Как создать идеальное здание — решение прямиком из природы

Современная архитектура и строительство ориентируются на важные тенденции, которые направлены на обеспечение комфорта, энергоэффективности и устойчивости зданий. Интересно, что многие из этих идей черпают вдохновение из природы, которая является уникальным источником разнообразных подходов, успешно применяемых нами. В этом контексте ученые обратили внимание на термитов и их «домики». Они показали, что решетчатая сеть туннелей вокруг термитника способна перехватывать ветер, создавая внутреннюю турбулентность, которая обеспечивает вентиляцию и регулирование климата внутри. Учитывая, что внутренний климат зданий является важным фактором, влияющим на благополучие и здоровье людей, эти принципы могут быть применены для создания комфортных условий в строениях, возведенных человеком, и снижения энергопотребления.

Размеры термитников могут быть впечатляющими. Некоторые виды термитов строят гнезда высотой до 9 метров

Уникальные строения природы

Известно около 2000 видов термитов, среди которых некоторые выступают в роли экосистемных инженеров. Строительство термитников определенными родами приводит к созданию сооружений высотой до восьми метров, что делает их одними из самых крупных биологических конструкций на планете. За миллионы лет естественный отбор совершенствовал дизайн термитников. Исследователи задаются вопросом: что могут извлечь из этого человеческие архитекторы и инженеры?

Термитники служат не только жилищем для термитов, но и выполняют важные функции в экосистеме. Они обеспечивают почву питательными веществами и помогают улучшать ее структуру.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Materials, ученые представили, как мы можем черпать уроки от термитников в создании комфортного внутреннего климата в наших зданиях без необходимости использовать системы кондиционирования воздуха и, следовательно, без отрицательного углеродного следа.

Они обратили внимание на так называемый «комплекс выхода» — сложную сеть взаимосвязанных туннелей, присутствующую в термитниках, и предложили использовать его принципы для обеспечения оптимального потока воздуха, тепла и влаги в архитектуре человеческих построек. Это открывает новые возможности для инноваций в области зданий и вдохновляет на разработку новых подходов в сфере архитектурного проектирования и инженерии.

Термиты и их вклад в архитектуру

Исследование было проведено на макротермах, термитах, которые живут в Намибии. Колонии этих термитов могут быть очень большими, включая более миллиона особей. Они создают термитники, основой которых являются грибные сады. Термиты выращивают эти грибы в симбиозе и потом используют их в качестве пищи.

Внутри термитника царица термитов может продолжать откладывать яйца в течение нескольких десятилетий. Она может производить до 30 000 яиц в день.

Особое внимание исследователей было уделено структуре, которая называется «комплексом выхода». Этот комплекс состоит из сети туннелей шириной от 3 до 5 мм, которые соединяют более широкие внутренние каналы с внешней средой. Во время сезона дождей, который продолжается с ноября по апрель, термитники расширяются и комплекс выхода распространяется по поверхности в сторону севера, чтобы попасть под воздействие солнца в полдень. В остальное время года термитники блокируют выходные туннели. Ученые предполагают, что такая структура позволяет термитам избавляться от избыточной влаги путем испарения и одновременно обеспечивает необходимую вентиляцию. Но как именно это происходит, до конца не ясно.

Но как именно это происходит?

Эксперименты со строением зданий

Группа исследователей провела эксперименты, чтобы изучить, как планировка комплекса способствует возникновению колеблющихся или пульсирующих потоков. Их исследования основывались на создании 3D-напечатанной копии фрагмента комплекса «выход», который был собран в дикой природе в феврале 2005 года. Этот фрагмент имел толщину 4 см и объем 1,4 литра, причем 16% составляли туннели.

Для имитации воздушного потока исследователи использовали динамик, который передавал колебания воздушной смеси через фрагмент, а затем использовали датчик для отслеживания массопереноса. В результате исследования было обнаружено, что наибольший воздушный поток наблюдался в диапазоне частот от 30 Гц до 40 Гц, умеренный поток — в диапазоне от 10 Гц до 20 Гц, а наименьший поток — в диапазоне от 50 Гц до 120 Гц.

Влияние турбуленции на проветривание

Исследование показало, что туннели в комплексе взаимодействуют с ветром, который дует на насыпь, способствуя улучшению циркуляции воздуха для вентиляции. Колебания ветра на определенных частотах вызывают турбулентность внутри туннелей, что помогает удалить газы и избыточную влагу из центра термитника.

Архитекторы обращаются к природе, чтобы понять ее эффективность и эстетику, и применить эти принципы в своих проектах. Например, они могут использовать форму листвы для создания защитной крыши или поверхностей, имитирующих птичьи перья для улучшения аэродинамики зданий.

При проветривании очень важно поддерживать баланс температуры и влажности внутри здания, обеспечивая выход отработанного воздуха и поступление свежего. Большинство специализированных систем разработаны с учетом этого фактора. Они имеют простой интерфейс, который обеспечивает обмен дыхательными газами на основе разницы концентрации между внутренней и внешней средой, создавая оптимальные условия внутри здания.

Авторы исследования провели моделирование выходного комплекса, используя серию 2D-моделей, включая прямые туннели и решетку. Они использовали электромотор для движения колеблющейся массы воды (видимой с помощью красителя) по туннелям и измеряли массовый поток. К их удивлению, они обнаружили, что для достижения циркуляции во всем комплексе требовалось перемещать воздух всего на несколько миллиметров вперед и назад (что соответствует слабым колебаниям ветра). Важно отметить, что необходимая турбулентность возникала только в случае, если планировка туннелей была достаточно решетчатой.

Живые и дышащие здания

Исследователи пришли к выводу, что использование ветровой энергии может обеспечить вентиляцию термитников, даже при слабом ветре.

Одна из важных концепций в современной архитектуре – это биомимикрия, которая изучает и имитирует природные формы, процессы и системы.

Ученые полагают, что будущие здания, созданные с применением передовых технологий, таких как порошковые принтеры, смогут иметь встроенные сети, подобные описанному комплексу. Это позволит эффективно циркулировать воздух с помощью встроенных датчиков и механизмов, потребляющих небольшое количество энергии.

В заключение, исследователи отмечают, что мы на пороге перехода к созданию строений, которые будут имитировать природу. Впервые появится возможность создать здание, оживленное и дышащее, способное обеспечить комфортную среду для всех.

Источник