Bina Facades'te bir Fırsat Tasarımı Olarak Termal Genişleme

On yıllar boyunca, termal genişleme, yapısal bütünlüğü veya hava durumu olmadan boyutsal değişiklikler olarak tedavi edildi - temel bir değişim genişleme ile ilgili ortaklar, kayma bağlantıları ve esnek mühürleyiciler. mimarlar ve mühendisler, sürdürülebilir bir akıştan daha fazla tasarruf eden, sürdürülebilir bir enerjiden gelen sıcaklık odaklı arayüzleri tedavi ederek, daha iyileştirici bir şekilde, daha doğrulayıcı bir ısıtılabilir bir binadaki bir ısıtımı temsil eden bir dışsal genişlemeye karşı, birleştirici yapının daha güvenli bir şekilde genişletilmesini ve sürekli hale getirmelerini sağlamak için bir şekilde öğreniyorlar.

Bu makale, binaları dinamik olarak termal ortama yanıtlayabilecek kapsamlı bir inceleme sunar.Bir mimarın detayı, veya uzun vadeli performansı değerlendiren bir bina sahibi, termal genişlemenin kasıtlı kullanımını anlayabiliriz, binalar enerji verimli, dayanıklı bina zarflarını yanıtlayabilecek yeni olanaklar yaratabilir.

Termal genişlemeyi Anlamak: Facade Design için Temel Prensipleri

Termal genişleme mühürü, sıcaklık varyasyonuna yanıt verme boyutunu değiştirmek için önemli olan eğilimi açıklar.Bir madde ısıtıldığında, seçmenlerin daha enerjik bir şekilde daha enerjik bir şekilde, daha yüksek bir sıcaklık dağılımını korumak ve makrooskopik genişlemeye neden olur.Bu etkinin nicel ölçüleri nispeten yüksek CTE'dir. [CTE), bu yüzden normal ısı değişimi 10 ila 6,6 arası süre boyunca - 6 x 10 / x 10-6 arası bir şekilde yapılır.

Pratik bir örnek olarak düşünün: büyük bir cephede 6 metre alüminyum perde duvarı paneli, 30°C'nin sıcaklık artışına maruz kalacak ve soğuk geceler veya kış aylarındaki aksi sözleşmeleri ayrı olarak ele alabilir, yalıtımda su için yollar yaratabilirken, bu gerçeklikler ısıtılabilirliği ile herhangi bir cephede merkezi bir genişlemeye karşılaştırıldığında, statik veya uyarlanabilir bir performansa maruz kalabilir.

Bazı malzemelerin anisotropic doğası daha karmaşık hale getirir. Fiber-reinforced kompozitler, örneğin, farklı CTE'ler fiber yönelimlerini transiste karşı karşılaştırır, bu tür aşırılıklar tipik bina zarfı koşulları için dikkate alındığında, beklenen işletim aralığındaki CTE değerlerin ayrıntılı bir şekilde anlaşılması her zaman geniş sıcaklık aralıkları ile çalışmalıdır.

Adaptif Facades: Bina En Geliştirmeleri için Yeni Bir Paradigm

Adaptif cepheler, geometrisini değiştirme yeteneğine dahil ederek geleneksel statik kladding'yi, permeability veya optik özelliklerini dış koşullara tepki olarak yönlendiren cihazlara güvenmek yerine, yalnızca motorize körler veya HVAC barajları gibi aktif mekanik sistemlere güvenmek, birçok adetrasyon konsepti, pasif materyal özelliklerini modüle etmek için pasif malzeme özelliklerinden yararlanmaktadır. Seçenekleri, yolcuları manuel olarak ısıtacak basit dışsal gölgeler ile ısıtılır, nem, veya güneş radyasyonu dışsal güç olmadan.

Adaptif hareket için temel tetikleyiciler foto hassas malzemeler, nezorlu ahşap veners içerir ve - önemli ölçüde - termal genişleme.Sıcak olarak uyarlanabilir cepheler, sıcaklık farkının kendisi hareket eder: Motorlar, hiçbir elektronik, sadece fiziksel bir şekilde seçilmiş malzemelere tepki vermez.Bu biyomimtik yaklaşım, çam ve taşer gibi doğal fenomenler de ısıtılır ve sıcaklıkla ilgili olarak ısıtılır, ısıtılır, çünkü daha basit bir inşaat, daha düşük bakım ve daha sert-to-kullanıcı bir binadaki direnç vaat eder.

Adaptif cephelere geçiş aynı zamanda enerji kodları ve yükselen yolcu konfor beklentileri ile de tahrik edilir. Statik cam kuleler genellikle güneşe karşı aşırılık veya havalandırmayı talep eden bir zarf, yüksek soğutma yüklerini büyük ölçüde azaltabilir. Örneğin, [[Düşük çatılar [Düşük çatı kuleleri], Abu Dhabi'de dinamik bir maskeli güneş ışığıyla karşı karşıya kalır - pnömatik ısıyı azaltır - bu sistem ısıyı% 50 azaltır.

Termal genişleme ve Facade Responsiveness arasındaki Interplay

Termal genişleme kasıtlı olarak bir cepheye taşınırken, bu ilke, termostatlar ve devre kesiciler olarak hizmet edebilir, gün boyunca ve gece boyunca ısıtılan iki metalden oluşur.Aktif genişleme yeterli bir şekilde yönetildiğinde, bu ilke, destek yapısına sıkıca bağlı olarak, sıkıca bastırılmış olan bir cepheyi temsil eder.

Tasarım süreci, yapısal istikrarla hareket özgürlüğü dengelemek zorundadır. Ortaklar, kayma uçakları ve esnek demirleme sistemleri, çatışma olmadan bileşenleri genişletmeye ve sözleşmeye izin veren temel araçlardır.In adaptive-s that aktif change shape, tasarımcılar ek olarak, katmanların bükme, curling veya katlama eylemleri için diferansiyel genişlemeyi kullanır.

Özellikle kullanışlı bir konsept, belirli bir sıcaklık eşine göre, hızlı bir açılış mekanizması sağlamak için tasarlanmıştır.[DÜDÜT:1], Cambridge Üniversitesi'nde yapılan bir ısı genişletme ve laminat yığınına kadar uzanan bu kabuklar, belirli bir sıcaklık eşine göre güvenilir bir şekilde değişebilir, hızlı bir şekilde bir açılış mekanizması sağlar.

Termal olarak Dinamik Facades için malzeme seçimi

Termal genişlemeyi kullanan bir adeptif cephe için malzeme seçmek, geleneksel kladding seçeneklerinin ötesine bakmak anlamına gelir. Metaller yüksek CTEs - alüminyum, çinko, bakır ve bazı paslanmaz çelikler - çekici çünkü hareket eden iki metal kalınlığının ve ilgili elastik olmayan ısı değişiminin oranını oluşturabilirler, ısıtılabilir bileşenleri için doğal bir aday haline gelir.

Aksine, son derece düşük CTE ile malzemeler, invar, karbon-fiber-reinforced polimerler veya borosilicate cam, stabil referans çerçeveleri olarak hareket edebilir.Bir hibrit cilt, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte iki tane daha ısıtılabilen çelik kaplamaya izin verirken, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunabilir.

Geleneksel ve Gelişen Materyal Seçenekleri

  • [FONT:0) Yüksek-CTE metaller: [DÜT:1] alüminyum, magnezyum alaşımları, bakır, pirinç - basit bimetalsel bükme ve büyük yer değiştirme uygulamaları için 20-26 × 10 -6 /K.
  • [FONT=0) Düşük-CTE substratlar: Invar (1.2 × 10-6 /K), seramik matris kompozitler, karbon fiber - sabit yapısal arka kemiği demir hareket için kullanılır.
  • [FONT:0]Thermo-bimetals: Mn-Cu-Ni alaşımlarının yüksek oranda yüksek çözünürlükte nikel-iron alaşımları; ticari olarak güneş kaynaklı havalandırma ekranları için uygunlanmış çarşaflar olarak kullanılabilir.
  • [FONT:0)Shape-memory alaşımları (SMA): ), Nitinol telleri veya şeritler, dönüşüm ısılarının ötesinde ısıtıldığında, latch benzeri eylemleri veya yüksek güç yoğunluğuyla açma mekanizmalarına kadar% 8'e kadar geri dönebilirsiniz.
  • [FONT:0) Akıllı polimerler: [Döneticiler ve termoplastikler, hala mimari ölçekde deneysel olarak, düşük kuvvet, büyük yerleme uygulamaları için umut verici.
  • [FONT:0]Timber kompozitler: [Dönetici: Mühendisli ahşap ürünleri, sıcaklık ve nem ile eğriliği değiştirmek için tedavi edilebilir, ne kadar düşük karbonlu bir alternatif için korumalı dış uygulamalarda.

Mühendislik Çözümleri: Tasarım Yoluyla Kontrol

Herhangi bir uyarlanabilir cephenin başarısı, tasarımının kaçınılmaz boyutsal değişiklikleri nasıl iyi barındırdığına bağlıdır. Modern cephe mühendisliği, termal genişlemenin kontrol edilebilir, öngörülebilir bir harekete yol açmasını sağlamak için bir strateji paketi kullanır. Aşağıdaki yaklaşımlar yaygın olarak güncel uygulamada kullanılır:

  • [[Döneticileri:0)Eksiyon eklemleri:[Dönder:[Dönderlik veya engelliler ile dolu paneller veya framing üyeleri arasındaki boşluklar bir veya iki yönde hareket ederler.Bu ortaklar, bir araya gelen genişlemenin aksi takdirde sıkıntıya neden olabileceği yerlerde stratejik olarak yer almaktadır.
  • [FONT:0]Sliding bağlantıları:[Dönetici: 0,4] Daha sonra dikey ve dış düzlemli yükler, yüksek çözünürlükte yüksek panellerin hızlı bir şekilde büyümesini ve yüksek çözünürlükte yüksek devre dışı bırakmalarını sağlar.Elongated demüreler, ısıtıcılar veya rollerle ısıtılır ve uzun yıllar boyunca bağlayıcılığı önlerler.
  • [FONT=0]Kinematic bağlantıları: Adaptif bir gölgeleme ekranları için, scissor mekanizmaları, kollar ve pantograf bağlantıları doğrusal genişlemeyi rotasyonel veya çeviri hareketi ile çevirisel bir şekilde çevirerek, en az oyunla senkronize edilen büyük bir alana doğru hareket sağlar.
  • [FONT:0)Buckling ve flexure elementleri:) Amaçlı ince elementler, kısıtlı bir sıcaklıkta hızla açık olan biyostable konfigürasyonlar üreterek yayılabilir veya çırpılabilir.
  • [FONT:0]Hybrid deri toplantıları: [Dönetici: 1 ) Bir yağmur tabakasının bir ventilated bir boşlukla dışlanması, hava bariyeri ve yalıtım boyutuyla sabit kalırken, bu de çift yaklaşım yüksek performanslı perde duvarlarında yaygındır ve birincil yapıdaki termal genişleme tesislerini azaltır.
  • [FONT:0)Öyle alınan membranlar: [DÜDÜT:1] Pull Kumaş veya ETFE yastıkları, yaz ve geometrik curvature ile ısıtılması için ısıtılabilir, malzemenin elastikliği sıcaklık olarak geri döndürür.CTE of ETFE yaklaşık 120-150 × 10 -6 /K, kışın sagging önlemek için dikkatli bir şekilde detaylandırmayı gerektirir.

Rüzgar Yükleri, sismik kuvvetler ve ölü ağırlık, ısıya bağlı sertlik profilleri ile paralel olarak düşünülmelidir. Mekanik yükler, sonlu elemanlar analizi (FEA), karmaşık montajların etkilerini simüle etmek için mühendislere olanak sağlar ve özellikle de akıllı malzemeler kullanarak sıcaklık bağımlı sertlik profilleri ile kritiktir.

