Adaptiv ‘Solar Gate’-skuggning tar inspiration från naturen för att förbättra HVAC-effektiviteten

Klimatkrisen utgör ett stort hot mot både vår miljö och våra liv. Det har gjort minskningen av koldioxid (CO₂)-utsläpp till ett brådskande globalt behov. 

Den byggda miljön står faktiskt för ungefär 42 % av de årliga globala CO₂-utsläppen. Även om byggdrift huvudsakligen är ansvarig för detta spelar bygg- och infrastruktursmaterial också en stor roll.

Detta gör byggsektorn till den drivande kraften bakom klimatförändringarna, vars negativa effekter redan kan ses i frekventa och mer skadliga väderhändelser.

Därför måste vi bygga inte bara adaptiva fasader som har potential att minska behovet av aktiv uppvärmning och kylning, vilket i sin tur minskar energiförbrukningen och den miljömässiga påverkan från byggnader, utan också mer motståndskraftig arkitektur som kan stå emot de utmaningar som klimatförändringarna medför.

För att bygga sådana adaptiva fasader måste arkitekter använda designstrategier som inkorporerar de unika lokala miljöegenskaperna. Det betyder i praktiken att prioritera klimatresponsiv arkitektur.

Denna typ av arkitektur fokuserar på att designa energieffektiva byggnader som är anpassade till just det klimat där de konstrueras. Det kräver att man tar hänsyn till faktorer som säsongsvariationer, naturlig skuggning, nederbördsmönster, luftfuktighet osv.

Istället för att arbeta emot det lokala klimatet arbetar klimatresponsiva byggnader med de regionala förutsättningarna för att ge maximal komfort åt användaren samtidigt som de använder så lite energi som möjligt. 

Genom att anta detta tillvägagångssätt med passiva designstrategier kan städer byggas så att de skyddas mot den ökande frekvensen och allvaret i de extrema väderhändelser som är ett resultat av klimatförändringarna.

Förutom att förbättra byggnaders motståndskraft genom att göra dem bättre förberedda för att stå emot både väder och naturkatastrofer, erbjuder klimatresponsiv arkitektur fördelarna av minskade driftskostnader genom att utnyttja naturliga, passiva system.

Genom att använda dagsljus och naturlig ventilation i stället för system som förbrukar el, kan energirelaterade driftskostnader sänkas avsevärt. Omfattande användning av dessa passiva system har kapaciteten att minska energiförbrukningen med upp till 90 %. Dessa passiva system, såsom naturlig luftflöde, bidrar dessutom till att öka användarnas produktivitet.

Genom att förbättra energieffektiviteten, minska koldioxidutsläppen och skydda naturresurserna hjälper denna arkitektur också till att främja miljömässig hållbarhet. 

Dock medför klimatresponsiva byggnader också utmaningen med höga initiala kostnader på grund av användning av hållbara material och den långa samt komplexa byggprocessen. Dessutom finns regulatoriska hinder. 

Visst, regeringar vidtar initiativ, och regler kring HVAC‑energieffektivitet och termisk isolering har kommit långt, men det saknas fortfarande stödjande regler för klimatresponsiv design. Ökad adoption av dessa arkitekturer kräver också fokus på utbildning och investering i relaterad expertis. 

Trots utmaningarna ser vi ett växande intresse för sådana byggnader. Några av de centrala elementen i en sådan adaptiv design inkluderar att utnyttja naturliga källor för luftflöde och ventilation, en passiv soldesign som tar hänsyn till solens position, naturligt hållbara material som timmer och bambu samt gröna inslag på tak och väggar.

Bioinspirerad väderresponsiv adaptiv skuggning

Inom klimatresponsiv arkitektur är adaptiva skuggningssystem ett utmärkt sätt att reglera inomhusklimatet mer effektivt genom att dynamiskt förändra sin form, orientering eller termiska egenskaper som svar på yttre väderförhållanden.

Problemet med dessa kinetiska skuggningssystem är dock deras beroende av driftenergi för att aktivera elektromechaniska enheter som driver flera rörliga delar. Dessa komplexa sammansättningar är sårbara för fel, vilket i sin tur kräver kostsamma reparationer.

Även om det finns alternativ i form av passivt tonat anti-solglas, filtrerar de bort för mycket naturligt ljus. Så, vad är lösningen? Jo, den finns i naturen.

En ny studie¹ av forskare vid universiteten i Freiburg och Stuttgart vände sig till naturen och fann att det redan finns lösningar för anpassning. De är inspirerade av biologiska material och svarar passivt på externa stimuli. 

