SBVN

Các nguyên tắc cơ bản thiết kế tối ưu năng lượng công trình

Các dòng nhiệt năng bên trong công trình

Nhân tố cơ bản để để tạo ra sự hiệu quả năng lượng trong công trình là nắm rõ các dòng nhiệt cơ bản do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Hơi ẩm cũng rất quan trọng vì hơi ẩm có chứa nguồn năng lượng như là “nhiệt ẩn”.

Các dòng nhiệt hiện và nhiệt ẩn

Có 2 loại dòng nhiệt: nhiệt hiện và nhiệt ẩn. Dòng nhiệt hiện được tạo ra từ sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt ẩn được hình thành từ sự thay đổi hàm lượng hơi ẩm (thường là độ ẩm không khí). Tổng dòng nhiệt chính là tổng các dòng nhiệt hiện và nhiệt ẩn.

Nhiệt hiện: Nhiệt gắn liền với sự thay đổi nhiệt độ của một chất/ vật liệu/ không gian.

Nhiệt ẩn: Hiện tượng tích tụ hay giải phóng nhiệt gắn liền với sự thay đổi trạng thái của chất mà không thay đổi nhiệt độ của chất. Trong thiết kế xây dựng, điều này thường là lượng nhiệt cần thết để bổ sung/ giảm bớt hàm lượng độ ẩm (hơi ẩm) trong không khí.

Nhiệt hiện và nhiệt ẩn: Mức tiêu thụ sẽ tốn gấp 5 lần khi chuyển nước thành hơi nước tại cùng nhiệt độ so với thành hơi ở cùng nhiệt độ so với việc làm nóng nước từ trạng thái đóng băng sang nhiệt độ sôi.

Khi một vật có nhiệt đô khác với nhiệt độ môi trường xung quanh, nhiệt sẽ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh. Cũng tương tự, hơi ẩm sẽ chuyển từ các khu vực có mật độ cao hơn sang các khu vực có mật độ thấp hơn.

Xem thêm thông tin về kiểm soát độ ẩm tại bài Sự rò rỉ và kiểm soát độ ẩm.

Sự dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ

Các công trình bị thất thoát nhiệt hiện ra ngoài môi trường (hay hấp thụ nhiệt từ môi trường bên ngoài) qua 3 cách cơ bản:

1) Dẫn nhiệt: Hiện tượng truyền nhiệt giữa các chất tiếp xúc trực tiếp với nhau.

2) Đối lưu: Hiện tượng dịch chuyển khí và chất lỏng do truyền nhiệt. Khi khí và chấy lỏng được làm nóng, nó ấm lên, giãn ra và nổi lên vì nó loãng hơn.

3) Bức xạ: khi sóng điện từ đi qua không gian, nó được gọi là bức xạ. Khi các sóng này (ví dụ từ mặt trời) tiếp xúc vào một vật, chúng truyền nhiệt của mình vào vật đó.

Cách mà bạn trải nghiệm với nhiệt từ ngọn lửa là một vì dụ rất thú vị về hiện tượng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.

Nhiệt dẫn qua các vật đặt trong lửa như là thanh cời lửa bằng kim loại. Bạn có thể chặn hiện tượng dẫn tới bàn tay bằng cách sử dụng một miếng đệm cách nhiệt.
Nhiệt bức xạ từ lửa tới vị vị trí của bạn. Bạn có thể tránh hiện hượng bức xạ bằng cách đặt một vật vào giữa bạn và ngọn lửa hay đứng ra xa.
Nhiệt (và khói) di chuyển ra khỏi ngọn lửa qua không khí. Hướng mà nó di chuyển tùy thuộc vào gió và sự chêng lệch áp suất.

Bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt: hiện tượng truyền nhiệt diễn ra ở tất cả mọi nơi mà chúng ta thấy.

Trong một tòa nhà, dẫn nhiệt cơ bản xảy ra qua một tổ hợp được bao kín, bức xạ nhiệt cơ bản từ mặt trời và đối lưu thường là do gió hay áp lực làm dịch chuyển các luồng không khí.

Các hiệu ứng nhiệt động lực

Mặc dù vẫn giữ nguyên các nguyên tắc chung nhưng việc phân tích dòng nhiệt dưới điều kiện động (thay đổi nhanh chóng) phức tạp hơn rất nhiều sơ với điều kiện tĩnh hay “trạng thái ổn định” (không thay đổi).

Các tác động của việc trữ nhiệt trong vật liệu trở nên được quan tâm hơn rất nhiều dưới điều kiện động. Dưới điều kiện tĩnh, các dòng nhiệt cơ bản là hàm số của chênh lệch nhiệt độ (lực dẫn động) và cản nhiệt (lực cản). Dưới điều kiện động, 02 yếu tố này vẫn quan trọng nhưng việc giữ nhiệt trong một tổ hợp kín trở thành một vấn đề tổng hợp.

Trữ nhiệt là hàm của tỷ trọng vật liệu và nhiệt dung riêng của nó; Kết quả của hai đặc tính này là nhiệt dung (hay khối nhiệt).

Vật liệu xây dựng hấp thụ hay thất thoát nhiệt suốt thời gian tương ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường xung quanh và các đặc tính trữ nhiệt này sẽ xác định bao nhiêu năng lượng được lưu trữ trong một vật liệu sẵn có và năng lượng đó sẽ được hấp thụ hay giải phóng nhanh như thế nào.

Xem thêm bài Khối nhiệt Thermal Mass.

Các đặc tính nhiệt ẩn

Khi không khí quá ẩm, nó cần được khử ẩm để đảm bảo sự tiện nghi cho người sử dụng. Việc khử ẩm này đòi hỏi phải loại bỏ nhiệt ẩn và đây là một chức năng vô cùng quan trọng của hệ thống điều hòa thông gió (HVAC).

Mặc dù không phổ biến lắm, đôi khi cần phải thêm độ ẩm vào các tòa nhà trong thời tiết rất lạnh để bù đắp cho khả năng không thể giữ độ ẩm của không khí lạnh. Quá trình bay hơi và ngưng tụ, mặc dù không thường được liệt kê vào các phương thức truyền nhiệt, nhưng đây lại thể hiện cách chính mà nhiệt ẩn được truyền đi thế nào, một yếu tố quan trọng quyết định sự thoải mái tiện nghi của con người.

Xem thêm bài Sự rò rỉ và Kiểm soát độ ẩm Infiltration and Moisture Control cho thiết kế lớp vỏ tối ưu, và bài Kiểm soát độ ẩm Humidity Control để biết thêm hệ thống kỹ thuật sẽ kiểm soát yếu tố này thế nào.

Đặc tính truyền nhiệt của vật liệu

Mỗi vật liệu được sử dụng trong lớp vỏ công trình sẽ có các đặc tính vật lý cơ bản quyết định hiệu suất năng lượng như hệ số truyền nhiệt, hệ số cản nhiệt, và khối nhiệt. Hiểu rõ những đặc tính cốt lõi này sẽ giúp bạn lựa chọn đúng các vật liệu để quản lý hiệu quả tải nhiệt và hiệu quả năng lượng công trình.

Hệ số truyền nhiệt (k)

Hệ số về khả năng truyền nhiệt của từng loại chất liệu khác nhau.

Mỗi vật liệu có một tỷ lệ đặc trưng về việc nhiệt sẽ truyền qua nó. Nhiệt truyền qua một vật liệu càng nhanh, thì nó càng có tính dẫn nhiệt cao hơn. Độ dẫn nhiệt (k) là một đặc tính của vật liệu được xác định cho các chất rắn đồng nhất trong điều kiện ổn định.

Nó được sử dụng trong phương trình sau đây:

trong đó

q = lượng nhiệt truyền qua (Watts)
k = hệ số truyền nhiệt của vật liệu (W/mK).
A = diện tích bề mặt (m²)
∆T = nhiệt độ chênh lệch giữa 2 bên bề mặt nhiệt truyền qua (K), and
L = độ dầy của lớp vật liệu (m)

Đơn vị của hệ số dẫn nhiệt K có thể là:

BTU*in/h ft ºF: trong hệ đơn vị IS Imperial system, Độ dẫn nhiệt là số British thermal units mỗi giờ (Btu/h) truyền qua 1 foot vuông (ft2) của vật liệu có độ dày 1 inch khi chênh lệch nhiệt độ qua vật liệu đó là 1ºF (dưới điều kiện luồng nhiệt ổn định).
W/m ºC or W/m K: theo Hệ thống đơn vị Quốc tế (SI) tương đương là số watt truyền qua 1 mét vuông (m2) của vật liệu có độ dày 1 mét khi chênh lệch nhiệt độ qua vật liệu đó là 1 K (tương đương với 1ºC) dưới điều kiện luồng nhiệt ổn định.

Hệ số dẫn nhiệt C, (hệ số dẫn nhiệt λ trong QCVN 09:2017/BXD)

Độ dẫn nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích cho một độ dày cụ thể. Được sử dụng cho các vật liệu xây dựng tiêu chuẩn.

Trong các vật liệu xây dựng cơ bản, dòng nhiệt truyền đi thường được đo bằng hệ số dẫn nhiệt C (hay là λ trong QCVN 09:2017/BXD) chứ không phải là hệ số truyền nhiệt K. Độ dẫn nhiệt C là độ dẫn nhiệt của vật liệu trên mỗi đơn vị diện tích cho độ dày của vật (đơn vị là W/m²K trong hệ đo lường SI và BTU/hr•ft2•°F trong hệ đo lường Imperial).

Độ dẫn nhiệt là một đặc tính của vật và phụ thuộc cả vào vật liệu và độ dày của nó. Nhiều vật liệu xây dựng rắn như các loại gạch xây, ván gỗ, vật liệu cách nhiệt bằng bông hoặc tấm và tấm thạch cao thường cố định độ dày theo tiêu chuẩn phổ biến trên một thị trường. Đối với các vật liệu phổ biến thông thường như vậy, sẽ hữu ích hơn khi biết tốc độ truyền nhiệt cho độ dày tiêu chuẩn đó, thay vì giá trị trên mỗi mét độ dầy.

Hệ số truyền nhiệt tổng (U)

Hệ số dẫn nhiệt tổng quát của một thành phần xây dựng. Được sử dụng cho các cấu trúc xây dựng có nhiều lớp.

Trong các cấu trúc có nhiều lớp, các hệ số dẫn nhiệt được kết hợp thành một con số duy nhất gọi là “U-factor” (hoặc đôi khi được gọi là “U-value”).

U-factor và hệ số dẫn nhiệt chuyển đổi độ dẫn nhiệt từ đặc tính vật liệu sang đặc tính của cả một vật. U là hệ số tổng quát về truyền nhiệt, được biểu diễn dưới đơn vị Btu/h ft2 ºF (trong hệ đo lường SI, là W/m2 K). Đây cũng là đơn vị giống như hệ số dẫn nhiệt vì đo lường cùng một yếu tố: hệ số dẫn nhiệt được sử dụng cho một vật liệu cụ thể, U-factor được sử dụng cho một cấu trúc cụ thể. Giá trị U-factor càng thấp, tức là độ dẫn nhiệt càng ít, điều này đồng nghĩa với cách nhiệt tốt hơn.

