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

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
B
B
ộ
ộ
Môn
Môn
Th
Th
ủ
ủ
y
y
Đi
Đi
ệ
ệ
n
n
& NLTT
& NLTT
Khoa
Khoa
Năng
Năng

Lư
Lư
ợ
ợ
ng
ng
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 việc
khai 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 lượng
thấp, chúng hòa nhập với môi trường tự nhiên.
- Các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời bị động xu hướng có
mặt tiền phức tạp, mặt tiền này hợp thành các đặc điểm như
vật 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
- Năng lượng mặt trời là nguồn đốt nóng bức xạ mà
mọi cuộc sống phụ thuộc vào nó một cách cơ bản
- VD: ở vĩ độ 45 độ Bắc và 45 độ Nam cường độ năng
lượng mặt trời vào buổi trưa vào giữa đông lên kính
thẳng đứng mặt hướng nam là 595W/m2
- Các công nghệ đốt nóng bằng năng lượng mặt trời bị
động đáp ứng nhu cầu tốt cho các ứng dụng mà trải

qua cả khi nhiệt độ không khí mùa đông thấp
- Dưới điều kiện này, bức xạ năng lượng mặt trời
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 năng
lượng mặt trời bị động:
+ Các hệ thống thu trực tiếp
+ Các hệ thống thu gián tiếp
+ Các hệ thống thu độc lập
+ Các hệ thống xi phông nhiệt
- Tất cả bốn công nghệ này mục đích là để trữ năng lượng mặt
trời trong ngày theo nhiều cách khác nhau để sưởi vào ban
đêm khi nhiệt độ không khí ngoài trời thấp
- 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 ngắn
với 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 điều
tiết 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 cách
tiếp cận đơn giản nhất tới việc đốt nóng bằng năng lượng mặt
trời thụ động.
- Việc sử dụng không gian thực tế bên trong một tòa nhà như
vật thu năng lượng mặt trời
- Để thu được giá trị cực đại lượng bức xạ mặt trời trong suốt
các tháng mùa hè thì các phòng nên có một diện tích lớn kính
lắp mặt hướng về phía Nam
- Sàn nhà và tường của phòng nên được xây dựng từ các vật
liệu 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 cao
được 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 và
ban đêm, hơi nóng được chuyển tới phòng từ khối nhiệt bằng
việc kết hợp việc dẫn nhiệt, đối lưu và tỏa nhiệt.
- Kết cấu tường Trombe bao gồm một tường công trình dày tới
600mm, được đặt trực tiếp phía sau mặt chính của kính lắp
hướng 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 cần
thiết và bao gồm công trình của phòng mặt trời riêng biệt gần
sát với không gian sống chính
- Trong hệ thống thu độc lập, bức xạ mặt trời vào phòng mặt

trời được giữ lại trong khối nhiệt của sàn và tường vách.
- Hơi nóng từ phòng mặt trời truyền qua không gian sống bằng
việc dẫn nhiệt qua tường chung ở phía sau phòng mặt trời và
bằng 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 không
khí được đặt bên dưới một vật trao đổi nhiệt thì sẽ tạo ra một
xiphông nhiệt
- Chất lỏng nóng lên trong thiết bị thu năng lượng mặt trời, chất
lỏng trở nên ít đặc hơn và sôi nhiều hơn và vì thế nó bay hơi
nên vật trao đổi hơi nóng
- Chất lỏng nóng chảy qua vật trao đổi hơi nóng nên nó được
làm mát và vì vậy chất lỏng bị rơi xuống vật thu năng lượng
mặt 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 năng
lượng mặt trời để cấp năng lượng đun nóng các hệ thống máy
bơm 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 uốn
khúc được ghép với một đĩa kim loại và được đặt trong một
hộp có kính ở phía trước.
- Công suất nung nóng từ các thiết bị thu bằng đĩa phẳng có thể
được 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/m

2
), 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 không
khí (W/m
2
K), PH là hệ số hiệu quả của thiết bị thu năng lượng
mặt 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 lượng
mặt 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
13.4 Quang Vontaic
- Có thể sản xuất ra điện bằng cách tận dụng quá trình quang
điện
- Có 3 quá trình quang điện chính: quang xạ, quang dẫn và hiệu
ứng quang vontaic
+ Quang xạ xảy ra khi các vật liệu phát ra các electron dưới
dạng ánh sáng
+ Hiệu ứng quang dẫn là hiện tượng nhờ đó một dòng điện
chạy qua một chất tăng lên dẫn đến kết quả là hình thành ánh
sáng
+ hiệu ứng quang vontaic được siử dụng rộng rãi nhất để sản
xuất ra điện năng từ ánh sáng mặt trời
13.4 Quang Vontaic
- Hiệu ứng quang vontainc xảy ra khi ánh sàng rơi vào ranh
giới giữa 2 chất và tạo ra các electron chuyền từ mặt này của

đường biên tới mặt kia của đường biên
- Kết quả của quá trình chuyển của electron này, một vật liệu
thu được một lượng electron vượt quá và trở thành cực âm
trong khi chất còn lại bị mất electron và trở thành cực dương
- Các tế bào quang vontaic được phát triển lần đầu tiên vào
những năm 1950 trong công nghiệp không gian dùng trong
các vệ tinh
- Các tế bào quang vontaic bao gồm các tế bào điện bán dẫn
được lai ghép từ việc sử dụng các miếng tròn silicon kết tinh
như 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 nghệ
này tận dụng năng lượng mặt trời một cách trực tiếp
- Việc làm mát bằng năng lượng mặt trời bị động và bảo vệ các
tòa nhà khỏi năng lượng mặt trời hơn là tận dụng năng lượng
đó
- 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 tòa
nhà 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
13.5.1 Các công nghệ che
- Để ngăn việc thừa hơi nóng trong suốt các tháng mùa hè hay
trong suốt một phần nào của năm là lắp thiểt bị che năng
lượng mặt trời thích hợp
- Các công nghệ che có thể được phân loại rộng rãi như ngoại
thất, nội thất hay ô kính giữa
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 mặt
trời
- Loại lính này được chia ra làm hai loại kính rõ ràng: kính hấp
thu năng lượng mặt trời và kính phản xạ năng lượng mặt trời
- Kính hấp thu năng lượng mặt trời là kính được nhuộm phần
thân, điển hình là màu đồng, xám, xanh ra trời hoặc xanh lá
cây, 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 năng
khác 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 thụ
hoặc 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.