Notícia

Fachadas dinâmicas de edifícios inspiradas em organismos marinhos podem reduzir os custos de aquecimento, refrigeração e iluminação

Fonte

Universidade de Toronto

Data

quarta-feira, 20 julho 2022 19:40

Áreas

Arquitetura. Biologia. Construção Civil. Design. Energia. Engenharia Ambiental. Engenharia Civil. Química Verde. Sistemas de Controle. Tecnologias.

Um novo sistema ‘optofluídico’ de baixo custo projetado por pesquisadores da Universidade de Toronto, no Canadá – e inspirado na vida marinha – poderia ajudar os edifícios a economizar energia alterando dinamicamente a aparência de seus exteriores.

“Acho que não é exagero ver os edifícios como organismos vivos”, disse Raphael Kay, aluno de mestrado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Ciências Aplicadas e Engenharia da Universidade de Toronto, orientado pelo professor Dr. Ben Hatton.

“[Os edifícios] têm um metabolismo, em termos de fluxo de energia para dentro e para fora. E eles devem responder às mudanças nas condições ambientais para manter um interior confortável e funcional”, explicou Raphael Kay.

Embora os edifícios atualmente dependam de sistemas mecânicos, como aquecimento e ar condicionado, para manter uma temperatura interna confortável, Kay ressalta que muitos animais regulam a transferência de energia diretamente na superfície – ou seja, na pele.

Krill – organismos marinhos  que prosperam em grande número em certas áreas do oceano – são transparentes, o que significa que a luz UV pode danificar seus órgãos internos. Em resposta, eles desenvolveram um sistema de sombreamento dinâmico, transportando grânulos de pigmento dentro das células sob a pele para escurecer quando está muito claro e clarear novamente quando a iluminação diminui.

Os edifícios também têm uma ‘pele’ constituída pelas suas fachadas exteriores e janelas. Mas hoje, essas camadas externas são principalmente estáticas. Como resultado, a quantidade de luz e calor que entra no edifício é muitas vezes muito alta ou muito baixa, forçando os sistemas de aquecimento, refrigeração e iluminação a trabalhar mais do que deveriam.

“Como um exemplo simples, imagine abrir as janelas quando precisar de mais luz do dia ou calor solar e fechá-las quando precisar de menos. Isso economiza energia, mas é [uma solução] bastante rudimentar. Para colher todos os benefícios, você precisa que um sistema desse tipo que seja automatizado e otimizado para equilibrar toda uma série de fatores em tempo real, desde mudanças na temperatura, intensidade solar, ângulo e direção até as mudanças nas necessidades dos ocupantes do edifício”, explicou Raphael Kay.

Existem algumas tecnologias atuais que podem começar a conseguir isso: adicionar motores controlados por computador a persianas tradicionais ou instalar janelas eletrocrômicas, que podem alterar sua opacidade em resposta a uma tensão elétrica aplicada. Mas, em geral, Kay vê o conjunto atual de ferramentas como muito caro e muito limitado.

“Quase todos esses sistemas são caros, dependem de procedimentos de fabricação complicados ou só podem alternar entre uma gama limitada de opacidades – por exemplo, de muito escuro a apenas um pouco escuro. Também é difícil conseguir gradações espaciais finas, como sombrear uma parte de uma vidraça, mas não outra”, explicou o pesquisador.

Em um artigo publicado recentemente na revista científica Nature Communications, Raphael Kay e colegas pesquisadores da Universidade de Toronto descreveram um novo paradigma que supera essas limitações: um protótipo de células optofluídicas constituído por uma camada de óleo mineral de aproximadamente um milímetro de espessura, limitada entre duas folhas transparentes de plástico, desenvolvido por Charlie Katrycz, doutorando em Engenharia Mecânica na Universidade de Toronto.

Por meio de um tubo conectado ao centro da célula, os pesquisadores podem injetar uma pequena quantidade de água contendo um pigmento ou corante. A injeção desse ‘fluido adicional’ cria uma explosão de cores em uma forma que floresce. A forma da floração pode ser controlada pela vazão da bomba: baixas taxas de vazão levam a uma floração aproximadamente circular, enquanto as mais altas levam a intrincados padrões de ramificação.

Célula optofluídica com controle de morfologia reversível. Fonte: Universidade de Toronto.

“Estamos interessados ​​em como ‘fluidos confinados’, de química verde e sustentável, podem ser usados ​​para alterar as propriedades do material. E isso é muito versátil: não só podemos controlar o tamanho e a forma em cada célula, como também ajustar as propriedades químicas ou ópticas do corante na água. Pode ser qualquer cor ou opacidade que quisermos”, disse o professor Ben Hatton.

Além dos protótipos, a equipe trabalhou com o Dr. Alstan Jakubiec, professor da Faculdade de Arquitetura, Paisagismo e Design da Universidade de Toronto, para construir modelos de computador que simulavam como um sistema totalmente automatizado e otimizado usando essas células seria comparado a um que usava persianas motorizadas ou janelas eletrocrômicas.

“O que descobrimos é que nosso sistema pode reduzir a energia necessária para aquecimento, resfriamento e iluminação em até 30% em comparação com as outras duas opções”. A principal razão para isso é que temos um controle muito mais preciso sobre a extensão e o tempo do sombreamento solar. Nosso sistema é análogo a abrir e fechar centenas de pequenas persianas em diferentes locais e horários em uma fachada. Podemos conseguir tudo isso com um fluxo de fluido simples, escalável e barato”, concluiu Raphael Kay.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Toronto (em inglês).

Fonte: Tyler Irving, Universidade de Toronto. Imagem: ‘Célula’ de sistema optofluídico. Divulgação, Universidade de Toronto.