نماهای ساختمانی بیرونی ترین وجه و پوسته یک ساختمان هستند که نمود ظاهری یک سازه را نمایش می دهند. نماها بنا به شکل طراحی، متریال های مورد استفاده در ساخت و نوع اجرا به سبک های مختلفی موجود می باشند. یکی از ترندهای اخیر معماری، طراحی و اجرای نمای هوشمند است.در این مقاله خانه های هوشمند قصد داریم به ببرسی انواع نماهای هوشمند ساختمانی، کاربرد و طرز کار آن ها بپردازیم.

نمای هوشمند چیست؟

به صورت کلی نماهای ساختمانی که به عوامل محیطی نظیر تابش آفتاب، میزان رطوبت، دمای محیط یا عوامل دیگری واکنش نشان می دهند نماهای هوشمند ساختمانی میگویند. این پاسخ ها وتغییرات میتواند در جهت تغییرات ساده مانند باز یا بسته شدمن بازشوها باشد یا به صورت کلی تغییر در نما را شامل گردد. این تغییرات اغلب در واکنش به عوامل محیطی و برای افزایش میزان رضایت از محیط ساختمان و در جهت رسیدن به آسایش محیطی می باشد. بنابراین نماهای هوشمند یک ترند از معماری های پایدار بوده که گامی مهم در زمینه کاهش مصرف انرژی در ساختمان می باشد.

از آنجا که پنجره ها و نما، اجزای بصری ساختمان هستند، توجه اولیه معماران به آن ها معطوف است. بنابراین، همواره ابتکارات زیادی در این زمینه رخ می دهد. نماهای هوشمند به عنوان رویکردی جدید در معماری، نماهایی هستند که قادرند خود را با شرایط محیطی داخل و خارج بنا تطبیق دهند. این نماها که در تقلید از سیستم واکنش موجودات زنده ساخته می شوند، می توانند در پاسخ به شرایط مختلف جوی مانند وزش باد، گرما و سرمای بیش از حد و تغییر تابش نورخورشید عکس العمل نشان دهند و یا در داخل ساختمان با مشاهده موردی چون تجمع بیش از اندازه جمعیت، تغییراتی در ابعاد و اندازه از خود بروز دهند. یکی از مهم ترین اهداف پوسته های هوشمند در ساختمان ایجاد حالتی بهینه بین آسایش انسان و مصرف انرژی می باشد.

بنابراین پوسته ساختمان با پاسخگویی به عناصر طبیعی مانند آفتاب و سایه وهمچنین پاسخگویی به عناصر داخلی مانند بار گرمایی داخل، نه تنها می تواند محیط راحت تری برای کار یا زندگی فراهم کند، بلکه می تواند ساختمان به صرفه تری به لحاظ انرژی ایجاد کند.

طراحی نماهای فعال (تعاملی) یا هوشمند

طراحی نمای دارای اهمیت بسیار زیادی برای دو موضوع آسایش حرارتی محیط داخلی، همچنین میزان مصرف انرژی است. انرژی بسیاری به جهت ایجاد شرایط آسایش در محیط داخلی مصرف می گردد، در واقع تفاوت در شرایط محیطی خارج و داخل ساختمان سبب مصرف این انرژی می گردد که می تواند توسط طراحی و اجرای یک نمای مناسب با اقلیم و شرایط محیطی میزان این انرژی مصرفی کاهش چشم گیری پیدا کند.

نمای ساختمان علاوه بر وظایف معماری برای محافظت محیط داخلی از شرایط اقلیمی محیط خارج و بهینه سازی عملکرد ساختمان شامل کنترل انتقال انرژی، ایجاد امنیت، کاهش آلودگی صوتی و … است

در عصر جدید و با گسترش مشکلات زیست محیطی، آلودگی های ناشی از مصرف انرژی و چالش های پیش روی بشر، معماران و فعالین حوزه ساختمان با روی آوردن به سبک های معماری پایدار به این مشکل جهانی پاسخ داده اند. از مهمترین ابزارهای معماران برای کاهش مصرف انرژی استفاده از نماهایی است که به عوامل محیطی پاسخی مناسب می دهند.

با افزایش دما یا شدت تابش و به منظور کاهش مصرف انرژی برای خنک کردن فضاها، پوسته بیرونی ساختمان مساحت بازشوها را کم میکند. یا در زمانی که ساختمان سرد شده و به منظور استفاده از تابش آفتاب، مساحت بازشوها در پوسته بیرونی ساختمان افزایش یافته و انرژی بیشتری را به داخل محیط هدایت میکنند.

در طراحی نماهای هوشمند همواره از سیستم های نمای دو پوسته استفاده میگردد. به گونه ای که نمای اول به صورت عادی بر روی ساختمان قرار گرفته و نمای دوم با فاصله به عوامل محیطی واکنش نشان میدهد.

نرم افزارهای طراحی نمای هوشمند

طراحی این ساختار های هوشمند همواره از مهمترین دغدغه های مهندسین معمار بوده است. ترکیب زیبایی و علم که بتواند پوسته ساختمان را به نحوی چشم نواز تغییر دهد. این موضوع در زمینه های معماری پارامتریک بررسی شده و توسط نرم افزارهای معماری پارامتریک نظیر پلاگین گرس هاپر نرم افزار راینو یا پلاگین داینامو برای رویت انجام میپذیرد.

