Tin Khoa học Công nghệ quốc tế

CÁC NHÀ KHOA HỌC PHÁT TRIỂN “TẤM CỬA SỔ LỎNG” TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

30/12/2020 | 0
Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một tấm cửa sổ lỏng có thể đồng thời chặn ánh nắng mặt trời để điều chỉnh sự truyền năng lượng, đồng thời giữ nhiệt lượng tỏa ra cả ngày và đêm, giúp giảm tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà

Các nhà nghiên cứu của NTU đã phát triển “cửa sổ thông minh” của họ bằng cách đặt chất lỏng gốc hydrogel vào trong các tấm kính và nhận thấy rằng nó có thể giảm tới 45% mức tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà trong mô phỏng, so với cửa sổ kính truyền thống. Nó cũng tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 30% so với kính có độ phát xạ thấp (tiết kiệm năng lượng) được bán trên thị trường, đồng thời có giá thành rẻ hơn.

Cửa sổ là một thành phần quan trọng trong thiết kế của một tòa nhà, nhưng chúng cũng là kém hiệu quả về năng lượng nhất nhất. Do nhiệt dễ dàng truyền qua kính, cửa sổ có tác động đáng kể đến chi phí sưởi ấm và làm mát của tòa nhà. Theo một báo cáo năm 2009 của Liên Hợp Quốc, các tòa nhà chiếm 40% lượng năng lượng sử dụng toàn cầu và cửa sổ chiếm một nửa lượng năng lượng tiêu thụ đó.

Cửa sổ phát xạ thấp tiết kiệm năng lượng thông thường được làm bằng các lớp phủ đắt tiền để giảm ánh sáng hồng ngoại truyền vào hoặc ra khỏi tòa nhà, do đó giúp giảm nhu cầu sưởi ấm và làm mát. Tuy nhiên, chúng không điều chỉnh ánh sáng nhìn thấy, một thành phần chính của ánh sáng mặt trời khiến các tòa nhà nóng lên.

Để phát triển một loại cửa sổ có thể khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu của NTU đã chuyển sang sử dụng nước, nước hấp thụ một lượng nhiệt cao trước khi bắt đầu nóng - một hiện tượng được gọi là nhiệt dung riêng cao.

Họ đã tạo ra một hỗn hợp micro-hydrogel, nước và chất ổn định. Thông qua các thí nghiệm và mô phỏng, hỗn hợp có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng ở nhiều loại khí hậu, do khả năng phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Nhờ có hydrogel, hỗn hợp chất lỏng chuyển sang màu đục khi tiếp xúc với nhiệt, do đó ngăn chặn ánh sáng mặt trời, và khi nguội, hỗn hợp trở lại trạng thái “trong” ban đầu.

“Cửa sổ lỏng” phù hợp nhất cho các tòa nhà văn phòng

Đồng thời, khả năng trữ nhiệt cao của nước cho phép tích trữ một lượng lớn nhiệt năng thay vì truyền qua kính vào tòa nhà vào ban ngày nắng nóng. Nhiệt sau đó sẽ được làm mát dần dần và thoát ra vào ban đêm.

Tiến sĩ Long Yi, tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule, và là Giảng viên cao cấp tại Trường Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu cho biết, “Chúng tôi kết hợp các đặc tính độc đáo của cả hai loại vật liệu - hydrogel và nước. Bằng cách sử dụng chất lỏng gốc hydrogel, chúng tôi đơn giản hóa quá trình chế tạo để đổ hỗn hợp vào giữa hai tấm kính. Điều này mang lại cho cửa sổ một lợi thế duy nhất là tính đồng nhất cao, có nghĩa là cửa sổ có thể được tạo ra với bất kỳ hình dạng và kích thước nào.”

Với kết quả này, nhóm nghiên cứu của NTU tin rằng sự đổi mới của họ là phù hợp nhất để sử dụng trong các tòa nhà văn phòng, nơi mà thời gian hoạt động chủ yếu là ban ngày.

Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm ngoài trời trong môi trường nóng (Singapore, Quảng Châu) và lạnh (Bắc Kinh). Thử nghiệm ở Singapore cho thấy cửa sổ chất lỏng thông minh có nhiệt độ thấp hơn (50 độ C) trong khoảng thời gian nóng nhất trong ngày (buổi trưa) so với cửa sổ kính thông thường (84 độ C). Các thử nghiệm tại Bắc Kinh cho thấy căn phòng sử dụng cửa sổ lỏng thông minh tiêu thụ ít hơn 11% năng lượng để duy trì nhiệt độ tương tự so với căn phòng có cửa sổ kính thông thường.

Cửa sổ thông minh thay đổi thời gian cao điểm tải điện, chặn tiếng ồn

Các nhà khoa học cũng đo thời điểm giá trị nhiệt năng dự trữ cao nhất trong ngày. “Đỉnh nhiệt độ" này trong cửa sổ kính bình thường là 12 giờ đêm, và trong cửa sổ chất lỏng thông minh được chuyển sang 2 giờ chiều. Nếu sự thay đổi đỉnh nhiệt độ này được chuyển thành sự thay đổi về thời gian mà một tòa nhà cần sử dụng năng lượng điện để làm mát hoặc sưởi ấm, thì sẽ dẫn đến mức phí biểu giá năng lượng thấp hơn cho người dùng.

Các mô phỏng sử dụng mô hình tòa nhà thực tế và dữ liệu thời tiết của bốn thành phố (Thượng Hải, Las Vegas, Riyadh và Singapore) cho thấy cửa sổ chất lỏng thông minh có hiệu suất tiết kiệm năng lượng tốt nhất ở cả bốn thành phố khi so sánh với cửa sổ kính thông thường và cửa sổ phát xạ thấp.

Các thử nghiệm cách âm cũng cho thấy cửa sổ chất lỏng thông minh giảm tiếng ồn hiệu quả hơn 15% so với cửa sổ lắp kính hai lớp.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu Wang Shancheng, Cán bộ Dự án tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu cho biết, “Cửa sổ kính hai lớp cản âm được làm bằng hai mảnh kính được ngăn cách bởi một khe hở không khí. Cửa sổ của chúng tôi được thiết kế tương tự, nhưng thay cho không khí, chúng tôi lấp đầy khoảng trống bằng chất lỏng gốc hydrogel, giúp tăng khả năng cách âm giữa các tấm kính, do đó mang lại lợi ích bổ sung không thường thấy trong các cửa sổ tiết kiệm năng lượng hiện nay.”

Tác giả khác của nghiên cứu, Tiến sĩ Zhou Yang từng là nghiên cứu sinh tại NTU và hiện là Phó Giáo sư tại Đại học Dầu khí Trung Quốc-Bắc Kinh (CUPB).

Cung cấp một cái nhìn độc lập, Giáo sư Ronggui Yang, Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung, Trung Quốc, là một chuyên gia về hệ thống nhiệt và năng lượng cho biết: “Đây là ví dụ đầu tiên của cửa sổ thông minh chất lỏng dựa trên hydrogel và nó đưa chúng ta đi xa so với thiết kế kính thông thường. Sự đổi mới mang tính đột phá giúp điều tiết năng lượng mặt trời và lưu trữ nhiệt, đồng thời mang lại hiệu suất tiết kiệm năng lượng vượt trội.”

Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách hợp tác với các đối tác trong ngành để thương mại hóa cửa sổ thông minh.

Nguồn dịch và biên tập: https://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=1e95a8cd-48b2-4ddd-8d96-7bc0013e1c7e

VPTC.HTQT