Hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời đã tồn tại trong kiến trúc từ thời cổ đại, khi con người sử dụng gạch nung và tường đá để giữ nhiệt vào ban ngày, giải phóng nhiệt vào ban đêm. Trong một nghiên cứu mới đây, tường Trombe (một dạng hệ thống thu nhiệt mặt trời gián tiếp) được sử dụng trong thiết kế kiến trúc các tòa nhà năng lượng mặt trời thụ động từ thế kỷ XIX.
Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời đầu tiên được phát triển trong những năm 1920, khi các kiến trúc sư châu Âu bắt đầu thử nghiệm với các phương pháp năng lượng mặt trời thụ động trong nhà ở. Đặc biệt, trong thế chiến thứ II, tình trạng thiếu nhiên liệu đã nhanh chóng khiến việc ứng dụng hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động trở nên phổ biến hơn.
 |
| Tường Trombe có tác dụng sưởi ấm, làm mát cho các tòa nhà. |
Các biến thể của hệ thống này sau đó đã phổ cập khắp thế giới, nhưng mãi đến năm 1967, bức tường Trombe đầu tiên mới được thực hiện bởi kiến trúc sư Jacques Michel tại Odeillo, Pháp. Được đặt theo tên kỹ sư Felix Trombe, hệ thống này kết hợp giữa kính và vật liệu hấp thụ nhiệt tối màu để dẫn nhiệt từ từ vào nhà.
Tường Trombe tiêu chuẩn đặt một tấm kính khoảng 2-5cm từ bức tường xây sẫm màu dày 10-41cm, thường được làm bằng gạch, đá hoặc bê tông. Nhiệt mặt trời đi qua kính, được hấp thụ bởi bức tường khối nhiệt, sau đó từ từ tỏa vào nhà. Trong khi bức xạ mặt trời trực tiếp có bước sóng ngắn hơn và do đó dễ dàng dẫn qua thủy tinh, nhiệt phát ra lại từ khối nhiệt dạng bức xạ có bước sóng dài hơn, không thể truyền qua thủy tinh một cách dễ dàng.
Tính chất này của bức xạ mặt trời được mô tả bởi định luật dịch chuyển của Wien, giữ nhiệt giữa tấm kính và tường xây, cho phép tường Trombe hấp thụ nhiệt hiệu quả đồng thời hạn chế sự tái phát thải ra môi trường. Hơn nữa, vì tấm kính chỉ ở bên ngoài bức tường nên nhiệt có thể truyền vào bên trong ngôi nhà một cách không giới hạn, quá trình thường mất khoảng 8-10 tiếng đồng hồ cho bức tường Trombe dày 20cm. Thông thường, điều này có nghĩa là bức tường hấp thụ nhiệt vào ban ngày và từ từ tỏa nhiệt vào ban đêm, làm giảm đáng kể nhu cầu sưởi ấm thông thường.
 |
| Tường Trombe hấp thụ nhiệt hiệu quả, hạn chế lượng khí thải carbon ra môi trường. |
Tường Trombe thường phục vụ các chức năng chịu lực cùng với vai trò sưởi ấm thụ động của chúng. Để tối đa hóa việc thu được năng lượng mặt trời, mặt được tráng men của bức tường thường hướng về phía Xích đạo, điều này cho phép bức tường thu được nhiều mặt trời hơn vào ban ngày, nhất là trong mùa đông. Các vật liệu, kích thước, màu sắc khác nhau và những thay đổi khác cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống tường Trombe.
Một biến thể phổ biến là tường Trombe thông gió. Các lỗ thông hơi được đặt ở trên cùng, dưới cùng của khoảng trống giữa tấm kính và tường xây. Khi không khí trong không gian này được làm nóng, nó sẽ đi vào lỗ thông hơi trên cùng, dẫn vào nhà. Đồng thời, không khí lạnh từ bên trong nhà đi qua lỗ thông hơi phía dưới vào không gian này, nơi nó được sưởi ấm và sau đó được chuyển hướng trở lại nhà qua lỗ thông hơi phía trên.
 |
| Cấu tạo của tường Trombe |
 |
 |
| Hoạt động của tường Trombe |
Một ví dụ khác là "bức tường trống" do Steve Bare phát triển, sử dụng nước như một khối nhiệt thay vì bê tông hay đá. Các thùng thép sậm màu, giống như thùng dầu, chứa đầy nước và xếp sau tấm kính. Vì nước có nhiệt dung lớn hơn khối xây nên về lý thuyết, hệ thống này hấp thụ nhiệt hiệu quả hơn tường Trombe tiêu chuẩn.
Những thay đổi quy mô nhỏ hơn cũng có thể cải thiện hiệu quả của bức tường Trombe. Ví dụ, các kiến trúc sư thường áp dụng một rào cản bức xạ hoặc bề mặt chọn lọc - thường là một tấm lá kim loại đặt trên bề mặt bên ngoài của bức tường xây - để có kết quả tốt hơn. Giấy bạc có khả năng hấp thụ cao, cho phép nó hấp thụ một lượng lớn ánh sáng mặt trời và biến nó thành nhiệt, nhưng nó cũng có độ tỏa nhiệt thấp, giúp ngăn nhiệt này bị phát ngược trở lại kính. Nếu giấy bạc là một rào cản bức xạ cuộn xuống, nó có thể được sử dụng để giảm sự mất nhiệt vào ban đêm và tăng nhiệt vào mùa hè. Kết hợp với thiết bị che nắng như mái che nhô ra, có thể giảm đáng kể lượng nhiệt vào nhà trong mùa hè.
 |
| Có thể sơn tường Trombe màu đen để tăng khả năng hấp thụ nhiệt. |
Cuối cùng, các đặc điểm về màu sắc, kích thước và vật liệu cũng có thể tối ưu hóa hiệu quả của tường Trombe. Độ dày của tường xây nên thay đổi theo vật liệu chính xác được sử dụng. Vật liệu dẫn điện hơn sẽ truyền nhiệt nhanh hơn, điều này có thể được bù đắp bằng cách thiết kế tường dày hơn.
Các kiến trúc sư cũng có thể sơn tường xây màu đen để tăng khả năng hấp thụ hoặc sử dụng kính truyền sáng cao để tối đa hóa lượng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, chủ nhà cũng có thể muốn đón ánh sáng tự nhiên vào ban ngày, đòi hỏi đội ngũ thiết kế phải cân bằng giữa tính thẩm mỹ và hiệu quả. Các kiến trúc sư cũng có thể sử dụng kính có hoa văn để che bớt khối nhiệt.
Ngày nay, các hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động như bức tường Trombe rất được ưa chuộng vì sử dụng năng lượng thấp và tính bền vững tương đối. Một nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia của Trung tâm Du khách Công viên Quốc gia Zion phát hiện ra rằng, 20% nhiệt lượng sưởi hàng năm của tòa nhà được cung cấp bởi bức tường Trombe.
 |
| Tường Trombe giúp gia chủ tiết kiệm đáng kể chi phí điện sưởi ấm vào mùa đông. |
Tất nhiên, các kiến trúc sư thiết kế tường Trombe phải khắc phục được những nhược điểm nhất định về mặt thẩm mỹ, đặc biệt là ánh sáng. Bức tường sẫm màu hướng ra xích đạo có thể được bù đắp bằng cửa sổ trần, cửa sổ liền kề và đủ ánh sáng nhân tạo.
Tường Trombe cũng là một hệ thống phụ thuộc nhiều vào khí hậu. Điều đó có nghĩa là vị trí và sự thay đổi thời tiết có thể tác động tiêu cực đến hiệu quả của tường. Tuy nhiên, nếu những mối quan tâm này được giải quyết thỏa đáng, hệ thống này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng của cấu trúc - và thậm chí hạ thấp đáng kể chi phí sưởi ấm.
Lam Giang/Theo Báo GD& TĐ