Ví dụ, U-factor tổng quát của một cửa sổ bao gồm hệ số dẫn nhiệt của các tấm kính, không khí bên trong, vật liệu khung và bất kỳ vật liệu nào khác với các độ dày và vị trí khác nhau. Trừ khi có trường hợp đặc biệt, các hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu không thể được cộng thêm để xác định U-factor của cấu trúc.

U-factor là một hệ số tổng quát về truyền nhiệt và bao gồm tác động của tất cả các thành phần trong một cấu trúc và tất cả các chế độ truyền nhiệt hợp lý (dẫn nhiệt, lưu thông và phát xạ), nhưng không bao gồm truyền nhiệt tiết diện (liên quan đến độ ẩm).

Thuật ngữ U-factor chỉ nên được sử dụng khi luồng nhiệt chảy từ không khí ở phía ngoài vỏ bao, qua hệ thống vỏ bao đến không khí ở phía trong. Nó không nên được sử dụng cho các tường tầng hầm, ví dụ như.

Hệ số truyện nhiệt U và hệ số dẫn nhiệt C chuyển đổi độ dẫn nhiệt từ đặc tính vật liệu thành đặc tính của một vật.

Nhiệt trở (R-value = 1/U)

Khả năng cản nhiệt tiếp xúc qua từng lớp vật liệu

Nhiệt trở R (giá trị R), cho biết khả năng cản nhiệt của một loại vật liệu. Nghịch đảo của hệ số dẫn nhiệt, R được đo bằng giờ cần thiết để 1 Btu nhiệt truyền qua 1 ft2 của một độ dày vật liệu cụ thể khi chênh lệch nhiệt độ là 1ºF. Trong hệ thống đơn vị IP, đơn vị được sử dụng là ft2•°F•hr/BTU. Trong hệ thống SI, đơn vị là m²K/W.

Nhiệt trở R đôi khi được liệt kê cho cả độ dày đơn vị và cho một mẫu vật liệu có độ dày đã biết. Ví dụ, nhiệt trở của gỗ thông có thể được cung cấp là 1.0 ft2•°F•hr/BTU trên mỗi inch, hoặc giá trị có thể được liệt kê cho một thanh gỗ thông kích thước 2×6 là 5.5 ft2•°F•hr/BTU. Đối với một vật liệu đồng nhất như gỗ, nhân đôi độ dày sẽ làm tăng gấp đôi giá trị R. Thông thường, giá trị R không được chỉ định cho các cấu trúc kết hợp từ nhiều vật liệu. Hệ số U được sử dụng cho các cấu trúc như vậy.

Khả năng cách nhiệt, ngăn chặn luồng nhiệt truyền qua lớp vỏ bao công trình, thường được đo bằng giá trị nhiệt trở R tổng. Giá trị R cao hơn cho thấy hiệu suất cách nhiệt tốt hơn. Khi xem các bảng thông số kỹ thuật, hãy chắc chắn rằng bạn đọc giá trị R trong các đơn vị chính xác, vì các đơn vị không luôn được viết rõ ràng.

Để biết thêm thông tin về thiết kế với vật liệu cách nhiệt – bao gồm bảng giá trị R các các loại vật liệu phổ biến, hiện tượng cầu nhiệt (thermal bridge) và cách tính giá trị R tổng cho các kết cấu vật liệu, mời ban xem bài Cách nhiệt/Tường

Sử dụng hệ số truyền nhiệt tổng U và nhiệt trở R trên thực tế

Việc sử dụng nhiều thuật ngữ khác nhau để diễn tả các đặc tính dẫn nhiệt làm cho kiến thức trở nên phức tạp. Khi làm việc với các kết cấu xây dựng có nhiều lớp, việc kết hợp các đặc tính nhiệt vào một con số tổng quát duy nhất là hữu ích để xác định tiêu chuẩn thiết kế vỏ bao.

Đối với vỏ bao toàn bộ tòa nhà, thường được biểu thị dưới dạng hệ số U. Tuy nhiên, cửa sổ thường được biểu thị bằng hệ số U và tường thường được biểu thị bằng giá trị R. Không có quy tắc nghiêm ngặt nào cho điều này.

Việc tính toán hệ số U tổng quát bắt đầu bằng việc cộng tổng các giá trị kháng. Hệ số U được tính toán cho một thành phần cụ thể (mái, tường, v.v.) bằng cách tìm giá trị kháng của từng phần thành, bao gồm lớp không khí và không gian không khí, sau đó cộng tổng các giá trị kháng này để thu được tổng giá trị kháng. Hệ số U là nghịch đảo của tổng (Σ) các giá trị kháng này: U = 1/Σ R.

Để biết thêm thông tin về cách sử dụng giá trị R và hệ số U cho thiết kế vỏ bao, hãy xem trang về Giá trị R tổng quát và hiện tượng cầu nhiệt/Tường

Khối nhiệt

Khối lượng nhiệt là khả năng chống lại sự thay đổi nhiệt độ khi nhiệt được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi vật liệu, và là một yếu tố quan trọng trong tương tác truyền nhiệt động trong một tòa nhà. Có bốn yếu tố cần hiểu là: mật độ, nhiệt dung riêng, khả năng chứa nhiệt và độ trễ nhiệt.

Khối lượng riêng
Vật liệu có khối lượng riêng cao thường lưu trữ nhiều nhiệt hơn.

