Sopeutuva ‘Solar Gate’ -varjostus ammentaa luonnosta HVAC-tehokkuuden parantamiseksi

Ilmastokriisi aiheuttaa suuren uhan sekä ympäristöllemme että elämällemme. Tämä on tehnyt hiilidioksidin (CO2) päästöjen vähentämisestä kiireellisen globaalin tarpeen. 

Rakennettu ympäristö on itse asiassa vastuussa noin 42 % vuotuisista globaaleista CO2-päästöistä. Vaikka rakennusten toiminta on suurimmaksi osaksi vastuussa tästä, myös rakennus- ja infrastruktuurimateriaalit näyttelevät merkittävää roolia.

Tämä tekee siitä ilmastonmuutoksen ajavan voiman, jonka negatiiviset vaikutukset ovat jo nähtävissä usein tapahtuvina ja vakavampina sääilmiöinä.

Siksi meidän on rakennettava paitsi sopeutuvia julkisivuja, joilla on potentiaalia vähentää aktiivisen lämmityksen ja jäähdytyksen tarvetta, jolloin rakennusten energiankulutus ja ympäristövaikutus pienenevät, myös kestävämpiä rakenteita, jotka kestävät ilmastonmuutoksen asettamia haasteita.

Tällaisia sopeutuvia julkisivuja rakentaakseen arkkitehtien on hyödynnettävä suunnittelustrategioita, jotka ottavat huomioon paikalliset ympäristöominaisuudet. Tämä tarkoittaa yksinkertaisesti ilmasto-reaktiivisen arkkitehtuurin priorisointia.

Tämäntyyppinen arkkitehtuuri keskittyy energiatehokkaiden rakennusten suunnitteluun, jotka sopivat juuri siihen ilmastoon, jossa ne rakennetaan. Tämä edellyttää tekijöiden, kuten kausiluonteisuuden, luonnollisen varjostuksen, sademäärän, kosteuden jne., huomioon ottamista.

Sen sijaan, että rakennettaisiin paikallista ilmastoa vastaan, ilmasto-reaktiiviset rakennukset toimivat yhdessä alueellisten olosuhteiden kanssa tarjoten maksimaalisen mukavuuden asukkaille käyttäen mahdollisimman vähän energiaa. 

Ottamalla käyttöön passiivisia suunnittelustrategioita kaupungit ja kylät voidaan rakentaa suojaamaan niitä ilmastonmuutoksen aiheuttamien vakavien sääilmiöiden lisääntyneeltä tiheydeltä ja vakavuudelta.

Ilmasto-reaktiivinen arkkitehtuuri parantaa rakennusten kestävyyttä tekemällä ne paremmin varautuneiksi sekä sää- että luonnonkatastrofeja vastaan, ja se tarjoaa myös operatiivisten kustannusten vähenemisen etuja hyödyntämällä luonnollisia, passiivisia järjestelmiä.

Käyttämällä päivänvaloa ja luonnollista ilmanvaihtoa sähköä kuluttavien järjestelmien sijaan, energiaan liittyvät käyttökustannukset voidaan merkittävästi alentaa. Näiden passiivisten järjestelmien laaja käyttö voi vähentää energiankulutusta jopa 90 %. Nämä passiiviset järjestelmät, kuten luonnollinen ilmankierto, edesauttavat myös käyttäjien tuottavuutta.

Parantamalla energiatehokkuutta, vähentämällä hiilidioksidipäästöjä ja suojelemalla luonnonvaroja, tämä arkkitehtuuri edistää myös ympäristön kestävyyttä. 

Kuitenkin ilmasto-reaktiivisilla rakennuksilla on haasteena korkeat alkuinvestoinnit kestävien materiaalien käytön ja pitkän sekä monimutkaisen rakennusprosessin vuoksi. Lisäksi sääntelyesteet ovat olemassa. 

Totta, hallitukset ryhtyvät aloitteisiin, ja HVAC-energiatehokkuutta ja lämmöneristystä koskevat säädökset ovat kehittyneet, mutta ilmasto-reaktiivisille suunnitelmille ei vieläkään ole riittävästi tukisääntöjä. Näiden arkkitehtuurien omaksumisen lisääminen vaatii myös koulutusta ja investointeja asiaan liittyvään asiantuntemukseen. 

Haasteista huolimatta näemme kasvavaa kiinnostusta tällaisia rakennuksia kohtaan. Joitakin keskeisiä elementtejä tällaiseen sopeutuvaan suunnitteluun ovat luonnollisten ilmavirtojen ja ilmanvaihdon hyödyntäminen, auringon asennon huomioon ottava passiivinen aurinkosuunnittelu, luonnollisesti kestävä materiaali kuten puu ja bambu, sekä vihreät elementit katoissa ja seiniin.

Bioinspiroitu sää-reaktiivinen sopeutuva varjostus

Ilmasto-reaktiivisen arkkitehtuurin joukossa sopeutuvat varjostusjärjestelmät ovat erinomainen tapa säädellä sisäilmaa tehokkaammin muuttamalla dynaamisesti muotoaan, suuntaansa tai lämpöominaisuuksiaan ulkoisten sääolosuhteiden mukaan.

Kuitenkin ongelma näissä kineettisissä varjostusjärjestelmissä on niiden riippuvuus käyttöenergiasta, joka aktivoi sähkömekaanisia laitteita, jotka liikuttavat useita osia. Nämä monimutkaiset kokoonpanot ovat alttiita toimintahäiriöille, jotka vaativat kalliita korjauksia.

Vaikka passiivinen tummennettu aurinkosuojalasi on vaihtoehto, se suodattaa liikaa luonnonvaloa. Mikä on siis ratkaisu? Se löytyy luonnosta.

A uusi tutkimus¹ Freiburgin ja Stuttgardin yliopistojen tutkijoilta kääntyi luontoon ja havaitsi, että sopeutumiselle on jo olemassa ratkaisuja. Ne ovat inspiroituneet biologisista materiaaleista ja reagoivat passiivisesti ulkoisiin ärsykkeisiin. 

Tutkijoiden malliksi valittu ratkaisu oli kävyt, jotka reagoivat ympäristöön ja muuttavat muotoaan, vaikka niiden materiaalijärjestelmä on täysin kuollut. Kävyt avautuvat ja sulkeutuvat lämpötilan ja kosteuden muutoksiin reagoiden ilman metabolisen energian kulutusta. 

Käyttäen käpyä mallina tutkijat kehittivät uuden, energia-autonomisen julkisijärjestelmän, joka sopeutuu passiivisesti säähän. “Solar Gate” -niminen järjestelmä on asennettu Freiburgin yliopiston livMatS Biomimetic Shell -rakennukseen. livMatS, eli ‘Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems’ (livMatS), on tutkimusrakennus.

Sen sijaan, että luotettaisiin “monimutkaisiin teknisiin laitteisiin”, kuten useimmat arkkitehtonisten julkisivujen reaktiivisuuden yritykset tekevät, tämä tutkimus “tutkii, miten voimme hyödyntää materiaalin omaa reaktiivisuutta edistyneen laskennallisen suunnittelun ja lisäainevalmistuksen avulla”, sanoi professori Achim Menges, Stuttgardin yliopiston Institute for Computational Design and Construction (ICD) -laitoksen johtaja.

Mengesin mukaan, joka on myös Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) -klusterin tiedottaja, heidän lähestymistapansa on mahdollistanut varjostusjärjestelmän, joka avautuu ja sulkeutuu itsenäisesti säämuutosten reagoidessa. 

Tämä vaikutus saavutetaan ilman mekatronisia elementtejä tai käyttöenergiaa. Tässä “biomateriaalirakenne itsessään on kone.”

