Xây dựng chiến lược chiếu sáng tự nhiên cho các cao ốc tại Việt Nam

Nội dung text: Xây dựng chiến lược chiếu sáng tự nhiên cho các cao ốc tại Việt Nam

1. Xây dựng chiến lược chiếu sáng tự nhiên cho các cao ốc tại Việt Nam Daylighting strategy for Vietnamese Buildings Nguyễn Trương Phúc Khánh, Võ Viết Cường Ho Chi Minh City University of Technology and Education, No. 1, Vo Van Ngan, Thu Duc, HCMC, Vietnam. Abstract The global energy crisis is becoming more severe, which requires countries must share the same goal of cutting energy consumption, such as saving energy, use energy efficiently and use more renewable energy sources like wind, solar, biomass, etc The aim of this paper is to build a daylighting strategy which is not only appropriate to Vietnamese design standard and climate condition but also has benefits of saving energy. This paper will apply TCXD 29:1991 to develop design methods for buildings in Vietnam. The research method of this paper refer the world’s researchs then aggregate them to the theoretical basis, draw algorithm design, at last, apply that theory to calculate the sample for a building in HCMC and give general conclusions. Daylight illuminance data bases on the Vietnam Building Code- Natural Physical & Climatic Data for Construction - Hanoi in 2008 [4] to calculate illuminance for each area, hour, month of the year. Based on the calculation results, this paper gives some conclusions: (1) This strategy is especially suitable for office buildings and commercial centers. (2) The period from 7 pm÷17 pm is the best performance of Daylighting. (3) Daylighting effective in the distance from 0 m÷10 meters (from the window). (4) The annual savings 1900 ÷ 390 kwh for an office. (5) Reducing CO2 emission from 0,2 to 1,04 tCO2/year for an office. With detailed calculations of daylightt and install additional control sensors (low cost) has brought large economic benefits to investors. So, without considering Daylighting is indeed a big waste . Keywords: Daylighting, Daylighting strategy, buildings, energy saving. Tóm tắt Vấn đề khủng hoảng năng lượng toàn cầu đang trở nên ngày càng trầm trọng, điều này đòi hỏi các quốc gia trên thế giới phải có chung một mục tiêu cắt giảm năng lượng tiêu thụ. Để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, ngoài việc tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng hiệu quả, còn hướng đến những nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, sinh khối v.v Với ý nghĩa đó, mục tiêu của bài báo này là xây dựng chiến lược thiết kế chiếu sáng tự nhiên cho các tòa nhà nhằm tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng mà vẫn phù hợp với tiêu chuẩn xây dựng và điều kiện khí hậu của Việt Nam. Bài báo sẽ áp dụng chính những công thức tính toán có trong TCXD 29:1991 để xây dựng phương pháp thiết kế cho các tòa nhà tại Việt Nam. Phương pháp thực hiện chủ yếu là tham khảo những công trình nghiên cứu của thế giới và từ đó tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết; xây dựng giải thuật thiết kế; áp dụng những cơ sở đã xây dựng để tính toán mẫu cho một cao ốc tại TP.HCM; rút ra kết luận tổng quát. Số liệu độ rọi ASTN dựa trên bộ Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng– Hà Nội 2008 [4] để tính toán độ rọi ASTN (ĐR ASTN) cho từng khu vực, các giờ theo các tháng trong năm. Dựa trên kết quả tính toán, bài báo đưa ra một số kết luận như sau: (1)chiến lược này đặc biệt thích hợp với các cao ốc văn phòng và các trung tâm thương mại. (2) Từ 7 giờ đến 17 giờ là khoảng thời gian đạt hiệu quả cao nhất. (3) Daylighting chỉ thật sự đạt hiệu quả trong khoảng cách từ 0 mét đến 10 mét (tính từ cửa lấy sáng). (4) Tiết kiệm được hàng năm sẽ từ 541 ÷ 1803 kwh điện cho một văn phòng làm việc. (5) Lượng khí thải CO2 cắt giảm hàng năm là 0,2 ÷ 1,04 tấn/năm cho một văn phòng làm việc. Với việc tính toán chi tiết ASTN và lắp đặt thêm bộ cảm biến điều khiển (giá thành thấp) đã đem lại lợi ích kinh tế lớn cho chủ đầu tư. Vì vậy, nếu không xét đến yếu tố Daylighting quả thực là một sự lãng phí lớn. Từ khóa: Chiếu sáng tự nhiên, thiết kế chiếu sáng, tòa nhà, tiết kiệm năng lượng. mỏ ), hoặc ảnh hưởng đến môi trường sống (thủy 1.Tổng quan1 điện, nhiệt điện, điện hạt nhân ). Vì vậy, ngoài việc Năng lượng nói chung và đặc biệt là năng lượng nghiên cứu phát triển một nguồn năng lượng mới - điện là động lực phát triển kinh tế, xã hội và khoa học đang gặp rất nhiều khó khăn - còn đòi hỏi các quốc ở mọi quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. gia, các nền kinh tế trên thế giới và mỗi cá nhân Tuy nhiên các nguồn năng lượng để biến đổi thành hướng đến việc tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu điện năng hoặc ngày càng cạn kiện (than đá, dầu và sử dụng các nguồn năng lượng xanh. Một nguồn năng lượng gần như vô hạn chính là ánh sáng tự nhiên(ASTN). ASTN được xem là nguồn sáng tốt
