Фасадные системы играют огромную роль в управлении потоком энергии, а также ее потреблении в зданиях, поскольку они представляют собой своеобразную преграду между внешней средой и внутренним пространством. Особенно это касается новых современных ЖК (жилых комплексов), в которых часто делается сплошное остекление фасада, но, его энергоэффективности не уделяется должного внимания. А в виду того, что практически в каждой новой квартире теперь есть большой балкон, то новосёлам самим приходится заказывать замену фасадного остекления на тёплое.
Ранее уже предпринимались попытки строительства нескольких гибких фасадов, но использование специализированного тонкого (а также гнущегося) стекла, толщиной от 0,5 мм до 2 мм, открывает совершенно новые горизонты, которые позволяют поиграть с геометрией внешнего тёплого остекления и возможностью сделать ее адаптивной к различным архитектурным формам.
Тонкое стекло идеально подходит для изогнутых поверхностей, чтобы получить структурную жесткость при статическом использовании. В кинетических фасадах высокая гибкость такого материала дает больше возможностей для изменения размера и положения его за счет изгиба элементов, вместо использования петель в системе складных жёстких панелей.
Геометрия, в данном случае, основана на известной теории складывающихся поверхностей для поддержания низкого уровня напряжения во время незначительных подвижек, которые неизбежны в процессе эксплуатации здания. Поэтому фасады могут быть созданы из холодногнутых или многослойных изогнутых тонких слоев стекла, которые обеспечивают лучшее уплотнение, большую простоту конструкции, надежность и долговечность подвижных компонентов.
Применяя принципы обычных подвижных фасадов к гибкой геометрии, архитекторы получают новые возможности для процесса проектирования. Некоторые концепции, основанные на вышеупомянутых теориях, были созданы для объяснения принципов и обсуждения их применимости.
В 2016 г. был открыт исследовательский центр «Центр Йозефа Ресселя по технологии применения тонкого стекла в конструкционном проектировании зданий и сооружений». Этот институт занимается, например, темами определения предельной прочности тонкого стекла на изгиб, исследует новые области его применения и создает новые дизайнерские возможности для архитекторов.
Другой задачей этого исследовательского центра является систематический сбор существующего опыта об общих подвижных конструкциях в зданиях и применение этих знаний к фасадам из тонкого стекла, например, к климатически адаптирующимся каркасам зданий. Исследования основываются на опыте с прототипами, как в масштабе модели, так и в реальном размере. Компьютерные модели выполняются и тестируются с точки зрения кинематики изгиба с использованием современных конструкторских программ 3D-моделирования и конструкционных расчётов.
В качестве ключевого момента модель подвижного навеса в реальном размере, представленная на выставке «GlassTec» в Дюссельдорфе, Германия, стала отличным демонстратором потенциала, который дает возможность использовать тонкое стекло в подвижных конструкциях. Этот навес был также отправной точкой для заявки на упомянутый выше исследовательский проект. Несколько прототипов сначала были изучены на компьютерных моделях, чтобы оценить их осуществимость, а затем построены в виде картонных или прозрачных синтетических моделей для постепенной оптимизации системы. А потом уже, наконец, были созданы реальные работающие прототипы и завершена работа над программными компонентами и приложениями.
Адаптивные компоненты
Адаптивность (лат. Adaptive: адаптировать, отрегулировать) является реакцией на пограничные условия окружающей среды и может использоваться в области применения тонкого стекла. Реакции и пограничные условия весьма разнообразны. Фасады, как правило, должны соответствовать требованиям, отвечающим структурной безопасности, герметичности, видимости, освещения, температуры и воздействию осадков. Реакциями могут быть изменения прозрачности, светопроводимость, вентиляция и некоторые другие.
Автономные системы могут либо напрямую приводиться в действие автоматическим приводом, преобразовывая изменение физических свойств, либо косвенно управляться электронной схемой, которая переводит измеренный входной сигнал от датчиков на отдельное приводное устройство или на ряд синхронизированных устройств.
Для изменения геометрии системы требуется последовательность движения, полученная на основе измерений. В случае автономно перемещаемых элементов прямое приведение в действие физическим воздействием может быть увеличено до фактического движения с помощью простых механических умножителей, таких как ножничные или рычажные элементы.
Электрическая энергия, а также физические импульсы, такие как температура, влажность воздуха, свет или давление, могут использоваться в качестве триггеров для потока информации. Что касается адаптивности, то многообещающим вариантом, с точки зрения надежности и устойчивости, являются прямые автономные системы, которые функционируют независимо от энергоснабжения.