Tämä sää-reaktiivinen, sopeutuva varjostusjärjestelmä on ensimmäinen, joka toimii ilman sähköenergiaa. Bioinspiroituneen suunnittelun lisäksi tutkijat käyttivät luonnollisia materiaaleja ja laajasti saatavilla olevia teknologioita “Solar Gate” -järjestelmässä.

Tässä käytetty teknologia oli 3D-tulostus, eli lisäainevalmistus, joka mahdollistaa monimutkaisten muotojen ja rakenteiden valmistamisen. Tässä prosessissa kolmiulotteiset objektit luodaan digitaalisesta tiedostosta kerrostamalla peräkkäisiä materiaalikerroksia. 3D-tulostus mahdollistaa nopean prototyyppien valmistuksen, räätälöinnin, kustannussäästöt ja korkean tarkkuuden sekä tarjoaa suunnitteluvapautta.

Tiimi käytti tavallisia 3D-tulostimia jäljittelemään selluloosan suuntariippuvaista rakennetta kasvien kudoksissa.

Selluloosa on maapallon runsain biomassa. Se on myös luonnollinen, edullinen, biohajoava ja uusiutuva materiaali, jolla on erityisesti sisäänrakennetut hygromorfiset ominaisuudet, mahdollistaen kestävän varjostuksen sopeutumisen.

Tämä hygromorfinen ominaisuus, joka tarkoittaa turpoamista ja kutistumista kosteuden muutoksissa, havaitaan usein luonnossa. Kävyn suomujen avautuminen ja sulkeutuminen on yksi esimerkki siitä.

Hyödyntäen tätä ominaisuutta tiimi suunnitteli räätälöidyt bio-pohjaiset selluloosikuidut ja 4D-tulosti ne kaksikerroksiseksi rakenteeksi käyttäen kävyn suomuja inspiraationa.

Tutkijat kehittivät myös laskennallisen valmistustekniikan hallitsemaan selluloosimateriaalien pursotusta FFF 3D-tulostimen kautta. 

Tässä tuotetut materiaalijärjestelmät voivat itsenäisesti muuttaa muotoaan ulkoisten ärsykkeiden reagoidessa. Selluloosimateriaalit imevät kosteutta ja laajenevat, kun kosteus on korkea, aiheuttaen elementtien käpristymisen ja avautumisen. Alhaisessa kosteudessa materiaalit vapauttavat kosteutta ja supistuvat, jolloin tulostetut elementit litistyvät ja sulkeutuvat. 

“Inspiroituneena kävyn suomujen ja hopeanohdoksen (silver thistle) lehtien hygroskooppisista liikkeistä, Solar Gate on onnistunut kääntämään paitsi biologisten mallien korkean toiminnallisuuden ja kestävyyden bioinspiroituun varjostusjärjestelmään myös kasvien liikkeiden estetiikan.”

– Professori Thomas Speck, livMatS:n tiedottaja ja Plant Biomechanics Group Freiburgin johtaja Freiburgin yliopistossa

Bioinspiroitu sopeutuva varjostusjärjestelmä on jo testattu todellisessa ympäristössä toiminnallisuutensa ja kestävyyden osalta. Tiimi asensi sen livMatS Biomimetic Shellin etelään suuntautuneelle kattoluukulle, mikä auttaa rakennuksen sisäilman sääntelyssä.

Kokonaisuudessaan yli vuoden ajan, se havaittiin, että talvella 4D-tulostetut varjostuselementit avautuvat ja sallivat luonnollisen lämmityksen päästämällä auringonvalon sisään, kun taas kesällä ne sulkeutuvat vähentäen aurinkosäteilyä.

‘Solar Gate’ toimii täysin sääsyklien avulla eikä vaadi sähköenergiaa, mikä tekee siitä resurssitehokkaan ja energia-autonomisen vaihtoehdon perinteisille varjostusjärjestelmille. Bioinspiroitu 4D-tulostettu varjostusjärjestelmä tarjoaa myös edut, kuten alhaisen kustannuksen, pienen materiaalikulutuksen, kevyen rakenteen ja parantuneen toiminnallisen kestävyyden.

