Adaptiv ‘Solar Gate’-skjerming tar inspirasjon fra naturen for å øke HVAC‑effektiviteten

Klima-krisen utgjør en stor trussel mot både miljøet vårt og livene våre. Dette har gjort reduksjonen av karbondioksid (CO2)-utslipp til en presserende global nødvendighet. 

Det bygde miljøet er faktisk ansvarlig for omtrent 42 % av de årlige globale CO2-utslippene. Mens bygningsdrift hovedsakelig er ansvarlig for dette, spiller bygg- og infrastrukturmaterialer også en stor rolle her.

Dette gjør det til den drivende kraften bak klimaendringene, hvis negative effekter allerede kan ses i hyppige og mer skadelige værhendelser.

Dermed må vi bygge ikke bare adaptive fasader som har potensial til å redusere behovet for aktiv oppvarming og kjøling, og dermed minske energiforbruket og miljøpåvirkningen fra bygninger, men også mer robust arkitektur som kan tåle utfordringene som klimaendringene presenterer.

For å bygge slike adaptive fasader må arkitekter bruke designstrategier som innlemmer de unike lokale miljøforholdene. Dette oversettes enkelt til å prioritere klimaresponsiv arkitektur.

Denne typen arkitektur fokuserer på å designe energieffektive bygninger som er tilpasset det klimaet de er bygget i. Dette krever at man tar hensyn til faktorer som sesongvariasjoner, naturlig skygge, nedbørsmønstre, luftfuktighet osv.

I stedet for å kjempe mot det lokale klimaet, arbeider klimaresponsiv bygninger med regionale forhold for å gi maksimal komfort til beboeren samtidig som de bruker minst mulig energi.

Ved å ta denne tilnærmingen med å implementere passive designstrategier, kan byer og tettsteder bygges for å beskytte dem mot den økende frekvensen og grusomheten av alvorlige værhendelser som er et resultat av klimaendringer.

I tillegg til å forbedre bygningens robusthet ved å gjøre dem bedre forberedt på å tåle både vær og naturkatastrofer, gir klimaresponsiv arkitektur fordeler i form av reduserte driftskostnader ved å bruke naturlige, passive systemer.

Ved å bruke dagslys og naturlig ventilasjon i stedet for systemer som bruker elektrisitet, kan energirelaterte driftskostnader reduseres betydelig. Omfattende bruk av disse passive systemene har evnen til å redusere energiforbruket med opptil 90 %. Disse passive systemene, som naturlig luftstrøm, bidrar også til å øke beboerens produktivitet.

Ved å forbedre energieffektiviteten, redusere karbonutslipp og beskytte naturressurser, bidrar denne arkitekturen også til å fremme miljømessig bærekraft. 

Imidlertid kommer klimaresponsiv bygninger også med utfordringen med høye oppstartskostnader på grunn av bruk av bærekraftige materialer og den lange og komplekse byggeprosessen. Deretter er det regulatoriske hindringer. 

Selvfølgelig tar myndighetene initiativ, og regelverk rundt HVAC-energi‑effektivitet og termisk isolasjon har kommet langt, men det mangler fortsatt støttende regler for klimaresponsiv design. Økt adopsjon av disse arkitekturene krever også fokus på utdanning og investering i relevant ekspertise. 

Til tross for utfordringene ser vi en økende interesse for slike bygninger. Noen av kjerneelementene i et slikt adaptivt design inkluderer å bruke naturlige kilder for luftstrøm og ventilasjon, et passivt soldesign som tar solens posisjon i betraktning, naturlig bærekraftige materialer som tre og bambus, samt grønne elementer på tak og vegger.

Bioinspirert værresponsiv adaptiv skygge

Blant klimaresponsiv arkitektur er adaptive skyggesystemer en utmerket måte å regulere innendørs klima mer effektivt ved dynamisk å endre form, orientering eller termiske egenskaper som svar på ytre værforhold.

Problemet med disse kinetiske skyggesystemene er imidlertid deres avhengighet av driftsenergi for å aktivere elektro‑mekaniske enheter som driver flere bevegelige deler. Disse komplekse sammensetningene er sårbare for feil, som da krever kostbare reparasjoner.

Selv om det finnes alternativer i form av passivt tonet anti‑solglass, filtrerer de ut for mye naturlig lys. Så, hva er løsningen? Vel, den finnes i naturen.

En ny studie¹ av forskere ved universitetene i Freiburg og Stuttgart vendte seg til naturen og fant at det allerede finnes løsninger for tilpasning. De er inspirert av biologiske materialer og responderer passivt på eksterne stimuli. 

