Trong bài viết này, đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là một tòa nhà chung cư thu nhập thấp tại thành phố Hồ Chí Minh nhằm phân tích tác động của pin mặt trời áp mái đối với hiệu quả năng lượng tòa nhà. Kết quả nghiên cứu cho thấy pin mặt trời áp mái không chỉ cung cấp thêm điện năng mà còn giảm bức xạ mặt trời xuống mái nhà.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA PIN MẶT TRỜI ÁP MÁI TỚI HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TOÀ NHÀ BUILDING ENERGY MODELLING FOR ANALYSING IMPACTS OF ROOF-TOP PHOTOVOLTAIC ON BUILDING ENERGY Đặng Hồng Anh TĨM TẮT Hiện nay, việc tập trung phát triển dự án lượng mặt trời số tỉnh thành phía Nam gây tình trạng tải đường dây truyền tải điện dẫn tới số nhà máy điện mặt trời không vận hành hết công suất phát điện Do đó, dự án điện mặt trời áp mái tỉnh thành phố có nhu cầu sử dụng điện lớn, nơi đồng thời có tiềm xạ mặt trời cao, khuyến khích phát triên để giảm áp lực truyền tải điện Trong báo này, đối tượng nghiên cứu lựa chọn nhà chung cư thu nhập thấp thành phố Hồ Chí Minh nhằm phân tích tác động pin mặt trời áp mái hiệu lượng nhà Kết nghiên cứu cho thấy pin mặt trời áp mái không cung cấp thêm điện mà giảm xạ mặt trời xuống mái nhà Điều dẫn tới giảm đáng kể tải làm mát tổng mức tiêu thụ lượng toàn cơng trình Mặt khác, việc giảm xạ mặt trời làm giảm nhiệt độ bề mặt mái cải thiện tiện nghi nhiệt không gian áp mái Từ khóa: Điện mặt trời áp mái; mơ lượng; hiệu lượng; tiện nghi nhiệt ABSTRACT Nowadays, the development of solar projects in Southern provinces of Vietnam causes overload of power transmission, then leads to some plants couldn’t operate at full capacity Therefore, rooftop solar power projects in provinces and cities with high electricity demand and hight potential for solar radiation, are encouraged to reduce power transmission jam In this paper, we analyse a case study of a low-income apartment building in Ho Chi Minh City to assess impacts of rooftop solar on building energy efficiency Results show the roof solar modules not only supply electricity but also reduce solar radiation to the roof As a result, building cooling load and total energy consumption are significant reduced On the other hand, the reduction of solar radiation on the roof keeps cooling roof surface and improves the thermal comfort of attic space Keywords: Rooftop photovoltaic; building energy modelling; building energy efficiency; thermal comfort Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: hoanganh.inpg@gmail.com Ngày nhận bài: 28/01/2021 Ngày nhận sửa sau phản phản biện: 10/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2021 CHỮ VIẾT TẮT EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn kWh Lượng điện số điện công tơ Wp Công suất đỉnh HVAC Hệ thống thơng gió điều hồ khơng khí QCVN09:2017/BXD Quy chuẩn quốc gia cơng trình sử dụng hiệu tiết kiệm lượng GIỚI THIỆU Việt Nam quốc gia có tiềm cao lượng mặt trời so với hầu hết quốc gia khác khu vực Cường độ xạ mặt trời ước tính trung bình 5kWh/m2/ ngày miền Nam, miền Trung số vùng phía Bắc Việt Nam (1.460 - 1.825kWh/m2/năm), với xạ đỉnh trung bình lên tới 5,5kWh/m2/ngày số khu vực phía Nam (2000 kWh/m2/năm) [1] Theo báo cáo EVN, sau năm thực Quyết định số 11/2017 Thủ tướng Chính phủ việc bán điện dự án điện mặt trời với giá cố định, 141 tổng số 365 dự án điện mặt trời đưa vào quy hoạch tổng thể (với tổng công