初探“納米氣孔皮膚”與建筑表皮的一體化設計

趙琳++崔學紅

摘要：指出了隨著能源的短缺和環境污染的急劇惡化，風能作為一種可再生的清潔能源，已經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展有著重要的意義。

關鍵詞：微型風力渦輪機； 納米技術； 建筑表皮 ；風力發電

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新是建筑節能設計最有效、最直接的方式。隨著建材料行業的不斷發展，在建筑表皮設計當中，各種相關材料層出不窮，例如氣凝膠涂材料、光電感應材料等等，建筑表皮設計和風能利用的技術發展，為風能與建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基礎。

當我們想到渦輪機的時候，腦海中會自動出現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不停。但對設計師Agustin Otegui而言，風力發電卻是納米級的，他正在構思Nano Vent-Skin，即本文所探討的“納米氣孔皮膚”，它與建筑的表皮結合設計可以形成最基本的綠色墻。

2 “納米氣孔皮膚”的含義

納米技術處理的操作實體可能是規模最小的，主要是原子和分子的水平。事實上，大多數人很難（除墨西哥央行行長奧古斯丁·Otegui外）在納米技術上進行邏輯思考。例如，一寸包含25400000納米。或者，如果你是用來測量米，1m的1000000000等于一納米。Otegui 將納米技術融入他的尖端“微型渦輪”的概念中，他認為可以“合并不同類型的微生物，經過共同的努力，從環境中吸收和改造自然能量，開發從這個合并是一個轉換的皮膚——陽光和風能”。

在人力所能及的范圍內，讓風能變得易于獲得和無處不在，那么，“納米氣孔皮膚”可能是最聰明的設計之一。簡單地說，所謂的“納米氣孔皮膚”是指一個由無數微型渦輪“編織”后形成的一個系統（圖1），這種類似織物的系統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生極小電量，但無數渦輪齊上陣卻可形成巨大的網路效應。這種系統能夠以層狀置于現有表面并與城市建筑融為一體，同時也無需大量建筑成本、額外材料或者對現有結構產生干擾。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2W的能量，轉化為每平方米90W的電力電網的渦輪機。

3 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結合設計的工作原理

用納米制造與生物工程有機體作為一種生產方法，“納米氣孔皮膚”將各種不同種類的微有機體結合在一起，共同吸收和改造自然環境中的能量。這樣設計出來的這一合并的生物是一種“皮膚”裝置（圖3），它可以轉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

結構的外表皮吸收太陽光后，通過一個有機的光伏皮膚，并將其轉移到納米纖維內部的納米線里，然后發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產生化學能量反應產生電力，兩極化的生物是負責這個過程中每一個渦輪的轉機，這是形成微型渦輪機運轉的原因。內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，由無數個微型的風力渦輪機“編織”成一面綠色的有機墻，它結構的外層“皮膚”吸收陽光，并通過有機光伏皮膚轉移到納米纖維里，然后發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）監控所有的微型渦輪機的工作；

（2）提供材料再生損壞或發生故障的微型渦輪機；

（3）接收和存儲由所述微型渦輪機產生的能量；

（4）主體結構是剛性連接到金屬框架，而渦輪機旋轉自由取決于風向。

事實上，使用納米生物工程和納米制造生產資料，可以實現生產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量的材料。這些微生物沒有被遺傳改變；他們作為一個訓練有素的群體，每個成員在這個過程中共生特定任務的工作。

想象“納米氣孔皮膚”作為人體皮膚，當我們受傷時，我們的大腦將發出信號，使該特定區域盡快恢復。“納米氣孔皮膚”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匯集的角落，當渦輪機中的一個發生故障或破裂時，一個信號會通過納米線到中央系統和建筑材料（微生物）發送，通過中心管以再生這一領域的自組裝過程。研究人員已經指出，納米制造是產生日常產品的一種常用方法。為了實現能量的最佳結果，每個渦輪機的葉片對稱設計。利用該功能，即使在風的方向上發生變化，每個渦輪可以通過順時針或逆時針旋轉進行調節。

4 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結合設計

4.1 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結合的設計要素

建筑表皮與納米風力渦輪機的結合，設計到很多的技術要素：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小；此外，還需要綜合建筑物當地的氣候條件，結合建筑的節能與表皮的外觀要求，來確定納米風力渦輪機的安裝條件、環境和相鄰間距的大小，同時還要保證風能利用系統的轉換效率；為了便于其安裝和維護，確保安裝部位承受的荷載滿足規范要求，在特殊情況下能夠正常使用，保證相關組件的順利安裝，并且不會對建筑形成不利影響避免次生危害；最后針對系統運行過程中的檢測、評估以及反饋信息優化等設計。

在美學設計要素中，需要考慮納米風力渦輪機等相關構件的幾何形態與建筑表皮設計之間的系統關系，相關構件的幾何形態應該與建筑物的整體形象和其功能的需求，探究相關構件與建筑整體比例以及尺度的協調性，進而能夠滿足協調統一以及建筑表皮設計與風能利用相互融合的對比關系和效果；重要的是如何設計相關構件自身的形態，風能相關構件與建筑的整體色彩、機理以及構造特點和相關組件的不同排列方式、組合特征，完成了不同功能、需求的設計； 風能利用構件對建筑功能也將會產生影響，建筑表皮是風能容易收集的部位，也是室內通風性能較好的區域，因此在納米風力渦輪機安裝的過程中，應綜合考慮室內的通風需求以及建筑承受能力的影響。

4.2 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮結合的優缺點

“納米氣孔皮膚”與建筑表皮結合的設計方法是一種新型的綠色技術，它具有很多的優點，不久的將來，隨著科學技術的快速發展，它可以應用到更多的技術領域，造福給人們。下面對此技術的優缺點進行簡單地介紹。

（1）優點： 利用納米技術和生物工程技術，使微型的風力渦輪機與建筑的表皮設計相融合，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，擺脫了大型風力發電機使用條件的限制，無數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路效應，不僅使建筑物的外觀更加美觀，而且能夠產生豐富電能，既節省了建筑的額外材料的使用，又使建筑變得更加綠色、環保和節能。“納米氣孔皮膚”的應用，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。“納米氣孔皮膚”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的功能。

（2） 缺點：由于納米技術與微型渦輪機的結合，屬于高科技技術，造價成本很高，造價昂貴，如果使其得到更加廣泛的應用，還需要科學技術的不斷創新與發展。“納米氣孔皮膚”形成的巨大的建筑的表皮，增加了維修的費用與管理難度。技術比較復雜，增加了施工的難度。

4.3 “納米氣孔皮膚”與建筑表皮設計的應用

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

（2）“納米氣孔皮膚”與老建筑表面設計結合（圖5），為老建筑提供電力，既保護了老建筑，又節約了資源。如果這種技術繼續推廣開來，對我們老城區舊建筑的保護與更新具有重大的意義。這種技術對老城區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，使其能夠重新煥發生機。

（3）“納米氣孔皮膚”形成的網狀結構，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生的風能，可以直接轉化為電能，為隧道里面提供電力。如果把“納米氣孔皮膚”這種技術應用到隧道中，就可以避免會突然停電的情況，同時，靠汽車和火車行駛產生的風能直接轉化為電能，使能源的損失減到最少，是非常環保的技術形式。

5 結語

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

參考文獻：

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

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