TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Biến đổi khí hậu ảnh hưởng nghiêm trọng đến động vật hoang dã và an sinh xã hội của con người, chủ yếu do hoạt động con người thải ra khí nhà kính Để giảm thiểu tác động này, các quốc gia cần giảm phát thải khí nhà kính và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng Theo báo cáo năm 2020 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lĩnh vực xây dựng là ngành tiêu thụ năng lượng lớn nhất, chiếm 35% tổng mức tiêu thụ toàn cầu và 38% lượng phát thải CO2 Chi tiêu cho hiệu quả năng lượng trong xây dựng đạt khoảng 152 tỷ USD, với các khoản đầu tư vào vỏ tòa nhà, hệ thống HVAC, chiếu sáng và thiết bị khác Lĩnh vực này có tiềm năng lớn để cải thiện hiệu quả năng lượng thông qua việc áp dụng các hệ thống cách nhiệt hiệu suất cao.
Hình 1 1: Mức tiêu thụ năng lượng và độ phát thải CO2 của các lĩnh vực năm 2019
Hình 1 2: Chi tiêu hiệu quả năng lượng trong xây dựng (Nguồn: IEA)
Theo nghiên cứu toàn cầu, trong các tòa nhà thấp tầng không cách nhiệt, nhiệt truyền qua tường chiếm 15–25%, qua cửa kính 25–35%, qua sàn 10–20%, qua mái 25–35% và do rò lọt khí 5–25% Tại Việt Nam, ở các tòa nhà cao tầng, nhiệt truyền qua tường từ 10–45%, qua cửa kính 45–80%, qua mái 1–5%, qua sàn 1–10% và do rò lọt khí 5–18% Để tiết kiệm năng lượng trong xây dựng, cải thiện vỏ – cấu trúc bên ngoài công trình là giải pháp hiệu quả Cấu trúc bên ngoài như mái và tường tương tác liên tục với môi trường, khiến nhiệt độ bề mặt thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến thông lượng nhiệt vào bên trong Điều này dẫn đến sự biến động lớn trong môi trường nội thất, đặc biệt ở vùng khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, nơi có thời gian chiếu nắng dài và bức xạ mặt trời cao.
Môi trường bị đốt nóng ảnh hưởng đáng kể tới hoạt động của con người và gây hao tổn năng lượng, độ bền của trang thiết bị, dụng cụ, vật liệu Đặc biệt, ở các công trình trên các đảo nơi cung cấp năng lượng hạn chế, việc đảm bảo môi trường khí hậu phù hợp là điều kiện cần thiết để duy trì chế độ bảo quản trang thiết bị kỹ thuật và tạo điều kiện môi trường dễ chịu cho hoạt động con người Do đó, việc lựa chọn lớp phủ và phương thức bao phủ phù hợp cho các công trình biển đảo là rất quan trọng, giúp tiết kiệm nhiên liệu, năng lượng và đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Việc áp dụng các biện pháp cách nhiệt và tản nhiệt cho các tòa nhà không chỉ giúp đạt được sự thoải mái nhiệt cho người sử dụng mà còn tiết kiệm năng lượng cho hệ thống sưởi ấm và điều hòa không khí Những giải pháp này góp phần giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời hỗ trợ ứng phó với biến đổi khí hậu.
Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc sử dụng các vật liệu mới để bao phủ các bề mặt công trình xây dựng như tường và mái nhà, nhằm cải thiện khả năng cách nhiệt trong điều kiện nhiệt độ cao Một trong những vật liệu nổi bật là aerogel, với độ xốp cao, khả năng cách nhiệt xuất sắc và khối lượng riêng thấp Aerogel mở ra nhiều ứng dụng mới cho các tòa nhà, giúp nâng cao hiệu quả năng lượng và sự thoải mái cho người sử dụng.
Aerogel là một vật liệu tổng hợp có cấu trúc nano xốp cao, được phát minh bởi Steven Kistler vào năm 1931 Vật liệu này được tạo ra từ gel, trong đó thành phần chất lỏng được thay thế bằng khí Aerogel có thể được sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau như silica, carbon hoặc oxit kim loại.
Silica aerogel là loại aerogel phổ biến nhất trên thế giới nhờ quy trình tổng hợp đơn giản và nguồn nguyên liệu phong phú Nó được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi do sở hữu nhiều tính chất đặc biệt như độ truyền ánh sáng cao và khả năng biến tính linh hoạt, phù hợp với nhiều mục tiêu ứng dụng khác nhau.
Hình 1 3: Vật liệu silica aerogel (Nguồn: secovina.com)
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Tính đến tháng 12/2017, đã có 1.618 sáng chế liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong ngành xây dựng được công bố Trong giai đoạn 1961 – 2013, số lượng sáng chế tăng lên nhưng không đồng đều, trong khi giai đoạn 2014 – 2016 chứng kiến sự gia tăng liên tục, đặc biệt là vào năm 2016 với số lượng công bố cao nhất Điều này cho thấy rằng nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong xây dựng đang thu hút sự quan tâm lớn trên toàn cầu, đặc biệt từ các quốc gia như Trung Quốc, Hoa Kỳ, Hàn Quốc, Đức và Nhật Bản.
5 quốc gia dẫn đầu về số lượng bằng sáng chế công bố [4]
Hình 1 4: Tình hình công bố sáng về về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong lĩnh vực xây dựng theo thời gian
Nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong xây dựng chủ yếu tập trung vào ba lĩnh vực chính: vật liệu cách nhiệt, vật liệu cách âm và phụ gia xây dựng Trong đó, aerogel được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt chiếm tỷ lệ cao nhất, cho thấy sự quan tâm lớn từ các nhà sáng chế.
Hình 1 5: Tình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong lĩnh vực xây dựng theo các hướng nghiên cứu.
MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Bài viết này trình bày việc tính toán hệ thống phủ cách nhiệt bổ sung từ vật liệu aerogel silica cho mô hình nhà kho bảo quản xây dựng trên đảo ngoài khơi Nghiên cứu dựa trên các thông số khí tượng tại đảo Hòn Tre, Nha Trang, Khánh Hòa, nhằm mục đích cải thiện khả năng cách nhiệt và làm mát cho công trình.
− Tìm hiểu tổng quan về: nguyên tắc cách nhiệt/tản nhiệt; các vật liệu phủ cách nhiệt/tản nhiệt; các phương pháp đánh giá;
− Lựa chọn loại vật liệu aerogel làm lớp phủ cho công trình; tính năng và phương thức bao phủ;
− Tính toán khả năng cách nhiệt/tản nhiệt khi áp dụng vật liệu nêu trên;
− Kết luận sơ bộ và đưa ra định hướng nghiên cứu tiếp
Vật liệu cách âmPhụ gia xây dựng
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI
2.1.1 Những đặc điểm chính về khí hậu Việt Nam
Việt Nam nằm trong vùng nội chí tuyến nên khí hậu mang tính nhiệt đới
Việt Nam có khí hậu đặc trưng với lượng mưa và độ ẩm phong phú nhờ vào sự hoạt động mạnh mẽ của gió mùa và ảnh hưởng của biển Đông Nước ta nhận được lượng nhiệt lớn hàng năm, với nhiệt độ trung bình năm trên 21°C, và có xu hướng tăng dần theo thời gian.
Bắc vào Nam với số giờ nắng từ 1.400
Việt Nam có khoảng 3.000 giờ nắng mỗi năm, với lượng mưa trung bình từ 1.500 đến 2.000 mm Độ ẩm không khí luôn trên 80%, khiến cho mùa đông ở nước ta lạnh hơn và mùa hè mát hơn so với các quốc gia có cùng vĩ độ.
Khí hậu nước ta là kiểu khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, trải dài từ vĩ độ
Việt Nam trải dài từ 23°23’ Bắc đến 8°27’ Bắc, sở hữu nhiều kiểu địa hình độc đáo Miền Bắc, từ đèo Hải Vân trở ra, có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa rõ rệt (xuân, hạ, thu, đông), chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc và Đông Nam, với độ ẩm cao Trong khi đó, miền Nam, từ đèo Hải Vân trở vào, có khí hậu nhiệt đới điều hòa, nóng quanh năm và chia thành hai mùa chính: mùa mưa và mùa khô Biển Đông của Việt Nam mang tính chất nhiệt đới gió mùa hải dương, tương đối đồng nhất Ngoài ra, đất nước còn có nhiều vùng tiểu khí hậu đặc trưng, như ôn đới ở Sa Pa và Đà Lạt, hay khí hậu lục địa ở Lai Châu và Sơn La.
Hình 1 6: Bản đồ khí hậu Việt Nam (Nguồn: bando.net.vn)
2.1.2 Thách thức trong công nghiệp và đời sống
Khí hậu nhiệt đới ẩm ở Việt Nam có sự phân hóa rõ rệt theo không gian và thời gian, tạo ra nhiều vùng khí hậu khác nhau và có sự biến động thất thường Sự đa dạng này mang lại cả thuận lợi và thách thức cho ngành công nghiệp cũng như đời sống của người dân.
Nhiệt độ và độ ẩm cao gây khó khăn trong bảo quản thiết bị, làm tăng chi phí thông gió và làm mát, đồng thời giảm chất lượng và hiệu quả vật liệu Thêm vào đó, các hiện tượng thời tiết bất thường như bão, lũ lụt và dông lốc gây thiệt hại cho đất đai và công trình, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất và đời sống con người.
