Trụ sở mới của ASHRAE: Sử dụng công nghệ mô phỏng năng lượng tối ưu thiết kế, đạt công trình Net Zero Energy

ASHRAE là một tổ chức xã hội nghề nghiệp toàn cầu, có chuyên môn trong việc thiết kế hệ thống điều hòa thông gió, sưởi và làm lạnh đảm bảo hiệu quả năng lượng bằng khoa học và công nghệ mới nhất. Là tổ chức tiên phong trong ngành xây dựng giảm phát thải carbon, trong năm 2022 ASHRAE đã hoàn thành xây dựng Trụ sở toàn cầu mới của mình tại Atlanta theo tiêu chí bền vững. Họ đã cái tạo công trình đang có thành tòa nhà Cân bằng năng lượng – Net Zero Energy Building, như là một minh chứng cho cam kết mạnh mẽ của tổ chức. Mời các bạn cùng nhìn lại các giải pháp hiệu quả năng lượng của công trình này và cơ hội cho Việt Nam qua bài viết dưới đây.

Các chiến lược mang lại hiệu quả năng lượng của Tòa nhà trụ sở toàn cầu mới ASHRAE

Công trình này sử dụng công nghệ mô phỏng năng lượng, ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu đưa ra phân tích kỹ lưỡng và đầy đủ thành phần nhiệt và năng lượng cụ thể:

Bằng cách sử dụng công nghệ mô phỏng, các thành phần nhiệt và năng lượng của công trình đã được phân tích kỹ lưỡng và đầy đủ ngay từ ban đầu, cụ thể:

Sử dụng công nghệ mô phỏng năng lượng trong toàn bộ quá trình thiết kế

Công trình theo đuổi mục tiêu Cân bằng năng lượng (năng lượng tạo ra bù đắp được toàn bộ cho năng lượng tiêu thụ) bằng cách lắp đặt các tấm pin mặt trời. Vì vây, Cường độ sử dụng năng lượng (EUI) của công trình cần đạt mức thấp nhất có thể. Mục tiêu đặt ra là 66 kWh/m²/năm  khi cải tạo lại công trình hiện có.    

Trong dự án này, ASHARE đã áp dụng mô phỏng năng lương để xác thực tính hiệu quả và sử dụng các công nghệ thiết kế mới nhằm đạt được kết quả mong muốn. Các phương án thiết kế khác nhau được mô phỏng nhiều lần, xuyên suốt các giai đoạn thiết kế đã giúp lựa chọn các giải pháp hiệu quả năng lượng cuối cùng cho công trình như:

• Thay đổi tỷ lệ diện tích cửa sổ trên tường (Window-to-wall ratio – WWR) hiện có và thêm vào 18 cửa sổ trần mới.
• Sử dụng hệ thống Xử lý khí tươi (DOAS) thông gió ngoài trời, đi kèm với hệ thốngthu hồi nhiệt.
• Sử dụng Tấm tản nhiệt: nhiệt tỏa ra từ sàn và trần để sưởi và làm mát
• Sử dụng Quạt trần để thông gió và làm mát.
• Sử dụng kỹ thuật Điều khiển thông gió theo nhu cầu (Demand Control Ventilation – DCV) cho không gian có mật độ người cao
• Sử dụng công nghệ thông gió Displacement Ventilation DV. Đây là chiến lược phân phối không khí cho không gian sử dụng, trong đó không khí từ điều hòa được thổi ra ở tốc độ thấp từ các bộ khuếch tán cấp không khí nằm thấp, gần sàn và được thu lại phía trên khu vực làm việc, thông thường là ở độ cao trần giả.
• Sáu hệ thống bơm nhiệt (Water source-heat pumps – WSHP)

Phần mềm mô phỏng năng lượng được ứng dụng ngay từ giai đoạn thiết kế ý tưởng và trong suốt quá trình thiết kế nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu nhất về năng lượng cho công trình (nguồn: iesve.com)

Kỹ thuật Dispacement Ventilation cho tòa nhà Trụ sở quốc tế ASHRAE giúp đảm bảo chất lượng không khí tốt hơn nhờ bụi và vi khuẩn được đẩy lên cao thay vì bị hòa trộn vào khí tươi như phương pháp truyền thống (nguồn: blog.priceindustries.com)

Tính toán tải hệ thống tối ưu bằng phương pháp cân bằng nhiệt của ASHRAE

Trong hơn 20 năm, ASHRAE đã khuyến nghị Phương pháp Cân bằng Nhiệt (Heat Balance Method – HB) là phương pháp tốt nhất hiện có để tính toán tải sưởi và làm mát. Với mục tiêu Cường độ sử dụng năng lượng thấp 66 kWh/m².năm, chiến lược thiết kế theo từng phân vùng nhiệt (zoning strategy) và tính toán chính xác tải lên hệ thống là rất quan trọng.

Việc phân tích tải nhiệt công trình bao gồm cả phân tích:

• Hệ thống che nắng cho hầu hết các cửa sổ
• Phân tích tải nhiệt hiện cho không gian sử dụng và phân tích tải nhiệt ẩn tại AHU
• Nhiệt tỏa ra từ các quạt trần đảo chiều.
• Phân tích Tiện nghi nhiệt cho người ở và Nhiệt độ tiện nghi (Operative Temperature) có xem xét cả nhiệt độ không khí và nhiệt độ bức xạ.

Mô phỏng phân tích tải nhiệt hiện theo phương pháp cân bằng nhiệt Heat Balance Method của ASHRAE (nguồn: iesve.com)

Tận dụng triệt để chiếu sáng tự nhiên và đạt kết quả cao theo phuong pháp sDA (Spatial Daylight Autonomy) khi tính toán mô phỏng công trình

Để khảo sát hiệu quả chiếu sáng tự nhiên vào ban ngày tại các không gian có người ở thường xuyên, đội ngũ kỹ sư sử dụng phương pháp sDA, là tỉ lệ phần trăm diện tích công trình đạt độ rọi tối thiểu là 300 lux cho ít nhất 50% số giờ hoạt động mỗi năm. Công trình đạt được kết quả rất tốt nhờ 18 cửa sổ trên mái bằng được thêm vào cho tòa nhà hiện có. Việc thiết kế 18 cửa sổ trên trần này được xem xét kết hợp cả phân tích mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và phân tích ảnh hưởng về nhiệt/năng lượng. Kết quả mô phỏng cho cả 2 dạng phân tích này đều rất ấn tượng.

Kết quả mô phỏng chiếu sáng tự nhiên theo phương pháp sDA. Hình bên trái: vùng mầu xanh là vùng đạt độ rọi tối thiểu 300 lux cho hơn 50% thời gian sử dụng không gian. Hình bên phải: độ rọi trung bình cho cả năm (nguồn: iesve.com)

Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời đảm bảo đạt được Tòa nhà Cân bằng Năng lượng Net-Zero-Energy

Kết quả này đạt được  nhờ vào việc lắp đặt hệ thống pin quang điện mặt trời (PV) với tổng công suất 332 kWp. Hệ thống pin mặt trời PV bao gồm 3 hệ thống, được đo lại công suất trong phần mềm mô phỏng:

• Hệ thống trên mái nhà có công suất 187 kWp ở các cánh phía Đông và phía Tây
• Hệ thống với công suất 65 kWp gắn trên mặt đất trên một ngọn đồi quay mặt về phía Nam, liền kề với tòa nhà
• Hệ thống có giá đỡ mặt đất với công suất 81 kWp nằm trong phần không sử dụng của khu vực đậu xe ô tô.

Mô phỏng năng lượng tạo ra bởi 3 hệ pin mặt trời với tổng công suất 332 kW cho công trình Trụ sở quốc tế ASHRAE (nguồn: iesve.com)

Theo đuổi công trình Cân bằng Năng lượng Net-Zero-Energy cho Việt Nam

Tại Việt Nam, để tiến hành xây dựng một công trình có hiệu quả năng lượng cao hay công trình Cân bằng năng lượng Net Zero Energy Building, chắc chắn sẽ cần áp dụng công nghệ mô phỏng hiệu năng tòa nhà như với công trình Trụ sở quốc tế của ASHRAE. Đây là công cụ hữu ích để phân tích chi tiết và chính xác mức độ hiệu quả năng lượng của các giải pháp, giúp đạt được kết quả cuối cùng tốt nhất. Tuy nhiên, việc sử dụng công cụ mô phỏng năng lượng cần được thực hiện bởi các chuyên gia kỹ thuật có nhiều năm kinh nghiệm, nhằm đảm bảo tính toán được kết quả chính xác cũng như đề xuất các được giải pháp phù hợp nhất với đặc thù từng công trình

Về dịch vụ tối ưu thiết kế công trình bằng mô phỏng của EDEEC

Chuyên gia mô phỏng năng lượng công trình của EDEEC được đào tạo bài bản tại Pháp và có hơn 10 năm kinh nghiệm tối ưu thiết kế công trình tại Việt Nam cho hàng chục nhà đầu tư và các chương trình quốc tế lớn. EDEEC cung cấp dịch vụ tư vấn tối ưu hoá thiết kế sử dụng công cụ mô phỏng năng lượng chuyên sâu cùng với phương pháp tính hiện đại, giúp số hoá thiết kế và đưa ra phân tích chi tiết bao gồm::

• Xác định năng lượng tiêu thụ và đóng góp từ các thành phần tiêu thụ lên tổng năng lượng tiêu thụ
• So sánh với mô hình cơ sở để chỉ ra mức độ tiết kiệm của toà nhà
• Xác định công suất hệ thống điều hoà tối ưu dựa trên sơ đồ tải cả năm
• Xác định tải điều hoà
• Phân tích các biện pháp tiết kiệm năng lượng và mức độ ảnh hưởng của các giải pháp lên kết quả cuối cùng
• Đánh giá các chiến lược thiết kế thụ động bao gồm che nắng, hình dạng công trình, khối nhiệt và thông gió tự nhiên
• Xác định tiện nghi nhiệt cho từng không gian và mức độ ảnh hưởng của hiện tượng quá nhiệt
• Xem xét các chiến lược thông gió toàn bộ toà nhà, bao gồm các giải pháp thông gió tự nhiên, cơ học và kết hợp.
• Thực hiện phân tích chiếu sáng tự nhiên, bức xạ mặt trời và độ chói
• Mô phỏng chi tiết để tìm kiếm giải pháp hiệu chỉnh vận hành, bao gồm: phân tích độ nhạy của các giải pháp, phân tích cộng dồn và tổng kết các thay đổi mang lại hiệu quả cao nhất
• Áp dụng thực tế và chạy thử, làm việc với các nhà cung cấp BMS và ban quản lý vận hành để hiệu chỉnh, tính thời gian hoàn vốn tối ưu, theo dõi hiệu quả đạt được để cân chỉnh sâu hơn.