“Cửa sổ lỏng”: Phát minh hứa hẹn giảm tiêu thụ năng lượng

Theo một báo cáo của Liên Hợp Quốc năm 2009, các tòa nhà chiếm 40% tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, và các cửa sổ đóng góp một nửa trong số đó. Vậy có cách nào thay đổi con số khổng lồ này không?

Các cửa sổ là một phần trọng yếu trong thiết kế các tòa nhà, nhưng chúng cũng là thành phần tiêu hao năng lượng nhiều nhất. Các cửa sổ bằng kính thông thường dễ dàng để nhiệt truyền qua, vì vậy tác động lớn tới chi phí làm ấm hoặc làm mát cho một tòa nhà.

Để giải quyết vấn đề này, người ta đã phát minh ra một loại kính đặc biệt tiết kiệm năng lượng phát xạ thấp để lắp lên các cửa sổ. Loại kính này được tráng một loại vật liệu đắt tiền để ngăn ánh sáng hồng ngoại đi xuyên qua kính, từ đó giảm hóa đơn tiền điện chạy điều hòa nhiệt độ trong tòa nhà. Tuy nhiên, chúng lại không có tác dụng với các ánh sáng trong vùng khả kiến, vốn là thành phần chính khiến các tòa nhà nóng lên.

Trước sự thiếu hiệu quả và đắt đỏ của loại kính này, các nhà khoa học tại trường Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore (NTU) đã phát triển một loại kính đặc biệt hơn nữa, vừa có thể điều hòa quang năng từ mặt trời, vừa có thể giảm thiểu trao đổi nhiệt giữa ngày và đêm, qua đó giảm đáng kế chi phí năng lượng sử dụng tại các tòa nhà. Qua thử nghiệm, loại kính này có thể giúp tiết kiệm 45% điện năng tiêu thụ so với kính cửa sổ thông thường, và 30% so với kính tiết kiệm năng lượng phát xạ thấp đã đề cập ở trên, trong khi giá thành sản xuất rẻ hơn.

Bí quyết tiết kiệm điện năng đáng ngạc nhiên này nằm ở một loại chất lỏng hydrogel đặc biệt mà các nhà khoa học đưa vào khoảng trống giữa các tấm kính. Họ đã tạo ra một hỗn hợp của vi hydrogel, nước và một chất ổn định. Nhờ có hydrogel, hỗn hợp chất lỏng này sẽ chuyển đục dưới tác động của nhiệt, nhờ đó chắn được ánh nắng mặt trời. Khi hạ nhiệt, nó lại trở về trạng thái trong suốt ban đầu.

Hydrogel là các polyme ưa nước có cấu trúc không gian ba chiều, có thể trương trong nước mà không tan dưới tác động của các điều kiện môi trường như ánh sáng và nhiệt độ, đồng thời có khả năng hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng.

Bên cạnh đó, do nước là chất lỏng có nhiệt dung cao nên hỗn hợp hydrogel trong cửa sổ chất lỏng có thể tích được lượng nhiệt lớn mà không truyền tải chúng qua lớp kính tới môi trường bên trong toà nhà trong các ngày nóng. Lượng nhiệt này sẽ giải phóng từ từ vào ban đêm khi nhiệt độ hạ xuống.

Trong một thử nghiệm ở Singapore, cửa sổ chất lỏng chỉ nóng lên 50 độ C vào thời gian nóng nhất trong ngày (buổi trưa), so với 84 độ C ở cửa kính thông thường. Cuộc thử nghiệm ở Bắc Kinh (môi trường thời tiết lạnh) cho thấy căn phòng lắp cửa sổ chất lỏng tiêu thụ ít hơn 11% năng lượng để duy trì nhiệt độ so với cửa sổ thông thường.

Tiến sỹ Long Yi, trưởng nhóm tác giả nghiên cứu, kiêm Giảng viên Cấp cao tại Khoa Khoa học Vật liệu và Thiết kế của NTU cho biết: “Sáng kiến của chúng tôi kết hợp những đặc tính độc nhất của cả 2 loại vật liệu là hydrogel và nước. Bằng cách sử dụng chất lỏng có phối thêm hydrogel, chúng tôi đã làm đơn giản hóa quá trình chế tạo bằng cách đổ hỗn hợp vào giữa hai tấm kính. Điều này cho phép cửa sổ có được ưu điểm đặc biệt của tính đồng dạng cao, nghĩa là nó có thể được chế tạo ở bất kỳ hình dạng và kích thước nào.”

Nhóm nghiên cứu tin rằng với những đặc tính này, phát minh của họ sẽ rất phù hợp để sử dụng trong các tòa nhà văn phòng, khi thời gian hoạt động của chúng chủ yếu là vào ban ngày.

Chưa hết, loại cửa sổ chất lỏng thông minh này còn một đặc tính rất thú vị khác. Nó có thể chuyển “đỉnh nhiệt” từ 12h trưa ở cửa sổ kính thông thường, sang 2h chiều. Điều này rất có ý nghĩa với những địa phương tính giá điện theo khung thời gian tiêu thụ, đồng nghĩa đơn giá điện lúc 12h (đỉnh) là đơn giá cao nhất áp dụng trong ngày.

Bên cạnh đó, nhờ lớp hydrogel được điền vào giữa hai tấm kinh, loại cửa sổ thông minh này còn cách âm tốt hơn 15% so với loại cửa sổ 2 lớp thông thường.

Với những ưu điểm nổi trội trên, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm các thỏa thuận hợp tác với những đối tác công nghiệp nhằm thương mại hóa phát minh của mình trong thời gian tới.

Theo Innovation Toronto,

Hạ Chi

Xem thêm: