الواجهة العملية و القابلة للتكيف | ترويض الفجوة في الواجهات النشيطة

يركز المفهوم النهائي لتحدي تصميم Metals in Construction 2020 على تقليل الجهد والموارد في تجديد المباني مع الاستمرار في تحسين أداء واجهة 63 Madison Avenue في نيويورك - وهو نموذج أصلي لمباني المكاتب الأمريكية التي تعاني من ارتفاع الطلب على الطاقة وانخفاض راحة المستخدم. لهذا الغرض، يحمل مصطلح "Active and Adaptive" مفهوم واجهة ACT إلى الأمام والذي أصبح معروفًا بالفعل لقراء IGS من تقرير مشروع Festo AutomationCenter لعام 2016.

كان الهدف من تحدي "تصميم المعادن في البناء" هو تطوير رؤى لتحويل واجهة أحد المباني التي يبلغ عمرها 60 عامًا في مانهاتن لتقليل انبعاثات الكربون وتكييفها مع المعاهدة الخضراء الجديدة في المدينة - وتقديم المفاهيم أيضًا كنموذج يحتذى به للتطبيق على نطاق أوسع.

F1: Active and Adaptive refurbishment concept for 63 Madison Avenue.

1. التركيز على ما هو ضروري

باتباع أساسيات دورة الاقتصاد، يهدف المفهوم النشط والمتكيف للواجهة إلى تقليل جهود البناء والهدم إلى الحد الأدنى المعقول مع زيادة الأداء العام للمباني وبالتالي إطالة العمر الافتراضي للمباني.

فيما يتعلق بهندسة المبنى، فإن محيطه وتخطيط المصمم ل 63 Madison Avenue يصل إلى إمكاناته من حيث استخدام المساحة. ومن ثم فإن هذه المعايير المحددة تحد من إمكانية حدوث أي تغييرات أو تحسينات في المبنى. بالنظر إلى أن هيكل المبنى لم يصل بعد إلى نهاية عمره الافتراضي، فإن التجديد الشامل الذي لا يمكن أن يحقق أقصى إمكاناته يبدو غير مناسب. اتباعا لطبقات القص المتغيرة لفرانك دافي (انظر الشكل 2)، يعد بالنسبة لـ 63 Madison Avenue ا 58 عامًا، حيث سيكون التجديد الجزئي الذي يركز على أداء الطاقة هو الخيار المناسب في الجوانب الاقتصادية والمستدامة مع بقاء هيكل المبنى الحالي والواجهة. افتراضيًا في أكثر من 20 عامًا، سينتهي العمر التشغيلي لهيكل المبنى الشامل والمغلف. في هذه المرحلة، سيكون من الأنسب تجديد أو إعادة بناء المبنى بالكامل بأحدث التقنيات باستخدام الجهود المحفوظة مسبقًا.

F2: Shearing layers of Change : Frank Duffy

أساس هذا المفهوم هو مبدأ التشغيل لواجهة ACT حيث يتم امتصاص هواء الغرفة المستخدم من خلال تجويف بين الطبقة الزجاجية الخارجية وطبقة تظليل الشمس الداخلية للواجهة لاستخراج الحرارة من الإشعاع الشمسي وإنشاء منطقة عازلة. لتمكين حل بسيط وفعال من حيث التكلفة لـ 63 Madison Avenue ومباني المكاتب الأخرى، سيتم فقط إضافة ستارة فينيسية داخلية ثلاثية الأجزاء تم تصميمها وتشغيلها خصيصًا لهذا المشروع. مع تنشيط هذه الطبقة الداخلية، يمكن تحسين أداء الطاقة للمبنى عن طريق تقليل أحمال التدفئة والتبريد وتوفير ضوء النهار الكافي بشكل كبير.

2. واجهة ACT

واجهة الانتقال التجويف النشط (ACT) عبارة عن مزيج من الزجاج الخارجي مع طبقة تكيفية داخلية مثل الشاشة (انظر الشكل 3) والتي تعمل بمثابة تظليل مناسب لأشعة الشمس والتوهج، مما يوفر ظروفًا مناسبة لإنشاء تجويف مؤقت بين هاتان الطبقتان حيث تتحكمان في مكاسب الحرارة وتسمحان بالمشاهدة من خلالهما.

F3: (Right) Horizontal (left) vertical section of ACT Facade with mullion-integrated ZIP guiding Rail for textile sun-shading screen.

عادةً ما يتم التقاط الإشعاع الشمسي الذي يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المساحة الداخلية داخل التجويف بين الشاشة والزجاج. يتم امتصاص الطاقة الشمسية على سطح الشاشة وتنبعث على شكل حرارة طويلة الموجة. بالإضافة إلى ذلك، كما هو الحال في واجهة هواء العادم، يتم امتصاص الهواء المستخدم من مساحة المكتب من خلال هذا التجويف بواسطة نظام HVAC المركزي. لذلك يتم تسخين الهواء فقط في التجويف ومع تدفقه الطبيعي يتم امتصاصه من الفتحات العلوية (انظر الشكل 4). مع هذا يتم منع التسخين غير المرغوب فيه للمساحة الداخلية. بالإضافة إلى ذلك، فإن سطح الواجهة المواجه للداخل يتميز بانبعاثية منخفضة بسبب كتلته المنخفضة التي يمكن تعزيزها حتى من خلال طلاء منخفض الانبعاثية ويتم تبريده عن طريق تدفق الهواء مما يؤدي إلى انخفاض درجات حرارة الإشعاع إلى داخل المبنى. لهذا السبب، يتم تقليل استهلاك الطاقة أيضًا بسبب انخفاض الطلب على التبريد وتحسين راحة المستخدم.

F4: Operation mode active Cavity transition Facade.

نظرًا لأنه يمكن تشغيل الشاشة ونظام هواء العادم بشكل فردي، فإن ACT Facade تخلق قيمة g (معامل التوهج) متغيرة (SHGC) وفقًا لموضع الشاشة وتشغيل نظام التهوية. من المحتمل أن يتم التحكم في التشغيل الأمثل لواجهة ACT عن طريق نظام أتوماتيكي للمبنى، ومع ذلك، من الممكن استبدالها يدويًا بواسطة المستخدم. نظرًا لتركيب الشاشة على الجانب الداخلي من الزجاج، يمكن تشغيل النظام بغض النظر عن الظروف الجوية مثل الرياح، كما أنه أقل تعرضًا للتلوث أو التلف مثل أجهزة التظليل الخارجية الأخرى.

3. نمط التشغيل لمفهومACT الواجهة النشيطة والمتكيفة

يهدف مفهوم التجديد لـ 63 Madison Avenue إلى تحسين أداء الطاقة وراحة المستخدم في المبنى بطاقة قليلة. وبالتالي، فإن أوضاع التشغيل النشطة والمتكيفية تؤثر ديناميكيًا على SHGC (قيمة g)، كما تعمل قيمة U (العبور الحراري) أيضًا على تحسين استخدام ضوء النهار عن طريق التحكم في الإرسال والانعكاس. إن التفسير الجديد لواجهة ACT باستخدام الستائر المعدنية بدلاً من شاشة النسيج يولد بالتالي العديد من سيناريوهات التشغيل.

وقد تم ثقب طبقات الستارة لتتيح التهوية للاستنفاد والرؤية من مساحة المكتب مع تأمين التحكم الكافي في التوهج وتخزين درجة الحرارة داخل التجويف في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، يتم طلاء الرقائق بشكل مختلف على كلا الجانبين: الفضة للانعكاس العالي لأشعة الشمس ولإعادة توجيه الضوء الطبيعي في الجزء العلوي من الستارة والأسود لرؤية أفضل من خلال الستارة من الداخل وفي الشتاء لتحسين امتصاص الحرارة لمنع فقدان الحرارة بشكل كبير.

تسمح قابلية تكيف الستارة المعدنية بأداء / وظائف مختلفة للواجهة تتعامل مع مواقف مختلفة - الصيف، والشتاء، والشمس، والغيوم، ومختلف درجة الحرارة مع حضور المستخدمين (انظر الشكل 5).

F5: Summer and Winter operation scenarios.

وبالتالي، يعمل المفهوم بشكل نشط وقابل للتكيف على تحسين أداء الواجهة والمبنى مع إحداث تأثير ضئيل في هيكل المبنى واستخدامه.

تم تصميم النظام كمكون إضافي منفصل، والذي يمكن أن يتناسب مع أي نوع من أنواع حائط الستائر ويمكن تعديله وفقًا لتخطيطات المباني والواجهات المختلفة طالما يمكن إنشاء التجويف بين الستائر الزجاجية والستائر المعدنية وتوصيل أنظمة هواء العادم بها. يستخدم هذا التجويف كمنطقة عازلة لتنظيم درجة الحرارة والحماية على مدار العام. لهذا فإن أساس المشروع هو التشغيل الفردي وتصميم الستارة المعدنية بالاقتران مع نظام التكييف.