Løsningen forskerne tok som modell var furukongler, som reagerer på miljøet og endrer formen til tross for at de er helt døde materialer. Furukonglen åpner og lukker seg som respons på endringer i temperatur og luftfuktighet uten å bruke noen metabolsk energi. 

Ved å bruke furukonglen som modell utviklet forskerne et nytt, energiuavhengig fasadesystem som passivt tilpasser seg været. Systemet, kalt “Solar Gate”, er installert på University of Freiburgs livMatS Biomimetiske skall. livMatS, eller ‘Living, Adaptive and Energy‑autonomous Materials Systems’ (livMatS), er en forskningsbygning.

I stedet for å være avhengig av “kompliserte tekniske enheter”, som de fleste forsøk på responsivitet i arkitektoniske fasader gjør, utforsker denne forskningen “hvordan vi kan utnytte materialets egen respons gjennom avansert beregningsdesign og additiv produksjon,” sa professor Achim Menges, leder for Institute for Computational Design and Construction (ICD) ved University of Stuttgart.

Ifølge Menges, som også er talsperson for Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), har deres tilnærming gjort det mulig å oppnå et skyggesystem som autonomt åpner og lukker seg som respons på værendringer. 

Denne effekten oppnås uten å bruke noen mekatroniske elementer eller driftsenergi. Her er “biomaterialstrukturen selv maskinen.”

Dette værresponsive, adaptive skyggesystemet er det første som opererer uten elektrisk energi. I tillegg til bioinspirert design brukte forskerne naturlige materialer og lett tilgjengelige teknologier for “Solar Gate”.

Teknologien som ble brukt her var 3D‑printing, også kjent som additiv produksjon, som gjør det mulig å fremstille komplekse former og strukturer. I denne prosessen blir tredimensjonale objekter laget fra en digital fil ved å legge ned påfølgende lag av materiale. 3D‑printing muliggjør rask prototyping, tilpasning, kostnadsbesparelser og høy presisjon, i tillegg til å gi designfrihet.

Teamet brukte standard 3D‑skrivere for å gjenskape den retningsavhengige strukturen til cellulose i plantvev.

Cellulose er den mest forekommende biomassen på jorden. Det er også et naturlig, lavkost, biologisk nedbrytbart og fornybart materiale som viktigst har iboende hygromorfe egenskaper, som gjør at tilpassende skygge kan være bærekraftig.

Denne hygromorfe egenskapen, som representerer svelling og krymping ved endringer i luftfuktighet, observeres ofte i naturen. Åpning og lukking av skalaene på furukongler er et eksempel på dette.

Ved å utnytte denne egenskapen, utviklet teamet skreddersydde biobaserte cellulosefibre og 4D‑printet dem inn i en to‑lag struktur med furukongleskalaer som inspirasjon.

En beregningsbasert fabrikasjonsteknikk ble også utviklet av forskerne for å kontrollere ekstruderingen av cellulose‑materialer gjennom FFF‑3D‑printeren. 

Materialsystemene som produseres her kan autonomt endre formen som respons på eksterne stimuli. Cellulose‑materialene absorberer fukt og utvider seg når luftfuktigheten er høy, noe som får elementene til å krølle seg og åpne. I lav luftfuktighet frigjør materialene fukt og trekker seg sammen, noe som får de printede elementene til å flate ut og lukke. 

“Inspirert av de hygroskopiske bevegelsene til skalaene på furukongler og bladene på sølvtistel, har Solar Gate lykkes med å overføre ikke bare den høye funksjonaliteten og robustheten til biologiske modeller inn i et bioinspirert skyggesystem, men også estetikken i plantenes bevegelser.”

– Professor Thomas Speck, livMatS‑talsmann og leder for Plant Biomechanics Group Freiburg ved University of Freiburg

Det bioinspirerte adaptive skyggesystemet har allerede blitt testet i den virkelige verden for sin funksjonalitet og holdbarhet. Teamet installerte det på den sørligvendte taklyset i livMatS Biomimetiske skall, som hjelper til med bygningens innendørs klimaregulering.

I løpet av perioden på mer enn ett år, ble det observert at i vinter åpner de 4D‑printede skyggenelementene seg og tillater naturlig oppvarming ved å slippe inn sollys, og lukkes om sommeren for å redusere solstråling.

‘Solar Gate’ drives kun på værsykluser og krever ingen elektrisk energi, og representerer et ressurs‑effektivt og energiuavhengig alternativ til tradisjonelle skyggesystemer. Det bioinspirerte 4D‑printede skyggesystemet tilbyr også fordeler som lav kostnad, lav materialbruk, lett konstruksjon og økt driftsrobusthet.

