Phụ tải chiếu sáng và thiết bị

Mô tả giải pháp

Các thiết bị chiếu sáng, điều hòa thông gió (HVAC), bình nước nóng và các thiết bị gia dụng đều tiêu thụ năng lượng hoặc là điện năng hoặc là nhiên liệu. Đây là những thiết bị có vai trò quan trọng, cần phải được thừa nhận một cách hợp lý và tối ưu hóa để đạt được một thiết kế công trình có hiệu quả cao; đồng thời đây cũng là các dữ liệu đầu vào vô cùng quan trọng đối với phương pháp mô phỏng phân tích năng lượng toàn bộ công trình.

Các phụ tải thiết bị điện, chiếu sáng, ổ cắm mô tả dưới đây được xác định tùy theo mục đích sử dụng của tòa nhà, cư dân và kế hoạch vận hành.

Nói một cách ngắn gọn là đặc thù vận hành công trình.

Phụ tải chiếu sáng

Phụ tải chiếu sáng là năng lượng được sử dụng để cung cấp cho việc chiếu sáng bằng điện; nó chiếm gần 1/3 nguồn năng lượng sử dụng trong các tòa nhà thương mại tại Mỹ, và thông thường từ  10 – 15% trong các tòa nhà dân cư. Phụ tải trong một công trình thường được nhắc tới với thuật ngữ “Mật độ công suất chiếu sáng”, được đo bằng đơn vị Watt/ m2 (hoặc foot vuông).Phụ tải chiếu sáng

Khi quyết định lựa chọn loại sản phẩm chiếu sáng để đưa vào sử dụng, hãy xem hiệu suất (hay hiệu quả chiếu sáng của sản phẩm).

Nguồn sáng có hiệu suất càng cao thì các thiết bị không chỉ giảm phụ tải chiếu sáng mà còn giảm phủ tải làm mát nhưng vẫn mang lại độ sáng quan sát tương đương.

                           

Với cùng công suất ánh sáng quan sát được nhưng đèn sợ đốt phátra nhiều nhiệt hơn (ánh sáng hồng ngoại), gây ra phụ tải làm mát và chiếu sáng cao hơn so với bóng đèn huỳnh quang ( Từ Pacific Energy Center)

Phụ tải ổ cắm

Phụ tải ổ cắm là điện năng được sử dụng cho các thiết bị khác như máy tính và đồ gia dụng; chúng chiếm tới 20 – 30% phụ tải điện trong các tòa nhà thương mại và 15 – 20% năng lượng gia đình mặc dù các con số này đang ngày càng gia tăng do các thiết bị điện từ phát triển một cách tràn lan.

Phụ tải thiết bị điện đôi khi bao gồm cả “Mật độ công suất thiết bị” (EPD) và đôi khi chúng lại được tách riêng.

Khi thực hiện phân tích công trình, điều quan trọng là nắm được các giá trị đầu vào.

 

Thiết bị                         Công suất  danh định (watts)

Máy tính để bàn                     120

Máy tính xách tay                   45

Màn hình LCD 17”                   7

Máy in để bàn                        120

Máy in văn phòng                  250

Máy photocopy                       750

Tủ lạnh                                   750

Máy rửa bát                            1,200

Ti vi                                         100

Tủ lạnh cỡ lớn                         1,000

Nồi chiên cỡ lớn                     10,000

Máy giặt                                   350

Máy sấy                                   2,000

Phụ tải ổ cắm cho một số thiết bị (Nguồn: USGBC và EnergyStar)

Phụ tải thiết bị

Các thiết bị như hệ thống điều hòa thông gió – HVAC và bình nước nóng chính là các phụ tải chính khác bên trong công trình. Nó được tách riêng với phụ tải ổ cắm và được gắn với thuật ngữ “Mật độ công suất thiết bị” được đo bằng đơn vị Watts/m2 hay W/ft2.

