CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ (ĐHKK) TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG GS.TS Trần Ngọc Chấn

CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ (ĐHKK) TRONG CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG   GS.TS Trần Ngọc Chấn Hội Lạnh-ĐHKK Việt Nam Hà Nội, 7-2021 MỞ ĐẦU Năng lượng sử dụng cơng trình xây dựng điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam chủ yếu dùng cho hệ thống điều hịa khơng khí (ĐHKK) mùa hè Nguồn lượng chiếm đến 30-50% lượng tiêu thụ cho tồn cơng trình Vì việc tìm giải pháp giảm thiểu tiêu hao lượng cho ĐHKK nhiệm vụ quan trọng Có nhóm giải pháp sau đây: 1- Nhóm giải pháp thiết kế kiến trúc kết cấu bao che (KCBC) Lớp vỏ cơng trình; 2- Nhóm giải pháp cơng nghệ máy lạnh, máy ĐHKK 3- Nhóm giải pháp hạn chế nguồn tỏa nhiệt bên cơng trình Báo cáo KH tập trung vào giải pháp thuộc nhóm thứ 1, bao gồm: a) Hình khối hướng nhà; b) Chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV (Overall Thermal Transfer Value) tòa nhà –u cầu cách nhiệt vỏ cơng trình theo QCVN 09:2017/BXD “Các cơng trình xây dựng sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả” : OTTVT ≤ 60 W/m2 OTTVM ≤ 60 W/m2 1.2- Một số trường hợp riêng a) Trường hợp 1: Khối nhà có trục hướng Đông - Tây Bắc – Nam (xem hình 1) Hình Khối nhà có trục hướng Đơng – Tây Bắc - Nam   Hình Kích thước tối ưu khối nhà theo hướng Bắc-Nam Đông-Tây Hà Nội   b) Trường hợp 2: Khối nhà có trục hướng Đơng Nam Tây Bắc Đơng Bắc - Tây Nam (Hình 4)   Hình Hướng nhà Đông Nam - Tây Bắc Đông Bắc -Tây Nam  3 Hình hình dạng mặt tối ưu khối nhà theo hướng Đông Nam - Tây Bắc Đông Bắc -Tây Nam 3 qM  H V   q  q ĐN   ĐB  3 3 qM  V   q  q TN   TB PHẦN II CHỈ SỐ OTTV CỦA TÒA NHÀ ĐẢM BẢO GIẢM THIỂU CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHO ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ (ĐHKK) 2.1- Cơng thức xác định số OTTV   Cơng thức tính OTTVT cho tường thứ i cơng trình có dạng sau:   OTTVT(i) = (1-WWRi)×Uo,T×a×(TDeq - ΔT) + (1-WWRi) ×Uo,T×ΔT + WWRi×SHGC×Io×β + WWRi×Uo,K ×ΔT , W/m2 (9)   với TDeq = Io/hN + ΔT = Io/hN + tN - tT , K (10) QCVN 09:2017/BXD “Các cơng trình xây dựng sử dụng lượng hiệu quả” quy định: OTTVT ≤ 60 W/m2 OTTVM ≤ 25 W/m2 2.2- Những yếu tố ảnh hưởng đến trị số OTTV   1- U-value – hệ số truyền nhiệt tổng KCBC Hệ số QC09 quy định tường Uo,T ≤ 1,78 W/(m2.K) tức tổng nhiệt trở Ro,T ≥ 0,56 m2.K/W Đối với mái: Uo,M ≤ W/(m2.K) tức tổng nhiệt trở Ro,M ≥ m2.K/W 2- WWR – Tỷ lệ cửa sổ tường ngồi Thơng thường tỷ lệ cần đủ lớn để đạt yêu cầu chiếu sáng thơng gió tự nhiên thẩm mỹ cơng trình Tuy nhiên vượt q mức gây chói lóa tiện nghi, đồng thời tích nhiệt truyền vào nhà qua cửa kính vào mùa nóng, đặc biệt hướng nhận lượng BXMT lớn gây lãng phí lượng Thơng thường WWR có giá trị khoảng 0,4÷0,6 hợp lý 3- Hệ số hấp thu xạ a bề mặt KCBC - phụ thuộc màu sơn, màu qt vơi bề mặt ngồi cơng trình Màu sơn sáng, hệ số hấp thu a nhỏ, có lợi có tác dụng phản xạ nhiệt BXMT tốt Trong Phụ lục QC 09 có cho trị số a bề mặt vật liệu Ví dụ: mặt ngồi trát vữa, sơn màu trắng a = 0,4; mặt trát vữa, sơn màu thẫm a = 0,73; Đá cẩm thạch mài nhẵn, màu trắng a = 0,3; Đá cẩm thạch mài nhẵn, màu thẫm a = 0,65 v v… 4- Hệ số SHGC cửa kính Hệ số có tác động lớn đến lượng nhiệt BXMT truyền vào nhà qua lớp kính SHGC nhỏ có lợi, nhiên chi phí phải bỏ cao kính có SHGC lớn Đối với loại kính trắng thơng thường SHGC = 0,8-0,85 Hệ số SHGC kính xác định tính tốn lý thuyết biết hệ số quang học kính [7; 8] xác định cách đo phịng thí nghiệm Sau bảng tra hệ số SHGC tính sẵn (có kiểm chứng thí nghiệm) cho loại cửa sổ: lớp lớp kính với loại kính thơng dụng Bảng 1- Hệ số SHGC1 cửa kính lớp   TT     Tên loại kính   Kính suốt (ASHRAE chọn làm kính chuẩn) Kính thường Kính thường Kính phẳng Kính phẳng Kính phẳng Kính hấp thu nhiệt Kính hấp thu nhiệt Kính hấp thu nhiệt Kính phản xạ màu đồng Kính phản xạ màu đồng Kính phản xạ màu vàng Kính phản xạ màu bạc 10 11 12 13 Hệ số quang kính     Bề dày, mm   Hệ số xuyên BX  Hệ số hấp thu α Hệ số phản xạ ρ   Hệ số SHGC1   0,860 0,045 0,095 0,870 6 6 6 6 0,83 0,84 0,78 0,80 0,80 0,65 0,49 0,54 0,56 0,08 0,09 0,14 0,09 0,08 0,16 0,12 0,14 0,29 0,46 0,40 0,34 0,47 0,43 0,45 0,08 0,08 0,06 0,08 0,06 0,06 0,05 0,06 0,10 0,45 0,48 0,41 0,851 0,858 0,816 0,827 0,832 0,717 0,594 0,630 0,637 0,186 0,187 0,241 Bảng - Hệ số SHGC2 cửa kính lớp Lớp kính ngồi       TT   Lớp kính loại kính bề dày, mm loại kính Kính thường Kính thường Kính thường Kính thường Kính phẳng Kính thường Kính thường Kính thường Kính thường Kính phẳng Kính thường Kính phẳng Kính hấp thu nhiệt màu đồng Kính hấp thu nhiệt màu đồng Hệ số quang Lớp kính ngồi   6 Hệ số quang Lớp kính Hệ số Hệ số Hệ số Hệ số xuyên bề dày, xuyên hấp phản xạ BX BX thu mm ρI αI I II Hệ số Hệ số hấp phản thu xạ αII ρII     Hệ số SHGC2   10 11 12 0,54 0,40 0,06 0,54 0,40 0,06 0,471 0,71 0,16 0,13 0,71 0,16 0,13 0,603 0,80 0,12 0,08 0,16 0,16 0,68 0,239 0,80 0,13 0,07 0,12 0,18 0,70 0,215 0,64 0,23 0,13 0,64 0,23 0,13 0,534 0,45 0,42 0,13 0,71 0,16 0,13 0,418 0,45 0,42 0,13 0,64 0,23 0,13 0,406 2.2- Những yếu tố ảnh hưởng đến trị số OTTV (tiếp) 5- Hệ số giảm xạ β KCCN Kết cấu che nắng đóng vai trị quan trọng việc hạn chế nhiệt BXMT xuyên qua cửa kính vào nhà nhờ KCCN có tác dụng mạnh đến việc giảm thiểu tiêu hao lượng cho hệ thống ĐHKK bên cơng trình Tính tốn KCCN nhiệm vụ thiếu để xác định số OTTV cơng trình cơng cụ cần thiết để hỗ trợ cho việc áp dụng QC09 vào thực tiễn Chúng đưa phương pháp tính tốn loại KCCN tiêu biểu – KCCN loại hộp làm ví dụ Phương pháp tính tốn KCCN loại hộp bên – viết tắt Hop3B   Hình Hình dạng KCCN loại Hộp bên Kết tính tốn tồn ngày KCCN loại Hộp bên có kích thước cho vào tháng CS hướng Đơng-Nam Hà Nội CS kích thước: B= 2,8 m; H= 3,7 m; b=1,25 m ; d=0,35 m; e=0,4 m; Góc α = 25 độ Địa điểm xây dựng: Hà Nội Hướng Cửa sổ: Đông-Nam Thời gian tính tốn Tháng a) b) Hình Bóng phần