suất 14.000MWp) Tuy nhiên, việc phát triển tập trung dự án điện mặt trời mật độ cao khu vực Nam Trung như: Ninh Thuận, Bình Thuận, Khánh Hịa, Đăk Lăk Bình Phước gây tình trạng tải hệ thống lưới điện truyền tải dẫn tới số nhà máy phát hết công suất thiết kế [2] Vì vậy, việc triển khai dự án điện mặt trời áp mái nhà tỉnh thành phố, nơi có tiềm xạ mặt trời lớn, khuyến khích để giảm áp lực truyền tải điện Mặt khác, điện mặt trời áp mái nhà giúp giảm hóa đơn tiền điện tăng sử dụng hiệu lượng Hệ thống thông gió điều hịa khơng khí (HVAC) tải tiêu thụ lượng nhiều cơng trình xây dựng Trong tịa nhà có lớp vỏ cách nhiệt kém, phần lớn nhiệt lượng xạ mặt trời qua mái nhà vào bên cơng trình Do đó, việc lắp đặt pin mặt trời áp mái khơng giúp thu lợi ích từ việc cung cấp điện năng, mà giảm tải làm mát vùng khí hậu nắng nóng thơng qua che nắng mái Theo nghiên cứu tác Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ động hệ thống điện mặt trời áp mái truyền nhiệt San Diego, California [3], mái với pin mặt trời áp mái qua tính tốn mơ giảm tới 38% tải làm mát hàng năm thông qua tiết kiệm lượng cải thiện tiện nghi nhiệt Một nghiên cứu khác Ấn Độ ảnh hưởng điện mặt trời áp mái tải làm mát tòa nhà [4] nghiên cứu vai trò kép hệ thống pin mặt trời mái cung cấp điện giảm tiêu thụ điện làm mát nhờ vào che nắng mái pin mặt trời Năng lượng cần thiết cho tải làm mát giảm 73% - 90% sau lắp đặt hệ thống pin mặt trời áp mái Tuy vậy, chưa nhiều nghiên cứu đánh giá đồng thời vai trò cung cấp điện hiệu lượng [5] Tại Việt Nam, hầu hết nghiên cứu gần tập trung để tối ưu hóa thiết kế hệ thống pin mặt trời áp mái phục vụ mục đích phát điện tự dùng [6] hoà lưới [7] Các nghiên cứu hiệu lượng tòa nhà, bao gồm cung cấp điện từ pin mặt trời áp mái, tác động chúng với vai trò che nắng cho mái tiện nghi nhiệt cần thiết phải quan tâm nghiên cứu để đánh giá lợi ích tổng thể việc triển khai pin mặt trời áp mái Trong báo này, tòa nhà chung cư thu nhập thấp thành phố Hồ Chí Minh (HCM) lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu nhằm phân tích tác động pin mặt trời áp mái hiệu lượng nhà Bên cạnh đó, mơ hình mơ cịn đại diện cho tòa nhà chung cư hộ gia đình có thu nhập thấp, đối tượng thường xây dựng với mái cách nhiệt chiếm phần lớn diện tích đất thành phố Đối tượng nghiên cứu mơ phần mềm Design Builder (nhân tính tốn Energy Plus) cho trường hợp có khơng lắp đặt pin mặt trời áp mái Q trình mơ theo ngày năm thực để đánh giá lợi ích từ việc cung cấp điện pin mặt trời áp mái việc giảm tải lạnh hiệu lượng Để phân tích ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt, mơ theo tuần điển hình mùa hè thực để tính tốn xạ mặt trời mái, nhiệt độ bề mặt mái nhiệt độ bên cơng trình P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 cơng trình dạng nằm ngồi phạm vi tn thủ QCVN09:2017/BXD (diện tích sàn 2500m2), lại chiếm phần lớn diện tích đất so với tòa nhà cao tầng trung tâm thương mại tỉnh, thành phố lớn Trong báo này, đối tượng nghiên cứu sử dụng lại hình dáng tịa nhà lớp mái thay pin mặt trời Hiệu lượng cơng trình phân tích cho trường hợp có khơng lắp đặt pin mặt trời áp mái Hình Cơng trình chung cư Lị Gốm 2.2 Mơ hình lượng Mơ hình cơng trình, bao gồm khối nhà, dựng phần mềm mơ Design Builder, có chiều cao từ đến tầng, 69 hộ cửa hàng tạp hóa Hướng cơng trình hướng Đơng Nam liệu thời tiết đo đạc trạm khí tượng sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất (climate.onebuilding.org) Các hành lang khu vực lại tòa nhà đơn giản hóa thành thành phần che nắng mơ hình lượng Tất hộ có cửa cửa sổ đối diện với ô văng 0,5m Đối với khối, pin mặt trời bao phủ toàn diện tích mái với mái vươn thiết kế lớp mái chung cư Lò Gốm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu báo lấy ý tưởng từ chung cư Lị Gốm, nằm dọc kênh Tân Hóa, Quận 6, thành phố HCM Cơng trình dự án nhà xã hội thiết kế dành cho người có thu nhập thấp tài trợ phủ Bỉ, thiết kế T3-Architecture Villes en Transition [8] Do giới hạn ngân sách, mục đích thiết kế dự án không cải thiện cách nhiệt lớp vỏ cơng trình, mà tập trung cải thiện tiện nghi nhiệt chất lượng sống thông qua thiết kế thụ động Điểm đặc biệt mái cơng trình mái kép với khoảng khơng khí ngăn xạ mặt trời trực tiếp xuống mái bên cho phép khơng khí lưu thơng truyền nhiệt mái bên mơi trường xung quanh Nếu khơng có giải pháp thiết kế thụ động trên, nhà hồn tồn t đại diện cho cơng trình nhà dân nhà xã hội với lớp vỏ cách nhiệt Thực tế 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Hình Mơ hình lượng phần mềm Design Builder Tường bao ngồi mơ hình cơng trình cấu hình gạch đặc đất sét nung mái đổ bê tông cốt thép Đối với trang thiết bị bên cơng trình, tất phịng trang bị điều hồ cục đèn huỳnh quang compact Lịch vận hành trang thiết bị lịch sinh hoạt tham khảo từ liệu thống kê theo tiêu chuẩn ASHARE 90.1 Chi tiết cấu hình mơ hình tịa nhà thể bảng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Các thơng số mơ hình lượng Hạng mục Loại Tham số Tường bao Gạch đặc đất sét Dày 220mm, Uv = 2,11W/m2-K nung Mái Bê tông cốt thép Dày 120mm, Uv = 4,045W/m2-K Pin mặt trời Hiệu suất: 15% Góc nghiêng: 7° Tấm pin quang điện Diện tích pin mặt trời khối A: 594m2 Diện tích pin mặt trời khối B: 907,5m2 Diện tích pin mặt trời khối C: 495m2 Điều hồ khơng khí Cục Chiếu sáng Huỳnh quang compact Hệ số COP làm mát: 3,0 LPD chuẩn hoá: 5W/m2-100lux TM59_3-BedLivingKitchen Template Không gian hộ 0,0188 người/m2 Nhiệt độ làm mát: 25°C Lịch vận hành Small Shop Template Không gian bán 0,1169 người/m2 hàng Nhiệt độ làm mát: 23°C WC Thành phố HCM nằm khu vực gần xích đạo, xạ mặt trời chiếu lên mái chủ yếu theo phương thẳng đứng Do tính chất cách nhiệt bê tông cốt thép, điều kiện che nắng, mái bị nung nóng trực tiếp xạ mặt trời lượng nhiệt lớn sinh truyền vào không gian áp mái Khi che nắng pin mặt trời áp mái, lượng xạ mặt trời chiếu trực tiếp lên tâm pin giải nhiệt môi trường xung quanh Điều dẫn tới trường hợp có lắp đặt pin mặt trời áp mái, tổng tải làm mát giảm đáng kể (tới 100kWp) so với trường hợp không lắp đặt Dưới điều kiện lịch vận hành sinh hoạt, nhu cầu làm mát 14h30, khiến cho tải làm mát đạt giá trị lớn thời điểm (hình 3) Bảng thể rõ lợi ích pin mặt trời áp mái hiệu lượng tòa nhà vòng năm Điện từ pin mặt trời cho thấy lợi ích trực tiếp, cung cấp tới 565MWh điện năm, nhiều nhu cầu lượng tiêu thụ công trình Đối với lợi ích gián tiếp, mức tiết kiệm lượng đạt 11,9% tổng mức tiêu thụ lượng, tương ứng với 18,4% tổng mức tiêu thụ lượng sử dụng để làm mát so với trường hợp không lắp đặt pin mặt trời áp mái Bảng So sánh kết mô lượng trường hợp có khơng lắp đặt pin mặt trời áp mái năm Domestic bathroom Template 0,0187 người/m2 Không điều hồ Khơng lắp đặt Có lắp đặt Mức pin mặt trời pin mặt trời giảm áp mái áp mái KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Tổng tải lạnh cơng trình (kWp) 