CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
5.4. Mơ hình dự đốn mức TTNL điện cho tịa nhà văn phịng bằng thuật tốn
5.4.2 Dữ liệu và tham số mơ hình RF
Dữ liệu thu được từ mơ hình mơ phỏng mức TTNL trong phần mềm Designbuilder ở bước trên được sử dụng để đào tạo và kiểm tra cho mơ hình RF. Một bộ dữ liệu gồm 1716 mẫu đã được tạo ra từ kết quả mơ phỏng, trong đó 70% (1201 mẫu) được dùng để đào tạo và 30% (515 mẫu) được dùng để kiểm tra giá trị dự đoán.
Theo lý thuyết đã nêu ở mục 3.5.2, số lượng nút cho mỗi cây quyết định được lựa chọn là 2, ntree (số lượng cây trong rừng) = 500, mtry (số thuộc tính chọn ngẫu nhiên tại mỗi nút để phát triển cây) = 3.
5.4.3 Kiểm tra kết quả mơ hình dự đốn
Để đảm bảo rằng khả năng dự đốn của mơ hình là tốt, tác giả tiến hành kiểm tra bằng cách so sánh giá trị dự đoán với tập giá trị kiểm tra 30% ban đầu (giá trị của phần mềm mô phỏng).
Chọn ngẫu nhiên 30 giá trị trong tập kết quả dự đoán, so sánh với giá trị kiểm tra được kết quả như biểu đồ bên dưới:
Hình 5.3 Biểu đồ so sánh giá trị dự đốn của mơ hình RF và giá trị kiểm tra.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Giá trị mô phỏng Giá trị dự đoán
65
Bảng 5.5 So sánh kết quả mức tiêu thụ điện của mơ hình dự đốn bằng thuật tốn RF và giá trị mô phỏng bằng phần mềm DesignBuilder.
STT Giá trị mô phỏng (kW/m2 /năm) Giá trị dự đoán (kW/m2 /năm) Chênh lệch (%) STT Giá trị mô phỏng (kW/m2 /năm) Giá trị dự đoán (kW/m2 /năm) Chênh lệch (%) 1 35.2 35.9 1.9 16 31.0 30.8 0.5 2 32.5 33.0 1.6 17 26.8 27.0 0.7 3 32.3 32.5 0.5 18 31.7 32.3 1.8 4 36.5 36.2 0.8 19 28.5 28.5 0.0 5 56.3 54.9 2.6 20 42.0 41.0 2.5 6 41.3 42.1 2.0 21 26.7 26.7 0.0 7 27.5 27.6 0.5 22 39.4 39.4 0.0 8 29.5 30.0 1.7 23 29.2 29.2 0.1 9 26.5 26.7 0.6 24 43.7 43.7 0.1 10 28.5 29.1 1.9 25 27.7 28.0 1.1 11 57.9 55.9 3.5 26 40.1 41.8 4.0 12 27.8 27.9 0.5 27 27.8 27.9 0.2 13 28.7 28.8 0.2 28 66.0 67.7 2.5 14 32.3 32.4 0.3 29 40.7 41.6 2.2 15 27.3 27.3 0.1 30 41.0 40.1 2.3
Ngoài ra, xét đến chỉ số Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) của mơ hình: NSE = 1- ∑ ( )
∑ ( ) =0.976 Trong đó: n = 1716 là kích thước mẫu.
yt là giá trị được lựa chọn để đánh giá xt là giá trị dự đoán
ȳ là giá trị trung bình của yt trong mẫu
Nhận xét: Kết quả cho thấy các giá trị dự đốn của mơ hình RF khơng khác
biệt nhiều so với giá trị kiểm tra, đồng thời giá trị NSE gần bằng 1, điều này chứng tỏ hiệu suất dự đốn của mơ hình RF có độ chính xác cao.
