TÓM TẮT:
Với một Quốc gia có tốc độ đô thị hóa cao, số lượng phụ tải các tòa nhà ngày càng chiếm tỷ trọng lớn. Việc tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà, từ khâu thiết kế, xây dựng và vận hành trở thành một giải pháp cốt lõi giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng. Thông qua giới thiệu một số hình mẫu tòa nhà thiết kế và sử dụng năng lượng tối ưu, bài viết trình bày khái quát vấn đề quản lý năng lượng trong tòa nhà, các đặc điểm sử dụng năng lượng trong tòa nhà, một số hệ thống vỏ bọc tòa nhà, phủ tải chính, các quy chuẩn quản lý tòa nhà. Đồng thời nghiên cứu đánh giá một cách tổng thể và đưa ra một số minh chứng cụ thể tòa nhà có thiết kế và vận hành hiệu quả hệ thống điều hòa không khí.
Bài báo là kết quả nghiên cứu khoa học của trường Đại học Điện Lực năm 2022
Từ khóa: NetZero, VRV, vỏ bọc tòa nhà, COP, bức xạ nhiệt, điều hòa không khí.
1. Đặt vấn đề
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, tốc độ đô thị hóa trong những năm qua vô cùng lớn, đặc biệt các đô thị lớn ngày càng mọc lên nhiều các tòa nhà cao tầng, trở thành một thành phần phụ tải quan trọng trong hệ thống điện của Việt Nam.
Hiện nay, theo khảo sát của Sở Công Thương Hà Nội, tiêu thụ điện năng tại các tòa nhà chiếm tỷ trọng khoảng 20 - 30%; Đặc biệt, tiêu thụ điện cho hệ thống điều hòa không khí đang góp một phần ảnh hưởng đáng kể tới áp lực thiếu điện vào những ngày hè nắng nóng.
Để có một nhận thức tốt trong việc thiết kế, vận hành các tòa nhà hướng tới mục tiêu tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là điện năng cho hệ thống điều hòa là một xu hướng tất yếu mà Việt Nam cần thực hiện.
Bài viết này sẽ nghiên cứu đánh giá một cách tổng thể và đưa ra một số minh chứng tòa nhà có thiết kế và vận hành hiệu quả hệ thống điều hòa không khí.
2. Phương pháp nghiên cứu
Bài viết sử dụng phương pháp nghiên cứu thống kê, nghiên cứu định tính và nghiên cứu định lượng để phân tích các lý thuyết nền tảng, cũng như tham khảo từ những tài liệu, báo cáo trên thế giới và Việt Nam.
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Giới thiệu về vấn đề, vỏ bọc tòa nhà, bức xạ nhiệt và vận hành hệ thống điều hòa không khí tại các tòa nhà
Quản lý năng lượng trong các tòa nhà mang lại hiệu quả, như: tiết giảm chi phí hàng tháng, cải thiện năng suất và cơ hội quảng bá hình ảnh tòa nhà.
Đặc điểm sử dụng năng lượng trong các tòa nhà thường phụ thuộc vào các nhân tố:
- Tòa nhà điển hình: Tòa nhà văn phòng, nhà ở, tòa nhà hành chính công, (trường học, bệnh viên,…).
- Yếu tố khí hậu, điều kiện địa lý.
- Loại phụ tải trong tòa nhà: Phụ tải nền và phụ tải theo mùa.
Với xu hướng phát triển tại những thành phố lớn như hiện nay, tỷ lệ sử dụng năng lượng cho các tòa nhà cao tầng chiếm một tỷ trọng rất lớn xấp xỉ 30%.
3.1.1. Vỏ bọc tòa nhà
Vỏ công trình là thuật ngữ dùng để chỉ kết cấu vật lý ngăn cách giữa không gian bên trong và bên ngoài công trình. Kết cấu này gồm có tường, cửa sổ, mái. Ở phần lớn các dạng công trình tại Việt Nam, nhiệt truyền qua lớp vỏ công trình là nguyên nhân chính làm tăng mức sử dụng năng lượng cần để làm mát.
Hiện tượng truyền nhiệt qua vỏ công trình chia thành các loại bức xạ, dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt qua tường và cửa sổ. (Hình 1)
Việc thiết kế tòa nhà, lựa chọn các vật liệu sao cho phù hợp với đặc tính khí hậu vùng miền và công năng của tòa nhà là một điều hết sức quan trọng, quyết định mức độ tiêu tốn năng lượng trong các tòa nhà.
Thời gian hoạt động trung bình một ngày của các tòa nhà khoảng từ 10 đến 14 giờ. Hệ thống thiết bị tiêu thụ năng lượng chính của các tòa nhà là hệ thống điều hòa không khí và hệ thống chiếu sáng, hệ thống thang máy, hệ thống bơm nước, các thiết bị gia dụng khác. Mỗi loại tòa nhà với mục đích sử dụng khác nhau thì mức tiêu thụ các dạng năng lượng khác nhau. Tuy nhiên, tiêu tốn nhiều nhất năng lượng thường là từ hệ thống điều hòa không khí. (Hình 2)
Như vậy, cơ cấu tiêu thụ điện năng trong các tòa nhà tập trung ở Hệ thống điều hòa không khí: chiếm khoảng 55 - 65% tổng tiêu thụ năng lượng cho tòa nhà.
3.1.2. Điều hòa không khí trong các tòa nhà
Điều hòa được sử dụng để cung cấp hệ thống làm mát cơ học và kiểm soát độ ẩm cho không gian được điều hòa.
Đối với hầu hết các ứng dụng tiện nghi cho con người, độ ẩm tương đối có thể dao động từ 30% đến 70%. Khi độ ẩm cần được kiểm soát trong phạm vi chặt chẽ hơn, cả vốn và chi phí vận hành đều sẽ tăng lên.
Tại thị trường Việt Nam hiện nay, có 3 loại hệ thống điều hòa không khí phổ biến nhất, đó là:
- Hệ thống điều hòa không khí cục bộ.
- Hệ thống điều hòa không khí VRV.
- Hệ thống điều hòa không khí trung tâm Chiller.
* Hệ thống điều hòa không khí cục bộ:
Điều hòa không khí cục bộ là hệ thống nhỏ với năng suất làm lạnh thấp (thường từ 9.000 BTU/h - 24.000 BTU/h), chỉ áp dụng trong một không gian hẹp, thường là một phòng. Điều hòa không khí cục bộ gồm 2 thiết bị chính là dàn nóng (dàn ngưng) và dàn lạnh. Dàn nóng bao gồm máy nén, dàn ngưng, quạt dàn ngưng, 2 van dịch vụ đường hút và đường đẩy chờ sẵn để nối đường gas đi/về bố trí ngay trên vỏ máy. Dàn lạnh được đặt bên trong phòng, là dàn trao đổi nhiệt kiểu ống đồng cánh nhôm, được trang bị quạt kiểu ly tâm.
* Hệ thống điều hòa không khí VRV:
Máy điều hòa VRV (Variable Refrigerant Volume) do hãng Daikin của Nhật Bản phát minh đầu tiên. VRV là hệ thống điều hòa có khả năng điều chỉnh lưu lượng môi chất tuần hoàn và qua đó có thể thay đổi năng suất lạnh theo phụ tải bên ngoài.
Hệ thống VRV thông thường có số dàn lạnh dao động từ 6 - 14 dàn. Các dàn lạnh trong cùng 1 hệ thống có thể kiểu dáng và công suất khác nhau.
* Hệ thống điều hòa không khí trung tâm Chiller:
Hệ thống điều hòa trung tâm là hệ thống mà khâu xử lý không khí thực hiện tại một trung tâm, sau đó được dẫn theo hệ thống kênh dẫn gió đến các hộ tiêu thụ. Hệ thống này có kênh gió lớn (80.000BTU/h trở lên), nên chỉ có thể sử dụng trong các tòa nhà, nhà xưởng có không gian lắp đặt lớn. Hệ thống này do xử lý nhiệt ẩm tại một nơi duy nhất, nên chỉ thích hợp cho các phòng lớn, đông người. Có 2 loại hệ thống điều hòa trung tâm Chiller chính, bao gồm:
- Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller giải nhiệt gió.
- Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller giải nhiệt nước. (Hình 3)
3.2. Kết quả đánh giá hệ thống vỏ bọc tòa nhà và tiết kiệm năng lượng cho điều hòa không khí ở tại một số trường học ở trong nước
3.2.1. Thiết kế
Các công trình đã quan tâm tới thiết kế thụ động, hướng nhà, sử dụng các nan chắn nắng. (Hình 4, Hình 5)
3.2.2. Vật liệu
Các công trình trong nước hiện nay đa phần được sử dụng vật liệu xây dựng chính là gạch không nung CMU.
Bảng 1. Thông số vỏ bọc tòa nhà Trường Tiểu học Vạn Bảo
|
Lớp vật liệu tường bao |
Độ dày (m) |
Độ dẫn nhiệt (W/m.K) |
Nhiệt trở (m2.K/W) |
|
Lớp không khí ngoài |
|
|
0.13 |
|
Lớp vữa trát ngoài |
0.005 |
0.93 |
0.005 |
|
Gạch bê tông cốt liệu rỗng |
0.1 |
0.37 |
0.27 |
|
Lớp vữa xi măng |
0.01 |
0.93 |
0.01 |
|
Gạch bê tông cốt liệu rỗng |
0.1 |
0.37 |
0.27 |
|
Lớp vữa trát trong |
0.005 |
0.93 |
0.005 |
|
Lớp không khí trong |
|
|
0.04 |
|
Tổng nhiệt trở Ro |
|
|
0.73 |
|
Tổng nhiệt trở Romin |
|
|
0.56 |
Nguồn: Báo cáo Công trình xanh của Sở Công Thương Hà Nội
Ta có R0 > R0.min hoàn toàn thỏa mãn QCVN 09:2017/BXD về nhiệt trở lớp tường bao công trình.
Đối với phần tường trong suốt của công trình, kính được sử dụng cho công trình hiện tại là kính an toàn dày 6.38 mm, đã được cải thiện hệ số SHGC kính bằng việc dán phim cách nhiệt cho kính, với chỉ số SHGC đo được tại hiện trường 0,39.
Bảng 2: Số liệu kính tòa nhà E_Đại học Điện lực
|
Thông số |
Bắc |
Nam |
Khác |
Tổng |
|
Diện tích tường bao quanh (m2) |
1986.0 |
1986.0 |
1448.5 |
5420.4 |
|
Diện tích cửa sổ bao quanh (m2) |
307.8 |
361.8 |
194.4 |
864.0 |
|
Tỷ lệ WWR (%) |
15% |
18% |
13% |
16% |
|
SHGC yêu cầu theo bảng 2.1 QCVN 09:2017/BXD |
0.9 |
0.9 |
0.8
|
0.87 |
Thống kê tỷ lệ % WWR của 4 hướng và yêu cầu đối với SHGC
Nguồn: Theo số liệu đo đạc khảo sát
Với yêu cầu trên đối với SHGC yêu cầu thấp nhất là 0,80 hoặc theo SHGCTB = 0,87 theo tính toán, chủng loại kính sử dụng cho công trình với SHGC = 0,39 là hoàn toàn thỏa mãn đối với yêu cầu về SHGC theo Quy chuẩn.
- Điều hòa không khí được sử dụng trong công trình là điều hòa cục bộ, được trang bị cho các phòng học và phòng hiệu bộ. Điều hòa của hãng Mitsubishi với công nghệ Inverter Compressor với hiệu suất năng lượng cao, có hệ số COP tối ưu và CSPF cao lên đến 5.4. Trong khi đó, yêu cầu của QCVN 09:2017/BXD với COP=3.1.
Hệ thống dàn nóng điều hòa được lắp tại khu vực thoáng mát, có tấm che nắng đảm bảo hiệu suất làm việc của thiết bị luôn ở mức tốt nhất.
Như vậy, tòa nhà đã đặt được những tiêu chuẩn tối ưu trong thiết kế về vật liệu, hướng bố trí lắp đặt và lựa chọn trang thiết bị.
4. Kết luận
Để hướng tới mục tiêu Net Zero vào năm 2050 của Việt Nam theo cam kết tại hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu của Liên Hợp quốc năm 2021 (COP26), các nhân, tập thể, đơn vị trong xã hội phải đồng sức, đồng lòng thực hiện các biện pháp không ngừng cải tiến để hướng tới mục tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong các tòa nhà là một giải pháp dễ dàng có thể thực hiện được ngay và đem lại hiệu quả cao trong việc điều chỉnh phụ tải, giảm áp lực đầu tư vào xây dựng nguồn điện.
Thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà cần thực hiện đồng bộ từ các khâu: Thiết kế, xây dựng, vận hành, giám sát,… Việc thực hiện tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà là một biện pháp có vốn đầu tư thấp, đem lại hiệu quả nhanh chóng và có tính tuyên truyền giáo dục rất cao.
Việc thực hiện tiết kiệm năng lượng trong từng tòa nhà (đặc biệt là tại các trường học) sẽ là một hình mẫu để xây dựng mục tiêu phát triển bền vững trên có sở nâng cao nhận thức, hình thành nên ý thức xanh, các đô thị xanh tiến tới một cộng đồng xanh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
- Bộ Công Thương (2015), Tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà, Nhà xuất bản Giao thông vận tải.
- Phạm Đức Nguyên (2002), Kiến trúc sinh khí hậu, Nhà xuất bản Xây dựng.
- Chương trình Năng lượng sạch USAID Việt Nam (2016), Báo cáo thúc đẩy hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành Xây dựng.
- Trường Tiểu học Vạn Bảo (2022), Hồ sơ đăng ký công nhận Công trình xây dựng sử dụng năng lượng Xanh năm 2022.
- Trung tâm Khuyến công và Tư vấn phát triển công nghiệp - Sở Công Thương Hà Nội (2020). Báo cáo tổng kết nhiệm vụ “Phát triển mô hình sử dụng năng lượng xanh cho các cơ sở theo tiêu chí của thành phố Hà Nội năm 2020”.
Assessing building thermal radiation system - Optimizing air conditioning system for schools
Assessing the
Nguyen Dinh Tuan Phong1
Hoang Xuan Nguyen My1
1Electric Power University
ABSTRACT
In a country with a high urbanization rate, the number of building loads is increasingly taking up a large proportion. Saving energy for the building, from design, construction, and operation has become the optimal solution to solve the problem of energy consumption. This paper introduces a number of building models that have optimal designs for saving energy. This paper also presents an overview of building energy management, characteristics of energy use in buildings, some building envelope systems, and building management standards. In addition, the paper generally evaluates and gives some specific examples of the building's effective design and operation of the air conditioning system.
Keywords: NetZero, VRV, building envelope, COP, thermal radiation, air conditioning.
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 13 tháng 5 năm 2023]