Khi quyết định lựa chọn thiết bị sử dụng, cần xem xét bảng đánh giá định lượng của một bên thứ ba hoặc công suất tối đa thể hiện trong bảng hướng dẫn/ thông số kỹ thuật của thiết bị (thường thì không có các thông số về công suất sử dụng trung bình vì nó thay đổi tùy theo tình hình sử dụng).

Ví dụ về phụ tải  bên trong các không gian khác nhau

                                  Mật độ công suất chiếu sáng             Equipment Power Density             Plug Loads (Peak)          Occupancy

                                        W/m2       W/ft2                             W/m2         W/ft2                    W/m2     W/ft2           People/100m2

Hội trường                           17           1.6                                  10             0.9                        2.2         0.2                     75

Phòng học                           13           1.2                                   11            1.0                         10          0.9                   25-35

Khu dịch vụ ăn uống            15           1.4                                   9              0.8                         13         1.2                    15-40

Văn phòng                          11-30      1.0-2.8                              14            1.3                          27          2.5                   3.5-5

Cửa hàng bán lẻ                  16            1.5                                   10            0.9                         4.5         0.4                   10-20

Nhà ở (gia đình cá thể)         5             0.5                                   5              0.5                         NA          NA                      1

Nhà ở (nhiều hộ gia đình)     8             0.7                                  11             1.0                          NA          NA                     2.5

Kho hàng                              9             0.8                                   5              0.5                           2.2        0.2                    1.5

Lưu ý rằng thông tin này có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng không gian.

Đo lường tiêu thụ năng lượng của công trình

Mô tả giải pháp

Nhờ nhận biết được cách đo năng lượng sử dụng trong công trình, nó sẽ giúp chúng ta đặt ra các mục tiêu tốt hơn về hiệu suất năng lượng. Cường độ sử dụng năng lượng (Energy Use Intensity – EUI) chuẩn hóa năng lượng sử dụng theo diện tích sàn và nó rất hữu ích cho việc xác định các mục tiêu và định chuẩn. Nhưng khi dưới các tác động của môi trường, chúng ta cần xem xét ngược lại “ năng lượng nguồn”. Tương tự, khi đo đạc hiệu suất năng lượng, chúng ta cần biết loại thiết bị/ dụng cụ nào tiêu thụ nhiều năng lượng nhất.

                                             

         Các công cụ phân tích năng lượng Autodesk cho thấy hiệu quả  của công trình về cường độ  sử dụng năng lượng – EUI dựa trên tiêu thụ cả về điện và chất đốt.

Cường độ sử dụng năng lượng – EUI

Khi so sánh các công trình, chúng ta không chỉ nhắc tới tổng như cầu năng lượng mà còn nói tới “cường độ sử dụng năng lượng (EUI)”.  Cường độ năng lượng đơn giản chỉ là nhu cầu năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích sàn của công trình, thường theo đơn vị m2 hay ft2. Nó cho phép chúng ta so sánh  nhu cầu năng lượng của các công trình có kích thước khác nhau; như thế, chúng ta có thể thấy được công trình nào hoạt động tốt hơn.

EUI là đơn vị đặc biệt quan trọng trong việc thiết lập định chuẩn và mục tiêu tiêu thụ năng lượng.Cường độ sử dụng năng lượng thường thay đổi nhỏ tùy theo đặc thù vận hành công trình, điều kiện khí hậu và kích thước của công trình. Dựa trên các thông tin của CBECS data – Hoa Kỳ, các biểu đồ dưới đây cung cấp dải cường độ sử dụng năng lượng – EUI mà bạn có thể tham  khảo.

         

Cường độ sử dụng năng lượng căn cứ theo hoạt động của công trình (đặc thù vận hành của công trình).

Công trình chăm sóc sức khỏe và dịch vụ ăn uống có cường độ năng lượng cao nhất.

Kho hàng, cửa hàng bán lẻ và công trình dịch vụ có cường độ năng lượng thấp hơn.

Có sự chênh lệch rất lớn giữa các loại công trình (Các công trình có cường độ năng lượng lớn nhất sử dụng năng lượng cao gấp 4 lần các công trình không có người ở và cường độ năng lượng thấp nhất).

          

Cường độ sử dụng năng lượng theo diện tích công trình.

Các công trình lớn có cường độ năng lượng cao hơn các công trình nhỏ, nhưng các công trình nhỏ cũng có thể có cường độ năng lượng cao.

Năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn

                                  

                             Điện năng chúng ta tiêu thụ thực tế tại công trình có thể cần nhiều năng lượng đầu nguồn hơn.

                                          1kW năng lượng tại công trình cần 3.3 kW năng lượng nguồn, ở Hoa Kỳ.

Cường độ năng lượng chỉ xem xét đến lượng điện năng và nhiệt được sử dụng tại công trường (năng lượng “thứ cấp” hay “tiêu thụ tại công trường”). Nó không tính đến lượng nhiên liệu được tiêu thụ để tạo ra lượng nhiệt hay điện năng đó.

Năng lượng “nguồn” hay ‘sơ cấp” có thể được tạo ra ngay tại công trình hoặc nhà máy điện bố trí từ xa.

Khi đo năng lượng được sử dụng để cung cấp sự tiện nghi về nhiệt hay quan sát, năng lượng tiêu thụ tại công trình là phương pháp hữu hiệu nhất.

Nhưng khi đo tổng năng lượng sử dụng để đánh giá tác động môi trường, năng lượng nguồn là phương pháp chính xác nhất.

Đôi khi việc sử dụng ít năng lượng tại công trình thực chất gây ra việc sử dụng nhiều năng lượng nguồn hơn.

Ví dụ, 2kW khí tự nhiên được đốt cháy tại công trình để lấy nhiệt có thể không bằng 1kW điện sử dụng tại công trình để cấp nhiệt tương đương khi sử dụng bơm nhiệt.

Tuy nhiên, 1 kW điện từ mạng lưới điện trung thế tương đương với 3.3kW năng lượng nguồn do hiệu suất thấp của máy phát điện sử dụng chất đốt và do lượng hao hụt nhỏ trên đường truyền tải.

Nên thực tế, 2kW khí tự nhiên được đốt tại công trình lại tốt hơn cho việc cấp nhiệt.

                         

Bảng: phương pháp đánh giá hiệu suất của EPA’s EnergyStar- Hoa Kỳ đối với việc sử dụng năng lượng nguồn kết hợp.

                             

1 kW điện năng tại công trình từ tấm pin mặt trời trên mái công trình tương đương 1kW năng lượng nguồn vì các tấm pin mặt trời chình là nguồn năng lượng.

Tiêu thụ năng lượng

Các công trình thương mại và nhà ở sử dụng năng lượng một cách khác nhau.

Các công trình thương mại chủ yếu là phụ tải nhiệt bên trong công trình (nhiều người và thiết bị hơn) và sử dụng  chiếu sáng nhiều hơn so với các công trình nhà ở. Các công trình dân cư thường chủ yếu là phụ tải nhiệt ngoài nhà và một tỷ lệ lớn năng lượng được sử dụng để sưởi ấm và làm mát nhằm đáp ứng các phụ tải này.

Biểu đồ Sankey về tiêu thụ năng lượng là một hình ảnh mô phỏng tuyệt vời thể hiện năng lượng đến từ đâu và được đưa tới vị trí nào trong công trình.

Trong mỗi đồ thị Sankey, độ rộng của cột thể hiện số lượng đo được và lưu đồ “đầu nguồn tới hạ nguồn” (thường theo mũi tên).

Trong biểu đồ Sankey thể hiện dưới đây của USDOE, nguồn năng lượng được thể hiện ở bên trài (than đá, khí tự nhiên) và điểm tiêu thụ năng lượng được thể hiện ở bên phải (cấp nhiệt cho phòng, chiếu sáng và các thiết bị).

Chúng ta có thể thấy rõ sự khác biệt giữa năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn trong biểu đồ bằng mũi tên kéo dài khỏi đỉnh vì một loạt các hao hụt khác nhau.

 

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở  tại Hoa Kỳ cho thấy:

Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.

Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.

Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.

Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thụ”.

Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.