Chi phí thấp và thân thiện với môi trường: Các kỹ sư UCLA phát triển công nghệ làm mát tòa nhà mới mang tính đột phá
Hình ảnh hồng ngoại nhiệt của Royce Hall thuộc UCLA cho thấy nhiệt bức xạ. Mặt tiền hấp thụ nhiệt (từ trắng đến đỏ nhạt) từ mặt đất (màu đỏ) trong khi một phần nhiệt từ mặt đất/tòa nhà tỏa lên bầu trời lạnh (màu xanh). Nguồn: Phòng thí nghiệm Raman/UCLA
Một phương pháp chi phí thấp sử dụng các vật liệu xây dựng thông thường có khả năng hấp thụ hoặc bức xạ nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ.
Khi nhiệt độ toàn cầu tăng lên, nhu cầu về các giải pháp làm mát bền vững cũng tăng lên. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ UCLA và cộng sự đã phát triển một phương pháp tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng quy mô để làm mát các tòa nhà vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông.
Dẫn đầu bởi Aaswath Raman, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật Samueli thuộc UCLA, nhóm nghiên cứu gần đây đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Cell Reports Physical Science, trong đó nêu chi tiết về một phương pháp mới để điều khiển chuyển động của nhiệt bức xạ qua các vật liệu xây dựng thông thường nhằm tối ưu hóa khả năng quản lý nhiệt.
Nhiệt bức xạ, được cảm nhận bất cứ khi nào một bề mặt nóng làm ấm cơ thể và ngôi nhà của chúng ta và được truyền đi bởi sóng điện từ, truyền qua toàn bộ phổ băng thông rộng ở mặt đất giữa các tòa nhà và môi trường của chúng, chẳng hạn như đường phố và các công trình lân cận. Mặt khác, nhiệt di chuyển giữa các tòa nhà và bầu trời trong một phần hẹp hơn nhiều của phổ hồng ngoại được gọi là cửa sổ truyền khí quyển. Sự khác biệt về cách nhiệt bức xạ di chuyển giữa các tòa nhà và bầu trời so với mặt đất từ lâu đã đặt ra thách thức đối với việc làm mát các tòa nhà có bề mặt ít hướng lên bầu trời. Những tòa nhà này khó làm mát vào mùa hè vì chúng giữ nhiệt từ mặt đất và các bức tường lân cận khi nhiệt độ bên ngoài cao. Chúng cũng khó làm ấm vào mùa đông khi nhiệt độ ngoài trời giảm xuống và các tòa nhà mất nhiệt.
Bối cảnh lịch sử và những cải tiến hiện đại
“Nếu chúng ta nhìn vào các thành phố lịch sử như Santorini ở Hy Lạp hoặc Jodhpur ở Ấn Độ, chúng ta thấy rằng việc làm mát các tòa nhà bằng cách làm cho mái nhà và tường phản chiếu ánh sáng mặt trời đã được thực hiện trong nhiều thế kỷ”, Raman, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Raman tại UCLA Samueli cho biết. “Trong những năm gần đây, đã có sự quan tâm lớn đến lớp phủ mái nhà mát mẻ phản chiếu ánh sáng mặt trời. Nhưng làm mát tường và cửa sổ là một thách thức tinh tế và phức tạp hơn nhiều.”
Tuy nhiên, với thành công đã được chứng minh của việc làm mát các tòa nhà bằng cách sử dụng sơn siêu trắng trên mái nhà để phản chiếu ánh sáng mặt trời và tỏa nhiệt lên bầu trời, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu tạo ra hiệu ứng làm mát bức xạ thụ động tương tự bằng cách phủ lên tường và cửa sổ những vật liệu có thể quản lý tốt hơn sự di chuyển nhiệt giữa các tòa nhà và môi trường xung quanh ở mặt đất. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các vật liệu có khả năng hấp thụ và tỏa nhiệt bức xạ ưu tiên trong cửa sổ khí quyển có thể mát hơn các vật liệu xây dựng thông thường vào mùa hè và ấm hơn vào mùa đông.
“Chúng tôi đặc biệt phấn khích khi phát hiện ra rằng các vật liệu như polypropylen, mà chúng tôi lấy từ nhựa gia dụng, có thể tỏa nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt một cách chọn lọc trong cửa sổ khí quyển rất hiệu quả,” Raman cho biết. “Những vật liệu này gần như tầm thường, nhưng khả năng mở rộng quy mô khiến chúng trở nên phổ biến cũng có nghĩa là chúng ta có thể thấy chúng điều hòa nhiệt độ các tòa nhà trong tương lai gần.”
Tiết kiệm năng lượng và tác động đến môi trường
Ngoài việc tận dụng các vật liệu tiết kiệm chi phí dễ tiếp cận, phương pháp tiếp cận của nhóm còn có thêm lợi ích là tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào máy điều hòa không khí và máy sưởi không chỉ tốn kém khi vận hành mà còn góp phần tạo ra khí thải carbon dioxide.
"Cơ chế mà chúng tôi đề xuất hoàn toàn thụ động, giúp làm mát và sưởi ấm các tòa nhà theo mùa một cách bền vững và tiết kiệm năng lượng chưa khai thác", Jyotirmoy Mandal, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là cựu học giả sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Raman cho biết. Mandal hiện là trợ lý giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Đại học Princeton.
Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp mới có thể dễ dàng mở rộng quy mô và sẽ đặc biệt có tác động đến các cộng đồng thu nhập thấp, những cộng đồng có ít hoặc không có khả năng tiếp cận hệ thống làm mát và sưởi ấm, nơi chứng kiến số thương vong ngày càng tăng do các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt trên toàn cầu.
Raman và nhóm của ông đang tìm cách chứng minh hiệu ứng này ở quy mô tòa nhà lớn hơn và khả năng tiết kiệm năng lượng thực tế của nó, đặc biệt là ở các cộng đồng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao ở Nam California.
Tài liệu tham khảo: “Làm mát bức xạ và điều hòa nhiệt độ trong ánh sáng của trái đất” của Jyotirmoy Mandal, Jyothis Anand, Sagar Mandal, John Brewer, Arvind Ramachandran và Aaswath P. Raman, ngày 27 tháng 6 năm 2024, Cell Reports Physical Science.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102065
Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi học bổng Schmidt Science, Rhodes Trust, Alfred P. Sloan Foundation và National Science Foundation. Các tác giả khác của bài báo là John Brewer — một tiến sĩ mới tốt nghiệp từ phòng thí nghiệm của Raman, Jyothis Anand của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Arvind Ramachandran của Đại học bang Arizona và nhà nghiên cứu độc lập Sagar Mandal.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