66
5.4.4 Giao diện mơ hình dự đốn
Tác giả xây dựng giao diện cho mơ hình dự đốn bằng thuật tốn RF như hình bên dưới, người dùng tiến hành nhập các thơng số thiết kế tịa nhà với các giá trị trong khoảng đưa ra, mơ hình sẽ dự đốn mức năng lượng điện được tiêu thụ cho tòa nhà.
67
5.5. Tóm tắt chương 5
Dựa vào kết quả bảng xếp hạng hiệu quả của các giải pháp TKNL cho tòa nhà ở chương 4, tác giả đã lựa chọn các giải pháp này như các tham số chính để xây dựng mơ hình dự đốn mức TTNL. Một mơ hình mơ phỏng được dựng lên bằng phần mềm DesignBuilder, với đặc điểm của một văn phịng điển hình, phạm vi giá trị của các tham số sử dụng trong quá trình mơ phỏng được tham khảo từ các tài liệu kỹ thuật cho cơng trình HQNL. Dữ liệu thu được từ mơ hình mơ phỏng được sử dụng để đào tạo và kiểm tra cho mơ hình dự đốn mức TTNL bằng thuật tốn RF. Độ chính xác của mơ hình dự đốn được đánh giá bằng cách so sánh giá trị dự đoán với tập giá trị kiểm tra của mơ hình vật lý, đồng thời sử dụng hệ số NSE để kiểm định rằng hiệu suất dự đốn của mơ hình là cao.
Tác giả cũng phát triển giao diện người dùng cho mơ hình dự đốn, bằng cách nhập các thơng số thiết kế tịa nhà với các giá trị trong khoảng đưa ra, mơ hình sẽ dự đốn mức TTNL điện cho tịa nhà trên một mét vng trong chu kì một năm. Từ đó, chỉ cần thay đổi giá trị các tham số thiết kế của tịa nhà, có thể biết được mức TTNL điện dự kiến cho tòa nhà sẽ tăng hay giảm, điều này giúp đơn vị tư vấn thiết kế, chủ đầu tư và các bên liên quan lựa chọn các giải pháp nhằm TKNL điện tiêu thụ cho tòa nhà.
68
CHƯƠNG 6. CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO TÒA NHÀ
6.1. Tối ưu thiết kế thụ động
Nội dung của tối ưu thiết kế thụ động là phương án xem xét tính hiệu quả của vị trí xây dựng, cảnh quan tự nhiên, địa hình và hướng của cơng trình. Nghiên cứu bao gồm mơ phỏng gió, tính tốn khả năng hấp thụ nhiệt và bóng đổ cơng trình dưới ánh nắng theo quỹ đạo mặt trời. Mục tiêu chủ đạo của quá trình này là giảm tối đa sự phụ thuộc vào các hệ thống tiêu thụ nhiều năng lượng, thay vào đó cố gắng tối ưu việc sử dụng các dòng năng lượng tự nhiên trong q trình vận hành cơng trình. Do đó, khi ứng dụng các giải phương án thiết kế thụ động, người thiết kế cần nghiên cứu kỹ sự thích nghi của điều kiện khí hậu tự nhiên khu vực xây dựng đến cơng trình.
6.1.1 Hướng cơng trình
Lựa chọn hướng cơng trình tốt sẽ có những lợi ích to lớn như: hạn chế việc hấp thụ BXMT gây sinh nhiệt cho cơng trình, cải thiện hiệu ứng đối lưu khơng khí tự nhiên, giảm mức TTNL điện và tận dụng tốt khả năng làm mát thụ động.
Ví dụ sử dụng phần mềm Autodesk Ecotect Analysis 2011 xác định hướng phù hợp nhất để xây dựng cơng trình mẫu đã đề cập ở chương 5, trên cơ sở dữ liệu thời tiết tại Tp.HCM.
69
Hình 6.2 NLMT sóng ngắn trung bình tại Tp.HCM [43]
70
Kết quả cho thấy hướng nhà tốt nhất cho văn phịng mẫu nằm ở góc 155 độ (hướng Nam đến Tây Nam), hướng nhà xấu nhất nằm ở góc 65 độ (hướng Tây đến Tây Bắc). Tiếp tục sử dụng cơng cụ phân tích bóng đổ để so sánh ảnh hưởng của hướng cơng trình đến thiết kế tịa nhà dựa trên quỹ đạo mặt trời.
Bảng 6.1 So sánh quỹ đạo bóng đổ đối với hướng cơng trình bằng phần mềm Ecotect Analysis 2011
So sánh phương án lựa chọn hướng cơng trình dựa vào quỹ đạo bóng đổ với chu kì 1 ngày, thời điểm được lựa chọn để so sánh vào ngày 1 tháng 7 hàng năm bằng cơng cụ Shadow Range
71
Hình 6.5 Bóng đổ phương án tịa nhà hướng Nam đến Tây Nam
Nhận xét:
Dựa vào quỹ đạo bóng đổ, ta thấy phương án nhà hướng Tây đến Tây Bắc tỷ lệ ánh sáng chiếu trực tiếp vào mặt có bố trí cửa sổ là rất lớn, trái ngược với phương án nhà hướng Nam đến Tây Nam, bóng đổ tự thân bao phủ mặt đứng có bố trí cửa sổ làm giảm hấp thụ BXMT, từ đó giảm mức TTNL điện của hệ thống ĐHKK.
72
6.1.2 Tỷ lệ cửa sổ trên tường
Thiết kế tỷ lệ cửa sổ trên tường, lựa chọn kích thước, vị trí, thơng số kỹ thuật, loại kính trên cửa sổ phù hợp là cực kỳ quan trọng. Việc này giúp cơng trình giảm ảnh hưởng của hiện tượng quá nhiệt vào mùa hè, mất nhiệt vào mùa đơng, bên cạnh đó cũng góp phần làm tăng khả năng lưu thơng khơng khí tự nhiên.
6.1.3 Phân vùng không gian và thiết kế cảnh quan hiệu quả
Phân vùng khơng gian trong cơng trình một cách hợp lý bằng cách sắp xếp bố cục các phịng chức năng có các u cầu cách nhiệt khác nhau nhằm tránh lãng phí năng lượng làm mát. Ví dụ như, bố trí sơ đồ mặt bằng cơng trình sao cho các khơng gian như phịng khách, phòng họp, phòng sinh hoạt chung tách biệt với không gian làm việc.
Sử dụng các không gian trống liền kề, các không gian phục vụ công cộng như nhà vệ sinh, phòng kỹ thuật, thang bộ nằm dọc theo mặt đứng hướng Tây như một vùng đệm nhiệt cho tịa nhà. Bên cạnh đó, cách bố trí này cũng làm tăng tỷ lệ sử dụng ánh sáng tự nhiên, từ đó giảm tiêu thụ điện năng cho chiếu sáng.
Bố trí tối ưu cảnh quan cũng được cân nhắc như một giải pháp để che nắng, điều chỉnh hướng gió và tăng khả năng làm mát thụ động cho tòa nhà.
6.1.4 Kết cấu che nắng
Bố trí các kết cấu che nắng như hệ lam, ô văng hoặc mảng xanh (bao gồm lớp thực vật và cả lớp chất trồng) giúp cơng trình hạn chế việc hấp thụ nhiệt sinh ra từ BXMT thơng qua các lỗ thơng gió, cửa sổ, khơng gian bên ngồi và các mặt đứng của cơng trình. Từ đó giảm đánh kể năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi bên trong cơng trình.
73
Bảng 6.2 Minh họa đường đi tia nắng chiếu vào cơng trình bằng phần mềm Ecotect Analysis 2011
Hình 6.6 Đường đi tia nắng phương án khơng sử dụng lanh tô
Nhiệt lượng sinh từ tia nắng mặt trời (Solar Direct Gain) Qg = 822 Wh Hình 6.7 Đường đi tia nắng phương án sử dụng lanh tô
74
Nhận xét: dựa vào minh họa đường đi tia sáng bằng công cụ Solar Ray, nhận
thấy rằng đối với cửa sổ có bố trí ơ văng, lượng tia sáng bị cản lại tại vị trí ơ văng rất lớn, làm giảm đáng kể tia sáng chiếu trực tiếp vào trong cơng trình so với phương án khơng bố trí ơ văng. Từ đó giúp cơng trình hạn chế việc hấp thụ nhiệt sinh ra từ BXMT, giảm TTNL điện cho nhu cầu làm mát tòa nhà.
6.2. Giảm chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV và tối ưu lớp vỏ cơng trình
Hầu hết các tịa nhà văn phịng đều có sử dụng ĐHKK để làm mát, hệ thống HVAC để điều khiển mơi trường bên trong tịa nhà. Việc giảm chỉ số truyền nhiệt tổng giúp tối ưu hiệu quả cách nhiệt của lớp vỏ tòa nhà, nhằm hạn chế sự truyền nhiệt từ bên ngồi vào cơng trình cũng như thất thốt nhiệt từ bên trong ra, từ đó giảm tải cho hệ thống làm mát tịa nhà.
Hình 6.8 Minh họa hiệu quả cách nhiệt của lớp vỏ tòa nhà bằng hệ số OTTV (Nguồn: VGBC). (Nguồn: VGBC).
Theo yêu cầu của QCVN 09:2017/BXD, Chỉ số truyền nhiệt tổng (OTTV) tối đa đối với tường là 60W/m2, đối với mái là 25W/m2.
75
6.2.1 Sử dụng vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp cho mái
Đối với các tịa nhà có diện tích mái rộng, nhiệt lượng được hấp thụ của lớp vỏ cơng trình thơng qua mái là rất lớn, một phương án cách nhiệt mái tốt có thể làm giảm mức TTNL điện cho tòa nhà.
Theo yêu cầu của QCVN 09:2017/BXD, kết cấu mái bằng hoặc độ dốc nhỏ hơn 150 bao phủ trực tiếp lên khơng gian có sử dụng ĐHKK phải có giá trị tổng nhiệt trở R0.min lớn tối thiểu 1,00 m2.K/W.
6.2.2 Sử dụng vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp cho tường
Thiết kế tường bao che với khả năng cách nhiệt tốt giúp giảm hấp thụ nhiệt độ cao từ bên ngoài cũng như thất thoát nhiệt độ làm mát từ bên trong ra. Tường bao bên ngồi tịa nhà (khơng kể đến phần tường xun sáng) cho khơng gian có sử dụng ĐHKK phải có trị số tổng nhiệt trở nhỏ nhất R0.min lớn tối thiểu 0,56 m2.K/W; Bảng 6.3 Một số cấu tạo tường phổ biến áp dụng cho các cơng trình sử dụng HQNL.
77
6.2.3 Sử dụng kính bao che có hệ số hấp thụ nhiệt thấp
Theo QCVN 09:2017/BXD, hệ số hấp thụ nhiệt SHGC quy định cho cửa kính trên mái bằng khơng được lớn hơn 0.3, đối với tầng mái sử dụng ánh sáng tự nhiên, hệ số SHGC cho phép đối với cửa trời là khơng lớn hơn 0.6.
Bên cạnh đó, kính Low E TKNL cũng mang lại rất nhiều ưu điểm như hấp thụ nhiệt ít và phát xạ nhiệt chậm, hệ số phát xạ của kính Low E chỉ nằm ở khoảng ≤ 0.04 so với kính thường ≤ 0.89.
78 Bảng 6.5 So sánh thơng số các dịng kính TKNL STT Chủng loại kính Độ truyền sáng (%) SHGC U-Value (W/m2.K) Hệ số phát xạ 1 Kính hộp thơng thường 24mm 82 0.83 2.7 0.89 2 Kính hộp Low E Neutral T70 24mm 65 0.42 1.3 0.04 3 Kính hộp Low E Neutral T40 24mm 42 0.28 1.4 0.65 4 Kính Hộp Solar control Neutral T45 24mm 42 0.37 2.2 0.45
6.2.4 Sử dụng vật liệu hồn thiện bề mặt cơng trình có hệ số SRI cao
Chỉ số SRI của vật liệu càng cao khả năng phản xạ BXMT của vật liệu càng tốt. SRI màu đen tiêu chuẩn là 0, SRI màu trắng tiêu chuẩn là 100.
79
80
6.2.5 Lắp đặt mái xanh, tường xanh cho cơng trình:
Việc lắp đặt mái xanh và tường xanh cho cơng trình đem lại rất nhiều lợi ích, như đóng vai trị là một hệ thống đệm thu nước mưa mái, lọc khơng khí, tăng khả năng chống cháy, cách nhiệt, thì khả năng góp phần giúp TKNL cho tịa nhà được xem là lợi ích to lớp nhất. Lớp thực vật và lớp chất trồng có thể xem như một lớp cách nhiệt rất tốt cho tịa nhà. Từ đó tránh truyền nhiệt từ mơi trường bên ngoài vào cũng như thất thốt nhiệt từ bên trong cơng trình, điều này làm giảm tải cho hệ thống ĐHKK tòa nhà, TKNL làm mát là tăng tuổi thọ thiết bị.
6.3. Làm mát cơng trình 6.3.1 Thơng gió tự nhiên 6.3.1 Thơng gió tự nhiên
Việc thiết kế thơng có tự nhiên hiệu quả sẽ giúp giảm tải cho hệ thống HVAC, TKNL và chi phí vận hành theo suốt vịng đời cơng trình nhưng vẫn đảm bảo tiện nghi nhiệt và sự thoải mái bên trong. Các giải pháp thơng gió tự nhiên thường được áp dụng như:
- Tận dụng chính dịng khơng khí tự nhiên để lưu thơng khơng khí và tiện nghi nhiệt, điều này địi hỏi cơng trình phải định hướng được các luồng
gió chính tại địa phương. Ở Việt Nam, vào mùa hè hướng gió chính là hướng Nam và Đơng Nam, đối với mùa đơng hướng gió chủ đạo là hướng Bắc đến Đơng Bắc, do đó, cơng trình cần được thiết kế sao cho hướng cửa sổ hoặc các lỗ mở trên tường, trên mái có thể đón gió tốt cho tịa nhà. Cửa đón và thốt gió được bố trí nằm ở hai mặt nhà khác nhau, lý tưởng nhất là ở hai mặt đối diện, cách bố trí này cho phép luồng gió có thể đi xun qua không gian bên trong tịa nhà thơng qua các khoảng lưu thơng khơng khí ở dạng lối đi, sân vườn, hành lang giúp khơng khí nóng được thốt ra ngồi qua cửa mở. Thiết kế có thể tham khảo số liệu về tần suất hướng gió theo vị trí địa lý tại Bảng 2.16 của QCVN 02:2009/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia: Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng hoặc dữ liệu khí tượng của địa phương.
81
- Thơng gió nhờ vào sự chênh lệch mật độ khơng khí do các vùng nhiệt độ khác nhau: Khối khơng khí nóng có tính chất khơ và nhẹ hơn thường sẽ
có xu hướng bốc lên trên, các khối khơng khí lạnh thường ẩm và nặng hơn thường sẽ chìm xuống dưới. Từ đó, bố trí các lỗ mở hợp lý sẽ khiến khơng khí mát mẻ đi vào, khối khơng khí nóng bên trong cơng trình sẽ bị đẩy lên vị trí cao nhất rồi thốt ra ngồi.
Hình 6.9 Minh họa 2 giải pháp thơng gió tự nhiên tận dụng hướng gió và thơng gió