THIẾT KẾ TÒA NHÀ SỬ DỤNG ÍT NĂNG LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THỤ ĐỘNG

Khái niệm năng lượng mặt trời thụ động thích hợp với việckhai thác năng lượng mặt trời để đốt nóng, sưởi ấm, thông gióvà chiếu sáng tòa nhà mà không sử dụng thiết bị cơ khí. Thiết kế mà tìm kiếm để tạo ra những tòa nhà có năng lượngthấp, chúng hòa nhập với môi trường tự nhiên. Các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời bị động xu hướng cómặt tiền phức tạp, mặt tiền này hợp thành các đặc điểm nhưvật che ngoại thất, các cửa sổ mở và các ngăn ánh sáng Để thiết kế được một tòa nhà sử dụng năng lượng bị đông tốt,người thiết kế phải có một kiến thức và sự hiểu biết toàn diệnvề di chuyển nhiệt và cơ học chất lỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA NĂNG LƯỢNG

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN &

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

BÀI GIẢNG QUẢN LÝ

NĂNG LƯỢNG

GIẢNG VIÊN: HỒ SỸ MÃO

Bộ Môn Thủy Điện & NLTT Khoa Năng Lượng

Chương XIII THIẾT KẾ TÒA NHÀ SỬ DỤNG ÍT

NĂNG LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI THỤ ĐỘNG

13.1 Giới thiệu

- Khái niệm năng lượng mặt trời thụ động thích hợp với việckhai thác năng lượng mặt trời để đốt nóng, sưởi ấm, thông gió

và chiếu sáng tòa nhà mà không sử dụng thiết bị cơ khí

- Thiết kế mà tìm kiếm để tạo ra những tòa nhà có năng lượngthấp, chúng hòa nhập với môi trường tự nhiên

- Các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời bị động xu hướng cómặt tiền phức tạp, mặt tiền này hợp thành các đặc điểm nhưvật che ngoại thất, các cửa sổ mở và các ngăn ánh sáng

- Để thiết kế được một tòa nhà sử dụng năng lượng bị đông tốt, người thiết kế phải có một kiến thức và sự hiểu biết toàn diện

về di chuyển nhiệt và cơ học chất lỏng

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

mọi cuộc sống phụ thuộc vào nó một cách cơ bản

lượng mặt trời vào buổi trưa vào giữa đông lên kính thẳng đứng mặt hướng nam là 595W/m2

động đáp ứng nhu cầu tốt cho các ứng dụng mà trải qua cả khi nhiệt độ không khí mùa đông thấp

nhiều hơn cần thiết sẵn sàng để dùng trong suốt cả ngày có thể được thu và trữ lại để dùng về đêm khi việc đốt nóng được yêu cầu

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

- Có bốn cách tiếp cận cơ bản tới việc đốt nóng sử dụng nănglượng mặt trời bị động:

- các hệ thống đốt nóng bằng năng lượng mặt trời dựa vào việc

sử dụng diện tích kính lắp lớn để thu được bức xạ mặt trời

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

- Kính chuyển bức xạ năng lương mặt trời sóng tương đối ngắnvới bước sóng từ 380 đến 2500mm, nhưng lại hạn chế bức xạ

ở bước sóng vượt quá 2500mm

- kính cho phép bức xạ mặt trời chiếu vòa không gian phòng, nhưng nó lại ngăn rất nhiều bức xạ sóng dài được phát ra khi

bề mặt của phòng nóng

- kính lắp cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tự điềutiết hơi nóng mặt trời thu được

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

Hình 13.1: Sự phản xạ năng lượng mặt trời trên kính lắp

Hình 13.2: Góc tia mặt trời và diện tích tiếp xúc

13.2.1 Các công nghệ thu trực tiếp

- Việc tận dụng năng lượng mặt trời thu được có thể là cáchtiếp cận đơn giản nhất tới việc đốt nóng bằng năng lượng mặttrời thụ động

- Việc sử dụng không gian thực tế bên trong một tòa nhà nhưvật thu năng lượng mặt trời

- Để thu được giá trị cực đại lượng bức xạ mặt trời trong suốtcác tháng mùa hè thì các phòng nên có một diện tích lớn kínhlắp mặt hướng về phía Nam

- Sàn nhà và tường của phòng nên được xây dựng từ các vậtliệu đặc một khả năng chứa nhiệt cao

13.2.1 Các công nghệ thu trực tiếp

Hình 13.3: Việc sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thu trực tiếp

13.2.2 Các công nghệ thu gián tiếp

- Trong một hệ thống thu gián tiếp, một pin với khối nhiệt caođược đặt giữa mặt trời và không gian phòng

- Năng lượng mặt trời chiếu vào khối nhiệt đều bị thu lại vì thế

nó đốt nóng lên trong suốt thời gian ban ngày.Vào buôit tối vàban đêm, hơi nóng được chuyển tới phòng từ khối nhiệt bằngviệc kết hợp việc dẫn nhiệt, đối lưu và tỏa nhiệt.

- Kết cấu tường Trombe bao gồm một tường công trình dày tới600mm, được đặt trực tiếp phía sau mặt chính của kính lắphướng Nam

13.2.2 Các công nghệ thu gián tiếp

Hình 13.4: Sự làm việc của tường Trombe

13.2.3 Các công nghệ thu độc lập

- Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời thụ động bằng thu độc lập

là một sự kết hợp của hệ thống thu trực tiếp và gián tiếp là cầnthiết và bao gồm công trình của phòng mặt trời riêng biệt gầnsát với không gian sống chính

- Trong hệ thống thu độc lập, bức xạ mặt trời vào phòng mặttrời được giữ lại trong khối nhiệt của sàn và tường vách

- Hơi nóng từ phòng mặt trời truyền qua không gian sống bằngviệc dẫn nhiệt qua tường chung ở phía sau phòng mặt trời vàbằng sự đối lưu qua các lỗ thông hoặc các cửa ở tường chung

13.2.3 Các công nghệ thu độc lập

Hình 13.5: Sự làm việc của hệ thống thu độc lập

13.2.4 Các hệ thống xiphông nhiệt

- Nếu một vật thu năng lượng mặt trời chứa nước hoặc khôngkhí được đặt bên dưới một vật trao đổi nhiệt thì sẽ tạo ra mộtxiphông nhiệt

- Chất lỏng nóng lên trong thiết bị thu năng lượng mặt trời, chấtlỏng trở nên ít đặc hơn và sôi nhiều hơn và vì thế nó bay hơinên vật trao đổi hơi nóng

- Chất lỏng nóng chảy qua vật trao đổi hơi nóng nên nó đượclàm mát và vì vậy chất lỏng bị rơi xuống vật thu năng lượngmặt trời, ở đó quá trình bắt đầu lại

13.2.4 Các hệ thống xiphông nhiệt

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động

- Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động là sử dụng nănglượng mặt trời để cấp năng lượng đun nóng các hệ thống máybơm nước nóng

- Dạng thiết bị thu năng lượng mặt trời chủ động đơn giản nhất

có thể là thiết bị thu đĩa phẳng bao gồm một ống kim loại uốnkhúc được ghép với một đĩa kim loại và được đặt trong mộthộp có kính ở phía trước

- Công suất nung nóng từ các thiết bị thu bằng đĩa phẳng có thểđược xác định băng việc sử dụng phương trình Hottel-Whilier

Q = PH [(τα) I – U (tw –ta)] (13.1)

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động

- Trong đó: Q là mức nhận năng lượng hữu ích (W/m2), I là

cường độ bức xạ năng lượng mặt trời, τ là hệ số phản xạ, α là

hệ số hấp thụ, U là hệ số chuyển toàn bộ hơi nóng tới khôngkhí (W/m2K), PH là hệ số hiệu quả của thiết bị thu năng lượngmặt trời, tw nhiệt độ trung bình của nước (độ C) và ta là nhiệt

độ không khí bao quanh (độ C)

