Ảnh minh hoạ (Theo Good Life Energy Savers)
Cửa tiết kiệm năng lượng được biết đến và sử dụng với mục đích giảm chi phí sưởi ấm, làm mát tòa nhà, đồng thời cũng giúp làm tăng tính tiện nghi cho con người và giảm thiểu các vấn đề ngưng tụ hơi nước trên bề mặt cửa sổ. Tuy nhiên, người tiêu dùng hiện nay thường bối rối về cách chọn loại cửa hiệu quả nhất trong nguồn tài chính đầu tư của mình. Các thông tin cung cấp trên sản phẩm thường là những thông số đặc trưng nhiệt như: Hệ số truyền nhiệt U-value hoặc nhiệt trở R-value, Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời SHGC hoặc Hệ số che nắng SC, tỷ lệ rò rỉ không khí (air leakage) và độ kháng ngưng tụ hơi nước (Condensation resistance – CR). Vai trò tiết kiệm năng lượng (giảm chi phí điện tiêu thụ) của những thông số đặc trưng này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường, kết cấu tòa nhà. Hơn nữa, các tính chất này thường được tính toán và thử nghiệm theo các điều kiện đánh giá tĩnh tiêu chuẩn hóa rất khác với điều kiện thực.
Bài viết này với mục đích đưa đến độc giả phương pháp để so sánh, đánh giá tiềm năng tiết kiệm điện nhằm giúp chủ đầu tư, các nhà thiết kế, người tiêu dùng và các nhà thầu xây dựng lựa chọn hiệu quả hệ thống cửa tiết kiệm năng lượng ứng dụng vào công trình cụ thể của mình, cho dù đó là công trình xây mới, công trình cải tạo hay chỉ đơn giản là lựa chọn thay thế hệ thống cửa của mình.
Để thực hiện được việc này cần sử dụng công cụ mô phỏng máy tính nhằm tính toán lượng sử dụng năng lượng dùng cho sưởi ấm vào mùa đông và làm mát vào mùa hè, tính toán các chi phí điện liên quan cũng như nhu cầu sưởi ấm và làm mát cao điểm cho sản phẩm cửa cụ thể. Người dùng sẽ phải xác định một kịch bản cụ thể bằng cách lựa chọn một loại nhà (một tầng hoặc hai tầng) để mô phỏng, vị trí địa lý, hướng, đơn giá điện và chi tiết kết cấu nhà (chẳng hạn như tường, sàn và hệ thống điều hòa không khí HVAC).
Người dùng cũng phải có thông tin chỉ định về kích thước, loại kết cấu che nắng và thông số đặc trưng nhiệt của cửa, kính, rèm,… Các thông số đặc trưng nhiệt cần thiết cho công cụ mô phỏng này là: hệ số truyền nhiệt U-value; Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời SHGC; và tỷ lệ rò rỉ không khí (air leakage). Công cụ mô phỏng sẽ tính toán năng lượng và chi phí tiêu thụ điện trung bình trong năm của cửa sổ so với bức tường cách nhiệt. So sánh và đánh giá tương đối hiệu quả tiết kiệm điện giữa các loại cửa khác nhau như so sánh hiệu quả tiết kiệm điện của cửa sổ thông thường và cửa sổ tiết kiệm năng lượng để có căn cứ quyết định đầu tư.
Bảng 1: Giả định mô phỏng - Liệt kê các thông tin giả định làm đầu vào cho công cụ mô phỏng năng lượng tòa nhà.
Nhằm phân tích đánh giá hiệu quả tiết kiệm điện của các loại cửa tiết kiệm năng lượng, bài viết này đưa ra phân tích một ví dụ so sánh đánh giá giữa hai loại cửa sổ là: Bộ cửa nhôm kính thông thường và Bộ cửa nhôm có cầu nhiệt với kính hộp low E như sau:
Lựa chọn thiết lập Tòa nhà mô phỏng theo các thông số mặc định như trong Bảng 1, với những điều chỉnh để tính toán cho điều kiện phù hợp với khí hậu Việt Nam như sau:
- Vị trí: Hà Nội (dữ liệu thời tiết sử dụng trong mô phỏng là dữ liệu trạm Nội Bài năm 2009).
- Loại tòa nhà mô phỏng: Tòa nhà xây mới 1 tầng.
- Loại móng: Móng bê tông (Slab-On_Grade).
- Hệ thống làm mát HVAC: Bơm nhiệt chạy điện.
- Tổng diện tích sàn: 186 m2.
- Tổng diện tích cửa sổ: 28 m2.
- Kết cấu bao che không sử dụng vật liệu cách nhiệt.
- Hệ số suy giảm bức xạ năng lượng mặt trời: Lựa chọn Typical.
- Nhiệt trở trần: R11.
- Nhiệt trở tường: R7.
- Đơn giá điện 2.535 đồng/kWh (0,110 $/kWh).
1. Mô phỏng mức tiêu hao điện cho sưởi ấm và làm mát trong tòa nhà sử dụng cửa sổ nhôm kính thông thường
Cửa sổ nhôm kính thông thường với thông số đặc trưng nhiệt như Hình 1: U-value là 5,799 W/m2K; SHGC là 0,821; Độ rò rỉ không khí là 1,52 l/s.m2.
Hình 1: Thông số đặc trưng nhiệt của cửa nhôm kính thông thường
Kết quả chạy mô phỏng tiêu hao điện trung bình trong năm của tòa nhà khi sử dụng loại cửa sổ nhôm kính thông thường thu được như sau:
2. Mô phỏng mức tiêu hao điện cho sưởi ấm và làm mát trong tòa nhà sử dụng cửa sổ khung nhôm định hình có cầu nhiệt và kính hộp low E
Cửa sổ nhôm là lựa chọn phổ biến sử dụng trong các công trình tại Việt Nam do những ưu điểm như vẻ ngoài đẹp, hiện đại, chi phí bảo trì thấp cùng khả năng chống ăn mòn và độ bền khiến sản phẩm không bị mục nát hoặc cong vênh như các loại cửa gỗ thông thường. Tuy nhiên, nhôm không phải là vật liệu cách nhiệt tự nhiên, điều này dẫn đến việc khung nhôm sẽ làm cho nhiệt ấm trong nhà thoát ra ngoài (vào mùa đông) hoặc nhiệt nóng bên ngoài truyền vào trong nhà (vào mùa hè) được chỉ rõ trong Hình 2. Để loại bỏ điều này, các nhà sản xuất sẽ sử dụng kết cấu cầu cách nhiệt (thermal breaks), kết cấu này chỉ đơn giản là một phần vật liệu được gắn trong khung nhôm định hình để giảm sự thất thoát nhiệt. Nó giúp ngăn cách khung nhôm thành hai phần bên trong và bên ngoài như hai khoang nhiệt riêng biệt (Hình 3). Cầu cách nhiệt này sẽ làm giảm hiệu ứng truyền nhiệt và đảm bảo cửa sổ đạt hiệu suất tính năng nhiệt nhất định, cùng một kết cấu profile khung sử dụng cầu cách nhiệt làm giảm U-value của khung cửa từ 6,2728 W/m2K xuống 3,5074 W/m2K.
Hình 2: Phân bố nhiệt của khung cửa nhôm định hình không có cầu cách nhiệt
Hình 3: Phân bố nhiệt của khung cửa nhôm định hình khi sử dụng cầu cách nhiệt
Bộ cửa nhôm định hình với hộp kính low E có các thông số đặc trưng nhiệt như Hình 4: U-value là 2,226 W/m2K; SHGC là 0,217; Độ rò rỉ không khí là 1,52 l/s.m2.
Hình 4: Thông số đặc trưng nhiệt của cửa nhôm định hình tiết kiệm năng lượng
Kết quả chạy mô phỏng tiêu hao điện trung bình trong năm của tòa nhà khi sử dụng loại cửa sổ nhôm định hình tiết kiệm năng lượng thu được như sau:
Trong điều kiện khí hậu thực tế tại Hà Nội, từ kết quả mô phỏng mức tiêu hao điện năng cho hệ thống điều hòa không khí của một ngôi nhà cho thấy: trong cùng điều kiện tiêu chuẩn, việc sử dụng loại cửa tiết kiệm năng lượng có thể giúp cho chủ sở hữu ngôi nhà tiết kiệm được đến 210,07 USD/năm (~4,85 triệu đồng/năm). Đây sẽ là một căn cứ giúp cho chủ đầu tư, người sử dụng dễ dàng đánh giá được hiệu quả cho việc đầu tư thay đổi công nghệ, áp dụng các công nghệ vật liệu mới vào xây dựng giúp cho công trình xây dựng xanh hơn, tiết kiệm và hiệu quả hơn.
Trung tâm Thiết bị Môi trường & An toàn Lao động - Viện Vật liệu xây dựng (VIBM) là một trong những đơn vị nghiên cứu đi đầu trong đánh giá thử nghiệm, tính toán chi tiết các thông số đặc trưng về truyền nhiệt, truyền quang bao gồm hệ số truyền nhiệt U-value, Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời SHGC, hệ số truyền sáng VLT của toàn bộ kết cấu cửa sổ, cửa đi, đánh giá hiệu quả che nắng của các kết cấu che nắng, rèm cửa,… theo nhiều hệ tiêu chuẩn khác nhau như: TCVN 11857, ISO 15099, NFRC 200, EN 410, EN 13663, JIS A 2103. Thử nghiệm, tính toán, đánh giá sự phù hợp của hệ thống cửa sổ & cửa đi đáp ứng QCVN 09:2017/BXD.
Chi tiết liên hệ:
Trung tâm Thiết bị, Môi trường & An toàn lao động – VIBM
Địa chỉ: Ngõ 235 đường Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội
Điện thoại: 024.35585928; 0915.502.834; 0912.181.479; Fax: 024.38581112
Email: tbmt.atld@gmail.com
Website: http://vibm.vn
Cao Chiến