Bài giảng Thiết kế tòa nhà ít năng lượng và năng lượng mặt trời thụ động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA NĂNG LƯỢNG

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN & NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

BÀI GIẢNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

GIẢNG VIÊN: HỒ SỸ MÃO

Chương XIII THIẾT KẾ TÒA NHÀ SỬ DỤNG ÍT NĂNG LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THỤ ĐỘNG

& NLTT BBộộ MônMôn ThThủủyy ĐiĐiệệnn & NLTT

KhoaKhoa NăngNăng LưLượợngng

13.1 Giới thiệu - Khái niệm năng lượng mặt trời thụ động thích hợp với việc

khai thác năng lượng mặt trời để đốt nóng, sưởi ấm, thông gió

và chiếu sáng tòa nhà mà không sử dụng thiết bị cơ khí.

- Thiết kế mà tìm kiếm để tạo ra những tòa nhà có năng lượng

thấp, chúng hòa nhập với môi trường tự nhiên.

- Các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời bị động xu hướng có mặt tiền phức tạp, mặt tiền này hợp thành các đặc điểm như vật che ngoại thất, các cửa sổ mở và các ngăn ánh sáng

- Để thiết kế được một tòa nhà sử dụng năng lượng bị đông tốt, người thiết kế phải có một kiến thức và sự hiểu biết toàn diện

về di chuyển nhiệt và cơ học chất lỏng

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động - Năng lượng mặt trời là nguồn đốt nóng bức xạ mà mọi cuộc sống phụ thuộc vào nó một cách cơ bản - VD: ở vĩ độ 45 độ Bắc và 45 độ Nam cường độ năng lượng mặt trời vào buổi trưa vào giữa đông lên kính thẳng đứng mặt hướng nam là 595W/m2

- Các công nghệ đốt nóng bằng năng lượng mặt trời bị động đáp ứng nhu cầu tốt cho các ứng dụng mà trải qua cả khi nhiệt độ không khí mùa đông thấp - Dưới điều kiện này, bức xạ năng lượng mặt trời

nhiều hơn cần thiết sẵn sàng để dùng trong suốt cả ngày có thể được thu và trữ lại để dùng về đêm khi việc đốt nóng được yêu cầu

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

- Có bốn cách tiếp cận cơ bản tới việc đốt nóng sử dụng năng

lượng mặt trời bị động:

+ Các hệ thống thu trực tiếp

+ Các hệ thống thu gián tiếp + Các hệ thống thu độc lập + Các hệ thống xi phông nhiệt

- Tất cả bốn công nghệ này mục đích là để trữ năng lượng mặt trời trong ngày theo nhiều cách khác nhau để sưởi vào ban đêm khi nhiệt độ không khí ngoài trời thấp

- các hệ thống đốt nóng bằng năng lượng mặt trời dựa vào việc

sử dụng diện tích kính lắp lớn để thu được bức xạ mặt trời.

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

- Kính chuyển bức xạ năng lương mặt trời sóng tương đối ngắn với bước sóng từ 380 đến 2500mm, nhưng lại hạn chế bức xạ ở bước sóng vượt quá 2500mm.

- kính cho phép bức xạ mặt trời chiếu vòa không gian phòng, nhưng nó lại ngăn rất nhiều bức xạ sóng dài được phát ra khi bề mặt của phòng nóng

- kính lắp cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tự điều

tiết hơi nóng mặt trời thu được

13.2 Đốt nóng sử dụng năng lượng mặt trời bị động

Hình 13.1: Sự phản xạ năng lượng mặt trời trên kính lắp

Hình 13.2: Góc tia mặt trời và diện tích tiếp xúc

13.2.1 Các công nghệ thu trực tiếp

- Việc tận dụng năng lượng mặt trời thu được có thể là cách

tiếp cận đơn giản nhất tới việc đốt nóng bằng năng lượng mặt trời thụ động.

- Việc sử dụng không gian thực tế bên trong một tòa nhà như

vật thu năng lượng mặt trời

- Để thu được giá trị cực đại lượng bức xạ mặt trời trong suốt

các tháng mùa hè thì các phòng nên có một diện tích lớn kính lắp mặt hướng về phía Nam

- Sàn nhà và tường của phòng nên được xây dựng từ các vật

liệu đặc một khả năng chứa nhiệt cao

13.2.1 Các công nghệ thu trực tiếp

Hình 13.3: Việc sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thu trực tiếp

13.2.2 Các công nghệ thu gián tiếp

- Trong một hệ thống thu gián tiếp, một pin với khối nhiệt cao

được đặt giữa mặt trời và không gian phòng

- Năng lượng mặt trời chiếu vào khối nhiệt đều bị thu lại vì thế nó đốt nóng lên trong suốt thời gian ban ngày.Vào buôit tối và ban đêm, hơi nóng được chuyển tới phòng từ khối nhiệt bằng việc kết hợp việc dẫn nhiệt, đối lưu và tỏa nhiệt.

- Kết cấu tường Trombe bao gồm một tường công trình dày tới 600mm, được đặt trực tiếp phía sau mặt chính của kính lắp

hướng Nam

13.2.2 Các công nghệ thu gián tiếp

Hình 13.4: Sự làm việc của tường Trombe

13.2.3 Các công nghệ thu độc lập

- Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời thụ động bằng thu độc lập là một sự kết hợp của hệ thống thu trực tiếp và gián tiếp là cần thiết và bao gồm công trình của phòng mặt trời riêng biệt gần sát với không gian sống chính

- Trong hệ thống thu độc lập, bức xạ mặt trời vào phòng mặt trời được giữ lại trong khối nhiệt của sàn và tường vách. - Hơi nóng từ phòng mặt trời truyền qua không gian sống bằng việc dẫn nhiệt qua tường chung ở phía sau phòng mặt trời và

bằng sự đối lưu qua các lỗ thông hoặc các cửa ở tường chung

13.2.3 Các công nghệ thu độc lập

Hình 13.5: Sự làm việc của hệ thống thu độc lập

13.2.4 Các hệ thống xiphông nhiệt

- Nếu một vật thu năng lượng mặt trời chứa nước hoặc không khí được đặt bên dưới một vật trao đổi nhiệt thì sẽ tạo ra một xiphông nhiệt

- Chất lỏng nóng lên trong thiết bị thu năng lượng mặt trời, chất lỏng trở nên ít đặc hơn và sôi nhiều hơn và vì thế nó bay hơi nên vật trao đổi hơi nóng

- Chất lỏng nóng chảy qua vật trao đổi hơi nóng nên nó được làm mát và vì vậy chất lỏng bị rơi xuống vật thu năng lượng

mặt trời, ở đó quá trình bắt đầu lại

13.2.4 Các hệ thống xiphông nhiệt

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động - Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động là sử dụng năng lượng mặt trời để cấp năng lượng đun nóng các hệ thống máy bơm nước nóng

- Dạng thiết bị thu năng lượng mặt trời chủ động đơn giản nhất có thể là thiết bị thu đĩa phẳng bao gồm một ống kim loại uốn khúc được ghép với một đĩa kim loại và được đặt trong một hộp có kính ở phía trước.

- Công suất nung nóng từ các thiết bị thu bằng đĩa phẳng có thể được xác định băng việc sử dụng phương trình Hottel-Whilier

Q = PH [(τα) I – U (tw –ta)] (13.1)

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động

- Trong đó: Q là mức nhận năng lượng hữu ích (W/m2), I là

cường độ bức xạ năng lượng mặt trời, τ là hệ số phản xạ, α là hệ số hấp thụ, U là hệ số chuyển toàn bộ hơi nóng tới không khí (W/m2K), PH là hệ số hiệu quả của thiết bị thu năng lượng mặt trời, tw nhiệt độ trung bình của nước (độ C) và ta là nhiệt độ không khí bao quanh (độ C)

- Hiệu suất thiết bị thu năng lượng mặt trời là tỷ số của công

suất hơi nóng hữu ích trên công suất hơi nóng từ năng lượng mặt trời.