2. nhất trong việc hiển thị màu sắc và phản ứng thị giác của con người. Bên cạnh đó, nhiệt lượng từ ánh sáng tự nhiên còn có tác dụng sưởi ấm, diệt khuẩn và làm giảm độ ẩm thấp có hại cho sức khỏe Việc đưa ánh sáng tự nhiên vào không gian tòa nhà để chiếu sáng còn gọi là chiếu sáng tự nhiên (CSTN) hay daylighting. Đây là một thuật ngữ chung trong một thế kỷ qua. Từ thời cổ đại, người La Mã khi xây đền Oculus, đã phát hiện ra việc mở khoảng không ở phía trần nhà và biến trần nhà thành một “cửa sổ” để thu ánh sáng. Không chỉ mang lại yếu tố Hình 1. Tòa nhà Star Ferry Pier- Hong Kong (Lấy thẩm mỹ, mà cửa sổ trần còn mang đến yếu tố tiết ánh sáng từ cửa mái) kiệm năng lượng chiếu sáng rất đáng kể, nên kiểu kiến trúc này vẫn được áp dụng rộng rãi trong các công trình hiện đại ngày nay (hình 1). Từ đó, các nhà thiết kế tạo thêm nhiều thiết bị daylighting hiện đại hơn, phù hợp với nhiều điều kiện khí hậu, vị trí địa lý Có thể kể đến các thiết bị phổ biến như solar tube, light shelf (Hình 2) Tuy nhiên chỉ đưa ánh sáng tự nhiên vào tòa nhà một cách thụ động thì chưa tận dụng được hết yếu tố tiết kiệm năng lượng, do ASTN thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào các múi giờ trong ngày và các tháng trong năm. Vì vậy, mà cụm từ chiến lược chiếu sáng Hình 2. Lấy ánh sáng từ cửa sổ bên tự nhiên (Daylighting strategy) ra đời với ý nghĩa[1] Có thể thấy trên thế giới, CSTN đã rất phát (1)Thiết kế kiến trúc và nội thất cho phép ánh sáng triển. Còn tại Việt Nam, trong thời gian gần đây, việc bên ngoài xâm nhập vào không gian bên trong.(2) chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng đã diễn Điều khiển làm giảm việc sử dụng đèn điện khi ánh ra khá nhiều nhưng phương pháp CSTN chưa có có ASTN. nhiều bước tiến đáng kể. Mặc dù, thuật ngữ “chiếu sáng tự nhiên” đã xuất hiện từ rất lâu với bộ tiêu Gần đây, công nghệ này có những bước tiến [3] đáng kể. Tại diễn đàn năng lượng quốc tế Casa chuẩn TCXD 29:1991 (chiếu sáng tự nhiên trong Clima – Italia năm 2013, hai nhà nghiên cứu Anton công trình dân dụng), nhưng tiêu chuẩn này chỉ dừng Harfmann và Jason Heikenfeld [2](Đại học Cincinnati) lại ở mục đích: “Trong nhà ở và nhà công cộng phải đã trình làng một nghiên cứu có thể tạo bước đột phá có chiếu sáng tự nhiên để bảo đảm sự làm việc, hoạt . Kết quả sự hợp tác liên ngành giữa GS. Harfmann động bình thường của người và các phương tiện vận với GS. Heikenfeld đã cho ra sản phẩm Smartlight chuyển” mà chưa quan tâm đến yếu tố tiết kiệm năng hội tụ cả yếu tố hiệu quả và thẩm mỹ của một công lượng. nghệ chiếu sáng hiện đại. Bài giới thiệu SmartLight – Với những lý do đó, bài báo được thực hiện với Enhancing Fenestration to improve Solar Distribution mục tiêu xây dựng chiến lược thiết kế CSTN tiết in Buildings (tạm dịch: Đèn thông minh – Cải thiện kiệm năng lượng phù hợp với các tiêu chuẩn xây việc phân phối ánh sáng mặt trời trong các tòa nhà) dựng và điều kiện khí hậu tại Việt Nam. đã nhận được sự quan tâm rất nhiều của các chuyên Bài báo sẽ áp dụng chính những công thức tính gia trong lĩnh vực chiếu sáng tại diễn đàn. Những tòa toán có trong TCXD 29:1991 để xây dựng phương nhà tương lai với hệ thống chiếu sáng không cần dây pháp thiết kế cho các tòa nhà tại Việt Nam. Số liệu độ điện, bóng đèn, công tắc đèn Thay vào đó, ánh rọi ASTN dựa trên bộ Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng sáng tự nhiên chiếu xuyên khắp các căn phòng, căn [4] phòng bừng sáng khi có người bước vào, được điều (Phần I) – Hà Nội 2008 để tính toán độ rọi ASTN khiển từ xa hoặc tự động. Đó là viễn cảnh tươi đẹp (ĐR ASTN) cho từng khu vực, các giờ theo các tháng mà Smartlight hứa hẹn mang lại. trong năm. Các công nghệ khác về quang năng hoặc các hướng dẫn thiết kế chiếu sáng bằng đèn điện sẽ không bao gồm trong bài báo này.
