (Site Design Tool, 2012).

Εικ. 18. Επιφάνεια Sharklet, Sharklet Technologies, Κολοράντο.

Εικ. 19. Σκαθάρι της ερήμου Ναμίμπια. Εικ. 20. Το θέατρο νερού του Λας Πάλμας.

115

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: Κείμενο: Al-Badry S., Berdos Y., Bryskina K., Cheng C., (2016), Emergent technologies & design biomimetic documentation_Lobster shell, (pp. 1-37), https://issuu.com/ cesar_cheng/docs/aa_emtech_biomimetics Benyus J., (2009), Biomimicry in action, TEDGlobal, https://www.ted.com/talks/ janine_benyus_biomimicry_in_action#t-457117 Benyus J., What is Biomimicry, Biomimicry Toolbox, https://toolbox.biomimicry. org/introduction/ Burridge J., National Aquatics Center (Water Cube), Beijing, Arup, https:// www.arup.com/projects/chinese-national-aquatics-center?query=water%20cub, Πρόσβαση: 03/05/2019 Labarre S., (01/04/2011 ), Mighty Building Facade Beats Solar Heat With Mechanical Muscles, Fast Company, https://www.fastcompany.com/1662975/ mighty-building-facade-beats-solar-heat-with-mechanical-muscles,Πρόσβαση: 03/05/2019 Μαρούδα Ι., (Μάρτιος 2015), Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική - Η φύση ως Μοντέλο, Παπαλεξόπουλος Δ. (επιβλέπων), Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Menges A., Reichert S., (2012), Material Capacity: Embedded Responsiveness, In: Material Computation: Higher Integration in Morphogenetic Design 82:2, (pp. 52-59), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/ad.1379 Minner K., (05/01/2011), Moving Homeostatic Facade Preventing Solar Heat Gain, ArchDaily, https://www.archdaily.com/101578/moving-homeostaticfacade-preventing-solar-heat-gain, Πρόσβαση: 03/05/2019 Ojeada P., Masseti F., Poplawski K., Lundberg S., Movement actuation in low pressure pneumatic structures, Emergent Technologies and design, Architectural Association School of Architecture, (pp. 1-39), https://issuu.com/francescom. massetti/docs/biomimetics_movement_actuation_in_l Salazar J., (04/2012), Brent Constantz builds cement like corals do, Earth Sky - Human World 27, https://earthsky.org/human-world/brent-constantz-buildscement-like-coral-do Site Design Tool, (25/10/2012), Biomimicry and Landscape Architecture, https:// www.youtube.com/watch?v=NlrodpEsRpU&t=160s Sung D. K., (25/10/2012), Metal that breathes, TED Youtube,https://www. youtube.com/watch?v=wvIyVZf3qZU, Πρόσβαση: 03/05/2019 Wikipedia, The free Encyclopedia, , https://en.wikipedia.org/wiki/Biomimetics, Πρόσβαση: 03/05/2019 Εικόνες: Εικόνα 1: Google, Biomimicry examples, Pinterest, https://gr.pinterest.com/pin /370491506817024629/?lp=true και Paint Pro, Lotusan Self-Cleaning Paint, http:// www.paintpro.net/articles/pp705/pp705_productprofiles.cfm

116

Βιβλιογραφία

Εικόνα 2,3,4: Al-Badry S., Berdos Y., Bryskina K., Cheng C., (2016), Emergent technologies & design biomimetic documentation_Lobster shell, (pp. 1-37), https:// issuu.com/cesar_cheng/docs/aa_emtech_biomimetics Εικόνα 5: Burridge J., National Aquatics Center (Water Cube), Beijing, Arup, https:// www.arup.com/projects/chinese-national-aquatics-center?query=water%20cub, Πρόσβαση: 03/05/2019 Εικόνα 6: Reichert S., Menges A., (2006-07), Responsive Surface Structure I, HfG Offenbach, http://www.achimmenges.net/?p=4411, Εικόνα 7: Reichert S., Menges A., (2008) Responsive Surface Structure II, HfG Offenbach, http://www.achimmenges.net/?p=4638, Εικόνα 8: Menges A., Scheffler + Partner, (2010), FAZ Pavilion Frankfurt, http:// www.achimmenges.net/?p=4967 και Reichert S., Menges A., (2012), HygroScope: Meteorosensitive Morphology, Permanent Collection Centre Pompidou Paris, http://www.achimmenges.net/?p=5083 Εικόνα 9: Goddard L., (27/10/2012), Thermal bimetals help buildings shelter themselves from the sun, The Verge, https://www.theverge. com/2012/10/27/3562340/doris-kim-sung-ted-thermal-biometals, Εικόνα 10: Heisserer A., Solar tracking, http://www.adamheisserer.com/solar Εικόνα 11: Tom S., (20/11/2013), Breathing BioMetal Regulates Building Temperature - A Moonshot Project, https://www.engineering.com/DesignerEdge/ DesignerEdgeArticles/ArticleID/6677/Breathing-BioMetal-Regulates-BuildingTemperature--A-Moonshot-Project.aspx Εικόνα 12: Minner K., (05/01/2011), Moving Homeostatic Facade Preventing Solar Heat Gain, ArchDaily, https://www.archdaily.com/101578/moving-homeostaticfacade-preventing-solar-heat-gain Εικόνα 13: Dahl R., (01/01/2013), Cooling Concepts: Alternatives to Air Conditioning for a Warm World, Environmental Health Perspective, https://doi. org/10.1289/ehp.121-a18 Εικόνα 14: Salazar J., (04/2012), Brent Constantz builds cement like corals do, Earth Sky - Human World 27, https://earthsky.org/human-world/brent-constantzbuilds-cement-like-coral-do και Architerials, (27/11/2011), Not Quite Coral: A New Type of Cement Made from CO2 and Water, https://www.architerials. com/2011/12/not-quite-coral-a-new-type-of-cement-made-from-co2-andwater/trackback/index.html Εικόνα 15-17: Ojeada P., Masseti F., Poplawski K., Lundberg S., Movement actuation in low pressure pneumatic structures, Emergent Technologies and design, Architectural Association School of Architecture, (pp. 1-39), https://issuu. com/francescom.massetti/docs/biomimetics_movement_actuation_in_l Εικόνα 18: Google, 37 best Biomimicry images, Pinterest, https://www.google. com/h?q=galapagos+shark+and+biomimetic&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ve d=0ahUKEwjl1Ki41IbiAhUo2aYKHR5ODDUQ_AUIDigB&biw=1600&bih=708#imgrc= VQRYT4oGqkQsCM: και Vaamajoshi, (21/08/2015), Contemporary Practices 01_ Sharklet surface, https://vaamajoshi.wordpress.com/2015/08/24/contemporarypractices-01_sharklet-surface/ Εικόνα 19: Beetles D., (07/02/2017), Water vapor harvesting, AskNature, https://

