هوشمند سازی ساختمان

ساختمان‌ها و زندگی در آنها در طول دو دهه گذشته بسیار تغییر كرده است‌. در واقع می‌توان گفت كه به جز تعداد كمی از استثناهای موجود، ساختمان‌های كنونی از آن نوع زیستگاه‌ها نیستند كه به حال حاضر تعلق داشته باشند‌. با توسعه در زمینه مصا‌لح، فرآورده‌ها و روش‌های ساخت ابداعی، حركت به سوی ساختمان‌هایی با كارایی بالاتر و صرفه اقتصادی بهتر و سازگار با محیط زیست امری ضروری می‌نماید. ما در حال حاضر در آستانه نسل بعدی ساختمان‌ها هستیم. ساختمان‌هایی با درجات متعددی‌ كه كاملاً رفتار اكولوژیكی دارند و قادرند با بهره‌گیری هوشمندانه از مصالح سازگار و عملكرد (Hi-Tech) تكنولوژی جدید مناسب، در برابر تغییرات مستقیم و غیر مستقیم پیرامون خود واكنش نشان دهند و خود را با شرایط مناسب تطبیق دهند‌. این نوآوری‌ها وظایف جدیدی را برای طراحان و معماران ایجاد می‌كند كه از قافله پر سرعت تكنولوژی عقب نمانده و آنها را در طرح‌های خود بكار گیرند.

مصالح و فرآورده‌های نوین

در حال حاضر طیف وسیعی از فرآورده‌ها و مصالح، در دسترس قرار گرفته‌اند‌ یا اینكه د‌ر حال عرضه به بازار هستند‌. برخی از آنها به طور خاص برای استفاده در زمینه معماری تولید شده و برخی نیز برای كاربردهای دیگری مثل صنعت منسوجات، اتومبیل سازی و … در نظر گرفته شده‌اند‌. اما نكته اصلی اینجاست كه چگونه این مصالح نوین دردسترس معماران و طراحان قر ار گیرد‌. اگر برای معماران این امكان فراهم آید كه بتوانند تمام این مصالح و فرآورده‌ها را مستقیماً یا به شكل اصلاح شده در پروژه‌های خود به كار گیرند، آنگاه سیل عظیمی از امكانات تازه و جالب برای طراحی ساختما‌ن‌ها و روش‌های ساخت را به دنبال خواهد داشت‌ . معماران خلاق می‌توانند مصالح و فرآورده‌های نوین را برای كاربردهای خاص معماری توسعه دهند و قادر خواهند بود صنعت تازه‌ای را در معماری بر پایه مصالح نوین پدید آورند.

مصالح بازیافتی

این مصالح اساساً از مواد دست دوم و زباله‌های تمیز، تهیه می‌شوند‌. برای تهیه مصالح بازیافتی، قسمت‌های ارزشمند مصالح دست دوم مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی به هر حال فرآورده حاصله معمولاً كیفیت پایین‌تری نسبت به مصالح اصلی دارد. امروزه استفاده از مصالح بازیافتی با توجه به اصول معماری پایدار بسیار مورد توجه قرار گرفته است.‌

مصالح تجزیه پذیر زیستی

تركیبات تشكیل دهنده این مصالح به گونه‌ای است كه پس از پا‌یان عمر و مدفون شدن در زیر خاك به طور كلی توسط جانوران میكروسكوپی موجود در خاك تجزیه می‌شوند. بنابراین تهدیدی برای آلودگی محیط زیست محسوب نمی‌شوند.

‌زیست مواد

شامل پلاستیك‌ها و مصالح دیگری است كه از منابع تجدیدپذیر ساخته می‌شوند‌. تحقیقی كه در حال حاضر بر روی این مواد بسیار مورد توجه است، استفاده از باكتری خاصی است كه مصرف می‌كند و قادر به متلاشی نمودن گاز دی اکسید کربن این پلاستیك‌هاست.

مصالح تغییر ناپذیر‌

مصالحی هستند كه تاثیرات فیزیكی و شیمیایی بر آنها اثر ندارد‌. مثالی از این نوع مصالح، آلیاژ فولاد است.

