Dapatkah kita membayangkan hidup hari ini tanpa AC atau pemanas? Tentu saja tidak! Sayangnya, kenyamanan seperti ini menghabiskan banyak energi (listrik dan termal). Industri bangunan dan konstruksi – yang meliputi AC dan pemanas – adalah dua konsumen energi paling utama di dunia.
Masyarakat sedang mencari target emisi net-zero. Energi terbarukan adalah cara yang paling dikenal untuk mencapai tujuan tersebut, namun strategi tambahan yang menjanjikan adalah mengoptimalkan lingkungan binaan. Lingkungan binaan adalah semua yang kita bangun sebagai manusia: bangunan tempat kita tinggal, jalan, jembatan, dan sistem transportasi kita, serta sistem yang menyediakan air dan listrik bagi kita.
Penggunaan bahan bangunan yang tepat untuk meminimalkan dampak lingkungan industri telah mendapat perhatian penelitian yang semakin meningkat. Bagi ilmuwan material, merupakan sebuah tantangan untuk bisa mengembangkan material berkelanjutan yang cocok dan sesuai dengan perkembangan manusia dan mitigasi perubahan iklim, namun tidak membahayakan kesejahteraan manusia atau keamanan lingkungan.
Penelitian saya di University of Exeter berfokus pada jendela pintar – yaitu, jendela yang memiliki kaca atau lapisan yang sifat transmisi cahayanya dapat mengontrol aliran radiasi matahari ke dalam bangunan, secara efektif beradaptasi dengan kondisi iklim yang beragam.
Mencapai target net-zero dengan menggunakan bahan bangunan berkelanjutan, yang dapat menyimpan dan melepaskan energinya telah menjadi fokus yang semakin meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Menerapkan teknologi surya untuk retrofit jendela tradisional dirumah, dapat membantu mencapai lingkungan binaan energi-positif. Jendela pintar ini mencapainya dengan kehilangan panas atau potensi perolehannya, tergantung pada iklim. Hal ini memiliki implikasi yang signifikan terhadap efisiensi dan kredensial ramah lingkungan sebuah bangunan dan kemampuannya untuk mencapai target dekarbonisasi. Jendela pintar juga dapat mengurangi tagihan listrik hingga 60%.
Selain itu, jendela pemblokiran Infrared (IR) adalah inovasi lain yang membantu mewujudkan bangunan yang positif energi, karena panjang gelombang inframerah (IR) adalah pemeran utama yang bertanggung jawab atas penyerapan energi tinggi dan ketidaknyamanan termal rumah.
Bagaimana kita mengembangkan jendela pintar?
Jendela pintar dapat dikembangkan melalui bahan pelapis cerdas, yang disiapkan, dengan agak kreatif, untuk aplikasi termal, menyuburkan, anti-reflektif, pemblokiran, dan keterbasahan. Selain itu, 'kecerdasan' jendela juga bergantung pada responnya terhadap beberapa siklus termal yang berlangsung selama beberapa tahun.
Pemasangan jendela pintar dapat memainkan peran penting dalam mengendalikan penggunaan energi bangunan dengan mengurangi penggunaan dari area yang menghabiskan banyak energi, seperti dari AC dan peralatan pemanas.
Bangunan mengkonsumsi energi untuk menciptakan kenyamanan termal dan visual, dan selubung transparan (jendela dan fasad) yang diperlukan untuk meningkatkan cahaya matahari, kenyamanan, produktivitas, kesehatan, dan kesejahteraan. Dengan demikian, jendela dianggap sebagai komponen integral dari lingkungan binaan dan harus dimodelkan untuk mengatur transmisi termal dan mengurangi konsumsi energi seluruh bangunan.
Sifat termal dan optik jendela saat ini 'diatur' menjadi pelapis kaca sebagai bagian dari proses pembuatan. Oleh karena itu, satu-satunya variabel yang dapat disesuaikan secara akurat untuk kondisi iklim lokal adalah pilihan pelapisan. Hal ini dapat dicapai dengan mengembangkan komposit pintar multi-lipat, menggabungkan phase change materials (PCM)/matriks bahan perubahan fasa yang dioptimalkan, bahan isolasi transparan (TIM), transparent insulating materials (TIA)/peredam inframerah transparan untuk menyerap radiasi IR, dan bahan thermochromic (TCM), semua dengan biaya yang dapat mudah diterima. Lapisan pintar dapat digunakan untuk mengontrol transmisi cahaya, bersama dengan lapisan reflektif inframerah untuk mengurangi kehilangan/penerimaan panas melalui selubung transparan dari lingkungan binaan.
Inovasi baru dalam teknologi pelapis jendela pintar
Mempertimbangkan faktor-faktor seperti biaya pemasangan fabrikasi, jejak karbon, dan keamanan energi, sifat lapisan dan permukaan bahan kaca adalah satu-satunya cara untuk memenuhi persyaratan yang diinginkan. Kaca sangat unik di antara bahan bangunan lain karena memberikan cahaya alami dan panas matahari dengan konduktivitas termal yang lebih rendah. Pelapis "rendah emisivitas" adalah teknologi terbaik untuk meningkatkan sifat insulasi. Sistem kaca ganda berbasis vakum tradisional (dua panel kaca beremisi rendah diapit di antara ruang hampa udara atau dengan atmosfer gas dimasukkan), digunakan di sebagian besar rumah dengan tirai untuk mempertahankan aktivitas siang hari dan perolehan/kehilangan panas. Namun, pembuatan dan pemeliharaan jendela berlapis ganda itu sangat menantang dan mahal.
Mengembangkan material nanokomposit multi-lipat yang inovatif, dengan perpaduan sempurna antara PCM, TIM, TIA, dan TCM untuk mendapatkan lapisan pada panel kaca adalah solusi cerdas alternatif. Di musim dingin, lapisan nanokomposit berlipat ganda pada jendela mengontrol radiasi matahari yang masuk untuk memaksimalkan perolehan matahari dan meminimalkan kehilangan panas, sementara jendela yang sama memastikan kondisi pencahayaan alami yang optimal dengan kenyamanan termal dalam ruangan. Selain sebagai sifat perisai IR, keuntungan menggunakan komposit PCM dan penyerap infra merah transparan adalah bahwa PCM juga dapat mengontrol panas yang dihasilkan oleh sinar matahari, memberikan kenyamanan termal yang lebih baik.
Komposit nano pintar seperti oksida timah yang tergabung parafin dan lapisan alumina memastikan 90% pemblokiran cahaya IR. Mereka juga telah meningkatkan kenyamanan termal dalam ruangan sebesar 30oC ketika suhu di luar ruangan mencapai 50oC. Nanokomposit lainnya, seperti indium oksida-zinc oksida-polimetil metakrilat-parafin yang dioptimalkan, menunjukkan pertukaran panas yang berkurang melalui kombinasi inovatif pembersihan diri dan energy-saving envelope.
Dampak yang lebih luas dari jendela pintar pada target emisi
Pada tahun 2019, Inggris menjadi yang pertama dari negara G7 yang mengabadikan dalam undang-undang persyaratan untuk mencapai emisi nol bersih pada tahun 2050. Untuk mencapainya, para pembuat kebijakan perlu mengatasi tantangan hilangnya beberapa energi di gedung-gedung.
Jendela pintar akan berkontribusi pada target pengurangan emisi dengan mengurangi beban energi bangunan. Orang yang tinggal di gedung hemat energi juga akan mendapat manfaat dari pengurangan biaya energi, peningkatan kondisi dan kenyamanan lingkungan internal, serta peningkatan kesehatan dan kesejahteraan.
Penerima manfaat komersial utama dari teknologi jendela pintar baru adalah industri terkait konstruksi, termasuk perancang bangunan, produsen kaca/bahan, dan perusahaan pemasangan. Akan ada dampak ekonomi positif melalui desain, produksi, dan eksploitasi komersial dari sistem pelapisan kaca baru. Hal ini karena mengembangkan teknologi kaca yang canggih dapat mengurangi konsumsi energi tahunan bangunan sebesar 30-40%.
Singkatnya, ada sejumlah besar material baru dalam teknologi pelapis jendela pintar yang menawarkan berbagai sifat optik dan termal yang menarik, semuanya berfungsi untuk menghemat energi sekaligus meningkatkan kenyamanan manusia.
“Seluruh tujuan pendidikan adalah mengubah cermin menjadi jendela”, kata Sydney J. Harris, seorang jurnalis Amerika yang terkenal. Kutipannya di sini mewujudkan makna kehidupan yang sempurna: peningkatan berkelanjutan melalui bantuan sains dan teknologi.