3. 2. Phân tích ưu – nhược điểm của công nghệ nhiều đề tài nghiên cứu trên thế giới, được tóm tắt lại Daylighting như bảng 1. Những ưu – nhược điểm của công nghệ chiếu sáng tự nhiên đã được nghiên cứu – phân tích trong Bảng 1. Phân tích ưu nhược điểm của chiếu sáng tự nhiên Ưu điểm Nhược điểm Hạn chế ô nhiễm môi trường: Rào cản thị trường: Việc tăng dân số và phát triển kinh tế đã dẫn (1) Thiếu nhận thức và hiểu biết về đến sự gia tăng chóng mặt trong nhu cầu tiêu thụ Daylighting. (2) Cho rằng các tòa nhà xây dựng năng lượng. Một nhu cầu ngày càng tăng như vậy, daylighting thì chi phí đắt hơn. (3) Thiếu kiến thức về gây phát thải nhiều loại khí như CO, CO2, SO2, NOx điều khiển ánh sáng. (4) Các mối quan tâm khác về Trong đó, hệ thống chiếu sáng nhân tạo là một chi phí bảo trì, bảo dưỡng. trong những nguyên nhân lớn tạo ra lượng khí thải [5] CO2 . Vì vậy cắt giảm chiếu sáng nhân tạo cũng đồng nghĩa hạn chế ô nhiễm môi trường. Tiết kiệm năng lượng: Bóng che từ các tòa nhà lân cận: Tại Mỹ, điện năng dùng trong chiếu sáng được Ở những nơi đông dân cư đông đúc, các tòa nhà ước tính vào khoảng 25÷ 40 % tổng mức tiêu thụ thường bị che khuất bởi các tòa nhà lân cận do có năng lượng điện của một cao ốc thương mại [6]. Vì chiều cao khác nhau. Điều này có thể hạn chế số vậy công nghệ Daylighting có thể cung cấp một giải lượng của ánh sáng ban ngày thâm nhập vào bên pháp thay cho điện chiếu sáng của các tòa nhà này. trong. Thông qua các cảm biến và bộ điều khiển, daylighting có thể làm giảm việc sử dụng bóng đèn nhân tạo. Hiệu quả kinh tế: Tăng nhiệt lượng của tòa nhà: Một kết quả tất yếu của tiết kiệm năng lượng Mặc dù ASTN từ công nghệ Daylighting có thể chính là tiết kiệm chi phí mà ở đây là số tiền điện giúp giảm năng lượng điện tiêu thụ từ các bóng đèn phải trả cho lĩnh vực chiếu sáng. nhân tạo nhưng đồng thời tăng nhiệt lượng của tòa nhà. Việc này là ưu điểm hoặc nhược điểm còn tùy Đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng tòa nhà: thuộc vào vị trí địa lý của từng quốc gia. Nhưng với Đối với sức khỏe của con người, ASTN giúp quốc gia ở khu vực xích đạo, điều này có thể làm tòa ngăn ngừa thiếu hụt vitamin D, tăng cường hệ thống nhà trở nên nóng hơn và đồng nghĩa phải tăng tải làm miễn dịch, giúp xương chắc khỏe, cải thiện giấc ngủ, mát. cải thiện tâm trạng v.v Các lợi ích khác: Vị trí đặt cảm biến: (1)Tăng năng suất làm việc người sử dụng: Cửa Đối với cảm biến đặt bên trong tòa nhà: Nếu hàng bán lẻ đã triển khai thí điểm Daylighting thì báo thiết kế nội thất là không phù hợp với cách bố trí ánh cáo doanh số bán hàng tăng khoảng hơn 15%. Thêm sáng, hiệu năng của có thể giảm đáng kể. vào đó, một nghiên cứu từ North Carolina của Đối với cảm biến đặt ngoài nhà: Cần tránh Alberta cho thấy sinh viên trong các trường học những vị trí bị vật cản, không đo lường chính xác daylighting thường có điểm thi cao hơn. [6] (2)Lợi ích lượng độ rọi của bầu trời. về mặt hình ảnh: Một tòa nhà thương mại sẽ được coi là thân thiện môi trường, công nghệ cao hoặc quan tâm đến nhân viên nếu tích hợp Daylighting. Điều đó góp phần nâng cao giá trị thương hiệu của một công ty.