Hiệu suất η = Q/I (13.2)

= PH [(τα) – U (tw – ta)/I] (13.2)

13.3 Đốt nóng bằng năng lượng mặt trời chủ động

13.4 Quang Vontaic

- Có thể sản xuất ra điện bằng cách tận dụng quá trình quang

điện

- Có 3 quá trình quang điện chính: quang xạ, quang dẫn và hiệu

ứng quang vontaic + Quang xạ xảy ra khi các vật liệu phát ra các electron dưới dạng ánh sáng + Hiệu ứng quang dẫn là hiện tượng nhờ đó một dòng điện chạy qua một chất tăng lên dẫn đến kết quả là hình thành ánh sáng + hiệu ứng quang vontaic được siử dụng rộng rãi nhất để sản

xuất ra điện năng từ ánh sáng mặt trời

13.4 Quang Vontaic

- Hiệu ứng quang vontainc xảy ra khi ánh sàng rơi vào ranh

giới giữa 2 chất và tạo ra các electron chuyền từ mặt này của đường biên tới mặt kia của đường biên

- Kết quả của quá trình chuyển của electron này, một vật liệu thu được một lượng electron vượt quá và trở thành cực âm trong khi chất còn lại bị mất electron và trở thành cực dương

- Các tế bào quang vontaic được phát triển lần đầu tiên vào

những năm 1950 trong công nghiệp không gian dùng trong các vệ tinh

- Các tế bào quang vontaic bao gồm các tế bào điện bán dẫn

được lai ghép từ việc sử dụng các miếng tròn silicon kết tinh như một chất nền kim loại

13.5 Làm mát bằng năng lượng mặt trời bị động - Sử dụng các công nghệ làm mát bị động, một vài công nghệ

này tận dụng năng lượng mặt trời một cách trực tiếp

- Việc làm mát bằng năng lượng mặt trời bị động và bảo vệ các tòa nhà khỏi năng lượng mặt trời hơn là tận dụng năng lượng đó

- Nhiều tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà kinh tế lớn, trải qua nhiều vấn đề thừa hơi nóng trong suốt các tháng mùa hè.

- Việc bảo vệ khỏi năng lượng mặt trời được hấp thụ, nhiều tòa

nhà sở hữu những vỏ bọc có hướng phát triển thành hiện tượng nhà kính một cách tích cực, do đó đòi hỏi phải lắp các hệ thống điều hòa không khí lớn.

- Sử dụng các công nghệ làm mát tòa nhà hấp thụ NL mặt trời

13.5.1 Các công nghệ che

- Để ngăn việc thừa hơi nóng trong suốt các tháng mùa hè hay trong suốt một phần nào của năm là lắp thiểt bị che năng lượng mặt trời thích hợp

- Các công nghệ che có thể được phân loại rộng rãi như ngoại

thất, nội thất hay ô kính giữa

13.5.2 Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời - Với loại kính thường: gần 78% bực xạ mặt trời tới được

chuyển một cách trực tiếp qua kính, . 7% bức xạ tới bị phản xạ lại và kính hấp thu hơn 15 %.Hơi nóng được hấp thụ làm ấm kính

- Có thể giảm đáng kể hơi nónh từ năng lượng mặt trời thu

được bằng việc sử dụng kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời

- Loại lính này được chia ra làm hai loại kính rõ ràng: kính hấp thu năng lượng mặt trời và kính phản xạ năng lượng mặt trời - Kính hấp thu năng lượng mặt trời là kính được nhuộm phần thân, điển hình là màu đồng, xám, xanh ra trời hoặc xanh lá cây, dùng một loai oixit kim loại

13.5.2 Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời

Hình 13.10: Sự tỏa nhiệt, phản xạ và hấp thu của kính bè trong dày 6mm

13.5.3 Sự bố trí cửa sổ tiên tiến trong nhà

- Các cửa sổ trong các tòa nhà thường được yêu cầu khả năng

khác nhau + Cho phép ánh sáng ban ngày chiếu vào tòa nhà + Cải tiến việc thông gió tự nhiên + Cải thiện việc sưởi nóng bằng năng lượng mặt trời + Giảm hơi nóng từ năng lượng mặt trời đem lại + Ngăn được sự xâm nhập của tiếng ồn bên ngoài + Duy trì việc bảo vệ tòa nhà.

- Sử dụng công nghệ

+ Kính lắp điều khiển năng lượng mặt trời (như kính hấp thụ hoặc kính phản xạ) + Vật che ngoại thất + Các rèm che nội thất hoặc rèm ô kính trung gian + Các cửa sổ có thể mở ra được hoặc các ống thông khí.

