CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ 1. TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ 1. Suất tiêu thụ năng lượng các tòa nhà trung bình năm Theo các nghiên cứu và đánh giá về mức tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà trên thế giới, về cơ bản mức sử dụng năng lượng trong tòa nhà (bao gồm năng lượng điện, nhiên liệu hóa thạch và sinh học, năng lượng mặt trời.) phụ thuộc vào loại hình tòa nhà hay còn gọi là công năng, điều kiện khí hậu thời tiết, giải pháp kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn sử dụng và chế độ vận hành bảo trình bảo dưỡng cụ thể của từng công trình. Hiện nay ở Việt Nam chưa có một đánh giá hay khảo sát quy mô nào về việc sử dụng năng lượng hoặc suất tiêu thụ năng lượng nào được tiến hành, tuy nhiên theo một báo cáo uy tín được công bố rộng rãi của Công ty tài chính quốc tế IFC trực thuộc Ngân hàng thế giới [11], suất tiêu thụ năng lượng theo m 2, chỉ số suất sử dụng năng lượng trung bình năm (EUI – Energy Use Intensity), của các loại hình công trình gồm nhà ở, trung tâm thương mại, bệnh viện, văn phòng cho thuê và khách sạn như Hình 1, cụ thể: Công trình nhà ở: 50 kWh/m2 Công trình trung tâm thương mại: 300 kWh/m2 Công trình bệnh viện và cơ sở y tế: 400 kWh/m2 Công trình văn phòng, cao ốc cho thuê làm văn phòng: 200 kWh/m2 Công trình khách sạn, căn hộ cho thuê: 250 kWh/m2 Trang 14/91 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng Đơn vị: kWh/m2 450.0 - Nhà ở TT thương Bệnh viện Văn phòng Khách sạn mại cho thuê Hình 1: Biểu đồ suất tiêu thụ năng lượng EUI trung bình theo năm 1.
Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng các khu vực trong tòa nhà Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của các khu vực trong một tòa nhà cũng thay đổi và phụ thuộc vào công năng của tòa nhà, trong đó khu vực sử dụng năng lượng lớn nhất là hệ thống điều hòa và thông gió (viết tắt là HVAC - Heating, Ventilation, and Air Conditioning), chiếm từ 50% tới 60% tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà đó [7,8], tiếp sau đó là hệ thống chiếu sáng và nước nóng. Trong Hình 2 là tỷ lệ tiêu thụ điển hình cho loại tòa nhà khách sạn và văn phòng trong cùng báo cáo của Công ty tài chính quốc tế IFC [11]: Trang 15/91 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng Tòa nhà văn phòng, khách sạn Khác 3% Ăn uống 13% Chiếu sáng Điều hòa 13% 50% Quạt + Nước nóng Bơm 9% 12% Hình 2: Biểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng các khu vực trong tòa nhà Hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà bao gồm 02 phần khá riêng biệt gồm khu vực sản xuất và khu vực tiêu thụ, khu vực sản xuất chính là khu vực sản sinh ra năng lượng lạnh/nóng tùy từng thiết kế hệ thống như máy sản xuất nước lạnh Chiller hoặc giàn nóng ngoài nhà - Outdoor Unit (OU), khu vực tiêu thụ năng lượng lạnh/nóng gồm các PAU, AHU, FCU, hoặc giàn lạnh - Indoor Unit (IU). Qua đó có thể thấy rằng tiêu thụ năng lượng của hệ thống điều hòa không khí chủ yếu nằm ở khu vực sản xuất, đây chính là khu vực mà học viên sẽ chọn làm đề tài để nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà. Ý nghĩa chỉ số tiêu thụ năng lượng Như đã đề cập ở trên, chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm của các tòa nhà phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có công năng, điều kiện môi trường, giải pháp kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn sử dụng và chế độ vận hành, bảo trình bảo dưỡng.
Trong thực tế chúng ta sẽ đặt câu hỏi rằng với một tòa nhà cụ thể nào đó thì việc sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng sẽ tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng đang sử dụng hoặc với một chủ đầu tư thì quy ra là bao nhiêu tiền chi phí năng lượng sẽ được cắt giảm, và cắt giảm theo cách nào, làm thế nào để đánh giá việc đó chính xác. Để giải đáp các câu hỏi này học viên xin trình bày một nội dung sau: Có sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu để tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà được không? Trên thực tế các tòa nhà đều có thể thay đổi cách vận hành sử dụng hoặc nâng cấp hệ thống để tối ưu việc sử dụng năng lượng được, nhưng khả năng thay đổi để tiết kiệm được là không giống nhau, nó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể và cần phải tiến hành đánh giá mới có thể đưa ra giải pháp được. Với một tòa nhà mới được đầu tư hiện đại và công nghệ tiên tiến, thiết kế hệ thống hợp lý và vận hành hiệu quả thì khả năng thay đổi tối ưu là không lớn và không cần thiết, trong khi đó việc tối ưu mang lại hiệu quả rất lớn nếu sử dụng cho các hệ thống cơ điện đã qua sử dụng một thời gian tương đối vài năm và chưa được tối ưu lần nào, việc vận hành hệ thống đang kém hiệu quả (dời xa điểm vận hành tối ưu). Vậy bước đầu tiên và bao quát chung là so sánh chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm với tiêu chuẩn trung bình của các công trình.
Một tòa nhà có suất tiêu thụ năng lượng càng lớn hơn mức trung bình thì càng có khả năng ứng dụng giải pháp tối ưu. Hiệu quả tối ưu giá trị bao nhiêu? Việc tối ưu một hệ thống trong tòa nhà đứng trên góc độ chủ đầu tư sẽ là quy ra tiết kiệm được bao nhiêu chi phí, tuy nhiên với góc độ kỹ thuật sẽ cần đánh giá theo tỷ lệ phần trăm, vì số đơn vị tiêu thụ của mỗi tòa nhà là khác nhau và đặc trưng của hệ thống điều hòa là cường độ sử dụng thay đổi theo các tháng trong năm. Vì vậy quy về tỷ lệ phần trăm tiết kiệm trung bình theo từng mốc hoặc quy ra tỷ lệ trung bình theo năm đều được. Phương pháp đánh giá hiệu quả tối ưu cho hệ thống? Phương pháp đánh giá hiệu quả của hệ thống tối ưu cần phải dựa trên chỉ số định lượng trong các điều kiện so sánh tương đồng, có một số cách đánh giá khác Trang 17/91 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng nhau hoặc theo hiệu suất hoặc theo giá trị tuyệt đối, tuy nhiên ở trong luận văn này sẽ chọn hệ số hiệu quả năng lượng theo đơn vị chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu làm căn cứ để so sánh.
Đây cũng là hệ số phổ biến dùng để đánh giá hiệu quả hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller hiện nay của các tòa nhà trên thế giới và các hãng sản xuất hệ thống thường sử dụng. Hiệu suất hoạt động hệ thống Chiller COP (Coefficient Of Performance) được tính toán quy đổi từ chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu như sau: . = (1) / Việc tiết kiệm năng lượng khu vực sản xuất là đưa hiệu suất sử dụng năng lượng điện sản xuất nước lạnh lên cao nhất. Giá trị đầu vào của hệ thống là công suất điện (kW) hoặc số điện tiêu thụ (kWh) và giá trị đầu ra tính bằng công suất tấn lạnh RT (Refrigeration Tons) hoặc số năng lượng lạnh Btu. Chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng của Hệ thống sản xuất nước lạnh được đánh giá bằng chỉ số kWh/Btu (hoặc tương đương quy đổi là kW/RT, kW/kW trong một số tài liệu nghiên cứu), hoặc được hiểu là năng lượng kWh điện tiêu thụ của hệ thống để sản xuất ra được 1 Btu lạnh (hoặc công suất kW điện để sản xuất ra 1 đơn vị công suất nhiệt lạnh RT).
Chỉ số kWh/Btu cũng tương tự như số lít xăng mà một chiếc xe hơi tiêu thụ trên mỗi quãng đường 100 km, việc điều khiển tối ưu hệ thống là để có chỉ số kWh/Btu theo chiều giảm đến điểm thấp nhất tại mọi thời điểm. Ngoài chỉ số kWh/Btu thì chỉ số tiêu thụ điện kWh cũng có thể dùng để đánh giá việc tiết kiệm năng lượng. Trong cùng một điều sử dụng và môi trường nhiệt độ tương đồng, mà chỉ số kWh tiêu thụ giảm thì có nghĩa là hệ thống đã tiết kiệm hơn. Như vậy để có thể so sánh đánh giá cần tiến hành thu thập thông tin kWh/Btu tại thời điểm trước khi tối ưu và sau khi tối ưu, sau đó tính trung bình và so sánh ở các điều kiện môi trường tương đồng.
Phương pháp bench-marking chỉ số kW/RT với bảng tiêu chuẩn? Trang 18/91 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng Sau khi thu thập được chỉ số kW/RT của tòa nhà sẽ so sánh chỉ số này với một bảng chỉ số tiêu chuẩn để đánh giá tiềm năng tiến hành thay đổi tối ưu điều khiển gọi là phương pháp Bench-marking. Có rất nhiều bảng tiêu chuẩn so sánh của các hiệp hội cũng như phòng nghiên cứu trên thế giới, ví dụ như Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ ASHRAE, hiệp hội công trình xanh LEED của Úc, hiệp hội công trình xanh BCA Green Mark.Ở đây học viên sử dụng bảng tiêu chuẩn đánh giá xếp hạng hệ thống của BCA Green Mark Singapore [7] và khu vực Đông Nam Á để xếp hạng và cấp chứng chỉ xanh cho các công trình, thể hiện ở Bảng 1 và Bảng 2: Bảng 1: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt nước Tòa nhà sử dụng Chiller giải nhiệt nước Công suất lạnh tòa nhà (RT) Mức đánh giá theo < 500 ≥ 500 Green Mark Chỉ số năng lượng (kW/RT) Hiệu suất thấp - - Đạt 0.65 Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt gió Tòa nhà sử dụng Chiller giải nhiệt gió hoặc loại 2 khối Công suất lạnh tòa nhà (RT) Mức đánh giá theo < 500 ≥ 500 Green Mark Chỉ số năng lượng (kW/RT) Hiệu suất thấp - - Đạt 1.85 Không áp dụng Kim cương 0.78 Trang 19/91 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng 1.