Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Pennsylvania đã nghiên cứu tính hiệu quả của việc che cửa sổ một lớp có thể cải thiện khả năng tiết kiệm năng lượng trong mùa đông.Tín dụng: iStock/@Svetl.Đã đăng ký Bản quyền.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania - Cửa sổ lắp kính hai lớp được kẹp trong một lớp không khí cách nhiệt có thể mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn so với cửa sổ một cánh, nhưng việc thay thế các cửa sổ một cánh hiện có có thể tốn kém hoặc khó khăn về mặt kỹ thuật.Một lựa chọn tiết kiệm hơn nhưng kém hiệu quả hơn là che các cửa sổ một buồng bằng màng kim loại mờ, giúp hấp thụ một phần nhiệt của mặt trời vào mùa đông mà không ảnh hưởng đến độ trong suốt của kính.Để cải thiện hiệu quả của lớp phủ, các nhà nghiên cứu ở Pennsylvania cho biết công nghệ nano có thể giúp mang lại hiệu suất cách nhiệt ngang bằng với cửa sổ lắp kính hai lớp vào mùa đông.
Một nhóm từ Khoa Kỹ thuật Kiến trúc Pennsylvania đã nghiên cứu các đặc tính tiết kiệm năng lượng của lớp phủ có chứa các thành phần có kích thước nano giúp giảm thất thoát nhiệt và hấp thụ nhiệt tốt hơn.Họ cũng đã hoàn thành bản phân tích toàn diện đầu tiên về hiệu quả sử dụng năng lượng của vật liệu xây dựng.Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Chuyển đổi và quản lý năng lượng.
Theo Julian Wang, phó giáo sư kỹ thuật kiến ​​trúc, ánh sáng cận hồng ngoại – phần ánh sáng mặt trời mà con người không thể nhìn thấy nhưng có thể cảm nhận được nhiệt – có thể kích hoạt hiệu ứng quang nhiệt độc đáo của một số hạt nano kim loại, làm tăng dòng nhiệt vào bên trong.qua cửa sổ.
Wang, người cũng làm việc tại Viện Kiến trúc và Vật liệu thuộc Trường Kiến trúc và Nghệ thuật Pennsylvania, cho biết: “Chúng tôi quan tâm đến việc tìm hiểu xem những hiệu ứng này có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của các tòa nhà như thế nào, đặc biệt là vào mùa đông”.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình để ước tính lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời sẽ được phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua các cửa sổ được phủ bằng các hạt nano kim loại.Họ chọn hợp chất quang nhiệt vì nó có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cận hồng ngoại trong khi vẫn cung cấp đủ khả năng truyền ánh sáng khả kiến.Mô hình dự đoán rằng lớp phủ phản xạ ít ánh sáng hồng ngoại hoặc nhiệt hơn và hấp thụ qua cửa sổ nhiều hơn so với hầu hết các loại lớp phủ khác.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các cửa sổ kính một lớp được phủ các hạt nano dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng trong phòng thí nghiệm, xác nhận các dự đoán mô phỏng.Nhiệt độ ở một bên của cửa sổ phủ hạt nano tăng lên đáng kể, cho thấy lớp phủ có thể hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời từ bên trong để bù đắp lượng nhiệt thất thoát bên trong qua cửa sổ một khung.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đưa dữ liệu của họ vào các mô phỏng quy mô lớn để phân tích mức tiết kiệm năng lượng của tòa nhà trong các điều kiện khí hậu khác nhau.So với lớp phủ có độ phát xạ thấp của các cửa sổ đơn hiện có trên thị trường, lớp phủ quang nhiệt hấp thụ hầu hết ánh sáng ở phổ cận hồng ngoại, trong khi các cửa sổ được phủ truyền thống phản chiếu nó ra bên ngoài.Sự hấp thụ cận hồng ngoại này dẫn đến tổn thất nhiệt ít hơn khoảng 12 đến 20% so với các lớp phủ khác và tiềm năng tiết kiệm năng lượng tổng thể của tòa nhà đạt khoảng 20% ​​so với các tòa nhà không có lớp phủ trên cửa sổ một lớp.
Tuy nhiên, Wang cho rằng khả năng dẫn nhiệt tốt hơn, một lợi thế vào mùa đông, lại trở thành bất lợi trong mùa ấm áp.Để giải thích những thay đổi theo mùa, các nhà nghiên cứu cũng kết hợp các tán cây vào mô hình xây dựng của họ.Thiết kế này chặn ánh nắng trực tiếp làm nóng môi trường vào mùa hè, loại bỏ phần lớn khả năng truyền nhiệt kém và mọi chi phí làm mát liên quan.Nhóm vẫn đang nghiên cứu các phương pháp khác, bao gồm hệ thống cửa sổ động để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm và làm mát theo mùa.
Wang cho biết: “Như nghiên cứu này cho thấy, ở giai đoạn nghiên cứu này, chúng tôi vẫn có thể cải thiện hiệu suất nhiệt tổng thể của cửa sổ kính một lớp tương tự như cửa sổ kính hai lớp vào mùa đông”.“Những kết quả này thách thức các giải pháp truyền thống của chúng tôi về việc sử dụng nhiều lớp hoặc vật liệu cách nhiệt hơn để trang bị thêm cửa sổ một buồng nhằm tiết kiệm năng lượng.”
Sez Atamtürktur Russcher, Giáo sư Harry và Arlene Schell và Trưởng phòng Kỹ thuật Xây dựng cho biết: “Do nhu cầu rất lớn về nguồn cung xây dựng cho cơ sở hạ tầng năng lượng cũng như môi trường, chúng tôi buộc phải nâng cao kiến ​​thức của mình để tạo ra các tòa nhà tiết kiệm năng lượng”.“Tiến sĩ.Wang và nhóm của anh ấy đang thực hiện nghiên cứu cơ bản có thể thực hiện được.”
Những người đóng góp khác cho công việc này bao gồm Enhe Zhang, một sinh viên tốt nghiệp ngành thiết kế kiến ​​trúc;Qiuhua Duan, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng tại Đại học Alabama, nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật Kiến trúc tại Đại học Bang Pennsylvania vào tháng 12 năm 2021;Yuan Zhao, nhà nghiên cứu tại Advanced NanoTherapies Inc., người đã đóng góp cho công việc này với tư cách là nhà nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học bang Pennsylvania, Yangxiao Feng, nghiên cứu sinh tiến sĩ về thiết kế kiến ​​trúc.Quỹ khoa học quốc gia và Dịch vụ bảo tồn tài nguyên thiên nhiên USDA đã hỗ trợ công việc này.
Lớp phủ cửa sổ (các phân tử cận cảnh) đã được chứng minh là có khả năng tăng cường truyền nhiệt từ ánh sáng mặt trời ngoài trời (mũi tên màu cam) vào bên trong tòa nhà trong khi vẫn cung cấp đủ khả năng truyền ánh sáng (mũi tên màu vàng).Nguồn: Hình ảnh lịch sự của Julian Wang.Đã đăng ký Bản quyền.