Dette systemet, ifølge forskerne, har langt større implikasjoner enn bare bygningens fasader. De skrev at det også kan påvirke bredere områder innen arkitektur, ingeniørkunst og bygging. 

I fremtidig arbeid vil forskerne undersøke UV‑indusert nedbrytning og dens langsiktige effekter sammen med mekanisk slitasje på Solar Gate, og kvantifisere forbedringen av innendørs klimaregulering.

Klikk her for å lære hvordan multi‑material additiv produksjon baner vei for intern prototyping.

Adaptive takfliser

Tidligere har vi også dekket hvordan sforskereutviklet adaptive takfliser. Disse flisene kunne redusere energikostnadene betydelig. Deres hemmelighet er en “radiativ bryter” som veksler mellom oppvarmings- og kjølingsmodus, og reagerer på utetemperaturen. Flisene justerer seg innen 3 grader Celsius fra målet. Og sammenlignet med vanlige systemer er de over 2,5 ganger mer effektive. Resultatet er lavere regninger og mindre avhengighet av fossilt brensel.

Kjernen i denne innovasjonen er en liten, 4‑tommers kvadratisk enhet. Den justerer hvor mye varme den stråler avhengig av været. Målet er å holde innendørstemperaturen jevn—rundt 65 °F (18 °C) uten behov for konstant strøm. Imidlertid er denne teknologien ennå ikke på markedet, men når den blir det, vil den kunne spare energi, kutte kostnader og bidra til å gjøre bygninger grønnere.

Selskaper 

La oss nå se på et par børsnoterte selskaper som er engasjert i adaptiv arkitektur gjennom sitt fokus på innovative løsninger for energieffektivitet, bygningens bærekraft og materialytelse.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls tilbyr den største porteføljen av HVAC‑utstyr og -kontroller for mer komfortable, sunne og bærekraftige bygningmiljøer. Selskapets HVAC‑løsninger kan levere målbar ren luft og tilby total klimakontroll. Deres prediktive og diagnostiske tjenester oppdager strukturelle problemer før skader fra seismiske hendelser oppstår. I tillegg tilbyr de planlagt og forebyggende vedlikehold samt fjernstyrt bygningadministrasjon. 

Med konkurransen om avkarbonisering i gang, sikrer Johnson Controls bærekraft gjennom sine effektive oppvarmings‑ og kjølesystemer som gir effektiv klimakontroll sammen med optimalisert energibruk. Selskapets portefølje av HVAC‑utstyr er konstruert for å maksimere energieffektiviteten. 

I tillegg til HVAC‑systemer tilbyr selskapet en IoT‑plattform, OpenBlue, som muliggjør intelligent og proaktiv drift og optimalisering. Plattformen kan behandle en million datapunkter per minutt og har som mål å gjøre bygninger smartere og mer effektive.

Johnson Control bruker også AI i stor grad i sine sikkerhetsløsninger for bedrifts-, kommersielle og boligmål. Selskapet har videre utvidet sine AI‑kapasiteter i OpenBlue Enterprise Manager, med mål om å ta data‑innsikt til neste nivå. Disse forbedringene, kombinert med utstyr oppgraderinger og proaktive tjenester, gir kundene opptil 30 % reduksjon i energiforbruk, opptil 20 % reduksjon i vedlikeholdskostnader og 10 % mer optimalisert plassutnyttelse.

“Disse nye AI‑drevne funksjonene forbedrer ikke bare drifts‑effektivitet og bærekraft, men gir også bygningseiere og -operatører enestående innsikt og kontroll. Vi er forpliktet til å lede innovasjoner som driver automatisering og skaper smartere, mer responsive miljøer for våre kunder.”

– CTO Vijay Sankaran

Per skrivende stund handles JCI-aksjene til $82,10, opp 4,02 % år‑til‑dato, med en markedsverdi på $54,19 mrd. Johnson Controls har en EPS (TTM) på 2,09, mens P/E‑forholdet (TTM) er 39,27. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 1,80 %.

For det siste rapporterte kvartalet, dvs. Q3 2024, falt Johnson Controls’ inntekter under forventningene med $6,25 milliarder. Deres ikke‑GAAP‑fortjeneste på $1,28 per aksje overgikk imidlertid analytikernes konsensusestimat med 2,6 %. Administrerende direktør og styreleder George Oliver uttalte da at de var “svært fornøyde” med å ha levert “tosifret organisk salgsvekst og robust marginutvidelse”.

Ifølge Statista, genererte Johnson Controls globale nettoomsetning på nesten $26,8 milliarder i regnskapsåret 2023, en økning på nesten 6 % sammenlignet med året før.