إن بساطته وانخفاض الطلب التكنولوجي يجعل النظام سهلاً وغير مكلف وسريع في البناء. يمكن إجراء التجديد جزئيًا، مما لا يتعارض مع المناطق الأخرى التي لا تزال قيد الاستخدام. علاوة على ذلك، يتطلب البناء فقط الوصول من الداخل، مما يقلل من التعقيد في البناء خاصة بالنسبة للمباني الشاهقة.

4. أمثلة لواجهات ACT - بنيت أوفي مرحلة التصميم

لا يعد مبدأ ACT Facade مجرد نهج مفاهيمي ولكن تم إثباته داخل العديد من المباني قيد التشغيل بالفعل وفي التخطيط وكذلك من خلال البحث. تم تنفيذ أول واجهة ACT في مركز Festo AutomationCenter في Esslingen، ألمانيا (انظر الشكل 6). مبنى شاهق بطول 67 مترًا يلبي الغرض المعماري للمباني الشاهقة المزججة بالكامل وتزدهر الشركات من أجل الابتكار وكفاءة الطاقة. يتم تشغيل واجهة ACT الأولى هذه منذ عام 2015. تم التحقق من أداء الواجهة ليس فقط من قبل المستخدم ولكن أيضًا من خلال المراقبة المستمرة. تم التأكيد أيضًا على هذه الفعالية والكفاءة من خلال شهادة DGNB (المجلس الألماني للبناء المستدام) البلاتينية لمركز Festo AutomationCenter.

F6: Festo Automation Center, Esslingen (C Festo AG)

تم تنفيذ واجهة ACT بنجاح من أجل التعديل التحديثي أيضًا في EuroTower (انظر الشكل 7) المقر الرئيسي السابق للبنك المركزي الأوروبي في فرانكفورت، ألمانيا. كان لا بد من استبدال نظام التظليل الداخلي فقط وتم تمديد قنوات عادم الهواء للوصول إلى نظام واجهة حديث مثل واجهة ACT.

F7: Euro Tower, Frankfurt (C epizentrum)

إلى جانب هذه الأمثلة المبنية ، يتم التخطيط لمزيد من مشاريع البناء التي تتميز بواجهة ACT في ألمانيا والعالم. على سبيل المثال ، برج Ardex مع وحدات واجهة مائلة ونظام شاشة ثنائي الطبقات يتيح خصائص مختلفة للإرسال والعرض (الشكل 8) ، والمقر القاري كأول مبنى منخفض الارتفاع بواجهة ACT ، نظرًا لتصميم واجهة أكثر اتساقًا و انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة مقارنة بظلال الشمس الخارجية (الشكل 9).

F8: Ardex Tower (C Gerhard Spangenberg)

F9: Continental Headquarter: (Left) Visualization (C HENN Gmbh), (Right) ACT Facade section.

5. نتائج اختبار واجهة ACT

بالنسبة لمركز Festo AutomationCenter والمقر القاري ، تم إجراء مزيد من التأهيل لواجهة ACT عن طريق اختبار موثق في معهد Fraunhofer لأبحاث فيزياء البناء. لم تؤد هذه القياسات إلى الحلول المثلى والتأكيد على أداء الواجهة فحسب ، بل تم استخدامها أيضًا لصقل نماذج المحاكاة لمزيد من التطبيق. حيث ظهر أن ACT Facade ليس فقط قادرًا على تقليل قيمة g (SHGC) بنسبة 50٪ ولكن أيضًا حمل التبريد للداخل بنسبة 25٪ مقارنة بالأنظمة القياسية غير المهواة.

بالإضافة إلى الاختبار القائم على المشروع، فقد تم فحص العديد من تركيبات واجهة ACT العامة في Fraunhofer IBP. من بين أمور أخرى أيضًا، فتم قياس نظام الستائر المعدنية على النحو المقترح للمفاهيم النشطة والمتكيفية وثبت أنه مجدي مثل نظام ستائر النسيج. كما هو مبين في الشكل 10، تم استخدام الرقائق المثقبة لتمكين وضع التشغيل لشفط هواء العادم من مساحة المكاتب الداخلية إلى تجويف الواجهة. تُظهر درجات حرارة الهواء والسطح والعادم بالإضافة إلى تدفق الهواء نتائج قابلة للمقارنة بالنسبة إلى حل واجهة ACT القائم على ستائر النسيج الذي تم تحقيقه بالفعل. هذا يؤكد مفهوم التجديد المطور لـ Active and Adaptive.

F10: ACT Facade as venetian blind system at Fraunhofer IBP test-stand (C Fraunhofer IBP).

6. رؤية واجهة ACT والإمكانات

مع مشاريع البناء الجديدة وتصميم الواجهة المعمارية، تنشأ مطالب جديدة على واجهة ACT. ومع ذلك، ضمن هذه التطورات الإضافية المتعلقة بالتشغيل والأهمية المادية والمكونات، يجب إيجاد حل وسط بين الرؤية والتوهج والاستقلالية في ضوء النهار واكتساب الحرارة الشمسية لتحسين راحة المستخدم وكذلك كفاءة الطاقة.

لذلك يبدو أن هناك اختلافات لطبقة الستائر الممكنة للواجهة ACT وكذلك ذات صلة لاكتساب قبول أوسع للنظام من قبل المهندسين المعماريين والعملاء من خلال مرونة التصميم والمكونات. وتشمل هذه الستائر ألوان مختلفة وعوامل الانفتاح، مع توجيه ZIP أو حبل، مثل الستائر المعدنية على النحو المقترح لمفهوم Active and Adaptive ولكن أيضًا كستائر قابلة للنقل عموديًا (انظر الشكل 11).

F11: (I-R) ACT Facade with ZIP screen, Rope guidance, Ventian blind, Curtain

F12: (I-R) ACT Facade as solar thermal air collector, with innovative screen material, with included PV systems, as decentrelized units.

بالنسبة للتطبيقات المستقبلية لـ ACT Facade، من المتصور الجمع بين المزيد من التقنيات (انظر الشكل 12). مثل المنسوجات المطورة حديثًا للستائر بما في ذلك الطلاء الملون منخفض الانبعاث، و / أو PV و / أو OPV، والمنسوجات القابلة للتكيف من خلال تكامل المواد الذكية وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، يمكن إثراء وحدة الواجهة بأكملها باستخدام تقنية خاصة لتجميع الطاقة مثل الخلايا الكهروضوئية غير المتبلورة الشفافة أو PV مدمجة في الفاصل داخل الزجاج الخارجي - مما يتيح أيضًا وحدات واجهة ACT اللامركزية ذات الاكتفاء الذاتي. لكن ACT Facade نفسها مكافئة بالفعل لمجمع الهواء الشمسي الحراري أيضًا. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة الحرارية داخل نظام HVAC لاستعادة الحرارة، والتدفئة ذات درجة الحرارة المنخفضة، والتسخين المسبق للمياه الساخنة المنزلية، أو لإزالة الرطوبة أو حتى للتبريد بالطاقة الشمسية من خلال التبريد بالامتصاص.

تُظهر عمليات القياس والمحاكاة التي تم إجراؤها بالإضافة إلى المباني المحققة والتشغيلية أن واجهة الانتقال التجويف النشط (ACT) قادرة على خلق قيم عالية من الراحة وكفاءة الطاقة ، وتلبية الطلب على مظاريف المباني المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام فعال من حيث التكلفة في الاستثمار من ناحية بسبب استخدام أحدث المكونات ، وبالتالي يمكن تنفيذه أيضًا من قبل العديد من مقاولي الواجهات. وهي قيد التشغيل من ناحية أخرى بسبب كفاءة الطاقة والتشغيل ولكن أيضًا بسبب زيادة المساحة القابلة للتأجير مقارنةً على سبيل المثال واجهات مزدوجة الجلد.

يقوم خبراء Priedemann Facade مع شركاء مختلفين ك WAREMA Renkhoff و Schüco و Transsolar بإجراء مزيد من الأبحاث لتقييم هذه الحلول وتحسين نهج واجهة ACT. التحقق من نماذج المحاكاة وفقًا لذلك، مما يؤدي إلى زيادة مرونة النظام ومكوناته وتمكين التوليفات الممكنة للنظام مع التقنيات الأخرى.

يكمن الاختتام في مفهوم واجهة ACT في مجموعة متنوعة من التطبيقات الواسعة ليس فقط في الإنشاءات الجديدة ولكن أيضًا في التجديد (انظر الشكل 13) حيث تم منحها أيضًا من قبل لجنة تحكيم المعادن في البناء.

F13: Active and Adaptive / ACT Facade concept for broad application.

تم نشر هذه المقالة في الأصل في IGS Magazines Summer 2020 USA Special Edition: اقرأ المجلة الكاملة هنا لمزيد من القيادة الفكرية من أولئك الذين يقودون الصناعة

مقال بقلم igsmag

ترجمة و تعديل عبدالصمد العابدي العلوي

اقرأ المزيد من خلال زيارة: https://igsmag.com/features/case-studies/active-and-adaptive-active-cavity-transition-act-facade/