Kiến thức ngành

I. Tổng quan

1.1 Bối cảnh nghiên cứu

Môi trường ánh sáng và nhiệt của các tòa nhà thường xuyên bị ảnh hưởng 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 hấp thụ là rất quan trọng. Là vật liệu thông minh với khả năng truyền sáng và cách nhiệt đa dạng, kính nhiệt sắc có thể điều chỉnh linh hoạt lượng ánh sáng khả kiến và bức xạ nhiệt cận hồng ngoại đi vào tòa nhà, đồng thời có tiềm năng to lớn trong việc cải thiện sự thoải mái của môi trường ánh sáng trong nhà và giảm mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà. Trong số đó, kính nhiệt sắc dựa trên vật liệu hydrogel không màu và trong suốt, nhiệt độ chuyển tiếp có thể được điều chỉnh tự do từ 20 đến 50°C. Kính nhiệt sắc có độ truyền sáng khả kiến cao, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về nhiệt độ chuyển tiếp và độ truyền sáng khả kiến trong các ứng dụng kiến trúc, đồng thời có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Tuy nhiên, trong các nghiên cứu và tiêu chuẩn hiện có, vẫn còn thiếu các phương pháp rõ ràng để thiết kế và lựa chọn nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính nhiệt sắc trong các điều kiện khí hậu khác nhau; đồng thời, vẫn chưa có tiêu chuẩn đánh giá rõ ràng về việc kính nhiệt sắc có thuộc nhóm kính che nắng hay không và khả năng che nắng của nó. Trong các ứng dụng kiến trúc, việc thiết kế và lựa chọn nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính nhiệt sắc trong các điều kiện khí hậu và hướng tòa nhà 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 được giải quyết đối với vật liệu này, từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng kiến trúc.

1.2 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm mục đích thiết lập một mô hình tính toán tác động toàn diện của kính mờ nhiệt đến ánh sáng, môi trường nhiệt và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà thông qua kết hợp thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng số, đồng thời kiểm chứng 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 mờ nhiệt trong các điều kiện khí hậu khác nhau được nghiên cứu, làm cơ sở tham khảo cho việc thiết kế và đánh giá ứng dụng trong kiến trúc. Kết quả nghiên cứu này góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi kính mờ nhiệt trong lĩnh vực kiến trúc, cải thiện hiệu suất chiếu sáng và nhiệt của tòa nhà, giảm mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

2. Kiểm tra hiệu suất của kính mờ nhiệt

2.1 Kiểm tra hiệu suất quang học

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

2.2 Kiểm tra hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt của mẫu đã được kiểm tra bằng máy đo độ dẫn nhiệt thông lượng nhiệt trạng thái ổn định. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt của kính mờ nhiệt 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 làm giảm 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 lần lượt là 2,9m x 2,6m x 2,8m, và kích thước cửa sổ bên ngoài là 20,93m x 1,94m. Cửa sổ của phòng so sánh được trang bị kính cách nhiệt hai lớp và tấm che nắng ngang dài 50cm, còn cửa sổ của phòng thí nghiệm được trang bị kính mờ nhiệt một lớp với nhiệt độ chuyển tiếp là 25℃.

3.2 Nội dung và kết quả thử nghiệm

Đo lường thực tế được thực hiện trong 10 ngày liên tiếp và dữ liệu đo lường bao gồm dữ liệu thời tiết ngoài trời, nhiệt độ không khí trong nhà (nhiệt độ phòng tự nhiên), độ rọi của đèn trong nhà, v.v. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi thời tiết nóng, kính mờ nhiệt được lắp đặt trong phòng thử nghiệm dần mờ đi khi nhiệt độ tăng lên, 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 của đèn trong nhà đảm bảo nhu cầu chiếu sáng đồng thời tránh được sự khó chịu do ánh sáng mạnh chiếu trực tiếp. Phòng so sánh cũng có hiệu ứng che nắng nhất định dưới tác động của tấm che nắng, nhưng phòng thử nghiệm kính mờ 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 Thành lập mô hình EnergyPlus

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 đèn chiếu sáng tại các điểm đo thử nghiệm được mô phỏng và tính toán. Trong quá trình thiết lập mô hình, các thông số nhiệt của kết cấu vỏ bao che, các thông số đặc trưng của cửa sổ ngoài trời, nguồn nhiệt trong nhà và các thông số liên quan khác được thiết lập chi tiết để đảm bảo mô hình phản ánh chính xác tình hình thực tế của phòng thí nghiệm.

4.2 Xác minh 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 so sánh và phòng thử nghiệm cho thấy sai số NMBE của nhiệt độ không khí trong nhà của phòng so sánh là 1,99% và sai số NMBE của nhiệt độ không khí trong nhà của phòng thử nghiệm là 1,05%. Sai số NMBE của giá trị độ rọi thực nghiệm và mô phỏng tại 9 điểm đo trong phòng thử nghiệm kính mờ nhiệt nằm trong khoảng từ - 3,43% đến 7,70% và sai số NMBE của giá trị độ rọi thực nghiệm và mô phỏng tại 9 điểm đo trong phòng so sánh có kính cách nhiệt trong suốt che nắng nằm trong khoảng 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 so sánh và phòng thử nghiệm, có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.

5. Nghiên cứu ứng dụng kính mờ nhiệt trong các điều kiện khí hậu khác nhau

5.1 Thiết lập mô hình văn phòng điển hình

Chọn một văn phòng điển hình để mô hình hóa, áp dụng phương pháp tính toán đã được kiểm chứng qua thực nghiệm. Trong 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 sự, tỷ lệ người làm việc và nhiệt độ cài đặt điều hòa không khí trong phòng được lựa chọn theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế tiết kiệm năng lượng tòa nhà hiện hành tại quốc gia của tôi.

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

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

VI. Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn kính mờ nhiệt

6.1 So sánh hiệu suất của các loại kính khác nhau

Dữ liệu khí tượng tiêu biểu của 203 thành phố trong cả nước đã được chọn để so sánh và phân tích hiệu suất xây dựng của kính mờ 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 mờ nhiệt một lớp Low-e theo bốn hướng đông, tây, nam và bắc. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất năng lượng của kính mờ nhiệt một lớp ở hầu hết các khu vực (95%) không tốt bằng kính cách nhiệt hai lớp Low-e, trong khi hiệu suất năng lượng của kính mờ nhiệt một lớp Low-e ở hầu hết các khu vực (82%) kém hơn 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 lựa chọn thiết kế nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính mờ nhiệt một lớp Low-e theo 4 hướng công trình đã được vẽ. Bản đồ thể hiện trực quan nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính mờ nhiệt áp dụng cho các khu vực và hướng công trình khác nhau, cung cấp một 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 mờ nhiệt một lớp Low-e cho các công trình hướng Đông-Tây là khoảng 35-38℃; trong khi ở các vùng phía Bắc lạnh, nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của các công trình hướng Nam tương đối thấp, trong khoảng 28-32℃.

VII. Nghiên cứu đánh giá hiệu suất che nắng của kính mờ nhiệt

7.1 So sánh với các cơ sở che nắng cố định bên ngoài

Các thành phố tiêu biểu trong 5 vùng khí hậu nhiệt của tòa nhà tại quốc gia tôi (Cáp Nhĩ Tân, Bắc Kinh, Nam Kinh, Côn Minh, Hạ Môn) đã được chọn để so sánh tác động của kính mờ nhiệt một lớp và các phương tiện che nắng cố định bên ngoài (che nắng ngang bên ngoài và che nắng dọc bên ngoài) đến môi trường ánh sáng và nhiệt trong nhà và 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 tòa nhà là đông, tây, nam và bắc, kính mờ nhiệt một lớp có nhiệt độ chuyển tiếp từ 20-50℃, che nắng ngang bên ngoài cố định có chiều dài từ 0-3,6m và che nắng dọc bên ngoài cố định có chiều dài từ 0-3,6m. Trong số đó, các cửa sổ che nắng cố định bên ngoài sử dụng kính cách nhiệt hai lớp và việc lựa chọn chiều dài che nắng 0-3,6m có tính đến các kết cấu 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 chiều dài bóng râm tương đương

Quy trình xác định chiều dài che nắng tương đương của kính mờ nhiệt được đề xuất: trước tiên xác định mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu của tòa nhà đối với kính mờ nhiệt ở các nhiệt độ chuyển tiếp khác nhau và nhiệt độ chuyển tiếp ở mức tiêu thụ năng lượng tòa nhà thấp nhất là nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính mờ nhiệt; sau đó, khi mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu của tòa nhà đối với kính mờ nhiệt gần nhất, chiều dài che nắng cố định bên ngoài là chiều dài che nắng tương đương của kính mờ nhiệt. Lấy ví dụ về sự so sánh giữa kính mờ nhiệt và che nắng ngoài ngang ở Hạ Môn, trong điều kiện khí hậu của Hạ Môn, nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu của kính mờ nhiệt một lớp là 36-37℃. Ở bốn hướng đông, tây, nam và bắc, chiều dài che nắng ngoài ngang tương đương của kính mờ 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 mờ 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 công trình che nắng ngoài cố định.

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 một mô hình tính toán về tác động toàn diện của kính mờ nhiệt đến ánh sáng tòa nhà, môi trường nhiệt và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà, đồng thời kiểm chứng độ chính xác của mô hình thông qua dữ liệu đo lường. Nghiên cứu đã thu được phương pháp tính toán nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu và chiều dài che nắng tương đương của kính mờ nhiệt trong các điều kiện khí hậu khác nhau, đồng thời vẽ bản đồ lựa chọn thiết kế cho nhiệt độ chuyển tiếp tối ưu. Kết quả cho thấy kính mờ nhiệt có tiềm năng điều chỉnh ánh sáng và nhiệt tốt trong các ứng dụng xây dựng, có thể cải thiện hiệu quả sự thoải mái của môi trường ánh sáng và nhiệt trong nhà, giảm mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà và ở hầu hết các khu vực, hiệu suất năng lượng của tòa nhà kính mờ nhiệt một lớp Low-e tốt hơn so với kính truyền thống. Đồng thời, kính mờ 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 công trình che nắng cố định bên ngoài.

8.2 Triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu trong tương lai có thể mở rộng hơn nữa việc nghiên cứu ứng dụng kính mờ nhiệt trong các loại công trình khác nhau, chẳng hạn như nhà ở, bệnh viện, trường học, v.v., và phân tích sâu hiệu suất của kính mờ nhiệt theo các yêu cầu chức năng khác nhau của công trình. Đồng thời, tối ưu hóa tính chất vật liệu và quy trình sản xuất kính mờ nhiệt, cải thiện độ ổn định, độ bền và độ chính xác mờ nhiệt, 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 liên kết thông minh giữa kính mờ nhiệt và các hệ thống xây dựng khác, từ đó nâng cao hơn nữa tính thông minh và mức độ tiết kiệm năng lượng của các công trình.