Tutkijoiden mukaan tällä järjestelmällä on paljon laajemmat vaikutukset kuin pelkästään rakennusten julkisivuilla. He kirjoittivat, että se voi vaikuttaa laajemmin arkkitehtuurin, tekniikan ja rakennusalan aloihin. 

Tulevassa tutkimuksessa tutkijat syventyvät UV-säteilyn aiheuttamaan hajoamiseen ja sen pitkäaikaisvaikutuksiin sekä Solar Gate -järjestelmän mekaaniseen kulumiseen ja kvantifioivat sisäilman sääntelyn parannuksen.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten monimateriaalinen lisäainevalmistus avaa tien sisäiseen prototyyppien valmistukseen.

Sopeutuvat kattotiilet

Aikaisemmin käsittelimme myös sitä, miten scientists at the University of California, Santa Barbara, kehitti sopeutuvat kattotiilet. Nämä tiilet voisivat merkittävästi vähentää energiakustannuksia. Niiden salaisuus on “säteilykytkin”, joka vaihtaa lämmitys- ja jäähdytystilojen välillä reagoiden ulkolämpötilaan. Tiilet säätävät lämpötilaa 3 °C:n tarkkuudella tavoitteesta. Verrattuna tavallisiin järjestelmiin ne ovat yli 2,5 kertaa tehokkaampia. Tuloksena ovat alhaisemmat laskut ja vähemmän riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.

Innovaatio perustuu pieneen, 4‑tuuman neliön kokoiseen laitteeseen. Se säätää säteilemän lämmön määrää sääolosuhteiden mukaan. Tavoitteena on pitää sisälämpötila tasaisena—noin 65 °F (18 °C) ilman jatkuvaa virrankäyttöä. Tämä teknologia ei kuitenkaan ole vielä markkinoilla, mutta kun se tulee, se pystyy säästämään energiaa, leikkaamaan kustannuksia ja auttamaan rakennuksia ympäristöystävällisemmiksi.

Yritykset 

Tarkastellaan nyt muutamaa julkista yritystä, jotka ovat mukana sopeutuvassa arkkitehtuurissa keskittyen innovatiivisiin ratkaisuihin energiatehokkuudessa, rakennusten kestävyydessä ja materiaalien suorituskyvyssä.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls tarjoaa laajimman valikoiman HVAC-laitteita ja -ohjaimia mukavampien, terveellisempien ja kestävämpien rakennusympäristöjen luomiseksi. Yrityksen HVAC-ratkaisut voivat tarjota mitattavasti puhdasta ilmaa ja kokonaisvaltaista ilmastonhallintaa. Sen ennakoivat ja diagnostiset palvelut havaitsevat rakenteellisia ongelmia ennen kuin maanjäristysongelmista aiheutuvat vahingot ilmenevät. Lisäksi se tarjoaa suunniteltua ja ennaltaehkäisevää huoltoa sekä etärakennuksen hallintaa. 

Kun hiilineutraaliustavoitteet ovat käynnissä, Johnson Controls varmistaa kestävyyden tehokkaiden lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiensä avulla, jotka tarjoavat tehokkaan ilmastonhallinnan optimoidun energiankäytön ohella. Yrityksen HVAC-laitteiden valikoima on suunniteltu maksimoimaan energiatehokkuus. 

HVAC-laitteiden lisäksi yritys tarjoaa myös IoT-alustan OpenBlue, joka mahdollistaa älykkään ja proaktiivisen toiminnan ja optimoinnin. Alusta pystyy käsittelemään miljoona datapistettä minuutissa ja pyrkii tekemään rakennuksista älykkäämpiä ja tehokkaampia.

