Thế hệ cửa sổ thông minh mới giúp điều hòa tối ưu nhiệt độ trong nhà

Nhu cầu về năng lượng trên toàn thế giới tiếp tục tăng không thể kìm hãm khi các thành phố mở rộng, con người sử dụng nhiều công nghệ hiện đại hơn và các ngành công nghiệp đua nhau phát triển.

Các tòa nhà chiếm khoảng 30 đến 40% nhu cầu năng lượng, nhiều hơn cả công nghiệp và giao thông. Năng lượng dùng trong tòa nhà chủ yếu là để sưởi ấm, làm mát và thông gió. Trong đó, điều hòa không khí đặc biệt "ngốn" nhiều năng lượng nhất.

Cửa sổ đóng vai trò quan trọng trong điều hòa nhiệt độ. Không khí và nhiệt độ lưu thông qua cửa sổ, khiến cho hệ thống sưởi hoặc làm mát phải làm việc nhiều hơn, và như vậy cũng dẫn đến tăng lượng khí thải.

Thách thức đặt ra là làm sao kiểm soát sự truyền nhiệt này mà không ảnh hưởng đến độ trong của kính cửa sổ và lượng ánh sáng ban ngày lọt vào nhà bởi cả hai yếu tố này đều cần thiết cho sức khỏe và hoạt động của con người.

Cửa sổ thông minh thế hệ mới ra đời như một giải pháp thích hợp.

Hầu hết các loại cửa sổ này trên thị trường hiện nay được áp dụng công nghệ điện sắc (EC). Công nghệ này giúp truyền điện vào các lớp hạt hoặc tinh thể bên trong kính chỉ bằng một nút bấm.

Khi đó, cửa sổ trở nên tối đi tùy theo mức độ mong muốn và ngăn chặn phần lớn ánh sáng hồng ngoại - là thứ khiến các căn phòng bị nóng lên.

Như vậy, những chiếc máy điều hòa nhiệt độ làm mát sẽ được giảm hoạt động mà vẫn ngăn được khoảng 60 đến 70% nhiệt bên ngoài khỏi lọt vào nhà khi trời nóng và ngăn mất 40% nhiệt trong nhà khỏi thoát ra ngoài vào mùa lạnh.

Dù mới xuất hiện trên thị trường vài năm, nhưng loại cửa sổ này được bán khá chạy. Tổng giao dịch thị trường toàn cầu năm 2023 đạt 6,6 tỷ đô-la Mỹ.

Tuy nhiên, chúng vẫn có một số hạn chế, chẳng hạn như chỉ hoạt động bằng nguồn điện. Điều này có thể là một khó khăn ở những nơi hẻo lánh hoặc không có điện ổn định.

Một nhược điểm khác là hầu như chúng chỉ có thể chuyển đổi giữa trong suốt hoàn toàn và tối hoàn toàn, nghĩa là căn phòng có thể phải dùng ánh sáng nhân tạo mà không tận dụng được ánh sáng mặt trời để chiếu sáng.

Công nghệ nhiệt sắc chính là tương lai

Có một giải pháp ưu việt hơn, đó là quang sắc. Các cửa sổ sử dụng công nghệ này sẽ có một lớp tinh thể halide bạc hoặc các hợp chất naphthopyrans có khả năng phản ứng với mức độ tăng của tia cực tím (UV), khiến kính đổi màu khi nắng to. Đây chính là vật liệu được sử dụng để làm kính mắt đổi màu.

So với cửa sổ EC, loại cửa sổ mới này có thêm ưu điểm là ngăn được tia UV. Tia UV không chỉ gây ung thư mà còn làm hỏng mọi thứ, từ đồ nội thất đến tranh vẽ và cả lớp phủ EC.

Tuy vậy, cửa sổ quang sắc rất đắt. Chúng rất nhạy cảm với thời tiết, vì thế không được thuận tiện trong điều kiện trời nhiều mây hoặc có mưa.

Chúng cũng không chặn được ánh sáng hồng ngoại và không thể điều khiển thủ công theo từng mức độ, cho nên chỉ thực sự phù hợp để bên ngoài không thể quan sát được bên trong phòng hơn là để điều chỉnh nhiệt độ phòng.

Có một loại cửa sổ thông minh thứ 3 được nhiều người kỳ vọng. Đó là cửa sổ nhiệt sắc. Chúng có lớp phủ là các hạt phản ứng với nhiệt độ thay vì ánh sáng, nghĩa là không cần phải có điện mới hoạt động.

Chúng rẻ hơn nhiều so với cửa sổ quang sắc, mà vẫn chặn được tia UV và chặn được tia hồng ngoại giống như cửa sổ EC. Ngoài ra, loại cửa sổ này còn có thể chuyển dần từ màu sáng sang màu tối khi nhiệt độ bên ngoài tăng lên.

Mặc dù vậy, vẫn phải nói đến một hạn chế khiến nó chưa thể được sử dụng phổ biến khắp nơi. Đó là vì các lớp vanadi dioxide được sử dụng hiện nay chỉ phản xạ hoàn toàn tia hồng ngoại ở khoảng 67 độ C, nóng hơn nhiều so với nhiệt độ tự nhiên ngoài trời cao nhất.

Nhiều nhà nghiên cứu đang tìm cách cải tiến kính nhiệt sắc để tạo ra lớp phủ có khả năng phản xạ tia hồng ngoại ở nhiệt độ thấp hơn cho phù hợp với thực tế, hay biến nó thành một chất cách nhiệt khi nhiệt độ thấp để căn phòng không bị mất nhiệt ra ngoài để có thể sử dụng được cả cho những nơi khí hậu lạnh.

Có lẽ khoảng 5 đến 10 năm nữa, loại cửa sổ ưu việt này sẽ được đưa ra thị trường, và đáp ứng được nhu cầu sử dụng ở cả nơi thời tiết nóng và nơi thời tiết lạnh. Nó sẽ tạo nên sự khác biệt đáng kể không chỉ về nhu cầu sử dụng máy lạnh mà cả máy sưởi và hệ thống thông khí.

Tính trung bình, mỗi căn hộ ở một đất nước có khí hậu lạnh chỉ cần có 5 chiếc cửa sổ này là có thể giảm được từ 5 bộ tản nhiệt sưởi xuống còn 2 bộ. Ngoài các tòa nhà, máy bay và ô tô cũng có thể sử dụng công nghệ này.