4. Start 3. Chiến lược Daylighting cho các cao ốc tại Việt Nam 1a. Xác định hệ số ĐRASTN theo Khi thiết kế một cao ốc Daylighting có 2 TCXD 29 :1991 hướng: (1)Thiết kế cho một công trình xây dựng mới. (2)Cải tạo một công trình hiện hữu theo hướng 3a. Giải quyết 2 vấn 2a. Tính toán diện tích và hình Daylighting. thức cửa lấy sáng theo hệ số đề: (1)Giữ tòa nhà thông thoáng; (2) ĐRASTN: (1) Chiếu sáng bên; Tránh hiệu ứng nhà 3.1 Thiết kế Daylighting cho công trình xây (2) Chiếu sáng trên. dựng mới kính. Đối với công trình xây dựng mới, ta thực hiện theo hình 3. Đạt 4a. K.tra Bước 1a: Xác định hệ số độ rọi ánh sáng tự nhiên bóng che tòa (ĐRASTN) theo tiêu chuẩn TCXD 29:1991 (Dựa nhà lân cận theo bảng 3 – TCXD 29 : 1991) 7a. Tính toán điều khiển K. Đạt Daylighting: (1)Tính toán Bước 2a: Xác định hình thức và tính toán diện tích và cửa lấy sáng theo TCXD 29:1991 độ roi ASTN trong nhà. Khi chiếu sáng bên[3]: 5a. (1)Áp dụng các phương (2)Tính toán đèn chiếu pháp Daylighting bổ sung; sáng sử dụng vào ban ngày. (1) (2) Kết hợp chiếu sáng trên. [3] Khi chiếu sáng trên : K. Đạt 6a. K. tra lại Đạt HSĐRTN (2) K. Đạt Đạt Bước 3a: Vấn đề giữ tòa nhà thông thoáng và loại (8a) K.tra hiệu quả k.tế: bỏ hiệu ứng nhà kính Giữ tòa nhà thông thoáng: (1) Thông gió bằng - Tiết kiệm hơn CS thường cửa sổ. (2)Tổ chức giếng trời. (3) Tạo trục thông gió cho nhà. (4) Tổ chức sân trong và lối đi bên. (4) Thông gió cưỡng bức. (5) Dùng máy điều hòa không khí. Finish Loại bỏ hiện tượng nhà kính: (1) Dùng phim Hình 3. Lưu đồ thiết kế Daylighting cho tòa nhà xây dựng mới. cách nhiệt: Để hạn chế nhiệt lượng xâm nhập vào các tòa nhà.(hình 4) (2) Dùng kính Low-E: Ngăn chặn và làm giảm sự truyền nhiệt từ ngoài vào trong hay tư trong ra ngoài, giúp cho căn phòng luôn ổn định mức độ nhiệt theo yêu cầu (hình 5). Bước 4a: Kiểm tra bóng che của tòa nhà lân cận Khả năng tiết kiệm năng lượng của Daylighting sẽ giảm xuống khi có sự xuất hiện của các tòa nhà lân cận. Vì vậy, cần thiết phải có tính toán cụ thể cho những trường hợp này. Để xác định khả năng thu sáng của căn phòng, Hình 4. Thực hiện dán phim cách nhiệt ta dùng phương pháp tính DFavg (Daylight factor average) hay còn gọi là hệ số ĐRASTN trung bình của toàn căn phòng. (3) DFavg - hệ số độ rọi ASTN trung bình Τw - Tỉ lệ thấu quang của cửa lấy sáng Ag - Diện tích cửa lấy sáng (m2) ϴ - Góc lấy sáng As - Tổng diện tích bề mặt của phòng gồm trần, tường, sàn và cửa lấy sáng (m2) Hình 5. Công dụng của kính Low – E
5. R - Hệ số phản xạ của căn phòng. Bảng 2 Các phương pháp Daylighting bổ sung có thể Trong trường hợp căn phòng màu sáng tính trung áp dụng tại Việt Nam bình R = 0,5 STT Tên gọi Kiểu Lắp Tiêu chí lựa chọn khí đặt Thấy Dẫn Tiết Có Trường hợp DFavg ≥ 5%, phòng sẽ được cung hậu ngoài a.s kiệm sẵn cấp đủ ánh sáng tự nhiên. trời sâu Trường hợp 2% ≤ DFavg ≤ 5%, có thể áp dụng 1 Prismatic Tất Cửa N D D A chiến lược thiết kế đã xây dựng ở trên để điều khiển panels cả sổ ,cửa Daylighting như trường hợp thông thường. mái Trường hợp DFavg ≤ 2%, khả năng thu sáng sẽ 2 Lightshelf Tất Cửa N Y Y A kém hiệu quả. Trong trường hợp này phải sử dụng cả sổ đèn chiếu sáng ở những khoảng cách xa cửa lấy sáng 3 Solar Tất Mái N Y Y A hoặc áp dụng một số phương pháp Daylighting bổ tube/ cả nhà sung nhằm mục đích nâng hệ số DFavg lên trên 2%. Lightpipe Bước 5a: Áp dụng các phương pháp Daylighting 4 Fibers Tất Mái N Y Y A cả nhà bổ sung 5 Heliostat Tất Mái N Y Y A Từ các phương pháp Daylighting theo thống kê cả nhà của IEA[12], ta sẽ chọn lọc ra những giải pháp tối ưu nhất cho các tòa cao ốc tại Việt Nam. Để một phương *Chú thích: pháp được đưa vào lưu đồ lựa chọn phải đáp ứng tất D: depend (còn phụ thuộc yếu tố khác) - Y: Yes - N: cả các yếu tố kỹ thuật sau: (1) Phù hợp với khí hậu No - A: available (có sẵn) nhiệt đới. (2) Có sẵn trên thị trường. (3) Có thể dẫn ánh sáng vào các phòng sâu bên trong tòa nhà. (4)Các phương pháp này chỉ dùng để áp dụng khi DF avg không đạt 2% (do quá nhiều bóng che từ các tòa nhà lân cận). Vì vậy chỉ chọn những phương pháp lắp đặt trên mái. Kết quả lựa chọn được thể hiện như (bảng 2). Bước 6a: Kiểm tra hệ số ĐRASTN Kiểm tra lại hệ số ĐRASTN xem đã đạt với yêu cầu trong tiêu chuẩn TCXD 29:1991 Đối với chiếu sáng bên: [3] e = ( . + . ) (4) Hình 6. Đặt mặt cắt đứng vào BĐ Danhiluc 1 Với eb - hệ số ĐRASTN tại điểm cần kiểm tra. ɛb = 0,01.(n1.n2) (5) Để xác định n1 và n2 ta phải dựa vào biểu đồ Đaniluc (hình 6, 7) (Cách xác định được hướng dẫn cụ thể trong TCXD 29 :1991). Đối với chiếu sáng trên: [3] e = [( + ( . − 1)] (6) Đối với chiếu sáng hỗn hợp: [3] e = + (7) Hình 7. Đặt mặt cắt ngang vào biểu đồ Danhiluc 2
6. Bước 7a Tính toán số lượng đèn chiếu sáng vào Bảng 3 Hệ số ánh sáng theo phương hướng[9] ban ngày. a)Tính toán ĐRASTN trong nhà Giá trị q1 Độ rọi khuếch tán của bầu trời trên mặt phẳng Hướnglấy Bắc Đ.Bắc- Đông Đ.Nam Nam ngang tại các điểm trong một khu vực tính toán là sáng T.Bắc Tây -T.Nam như nhau (bảng 2.24 – [4]). Dựa trên số liệu này sẽ q1 1,0 1,1 1,4 1,2 1,3 xác định được độ rọi theo từng giờ, từng tháng của từng thành phố cụ thể tại Việt Nam. Độ rọi khuếch tán của bầu trời có đặc điểm: Bảng 4 Hệ số hệ số hao phí ánh sáng do bị bụi bẩn[10] (1)Theo giờ: độ rọi lúc 6 giờ = 18 giờ; 7 giờ = 17 giờ; 8 giờ = 16 giờ; 9 giờ = 15 giờ; 10 giờ = 14 giờ; 11 giờ Mức độ bẩn = 13 giờ.(2) Theo hướng (bảng 3). Bẩn đặc (bụi, khói) 0,65 Có nhiều cách để xác định ĐRASTN tại điểm X Bẩn vừa(bụi, khói) 0,70 trong nhà đã được C.F. Reinhart và S. Herkel[7] liệt kê Bẩn nhẹ (bụi) 0,80 như phương pháp Dalight factor, phương pháp Daylight coefficient, các phương pháp mô phỏng trên máy tính Trong bài báo này sẽ sử dụng công thức Bảng 5 Trích tỷ lệ thấu quang của 1 số kiếng [10] hệ số Daylight factor nhưng có điều chỉnh để phù hợp với Việt Nam: Chủng loại kính Tỉ lệ Hệ Tỉ lệ thấu số phản E = × × × × (8) sáng chắn xạ VLT% sáng Reflect Trường hợp đặc biệt, khi có tích hợp thêm S.C % những phương pháp Daylighting bổ sung. Khi đó độ rọi tại điểm x trong trường hợp này (Ex’) sẽ là: Kính đơn 6mm 88 0.98 8 Kính hai lớpLow- 62 0.50 26 E = × × × × + (9) e 6mm Ex - Độ rọi ASTN trong nhà tại điểm X Ehm - độ rọi khuếch tán của bầu trời theo giờ h b)Tính toán số lượng đèn chiếu sáng vào ban tháng m (klx) (tra bảng 2.24 – [4]). ngày Es – độ rọi của các phương pháp bổ sung (do Ta có quang thông Φ (lm) tương đương độ rọi E nhà sản xuất công bố). (lx) trong một đơn vị diện tích tính toán q1 – Hệ số ánh sáng không đồng đều của bầu Φ = E = × S (10) trời theo phương hướng, chọn theo bảng 2. Công suất P (w) bằng quang thông Φ (lm) chia τw - tỷ lệ thấu quang của loại kính sử dụng, chọn cho hiệu suất quang η (lm/W) theo bảng 5. P = Φ / η (11) - hệ số hệ số hao phí ánh sáng do bị bụi bẩn. Vậy công suất đèn cần bổ sung Chọn τ theo bảng 4. Khi xây dựng mới chọn τ = 1. P = (E × S) / η (12) DFx – Hệ số ĐRASTN tại điểm x (chọn theo Tùy loại đèn sử dụng cho chiếu sáng mà ta có hình 8) quang thông Φ và hiệu suất quang η khác nhau. Hình 8 Biểu đồ Hệ số ĐRASTN Louis Scartezzini[8]
7. 3.2 Cải tạo công trình hiện hữu Start Thực hiện lưu đồ (hình 9) Cách thực hiên bước (1b) tương tự bước (6a) của lưu đồ thiết kế mới. 1b. K.tra lại Đạt Bước (2b) ta thực hiện điều chỉnh kích thước HSĐRTN theo cửa lấy sáng để thu sáng được nhiều hơn hoặc do cửa TCXD 29:1991 lấy sáng có tỷ lệ thấu sáng quá thấp, ta sẽ tiến hành thay đổi vật liệu kính có màu sáng hơn, hoặc chọn K. Đạt loại vật liệu kính có tỷ lệ thấu quang cao hơn. 2b . Nguyên nhân do cửa lấy sáng: Cách thực hiên bước (2b’) tương tự bước (5a) (1) Điều chỉnh kích thước cửa lấy sáng; (2) Điều của lưu đồ thiết kế mới. chỉnh vật liệu kính. Cách thực hiên bước (3b) tương tự bước (7a) 2b’ . Nguyên nhân do bóng che từ các tòa nhà của lưu đồ thiết kế mới. lân cận: Cách thực hiên bước (4b) tương tự bước (8a) (3) Áp dụng thêm các phương pháp Daylighting của lưu đồ thiết kế mới. bổ sung *.(4) Kết hợp thêm chiếu sáng trên * * Những thay đổi ở bước (2b’) chỉ thực hiên được khi có sự đồng ý của chủ đầu tư. 3b. Tính toán điều khiển Daylighting: (1)Tính toán độ roi ASTN trong nhà; 4. Thiết kế minh họa (2) Tính toán đèn chiếu sáng sử dụng 4.1 Giới thiệu về đối tượng thiết kế vào ban ngày; (3) Lựa chọn cảm biến điều khiển. Đối tượng thiết kế là tòa nhà Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam (tên giao dịch quốc tế: Airports Corporation of Vietnam - viết tắt: ACV) địa chỉ tại số K. Đạt 58A đường Trường Sơn quận Tân Bình, Tp.Hồ Chí (4b) K.tra hiệu quả Minh đã được xây dựng năm 2007 (hình 10) có qui k.tế: Tiết kiệm hơn mô hai hầm, tầng trệt, tầng lững và bảy tầng văn phòng cho thuê. Tòa nhà được trang bị đầy đủ những Đạt hạng mục phụ như dịch vụ công cộng, nhà xe Finish Kiến trúc hiện tại của tòa nhà Tòa nhà ACV có mặt tiền hướng Tây, hướng về Hình 9. Lưu đồ cải tạo thiết kế theo hướng CSTN phía cảng hàng không quốc tế Tân Sơn Nhất (TSN).Phía bắc giáp đường Hồng Hà, còn phía Đông và phía Nam hiện không bị che khuất bởi các vật cản hoặc tòa nhà lân cận, rất thích hợp cho việc áp dụng lưu đồ cải tạo thiết kế Daylighting cho tòa nhà. Tất cả các phòng có chiều ngang cửa lấy sáng bằng nhau và chiều sâu gần tương đồng. Ta thực hiện thiết kế mẫu cho văn phòng làm việc tại lầu 1 (các phòng làm việc khác của tòa nhà sẽ được tính toán bằng phần mềm excel, dựa trên thiết kế mẫu này). Hướng văn phòng mẫu này là hướng đông. Toàn bộ tường bao của văn phòng làm bằng kính low-e màu xanh lục. Văn phòng có chiều cao là 3,45 m. Hình 10 Phối cảnh tòa nhà ACV Độ rọi yêu cầu ở các khu vực: (1) Sân vườn: 5÷15 Lux. (2)Cổng chính vào công trình: 30 ÷50 Lux. (3) Phòng làm việc : 300 Lux. (4) Hành Lang, Toilet: 75 Lux. (5) Nhà Xe: 100 ÷ 150 Lux. Khả năng chiếu sáng hiện tại: Với cách bố trí đèn huỳnh quang 600x600, 3x18w giống nhau cho tất cả các văn phòng làm việc, trong phạm vi 10 mét tính từ cửa lấy sáng ta sẽ có tất cả 16 bộ đèn huỳnh quang 600x600, 3x18w. Như vậy công suất tiêu thụ điện chiếu sáng của văn phòng trên trong một năm (nếu tính riêng khoảng cách 10 mét kể Hình 11 Văn phòng mẫu được chọn làm đối tượng tính toán
8. từ cửa lấy sáng và tính trong thời gian làm việc Bước 3b: Tính toán độ rọi ASTN trong phòng từ 7 ÷17 giờ) như bảng 6. Áp dụng công thức (4) Chọn q1 = 1,4; = Số lượng đèn sử dụng vào ban ngày sẽ thay đổi 0,62; = 0,8. (với i là khoảng cách từ cửa lấy theo thói quen hoặc nhu cầu người sử dụng. Vì vậy sáng – đvt: mét) lần lượt là: = 0,1; = 0,06; lượng công suất sẽ thay đổi theo bảng 7. = 0,025; = 0,018; = 0,012, ta thống kê được độ rọi ASTN trong phòng và độ rọi cần bổ Bảng 6 Công suất tiêu thụ điện chiếu sáng của văn sung bằng biểu đồ của từng quý (tính trong khoảng phòng mẫu (trong phạm vi 10m từ cửa lấy sáng) thời gian 7 giờ ÷ 17 giờ hàng ngày) ( Hình 12÷15). Loại Số Công Tiêu (7÷17h) ((7÷17h) đèn lượng suất thụ hàng 1năm (bộ) (W) điện ngày (kWh) (Wh) (Wh) Đèn 16 54 864 8640 3153,6 HQ 3x18w Bảng 7 Điện chiếu sáng thay đổi theo thói quen và nhu cầu người sử dụng. % điện chiếu sáng giảm điện chiếu sáng trong 1 Hình 12 Biểu đồ độ rọi ASTN trong phòng quý 1 xuống do thói quen và năm (7h ÷17h) (kwh) nhu cầu sử dụng 30% số bóng đèn 946 sử dụng 40% số bóng đèn 1261 sử dụng 50% số bóng đèn 1577 sử dụng 60% số bóng đèn 1892 sử dụng 70% số bóng đèn 2208 4.2 Thiết kế Daylighting cho tòa nhà ACV Áp dụng lưu đồ cải tạo (hình 9) để thiết kế CSTN cho tòa nhà này. Bước 1b: tiến hành kiểm tra hệ số Hình 13 Biểu đồ độ rọi ASTN trong phòng quý 2 Đ.R.A.S.T.N: Vì tòa nhà sử dụng hình thức chiếu sáng bên nên sẽ áp dụng công thức (4) Giả sử kiểm tra độ rọi tại điểm M đặt ở giữa phòng. Để xác định n1 và n2 ta phải dựa vào biểu đồ Đaniluc. Đặt mặt cắt đứng của phòng qua tâm cửa lấy sáng lên biểu đồ Danhiluc I sao cho tâm của biểu đồ trùng với điểm kiểm tra M, và đường đáy biểu đồ trùng với mặt phẳng làm việc (cách sàn 0,8m). (Hình 6). Ta được n1= 10, tiếp theo đặt mặt cắt ngang lên biểu đồ Danhiluc2 (Hình 7). Ta có n2= 44 tia. Vậy: ɛ = 0,01 × ( × )= 4,4 Hình 14 Biểu đồ độ rọi ASTN trong phòng quý 3 Chọn trị số q = 0,46; L1/B = 0,8; L/B = 0,5; B/h1 = trên 3,5; ρtb= 0,3; K=1,2 ; r1= 2,6 ; τcs= 0,6.0,75.0,8.1 =0,36 (Tra bảng 6 đến bảng 9 TCXD 29:1991). Do hiện tại không có các nhà đối diện nên sẽ không có 2 hệ số ɛch và R , => = (4,4 × 0,46) × 2,6 × = 1,58 , Như vậy thiết kế đã đạt yêu cầu theo TCXD 29: 1991 (yêu cầu emin = 1,5), ta chuyển sang bước (3b). Hình 15 Biểu đồ độ rọi ASTN trong phòng quý 4
9. Từ các biểu đồ (hình 12 ÷ 15) ta có lượng độ rọi 5. Kết luận và kiến nghị cần bổ sung. Áp dụng công thức (5) với Φ = 1350 Sau khi tiến hành thực hiện tính toán thực tế cho (lm) và η= 72 (lm/w). Kết quả thể hiện ở bảng 8. cao ốc làm việc sân bay Tân Sơn Nhất. Ta có thể rút Bảng 8 Tổng hợp năng lượng sử dụng cho chiếu sáng ra một số kết quả tổng quát như sau: trong 1 năm cho một văn phòng làm việc ( phạm vi 10m kể từ cửa lấy sáng) (1)Chiến lược này đặc biệt thích hợp với các cao ốc văn phòng, các trung tâm thương mại và không Năng lượng chiếu sáng trong một năm (7 ÷ 17giờ) thật sự phù hợp với các chung cư cao tầng, vì ở các (kWh) chung cư việc sử dụng điện chiếu sáng hoàn toàn phụ Tháng 1 42,5 thuộc vào thói quen sử dụng của người cư ngụ. Tháng 2 32,7 Tháng 3 32,5 (2) Daylighting đạt hiệu quả cao nhất trong Tháng 4 30,4 khoảng thời gian từ 7 giờ đến 17 giờ và trong khoảng Tháng 5 30,6 cách từ 0 ÷10 mét (tính từ cửa lấy sáng). Những Tháng 6 30,4 khoảng cách xa hơn 10 mét nhận được độ rọi ánh Tháng 7 31,3 sáng tự nhiên rất yếu, không đáng kể. Tháng 8 30,6 Tháng 9 30,4 (3) Khả năng tiết kiệm điện: Với một cao ốc Tháng 10 34,8 mẫu đã tính toán, chỉ cần đạt được con số tối thiểu Tháng 11 38,0 theo yêu cầu của TCXD 29 : 1991 (tức emin=1,5%) Tháng 12 41,1 (tỷ lệ cửa lấy sáng/ diện tích sàn theo tiêu chuẩn Tổng cộng (kwh) 405,2 TCXD 29:1991), tương