Smart materials for dynamic shading devices : customizable and low cost thermo moveable polymers screens

One of the new challenges in the construction field consists in the definition of new strategies for solar control; everything is relevant with the rise of low-energy buildings and the concept of Nearly Zero Energy Buildings. This thesis provides a description of those who are the innovative materials that are going to become the protagonists of the new constructive trend in building area, especially for solar shadings. In particular, the proposed research tries to present all the principal categories of smart materials and their properties. The aim is to gives to designers and engineers a great way to try to create something new in the field of sun screens using these innovative materials which, to date, not much is known. In the first chapter there is an introduction to the categories of the smart material and a description of their properties and their application in the world of industries. It’s given a description of the typical functional models that are commonly use and also new applications. All these information are summarized in comparison tables that are an excellent tool for design because they allow you to choose the most appropriate application to any situation. Also it’s given a description of the already installed system or simply designed that exploit the capabilities of smart materials. All the systems presented are compared in terms of visual and lighting performances, energy consumption, costs and maintenance. In this way it’s possible to have a clear view of the SM application on shading devices and at the same time, understand what are the problems or the advantages of any solutions studied. The study of the state of the art of smart shadings, seek to draw conclusions about the key points to consider during the design process: whether to go to a passive or active system, what material and how to use it, to have a full or an accurate control of the system. The researches and the analysis spread out that Thermo Moveable Polymers could be the new protagonist in passive shielding field because its low costs, great performances and simple mechanism. In the second chapter it’s presented the design process of a low cost TMP shading device that shows all the steps required to define a performing end product. We started with the concept definition by some design suggestions to arrive at the prototype construction. The idea was that to realize a passive system that was cheap but at the same time quite performing. There are presented all the experiments conducted to investigate the design parameters related to this smart material that influences the final performances of the shading screen and the tests of some different prototypes that we defined. The third chapter deals with the lighting simulations of two different TMP passive screens inspired on the prototypes presented. These systems are compared with the traditional shading devices to analyse the lighting performances in terms of Daylight Glare Probability and Illuminance on a grid base. As we expected Thermo Moveable Polymer passive screens represent a good compromise between the high performances of the consolidated dynamic traditional systems an low costs of the traditional static systems. As it is demonstrated by the analysis of the state of the art, It’s highlighted that it’s quite impossible to create “the perfect shading system” because, there is no way to satisfy at the same time all the parameters that characterize the visual and thermal comfort of an indoor space without energy consumption, but the right way to a proper design is to define what kind of parameters the new system must seek to raise more and then try to produce something that follows those directives. A good strategy would be to create something that will prevail over the static traditional systems in terms of lower costs of both production and energy consumption and at the same time acceptable performances in terms of lighting comfort.

Una delle nuove sfide nel campo delle costruzioni consiste nella definizione di nuove strategie per il controllo solare; tutto ciò è dovuto alla sempre maggior crescita di edifici a basso consumo energetico e il concetto di Early Zero Energy Buildings. Questa tesi fornisce una descrizione di quelli che sono i materiali innovativi che stanno per diventare protagonisti della nuova tendenza nel campo delle costruzioni edilizie, in particolare per quanto riguarda I sistemi di schermatura. La ricerca proposta, cerca di presentare tutte le principali categorie di materiali intelligenti e le loro proprietà. L'obiettivo è quello dare a progettisti e ingegneri un ottimo modo per cercare di creare qualcosa di nuovo nel campo dei sistemi schermanti che utilizzi questi materiali innovativi di cui, ad oggi, non si sa molto. Nel primo capitolo si introducono le varie categorie di materiali intelligenti descrivendone le loro proprietà e la loro applicazione. E 'fornita una descrizione dei tipici modelli funzionali che sono comunemente usati e anche nuove applicazioni. Tutte queste informazioni sono riassunti nelle tabelle di confronto che sono un ottimo strumento per la progettazione perché permettono di scegliere l'applicazione più appropriata ad ogni situazione. Inoltre è fornita una descrizione di sistemi già realizzati o in fase di sviluppo che sfruttano le capacità dei materiali intelligenti. Tutti i sistemi presentati sono confrontate in termini di prestazioni visive e di illuminazione, consumi energetici, costi e manutenzione. In questo modo è possibile avere una visione chiara dell'applicazione degli SM sui dispositivi di schermatura solare e, allo stesso tempo, capire quali sono i problemi o vantaggi di tutte le soluzioni studiate. Lo studio dello stato dell'arte sulle schermature intelligenti, mira a delineare i punti chiave da prendere in considerazione durante il processo di progettazione: se andare verso un sistema passivo o attivo, quale materiale e come usarlo, avere un controllo totale o puntuale del sistema. Le ricerche e l'analisi svolte hanno dimostrato che I Thermo Moveable Polymers rappresentano I maggiori protagonist sulla scena per quanto riguarda il concetto di schermatura passiva grazie ai bassi costi, alle buone prestazioni ed al semplice meccanismo di funzionamento. Nel secondo capitolo è presentato il processo di progettazione di un dispositivo schermante in TMP a basso costo che mostra tutti i passi necessari per definire un prodotto finale performante. Abbiamo iniziato con la definizione del concept partendo da alcuni suggerimenti di progettazione per arrivare alla costruzione del prototipo. L'idea era quella di realizzare un sistema passivo che era buon mercato, ma allo stesso tempo abbastanza performante. Sono presentati tutti gli esperimenti condotti per indagare i parametri di progettazione relativi a questo materiale intelligente che influenzano le prestazioni finali del sistema schermante e le prove di alcuni diversi prototipi che abbiamo ideato. Il terzo capitolo si occupa delle simulazioni riguardanti le prestazioni in termini di illuminazione di abbagliamento di due diversi schermi passivi TMP ispirati ai prototipi presentati. Questi sistemi vengono confrontati con i dispositivi tradizionali di schermatura per analizzare le prestazioni illuminotecniche in termini di Daylight Glare Probability e illuminamento su un piano di riferimento. Come previsto, gli schermi passivi in TMP rappresentano un buon compromesso tra le alte prestazioni dei sistemi tradizionali dinamici già consolidate ed i bassi costi dei sistemi statici tradizionali. Come è dimostrato dall'analisi dello stato dell'arte, risulta quasi impossibile creare “il sistema schermante perfetto” perché, non c’è alcun modo per soddisfare contemporaneamente tutti i parametri che caratterizzano il comfort visivo e termico di uno spazio interno senza consumo di energia, ma il modo giusto per una corretta progettazione è quello di definire il tipo di parametri che il nuovo sistema deve cercare di soddisfare maggiormente e quindi provare a produrre qualcosa che segue tali direttive. Una buona strategia potrebbe essere quella di creare qualcosa che prevarrà sui sistemi tradizionali statici in termini di riduzione dei costi di produzione, di consumo energetico ed allo stesso tempo prestazioni accettabili in termini di comfort luminoso.