ベンジャミン・ハットンは、完璧な窓について熟考することに多くの時間を費やしています。
夏には、光を取り入れながら太陽の熱を遮断します。冬には光も熱も入ります。建物を自然に照らすには明るすぎる日でも、光を散乱させて均等に分配します。
つまり、完璧なウィンドウはイカのように機能します。
ハットンはトロント大学の材料科学および工学の教授であり、生物からインスピレーションを得た材料および設計のためのハットン研究所を所長しています。数年前、彼と研究者のチームは、イカ、タコ、オキアミ、その他の海洋生物が細胞構造内で色素を移動させて色を変える方法を模倣し、太陽光に反応して動的に陰影を付けるパネルを作成した。このパネルは、カーボン ブラック (光を吸収する) や二酸化チタン (光を散乱する) などの添加剤を含む液体を、薄いプラスチック シートに刻まれた溝を通して移動させます。
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ハットン氏は、次の課題は、このアイデアを古い建物の改修に使用できるツールにスケールアップすることだと述べています。
「窓全体を交換しなくても、窓の性能を向上させることができます。」 [thing]」と、T大学で機械工学の修士号を取得中にハットン氏の研究グループで働き始め、現在ハーバード大学で博士号取得に向けて取り組んでいるラファエル・ケイ氏は語る。ケイ氏は、2023年と今年5月に発表されたチームのパネルシステムに関する2本の論文の筆頭著者だった。
2023年の論文では、研究者らのシミュレーションにより、同社の流体3層動的窓のバージョンは、航空機で使用されている種類の最高のエレクトロクロミック技術と比較して、建物の暖房エネルギー使用量を75パーセント、電気照明使用量を20パーセント、総運用エネルギー使用量を43パーセント削減するのに役立つ可能性があると推定した。
世界の建物の約 80% は 2050 年までにまだ使用されるでしょう。そしてそれらの建物はエネルギーを大量に消費します。現在、建物は世界のエネルギー供給の約 3 分の 1 を消費しており、これは今世紀半ばまでに 2 倍になると予想されています。
理由？ 「私たちが今日設計している建物は、ある意味愚かです」とハットン氏は言います。建物の通常のエネルギーの 4 分の 1 以上が、窓から出入りする熱を補うために使用されます。夏には太陽光による温室効果に対抗するために空調が強化され、冬にはガラス板から入る冷気を防ぐために熱風が吹き込まれます。
建物のエネルギー使用における窓の役割が誇張されているにもかかわらず、窓に関する研究の注目は遅れています。
1970 年代から 80 年代にかけて、研究者たちは米国とドイツの産業界と協力して、建物の窓から入る熱放射の量を制限するコーティングを開発しました。現在、ほとんどの商業ビルの窓にはこれらのフィルムが使用されていますが、遮光性が固定されているため、気候が変わりやすい国には適していません。 1980 年代に初めて開発されたエレクトロクロミック窓は、ダイナミックなファサードの概念を前進させました。デジタル調光窓を備えた新しい飛行機に乗ったことがある人なら、一度は見たことがあるはずです。しかし現時点では、建物全体に導入するには「あまりにも高価」だとハットン氏は言う。
それから、古き良き時代のローラー シェードもいくつかある、と彼は付け加えた。「多かれ少なかれ、それが私たちが持っているすべてです。」
ハットン氏とケイ氏は現在、ギャップを埋めるために別々のプロトタイプをテスト中です。ハーバード大学では、ケイと研究仲間がキャンパス内の歴史ある家に商業規模のプロトタイプの窓を設置し、学生が実験を行えるようにした。 2 フィート四方の窓には液体リザーバーがあり、2 枚のガラスの間の空気層に液体を送り込むことができます。このソリューションにより、窓を透明から不透明に変更したり、冷暖房を制御したり、光をフィルターしたりすることができます。
ケイ氏は、都市が商業ビルのエネルギー効率に関してより高いベンチマークを導入するにつれ、市場への道は商業用不動産を経由すると考えています。ケイ氏は、基本的に内部に液体が入った巨大なステッカーとして機能する、既存の窓用の薄いアプリケーションを構想していると語った。これにより、建物の所有者は窓を完全に交換するのではなく、改修することが可能になります。同氏によると、このようなステッカーシステムは、屋外の気象状況に応じて人工知能によって制御される可能性があるという。
T 大学では、ハットン氏が専用のシミュレーション ルームを備えた研究室を建設中です。そこでは、高さ 2 メートルのプロトタイプが太陽光が差し込むときに部屋の温度を調整できるかどうかをテストするためのものです。
「高さ 2 メートルの層を作成できれば、それは大きな階窓に適していることを意味します」と彼は言います。 「流体に対する重力の影響により、これらの物の高さは最も困難です。」研究室でプロトタイプがどのように動作するかに応じて、次のステップは大学のキャンパスでテストすることになります。
ハットン氏は、レトロフィット市場をターゲットにできる最終製品を構想しています。しかし、「それが技術的にどうなるかは、まだ検討中です」と彼は言う。 「私たちが現在取り組んでいるのは、これらの層を大規模かつ安価で信頼性のあるものに製造し、さまざまな条件下でその性能をテストする最善の方法を見つけようとしているところです。」