AEROGEL
Thuật ngữ Aerogel, lần đầu tiên được Samuel Stephens Kistler giới thiệu vào năm 1932, chỉ một loại gel trong đó chất lỏng được thay thế bằng khí mà không làm sụp đổ cấu trúc gel rắn Kistler đã phát triển phương pháp làm khô siêu tới hạn, trong đó chất lỏng trong gel chuyển thành trạng thái siêu tới hạn và được hút chân không, tạo ra một bộ khung rắn khô từ vật liệu ban đầu Kết quả thu được là mẫu khô có cấu trúc xốp và rất thoáng.
Aerogel đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ngăn chặn chất thải hạt nhân, bẫy CO2, lớp phủ chống thấm nước, cảm biến hóa học, chất xúc tác, khuôn đúc kim loại, đầu dò âm thanh, thiết bị lưu trữ năng lượng và chất cách nhiệt, cùng với nhiều ứng dụng công nghệ cao khác.
Aerogel là vật liệu có hiệu suất nhiệt cao, nhưng chi phí sản xuất vẫn còn cao, đặc biệt trong ngành xây dựng nhạy cảm với chi phí Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc cải thiện khả năng cách nhiệt và giảm chi phí sản xuất aerogel Những đặc tính độc đáo của aerogel mở ra nhiều ứng dụng mới trong xây dựng, với độ dẫn nhiệt thấp phi thường và độ trong suốt quang học cho phép sử dụng trong cách nhiệt mặt tiền tòa nhà và các tấm cửa sổ cách nhiệt.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Aerogel được chia thành nhiều loại [6]:
+ Aerogel cơ sở silica: silica aerogel, fluorescent silica aerogels… + Aerogel không silica: zirconia aerogels, titania aerogels…
+ Tổng hợp: polyurethane aerogels, carbon aerogel…
− Aerogel composite: polymer–crosslinked aerogels…
− Exotic aerogel: chalcogenide aerogels, chitosan–silica hybrid aerogels…
Trong đó, có 3 loại aerogel phổ biến nhất hiện nay là silica aerogel, carbon aerogel và aerogel oxide kim loại
2.2.1 Silica aerogel – vật liệu siêu nhẹ và cách nhiệt tốt
Silica aerogel, còn được gọi là khói xanh hay khói lạnh, là vật liệu vô định hình được sản xuất từ silica gel (SiO2) và alcohol Với mật độ biểu kiến khoảng 0,03 – 0,35 g.cm –3 và diện tích bề mặt bên trong từ 250 – 800 m2.g –1, silica aerogel có khả năng vượt quá 1.000 m2.g –1 Hơn 90% thể tích của chúng là thể tích lỗ, với kích thước lỗ liên tục trong khoảng 5 – 100 nm và đường kính lỗ trung bình từ 20 – 40 nm.
Vào năm 1931, nhà khoa học Samuel Kistler đã phát minh ra aerogel đầu tiên bằng kỹ thuật sấy siêu tới hạn, sử dụng alcogel từ gel silica và dung môi alcohol Quá trình này bao gồm việc tăng áp suất và nhiệt độ để dung môi trở thành chất lỏng siêu tới hạn, giúp khô gel mà không làm hỏng cấu trúc lỗ xốp của silica Mặc dù kỹ thuật này hiệu quả, nhưng lại tiềm ẩn nhiều rủi ro do yêu cầu về nhiệt độ và áp suất cao, cùng với chi phí sản xuất lớn Gần đây, các nhà khoa học đã phát triển phương pháp mới sử dụng hợp chất alkoxide và carbon dioxide, thay thế cho silica gel và alcohol, giúp sản xuất aerogel an toàn hơn và thân thiện với môi trường, từ đó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Silica aerogel nổi bật với đặc điểm dẫn nhiệt cực kỳ thấp, chỉ 0,015 W.m –1 K –1 ở nhiệt độ, áp suất phòng và độ ẩm tương đối Giá trị này thấp hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của không khí trong cùng điều kiện, là 0,025 W.m –1 K –1.
Silica aerogel là một trong những vật liệu cách nhiệt nổi tiếng nhất và không cháy, được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Chẳng hạn, nó được sử dụng để cách nhiệt cho robot thăm dò sao Hỏa Sojourner, giúp duy trì nhiệt độ bên trong ở 21°C trong khi nhiệt độ bên ngoài có thể giảm xuống đến –67°C Ngoài chức năng cách nhiệt, silica aerogel còn được sử dụng để thu thập hạt sol khí, bảo vệ gương không gian, và làm vách ngăn bể chứa.
