Bio-inspired facade design for urban heat island (UHI) mitigation. From peacock feathers to daytime radiative coolers

Nature has been used as an inspiration for many years because of the perfectly optimized living systems, which have continuously evolved over the course of generations. This research presents a development of a solution-based bio-inspired façade design that is based on the optical mechanics of the iridescent colors of the peacock feathers. The design process starts with an extensive research analysis of the fundamentals behind the feathers visual characteristics arising from structural coloration phenomenon. This phenomenon occurs due to the presence of photonic crystals in a multilayered microstructure which manipulates the incident light of the visible spectrum. This photonic structure is further elaborated into the design of a selective screening and emission (SSE) device aiming to improve the optical and radiative properties of glazed facades. The device expands the field of spectrum manipulation and generates strong emissivity in the wavelength range of 8-13 µm of the atmospheric transparent window, promoting daytime radiative cooling. This research further investigates the problem of urban heat island through its root causes, their consequences, and the combined impact on the energy balance of the urban canopy layer. The impact of buildings is attributed to the largest anthropogenic discharges from HVAC systems. This effect is more severe with glazed facades as it contributes to higher solar gain. Finally, the SSE device is integrated into an insulated glass unit (IGU), and its performance is assessed through a dynamic energy simulation performed in 7 cities, using “EnergyPlus” software. It evaluates the device’s potential in 5 different climatic zones using cooling load reduction as a performance indicator while comparing it to a conventional inter-pane blind made of aluminum slats. The preliminary results show a decrease in annual cooling power of 7.8% to 14%, with higher reduction in zones with high direct solar irradiation and less cloud cover and humidity. Consequently, SSE device is expected to offer significant reduction of solar gains, which would decrease the anthropogenic discharges of the building that directly contributes to the UHI phenomenon.

La natura è stata usata come ispirazione per molti anni a causa dei sistemi viventi perfettamente ottimizzati, che si sono evoluti continuamente nel corso delle generazioni. Questa ricerca presenta lo sviluppo di un design di facciata bio-ispirato basato sulla meccanica ottica dei colori iridescenti delle piume di pavone. Il processo di progettazione inizia con un'estesa analisi di ricerca dei fondamenti dietro le caratteristiche visive delle piume che derivano dal fenomeno di colorazione strutturale. Questo fenomeno si verifica a causa della presenza di cristalli fotonici in una microstruttura multistrato che manipola la luce incidente dello spettro visibile. Questa struttura fotonica è ulteriormente elaborata nella progettazione di un dispositivo di schermatura ed emissione selettiva (SSE) che mira a migliorare le proprietà ottiche e radiative delle facciate vetrate. Il dispositivo espande il campo di manipolazione dello spettro e genera una forte emissività nella gamma di lunghezza d'onda di 8-13 µm della finestra trasparente atmosferica, promuovendo il raffreddamento radiativo diurno. Questa ricerca indaga ulteriormente il problema dell'isola di calore urbana attraverso le sue cause principali, le loro conseguenze e l'impatto combinato sul bilancio energetico dello strato di copertura urbano. L'impatto degli edifici è attribuito ai maggiori scarichi antropogenici dei sistemi HVAC. Questo effetto è più grave con le facciate vetrate in quanto contribuisce a un maggiore guadagno solare. Infine, il dispositivo SSE è integrato in un'unità di vetro isolato (IGU), e le sue prestazioni sono valutate attraverso una simulazione energetica dinamica eseguita in 7 città, utilizzando il software "EnergyPlus". Si valuta il potenziale del dispositivo in 5 diverse zone climatiche utilizzando la riduzione del carico di raffreddamento come indicatore di prestazione, confrontandolo con una tenda intermedia convenzionale fatta di lamelle di alluminio. I risultati preliminari mostrano una diminuzione della potenza di raffreddamento annuale dal 7,8% al 14%, con una maggiore riduzione nelle zone con alta irradiazione solare diretta e meno copertura nuvolosa e umidità. Di conseguenza, ci si aspetta che il dispositivo SSE offra una riduzione significativa dei guadagni solari, che diminuirebbe le scariche antropiche dell'edificio che contribuiscono direttamente al fenomeno UHI.