Tiết kiệm năng lượng trong sử dụng trang thiết bị công trình

  1. Mở đầu.

“Trang thiết bị là một bộ phận quan trọng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc công trình, được lắp đặt nhằm phục vụ cho nhu cầu sử dụng và vận hành một cách hiệu quả, tiện nghi và phù hợp với khả năng chi trả của chủ đầu tư. Việc xác định và lựa chọn các trang thiết bị kỹ thuật hợp lý ban đầu cho kết quả tiện lợi, mỹ quan, hiệu quả khi sử dụng và sửa chữa công trình về sau.” [1 Về cơ bản, các thiết bị kỹ thuật trong công trình được chia thành các bộ phận, phụ thuộc vào chức năng vận hành của chúng, như sau:

  • Hệ thống cấp thoát nước trong công trình.
  • Hệ thống điện trong nhà – Thu lôi chống sét.
  • Hệ thống phòng cháy chữa cháy.
  • Hệ thống điều hòa không khí và thông gió.
  • Thang máy.
  • Hệ thống điện tử tin học trong công trình.

thiet-bi-vp

Trong các công trình kiến trúc hiện đại, trang thiết bị kỹ thuật chiếm một vị trí quan trọng. Tính chất, chất lượng và mức độ sử dụng các trang thiết bị này cũng là một phần để đánh giá giá trị của công trình. Cách bố trí, lựa chọn các trang thiết bị kỹ thuật phù hợp, chắc chắn, an toàn và tiện lợi cũng phần nào xác định cấp bậc của công trình và có tác dụng nâng cao giá trị công trình về mặt tiện nghi sử dụng. Trong khi đó, chủ trương sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đã được Chính phủ xác định là một nhiệm vụ trọng tâm trong suốt thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Do đó, việc đầu tư nghiên cứu và thực hiện triển khai sử dụng hệ thống trang thiết bị tiết kiệm năng lượng (TKNL) là nội dung bức thiết nhằm hướng tới nền kiến trúc và xây dựng xanh, thân thiện với môi trường, ứng phó tốt với các vấn đề biến đổi khí hậu.

  1. Thực trạng việc sử dụng năng lượng trong vận hành trang thiết bị trong công trình.

Hiện tại, tổng năng lượng tiêu dùng trong khu vực xây dựng ước tính chiếm trên 20% tổng năng lượng quốc gia và sẽ tiếp tục tăng mạnh cùng với quá trình gia tăng dân số và tập trung đô thị hóa tại các thành phố lớn. Theo kết quả khảo sát của Bộ Xây dựng kết hợp với hai trung tâm TKNL Hà Nội và TP Hồ Chí Minh về hiện trạng sử dụng, quản lý năng lượng tại một số tòa nhà sử dụng nhiều năng lượng, cho thấy, đối với tòa nhà là trụ sở cơ quan hành chính, thiết bị sử dụng nhiều năng lượng là điều hòa không khí, chiếm trên 70% tổng năng lượng sử dụng; đèn chiếu sáng chiếm 10%; các thiết bị khác như máy móc văn phòng, thang máy, máy bơm nước chiếm khoảng 20%. Đối với tòa nhà là trung tâm thương mại, siêu thị, 75% năng lượng được tiêu tốn bởi điều hòa không khí; 10% là thiết bị chiếu sáng, các thiết bị khác chiếm 15%. Đối với khách sạn, các con số này lần lượt là 60%, 25% và 15% [2]. Điều này cho thấy, việc sử dụng năng lượng ở các tòa nhà xây dựng hiện nay còn nhiều bất cập, gây thất thoát, lãng phí, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp. Thứ nhất, nguyên nhân dẫn đến tình trạng này là do hệ thống các văn bản chính sách về TKNL chưa đồng bộ; một số quy định, quy chuẩn, tiêu chuẩn hướng dẫn kỹ thuật về TKNL nói chung và các công trình xây dựng nói riêng còn thiếu. Tình trạng phổ biến hiện nay là việc lắp đặt hệ thống điều hòa không khí không phù hợp, không vệ sinh, bảo dưỡng định kỳ; lớp vỏ công trình có thiết kế và vật liệu không đảm bảo yêu cầu TKNL, thiết bị chiếu sáng còn sử dụng nhiều bóng đèn sợi đốt… Ngoài ra, hiểu biết và các hành động TKNL của người sử dụng còn hết sức hạn chế. Hình 1: Phân tích mô phỏng năng lượng sử dụng của các loại trang thiết bị kỹ thuật trong các loại công trình điển hình tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh [2] Bên cạnh đó, sở dĩ nhiều cán bộ ngành xây dựng cũng như chuyên gia tư vấn, thiết kế phớt lờ QCXD 09:2005 cũng như các quy định về TKNL trong công trình xây dựng là do việc có đáp ứng quy chuẩn này hay không cũng không ảnh hưởng đến việc cấp phép xây dựng. Hơn nữa, về mặt kỹ thuật, bản QCXD 09:2005 dùng quá nhiều công thức phức tạp, cán bộ ngành cũng gặp nhiều khó khăn trong việc phê duyệt và thẩm định thiết kế công trình.

  1. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng hệ thống trang thiết bị trong công trình.

Trước khi quan tâm đến các hệ thống trang thiết bị, kiến trúc cuả tòa nhà đã phải được chú trọng đến các vấn đề sử dụng tối đa điều kiện tự nhiên (gió tự nhiên, ánh sáng mặt trời… để giảm chi phí điện năng khi sử dụng), Trên cơ sở vốn đầu tư, mong muốn của CĐT và khả năng ứng dụng công nghệ điều khiển để thiết kế các hệ thống M&E để chọn thiết bị. Trên cơ sở đặc điểm kiến trúc, chức năng công trình để chọn giải pháp công nghệ. Trên cơ sở tính thương mại của công trình để thiết kế M&E phục vụ thị hiếu người thuê, mua căn hộ: Vốn thấp nhất có thể - vận hành đơn giản và tiết kiệm-Tăng giá cho thuê và bán căn hộ.

  • Giải pháp cho Hệ thống cấp thoát nước trong công trình.
    • Hệ thống cấp nước:

Nước từ hệ thống nước cấp cho khu vực được cấp vào bể nước ngầm. Hệ thống bơm áp lực cao sẽ chuyển nước lên các bể nước mái để cấp cho công trình. Do đó, có thể sử dụng các giải pháp sau nhằm TKNL trong việc cấp nước sinh hoạt và các hoạt động khác trong công trình.

  • Toàn bộ nước mưa, nước thải của công trình sẽ được sử dụng lại sau khi qua hệ thống Xử lý nước thải. Sản phẩm nước sau xử lý sẽ được dùng để lau sàn, tưới cây, làm mát hệ thống điều hòa...
  • Hiện nay việc cung cấp nước nóng trong các toà nhà chủ yếu được thực hiện bằng các bình đun nước cục bộ sử dụng trực tiếp nước lạnh thông thường, việc này gây ra tiêu tốn điện năng rất lớn để đun và duy trì nhiệt độ nước nóng trong cả ngày.
  • Nếu có thể tăng nhiệt độ nước cấp cho các bình nước nóng sẽ giảm được thời gian hoạt động của bình nước nóng, đồng thời tiết kiệm được điện năng tiêu thụ.
    • Hệ thống thoát nước.

Tương tự như vậy, với hệ thống thoát nước, cần có các giải pháp thu gom nước mưa, nước thải sinh hoạt, rồi chuyển qua trạm Xử lý nước thải để tái sử dụng cho một số hoạt động có thể sử  dụng được ( như  tưới cây, lau kính, sàn tòa nhà, nước xả bồn cầu, ...)

