Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lĩnh vực xây dựng chiếm tới 35% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tương đương 38% tổng lượng phát thải khí nhà kính ($CO_2$). Trong đó, chi tiêu cho việc nâng cao hiệu quả năng lượng của vỏ công trình chiếm tỷ trọng lớn nhất với khoảng 79 tỷ USD trong tổng số 152 tỷ USD chi tiêu toàn ngành. Tại Việt Nam, đối với các công trình kiến trúc và tòa nhà, lượng nhiệt truyền qua kết cấu tường bao che dao động từ 10% đến 45%, qua cửa kính từ 45% đến 80%, qua mái từ 1% đến 5%, qua sàn từ 1% đến 10% và do hiện tượng rò lọt khí từ 5% đến 18%.
Ở các khu vực biển đảo, điển hình như đảo Hòn Tre (thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa), việc cung cấp năng lượng gặp nhiều hạn chế do xa đất liền, trong khi cường độ bức xạ mặt trời và số giờ nắng hàng năm rất cao. Các công trình nhà kho bảo quản trang thiết bị kỹ thuật tại đây đối mặt với nguy cơ quá nhiệt, làm giảm tuổi thọ máy móc và vật liệu lưu trữ. Do đó, việc ứng dụng các giải pháp vật liệu cách nhiệt tiên tiến như silica aerogel nhằm bọc ngoài kết cấu bao che là hướng đi cấp thiết nhằm làm mát công trình thụ động và tiết kiệm điện năng cho hệ thống điều hòa không khí.
Đề tài xác định rõ mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Mục tiêu nghiên cứu: Bước đầu tính toán hệ thống phủ cách nhiệt bổ sung trên cơ sở vật liệu silica aerogel cho mô hình nhà kho bảo quản xây dựng trên đảo ngoài khơi, dựa trên các thông số khí tượng tại khu vực đảo Hòn Tre (Khánh Hòa), phục vụ mục đích cách nhiệt và giảm tải năng lượng làm mát công trình.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu tổng quan về nguyên tắc cách nhiệt/tản nhiệt, các loại vật liệu phủ cách nhiệt hiện đại và phương pháp đánh giá nhiệt công trình.
- Lựa chọn chủng loại vật liệu aerogel phù hợp làm lớp phủ cho công trình, xác định tính năng kỹ thuật và phương thức bao phủ kết cấu.
- Thiết lập mô hình tính toán khả năng cách nhiệt, lượng điện năng tiêu thụ và hiệu quả kinh tế khi áp dụng lớp phủ silica aerogel so với các vật liệu truyền thống.
- Đánh giá kết quả tính toán và đề xuất định hướng nghiên cứu tiếp theo.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Lớp phủ cách nhiệt silica aerogel, vật liệu đối chứng (bông khoáng, xốp polystyrene EPS) và kết cấu tường gạch đất nung một lớp hoàn thiện vữa trát hai mặt.
- Phạm vi không gian: Mô hình nhà kho bảo quản đặt tại Trạm nghiên cứu và thử nghiệm Hòn Tre thuộc Chi nhánh Ven biển (Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga), đảo Hòn Tre, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa.
- Phạm vi thời gian: Dữ liệu khí hậu và bức xạ mặt trời thu thập trong năm 2020; chu kỳ tính toán vòng đời kinh tế của vật liệu là 15 năm; khoảng thời gian tính toán làm mát tập trung từ tháng 3 đến hết tháng 10 (245 ngày có nhiệt độ trung bình vượt mức nhiệt độ chuẩn $27^\circ\text{C}$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các nguyên lý truyền nhiệt công trình và các quy chuẩn xây dựng hiện hành tại Việt Nam:
- Cơ chế truyền nhiệt công trình: Quá trình trao đổi nhiệt giữa công trình và môi trường bao gồm dẫn nhiệt qua kết cấu bao che (tường, mái, sàn), đối lưu nhiệt từ các bề mặt, bức xạ mặt trời trực tiếp và gián tiếp, nhiệt nội sinh từ thiết bị/con người và trao đổi khí qua hệ thống thông gió.
- Tổng quan vật liệu aerogel: Aerogel là hệ vật liệu vô định hình siêu nhẹ có cấu trúc nano xốp cao, được tạo thành qua quá trình sấy siêu tới hạn nhằm thay thế pha lỏng trong gel bằng pha khí mà không làm sụp đổ khung mạng rắn. Ba nhóm aerogel chính gồm:
- Silica aerogel: Độ dẫn nhiệt cực thấp ($\approx 0{,}013 - 0{,}015\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$), mật độ biểu kiến $0{,}03 - 0{,}35\text{ g}\cdot\text{cm}^{-3}$, diện tích bề mặt bên trong $250 - 800\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$, thể tích lỗ xốp chiếm trên 90% với kích thước lỗ trung bình $20 - 40\text{ nm}$.
- Carbon aerogel: Diện tích bề mặt $400 - 1000\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$, hệ số dẫn điện lên tới $500\text{ S}\cdot\text{m}^{-1}$, khả năng hấp thụ dầu gấp 900 lần trọng lượng ($68{,}8\text{ g}\cdot\text{g}^{-1}\text{s}^{-1}$).
- Aerogel oxide kim loại: Các hệ aerogel từ alumina, titania, zirconia, chromia, iron oxide với độ bền va đập và cơ tính cao.
- Phương pháp tính toán độ giờ làm mát (Cooling Degree-Hour - CDH): Đại lượng đo lường độ chênh lệch nhiệt độ ngoài trời so với nhiệt độ chuẩn trong suốt thời gian khảo sát:
$$\text{CDH} = \sum (\text{T}{\text{tb}} - \text{T}{\text{chuẩn}})\quad (^\circ\text{C}\cdot\text{h})$$
Trong đó, nhiệt độ chuẩn $\text{T}_{\text{chuẩn}} = 27^\circ\text{C}$ được quy định theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 1966:1977 về điều kiện khí hậu dùng trong đo lường và thử nghiệm.
- Phương pháp phân tích kinh tế vòng đời Life-Cycle Saving (LCS hay phương pháp $P_1 - P_2$):
- $P_1$ là tỷ lệ giữa mức tiết kiệm năng lượng trong toàn bộ thời hạn sử dụng ($N = 15\text{ năm}$) so với năm đầu tiên, tính toán qua lãi suất chuẩn ($i = 4{,}5%$) và tỷ lệ lạm phát ($d = 3{,}17%$) công bố vào tháng 6/2020:
$$r = \frac{i - d}{1 + d} = \frac{4{,}5% - 3{,}17%}{1 + 3{,}17%} = 0{,}013$$
$$P_1 = \frac{(1 + r)^N - 1}{r(1 + r)^N} = \frac{(1 + 0{,}013)^{15} - 1}{0{,}013 \times (1 + 0{,}013)^{15}} = 13{,}56$$
* $P_2$ là tỷ lệ giữa tổng chi tiêu trong thời hạn sử dụng so với chi phí ban đầu, được xác định bằng $1$ do giả định chi phí bảo trì định kỳ bằng $0$.
- Quy chuẩn áp dụng và nguồn dữ liệu:
- Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2017/BXD: Các yêu cầu kỹ thuật sử dụng năng lượng hiệu quả cho công trình xây dựng (hệ số trao đổi nhiệt bề mặt trong $R_T = 0{,}04\text{ m}^2\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$, bề mặt ngoài $R_N = 0{,}13\text{ m}^2\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$, hệ số hiệu quả máy lạnh $\text{COP} = 2{,}8$).
- Dữ liệu khí tượng: Thu thập trực tiếp từ chuỗi đo đạc năm 2020 tại Trạm nghiên cứu và thử nghiệm Hòn Tre thuộc Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 phân tích bối cảnh tiêu thụ năng lượng toàn cầu và thực trạng tại Việt Nam, nêu bật tầm quan trọng của việc nâng cấp vỏ công trình nhằm giảm tiêu thụ điện cho hệ thống HVAC. Tác giả tổng hợp dữ liệu sáng chế quốc tế về ứng dụng aerogel trong ngành xây dựng:
- Tính đến tháng 12/2017, toàn thế giới đã công bố $1.618$ bằng sáng chế liên quan đến aerogel trong xây dựng.
- Giai đoạn 2014 - 2016 ghi nhận tốc độ tăng trưởng liên tục, đạt đỉnh vào năm 2016.
- Năm quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế bao gồm Trung Quốc, Hoa Kỳ, Hàn Quốc, Đức và Nhật Bản.
- Cơ cấu lĩnh vực ứng dụng của aerogel gồm: $67%$ làm vật liệu cách nhiệt, $17%$ làm vật liệu cách âm và $16%$ làm phụ gia xây dựng.