13.5.3 Sự bố trí cửa sổ tiên tiến trong nhà

Hình 13.11: Hệ thống kiến trúc tiên tiến điển hình

13.5.4 Hệ thống thông gió tự nhiên

- Hệ thống làm mát tự nhiên có thể được chia làm 2 chiến lược cơ bản: hệ thống làm mát ngang và hệ thống làm mát chạy nổi lên hay hệ thống làm mát bằng ống cao.

- Hệ thống làm mát ngang xảy ra khi các lỗ hổng được đặt ở

các cạnh đối diện nhau của một tòa nhà vì thế áp lực gió đẩy không khí đi qua không gian của phòng

- Hệ thống thông gió kiểu ống cao dựa vào thực tế khi không khí ấm lên, tỷ trọng của không khí giảm xuống và không khí trở nên nhẹ hơn

- Hệ thống làm mát ống cao bao gồm việc hình thành các ống hay khoang tâm nhĩ bên trong tòa nhà với các ống thông hơi đặt phía trên cao

13.5.4 Hệ thống thông gió tự nhiên

13.5.6 Thông hơi ban đêm

- Làm mát sàn nhà, tường bị hấp thụ nhiệt trong ngày - Các hệ thống thông gió ban ngày không có tác dụng

13.5.6 Thông hơi ban đêm

13.5.7 Termodeck

- Khi tạo ra một kế hoạch thông gió ban đêm, điều quan trọng là đảm bảo thực hiện tốt sự kết hợp nhiệt giữa không khí và khối sàn bê tông

- Một hệ thống đạt được mục đích này tốt là hệ thống thanh sàn

bê tông rỗng Swedish Termodeck

- Hệ thống Termodeck được sử dụng thành công ở khắp nơi

Bắc Châu Âu và ở Anh,

- Bằng việc hình thành các đường thông gió vuông góc kết nối

với nhau giữa các lõi lỗ hổng thì có thể hình thành một vòng 3

hoặc 5 rãnh qua đó không khí cung cấpcó thể đi qua

13.5.7 Termodeck

13.6 Hình dạng của tòa nhà

- Quyết định sử dụng các biện pháp điều khiển môi trường bị

động ảnh hưởng đến cấu tạo các tòa nhà

- Việc sử dụng chiến lược sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời bị động cũng dẫn tới một tòa nhà mặt bằng hẹp, nhưng với các diện tích lớn của kính lắp mặt hướng nam - Kết cấu tòa nhà sử dụng năng lượng bị động:

+ Sử dụng vỏ bọc bên ngoài được bảo vệ chắc chắn + Sử dụng kiến trúc được thiết kế cẩn thận và thường phức tạp để giảm tối thiểu năng lượng mặt trời thu được và giảm các tổn thất hơi nóng của tòa nhà + Việc sử dụng các ống cao hay tâm thất để cải tiến hệ thống

thông gió ống cao

13.6 Hình dạng của tòa nhà

- Việc sử dung thông gió ban đêm để làm sạch kết cấu tòa nhà

của hơi nóng tích tụ trong suốt thời gian ban ngày

- Một trong các đặc tính của các tòa nhà được thông gió tự

nhiên tiên tiến này là chúng thường có các mặt tiền phức tạp - Những mặt tiền này kết hợp với hệ thống kiến trúc tiên tiến có nhiều phần có thể di chuyển được và hệ thống này thường

được điều khiển bởi hệ thống quan lý tòa nhà (BMS)

- Các mẫu nhà đã được thiết kế :

13.6 Hình dạng của tòa nhà

13.7 Việc vân hành tòa nhà

- Việc sử dụng kế hoạch điều khiển môi trường bị động không chỉ ảnh hưởng toàn bộ hình dáng của tòa nhà, nó cũng có thể có tác động đáng kể việc vận hành tòa nhà và khả năng sử dụng của người dùng

- Bản chất phức tạp của kiến trúc đòi hỏi trong các tòa nhà

được thông gió tự nhiên tiên tiến có thể gây nên nhiều vấn đề và do đó đáng giá kiểm tra kỹ.

- Vấn đề là cần hệ thống thiết bị điều khiển các kết cấu tòa nhà

như việc mở các cửa sổ thông gió…

- Kết cấu tòa nhà phức tạp ảnh hưởng đến kiến trúc, xây dựng,