  1. Nước đen (thoát xí, tiểu) được thu gom vào bể tự hoại trước khi đưa vào trạm xử lý nước thải
  2. Nước xám (nước thoát rửa...) được chuyển thẳng vào trạm xử lý nước thải.
  • Hệ thống điện trong nhà – Thu lôi chống sét.

Hệ thống điện trong tòa nhà bao gồm các hệ thống trang thiết bị sau:

  • Mạng điện chính.
  • Máy biến áp.
  • Máy phát dự phòng.
  • Hệ thống chiếu sáng
  • Thiết bị điện khác.
    • Hệ thống mạng điện – “xanh”:

Với tiêu chí hướng tới sự thân thiện và bảo vệ môi trường, cần có nghiên cứu để sử dụng công nghệ “ xanh “, biến nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng phục vụ trong công trình, qua đó có thể tận dụng nguồn tài nguyên từ thiên nhiên để tiết kiệm một phần điện năng lấy từ lưới điện quốc gia. Trên diện mái khá rộng  đang được bỏ trống khá nhiều trên đỉnh các công trình thực tế hiện nay, chúng ta có kết hợp để gắn hệ thống pin năng lượng mặt trời. Các tấm pin này vừa để che nắng cho mái, vừa có tác dụng biến Quang năng thành Điện năng để sử dụng. Điện năng sẽ được tích trong hệ thống lưu điện nằm tại tầng kỹ thuật mái, sau đó qua bộ kích để biến dòng điện một chiều thành xoay chiều và tích hợp với hệ thống chuyển nguồn tự động trong các tủ điện để cấp cho các phụ tải sử dụng trong công trình.

  • Hệ thống chiếu sáng trong công trình.
  1. Thay thế hệ thống chiếu sáng hiệu suất thấp ( bóng sợi đốt, đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ…) bằng các thiết bị chiếu sáng tiết kiệm điện ( bóng compact tiết kiệm điện, chấn lưu điện tử…).
  2. Đối với các thiết bị chiếu sáng ngoài trời, điều khiển tắt bật theo các chế độ tự động ( theo thời gian, theo độ sang của môi trường…). Sử dụng đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.

*) Một số các giải pháp khác.

  • Không gian kỹ thuật: Đối với các công trình cao tầng, nên có tầng kỹ thuật ở giữa chiều cao công trình, nhằm tạo không gian đặt các thiết bị kĩ thuật như máy biến áp, điều hòa trung tâm, hệ thống tủ điện nhẹ,… Đồng thời giảm tối đa phụ tải lớn của đường truyền theo chiều đứng công trình.
  • Máy biến áp: Nên lựa chọn Máy biến áp dạng khô đặt trên tầng kỹ thuật.
  • Máy phát dự phòng: Có thể sử dụng loại có bộ xử lý khói bằng nước để giảm thiểu bụi và ồn, đặt trên tầng ký thuật.
  • Các loại thiết bị điện nên là loại có chất lương cao, phù hợp với quy mô đầu tư, giảm tiêu hao năng lượng tối đa trong quá trình sử dụng.
    • Hệ thống điều hòa không khí và thông gió.

Hệ thống điều hoà không khí và các thiết bị phụ trợ ( máy lạnh, bơm nước lạnh, quạt gió…) là một trong những hệ thống tiêu tốn điện năng nhiều nhất, tuy nhiên trong điều kiện hiện nay, thường gặp một số vấn đề:

  1. Rất nhiều các thiết bị điều hoà không khí đang được sử dụng có công nghệ cũ, có hiệu suất thấp, tiêu tốn nhiều điện năng.
  2. Hệ thống đường ống dẫn nước lạnh, dẫn gió… chưa được bảo ôn đúng cách dẫn tới sự tổn hao nhiệt năng lớn trên đường ống.
  3. Trong quá trình sử dụng, một số yếu tố chưa được chú trọng mức: độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài không gian điều hoà, bố trí các phòng lạnh tiếp xúc trực tiếp với các bức xạ mặt trời…

Như vậy, nếu khắc phục được những vấn đề này, cơ hội tiết kiệm điện từ hệ thống điều hoà không khí là rất lớn.

  • Lựa chọn giải pháp Điều hòa không khí:

Các công trình, nhằm đáp ứng hiệu quả vấn đề TKNL, phải được sử dụng các thiết bị hồi nhiệt, dàn nóng có chỉ số hiệu suất năng lượng COP cao, thiết bị quản lý thông minh, …. Với đặc thù của từng loại một hay tổ hợp công trình (văn phòng, dịch vụ, chung cư, khách sạn,...) nên chúng tacó thể đề xuất sử dụng hệ thống điều hòa linh hoạt theo từng chức năng khác nhau.

  • Khu vực văn phòng: nên sử dụng hệ thống điều hòa VRV hoặc VRF, có dàn nóng đặt tại các tầng kỹ thuật để giảm độ cao
  • Khu vực Căn hộ : Dùng hệ thống multi, dàn nóng đặt tại các vị trí khe thoáng kỹ thuật tạo hiệu quả thoát khí.
    • Đặc điểm Hệ thống điều hòa VRV:

Hệ thống  VRV  áp dụng công nghệ tiên tiến nhất, giải pháp điều hòa không khí cho các tòa nhà lớn. Dàn nóng của hệ thống điều hòa thông minh VRV : Có công suất cao hơn lên đến 60 HP đáp ứng các yêu cầu cho các tòa nhà lớn. Dàn nóng Hệ thống điều hòa trung tâm VRV có dải công suất rộng, tăng thêm 2HP cho mỗi cấp công suất, điều hòa trung tâm VRV  đáp ứng linh hoạt mọi yêu cầu của khách hàng với dài công suất dàn nóng từ 6 HP lên đến 60HP, với dàn nóng VRV gọn nhẹ và linh hoạt. Dàn lạnh: VRV có dải công suất rộng đáp ứng nhu cầu cho các tòa nhà lớn: Một hệ thống có thể kết nối  đến 64 dàn lạnh, dàn lạnh của VRV đa dạng về mẫu mã và dải công suất với 15 loại kiểu dáng và 85 kiểu model dàn lạnh đáp ứng hoàn hảo yêu cầu.

  • Hệ thống thông gió.
  1. Hệ thống cấp khí tươi cấp cho không gian có điều hòa. Việc cấp khí tươi các tầng được thực hiện bởi các thiết bị thông gió hồi nhiệt HRV và hệ thống đường ống gió kèm bảo ôn.
  2. Sử dụng quạt cấp và quạt hút cho hệ thống thông gió tầng hầm.
  3. Hệ thống thông gió khu vệ sinh sử dụng quạt hướng trục đặt tại tầng mái hệ thống đường ống gió hút khí thải ra ngoài.
  • Thang máy.

Hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường đang được quan tâm hơn bao giờ hết, việc lựa chọn, sửa dụng và cải tạo hệ thống thang máy như thế nào để góp phần sử dụng năng lượng một các hiệu quả nhất cũng là việc các chủ đầu tư đặc biệt cân nhắc. Theo tính toán thì toàn bộ hệ thống thang máy trong một tòa nhà tiêu thụ hết 10% năng lượng điện trên tổng năng lượng tiêu thụ của cả công trình. Các giải pháp sau đây có thể góp phần nâng cao hiệu năng hoạt động, giảm năng lượng tiêu thụ, giảm chất thải không cần thiết trong quá trình hoạt động và kéo dài vòng đời của thang máy.

  • Lựa chọn tải trọng thang máy.

Trong các toà nhà hiện nay, loại thang máy được lắp đặt thông thường là các thang máy có tải định là 1000KG ≈ 15 người, tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, các thang máy thường làm việc dứoi tải định mức ( thậm chí thấp hơn rất nhiều) gây lãng phí điện năng.

  • Đối với máy kéo thang máy:

Máy kéo là phần tiêu hao nhiều điện nhất của 1 chiếc thang máy.

  1. Nâng cấp máy kéo: Các loại máy kéo đời đầu vận hành 1 cấp tốc độ, việc thay thế nó bằng máy kéo được điều kiển bằng biến tần giúp tiết kiệm 40% điện năng tiêu thụ. Hoặc việc thay thế máy kéo từ có hộp số sang không hộp số cũng góp phần tiết kiệm đáng kể năng lượng trong quá trình hoạt động.
  2. Nâng cấp hệ thống kiểm soát và điều khiển thang máy: Việc vi tính hóa hệ điều khiển hệ thống thang máy, nhất là hệ thống nhóm có nhiều thang máy hoạt động giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi, tiết kiệm điện năng do quá trình dừng đón và trả khách ở các tầng được tối ưu hóa.
  • Đối với hệ thống chiếu sáng thang máy.
  1. Sử dụng đèn LED: Sử dụng đèn LED để thắp sáng cabin thang máy thay vì các bóng đèn truyền thống như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang giúp tiết kiệm tới 80% điện năng. Ngoài ra tuổi thọ của đèn LED lớn, trung bình 10 năm, do đó tiết kiệm tiền đầu tư thay thế thiết bị. Bên cạnh đó, trong quá trình hoạt động, đèn LED không phát ra các tia cực tím như các loại đèn thông thường, do đó tốt cho sức khỏe con người, và bản thân thiết bị thang máy.
  2. Econolight: Khi thang máy không hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định, hệ thống được lập trình sẽ tắt đèn chiếu sáng và quạt thông gió trong cabin, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng.
  • Giải pháp sử dụng hệ thống quản lí và vận hành tòa nhà hiện đại.

Bên cạnh các giải pháp đã nêu, chúng ta có thể kết hợp giữa phương án tiết kiệm điện thông qua việc quản lý vận hành hệ thống, nâng cao ý thức tiết kiệm của người sử dụng, phân bổ thời gian làm việc hợp lý. Tất cả các hệ thống trang thiết bị này được tích hợp chung vào một hệ thống quản lí năng lượng thông minh, được gọi là Hê thống BMS (Building Management System). Hiện nay, chỉ có khoảng 30% số tòa nhà có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera. Tất cả thiết bị của các hệ thống đó được điều khiển riêng biệt và tích hợp từng phần. Hệ BMS cho phép trao đổi thông tin, giám sát giữa các hệ thống, cho phép quản lý tập trung. Hệ BMS cho phép quản lý điện năng ở mức cao. Đây là loại tòa nhà cao tầng được trang bị hệ thống tự động hóa BMS thông minh. Còn gọi là các tòa nhà hiệu năng cao, tòa nhà xanh, tòa nhà công nghệ cao. Vì thế, việc nghiên cứu hệ thống tự động giám sát, theo dõi các hệ thống kỹ thuật để bảo vệ toà nhà cao tầng là nhằm tạo nên môi trường làm việc và sinh hoạt an toàn, tiện nghi hiện đại, ngoài ra qua đề tài này giúp chúng ta hiểu được các vấn đề tổng quan nhất của một hệ thống tự động hoá cho toà nhà từ cấu hình hệ thống, phần mềm điều khiển giám sát chuyên dụng đến các bộ điều khiển cục bộ và các thiết bị trường. BMS là một hệ thống tự động hoá điều khiển và giám sát kỹ thuật. Hệ thống này mang tính tổng thể cao trong điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà. BMS thực hiện tốt nhất các nhiệm vụ điều khiển vận hành hệ thống, là môi trường thu nhận, quản lý toàn bộ các thông số kỹ thuật của thiết bị của các hệ thống kết nối tới. Thông qua trao đổi thông tin, BMS điều khiển vận hành các thiết bị chấp hành của từng hệ thống kỹ thuật khác nhau hoạt động theo yêu cầu của người quản lý, đảm bảo các yếu tố kỹ thuật cũng như các yếu tố an toàn, an ninh… Một hệ thống quản lý toà nhà cơ bản có thể kết nối để điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà như: + Hệ thống thiết bị môi trường (điều hòa, thông khí, giám sát môi trường…) + Hệ thống an ninh (CCTV, hệ thống kiểm soát vào ra, Phòng cháy chữa cháy…) + Hệ thống điều khiển chiếu sáng (chiếu sáng công cộng, khẩn cấp…) + Hệ thống quản lý điện năng (cung cấp điện, máy phát điện, đo đếm năng lượng…) + Thang máy. + Các hệ thống thiết bị lắp đặt trong phòng máy chủ . Tùy theo từng dự án cụ thể mà hệ thống BMS có thể quản lý nhiều hay ít hơn so với hệ thống kỹ thuật cơ bản. Kết quả mà chúng ta nhận thấy qua thực tế đó là sự phát triển không ngừng của các hãng lớn trong lĩnh vực tự động hoá áp dụng cho toà nhà. Giờ đây việc điều khiển các thiết bị tự động hoá toà nhà đã có các phần mềm chuyên dụng, giao diện đồ hoạ giúp người vận hành có thể thao tác dễ dàng. Việc trang bị hệ thống tự động hoá toà nhà sẽ giúp TKNL, giúp cho các toà nhà thân thiện với môi trường và là một xu hướng tất yếu của xã hội hiện đại.Và sử dụng phần mềm ecodial để tính toán cung cấp điện cho toà nhà một cách hiệu quả và nhanh chóng.