530,13 430,98 18,7% 3.1 Tải làm mát tiêu thụ lượng cơng trình Tổng tải lạnh không gian áp mái (kWp) 242,16 143,74 40,6% Tổng lượng tiêu thụ tồn cơng trình (kWh) 317993,28 280192,84 11,9% Tổng lượng tiêu thụ cho tải làm mát (kWh) 199736,15 163005,29 18,4% Điện mặt trời (kWh) Tải làm mát nhiệt lượng cần đưa khỏi khơng gian bên cơng trình xây dựng để trì nhiệt độ bên nằm nhiệt độ đặt Lớp vỏ cơng trình, nhiệt lượng nội sinh, xạ mặt trời nhiệt độ môi trường bên yếu tố ảnh hưởng chủ yếu tới tải làm mát Công suất lạnh điều hoà xác định từ tải làm mát lớn tính tốn điều kiện cực đoan (nhiệt độ ngày nóng kết hợp với xạ mặt trời ngày nắng năm) 564972,712 - 3.2 Bức xạ mặt trời Đối với vùng khí hậu nhiệt đới thành phố HCM, phần lớn lượng sử dụng cơng trình để phục vụ mục đích làm mát Tính tốn mơ cân nhiệt cho thấy xạ mặt trời lớp vỏ công trình, đặc biệt mái ngun nhân làm tăng nhiệt độ bên bên bề mặt mái Hình Mơ tải lạnh cơng trình theo điều kiện cực đoan thiết kế tải lạnh Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình thể kết mơ theo cho ngày mùa hè điển hình Trường hợp có lắp đặt pin mặt trời áp mái mái gần khơng có xạ mặt trời chiếu trực tiếp bề mặt mái che pin mặt trời Trường hợp không lắp đặt pin mặt trời áp mái, mái nhà nhận lượng xạ mặt trời tối đa (900W/m2) dẫn tới tăng nhiệt độ bề mặt ngồi mái (hình 5) Kết cho thấy trường hợp có pin mặt trời áp mái, nhiệt độ bề mặt mái tường ngồi tịa nhà trường hợp không lắp pin mặt trời áp mái, nhiệt độ mái tăng lên đến 50°C Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tương tự vậy, nhiệt độ bề mặt bên mái giảm từ 38,68°C (thời điểm chiều) xuống 28,82°C (thời điểm chiều) có pin mặt trời áp mái Qua đây, thấy độ trễ nhiệt thể qua nhiệt độ cao bề mặt mái (được cấu tạo lớp bê tông cốt thép lớp thạch cao) không thời điểm Nhiệt độ bề mặt mái có tác động lớn tiện nghi nhiệt thảo luận mục (a) (b) Hình So sánh xạ mặt trời lớp vỏ cơng trình trường hợp có (b) không (a) lắp đặt pin mặt trời áp mái thời điểm trưa ngày mùa hè điển hình (a) (a) (b) Hình So sánh nhiệt độ bề mặt lớp vỏ cơng trình trường hợp có (b) khơng (a) lắp đặt pin mặt trời áp mái vòng ngày mùa hè điển hình 3.3 Tiện nghi nhiệt (b) Hình So sánh nhiệt độ bề mặt lớp vỏ cơng trình trường hợp có (b) khơng (a) lắp đặt pin mặt trời áp mái thời điểm trưa ngày mùa hè điển hình Như vậy, việc lắp đặt pin mặt trời áp mái mang lại lợi ích kép lượng cho cơng trình Nó tạo điện ngăn xạ mặt trời truyền nhiệt qua mái giữ cho bề mặt mái nhiệt độ thấp nhiều so với trường hợp khơng có pin mặt trời áp mái Hình cho thấy so sánh kết mô nhiệt độ bề mặt mái hai trường hợp, nhiệt độ bề mặt bên giảm từ 50,33°C (thời điểm chiều) xuống 31,29°C (thời điểm chiều) lắp đặt pin mặt trời áp mái 20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Hình thể kết mơ nhiệt độ khơng khí bên trong, nhiệt độ xạ nhiệt độ vận hành theo thay đổi nhiệt độ môi trường bên Nhiệt độ xạ nhiệt độ đặc trưng cho truyền nhiệt xạ bề mặt bên lớp vỏ cơng trình vào mơi trường bên Nhiệt độ xạ không gian nhiệt độ xạ trung bình tất bề mặt bao gồm tường, sàn trần Nhiệt độ vận hành hay gọi nhiệt độ tương đương nhiệt độ hiệu quả, định nghĩa trung bình nhiệt độ khơng khí phòng nhiệt độ xạ Do giả sử hệ thống điều hồ ln đáp ứng nhu cầu nên hai trường hợp có nhiệt độ khơng khí ln đạt nhiệt độ đặt Tuy nhiên, trường hợp khơng lắp đặt pin mặt trời áp mái có nhiệt độ vận hành cao dẫn tới tiện nghi nhiệt không đảm bảo (nhiệt độ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 khơng khí đạt u cầu cảm thấy khó chịu ảnh hưởng xạ bề mặt) (a) (b) Hình So sánh tiện nghi nhiệt trường hợp có (b) khơng (a) lắp đặt pin mặt trời áp mái vòng ngày mùa hè điển hình KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brohm R., 2016 New Study: Commercial PV Rooftop Investment Opportunities in Vietnam (rainer-brohm.de) [2] EVN, 2019 Rooftop solar PV systems will contribute to relieving pressure on power supply Seminar Promoting rooftop solar PV development in Vietnam (Hanoi: EVN report) [3] Dominguez A., Kleissl J., Luvall J C., 2011 Effect of solar photovoltaic panels on roof heat transfer J Solar Energy 85(2011)2244-2255 (Amsterdam: Elsevier) [4] Kotak A., Gago Ej., Mohanty P., Muneer T., 2014 Installation of roof-top solar PV modules and their impact on building cooling load J on Building Services Engineering Research & Technology Vol 35 (New Delhi: SAGE) chapter pp 613– 633 [5] Hui S C M., Chan S C., 2011 Integration of green roof and solar photovoltaic systems Proc Joint Symp Integrated Building Design in the New Era of Sustainability (Hong Kong) p 1.1–1.10 [6] Dinh V B., Dang H A., Delinchant B., Wurtz F., 2018 Optimal sizing of PV system combined to cooling load management strategy toward photovoltaic selfconsumption in buildings Proc Int Conf Environment and Renewable Energy (Da Nang) [7] Nguyen N X., Nguyen L T., Nguyen Q H., Delinchant B., 2016 Gridconnected PV system design option for nearly Zero Energy Building in reference building in Hanoi Proc Int Conf Sustainable Energy Technologies (Hanoi) pp 326-331 [8] Ministry of Industry and Trade, 2014 Urban Upgrading in Ho Chi Minh city: Unexpected social impact of an infrastructure project Reflection paper (HCM city) Vietnam AUTHOR INFORMATION Dang Hoang Anh Hanoi University of Science and Technology Bài báo trình bày nghiên cứu tác động pin mặt trời áp mái hiệu lượng tồ nhà Việt Nam, thơng qua đối tượng nghiên cứu cơng trình nhà xã hội thành phố HCM Kết mô cho thấy việc lắp đặt pin mặt trời áp mái khơng có tiềm cung cấp điện mà cịn giảm truyền nhiệt thơng qua mái Qua đó, tải làm mát tổng mức tiêu thụ lượng tồn cơng trình giảm đáng kể thơng qua việc giảm truyền nhiệt từ xạ mặt trời vào bên cơng trình Ngồi ra, việc giảm xạ mặt trời có tác dụng làm mát bề mặt mái (bên bên trong) đặc biệt cải thiện đáng kể tiện nghi nhiệt không gian áp mái Nghiên cứu sở để tiếp tục thực nghiên cứu sâu cụ thể tác động pin mặt trời áp mái cơng cơng trình xây dựng với hệ thống điện phân phối Đồng thời góp phần hướng tới bổ trợ cho nghiên cứu phân tích kinh tế tính khả thi dự án đầu tư chi phí vịng đời lắp đặt pin mặt trời áp mái Việt Nam Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21 ... pin mặt trời áp mái mái gần khơng có xạ mặt trời chiếu trực tiếp bề mặt mái che pin mặt trời Trường hợp không lắp đặt pin mặt trời áp mái, mái nhà nhận lượng xạ mặt trời tối đa (900W/m2) dẫn tới. .. không gian áp mái Khi che nắng pin mặt trời áp mái, lượng xạ mặt trời chiếu trực tiếp lên tâm pin giải nhiệt môi trường xung quanh Điều dẫn tới trường hợp có lắp đặt pin mặt trời áp mái, tổng... khơng lắp đặt pin mặt trời áp mái năm Domestic bathroom Template 0,0187 người/m2 Không điều hồ Khơng lắp đặt Có lắp đặt Mức pin mặt trời pin mặt trời giảm áp mái áp mái KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO