بررسی عملکرد بیونیکی موریانه و مورچه، در جهت بهینه¬سازی تهویه و انرژی
محورهای موضوعی :سارا حبیبی 1 , سولماز حبیبی 2 , کاوه شکوهی دهکردی 3 *
1 - کارشناسی ارشد فناوری معماری- بیونیک، موسسه آموزش عالی رسام، کرج، تهران، ایران.
2 - کارشناسی ارشد مهندسی معماری، موسسه آموزش عالی آمل، آمل، مازندران، ایران.
3 - استادیار معماری، دانشکده هنر و معماری، دانشگاه آزاد اسلامی واحد رودهن، ایران.
کلید واژه: بیونیک, تهویه طبیعی, لانه موریانه, لانه مورچه, حفظ انرژی.,
چکیده مقاله :
انسان¬ها برای رسیدن به تعامل با طبیعت، باید انرژی و منابع طبیعی را حفظ کنند و در مصرف آن¬ها صرفه¬جویی نمایند، هدف اصلی این پژوهش، بررسی عملکرد بیونیکی موریانه و مورچه، در جهت بهینه¬سازی تهویه و انرژی است و اهداف فرعی، بررسی لانه موریانه و مورچه و روش¬های عملکردی آن¬ها برای ایجاد تهویه طبیعی و نیز، بررسی لانه موریانه و مورچه و روش¬های عملکردی آن¬ها برای حفظ انرژی است، به نظر می¬رسد با استفاده از دستاوردهای مطالعه ساختارهای موجود در لانه موریانه و مورچه و با توجه به این¬که این حشرات اجتماعی پیچیده-ترین لانه¬های زیرزمینی را با عمق زیاد با سیستم شبکه¬ای می¬سازند و در تمام نقاط لانه، دمای مناسب و ثابتی را با گردش هوای خوب و رطوبت نسبی، به‌طور غریزی حفظ می¬کنند و عملکرد¬های بیونیکی مناسبی برای رسیدن به تهویه طبیعی و حفظ انرژی دارند، می¬توانند الگوی مناسبی در جهت بهینه¬سازی تهویه و انرژی باشند، روش تحقیق به‌طورکلی تحلیلی بوده و با بررسی لانه موریانه و مورچه و الگوهای عملکردی آن¬ها و تلفیق تمام یافته¬ها، می¬توان به هدف والای حفظ و بقای انرژی دست یافت، با گردآوری اطلاعات کتابخانه¬ای و اینترنتی و با استفاده از کتاب¬ها و مقالات ترجمه شده معتبر و با بررسی عملکردهای، لانه موریانه و مورچه، در جهت تهویه طبیعی، با جمع¬بندی و ارزیابی یافته¬ها، می¬توان نتایج مطلوبی در جهت بهینه¬سازی تهویه و انرژی در معماری به دست آورد، نتایج حاصل از این پژوهش، برای رسیدن به هدف والای تعامل و یکپارچگی با طبیعت و رسیدن به ایده¬های بیونیکی با رویکرد بهینه¬سازی تهویه و انرژی، با بررسی عملکردهای مورچه و موریانه در لانه¬سازی در جهت حفظ انرژی و بهینه¬سازی تهویه و الگوبرداری از قوانین عملکردی آن¬ها است.
To achieve harmony with nature, humans must conserve natural energy and resources while using them efficiently. This study primarily aims to investigate the bionic performance of termites and ants to optimize ventilation and energy consumption. Secondary objectives include examining termite and ant nests and their functional methods for creating natural ventilation, as well as their strategies for energy conservation. Termites and ants, known for building some of the most intricate subterranean nests with deep, interconnected systems, instinctively maintain stable temperatures, optimal airflow, and relative humidity throughout their nests. Their bionic behaviors serve as effective models for achieving natural ventilation and energy conservation. The research methodology is primarily analytical, involving an examination of termite and ant nests, their functional patterns, and an integration of all findings to achieve the ultimate goal of energy preservation. By gathering information from library and online sources, utilizing credible translated books and articles, and analyzing the functional mechanisms of termite and ant nests for natural ventilation, this study synthesizes and evaluates findings to derive actionable insights for optimizing ventilation and energy in architecture.The results of this research highlight how the behaviors of termites and ants in nest construction—focused on energy conservation and ventilation optimization—can serve as inspiration for developing bionic design ideas that promote harmony with nature.
1- احدی، امین اله؛ و علیرضایی ورنوسفادرانی، بابک(2014). بررسی فرم مناسب سقف و سودمندی استفاده از بادخور و بادگیر در تهویه طبیعی مسکن چابهار. مسکن و محیط روستا، 33(148)، 33-44.
2- رازجویان، محمود(1386). آسایش در پناه باد، تهران: مرکز چاپ و انتشارات دانشگاه شهید بهشتی، چاپ دوم.
3- شرقی، علی؛ و قنبران، عبدالحمید(2012). آموزه‌هایی از طبیعت در طراحی معماری، 14(3)، 107-118.
4- فریش، کارل وان(1374). معماری حیوانات. ترجمه رضا روحانی. تهران: کانون پرورش فکری کودکان و نوجوانان.
5- مقررات ملی ساختمان ایران(2010). جایگاه تحلیل نرم‌افزاری در ممیزی انرژی در بخش ساختمان. انسان و محیطزیست، 8(14).
6- Bollazzi, M., Forti, L. C., & Roces, F. (2012). Ventilation of the giant nests of Atta leaf-cutting ants: does underground circulating air enter the fungus chambers?. Insectes Sociaux, 59, 487-498. doi:10.1007/s00040-012-0243-9
7- Cosarinsky, M. I., & Roces, F. (2012). The construction of turrets for nest ventilation in the grass-cutting ant Atta vollenweideri: import and assembly of building materials. Journal of Insect Behavior, 25, 222-241.
doi:10.1007/s10905-011-9290-8
8- Bignell, D. E., Roisin, Y., & Lo, N. (Eds.). (2010). Biology of termites: a modern synthesis. Springer Science & Business Media.
9- Hawsawi, H. I. (2016). Nature Inspired Interior Design Principles in the Hot Arid Climate of Saudi Arabia. Arizona State University.
10- Khan, N., Su, Y., & Riffat, S. B. (2008). A review on wind driven ventilation techniques. Energy and buildings, 40(8), 1586-1604.
11- Korb, J. (2011). Termite mound architecture, from function to construction. Biology of termites: a modern synthesis, 349-373. doi:10.1007/978-90-481-3977-4_13
12- Lau, G. L. (2015). Sustainable High-rise Construction in Shanghai.
13- Perna, A., & Theraulaz, G. (2017). When social behaviour is moulded in clay: on growth and form of social insect nests. Journal of Experimental Biology, 220(1), 83-91. doi:10.1242/jeb.143347
14- Arslan Selçuk, S. E. M. R. A., & Sorguç, A. (2015). Reconsidering The Role of Biomimesis in Architecture An Holistic Approach for Sustainability.
15- Tundrea, H., & Budescu, M. (2013). Bioclimatic architecture, a sensible and logical approach towards the future of building development. Buletinul Institutului Politehnic din lasi. Sectia Constructii, Arhitectura, 59(6), 109.
16- Vadnere, A. P., & Kothawade, V. E. (2016). Bionic Design Approach used for Sustainable Development of Future Automobile Technologies. IJETT, 1(3).
17- Worall, M. (2011). Homeostasis in nature: Nest building termites and intelligent buildings. Intelligent Buildings International, 3(2), 87-95. doi:10.1080/17508975.2011.582316
18- Xhexhi, K. (2020). Vertical Bionic City, New Futuristic Footprint.
19- Yuan, Y., Yu, X., Yang, X., Xiao, Y., Xiang, B., & Wang, Y. (2017). Bionic building energy efficiency and bionic green architecture: A review. Renewable and sustainable energy reviews, 74, 771-787. doi:10.1016/j.rser.2017.03.004
20- Wei, Z., Wenjun, Q., & Zhi, Z. (2015). The preliminary exploration of underground ant nests materials and structure. In Proceedings of the Canadian Society for Civil Engineering Annual Conference.
بررسی عملکرد بیونیکی موریانه و مورچه، در جهت بهینهسازی
تهویه و انرژی
سارا حبیبی1، سولماز حبیبی2، کاوه شکوهی دهکردی3*
1-کارشناسی ارشد فناوری معماری- بیونیک، موسسه آموزش عالی رسام، کرج، تهران، ایران.
habibisara410@gmail.com
2-کارشناسی ارشد مهندسی معماری، موسسه آموزش عالی آمل، آمل، مازندران، ایران.
1126habibi@gmail.com
3-استادیار معماری، دانشکده هنر و معماری، دانشگاه آزاد اسلامی واحد رودهن، ایران. (نویسنده مسئول)
Kaveh.shokouhi@iau.ac.ir
تاریخ دریافت: [17/6/1403] تاریخ پذیرش: [19/9/1403]
چکیده
انسانها برای رسیدن به تعامل با طبیعت، باید انرژی و منابع طبیعی را حفظ کنند و در مصرف آنها صرفهجویی نمایند، هدف اصلی این پژوهش، بررسی عملکرد بیونیکی موریانه و مورچه، در جهت بهینهسازی تهویه و انرژی است و اهداف فرعی، بررسی لانه موریانه و مورچه و روشهای عملکردی آنها برای ایجاد تهویه طبیعی و نیز، بررسی لانه موریانه و مورچه و روشهای عملکردی آنها برای حفظ انرژی است، به نظر میرسد با استفاده از دستاوردهای مطالعه ساختارهای موجود در لانه موریانه و مورچه و با توجه به اینکه این حشرات اجتماعی پیچیدهترین لانههای زیرزمینی را با عمق زیاد با سیستم شبکهای میسازند و در تمام نقاط لانه، دمای مناسب و ثابتی را با گردش هوای خوب و رطوبت نسبی، به‌طور غریزی حفظ میکنند و عملکردهای بیونیکی مناسبی برای رسیدن به تهویه طبیعی و حفظ انرژی دارند، میتوانند الگوی مناسبی در جهت بهینهسازی تهویه و انرژی باشند، روش تحقیق به‌طورکلی تحلیلی بوده و با بررسی لانه موریانه و مورچه و الگوهای عملکردی آنها و تلفیق تمام یافتهها، میتوان به هدف والای حفظ و بقای انرژی دست یافت، با گردآوری اطلاعات کتابخانهای و اینترنتی و با استفاده از کتابها و مقالات ترجمه شده معتبر و با بررسی عملکردهای، لانه موریانه و مورچه، در جهت تهویه طبیعی، با جمعبندی و ارزیابی یافتهها، میتوان نتایج مطلوبی در جهت بهینهسازی تهویه و انرژی در معماری به دست آورد، نتایج حاصل از این پژوهش، برای رسیدن به هدف والای تعامل و یکپارچگی با طبیعت و رسیدن به ایدههای بیونیکی با رویکرد بهینهسازی تهویه و انرژی، با بررسی عملکردهای مورچه و موریانه در لانهسازی در جهت حفظ انرژی و بهینهسازی تهویه و الگوبرداری از قوانین عملکردی آنها است.
واژگان كليدي: بیونیک، تهویه طبیعی، لانه موریانه، لانه مورچه، حفظ انرژی.
1- مقدمه
انسانها با بهرهکشی بیش‌ازحد از طبیعت، به محیطزیست آسیب زیادی رساندند، غافل از اینکه حیات خود را نیز به خطر میاندازند، بعدازاینکه متوجه شدند که این بهرهکشی بیش‌ازحد برای خودشان نیز خطرآفرین شده، برای جبران، ابتدا با الگوبرداری از جانداران و ساختارهای طبیعی در سه سطح، الگوبرداری ظاهری (تقلید از فرم)، الگوبرداری استعاری (کانسپت) و الگوبرداری قوانین (محاسباتی)، از طبیعت الگوبرداری کردند، از میان این سه نوع، الگوبرداری قوانین، بیشتر از انواع دیگر، به طبیعت نزدیک است (Korb, 2010).
با دستیابی به معماری پایدار و علم بیونیک و با پیوستن بناها به طبیعت به‌عنوان عضو الحاقی و ایجاد یکپارچگی با آن، از طریق الگوبرداری از قوانین عملکردی مصادیق طبیعت، در مصرف منابع طبیعی صرفهجویی نمودند، منابع طبیعی ازجمله انرژی (که بخش زیادی از آن، صرف تهویه میگردد)، با بررسی و الگوبرداری از مصادیق طبیعت همچون لانه موریانه و مورچه و تلفیق یافتهها با فناوری روز دنیا، میتوان از آسیبهای احتمالی وارده به محیطزیست جلوگیری کرده و با طبیعت یکپارچه شد (Wei, Wenjun & Zhi, 2015).
به‌طورکلی موریانهها و مورچهها، لانههایی با ساختار زیرزمینی و پیچیدهای دارند که دارای گردش هوای خوب، دما و رطوبت نسبی مناسب میباشند، این حشرات، سایت لانه خود را بر اساس شرایط خاصی انتخاب میکنند و به دلیل گونههای مختلف، اشکال لانههایشان متفاوت است، این حشرات اجتماعی، در زمینههای متفاوت ازجمله سازه و معماری میتوانند الگوی مناسبی برای الگو گیری بیونیکی در معماری باشند (فریش، 1374).
انسانها با استثمار طبیعت و بهرهکشی بیش‌ازحد از آن، بدون توجه به محیطزیست خود، نه‌تنها به طبیعت آسیب رساندند بلکه ادامه بقا و حیات خود را نیز به خطر انداختند، برای جبران آسیبهای وارده و حفظ بقا و پایداری و هماهنگی با محیط، باید همگام و هماهنگ با محیطزیست رفتار کنند، برای این هماهنگی و تعادل باید در مصرف انرژی صرفهجویی نمایند، هزینه و انرژی زیادی صرف تهویه میگردد، برای این منظور و برای حفظ بقا و انرژی با الگوبرداری از طبیعت و استفاده از مصادیق تهویه طبیعی موجود در آن، انسانها با وجود فناوری و تکنولوژی به تنهایی قادر به حل مشکلات نبوده و باید از فناوری در جهت هماهنگی بهره ببرند تا بتوانند محیطی مناسب برای حیات خود فراهم کنند، برای رسیدن به این هدف، باید طبیعت و فناوری را با هم تلفیق کنند و با استفاده از مصادیق و عملکردهای بیونیکی برگرفته از آن در زمینه تهویه، هزینهها و مصرف انرژی را کاهش دهند و در جهت حفظ حیات و منابع طبیعی باید، انرژی و آب و مصالح را نیز حفظ نمایند، برای طراحی ساختمانی با هدف هماهنگی با طبیعت، باید در تمام مراحل، چه در مرحله طراحی و چه در زمان ساخت و حتی بعد از ساخت، به کمک معماری بیونیک و با سرمشق گرفتن از عملکردهای بیونیکی در طبیعت و انعطافپذیری فضاها، برای حفظ انرژی و مصالح تجدیدپذیر و بازیافت مصالح باقیمانده، از آسیب به طبیعت و چرخه حیات جلوگیری کنند، هدف از این پژوهش دستیابی به یکپارچگی و هماهنگی با طبیعت و بهرهگیری از معماری بیونیکی، در راستای بهینهسازی و حفظ انرژی، به‌خصوص انرژی مصرفی برای تهویه است و باید با الگوگیری از طبیعت و بهرهگیری از معماری بیونیک، فضایی مطلوب برای بناها، فراهم نمود، برای رسیدن به این هدف، با بررسی مصادیق شاخص طبیعت، موریانه و مورچه و با توجه به معماری بیونیکی این موجودات میتوان نتایج مطلوبی یافت و با بهرهگیری از آن نتایج و تلفیق فناوری و معماری بیونیک، از آسیبهای احتمالی به طبیعت و حیات، جلوگیری کرد.