  1. Kết luận và một sô kiến nghị chung.

Kiến trúc xanh hay Kiến trúc TKNL là một xu hướng tất yếu của việc phát triển Kiến trúc nói chung và Sử dụng trang thiết bị công trình nói riêng. Các công trình của Hà Nội giai đoạn hiện nay, nhất là loại hình tiêu tốn nhiều năng lượng như nhà cao tâng,  mới chỉ bước đầu tiếp cận các nội dung, tiêu chuẩn của Kiến trúc xanh và kiến trúc TKNL, cần tiếp tục hoàn thiện thể chế pháp quy, bổ xung các kiến thức từ thiết kế tới xây dựng và vận hành khai thác theo quan điểm của chúng để đạt được sự phát triển bền vững, đáp ứng các nhu cầu của sự phát triển đất nước.Do đó, tác giả đề nghị một số kiến nghị sau trong việc lựa chọn và vận hành trang thiết bị công trình hướng tới các mục tiêu TKNL:

  • Cần tiếp tục nghiên cứu về các cơ sở khoa học, các kinh nghiệm thực tiễn để áp dụng Kiến trúc xanh và Kiến trúc TKNL cho các hệ thống trang thiết bị công trình tiếp tục nghiên cứu.
  • Cần sớm hoàn thiện thể chế pháp lý có bộ tiêu chuẩn Kiến trúc xanh hoàn chỉnh.
  • Cần tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm và áp dụng các giải pháp về vật liệu xây dựng; Công nghệ xanh- năng lượng xanh ; các giải pháp vận hành quản lý hệ thống kỹ thuật TKNL, hay các giải pháp tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với con người...tạo nên những thói quen không chỉ đối với người trong nghề kiến trúc mà để thói quen đó lan tỏa ra cộng đồng.
  • Tài liệu tham khảo.

[1] PGS. TS. Nguyễn Việt Anh (2010), Trang thiết bị công trình, Giáo trình, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. [2] Bộ Xây Dựng, IFC, Ngân hàng thế giới, (2014), Hướng dẫn áp dụng Quy chuẩn QCVN 09:2013/BXD Về các công trình xây dựng năng lượng hiệu quả, tài liệu hướng dẫn.

Ths. KTS. Nghiêm Quốc Cường - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.