Tải năng lượng của công trình

Phụ tải nhiệt

Mô tả giải pháp

Phụ tải nhiệt là năng lượng mà hệ thống điều hòa thông gió HVAC cần để bổ sung thêm hay loại bỏ đi trong một không gian nhằm mang lại sự tiện nghi cho người cư trú.

Việc lựa chọn hệ thống HVAC hợp lý đòi hỏi phải nắm bắt được các phụ tải sưởi ấm và làm mát bên trong không gian đó.

Các công trình hiệu năng cao cần giảm thiểu tối đa các phụ tải này và đáp ứng yêu cầu của các phụ tải này một cách hiệu quả nhất.

                 

                               Đặc thù vận hành công trình xác định liệu phụ tải bên trong hay bên ngoài công trình lớn hơn.

Phụ tải nhiệt ngoài nhà

Qua việc nắm bắt được các phụ tải nhiệt của công trình và mục đích sử dụng của nó, bạn có thể sử dụng một cách hiệu quả hơn năng lượng từ mặt trời và từ gió để sưới ấm, làm mát và thông gió thụ động, chiếu sáng công trình và bố trí hệ thống điều hòa thông gió hiệu quả.

Thậm chí, bạn còn có thể tạo ra năng lượng ngay tại chỗ nhờ sử dụng chính các phụ tải nhiệt mà đáng ra sẽ đòi hỏi phải tiêu thụ năng lượng.

Phụ tải nhiệt ngoài nhà đến từ hiện tượng truyền nhiệt từ mặt trời và môi trường bên ngoài (và thời tiết) qua lớp vỏ công trình. Lớp vỏ công trình bao gồm tường, mái, sàn, cửa sổ và bất cứ bề mặt nào phân tách bên trong và bên ngoài công trình. Nó cũng bao gồm cả năng lượng sẵn có trong không khí ẩm (xem  nhiệt ẩn và nhiệt hiện).

Một số cách phổ biến dòng nhiệt vào hay ra khỏi công trình là:

Dẫn nhiệt qua lớp vỏ công trình ra lớp nền hay không khí bên ngoài.

Ánh sáng mặt trời chiếu qua cửa sổ và truyền nhiệt không gian bên trong: hấp thụ nhiệt mặt trời trực tiếp

Ánh sáng mặt trời làm ấm bề mặt ngoài của công trình (“Hấp thụ nhiệt mặt trời gián tiếp)

Thất thoát không khí từ bên trong ra bên ngoài hay ngược lại do rò rỉ hay thẩm thấu.

Mức năng lượng từ  bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí ngoài trời và nhiệt ẩn trong độ ẩm không khí có thể vào được môi trường bên trong và có ảnh hưởng tới sự tiện nghi của người cư trú phụ thuộc rất nhiều vào chủng loại vật liệu sử dụng cho lớp vỏ công trình, thiết kế mặt đứng và độ kín của lớp vỏ công trình.

Việc nắm bắt được nhiệt năng mất đi và thu được từ đâu trong thiết kế là bước đầu tiên hướng tới những giải pháp thiết kế thụ động thành công. 

Khi trời nắng nóng, điều quan trọng là giảm phụ tải từ bức xạ mặt trời bằng các kết cấu che nắng tốt.

Khi lạnh, cần đảm bảo hấp thu được năng lượng bằng những giải pháp nhất định.

Phụ tải nhiệt trong nhà

Phụ tải nhiệt trong nhà hình thành do lượng nhiệt được sinh ra bởi con người, thiết bị chiếu sáng và các thiết bị khác.

Đôi khi chúng được gọi là tải lõi hay hấp thụ nhiệt trong nhà.Phụ tải nhiệt trong nhà

Phụ tải nhiệt từ thiết bị chiếu sáng đến các thiết bị khác thường tương đương với năng lượng mà các thiết bị này tiêu thụ:

khi thiết bị chiếu sáng chuyển một đơn vị điện năng (Wh) thành các quang tử ánh sáng, các quang tử này nảy quanh phòng cho tới khi chúng được hấp thụ, như vậy từ năng lượng ánh sáng chuyển thành nhiệt năng.