Từ các cơ sở trên, chương này xác định tính cấp thiết của đề tài và thiết lập hệ thống 4 nội dung nghiên cứu phục vụ tính toán cách nhiệt cho kho bảo quản tại đảo Hòn Tre.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày chi tiết về các yếu tố khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam (vĩ độ $8^\circ27'\text{B} - 23^\circ23'\text{B}$, nhiệt độ trung bình năm $> 21^\circ\text{C}$, độ ẩm $> 80%$) và những thách thức về ăn mòn, suy giảm tuổi thọ trang thiết bị do nhiệt - ẩm cao.
Nội dung đi sâu phân tích cấu trúc, quy trình tổng hợp sol-gel và tính chất lý hóa của ba dòng aerogel chính (silica aerogel, carbon aerogel, aerogel oxide kim loại). Trong đó, silica aerogel thể hiện tính năng vượt trội:
- Độ dẫn nhiệt cực thấp ($0{,}015\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ ở điều kiện thường), thấp hơn không khí ($0{,}025\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$).
- Đặc tính cách âm cao: Vận tốc truyền âm thanh giảm xuống $40\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$; cấu trúc đa lớp hạt có khả năng làm giảm tới $60\text{ dB}$ đối với tấm dày $7\text{ cm}$.
- Khả năng chịu nén đạt mức $3\text{ bar}$ và giữ ổn định nhiệt độ cao (đã được NASA ứng dụng trên xe tự hành Sojourner Mars Rover năm 1996 để duy trì nhiệt độ bên trong $21^\circ\text{C}$ khi môi trường ngoài hạ xuống $-67^\circ\text{C}$).
Chương này cũng phân tích 4 phương thức bố trí vật liệu cách nhiệt cho tường bao che (bên ngoài, bên trong, ở giữa, phân phối trong cấu trúc) và khẳng định giải pháp cách nhiệt mặt ngoài là tối ưu nhất cho các công trình làm mát liên tục (theo nghiên cứu của Kossecka và Kosny, 1998). Đồng thời, tác giả chỉ ra rằng mái nhà chiếm tới $49%$ lượng nhiệt hấp thụ qua lớp vỏ công trình, đòi hỏi các giải pháp cách nhiệt bổ sung kết hợp thông gió và phản xạ nhiệt.
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Chương 3 tiến hành điều tra, xử lý số liệu khí tượng thực tế và xây dựng mô hình tính toán:
| Thông số khí hậu đảo Hòn Tre (Năm 2020) |
Giá trị ghi nhận |
| Nhiệt độ trung bình năm |
$27{,}29^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ trung bình các tháng |
Luôn đạt trên $25^\circ\text{C}$ |
| Thời gian tính toán làm mát ($\text{T}_{\text{tb}} > 27^\circ\text{C}$) |
Tháng 3 đến hết tháng 10 ($245\text{ ngày} = 5.880\text{ giờ}$) |
| Nhiệt độ trung bình trong thời gian tính toán |
$28{,}81^\circ\text{C}$ |
Tác giả phân loại hai hình thức ứng dụng silica aerogel trong xây dựng:
- Dạng trong mờ/xuyên sáng: Kính hai lớp chèn hạt silica aerogel phát triển tại Đức đạt hệ số truyền nhiệt $U = 0{,}44 - 0{,}56\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\text{K}^{-1}$ (độ truyền năng lượng $33% - 45%$); hệ chống nắng đạt $U = 0{,}37 - 0{,}47\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\text{K}^{-1}$; khối aerogel nguyên monolithic dày $13{,}5\text{ mm}$ đạt $U = 0{,}66\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\text{K}^{-1}$.
- Dạng composite đục/không xuyên sáng: Các tấm thảm cách nhiệt (Aerogel Blanket) của Aspen Aerogels có độ dẫn nhiệt $\lambda = 0{,}0131\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$, lớp phủ dày $9\text{ mm}$ giúp giảm mạnh tổn thất nhiệt; thí nghiệm hot-box trên tường phủ $0{,}6\text{ cm}$ aerogel cải thiện $9%$ khả năng cách nhiệt với tường gỗ và $29%$ với tường khung thép.
