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 HÒA KHÔNG KHÍ ĐHKK TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG GS.TS... Báo cáo KH này tập trung vào các giải pháp thuộc nhóm thứ 1, ba

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 Hội Lạnh-ĐHKK Việt Nam

Hà Nội, 7-2021

MỞ ĐẦU

Năng lượng sử dụng trong các công trình xây dựng trong điều kiện khí hậu nóng

ẩm của Việt Nam chủ yếu là dùng cho hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) về mùa hè Nguồn năng lượng này chiếm đến 30-50% năng lượng tiêu thụ cho toàn công trình Vì vậy việc tìm các giải pháp giảm thiểu tiêu hao năng lượng cho ĐHKK luôn là nhiệm vụ rất quan trọng hiện nay

Có 3 nhóm giải pháp chính sau đây:

1- Nhóm giải pháp về thiết kế kiến trúc và kết cấu bao che (KCBC) hoặc Lớp

vỏ công trình;

2- Nhóm giải pháp công nghệ về máy lạnh, máy ĐHKK và

3- Nhóm giải pháp hạn chế các nguồn tỏa nhiệt bên trong công trình.

Báo cáo KH này tập trung vào các giải pháp thuộc nhóm thứ 1, bao gồm:

a) Hình khối và hướng nhà;

b) Chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV (Overall Thermal Transfer Value) của tòa nhà –yêu cầu cách nhiệt của vỏ công trình theo QCVN 09:2017/BXD

“Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” :

OTTVT ≤ 60 W/m2 và OTTVM ≤ 60 W/m2 .

Hình 1 Khối nhà có trục hướng Đông – Tây hoặc Bắc - Nam

Hình 2 Kích thước tối ưu của khối nhà theo hướng

Bắc-Nam Đông-Tây tại Hà Nội

Nam

Đông Tây

Bắc

B

L

F B =BH

F L =LH

1.2- Một số trường hợp riêng

a) Trường hợp 1: Khối nhà có trục hướng Đông - Tây hoặc

Bắc – Nam (xem hình 1)

Hình 3 Hướng nhà Đông Nam - Tây Bắc

hoặc Đông Bắc -Tây Nam

Hình 4 hình dạng mặt bằng tối ưu của khối nhà theo hướng Đông

Nam - Tây Bắc hoặc Đông Bắc -Tây Nam

Đông

Nam Tây

Bắc

B

L

H B

F B  

H L

F L  

B

B

Nam

Đông Tây

Bắc

b) Trường hợp 2: Khối nhà có trục hướng Đông Nam -

Tây Bắc hoặc Đông Bắc - Tây Nam (Hình 3 và 4).

3

2 3

1 3

2 3

1









































TN TB

M ĐN

ĐB

M

q q

q V

q q

q V

H

PHẦN II CHỈ SỐ OTTV CỦA TÒA NHÀ ĐẢM BẢO GIẢM THIỂU CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHO ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

(ĐHKK) 2.1- Công thức xác định chỉ số OTTV

Công thức tính OTTVT cho bức tường thứ i nào đó của công trình có dạng như 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 công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả” quy định:

OTTVT ≤ 60 W/m2 và OTTVM ≤ 25 W/m2

2.2- Những yếu tố chính ảnh hưởng đến trị số OTTV

1- U-value – hệ số truyền nhiệt tổng của KCBC Hệ số này QC09 quy định đối với tường là

2- WWR – Tỷ lệ cửa sổ và tường ngoài Thông thường tỷ lệ này cần đủ lớn để đạt yêu cầu về

chiếu sáng và thông gió tự nhiên cũng như thẩm mỹ của công trình Tuy nhiên nếu vượt quá mức cũng có thể gây chói lóa mất tiện nghi, đồng thời tích nhiệt truyền vào nhà qua cửa kính vào mùa nóng, đặc biệt các hướng nhận lượng BXMT lớn gây lãng phí năng lượng Thông