2- مرور مبانی نظری و پیشینه
1-2-مبانی نظری
1-1-2- اصول اساسی تقلید زیستی
این اصول مفهوم برجستهای است که از معماری زیست‌اقلیمی ایجاد شده است و به الهام گرفتن از طبیعت اشاره دارد و ساختارهای طبیعی و سیستمهای صرفهجویی در انرژی را بررسی مینماید (Tundrea & Budescu, 2013).
2-1-2- الهام از طبیعت
1- الهام از اشکال طبیعت.
2- الهام معنایی از طبیعت (استعاری).
3- الهام از قواعد طبیعت، در روش سوم، یعنی الهام از قواعد طبیعت، معماری به این طریق به طبیعت نزدیک میشود (شرقی و قنبران، 1391).
2-1-3- مفاهیم بیونیک
علم بیونیک بعد از طراحی سبز و طراحی پایدار، در جهت حفاظت از محیطزیست مطرح گردید، بیونیک به معنای یادگیری از طبیعت و اجرای دانش به‌دست‌آمده با الگوگیری از طبیعت و طراحی مصنوعی تلفیقی با الگوگیری ها از محیطزیست برای نزدیکی و تعامل با محیطزیست است، نیازهای بشر را نیز در حین حفاظت از طبیعت برآورده میسازد، ایده ترکیب اصول طبیعت و اصول فنی، به قرن 16 برمیگردد، به‌عنوان مثال، ماشین پرندهای که لئوناردو داوینچی با مطالعه و الگوبرداری، در طرحهایش به نمایش درآورده است مثال واضحی از این ترکیب است (Vadnere & Kothawade, 2016).
1-2-4- تعریف تهویه و تهویه مطبوع
تهویه به روند دمش یا مکش هوا، طبیعی یا مکانیکی، برای تأمین کردن آسایش است. تهویه مطبوع، فرایندی برای دگرگونی ویژگیهای هوا به شرایط دلخواه است، تهویه مطبوع تهویهای با تنظیم، دما و رطوبت، به همراه حذف آلایندههایی همچون بو، گردوغبار و غیره...، برای تأمین آسایش در شرایط تعیین شده است (مقررات ملی ساختمان، 1388).
2-1-5- تهویه طبیعی
تهویه طبیعی، فرایند جابهجایی هوای داخل با هوای تازه بیرون ساختمان، بدون استفاده از تجهیزات تأسیساتی است، این امر توسط ایجاد جریان هوا با سرعتی مناسب برای ایجاد آسایش مورد نظر است (راز جویان، 1386).
2-1-6- سرعت باد، جهت باد و اختلاف دما
تهویه از طریق اثر دودکش انجام میشود، یعنی با ایجاد اختلاف فشار در دودکش هوای گرم به سمت بالا رفته و هوای سرد پایین میآید و فضای داخل خنک میگردد (شرقی و قنبران، 1391).
1-2-7- سرعت باد
میدان فشاری اطراف بنا بر اثر برخورد با بنا به وجود میآید که مبتنی بر سرعت باد است، اگر سرعت باد 2.5 متر بر ثانیه باشد، تهویه مؤثر میگردد.
2-1-8- جهت باد
جهت باد، مشخص کننده نحوه عبور هوا از ساختمان، جهت وزش باد است، هنگامی که باد از روی بنا حرکت میکند، میدانی با فشار مثبت و منفی ایجاد میگردد، جهت حرکت باد از مثبت به سمت منفی خواهد بود.
2-1-9- اختلاف دما
با افزایش دما چگالی هوا کم شده و هوای سبک شده، رو به بالا حرکت میکند، هوای خنک با چگالی بیشتر جایگزین هوای گرم میشود (احدی و سفادرانی، 1393).