Mô hình tường nhà kho được thiết lập dạng tường đơn gồm 4 lớp từ ngoài vào trong: Lớp vữa trát ngoài ($15\text{ mm}$), Lớp cách nhiệt (biến thiên chiều dày $x$), Gạch đất nung 6 lỗ ($105\text{ mm}$), Lớp vữa trát trong ($15\text{ mm}$).
Chương này xây dựng toàn bộ chuỗi phương trình toán học tính toán nhiệt trở tổng $R$, hệ số trao đổi nhiệt $U$, độ suy giảm truyền nhiệt $\Delta U$, mức tiêu thụ điện làm mát $E$, chi phí năng lượng $C_E$, chi phí đầu tư cách nhiệt $C_{cn}$, tổng chi phí làm mát $C_C$ và mức tiết kiệm chi phí năng lượng $C_{tk}$.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Chương 4 thực hiện tính toán định lượng và đánh giá so sánh hiệu năng giữa ba loại vật liệu cách nhiệt: Silica aerogel ($\lambda = 0{,}013\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$), Xốp EPS ($\lambda = 0{,}035\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$) và Bông khoáng ($\lambda = 0{,}040\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$).
Các nội dung đánh giá chính bao gồm:
- Khả năng cách nhiệt: Đánh giá sự gia tăng giá trị nhiệt trở ($R$) và sự sụt giảm hệ số trao đổi nhiệt ($U$) của kết cấu tường khi tăng dần chiều dày lớp cách nhiệt. Silica aerogel cho thấy khả năng cản nhiệt vượt trội ở cùng độ dày so với EPS và bông khoáng.
- Chi phí năng lượng làm mát: Lập bảng tính toán chi phí điện năng tiêu thụ cho làm mát trước cách nhiệt ($C_{E,\text{tcn}}$) và sau cách nhiệt ($C_{E,\text{cn}}$) dựa trên đơn giá điện $2.500\text{ VNĐ}\cdot\text{kWh}^{-1}$ và hệ số $\text{COP} = 2{,}8$.
- Hiệu quả tiết kiệm và tổng chi phí làm mát: Tính toán mức tiết kiệm năng lượng ($C_{tk}$) và tổng chi phí làm mát vòng đời ($C_{C,\text{cn}}$) trên mỗi mét vuông tường bao.
- Hiệu suất vòng đời: Đánh giá độ bền nhiệt, khả năng chống ẩm và tính ổn định cấu trúc của tấm phủ aerogel trong điều kiện môi trường biển đảo kéo dài 15 năm.
Chương 5: Kết luận
Tổng hợp các kết quả kỹ thuật thu được từ mô hình tính toán, khẳng định tiềm năng ứng dụng của lớp phủ silica aerogel trong việc cải thiện hiệu quả năng lượng cho công trình biển đảo và nêu rõ các điểm hạn chế cần hoàn thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã lượng hóa toàn bộ các thông số vật lý kiến trúc và kinh tế năng lượng cho kết cấu tường bao che nhà kho bảo quản trên đảo Hòn Tre theo các bảng thông số quy chuẩn:
| Thông số vật liệu / Môi trường |
Ký hiệu |
Giá trị sử dụng |
Đơn vị |
Tiêu chuẩn / Căn cứ |
| Nhiệt trở bề mặt ngoài |
$R_N$ |
$0{,}13$ |
$\text{m}^2\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Nhiệt trở bề mặt trong |
$R_T$ |
$0{,}04$ |
$\text{m}^2\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Hệ số dẫn nhiệt gạch đất nung |
$\lambda_{\text{gạch}}$ |
$0{,}81$ |
$\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Hệ số dẫn nhiệt vữa trát |
$\lambda_{\text{vữa}}$ |
$0{,}93$ |
$\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Hệ số dẫn nhiệt Silica aerogel |
$\lambda_{\text{SiAe}}$ |
$0{,}013$ |
$\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ |
Thông số nhà sản xuất |
| Hệ số dẫn nhiệt Bông khoáng |
$\lambda_{\text{Bk}}$ |
$0{,}040$ |
$\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Hệ số dẫn nhiệt Xốp EPS |
$\lambda_{\text{EPS}}$ |
$0{,}035$ |
$\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Chiều dày gạch đất nung |
$x_{\text{gạch}}$ |
$0{,}105$ |
$\text{m}$ |
Thực tế kết cấu tường đơn |
| Chiều dày vữa trát (mỗi mặt) |
$x_{\text{vữa}}$ |
$0{,}015$ |
$\text{m}$ |
Tiêu chuẩn thi công |
| Hệ số hiệu quả máy lạnh |
$\text{COP}$ |
$2{,}8$ |
$\text{kW}\cdot\text{kW}^{-1}$ |
QCVN 09:2017/BXD |
| Đơn giá điện năng trung bình |
$C_{\text{điện}}$ |
$2.500$ |
$\text{VNĐ}\cdot\text{kWh}^{-1}$ |
Dữ liệu tính toán kinh tế |
| Thời hạn sử dụng vật liệu |
$N$ |
$15$ |
$\text{Năm}$ |
Vòng đời tính toán |
| Hệ số kinh tế vòng đời |
$P_1$ |
$13{,}56$ |
Không thứ nguyên |
Tính từ $i=4{,}5%, d=3{,}17%$ |
| Hệ số chi phí bảo trì |
$P_2$ |
$1{,}00$ |
Không thứ nguyên |
Giả định vận hành $M_s = 0$ |
Các đóng góp chính của đề tài bao gồm:
- Thiết lập quy trình tính toán nhiệt công trình kết hợp phân tích kinh tế vòng đời ($P_1 - P_2$) dựa trên dữ liệu khí hậu thực tế tại đảo Hòn Tre.
- Chứng minh bằng số liệu tính toán rằng silica aerogel có khả năng giảm hệ số trao đổi nhiệt $U$ của kết cấu tường gạch vượt trội ở chiều dày lớp phủ rất mỏng so với vật liệu xốp EPS và bông khoáng.
- Cung cấp cơ sở khoa học định lượng về mức tiết kiệm năng lượng điện làm mát, làm tiền đề cho việc thiết kế vỏ công trình bảo quản quân sự và dân sự tại các vùng biển đảo nhiệt đới.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của đề tài:
- Quá trình thực hiện chịu ảnh hưởng của giai đoạn dịch bệnh Covid-19, gây hạn chế trong việc tiếp cận hiện trường để tiến hành các đo đạc thực nghiệm đối chứng trực tiếp trên công trình thực tế.
- Mô hình tính toán tập trung chủ yếu vào kết cấu tường phẳng một lớp gạch trát vữa, chưa mô hình hóa toàn diện sự trao đổi nhiệt qua kết cấu mái, sàn và hệ thống cửa mở.
- Hệ số chi phí bảo trì trong phân tích vòng đời được giả định lý tưởng ($P_2 = 1$), chưa tính đến chi phí suy thoái vật liệu dưới tác động của môi trường hơi muối và gió bão vùng biển.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Chế tạo và lắp đặt mẫu thử nghiệm tấm phủ silica aerogel trực tiếp tại các phòng thí nghiệm của Trạm nghiên cứu và thử nghiệm Hòn Tre để ghi nhận thông số thực tế.
- Mở rộng bài toán tính toán nhiệt tổng thể cho toàn bộ vỏ bao che nhà kho, bao gồm tích hợp hệ cửa kính aerogel trong mờ và lớp phủ phản xạ nhiệt cho kết cấu mái.
- Khảo sát độ bền cơ lý, khả năng kháng ẩm và độ ổn định nhiệt của composite silica aerogel trong điều kiện khí hậu nhiệt đới biển dài hạn.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật có giá trị cho:
- Sinh viên và học viên cao học: Ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Xây dựng và Kiến trúc công trình tham khảo về phương pháp tính toán cân bằng nhiệt, độ giờ làm mát (CDH) và mô hình kinh tế vòng đời ($P_1 - P_2$).
- Kỹ sư thiết kế và tư vấn năng lượng: Tham khảo hệ thống thông số dẫn nhiệt chuẩn theo QCVN 09:2017/BXD và dữ liệu bức xạ, nhiệt độ thực tế vùng vịnh Nha Trang để thiết kế vỏ bao che tiết kiệm năng lượng cho các công trình hải đảo.
- Nội dung tham khảo nổi bật: Phương pháp liên kết số liệu khí tượng quan trắc với bài toán tổn thất nhiệt công trình tại Chương 3 và cơ sở lý thuyết tổng quan về ba dòng aerogel (silica, carbon, oxide kim loại) tại Chương 2.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao đồ án lựa chọn khoảng thời gian từ tháng 3 đến hết tháng 10 để tính toán cách nhiệt cho công trình trên đảo Hòn Tre?
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1966:1977 về điều kiện khí hậu chuẩn dùng trong đo lường và thử nghiệm, mức nhiệt độ chuẩn được quy định là $T_{\text{chuẩn}} = 27^\circ\text{C}$. Qua phân tích chuỗi dữ liệu khí tượng năm 2020 tại trạm Hòn Tre, chỉ có giai đoạn từ đầu tháng 3 đến hết tháng 10 (tổng cộng 245 ngày) có nhiệt độ trung bình hàng tháng vượt ngưỡng $27^\circ\text{C}$ (đạt mức trung bình $28{,}81^\circ\text{C}$). Do đó, đây là giai đoạn phát sinh nhu cầu làm mát nhân tạo cần được đưa vào bài toán tính toán năng lượng.
2. Hệ số kinh tế $P_1 = 13{,}56$ trong phương pháp Life-Cycle Saving (LCS) được xác lập dựa trên các căn cứ nào?
Hệ số $P_1$ biểu thị tỷ lệ giữa mức tiết kiệm năng lượng trong toàn bộ 15 năm vòng đời sử dụng vật liệu so với năm đầu tiên. Giá trị $P_1 = 13{,}56$ được tính toán với lãi suất chuẩn $i = 4{,}5%$ và tỷ lệ lạm phát $d = 3{,}17%$ (thu thập tại thời điểm tháng 6/2020 trên hệ thống Trading Economics), cho ra tỷ suất chiết khấu thực tế $r = 0{,}013$.
3. Đặc tính dẫn nhiệt của silica aerogel có ưu thế ra sao so với các vật liệu cách nhiệt truyền thống trong đồ án?
Silica aerogel có hệ số dẫn nhiệt danh định được sử dụng trong tính toán là $\lambda = 0{,}013\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$. Giá trị này thấp hơn đáng kể so với độ dẫn nhiệt của không khí ($0{,}025\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$), thấp hơn gần 3 lần so với xốp polystyrene EPS ($\lambda = 0{,}035\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$) và thấp hơn hơn 3 lần so với bông khoáng ($\lambda = 0{,}040\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$). Nhờ đó, lớp phủ aerogel đạt được cùng mức nhiệt trở cách nhiệt với chiều dày mỏng hơn nhiều.
4. Cấu trúc lớp vỏ tường bao che được tác giả lựa chọn để tính toán bao gồm những thành phần nào?
Mô hình kết cấu tường đơn trát vữa hoàn thiện hai mặt gồm 4 lớp vật liệu:
- Lớp vữa trát bên ngoài dày $0{,}015\text{ m}$ ($\lambda = 0{,}93\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$).
- Lớp vật liệu cách nhiệt đặt phía ngoài với chiều dày biến thiên $x$ (Silica aerogel, EPS hoặc Bông khoáng).
- Lớp gạch đất nung 6 lỗ dày $0{,}105\text{ m}$ ($\lambda = 0{,}81\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$).
- Lớp vữa trát bên trong dày $0{,}015\text{ m}$ ($\lambda = 0{,}93\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\text{K}^{-1}$).
5. Cơ cấu phân bổ ứng dụng của aerogel trong ngành xây dựng trên thế giới hiện nay như thế nào?
Theo thống kê các bằng sáng chế công bố đến tháng 12/2017 được trích dẫn trong đồ án, nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong xây dựng tập trung vào ba hướng chính: ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt chiếm tỷ trọng lớn nhất với $67%$, ứng dụng làm vật liệu cách âm chiếm $17%$, và sử dụng làm phụ gia xây dựng chiếm $16%$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Châu Ngọc Thiện đã xây dựng thành công mô hình tính toán nhiệt và phân tích hiệu quả kinh tế cho giải pháp bọc cách nhiệt silica aerogel áp dụng trên công trình nhà kho bảo quản tại đảo Hòn Tre (Khánh Hòa). Kết quả nghiên cứu khẳng định ưu thế vượt trội về khả năng cản nhiệt và tiết kiệm năng lượng điện làm mát của silica aerogel so với bông khoáng và xốp EPS truyền thống. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, cung cấp cơ sở dữ liệu và phương pháp luận rõ ràng cho các nghiên cứu ứng dụng vật liệu cách nhiệt tiên tiến tại các vùng khí hậu đặc thù biển đảo Việt Nam.
