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

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; ϕN = 85 %; suy ra I = 31,6 kcal/kg
(132,3 kJ/kg).
Mùa đông: tN = 7 oC; ϕN = 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- ϕ (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; ϕN = 70 %; suy ra I = 114,85 kJ/kg.
Mùa đông: tN = 9 oC; ϕN = 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 60100% 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
(VAV) (Cont.)

Trên đây là các giải pháp tiết kiệm năng lượng liên
quan trực tiếp đến hệ thống ĐHKK.

Bên cạnh đó còn có một số giải pháp khác về kiến
trúc và kết cấu công trình có tác dụng gián tiếp nhằm
giảm thiểu chi phí năng lượng cho ĐHKK.
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 α = 00) và mặt phẳng đứng (α =
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

Hà Nội
(tháng 6)

TP HCM
(tháng 4)

1

Mặt phẳng ngang (mái-m)

qm

kWh/m2.ngày

5,8134

6,7591

2

Mặt đứng hướng Bắc (N)

qN

- nt -

2,3446

1,6806

3

Mặt đứng hướng Đông Bắc (NE)

qNE

- nt -

2,8015

2,7020

4

Mặt đứng hướng Đông (E)

qE

- nt -

2,9534

3,1159

5

Mặt đứng hướng Đông Nam (SE)

qSE

- nt -

2,2285

2,2953

6

Mặt đứng hướng Nam (S)

qS

- nt -

1,4947

1,0949

7

Mặt đứng hướng Tây Nam (SW)

qSW

- nt -

2,2285

2,2953

8

Mặt đứng hướng Tây (W)

qW

- nt -

2,9534

3,1159

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.

N
a)

b)

N

c)

E

W

E

B

S

L

W

B

E

B

W

B

N

S
B

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).

S


HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC
CỦA NGÔI NHÀ (4)
Năng lượng BXMT chiếu đến ngôi nhà bao gồm: Năng lượng chiếu đến bề
mặt mái B × L m2 và các mặt bên: hướng Đông và Tây là B × H m2; Nam và Bắc

là L × H m2.
Tổng lượng nhiệt BXMT:
Q= qmBL + qEBH + qWBH + qSLH + qNLH

(1)

Sau khi qui các diện tích bề mặt về tỷ số cạnh β = L/B phụ thuộc vào thể
tích V và chiều cao H, đồng thời lưu ý qE = qW (xem bảng 1), ta thu được:
1

Q = V 2 ⋅β

−1

2

−3
1
1
1
⋅ H 2  V 2 ⋅ H 2 ⋅ β 2⋅ q m + β ( q N + q S ) + 2 q E 



Điều kiện để hàm số Q có giá trị cực
tiểu là:
∂Q
= 0 vµ
∂H

∂Q
=0
∂β


HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC
CỦA NGÔI NHÀ (5)
Giải các phương trình đạo hàm riêng nêu trên ta thu được:

β=

2q E
qS + q N

 2q E (q S + q N ) 
H=

2
Vq
m



B=

V
βH

;

−

1
3

L =β ⋅B


HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC
CỦA NGÔI NHÀ (6)
Các công thức (4), (5) và (6) cho phép xác định kích thước tối ưu
của nhà hình chữ nhật nhìn về hướng Nam hoặc Bắc.
Ví dụ: Áp dụng cho nhà có thể tích V = 1000 m 3 xây dựng tại
Hà Nội ta có:
β = 2×2,953/(2,345+1,498)=1,539. Thay β =1,539 vào công thức
(5) ta tính được H=11,42 m. Biết thể tích V, chiều cao H và tỷ lệ
cạnh β, theo (6) tính được kích thước mặt bằng của nhà như sau:

B = 1000 / (1,539 ×11,42) = 7,544m
L = 1,5385×7,541 = 11,61 m


Kich thuoc nha:H,L,B,
m

HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC
CỦA NGÔI NHÀ (7)

50
40

30
20
10
0
0

20000

40000

The tich nha V,m3

Hình 5- Kích thước tối ưu của nhà mặt bằng hình chữ nhật nhìn về hướng Bắc-Nam
tại Hà Nội.
Ghi chú: Chiều cao H: màu đen; Chiều dài L: màu vàng; Chiều rộng B: màu đỏ.

60000


HƯỚNG NHÀ VÀ HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC
CỦA NGÔI NHÀ (8)
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)

 2q E + q S + q N
H = 
2q m



qm
3
H = V 
 q NE + q SE
1





−23





V

2

1

3

(7)

3

(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 θ = 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 θ 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 θ = 0,8