Johnson Control hyödyntää myös laajasti tekoälyä turvallisuusratkaisuissaan yritys-, kaupallisissa ja asuinympäristöissä. Yritys on laajentanut AI-kykyjään OpenBlue Enterprise Manager -alustalla pyrkien viemään data-analytiikkaa seuraavalle tasolle. Nämä parannukset, yhdessä laitteistopäivitysten ja proaktiivisten palveluiden kanssa, tarjoavat asiakkaille jopa 30 % energian kulutuksen vähenemisen, jopa 20 % huoltokustannusten vähenemisen ja 10 % paremman tilankäytön optimoinnin.

“Nämä uudet AI-pohjaiset ominaisuudet eivät ainoastaan paranna operatiivista tehokkuutta ja kestävyyttä, vaan myös antavat rakennuksen omistajille ja operaattoreille ennennäkemättömän tason näkemyksiä ja hallintaa. Olemme sitoutuneet edistämään innovaatioita, jotka ohjaavat automaatiota ja luovat älykkäämpiä, reagoivampia ympäristöjä asiakkaillemme.”

– CTO Vijay Sankaran

Kirjoitushetkellä JCI:n osakkeet käyvät hintaan $82,10, +4,02 % YTD, ja markkina-arvo on $54,19 miljardia. Johnson Controlsin EPS (TTM) on 2,09, ja sen P/E (TTM) -suhde on 39,27. Yritys maksaa osinkotuoton 1,80 %.

Viimeisimmän raportoimansa neljänneksen, Q3 2024, osalta Johnson Controlsin liikevaihto jäi odotuksia alhaiseksi, ollen $6,25 miljardia. Sen non-GAAP-voitto $1,28 per osake kuitenkin ylitti analyytikkojen konsensusarvion 2,6 %:lla. Tuolloin toimitusjohtaja ja hallituksen puheenjohtaja George Oliver kertoi olevansa “erittäin tyytyväinen” saavuttaessaan “kaksinumeroisen orgaanisen myynnin kasvun ja vahvan katteen laajentumisen”.

Statista:n mukaan Johnson Controls tuotti lähes $26,8 miljardia globaalia nettoliiketoimintaa tilikaudella 2023, mikä on lähes 6 % kasvu edelliseen vuoteen verrattuna.

Viimeisimpänä yritys hankki Alankomaissa pääkonttorin Webeasyn, rakennusautomaatio- ja ohjausratkaisujen tarjoajan, joka tukee Johnson Controlsin missiota innovoida energiaa säästäviä ja kestäviä rakennusratkaisuja.

2. Owens Corning

Rakennus- ja rakennusmateriaalien toimittajana Owens Corningillä on neljä liiketoimintaa: kattomateriaalit, ovet, komposiitit ja eristys. 

Yrityksen eristysratkaisut soveltuvat lähes kaikkiin rakennustilanteisiin, kattaen ulkoseinät, kattoratkaisut ja HVAC-järjestelmät. Sen rakennusratkaisut tarjoavat energian ja rakennusmääräysten noudattamisen, korkean lämpötehokkuuden, ilman/veden vastuksen, kosteuden hallinnan ja akustisen suorituskyvyn.

Käyttäjät suosivat yrityksen eristyspalveluita niiden energiatehokkuuden, kestävyyden, pitkäikäisen suorituskyvyn, helpon asennuksen ja vähäisen huollon vuoksi.

Kirjoitushetkellä OC:n osakkeet käyvät hintaan $187,57, +10,13 % YTD, ja markkina-arvo on $16,09 miljardia. Owens Corningin EPS (TTM) on 11,76, ja sen P/E (TTM) -suhde on 15,96. Yritys maksaa osinkotuoton 1,47 %.

Yrityksen taloustietojen osalta vuoden 2024 kolmannessa neljänneksessä se raportoi nettoliiketoimintaa $3 miljardia, mikä on 23 % kasvu edellisvuodesta. Äskettäin hankittu ovien liiketoiminta myi yli puoli miljardia dollaria tähän. Yrityksen laimennettu EPS oli $3,65 ja säädetty laimennettu EPS $4,38. Vapaan kassavirran määrä oli $558 miljoonaa.

Owens Corning (OC ) palautti yhteensä $252 miljoonaa osakkeenomistajilleen osinkojen ja osakkeiden takaisinostojen kautta. Puhuttaessa sen taloudellisesta vahvuudesta talousjohtaja Todd Fister sanoi:

“Osoitimme yrityksen vahvan tuloksen ja kassavirtapotentiaalin. Tiimimme tuotti sekä liikevaihto- että tuloskasvua parhaiden kaupallisten ja operatiivisten toteutusten ansiosta.”

Yrityksen kestävän kehityksen pyrkimyksissä Owens Corningin tuotevalikoima auttaa asiakkaita säästämään energiaa ja vähentämään päästöjä. Vuoden 2023 kestävän kehityksen raportissaan Owens Corningilla oli 14 tuotetta, jotka on sertifioitu valmistetuksi 100 % uusiutuvalla sähköllä, ja ne muodostivat neljänneksen yrityksen kokonaisliikevaihdosta.

Yritys raportoi myös saavuttaneensa 28 % vähennyksen Scope 1- ja 2-päästöissä vuoden 2018 peruslinjasta, lähentäen tavoitettaan 50 % vähennys kasvihuonekaasupäästöissä vuoteen 2030 mennessä. Owens Corning on edistynyt myös pyrkimyksissään kierrättää kaksi miljoonaa tonnia kattotiiliä vuodessa Yhdysvalloissa tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.

Rakennusmateriaaliyritys on myös investoinut 52 000 neliömetrin lasikangasvalmistuslaitokseen, joka toimittaa alalle kestäviä ja vahvempia rakennusmateriaaleja.

Johtopäätös

Globaalit hiilidioksidipäästöt kasvavat nopeasti, aiheuttaen maapallon lämpötilan nousun sekä äärimmäisiä sääilmiöitä, lisääntyviä metsäpaloja ja häiriöitä elintarvikehuollossa. Koska rakennukset muodostavat merkittävän osan globaaleista hiilipäästöistä, on äärimmäisen tärkeää, että vähennämme lämmitykseen, jäähdytykseen ja ilmanvaihtoon tarvittavaa energiaa. Samalla rakenteiden on kyettävä kestämään ilmastokatastrofeja. 

Vastaus näihin tarpeisiin on ilmasto-reaktiivinen arkkitehtuuri, joka edellyttää paikallisen ilmaston ja maantieteellisten ominaisuuksien huomioon ottamista ja sisällyttämistä rakennussuunnitteluun. Ottaen huomioon ilmasto-reaktiivisen arkkitehtuurin suuri kyky vähentää alan globaaleja hiilipäästöjä ja rajoittaa jätteen tuotantoa, tarvitaan sääntelytukea ja tietenkin jatkuvaa innovaatiota.

Tutkimukset kuten “Solar Gate” tarjoavat lupaavia ratkaisuja ongelmaan, jotka voivat vastata ympäristöhaasteisiin ja täyttää rakennettuun ympäristöön kohdistuvat toiminnalliset tarpeet. Ne korostavat myös helposti saatavilla olevien teknologioiden, kuten lisäainevalmistuksen, ja runsaan, uusiutuvan materiaalin, kuten selluloosan, potentiaalia kestävien arkkitehtonisten ratkaisujen edistämisessä.

Omaksumalla luonnolliset materiaalit ja bioinspiroitua suunnittelua sekä hyödyntämällä digitaalisia valmistustekniikoita, voimme rakentaa turvallisia, pitkäikäisiä rakenteita ja kestävän tulevaisuuden!

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten 3D-tulostus voi auttaa ratkaisemaan Yhdysvaltain asuntomarkkinoiden esteitä.

Tutkimusviite:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Sää-reaktiivinen sopeutuva varjostus biopohjaisten ja bioinspiroitujen hygromorfisten materiaalien avulla. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}