Cửa sổ thông minh chống bức xạ mặt trời

Những tòa nhà có mặt tiền và mái bằng kính lớn đặc biệt có vấn đề, chẳng hạn như tòa tháp văn phòng thống trị thành phố hiện đại. Chúng nóng lên dưới ánh nắng mặt trời, đặc biệt là vào mùa hè. Tuy nhiên, việc sử dụng rèm để cung cấp bóng râm thường không được ưa chuộng, vì chúng làm mất đi tính thẩm mỹ của kính và còn ảnh hưởng đến tầm nhìn ra bên ngoài. Thay vào đó, nội thất được làm mát bằng điều hòa không khí, đòi hỏi lượng điện rất lớn và càng làm tăng lượng khí thải carbon của tòa nhà.

Viện Fraunhofer về nghiên cứu silicat ISC ở Würzburg và Viện Fraunhofer về Điện tử hữu cơ, Chùm tia điện tử và Công nghệ Plasma FEP ở Dresden đã phát triển một giải pháp tinh vi cho vấn đề này. Trong dự án Switch2Save, một nhóm nhà nghiên cứu làm việc trên các lớp phủ trong suốt cho cửa sổ và mặt tiền bằng kính bằng cách sử dụng vật liệu Electrochromic (điện sắc - đây là loại vật liệu đặc biệt có khả năng thay đổi màu dưới tác dụng của điện thế) và nhiệt. Những thứ này thêm một màu tối trong suốt, có thể thay đổi bên ngoài cửa sổ, giúp các phòng luôn mát mẻ. Viện Fraunhofer đã hợp tác với khối trường đại học và đối tác công nghiệp ở 6 quốc gia Liên minh châu Âu (EU) cho dự án nghiên cứu do tổ chức này tài trợ.

Tiến sĩ Marco Schott, giám đốc quản lý hệ thống điện sắc tại Fraunhofer ISC, giải thích: “Lớp phủ điện sắc được áp dụng cho một màng trong suốt, dẫn điện, sau đó có thể bật. Việc áp dụng điện áp kích hoạt sự chuyển giao các ion và điện tử, làm tối lớp phủ và làm mờ cửa sổ. Mặt khác, lớp phủ nhiệt sắc hoạt động một cách thụ động”.

Với các yếu tố điện sắc, cảm biến có thể được sử dụng để đo những yếu tố như độ sáng và nhiệt độ, gửi kết quả đến hệ thống điều khiển và từ đó kích hoạt một dòng điện hoặc xung điện áp đến màng dẫn điện, kích hoạt cửa sổ tối đi. Cụ thể hơn, bề mặt của kính dần dần tối đi bất cứ khi nào nhiệt độ hoặc độ sáng trở nên quá cao. Điều này ngăn các phòng trở nên quá nóng và giảm nhu cầu sử dụng máy lạnh – yếu tố đặc biệt hữu ích trong thời tiết nắng gắt và các tòa nhà có mặt tiền lớn được lắp kính. Nó cũng dùng để chống chói vào những ngày nắng nhiều.

Vào những ngày nhiều mây và buổi tối, các cửa sổ sẽ luôn được giữ ở trạng thái “sáng”. Đội ngũ nhà nghiên cứu của Fraunhofer cũng đã suy nghĩ về tính phù hợp của công nghệ đối với việc sử dụng hàng ngày.

Schott giải thích: “Các cửa sổ không đột ngột tối đi, nhưng dần dần ngả màu trong vài phút. Tiêu thụ năng lượng rất thấp. Trong những trường hợp tối ưu, màng điện sắc chỉ cần điện cho quá trình chuyển mạch và một điện áp rất thấp đủ để bắt đầu quá trình pha màu. Vật liệu nhiệt điện hoàn toàn không cần điện, thay vào đó phản ứng thụ động với nhiệt do mặt trời tạo ra. Chúng có thể được sử dụng để bổ sung cho một hệ thống có thể chuyển đổi hoặc như một giải pháp thay thế”.

Switch2Save hứa hẹn tiết kiệm năng lượng rất lớn ở những khu vực có nhiệt độ bên ngoài cao - bằng cách giảm sử dụng hệ thống điều hòa không khí hoặc loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng chúng. Tiến sĩ John Fahlteich, Điều phối viên Dự án Switch2Save và Trưởng nhóm Nghiên cứu tại Fraunhofer FEP, giải thích: “Ở những vùng ấm áp của Châu Âu, nhu cầu năng lượng làm mát và sưởi ấm của các tòa nhà hiện đại có thể giảm tới 70%”. Tiết kiệm không quá nhiều ở các vùng lạnh hơn, nhưng hệ thống cũng có thể được sử dụng để bảo vệ chống chói khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp”.

Về nguyên tắc, sự kết hợp của các lớp điện sắc và nhiệt mang lại tính linh hoạt cao nhất có thể. Bằng cách sử dụng công nghệ mới, kiến trúc sư và nhà phát triển có thể cung cấp nhiều giải pháp riêng lẻ cho nhiều khu vực và tòa nhà khác nhau. Fahlteich phát biểu: “Chúng tôi đã hoàn thành quá trình lắp đặt công nghệ tại Phòng khám Nhi của bệnh viện lớn thứ hai ở Hy Lạp, ở Athens và một tòa nhà văn phòng ở Uppsala, Thụy Điển. Ở cả hai tòa nhà, mức tiêu thụ năng lượng sẽ được theo dõi và so sánh trong cả năm”.

Sự nóng lên toàn cầu và các mục tiêu của Thỏa thuận Xanh châu Âu sẽ làm tăng đáng kể nhu cầu về “công nghệ xây dựng tiết kiệm năng lượng” trong vài năm tới - và tất cả những tòa nhà ở Liên minh châu Âu (EU) dự kiến sẽ không có carbon vào năm 2050. Mạng cửa sổ điện sắc và nhiệt của EU Dự án Switch2Save có thể đóng góp quan trọng vào việc này.