Tương tự, toàn bộ điện năng mà  bộ đèn không chuyển thành quang tử sẽ trực tiếp chuyển thành nhiệt năng do hiệu suất thấp.

Điều này cũng tương tự cho các trang thiết bị như: điện năng cấp cho động cơ được chuyển thành nhiệt năng qua ma sát, năng lượng được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị điện tử chuyển thành nhiệt qua các điện trở vv..

                     

      Tất cả năng lượng chiếu sáng suy cho cùng đều trở thành nhiệt.

Phụ tải nhiệt của con người tùy thuộc vào số lượng người và mức độ hoạt động của họ. Nó có thể chỉ rất ít, khoảng 70 – 80 watt với người lớn khi ngủ hoặc tới trên 1000 watt đối với các vận động viên tham gia vào các bài tập cường độ cao.

                            

                                                              Phụ tải nhiệt từ các hoạt động khác nhau của con người

Hoạt động                                          Watts

Ngồi                                                  100

Đứng không / Nói chuyện                 130

Ăn                                                      130

Đi bộ                                                  160

Dọn nhà                                             175

Làm việc nặng (như  thợ mộc)           270

Đi nhanh  / Đi bộ thể dục                    400

Chạy đường dai                                  1,000

Bơi nước rút                                        1,600

Bảng giá trị từ Starner, T. and Paradiso, J.A., “Human Generated Power for Mobile Electronics,” in Piguet, C. (ed), Low-Power Electronics, CRC Press, Chapter 45, 2004.

Phụ tải trong & ngoài nhà

Các công trình có mật độ dân cư cao với cường độ hoạt động lớn và/ hay các trang thiết bị tiêu tốn năng lượng (vd tòa nhà văn phòng) thì phụ tải trong công trình là chủ đạo trong khi các công trình có mật độ dân cư thưa thớt với ít trang thiết bị và các hoạt động (như khu hộ dân cư cá thể) thì phụ tải ngoài nhà là chủ yếu.

Đặc thù vận hành và hình khối  công trình cũng sẽ quyết định tầm quan trọng của phụ tải nhiệt bên trong công trình so với phụ tải bên ngoài như từ mặt trời và gió.

Phụ tải sưởi ấm và làm mát

Các phụ tải nhiệt bên trong và ngoài nhà được chuyển hóa thành các phụ tải sưởi ấm và phụ tải làm mát.

Đây là lượng nhiệt cần để sưởi ấm hay làm mát công trình và để kiểm soát độ ẩm bên trong công trình.

Phụ tải thường được tính là lượng năng lượng cần để đưa vào hay loại bỏ khỏi công trình nhằm giữ nhiệt độ ở một điểm nhất định (điểm đặt).

Thu nhiệt chính là phần lớn hơn nhiệt tổn thất từ thông gió và vỏ công trình, có thể gây ra phụ tải làm mát thực tế (công trình quá nóng).

Hao hụt  nhiệt chính là phần ít hơn nhiệt bên trong công trình thu được, có thể gây ra phụ tải sưởi ấm thực tế (công trình quá lạnh).

Điểm đặt sưởi ấm thường khác với điểm đặt làm mát vì thế việc phân bố phụ tải làm mát và sưởi ấm phụ thuộc vào khí hậu.

Phần mềm phân tích hiệu quả của công trình có thể cung cấp các biểu đồ về phụ tải làm mát và sưởi ấm cung cấp chi tiết về các yếu tố quyết đinh tới nhu cầu năng lượng.

                                

Biểu đồ phụ tải làm mát và sưởi hàng tháng cho biết nhiệt năng thu được thu và và hao hụt ở đâu.

Cũng cần lưu ý phụ tải ĐỈNH làm mát và sưởi được sử dụng để xác định kích thước thiết bị điều hòa thông gió – HVAC.

Các sơ đồ phân tích năng lượng giúp nhận diện dòng năng lượng mà không phải xác định kích thước thiết bị.  Tuy nhiên, việc sử dụng các công cụ phân tích năng lượng có thể cho phép bạn tính toán và hiểu tốt hơn năng lương sử dụng để có thể  tránh được việc xác định kích thước thiết bị quá lớn và bỏ qua “các quy tắc theo kinh nghiệm” đặc trưng.

                            

                           Một ví dụ về việc phụ tải làm mát và sưởi ấm được thể hiện như qua các biểu đồ cột.

                                     

Đối với các phụ tải nhiệt, cần lưu ý tới  nhiệt hao hụt và thu được lớn nhất đến từ phụ tải trong hay ngoài nhà.

Sử dụng năng lượng để đáp ứng phụ tải làm mát và phụ tải sưởi ấm

Các giá trị trong sơ đồ phụ tải làm mát và phụ tải sưởi ấm nêu trên thể hiện lượng năng lượng sười ấm hay làm mát cần thiết mà không phải là năng lượng thực tế hệ thống điều hòa thông gió HVAC tiêu thụ để đáp ứng tải yêu cầu.

Các hệ thống thụ động giúp giảm nhu cầu năng lượng hay đáp ứng nó một cách tự nhiên. Các hệ thống chủ động sử dụng khí hay điện để xử lý nhiệt và hơi ẩm. Chủng loại và số lượng thì tùy thuộc vào chủng loại của hệ thống và hiệu suất của nó.

Khi sử dụng các hệ thống chủ động, thường nó sẽ cần nhiều năng lượng hơn để đáp ứng phụ tải sưởi ấm so với việc đáp ứng phụ tải làm mát. Vì sưởi ấm chỉ có thể đạt hiệu suất 75% – 95% trong khi làm mát lại có hiệu suất 300% – 1200% đối với việc đưa nhiệt năng ra khỏi công trình. Do vậy tỷ số giữa  làm mát và sưởi ấm trong biểu đồ tiêu thụ năng lượng nhỏ hơn nhiều so với trong biểu đổ phụ tải.

Tương tự, khi tính đến chi phí sẽ nảy sinh mức độ mức tạp khác vì nhiên liệu để sưởi ấm trên mỗi đơn vị năng lượng rẻ hơn rất nhiều so với điện.

Điểm cân bằng

Khái niệm điểm cân bằng của công trình có thể giúp cho nhà thiết kế xác định khi nào cần làm mát và khi nào cần sưởi.

Điểm cân bằng là nhiệt độ ngoài trời mà tại đó công trình chuyển từ nhu cầu sưởi ấm sang nhu cầu làm mát.

Nó được tính toán bằng cách so sánh lượng nhiệt thu được bên trong (từ người, thiết bị …) với lương nhiệt hao hụt bên ngoài (từ sự rò rỉ của công trình …). Nó không phải là nhiệt độ tiện nghi lý tưởng bên trong công trình.

Nó là nhiệt độ mà tại đó lượng nhiệt thu được của công trình cân bằng với hao hụt.

Nếu nhiệt độ DƯỚI điểm cân bằng, cần phải sưởi ấm.

Nếu nhiệt độ TRÊN điểm cân bằng, cần làm mát.

Nếu nhiệt độ tại điểm cân bằng, không cần sưởi hay làm mát vì công trình thu được lượng nhiệt bằng lượng nhiệt hao hụt.

Ví dụ, nếu điểm cân bằng của một công trình là 65 độ và nhiệt độ ngoài nhà là 75 độ, các phương pháp làm mát thụ động như che nắng sẽ là một giải pháp rất hữu hiệu khi đó.

Công trình có lượng nhiệt thu được trong nhà caovà tỷ lệ hao hụt nhiệt thấp (tòa nhà kín và cách nhiệt tốt), sẽ có điểm cân bằng thấp hơn.