Hình 2 1: Sojourner – robot thăm dò sao Hỏa của NASA (1996) (Nguồn: Wikipedia)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết Độ trong suốt và khả năng truyền ánh sáng nhìn thấy của silica aerogel cũng rất cao, mặc dù chúng đều có xu hướng phân tán ánh sáng truyền qua ở một mức độ nào đó, điều này gây giảm chất lượng quang học của chúng
Silica aerogel là một chất cách âm xuất sắc, với hiệu suất phụ thuộc vào cấu trúc của nó Sự lan truyền sóng âm trong aerogel bị suy giảm cả về biên độ lẫn vận tốc, do năng lượng sóng được truyền từ khí sang mạng rắn của aerogel Vận tốc âm thanh trong silica aerogel thấp hơn cả không khí, đạt khoảng 40 m/s, trong khi các sản phẩm thương mại yêu cầu vận tốc âm khoảng 100 m/s Aerogel dạng hạt có khả năng phản xạ âm thanh đặc biệt, giúp tạo ra vật liệu cách âm hiệu quả Bằng cách kết hợp nhiều lớp với kích thước hạt khác nhau, vật liệu này có thể giảm âm tới 60 dB chỉ với độ dày khoảng 7 cm.
Silica aerogel có khả năng chịu áp suất nén cao lên đến 3 bar, nhưng sức bền của nó lại thấp và phụ thuộc vào cấu trúc mạng và mật độ của aerogel Đặc biệt, sự co của silica aerogel có thể đạt gần 50% theo chiều dài mẫu Hiện nay, các nhà khoa học đang nỗ lực cải thiện đặc tính cơ học của silica aerogel thông qua hai phương pháp chính là lão hóa và lai tạo với các vật liệu khác.
Kích thước và thể tích lỗ trong aerogel có thể được kiểm soát, cho phép chúng được sử dụng làm chất mang trong thuốc y tế và hóa chất nông nghiệp Bên cạnh đó, các hạt aerogel cũng được ứng dụng làm pha phân tán trong vật liệu composite, như chất đàn hồi cho lốp xe và sơn.
Silica aerogel đang giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực aerogel, với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực thiết yếu Đây là loại vật liệu aerogel điển hình, có tiềm năng thương mại hóa cao nhất, trong khi nghiên cứu về silica aerogel vẫn đang tiếp tục phát triển.
Hình 2 2: Silica ứng dụng trong cửa sổ [14]
2.2.2 Carbon aerogel – vật liệu có diện tích bề mặt cực cao và dẫn điện tốt
Cacbon aerogel là một vật liệu nổi bật với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt Với màu đen và độ trong suốt thấp, aerogel carbon là loại gel khí có độ xốp cao, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ và khoa học vật liệu.
(400 – 1.000 m 2 g –1 ) (Hình 2.3), chỉ vài cm 3 vật liệu có thể trải rộng trên mặt nước với diện tích gần bằng một sân bóng [10]
Hình 2 3: Carbon aerogel (Nguồn: bbc.com)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết a Chế tạo
Carbon aerogel được hình thành từ quá trình nhiệt phân các aerogel hữu cơ, giúp loại bỏ các nhóm chức và chỉ giữ lại khung vật liệu Vật liệu này không chỉ có lỗ xốp mà còn có cấu trúc đồng nhất ở mức vĩ mô với mạng lưới nano được sắp xếp một cách có trật tự.
Carbon aerogel dùng nhiều loại nguyên liệu khác nhau để chế tạo như: ống carbon nano (CNTs), tấm graphene oxide… bằng phương pháp sol – gel b Tính chất
Carbon aerogel nguyên khối có mật độ rất thấp, dẫn đến cơ tính kém và dễ bị đứt gãy trong cấu trúc xốp Mặc dù trong thập kỷ qua, độ giòn nén đã được cải thiện đáng kể, nhưng vật liệu này vẫn còn quá giòn để có thể ứng dụng hiệu quả trong các thiết bị điện tử co giãn và thiết bị đeo.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN ĐẶC TRƯNG CHO CÁCH NHIỆT CÔNG TRÌNH
Một công trình tòa nhà giống như một chiếc hộp bảo vệ những thứ bên trong khỏi điều kiện khí hậu bên ngoài Vỏ tòa nhà hoạt động như một hệ trao đổi nhiệt, thu và giải phóng nhiệt ra môi trường Thiết kế vỏ tòa nhà tiết kiệm năng lượng là yếu tố quan trọng để cải thiện sự thoải mái của người trong nhà, vận hành và bảo quản đồ đạc, thiết bị hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
Hiệu suất nhiệt của tòa nhà liên quan đến các quá trình trao đổi nhiệt giữa tòa nhà và môi trường xung quanh, giúp ước tính hiệu quả làm mát và sưởi ấm Từ đó, có thể xác định và lựa chọn các hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí phù hợp nhằm duy trì sự thoải mái nhiệt độ bên trong tòa nhà.
