Hệ thống điều khiển tự động và thủ công trong tòa nhà, cái nào tốt hơn?

Để tạo sự thoải mái cho người ở, nhiều giải pháp sử dụng năng lượng đã được thực hiện. Từ những nghiên cứu trường hợp cụ thể cho thấy, thiết kế năng lượng thấp cũng đòi hỏi phải xem xét cách người cư ngụ có thể kiểm soát môi trường của họ và cung cấp cho họ thông tin chính xác, giúp họ kiểm soát để đảm bảo sự thoải mái của chính họ khi sử dụng năng lượng ít. Một kiến trúc sư không thể mong đợi người sử dụng tòa nhà sẽ hiểu tất cả cách các hệ thống xây dựng tương tác trong các tòa nhà năng lượng thấp, do đó sự cân bằng phải được thực hiện giữa việc sử dụng các điều khiển tự động và thủ công với sự cam kết cá nhân của người sử dụng.

Xem thêm : Vùng tiện nghi nhiệt và các yếu tố tác động đến tiện nghi nhiệt

1. CÁI ĐẦU NÓNG, BÀN CHÂN LẠNH: SỰ KHÓ CHỊU KHÔNG ĐỐI XỨNG (*)

Giả định, trong một không gian với nhiệt độ đồng nhất, nhiệt độ bức xạ trung bình MRT có thể thay đổi đáng kể ở gần các bức tường bên ngoài, đặc biệt gần các mặt tiền cao được xây dựng bằng kính, gây thiếu tiện nghi bất đối xứng.

Thay vì giả định rằng cơ thể mất nhiệt một cách nhất quán trên toàn bộ bề mặt, cơ thể người đổ nhiệt không đồng đều. Ở người khỏe mạnh, bàn tay và bàn chân thường thay đổi trong phạm vi -12°C nhưng nhiệt độ bên trong thay đổi nhỏ hơn -17°C. Các nghiên cứu được thực hiện bởi Center for the Built Environment tại UC Berkeley có nhiệt độ trên 16 phần của cơ thể - cánh tay, chân, đầu, và những thứ khác, với mỗi bộ phận lại nhận được tín hiệu nhiệt độ độc nhất. Sự khó chịu có thể dự đoán nếu một số bộ phận ấm hơn đáng kể so với các bộ phận khác.

Ví dụ, nếu bên trái của cơ thể phải tiếp nhận không khí lạnh từ một cửa sổ, đủ để nhiệt bức xạ có thể bị mất, mặc dù bốn tiêu chuẩn tiện nghi được mô tả ở trên được đáp ứng, theo một báo cáo, cá nhân đó có cảm giác khó chịu. Các tòa nhà siêu cách nhiệt xu hướng có MRT và nhiệt độ không khí thích hợp hơn, ngay cả gần cửa sổ, và do đó giảm khả năng gây thiếu tiện nghi bất đối xứng.

2. CÁC YẾU TỐ THOẢI MÁI KHÁC TRONG NHÀ

Thị giác khó chịu, hoặc ánh sáng chói, có thể nhanh chóng biến một không gian có ánh sáng ban ngày tốt thành một không gian với rèm và đèn chiếu sáng nhân tạo. Ngoài độ chói tương phản, sự thoải mái thị giác bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ màu của ánh sáng, độ đặc trưng của bề mặt, sự cân bằng của các mức ánh sáng trong phạm vi thị lực và các yếu tố khác. Sự thoải mái trực quan được trình bày chi tiết hơn trong (Insert link this post) về ánh sáng ban ngày.

Chất lượng không khí cũng ảnh hưởng đến sự thoải mái trong nhà. Trước khi các tòa nhà được xây kín, không khí lưu thông qua tường bao của tòa nhà thường bị tiêu tán nấm mốc, bào tử, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), bụi và các hạt trong không khí khác. Trong các tòa nhà chật hẹp hơn với nhiều đồ nội thất trong nhà có chất hóa học, kết quả dẫn đến chất lượng không khí thấp sẽ không tạo ra đủ không khí trong lành qua một không gian, có thể làm tăng số ngày bị bệnh, hen suyễn và nhiều bệnh khác. Một nghiên cứu về trẻ em mắc bệnh hen suyễn thấy rằng việc gia đình của họ chuyển đến sống trong ngôi nhà với chất lượng không khí tốt đã giảm việc phải đến phòng cấp cứu 66% (như một toa thuốc mới).

