Klimatsmart luftkonditionering inspirerad av termiter

– Digitalisering av design- och byggnadsprocesser skapar enorma möjligheter i hur vi utformar arkitektur, och naturliga och biologiska system är en viktig förebild för hur vi bäst utnyttjar dessa möjligheter, säger David Andréen, lektor vid Institutionen för arkitektur och byggd miljö vid LTH och artikelförfattare.

Resultaten, som publicerats i tidskriften Frontiers in Materials, visar en struktur för byggnader baserad på termitstackar som underlättar klimatreglering i byggnadernas inre.

– Studien handlar om termitstackars inre, vilka består av tusentals sammanlänkade kanaler tunnlar och luftkammare, och hur dessa fångar in vindenergi för att ”andas,” eller utbyta syre och koldioxid med sin omgivning. Vi har utforskat hur dessa system fungerar och hur man kan integrera likande strukturer i byggnadsväggar för att driva flöden av luft, värme och fukt på nya sätt.

Energisnåla system

Tanken är alltså att kunna skapa nya sätt att kontrollera luftflöden i byggnader som är betydligt mer energieffektiva och klimatsmarta än traditionell luftkonditionering med så kallade bulkflöden som oftast drivs av fläktar. I stället kan man utveckla system som är turbulenta, dynamiska och variabla.

– Dessa kan kontrolleras med mycket små redskap och liten energitillförsel, säger David Andréen.

I studien har forskarna visat hur luftflöden interagerar med geometri – vilka parametrar i formen som leder till att flöden uppstår och hur de selektivt kan regleras. Dessa kan drivas utan att använda mekaniska, förliga komponenter som fläktar, ventiler och liknande, utan endast genom elektronisk styrning. 

– Detta är en förutsättning för så kallade distribuerade system, där många små sensorer och reglerdon placeras i byggnadens klimatskal genom miniatyrisering, beständighet/hållbarhet och kostnadsminskning, berättar David Andréen.

3D-printing skapar nya möjligheter

Detta skapar möjligheter att reglera en byggnads klimat och kontrollera faktorer som temperatur och fuktighet utan att vara beroende av stora fläkt, värme- och luftkonditioneringssystem. Mekanismerna är beroende av att kunna skapa komplexa interna geometrier (i millimeter- till centimeterskala), vilket endast är möjligt genom 3D-printing. Genom 3D-printningen kan man tillföra värden i den byggda miljön och skapa hållbar arkitektur som annars inte hade varit möjlig.

– Det är fascinerande hur termiternas byggprocess lyckas skapa extremt komplexa och välfungerande ”ingenjörsmästerverk” utan att ha en centraliserad kontroll eller en ritning att utgå från, som vi människor behöver, säger David Andréen.

Artikeln i Frontiers in Materials

Fakta om studien

Forskarna samlade in prover av det yttre höljet av en termitstack av Macrotermes michaelseni i Namibia. Det unika med dessa stackar är en symbiotisk svampträdgård som ligger i hjärtat av strukturen och som termiterna odlar för att få mat.

Genom CT-skanningar analyserades kanalstrukturen i termitstacken, vilket visade ett kraftigt förgrenat nätverk, som bildar släta böjda kanaler med ett tvärsnitt på ner till en halv centimeter.

För att studera luftflödet utförde forskarna experiment med en tredimensionell kopia av stacken. Sedan simulerade de vind med hjälp av en högtalare för att driva en oscillerande blandning av koldioxid och luft genom nätverket.

I ett andra experiment använde forskarna genomskinlig akrylplast för att skapa 2D-modeller där det är möjligt att se hur flödet beter sig inuti modellen. För att spåra luftflödet i utloppet använde de en elmotor för att driva oscillerande vatten spetsat med ett fluorescerande färgämne genom tunnlarna.

Resultaten visade att nätverket av kanaler som finns i termitstackens ytterväggar kan fånga upp vind och skapa turbulens inuti, vilket leder till ökat luftutbyte med omgivningen och bidrar till att kontrollera inomhusklimatet.