Hệ thống thông gió có tái tạo nhiệt có tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà không?

Hệ thống Thông gió với Thu hồi Nhiệt Giảm Tiêu Thụ Năng Lượng cho Tòa Nhà Như Thế Nào

Hiểu Rõ Vai Trò Của Việc Thu Hồi Nhiệt Trong Việc Giảm Tải Nhiệt Và Làm Mát Bằng Các Hệ Thống Thu Hồi Năng Lượng

Các hệ thống thông gió được trang bị công nghệ thu hồi nhiệt giúp giảm nhu cầu năng lượng bằng cách chuyển năng lượng nhiệt từ không khí thải ra sang không khí tươi đưa vào. Những hệ thống này, được gọi là HRV (Heat Recovery Ventilators - Thiết bị thông gió thu hồi nhiệt) và ERV (Energy Recovery Ventilators - Thiết bị thông gió thu hồi năng lượng), hoạt động thông qua các bộ trao đổi nhiệt đặc biệt có khả năng thu hồi khoảng 80 phần trăm lượng nhiệt bị lãng phí từ không khí trong nhà. Nhiệt lượng được thu hồi sau đó sẽ làm ấm hoặc làm mát không khí bên ngoài trước khi đến hệ thống HVAC chính. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ước tính những hệ thống này thực sự có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể, giảm mạnh nhu cầu phải vận hành đầy đủ chu kỳ sưởi ấm hoặc làm lạnh. Kết quả là, các tòa nhà cuối cùng sử dụng ít hơn khoảng 30 đến thậm chí 50 phần trăm năng lượng cho hoạt động HVAC nói chung.

Tiết kiệm năng lượng thông qua trao đổi không khí liên tục mà không bị mất nhiệt

Các hệ thống thông gió truyền thống chỉ đơn giản thải không khí đã điều hòa ra ngoài và lãng phí rất nhiều năng lượng, trong khi các hệ thống thu hồi nhiệt hiện đại lại giữ cho không khí trong nhà luôn tươi mới mà không để thất thoát lượng nhiệt đó. Khi hệ thống hoạt động đúng cách, nó cân bằng các dòng không khí đi vào và đi ra thông qua một bộ phận trao đổi nhiệt đặc biệt, thường được làm từ vật liệu gốm hoặc một số loại polymer nhựa nhất định. Khoảng 60 đến 90 phần trăm lượng nhiệt được thu hồi trong quá trình trao đổi này. Điều này có ý nghĩa gì đối với ứng dụng thực tế? Các tòa nhà tiêu tốn ít hơn từ một nửa đến ba phần tư năng lượng cho chi phí thông gió mỗi năm, do đó con người thực sự trải nghiệm nhiệt độ ổn định hơn qua các mùa thay vì phải chịu những biến động nhiệt độ khó chịu mà chúng ta vốn quen thuộc ở các hệ thống cũ.

Bộ trao đổi nhiệt trong HRV/ERV làm điều kiện trước không khí đầu vào như thế nào để duy trì sự ổn định nhiệt độ trong nhà

Vào những tháng mùa đông, khi nhiệt độ ngoài trời giảm xuống khoảng -5 độ C, hệ thống hoạt động bằng cách lấy nhiệt từ luồng khí thải ấm hơn (khoảng 20°C) để sưởi ấm cho không khí lạnh bên ngoài. Không khí đầu ra đã được làm ấm sơ bộ lên khoảng 11°C trước khi đi vào tòa nhà. Việc trao đổi nhiệt đơn giản này giúp giảm lượng năng lượng mà các hộ gia đình phải chi trả cho việc sưởi ấm mỗi ngày, tiết kiệm từ khoảng 3 đến 5 kilowatt giờ. Vào mùa hè, tình hình đảo ngược lại. Quá trình này vẫn được áp dụng nhưng giờ đây nó hỗ trợ làm mát luồng không khí nóng bức từ bên ngoài bằng cách chuyển nhiệt dư thừa sang luồng khí thải ra ngoài. Điều này giúp duy trì nhiệt độ dễ chịu bên trong các tòa nhà mà không cần vận hành liên tục hệ thống điều hòa không khí cả ngày dài. Người dùng thực sự cảm nhận được sự ổn định nhiệt độ tốt hơn trong ngôi nhà của mình, đồng thời tiết kiệm được chi phí cho các hóa đơn HVAC lớn vào cuối tháng.