پس از طراحی نماهای هوشمند که معمولا به صورت مدول های متحرک با الهام از انواع المان های معماری منطقه ای یا اقلیمی انجام میپذیرد فاز ساخت این قطعات شروع میگردد. ساخت این قطعات نیز به کمک تلفیق دانش های طراحی صنعتی، الکترونیک و مکانیک انجام میپذیرد. زیرا این قطعات باید بتوانند به صورت خودکار و به طرزی صحیح تغییرات خود را اعمال نموده و با محیط هماهنگ گردند. طراحی نماهای فعال (تعاملی) یا هوشمند در سال های اخیر و به خاطر اهمیت کاهش مصرف انرژی در ساختمان بسیار گسترش یافته است. میزان کاهش مصرف انرژی در ساختمان هایی که از این سیستم های فعال در پوسته بیرونی خود استفاده مینمایند بسیار قابل توجه میباشد.

کاربردهای نماهای هوشمند ساختمانی

نماهای هوشمند ساختمانی در تمامی ساختمان ها کاربرد دارد. این ساختمان ها میتوانند در انواع کاربری ها مرود استفاده قرار گیرند. افزایش جذابیت ظاهری، عملکرد بهتر در برابر شرایط اقلیمی، کاهش مصرف انرژی و کمک به محیط زیست از مهمترین دلایلی است که معماران به سمت طراحی و اجرای این سیستم ها روی آورده اند.

از نماهای هوشمند ساختمانی در انواع ساختمان در هر شکل یا اندازه ای استفاده میگردد. همچنین میتوان ساختمان های موجود را به این سیستم مجهز نمود.

بهینه یابی فرمی نما با هدف افزایش کاربرد هر کدام از وظایف بر عهده آن، سبب بالا بردن ضریب عملکردی خواهد شد. از جمله این عملکرد ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• انتقال انرژی از داخل به خارج
• انتقال بار خورشیدی از خارج به داخل
• بهره برداری بالا از انرژی خورشیدی
• استفاده روزافزون از نور روز
• حفاظت در مقابل نور خیره کننده از خارج
• کنترل انتقال هوا بین داخل و خارج
• بهینه یابی دید
• حریم شخصی

نمای هوشمند و انرژی

همانطور که در بالا ذکر شد مهمترین دلیل استفاده از نماهای هوشمند یا تعاملی مباحث مرتبط با انرژی ساختمان می باشد. هدف اصلی یافتن راهی برای کاهش مصرف انرژی با اثر استفاده از سایه بان های متحرک نسبت به سایر مصالح و شیوه های رایج است. بنابراین استراتژی کلی، تغیر خودکار سایه بان ها برای کاهش میزان مصرف انرژی می باشد.

بر طبق این قاعده حالت سایه بان ها در هر زمان قابلیت تغییر را داشته و این تغییر در راستای کاهش یا افزایش میزان انرژی دریافتی از سوی خورشید با توجه به شرایط آب و هوایی هر لحظه است.

نماهای هوشمند یا تعاملی و محیط زیست

برای بررسی تاثیر نمای هوشمند در مصرف انرژی و در نتیجه آن کاهش مخاطرات زیست محیطی از یک تحقیق که در آن دو نمای متفاوت با هم مقایسه شده اند استفاده مینماییم.

در این تحقیق در ابتدا دو ساختمان بدون در نظر گرفتن سایه بان در نظر گرفته شده اند، در ساختمان اول در تمامی طول زمان اداری( ۷ صبح الی ۷ شب) تمامی چراغ ها روشن بوده ولی در ساختمان دوم با استفاده از یک حسگر نوری هرگاه نور طبیعی بالاتر از ۵۰۰ لوکس بوده چراغ ها خاموش و نور طبیعی جایگزین آن می گردد.

در این شبیه سازی مصرف انرژی در ساختمان دوم به میزان ۳۹ درصد کاهش داشته است.

در شبیه سازی دوم در ابتدا شیدر هایی با زوایای مختلف و سپس یک سایه بان متحرک در نظر گرفته شده است.

در تمام این ساختمان ها سیستم های تاسیاتی یکسان بوده و شیدر های در نماهای چهارگانه نصب شده اند و درصد های کاهش مصرف انرژی در جدول زیر ارائه گردیده است.

همانطور که از جدول بالا مشخص است، در یک ساختمان با نمای هوشمند یا فعال مصرف انرژی با کاهش ۳۵ درصدی همراه بوده است.

هوشمند سازی ساختمان ها و نماهای فعال

آیزاک گوئدی کاپلوتو و بوریس پلاتنیکوو در سال ۲۰۱۷ تحقیقی در خصوص طراحی پارامتریک با توجه به تابش خورشید در بستر های مختلف انجام دادند. در این پژوهش ابتدا سیر تاریخی طراحی خورشیدی از دوره مدرن تا زمان حال بررسی می گردد. در دوران مدرن گاهی ممکن بود نگاه طراحی با توجه به تراکم ساختمانی در یک مکان و تراکم جمعیتی در محل توجه به تابش خورشید مورد چشم پوشی قرار گیرد. این در حالی است که امروزه طراحی خورشیدی در برخی از نقاط دنیا و شیوه استفاده از آنها دارای ضوابط خاص خود شده است.