Nhiệt được trao đổi giữa tòa nhà và môi trường xung quanh qua nhiều cách sau:
− Dẫn nhiệt qua tường, mái, sàn nhà…;
− Đối lưu từ nhiều bề mặt khác nhau;
− Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các bề mặt trong tòa nhà qua cửa sổ;
− Nguồn nhiệt sẵn có bên trong tòa nhà như người cư ngụ, đèn, thiết bị…;
− Luồng không khí từ bên ngoài qua thông gió…
Hình 2 5: Ví dụ về trao đổi nhiệt giữa tòa nhà và môi trường
2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng nhiệt của tòa nhà a Cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt lắp đặt trên mái, trần, tường và sàn giúp giảm dòng nhiệt từ bên ngoài vào trong nhà vào mùa hè và từ trong ra ngoài vào mùa đông, đồng thời giảm nhu cầu năng lượng cho hệ thống HVAC Tuy nhiên, cách nhiệt tốt có thể gây ra tình trạng quá nóng vào mùa hè do bức xạ mặt trời hấp thụ qua cửa sổ không thoát ra ngoài Mặc dù trần và tường có thể được cách nhiệt, nhưng mất nhiệt vào mùa đông và nhận nhiệt vào mùa hè vẫn có thể xảy ra nếu diện tích kính không được che chắn đủ hoặc qua các lỗ mở cố định và khe nứt quanh cửa đi và cửa sổ.
Vị trí cách nhiệt có vai trò quan trọng trong phản ứng nhiệt của bức tường, thường sẽ có các hình thức đặt như sau (Hình 2.6):
− Cách nhiệt ở bề mặt tường bên ngoài;
− Cách nhiệt ở bề mặt tường bên trong;
− Cách nhiệt ở giữa bức tường;
− Cách nhiệt phân phối đều trong cấu trúc trường
Hình 2 6: Các hình thức đặt cách nhiệt: (a) Bên ngoài; (b) Bên trong;
(c) Giữa; (d) Phân phối trong cấu trúc
Vật liệu cách nhiệt có mật độ thấp không thể lưu trữ nhiều nhiệt trong mỗi đơn vị thể tích, dẫn đến khả năng phản ứng nhanh chóng với các tác nhân bên ngoài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết nhiệt tác động lên chúng Tsilingiris (2006) cho rằng với không gian điều hòa liên tục, cách nhiệt hoạt động tốt hơn khi được đặt ở bề mặt tường bên trong [18] Ngược lại, Kossecka và Kosny (1998) cho rằng với tòa nhà được làm nóng hoặc làm mát liên tục thì giải pháp tốt nhất theo quan điểm năng lượng là đặt cách nhiệt ở bề mặt tường bên ngoài [19] b Lượng nhiệt liên quan đến thông gió tự nhiên
Trong suốt mùa đông, bức xạ mặt trời hấp thụ nhiệt vào ban ngày và giải phóng nó vào ban đêm khi nhiệt độ ngoài trời giảm Vào những đêm hè, khi nhiệt độ không khí bên ngoài thấp hơn trong nhà, có thể tận dụng thông gió tự nhiên để duy trì sự thoải mái.
Không khí lưu thông đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đối lưu và tản nhiệt, giúp đưa không khí nóng ra ngoài nhà, từ đó giảm tải năng lượng cho hệ thống HVAC Đối với các tòa nhà không có máy lạnh, phương pháp này giúp ổn định nhiệt độ bên trong, giảm thiểu sự dao động nhiệt độ do các biến đổi bên ngoài, giữ cho không gian sống luôn thoải mái.
Cải thiện sự thoải mái trong mùa hè thông qua quán tính nhiệt và thông gió tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu Quán tính nhiệt có thể thay đổi tùy thuộc vào các hiện tượng thời tiết mà tòa nhà phải đối mặt.
Hình 2 7: Thông gió tự nhiên cho ngôi nhà (Nguồn: hagenhomes.com) c Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời xâm nhập qua vào tòa nhà theo 2 cách (Hình 2.8)
Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các bề mặt mờ bên ngoài của tòa nhà, sau đó truyền vào bên trong Hiệu quả của bề mặt bên ngoài là khả năng thu thập bức xạ mặt trời và chuyển hóa nó thành năng lượng cho không gian bên trong.
Trong khí hậu có mùa nóng chiếm ưu thế, yêu cầu về hiệu quả bề mặt cần được giảm thiểu Ngược lại, trong khí hậu có mùa lạnh chiếm ưu thế, hiệu quả bề mặt cần phải được nâng cao để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Xâm nhập trực tiếp qua cửa sổ là một phương pháp quan trọng để tối ưu hóa bức xạ mặt trời trong không gian sống Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các bề mặt bên trong, đặc biệt là sàn nhà, giúp truyền năng lượng vào không khí trong nhà Để đạt hiệu quả cao, cần tối ưu hóa kích thước, độ nhẵn, hướng của cửa sổ cùng với các vật che bóng bên trong và bên ngoài Trong mùa đông, việc tăng cường hấp thụ bức xạ mặt trời thụ động qua cửa sổ là cần thiết, trong khi vào mùa hè, việc giảm hấp thụ bức xạ mặt trời sẽ giúp tránh cảm giác oi nóng.
Hình 2 8: Các cách để bức xạ mặt trời xâm nhập vào tòa nhà
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.3.2 Các yếu tố lựa chọn vật liệu cách nhiệt cho tòa nhà [20] a Hệ số trao đổi nhiệt (U–value) – Giá trị nhiệt trở R (R–value)
Khi áp dụng cách nhiệt cho tòa nhà, việc xác định giá trị nhiệt trở theo Quy chuẩn Xây dựng Quốc gia là rất quan trọng Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt trở của các vật liệu cách nhiệt là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất vòng đời tối ưu.
Hiệu suất vòng đời của vật liệu cách nhiệt là yếu tố quan trọng cần xem xét để đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà Lớp cách nhiệt phải duy trì độ bền và không bị hư hỏng hay lún xẹp theo thời gian, nhằm đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ công trình và đảm bảo an toàn phòng cháy.
Vật liệu cách nhiệt cần phải không gây cháy và phải được kiểm tra theo các tiêu chuẩn hiện hành Nó có thể được sử dụng trong tất cả các loại nhà hoặc vật liệu dễ cháy, nhưng phải được phân loại và kiểm tra theo quy định để đảm bảo tính an toàn và ứng dụng phù hợp Độ ẩm cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình lựa chọn vật liệu.
Vật liệu cách nhiệt có thể giảm hiệu quả khi tiếp xúc với độ ẩm, dẫn đến mất giá trị nhiệt thiết kế Do đó, các sản phẩm cách nhiệt không thấm nước hoặc có khả năng thoát nước sẽ được ưu tiên sử dụng để đảm bảo hiệu quả cách nhiệt Bên cạnh đó, việc kiểm soát rò rỉ khí cũng là yếu tố quan trọng cần chú ý.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
LỰA CHỌN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG CÔNG TRÌNH
Silica aerogel là vật liệu lý tưởng cho cách nhiệt trong tòa nhà, dựa trên các tính chất vượt trội của nó so với các loại aerogel khác.
Có 2 cách sử dụng loại vật liệu này trong lĩnh vực xây dựng:
− Vật liệu cơ sở silica aerogel trong mờ hay xuyên sáng (Translucent Silica Aerogel–Based Materials);
− Vật liệu composite cơ sở silica aerogel đục hay không xuyên sáng (Opaque Composite Silica Aerogel–Based Materials)
3.2.1 Vật liệu cơ sở silica aerogel trong mờ – xuyên sáng (Translucent Silica
Vật liệu aerogel mờ nổi bật với ưu điểm kết hợp độ dẫn nhiệt thấp và khả năng truyền năng lượng cùng ánh sáng mặt trời cao Hiện tại, nhiều nghiên cứu đang tập trung phát triển cửa sổ cách nhiệt hiệu quả dựa trên aerogel dạng hạt và aerogel nguyên khối.
Một loại kính silica aerogel dạng hạt đã được phát triển tại Đức, bao gồm lõi bằng polymethylacrylate chứa đầy hạt aerogel Kính này được ngăn cách bởi khoảng trống chứa khí trơ như Kr hoặc Ar và được bảo vệ bởi hai tấm kính bên ngoài Hai loại hạt aerogel được sử dụng là hạt cầu bán trong suốt và hạt độ mờ cao.
Hình 3 4: Mặt cắt ngang kính cơ sở aerogel nguyên khối [26]
Có 3 hệ cửa sổ được phát triển:
Hệ thống cho ánh sáng ban ngày được trang bị lớp phủ phát xạ (low-e coating) với độ phát xạ 0,8 trên bề mặt kính Tổng năng lượng mặt trời truyền qua đạt từ 33% đến 45%, trong khi hệ số truyền nhiệt nằm trong khoảng 0,44 đến 0,56 W.m –2 K –1.
Hệ chống nắng được trang bị lớp phát xạ thấp với độ phát xạ chỉ 0,03, giúp tối ưu hóa khả năng chống nắng Hệ số truyền nhiệt của nó dao động từ 0,37 đến 0,47 W.m–2 K–1, trong khi hệ số truyền sáng nằm trong khoảng 0,19 đến 0,38 Tổng năng lượng mặt trời truyền qua hệ này đạt từ 0,17 đến 0,23, đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu.
Bộ thu năng lượng mặt trời được thiết kế với một bộ trao đổi nhiệt nằm giữa lớp aerogel và hai tấm kính, giúp giảm tổn thất nhiệt lên tới 40% Với độ dày chỉ dưới 3 cm, bộ thu này không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm không gian.
Một loại cửa sổ cơ sở aerogel nguyên khối khác cũng được thử nghiệm (Hình 3.5)
Hệ số truyền nhiệt của khối aerogel đạt 0,66 W.m –2 K –1, trong khi tổng năng lượng mặt trời truyền qua là 0,85 với chiều dày 13,5 mm Đáng chú ý, hệ số truyền nhiệt có thể giảm khi chiều dày của aerogel tăng lên.
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Hình 3 5: Mặt cắt ngang kính cơ sở aerogel nguyên khối [26]
3.2.2 Vật liệu composite cơ sở silica aerogel đục – không xuyên sáng (Opaque
Composite Silica Aerogel–Based Materials)
Aerogel nguyên khối dễ vỡ, vì vậy thường được sản xuất dưới dạng tấm dệt Hỗn hợp aerogel có thể tạo ra bằng cách thêm sợi hoặc ma trận dạng sợi vào gel trước và sau quá trình làm khô.
Aerogel dạng tấm được sử dụng để cách nhiệt cho tường nhà, sàn nhà…
Hình 3 6: Aerogel Blanket của công ty a) Aspen Aerogel; b) Tradematt
Công ty Aspen Aerogel (Mỹ) đã phát triển tấm cách nhiệt silica aerogel với độ dẫn nhiệt chỉ 0,0131 W.m –2 K –1 Khi được lắp đặt với lớp dày 9 mm trên bề mặt tường, hệ số truyền nhiệt giảm từ 1 W.m –2 K –1 xuống còn 0,2 W.m –2 K –1, cho thấy khả năng giảm tổn thất nhiệt vượt trội của sản phẩm này.
Trong một thử nghiệm, việc đo hot-box cho thấy rằng việc sử dụng lớp phủ 0,6 cm aerogel đã cải thiện hệ số cách nhiệt lên 9% cho tường gỗ và 29% cho tường khung thép.
LỰA CHỌN VÀ DIỄN GIẢI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Độ giờ (Degree–Hour) là một chỉ số quan trọng phản ánh nhiệt độ không khí bên ngoài Chỉ số này được ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng để phân tích tác động của nhiệt độ không khí đến mức tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà.
Có 2 thông số độ giờ là:
− Cooling Degree–Hour – CDH – Số độ giờ làm mát;
Số độ giờ làm ấm (Heating Degree-Hour - HDH) thường không phổ biến ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, nơi nhiệt độ trung bình hàng năm trên 20°C Do đó, nhu cầu sử dụng hệ thống sưởi không cao, và chúng ta chủ yếu tập trung vào thông số độ giờ làm mát.
Số độ giờ làm mát hằng năm (CDH) là chỉ số đo lường thời gian và mức độ nhiệt độ ngoài trời vượt quá một mức chuẩn nhất định, tính bằng độ và giờ.
− 𝑇 𝑡𝑏 là nhiệt độ trung bình bên ngoài, theo dữ liệu là 28,81°C
− 𝑇 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 là nhiệt độ chuẩn, theo tiêu chuẩn là 27°C
Chi phí cách nhiệt ban đầu được xem như một khoản đầu tư Để phân tích hiệu quả kinh tế của cách nhiệt, phương pháp Life-Cycle Saving (LCS) là một công cụ hữu ích Phương pháp này giúp đánh giá tiết kiệm trong suốt vòng đời của hệ thống cách nhiệt, từ đó xác định lợi ích kinh tế lâu dài.
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
− 𝑃 1 – Tỉ lệ giữa mức tiết kiệm trong thời hạn sử dụng vật liệu so với mức tiết kiệm trong năm đầu tiên;
− 𝑑 là tỉ lệ lạm phát
− 𝑁 là thời hạn sử dụng vật liệu cách nhiệt (năm)
Theo dữ liệu từ tradingeconomics.com, lãi suất chuẩn tại Việt Nam hiện là 4,5%, trong khi tỷ lệ lạm phát đạt 3,17% Những chỉ số này được ghi nhận vào tháng 6/2020, thời điểm tương đối ổn định giữa hai đợt bùng phát dịch Covid-19, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến nền kinh tế.
* Lấy thời hạn sử dụng vật liệu cách nhiệt (𝑁) là 15 năm
− 𝑃 2 – Tỉ lệ giữa chi tiêu trong thời hạn sử dụng vật liệu so với mức chi phí ban đầu
Công thức tính toán trong bài viết là \( P_2 = 1 + P_1 M_s - R_v (1 + D) - N \), trong đó \( M_s \) đại diện cho tỷ lệ chi phí bảo trì và vận hành hàng năm so với chi phí đầu tư ban đầu, và \( R_v \) là tỷ lệ giữa giá trị bán lại và chi phí mua ban đầu.
