初探“纳米气孔皮肤”与建筑表皮的一体化设计

赵琳++崔学红

摘要：指出了随着能源的短缺和环境污染的急剧恶化，风能作为一种可再生的清洁能源，已经受到人们的高度重视。探讨了未来派微型风轮机“纳米气孔皮肤”以及建筑表皮的设计，使风能这种洁净的自然资源得到充分合理的利用，对未来绿色建筑的发展有着重要的意义。

关键词：微型风力涡轮机； 纳米技术； 建筑表皮 ；风力发电

中图分类号： TU023

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06028104

1 引言

城市建筑物表皮的材料不断创新是建筑节能设计最有效、最直接的方式。随着建材料行业的不断发展，在建筑表皮设计当中，各种相关材料层出不穷，例如气凝胶涂材料、光电感应材料等等，建筑表皮设计和风能利用的技术发展，为风能与建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基础。

当我们想到涡轮机的时候，脑海中会自动出现那些令人印象深刻的高度超过400英尺的大型风翼，巨大的叶片在广阔平坦的草地上旋转不停。但对设计师Agustin Otegui而言，风力发电却是纳米级的，他正在构思Nano Vent-Skin，即本文所探讨的“纳米气孔皮肤”，它与建筑的表皮结合设计可以形成最基本的绿色墙。

2 “纳米气孔皮肤”的含义

纳米技术处理的操作实体可能是规模最小的，主要是原子和分子的水平。事实上，大多数人很难（除墨西哥央行行长奥古斯丁·Otegui外）在纳米技术上进行逻辑思考。例如，一寸包含25400000纳米。或者，如果你是用来测量米，1m的1000000000等于一纳米。Otegui 将纳米技术融入他的尖端“微型涡轮”的概念中，他认为可以“合并不同类型的微生物，经过共同的努力，从环境中吸收和改造自然能量，开发从这个合并是一个转换的皮肤——阳光和风能”。

在人力所能及的范围内，让风能变得易于获得和无处不在，那么，“纳米气孔皮肤”可能是最聪明的设计之一。简单地说，所谓的“纳米气孔皮肤”是指一个由无数微型涡轮“编织”后形成的一个系统（图1），这种类似织物的系统能够以任何形状和面积加以“部署”，即附在建筑物表面。虽然每一个涡轮只产生极小电量，但无数涡轮齐上阵却可形成巨大的网路效应。这种系统能够以层状置于现有表面并与城市建筑融为一体，同时也无需大量建筑成本、额外材料或者对现有结构产生干扰。从某种程度上说，这种风能利用方式能够“叫板”太阳能电池板。太阳能电池板能够安装在屋顶上，微型风轮机“纳米气孔皮肤”也是如此。Otegui讨论他的未来派的涡轮叶片集成到“纳米气孔皮肤”上，大约25mm长，只有10mm宽（图2）。此外，这些涡轮机能够吸收二氧化碳和每个涡轮机可能生产2W的能量，转化为每平方米90W的电力电网的涡轮机。

3 “纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合设计的工作原理

用纳米制造与生物工程有机体作为一种生产方法，“纳米气孔皮肤”将各种不同种类的微有机体结合在一起，共同吸收和改造自然环境中的能量。这样设计出来的这一合并的生物是一种“皮肤”装置（图3），它可以转换地球上两种最丰富的绿色能源：阳光和风。这个装置利用了活的生物体的另一个优势：从空气中吸收二氧化碳。

图3 “纳米气孔皮肤”接触阳光，风和二氧化碳

结构的外表皮吸收太阳光后，通过一个有机的光伏皮肤，并将其转移到纳米纤维内部的纳米线里，然后发送给在每个面板端存储单元的存储器里。每个控制面板上的涡轮机和建筑物进行接触时连续产生化学能量反应产生电力，两极化的生物是负责这个过程中每一个涡轮的转机，这是形成微型涡轮机运转的原因。内部的每个涡轮机工程都作为一个过滤器，当风穿过它时，就会从环境中吸收二氧化碳，净化空气。

工作原理：“纳米气孔皮肤”使用有机光电捕获太阳能和微型风力涡轮机捕获风能，由无数个微型的风力涡轮机“编织”成一面绿色的有机墙，它结构的外层“皮肤”吸收阳光，并通过有机光伏皮肤转移到纳米纤维里，然后发送到存储单元在每个面板上，每个面板有四个圆形电源装置（每个角一个）。这些单位分别负责的是：

（1）监控所有的微型涡轮机的工作；

（2）提供材料再生损坏或发生故障的微型涡轮机；

（3）接收和存储由所述微型涡轮机产生的能量；

（4）主体结构是刚性连接到金属框架，而涡轮机旋转自由取决于风向。

事实上，使用纳米生物工程和纳米制造生产资料，可以实现生产资料高效零排放使用的一种方式，并在需要的地方使用合适数量的材料。这些微生物没有被遗传改变；他们作为一个训练有素的群体，每个成员在这个过程中共生特定任务的工作。

想象“纳米气孔皮肤”作为人体皮肤，当我们受伤时，我们的大脑将发出信号，使该特定区域尽快恢复。“纳米气孔皮肤”的工作方式是以相同的方式运作，每个小组有一个传感器在每个物质汇集的角落，当涡轮机中的一个发生故障或破裂时，一个信号会通过纳米线到中央系统和建筑材料（微生物）发送，通过中心管以再生这一领域的自组装过程。研究人员已经指出，纳米制造是产生日常产品的一种常用方法。为了实现能量的最佳结果，每个涡轮机的叶片对称设计。利用该功能，即使在风的方向上发生变化，每个涡轮可以通过顺时针或逆时针旋转进行调节。