bị chiếu nắng KCCN loại Hộp Bên tạo CS hướng Đông-Nam vào tháng Hà Nội: a) lúc h; b) lúc h Bảng Kết tính tốn tồn ngày KCCN loại Hộp bên có kích thước cho vào tháng CS hướng Đông-Nam Hà Nội     Giờ qBX-LT, W/m2 qBX-Th.tế, W/m2   G β TThời theo qBX-LT β TThời theo qBX-Th.tế qua qBX-Thtế qua qBX-Th.tế 2 Có nắng? 1m 1m CS,W/m CS,W/m2 c/k có có KCCN khơng KCCN qTgXa qTrXa qTgXa qTrXa (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) 136.70 107.56 80.00 34.10 0.259 0.339 0.473 Có 30.86 65.28 383.29 302.11 213.50 93.30 0.320 0.386 0.495 Có 86.27 174.22 463.48 361.13 309.30 133.60 0.311 0.381 0.493 Có 124.36 252.39 453.76 343.65 352.00 144.20 0.236 0.332 0.469 Có 134.82 287.23 10 379.05 269.45 339.50 122.50 0.042 0.213 0.419 Có 116.02 277.03 11 255.71 151.94 280.40 72.20 0.000 0.256 0.469 Có 107.25 228.81 12 99.66 4.67 190.30 2.20 0.000 0.602 0.624 Có 96.90 155.28 13 85.20 0.00 163.30 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 84.12 133.25 14 77.59 0.00 143.10 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 73.72 116.77 15 71.64 0.00 125.70 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 64.75 102.57 16 62.56 0.00 100.90 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 51.98 82.33 17 47.95 0.00 68.10 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 35.08 55.57 18 17.20 0.00 26.70 0.00 0.000 0.631 0.631 Không 13.75 21.79 TB ngày 194.91 118.5 184.06 46.32 - 0.484 0.556 - 78.45 150.19 III- SỰ PHỤ THUỘC CỦA CHỈ SỐ NĂNG LƯỢNG ĐHKK AEI (AIR CONDITIONING ENERGY INDEX) VÀO HỆ SỐ SHGC VÀ CHỈ SỐ OTTV CỦA TÒA NHÀ 3.1- Quan hệ hệ số SHGC số OTTV - TT Tòa nhà, đặc điểm tỷ số WWR   Bảng Các phương án SHGC kính cửa sổ PA 1: PA 2: PA 3: PA 4: PA 5: SHGC=0,85 SHGC=0,65 SHGC=0,45 SHGC=0,3 SHGC=0,17 Trung tâm thương mại- dịch vụ tầng, Handico7, ∑Fsàn.=18.436 m2, hướng Bắc, WWR=0,705   144,66   113,65   82,54   59,21   39,0 Nhà Văn phịng 14 tầng, số10,Hoa Lư, ∑Fsàn =10.182 m2, hướng Đơng, WWR=0,355   96,02   78,35   60,68   47,42   35,94 Nhà Văn phòng 23 tầng, Nhà TB ∑Fsàn =14.735 m2, hướng Đông, WWR=0,392   87,65   70,15   52,64   39,51   28,14 Hình Biểu đồ thể biến thiên số OTTVT phụ thuộc vào hệ số SHGC tịa nhà có tỷ số WWR khác Đường thẳng (1), (2), (3) đánh theo số thứ tự tòa nhà ghi bảng 3.2- Xác định mối quan hệ số truyền nhiệt tổng OTTV chi phí lượng cho ĐHKK AEI (Air conditioning Energy Index) - Bảng   TT Trị số SHGC Tòa nhà Chỉ số SHGC SHGC SHGC = = = 0,85 0,65 0,45 Trung tâm thương mại- dịch OTTVT, W/m2 144,66 vụ tầng, Handico7, Hà Nội     AEI, ∑Fsàn.