* 𝑃 2 có thể được lấy bằng 1 vì chi phí bảo trì và vận hành trong lắp đặt cách nhiệt trường hợp này bằng 0
Trong bối cảnh xây dựng tại Việt Nam và với lý do kinh tế, việc thi công tường bao công trình thường sử dụng gạch đất nung 1 lớp, hay còn gọi là tường đơn, được trát vữa hoàn thiện ở cả hai mặt Đồ án này sẽ tiến hành tính toán cho cấu trúc tường này, bao gồm lớp cách nhiệt phía ngoài, sử dụng vật liệu mới là silica aerogel cùng với các vật liệu phổ biến như bông khoáng và xốp polystyrene EPS.
Hình 3 7: (a) Gạch đất nung 6 lỗ; (b) Vữa trát; (c) Tấm cách nhiệt từ silica aerogel; d) Tấm cách nhiệt từ bông khoáng; e) Tấm cách nhiệt từ xốp EPS
Cấu trúc tường được mô tả như hình 3.8 và các thông số đi kèm như bảng 3.2, gồm các lớp như sau:
− Lớp vữa trát bên ngoài;
− Lớp cách nhiệt (Silica aerogel, bông khoáng, xốp polystyrene EPS);
− Lớp vữa trát bên trong a) b) c) d) e)
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Hình 3 8: Cấu trúc tường được áp dụng tính toán
Bảng 3 2: Giá trị các thông số sử dụng
Thông số Ý nghĩa Giá trị Đơn vị
𝑅 𝑁 Nhiệt trở bề mặt ngoài 0,13* m 2 K 1 W –1
𝑅 𝑇 Nhiệt trở bề mặt trong 0,04* m 2 K 1 W –1
𝜆 𝑔ạ𝑐ℎ Hệ số dẫn nhiệt của gạch đất nung 0,81* W.m –1 K –1
𝜆 𝑣ữ𝑎 Hệ số dẫn nhiệt của vữa trát 0,93* W.m –1 K –1
𝜆 𝑆𝑖𝐴𝑒 Hệ số dẫn nhiệt của silica aerogel 0,013 W.m –1 K –1
𝜆 𝐵𝑘 Hệ số dẫn nhiệt của bông khoáng 0,04* W.m –1 K –1
𝜆 𝐸𝑃𝑆 Hệ số dẫn nhiệt của xốp polystyrene EPS 0,035* W.m –1 K –1
𝑥 𝑔ạ𝑐ℎ Chiều dày của lớp gạch đất nung 0,105* m
𝑥 𝑣ữ𝑎 Chiều dày của lớp vữa trát 0,015* m
𝑥 Chiều dày lớp cách nhiệt 𝑥 m
𝑛 Số lớp vật liệu của kết cấu 3 / 4 Lớp
* Giá trị lấy theo QCVN 09:2017/BXD
❖ Nhiệt trở tổng của tường cơ bản (chưa được cách nhiệt) là:
❖ Nhiệt trở của riêng lớp cách nhiệt là:
❖ Sự chênh lệch của hệ số trao đổi nhiệt tổng của tường không được cách nhiệt và có cách nhiệt là:
❖ Mức tiêu thụ năng lượng làm mát hằng năm trước khi được cách nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích là:
❖ Mức tiêu thụ năng lượng làm mát hằng năm sau khi được cách nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích là:
❖ Tổng chi phí năng lượng (điện năng) làm mát trước khi được cách nhiệt trong thời hạn sử dụng trên mỗi đơn vị diện tích:
❖ Tổng chi phí năng lượng (điện năng) làm mát sau khi được cách nhiệt trong thời hạn sử dụng trên mỗi đơn vị diện tích:
− 𝐶 đ𝑖ệ𝑛 là chi phí điện (VNĐ/kWh), lấy trung bình là 2.500 VNĐ/kWh;
− 𝐶𝑂𝑃 là hệ số hiệu quả máy lạnh (Coefficient of Performance)
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Hệ số hiệu quả máy lạnh (kW/kW) là tỷ lệ giữa năng suất lạnh và công suất tiêu thụ điện, thể hiện hiệu quả sử dụng năng lượng của máy điều hòa không khí Theo QCVN 09:2017/BXD, các máy điều hòa không khí làm lạnh trực tiếp sử dụng điện năng thông thường có hệ số hiệu quả tối thiểu là 2,8.
❖ Giá tiền cách nhiệt tính trên mỗi đơn vị diện tích như sau:
− 𝐶 𝐼 là giá tiền cách nhiệt (VNĐ.m –3 )
+ Silica aerogel 50.000.000 VNĐ.m –3 ; + Xốp EPS 2.000.000 VNĐ.m –3 ; + Bông khoáng 15.000.000 VNĐ.m –3
− 𝑥 là chiều dày cách nhiệt (m)
❖ Tổng chi phí làm mát sau khi được cách nhiệt trong thời hạn sử dụng trên mỗi đơn vị diện tích:
❖ Tổng chi phí tiết kiệm năng lượng để làm mát sau khi được cách nhiệt trong thời hạn sử dụng trên mỗi đơn vị diện tích là: