Tác giả Mohammadmehdi Hosseini

Syeda Humaira Tasnim

Shohel Mahmud
Ngày đăng tải 11/10/2024
DOI https://doi.org/10.1016/j.est.2024.114030
Nguồn bài nghiên cứu Science Direct
Từ khóa Lưu trữ năng lượng nhiệt

Lớp hoạt động trong tòa nhà

Sưởi ấm

TRNSYS

Bộ thu năng lượng mặt trời

Nghiên cứu tham số

1 – GIỚI THIỆU

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá tác động của việc sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt, bao gồm một lớp hoạt động được nhúng trong lớp PCM, đối với việc tiết kiệm năng lượng sưởi ấm hàng năm trong một tòa nhà dân cư tại Toronto. Năng lượng của lớp hoạt động được cung cấp bởi một bộ thu năng lượng mặt trời tích hợp với bể lưu trữ nhiệt, và PCM giúp điều chỉnh nhiệt độ của nước chảy bên trong các ống dẫn của lớp hoạt động trong những thời điểm nhiệt độ bắt đầu giảm. Việc mô hình hóa và mô phỏng toàn bộ hệ thống được thực hiện trên phần mềm TRNSYS. Một nghiên cứu tham số cũng được tiến hành, tập trung vào ảnh hưởng của cấu hình đường ống dẫn đối với hiệu suất nhiệt trong việc tiết kiệm năng lượng. Kết quả thu được chỉ ra rằng việc sử dụng một lớp hoạt động bên trong mỗi bức tường, với đường kính ống là 3 cm và khoảng cách giữa các ống là 11 cm, có thể tiết kiệm 65% năng lượng sưởi ấm hàng năm. Ngoài ra, việc nhúng các ống dẫn này vào lớp PCM dày 12 cm có thể dẫn đến tiết kiệm năng lượng hàng năm thêm 27%. Điều này có nghĩa là việc sử dụng hệ thống này cho một tòa nhà tại Toronto có thể đạt được mức tiết kiệm năng lượng sưởi ấm hàng năm là 92%, tương đương với việc giảm từ 14,400 MJ xuống còn 1,012 MJ trong suốt một năm. Hơn nữa, một phân tích chi phí của mô hình được đề xuất trong vòng đời 25 năm đã được thực hiện, cho thấy thời gian hoàn vốn là 22 năm​.

2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG

Hệ thống bao gồm bộ thu năng lượng mặt trời, bể lưu trữ nhiệt, và các ống dẫn tích hợp trong lớp hoạt động của tường và sàn nhà. Khi ánh sáng mặt trời không đủ, nhiệt năng từ lớp PCM được phát ngược lại vào hệ thống ống để duy trì nhiệt độ trong nhà. Hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong các tháng lạnh ở Toronto.

3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm TRNSYS để tối ưu hóa các thông số của hệ thống như đường kính ống, khoảng cách ống, và độ dày lớp PCM. Các kịch bản khác nhau được thử nghiệm để phân tích hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, nghiên cứu thực hiện phân tích chi phí và lợi ích, đánh giá tính kinh tế của hệ thống trong 25 năm sử dụng.

4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả cho thấy việc sử dụng lớp hoạt động giúp tiết kiệm 65% năng lượng sưởi ấm hàng năm, trong khi thêm lớp PCM dày 12 cm giảm thêm 27%, đạt tổng mức tiết kiệm 92%. Hệ thống cải thiện nhiệt độ trong nhà từ 1.5°C đến 2°C trong các tháng lạnh nhất. Phân tích chi phí cho thấy thời gian hoàn vốn là 22 năm, với tiềm năng ứng dụng cao cho cả công trình mới và cải tạo.

5 – KẾT LUẬN

Nghiên cứu chỉ ra rằng tích hợp vật liệu PCM vào các lớp tường trong nhà ở tại Toronto giúp giảm tiêu thụ năng lượng sưởi ấm một cách đáng kể, đồng thời cải thiện sự thoải mái nhiệt trong nhà. Công nghệ này phù hợp để áp dụng trong các khu vực khí hậu lạnh, hỗ trợ mục tiêu xây dựng tòa nhà gần như không tiêu thụ năng lượng (NZEB). Hệ thống không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần đáng kể vào sự phát triển bền vững.

Ứng dụng Vật liệu Biến đổi Pha (PCM) cho hệ thống sưởi bức xạ trong nhà ở tại Canada nhằm đạt được tòa nhà gần như không tiêu thụ năng lượng

Application of PCM for radiant heating of residential buildings in Canada towards achieving nearly zero energy buildings