Lösningen som forskarna tog som modell var tallkottar, som reagerar på omgivningen och förändrar sin form trots att de består av helt döda materialsystem. Tallkottens skala öppnas och stängs som svar på temperatur- och luftfuktighetsförändringar utan att förbruka någon metabolisk energi. 

Genom att använda tallkotte som modell utvecklade forskarna ett nytt, energiautonomt fasadsystem som passivt anpassar sig till vädret. Systemet, som benämns ”Solar Gate”, har installerats på University of Freiburgs livMatS Biomimetic Shell. livMatS, eller ”Living, Adaptive and Energy‑autonomous Materials Systems” (livMatS), är en forskningsbyggnad.

Istället för att förlita sig på ”omfattande tekniska anordningar”, som de flesta försök med responsivitet i arkitektoniska fasader gör, ”utforskar” denna forskning ”hur vi kan utnyttja materialets egen responsivitet genom avancerad beräkningsdesign och additiv tillverkning”, säger professor Achim Menges, chef för Institute for Computational Design and Construction (ICD) vid University of Stuttgart.

Enligt Menges, som också är talesperson för Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), har deras tillvägagångssätt gjort det möjligt att skapa ett skuggningssystem som autonomt öppnas och stängs som svar på väderförändringar. 

Denna effekt uppnås utan att använda några mekatroniska element eller driftenergi. Här är ”biomaterialstrukturen själv maskinen”.

Detta väderresponsiva, adaptiva skuggningssystem är det första som fungerar utan elektrisk energi. Förutom bioinspirerad design använde forskarna naturliga material och allmänt tillgängliga teknologier för ”Solar Gate”.

Den teknik som användes här var 3D‑utskrift, även känt som additiv tillverkning, vilket möjliggör tillverkning av komplexa former och strukturer. I denna process skapas tredimensionella objekt från en digital fil genom att lägga på successiva lager av material. 3D‑utskrift möjliggör snabb prototypframtagning, anpassning, kostnadsbesparingar och hög precision, samt ger designfrihet.

Teamet använde vanliga 3D‑skrivare för att reproducera den riktningsberoende strukturen hos cellulosa i växtvävnader.

Cellulosa är den mest abundanta biomassan på jorden. Det är också ett naturligt, lågt kostnads‑, biologiskt nedbrytbart och förnybart material som framför allt har inneboende hygromorfa egenskaper, vilket gör att adaptiv skuggning kan bli hållbar.

Denna hygromorfa egenskap, som innebär svullnad och krympning vid förändringar i luftfuktighet, observeras ofta i naturen. Öppning och stängning av tallkottens fjäll är ett exempel på detta.

Genom att utnyttja denna egenskap designade teamet biobaserade cellulosa‑fibrer och 4D‑utskrev dem till en tvålagersstruktur med inspiration från tallkottens fjäll.

En beräkningsbaserad tillverkningsteknik utvecklades också av forskarna för att kontrollera extruderingen av cellulosa‑material genom FFF‑3D‑skrivaren. 

Materialsystemen som produceras här kan autonomt förändra sin form som svar på externa stimuli. Cellulosamaterialen absorberar fukt och expanderar när luftfuktigheten är hög, vilket får elementen att krulla sig och öppnas. Vid låg luftfuktighet släpper materialen ut fukt och drar ihop sig, vilket får de utskrivna elementen att plattas ut och stängas. 

“Inspirerad av de hygroskopiska rörelserna hos tallkottens fjäll och silverbristlens brakter, har Solar Gate lyckats översätta inte bara den höga funktionaliteten och robustheten hos biologiska modeller till ett bioinspirerat skuggningssystem utan också estetiken i växtrörelser.”

– Professor Thomas Speck, livMatS‑talesperson och chef för Plant Biomechanics Group Freiburg vid University of Freiburg

Det bio‑inspirerade adaptiva skuggningssystemet har redan testats i verkligheten för sin funktionalitet och hållbarhet. Teamet installerade det på den söderiktade takfönstret i livMatS Biomimetic Shell, vilket hjälper till att reglera byggnadens inomhusklimat.

Under perioden av mer än ett år observerades att på vintern öppnade de 4D‑utskrivna skuggningselementen för att möjliggöra naturlig uppvärmning genom att släppa in solljus, medan de på sommaren stängdes för att minska solstrålning.

‘Solar Gate’ drivs enbart av vädercykler och kräver ingen elektrisk energi, vilket representerar ett resurs‑effektivt och energiautonomt alternativ till traditionella skuggningssystem. Det bioinspirerade 4D‑utskrivna skuggningssystemet erbjuder dessutom fördelarna låga kostnader, låg materialförbrukning, lätt konstruktion och ökad driftsrobusthet.

