Nâng cao sự thoải mái nhiệt và hiệu quả năng lượng trong nhà ở dân dụng bằng vật liệu chuyển pha tại các khu vực khí hậu hai mùa rõ rệt
Enhancing thermal comfort and energy efficiency in residential buildings using phase change materials in dual-seasonal climate zones
| Tác giả | Congxiang Tian
Nur Azfahani Ahmad An Nisha Nur Welliana Abd Rased Yuxuan Xiong Wenqing Li |
| Ngày đăng tải | 12/07/2025 |
| DOI | https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106273 |
| Nguồn bài nghiên cứu | Science Direct |
| Từ khóa | Khí hậu mùa hè nóng mùa đông lạnh
Hiệu quả năng lượng Vật liệu chuyển pha (PCM) Nhà ở dân dụng Tích trữ nhiệt |
1 – GIỚI THIỆU
Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong đời sống và phát triển kinh tế, nhưng đồng thời cũng là một yếu tố hạn chế lớn khi nhu cầu năng lượng toàn cầu gia tăng. Ngành xây dựng hiện chiếm khoảng 36% tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu và gần 40% lượng phát thải CO₂. Riêng ở Trung Quốc, mức tiêu thụ năng lượng từ lĩnh vực xây dựng đã vượt 45%, trong đó riêng hệ thống sưởi và làm mát chiếm trên 55% năng lượng hộ gia đình. Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu, việc nâng cao hiệu quả năng lượng trong xây dựng trở thành một ưu tiên quốc gia, phù hợp với cam kết đạt mức phát thải carbon bằng 0 vào năm 2060.
Một trong những giải pháp then chốt là nâng cao quán tính nhiệt và khả năng lưu trữ nhiệt của vỏ công trình, nhờ vào việc tích hợp các vật liệu tiên tiến như vật liệu chuyển pha (PCM). PCM giúp hấp thụ và nhả nhiệt trong quá trình chuyển trạng thái, qua đó ổn định nhiệt độ trong nhà và giảm tải cho hệ thống HVAC. Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu trước đây tập trung vào khí hậu nóng hoặc lạnh riêng biệt, còn rất ít nghiên cứu đánh giá hiệu quả của PCM trong điều kiện khí hậu vừa nóng mùa hè vừa lạnh mùa đông như ở Jingzhou, Trung Quốc. Bài nghiên cứu này nhằm xác định vị trí lắp đặt PCM và mức nhiệt độ chuyển pha tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng và sự ổn định nhiệt độ cho nhà ở dân dụng.
2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG
Bài nghiên cứu tập trung vào một mô hình nhà ở dân dụng ba tầng tại thành phố Jingzhou, tỉnh Hồ Bắc – khu vực có mùa hè nóng và mùa đông lạnh rõ rệt. Mô hình được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm EnergyPlus, tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế tiết kiệm năng lượng JGJ 134–2010. Vỏ công trình bao gồm các lớp vật liệu xây dựng điển hình như gạch rỗng, xi măng, kính hai lớp cách nhiệt và các lớp cách nhiệt bên trong tường và mái.
Ba cấu hình lắp đặt PCM trong tường và mái được nghiên cứu gồm: lớp ngoài (gần môi trường), lớp giữa (giữa hai lớp vật liệu cấu trúc) và lớp trong (gần không gian trong nhà). Năm loại PCM được lựa chọn với dải nhiệt độ chuyển pha từ 15–35 °C, giúp đánh giá hiệu suất tiết kiệm năng lượng ở nhiều điều kiện khí hậu khác nhau. Mô hình cũng được chia vùng nhiệt để đánh giá sự phân bố nhiệt và mức tiêu thụ năng lượng theo từng khu vực chức năng của tòa nhà.
3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phân tích được thực hiện dựa trên mô hình mô phỏng năng lượng sử dụng phần mềm EnergyPlus v8.7 và dữ liệu khí hậu thực tế tại Jingzhou. Mô hình mô phỏng bao gồm các bước: xây dựng mô hình công trình có và không có PCM, xác định đặc tính nhiệt vật liệu, thiết lập các vùng nhiệt và tính toán tải nhiệt làm mát/sưởi, mô phỏng quá trình tích trữ/giải phóng nhiệt của PCM, và đánh giá tổng lượng điện năng tiêu thụ cho làm mát và sưởi. Bài nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến việc thay đổi hiệu quả năng lượng theo từng mức nhiệt độ chuyển pha của PCM và vị trí lắp đặt trong vỏ công trình.
4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Kết quả cho thấy việc đặt PCM ở lớp giữa hoặc lớp trong của tường giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn nhiều so với lớp ngoài. Ở nhiệt độ chuyển pha 20 °C, lớp giữa giúp giảm tiêu thụ năng lượng làm mát tới 46%, và ở nhiệt độ 15 °C, lớp trong giúp giảm tiêu thụ năng lượng sưởi tới 79%. Tổng mức giảm tiêu thụ năng lượng đạt từ 47–56% khi sử dụng PCM trong dải nhiệt độ 15–20 °C.
Việc chọn nhiệt độ chuyển pha phù hợp có vai trò then chốt. Khi chênh lệch giữa nhiệt độ chuyển pha và nhiệt độ mong muốn trong nhà chỉ là 1 °C, hiệu quả tiết kiệm năng lượng là cao nhất. Cụ thể, nhiệt độ 18 °C cho sưởi giúp giảm mức tiêu thụ còn 2,5 kWh/m², nhiệt độ 24 °C cho làm mát giảm còn 4,55 kWh/m², và nhiệt độ 19 °C giúp tổng mức tiêu thụ chỉ còn 15,12 kWh/m².
So sánh các loại PCM, PCM2 (nhiệt độ chuyển pha 20–25 °C) được đánh giá là tối ưu nhất, cân bằng tốt giữa tiết kiệm năng lượng sưởi (50,1%) và làm mát (46%). Khi áp dụng vào hai tháng cực đoan là tháng 1 và tháng 7, PCM đặt ở lớp trong tiếp tục thể hiện hiệu quả tối đa: giảm 46,6% năng lượng sưởi vào tháng 1 và 46,1% năng lượng làm mát vào tháng 7.
5 – KẾT LUẬN
Việc tích hợp vật liệu chuyển pha vào tường và mái nhà ở tại Jingzhou giúp nâng cao hiệu quả năng lượng rõ rệt trong điều kiện khí hậu mùa đông lạnh và mùa hè nóng. Kết quả chỉ ra rằng lắp đặt PCM ở lớp giữa hoặc lớp trong, với nhiệt độ chuyển pha từ 15–20 °C là tối ưu để giảm tiêu thụ điện năng sưởi và làm mát. PCM2 (nóng chảy ở 20 °C và đông đặc ở 25 °C) là lựa chọn lý tưởng cho khu vực khí hậu hai mùa rõ rệt. Bên cạnh đó, việc chọn đúng nhiệt độ chuyển pha, giảm chênh lệch nhiệt độ, và tối ưu vị trí lắp đặt là những yếu tố then chốt để đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng và ổn định nhiệt độ trong nhà quanh năm.