3. ĐIỀU CHỈNH: TỰ ĐỘNG, THỰC HIỆN BẰNG TAY VÀ TÍCH HỢP CẢ 2

Các hệ thống điều khiển tòa nhà đang trở nên tinh vi hơn, đóng một vai trò tích hợp trong hầu hết mọi khía cạnh của hiệu suất tòa nhà, mặc dù không phải không có vấn đề của chúng. Không bao gồm cài đặt và bảo trì, các vấn đề thường là kết quả của nhóm thiết kế không xem xét tính cách và mức độ mà người cư trú sẽ tham gia vào hiệu suất năng lượng trong tòa nhà của họ.

Điều khiển tự động được gắn vào hệ thống quản lý tòa nhà (BMS - building management system) để vận hành hệ thống sưởi ấm và làm mát, rèm và che nắng, ánh sáng điện mờ, cửa sổ có thể hoạt động và lỗ thông hơi, quạt và các thiết bị khác. BMS cũng có thể theo dõi cảm biến mái cho gió, năng lượng mặt trời và nhiệt độ, cũng như đọc cảm biến chiếm dụng và cảm quang để hỗ trợ dự đoán sưởi ấm và làm mát và kiểm soát hệ thống.

Điều khiển tự động yêu cầu thiết lập và bảo trì bởi người dùng tinh vi. Trong hầu hết các tòa nhà dưới 50.000ft2, không có người quản lý thiết bị chuyên dụng, vì vậy việc lập trình và sửa chữa các thành phần tự động thường bị bỏ qua. Đối với các dự án lớn hơn, các kỹ sư cơ khí tạo ra các chuỗi hoạt động cho các điều khiển tự động. Nhà thầu cần xác định cách nối dây, cung cấp bộ truyền động cho các bộ phận chuyển động (chẳng hạn như rèm, che nắng có thể hoạt động, cửa sổ tự động) và định vị các bộ phận quang và CO2. Cảm biến, trong khi người quản lý cơ sở cần kết hợp các dự báo thời tiết và các trạm thời tiết tại chỗ, và đưa tất cả chúng vào phần mềm BMS. Khi những điều này không hoàn toàn khớp chính xác với ý định thiết kế và các giả định, lý thuyết tiết kiệm năng lượng từ mô hình năng lượng không thành hiện thực.

Tác giả đã đưa ra thiết kế cho một tòa nhà nhỏ nơi mà sự kiểm soát tốn kém, phức tạp và không có ý thức (với lý thuyết tiết kiệm năng lượng lớn). Giải pháp đề xuất là lắp đặt hệ thống ánh sáng tự động tắt mỗi ngày lúc 5 giờ chiều. Có nghĩa là, nếu cần sử dụng ánh sáng sau 5h chiều, ai đó phải tự bật công tắc đèn.

Một nghiên cứu được chuẩn bị cho Đại học bang Lowa bởi ZGF Architects LLP đánh giá bốn phương án thiết kế cửa sổ cho người dùng: (1) khả năng điều khiển, (2) ánh sáng ban ngày sẵn có, (3) sự thoải mái thị giác và (4) thừa nhiệt (**). Mặc dù mô phỏng dự đoán tiết kiệm năng lượng ánh sáng do sử dụng ánh sáng ban ngày, những khoản tiết kiệm này chỉ được thực hiện khi hệ thống chặn thành công ánh sáng chói hoặc cho phép người dùng chặn ánh sáng chói mà không chặn ánh sáng ban ngày.

Source: Courtesy of ZGF Architects LLP.