مصالح هوشمند

این مصالح ‌‌مواد و فرآورده‌هایی هستند كه خاصیت تغییرپذیری دارند و قادرند مشخصه‌های ظاهری‌ یا درونی خود را در پاسخ به تاثیرات فیزیكی و شیمیایی به صورت برگشت‌پذیر تغییر دهند.

مصالح هیبرید یا پیوند‌ی ‌

این مصالح با تلفیق حداقل دو تركیب متفاوت ساخته می‌شوند. مثل تلفیق تركیبات طبیعی و مصنوعی.

مصالح با ساختار فسیل واره

این‌ها نوعی مصالح مركب با لایه‌های ملحق شده تدریجی هستند. این مصالح نتیجه یك تغییر پیوسته در ویژگی‌‌های مصالح است‌. مثالی از این نوع مصالح نفت خام است كه از قرار گرفتن لایه‌های متعدد در طول سالیان متمادی ایجاد می‌شود.

نانو متریال (مصالح نانو‌)

مصالحی هستند كه از موادی با مقیاس نانو (یك میلیاردم‌) ساخته می‌شوند و نقاط اشتراك زیادی با مصالح هوشمند دارند‌. مواد با ساختار نانو به عنوان پوشش نهایی در ساخت فرآورده‌ها به كار می‌روند. به عنوان مثال در پوشش‌های هوشمند ضد خوردگی، تصفیه كننده هوا، تمیز كننده سطوح و پوشش های زیست فعال كاربرد دارند.

مصالح هوشمند

مصالح هوشمند یك اصطلاح جدید برای مصالح و فر‌آورده‌هایی است كه توانایی درك و پردازش رویدادهای محیطی را داشته و نسبت به آن واكنش مناسب نشان می‌دهند‌. به بیان دیگر این مصالح قابلیت تغییرپذیری داشته و قادرند شكل، فرم، رنگ و انرژی درونی خود را به طرز برگشت پذیر در پاسخ به تاثیرات فیزیكی‌ یا شیمیایی محیط اطراف تغییر دهند‌. اگر مصالح را به سه گروه مصالح غیر هوشمند، نیمه هوشمند و هوشمند طبقه بندی كنیم،گروه اول یعنی مصالح غیر هوشمند ویژگی خاص بالا را ندارند، نیمه هوشمندها تنها قادرند در پاسخ به تاثیرات محیطی شكل و فرم خود را برای یك بار یا مدت زمان اندكی تغییر دهند اما در مصالح هوشمند این تغییرات تكرارپذیر و قابل برگشت خواهد بود.

مصالح هوشمند تحت عنوان مصالح ‌انعطاف پذیر‌ و ‌تطبیق پذیر‌ نیز شناخته می‌شوند و این به دلیل ویژگی خاص آنها در تنظیم نمودن خود با شرایط  محیطی است. متغیرهای تاثیرگذار شیمیایی و فیزیكی كه در زیر معرفی شده‌اند، محرك‌هایی هستند كه مصالح هوشمند در برابر آنها از خود عكس العمل نشان می‌دهند.

• نور، اشعه uv، بخش فرابنفش و مرئی اشعه الکترومغناطیس
• دما، تغییرات دمایی كه یك سیستم فیزیكی مثل بدن انسان ایجاد می‌نماید.
• فشار، اختلاف فشار ایجاد شده در یك ناحیه.
• میدان الكتریكی، میدان ایجاد شده پیرامون یك بار الكتریكی.
• میدان مغناطیسی، میدان ایجاد شده پیرامون یك آهن ربا یا یك بار الكتریكی متحرك.
• محیط شیمیایی، حضور یك عنصر یا تركیب شیمیایی خاص مثل آب.

طبقه بندی مصالح هوشمند

به طور كلی مصالح ساختمانی موجود اعم از سنتی، طبیعی و مصنوعی با توجه به خصوصیات آنها، ازجمله‌ نمود ظاهری، بافت، تركیب شیمیایی، خواص مكانیكی و فیزیكی، اثر محیطی و … طبقه بندی می‌شوند. اما در طبقه بندی مصالح هوشمند علاوه بر در نظر داشتن مشخصه‌های فوق، خواص دیگری كه به طور ویژه به تمیز دادن مصالح هوشمند از مصالح سنتی مربوط می‌شود نیز لحاظ شده است‌. در واقع طبقه بندی پیشنهادی مصالح هوشمند بر پایه سه خاصیت زیر ارائه شده است.