117

Νέες τεχνολογίες και σύνθετα υλικά με εφαρμογή στο κτιριακό κέλυφος

asknature.org/strategy/water-vapor-harvesting/ Εικόνα 20: Howells R., (2015), Exploration architects have built a global reputation for their work in biomimicry. Founder Michael Pawlyn tells Rhianon Howells why biology and architecture make great bedfellows, CLADmag 1, http:// www.cladglobal.com/pdf/CLADmag_issue1_2015.pdf

118

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Επίλογος

ΕΠΙΛΟΓΟΣ Έχοντας διερευνήσει τις περιπτώσεις αρκετών κατασκευαστικών τεχνολογιών και σύνθετων υλικών, για τις ανάγκες της παρούσας ερευνητικής εργασίας, αντιλαμβανόμαστε ένα μεγάλο φάσμα δυνατοτήτων που προκύπτουν για εξέλιξη στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Η εισχώρηση των τεχνολογικών ανακαλύψεων στις ζωές των ανθρώπων συντέλεσε καθοριστικά στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου. Παρ’ όλα αυτά, η σχεδιαστική κατεύθυνση και οι αξίες που την συνοδεύουν, αποτελούν έναν διαφορετικό παράγοντα. Έναν παράγοντα που οφείλουμε να χειριστούμε προς όφελος τόσο δικό μας όσο και του πλανήτη που κατοικούμε. Σημαντικό ρόλο, στη διαμόρφωση λειτουργιών σε μια ανθρώπινη κοινωνία, έχουν αναλάβει και οι αρχιτέκτονες. Όπως είναι γνωστό, ο σχεδιασμός κτιριακών δομών αποτελεί μια δραστηριότητα που μπορεί να αφήσει σημαντικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα, εάν δε γίνει με την προσοχή και την ευθύνη που του αναλογεί. Ο σκοπός ανάπτυξης των τεχνολογιών και των υλικών αυτών που αναφέρθηκαν, μπορεί να αποτελέσει την απάντηση σε αρκετά προβλήματα, τόσο βιοτικού όσο και περιβαλλοντικού περιεχομένου. Η εφαρμογή τους παρ’ όλα αυτά βρίσκεται ακόμη σε πολύ πρώιμο στάδιο. Παράγοντες όπως η έλλειψη τεχνογνωσίας, το υψηλό κόστος εφαρμογής, αλλά και το γεγονός ότι δεν έχουν ακόμη «ωριμάσει» τεχνολογικά, αποτελούν ανά περιπτώσεις ανασταλτικούς παράγοντες για τη χρήση τους. Φυσικά, μιλώντας για κατασκευές με διάρκεια ζωής πολύ μεγαλύτερη από του ίδιου του ανθρώπου, θα ήταν αρκετά απερίσκεπτη η μαζική υιοθέτηση τους, ενώ δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί επαρκώς στο πέρασμα του χρόνου. Όπως και να έχει, η ενθάρρυνση στην υιοθέτηση νέων πρακτικών είναι καλό να υπάρχει και να γίνεται, άλλες φορές πιο συντηρητικά και άλλες φέρνοντας ίσως μια καινοτομία στο προσκήνιο. Η εξέλιξη άλλωστε έχει πάντοτε δυναμικό χαρακτήρα και χρειάζεται να δοκιμαστεί πριν απορριφθεί. Ας μην ξεχνάμε ότι η ίδια η φύση έχει τη δική της εξελικτική λειτουργία, μέσα από την οποία έχει βρει τον τρόπο να προσαρμόζεται κάθε φορά στις ανάγκες που προκύπτουν στο περιβάλλον της. Με μια σοφία πολλών ετών, έχει δοκιμάσει αμέτρητους πιθανούς συνδυασμούς για να καταφέρει να βρει τις αποτελεσματικότερες και πιο ισορροπημένες λύσεις, σε προβλήματα που εμάς ακόμη μας απασχολούν. Θα έλεγε κανείς ότι η μίμηση και ο παραδειγματισμός από τις φυσικές πρακτικές αποτελεί μονόδρομο για τις προκλήσεις της εποχής μας, αντιλαμβανόμενος τις ανισορροπίες που χαρακτηρίζουν τις περισσότερες από τις σχεδιαστικές τακτικές μας. Όπως χαρακτηριστικά αναφέρει και ο Steve Jobs, «Νομίζω ότι οι μεγαλύτερες καινοτομίες του 21ου αιώνα θα είναι στη διασταύρωση της βιολογίας και της τεχνολογίας. Μια νέα εποχή αρχίζει».

119