از جمله این مناطق پیشرو منطقه هاوایی بوده که قوانین طراحی خورشیدی آن در سال ۲۰۰۸ وضع شد، بر اساس آن قوانین و مقررات ویژه ای برای حداکثر ارتفاع، تعداد طبقات، فاصله میان طبقات، درصد بهره مندی محل طراحی به نسبت متراژ ساخت طبقات (درصد تراکم طبقات) و نیاز بهره مندی خورشیدی روزانه بر اساس ساعت در یک سال وضع شده است.

این قوانین اما فاصله زیادی با ایده آل های دسترسی سالانه به خورشید در یک محل، با توجه به اینکه خورشید اصلی ترین عامل طراحی در یک منطقه می باشد دارند. این عدم توجه موجب بالارفتن هزینه های ثانویه مانند هزینه برق و روشنایی و تهویه مطبوع را در پی دارد. مدل پیشرفته تر این بررسی ها را می توان در تحقیقات سال ۱۹۷۴ و ۱۹۸۱ ناوِلز جست و جو کرد. وی در تحقیقاتش بیان داشت که: « بهره گیری از تابش خورشیدی به عنوان راهی برای بهبود مصرف انرژی و بهبود شرایط زندگی مطرح است.». با این حال و گذشت حدود ۳۵ سال از آغاز این تحقیقات، عمده نتایج آنها محدود به فضای آکادمیک شده و راهی به بیرون نیافته است.

اجرای نمای هوشمند

با گذر زمان و ابداعات جدید در زمینه های مختلف تکنولوژی، بسیاری از تحقیقات مرتبط با نماهای فعال به صورت اقتصادی درآمده و در بسیاری از ساختمان ها در کشورهای مختلف اجرا گردید. این موضوع همزمان با گسترش تکنولوژی های ساخت نظیر دستگاه های برش بوده است. یکی از برترین نمونه های ساخته شده از نماهای هوشمند برج های البحار در کشور امارات است. این برج ها به یک پوسته متحرک مجهز شده اند که از المان های مماری عربی الهام گرفته شده اند. این پوسته ها به سنسورهای تابشی مجهز بوده و ساختمان را در برابر تابش ها خورشید در امان نگه میدارند.

این برج از پنل های باز و بسته شونده ای که از یک شش ضلعی منتظم به وجود آمده در پوسته دوم خود استفاده میکند. در زمانی که تابش آفتاب بیش از میزان مشخص شده در برنامه اولیه باشد، این تابش توسط سنسورها مشخص شده و پنل ها را به گونه ای باز یا بسته میکند که میزان نور آفتاب در فضای داخلی به اندازه مناسب برسد.

استفاده از ساختار مدولار در نمای این برج باعث شده تا ساخت و عملکرد این سازه با سهولت انجام پذیرد. به گونه ای که سازه اصلی برج، نمای اول و نمای دوم به صورت یک کل یکپارچه عمل مینمایند.

این پنل های باز و بسته شونده میزان مصرف انرژی را در برج های البحار نسبت به نمونه های مشابه با کاهش چشمگیری مواجه نموده اند. به گونه ای که پس از ساخت این برج ساختمان های بسیاری در سراسر کشورهای منطقه با این سیستم طراحی و اجرا گشتند.

طراحی و اجرای نمای هوشمند در ایران

متاسفانه و به دلیل ارزان بودن انرژی در کشور ما، کاهش مصرف انرژی و راندمان بالاتر ساختمان نمیتواند محرک خوبی برای سازندگان در جهت استفاده از نماهای هوشمند و تعاملی باشد. البته امروزه و با همه گیر شدن دغدغه های زیست محیطی برخی کاربران به صورت محدود از این سیستم در ساختمان های خود استفاده نموده اند. ولی این نمونه در مقیاس های کوچک بوده و نمیتوان به عنوان یک اثر شاخص به آن ها نگاه کرد.

یکی دیگر از دلایل استفاده نکردن از نماهای تعاملی یا هوشمند در معماری ایران، عدم وجود دانش طراحی و ساخت این سیستم در سال های گذشته بوده است. خوشبختانه و با گسترش دانش ها و گرایش های نوین در معماری نظیر انرژی معماری یا تکنولوژی معماری، بسیاری از مهندسین جوان ایران نیز همگام با کشورهای پیشرفته به فراگیری سیستم های نمای هوشمند پرداخته اند.

شرکت خانه های هوشمند با بهره گیری از متخصصین خود توانایی طراحی و اجرای نماهای هوشمند و متحرک را دارا می باشد. نماهای هوشمند و متحرک، یکی از ابزارهای طراحی و معماری برای رسیدن به یک ساختمان پایدار بوده و میتواند پاسخی مناسب برای مشکلات زیست محیطی مختلف به وجود آمده باشد.