Thông tin dữ liệu: Mức giảm trung bình từ 50–70% tiêu thụ năng lượng sưởi ấm và làm mát trong các tòa nhà dân cư

Các nghiên cứu của Quỹ THESEF cho thấy các tòa nhà dân cư sử dụng hệ thống thông gió hồi phục nhiệt tiêu thụ ít hơn 50–70% năng lượng cho sưởi ấm và làm mát so với các tòa nhà dùng hệ thống thông thường. Trong các ngôi nhà thụ động, nơi hệ thống HRV là tiêu chuẩn, nhu cầu sưởi ấm thường xuống dưới 15 kWh/m²/năm—tương ứng mức giảm 80% so với các ngôi nhà thông thường.

Hiệu suất của hệ thống thông gió có hồi phục nhiệt trong các vùng khí hậu khác nhau

Tác động của hệ thống HRV đến quy mô thiết kế hệ thống HVAC và hiệu quả năng lượng ở vùng khí hậu lạnh

Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đóng băng, hệ thống thông gió hồi phục nhiệt (HRV) có thể giảm nhu cầu sưởi ấm từ khoảng 38% đến gần một nửa, điều này có nghĩa là các hệ thống HVAC có thể được thiết kế nhỏ hơn và hoạt động hiệu quả hơn. Công nghệ trao đổi nhiệt kiểu ngược thực tế làm ấm không khí tươi cấp vào khoảng 8 đến 12 độ C so với nhiệt độ bên ngoài, do đó kỹ sư không còn cần lắp đặt những thiết bị sưởi lớn cồng kềnh nữa, có thể tiết kiệm được 1 hoặc 2 tấn công suất thiết bị mà vẫn đạt được kết quả tốt. Các tính năng kiểm soát đóng băng hiện đại này giúp hệ thống vận hành trơn tru hầu hết thời gian ngay cả khi trời trở nên cực kỳ lạnh, đạt thời gian hoạt động khoảng 89% ở mức âm 25 độ C. Điều này khiến HRV trở thành giải pháp khả thi cho những khu vực có điều kiện mùa đông khắc nghiệt. Một nghiên cứu công bố năm 2022 trên tạp chí Renewable and Sustainable Energy Reviews đã xác nhận hiệu quả của chúng trong các vùng khí hậu khắc nghiệt.

Hiệu quả của thông gió hồi phục nhiệt trong các vùng khí hậu ẩm và khí hậu hỗn hợp

Các hệ thống ERV thực sự phát huy hiệu quả ở những khu vực nóng ẩm và những nơi có điều kiện thời tiết thay đổi vì chúng đồng thời xử lý việc kiểm soát nhiệt độ và quản lý độ ẩm. Những thiết bị này có thể giảm nhu cầu làm mát bổ sung khoảng từ 18 đến 27 phần trăm nhờ khả năng di chuyển chọn lọc độ ẩm từ phía này sang phía khác, khiến chúng hiệu quả hơn nhiều trong việc giữ không gian khô ráo so với các hệ thống thông thường. Khi xét riêng các vùng khí hậu kiểu Địa Trung Hải, các mẫu thiết bị hai lõi hoạt động rất tốt trong những tháng lạnh bằng cách thu hồi khoảng 74% lượng nhiệt mà nếu không sẽ bị thất thoát. Đồng thời, các hệ thống này giúp không khí trong nhà không bị ẩm quá mức trong những mùa ấm hơn. Điều này rất quan trọng vì các hệ thống điều hòa không khí tiêu chuẩn thường lãng phí từ 20 đến 30 phần trăm năng lượng khi thông gió quá mức—một tình trạng xảy ra khá thường xuyên trong nhiều ngôi nhà và tòa nhà.

