CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vấn đề: Nền kinh tế ngày càng phát triển, nhu cầu về mức sống con người ngày càng tăng. Các tòa nhà, văn phòng, lớp học… được xây dựng với tiêu chí đảm bảo độ tiên nghi nhất định trong không gian điều hòa. Nhiệt độ và độ ẩm trong phòng phải luôn duy trì ở mức thoải mái không đổi. Từ tiêu chí trên, vấn đề về phân bố đều của trường nhiệt độ trong phòng luôn là đề tài nghiên cứu hàng đầu của các hãng máy lạnh.
Các hãng sản xuất máy điều hòa liên tục cải tiến về kích thước, hiệu suất làm lạnh và đặc biệt là sử dụng các phương pháp làm lạnh mới thân thiện với môi trường hơn, cho tới gần đây nhất là công nghệ máy lạnh inverter. Đây là thế hệ máy lạnh sử dụng công nghệ biến tần nhằm thay đổi tần số máy nén để đạt được nhiệt độ mong muốn với biên độ nhiệt tối thiểu [2]. Tuy nhiên, tồn tại song song với đó là vấn đề tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh. Tổn thất nhiệt diễn ra chủ yếu do sự chênh lệch nhiệt độ bên trong và ngoài không gian phòng điều hòa.
Nó không chỉ xuất hiện thông qua các bề mặt kết cấu bao che mà còn xuất phát từ bên trong không gian điều hòa chẳng hạn như các thiết bị điện tử hay chính con người, nơi các nguồn nhiệt được tạo ra. Quá trình tổn thất nhiệt xảy ra làm cho trường nhiệt độ trong phòng cũng bị thay đổi, ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng điều hòa và sự thoải mái của người sử dụng. Những năm gần đây, các chuyên gia không ngừng nỗ lực nghiên cứu các giải pháp theo những phương hướng tối ưu hóa chi phí xây dựng và tăng tính thẩm mỹ nhưng vẫn đảm tiêu chí phân bố đều của trường nhiệt độ [2].2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.1 Nghiên cứu nước ngoài: Phân tích tối ưu hóa các thuộc tính lớp cách nhiệt của tường ngoài tòa nhà dựa trên phần mềm mô phỏng DeST. [3] Dựa trên tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng của tòa nhà, Lili Zhang, Zu’an Liu, Chaoping Hou, Jiawen Hou, Dong Wei, Yuyao Hou đã chọn một tòa nhà đại học ở Chengdu để phân tích ảnh hưởng của loại vật liệu và độ dày của lớp cách nhiệt của Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 1 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS.
Đặng Hùng Sơn tường ngoài đối với mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng năng lượng DeST và thông qua mô hình phân tích để nghiên cứu giá trị kinh tế và chi phí đơn vị của các vật liệu cách nhiệt khác nhau. DeST (bộ công cụ mô phỏng của nhà thiết kế) là một công cụ mô phỏng năng lượng xây dựng hiệu quả được phát triển bởi Đại học Tsinghua, Bắc Kinh, Trung Quốc vào năm 1989. Cho đến nay, DeST đã trở thành một công cụ được sử dụng rộng rãi, nền tảng để tính toán các quá trình nhiệt của tòa nhà và cho các mô phỏng động của phân phối năng lượng tòa nhà. DeST sử dụng phương pháp không gian trạng thái dựa trên cân bằng nhiệt của tòa nhà để mô phỏng động lực học của các quá trình nhiệt.
Phương pháp này xem xét toàn diện việc lưu trữ nhiệt và giải phóng nhiệt của cấu trúc và vật thể của tòa nhà, và là phương pháp tính toán mô phỏng động liên tục theo thời gian và rời rạc về mặt không gian, bao gồm truyền nhiệt bức xạ sóng dài giữa các bề mặt bên trong của vỏ bọc và không khí truyền nhiệt đối lưu.1: (a) Mối quan hệ giữa chỉ số tải nhiệt tích lũy hàng năm và độ dày cách nhiệt theo các loại vật liệu khác nhau; (b) Tốc độ tiết kiệm năng lượng tải tích lũy hàng năm. [3] Thông qua tính toán mô phỏng DeST, Hình 1.1 cho thấy đường cong thay đổi của tải nhiệt tích lũy hàng năm sau khi bổ sung cùng một vật liệu có độ dày khác nhau và cùng độ dày với các vật liệu khác nhau. Qua đồ thị ta có thể thấy được bề dày cửa vật liệu cách Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 2 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS. Đặng Hùng Sơn nhiệt càng lớn thì hệ số truyền nhiệt qua môi trường càng giảm Tuy nhiên, có thể nhận thấy trong xu hướng thay đổi rằng việc tiếp tục tăng độ dày của lớp cách nhiệt sẽ giảm dần tác động lên tải nhiệt của tòa nhà.
Ảnh hưởng của vật liệu tường đến chi phí năng lượng trong xây dựng tại Indonesia của tác giả Marwan Marwan. [4] Để giảm mức tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà, các bức tường có vai trò quan trọng để tiết kiệm chi phí năng lượng của phòng điều hòa không khí. Chính phủ Indonesia đã tiến hành một số thử nghiệm để thiết kế một loại vật liệu tường nhằm thay thế cho tường truyền thống… Trong nghiên cứu này, một vật liệu “composite” mới đã được phát triển để thiết kế các bức tường của các tòa nhà. Do vật liệu này có khả năng chịu nhiệt cao, chúng được tạo thành từ các vật liệu có chứa: đất, xốp, canxi cacbonat, sắt và nước những nguyên liệu này liên kết chính để sản xuất gạch bê tông nhẹ.
Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu tường đến việc giảm chi phí năng lượng. Có hai loại tòa nhà được đưa vào nghiên cứu này, chẳng hạn như tòa nhà 1 sử dụng gạch truyền thống và tòa nhà 2 với việc sử dụng gạch bê tông nhẹ để xây làm tường. Để kiểm tra chi phí năng lượng, một số mô hình toán học kinh tế đã được phát triển để tính toán chi phí tối ưu của phòng điều hòa không khí theo biến đổi khí hậu trong mùa nóng ở Barru South Sulawesi-Indonesia.2: Mô tả tòa nhà và thiết kế tường. [4] Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 3 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS.
Đặng Hùng Sơn Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, một mô hình toán học kinh tế đã được phát triển để giải quyết các chi phí năng lượng của việc xây dựng, như được minh họa trong phương trình sau: 𝑡=𝑛 𝐸𝐶𝐵 (𝑇) = ∫𝑡=1 [(𝑆(𝑇). 𝑌(𝑡)) 𝑑𝑡 ] [1-1] Theo các ràng buộc: 𝑑𝑇 𝑄. 𝑌(𝑡) = − [1-2] 𝑑𝑡 𝐻 𝐻 ECR được tính toán dựa trên phương trình sau: ECR = ECB 2 -ECB 1 [1-3] Trong đó: B: Truyền nhiệt (W) H: Nhiệt dung của phòng (J /0 C) A: diện tích tòa nhà m2 Q: Hệ số truyền nhiệt (W / m2 0 C) P: Giá điện (IDR / kWh) S: Công suất đánh giá (kW) X: Thời lượng Thời gian (giờ) ECB 1: Chi phí năng lượng của tòa nhà-1 ECB 2: Chi phí năng lượng của tòa nhà-2 Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 4 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS. Đặng Hùng Sơn Hình 1.3: Nhiệt độ và chi phí năng lượng của Tòa nhà 1.4: Nhiệt độ và chi phí năng lượng của Tòa nhà 2.
[4] Nghiên cứu cho thấy hệ số truyền nhiệt của tòa nhà 1 cao hơn tòa nhà 2. Theo mô hình toán học kinh tế tiết lộ chi phí năng lượng của hệ thống điều hòa không khí cho tòa nhà 1 cao hơn tòa nhà 2. Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 5 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS. Đặng Hùng Sơn Hình 1.5: So sánh chi phí sử dụng năng lượng ở 2 tòa nhà.
[4] Theo mô hình toán học kinh tế, ta thấy chi phí năng lượng của điều hòa cho tòa nhà 1 cao hơn tòa nhà 2. Trong đó, ECB-1 là IDR 34.109 và ECB-2 là IDR 28.346 và ECR là IDR 5763 (16,89%).2 Nghiên cứu ở Việt Nam: [5] ThS. Nguyễn Sơn Lâm, TS. Phạm Đức Hạnh của Viện KHCN Xây dựng đã thực hiện nghiên cứu về nguyên lý cách nhiệt, các yếu tố liên quan đến lựa chọn cách nhiệt cho tòa nhà (hiệu suất nhiệt, hiệu suất vòng đời, an toàn phòng cháy…), thiết kế cách nhiệt và các phương thức cách nhiệt cho tòa nhà.
Với việc cách nhiệt cho các tòa nhà là giải pháp hữu hiệu để góp phần đạt được sự thoải mái tiện nghi nhiệt cho người sinh sống, làm việc, nghỉ ngơi cũng như tiết kiệm năng lượng cho sưởi ấm điều hòa thông gió, thông qua đó giảm phát thải khí nhà kính và ứng phó với biến đổi khí hậu. Thì cách nhiệt sẽ giúp làm giảm sự tổn thất nhiệt hoặc thu nhận nhiệt không mong muốn và qua đó làm giảm nhu cầu năng lượng của hệ thống sưởi ấm và làm mát. Một tòa nhà nếu không được thiết kế cách nhiệt thì sẽ dẫn đến bị mất nhiệt đáng kể trong mùa đông và gia tăng nhiệt vào mùa hè. Cách nhiệt là giải pháp ngăn ngừa tổn thất nhiệt hoặc nhận nhiệt với việc tạo ra rào cản nhiệt giữa các mặt kết cấu bao che có sự chênh lệch nhiệt độ.
Nghiên Cứu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Tổn Thất Nhiệt Trong Phòng ĐHKK 6 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS. Đặng Hùng Sơn Hình 1.6: Mô hình mất nhiệt vào mùa đông và thu nhiệt vào mùa hè của tòa nhà [5] Một số vật liệu được sử dụng như: Xenlulo, bông thủy tinh, bông khoáng, xốp polystyrene, polyurethane, sợi gỗ, sợi thực vật (lanh, bông, nút chai…), sợi bông tái chế, rơm thực vật, chất xơ động vật (lông cừu). Khi các vật liệu này được thiết kế lắp đặt trên mái, trần, tường và sàn của một tòa nhà sẽ làm giảm dòng nhiệt truyền từ môi trường bên ngoài vào tòa nhà vào mùa hè, đi ra môi trường bên ngoài vào mùa đông và đồng thời giảm thiểu được nhu cầu năng lượng sử dụng cho sưởi ấm và làm mát tòa nhà. Các yếu tố lựa chọn cách nhiệt cho tòa nhà: Hiệu suất nhiệt – Giá trị nhiệt trở R, hiệu suất vòng đời, an toàn phòng cháy, độ ẩm, kiểm soát rò lọt khí.
Và việc thực hiện cách nhiệt cho một tòa nhà như thế nào là đủ phụ thuộc vào thiết kế tòa nhà, vùng khí hậu đặc thù, chi phí năng lượng, ngân sách và những ưu tiên của chủ đầu tư. Để thiết kế cách nhiệt cho tòa nhà cần phải được dựa trên việc xem xét cẩn thận các phương thức truyền năng lượng và hướng truyền nhiệt cũng như cường độ truyền nhiệt. Điều này có thể thay đổi ngay trong ngày và theo mùa. Qua nghiên cứu trên, để tiết kiệm năng lượng điện ngoài các giải pháp chủ động liên quan đến thiết kế, vận hành các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà như: Điều hòa thông gió, chiếu sáng, cấp nước nóng, thang máy.