Termithøje afslører hemmeligheden bag at skabe 'levende og åndende' bygninger, der bruger mindre energi

Termithøje afslører hemmeligheden bag at skabe 'levende og åndende' bygninger, der bruger mindre energi

Tidsstempel: 26. maj 2023 kl. 2
Kildeknude: 2680880
26. maj 2023 (Nanowerk nyheder) Blandt de omkring 2,000 kendte arter af termitter er nogle økosystemingeniører. Højene bygget af nogle slægter, for eksempel Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes og Odontotermes, når op til otte meter høje, hvilket gør dem til nogle af verdens største biologiske strukturer. Naturlig udvælgelse har været i gang med at forbedre 'designet' af deres høje gennem titusinder af år. Hvad kan menneskelige arkitekter og ingeniører lære, hvis de går til termitterne og overvejer deres veje? I en ny undersøgelse i Grænser i materialer ("Termit-inspirerede metamaterialer til flow-aktive bygningskonvolutter"), viste forskere, hvordan termithøje kan lære os at skabe behagelige indvendige klimaer for vores bygninger, der ikke har klimaets COXNUMX-fodaftryk. "Her viser vi, at 'udgangskomplekset', et indviklet netværk af indbyrdes forbundne tunneler fundet i termithøje, kan bruges til at fremme strømme af luft, varme og fugt på nye måder i menneskelig arkitektur," sagde Dr. David Andréen, en senior underviser ved forskningsgruppen bioDigital Matter ved Lunds Universitet, og undersøgelsens førsteforfatter.

Termitter fra Namibia

Andréen og medforfatter Dr. Rupert Soar, en lektor ved School of Architecture, Design and the Built Environment ved Nottingham Trent University, studerede høje af Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia. Kolonier af denne art kan bestå af mere end en million individer. I hjertet af højene ligger de symbiotiske svampehaver, opdrættet af termitterne til føde. En del af udgangskomplekset af en høj af Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia En del af udgangskomplekset af en høj af Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia. (Billede: D. Andréen) Forskerne fokuserede på udgangskomplekset: et tæt, gitterlignende netværk af tunneler, mellem 3 mm og 5 mm bredt, som forbinder bredere ledninger indvendigt med det ydre. I regntiden (november til april), når højen vokser, strækker denne sig over dens nordvendte overflade, direkte udsat for middagssolen. Uden for denne sæson holder termitarbejdere udgangstunnelerne blokeret. Komplekset menes at tillade fordampning af overskydende fugt, samtidig med at der opretholdes tilstrækkelig ventilation. Men hvordan virker det? Andréen og Soar undersøgte, hvordan udgangskompleksets layout muliggør oscillerende eller pulslignende strømme. De baserede deres eksperimenter på den scannede og 3D-printede kopi af et udgangskompleks-fragment indsamlet i februar 2005 fra naturen. Dette fragment var 4 cm tykt med et volumen på 1.4 liter, hvoraf 16% var tunneler. De simulerede vind med en højttaler, der drev oscillationer af en CO2-luftblanding gennem fragmentet, mens de sporede masseoverførslen med en sensor. De fandt ud af, at luftstrømmen var størst ved oscillationsfrekvenser mellem 30 Hz og 40 Hz; moderat ved frekvenser mellem 10Hz og 20 Hz; og mindst ved frekvenser mellem 50 Hz og 120 Hz.

Turbulens hjælper med ventilationen

Forskerne konkluderede, at tunneler i komplekset interagerer med vinden, der blæser på højen på måder, der forbedrer masseoverførsel af luft til ventilation. Vindoscillationer ved visse frekvenser genererer turbulens indeni, hvis virkning er at transportere luftvejsgasser og overskydende fugt væk fra højens hjerte. ”Når man ventilerer en bygning, ønsker man at bevare den delikate balance mellem temperatur og luftfugtighed, der skabes indeni, uden at hæmme bevægelsen af ​​gammel luft udad og frisk luft indad. De fleste HVAC-systemer kæmper med dette. Her har vi en struktureret grænseflade, der tillader udveksling af luftvejsgasser, simpelthen drevet af forskelle i koncentration mellem den ene side og den anden. Forholdene indenfor er således opretholdt,” forklarede Soar. Forfatterne simulerede derefter udgangskomplekset med en række 2D-modeller, som steg i kompleksitet fra lige tunneler til et gitter. De brugte en elektromotor til at drive en oscillerende vandmasse (gjort synlig med et farvestof) gennem tunnelerne og filmede massestrømmen. De fandt til deres overraskelse, at motoren kun behøvede at flytte luft frem og tilbage nogle få millimeter (svarende til svage vindsvingninger), for at ebbe og flod kunne trænge ind i hele komplekset. Det er vigtigt, at den nødvendige turbulens kun opstod, hvis layoutet var tilstrækkeligt gitteragtigt.

Levende og åndende bygninger

Forfatterne konkluderer, at udgangskomplekset kan muliggøre vinddrevet ventilation af termithøje ved svag vind. "Vi forestiller os, at bygningsvægge i fremtiden, lavet med nye teknologier som pulverbed-printere, vil indeholde netværk, der ligner egress-komplekset. Disse vil gøre det muligt at flytte luft rundt gennem indlejrede sensorer og aktuatorer, der kun kræver små mængder energi,” sagde Andréen. Soar konkluderede: "3D-print i konstruktionsskala vil kun være muligt, når vi kan designe strukturer så komplekse som i naturen. Udgangskomplekset er et eksempel på en kompliceret struktur, der kunne løse flere problemer samtidigt: at holde komforten inde i vores hjem, mens den regulerer strømmen af ​​luftvejsgasser og fugt gennem bygningens klimaskærm." "Vi er på randen af ​​overgangen til naturlignende byggeri: For første gang kan det være muligt at designe en ægte levende, åndende bygning."

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk