初探“納米氣孔皮膚”與建筑表皮的一體化設(shè)計

趙琳++崔學(xué)紅

摘要：指出了隨著能源的短缺和環(huán)境污染的急劇惡化，風能作為一種可再生的清潔能源，已經(jīng)受到人們的高度重視。探討了未來派微型風輪機“納米氣孔皮膚”以及建筑表皮的設(shè)計，使風能這種潔凈的自然資源得到充分合理的利用，對未來綠色建筑的發(fā)展有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：微型風力渦輪機； 納米技術(shù)； 建筑表皮 ；風力發(fā)電

中圖分類號： TU023

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06028104

1 引言

城市建筑物表皮的材料不斷創(chuàng)新是建筑節(jié)能設(shè)計最有效、最直接的方式。隨著建材料行業(yè)的不斷發(fā)展，在建筑表皮設(shè)計當中，各種相關(guān)材料層出不窮，例如氣凝膠涂材料、光電感應(yīng)材料等等，建筑表皮設(shè)計和風能利用的技術(shù)發(fā)展，為風能與建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基礎(chǔ)。

當我們想到渦輪機的時候，腦海中會自動出現(xiàn)那些令人印象深刻的高度超過400英尺的大型風翼，巨大的葉片在廣闊平坦的草地上旋轉(zhuǎn)不停。但對設(shè)計師Agustin Otegui而言，風力發(fā)電卻是納米級的，他正在構(gòu)思Nano Vent-Skin，即本文所探討的“納米氣孔皮膚”，它與建筑的表皮結(jié)合設(shè)計可以形成最基本的綠色墻。

2 “納米氣孔皮膚”的含義

納米技術(shù)處理的操作實體可能是規(guī)模最小的，主要是原子和分子的水平。事實上，大多數(shù)人很難（除墨西哥央行行長奧古斯丁·Otegui外）在納米技術(shù)上進行邏輯思考。例如，一寸包含25400000納米?；蛘撸绻闶怯脕頊y量米，1m的1000000000等于一納米。Otegui 將納米技術(shù)融入他的尖端“微型渦輪”的概念中，他認為可以“合并不同類型的微生物，經(jīng)過共同的努力，從環(huán)境中吸收和改造自然能量，開發(fā)從這個合并是一個轉(zhuǎn)換的皮膚——陽光和風能”。

在人力所能及的范圍內(nèi)，讓風能變得易于獲得和無處不在，那么，“納米氣孔皮膚”可能是最聰明的設(shè)計之一。簡單地說，所謂的“納米氣孔皮膚”是指一個由無數(shù)微型渦輪“編織”后形成的一個系統(tǒng)（圖1），這種類似織物的系統(tǒng)能夠以任何形狀和面積加以“部署”，即附在建筑物表面。雖然每一個渦輪只產(chǎn)生極小電量，但無數(shù)渦輪齊上陣卻可形成巨大的網(wǎng)路效應(yīng)。這種系統(tǒng)能夠以層狀置于現(xiàn)有表面并與城市建筑融為一體，同時也無需大量建筑成本、額外材料或者對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾。從某種程度上說，這種風能利用方式能夠“叫板”太陽能電池板。太陽能電池板能夠安裝在屋頂上，微型風輪機“納米氣孔皮膚”也是如此。Otegui討論他的未來派的渦輪葉片集成到“納米氣孔皮膚”上，大約25mm長，只有10mm寬（圖2）。此外，這些渦輪機能夠吸收二氧化碳和每個渦輪機可能生產(chǎn)2W的能量，轉(zhuǎn)化為每平方米90W的電力電網(wǎng)的渦輪機。

3 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合設(shè)計的工作原理

用納米制造與生物工程有機體作為一種生產(chǎn)方法，“納米氣孔皮膚”將各種不同種類的微有機體結(jié)合在一起，共同吸收和改造自然環(huán)境中的能量。這樣設(shè)計出來的這一合并的生物是一種“皮膚”裝置（圖3），它可以轉(zhuǎn)換地球上兩種最豐富的綠色能源：陽光和風。這個裝置利用了活的生物體的另一個優(yōu)勢：從空氣中吸收二氧化碳。

圖3 “納米氣孔皮膚”接觸陽光，風和二氧化碳

結(jié)構(gòu)的外表皮吸收太陽光后，通過一個有機的光伏皮膚，并將其轉(zhuǎn)移到納米纖維內(nèi)部的納米線里，然后發(fā)送給在每個面板端存儲單元的存儲器里。每個控制面板上的渦輪機和建筑物進行接觸時連續(xù)產(chǎn)生化學(xué)能量反應(yīng)產(chǎn)生電力，兩極化的生物是負責這個過程中每一個渦輪的轉(zhuǎn)機，這是形成微型渦輪機運轉(zhuǎn)的原因。內(nèi)部的每個渦輪機工程都作為一個過濾器，當風穿過它時，就會從環(huán)境中吸收二氧化碳，凈化空氣。

工作原理：“納米氣孔皮膚”使用有機光電捕獲太陽能和微型風力渦輪機捕獲風能，由無數(shù)個微型的風力渦輪機“編織”成一面綠色的有機墻，它結(jié)構(gòu)的外層“皮膚”吸收陽光，并通過有機光伏皮膚轉(zhuǎn)移到納米纖維里，然后發(fā)送到存儲單元在每個面板上，每個面板有四個圓形電源裝置（每個角一個）。這些單位分別負責的是：

（1）監(jiān)控所有的微型渦輪機的工作；

（2）提供材料再生損壞或發(fā)生故障的微型渦輪機；

（3）接收和存儲由所述微型渦輪機產(chǎn)生的能量；

（4）主體結(jié)構(gòu)是剛性連接到金屬框架，而渦輪機旋轉(zhuǎn)自由取決于風向。

事實上，使用納米生物工程和納米制造生產(chǎn)資料，可以實現(xiàn)生產(chǎn)資料高效零排放使用的一種方式，并在需要的地方使用合適數(shù)量的材料。這些微生物沒有被遺傳改變；他們作為一個訓(xùn)練有素的群體，每個成員在這個過程中共生特定任務(wù)的工作。

想象“納米氣孔皮膚”作為人體皮膚，當我們受傷時，我們的大腦將發(fā)出信號，使該特定區(qū)域盡快恢復(fù)?！凹{米氣孔皮膚”的工作方式是以相同的方式運作，每個小組有一個傳感器在每個物質(zhì)匯集的角落，當渦輪機中的一個發(fā)生故障或破裂時，一個信號會通過納米線到中央系統(tǒng)和建筑材料（微生物）發(fā)送，通過中心管以再生這一領(lǐng)域的自組裝過程。研究人員已經(jīng)指出，納米制造是產(chǎn)生日常產(chǎn)品的一種常用方法。為了實現(xiàn)能量的最佳結(jié)果，每個渦輪機的葉片對稱設(shè)計。利用該功能，即使在風的方向上發(fā)生變化，每個渦輪可以通過順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)進行調(diào)節(jié)。

4 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合設(shè)計

4.1 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合的設(shè)計要素

建筑表皮與納米風力渦輪機的結(jié)合，設(shè)計到很多的技術(shù)要素：對建筑物的負載、用電量進行估算，進而確定納米風力渦輪機安裝所需的安裝容量的大??；此外，還需要綜合建筑物當?shù)氐臍夂驐l件，結(jié)合建筑的節(jié)能與表皮的外觀要求，來確定納米風力渦輪機的安裝條件、環(huán)境和相鄰間距的大小，同時還要保證風能利用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率；為了便于其安裝和維護，確保安裝部位承受的荷載滿足規(guī)范要求，在特殊情況下能夠正常使用，保證相關(guān)組件的順利安裝，并且不會對建筑形成不利影響避免次生危害；最后針對系統(tǒng)運行過程中的檢測、評估以及反饋信息優(yōu)化等設(shè)計。

在美學(xué)設(shè)計要素中，需要考慮納米風力渦輪機等相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)與建筑表皮設(shè)計之間的系統(tǒng)關(guān)系，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)應(yīng)該與建筑物的整體形象和其功能的需求，探究相關(guān)構(gòu)件與建筑整體比例以及尺度的協(xié)調(diào)性，進而能夠滿足協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及建筑表皮設(shè)計與風能利用相互融合的對比關(guān)系和效果；重要的是如何設(shè)計相關(guān)構(gòu)件自身的形態(tài)，風能相關(guān)構(gòu)件與建筑的整體色彩、機理以及構(gòu)造特點和相關(guān)組件的不同排列方式、組合特征，完成了不同功能、需求的設(shè)計； 風能利用構(gòu)件對建筑功能也將會產(chǎn)生影響，建筑表皮是風能容易收集的部位，也是室內(nèi)通風性能較好的區(qū)域，因此在納米風力渦輪機安裝的過程中，應(yīng)綜合考慮室內(nèi)的通風需求以及建筑承受能力的影響。

4.2 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合的優(yōu)缺點

“納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合的設(shè)計方法是一種新型的綠色技術(shù)，它具有很多的優(yōu)點，不久的將來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，它可以應(yīng)用到更多的技術(shù)領(lǐng)域，造福給人們。下面對此技術(shù)的優(yōu)缺點進行簡單地介紹。

（1）優(yōu)點： 利用納米技術(shù)和生物工程技術(shù)，使微型的風力渦輪機與建筑的表皮設(shè)計相融合，充分利用風能，可以放置于任何地方，同時也使風能更加容易獲得。納米風力渦輪機的使用，擺脫了大型風力發(fā)電機使用條件的限制，無數(shù)個納米風力渦輪機編織成的建筑“氣孔皮膚”，在建筑的表面形成一個巨大的網(wǎng)路效應(yīng)，不僅使建筑物的外觀更加美觀，而且能夠產(chǎn)生豐富電能，既節(jié)省了建筑的額外材料的使用，又使建筑變得更加綠色、環(huán)保和節(jié)能?！凹{米氣孔皮膚”的應(yīng)用，可以最大程度地利用建筑物的表面空間及其模塊化組合，使其改造我們的老建筑，對于歷史建筑的保護與更新也有很大的意義?！凹{米氣孔皮膚”使用的原型材料可以100%地回收利用，同時，它還像人體皮膚那樣具有自我修復(fù)的功能。

（2） 缺點：由于納米技術(shù)與微型渦輪機的結(jié)合，屬于高科技技術(shù)，造價成本很高，造價昂貴，如果使其得到更加廣泛的應(yīng)用，還需要科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展?！凹{米氣孔皮膚”形成的巨大的建筑的表皮，增加了維修的費用與管理難度。技術(shù)比較復(fù)雜，增加了施工的難度。

4.3 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮設(shè)計的應(yīng)用

（1） 如圖4所示，這個概念性的建筑展示了“納米氣孔皮膚”與建筑表皮結(jié)合的開發(fā)新設(shè)計，它為綠色建筑提供了一種新的模式，既節(jié)約了建筑材料，還能節(jié)約能源。它的建筑設(shè)計理念，可以使建筑與周圍的環(huán)境很好地結(jié)合在一起，使建筑好像是在土地上生長出來的感覺。相信隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這類新型的建筑會在未來的建筑領(lǐng)域得到大力的推廣與實踐。

（2）“納米氣孔皮膚”與老建筑表面設(shè)計結(jié)合（圖5），為老建筑提供電力，既保護了老建筑，又節(jié)約了資源。如果這種技術(shù)繼續(xù)推廣開來，對我們老城區(qū)舊建筑的保護與更新具有重大的意義。這種技術(shù)對老城區(qū)的舊建筑的改造與更新提供了一個良好的處理形式，既不會影響老建筑的整體的建筑風貌，同時還給老建筑注入了新的建筑元素，使其能夠重新煥發(fā)生機。

（3）“納米氣孔皮膚”形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以安置于火車隧道（圖6）和汽車隧道的表面，汽車或火車行駛過程中產(chǎn)生的風能，可以直接轉(zhuǎn)化為電能，為隧道里面提供電力。如果把“納米氣孔皮膚”這種技術(shù)應(yīng)用到隧道中，就可以避免會突然停電的情況，同時，靠汽車和火車行駛產(chǎn)生的風能直接轉(zhuǎn)化為電能，使能源的損失減到最少，是非常環(huán)保的技術(shù)形式。

5 結(jié)語

我國人口數(shù)量龐大，能源消耗隨之劇增，為長久發(fā)展，需要尋找新的建筑設(shè)計方式，向著低碳經(jīng)濟的方向發(fā)展?！凹{米氣孔皮膚”與建筑表皮融合的設(shè)計，體現(xiàn)了人類與大自然的和諧共處的需求，是綠色環(huán)保的節(jié)能設(shè)計。從前文中我們提到的“納米氣孔皮膚”的優(yōu)勢中可以看到，很多建筑師和工程師正在積極地探索這一全新的設(shè)計形式，納米風力渦輪機與建筑表皮的一體化設(shè)計將成為建筑行業(yè)和渦輪機產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢。

參考文獻：

[1]王朝紅，高 輝，王建軍.現(xiàn)代建筑表皮的光伏一體化設(shè)計研究[J]. 新建筑，2009（5）：73～78.

[2]Costas Voyatzis. Nano Vent-Skin by Agustin Otegui[J].Architecture，2008（5）.