Tiết Kiệm Năng Lượng Trong Các Công Trình Xây Dựng Và Công Trình Xanh

HỘI KHKT LẠNH VÀ ĐHKK VIỆT NAMTIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ CÔNG TRÌNH XANH GS.TS... PHẦN I SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰ

HỘI KHKT LẠNH VÀ ĐHKK VIỆT NAM

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ

CÔNG TRÌNH XANH GS.TS Trần Ngọc Chấn

Tháng 6-2016

PHẦN I

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ

TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

• Trong các công trình xây dựng dân dụng, nhất là các công trình cao tầng, năng lượng dùng cho hệ thống ĐHKK chiếm tỷ lệ rất cao, thường đạt tới 60-70% chi phí năng lượng cho toàn công trình Vì vậy tiết kiệm năng lượng cho ĐHKK đóng vai trò quan trọng trong tiết kiệm năng lượng cho toàn công trình Sau đây là các giải pháp cụ thể.

CHỌN THÔNG SỐ TÍNH TOÁN (1)

Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho ĐHKK phải bắt đầu từ khâu chọn TSTT thiết kế Tâm lý người thiết kế là muốn cho công trình sau khí xây dựng xong phải làm việc đảm bảo mọi yêu cầu đặt ra về môi trường vi khí hậu bên trong công trình Từ

đó người thiết kế thường chọn thông số tính toán (TSTT) bên ngoài với độ an toàn rất cao, do đó công suất thiết kế và lắp đặt thường vượt rất xa so với nhu cầu thực tế Hậu quả là tiền đầu tư cao mà hệ thống quanh năm làm việc không hết công suất, tổn hao nhiều năng lượng

CHỌN THÔNG SỐ TÍNH TOÁN (2)

Ví dụ điển hình cho trường hợp này là công trình Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình do GMP của Cộng hòa Liên bang Đức thiết kế Trong công trình này hệ thống ĐHKK được thiết kế với các TSTT của không khí ngoài trời như sau:

Mùa hè: tN = 38 oC; N = 85 %; suy ra I = 31,6 kcal/kg (132,3 kJ/kg)

Mùa đông: tN = 7 oC; N = 80 %; suy ra I = 4,65 kcal/kg (19,5 kJ/kg)

Với các TSTT nêu trên, công suất lạnh thiết kế là 18,1 MW

CHỌN THÔNG SỐ TÍNH TOÁN (3)

Đối chiếu với số liệu khí tượng của Hà Nội theo thống kê

và xử lý số liệu 24 lần đo/ngày trong 20 năm liên tục từ

1971 đến 1990, các thông số trên không hề xảy ra -xem hình 1

Nếu chọn TSTT tại điểm X trên hình 1 có thể giảm năng suất lạnh xuống còn 16 MW (khi kể đến yếu tố đồng thời

sẽ có khả năng giảm nhiều hơn)

Thực tế vận hành hệ thống này trong nhiều năm qua, chưa bao giờ sử dụng quá 40-50% công suất lắp đặt

CHỌN THÔNG SỐ TÍNH TOÁN (3)

Hình 1- Bản đồ phân bố cặp thông số t-  (nhiệt độ- độ ẩm) của Hà Nội

CHỌN THÔNG SỐ TÍNH TOÁN (5)

Tình trạng này lại tiếp diễn ở Nhà Quốc hội đã được xây dựng ở Ba Đình năm 2014, cũng do Cộng hòa Liên bang Đức thiết kế

Mùa hè: tN = 38 oC; N = 70 %; suy ra I = 114,85 kJ/kg

Mùa đông: tN = 9 oC; N = 80 %; suy ra I = 23,36 kJ/kg

Liên quan đến vấn đề này, ở Đài Loan vào năm 2003 người ta đã đưa ra "chương trình cải tiến xanh ĐHKK" (Green Air Conditioning Improvement Program) Một trong những nội dung của chương trình này là thay đổi các hệ thống lạnh công suất lớn dư thừa bằng các hệ thống lạnh công suất thấp hơn, vừa đủ để đảm bảo điều kiện vi khí hậu bên trong các công trình lớn, người ta gọi là "Air Conditioning Chiller down-sizing scheme: Improving AC over designing" 1

TCVN 5687:2010

Thông gió - Điều hòa không khí

Tiêu chuẩn thiết kế

CHỌN CÔNG SUẤT MÁY LẠNH

Cụ thể, trong tòa nhà hành chính của Trường Đại học tổng hợp Quốc gia Pingtung, 14 tầng, tổng diện tích sàn 44.129 m2 theo thiết kế người ta đã lắp đặt hệ thống lạnh dùng cho ĐHKK với công suất là 1100 RT (3873 kW) Sau nhiều năm sử dụng người ta thấy chi phí điện năng quá lớn, không hiệu quả Họ đã thay mới bằng 2 hệ thống lạnh: 1 hệ thống

300 RT và 1 hệ thống 400 RT Về mùa đông chỉ chạy hệ thống 300 RT, mùa xuân và thu chạy hệ thống 400 RT, còn

mùa hè chạy cả 2 hệ thống 300+400 RT Kết quả là chi phí

điện năng cho ĐHKK hàng năm giảm còn khoảng 80%

so với trước mà điều kiện vi khí hậu bên trong công trình vẫn được bảo đảm.

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA

THIẾT BỊ LẠNH-ĐHKK

Cải tiến các thiết bị máy lạnh-chiller, máy bơm nước lạnh

và tháp giải nhiệt là giải pháp rất quan trọng để tiết kiệm năng lượng trong ĐHKK Các thiết bị này thường được điều chỉnh lưu lượng chất tải lạnh bằng van giảm áp, điều

đó gây lãng phí năng lượng, tương tự như khi cần giảm tốc

độ của ô-tô, xe máy mà chỉ dùng phanh, không chịu giảm

ga vậy! Để khắc phục tình trạng này, cần lắp đặt các thiết

bị biến tần để thay đổi số vòng quay của động cơ bơm, quạt và máy nén khi cần thay đổi lưu lượng chất tải lạnh

Theo kinh nghiệm của Đài Loan, cũng như một số công trình thực tế ở Việt Nam, giải pháp này tiết kiệm được từ 30-35 % điện năng tiêu thụ hàng năm

THAY HỆ THỐNG ĐHKK LƯU LƯỢNG KHÔNG ĐỔI (CAV) BẰNG HỆ THỐNG LƯU LƯỢNG THAY ĐỔI (VAV)

Các hệ thống ĐHKK thông dụng hiện nay là loại hệ thống lưu lượng không đổi (CAV) Loại hệ thống này cung cấp một lưu lượng không khí thổi vào không đổi, nhưng nhiệt độ thì thay đổi theo tải lạnh Ngược lại với loại hệ thống này là hệ thống

ĐHKK lưu lượng thay đổi (VAV), trong đó, nhiệt độ không khí thổi vào được giữ

không đổi, còn lưu lượng thì thay đổi theo diễn biến của tải lạnh do thời tiết bên ngoài Ưu điểm của hệ thống VAV là không những tiết kiệm được năng lượng để vận chuyển không khí trên đường ống (vì không phải lúc nào cũng vận chuyển một lượng không khí cực đại và cố định) mà còn làm tăng hiệu quả năng lượng ở thiết bị trao đổi nhiệt do nhiệt độ đầu ra của không khí được giữ ổn định Dĩ nhiên để tiết kiệm năng lượng trên đường ống vận chuyển không khí với lưu lượng thay đổi, phải cần đến thiết

bị biến tần cho quạt thì mới tiết kiệm được năng lượng Cũng theo kinh nghiệm của Đài Loan trong chương trình nói trên, khi mức độ kiểm soát vận tốc bằng biến tần đạt 60-100% thì năng lượng tiết kiệm được khoảng 18-25 %.

Đặc biệt, nếu kiểm soát vận tốc bằng biến tần cho cả khâu cấp nước lạnh (gọi

là VWV) cho AHU (bộ xử lý nhiệt-ẩm không khí) và Fan-coil (dàn ống-quạt) thì

tỷ lệ năng lượng tiết kiệm được còn có thể tăng cao hơn nữa: 49-53% Hình 2 dưới đây trích dẫn từ "GREEN - Architecture & Building Reseach Institute" của Đài Loan minh họa cho điều đó.