đương khi độ rọi khuếch tán ngoài trời dao động từ 1,7 ÷ 35,4 (klx) thì độ rọi Bước 4b: Kiểm tra hiệu quả kinh tế ASTN trong nhà sẽ tương đương 25,5 ÷ 531 (lx) (tùy theo hướng lấy sáng và khả năng thấu quang của kính Với giá tiền điện tại TPHCM áp dụng từ tháng 3 mà con số này sẽ cao hơn). Với độ rọi trong nhà ở năm 2015 cho trạm biến áp bên bán đầu tư là 2.389 mức tối thiểu của tiêu chuẩn thì con số tiết kiệm được đ/kWh, ta có thể tính số tiền điện tiết kiệm được như hàng năm sẽ từ 541 ÷ 1803 kwh điện tương cho một bảng 9 và bảng 10. văn phòng làm việc (vplv). Nếu tính cho toàn bộ cao Bảng 9 So sánh tiêu thụ năng lượng chiếu sáng giữa ốc ta sẽ lấy con trên nhân với số lượng văn phòng làm tòa nhà thông thương và tòa nhà Daylighting việc. Ví dụ: Với tòa cao ốc quy mô 20 vplv: con số tiết kiệm đạt được từ 10.820 ÷ 36.060 Kwh điện hàng Điện tiêu thụ chiếu sáng giảm Điện năng tiết năm. do thói quen hoặc nhu cầu kiệm (kwh) (kWh) (4) Giảm phát thải CO2: Với cao ốc mẫu đã tính [11] sử dụng 30% số đèn 946 541 toán, nếu chọn hệ số phát thải là 149,2 g-C/KWhe sử dụng 40% số đèn 1261 856 thì lượng khí thải CO2 cắt giảm hàng năm là 0,3 đến sử dụng 50% số đèn 1577 1172 0,98 tấn/năm cho một vplv. sử dụng 60% số đèn 1892 1487 Tài liệu tham khảo sử dụng 70% số đèn 2208 1803 [1] Manning, An experimental evaluation and comparison of four daylighting strategies for schools in North Carolina”. Bảng 10 So sánh Tiền điện chiếu sáng cho 1 văn [2] Tạp chí STINFO – Thông tin Khoa học và Công phòng làm việc trong 1 năm (vnđ) nghệ - số 12/2013. Tiền điện chiếu sáng cho 1 văn Số tiền tiết [3] Chiếu sáng tự nhiên trong công trình dân dụng – phòng làm việc trong 1 năm (vnđ) kiệm được Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 29 – 1991. (vnđ) [4] Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng (Phần I) – Hà Nội 2008. Tiền điện khi có 967.545 [5] M.S. Alrubaiha, M.F.M. Zain, M.A. Alghoul, Daylighting N.L.N. Ibrahim, M.A. Shameri, Omkalthum Elayeb, Tiền điện khi không Daylighting Research and development on aspects of daylighting Sử dụng 30% đèn 2.260.186 1.292.641 fundamentals, Elsevier, Renewable and Sustainable Energy Reviews 21 (2013) 494–505. Sử dụng 40% đèn 3.013.581 2.046.036 [6] Scott Pigg, Daylighting in Wisconsin, A programe Sử dụng 50% đèn 3.766.976 2.799.431 study,June 1997. Sử dụng 60% đèn 4.520.371 3.552.826 [7] C.F.Reinhart, S. Herkel, An Evaluation of Sử dụng 70% đèn 5.273.766 4.306.221 Radiance Base Simulation of Annual Indoor Illuminance Distributions due to Daylight, Fraunhoffer Institude for Solar Energy System, Solar building design group, Germany.
10. [8] Prof. Dr Jean-Louis Scartezzini, Innovation and Khoa Đà Nẵng, 2005. daylight in building, Solar energy and Building physics [11] Cuong-Vo. V., Life Cycle CO2 Emission laboratory Institude of infrastructures, resources and Factors of Power Generation in Vietnam, Journal of environment Swiss Federal institude of Technology Science and Technology (Vietnam), 79, pp. 102-107, Lausanne. (2010). [9] ThS. KTS. Nguyễn Hữu Trí, Tài liệu Vật lý kiến [12] Edited by Kjeld Johnsen and Richard Watkins, trúc, ĐH Hồng Bàng, 2014. Daylight in Buildings, IEA, ECBCS Annex 29 / SHC Task [10] Nguyễn Đình Huấn, Vật lý kiến trúc, ĐH Bách 21 Project Summary Report. XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BÀI BÁO: Tp.HCM, Ngày tháng năm 201 GV. Hướng dẫn
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.