Термитники раскрывают секрет создания «живых и дышащих» зданий, которые потребляют меньше энергии

26 мая 2023 г. (Новости Наноуэрк) Среди примерно 2,000 известных видов термитов некоторые являются инженерами экосистем. Курганы, построенные некоторыми родами, например Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes и Odontotermes, достигают восьми метров в высоту, что делает их одними из крупнейших биологических сооружений в мире. Естественный отбор работал над улучшением «дизайна» их курганов на протяжении десятков миллионов лет. Чему могут научиться человеческие архитекторы и инженеры, если они отправятся к термитам и обдумают их пути? В новом исследовании в Границы материалов («Метаматериалы, вдохновленные термитами, для активных по течению ограждающих конструкций зданий»), исследователи показали, как термитники могут научить нас создавать комфортный внутренний климат для наших зданий, которые не имеют углеродного следа кондиционирования воздуха. «Здесь мы показываем, что «выходной комплекс», сложная сеть взаимосвязанных туннелей, найденных в термитниках, может использоваться для продвижения потоков воздуха, тепла и влаги новыми способами в человеческой архитектуре», — сказал доктор Дэвид Андреен, старший лектор исследовательской группы bioDigital Matter Лундского университета и первый автор исследования.

Термиты из Намибии

Андреен и соавтор доктор Руперт Соар, доцент Школы архитектуры, дизайна и искусственной среды Ноттингемского Трентского университета, изучали курганы термитов Macrotermes michaelseni из Намибии. Колонии этого вида могут насчитывать более миллиона особей. В центре курганов лежат симбиотические сады грибов, выращиваемые термитами для еды. Часть выходного комплекса кургана термитов Macrotermes michaelseni из Намибии. (Изображение: D. Andréen) Исследователи сосредоточились на комплексе выхода: плотной, похожей на решетку сети туннелей шириной от 3 до 5 мм, которая соединяет более широкие каналы внутри с внешней средой. В сезон дождей (с ноября по апрель), когда насыпь растет, она простирается над ее обращенной на север поверхностью, прямо подвергаясь воздействию полуденного солнца. Вне этого сезона рабочие-термиты блокируют выходные туннели. Считается, что комплекс позволяет испарять избыточную влагу, сохраняя при этом достаточную вентиляцию. Но как это работает? Андреен и Соар исследовали, как планировка выходного комплекса обеспечивает колебательные или пульсирующие потоки. Они основывали свои эксперименты на отсканированной и напечатанной на 3D-принтере копии фрагмента выходного комплекса, собранного в феврале 2005 года в дикой природе. Этот фрагмент имел толщину 4 см и объем 1.4 литра, 16% из которых составляли туннели. Они имитировали ветер с помощью динамика, который заставлял колебания смеси CO2-воздух проходить через фрагмент, одновременно отслеживая массоперенос с помощью датчика. Они обнаружили, что воздушный поток был максимальным при частотах колебаний от 30 Гц до 40 Гц; умеренный на частотах от 10 Гц до 20 Гц; и, по крайней мере, на частотах от 50 Гц до 120 Гц.

Турбулентность помогает вентиляции

Исследователи пришли к выводу, что туннели в комплексе взаимодействуют с ветром, дующим на насыпь, таким образом, что усиливается перенос массы воздуха для вентиляции. Колебания ветра на определенных частотах создают турбулентность внутри, которая уносит дыхательные газы и избыточную влагу от центра насыпи. «Проветривая здание, вы хотите сохранить тонкий баланс температуры и влажности, созданный внутри, не препятствуя движению спертого воздуха наружу и свежего воздуха внутрь. Большинство систем HVAC борются с этим. Здесь у нас есть структурированный интерфейс, который позволяет обмениваться дыхательными газами, просто обусловленными разницей в концентрации между одной и другой стороной. Таким образом, условия внутри поддерживаются», — пояснил Соар. Затем авторы смоделировали выходной комплекс с помощью серии 2D-моделей, сложность которых увеличилась от прямых туннелей до решетки. Они использовали электродвигатель, чтобы управлять колеблющимся водоемом (сделанным видимым с помощью красителя) через туннели, и снимали массовый поток. К своему удивлению, они обнаружили, что двигателю нужно было перемещать воздух вперед и назад всего на несколько миллиметров (соответствующих слабым колебаниям ветра), чтобы приливы и отливы проникали во весь комплекс. Важно отметить, что необходимая турбулентность возникала только в том случае, если компоновка была достаточно решетчатой.

Живые и дышащие здания

Авторы приходят к выводу, что эвакуационный комплекс может обеспечить ветровое проветривание термитников при слабом ветре. «Мы предполагаем, что стены зданий в будущем, сделанные с использованием новых технологий, таких как порошковые принтеры, будут содержать сети, подобные выходному комплексу. Это позволит перемещать воздух с помощью встроенных датчиков и исполнительных механизмов, которые требуют совсем немного энергии», — сказал Андреен. Соар заключил: «3D-печать в строительных масштабах станет возможной только тогда, когда мы сможем проектировать такие сложные конструкции, как в природе. Эвакуационный комплекс является примером сложной конструкции, которая может одновременно решать несколько задач: поддерживать комфорт в наших домах, а также регулировать поток дыхательных газов и влаги через ограждающие конструкции». «Мы находимся на пороге перехода к естественному строительству: впервые можно спроектировать по-настоящему живое, дышащее здание».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63067.php