知识与资讯

Knowledge and information

首页

知识与资讯

零碳科技丨零能耗仿生建筑立面为建筑物降温和保暖

发布时间：

2025-11-01 00:00

零碳科技丨零能耗仿生建筑立面为建筑物降温和保暖

FlectoLine 是德国斯图加特大学和弗莱堡大学开发的智能幕墙，该建筑解决方案作为原型安装在弗莱堡植物园的温室，能够根据气候条件被动和自动控制太阳辐射。

该原型面积为 83.5 平方米（899 平方英尺），覆盖了温室一侧的窗户外部。它由一系列遮阳元件组成，每个元件又由两个纤维增强的热塑性翻盖组成，这些翻盖可以彼此分开或折叠在一起。

总的来说，这些元素让人想起捕蝇草上的陷阱，不过实际上的灵感来自另一种食肉植物水车（Aldrovanda vesiculosa）的捕食附属物。每个襟翼底部的气动“铰链区”的灵感来自条纹虫（Graphosoma italicum）变形翅膀上的静脉。当空气被泵入柔性弹性铰链时，结构会膨胀，导致较硬的主襟翼向一侧折叠。

由于每个元件中的两个翻盖同时向两侧折叠，它们可以阻挡阳光穿过窗户，有助于保持建筑物内部凉爽。在炎热的天气里，这个动作可能会对需要多少空调产生很大的影响。

在凉爽的天气里，襟翼向内折叠，使它们在中间相遇——只需关闭铰链区域的气流即可触发此动作。然后，这些元件最大限度地增加了穿过窗户的温暖房间的阳光量，从而降低了对建筑物供暖系统的需求。

整个立面可以设置为自动工作，以响应天气条件、一天中的时间和环境温度，它也可以根据需要手动调节。作为额外的好处，该立面由安装在其元件外表面的光伏电池供电。

集成驱动

FlectoLine 由带有内置铰链区域的纤维增强复合板组成，这些板是专门为与集成气动执行器一起作而开发的。气动执行器以垫子的形式直接集成到复合材料中。复合材料的材料结构可分为执行器下方较硬的部分和执行器上方较柔韧的部分。

当加压时，垫子在更柔韧的板方向上变形更强烈，导致整个复合板向该方向弯曲。通过夹紧铰链区旁边的一侧，可以实现自由、非夹紧端的弯曲运动。由于驱动系统直接集成到复合板中，因此折叠元件和驱动机构之间不需要机械连接。柔性铰链区只需要低压（0.3 至 1.5 bar）即可实现 0° 至 90° 的角度位置。在折叠过程中，弹性能量存储在柔性铰链区，这使得模块在压力释放后立即旋转回原来的位置。

材料系统

为外墙的技术实施开发了两种不同的材料系统。首先，将受生物启发的材料体系抽象为弹性和更硬的材料层，转移到具有弹性体组分和热固性纤维增强复合材料的混合复合材料中。与翼脉类似，执行器室由弹性体层包围。这确保了驱动平面中的层间粘附。驱动过程中的运动方向由加强玻璃纤维增强材料在驱动平面上方和下方的不对称分布决定。

第一个材料系统已经在之前的演示中经过测试并证明有效，体现了其对大规模应用的可靠性和适应性。然而，为了在时间和成本方面优化制造过程，开发了第二种替代材料系统。为了探索更简化的替代方案，构建了一种基于热塑性塑料的材料结构，其工作方式类似：使用弹性粘合剂将两层基于不同刚度的聚酰胺-6 的热塑性玻璃纤维增强塑料粘合在一起。

这两种系统都配有具有出色耐候性的保护性外层，因此有资格用于外立面元素。每个系统都进行了耐候和防火测试，以确保机械性能和外观至少保持稳定 15 年，并且组件至少满足防火等级 B2 的要求。鉴于外墙的天气条件不同，构件亦进行了风力测试，施加来自不同方向的最大预期风荷载。为确保幕墙元件的使用寿命，每个材料系统在气动驱动下循环测试，以至少进行 20,000 次测试循环，以弯曲至 90°。

控制系统

为了有效控制响应式立面的性能，开发了数字孪生，能够实时模拟热和照明行为以及集成光伏（PV）电池板的能源生产。

数字孪生通过嵌入式传感器收集实时数据，包括来自光传感器的室内照明水平、来自太阳暴露传感器的室外照明水平、来自分布式温度传感器的室内温度以及来自立面风速计的风况。

预报数据，例如来自气象应用程序编程接口（API）的详细天气预报（太阳辐射、云量、温度、风速和降水）以及基于先前使用情况的能源需求预测，也被集成到系统中。使用这些数据，基于决策树的控制算法优化了室内舒适度的三个方面——足够亮度的照明、眩光最小化和热调节——同时最大限度地提高光伏能源产量。该系统通过持续分析实时和预测输入来计算最佳面板角度，确保全天高效运行并平衡居住者舒适度、能源效率和可再生能源发电。

大型响应式立面

FlectoLine 立面作为概念验证，展示了使用具有柔顺铰链区域和集成气动执行器的纤维增强塑料层压板创建大型响应式立面的潜力。

FlectoLine 立面占地面积83.5平方米，由101个构件组成，x轴和y轴尺寸分别为0.81×0.86米至1.50×1.31米。这些模块需要 0.4 bar 的压力才能完全启动到 90° 角，展示了它们的运动效率。设计中采用薄膜有机光伏（PV）电池来收集太阳能，确保响应式立面独立维持其能源需求。

此外，FlectoLine 立面还探索了通过主动控制系统促进建筑环境与其居住者之间直接交互的可能性，通过计算设计、高级仿真和制造工艺的无缝集成，使这成为可能。

小结

由于其自适应设计，FlectoLine显著减少了对人工气候控制的需求，从而提高了能源效率和室内舒适度。它的运行依赖于低压气动系统，该系统可以延长或缩回遮阳模块，在冬季最大限度地提高太阳能增益，在夏季最大限度地减少过热。

这种响应式立面代表了建筑设计中的一种尖端方法，使建筑围护结构能够积极响应环境和用户刺激。通过集成编程材料堆积、先进的执行器和传感器网络，这些动态系统可以实时适应，以优化能源性能，提高居住者的舒适度，并促进用户与其建筑环境之间的新互动。

它们调节太阳能增益、通风和热性能的能力使其成为减少能源需求和支持可持续城市发展的关键组成部分。随着对可持续设计的重视日益增加，这些外墙将在塑造未来建筑方面发挥关键作用，体现了技术创新与建筑功能的无缝融合。

这项创新标志着在将生物气候战略融入建筑围护结构方面向前迈出了有希望的一步，与提升能源效率和气候适应能力的目标保持一致。

来源：友绿网

必看！传统光伏企业入局BIPV，这四大关键转变必须注意

落地！国家电投雄安基地来了

必看！传统光伏企业入局BIPV，这四大关键转变必须注意

落地！国家电投雄安基地来了