Áp dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng

Rate this post

Tòa nhà năng động lấy cảm hứng từ sinh vật biển

Raphael Kay, thạc sĩ khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Toronto (Canada), người được giám sát bởi Giáo sư Ben Hatton, giải thích: “Các sinh vật biển có sự trao đổi chất. Và họ phải đáp ứng với các điều kiện môi trường thay đổi để duy trì sự thoải mái và hoạt động bên trong. ” Trong khi tòa nhà dựa vào các hệ thống cơ học như hệ thống sưởi và điều hòa không khí để duy trì nhiệt độ trong nhà thoải mái, Kay chỉ ra rằng nhiều loài động vật điều chỉnh việc truyền năng lượng trực tiếp lên bề mặt – tức là da của chúng.

Lượng ánh sáng và nhiệt vào tòa nhà thường quá cao hoặc quá thấp buộc hệ thống sưởi, làm mát và chiếu sáng phải làm việc nhiều hơn bình thường.

Nhuyễn thể – những sinh vật biển như mực hoặc sứa, sinh trưởng với số lượng lớn ở một số khu vực nhất định của đại dương – trong suốt, có nghĩa là tia UV có thể làm hỏng các cơ quan nội tạng của chúng. Để đáp lại, họ đã phát triển một hệ thống che bóng năng động giúp tắt các hạt sắc tố trong các tế bào bên dưới da để tự tối đi khi trời quá sáng và trở lại sáng khi mặt trời lặn. Tòa nhà cũng có “lớp da” bao phủ mặt tiền và các ô cửa sổ bên ngoài như vậy. Nhưng ngày nay, lớp bên ngoài này chủ yếu là tĩnh và bất biến. Kết quả là lượng ánh sáng và nhiệt lượng vào tòa nhà thường quá cao hoặc quá thấp; buộc hệ thống sưởi, làm mát và chiếu sáng phải làm việc nhiều hơn bình thường.

Ví dụ đơn giản, hãy tưởng tượng mở rèm khi bạn cần nhiều ánh sáng ban ngày hoặc nhiệt mặt trời, và đóng chúng lại khi bạn cần ít hơn. Điều đó tiết kiệm điện, nhưng nó khá thô. Để có được lợi ích đầy đủ, bạn cần một hệ thống tự động và tối ưu hóa cân bằng tất cả các yếu tố trong thời gian thực, từ những thay đổi về nhiệt độ, cường độ mặt trời, góc độ và giải quyết nhu cầu thay đổi của những người cư ngụ trong tòa nhà ”.

Có một số công nghệ hiện tại có thể bắt đầu đạt được điều này: thêm động cơ điều khiển bằng máy tính vào rèm cuốn truyền thống hoặc lắp đặt cửa sổ điện sắc, có thể thay đổi độ mờ của chúng theo điện áp đặt vào. đi vào. Nhưng nhìn chung, Kay thấy bộ công cụ hiện tại quá đắt và quá hạn chế. Kay nhận xét: “Gần như tất cả các hệ thống này đều đắt tiền, dựa vào quy trình sản xuất phức tạp hoặc chỉ có thể chuyển đổi giữa một số độ sáng hạn chế – ví dụ, từ rất tối sang chỉ hơi tối. . Cũng khó đạt được sự phân cấp không gian tốt, chẳng hạn như che một phần của khung cửa sổ nhưng không che được phần khác ”.

Ứng dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng -0
Raphael Kay, Thạc sĩ Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Toronto (Canada).

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Communications; Kay, Hatton và nhóm nghiên cứu của họ mô tả một mô hình mới khắc phục được những hạn chế này. Nguyên mẫu tế bào quang lỏng bao gồm một lớp dầu khoáng dày khoảng 1mm, được kẹp giữa hai tấm nhựa trong suốt, được phát triển bởi Tiến sĩ Charlie Katrycz. Thông qua một ống nối với trung tâm của tế bào, nhóm nghiên cứu sẽ bơm một lượng nhỏ nước có chứa chất màu hoặc thuốc nhuộm.

Tiêm “chất lỏng khách” này vào nước sẽ tạo ra một màu sắc nở, được điều khiển thông qua một máy bơm kỹ thuật số chạy theo cả hai hướng. Thêm nhiều nước sẽ làm cho bông nở to hơn, trong khi bớt một ít nước sẽ khiến nó nhỏ lại. Hình dạng của “sự nở hoa” được điều khiển bởi tốc độ dòng chảy của máy bơm: tốc độ dòng chảy thấp dẫn đến sự nở hoa gần như hình tròn, trong khi tốc độ dòng chảy cao hơn dẫn đến các kiểu phân nhánh phức tạp. tổ hợp.

Hatton cho biết: “Chúng tôi quan tâm đến việc các chất lỏng có giới hạn hóa chất ổn định, màu xanh lục có thể được sử dụng như thế nào để thay đổi các đặc tính của vật liệu. Nó rất linh hoạt: không chỉ chúng ta có thể kiểm soát kích thước và hình dạng của nước trong mỗi ô, chúng ta còn có thể điều chỉnh các đặc tính hóa học hoặc quang học của thuốc nhuộm trong nước. Nó có thể là bất kỳ màu sắc hoặc độ mờ nào mà chúng tôi muốn ”. Ngoài các nguyên mẫu, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Alstan Jakubiec, trợ lý giáo sư tại Khoa Kiến trúc, Cảnh quan và Thiết kế John H. Daniels, để xây dựng một mô hình máy tính mô phỏng cách một hệ thống hoàn toàn tự động và tối ưu hóa. Việc tối ưu hóa bằng cách sử dụng các ô này sẽ so sánh với hệ thống sử dụng rèm có động cơ hoặc cửa sổ điện sắc.

Kay cho biết: “Những gì chúng tôi nhận thấy là hệ thống của chúng tôi có thể giảm tới 30% năng lượng cần thiết cho hệ thống sưởi, làm mát và chiếu sáng so với hai lựa chọn còn lại. Lý do chính cho điều này là chúng tôi có khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều đối với phạm vi và thời gian đổ bóng. Hệ thống của chúng tôi tương tự như việc mở và đóng hàng trăm tấm rèm nhỏ ở các vị trí và thời điểm khác nhau trên mặt tiền. Chúng tôi có thể đạt được tất cả những điều này với một dòng chất lỏng đơn giản, có thể mở rộng và không tốn kém ”.

Nhóm nghiên cứu cũng suy đoán về các khả năng nghệ thuật. Các mảng ô lớn có thể hoạt động giống như các pixel, tạo ra các màn hình quang học lỏng có khả năng tạo ra các tác phẩm nghệ thuật theo phong cách pointilliss. Trong các mô hình của mình, nhóm nghiên cứu thậm chí còn mô phỏng hình ảnh của Albert Einstein và Marilyn Monroe. Hatton hy vọng ý tưởng sử dụng mặt tiền năng động để tiết kiệm năng lượng sẽ thay đổi cuộc trò chuyện xung quanh cả thiết kế tòa nhà và biến đổi khí hậu.

Ứng dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng -0
Giáo sư Ben Hatton, Đại học Toronto (Canada).

Giảm tiêu thụ năng lượng với các vật liệu làm mát thụ động

Làm mát thụ động là một công nghệ đầy hứa hẹn để giảm tiêu thụ năng lượng một cách bền vững. Nó tránh sự đốt nóng của tòa nhà bởi bức xạ mặt trời và làm tiêu tan nhiệt tích tụ mà không cần tiêu thụ năng lượng bên ngoài. Nhóm các nhà nghiên cứu của Bayreuth đã tạo ra một hệ thống thử nghiệm mà qua đó các vật liệu được sử dụng để làm mát thụ động có thể được xác định và so sánh một cách đáng tin cậy – bất kể thời tiết và điều kiện. Môi trường. Đây là bước đầu tiên hướng tới một hệ thống thử nghiệm tiêu chuẩn, có thể áp dụng trên toàn cầu để so sánh các vật liệu làm mát hiệu suất cao.

