Phát triển lớp phủ cửa sổ giảm nhiệt độ và mức tiêu thụ năng lượng

Cửa sổ thường giúp căn phòng có nhiều ánh sáng, tuy nhiên ánh sáng sẽ sinh ra nhiệt, đặc biệt là trong thời tiết nóng bức. Vào những ngày nắng nóng, có tới 87% lượng nhiệt hấp thụ vào nhà thông qua cửa sổ. Bức xạ tia cực tím từ ánh sáng mặt trời dễ dàng xuyên qua kính, làm nóng căn phòng.

Để giảm bớt nhiệt độ, chúng ta thường có xu hướng sử dụng điều hòa hoặc rèm để che bớt ánh sáng. Chính vì điều này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Notre Dame đã phát triển lớp phủ cửa sổ có tác dụng ngăn chặn tia UV và tia hồng ngoại sinh nhiệt đồng thời cho phép ánh sáng khả kiến đi vào, giảm cả nhiệt độ phòng lẫn mức tiêu thụ năng lượng làm mát.

Tengfei Luo, người đứng đầu Phòng thí nghiệm MÖNSTER (Quy mô phân tử/Nano) cho biết: “Giống như kính râm phân cực, lớp phủ làm giảm cường độ ánh sáng tới nhưng không giống như kính râm, lớp phủ vẫn rõ ràng và hiệu quả ngay cả khi bạn nghiêng nó ở các góc khác nhau”.

Năm 2022, Luo và các đồng nghiệp của ông đã chế tạo lớp phủ thủy tinh sử dụng cấu trúc quang tử phẳng đa lớp (PML). Những lớp siêu mỏng xếp chồng lên nhau này có chiết suất đặc biệt cho phép ánh sáng truyền đi hoặc phản xạ có chọn lọc tùy thuộc vào bước sóng của nó. Xếp chồng silica, alumina và oxit titan trên đế thủy tinh và phủ lên trên một lớp mỏng silicon polymer (PDMS) để phản xạ bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ phát ra từ bề mặt được nung nóng theo mọi hướng, tạo ra một lớp phủ trong suốt, chúng vượt trội so với các loại sơn giảm nhiệt khác trên thị trường.

Các nhà nghiên cứu đã quyết tâm cải thiện nghiên cứu bởi vì cửa sổ thường được lắp đặt theo chiều dọc nên ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào chúng suốt cả ngày sẽ thay đổi khi mặt trời di chuyển. Các lớp phủ cửa sổ hiện tại có xu hướng được tối ưu hóa cho ánh sáng đi vào ở góc 90 độ, do đó khả năng chặn ánh sáng của chúng phụ thuộc vào cái gọi là góc tới mặt trời này. Vào buổi trưa, thời điểm nóng nhất trong ngày, ánh sáng mặt trời chiếu vào cửa sổ theo góc xiên, nghĩa là hầu hết lớp phủ đều kém hiệu quả trong việc ngăn chặn ánh nắng.

Thay vì giải quyết vấn đề này bằng phương pháp thử và sai, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình học máy được hỗ trợ bởi điện toán lượng tử. Cụ thể, họ đã sử dụng phương pháp học tích cực, một tập hợp con của học máy trong đó thuật toán học có thể truy vấn người dùng một cách tương tác để gắn nhãn dữ liệu và ủ lượng tử, sử dụng vật lý lượng tử để tìm ra sự kết hợp tối ưu hoặc gần tối ưu của các yếu tố.

Bằng cách sử dụng các thành phần mà họ đã sử dụng trước đây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một lớp phủ trong suốt có khả năng truyền và phản xạ ánh sáng có chọn lọc trên nhiều góc tới. Sau đó, họ đã thử nghiệm nó.

Cửa sổ tráng và cửa sổ bằng kính thông thường được đặt thẳng đứng trong các buồng ngoài trời giống hệt nhau. Các nhà nghiên cứu đã đo nhiệt độ ban ngày trong mỗi buồng. Họ cũng thử nghiệm kính bằng cách đặt cửa sổ nằm ngang, hướng lên trời để mô phỏng cửa sổ trời của ô tô. Kính tráng phủ đã thể hiện hiệu suất vượt trội so với kính thông thường, giảm nhiệt độ từ 5,4 °C đến 7,2 °C (9,7 - 12,9 °F) trên nhiều góc tới.

Luo nói: “Góc giữa ánh nắng và cửa sổ của bạn luôn thay đổi. Lớp phủ của chúng tôi duy trì chức năng và hiệu quả bất kể vị trí của mặt trời trên bầu trời".

Để ước tính mức tiết kiệm năng lượng khi làm mát bằng cấu trúc quang tử làm cửa sổ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phần mềm EnergyPlus để mô phỏng mức tiêu thụ năng lượng tại các văn phòng tiêu chuẩn ở các thành phố khác nhau. Họ đã chứng minh tất cả các thành phố ở Mỹ có thể tiết kiệm tới 97,5 MJ/m 2 hàng năm. Khoản tiết kiệm năng lượng đó được chuyển đến các thành phố trên toàn thế giới, bao gồm cả những thành phố ở vùng khí hậu nhiệt đới.

Các nhà nghiên cứu thấy trước nhiều ứng dụng cho lớp phủ cửa sổ mới của họ, bao gồm các tòa nhà thương mại, dân cư và ô tô.

Hà My