Kiến thức ngành

I. Tổng quan

1.1 Bối cảnh nghiên cứu

Môi trường ánh sáng và nhiệt độ trong các tòa nhà chịu ảnh hưởng định kỳ bởi điều kiện khí hậu bên ngoài, do đó việc điều chỉnh hiệu quả ánh sáng trong nhà và lượng nhiệt bức xạ mặt trời là rất quan trọng. Là một vật liệu thông minh với khả năng thay đổi độ truyền ánh sáng và khả năng cách nhiệt, kính đổi màu theo nhiệt độ có thể điều chỉnh linh hoạt ánh sáng nhìn thấy và bức xạ nhiệt cận hồng ngoại đi vào tòa nhà, và có tiềm năng lớn trong việc cải thiện sự thoải mái của môi trường ánh sáng trong nhà và giảm tiêu thụ năng lượng của tòa nhà. Trong đó, kính đổi màu theo nhiệt độ dựa trên vật liệu hydrogel không màu và trong suốt, và nhiệt độ chuyển đổi có thể được thiết lập tự do từ 20 đến 50°C. Nó có độ truyền ánh sáng nhìn thấy cao, có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của ứng dụng kiến ​​trúc về nhiệt độ chuyển đổi và độ truyền ánh sáng nhìn thấy, và có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Tuy nhiên, trong các nghiên cứu và tiêu chuẩn hiện có, vẫn thiếu các phương pháp rõ ràng để thiết kế và lựa chọn nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu theo nhiệt độ dưới các điều kiện khí hậu khác nhau; đồng thời, chưa có tiêu chuẩn đánh giá rõ ràng về việc kính đổi màu theo nhiệt độ có thuộc loại công trình che nắng hay không và đánh giá tiềm năng che nắng của nó. Trong ứng dụng kiến ​​trúc, việc thiết kế và lựa chọn nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu theo nhiệt độ dưới các điều kiện khí hậu và hướng công trình khác nhau, cũng như cách tính toán diện tích che nắng tương đương trong quá trình đánh giá, đã trở thành những vấn đề cấp bách cần giải quyết đối với vật liệu này từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng kiến ​​trúc.

1.2 Mục đích và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm mục đích thiết lập mô hình tính toán tác động tổng thể của kính đổi màu theo nhiệt độ lên ánh sáng, môi trường nhiệt và tiêu thụ năng lượng của tòa nhà thông qua sự kết hợp giữa thử nghiệm thực tế và mô phỏng số, và kiểm chứng mô hình này bằng dữ liệu đo đạc. Trên cơ sở đó, phương pháp tính toán nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu và chiều dài che nắng tương đương của kính đổi màu theo nhiệt độ trong các điều kiện khí hậu khác nhau được nghiên cứu để cung cấp tài liệu tham khảo cho việc thiết kế và đánh giá trong các ứng dụng kiến ​​trúc. Kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi kính đổi màu theo nhiệt độ trong lĩnh vực kiến ​​trúc, cải thiện hiệu suất ánh sáng và nhiệt của các tòa nhà, giảm tiêu thụ năng lượng của tòa nhà và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

2. Thử nghiệm hiệu năng của kính đổi màu theo nhiệt độ

2.1 Kiểm tra hiệu năng quang học

Sử dụng máy quang phổ UV/ánh sáng nhìn thấy/cận hồng ngoại, các đặc tính quang học của các mẫu kính đổi màu theo nhiệt độ với nhiệt độ chuyển tiếp là 20℃, 25℃, 30℃ và 35℃ đã được kiểm tra ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng, độ truyền ánh sáng nhìn thấy của kính giảm dần, và khả năng chắn bức xạ mặt trời tăng dần. Ví dụ, ở 20℃, độ truyền ánh sáng nhìn thấy của kính tương đối cao, cho phép một lượng lớn ánh sáng nhìn thấy đi vào phòng; khi nhiệt độ tăng lên 35℃, độ truyền ánh sáng nhìn thấy giảm đáng kể, và độ truyền bức xạ mặt trời cũng giảm đáng kể, ngăn chặn hiệu quả nhiệt lượng mặt trời xâm nhập vào phòng.

2.2 Thử nghiệm hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt của mẫu được kiểm tra bằng máy đo độ dẫn nhiệt dòng nhiệt ổn định. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt của kính đổi màu tương đối lớn ở trạng thái trong suốt; ở trạng thái phun sương, hệ số truyền nhiệt giảm đáng kể, điều này cho thấy hiệu suất cách nhiệt của kính ở trạng thái phun sương được cải thiện đáng kể, có thể giảm thiểu hiệu quả sự truyền nhiệt giữa trong nhà và ngoài trời.

3. Xét nghiệm trong phòng thí nghiệm

3.1 Thiết kế phòng thí nghiệm

Một phòng thí nghiệm tương đương đã được thiết lập tại Khoa Kiến trúc và Kỹ thuật Xây dựng của Đại học Hạ Môn. Phòng so sánh và phòng thí nghiệm có cùng kích thước, chiều dài, chiều rộng và chiều cao là 2,9m×2,6m×2,8m, và kích thước cửa sổ bên ngoài là 0,93m×1,94m. Cửa sổ của phòng so sánh được trang bị kính cách nhiệt hai lớp và rèm che nắng ngang kéo dài 50cm, còn cửa sổ của phòng thí nghiệm được trang bị kính đổi màu một lớp với nhiệt độ chuyển tiếp là 25℃.

3.2 Nội dung và kết quả bài kiểm tra

Việc đo đạc thực tế được tiến hành trong 10 ngày liên tiếp, dữ liệu đo bao gồm dữ liệu thời tiết ngoài trời, nhiệt độ không khí trong nhà (nhiệt độ phòng tự nhiên), độ rọi sáng trong nhà, v.v. Kết quả thí nghiệm cho thấy, trong thời tiết nóng, kính đổi màu nhiệt được lắp đặt trong phòng thí nghiệm sẽ dần dần mờ đi khi nhiệt độ tăng, giúp ngăn chặn hiệu quả bức xạ mặt trời, và nhiệt độ không khí trong nhà thấp hơn đáng kể so với phòng không có biện pháp che nắng hiệu quả. Ngoài ra, độ rọi sáng trong nhà đảm bảo nhu cầu chiếu sáng đồng thời tránh được sự khó chịu do ánh sáng mạnh chiếu trực tiếp. Phòng đối chứng cũng có tác dụng che nắng nhất định, nhưng phòng thí nghiệm sử dụng kính đổi màu nhiệt có nhiều ưu điểm hơn về khả năng tự động điều chỉnh nhiệt độ.

IV. Thiết lập và kiểm chứng mô hình mô phỏng số

4.1 Thiết lập mô hình EnergyPlus

Phần mềm EnergyPlus được sử dụng để thiết lập mô hình tính toán hiệu suất tòa nhà cho phòng thí nghiệm tương đương. Dựa trên dữ liệu thời tiết ngoài trời đo được trong 10 ngày, nhiệt độ không khí trong nhà và độ rọi chiếu sáng tại các điểm đo thí nghiệm được mô phỏng và tính toán. Trong quá trình thiết lập mô hình, các thông số nhiệt của cấu trúc bao che, các thông số đặc trưng của cửa sổ bên ngoài, nguồn nhiệt trong nhà và các thông số liên quan khác được thiết lập chi tiết để đảm bảo mô hình có thể phản ánh chính xác tình hình thực tế của phòng thí nghiệm.

4.2 Kiểm chứng mô hình

Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. So sánh giữa giá trị đo được và giá trị mô phỏng của nhiệt độ không khí trong nhà của phòng đối chứng và phòng thí nghiệm cho thấy sai số NMBEs của nhiệt độ không khí trong nhà của phòng đối chứng là 1,99%, và sai số NMBEs của nhiệt độ không khí trong nhà của phòng thí nghiệm là 1,05%. Sai số NMBEs giữa giá trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng của độ rọi tại 9 điểm đo trong phòng thí nghiệm sử dụng kính điều chỉnh nhiệt dao động từ -3,43% đến 7,70%, và sai số NMBEs giữa giá trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng của độ rọi tại 9 điểm đo trong phòng đối chứng sử dụng kính cách nhiệt trong suốt có tấm chắn nắng dao động từ -6,01% đến 15,38%. Kết quả kiểm chứng cho thấy EnergyPlus có độ chính xác cao trong việc tính toán nhiệt độ trong nhà và độ rọi của phòng đối chứng và phòng thí nghiệm, có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.

5. Nghiên cứu về ứng dụng kính đổi màu theo nhiệt độ trong các điều kiện khí hậu khác nhau.

5.1 Xây dựng mô hình văn phòng điển hình

Một văn phòng điển hình được chọn để mô phỏng, và phương pháp tính toán đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm được áp dụng. Dưới các điều kiện khí hậu khác nhau, các thông số vận hành như thông số nhiệt của kết cấu bao che, mật độ công suất chiếu sáng, mật độ thiết bị, mật độ nhân viên, tỷ lệ sử dụng nhân viên và nhiệt độ cài đặt điều hòa không khí trong phòng được lựa chọn theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế tiết kiệm năng lượng công trình hiện hành có liên quan ở nước ta.

5.2 Mô phỏng và phân tích hiệu suất vật lý của tòa nhà

Phương pháp mô phỏng hiệu suất vật lý động của tòa nhà trong cả năm dựa trên dữ liệu khí tượng điển hình được sử dụng để tính toán độ chiếu sáng ban ngày hiệu quả (UDI), chỉ số cảm nhận nhiệt trung bình trong nhà (PMV) và mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích tòa nhà (EUI), đồng thời phân tích ảnh hưởng của kính đổi màu nhiệt đến môi trường ánh sáng, môi trường nhiệt và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà trong các ứng dụng văn phòng điển hình. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng ở các vùng khí hậu khác nhau, ảnh hưởng của kính đổi màu nhiệt đến môi trường ánh sáng và nhiệt cũng như mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà là khác nhau. Ở các vùng nóng, kính đổi màu nhiệt có thể giảm nhiệt độ trong nhà hiệu quả vào mùa hè, giảm tiêu thụ năng lượng điều hòa không khí, đồng thời đảm bảo nhu cầu chiếu sáng nhất định và cải thiện sự thoải mái trong nhà; ở các vùng lạnh, kính vẫn trong suốt ở nhiệt độ thấp vào mùa đông, giúp tăng lượng nhiệt bức xạ mặt trời trong nhà và giảm tiêu thụ năng lượng sưởi ấm.

VI. Nghiên cứu về thiết kế và lựa chọn kính đổi màu theo nhiệt độ

6.1 So sánh hiệu suất của các loại kính khác nhau

Dữ liệu khí tượng tiêu biểu của 203 thành phố trong nước đã được chọn để so sánh và phân tích hiệu suất năng lượng của các loại kính cách nhiệt một lớp, kính cách nhiệt hai lớp Low-e (độ truyền sáng cao ở phía bắc và độ truyền sáng thấp ở phía nam), và kính cách nhiệt một lớp Low-e theo bốn hướng đông, tây, nam và bắc. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tiết kiệm năng lượng của kính cách nhiệt một lớp ở hầu hết các khu vực (95%) không tốt bằng kính cách nhiệt hai lớp Low-e, trong khi hiệu suất tiết kiệm năng lượng của kính cách nhiệt một lớp Low-e ở hầu hết các khu vực (82%) lại kém hơn so với kính cách nhiệt hai lớp Low-e.

6.2 Lập bản đồ lựa chọn thiết kế nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu

Dựa trên nghiên cứu trên, một bản đồ về lựa chọn thiết kế nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu nhiệt một lớp Low-e dưới 4 hướng xây dựng đã được lập ra. Bản đồ này thể hiện trực quan nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu nhiệt áp dụng cho các khu vực và hướng xây dựng khác nhau, cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà thiết kế kiến ​​trúc. Ví dụ, ở các vùng phía nam nóng, nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu nhiệt một lớp Low-e cho các tòa nhà hướng Đông-Tây là khoảng 35-38℃; trong khi ở các vùng phía bắc lạnh, nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của các tòa nhà hướng Nam tương đối thấp hơn, từ 28-32℃.

VII. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả che nắng của kính đổi màu theo nhiệt độ

7.1 So sánh với các thiết bị che nắng cố định bên ngoài

Nghiên cứu này chọn ra các thành phố điển hình thuộc 5 vùng khí hậu nhiệt độ xây dựng ở nước ta (Cáp-bin, Bắc Kinh, Nam Kinh, Côn Minh, Hạ Môn) để so sánh tác động của kính đổi màu nhiệt một lớp và hệ thống che nắng cố định bên ngoài (che nắng ngang và che nắng dọc) đến môi trường ánh sáng và nhiệt độ trong nhà cũng như mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà. Các trường hợp phân tích và tính toán bao gồm 5 điều kiện khí hậu đô thị điển hình, 4 hướng xây dựng (đông, tây, nam và bắc), kính đổi màu nhiệt một lớp với nhiệt độ chuyển tiếp từ 20-50℃, hệ thống che nắng ngang cố định có chiều dài từ 0-3,6m và hệ thống che nắng dọc cố định có chiều dài từ 0-3,6m. Trong đó, cửa sổ của hệ thống che nắng cố định sử dụng kính cách nhiệt hai lớp, và việc lựa chọn chiều dài che nắng từ 0-3,6m có tính đến các cấu trúc tự che nắng của tòa nhà bao gồm ban công, hành lang và các phần nhô ra của tòa nhà.

7.2 Phương pháp và kết quả xác định độ dài che bóng tương đương

Bài báo đề xuất quy trình xác định chiều dài che nắng tương đương của kính đổi màu nhiệt: trước tiên, xác định mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu của tòa nhà khi sử dụng kính đổi màu nhiệt ở các nhiệt độ chuyển tiếp khác nhau, và nhiệt độ chuyển tiếp có mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất là nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu nhiệt; sau đó, khi mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu của tòa nhà khi sử dụng kính đổi màu nhiệt gần nhất với mức này, chiều dài của hệ thống che nắng cố định bên ngoài là chiều dài che nắng tương đương của kính đổi màu nhiệt. Lấy ví dụ so sánh giữa kính đổi màu nhiệt và hệ thống che nắng ngang bên ngoài tại Hạ Môn, dưới điều kiện khí hậu của Hạ Môn, nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính đổi màu nhiệt một lớp là 36-37℃. Theo bốn hướng đông, tây, nam và bắc, chiều dài che nắng ngang bên ngoài tương đương của kính đổi màu nhiệt với nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu lần lượt là 0,5m, 0,9m, 0,4m và 1,6m. Kết quả nghiên cứu cho thấy kính đổi màu nhiệt có thể đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà và cải thiện môi trường ánh sáng và nhiệt tương tự như các hệ thống che nắng cố định bên ngoài.

VIII. Kết luận và triển vọng

8.1 Kết luận nghiên cứu

Thông qua các thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng số, nghiên cứu này đã thiết lập mô hình tính toán tác động tổng thể của kính đổi màu nhiệt lên ánh sáng, môi trường nhiệt và tiêu thụ năng lượng của tòa nhà, đồng thời xác minh độ chính xác của mô hình thông qua dữ liệu đo đạc. Nghiên cứu đã thu được phương pháp tính toán nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu và chiều dài che nắng tương đương của kính đổi màu nhiệt trong các điều kiện khí hậu khác nhau, và lập bản đồ lựa chọn thiết kế cho nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu. Kết quả cho thấy kính đổi màu nhiệt có tiềm năng điều chỉnh ánh sáng và nhiệt tốt trong ứng dụng xây dựng, có thể cải thiện hiệu quả sự thoải mái về môi trường ánh sáng và nhiệt trong nhà, giảm tiêu thụ năng lượng của tòa nhà, và ở hầu hết các khu vực, hiệu quả năng lượng của kính đổi màu nhiệt một lớp Low-e tốt hơn so với kính truyền thống. Đồng thời, kính đổi màu nhiệt có thể đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng và cải thiện môi trường ánh sáng và nhiệt tương tự như các thiết bị che nắng cố định bên ngoài.

8.2 Triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu trong tương lai có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu ứng dụng kính đổi màu theo nhiệt độ trong các loại công trình khác nhau, chẳng hạn như nhà ở, bệnh viện, trường học, v.v., và phân tích sâu hơn hiệu suất của nó dưới các yêu cầu chức năng khác nhau của tòa nhà. Đồng thời, tối ưu hóa các đặc tính vật liệu và quy trình sản xuất kính đổi màu theo nhiệt độ, cải thiện độ ổn định, độ bền và độ chính xác làm mờ, đồng thời giảm chi phí sản xuất để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi hơn. Ngoài ra, kết hợp với trí tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn và các công nghệ khác, có thể hiện thực hóa sự liên kết thông minh giữa kính đổi màu theo nhiệt độ và các hệ thống tòa nhà khác để nâng cao hơn nữa mức độ thông minh và tiết kiệm năng lượng của các tòa nhà.