Chi phí điện năng của các hệ thống VAV và VWV

THAY HỆ THỐNG ĐHKK LƯU LƯỢNG KHÔNG ĐỔI (CAV) BẰNG HỆ THỐNG LƯU LƯỢNG THAY ĐỔI

Những giải pháp đó sẽ được trình bày tiếp theo dưới đây

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (1)

Các giải pháp kiến trúc nhằm hạn chế lượng nhiệt do BXMT thâm nhập vào nhà gồm có: cách nhiệt kết cấu bao che, nhất là mái: mái cách nhiệt, mái thông gió; kết cấu che nắng v v Đó là những giải pháp quen thuộc mà

ai cũng thấy rõ Ngoài các giải pháp vừa nêu, vấn đề hướng nhà và hình khối nhà cũng có ảnh hưởng nhiều đến lượng nhiệt do BXMT thâm nhập vào công trình

Đối với vấn đề cần giải quyết ở đây, chúng ta chỉ quan tâm đến tổng năng lượng BXMT trên mặt phẳng ngang (góc nghiêng  = 00) và mặt phẳng đứng ( = 900) nhìn về 8 hướng

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (2)

Hình 3- Biểu đồ năng lượng BXMT tháng 6 tại Hà Nội

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (2)

Ở bảng 1 dưới đây là số liệu cụ thể tra được từ biểu đồ nêu trên của Hà Nội (số liệu 15 năm từ 1983  1997) và thành phố HCM (số liệu 10 năm từ 1989  1998).

TT Mặt phẳng Ký hiệu Đơn vị (tháng 6)Hà Nội TP HCM(tháng 4)

1 Mặt phẳng ngang (mái-m) qm kWh/m2 ngày 5,8134 6,7591

3 Mặt đứng hướng Đông Bắc (NE) qNE - nt - 2,8015 2,7020

5 Mặt đứng hướng Đông Nam (SE) qSE - nt - 2,2285 2,2953

7 Mặt đứng hướng Tây Nam (SW) qSW - nt - 2,2285 2,2953

9 Mặt đứng hướng Tây Bắc (NW) qNW - nt - 2,8015 2,7020

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (3)

Ta lần lượt xem xét các trường hợp sau:

a) Trường hợp 1: Đầu tiên ta xem xét ngôi nhà hình hộp, đáy (mặt bằng) hình chữ nhật, mặt nhà quay

về hướng Bắc-Nam (trục dọc của nhà nằm dọc theo hướng Đông-Tây) - hình 4a.

Hình 4- Mặt bằng nhà hình chữ nhật và hình vuông nhìn về hướng Bắc-Nam (a) và (b);

mặt bằng nhà hình vuông nhìn về hướng Đông Bắc-Tây Nam

hoặc Đông Nam-Tây Bắc (c).

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (5)

N S

E

q q

2q β





3 1

2 m

N S

E

Vq

) q (q

2q H

; βH

V

Giải các phương trình đạo hàm riêng nêu trên ta thu được:

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

(5) ta tính được H=11,42 m Biết thể tích V, chiều cao H và tỷ lệ

m

L = 1,53857,541 = 11,61 m

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC

CỦA NGÔI NHÀ (8)

3 1 3 2

V2q

qq

2qH

m

N S

SE NE

m

q q

q V

b) Trường hợp 2: Nhà có mặt bằng hình vuông quay về hướng Bắc-Nam hoặc

Đông-Tây thì chiều cao H tối ưu của nhà được xác định theo công thức (7); cũng vậy nhưng quay về hướng Đông Bắc-Tây Nam hoặc Đông Nam-Tây Bắc - theo công thức (8)

(7)

(8)

VẤN ĐỀ CHỐNG NỒM CHO SÀN VÀ NỀN NHÀ (1)

Trong điều kiện thời tiết ở miền bắc Việt Nam vào cuối đông đầu xuân thường xuất hiện tình trạng đọng sương trên mặt sàn hoặc nền nhà - gọi là hiện tượng nồm gây ẩm ướt rất khó chịu và tác hại nhiều đến sức khoẻ cũng như thiết bị và kết cấu công trình Nếu không chú ý phòng tránh ngay từ khi thiết kế xây dựng công trình mà chỉ đối phó bằng cách chạy máy hút ẩm hoặc máy ĐHKK thì rất tốn kém năng lượng, còn đối phó bằng cách đóng cửa thì gây bất lợi cho sinh hoạt, gây ngột ngạt mất tiện nghi mà cũng không ngăn ngừa triệt để được Giải pháp tốt nhất là thiết kế và xây dựng nền nhà cách nhiệt để chống nồm

Dưới đây là các biểu đồ diễn biến thời tiết vào thời kỳ có hiện tượng nồm đối với nền nhà không cách nhiệt và có cách nhiệt

VẤN ĐỀ CHỐNG NỒM CHO SÀN VÀ NỀN NHÀ (2)

Hình 6- Diễn biến thời tiết và khả năng xảy ra nồm ở Hà Nội vào

tháng 3-2014 đối với nền nhà không cách nhiệt với hệ số  = 0,4

VẤN ĐỀ CHỐNG NỒM CHO SÀN VÀ NỀN NHÀ (3)

Nếu bây giờ tăng độ cách nhiệt của nền nhà để hệ số  tăng lên bằng 0,8 thì biểu đồ diễn biến nhiệt độ của tháng 3/2014 tại Hà Nội sẽ là:

Hình 7- Diễn biến thời tiết và khả năng xảy ra nồm ở Hà Nội

vào tháng 3-2014 đối với nền nhà có cách nhiệt với hệ số  = 0,8

VẤN ĐỀ CHỐNG NỒM CHO SÀN VÀ NỀN NHÀ (5)

Về cấu tạo của nền nhà cách nhiệt để chống nồm có nhiều tài liệu kỹ thuật đề cập đến Sau đây xin trích giới thiệu vài mẫu nền nhà cách nhiệt phổ biến để tham khảo.

Hình 8- Nền nhà chống nồm sử dụng tấm granitô có lớp không khí kín 5

THIẾT KẾ LỚP VỎ CÔNG TRÌNH (KẾT CẤU BAO CHE)

ĐẢM BẢO ĐỘ CÁCH NHIỆT (1)

Năm 2005 nước ta đã ban hành Quy chuẩn QCXDVN 09:2005 "Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả" quy định những điều bắt buộc phải tuân thủ khi thiết kế xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình hiện có để tiết kiệm và sử dụng năng lượng có hiệu quả khi khai thác công trình

Hiện tại Quy chuẩn này đang được Hội MTXD VN soát xét và sửa đổi cho phù hợp với điều kiện thực tế của VN Nội dung chủ yếu của QC là vấn đề tiêu hao năng lượng cho ĐHKK, chiếu sáng, thiết bị điện và thiết bị đun nước nóng.

Riêng về ĐHKK, QC có quy định về "Hiệu suất tổng hợp cho tường ngoài và mái công trình", đặc trưng bằng chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV (Overall Thermal Transfer Value) Chỉ số OTTV được tính riêng cho tường và cho mái nhà.

THIẾT KẾ LỚP VỎ CÔNG TRÌNH (KẾT CẤU BAO CHE)

ĐẢM BẢO ĐỘ CÁCH NHIỆT (2)

Công thức chung để tính OTTV cho tường và mái có dạng sau đây:

OTTV = (1-WWR)×U o ×α×(TDeq - ΔT) + (1-WWR) ×UT) + (1-WWR) ×U o ×ΔT) + (1-WWR) ×UT + WWR×K cs ×I o ×β + WWR×U o,K ×ΔT) + (1-WWR) ×UT , W/m 2

với TDeq = Io/hN + ΔT = IT = Io/hN + tN - tT , K

trong đó:

- WWR: tỷ lệ diện tích cửa kính trên diện tích chung của bức tường hoặc diện tích cửa mái bằng kính trên diện tích chung của mái, không thứ nguyên;

- Uo : hệ số tổng truyền nhiệt của phần tường không trong suốt hoặc của mái, W/m 2 K;

- Uo,K : hệ số tổng truyền nhiệt của cửa kính trên tường hoặc trên cửa mái , W/m 2 K;

- α : hệ số hấp thu bức xạ của bề mặt vật liệu phần tường đặc hoặc của bề mặt mái;

- Kcs : hệ số nhận nhiệt BXMT của cửa kính hoặc cửa mái - các nước phương Tây và nhiều nước trong khu vực ký hiệu hệ số này là SHGC , không thứ nguyên;

- Io : cường độ tổng xạ của BXMT chiếu lên bề mặt kết cấu, W/m 2 ;

-ΔT = IT= tN - tT : chênh lệch nhiệt độ của không khí bên ngoài (tN) và bên trong nhà (tT), K;

- TDeq - chênh lệch nhiệt độ tương đương, có kể đến tác dụng của cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu lên bề mặt tường hoặc bề mặt mái, K;

- β - hệ số giảm bức xạ qua cửa kính do tác dụng của kết cấu che nắng - về sau gọi tắt là "hệ số giảm bức xạ", không thứ nguyên;

-hN , hT - lần lượt là hệ số trao đổi nhiệt bề mặt ngoài và bề mặt trong của kết cấu bao che, W/m 2 K -Giá trị truyền nhiệt tổng OTTV qua tường ngoài và mái của công trình không được lớn hơn các giá trị liệt kê trong bảng 2.

THIẾT KẾ LỚP VỎ CÔNG TRÌNH (KẾT CẤU BAO CHE) ĐẢM BẢO ĐỘ CÁCH NHIỆT (3)

Bảng 2 - Giới hạn cho phép của chỉ số OTTV đối với

3) Chương trình phần mềm VN-OTTV được xây dựng theo các công thức (9) và (10).

Phần II: Công trình xanh

• 1- Sự xuất hiện của “Công trình xanh”

• Từ nửa sau Thế kỷ 20 đến nay, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ trên toàn thế giới Nếu cuối TK 18 mới chỉ có 4% dân số thế giới sống trong các đô thị, thì cuối TK 20 đã có 47%, nghĩa là gần một nửa trong 6 tỷ dân trên toàn cầu

Dự báo của LHQ và Ngân hàng thế giới (WB), tới năm 2025 sẽ có 2/3 trong 8

tỷ dân thế giới sẽ sống trong các đô thị Đô thị hóa gây ra sức ép mạnh mẽ lên môi trường, thu hẹp đất đai nông nghiệp, phá vỡ hệ sinh thái tự nhiên, làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, sử dụng nhiều năng lượng hóa thạch và thải ra một lượng chất thải khổng lồ vào môi trường.

• Trước tình hình đó, năm 1995 “Làn sóng Công trình Xanh” (the Green

Building Wave) bắt đầu xuất hiện, từ tự phát, rồi năm 2000 trở thành một Cơn bão (the storm) và hiện nay đã trở thành một Cuộc Cách mạng (the

Revolution) trong lĩnh vực xây dựng tại gần 100 quốc gia trên thế giới

2- Hoạt động CTX ở Việt Nam

• Danh từ CTX mới được biết đến ở Việt Nam khoảng 5 – 6 năm nay.

• Năm 2007 Hội đồng CTX Việt Nam (VGBC) được Bộ Nội vụ cho phép hoạt động Năm 2009 VGBC chính thức giới thiệu Hệ thống đánh giá CTX, gọi là Lotus

• VGBC là một tổ chức nước ngoài hoạt động ở Việt Nam, mặc dù đã cố gắng tìm hiểu sâu về lĩnh vực xây dựng của VN, nhưng vẫn bộc lộ nhiều vấn đề chưa phù hợp với điều kiện thực tế của VN Sau 2, 3 năm công bố, hiện nay mới có 3,4 công trình đăng ký (phần lớn có vốn nước ngoài) để được đánh giá nhận chứng chỉ Lotus ở giai đoạn thiết kế, trong khi CTX cần một phong trào rộng khắp trong toàn lĩnh vực xây dựng

• Năm 2011, Hội Môi trường xây dựng Việt Nam thành lập Hội đồng xây dựng xanh Việt Nam (GBC of Vietnam) với mục đích tuyên truyền và góp phần xây dựng phong trào CTX ở Việt Nam Bộ Xây dựng đã giao nhiệm vụ cho Hội MTXD VN soạn thảo Chiến lược CTX của VN đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030.

3- Các loại hệ thống Tiêu chí CTX trên Thế giới

Hệ thống LEED (2005 và 2009) của USGBC;

Hệ thống Green Star của Australia;

Hệ thống CASBEE của Nhật Bản;

Hệ thống EEWH của Đài Loan;

Hệ thống BCA Green Mark của Singapore;

Hệ thống GI (Green Index) của Malaysia;