- Hiệu suất thiết bị thu năng lượng mặt trời là tỷ số của công

suất hơi nóng hữu ích trên công suất hơi nóng từ năng lượngmặt trời

Hiệu suất η = Q/I (13.2)

= PH [(τα) – U (tw – ta)/I] (13.2)

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động

+ hiệu ứng quang vontaic được siử dụng rộng rãi nhất để sảnxuất ra điện năng từ ánh sáng mặt trời

13.4 Quang Vontaic

- Hiệu ứng quang vontainc xảy ra khi ánh sàng rơi vào ranhgiới giữa 2 chất và tạo ra các electron chuyền từ mặt này củađường biên tới mặt kia của đường biên

- Kết quả của quá trình chuyển của electron này, một vật liệuthu được một lượng electron vượt quá và trở thành cực âmtrong khi chất còn lại bị mất electron và trở thành cực dương

- Các tế bào quang vontaic được phát triển lần đầu tiên vàonhững năm 1950 trong công nghiệp không gian dùng trongcác vệ tinh

- Các tế bào quang vontaic bao gồm các tế bào điện bán dẫnđược lai ghép từ việc sử dụng các miếng tròn silicon kết tinhnhư một chất nền kim loại

13.5 Làm mát bằng năng lượng mặt trời bị động

- Sử dụng các công nghệ làm mát bị động, một vài công nghệnày tận dụng năng lượng mặt trời một cách trực tiếp

- Việc làm mát bằng năng lượng mặt trời bị động và bảo vệ cáctòa nhà khỏi năng lượng mặt trời hơn là tận dụng năng lượngđó

- Nhiều tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà kinh tế lớn, trải qua

nhiều vấn đề thừa hơi nóng trong suốt các tháng mùa hè

- Việc bảo vệ khỏi năng lượng mặt trời được hấp thụ, nhiều tòanhà sở hữu những vỏ bọc có hướng phát triển thành hiện

tượng nhà kính một cách tích cực, do đó đòi hỏi phải lắp các

hệ thống điều hòa không khí lớn

- Sử dụng các công nghệ làm mát tòa nhà hấp thụ NL mặt trời

13.5.2 Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời

- Với loại kính thường: gần 78% bực xạ mặt trời tới được

chuyển một cách trực tiếp qua kính, 7% bức xạ tới bị phản

xạ lại và kính hấp thu hơn 15 %.Hơi nóng được hấp thụ làm

ấm kính

- Có thể giảm đáng kể hơi nónh từ năng lượng mặt trời thu

được bằng việc sử dụng kính lắp điều khiển năng lượng mặttrời

- Loại lính này được chia ra làm hai loại kính rõ ràng: kính hấpthu năng lượng mặt trời và kính phản xạ năng lượng mặt trời

- Kính hấp thu năng lượng mặt trời là kính được nhuộm phầnthân, điển hình là màu đồng, xám, xanh ra trời hoặc xanh lácây, dùng một loai oixit kim loại

13.5.2 Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời

Hình 13.10: Sự tỏa nhiệt, phản xạ và hấp thu của kính bè trong dày 6mm

13.5.3 Sự bố trí cửa sổ tiên tiến trong nhà

- Các cửa sổ trong các tòa nhà thường được yêu cầu khả năngkhác nhau

+ Cho phép ánh sáng ban ngày chiếu vào tòa nhà

+ Cải tiến việc thông gió tự nhiên

+ Cải thiện việc sưởi nóng bằng năng lượng mặt trời

+ Giảm hơi nóng từ năng lượng mặt trời đem lại

+ Ngăn được sự xâm nhập của tiếng ồn bên ngoài

+ Duy trì việc bảo vệ tòa nhà

- Sử dụng công nghệ

+ Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời (như kính hấp thụhoặc kính phản xạ)

+ Vật che ngoại thất

+ Các rèm che nội thất hoặc rèm ô kính trung gian

+ Các cửa sổ có thể mở ra được hoặc các ống thông khí

13.5.3 Sự bố trí cửa sổ tiên tiến trong nhà

Hình 13.11: Hệ thống kiến trúc tiên tiến điển hình

13.5.4 Hệ thống thông gió tự nhiên

- Hệ thống làm mát tự nhiên có thể được chia làm 2 chiến lược

cơ bản: hệ thống làm mát ngang và hệ thống làm mát chạy nổilên hay hệ thống làm mát bằng ống cao

- Hệ thống làm mát ngang xảy ra khi các lỗ hổng được đặt ở

các cạnh đối diện nhau của một tòa nhà vì thế áp lực gió đẩykhông khí đi qua không gian của phòng

- Hệ thống thông gió kiểu ống cao dựa vào thực tế khi khôngkhí ấm lên, tỷ trọng của không khí giảm xuống và không khítrở nên nhẹ hơn

- Hệ thống làm mát ống cao bao gồm việc hình thành các ốnghay khoang tâm nhĩ bên trong tòa nhà với các ống thông hơiđặt phía trên cao

13.5.4 Hệ thống thông gió tự nhiên

13.5.6 Thông hơi ban đêm

- Làm mát sàn nhà, tường bị hấp thụ nhiệt trong ngày

- Các hệ thống thông gió ban ngày không có tác dụng

13.5.6 Thông hơi ban đêm

13.5.7 Termodeck

- Khi tạo ra một kế hoạch thông gió ban đêm, điều quan trọng

là đảm bảo thực hiện tốt sự kết hợp nhiệt giữa không khí vàkhối sàn bê tông

- Một hệ thống đạt được mục đích này tốt là hệ thống thanh sàn

bê tông rỗng Swedish Termodeck

- Hệ thống Termodeck được sử dụng thành công ở khắp nơi

Bắc Châu Âu và ở Anh,

- Bằng việc hình thành các đường thông gió vuông góc kết nốivới nhau giữa các lõi lỗ hổng thì có thể hình thành một vòng 3 hoặc 5 rãnh qua đó không khí cung cấpcó thể đi qua

13.5.7 Termodeck

- Kết cấu tòa nhà sử dụng năng lượng bị động:

+ Sử dụng vỏ bọc bên ngoài được bảo vệ chắc chắn

+ Sử dụng kiến trúc được thiết kế cẩn thận và thường phức tạp

để giảm tối thiểu năng lượng mặt trời thu được và giảm cáctổn thất hơi nóng của tòa nhà

+ Việc sử dụng các ống cao hay tâm thất để cải tiến hệ thốngthông gió ống cao

13.6 Hình dạng của tòa nhà

- Việc sử dung thông gió ban đêm để làm sạch kết cấu tòa nhàcủa hơi nóng tích tụ trong suốt thời gian ban ngày

- Một trong các đặc tính của các tòa nhà được thông gió tự

nhiên tiên tiến này là chúng thường có các mặt tiền phức tạp

- Những mặt tiền này kết hợp với hệ thống kiến trúc tiên tiến cónhiều phần có thể di chuyển được và hệ thống này thường

được điều khiển bởi hệ thống quan lý tòa nhà (BMS)

- Các mẫu nhà đã được thiết kế :

13.6 Hình dạng của tòa nhà

13.7 Việc vân hành tòa nhà

- Việc sử dụng kế hoạch điều khiển môi trường bị động khôngchỉ ảnh hưởng toàn bộ hình dáng của tòa nhà, nó cũng có thể

có tác động đáng kể việc vận hành tòa nhà và khả năng sử

dụng của người dùng

- Bản chất phức tạp của kiến trúc đòi hỏi trong các tòa nhà

được thông gió tự nhiên tiên tiến có thể gây nên nhiều vấn đề

và do đó đáng giá kiểm tra kỹ

- Vấn đề là cần hệ thống thiết bị điều khiển các kết cấu tòa nhànhư việc mở các cửa sổ thông gió…

- Kết cấu tòa nhà phức tạp ảnh hưởng đến kiến trúc, xây dựng,

mĩ quan

-TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA NĂNG LƯỢNG

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN &

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

C l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .