Ứng dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng

Tòa nhà năng động lấy cảm hứng từ sinh vật biển

Raphael Kay, thạc sĩ khoa học và kỹ thuật vật liệu Đại học Toronto (Canada), người được giám sát bởi Giáo sư Ben Hatton, giải thích: “Sinh vật biển có sự trao đổi chất. Và chúng phải đáp ứng với các điều kiện môi trường thay đổi để duy trì nội tâm thoải mái và hoạt động tốt”. Trong khi tòa nhà dựa vào hệ thống cơ học như hệ thống sưởi và điều hòa không khí để duy trì nhiệt độ trong nhà thoải mái, Kay chỉ ra rằng nhiều loài động vật điều chỉnh việc truyền năng lượng trực tiếp trên bề mặt - tức là da của chúng.

Nhuyễn thể - sinh vật biển như mực hay sứa, phát triển với số lượng lớn ở một số khu vực nhất định của đại dương - trong suốt, có nghĩa là tia UV có thể làm hỏng cơ quan nội tạng của chúng. Đáp lại, chúng đã phát triển một hệ thống che bóng năng động, làm tắt các hạt sắc tố trong các tế bào bên dưới da để tự tối đi khi trời quá sáng và sáng trở lại khi mặt trời tắt dần. Tòa nhà cũng có một “lớp da” bao gồm mặt tiền và cửa sổ bên ngoài như thế. Nhưng ngày nay, lớp bên ngoài này chủ yếu là tĩnh và không thay đổi. Do đó, lượng ánh sáng và nhiệt lượng chiếu vào tòa nhà thường quá cao hoặc quá thấp; buộc hệ thống sưởi, làm mát và chiếu sáng phải làm việc nhiều hơn bình thường.

Kay phân tích: “Ví dụ đơn giản, hãy tưởng tượng mở rèm khi bạn cần nhiều ánh sáng ban ngày hoặc nhiệt mặt trời hơn, và đóng chúng lại khi bạn cần ít hơn. Điều đó tiết kiệm năng lượng, nhưng nó khá thô. Để đạt được đầy đủ lợi ích, bạn cần một hệ thống được tự động hóa và tối ưu hóa để cân bằng toàn bộ các yếu tố trong thời gian thực, từ những thay đổi về nhiệt độ, cường độ mặt trời, góc độ và hướng đến nhu cầu thay đổi của những người cư ngụ trong tòa nhà”.

Có một số công nghệ hiện tại có thể bắt đầu đạt được điều này: thêm động cơ được điều khiển bằng máy tính vào rèm cuốn truyền thống hoặc lắp đặt cửa sổ điện sắc, có thể thay đổi độ mờ của chúng theo điện áp đặt vào. Nhưng nhìn chung, Kay thấy bộ công cụ hiện tại vừa quá đắt vừa quá hạn chế. Kay bình luận: “Gần như tất cả các hệ thống này đều đắt tiền, dựa vào các quy trình sản xuất phức tạp hoặc chỉ có thể chuyển đổi giữa một số độ sáng giới hạn - ví dụ, từ rất tối sang chỉ hơi tối. Cũng khó đạt được sự chuyển màu không gian tốt, chẳng hạn như tô bóng một phần của khung cửa sổ nhưng không tô bóng phần khác”.

Trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Nature Communications; Kay, Hatton và nhóm nghiên cứu của họ mô tả mô hình mới khắc phục những hạn chế này. Các tế bào quang lỏng nguyên mẫu bao gồm một lớp dầu khoáng dày khoảng 1mm, được kẹp giữa hai tấm nhựa trong suốt, được phát triển bởi Tiến sĩ Charlie Katrycz. Thông qua một ống kết nối với trung tâm của tế bào, nhóm nhà nghiên cứu tiêm một lượng nhỏ nước có chứa chất màu hoặc thuốc nhuộm.

Việc tiêm “chất lỏng khách” vào nước này sẽ tạo ra màu sắc nở, được điều khiển thông qua một máy bơm kỹ thuật số chạy theo cả hai hướng. Thêm nhiều nước sẽ làm cho bông nở lớn hơn, trong khi loại bỏ một ít làm cho nó nhỏ lại. Hình dạng của sự “nở hoa” được kiểm soát bởi tốc độ dòng chảy của máy bơm: tốc độ dòng chảy thấp dẫn đến sự nở hoa gần như hình tròn, trong khi tốc độ dòng chảy cao hơn dẫn đến các kiểu phân nhánh phức tạp.

Hatton trình bày: “Chúng tôi quan tâm đến việc chất lỏng hạn chế của các chất hóa học bền vững, có màu xanh lục, có thể được sử dụng như thế nào để thay đổi các đặc tính của vật liệu. Nó rất linh hoạt: chúng tôi không chỉ có thể kiểm soát kích thước và hình dạng của nước trong mỗi ô, chúng tôi còn có thể điều chỉnh các đặc tính hóa học hoặc quang học của thuốc nhuộm trong nước. Nó có thể là bất kỳ màu sắc hoặc độ mờ nào mà chúng tôi muốn”. Ngoài các nguyên mẫu, nhóm hợp tác với Alstan Jakubiec, trợ lý giáo sư Khoa Kiến trúc, Cảnh quan và Thiết kế John H. Daniels, để xây dựng mô hình máy tính mô phỏng cách một hệ thống hoàn toàn tự động và được tối ưu hóa bằng cách sử dụng các ô này sẽ so sánh với một hệ thống sử dụng rèm có động cơ hoặc cửa sổ điện sắc.

Kay cho biết: “Những gì chúng tôi nhận thấy là hệ thống của chúng tôi có thể giảm năng lượng cần thiết cho hệ thống sưởi, làm mát và chiếu sáng lên đến 30% so với hai lựa chọn còn lại. Lý do chính cho điều này là chúng tôi có khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều đối với phạm vi và thời gian che nắng. Hệ thống của chúng tôi tương tự như việc mở và đóng hàng trăm tấm rèm nhỏ ở các vị trí và thời gian khác nhau trên mặt tiền. Chúng tôi có thể đạt được tất cả những điều này bằng cách đơn giản, dòng chảy chất lỏng có thể mở rộng và rẻ tiền”.

Nhóm nghiên cứu cũng suy đoán về khả năng nghệ thuật. Các mảng lớn của các ô có thể hoạt động giống như các pixel, tạo ra các màn hình quang lỏng có khả năng tạo ra tác phẩm nghệ thuật theo phong cách pointillist. Trong các mô hình của mình, nhóm nghiên cứu thậm chí còn mô phỏng hình ảnh của Albert Einstein và Marilyn Monroe. Hatton hy vọng ý tưởng sử dụng mặt tiền năng động để tiết kiệm năng lượng sẽ thay đổi những cuộc bàn luận xung quanh cả thiết kế tòa nhà và biến đổi khí hậu.

Giảm tiêu thụ năng lượng bằng vật liệu làm mát thụ động

Làm mát thụ động là công nghệ đầy hứa hẹn để giảm tiêu thụ năng lượng một cách bền vững. Nó tránh sự nóng lên của tòa nhà bởi bức xạ mặt trời và làm tiêu tán nhiệt tích lũy mà không cần tiêu thụ năng lượng bên ngoài. Nhóm nhà nghiên cứu Đại học Bayreuth đã tạo ra một hệ thống thử nghiệm mà các vật liệu được sử dụng để làm mát thụ động có thể được xác định và so sánh một cách đáng tin cậy - bất kể điều kiện thời tiết và điều kiện môi trường. Đây là bước đầu tiên hướng tới hệ thống thử nghiệm được tiêu chuẩn hóa, có thể áp dụng trên toàn cầu để so sánh các vật liệu làm mát hiệu suất cao.

GS.TS Markus Retsch, trưởng dự án nghiên cứu và Chủ nhiệm Khoa Hóa lý I Đại học Bayreuth, bình luận: “Việc gia tăng tiêu thụ năng lượng hóa thạch trên toàn thế giới vẫn đang góp phần vào sự nóng lên toàn cầu và là nguyên nhân chính dẫn đến sự nóng lên của các thành phố. Làm mát tòa nhà vào ban ngày bằng cách sử dụng phương pháp làm mát thụ động có tiềm năng to lớn để tự thiết lập như một công cụ hiệu quả để bảo tồn năng lượng.

Do đó, nhiều vật liệu và lớp vật liệu thú vị về mặt công nghệ đã được phát triển để tản nhiệt, nhưng vẫn còn là một thách thức để xác định chính xác và so sánh hiệu suất của chúng. Việc thiết lập phòng thí nghiệm mà chúng tôi đã thiết kế giúp khắc phục khó khăn này. Đó là một hệ thống thử nghiệm đóng góp quan trọng vào việc xác định đặc tính vật liệu làm mát hiện có trước đây và thiết kế vật liệu mới, bất kể thời tiết như thế nào”.

Hệ thống kiểm tra dựa trên phòng thí nghiệm mô phỏng một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát thụ động. Do đó, những thành phần thiết yếu là bộ mô phỏng ánh sáng mặt trời, một mái vòm nhôm được làm mát bằng nitơ lỏng hấp thụ bức xạ nhiệt, một bộ lọc có thể thay đổi chỉ cho phép những tia sáng có bước sóng nhất định đi qua và một dòng khí có thể được sử dụng để thiết lập một môi trường cụ thể nhiệt độ.

Điều này cho phép cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ tác động lên vật liệu làm mát và các ảnh hưởng môi trường khác được mô phỏng trên quy mô thu nhỏ. Ngoài trời, những yếu tố này thay đổi nhanh chóng và không thể kiểm soát được, nhưng trong thiết lập đo lường mới từ Bayreuth, chúng có thể được thiết lập với độ đặc hiệu cao.

Do đó, kết quả thử nghiệm có thể lặp lại bất cứ lúc nào - bất kể thời gian, địa điểm hay thời tiết. Đây là cách duy nhất để mô tả các đặc tính và hành vi của vật liệu làm mát với độ chính xác cao và so sánh chúng trong những điều kiện giống hệt nhau. Thiết lập đo lường mạnh mẽ, tiết kiệm chi phí và cũng có lợi thế là có thể sao chép mà không cần nỗ lực kỹ thuật lớn.

Nhóm nhà khoa học của Bayreuth đã chứng minh hiệu suất và độ tin cậy cao của hệ thống thử nghiệm trên 3 loại vật liệu khác nhau: gương bạc (Ag), màng polydimethylsiloxan (PDMS) phủ bạc và tấm silicon phủ graphite. Khi làm như vậy, họ không chỉ kiểm tra độ nóng và làm mát của vật liệu mà còn xác định hiệu suất làm mát của chúng.

Tiến sĩ Qimeng Song, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và chuyên gia trong nhóm nghiên cứu do GS.TS Markus Retsch dẫn đầu, cho biết: “Thiết lập đo lường của chúng tôi là bước đầu tiên hướng tới việc so sánh hiệu suất tiêu chuẩn hóa giữa những vật liệu làm mát đã được phát triển trên khắp thế giới trong các điều kiện khí hậu và thời tiết rất khác nhau. Hệ thống thử nghiệm như vậy là tiền đề quan trọng để làm mát thụ động trở thành công nghệ được áp dụng toàn cầu nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng”.