Khối lượng riêng là khối lượng của một vật liệu trên một đơn vị thể tích. Trong hệ thống đơn vị Imperial, khối lượng riêng được biểu thị bằng lb/ft3; trong hệ thống SI, nó được biểu thị bằng kg/m3. Với một thể tích cố định của vật liệu, khối lượng riêng lớn hơn sẽ cho phép lưu trữ nhiều nhiệt hơn.

Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng cao yêu cầu năng lượng lớn để thay đổi nhiệt độ.

Nhiệt dung riêng là một đo lường về lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một khối lượng vật liệu cố định một độ. Trong hệ thống Imperial, điều này được biểu thị dưới dạng Btu/lb ºF; trong hệ thống SI, nó được biểu thị dưới dạng kJ/kg K. Để tăng nhiệt độ của vật liệu có nhiệt dung riêng thấp, cần ít năng lượng hơn so với vật liệu có nhiệt dung riêng cao.

Ví dụ, một gram nước yêu cầu một calo năng lượng nhiệt để tăng một độ Celsius nhiệt độ. Nước có khả năng chứa nhiệt cao, do đó đôi khi được sử dụng như khối lượng nhiệt trong các tòa nhà.

Khả năng trữ nhiệt (Khối nhiệt)
Khối lượng riêng x Nhiệt dung riêng = Lượng nhiệt có thể trữ trong mõi đơn vị thể tích vật liệu

Khả năng chứa nhiệt là chỉ số của khả năng của một vật liệu để lưu trữ nhiệt theo đơn vị thể tích. Khả năng chứa nhiệt càng lớn, vật liệu có thể lưu trữ nhiều nhiệt trong một thể tích cố định mỗi độ tăng nhiệt độ. Khả năng chứa nhiệt của một vật liệu được tính bằng tích của khối lượng riêng và nhiệt dung riêng. Đơn vị là J/K.

Khả năng chứa nhiệt cao có thể (nhưng không luôn luôn) giảm lưu lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài vào bên trong bằng cách lưu trữ nhiệt trong vật liệu. Ví dụ, nhiệt đi vào một cấu trúc tường trong ban ngày có thể được lưu trữ trong tường trong một vài giờ cho đến khi nó trở lại không khí lạnh của đêm – với điều kiện thời tiết phù hợp và khả năng chứa nhiệt đủ.

Độ trễ nhiệt (Time Lag)
Với khối lượng nhiệt cao, có thể mất nhiều giờ để nhiệt di chuyển từ một mặt của vỏ bên ngoài sang mặt bên trong.

Sự chậm trễ trong việc truyền nhiệt được gọi là “độ trễ nhiệt” (hoặc thời gian trễ), và được đo lường dưới dạng sự khác biệt về thời gian giữa nhiệt độ cao nhất trên bề mặt bên ngoài của thành phần xây dựng và nhiệt độ cao nhất trên bề mặt bên trong. Một số vật liệu, như kính, không có nhiều độ trễ nhiệt. Tuy nhiên, độ trễ nhiệt có thể lên đến tám hoặc chín giờ đối với các công trình có khối nhiệt cao như tường gạch đôi hoặc tường đất nén.

Thời gian trễ và điều chỉnh của nhiệt độ bởi khối nhiệt

Ví dụ, nếu mặt trời ló ra từ sau những đám mây và chiếu vào một vỏ bên ngoài của tòa nhà có khả năng chứa nhiệt cao vào lúc 10 giờ sáng, nhiệt độ bề mặt bên ngoài sẽ tăng nhanh chóng. Tuy nhiên, có thể mất vài giờ cho đến khi “đỉnh” nhiệt độ này xuất hiện trên bề mặt bên trong của tường. Lý do là một phần nhiệt được lưu trữ trong vật liệu tường. Nhiệt này được lưu trữ trong vật liệu tường cho đến khi nó hấp thụ được nhiều nhiệt nhất có thể (đạt tới mức bão hòa). Sau đó, nhiệt sẽ di chuyển vào bên trong, dựa trên khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.

Một ví dụ về độ trễ nhiệt trên quy mô lớn là thực tế rằng tháng nóng nhất ở hầu hết các vùng của bán cầu bắc là tháng 7 hoặc tháng 8, mặc dù mặt trời mạnh nhất trong năm là vào tháng 06.

Thông số của Kính

Trong các bề mặt trong suốt như kính, còn có nhiều yếu tố truyền nhiệt khác cần xem xét.

Truyền nhiệt qua kính bao gồm ba chế độ truyền nhiệt: truyền nhiệt tiếp xúc, truyền nhiệt dạng tia bức xạ, truyền nhiệt đối lưu. Chế độ truyền nhiệt quan trọng nhất luôn thay đổi và phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ môi trường và nội thất, tốc độ gió bên ngoài và lượng và góc chiếu xạ mặt trời tới bề mặt cửa sổ. Khả năng cách nhiệt của cửa sổ thường được đo bằng hệ số U; xem bảng trong trang Các đặc tính của kính. Hệ số U cho một cửa sổ kính chủ yếu là một đại lượng được sử dụng để tính toán phần nhiệt tiếp xúc dẫn qua cửa sổ.

Nhiệt hấp thụ (Abssorbed), phản xạ (Reflected) và truyền qua (Transmitted) một tấm kính

Bởi vì cửa sổ kính cho phép cả ánh sáng nhìn thấy và bức xạ nhiệt đi qua, có một loạt các hệ số kỹ thuật cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Ví dụ, một chỉ số đơn giản được sử dụng để đo lại mức độ truyền nhiệt bức xạ qua cửa sổ khi năng lượng mặt trời chiếu vào cửa sổ được gọi là hệ số truyền nhiệt mặt trời (SHGC). SHGC là một giá trị từ 0 đến 1.0 và là một đại lượng đo lường mức độ % nhiệt truyền qua kính so với một diện cửa không có kính.