=18.436 m , hướng 56,6 kWh/(m năm) Bắc, WWR=0,705       Nhà Văn phòng 14 tầng, số10, Hoa Lư, Hà Nội ∑Fsàn =10.182 m2, hướng Đông, WWR=0,355 Nhà Văn phòng 23 tầng, (Nhà TB) Hà Nội ∑Fsàn =14.735 m2, hướng Đông, WWR=0,392 SHGC = 0,30 SHGC = 0,17 113,65 82,54 59,21 39,0   49,4   42,2   36,9   32,41 OTTVT, W/m2 96,02 78,35 60,68 47,42 35,94 AEI, kWh/(m2.năm)   56,7   50,5   44,34   39,73   35,8 OTTVT, W/m2 87,65 70,15 52,64 39,51 28,14 AEI, kWh/(m2.năm) 57,6 51,53 45,5 41,0 37,26 Hình 9- Quan hệ phụ thuộc AEI vào số OTTVT số tòa nhà Hà Nội Đường thẳng (1), (2), (3) đánh theo số thứ tự tòa nhà ghi bảng KẾT LUẬN 1- Hình khối hướng nhà có ý nghĩa quan trọng việc hạn chế lượng nhiệt BXMT truyền vào nhà qua KCBC Đã xây dựng biểu đồ xác định kích thước nhà phụ thuộc vào thể tích nhà cho khu vực Hà Nội để dễ dàng tra cứu tính tốn thiết kế thực tế; 2- Chỉ số OTTV lớp vỏ cơng trình thước đo hiệu lượng hệ thống KCBC, phụ thuộc vào: i) màu sơn mặt ngồi cơng trình; ii) hệ số U-value tường-mái, iii) tỷ số WWR, iv) hệ số SHGC kính v) hệ số β KCCN; 3- Đã thiết lập Hướng dẫn Phần mềm WEB “Tính tốn loại KCCN khác để hỗ trợ cho việc áp dụng QCVN 09:2017/BXD vào thực tế; KẾT LUẬN (tiếp) 4- Đã trình bày chi tiết phương pháp tính tốn KCCN loại Hộp Bên tính lượng nhiệt BXMT truyền qua CS vào phòng CS lắp đặt KCCN cho Kết tính tốn cho thấy có KCCN loại Hộp bên với kích thước cho CS hướng ĐN mùa hè (tháng 7) Hà Nội, lượng nhiệt BXMT xuyên qua m2 CS vào nhà giảm xuống cịn 52% so với khơng có KCCN; 5- Mối quan hệ AEI OTTVT hàm số bậc Điều thuận lợi cho việc xây dựng biểu đồ giai đoạn thiết kế cơng trình để chọn lựa trị số OTTVT tối ưu nhằm tiết kiệm lương cho ĐHKK; 6- Một số phần mềm vi tính soạn thảo để tính tốn OTTV loại KCCN Một số ví dụ tính tốn KCCN cụ thể thực phần mềm vi tính nêu Kết tính thể hình ảnh trực quan mơ bóng đổ KCCN lên bề mặt CS bảng số ghi chi tiết đại lượng cần thiết liên quan   TÀI LIỆU THAM KHẢO 1-ASHRAE-Hand book 2005 “Fundamentals” 2- Богослоский В.Н и Коллектив авторов Cẩm nang tra cứu thiết kế hệ thống kỹ thuật vệ sinh tòa nhà Phần 3- Quyển NXB: Москва-Стройиздат, 1992 Trang 44 Hình 26 (tiếng Nga) 3-J K Page, Optimization of building shape to conserve energy - Journal of Architectural Research Vol 3, No 3, 1974 4- Trần Ngọc Chấn, Đỗ Trần Hải Hình khối hướng nhà hợp lý hạn chế nhiệt xạ mặt trời chiếu lên bề mặt cơng trình Tạp chí Kiến trúc, số 12 (116), Hà Nội, 2005 5- Trần Ngọc Chấn Cộng Xử lý số liệu khí tượng nhiệt độ, độ ẩm khơng khí bên ngồi BXMT bổ sung vào QCVN 02:2009 “Số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng” Đề tài NCKH, Bộ XD Hà Nội, 2004 6- Trần Ngọc Chấn Giảm thiểu lượng nhiệt truyền qua KCBC vào nhà với mục đích tiết kiệm lượng cho hệ thống Điều hịa khơng khí Tạp chí Hội thảo Quốc tế “Chất lượng khơng khí bên nhà môi trường xung quanh” LB Nga tổ chức Haifa, 2014 (tiếng Nga) 7-Trần Ngọc Chấn Cộng Tài liệu hướng dẫn tính tốn số OTTV tòa nhà để bổ sung vào QCVN 09:2017/BXD Đề tài NCKH Bộ XD Hà Nội, 2018 8-Trần Ngọc Chấn Cộng Tài liệu hướng dẫn tính tốn kết cấu che nắng tòa nhà để bổ sung vào QCVN 09:2017/BXD Đề tài NCKH Bộ XD Hà Nội, 2019 9- Trần Ngọc Chấn Mối quan hệ số OTTV chi phí lượng cho Điều hịa khơng khí tịa nhà điều kiện khí hậu nhiệt đới Báo cáo Hội thảo KH Hội MTXD VN Hội Lạnh-ĐHKK VN phối họp tổ chức Hà Nội, 12-2019 CÁM ƠN SỰ CHÚ Ý THEO DÕI CỦA QUÝ VỊ ĐẠI BIỂU!