‌مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر خواص درونی

1. مصالح هوشمند تغییر شكل دهنده
2. مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده
3. مصالح هوشمند تغییر پیوند دهنده

مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی

مصالح هوشمند دارای قابلیت مبادله انرژی

1. مصالح هوشمند ساطع كننده نور
2. مصالح هوشمند تولید كننده الكتریسیته
3. مصالح هوشمند ذخیره كننده انرژی

مصالح هوشمند تغییر شكل دهنده

این گروه از مصا‌لح هوشمند كه دارای قابلیت تغییر خواص درونی خود هستند در پاسخ به محركات خارجی تغییراتی در شكل و ابعاد خود ایجاد می‌كنند كه این تغییرات بستگی به نوع توزیع و آرایش تركیبات تحریك پذیر درونی آنها دارد.

مصالح هوشمند دما واكنشی‌

این نوع از مصالح هوشمند كه زیر مجموعه مصالح هوشمند تغییرشكل دهنده هستند، نوعی ویژگی ذاتی دارند كه آنها را قادر می‌سازد تا در برابر تغییرات دمای محیط پیرامون به طور برگشت پذیر واكنش نشان دهند‌. تغییرات دمایی ممكن است تاثیر غیر فعال داشته باشد به طوری كه مصالح به طور مداوم وضعیت دمای داخلی خود را با وضعیت طبیعی پیرامونش از طریق پوسته بیرونی تنظیم كند و اگر تاثیرات آن به صورت فعال باشد، نوعی گرمایش فعال با بكار بردن یك میدان الكتریكی از طریق تماس ایجاد می‌شود. مصالح دما واكنشی، به نوبه خود انواع و اقسام متنوعی از متریال‌ها را شامل می‌شوند اما تعداد محدودی از آنها در معماری كاربرد دارند‌. ‌

مصالح منبسط شونده نمونه‌ای از مصالح دما واكنشی هستند كه دارای ضریب انبساط گرمایی‌اند. گرماسنج‌ها از اولین سیستم‌هایی بودند كه با بكارگیری چنین مصالحی ساخته شد‌. اما مهمترین كاربرد آنها در معماری در ترموستات‌های گرمایشی برای سرویس‌های خدماتی ساختمان و همچنین به عنوان محرك‌های ویژه‌ای در گلخانه‌ها و در نمای ساختمان‌ها برای كنترل و مدیریت انرژی به كار می‌روند.

كاربرد دیگر آنها در سیستم تهویه اتاق‌های ساختمان است. با وجود اینكه مصالح منبسط در دهه‌های اخیر به عنوان اجزای (TEM) شونده ترموستات‌ها بكار می‌رفته‌اند اما استفاده از آنها برای تهویه اتوماتیك ساختمان مربوط به چند سال اخیر می‌شود. طرز كار این سیستم نیز به گونه‌ای است كه در دماهای مشخص سیستم باز یا بسته می‌شود تا شرایط تهویه مناسب فضا را فراهم سازد. آنها همچنین می‌توانند با بالا بردن یا پایین آوردن بخش‌هایی از پوشش بام به صورت اتوماتیك، به عنوان اجزای سیستم تهویه در نمای ساختمان‌ها طراحی شوند.

مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده

همانطور كه از اسم این مصالح پیداست آنها قادرند رنگ یا مشخصه‌های بصری خود را در پاسخ به یك یا چندین محرك خارجی به صورت برگشت پذیر تغییر دهند. این مصالح با توجه به محرك انگیزاننده خود انواع مختلفی را شامل می‌شوند ولی تعدادی از آنها كه در كاربردهای معمارانه بسیار مورد توجه‌اند‌ شامل مصالح فتوكرومیك، ترموكرومیك و الكتروكرومیك هستند. این مصالح با قرار گیری در برابر نور با تغییر رنگ ار خود واکنش می‌دهند.