Mời bạn xem thêm thông tin trong bài Các đặc tính của kính Glazing Properties.

Tải năng lượng công trình

Các tải năng lượng là lượng năng lượng mà tòa nhà của bạn cần. Những nhu cầu về năng lượng này có thể được cung cấp bằng điện năng qua lưới điện, nhiên liệu hoặc bằng các giải pháp thiết kế thụ động tận dụng từ thiên nhiên. Hiểu về các tải năng lượng của tòa nhà có thể là một chủ đề phức tạp vì có quá nhiều thuật ngữ liên quan cần hiểu rõ.

Hình đồ họa dưới đây có thể giúp bạn hiểu rõ các thuật ngữ này và có cái nhìn tốt hơn về kết quả phân tích hiệu suất của tòa nhà.

Các tải nhiệt là lượng năng lượng sưởi ấm và làm lạnh cần phải được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi tòa nhà để giữ cho người trong tòa nhà thoải mái. Các tải nhiệt đến từ quá trình truyền nhiệt từ bên trong tòa nhà trong quá trình hoạt động của nó (tải nội, hoặc tải từ lõi) và giữa tòa nhà và môi trường bên ngoài (tải ngoại, tải vỏ hoặc tải vải).

Các tải nhiệt này có thể chuyển thành tải sưởi (khi tòa nhà quá lạnh) và tải làm mát (khi tòa nhà quá nóng). Những tải sưởi và tải làm mát này không chỉ liên quan đến nhiệt độ (nhiệt hiện), mà còn bao gồm điều khiển độ ẩm (nhiệt ẩn). (Xem thêm bài Rò rỉ không khí và Kiểm soát độ ẩm)

Các tải sưởi và tải làm lạnh được đáp ứng bởi hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió, sưởi ấm và làm mát), sử dụng năng lượng để thêm hoặc loại bỏ nhiệt. Việc sử dụng năng lượng này tương ứng với thành phần HVAC của tải hệ thống kỹ thuật của tòa nhà (được cung cấp bằng nhiên liệu hoặc điện). Các tải năng lượng khác của tòa nhà bao gồm tải thiết bị (điện sử dụng cho máy tính và thiết bị gia dụng) và tải chiếu sáng (điện sử dụng cho đèn).

Phụ tải nhiệt

Các tải nhiệt là năng lượng mà hệ thống điều hòa thông gió HVAC cần để bổ sung thêm hay loại bỏ đi trong một không gian nhằm mang lại sự tiện nghi cho người cư trú.

Việc lựa chọn hệ thống HVAC hợp lý đòi hỏi phải nắm bắt được các phụ tải sưởi ấm và làm mát bên trong không gian đó.

Các công trình hiệu năng cao cần giảm thiểu tối đa các phụ tải này và đáp ứng yêu cầu của các phụ tải này một cách hiệu quả nhất.

Đặc thù vận hành công trình xác định liệu phụ tải bên trong hay bên ngoài công trình lớn hơn.

Các tải nhiệt bên ngoài nhà

Qua việc nắm bắt được các tải nhiệt của công trình và mục đích sử dụng của nó, bạn có thể sử dụng một cách hiệu quả hơn năng lượng từ mặt trời và từ gió để sưới ấm, làm mát và thông gió thụ động, chiếu sáng công trình và bố trí hệ thống điều hòa thông gió hiệu quả. Thậm chí, bạn còn có thể tạo ra năng lượng ngay tại chỗ nhờ sử dụng chính các phụ tải nhiệt mà đáng ra sẽ đòi hỏi phải tiêu thụ năng lượng.

Phụ tải nhiệt ngoài nhà đến từ hiện tượng truyền nhiệt từ mặt trời và môi trường bên ngoài (và thời tiết) qua lớp vỏ công trình. Lớp vỏ công trình bao gồm tường, mái, sàn, cửa sổ và bất cứ bề mặt nào phân tách bên trong và bên ngoài công trình. Nó cũng bao gồm cả năng lượng sẵn có trong không khí ẩm (xem nhiệt ẩn và nhiệt hiện).

Một số cách phổ biến dòng nhiệt vào hay ra khỏi công trình là:

Dẫn nhiệt qua lớp vỏ công trình ra lớp nền hay không khí bên ngoài.
Ánh sáng mặt trời chiếu qua cửa sổ và truyền nhiệt không gian bên trong: hấp thụ nhiệt mặt trời trực tiếp
Ánh sáng mặt trời làm ấm bề mặt ngoài của công trình (“Hấp thụ nhiệt mặt trời gián tiếp)
Thất thoát không khí từ bên trong ra bên ngoài hay ngược lại do rò rỉ hay thẩm thấu.
Không khí được dẫn vào tòa nhà để cung cấp khí tươi và tạo môi trường thông thoáng hoặc được xả ra từ các ống xả.

Mức năng lượng từ bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí ngoài trời và nhiệt ẩn trong độ ẩm không khí có thể vào được môi trường bên trong và có ảnh hưởng tới sự tiện nghi của người cư trú phụ thuộc rất nhiều vào chủng loại vật liệu sử dụng cho lớp vỏ công trình, thiết kế mặt đứng và độ kín của lớp vỏ công trình.