Điều khiển tự động có thể dẫn đến lý thuyết tiết kiệm năng lượng lớn, thường giả định rằng các cá nhân là người nhận sự thoái mái một cách thụ động. Tuy nhiên, người ở thường muốn kiểm soát không gian nơi họ dành nhiều thời gian, chẳng hạn như văn phòng, nhà ở, phòng khách sạn và phòng bệnh nhân của bệnh viện. Thường thì người ở sẽ cố gắng tận dụng tối đa rèm cửa tự động để tối đa hóa tầm nhìn hoặc giảm độ chói, chặn lỗ thông hơi để giảm luồng khí lạnh không mong muốn hoặc tốc độ không khí cao, hoặc mua thiết bị sưởi trong nhà để tạo điều kiện thoải mái.

Các nghiên cứu nhìn vào mô hình thích ứng tiện nghi nhiệt đã tìm thấy rằng mọi người tự báo cáo mức độ thoải mái cao hơn khi họ có một số kiểm soát đối với môi trường nhiệt của họ. Kiểm soát lưu lượng không khí hoặc nhiệt độ cục bộ, cửa sổ có thể hoạt động, rèm có thể hoạt động và các cơ chế khác ngăn cản một số kiểm soát đối với người ở, với mức độ tiện nghi lý thuyết cao hơn.

Các điều khiển bằng tay cũng không dễ dàng. Chúng cần phải được đặt ở những nơi hợp lý, thường xuyên tiếp cận với hệ thống để con người dễ kiểm soát và sử dụng hoặc nếu không thì có thể bị phớt lờ. Vào một buổi chiều đầy nắng, khi phần lớn người cư ngụ đều ở bên ngoài, các cửa sổ thông thường có thể không được mở, dẫn đến làm mát HVAC (***) tăng thay vì thông gió tự nhiên. Khi mà ánh sáng chói chiếu xuyên qua cửa sổ vào trong nhà, người cư ngụ sẽ kéo rèm để che chắn. Điều này đồng nghĩa với việc ngăn chặn luôn ánh sáng và nhiệt năng mặt trời tiềm năng mong muốn trong cả ngày nếu người đó không thu tấm rèm lại. Nhưng, ngược lại, các hệ thống tự động sẽ cảm biến để các rèm kéo ra hoặc thu vào tương ứng với điều kiện ngoài trời.

Trước khi đưa ra quyết định liệu các điều khiển bằng tay và tự động có được sử dụng hay không, kiến ​​trúc sư được khuyến khích hiểu và minh họa cách người ở có khả năng sử dụng từng không gian - hàng ngày và theo mùa - để giảm thiểu ánh sáng chói, kiểm soát sự tiện nghi nhiệt và thưởng thức quang cảnh.

Một phần quan trọng của nỗ lực này là cung cấp thông tin và hướng dẫn cho người cư trú. Tương tự như những chiếc xe hiện thị hiệu suất nhiên liệu hiện tại của bộ điều khiển, một bảng điều khiển cho thấy những người cư ngụ trong tòa nhà đang sử dụng năng lượng có tiết kiệm, hiệu quả hay không và có thể hình thành thói quen chủ động tắt đèn, điều khiển rèm và mở cửa sổ giúp thông gió tự nhiên tốt hơn trong tòa nhà. Định vị bảng điều khiển trên máy tính hoặc máy tính bảng của từng người có thể được thiết lập như gửi email thông báo để nhắc nhở mọi người thường xuyên tương tác với môi trường sống xung quanh họ.

Các chiến lược thiết kế hoàn chỉnh sẽ hiệu quả hơn khi việc sử dụng năng lượng trở thành một phần của ý thức, đề tài thảo luận và hành động hàng ngày của những dân cư sống trong tòa nhà. Trình theo dõi sử dụng năng lượng theo thời gian thực trực tuyến là cách thu hút người ở trong việc xây dựng hoạt động bằng cách sử dụng phần mềm được triển khai cho máy trạm, máy tính bảng và điện thoại. Trang tổng quan cho văn phòng Newport Beach của DPR Construction theo dõi việc sử dụng năng lượng dựa trên mục tiêu, hiệu suất trong quá khứ và các chỉ số khác.

Source: Courtesy of Lucid and DPR Construction.

Chú giải

(*) Asymmetrical discomfort

(**) (1) controllability, (2) daylight availability, (3) visual comfort, and (4) heat gain