Thiết kế mô hình năng lượng thuần bằng không cho tòa F1, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đồ án thiết kế mô hình năng lượng thuần bằng không cho tòa F1 ĐH SPKT TP.HCM. Phân tích tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả đầu tư dự án Net-Zero.

• Tác giả: Trương Quốc Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Viết Cường
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tiêu Thụ Năng Lượng Thuần Bằng Không Cho Toà F1 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của Mô hình Net Zero

Mô hình năng lượng Net-Zero là xu hướng phát triển bền vững đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Đây là tiêu chuẩn thiết kế tòa nhà tiêu thụ năng lượng ròng bằng không, nghĩa là lượng năng lượng tái tạo được sản xuất tại chỗ bằng hoặc vượt quá lượng năng lượng tiêu thụ hàng năm. Tòa nhà đại học hiện đại cần áp dụng mô hình Net-Zero để giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải CO2. Bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và sự gia tăng chỉ số tiêu thụ năng lượng của khu vực tòa nhà (chiếm trên 40% năng lượng tiêu thụ) đã chứng minh tính cấp thiết của việc triển khai các dự án Net-Zero Building tại các cơ sở giáo dục đại học. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao trách nhiệm xã hội và tính ổn định năng lượng.

1.1. Định nghĩa Net Zero Energy Building

Net-Zero Energy Building là tòa nhà tự sản xuất năng lượng tái tạo để bao phủ toàn bộ nhu cầu năng lượng hàng năm của nó. Hệ thống này sử dụng pin mặt trời (PV) kết hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng (pin ắc quy) để tạo ra một hệ thống năng lượng độc lập, bền vững. Mô hình này đặc biệt phù hợp với tòa nhà F1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật vì có diện tích mái rộng và lượng bức xạ mặt trời dồi dào tại TP.HCM.

1.2. Ý nghĩa đối với phát triển bền vững

Triển khai mô hình Net-Zero tại các tòa nhà đại học có ý nghĩa quan trọng trong chiến lược phát triển bền vững quốc gia. Nó giúp giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia, tăng cường khả năng chống chịu trước khủng hoảng năng lượng, và hướng các thế hệ sinh viên tới nhận thức về tầm quan trọng của năng lượng tái tạo. Đây cũng là bước tiên phong trong việc chuyển dịch năng lượng toàn xã hội.

II. Thiết kế Hệ thống Năng lượng Mặt Trời cho Tòa nhà SPKT

Thiết kế hệ thống điện mặt trời (PV) cho tòa F1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM bao gồm các bước khảo sát chi tiết về phụ tải điện, khảo sát mặt bằng mái nhà và đánh giá điều kiện bức xạ mặt trời. Quy trình thiết kế cần xác định dung lượng hệ thống pin mặt trời phù hợp để đáp ứng toàn bộ nhu cầu điện năng của tòa nhà. Việc tính toán công suất lắp đặt cần dựa trên dữ liệu tiêu thụ năng lượng hàng năm, điều kiện thời tiết địa phương và hiệu suất hệ thống. Đặc biệt, việc lựa chọn tấm pin mặt trời chất lượng cao và giải pháp tối ưu vận hành là chìa khóa để đạt được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tối đa và chi phí trên mỗi đơn vị kWh thấp nhất.

2.1. Khảo sát phụ tải và đánh giá tiềm năng mái nhà

Khảo sát phụ tải điện của tòa nhà F1 bao gồm xác định tổng công suất tiêu thụ, đặc biệt là các thiết bị điện chính như hệ thống chiếu sáng, điều hòa không khí, thiết bị dạy học. Đồng thời, khảo sát mặt bằng mái nhà giúp xác định diện tích sẵn sàng lắp đặt tấm pin mặt trời mà không ảnh hưởng đến công năng của tòa nhà.

2.2. Lựa chọn dung lượng pin mặt trời tối ưu

Tính toán dung lượng hệ thống PV cần thiết dựa trên công thức tính công suất lắp đặt: Công suất = Nhu cầu năng lượng hàng năm / (Bức xạ mặt trời × Hiệu suất hệ thống). Cho tòa nhà F1, cần tính toán chi tiết để đảm bảo mô hình Net-Zero hoạt động hiệu quả, phù hợp với ngân sách đầu tư và điều kiện kỹ thuật thực tế.

III. Hệ thống Lưu trữ Năng lượng và Quản lý Pin Ắc quy

Hệ thống lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage System - BESS) là thành phần quan trọng nhất trong mô hình Net-Zero vì nó giải quyết vấn đề không khớp giữa sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Để đạt được hiệu quả tối đa, cần lựa chọn dung lượng ắc quy phù hợp sao cho hệ thống có thể lưu trữ năng lượng dư thừa từ ban ngày để sử dụng vào ban đêm. Việc tính toán dung lượng ắc quy phụ thuộc vào mô hình tiêu thụ năng lượng hàng ngày, thời gian tồn tại của mây che, và yêu cầu về độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, cần xây dựng chiến lược vận hành ắc quy tối ưu để giảm chi phí trên mỗi đơn vị kWh xả và kéo dài tuổi thọ của pin, đảm bảo bền vững kinh tế trong dài hạn.

3.1. Tính toán dung lượng pin ắc quy cần thiết

Dung lượng ắc quy được tính dựa trên công thức: Dung lượng = Nhu cầu năng lượng hàng ngày × Số ngày tự chủ (autonomy days). Với điều kiện thời tiết TP.HCM, dung lượng ắc quy cho tòa F1 cần được thiết kế để đảm bảo hệ thống có thể vận hành ổn định ngay cả trong những ngày nhiều mây. Sử dụng phần mềm mô phỏng để xác định dung lượng tối ưu giảm chi phí vốn.

3.2. Chiến lược vận hành và quản lý pin

Phương án vận hành ắc quy cần được thiết kế để tối đa hóa hiệu quả sử dụng và giảm chi phí kWh xả. Các giải pháp bao gồm: quản lý tải động, sạc pin từ lưới điện vào giờ giá rẻ, và xả pin vào giờ cao điểm. Việc quản lý thông minh pin giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng toàn hệ thống.

IV. Đánh giá Hiệu quả Kinh tế Kỹ thuật và Kết quả Triển khai

Để chứng minh tính khả thi của mô hình Net-Zero cho tòa nhà F1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, cần tiến hành mô phỏng hiệu quả năng lượng bằng các phần mềm chuyên dụng như HOMER, PVsyst, và công cụ phân tích tài chính. Đánh giá kinh tế bao gồm tính toán chi phí khởi tạo (CapEx), chi phí vận hành (OpEx), thời gian hoàn vốn (Payback Period), và giá trị hiện tại ròng (NPV). Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình Net-Zero có khả năng hoạt động hiệu quả, với chi phí trên mỗi đơn vị kWh sản xuất có lợi so với lưới điện truyền thống. Việc triển khai thành công không chỉ chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật mà còn tạo ra mô hình tham khảo cho các tòa nhà đại học khác, góp phần vào chiến lược phát triển bền vững quốc gia.

4.1. Phương pháp mô phỏng và phân tích tài chính

Mô phỏng hiệu quả năng lượng được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu thực tế về bức xạ mặt trời, tiêu thụ điện hàng giờ, và các thông số kỹ thuật của thiết bị. Phân tích tài chính bao gồm các chỉ tiêu như ROI (Return on Investment), NPV, IRR (Internal Rate of Return) để đánh giá hiệu quả đầu tư. Kết quả giúp xác định tính hiệu quả của dự án Net-Zero và thời gian cần thiết để thu hồi vốn đầu tư.

4.2. Kết quả và khả năng ứng dụng thực tế

Kết quả triển khai mô hình Net-Zero cho tòa nhà F1 cho thấy hệ thống PV kết hợp lưu trữ năng lượng có khả năng đáp ứng toàn bộ nhu cầu điện năng. Chi phí kWh sản xuất thấp hơn lưới điện, và hệ thống có thể chống chịu tốt trước biến động giá năng lượng. Mô hình này có thể được nhân rộng cho các tòa nhà khác trong cơ sở giáo dục, thúc đẩy phát triển bền vững và giảm phát thải CO2 tại các trường đại học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phân tích công trình Chương 3: Phương pháp thiết kế mô hình Chương 4: Áp dụng vào công trình Chương 5: Tóm tắt – Kết luận – Đề xuất 1. Phương pháp thực hiện Các phương pháp được sử dụng trong đồ án là: - Phương pháp quan sát khoa học: Khảo sát đồ thị phụ tải của toà nhà, kiểm tra diện tích mặt bằng mái. - Phương pháp lập mô hình thực nghiệm: Sử dụng phần mềm PVSyst, Sketchup để lập mô hình 3D dàn pin mặt trời và tính toán sản lượng, chi phí. Giới hạn đề tài Trong đồ án này, mô hình NZEB được thiết kế dựa trên công trình là toà nhà F1 của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.

Hồ Chí Minh. Vì khái niệm về NZEB cho toà nhà là rất nhiều nên dề tài sẽ tập trung vào xây dựng mô hình NZEB về điện cho toà nhà F1 và cụ thể là mô hình hệ thống điện mặt trời có lưu trữ, phân tích các chỉ tiêu kinh tế để cho thấy được độ khả thi của dự án NZEB cho toà F1. 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Kết quả thu được - Cấu hình hệ thống tốt nhất cho công trình ( số tấm PV, dung lượng ắc quy).

- Kết quả mô phỏng sản lượng điện năng của hệ thống bằng phần mềm - Phương án vận hành ắc quy cho ra suất đầu tư thấp nhất. Đề xuất các phương án cho tương lai nếu toà nhà có nhu cầu tăng độ tiêu thụ điện và vẫn đảm bảo được tính NZEB. 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Võ Viết Cường CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH 2.

Giới thiệu về công trình 2. Thông tin toà nhà Tên công trình: Nhà học và xưởng thực hành khu F1 - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Tổng diện tích sàn: 8560 m2 Diện tích mái – Sân thượng: 1070 m2 Địa điểm: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, số 01 Đ. Võ Văn Ngân, Linh Chiểu, Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh Loại công trình: Toà nhà giáo dục. Toà nhà F1 sử dụng chung nguồn từ máy biến áp 2500 kVA với toà nhà trung tâm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Hình 2.

1 Mặt bằng tổng thể và hướng của công trình 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Võ Viết Cường Hình 2. 2 Ảnh của công trình từ vệ tinh 2. Điều kiện tự nhiên Khí hậu tại Thủ Đức có nhiệt độ trung bình cao và ổn định quanh năm, khu vực này được chia thành 2 mùa rõ rệt.

- Mùa mưa diễn ra dao động từ tháng 5 tháng 10. - Mùa khô thường kéo dài trong khoảng từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, với nhiệt độ trung bình hằng ngày ở mức 27oC. 3 Lượng mưa tại công trình theo Solargis Dưới đây là bảng 2.1 mô tả dữ liệu khí hậu tại công trình theo Solargis. 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.

Võ Viết Cường Bảng 2. 1 Dữ liệu khí hậu tại Thủ Đức theo Solargis Tháng GHI DNI GTI opta TEMP WS kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 °C m/s Tháng 1 147.1 Trong đó: - GHI: là tổng bức xạ phương ngang (kWh/m2) - DNI: là Bức xạ trực tiếp thông thường (kWh/m2) - GTI opta: là tổng bức nghiêng ở góc tối ưu (kWh/m2) - Temp: là nhiệt độ trung bình của không khí (oC) Nhìn chung, các chỉ số bức xạ ở khu vực của dự án tương đối cao. Việc áp dụng hệ thống điện mặt trời như là một phương án cung cấp điện năng cho toà nhà là khả thi. 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.

Nhu cầu tải của toà nhà 2. Khảo sát phụ tải Nhóm tác giả đã thực hiện sử dụng phương pháp đo dòng điện bằng Ampere kẹp tại thời điểm ngày làm việc của toà nhà, phương pháp này cho ra kết quả dòng điện tức thời tại thời điểm 14:30 chiều. Tuy nhiên phương pháp tiềm ẩn những rủ ro về an toàn, khó khăn về mặt tiếp cận. 4 CB tổng của công trình Cụ thể, các sợi cáp của CB tổng dính liền với nhau dẫn đến việc kẹp đo dòng khó tiếp xúc không khép kín mạch từ dẫn đến sai sót, nhóm đã thực hiện đo dòng tại đầu cực của CB tổng và cho ra kết quả lúc 14 giờ 30 phút dòng đo được là 147 (A) trên mỗi pha.

Đánh giá phương pháp này tiềm ẩn rủ ro an toàn cao vì xây dựng đồ thị phụ tải của toà nhà cần phải đo đạc nhiều lần trong ngày và nhiều ngày nên nhóm đã quyết định sử dụng phương pháp khảo sát phụ tải thực nghiệm được trình bày bên dưới. Các thành phần cấu tạo nên đồ thị phụ tải của tòa nhà F1 được cấu thành từ các tải hỗn hợp, các thành phần tải đặc trưng cho khối văn phòng, cơ sở giáo dục có thể kể đến 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Võ Viết Cường như TV, máy tính, máy in. Khối phụ tải chiếu sáng bao gồm chiếu sáng cho phòng làm việc, phòng học bằng đèn máng huỳnh quang, chiếu sáng cho sảnh thang máy bằng đèn LED downlight âm trần, các đèn chiếu sáng khẩn cấp và đèn ốp trần được bố trí trong hai khu vực cầu thang bộ của tòa nhà.

Khối phụ tải lớn nhất hiện diện trong tòa nhà là tải điều hoà (làm lạnh), thành phần này chiếm tỷ trọng công suất lắp đặt lớn nhất và thường sử dụng phần lớn điện năng tiêu thụ của tòa nhà vào mùa hè nắng nóng trong năm. 5 Các thành phần tải của toà nhà Đồ thị phụ tải ban đầu của tòa nhà F1 mang đặc tính của một tòa nhà kết hợp giữa vừa có chức năng văn phòng, vừa có chức năng giảng đường. Đồ thị phụ tải nhấp nhô theo hình bậc thang thể hiện nhu cầu phụ tải của giờ trước và giờ phía sau có thể khác nhau, giải thích cho vấn đề trên là do thành phần tải cung cấp cho phụ tải các lớp học biến động theo giờ, theo tiết học và số tín chỉ của các môn học có thể khác nhau. Nhu cầu phụ tải mà nhóm khảo sát được đã bao gồm tất cả các phòng học có sử dụng, các phụ tải trong từng phòng đã cũng được thống kê cụ thể qua từng giờ, từng thứ trong tuần làm việc.

Pmax (công suất tiêu thụ lớn nhất) của tòa nhà được ước lượng khoảng gần 110kW, đồ thị có hai đỉnh tải xuất hiện vào 10 giờ đến 11 giờ sáng và 13 giờ đến 15 giờ chiều, vấn đề này có 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Võ Viết Cường thể hiểu rằng phụ tải lạnh của tòa nhà đang hoạt động ở mức cao, số phòng học đồng thời trong tòa nhà vào hai thời điểm này là khá cao so với mặt bằng chung các giờ còn lại. Tổng điện năng tiêu thụ Wh trong một ngày làm việc bình thường và giảng dạy bình thường của tòa nhà F1 được tính toán như sau: A = ∑24 0 𝑃×𝑡 (2.1) Trong đó: P là công suất của tổng các thiết bị được sử dụng tại thời điểm t (W). t là thời gian các thiết bị hoạt động (giờ).

Tính toán điện năng tiêu thụ của tòa nhà F1 trong một ngày làm việc và giảng dạy bình thường trong năm là 927.8 kWh điện năng tiêu thụ. 6 Đồ thị phụ tải của toà nhà 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. Đề xuất cải thiện nhu cầu tải Một trong những tiêu chí để có thể NZEB và đáp ứng được nhu cầu tải của toà nhà đó là phải tiết kiệm năng lượng của toà nhà xuống một mức nhất định, và để tiết kiệm được năng lượng của toà nhà F1 nhóm tác giả có đề xuất hai phương án sau: ✓ Phương án 1: Bởi vì toà nhà là công trình giáo dục thuộc quản lí của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nên nhà trường có thể đặt ra các quy định, tuyên truyền nâng cao nhận thức về cách sử dụng điện cho toà nhà như: Quy định về giờ giấc bật tắt máy lạnh, các ngày trong mùa mưa không được sử dụng điều hoà hoặc giảm sâu nhiệt độ điều hoà, tắt đèn khi không sử dụng ….

✓ Phương án 2: Thông qua khảo sát thực tế, kết hợp với bản vẽ MEP của công trình thì toà nhà hiện nay đang sử dụng đèn huỳnh quang cho tất cả các phòng và hệ thống điều hoà cục bộ cho phòng từ tầng 2 đến tầng 7. Do đó, nhóm tác giả có đề xuất là sử dụng công nghệ mới để tiết kiệm năng lượng như: Thay đổi đèn huỳnh quang sang đèn LED, sử dụng hệ điều hoà trung tâm VRV thay cho điều hoà cục bộ. Dựa theo các đề xuất trên nhóm tác giả đã tiến hành tính toán lựa chọn thiết bị phù hợp dựa trên hai phần mềm chuyên dụng cho thiết kế chiếu sáng và điều hòa không khí là DIALUX EVO, HeatLoad Daikin và VRV Xpress. Sau khi tính toán giảm nhu cầu phụ tải của tòa nhà bằng cách thay đổi trực tiếp thiết bị thu được hai dạng đồ thị phụ tải đặc trưng về mùa mưa và mùa khô của tòa nhà 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.

Võ Viết Cường Đồ thị phụ tải T2-T7 (mùa khô, áp dụng VRV và LED) 90000 80000 70000 60000 50000 P (W) 40000 30000 20000 10000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thời gian (giờ) Đồ thị phụ tải giảm chiếu sáng mùa khô - Ngày T2-T7 Hình 2. 7 Đồ thị phụ tải mùa khô T2-T7 (đã áp dụng VRV và LED) Giải thích đồ thị phụ tải vào ngày làm việc và giảng dạy bình thường vào mùa khô đã được áp dụng công nghệ điều hòa không khí VRV và chiếu sáng bằng đèn LED sẽ thu được năng lượng tiêu thụ trong ngày giảm rõ rệt, tổng năng lượng tiêu thụ trong ngày trên là 678 kWh điện năng tiêu thụ, giảm gần 26,9% tổng điện năng tiêu thụ trong ngày. Vào mùa khô ở miền Nam Việt Nam thường kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau hằng năm, phần bức xạ mặt trời nhận được là khá lớn trong năm, nhóm tác giả đã phân tích chiếu sáng tự nhiên (chiếu sáng ban ngày) để tiết kiệm thêm một phần năng lượng chiếu sáng, tránh việc bỏ phí nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào này. 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.

Võ Viết Cường Hình 2.