3- Hệ số hấp thu bức xạ a của bề mặt ngoài của KCBC - phụ thuộc màu sơn, màu quét vôi

bề mặt ngoài của công trình Màu sơn càng sáng, hệ số hấp thu a càng nhỏ, càng có lợi do có tác dụng phản xạ nhiệt BXMT tốt hơn Trong Phụ lục 5 của QC 09 có cho trị số a của bề mặt vật liệu Ví dụ: mặt ngoài trát vữa, sơn màu trắng a = 0,4; mặt ngoài 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 của cửa kính Hệ số này có tác động rất lớn đến lượng nhiệt BXMT

truyền vào nhà qua lớp kính SHGC càng nhỏ càng có lợi, tuy nhiên chi phí phải bỏ ra cao hơn kính có SHGC lớn Đối với loại kính trắng thông thường SHGC = 0,8-0,85

Hệ số SHGC của kính có thể xác định bằng tính toán lý thuyết khi biết các hệ số quang học của kính [7; 8] và cũng có thể xác định bằng cách đo trong phòng thí nghiệm Sau đây là các bảng tra hệ số SHGC đã được tính sẵn (có kiểm chứng bằng thí nghiệm) cho 2 loại cửa sổ:

1 lớp và 2 lớp kính với các loại kính thông dụng

TT Tên loại kính Bề dày,

mm

Hệ số quang của kính

Hệ số SHGC 1

Hệ số xuyên BX



Hệ số hấp thu α

Hệ số phản xạ ρ

1

Kính trong suốt (ASHRAE chọn làm kính

chuẩn)

2 Kính thường 3 0,83 0,09 0,08 0,851

3 Kính thường 4 0,84 0,08 0,08 0,858

4 Kính phẳng 1 6 0,78 0,16 0,06 0,816

5 Kính phẳng 2 6 0,80 0,12 0,08 0,827

6 Kính phẳng 3 6 0,80 0,14 0,06 0,832

7 Kính hấp thu nhiệt 1 3 0,65 0,29 0,06 0,717

8 Kính hấp thu nhiệt 2 6 0,49 0,46 0,05 0,594

9 Kính hấp thu nhiệt 3 6 0,54 0,40 0,06 0,630

10 Kính phản xạ màu đồng 1 6 0,56 0,34 0,10 0,637

11 Kính phản xạ màu đồng 2 6 0,08 0,47 0,45 0,186

12 Kính phản xạ màu vàng 6 0,09 0,43 0,48 0,187

13 Kính phản xạ màu bạc 6 0,14 0,45 0,41 0,241

Bảng 1- Hệ số SHGC1 của cửa kính 1 lớp

Lớp kính ngoài Lớp kính trong

Hệ số quang Lớp kính ngoài Hệ số quang

Lớp kính trong

Hệ số SHGC 2

loại kính bề dày,

mm

loại kính

bề dày, mm

Hệ số xuyên BX

I

Hệ số hấp thu

αI

Hệ số phản xạ

ρI

Hệ số xuyên BX

II

Hệ số hấp thu

αII

Hệ số phản xạ

ρII

thường 4 0,54 0,40 0,06 0,54 0,40 0,06 0,471

thường 4 0,71 0,16 0,13 0,71 0,16 0,13 0,603

thường 6 0,80 0,12 0,08 0,16 0,16 0,68 0,239

thường 6 0,80 0,13 0,07 0,12 0,18 0,70 0,215

phẳng 6 0,64 0,23 0,13 0,64 0,23 0,13 0,534

nhiệt màu đồng 1 6

Kính thường 4 0,45 0,42 0,13 0,71 0,16 0,13 0,418

nhiệt màu đồng 1 6

Kính phẳng 4 0,45 0,42 0,13 0,64 0,23 0,13 0,406

Bảng 2 - Hệ số SHGC2 của cửa kính 2 lớp

5- Hệ số giảm bức xạ β của KCCN

Kết cấu che nắng đóng vai trò rất quan trọng trong việc hạn chế nhiệt BXMT xuyên qua cửa kính vào nhà và nhờ đó KCCN có tác dụng rất mạnh đến việc giảm thiểu tiêu hao năng lượng cho hệ thống ĐHKK bên trong công trình

Tính toán KCCN là nhiệm vụ không thể thiếu để xác định chỉ số OTTV của công

trình và là công cụ rất cần thiết để hỗ trợ cho việc áp dụng QC09 vào thực tiễn

Chúng tôi đã đưa ra phương pháp tính toán 5 loại KCCN tiêu biểu nhất – KCCN loại hộp làm ví dụ

Phương pháp tính toán KCCN loại hộp 3 bên – viết tắt là Hop3B

2.2- Những yếu tố chính ảnh hưởng đến trị số OTTV (tiếp)

Hình 5 Hình dạng KCCN loại Hộp 3 bên

a) b) Hình 7 Bóng và phần bị chiếu nắng do KCCN loại Hộp 3 Bên tạo ra trên CS hướng

Đông-Nam vào tháng 7 tại Hà Nội: a) lúc 7 h; b) lúc 9 h

Kết quả tính toán toàn ngày đối với KCCN loại Hộp 3 bên có kích thước đã cho

vào tháng 7 trên CS hướng Đông-Nam tại 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 toán Tháng 7

qBX-LT, W/m 2 qBX-Th.tế,

W/m 2

G

β TThời theo qBX-LT

β TThời theo qBX-Th.tế

Có nắng?

c/k

qBX-Thtế qua 1m 2 CS,W/m 2

khi có KCCN

qBX-Th.tế qua 1m 2 CS,W/m 2

khi không có KCCN

qTgXa qTrXa qTgXa qTrXa

6 136.70 107.56 80.00 34.10 0.259 0.339 0.473 Có 30.86 65.28

7 383.29 302.11 213.50 93.30 0.320 0.386 0.495 Có 86.27 174.22

8 463.48 361.13 309.30 133.60 0.311 0.381 0.493 Có 124.36 252.39

9 453.76 343.65 352.00 144.20 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

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

Bảng 4 Kết quả tính toán toàn ngày đối với KCCN loại Hộp 3 bên có kích thước đã

cho vào tháng 7 trên CS hướng Đông-Nam tại Hà Nội

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 giữa hệ số SHGC và chỉ số OTTV - Bảng 5

TT

Tòa nhà, các đặc điểm

và tỷ số WWR

Các phương án SHGC của kính cửa sổ

PA 1:

SHGC=0,85

PA 2:

SHGC=0,65

PA 3:

SHGC=0,45

PA 4:

SHGC=0,3

PA 5: SHGC=0,17

1

Trung tâm thương mại- dịch vụ 5

tầng, Handico7, ∑F sàn. =18.436 m 2 ,

2

Nhà Văn phòng 14 tầng, số10,Hoa

Lư, ∑F sàn =10.182 m 2 ,

3

Nhà Văn phòng 23 tầng, Nhà TB

∑F sàn . =14.735 m 2 ,

Hình 8 Biểu đồ thể hiện sự biến thiên của chỉ số OTTVT phụ thuộc

vào hệ số SHGC của các tòa nhà có tỷ số WWR khác nhau

Đường thẳng (1), (2), (3) được đánh theo số thứ tự của các tòa nhà ghi trong bảng 5

3.2- Xác định mối quan hệ giữa chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV

và chi phí năng lượng cho ĐHKK AEI (Air conditioning

Energy Index) - Bảng 6

TT

= 0,85

SHGC

= 0,65

SHGC

= 0,45

SHGC

= 0,30

SHGC

= 0,17

1 Trung tâm thương mại-

dịch vụ 5 tầng, Handico7,

Hà Nội

∑F sàn. =18.436 m 2 , hướng

Bắc, WWR=0,705

AEI,

2 Nhà Văn phòng 14 tầng,

số10, Hoa Lư, Hà Nội

∑F sàn =10.182 m 2 ,

hướng Đông, WWR=0,355

AEI,

3 Nhà Văn phòng 23 tầng,

(Nhà TB) Hà Nội

∑F sàn . =14.735 m 2 ,

hướng Đông, WWR=0,392

AEI,

Hình 9- Quan hệ phụ thuộc của AEI vào chỉ số OTTVT của một số tòa nhà

ở Hà Nội

Đường thẳng (1), (2), (3) được đánh theo số thứ tự của các tòa nhà

ghi trong bảng 6.

KẾT LUẬN

1- Hình khối và hướng nhà có ý nghĩa quan trọng trong việc hạn chế lượng nhiệt BXMT truyền vào nhà qua KCBC Đã xây dựng biểu đồ xác định kích thước của nhà phụ thuộc vào thể tích nhà cho khu vực Hà Nội để dễ dàng tra cứu trong tính toán thiết kế thực tế;

2- Chỉ số OTTV của lớp vỏ công trình là thước đo hiệu quả năng lượng của hệ thống KCBC, phụ thuộc vào:

i) màu sơn mặt ngoài công trình; ii) hệ số U-value của tường-mái, iii) tỷ số WWR, iv) hệ số SHGC của kính

và v) hệ số β của KCCN;

3- Đã thiết lập Hướng dẫn và Phần mềm WEB “Tính toán 5 loại KCCN khác nhau 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 toán KCCN loại Hộp 3 Bên và tính lượng nhiệt BXMT truyền qua CS vào phòng khi CS được lắp đặt KCCN đã cho Kết quả tính toán cho thấy khi có

KCCN loại Hộp 3 bên với kích thước đã cho trên CS hướng ĐN về mùa hè (tháng 7) tại Hà Nội, lượng nhiệt BXMT xuyên qua 1 m2 CS vào nhà giảm xuống còn 52% so với khi không có KCCN;

5- Mối quan hệ giữa AEI và OTTVT là hàm số bậc nhất Điều đó rất thuận lợi cho việc xây dựng biểu đồ này ngay trong giai đoạn thiết

kế công trình để chọn lựa trị số OTTVT tối ưu nhằm tiết kiệm năng lương cho ĐHKK;

6- Một số phần mềm vi tính đã được soạn thảo để tính toán OTTV

và 5 loại KCCN Một số ví dụ tính toán KCCN cụ thể đã được thực hiện bằng các phần mềm vi tính đã nêu Kết quả tính thể hiện bằng hình ảnh trực quan mô phỏng bóng đổ của KCCN lên bề mặt CS và các bảng số ghi chi tiết các 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 trong tòa nhà Phần 3- Quyển 1 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 và hướng nhà hợp lý hạn chế nhiệt bức xạ

mặt trời chiếu lên bề mặt công trình Tạp chí Kiến trúc, số 12 (116), Hà Nội, 2005

5- Trần Ngọc Chấn và Cộng sự Xử lý số liệu khí tượng về nhiệt độ, độ ẩm không khí bên

ngoài

và BXMT bổ sung vào QCVN 02:2009 “Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong 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

năng lượng cho hệ thống Điều hòa không khí Tạp chí Hội thảo Quốc tế “Chất lượng không khí bên trong nhà và môi trường xung quanh” do LB Nga tổ chức Haifa, 2014 (tiếng Nga)

7-Trần Ngọc Chấn và Cộng sự Tài liệu hướng dẫn tính toán chỉ số OTTV của tòa nhà

để bổ sung vào QCVN 09:2017/BXD Đề tài NCKH Bộ XD Hà Nội, 2018

8-Trần Ngọc Chấn và Cộng sự Tài liệu hướng dẫn tính toán kết cấu che nắng của 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 giữa chỉ số OTTV và chi phí năng lượng cho Điều hòa

không khí của tòa nhà trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Báo cáo Hội thảo KH do Hội MTXD

VN và Hội Lạnh-ĐHKK VN phối họp tổ chức Hà Nội, 12-2019

CÁM ƠN SỰ CHÚ Ý

THEO DÕI CỦA QUÝ VỊ ĐẠI BIỂU!