Việc nắm bắt được nhiệt năng mất đi và thu được từ đâu trong thiết kế là bước đầu tiên hướng tới những giải pháp thiết kế thụ động thành công. Khi trời nắng nóng, điều quan trọng là giảm phụ tải từ bức xạ mặt trời bằng các kết cấu che nắng tốt. Khi lạnh, cần đảm bảo hấp thu được năng lượng bằng những giải pháp nhất định.

Mời bạn xem thêm chủ đề:

Xem xét đặc tính khí hậu địa phương
Truyền nhiệt và đặc tính nhiệt
Rò rỉ không khí và nhiệt ẩn
Thiết kế che nắng

Tất cả năng lượng chiếu sáng suy cho cùng đều trở thành nhiệt.

Các tải nhiệt trong nhà

Phụ tải nhiệt trong nhà hình thành do lượng nhiệt được sinh ra bởi con người, thiết bị chiếu sáng và các thiết bị khác. Đôi khi chúng được gọi là tải lõi hay hấp thụ nhiệt trong nhà.

Tải nhiệt trong & ngoài nhà

Các công trình có mật độ dân cư cao với cường độ hoạt động lớn và/ hay các trang thiết bị tiêu tốn năng lượng (vd tòa nhà văn phòng) thì phụ tải trong công trình là chủ đạo trong khi các công trình có mật độ dân cư thưa thớt với ít trang thiết bị và các hoạt động (như khu hộ dân cư cá thể) thì phụ tải ngoài nhà là chủ yếu.

Đặc thù vận hành và hình khối công trình cũng sẽ quyết định tầm quan trọng của phụ tải nhiệt bên trong công trình so với phụ tải bên ngoài như từ mặt trời và gió.

Bảng giá trị từ Starner, T. and Paradiso, J.A., “Human Generated Power for Mobile Electronics,” in Piguet, C. (ed), Low-Power Electronics, CRC Press, Chapter 45, 2004.

Tải nhiệt tỏa ra từ các hoạt động khác nhau của con người

Tải sưởi ấm và làm mát

Các phụ tải nhiệt bên trong và ngoài nhà được chuyển hóa thành các phụ tải sưởi ấm và phụ tải làm mát.

Đây là lượng nhiệt cần để sưởi ấm hay làm mát công trình và để kiểm soát độ ẩm bên trong công trình.

Phụ tải thường được tính là lượng năng lượng cần để đưa vào hay loại bỏ khỏi công trình nhằm giữ nhiệt độ ở một điểm nhất định (điểm đặt).

Thu nhiệt chính là phần lớn hơn nhiệt tổn thất từ thông gió và vỏ công trình, có thể gây ra phụ tải làm mát thực tế (công trình quá nóng).
Hao hụt nhiệt chính là phần ít hơn nhiệt bên trong công trình thu được, có thể gây ra phụ tải sưởi ấm thực tế (công trình quá lạnh).
Điểm đặt sưởi ấm thường khác với điểm đặt làm mát vì thế việc phân bố phụ tải làm mát và sưởi ấm phụ thuộc vào khí hậu.

Biểu đồ tải làm mát và sưởi ấm hàng tháng cho biết nhiệt năng thu được thu và và hao hụt ở đâu.

Một ví dụ về việc phụ tải làm mát và sưởi ấm được thể hiện như qua các biểu đồ cột.

Đối với các phụ tải nhiệt, cần lưu ý tới nhiệt hao hụt và thu được lớn nhất đến từ phụ tải trong hay ngoài nhà.

Cũng cần lưu ý phụ tải ĐỈNH làm mát và sưởi được sử dụng để xác định kích thước thiết bị điều hòa thông gió – HVAC. Các sơ đồ phân tích năng lượng giúp nhận diện dòng năng lượng mà không phải xác định kích thước thiết bị. Tuy nhiên, việc sử dụng các công cụ phân tích năng lượng có thể cho phép bạn tính toán và hiểu tốt hơn năng lương sử dụng để có thể tránh được việc xác định kích thước thiết bị quá lớn và bỏ qua “các quy tắc theo kinh nghiệm” đặc trưng.

Sử dụng năng lượng để đáp ứng tải làm mát và sưởi ấm

Các giá trị trong sơ đồ phụ tải làm mát và phụ tải sưởi ấm nêu trên thể hiện lượng năng lượng sười ấm hay làm mát cần thiết mà không phải là năng lượng thực tế hệ thống điều hòa thông gió HVAC tiêu thụ để đáp ứng tải yêu cầu.

Các hệ thống thụ động giúp giảm nhu cầu năng lượng hay đáp ứng nó một cách tự nhiên. Các hệ thống chủ động sử dụng khí hay điện để xử lý nhiệt và hơi ẩm. Chủng loại và số lượng thì tùy thuộc vào chủng loại của hệ thống và hiệu suất của nó.

Khi sử dụng các hệ thống chủ động, thường nó sẽ cần nhiều năng lượng hơn để đáp ứng phụ tải sưởi ấm so với việc đáp ứng phụ tải làm mát. Vì sưởi ấm chỉ có thể đạt hiệu suất 75% – 95% trong khi làm mát lại có hiệu suất 300% – 1200% đối với việc đưa nhiệt năng ra khỏi công trình. Do vậy tỷ số giữa làm mát và sưởi ấm trong biểu đồ tiêu thụ năng lượng nhỏ hơn nhiều so với trong biểu đổ phụ tải.

Tương tự, khi tính đến chi phí sẽ nảy sinh mức độ mức tạp khác vì nhiên liệu để sưởi ấm trên mỗi đơn vị năng lượng rẻ hơn rất nhiều so với điện.

Điểm cân bằng

Khái niệm điểm cân bằng của công trình có thể giúp cho nhà thiết kế xác định khi nào cần làm mát và khi nào cần sưởi.

Điểm cân bằng là nhiệt độ ngoài trời mà tại đó công trình chuyển từ nhu cầu sưởi ấm sang nhu cầu làm mát.

Nó được tính toán bằng cách so sánh lượng nhiệt thu được bên trong (từ người, thiết bị …) với lương nhiệt hao hụt bên ngoài (từ sự rò rỉ của công trình …). Nó không phải là nhiệt độ tiện nghi lý tưởng bên trong công trình.

Nó là nhiệt độ mà tại đó lượng nhiệt thu được của công trình cân bằng với hao hụt.

Nếu nhiệt độ DƯỚI điểm cân bằng, cần phải sưởi ấm.
Nếu nhiệt độ TRÊN điểm cân bằng, cần làm mát.
Nếu nhiệt độ tại điểm cân bằng, không cần sưởi hay làm mát vì công trình thu được lượng nhiệt bằng lượng nhiệt hao hụt.

Ví dụ, nếu điểm cân bằng của một công trình là 65 độ và nhiệt độ ngoài nhà là 75 độ, các phương pháp làm mát thụ động như che nắng sẽ là một giải pháp rất hữu hiệu khi đó.

Công trình có lượng nhiệt thu được trong nhà caovà tỷ lệ hao hụt nhiệt thấp (tòa nhà kín và cách nhiệt tốt) sẽ có điểm cân bằng thấp hơn.

Tải chiếu sáng và thiết bị

Các thiết bị chiếu sáng, điều hòa thông gió (HVAC), bình nước nóng và các thiết bị gia dụng đều tiêu thụ năng lượng hoặc là điện năng hoặc là nhiên liệu. Đây là những thiết bị có vai trò quan trọng, cần phải được thừa nhận một cách hợp lý và tối ưu hóa để đạt được một thiết kế công trình có hiệu quả cao; đồng thời đây cũng là các dữ liệu đầu vào vô cùng quan trọng đối với phương pháp mô phỏng phân tích năng lượng toàn bộ công trình.

Các phụ tải thiết bị điện, chiếu sáng, ổ cắm mô tả dưới đây được xác định tùy theo mục đích sử dụng của tòa nhà, cư dân và kế hoạch vận hành.

Nói một cách ngắn gọn là đặc thù vận hành công trình.

Tải chiếu sáng

Phụ tải chiếu sáng là năng lượng được sử dụng để cung cấp cho việc chiếu sáng bằng điện; nó chiếm gần 1/3 nguồn năng lượng sử dụng trong các tòa nhà thương mại tại Mỹ, và thông thường từ 10 – 15% trong các tòa nhà dân cư. Phụ tải trong một công trình thường được nhắc tới với thuật ngữ “Mật độ công suất chiếu sáng”, được đo bằng đơn vị Watt/ m2 (hoặc foot vuông).

Khi quyết định lựa chọn loại sản phẩm chiếu sáng để đưa vào sử dụng, hãy xem hiệu suất (hay hiệu quả chiếu sáng của sản phẩm).

Nguồn sáng có hiệu suất càng cao thì các thiết bị không chỉ giảm phụ tải chiếu sáng mà còn giảm phủ tải làm mát nhưng vẫn mang lại độ sáng quan sát tương đương.

Phụ tải ổ cắm

Phụ tải ổ cắm là điện năng được sử dụng cho các thiết bị khác như máy tính và đồ gia dụng; chúng chiếm tới 20 – 30% phụ tải điện trong các tòa nhà thương mại và 15 – 20% năng lượng gia đình mặc dù các con số này đang ngày càng gia tăng do các thiết bị điện từ phát triển một cách tràn lan.

Phụ tải thiết bị điện đôi khi bao gồm cả “Mật độ công suất thiết bị” (EPD) và đôi khi chúng lại được tách riêng. Khi thực hiện phân tích công trình, điều quan trọng là nắm được các giá trị đầu vào.

Phụ tải ổ cắm cho một số thiết bị

Tải hệ thống kỹ thuật

Các thiết bị như hệ thống điều hòa thông gió – HVAC và bình nước nóng chính là các phụ tải chính khác bên trong công trình. Nó được tách riêng với phụ tải ổ cắm và được gắn với thuật ngữ “Mật độ công suất thiết bị” được đo bằng đơn vị Watts/m2 hay W/ft2.

Khi quyết định lựa chọn thiết bị sử dụng, cần xem xét bảng đánh giá định lượng của một bên thứ ba hoặc công suất tối đa thể hiện trong bảng hướng dẫn/ thông số kỹ thuật của thiết bị (thường thì không có các thông số về công suất sử dụng trung bình vì nó thay đổi tùy theo tình hình sử dụng).

Ví dụ về phụ tải bên trong các không gian khác nhau

Lưu ý rằng thông tin này có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng không gian. (Nguồn: United States Department of Energy)

Đo lường tiêu thụ năng lượng của công trình

Nhờ nhận biết được cách đo năng lượng sử dụng trong công trình, nó sẽ giúp chúng ta đặt ra các mục tiêu tốt hơn về hiệu suất năng lượng. Cường độ sử dụng năng lượng (Energy Use Intensity – EUI) chuẩn hóa năng lượng sử dụng theo diện tích sàn và nó rất hữu ích cho việc xác định các mục tiêu và định chuẩn. Nhưng khi dưới các tác động của môi trường, chúng ta cần xem xét ngược lại “ năng lượng nguồn”. Tương tự, khi đo đạc hiệu suất năng lượng, chúng ta cần biết loại thiết bị/ dụng cụ nào tiêu thụ nhiều năng lượng nhất.

Cường độ sử dụng năng lượng – EUI

Khi so sánh các công trình, chúng ta không chỉ nhắc tới tổng như cầu năng lượng mà còn nói tới “cường độ sử dụng năng lượng (EUI)”. Cường độ năng lượng đơn giản chỉ là nhu cầu năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích sàn của công trình, thường theo đơn vị m2 hay ft2. Nó cho phép chúng ta so sánh nhu cầu năng lượng của các công trình có kích thước khác nhau; như thế, chúng ta có thể thấy được công trình nào hoạt động tốt hơn.

Phân tích hiệu quả tiêu thụ năng lượng công trình thông qua chỉ số cường đọ sử dung năng lượng EUI và Chi phí hàng năm

EUI là đơn vị đặc biệt quan trọng trong việc thiết lập định chuẩn và mục tiêu tiêu thụ năng lượng.Cường độ sử dụng năng lượng thường thay đổi nhỏ tùy theo đặc thù vận hành công trình, điều kiện khí hậu và kích thước của công trình. Dựa trên các thông tin của CBECS data – Hoa Kỳ, các biểu đồ dưới đây cung cấp dải cường độ sử dụng năng lượng – EUI mà bạn có thể tham khảo.

Ví dụ Cường độ sử dụng năng lượng căn cứ theo hoạt động của công trình

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở tại Hoa Kỳ cho thấy:

Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.
Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thu”.
Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.

Cường độ sử dụng năng lượng theo diện tích công trình.

Cường độ sử dụng năng lượng theo diện tích công trình: Các công trình lớn có cường độ năng lượng cao hơn các công trình nhỏ, nhưng các công trình nhỏ cũng có thể có cường độ năng lượng cao.

Bảng có thể download tại đây. Dữ liệu từ 2003 CBECS Survey Data for USA.

Năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn

Điện năng chúng ta tiêu thụ thực tế tại công trình có thể cần nhiều năng lượng đầu nguồn hơn. 1kW năng lượng tại công trình cần 3.3 kW năng lượng nguồn, ở Hoa Kỳ

Cường độ năng lượng chỉ xem xét đến lượng điện năng và nhiệt được sử dụng tại công trường (năng lượng “thứ cấp” hay “tiêu thụ tại công trường”). Nó không tính đến lượng nhiên liệu được tiêu thụ để tạo ra lượng nhiệt hay điện năng đó.

Năng lượng “nguồn” hay ‘sơ cấp” có thể được tạo ra ngay tại công trình hoặc nhà máy điện bố trí từ xa.

1 kW điện năng tại công trình từ tấm pin mặt trời trên mái công trình tương đương 1kW năng lượng nguồn vì các tấm pin mặt trời chình là nguồn năng lượng.

Khi đo năng lượng được sử dụng để cung cấp sự tiện nghi về nhiệt hay quan sát, năng lượng tiêu thụ tại công trình là phương pháp hữu hiệu nhất.

Nhưng khi đo tổng năng lượng sử dụng để đánh giá tác động môi trường, năng lượng nguồn là phương pháp chính xác nhất.

Đôi khi việc sử dụng ít năng lượng tại công trình thực chất gây ra việc sử dụng nhiều năng lượng nguồn hơn. Ví dụ, 2kW khí tự nhiên được đốt cháy tại công trình để lấy nhiệt có thể không bằng 1kW điện sử dụng tại công trình để cấp nhiệt tương đương khi sử dụng bơm nhiệt.

Tuy nhiên, 1 kW điện từ mạng lưới điện trung thế tương đương với 3.3kW năng lượng nguồn do hiệu suất thấp của máy phát điện sử dụng chất đốt và do lượng hao hụt nhỏ trên đường truyền tải. Nên thực tế, 2kW khí tự nhiên được đốt tại công trình lại tốt hơn cho việc cấp nhiệt.

Bảng: phương pháp đánh giá hiệu suất của EPA’s EnergyStar- Hoa Kỳ đối với việc sử dụng năng lượng nguồn kết hợp

Tiêu thụ năng lượng

Các công trình thương mại và nhà ở sử dụng năng lượng một cách khác nhau. Các công trình thương mại chủ yếu là phụ tải nhiệt bên trong công trình (nhiều người và thiết bị hơn) và sử dụng chiếu sáng nhiều hơn so với các công trình nhà ở. Các công trình dân cư thường chủ yếu là phụ tải nhiệt ngoài nhà và một tỷ lệ lớn năng lượng được sử dụng để sưởi ấm và làm mát nhằm đáp ứng các phụ tải này.

Biểu đồ Sankey về tiêu thụ năng lượng là một hình ảnh mô phỏng tuyệt vời thể hiện năng lượng đến từ đâu và được đưa tới vị trí nào trong công trình.

Trong mỗi đồ thị Sankey, độ rộng của cột thể hiện số lượng đo được và lưu đồ “đầu nguồn tới hạ nguồn” (thường theo mũi tên).

Trong biểu đồ Sankey thể hiện dưới đây của USDOE, nguồn năng lượng được thể hiện ở bên trài (than đá, khí tự nhiên) và điểm tiêu thụ năng lượng được thể hiện ở bên phải (cấp nhiệt cho phòng, chiếu sáng và các thiết bị).

Chúng ta có thể thấy rõ sự khác biệt giữa năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn trong biểu đồ bằng mũi tên kéo dài khỏi đỉnh vì một loạt các hao hụt khác nhau.

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở tại Hoa Kỳ

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở tại Hoa Kỳ cho thấy:

Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.
Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thu”.
Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình thương mại ở tại Hoa Kỳ