Vaka Çalışması: Termo-Bimetal Ekranlar ve Pasif

En çekici yapılı termal genişleme örneklerinin biri, bir aksiyon gücü olarak kullanılan Do|Su Stüdyosu Mimarisi'nin termo-bimetal gölgeleme sistemleri üzerinde çalışmasıdır.TheurFLT:0)Bloom[DDDDöneticileri 1) kurulum, büyük ölçekli veya taze havalar için, tamamen güneş ısıtılması için ısıtılması için, her iki katın üzerinde ısınırıklama maliyetlerin azaltılması ve en az ısınmasına izin veren binlerce kablo açma ve temiz havayı sağlayan bir yüksek çözünürlüktir.

Bir bina cephesi bağlamında, böyle termo-bimetal elementleri çift kişilik cephelere entegre edilebilir, örneğin, 45°C'li geleneksel mekanik louversiyon tabakası ilerleyebilir.Düzüğün 60°C'yi geçtiğinde, havalandırma sıcaklığının tam olarak güneş saati boyunca açık olmasını ve akşam 45°C'nin bir Curie sıcaklığı ile birlikte yüksek çözünürlükte bir şekilde kapatılabilmesi için malzeme ısıtılabilir.

Daha büyük ölçekli bir örnek, tam olarak lineer genişleme ile opaklığı değiştiren, sıcaklık kompozisyonu ve geometrik desenleri kullanarak ayarlandığında, ETFE yastıklarını kullanan, yüzey sıcaklığı ile opaklığı değiştiren, tamamen lineer Yeadon, ısıtılmış ve parlak bir şekilde yükseltilebilir olan ısıtılmış bir çeliktir.

C ⁇ Modeling ve Performans Simülasyonu

Bir termal olarak uyarlanabilir cephenin tam bir yıl boyunca nasıl davranacağını tahmin edin, her saat boyunca sıcaklık dağılımını haritalar.Demekle ilgili mühendisler, geometrik değişkenlerin hızlı bir şekilde aktarılmasına izin verir - sıcaklık artış hızı, ve yapısal hava sıcaklığı, ve uzun dalga emisyonu ile, bu simülasyonların hızlanmasını sağlayarak, son yıllarda önemli ölçüde azaldı. Parametrik modeller, bu tür birimler için erişilebilir hale getirir.

Dijital ikiz teknoloji, gerçek dünya performansını doğrulamak için giderek daha fazla kullanılır. Bir prototip veya erken aşama yüklemede gömülü bir ortamdaki sensörleri ve yerinden edilme verileri gerçek zamanlı olarak optimize edilmiş ve optimize edilmiş termo çiftlerle ilgili algoritmaların ve bozulmaların yakınlaştırılması, önümüzdeki aktivasyon cephelerinin statik bir araya gelmemesi anlamına gelir.

Bimetallic elementin sıcaklığına kadar özelleştirilmiş araçlar, tasarımcılar güneş ısı kazanımı gibi azaltılabilir (SHGC) bu, mimarların enerji tasarruflarını tasarım aşamasında erken ölçmelerini sağlar.

Meydanlar ve Sınırlar

Sözcülüğe rağmen, aktif bir sürücü olarak termal genişleme ile tasarım, uygulayıcıların adrese hitap etmesi gereken birkaç zorlukla sonuçlandı.Repetitive bike can lead to low-cycle tired, especially in bimetalliclic effects, which the connection experiences again shear stress. Machinery at arabirims, exacerbated by wetting and kurutma çevrimleri, over time and grow the laminat.In form-memory behavior, özellikle de form-memory effect under cycle-memory effect – not, the correct, but the correct, but.

Maliyet başka bir engeldir. Yüksek performanslı termo-bimetals ve NiTi SMAs geleneksel bina malzemelerinden daha pahalı kalıyor, kullanımlarını yüksek profilli gösteriler projelerine veya performansın sadece primi sağladığı özel uygulamalarla sınırlandırıyor. Benzer şekilde, mühendislik analizinin önümüzdeki on yıl boyunca daraltılması bekleniyor.

Sadece ısı genişletme yoluyla elde edilebilir bir şekilde yerinden edilmenin pratik sınırları da vardır. Yüksek binalarda veya büyük ölçekli binalarda, 30 °C ısı değişikliği için ipucunu yaklaşık 10-15 mm olarak ayıracaktır - havalandırma açılışları için yeterli ancak mekanik amplifikasyon olmadan büyük bir miktar için yetersiz.

Bakım ayrıca dikkatli bir planlama gerektirir. termal olarak uyarlanabilir sistemler motorize olanlardan daha az hareketli parçalara sahiptir, bimetalik laminatlar, bağ hattına nüfuz edersek, bu yüzden tasarımcılar güneş kontraseptifleri veya dayanıklı ısıtma kabloları ile takviye etmelidir.D-memory alaşımları için, yüksek aktivasyon sıcaklıkları - genellikle 60-80°C bina uygulamaları için - çok sayıda baskılı yapılamalı devreleri ortadan kaldırılabilir.

Sürdürülebilirlik ve Yaşam döngüsü Etkisi

Sıcaklık genişletmesi, savaşmak yerine uygun şekilde uygun bir şekilde yerleştirilmiştir, tüm bina kabuğu daha sağlam ve uzun süreli hale gelir. Stres konsantrasyonlarını azaltmak, cam ve mühürlerde mikrokuzlamaları önlemek, ki bu da ısıtılmış olan ısıtılmış boruların ömrünü uzatarak, elektrik yüküne ve elektronik kablolara bağlı olarak daha az miktardaki bir havaletmek için gerekli olan bir havaleğe sahiptir.

Bir yaşam döngüsü perspektifinden, enerji girişi olmadan hareket eden ve daha az hareketli parçalarla dairesel ekonomi ilkeleriyle uyumsuz bir şekilde uyumsuz metaller ve genişlemenin modüler tasarımı, (LCA) bir motorize alüminyum kör sistemi daha düşük karbon ve daha yüksek operasyonel verimlilikle karşılaştıran bir yüzeysel olarak, iki yıl boyunca yeniden yapılandırılabilir olan karbon emisyonlarının% 40'ını azaltan bir şekilde azaltılabilir.

Ek olarak, pasif termal-responsive malzemeler geri dönüştürülen içeriği güçlendirilebilir. Yüksek CTE ile alüminyum alaşımlar, özellikle de uzun süreli operasyonel enerji azaltımı ile donatılır.Seksler, çevresel talepleri geri dönüşüme maruz kalan, CTE özelliklerini doğrulamak için termo-bimetalleri geliştiriyor ve LEED veya BREEAM gibi yeşil bina sertifikasyon planlarını olumlu yönde güçlendiriyor.

Gelişen Sınırlar: 4D Baskı ve Programlanabilir Malzemeler

Ek olarak üretimdeki son gelişmeler, ısıtılmış cephelerde yeni bir bölüm açıyor.ETHFLT:0)4D baskı[DDDD 1)) ön panellerde bulunan 3D baskılı yapılara göre, ısıtılabilir veya ısıtmaya göre genişletilebilir.Bu yapılar, yüksek çözünürlükte veya yüksek çözünürlükte bulunan üç boyutlu olarak kendi kendine ait betonarme katlanarak yapılır.

Başka bir umut verici yön, biyo-inspired duyarlı kompozitlerin entegrasyonudur, örneğin ahşap-polimer hibridler gibi, bir gün termal adaptasyonları yerine doğrudan termal adaptasyonları kullanarak, bu malzemeler düşük gerilim akımları ile ısıtılabilir, işlem süresine göre hassas bir kontrol verebilir - laboratuvar aşamasında, bu tür teknolojiler bir gün doğrudan termal adaptasyona ihtiyaç duyacaklar.

Stuttgart Üniversitesi'nde bulunan araştırmacılar, çok boyutlu bir şekilde yapılanmalı bir şekilde bu programlanabilir malzemeler kullanılarak, yerel CTEgradient'i baskılı bir elementin kalınlığıyla programlamanın, karmaşık curvatures'in çok yönlü yatırımlarla elde edilmesi gereken bu hızlı teknolojilerden daha fazla haberdar olmaları gerektiğini gösteriyor.

Practitioners için tasarım ilkeleri

mimarlar ve cephe mühendisleri, mevcut araştırmadan ortaya çıkan birkaç en iyi uygulama, mevcut araştırmalardan ortaya çıkan ve inşa edilen projelerden ortaya çıkan termal genişlemeleri dahil etmeye ve termal olarak yönlendirilen cephe sistemlerinin güvenilirliğini artırmaya yardımcı olabilir:

  • [FONT:0) İklim analizi ile Begin:[Dönetici: Sıcaklık aralığı, güneş maruziyeti ve belirli proje konumu için derideki termal gradyanlara beklenen ısı verileri, aylık ortalamaları yakalamak için saat hava durumu verileri kullanın.
  • [FONT:0) CTE yanlış bir şekilde malzeme seçin:[Dönetici: 1 ) Hareket arayışındaysanız, CTE'de en az 10 × 10 / K farkı ile malzeme seçin.Eğer stabilite paraç ise, diğerinden 2 × 10-6 /K ile malzeme seçin.
  • [FONT:0) Ortamdaki yazı:[Dönetici:0) 10centi deney laboratuvarının davranışı genellikle doğrusal olarak 3meter paneline tercüme edilmez ve tam ölçekli ko-upları hareket tahminlerini doğrulamak ve öngörülemeyen etkileşimleri tanımlamak için tam ölçekli bir şekilde test edin.
  • [FONT:0)Köpek dışı hareket ödenekleri:) Bir eklem korozyon veya enkaz birikimi nedeniyle ortak bir kullanım alırsa, sistem hala güvenli bir şekilde yerine getirmeli. ikincil yük yolları ve alternatif deformasyon modları sağlamalıdır.
  • [FONT:0) Hedefleme için uygun olmayan sensörler için:[Dönetici: 1 ) Embed termo çiftleri ve yer değiştirme transdüserleri kritik yerlerde, cephenin gelecekteki projeleri düzeltmesini ve bakım ihtiyaçlarını erken tespit etmeyi amaçlar.
  • [FONT:0) Bimetallic striptizler için eğrilik: [Dönetici: 1) Tedavi yarık, kalınlığın karesi ve CTE yanlış bir şekilde orantılı olarak, verilen louver'un istenen açılış açısına sahip olup olmadığını tahmin etmek için geçerlidir.
  • [FONT:0) Termal gradientler için hesap: Doğrudan güneşe maruz kalan karanlık alüminyum paneli, gölgeli yüz 30°C'de kalırken, hızlı bir şekilde ısıtılan yüksek çözünürlükte ısıtılır.
  • [FONT:0)Konaklama ortakları yapısal sürüklenmelerle koordineli bir şekilde genişletilmelidir:[Döneticileri yerleştirme, bina sismik ve rüzgar, çatışmalardan kaçınmak için eklemler ile uyum sağlamalı. tasarım sürecinde erkenden önce yapısal mühendislerle koordinasyon.
  • [FONT:0)Yerel güneş maruziyeti için uyarlanmış elementler: Komşu binalardan veya mimari özelliklerinden kısmi olarak uzaklaştırılan alanlardan kaynaklanan ısıtılmış bileşenleri kullanmaktan kaçının, eşitsiz ısıtmanın hatalı hareketine neden olabilir.

Bu ilkelere yol açan dikkatli entegrasyon ile, termal genişleme, gelecek nesil akıllı bina derileri için güvenilir, bakımsız bir eylemci haline gelir.

Sonuç: Zekayı Tehdit Etmek İçinden

Termal genişleme uzun zamandır bina cephelerinde bastırılması gereken bir nuisance olarak görülüyor, ancak sadece çevresel strese karşı değil, aynı zamanda kendi kendine özgü bir tasarım aracı olarak da adlandırılır.CTE'de her malzemenin CTE'sini anlayarak, simülasyon yoluyla ve sessiz olmayan bağlantıları anlamak için, güneşle yeniden şekillendiren, termal genişlemenin daha az sayıdaki ahşap zeminde hareket ettiği ısıtılması gerekir.