Giải pháp tiết kiệm năng lượng với Hệ thống thông gió và điều hòa không khí

Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống thông gió và điều hòa không khí (HVAC)
cho các tòa nhà hiện đại

Ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, hướng tới sự phát triển bền vững đang ngày càng được quan tâm. Trong tất cả các lĩnh vực của đời sống, vấn đề này luôn được đặt lên hàng đầu, nhất là trong xây dựng. Việc thiết kế các tòa nhà bây giờ, không chỉ đòi hỏi phải đẹp, đầy đủ công năng, hiện đại mà còn phải vận hành thông minh, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Theo các nghiên cứu của ASHRAE (Hiệp hội Kỹ sư Điều hòa Không khí) và IEA (Cơ quan năng lượng quốc tể), chi phí vận hành hệ thống thông gió và điều hòa không khí (HVAC) thường chiếm từ 40% đến 60% tổng chi phí vận hành tòa nhà. Đây là một khoản chi phí lớn, đặc biệt đối với các tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại, khách sạn, nơi nhu cầu về thông gió và điều hòa không khí phải hoạt động liên tục.

Chính vì thế những giải pháp để giảm thiểu các chi phí này là tiêu chí quan trọng để đánh giá và lựa chọn ra các thiết kế tòa nhà tối ưu khi bắt đầu một dự án xây dựng. Dựa trên việc so sánh về sự hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng của các tòa nhà này trong tương lai. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin về một số giải pháp đang được sử dụng:

1. Áp dụng công nghệ mới 

Công nghệ luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng của hệ thống HVAC. Các hệ thống HVAC hiện đại sử dụng công nghệ thông minh như inverter và BMS (Building Management System), cho phép điều chỉnh hoạt động của các thiết bị theo nhu cầu thực tế của tòa nhà, từ đó giảm thiểu lãng phí năng lượng.

Công nghệ Inverter 

Công nghệ Inverter trong máy điều hòa không khí    

Sử dụng một biến tần (inverter) để điều chỉnh tốc độ của máy nén (compressor), vốn là bộ phận tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong hệ thống điều hòa. Thay vì phải bật tắt máy nén liên tục như các máy điều hòa truyền thống, máy điều hòa sử dụng công nghệ inverter có khả năng thay đổi tốc độ động cơ máy nén để duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức ổn định. 

Cụ thể, khi nhiệt độ phòng gần đạt đến mức cài đặt, máy nén sẽ giảm tốc độ và chỉ hoạt động ở công suất thấp. Ngược lại, khi cần làm mát nhanh chóng, máy nén sẽ tăng tốc để đạt hiệu quả làm lạnh tối đa.

Giúp cho máy hoạt động liên tục với công suất tối ưu mà không cần bật/tắt đột ngột. Điều này sẽ làm giảm mức tiêu thụ điện năng đáng kể so với hệ thống truyền thống, tiết kiệm từ 30-50% chi phí điện năng.

Hơn nữa, công nghệ inverter giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị nhờ vào việc giảm bớt sự mài mòn do các lần bật/tắt máy nén. Khi máy nén hoạt động liên tục ở công suất thấp hoặc điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu, các bộ phận của hệ thống sẽ ít bị hao mòn, từ đó giảm thiểu các chi phí bảo trì và sửa chữa. 
Tính linh hoạt trong việc điều chỉnh công suất còn giúp máy duy trì hiệu quả làm lạnh ổn định, đặc biệt trong các tòa nhà hoặc không gian có diện tích rộng và thay đổi nhiệt độ thường xuyên.

Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS)

BMS cung cấp khả năng giám sát và kiểm soát tất cả các hệ thống trong tòa nhà, bao gồm hệ thống HVAC. Thông qua BMS, các thiết bị HVAC có thể tự động điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng không khí trong từng khu vực của tòa nhà, dựa trên các yếu tố như số lượng người sử dụng và điều kiện môi trường bên ngoài. 

Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS)

Ví dụ, nếu một phòng không có người sử dụng hoặc vào ban đêm, hệ thống sẽ tự động giảm công suất làm lạnh hoặc sưởi ấm, tránh việc tiêu tốn năng lượng không cần thiết. Điều này không chỉ giúp cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng mà còn giảm thiểu lãng phí năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí vận hành tòa nhà và giảm thiểu tác động đến môi trường. 

Việc sử dụng BMS trong hệ thống HVAC là một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong các tòa nhà lớn hoặc các khu vực có nhu cầu điều hòa
không khí liên tục.
 

2. Tối ưu hóa vị trí và hướng kết cấu bao che và sử dụng vật liệu.

Tối ưu hóa vị trí và hướng kết cấu bao che

Để tiết kiệm năng lượng hiệu quả trong hệ thống HVAC, việc tối ưu hóa vị trí kết cấu bao che và lựa chọn vật liệu xây dựng là yếu tố quan trọng trong thiết kế tòa nhà thông minh. Các yếu tố này giúp giảm tải cho hệ thống điều hòa không khí và thông gió, từ đó giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng
Tối ưu hóa vị trí và hướng kết cấu bao che

Hướng cửa sổ: Cửa sổ nên được bố trí sao cho hạn chế tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trực tiếp vào buổi trưa và chiều, lúc mà nhiệt độ ngoài trời cao nhất. Nên tránh hướng Tây, vì lượng nhiệt bức xạ từ mặt trời rất lớn, làm tăng tải nhiệt cho tòa nhà, tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc làm mát. Các cửa sổ hướng Đông hoặc Bắc sẽ tốt hơn vì ánh sáng mặt trời không quá mạnh vào buổi sáng, giúp tận dụng anhsn sáng tự nhiên mà không làm nhiệt độ phòng tăng nhiều.

Ngoài ra các cửa sổ và cửa ra vào nên được bố trí sao cho việc thông gió tự nhiên là tốt nhất.

Tối ưu hóa sử dụng vật liệu

Việc lựa chọn và sử dụng vật liệu làm kết cấu bao che có ảnh hưởng trực tiếp đến tải nhiệt của tòa nhà, cũng như hiệu quả hoạt động của hệ thống HVAC. Các bộ phận như mái, tường và kính đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát lượng nhiệt, ẩm hấp thụ vào tòa nhà, từ đó tác động trực tiếp đến nhu cầu làm mát hoặc sưởi ấm. 
Việc lựa chọn và sử dụng vật liệu tối ưu, có khả năng cách nhiệt tốt và chống lại sự xâm nhập nhiệt, ẩm từ bên ngoài, giúp mang lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành hệ thống HVAC.

Sử dụng kính cách nhiệt (Low-E glass)

Loại kính được trang bị một lớp phủ đặc biệt giúp giảm sự truyền nhiệt giữa bên trong và bên ngoài nhà. Lớp phủ này thường được làm từ các hợp chất kim loại mỏng, có khả năng phản xạ một phần ánh sáng và nhiệt, nhưng vẫn cho phép ánh sáng tự nhiên xuyên qua.
Kính Low-E cũng giúp giảm thiểu sự xâm nhập của tia UV, một yếu tố gây hạn cho sức khỏe
Kính Low-E là một giải pháp hiệu quả cho những tòa nhà cần tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và tạo ra một không gian sống thoải mái, đồng thời giảm thiểu tác động xấu từ môi trường bên ngoài.

Tòa nhà văn phòng sử dụng kính Low- E

Sử dụng kính hai lớp

Mẫu kính này chứa một lớp khí trơ ở giữa hai tấm kính, tạo ra một lớp cách nhiệt và cách âm hiệu quả. Không chỉ vậy, kính hai lớp còn giúp giảm khả năng ngưng tụ hơi nước trên bề mặt kính, đặc biệt trong những khu vực có sự thay đổi nhiệt độ lớn, giúp duy trì độ bền và tính thẩm mỹ của tòa nhà.
Sử dụng vật liệu RFM (Reflective Foil Membrane)
Một loại vật liệu cách nhiệt phản xạ, thường được sử dụng trong xây dựng để cải thiện hiệu quả cách nhiệt và tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà. Đây là một lớp màng mỏng, có thể được làm từ nhôm hoặc các vật liệu phản xạ khác, có khả năng phản xạ lại bức xạ nhiệt từ mặt trời, giúp hạn chế sự truyền nhiệt giữa bên trong và bên ngoài nhà. Nó thường được áp dụng vào phần mái hoặc các bề mặt có tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời.
Sử dụng rèm che nắng
Các loại rèm che nắng có thể được sử dụng ở các cửa sổ hoặc cửa kính để giảm thiểu lượng bức xạ mặt trời, giảm tải nhiệt, cũng như điều chỉnh lượng ánh sáng tự nhiên vào phòng, một giải pháp đơn giản mà hiệu quả để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống HVAC
Các loại rèm che nắng phổ biến: Rèm cuốn, rèm vải dày và rèm lá dọc.

3. Lựa chọn hệ thống HVAC hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

Việc lựa chọn hệ thống HVAC hiệu quả không chỉ giúp tạo ra không gian sống và làm việc thoải mái, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường bền vững.
Một hệ thống HVAC hiệu quả cần được thiết kế với sự tích hợp của các thiết bị có hiệu suất cao, hệ thống thông gió thu hồi nhiệt và công nghệ điều khiển thông minh. 

Hệ thống thông gió thu hồi nhiệt đang được sử dụng ngày càng nhiều

Sử dụng thiết bị có hiệu suất cao 

Quạt gió hiệu suất cao

Lựa chọn quạt gió hiệu suất giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống HVAC và tiết kiệm năng lượng. Các loại quạt gió này không chỉ đảm bảo luồng không khí ổn định và mạnh mẽ mà còn giúp giảm lượng điện năng tiêu thụ

Với các đặc điểm: Được thiết kế với khí động học tối ưu, giúp giảm lực cản và nâng cao hiệu quả vận chuyển không khí. Các sản phẩm này thường sử dụng động cơ tiết kiệm năng lượng, như động cơ EC (Electronically Commutated), mang lại hiệu suất cao vượt trội so với động cơ truyền thống. Ngoài ra, quạt gió hiệu suất cao còn được trang bị khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt thông qua bộ điều khiển thông minh, cho phép đáp ứng nhu cầu sử dụng mà không gây lãng phí năng lượng. Đặc biệt, các thiết bị này hoạt động êm ái, giảm thiểu tiếng ồn, mang lại không gian yên tĩnh và thoải mái cho người dùng.

Thiết bị điều hòa hiệu suất cao

Một trong những yếu tố quan trọng khi lựa chọn các thiết bị điều hòa là hệ số hiệu suất năng lượng (COP – Coefficient of Performance). Các thiết bị có COP cao sẽ tiêu tốn ít điện năng hơn so với các loại máy lạnh thông thường. Ngoài ra, các thiết bị này cũng phải có tính năng như tự động điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng không khí, giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành trong các điều kiện hoạt động khác nhau

Việc lựa chọn các thiết bị có hiệu suất cao sẽ làm giảm đáng kể chi phí vận hành hệ thống HVAC. Các thiết bị hiện đại ngày nay không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn được thiết kế để hoạt động hiệu quả hơn trong suốt vòng đời sử dụng, giúp giảm chi phí bảo trì và sửa chữa. 
Sử dụng hệ thống thông gió thu hồi nhiệt 

Một giải pháp tiên tiến giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong các hệ thống HVAC là sử dụng hệ thống thông gió thu hồi nhiệt. Với mục đích làm giảm tải nhiệt của các tòa nhà.

Bằng cách thu hồi nhiệt còn lại trong không khí thải, không khí trong lành được đưa vào hệ thống điều hòa không khí sẽ được làm nóng (hoặc làm lạnh) trước khi vào thiết bị điều hòa Các hệ thống thu hồi nhiệt thường thu hồi khoảng 60–95% nhiệt trong không khí thải và đã cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng của các tòa nhà

Tích hợp công nghệ điều khiển thông minh

Công nghệ điều khiển thông minh sử dụng các cảm biến và thuật toán tiên tiến để theo dõi và phân tích liên tục các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống HVAC. Các thuật toán điều khiển sẽ đưa ra các quyết định chính xác để tối ưu hóa công suất hoạt động của hệ thống, giúp tránh lãng phí năng lượng không cần thiết.

Cảm biến thông minh

Các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí và chuyển động giúp hệ thống HVAC duy trì hoạt động ở mức cần thiết. Khi phát hiện sự thay đổi trong các yếu tố này, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh các thông số để phù hợp với điều kiện thực tế, từ đó tiết kiệm năng lượng một cách hiệu quả.

Thuật toán điều khiển thông minh

Các thuật toán có thể được lập trình theo thói quen sử dụng của người dùng và từ các yếu tố môi trường, tối ưu hóa việc vận hành hệ thống để giảm thiểu lãng phí năng lượng. Ví dụ, thuật toán có thể tính toán và quyết định khi nào hệ thống cần hoạt động ở công suất cao, khi nào giảm công suất hoặc khi nào tắt để tiết kiệm năng lượng mà vẫn giữ được mức nhiệt độ ổn định.

Ví dụ như việc tự động điều chỉnh công suất dựa trên số lượng người trong phòng:
Các cảm biến chuyển động có thể phát hiện khi nào phòng có người và khi nào không. Khi phòng trống, hệ thống HVAC sẽ tự động giảm công suất hoặc tắt hoàn toàn để tiết kiệm năng lượng. Khi có người vào phòng, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh lại nhiệt độ và công suất cho phù hợp với nhu cầu sử dụng.

4. Giảm thiểu hiện tượng “Đảo nhiệt đô thị”

Hiện tượng đảo nhiệt đô thị là một vấn đề phổ biến ở các khu vực thành phố, nơi nhiệt độ không khí thường cao hơn so với các khu vực ngoại ô. Điều này chủ yếu là do sự hấp thụ và giữ nhiệt của các vật liệu xây dựng như bê tông, nhựa đường, các bề mặt cứng, và các khu vực không gian mở khác. Những vật liệu này không chỉ giữ nhiệt vào ban ngày mà còn tỏa ra vào ban đêm, làm tăng nhiệt độ chung trong khu vực đô thị. Hiện tượng này dẫn đến việc sử dụng năng lượng làm mát tòa nhà tăng lên, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và tiêu tốn năng lượng không cần thiết.

Các biện pháp giảm thiểu đảo nhiệt đô thị nhằm hạn chế tình trạng này có thể bao gồm các giải pháp thiên nhiên và công nghệ tiên tiến. Một trong những biện pháp hiệu quả là việc sử dụng mái xanh và vườn tường.

Tòa nhà cao tầng với vườn tường vừa đẹp vừa mát

Đây là những công trình xanh giúp cải thiện không gian sống đồng thời giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt. Cây xanh có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và làm mát không khí xung quanh thông qua quá trình thoát hơi nước. Mái nhà có thể được trồng cây hoặc thiết kế thành các vườn cây, không chỉ mang lại vẻ đẹp tự nhiên mà còn tạo ra lớp bảo vệ giúp giảm sự hấp thụ nhiệt từ mặt trời vào tòa nhà. Điều này có tác dụng cách nhiệt, giảm nhiệt độ bên trong tòa nhà và giúp duy trì nhiệt độ ổn định mà không cần phải sử dụng quá nhiều năng lượng cho hệ thống điều hòa.

Ngoài việc giảm thiểu đảo nhiệt, mái xanh và vườn tường còn mang lại các lợi ích khác như cải thiện chất lượng không khí, tăng cường hiệu quả cách âm, và tạo ra không gian thư giãn cho cư dân trong các khu vực đô thị. Các nghiên cứu cho thấy những giải pháp này có thể giảm đáng kể chi phí năng lượng và giúp các tòa nhà đạt được các tiêu chuẩn về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống thông gió và điều hòa không khí (HVAC) là một yếu tố quan trọng trong thiết kế các tòa nhà hiện đại, đặc biệt khi chi phí vận hành hệ thống HVAC có thể chiếm đến 60% tổng chi phí của tòa nhà. Việc áp dụng các công nghệ mới như inverter và hệ thống quản lý tòa nhà (BMS), cùng với lựa chọn vật liệu tối ưu, sử dụng các hệ thống HVAC hiệu quả, tích hợp với điều khiển thông minh có thể giúp giảm thiểu đáng kể mức tiêu thụ năng lượng. Sử dụng các giải pháp này trong khi thiết kế các tòa nhà sẽ không chỉ giúp tiết kiệm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường và hướng tới sự phát triển bền vững. 

Tài liệu tham khảo

Quy chuẩn Việt Nam
QCVN 09/2017/BXD: Về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả (...)

Bài viết nước ngoài
1. ASHRAE. (2022). "Energy Efficiency in Building HVAC Systems."(...)
2. International Energy Agency (IEA). (2021). "Energy Efficiency in Buildings."(...)
3. U.S. Department of Energy. (2021). "Building Energy Codes Program."(...)
4. GSA. (2020). "High-Performance Building and Sustainable Design."(...) 
5. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2021). "Building Technologies and Energy Efficiency."(...)