2-2- پیشینه تحقیق
فریش (1374)، در کتابی با عنوان معماری حیوانات، درباره نیاز و علاقه انسان برای الگوگیری از طبیعت در معماری سخن میگوید و بیونیک را شالوده همه سیستمهای زنده دنیا میداند، چند نمونه بنای بیونیکی را معرفی نموده و از تأثیر محیطزیست و اقلیم بر بناها سخن گفته است، زندگی و روابط اجتماعی موریانه و نحوه لانهسازی و معماری بیونیکی و نحوه عملکرد و روشهای تهویه طبیعی در تمام نقاط لانه را بررسی و بیان کرده است. یوان و وانگ1 در سال 2017، در مقالهای با نام، بهرهوری انرژی ساختمان بیونیک و معماری سبز بیونیک، ساختار لانه موریانه و دریچههای لانه را، مورد بررسی قرار میدهند و نحوه عملکرد موریانه را که در تابستان و زمستان موجب کنترل انرژی و بهینهسازی تهویه است را بیان میکنند. هاوساوی2 در سال 2016، در مقالهاش با نام، اصول طراحی داخلی در آب‌وهوای خشک عربستان، از طبیعت الهام گرفته است، تونلهای تهویه هوای لانه موریانه و نحوه به جریان افتادن و حرکت هوا را بیان کرده و نیز نحوه مکانیابی به جهت لانهسازی و شرایط محیطی لازم را در این باره شرح میدهد. بولازی، فورتی و روکس3 در سال 2012، در مقالهای با نام، تهویه لانههای غولپیکر مورچههای برگ برنده، تأثیر فرم خارجی لانه مورچه را در گردش هوا بررسی کرده و رشد قارچ و تأثیراتش در گردش و جریان هوا را در اعماق لانه مورد بررسی قرار دادهاند. ژووی4 در سال 2015، در مقالهای به نام، کاوش اولیه مواد و سازههای زیرزمینی و لانهها، به بررسی تحقیقات موجود درباره مورچه و ساختار لانه مورچه پرداخته و روند تحقیقاتشان را به‌طور خلاصه بیان کردهاند، سپس ویژگیهای مورد نظر مورچگان برای انتخاب محل لانه را بیان کرده و به مطالعات درباره شبیهسازی لانه پرداختهاند. پرنا و ترالاز5 در سال 2017، در مقالهاش، تکنیکهای مختلف تجسم ساختارهای سهبعدی پیچیده و کمیسازی آنها را مورد بررسی قرار داده است. وورال6 در سال 2011، در کتابی با نام، هموستاز در طبیعت، موریانههای ساخت آشیانه و ساختمانهای هوشمند، اصل هموستاز را بیان کرده و توسعه عناصر ساختاری سازگار با تغییرات محیطی را بررسی کرده است. زکسی7 در سال 2020، در کتابی با نام، شهر عمودی بیونیک، ردپای جدید آیندهنگرانه، درباره شهر عمودی بیونیکی و شهر آینده که همه‌چیز در آن برنامهریزی شده است سخن گفته که با الهام از موجودات زنده و موریانه که از پنج عنصر جهان، به نفع خود بهره میبرند تا در برابر آب‌وهوا و شرایط جوی نامساعد بتوانند شرایط مناسبی برای حیات خود فراهم نمایند. کوسرنسکی و روکس8 در سال 2012، در کتابی با نام، ساخت برجک برای تهویهی لانه مورچه برشدهنده علف و مونتاژ مصالح ساختمانی، برجکهای تهویه لانه مورچه را مورد بررسی قرار داده است.
3- روش‌شناسی
الهام از موریانه و مورچه در معماری، در جهت بهینهسازی تهویه و انرژی است و اهداف فرعی، بررسی لانه موریانه و مورچه و روشهای عملکردی آنها برای حفظ انرژی و ایجاد تهویه طبیعی، در جهت کاهش مصرف انرژی و بهینهسازی، به‌خصوص انرژی مصرفی در زمینه تهویه و الهامگیری از آنها، در جهت رسیدن به تعامل با طبیعت است. به‌طورکلی، روش تحقیق، توصیفی- تحلیلی است، با گردآوری اطلاعات در قالب مطالعات کتابخانهای-اسنادی و اینترنت، با استفاده از کتابهای ترجمه شده موجود و ترجمه مقالات انگلیسی معتبر و با بررسی دادههای اولیه و جمعآوری یافتههای پیشین و دادههای جدیدتر و با بررسی کلی مصادیق طبیعت در جهت تهویه طبیعی و حفظ انرژی و نیز با بررسی مصادیق بیونیکی خاص و مورد نظر در طبیعت و عملکردهای بیونیکی آنها، به همراه عکسها و جزئیات به دست آمده از سایتهای معتبر جهانی، اطلاعات مورد نظر، در زمینه موضوع پژوهش، گردآوری شده است، اطلاعات به دست آمده مجموعهای از یافتههای علمی درباره روشهای عملکردی بیونیکی موریانه و مورچه و تلاشهای دانشمندان و محققان در جهت شبیهسازی لانه آنها برای تهیه اطلاعات بیشتر از نحوه عملکرد این موجودات خارقالعاده در برابر ناملایمات جوی و راهحلهای نفیس آنها در حل مشکلات طراحی معماران و پاسخ به نیازهایشان با وجود محدودیتهاست، اطلاعات به دست آمده جمعبندی و تحلیل گردید، با احاطه به این یافتهها و با دستهبندی و حصول نتیجه تحلیلها، پاسخ پرسشهای پژوهش به دست آمده و زمینه برای الگوبرداری و ایدهپردازی و ارائه راهکارهای عملی در طراحی برای معماران حتی‌الامکان فراهم گردید.
3-1- اهداف تحقیق
هدف اصلی
بررسی عملکرد بیونیکی موریانه و مورچه، در جهت بهینهسازی تهویه و انرژی است.
اهداف فرعی
1- بررسی لانه موریانه و مورچه و روشهای عملکردی آنها برای ایجاد تهویه طبیعی.