4 “纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合设计

4.1 “纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合的设计要素

建筑表皮与纳米风力涡轮机的结合，设计到很多的技术要素：对建筑物的负载、用电量进行估算，进而确定纳米风力涡轮机安装所需的安装容量的大小；此外，还需要综合建筑物当地的气候条件，结合建筑的节能与表皮的外观要求，来确定纳米风力涡轮机的安装条件、环境和相邻间距的大小，同时还要保证风能利用系统的转换效率；为了便于其安装和维护，确保安装部位承受的荷载满足规范要求，在特殊情况下能够正常使用，保证相关组件的顺利安装，并且不会对建筑形成不利影响避免次生危害；最后针对系统运行过程中的检测、评估以及反馈信息优化等设计。

在美学设计要素中，需要考虑纳米风力涡轮机等相关构件的几何形态与建筑表皮设计之间的系统关系，相关构件的几何形态应该与建筑物的整体形象和其功能的需求，探究相关构件与建筑整体比例以及尺度的协调性，进而能够满足协调统一以及建筑表皮设计与风能利用相互融合的对比关系和效果；重要的是如何设计相关构件自身的形态，风能相关构件与建筑的整体色彩、机理以及构造特点和相关组件的不同排列方式、组合特征，完成了不同功能、需求的设计； 风能利用构件对建筑功能也将会产生影响，建筑表皮是风能容易收集的部位，也是室内通风性能较好的区域，因此在纳米风力涡轮机安装的过程中，应综合考虑室内的通风需求以及建筑承受能力的影响。

4.2 “纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合的优缺点

“纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合的设计方法是一种新型的绿色技术，它具有很多的优点，不久的将来，随着科学技术的快速发展，它可以应用到更多的技术领域，造福给人们。下面对此技术的优缺点进行简单地介绍。

（1）优点： 利用纳米技术和生物工程技术，使微型的风力涡轮机与建筑的表皮设计相融合，充分利用风能，可以放置于任何地方，同时也使风能更加容易获得。纳米风力涡轮机的使用，摆脱了大型风力发电机使用条件的限制，无数个纳米风力涡轮机编织成的建筑“气孔皮肤”，在建筑的表面形成一个巨大的网路效应，不仅使建筑物的外观更加美观，而且能够产生丰富电能，既节省了建筑的额外材料的使用，又使建筑变得更加绿色、环保和节能。“纳米气孔皮肤”的应用，可以最大程度地利用建筑物的表面空间及其模块化组合，使其改造我们的老建筑，对于历史建筑的保护与更新也有很大的意义。“纳米气孔皮肤”使用的原型材料可以100%地回收利用，同时，它还像人体皮肤那样具有自我修复的功能。

（2） 缺点：由于纳米技术与微型涡轮机的结合，属于高科技技术，造价成本很高，造价昂贵，如果使其得到更加广泛的应用，还需要科学技术的不断创新与发展。“纳米气孔皮肤”形成的巨大的建筑的表皮，增加了维修的费用与管理难度。技术比较复杂，增加了施工的难度。

4.3 “纳米气孔皮肤”与建筑表皮设计的应用

（1） 如图4所示，这个概念性的建筑展示了“纳米气孔皮肤”与建筑表皮结合的开发新设计，它为绿色建筑提供了一种新的模式，既节约了建筑材料，还能节约能源。它的建筑设计理念，可以使建筑与周围的环境很好地结合在一起，使建筑好像是在土地上生长出来的感觉。相信随着科学技术的快速发展，这类新型的建筑会在未来的建筑领域得到大力的推广与实践。

（2）“纳米气孔皮肤”与老建筑表面设计结合（图5），为老建筑提供电力，既保护了老建筑，又节约了资源。如果这种技术继续推广开来，对我们老城区旧建筑的保护与更新具有重大的意义。这种技术对老城区的旧建筑的改造与更新提供了一个良好的处理形式，既不会影响老建筑的整体的建筑风貌，同时还给老建筑注入了新的建筑元素，使其能够重新焕发生机。

（3）“纳米气孔皮肤”形成的网状结构，可以安置于火车隧道（图6）和汽车隧道的表面，汽车或火车行驶过程中产生的风能，可以直接转化为电能，为隧道里面提供电力。如果把“纳米气孔皮肤”这种技术应用到隧道中，就可以避免会突然停电的情况，同时，靠汽车和火车行驶产生的风能直接转化为电能，使能源的损失减到最少，是非常环保的技术形式。

5 结语

我国人口数量庞大，能源消耗随之剧增，为长久发展，需要寻找新的建筑设计方式，向着低碳经济的方向发展。“纳米气孔皮肤”与建筑表皮融合的设计，体现了人类与大自然的和谐共处的需求，是绿色环保的节能设计。从前文中我们提到的“纳米气孔皮肤”的优势中可以看到，很多建筑师和工程师正在积极地探索这一全新的设计形式，纳米风力涡轮机与建筑表皮的一体化设计将成为建筑行业和涡轮机产业未来发展的主要趋势。

参考文献：

[1]王朝红，高 辉，王建军.现代建筑表皮的光伏一体化设计研究[J]. 新建筑，2009（5）：73～78.

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