هم اكنون مصالح فتوكرومیك یا به صورت رنگ دانه‌های فتوكرومیك، شیشه‌های فتوكروم یك و پلاستیك‌ها یا پلیمرهای فتوكرومیك در دسترس هستند. استفاده از این مصالح در معماری و در پوشش نمای بناها باب شد‌ه است. هر چند كه در ابتدا بكارگیری این مصالح بخاطر جنبه زیبایی آنها بود (بخاطر طیف رنگی كه در برابر نور ایجاد می‌نمودند‌).

كاربرد مصالح الكتروكرومیك نیز در معماری شیشه‌های الكترواپتیكال هستند. مصالح الكترواپتیكال با قرارگیری در معرض اشعه خورشید مشخصه بصری یعنی میزان شفافیت خود را تغییر می‌دهند‌ .

مصالح هوشمند ساطع كننده نور

مصالح و فرآورده‌هایی هستند كه مولكول هایدرون آنها با تاثیر انرژی‌هایی مثل روشنایی یا میدانالكتریكی، برانگیخته شده و از خود نور تولید می‌كنند‌.این پدیده در واقع یك حالت موقتی برای مولكول‌ها است كه بر اثر تاثیر انرژی بالاتر اتفاق می‌افتد كه در این زمان بخشی از انرژی جذب شده توسط مولكول‌ها به شكل اشعه الكترومغناطیسی مرئی ساطع می‌شود بدون آنكه حرارت اشعه خارج شود‌. از این پدیده با عنوان تابناکی یاد می‌کنند. از مهمترین و كاربردی‌ترین آنها در زمینه معماری، مصالح فتولومینس و الكترولومینس هستند.

استفاده از مصالح هوشمند ساطع كننده نور ‌: LED و سلول‌های خورشیدی

مصالح هوشمند ذخیره كننده انرژی

این مصالح و فرآورده‌ها قادرند انرژی را چه به صورت نمایان و چه نهانی در خو د ذخیره نمایند، مثلاً به شكل نور، گرما، هیدروژن یا الكتریسته‌. ‌این مصالح قابلیت برگشت پذیری نیز دارند‌. بنابراین این مصالح قادر به ذخیره انرژی بصورت‌های مختلفی هستند. اما در این بین مصالح هوشمند ذخیره كننده حرارت (گرما) بیشتر مورد توجه بوده‌اند. این مصالح نوعی ویژگی ذاتی دارند كه آنها را قادر می‌سازد كه انرژی را بصورت گرما ‌یا سرما (معكوس گرما‌) بصورت انرژی نهانی در خود ذخیره کنند. این مصالح در معماری دارای كاربرد و مورد توجه بسیار هستند. پركاربردترین آنها كه با عنو ان مصالح تغییر حالت دهنده مشهور هستند. به آن دسته از مصالح و فرآورده‌هایی اطلاق می‌شود كه می‌توانند به عنوان واسطه تنظیم دما عمل كنند مثلاً به عنوان عنصر واسطه ذخیره سرما یا گرمای نهانی تنظیمات دمای داخل اتاق مصالح PCM‌ این ویژگی را دارند كه وضعیت خود را از حالت مایع به جامد بوسیله كریستاله شدن (بلوره شدن‌) تغییر دهند و میزان مشخصی از انرژی گرمایی كه قبلاً در درجه حرارت بالاتر ذخیره كرده بودند، از خود آزاد كنند و در حالت معكوس با تغییر وضعیت از جامد به مایع در زمان ورود انرژی گرمایی میزان حرارت یا دما را ثابت نگه دارند‌. ذكر این نكته ضروری است كه مصالحی با ظرفیت ذخیره حرارتی بالا یا اتلاف حرارتی پایین در این دسته از مصالح هوشمند جای نمی‌گیرند.

سیستم نما عبور كرده و علاوه بر گرم نمودن فضای داخل باعث گرم شدن پانل‌های PCM ‌می‌شود. این‌، ‌گرما هیدرات نمك را از حالت جامد به مایع تبدیل كرده و گرمای حاصله به صورت گرمای نهانی در سیستم ذخیره می‌شود. زمانی كه حرارت اتاق از ۲۶ درجه سانتیگراد پایین‌تر می‌آید مثلاً در طول شب یا روزهای ابری آنگاه هیدرات نمك متبلور شده و انرژی گرمایی ذخیره شده خود را در اتاق آزاد می‌كند.

مزیت دیگر این سیستم این است كه وضعیت شارژ بودن یا نبودن این سیستم ذخیره كننده حرارت از ظاهر بصری آن قابل مشاهده است به این ترتیب كه اگر نما مات به نظر برسد، هیدرات نمك شارژ نشده است. یعنی ذخیره حرارتی ندارد و اما اگر نما حالت شفاف یا نیمه مات داشته باشد هیدرات نمك در نما شارژ بوده و ذخیره حرارتی آن پر است.

مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی

می‌توانند مواد را در فرم مولكول و به شكل گاز، مایع یا جامد با فرایندهای مختلف فیزیكی یا شیمیایی، در خود محصور و یا اینكه آزاد كنند‌. عملكرد این
مصالح به صورتی است كه با قرار گرفتن در برابر انواع گاز، بخار آب، آب و یا حتی محلول‌های آبدار، با چسباندن آنها به سطح داخلی خود و یا اضافه كردن آنها به حجم خود واكنش نشان دهند‌. این مصالح با خصوصیات ذكر شده به طور عمده می‌توانند در نمای خارجی‌ یا داخلی ساختمان‌ها استفاده شوند و معروفترین آنها مواد و مصالحی هستند كه خودبخود تمیز می‌شوند و همچنین پوشش‌ها و لایه‌هایی هستند كه با قرار گرفتن روی سطوح ساختمان آلاینده‌های موجود در هوا را بی‌اثر كرده و از بین می‌برند. به طور كلی این متریال‌ها با انجام فرآیندهای درونی خا‌ص خود می‌توانند خصوصیات و ویژگی‌های زیر را از خود نشان دهند.

• ضد آب نمودن نما، تمیز نمودن خود نما، بالا بردن كیفیت هوای فضای داخل، از بین بردن آلودگی هوای اطراف، جاذب صدا، ایجاد بوی معطر در فضا

نمونه‌ای از مصالح ضد آب در این دسته بنتونیت است. كه از مهمترین فرآورده‌های‌ معدنی مو‌رد استفاده در مصالح ساختمانی است‌. ‌

نمونه دیگر در این دسته از مصالح هوشمند كه به مصالح خود پاك شونده معروفند، دی اكسید تیتانیوم (TiO2) است‌. این ماده دارای خواص و ویژگی‌های‌ منحصر به فردی است. به طوری كه به هنگام قرارگیری در معرض اشعه ماورای بنفش نور خورشید، به یك ماده بشدت فعال و واكنش پذیر تبدیل می‌شود. واكنش پذیر شدن و فعالیت شیمیایی شدید این ماده در مجاورت اشعه ماورای بنفش، می‌تواند از چسبیدن باكتری‌ها و كثیفی‌ها بر روی دیو‌ار‌ها و ساختمان‌ها جلوگیری كند و سبب می‌شود تا این آلودگی‌ها با بارش یك باران، به آسانی از روی دیوارها شسته و پاك شوند. تولید گسترده و انبوه مصالح خودپاك شونده و استفاده گسترده آن در ساختار ساختمان‌ها و پنجره‌ها در مناطق گوناگون، سبب می‌شود كه از این پس بتوانیم در شهرهایی زندگی كنیم كه از نما و سیمای بسیار تمیز، پاكیزه و درخشانی برخوردارند و نیازی به تمیز كردن نمای دیوارها و پنجره‌ها به طور دوره‌ای نخواهد داشت‌. این ویژگی مصالح خود پاك شونده از مهمترین كاربرد این مصالح در حیطه طراحی شهری است كه می‌توانند به پاكیزگی شهرهای بزرگ و كاهش آلودگی هوا در آنها كمك شایانی نماید.