Máy Tính Mất Nhiệt - Kích Thước Hệ Thống Sưởi & So Sánh Cách Nhiệt

Máy tính tổn thất nhiệt

Máy tính tổn thất nhiệt ước tính tốc độ nhiệt thoát ra khỏi một căn phòng, tính bằng watt. Công cụ sử dụng kích thước phòng, chất lượng cách nhiệt và chênh lệch nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài trời. Kết quả cho biết gần đúng công suất sưởi cần thiết để giữ phòng ấm.

Nhiệt luôn truyền từ vùng ấm sang vùng lạnh. Vào mùa đông, nhiệt truyền từ căn phòng được sưởi, qua tường, mái và sàn, ra không khí lạnh bên ngoài. Hệ thống sưởi phải bù lại lượng nhiệt đã mất để giữ phòng ở nhiệt độ ổn định. Biết lượng nhiệt mất đi bao nhiêu watt giúp lựa chọn lò sưởi hoặc bộ tản nhiệt có kích thước phù hợp, đồng thời đánh giá việc tăng cường cách nhiệt có đáng với chi phí bỏ ra hay không.

Công thức tính tổn thất nhiệt

Máy tính sử dụng công thức tiêu chuẩn trong vật lý xây dựng:

$Q = U \times A \times \Delta T$

• Q là tốc độ tổn thất nhiệt, tính bằng watt (W).
• U là giá trị U, hay độ truyền nhiệt, tính bằng watt trên mét vuông trên kelvin (W/m²K). Giá trị U càng thấp thì khả năng cách nhiệt càng tốt.
• A là tổng diện tích bề mặt mà nhiệt thoát qua, tính bằng mét vuông (m²).
• ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài trời, tính bằng độ C hoặc kelvin.

Công thức nhân ba đại lượng: mức độ dễ truyền nhiệt qua vật liệu xây dựng, diện tích bề mặt để nhiệt truyền qua và độ lớn của khoảng cách nhiệt độ. Khoảng cách lớn hơn hoặc diện tích lớn hơn đều làm tăng tổn thất nhiệt. Giá trị U cao hơn cũng vậy.

Các giá trị U được sử dụng trong máy tính

Máy tính cung cấp bốn mức cách nhiệt cố định, mỗi mức gắn với một giá trị U điển hình:

Đây là các giá trị trung bình gần đúng cho toàn bộ căn phòng, không phải cho một vật liệu riêng lẻ. Tường, cửa sổ và mái thực tế đều có giá trị U riêng, và cửa sổ thường cho nhiệt truyền qua nhiều hơn hẳn tường được cách nhiệt.

Diện tích bề mặt

Máy tính cộng diện tích của cả sáu bề mặt trong một căn phòng hình hộp chữ nhật: bốn bức tường, trần và sàn.

$A = 2 \times (L \times W + L \times H + W \times H)$

L, W và H lần lượt là chiều dài, chiều rộng và chiều cao của phòng, tính bằng mét. Phương pháp này coi mọi bề mặt đều hướng ra ngoài trời. Trong một ngôi nhà thực tế, tường chung với phòng bên cạnh được sưởi sẽ mất rất ít hoặc không mất nhiệt, vì vậy ước tính cho toàn bộ ngôi nhà theo cách này có xu hướng hơi cao.

Chênh lệch nhiệt độ

ΔT đơn giản là nhiệt độ trong nhà trừ nhiệt độ ngoài trời. Khi kiểm tra mức độ tiện nghi hằng ngày, người ta thường dùng nhiệt độ thấp nhất dự kiến cảm nhận trong ngày đó. Ngược lại, kỹ sư khi thiết kế hệ thống sưởi cố định sử dụng “nhiệt độ thiết kế” của địa điểm, tức một giá trị tiêu chuẩn cho thời tiết lạnh do các tổ chức như ASHRAE công bố, thay vì nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận tại đó.

Cách sử dụng máy tính tổn thất nhiệt

1. Đo căn phòng. Nhập chiều dài, chiều rộng và chiều cao bên trong phòng, tính bằng mét.
2. Chọn mức cách nhiệt. Chọn kém, trung bình, tốt hoặc xuất sắc dựa trên tuổi và kết cấu công trình. Khi không chắc chắn, nên chọn mức kém hơn để tránh chọn lò sưởi có công suất không đủ.
3. Đặt nhiệt độ. Nhập nhiệt độ trong nhà cần duy trì và nhiệt độ ngoài trời dùng để tính toán.
4. Đọc kết quả. Máy tính hiển thị tổng diện tích bề mặt, giá trị U được sử dụng, chênh lệch nhiệt độ, tổng tổn thất nhiệt tính bằng watt và mức đánh giá.

Cách tính mức đánh giá

Mức đánh giá không chỉ dựa vào con số watt trực tiếp, vì một căn phòng lớn đương nhiên mất nhiều watt hơn phòng nhỏ dù có cùng mức cách nhiệt. Thay vào đó, máy tính chia tổn thất nhiệt cho thể tích phòng, cho ra giá trị tính bằng watt trên mét khối (W/m³), rồi so sánh với bốn khoảng:

Một căn phòng nhỏ, cách nhiệt kém có thể được xếp mức “nghiêm trọng” dù tổng công suất watt không lớn, trong khi một sảnh lớn, cách nhiệt tốt có thể được xếp mức “thấp” dù tổng con số lớn hơn. Chia cho thể tích giúp so sánh mức đánh giá giữa các phòng có kích thước khác nhau.

Ví dụ minh họa

Xét một căn phòng dài 5 m, rộng 4 m và cao 2,5 m, có mức cách nhiệt trung bình (U = 1,0 W/m²K), được sưởi đến 21 °C khi nhiệt độ bên ngoài là 0 °C.

1. Diện tích bề mặt: 2 × (5 × 4 + 5 × 2,5 + 4 × 2,5) = 2 × (20 + 12,5 + 10) = 2 × 42,5 = 85 m²
2. Chênh lệch nhiệt độ: 21 − 0 = 21 °C
3. Tổn thất nhiệt: 1,0 × 85 × 21 = 1.785 W
4. Thể tích phòng: 5 × 4 × 2,5 = 50 m³
5. Tổn thất nhiệt theo thể tích: 1.785 ÷ 50 = 35,7 W/m³, thuộc khoảng từ 30 đến 50, nên máy tính xếp căn phòng này ở mức Cao.

Căn phòng tương tự, với cùng nhiệt độ, cho thấy cách nhiệt làm thay đổi kết quả như thế nào:

Khi diện tích và chênh lệch nhiệt độ không đổi, tổn thất nhiệt tỷ lệ thuận với giá trị U, nhưng giá trị U không giảm theo cùng một tỷ lệ ở mỗi bước. Chuyển từ cách nhiệt kém sang trung bình làm giảm một nửa giá trị U (từ 2,0 xuống 1,0), nên tổn thất nhiệt cũng giảm chính xác một nửa, từ 3.570 W xuống 1.785 W. Tuy nhiên, chuyển từ cách nhiệt trung bình sang xuất sắc làm giá trị U giảm còn một phần tư (từ 1,0 xuống 0,25), vì vậy tổn thất nhiệt cũng giảm còn một phần tư, từ 1.785 W xuống 446 W, chứ không chỉ giảm một nửa.

Hạn chế

Công thức này cho một ước tính ở trạng thái ổn định, hữu ích để so sánh và chọn công suất sơ bộ, nhưng bỏ qua một số tác động thực tế:

• Rò rỉ không khí. Gió lùa quanh cửa ra vào, cửa sổ và các khe hở có thể chiếm một phần lớn tổn thất nhiệt thực tế của công trình. Công thức không bao gồm yếu tố này.
• Cầu nhiệt. Các thanh đứng, dầm và bộ phận khung khác dẫn nhiệt nhanh hơn lớp cách nhiệt xung quanh.
• Cửa sổ và cửa ra vào. Máy tính áp dụng một giá trị U cho toàn bộ căn phòng, nhưng kính thường làm mất nhiệt nhanh hơn tường cách nhiệt vài lần.
• Nhiệt thu được từ bức xạ mặt trời. Ánh nắng xuyên qua cửa sổ có thể bù đắp một phần tổn thất nhiệt ban ngày.
• Tường bên trong dùng chung. Tường giữa hai phòng được sưởi mất ít nhiệt, nhưng công thức tính chúng như thể chúng hướng ra ngoài trời.

Để thiết kế hệ thống sưởi được chứng nhận, đơn vị lắp đặt có chuyên môn hoặc chuyên gia đánh giá năng lượng cần tính đến các yếu tố này bằng cách khảo sát thực tế tại công trình.

Các câu hỏi thường gặp

Máy tính tổn thất nhiệt là gì?

Đây là công cụ ước tính căn phòng mất bao nhiêu watt nhiệt ra bên ngoài, dựa trên kích thước, mức cách nhiệt và chênh lệch nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài trời. Kết quả cho biết gần đúng công suất sưởi mà căn phòng cần.

Công cụ sử dụng công thức nào?

Q = U × A × ΔT, trong đó Q là tổn thất nhiệt tính bằng watt, U là giá trị U của vật liệu xây dựng tính bằng W/m²K, A là tổng diện tích bề mặt tính bằng mét vuông và ΔT là chênh lệch nhiệt độ tính bằng độ.

Mức đánh giá được tính như thế nào?

Máy tính chia tổng tổn thất nhiệt cho thể tích phòng để có số watt trên mét khối, sau đó xếp loại thấp (dưới 15 W/m³), trung bình (từ 15 đến 30), cao (từ 30 đến 50) hoặc nghiêm trọng (50 trở lên). Mỗi khoảng bắt đầu từ số giới hạn dưới và kết thúc ngay trước số tiếp theo. Cách này tránh đánh giá bất lợi cho các phòng lớn chỉ vì kích thước của chúng.

Nên chọn giá trị U nào?

Chọn “kém” (2,0) cho các công trình cũ, không được cách nhiệt; “trung bình” (1,0) cho những ngôi nhà tiêu chuẩn xây từ những năm 1980 đến những năm 2000; “tốt” (0,5) cho những ngôi nhà hiện đại, được cách nhiệt tốt; và “xuất sắc” (0,25) chỉ cho các công trình xây theo tiêu chuẩn nhà thụ động. Nếu không chắc chắn, nên chọn mức kém hơn để tránh chọn lò sưởi có công suất không đủ.

Máy tính có tính riêng cửa sổ không?

Không. Công cụ áp dụng một giá trị U duy nhất cho toàn bộ căn phòng. Cửa sổ thường làm mất nhiều nhiệt trên mỗi mét vuông hơn hẳn tường được cách nhiệt, vì vậy trên thực tế, căn phòng có cửa sổ lớn sẽ mất nhiều nhiệt hơn mức máy tính này hiển thị.

Giá trị U và giá trị R khác nhau như thế nào?

Chúng mô tả cùng một tính chất theo hai hướng ngược nhau. Giá trị U đo tốc độ nhiệt truyền qua vật liệu (thấp hơn là tốt hơn); giá trị R đo khả năng vật liệu cản dòng nhiệt (cao hơn là tốt hơn). Hai giá trị liên hệ với nhau theo công thức R = 1/U.

Tài liệu tham khảo

1. ASHRAE. Sổ tay ASHRAE—Các nguyên lý cơ bản. Hiệp hội Kỹ sư Sưởi ấm, Làm lạnh và Điều hòa không khí Hoa Kỳ.
2. Viện Kỹ sư Dịch vụ Xây dựng Chartered. Hướng dẫn CIBSE A: Thiết kế môi trường. CIBSE.
3. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. “Cách nhiệt.” energy.gov/energysaver/insulation.
4. Viện Nhà thụ động. “Các yêu cầu đối với nhà thụ động.” passivehouse.com.