En solfasad utvecklad vid ETH Zürich kombinerar elproduktion med intelligent skuggning för att uppnå optimal energibalans.

Uppvärmning eller kylning av interna utrymmen kräver energi. Mer intelligenta byggnadsfasader skulle kunna spara mycket av den energin. Ett system utvecklat vid ETH Zürich använder flyttbara solpaneler för att generera elektricitet samtidigt som det tillåter rätt mängd solsken eller skugga för att passa väderförhållanden och intern användning.

Positiv energibalans

Arno Schlüter, Professor i arkitektur och byggnadssystem, och hans forskargrupp har utvecklat ett adaptivt solfasadsystem som reglerar enskilda rum så att de producerar mer energi än de förbrukar under året. De har precis rapporterat sina fynd i en ny upplaga av tidskriften Naturenergi .

Den innovativa fasaden består av en rad rörliga solpaneler monterade på ett nätverk av lätta stålkablar. Dessa styrs individuellt och flyttas vertikalt och horisontellt av ett mjukt robotelement. Dessa mjuka robotaktuatorer är hjärtat i systemet:kombinationen av mjuka material som ändrar form under tryck och en styv U-formad skarv gör att de låses på plats för att motstå hårt väder – även stormar.

Forskare har testat systemets väderuthållighet och utfört mätningar med flera prototyper på Hönggerberg Campus. De fann att de rörliga solpanelerna skördar cirka 50 procent mer energi en klar sommardag än statiska solpaneler monterade på en byggnadsfasad.

Besparingspotential simulerad

Dock, Fasaden genererar inte bara el, men kan också reglera hur mycket ljus och värme som tränger igenom byggnadens klimatskal, reglerar därmed det inre klimatet. En adaptiv inlärningsalgoritm styr panelernas rörelser så att besparingarna som görs vid uppvärmning och kylning av interna utrymmen sänker nettoenergibehovet. På samma gång, Algoritmen tar också hänsyn till hur byggnadens nuvarande användning och anpassar klimatet därefter.

För att bestämma i vilken grad ett rums energiförbrukning teoretiskt skulle kunna minskas, forskarna simulerade flera scenarier med hjälp av data från prototyper. De beräknade energibesparingspotentialen för byggnadskuvert försedda med rörliga solfasader i Kairo, Zürich och Helsingfors. På så sätt körde de simuleringar för utrymmen i både kontor och bostäder.

Störst potential i tempererade zoner

Resultaten visar att energibesparingarna tenderar att vara högre på kontor än i bostadsutrymmen, i varmt snarare än i kallt klimat, och framför allt i tempererade zoner som Centraleuropa. Arno Schlüter sammanfattar resultaten:"Ju mer varierande omgivningsförhållandena är, desto större fördelar med den adaptiva fasaden."

Den bästa energibalansen sågs i simuleringarna för kontorslokaler i en tempererad zon (i detta fall Zürich) i byggnader byggda enligt den senaste standarden. I detta scenario, där både inomhusvärme och kyla krävdes under året, den adaptiva fasaden genererade 115 procent av den energi som krävdes för en bekväm rumsmiljö.

Ett lika bra resultat kom från simuleringen av en kontorslokal i ett hus i Kairo byggt före 1920, vilket krävde mycket mer skugga och kyla. I detta fall, fasaden producerade 114 procent av det totala årliga energibehovet. Med andra ord, studien belyser potentialen för energibesparingar för både nya och gamla byggnader, men fasaden måste alltid ses i samband med det inre utrymmet och dess användning.

"Vi skulle vilja lösa kompromissen mellan användarkomfort och energieffektivitet i byggnader, " säger Arno Schlüter. "I teorin, det mest energieffektiva utrymmet skulle inte ha några fönster. Vi är därför glada att kunna visa hur ett intelligent gränssnitt mellan interiör och exteriör av en byggnad kan ge optimal användarkomfort och även generera överskottsenergi."

Professor Schlüters grupp kommer snart att kunna mäta effekten av den adaptiva solfasaden på en fysisk byggnad:systemet är en del av den futuristiska "HiLo"-enheten som för närvarande byggs på den översta plattformen i forskningsbyggnaden NEST i Dübendorf.