GS.TS Markus Retsch, trưởng dự án nghiên cứu kiêm Chủ nhiệm Khoa Hóa lý I, Đại học Bayreuth, nhận xét: “Sự gia tăng tiêu thụ năng lượng hóa thạch trên toàn thế giới vẫn đang góp phần làm trái đất nóng lên và là nguyên nhân chính khiến các thành phố nóng lên. . Làm mát một tòa nhà vào ban ngày bằng cách sử dụng làm mát thụ động có tiềm năng lớn để thiết lập nó như một công cụ hiệu quả để tiết kiệm năng lượng.

Do đó, nhiều vật liệu và lớp công nghệ thú vị đã được phát triển để tản nhiệt, nhưng vẫn là một thách thức để xác định chính xác và so sánh hiệu suất của chúng. Thiết lập phòng thí nghiệm mà chúng tôi đã thiết kế giúp khắc phục khó khăn này. Đó là một hệ thống thử nghiệm góp phần quan trọng vào việc xác định đặc tính của các vật liệu làm mát hiện có trước đây và thiết kế các vật liệu mới, bất kể thời tiết như thế nào. “

Ứng dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng -0
Tiến sĩ Qimeng Song đang phát triển một thiết bị đo mới.

Hệ thống kiểm tra dựa trên phòng thí nghiệm mô phỏng một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát thụ động. Do đó, các thành phần thiết yếu là một bộ mô phỏng ánh sáng mặt trời, một mái vòm nhôm được làm mát bằng nitơ lỏng để hấp thụ bức xạ nhiệt, một bộ lọc có thể thay đổi chỉ cho phép các tia có bước sóng nhất. có thể sử dụng lối đi quy định và dòng khí để thiết lập nhiệt độ môi trường cụ thể.

Điều này cho phép mô phỏng cường độ bức xạ mặt trời, tác động nhiệt độ lên vật liệu làm mát và các ảnh hưởng môi trường khác trên quy mô thu nhỏ. Ngoài trời, các yếu tố này thay đổi nhanh chóng và không thể kiểm soát được, nhưng trong thiết lập đo lường mới từ Bayreuth, chúng có thể được thiết lập với độ đặc hiệu cao.

Do đó, kết quả kiểm tra có thể được lặp lại bất cứ lúc nào – bất kể thời gian, địa điểm hay thời tiết. Đây là cách duy nhất để mô tả các đặc tính và hành vi của vật liệu làm mát với độ chính xác cao và so sánh chúng trong các điều kiện giống hệt nhau. Thiết lập đo lường mạnh mẽ, tiết kiệm chi phí và cũng có lợi thế là có thể tái tạo mà không cần nỗ lực kỹ thuật lớn.

Ứng dụng công nghệ giảm tiêu thụ năng lượng -0
Một hệ thống “quang lỏng” mới, chi phí thấp được thiết kế bởi một nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Toronto – lấy cảm hứng từ các sinh vật biển như cá, cua và nhuyễn thể – có thể giúp tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà bằng cách thay đổi diện mạo của chúng.

Nhóm các nhà khoa học của Bayreuth đã chứng minh hiệu suất và độ tin cậy cao của hệ thống thử nghiệm trên ba vật liệu khác nhau: gương bạc (Ag), màng polydimethylsiloxan (PDMS) tráng bạc và tấm silicon phủ than chì. Khi làm như vậy, họ không chỉ kiểm tra độ nóng và làm mát của vật liệu mà còn xác định hiệu suất làm mát của chúng.

Tiến sĩ Qimeng Song, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là chuyên gia của nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tiến sĩ Markus Retsch dẫn đầu, cho biết: “Thiết lập đo lường của chúng tôi là bước đầu tiên để so sánh hiệu suất. Tiêu chuẩn hóa giữa các vật liệu làm mát đã được phát triển trên khắp thế giới trong các điều kiện khí hậu và thời tiết rất khác nhau. Hệ thống thử nghiệm như vậy là tiền đề quan trọng để làm mát thụ động trở thành công nghệ được áp dụng trên toàn cầu nhằm giảm tiêu thụ năng lượng ”.

Leave a Reply

Your email address will not be published.