2- بررسی لانه موریانه و مورچه و روشهای عملکردی آنها برای حفظ انرژی است.
نمودار 1- فرایند و مدل کلی تحقیق (منبع، نگارنده).
4- یافتهها
بررسی رویکردهای بیونیکی لانه موریانه و مورچه، برای دستیابی به عملکردهای آنها در جهت حفظ و کنترل انرژی و بهره بردن از تهویه طبیعی در جهت برآوردن نیازها و آسایش در تمام نقاط لانه با رسیدن به دما و رطوبت ثابت و مناسب و گردش هوای خوب در تمام محیطهای زیستی با شرایط محیطی مختلف، برای بهرهمندی از راهکارهایشان در جهت بهینهسازی در تهویه و انرژی.
1-4- تهویه طبیعی بیونیک
نسبت به چند دهه قبل، فناوری تهویه با جدیت بیشتری در نظر گرفته شده است و ارزیابی چنین مواردی برای صرفهجویی در مصرف انرژی در معماری، مسئله اصلی است، مصادیق زیادی در طبیعت در مورد تهویه طبیعی وجود دارد که مهمترین آنها لانه موریانه و مورچه است که بزرگترین معماری در جهان محسوب میشوند، مانند لانهی موریانههایی که در بزرگراههای آفریقا و استرالیا دیده میشوند، جذابترین قسمت موضوع لانهی موریانه، برای دانشمندان، دمای ثابت 28 درجه است، حتی در محلی که اختلاف دمای روز و شب در آنجا، 50 درجه سانتیگراد است، دانشمندان لانه موریانه را فوق موجودات نامیدند، به گفته دکتر سویل9، انسان با تعریق دمای بدنش را تنظیم میکند در حالیکه موریانهها این تابع تعادل را به لانههای خود، به‌عنوان مرکز تثبیتکننده اختصاص میدهند (Yuan, Yang, Xiao, Xiang & Wang, 2017).
4-2- بررسی لانه مورچه و عملکرد آنها در جهت تهویه
4-2-1- طراحی زیرزمینی و بیونیک
نقش بیونیک در طراحی معماری توجه گستردهای را به خود جلب کرده است، عملکرد و کاربرد روشهای بیونیک معماری شامل پنج جنبه است: فرم بیونیک، ساختار بیونیک، عملکرد بیونیک، ماده بیونیک و ساخت بیونیک. ساختار لانههای مورچه زیرزمینی دارای ویژگیهای قابل توجهی در این پنج، جنبه از طراحی بیونیک است، از زاویه شکل بیونیک، ساختار لانههای مورچه باعث ایجاد یک درخت معکوس شده است که فضای زیر زمینی را از طریق کانالها و محفظههای خود شکل داده است، کانالها به صورت افقی و طولی از طریق الگوهای خاص کشیده میشوند، از طریق کانالها میتوان به هر محفظهای دسترسی پیدا کرد و همه اتاقها به روشهای مختلف عمل میکنند و مکمل یکدیگر هستند، از نظر ساختار بیونیک، ساختار لانههای مورچه دارای خواص مکانیکی، عالی است، ورودی، ضدضربه و مقاوم در برابر آب، مقاوم در برابر ضربه و غیره است و اتاقهای تمام سطوح میتوانند به‌طور مساوی در برابر فشار خاک مقاومت کنند، از زاویه عملکرد بیونیک، لانههای زیرزمینی، دارای ویژگیهای دمای ثابت، رطوبت ثابت و گردش هوا خوب هستند، از زاویه مواد بیونیک، مواد خاک لانه –زیرزمینی، عملکرد مشابه خاکستر ذغالسنگ را نشان میدهد، از زاویه ساخت بیونیک، مورچهها، یک سیستم کامل از لانههای پیچیده را ایجاد میکنند و چنین ساختار مهندسی عظیمی را انجام میدهند، همچنین روشهای ساخت‌وساز منظم آنها، مرجع بسیار خوبی برای روش ساخت انسانها است (Xhexhi, 2015). دیاکسیدکربن باعث افزایش غلظت دیاکسیدکربن در هوا شده و با اختلاف غلظت دیاکسیدکربن10 و اکسیژن11 در هوا، هوای ساکن، به گردش درمیآید، مورچهها، برجهای اصلی تهویه که به تمام بخشها هوارسانی میکند را در بالای دهانه و روی زمین قرار میدهند (Wangd Bollazzi, Forti & Roces, 2012).
شکل 1- لانه مورچه (کوسرنسکی و همکاران، 2012).
