Lớp phủ mái thông minh quanh năm mới cho phép tiết kiệm năng lượng quanh năm

Đột phá điều hòa nhiệt độ gia đình mà không tiêu thụ khí đốt tự nhiên hoặc điện.

Các nhà khoa học đã phát triển một lớp phủ mái thông minh dùng được cho tất cả các mùa giúp ngôi nhà luôn ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè mà không tiêu thụ khí đốt tự nhiên hoặc điện năng. Kết quả nghiên cứu được báo cáo trên tạp chí Science chỉ ra một công nghệ đột phá vượt trội hơn các hệ thống mái mát thương mại trong việc tiết kiệm năng lượng.

“Lớp phủ mái tất cả các mùa của chúng tôi tự động chuyển từ giữ cho bạn mát sang ấm, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí ngoài trời. Junqiao Wu, một nhà khoa học thuộc Bộ phận Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của Đại học UC Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.

Các hệ thống mái mát ngày nay, chẳng hạn như lớp phủ phản chiếu, màng, ván lợp hoặc ngói, có bề mặt màu sáng hoặc tối hơn “màu mát” giúp làm mát nhà bằng cách phản chiếu ánh sáng mặt trời. Các hệ thống này cũng phát ra một số nhiệt mặt trời được hấp thụ dưới dạng bức xạ nhiệt-hồng ngoại; trong quá trình tự nhiên này được gọi là làm mát bằng bức xạ, ánh sáng hồng ngoại nhiệt được bức xạ ra khỏi bề mặt.

Vấn đề với nhiều hệ thống mái mát hiện có trên thị trường là chúng tiếp tục tỏa nhiệt vào mùa đông, điều này làm tăng chi phí sưởi ấm, Wu giải thích.

Ông nói: “Vật liệu mới của chúng tôi – được gọi là lớp phủ bức xạ thích ứng với nhiệt độ hoặc TARC – có thể cho phép tiết kiệm năng lượng bằng cách tự động tắt hệ thống làm mát bằng bức xạ vào mùa đông, khắc phục vấn đề quá lạnh.

Một mái nhà cho tất cả các mùa

Kim loại thường là chất dẫn điện và nhiệt tốt. Vào năm 2017, Wu và nhóm nghiên cứu của ông đã phát hiện ra rằng các electron trong vanadi dioxide hoạt động giống như một kim loại với điện nhưng là chất cách điện để tỏa nhiệt – nói cách khác, chúng dẫn điện tốt mà không dẫn nhiệt nhiều. Wu giải thích: “Hành vi này trái ngược với hầu hết các kim loại khác, nơi các electron dẫn nhiệt và điện theo tỷ lệ thuận.

Vanadi dioxide dưới khoảng 67 độ C (153 độ F ) cũng trong suốt đối với (và do đó không hấp thụ) ánh sáng hồng ngoại nhiệt. Nhưng một khi vanadi dioxide đạt đến 67 độ C, nó chuyển sang trạng thái kim loại, trở thành chất hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhiệt. Khả năng chuyển từ pha này sang pha khác – trong trường hợp này là từ chất cách điện sang kim loại – là đặc điểm của vật liệu được gọi là vật liệu thay đổi pha.

Để xem vanadi dioxide sẽ hoạt động như thế nào trong hệ thống mái nhà, Wu và nhóm của ông đã chế tạo một thiết bị TARC màng mỏng 2 cm x 2 cm.

TARC “trông giống như băng keo Scotch và có thể được dán vào một bề mặt rắn như sân thượng,” Wu nói.

Trong một thử nghiệm quan trọng, đồng tác giả Kechao Tang đã thiết lập một thử nghiệm trên sân thượng tại ngôi nhà ở Vịnh Đông của Wu vào mùa hè năm ngoái để chứng minh khả năng tồn tại của công nghệ trong môi trường thực tế.

Một thiết bị đo lường không dây được thiết lập trên ban công của Wu liên tục ghi lại các phản ứng đối với sự thay đổi của ánh nắng trực tiếp và nhiệt độ ngoài trời từ mẫu TARC, mẫu mái tối thương mại và mẫu mái trắng thương mại trong nhiều ngày.

TARC vượt trội như thế nào trong việc tiết kiệm năng lượng

Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ thử nghiệm để mô phỏng cách TARC hoạt động quanh năm ở các thành phố đại diện cho 15 vùng khí hậu khác nhau trên khắp lục địa Hoa Kỳ.

Wu đã mời Ronnen Levinson, đồng tác giả của nghiên cứu, là một nhà khoa học và lãnh đạo của Heat Island Group tại Khu vực Công nghệ Năng lượng của Phòng thí nghiệm Berkeley, để giúp họ tinh chỉnh mô hình nhiệt độ bề mặt mái nhà. Levinson đã phát triển một phương pháp ước tính tiết kiệm năng lượng TARC từ một tập hợp hơn 100.000 mô phỏng năng lượng tòa nhà mà Heat Island Group đã thực hiện trước đây để đánh giá lợi ích của mái mát và tường mát trên khắp Hoa Kỳ.

Finnegan Reichertz, một ^thứ sinh lớp 12 tại Học viện Đổi mới East Bay ở Oakland người làm việc từ xa như một thực tập mùa hè cho Wu năm ngoái, giúp mô phỏng như thế nào TARC và vật liệu mái nhà khác sẽ thực hiện vào những thời điểm cụ thể và vào những ngày cụ thể trong suốt cả năm cho mỗi thành phố trong số 15 thành phố hoặc vùng khí hậu mà các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cho bài báo.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng TARC vượt trội hơn các lớp phủ mái hiện có về tiết kiệm năng lượng ở 12 trong số 15 vùng khí hậu, đặc biệt là ở các vùng có sự thay đổi nhiệt độ rộng giữa ngày và đêm, chẳng hạn như Khu vực Vịnh San Francisco, hoặc giữa mùa đông và mùa hè, chẳng hạn như New York Thành phố.

Tang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Wu tại thời điểm nghiên cứu cho biết: “Với việc lắp đặt TARC, một hộ gia đình trung bình ở Mỹ có thể tiết kiệm tới 10% điện năng. Ông hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Bắc Kinh ở Bắc Kinh, Trung Quốc.

Những mái nhà mát tiêu chuẩn có hệ số phản xạ mặt trời cao và độ tỏa nhiệt cao (khả năng giải phóng nhiệt bằng cách phát ra bức xạ nhiệt-hồng ngoại) ngay cả trong thời tiết mát mẻ.

Theo các phép đo của các nhà nghiên cứu, TARC phản xạ khoảng 75% ánh sáng mặt trời quanh năm, nhưng nhiệt lượng tỏa ra của nó cao (khoảng 90%) khi nhiệt độ xung quanh ấm (trên 25 độ C hoặc 77 độ F), thúc đẩy sự mất nhiệt bầu trời. Trong thời tiết mát mẻ hơn, hệ số tỏa nhiệt của TARC sẽ tự động chuyển sang mức thấp, giúp giữ nhiệt từ sự hấp thụ năng lượng mặt trời và hệ thống sưởi trong nhà, Levinson cho biết.

Những phát hiện từ các thí nghiệm quang phổ hồng ngoại sử dụng các công cụ tiên tiến tại Xưởng đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley đã xác thực các mô phỏng.

Wu nói: “Vật lý đơn giản dự đoán TARC sẽ hoạt động, nhưng chúng tôi rất ngạc nhiên khi nó hoạt động tốt như vậy. “Ban đầu chúng tôi nghĩ rằng việc chuyển đổi từ ấm sang làm mát sẽ không quá ấn tượng. Các mô phỏng, thí nghiệm ngoài trời và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của chúng tôi đã chứng minh ngược lại – điều đó thực sự thú vị ”.

Các nhà nghiên cứu có kế hoạch phát triển các nguyên mẫu TARC trên quy mô lớn hơn để kiểm tra thêm hiệu suất của nó như một lớp phủ mái thực tế. Wu nói rằng TARC cũng có thể có tiềm năng như một lớp phủ bảo vệ nhiệt để kéo dài tuổi thọ pin trong điện thoại thông minh và máy tính xách tay, đồng thời bảo vệ vệ tinh và ô tô khỏi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Nó cũng có thể được sử dụng để làm vải điều chỉnh nhiệt độ cho lều, tấm phủ nhà kính, và thậm chí cả mũ và áo khoác.

Tham khảo: “Lớp phủ bức xạ thích ứng với nhiệt độ để điều chỉnh nhiệt độ trong gia đình theo mùa” của Kechao Tang, Kaichen Dong, Jiachen Li, Madeleine P. Gordon, Finnegan G. Reichertz, Hyungjin Kim, Yoonsoo Rho, Qingjun Wang, Chang-Yu Lin, Costas P. Grigoropoulos, Ali Javey, Jeffrey J. Urban, Jie Yao, Ronnen Levinson và Junqiao Wu, ngày 16 tháng 12 năm 2021, Khoa học .
DOI: 10.1126 / science.abf7136

Đồng tác giả của nghiên cứu là Kaichen Dong và Jiachen Li.

Molecular Foundry là một cơ sở sử dụng khoa học nano tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Công việc này chủ yếu được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE và Học bổng Bakar.

Theo Scitechdaily