Bio-inspired responsive shading systems (A comprehensive review of shading systems inspired by nature)

Global warming is a problem mankind is currently facing. The building industry accounts for 40% of the total energy consumption and Carbon Dioxide (CO2) emissions and thus plays a critical role in addressing global energy and climate forcing issues. In the middle east, all buildings have HVAC systems to maintain thermal comfort. The energy produced to maintain these systems generate greenhouse gas emissions from burning fossil fuels like coal and natural gas. The energy used primarily for cooling loads in the region accounts for nearly 50% of the total energy consumed in buildings, which is a very high level compared to other developed countries. Having a high-performance envelope in a building always helps in reducing energy consumption. However, a responsive shading system can help even further in energy performance and increase thermal comfort. Where better to get inspired to design a dynamic shading system than from nature. The term biomimicry is what nature offers to solve problems in architecture or in engineering. Mother nature should always be the number one source of inspiration for designers, where they can find the best ideas and opportunities to create and innovate new technologies. This paper explores bio-designed dynamic shading systems of modern buildings already built. It discusses the various types of shading systems, the inspired biological systems, the materials used, and the mechanism. Modeling and simulations are also performed to assess energy performance, visual comfort, and thermal comfort. Comparisons between the shading systems will be shown as it’s important to show their performances in different categories. After investigating the case studies, a new responsive shading system inspired by nature will be designed to have an effective and efficient performance in terms of shading, energy, and visual comfort. A focus will be done on the actuation of the shading system, as the actuation is a key component of the entire system. A summary of the case studies and the new shading system is eventually done to show the similarities and differences between the systems. The paper concludes by offering recommendations and setting guidelines for architects and engineers when innovating a responsive shading system for buildings in the future.

Il riscaldamento globale è un problema che l'umanità sta affrontando attualmente. L'industria edile rappresenta il 40% del consumo totale di energia e delle emissioni di anidride carbonica (CO2) e quindi svolge un ruolo fondamentale nell'affrontare le questioni energetiche e climatiche globali. In Medio Oriente, tutti gli edifici hanno sistemi HVAC per mantenere il comfort termico. L'energia prodotta per mantenere questi sistemi genera emissioni di gas serra dalla combustione di combustibili fossili come il carbone e il gas naturale. L'energia utilizzata principalmente per i carichi di raffreddamento nella regione rappresenta quasi il 50% dell'energia totale consumata negli edifici, un livello molto alto rispetto ad altri paesi sviluppati. Avere un involucro ad alte prestazioni in un edificio aiuta sempre a ridurre il consumo di energia. Tuttavia, un sistema di ombreggiamento reattivo può aiutare ulteriormente nelle prestazioni energetiche e aumentare il comfort termico. Quale posto migliore per ispirarsi a progettare un sistema di ombreggiamento dinamico se non dalla natura. Il termine biomimetica è ciò che la natura offre per risolvere problemi in architettura o in ingegneria. Madre natura dovrebbe sempre essere la prima fonte di ispirazione per i designer, dove possono trovare le migliori idee e opportunità per creare e innovare nuove tecnologie. Questo documento esplora i sistemi di ombreggiatura dinamica bio-progettati di edifici moderni già costruiti. Discute i vari tipi di sistemi di ombreggiatura, i sistemi biologici ispirati, i materiali utilizzati e il meccanismo. Vengono inoltre eseguite modellazioni e simulazioni per valutare le prestazioni energetiche, il comfort visivo e il comfort termico. Verranno mostrati i confronti tra i sistemi di ombreggiatura poiché è importante mostrare le loro prestazioni in diverse categorie. Dopo aver esaminato i casi di studio, verrà progettato un nuovo sistema di ombreggiamento reattivo ispirato alla natura per avere prestazioni efficaci ed efficienti in termini di ombreggiatura, energia e comfort visivo. Particolare attenzione verrà data all'attivazione del sistema di ombreggiamento, in quanto l'attivazione è un componente chiave dell'intero sistema. Alla fine viene fatto un riepilogo dei casi di studio e del nuovo sistema di ombreggiatura per mostrare le somiglianze e le differenze tra i sistemi. Il documento si conclude offrendo raccomandazioni e stabilendo linee guida per architetti e ingegneri quando si innoverà un sistema di ombreggiamento reattivo per gli edifici in futuro.