لانه مورچه در ساختار پیچیده زیرزمینی، دمای ثابت و رطوبت نسبی مناسب و گردش هوای خوبی دارد، مورچهها به دلیل گونههای مختلف، اشکال لانههایشان متفاوت است، عموماً متشکل است از یک اتاق اصلی بزرگ در هسته و اتاقهای بسیاری که از طریق کانالها به هم متصلاند، ساختار لانه از هسته به سمت بیرون گسترشیافته و یک سیستم شبکهای را تشکیل میدهد (Selçuk & Sorguç, 2015). مورچهها حشرات اجتماعی هستند که به عنوان سازههای سازگار عمل میکنند و لانههای خود را به صورت سازمانیافته حفر میکنند، دهانههای لانه آنها به‌عنوان برج تهویه عمل میکنند و هر لانه بالغ بر 200 دهانه کنترل شده دارد (Cosarinsky & Roces, 2012). مورچهها، بزاق و مدفوع خود را با خاک مخلوط میکنند و لانه پیچیده و منحصر به فرد خود را میسازند، لانهای که ضدآب بوده و عایق حرارتی است و پاسخگوی همه خواستهها و نیازهای آنهاست، لانه عمیق زیرزمینی از طریق کانالهایی به هم مرتبط است که بسیار محکم است، درجه حرارت داخلی را، با ساخت لانه در سایه و تنظیم ضخامت دیوارههای خارجی لانه و نگهداری یونجه در اطراف لانه و تهویه هوا را، توسط ورودیها و خروجیها و منافذ بدنه لانه تنظیم میکنند، رطوبتدهی در لانه نیز از طریق حفر کانالهایی به منابع آبهای زیرزمینی انجام میدهند، برای به جریان انداختن هوای ساکن از اختلاف غلظت دیاکسیدکربن بهره میبرند، دیاکسیدکربن ایجاد شده توسط قارچهای اعماق لانه و فعالیت تنفسی مورچهها در لانه بیشتر از هوای اطراف دهانهها و منافذ است و این خود عامل ایجاد جریان هواست، مورچهها برای ایجاد اختلاف پیاچ12 خاک، مواد آلی را با خاک اطراف لانه مخلوط میکنند که باعث افزایش کربن، نیتروژن و فسفر و عناصر دیگر در خاک میشوند (Lau, 2015).
4-2-2- ویژگیهای انتخاب سایت لانههای مورچه زیرزمینی
مورچهها سایت لانه خود را بر اساس ویژگیهای محیطی و در مسیر آبهای زیرزمینی انتخاب میکنند و در امتداد نهرهای کوچک، در مناطقی که چمن کمی دارد و 10-30 سانتیمتر از ریشه درخت فاصله دارد (Lau, 2015).
4-2-3- پدیدههای خودسازماندهی بیولوژیکی
موریانهها، موجودات خارقالعادهای هستند لانههایشان را سازمانیافته میسازند و در واقع شبکههای پیچیده منسجمی دارند، گونههای مختلف آنها به دلیل محیطزیست متفاوت، لانهسازی متفاوتی دارند.
شکل 2-موریانههای دشتهای گرمسیری آمریکای جنوبی و آفریقا و استرالیا که در اعماق لانه، قارچ پرورش میدهند (Hensell, 2005).
یکی از گونههای موریانهها که در ساواناهای آفریقا زندگی میکنند، برخلاف دیگر موریانهها، لانه بسیار کوچکی میسازد که روی زمین به سختی، قابل تشخیص است، اما قسمت بزرگ لانه در زیرزمین است، منافذ بسیاری در سطح زمین دارد که در جهت تهویهی مطبوع لانه و مبادله گازها به بیرون لانه تعبیه شده است. لانه دارای اتاقهای بزرگی است که توسط 40 ستون استحکام یافته و توسط 2 معبر مستقیم و رمپهای مارپیچی به هم متصل شدهاند. تهویه در این لانه هم مانند لانههای دیگر موریانهها، دمایی ثابت و خنک و تهویه در کل لانه با بهینهسازی همراه است و انرژی با مدیریت و ساختار خوبی کنترل میگردد (Perna & Theraulaz, 2017). برخی زیستشناسان متوجه شدند موریانهها در کویر، لانه ساختهاند. فضای داخلی لانه با وجود حرارت شدید کویر، خنک است. لانههای عظیمالجثه که در داخل لانه، قارچ پرورش میدهند، قارچ هم منبع اصلی غذایی آنهاست و هم به دلیل ایجاد غلظت بیشتر دیاکسیدکربن، باعث اختلاف غلظت و جریان هوا میگردد. موریانهی آفریقایی، عالیترین نمونه موجود از معماری پیشرفتهای است که راهحلهای نفیسی برای مشکلات طراحی معماران دارد، از جمله، مقاومت ساختاری، حفاظت اولیه، تهویه طبیعی، کنترل رطوبت و غیره (Khan & Riffat, 2008).
شکل 3- نمونهای از شانههای قارچ مصنوعی در لانههای موریانههای در حال رشد قارچ، یک لانه باز شده، نمای داخل لانه، ساختارهای قهوهای مایل به خاکستری، شانههای قارچ هستند، در بالا سمت راست، یک کانال هوای بزرگ در داخل یک پشته به سمت بالا اجرا شده است، خاکستری رنگ است (Hensell, 2005).
در لانه، هزاران موریانه، اکسیژن تنفس کرده و دیاکسیدکربن تولید کرده و در نتیجه همزمان، گرمای زیادی تولید میکنند، محققان متوجه شدند که خاک لانه موریانه، گرما را به خوبی هدایت نمیکند و به صورت عایق عمل میکند، تونلهای تهویهی بسیاری در لانه است که توسط موریانهها کنترل میشوند تا دما ثابت بماند (Hawsawi, 2016). موریانهها برای رشد قارچها، نیاز به محیطی مناسب و گرم دارند، برای جلوگیری از اتلاف انرژی، باید لانه خود را عایقبندی کنند، با اینکه اجازه میدهند تبادل گازها در طبیعت، انجام شود، عایقبندی صورت میگیرد، آنها این کار را با ساختن لانه به صورت گنبدی با دیوارههای ضخیم انجام میدهند و لانه را در سایه درختان میسازند، غلظت دیاکسیدکربن در لانهها، عاملی برای جریان هوا و بهینهسازی تهویه است، به این ترتیب با محیط سازگار است و این ساختار نمایانگر یک معامله مابین موریانه و طبیعت است، دمای فضای داخلی لانه، 30 درجه سانتیگراد است و نوسان آن تا 3 درجه است (Hensell, 2005).
شکل 4-عملکرد موریانهها در جهت کنترل دما در فصول مختلف.
موریانههای قطبنما در استرالیای غربی، درجه حرارت داخل لانه را در 31 درجه نگه میدارد، دمای فضای داخلی ثابت است درحالی‌که روز و شب، تابستان و زمستان، دمای خارجی بین 3 درجه سانتیگراد تا 42 درجه سانتیگراد متغیر است، این موریانه، لانهای به شکل قطبنما و دیواری به ارتفاع 3 متر میسازد، با گرم شدن جداره بیرونی لانه، توسط خورشید، هوا در اطراف دهانه گرمتر شده، هوای گرم داخل لانه، بالا رفته و هوای خنک تازه، پایین میرود، همچنین وزش باد از بالای تپه به مکش هوا کمک میکند. در لانههای موریانههای مغناطیسی، جهتگیری لانه از شمال به جنوب است و این جهتگیری شرایط را از هر جهت پایدارتر مینماید، این عمل نیز باعث مقاومت در برابر حرارت شده و دمای هسته داخلی تثبیت میگردد (Hensell, 2005).
شکل 5-لانه موریانههای مغناطیسی به شکل قطبنما از جهت شمال به جنوب که در شمال استرالیا قرار دارد (Hensell, 2005).
شکل 6- لانهی موریانههای استرالیا
4-2-4- مطالعات و شبیهسازی، چگونگی ساختار و عملکرد موریانه و مورچه
چند زیستشناس با ریختن گچ دندان در لانه و تخریب لانه، به ترتیب، مدل ساختاری، لانههای، گونههای مختلف موریانه را، شبیهسازی کردند، کولورنی13 و همکارانش در سال 1992، تحقیقاتی درباره عملکرد بهینهسازی کلنی مورچه برای طراحی بهینه، انجام داد و گائو14 و همکارانش در سال 2001، تحقیقاتی درباره عملکرد بهینهسازی تهویه و انرژی در لانههای موریانه انجام دادند و همه دانشمندان بیان کردند که مورچهها و موریانهها، معماران بزرگی هستند که با عملکردهای مناسب، درجه حرارت و رطوبت لانه را در حالت مطلوب حفظ میکنند و در نهایت در بهینهسازی تهویه و انرژی عملکردهای بسزایی دارند. روش دیگر برای تجسم ساختار لانه مورچه، قسمتی از لانه را در کارتن بستهبندی کرده و منجمدش کردند، ورودی را به‌عنوان مرجع قرار داده و با سیانسی15، برش عرضی یا طولی، زدند، طبق عکس محل قرارگیری دوربین، دیواره یخزده است. از طریق فرز سیانسی منجمد و روش سنتز رایانهای، توانستند، یک تصویر شبیهسازی شده سهبعدی از ساختار داخلی لانههای مورچه بسازند و متوجه شدند که لانههای مورچه زیرزمینی بسیار پیچیده و منحصر به فرد ساخته شدهاند، آنها ضدآب و عایق در برابر حرارت هستند، همچنین عملکردی برای پاسخگویی به تمام خواستهها مانند ذخیرهسازی، حفاظت و تمیز کردن و غیره…، نتیجه آزمایش، محفظههای افقی به وسیله کانالهایی پیچدرپیچ و چرخشی به هم متصلاند. منافذی در فواصل منظم که ارتباط با خارج را امکانپذیر میکند، اسکن ترموگرافی اشعهایکس16، به دانشمندان اجازه تجسم ساختار داخلی را میدهد که از اتاقهای بزرگ و با فواصل منظم از هم تشکیل شده که توسط کفهای نازک، ستونها و رمپها به هم متصل شدهاند، اسمیت17 در سال 1898 و اتترشانگ18 در سال 1968، توسط ریختن مواد ریختهگری مانند، آلیاژهای فلز و یا گچ دندان در داخل لانه موریانهها، لانهها را شبیهسازی کردند و حجم لانه و عمق و شکل اتاقهای لانه را به‌صورت دقیق به دست آوردند، عیب این عمل، تخریب کل لانه بود، در سال 1956، دسنوکس19، طبیعتشناس بلژیکی، تکنیک تصویربرداری پزشکی را جایگزین این روشها کرد و دیگر نیازی به تخریب لانهها نبود، فوچس (Fuchs) و همکارانش در سال 2004، از توموگرافی با اشعهایکس و هم از آندوسکپی (endoscopy) استفاده کردند (Xhexhi, 2005).
