Nghiên cứu tình huống về các bộ phận tòa nhà đa chức năng: Tích hợp, mô phỏng và phân tích hiệu suất trong môi trường nhà ở bền vững
Case study on multifunctional building parts: Integration, simulation, and performance analysis in sustainable residential environments
| Tác giả | Mohammad Yousefi
Matthias Pahn |
| Ngày đăng tải | 07/01/2025 |
| DOI | https://doi.org/10.1016/j.jobe.2025.111807 |
| Nguồn bài nghiên cứu | Science Direct |
| Từ khóa |
Năng lượng tái tạo Bộ phận tòa nhà đa chức năng (MBP) Sưởi ấm không gian Lưu trữ năng lượng nhiệt Phát thải khí nhà kính, thoải mái nhiệt Hệ thống HVAC |
1 – GIỚI THIỆU
Trong bối cảnh châu Âu ôn hòa, khu vực xây dựng đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải khí nhà kính, chủ yếu do nhu cầu sưởi ấm và nước nóng sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng năng lượng sử dụng của hộ gia đình. Bài nghiên cứu đề xuất một giải pháp đổi mới bằng cách phát triển các bộ phận tòa nhà đa chức năng (MBP), trong đó các bức tường bê tông chịu lực được tích hợp lớp hoạt động có chức năng lưu trữ nhiệt và hỗ trợ kết cấu. Giải pháp này được kiểm nghiệm tại công trình trình diễn SmallHouse IV thuộc Đại học RPTU, thông qua mô phỏng trong phần mềm TRNSYS và dữ liệu thực tế. MBP giúp giảm sự phụ thuộc vào bể lưu trữ nước truyền thống, giảm tiêu thụ điện năng, tăng hiệu quả hệ thống HVAC và cải thiện sự thoải mái nhiệt. Công nghệ này có tiềm năng lớn trong cải tạo và thiết kế công trình mới nhằm tăng cường tích hợp năng lượng tái tạo như nhiệt mặt trời.
2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG
Hệ thống MBP được tích hợp trực tiếp vào vỏ bao tòa nhà, gồm lớp bê tông chịu lực có ống dẫn nước nóng (lớp hoạt động) và lớp cách nhiệt bên ngoài. MBP đảm nhận ba chức năng: lưu trữ năng lượng nhiệt từ các nguồn nhiệt độ thấp, sưởi ấm nội thất bằng sự chênh lệch nhiệt độ, và cách nhiệt chủ động bằng cách duy trì nhiệt độ vỏ bao gần với môi trường trong nhà. Trong mô hình SmallHouse IV, MBP được thử nghiệm như một phần của hệ thống nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời và bơm nhiệt. Các thông số vật lý của vật liệu, hệ thống sưởi, và bố trí ống nhiệt được mô phỏng chi tiết.
3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình MBP và toàn bộ công trình SmallHouse IV được xây dựng và mô phỏng trong TRNSYS. Đầu vào mô phỏng bao gồm dữ liệu khí hậu, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, độ ẩm, cũng như thông số dòng nhiệt vào/ra MBP. Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu đo thực tế từ công trình. Độ lệch trung bình nhỏ hơn 3%, xác nhận độ chính xác cao của mô phỏng. Sau đó, hệ thống được mô phỏng trong 4 kịch bản cấu hình khác nhau để đánh giá hiệu suất về nhu cầu điện, sử dụng năng lượng tái tạo, và sự thoải mái nhiệt.
4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Kết quả mô phỏng cho thấy MBP giúp giảm đáng kể nhu cầu điện năng và tăng lượng nhiệt thu từ năng lượng mặt trời:
– Kịch bản 1 (tham chiếu): Không sử dụng MBP, tiêu thụ điện là 1122 kWh.
– Kịch bản 2: MBP nhận nhiệt trực tiếp từ bộ thu nhiệt mặt trời, giảm điện năng 29.4%, tăng nhiệt mặt trời 145%.
– Kịch bản 3: MBP nhận nhiệt gián tiếp thông qua bể lưu trữ, giảm điện năng 41.8%, tăng nhiệt mặt trời 192%.
– Kịch bản 4: Kết hợp cả hai phương án trên, đạt hiệu quả tối ưu với 47.8% giảm điện và 219% tăng năng lượng mặt trời sử dụng.
Về thoải mái nhiệt, chỉ số PMV được cải thiện rõ rệt: từ −0.8182 (kịch bản 1) lên −0.5254 (kịch bản 4), trong khoảng được coi là thoải mái theo tiêu chuẩn DIN EN ISO 7730.
5 – KẾT LUẬN
MBP là một giải pháp mang tính cách mạng trong thiết kế nhà ở bền vững, vừa chịu lực vừa thực hiện chức năng lưu trữ và phân phối nhiệt. Việc tích hợp MBP cho phép sử dụng hiệu quả năng lượng nhiệt từ nguồn tái tạo, đặc biệt khi nhiệt độ thấp không thể lưu trữ bằng bể nước truyền thống. Kịch bản tối ưu (kịch bản 4) cho thấy khả năng giảm gần 48% tiêu thụ điện và cải thiện lớn về sự thoải mái nhiệt. Công nghệ này hứa hẹn mở ra hướng đi mới cho thiết kế và vận hành các công trình tiết kiệm năng lượng, và sẽ được nâng cao hơn nữa nếu tích hợp thêm vật liệu đổi pha (PCM) hoặc các hệ điều khiển tiên tiến.