Nghiên cứu điển hình: Tiết kiệm năng lượng trong một ngôi nhà thụ động tại Canada sử dụng HRV trong vòng 12 tháng

Một ngôi nhà cũ ở Saskatchewan đã được cải tạo thành ngôi nhà thụ động với hệ thống thông gió hồi nhiệt hoạt động ở hiệu suất khoảng 92%. Cải tiến này đã giảm hóa đơn sưởi ấm gần hai phần ba, tương đương tiết kiệm khoảng 1.240 đô la mỗi năm so với khi chỉ sử dụng quạt hút thông thường. Theo nghiên cứu từ tạp chí Energy and Buildings, ngôi nhà này duy trì mức độ carbon dioxide dưới 800 phần triệu trong khi giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng khoảng 42%. Thực tế, con số này tốt hơn 31 điểm so với yêu cầu của tiêu chuẩn ASHRAE 62.2 về thông gió phù hợp. Những kết quả này thật sự ấn tượng đối với một cải thiện đáng kể về cả sự thoải mái lẫn tiết kiệm chi phí.

Tối đa hóa Tiết kiệm Năng lượng Thông qua Việc Tích hợp Sớm vào Thiết kế Công trình

Giảm Tải HVAC bằng Cách Tích hợp Hệ thống Thông gió với Hồi nhiệt trong Giai đoạn Thiết kế

Khi các kiến trúc sư tích hợp hệ thống thông gió hồi phục nhiệt ngay từ đầu vào thiết kế của họ, hiệu suất hệ thống HVAC của các tòa nhà thường cải thiện khoảng 30 đến 50 phần trăm so với việc lắp đặt hệ thống này sau đó. Việc thực hiện đúng ngay từ đầu giúp các nhà thiết kế có thể bố trí đường ống dẫn khí hợp lý và lựa chọn kích cỡ bộ trao đổi nhiệt phù hợp với nhu cầu thực tế của tòa nhà. Ngược lại, các tòa nhà lắp đặt hệ thống này sau khi hoàn thiện công trình thường bị giảm hiệu suất khoảng 15 đến 25 phần trăm do các thành phần không được phối hợp ăn khớp. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng đề cập đến điều tương tự trong tài liệu về nguồn năng lượng của các vùng dân tộc bản địa. Các tòa nhà có hệ thống được tích hợp đúng cách duy trì hiệu suất hoạt động rất tốt qua các mùa, giữ được hiệu suất khoảng 80 đến 90 phần trăm ngay cả khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi mạnh.

Phân tích xu hướng: Việc áp dụng hệ thống thông gió hồi phục nhiệt trong các tòa nhà tiết kiệm năng lượng bằng 0 (Net-Zero)

Khoảng hai phần ba số công trình xây dựng đạt tiêu chuẩn năng lượng ròng bằng không trên khắp cả nước hiện nay đều được trang bị hệ thống thông gió hồi phục nhiệt, chủ yếu nhờ vào các hướng dẫn của Bộ Năng lượng về thiết kế công trình toàn diện. Khi các nhà thầu tích hợp đúng cách những hệ thống này, họ có thể giảm nhu cầu thiết bị sưởi ấm gần một nửa ở những vùng khí hậu lạnh và giảm khoảng một phần ba nhu cầu làm mát tại những khu vực có độ ẩm cao. Đối với các công trình được chứng nhận Nhà tiết kiệm năng lượng (Passive House) nói riêng, việc lắp đặt sớm bộ trao đổi nhiệt (HRV) giúp duy trì chất lượng không khí trong nhà ở mức xuất sắc mà không làm mất đi độ kín cần thiết để đạt hiệu quả năng lượng. Sự cân bằng giữa việc lưu thông không khí tươi và duy trì lớp bao kín khí này vẫn rất quan trọng để đạt được các mục tiêu năng lượng ròng bằng không đầy tham vọng.