Сенсорная технология
Воздействие окружающей среды, такие, как температура, влажность воздуха, солнечное излучение, может быть измерена с помощью датчиков: термометров, гигрометров или пиранометров. Это воздействие может быть преобразовано в электрические импульсы, которые приводят к тому, что система управления генерирует рабочие сигналы для движений привода.
Поступающие сигналы от датчиков инициируют движение исполнительных механизмов. Функция последнего — приводить в действие систему. Приводы можно разделить на две группы: автономные и управляемые.
Автономные приводы
Интеллектуальные материалы могут взять на себя задачу датчиков — управлять собой же, без фактического использования технологий внешнего вмешательства. Такие «умные» материалы обладают постоянными обратимыми характеристиками, которые могут быть вызваны физическими воздействиями, такими, как температура, свет, давление, электрические, магнитные или химические импульсы.
Самым большим преимуществом автономных систем питания является постоянный рабочий процесс и отсутствие зависимости, например, от энергии.
Управляемые приводы
Команда, переданная от сенсора, является частью технологического цикла и запускает исполнительный механизм. Для управляемых систем важна технологическая инженерия, например, электрическая энергия преобразуется в виде сигнала через электрические линейные исполнительные механизмы в линейное движение.
Мультипликаторы
Мультипликаторы используются для повышения эффективности системы. Механическое движение, приводимое в действие приводом, является продуктом силы и пути. Например, небольшое смещение из точки C в точку C1 преобразуется в масштабное перемещение точек A в A1 и B в B1, как в системе рычагов. В зависимости от геометрии, преобразование может быть установлено по желанию.
Обычно, умножающие устройства могут быть выполнены в виде зубчатых колес, ременных приводов и других элементов, а также могут использоваться как процесс умножения силы, который может осуществляться вращательным или линейным образом.
Адаптивные системы
Самый впечатляющий способ работы с адаптивными системами – это использование автономных элементов. Саморегулирование этих систем есть ни что иное, как результат правильного сочетания различных компонентов, и целью этой комбинации будет — создание автономных фасадных адаптивных систем.
В первую очередь давайте разберём эффект изменения прозрачности остекления. Основной функцией фасадов является отделение интерьера от внешней среды Более того, эстетика и дизайн имеют архитектурное значение, а структурно-физические ценности отвечают за комфорт. Даже если уровень прозрачности фасадов соответствует интенсивности света в помещении, они не могут защитить от перегрева из-за соляризации. Таким образом, создание автономного регулирования будет экономить энергию на протяжении всего жизненного цикла здания.
Слои термохромного напыления со структурой нанокапсул, расположенные между слоями стекла, могут использоваться в качестве инструмента переключения прозрачности фасадного остекления. Уровень прозрачности — это результат наноструктуры, которая позволяет солнечному излучению проходить через слой термохромного вещества. Чтобы достичь температуры переключения, структура нанокапсул изменяется и становится диффузной, что, в свою очередь, увеличивает отражение.
Управление с помощью свойств деревянных элементов.
Различные параметры, такие как толщина, тип древесины и содержание влаги в ней, могут использоваться для управления и моделирования поведения. Реакция ее на влажность обратима, то есть первоначальное состояние достигается после высыхания. Использование влажности для изменения свойств основано на трех основных параметрах: соотношении размеров, ориентации волокон и ламинировании.
Гигроскопические свойства конуса, который находится в закрытом состоянии во влажных условиях и в открытом состоянии в сухое время, когда семена могут разноситься ветром, могут быть функционально воспроизведены деревянными двухслойными конструкциями, состоящими из прочных слоев.
Адаптивные фасады из тонкого стекла можно прекрасно регулировать с помощью деревянных конструкций. Зависимость древесины от влажности и ее возвращение в исходное состояние после сушки и увлажнения, в сочетании с ламинированием двух слоев – весьма привлекательный вариант для питания автономных систем.
Биметаллические датчики
Любые датчики из биметалла представляют собой термически (электрически) активные элементы, которые постоянно деформируются из-за изменения температуры. Биметалл используется промышленностью в виде полос, лент или рулонов. Процесс нанесения покрытия, гальванического или химического, дополнительно повышает коррозионную стойкость таких элементов.
Биметаллические ленты, прикрепляемые к тонкому стеклу, могут использоваться в качестве автономной системы температурного контроля фасадов. Повышение температуры из-за соляризации, работы систем затенения или вентиляции из-за деформации фасадного покрытия приведёт к тому, что датчик пошлёт в цепь управления определённый импульс.