Nylig har selskapet kjøpt opp det nederlandske selskapet Webeasy, en leverandør av bygningsautomatisering og -kontroller som vil støtte Johnson Controls’ oppdrag om å innovere energieffektive og bærekraftige byggeløsninger.

2. Owens Corning

En leverandør av bygg- og konstruksjonsmaterialer, Owens Corning (OC ) har fire forretningsområder: tak, dører, kompositter og isolasjon.

Selskapets isolasjonsløsninger passer for praktisk talt enhver bygning, og dekker yttervegger, taksystemer og HVAC. Deres byggeløsninger gir energisamsvar og overholdelse av byggforskrifter, høy termisk ytelse, luft‑/vannmotstand, fuktighetskontroll og akustisk ytelse.

Brukere foretrekker selskapets isolasjonstjenester for deres energieffektivitet, holdbarhet, langvarige ytelse, enkel installasjon og minimalt vedlikehold.

Per skrivende stund handles OC-aksjene til $187,57, opp 10,13 % år‑til‑dato, med en markedsverdi på $16,09 mrd. Owens Corning har en EPS (TTM) på 11,76, mens P/E‑forholdet (TTM) er 15,96. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 1,47 %.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte det for tredje kvartal 2024 nettoomsetning på $3 milliarder, en økning på 23 % fra året før. Den nylig oppkjøpte dørvirksomheten bidro med over en halv milliard dollar til dette. Selskapets leverte utvannede EPS var $3,65 og justert utvannet EPS var $4,38. Fri kontantstrøm i denne perioden var $558 millioner.

Owens Corning returnerte totalt $252 millioner til sine aksjonærer gjennom utbytte og aksjetilbakekjøp. Når det gjelder selskapets finansielle styrke, sa finansdirektør Todd Fister:

“Vi demonstrerte den sterke inntjeningskraften og kontantgenereringspotensialet i virksomheten. Teamet vårt leverte vekst i både inntekter og resultat som følge av førsteklasses kommersiell og operasjonell gjennomføring.”

Når det gjelder selskapets bærekraftinnsats, hjelper Owens Corning sitt produktportefølje kundene med å spare energi og redusere utslipp. I sin bærekraftsrapport for 2023 hadde Owens Corning 14 av sine produkter sertifisert som laget med 100 % fornybar elektrisitet, og disse utgjorde en fjerdedel av selskapets totale inntekter.

Selskapet rapporterte også at de oppnådde en 28 % reduksjon i Scope 1‑ og 2‑utslipp fra et 2018‑grunnlag, noe som bringer dem nærmere målet om en 50 % reduksjon i klimagassutslipp innen 2030. Fremskritt er også gjort av Owens Corning i deres innsats for å resirkulere to millioner tonn takshingel per år i USA innen slutten av dette tiåret.

Byggematerialselskapet har også investert i en 52 000‑kvadratmeter stor glassmat‑produksjonsanlegg for å levere bransjen med bærekraftige og sterkere byggematerialer.

Konklusjon

Globale karbonutslipp øker i raskt tempo, noe som får jordens temperatur til å stige og fører til ekstremt vær, økte skogbranner og forstyrrelser i matforsyningen. Med bygninger som står for en betydelig andel av de globale karbonutslippene, er det ekstremt viktig at vi reduserer energien som kreves for oppvarming, kjøling og ventilasjon. Samtidig må strukturen være i stand til å tåle klimakatastrofer. 

Svaret på begge disse behovene er klimaresponsiv arkitektur, som krever oppmerksomhet på og innlemmelse av det lokale klimaet og de geografiske egenskapene i regionen i bygningens design. Gitt den høye evnen klimaresponsiv arkitektur har til å redusere globale karbonutslipp i sektoren og begrense avfallsproduksjon, er det behov for regulatorisk støtte og selvfølgelig kontinuerlig innovasjon.

Studier som “Solar Gate” gir lovende løsninger på problemet som kan takle miljøutfordringene og møte de funksjonelle behovene i det bygde miljøet. De fremhever også potensialet i tilgjengelige teknologier som additiv produksjon og rikelige, fornybare materialer som cellulose for å bidra til bærekraftige arkitekturløsninger.

Ved å omfavne naturlige materialer og bioinspirert design samt bruke digitale produksjonsteknikker, kan vi bygge trygge, langvarige strukturer og en robust fremtid!

Klikk her for å lære hvordan 3D‑printing kan bidra til å løse den høye barrieren for boligkjøp i USA.

Studierreferanse:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Værresponsiv adaptiv skygge gjennom biobaserte og bioinspirerte hygromorfe materialer. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}