Kính tiết kiệm năng lượng 'tự thích ứng' với nhiệt độ môi trường

Cửa sổ là một trong những thành phần quan trọng trong thiết kế của một tòa nhà, nó cũng là phần ít tiết kiệm năng lượng nhất và phức tạp nhất. Riêng tại Mỹ, dựa trên dữ liệu có sẵn từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, việc tiêu thụ năng lượng liên quan đến cửa sổ (sưởi ấm và làm mát) trong các tòa nhà chiếm khoảng 4% tổng mức sử dụng năng lượng chính.

Các nhà khoa học cũng đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm hạn chế sự thất thoát năng lượng từ cửa sổ như: sử dụng lớp phủ có độ phát xạ thấp để ngăn truyền nhiệt, sử dụng kính điện sắc để điều chỉnh sự truyền năng lượng mặt trời vào phòng. Tuy nhiên cho đến nay, chưa có giải pháp nào có khả năng sưởi ấm và làm mát cùng một lúc.

Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đứng đầu đã phát triển một loại vật liệu mới khi được phủ lên bề mặt tấm kính cửa sổ có khả năng tự thích ứng hiệu quả với nhiệt ở các vùng khí hậu khác nhau trên thế giới. Loại kính mới này có khả năng làm mát vào mùa hè và làm ấm vào mùa đông, không có thành phần điện giúp giảm việc sử dụng năng lượng.

Theo Tiến sĩ Long Yi, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Hầu hết các cửa sổ tiết kiệm năng lượng ngày nay giải quyết được phần nào sự tăng nhiệt độ do ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại gần gây ra. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu thường bỏ qua khả năng làm mát bức xạ trong tia hồng ngoại có bước sóng dài. Bên cạnh đó những cải tiến chủ yếu tập trung vào việc làm mát bức xạ trên tường và mái nhà, và điều nay sẽ làm giảm nhiệt độ và trở thành chức năng không mong muốn trong mùa đông. Nhóm của chúng tôi lần đầu tiên đã chứng minh một loại kính có thể phản ứng linh hoạt với cả hai bước sóng, nghĩa là nó có thể liên tục tự điều chỉnh để phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ trong tất cả các mùa”.

Loại kính mới này không có thành phần điện, chúng hoạt động bằng cách khai thác các phổ ánh sáng có tác dụng sưởi ấm và làm mát.

Nhờ sử dụng các lớp hỗn hợp hạt nano vanadium dioxide, poly (metyl methacrylate) (PMMA) và lớp phủ phát xạ thấp để tạo thành một cấu trúc độc đáo có thể điều chỉnh nhiệt độ và làm mát đồng thời, loại kính mới này sẽ tự động phản ứng linh hoạt với sự thay đổi nhiệt độ.

Ngoài ra việc điều chỉnh cấu trúc và thành phần của lớp phủ nanocompozit đặc biệt được phủ lên tấm kính, giúp chúng có khả năng được sử dụng trên nhiều ứng dụng điều chỉnh nhiệt khác nhau, không giới hạn ở cửa sổ.

Mùa hè, kính làm mát phòng bằng cách ngăn chặn sự tăng nhiệt độ của năng lượng mặt trời (ánh sáng hồng ngoại gần), đồng thời tăng cường khả năng làm mát bằng bức xạ (tia hồng ngoại có bước sóng dài), vào mùa đông, nó làm ngược lại để làm ấm phòng.

Để chứng minh khái niệm, các nhà khoa học đã thử nghiệm hiệu suất tiết kiệm năng lượng của phát minh của họ bằng cách sử dụng dữ liệu khí hậu mô phỏng bao của các khu vực đông dân cư trên thế giới (bảy vùng khí hậu).

Kết quả cho thấy loại kính mới này có khả năng tiết kiệm năng lượng của trong cả mùa hè và mùa đông, với hiệu suất tiết kiệm năng lượng tổng thể lên đến 9,5%, hoặc ~ 330.000 kWh mỗi năm (ước tính năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho 60 hộ gia đình ở Singapore trong một năm).

Ngoài ra, kính có khả năng thích ứng trong các điều kiện khác nhau chênh lệch từ nhiệt độ phòng cho tới trên 70°C, chứng tỏ khả năng phản ứng linh hoạt với các điều kiện thời tiết thay đổi.

Các kết quả này đã chứng minh khả năng thích ứng với dao động nhiệt độ cao của loại kính mới này tạo nên sự khác biệt so với các cửa sổ tiết kiệm năng lượng hiện tại chỉ sử dụng hạn chế ở các khu vực có ít thay đổi nhiệt độ theo mùa. Hơn nữa, hiệu suất làm nóng và làm mát của loại kính mới này có thể được tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu của thị trường và khu vực mà nó được sử dụng.

Nhóm nghiên cứu tin rằng nghiên cứu này sẽ đã đưa ra một giải pháp mới, thuận tiện cho việc bảo tồn năng lượng trong các tòa nhà vì nó không dựa vào bất kỳ thành phần chuyển động, cơ chế điện hoặc khung nhìn nào để hoạt động.

Theo Giáo sư Gang Ta (Đại học Wyoming - Mỹ), thành viên của nhóm nghiên cứu: Phát minh mới này lấp đầy khoảng cách còn thiếu giữa cửa sổ thông minh truyền thống và hệ thống làm mát bằng bức xạ, mở ra một hướng nghiên cứu mới để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng.

Trong các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu đang hướng tới việc đạt được hiệu suất tiết kiệm năng lượng cao hơn nữa bằng cách nghiên cứu thiết kế lớp phủ nanocompozit của họ. Tại Singapore, họ cũng đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh này.