Detta system har, enligt forskarna, mycket större implikationer än bara byggnadsfasader. De skriver att det även kan påverka bredare områden inom arkitektur, teknik och konstruktion. 

I framtida arbete kommer forskarna att undersöka UV‑inducerad nedbrytning och dess långsiktiga effekter samt den mekaniska slitaget på Solar Gate och kvantifiera förbättringen av inomhusklimatregleringen.

Klicka här för att lära dig hur multi‑material additiv tillverkning banar väg för intern prototypframtagning.

Adaptiva takplattor

Tidigare har vi också behandlat hur forskare vid University of California, Santa Barbara, utvecklade adaptiva takplattor. Dessa plattor kan kraftigt minska energikostnaderna. Deras hemlighet är en ”radiativ switch” som växlar mellan värme‑ och kylningslägen och reagerar på utomhustemperaturen. Plattorna justeras inom 3 °C från målet. Jämfört med vanliga system är de över 2,5 gånger mer effektiva. Resultatet blir lägre räkningar och mindre beroende av fossila bränslen.

Kärnan i denna innovation är en liten, 4‑tum stor kvadratisk enhet. Den justerar hur mycket värme den avger beroende på vädret. Målet är att hålla inomhustemperaturen stabil – omkring 65 °F (18 °C) utan behov av konstant ström. Tekniken finns ännu inte på marknaden, men när den lanseras kommer den kunna spara energi, minska kostnader och göra byggnader grönare.

Företag 

Låt oss nu titta på ett par börsnoterade företag som är engagerade i adaptiv arkitektur genom sitt fokus på innovativa lösningar för energieffektivitet, byggnadshållbarhet och materialprestanda.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls erbjuder den största portföljen av HVAC‑utrustning och styrsystem för mer bekväma, hälsosamma och hållbara byggnadsmiljöer. Företagets HVAC‑lösningar kan leverera mätbart ren luft och erbjuda total klimatkontroll. Dess prediktiva och diagnostiska tjänster upptäcker dessutom strukturella problem innan skador från seismiska händelser uppstår. Företaget erbjuder även planerat och förebyggande underhåll samt fjärrstyrning av byggnader. 

Med den pågående tävlingen om avkarbonisering säkerställer Johnson Controls hållbarhet genom sina effektiva värme‑ och kylsystem som ger effektiv klimatkontroll samt optimerad energianvändning. Företagets portfölj av HVAC‑utrustning är konstruerad för att maximera energieffektiviteten. 

Förutom HVAC erbjuder företaget en IoT‑plattform, OpenBlue, som möjliggör intelligent och proaktiv drift och optimering. Plattformen kan bearbeta en miljon datapunkter per minut och syftar till att göra byggnader smartare och mer effektiva.

Johnson Control använder också AI i stor utsträckning i sina säkerhetslösningar för företags-, kommersiella och bostadsområden. Företaget har dessutom utökat sina AI‑kapaciteter i OpenBlue Enterprise Manager för att ta datainsikter till nästa nivå. Dessa förbättringar, i kombination med utrustningsuppgraderingar och proaktiva tjänster, levererar kunderna upp till 30 % minskning av energikostnader, upp till 20 % minskning av underhållskostnader och 10 % mer optimerad ytnyttjandegrad.

“Dessa nya AI‑drivna funktioner förbättrar inte bara driftseffektivitet och hållbarhet utan ger också byggnadsägare och operatörer en oöverträffad insyn och kontroll. Vi är fast beslutna att leda innovationer som driver automatisering och skapar smartare, mer responsiva miljöer för våra kunder.”

– CTO Vijay Sankaran

Vid skrivande stund handlas JCI‑aktier till $82,10, upp 4,02 % YTD, med ett börsvärde på $54,19 bn. Johnson Controls har ett EPS (TTM) på 2,09, medan P/E‑kvoten (TTM) är 39,27. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 1,80 %.

För det senaste rapporterade kvartalet, dvs. Q3 2024, föll Johnson Controls intäkter under förväntningarna med $6,25 bn. Dess icke‑GAAP‑vinst på $1,28 per aktie överträffade dock analytikernas konsensusestimat med 2,6 %. VD och ordförande George Oliver uttalade då att de var ”mycket nöjda” med att ha levererat ”dubbel‑siffrig organisk försäljningsökning och robust marginalutvidgning”.

Enligt Statista genererade Johnson Controls globala nettosäljningar på nästan $26,8 bn under räkenskapsåret 2023, en ökning med nästan 6 % jämfört med föregående år.

Senast har företaget förvärvat det nederländska företaget Webeasy, en leverantör av byggnadsautomation och styrsystem som kommer att stödja Johnson Controls uppdrag att innovera energieffektiva och hållbara byggnadslösningar.

2. Owens Corning

Som leverantör av bygg‑ och konstruktionsmaterial har Owens Corning (OC ) fyra affärsområden: tak, dörrar, kompositer och isolering. 

Företagets isoleringslösningar är avsedda för praktiskt taget alla byggnadssituationer, inklusive ytterväggar, taksystem och HVAC. Dess byggnadslösningar erbjuder energikompatibilitet och efterlevnad av byggnormer, hög termisk prestanda, luft‑/vattentäthet, fuktkontroll och akustisk prestanda.

Användare föredrar företagets isoleringstjänster för deras energieffektivitet, hållbarhet, långvariga prestanda, enkla installation och minimalt underhåll.

Vid skrivande stund handlas OC‑aktier till $187,57, upp 10,13 % YTD, med ett börsvärde på $16,09 bn. Owens Corning har ett EPS (TTM) på 11,76, medan P/E‑kvoten (TTM) är 15,96. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 1,47 %.

När det gäller företagets ekonomi rapporterade det för tredje kvartalet 2024 nettosäljningar på $3 bn, en ökning med 23 % jämfört med föregående år. Den nyligen förvärvade dörrverksamheten bidrog med över en halv miljard dollar till detta. Företagets levererade utspädda EPS var $3,65 och justerad utspädd EPS $4,38. Fritt kassaflöde under perioden var $558 miljoner.

Owens Corning återförde totalt $252 miljoner till sina aktieägare genom utdelningar och återköp av aktier. Om företagets finansiella styrka sade finansdirektör Todd Fister:

“Vi demonstrerade stark vinstkraft och kassagenereringspotential i koncernen. Vårt team levererade tillväxt både i intäkter och resultat tack vare förstklassig kommersiell och operativ utförande.”

När det gäller företagets hållbarhetsinsatser hjälper Owens Corning produktportfölj kunderna att spara energi och minska utsläpp. I sin hållbarhetsrapport för 2023 hade Owens Corning 14 produkter certifierade som tillverkade med 100 % förnybar el, vilket utgjorde en fjärdedel av företagets totala intäkter.

Företaget rapporterade också en minskning med 28 % av Scope 1‑ och 2‑utsläpp jämfört med en baslinje från 2018, vilket för dem närmare målet att minska växthusgasutsläpp med 50 % till 2030. Framsteg har också gjorts i Owens Corning arbete med att återvinna två miljoner ton takpannor per år i USA fram till slutet av detta decennium.

Byggmaterialföretaget har dessutom investerat i en glasmat‑tillverkningsanläggning på 52 000 m² för att förse branschen med hållbara och starkare byggmaterial.

Slutsats

Globala koldioxidutsläpp ökar i snabb takt, vilket får jordens temperatur att stiga och leder till extremt väder, ökade skogsbränder och störningar i livsmedelsförsörjningen. Eftersom byggnader står för en betydande andel av de globala koldioxidutsläppen är det ytterst viktigt att vi minskar den energi som krävs för uppvärmning, kylning och ventilation. Samtidigt måste strukturerna kunna stå emot klimatkatastrofer. 

Svaret på båda dessa behov är klimatresponsiv arkitektur, som kräver att man uppmärksammar och införlivar det lokala klimatet och de geografiska egenskaperna i regionen i byggnadsdesignen. Med tanke på den stora förmågan hos klimatresponsiv arkitektur att minska globala koldioxidutsläpp inom sektorn och begränsa avfallsproduktionen, behövs regulatoriskt stöd och naturligtvis ständig innovation.

Studier som ”Solar Gate” erbjuder lovande lösningar på problemet som kan bemöta de miljömässiga utmaningarna och möta de funktionella behoven i den byggda miljön. De belyser dessutom potentialen hos tillgängliga teknologier som additiv tillverkning och rikliga, förnybara material som cellulosa för att bidra till hållbara arkitektoniska lösningar.

Genom att omfamna naturliga material och bioinspirerade designer samt utnyttja digitala tillverkningstekniker kan vi bygga säkra, långlivade strukturer och en motståndskraftig framtid!

Klicka här för att lära dig hur 3D‑utskrift kan hjälpa till att lösa det betungande bostadsägandet i USA.

Studierreferens:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Väderresponsiv adaptiv skuggning genom biobaserade och bioinspirerade hygromorfa material. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}