Năng lượng đô thị: phụ tải điện, trạm biến áp và điện mặt trời mái nhà

Một khu đô thị mới đã chia lô xong, đường xong, cây trồng xong. Đến khi các toà nhà đầu tiên chuẩn bị đóng điện mới phát hiện: trạm biến áp phân phối cần thêm đất, và phương án duy nhất là lấy một góc công viên. Chuyện này xảy ra vì điện là hạ tầng mà người quy hoạch hay coi là “bên điện lực sẽ lo”, trong khi nó cần đất, cần hành lang và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi hình thái đô thị.

Ước tính phụ tải: từ diện tích sàn đến megawatt

Ở giai đoạn quy hoạch, phụ tải điện thường được ước tính theo chỉ tiêu cấp điện trên đầu người hoặc trên diện tích sàn theo loại công trình, lấy trong quy chuẩn hiện hành. Trình tự:

1. Tính diện tích sàn hoặc dân số theo từng chức năng.
2. Nhân với chỉ tiêu công suất tương ứng (W/m² hoặc kW/hộ).
3. Nhân với hệ số đồng thời: không phải mọi thiết bị, mọi công trình đạt đỉnh cùng lúc. Văn phòng đỉnh buổi chiều, nhà ở đỉnh buổi tối.
4. Cộng chiếu sáng công cộng, trạm bơm, công trình hạ tầng.
5. Dự phòng cho tăng trưởng.

Ví dụ minh họa

Giả định một khu có 300.000 m² sàn nhà ở, 80.000 m² sàn văn phòng, 40.000 m² sàn thương mại. Dùng chỉ tiêu giả định lần lượt 30, 60 và 80 W/m²:

Với hệ số đồng thời giả định 0,7: khoảng 11.900 kW, tức gần 12 MW. Cộng chiếu sáng, bơm, dự phòng, con số thiết kế có thể khoảng 13–14 MW. Nếu mỗi trạm biến áp phân phối trung áp/hạ áp có công suất một vài MVA, khu cần nhiều trạm phân bố theo bán kính cấp điện hạ thế hợp lý.

Trạm biến áp: cần đất và cần vị trí đúng

Hệ thống điện đô thị có nhiều cấp điện áp. Người quy hoạch cần quan tâm hai loại công trình:

• Trạm biến áp cao áp (nhận điện từ lưới truyền tải, hạ xuống trung áp): cần khu đất riêng đáng kể, hành lang tuyến đường dây hoặc cáp đi vào, đường cho xe vận chuyển máy biến áp lớn. Vị trí phải được dành trong quy hoạch phân khu, không thể chen vào sau.
• Trạm phân phối (trung áp xuống hạ áp): nhỏ hơn nhiều, có thể là trạm kios, trạm đặt trong tầng trệt hoặc tầng hầm công trình lớn. Cần phân bố đều, gần trung tâm phụ tải, để đường dây hạ thế không quá dài.

Nguyên tắc: trạm đặt càng gần trung tâm phụ tải thì tổn thất trên đường dây hạ thế càng thấp và điện áp cuối tuyến càng ổn định. Đẩy trạm ra rìa khu vì lý do thẩm mỹ là đánh đổi bằng tổn thất kéo dài suốt vòng đời công trình.

Cáp ngầm và chỗ dưới vỉa hè

Ngầm hoá đường dây làm phố gọn và an toàn hơn, nhưng cáp cần chỗ. Dưới một vỉa hè đô thị có thể phải xếp: cáp trung thế, cáp hạ thế, cáp chiếu sáng, cáp viễn thông, ống cấp nước, có khi cả cống thoát. Mỗi loại có khoảng cách an toàn tối thiểu với loại khác theo tiêu chuẩn chuyên ngành. Vỉa hè hẹp không chứa hết, và đó là lý do nhiều nơi xây hào kỹ thuật hoặc tuy nen kỹ thuật gom các tuyến vào một công trình chung, mở nắp để bảo trì mà không phải đào đường.

Với đồ án, hãy vẽ ít nhất một mặt cắt phố có xếp các tuyến ngầm theo lớp và theo vị trí ngang. Nếu không xếp đủ, cần mở rộng vỉa hè hoặc đề xuất hào kỹ thuật.

Chiếu sáng công cộng

Chiếu sáng phố không chỉ là số lux. Những yếu tố thiết kế cần biết:

• Độ đồng đều: mặt đường sáng chỗ này tối chỗ kia gây mỏi mắt và che khuất người đi bộ trong vùng tối.
• Chiếu sáng vỉa hè riêng: đèn cao cho lòng đường thường bị tán cây che, vỉa hè tối. Đèn thấp riêng cho người đi bộ cải thiện cảm giác an toàn.
• Nhiệt độ màu và hướng sáng: đèn chiếu lên trời lãng phí năng lượng và gây ô nhiễm ánh sáng; chụp đèn hướng xuống là nguyên tắc cơ bản.
• Điều khiển theo giờ: giảm công suất vào khuya khi ít người là cách tiết kiệm lớn với đèn LED.

Hình thái đô thị và điện cho làm mát

Ở khí hậu nóng, điều hoà không khí chiếm phần lớn phụ tải đỉnh. Hình thái đô thị ảnh hưởng trực tiếp:

1. Đảo nhiệt đô thị: bề mặt tối, ít cây, ít mặt nước làm nhiệt độ khu vực cao hơn vùng xung quanh, đặc biệt ban đêm, kéo theo nhu cầu làm mát tăng.
2. Hướng công trình: mặt đứng dài quay hướng tây nhận nhiều nhiệt buổi chiều, đúng giờ phụ tải cao.
3. Thông gió: hành lang gió theo hướng gió chủ đạo giúp giảm nhiệt cho cả khu.
4. Cây xanh đường phố: bóng cây giảm nhiệt độ bề mặt đường và mặt đứng, gián tiếp giảm tải điều hoà.

Với khu mật độ cao nhiều văn phòng, làm mát tập trung (district cooling), một nhà máy sản xuất nước lạnh cấp qua đường ống cho nhiều công trình, là giải pháp đáng cân nhắc vì hiệu suất cao hơn nhiều máy lạnh riêng lẻ và giảm phụ tải đỉnh. Nó cần đất cho trạm và hành lang ống, nên phải được tính từ giai đoạn quy hoạch.

Điện mặt trời mái nhà: ước tính tiềm năng

Trình tự ước tính nhanh cho một khu:

1. Tổng diện tích mái từ bản vẽ quy hoạch.
2. Nhân tỷ lệ mái sử dụng được (trừ tum thang, thiết bị, bóng đổ, mái dốc hướng bất lợi): thường chỉ một phần, giả định 40–60%.
3. Nhân công suất lắp đặt trên mỗi m² tấm pin (tấm phổ biến hiện nay khoảng 0,18–0,22 kWp/m², cần thêm khoảng trống lối đi).
4. Nhân sản lượng năm trên mỗi kWp theo số liệu bức xạ của vùng.

Kết quả thường cho thấy điện mặt trời mái nhà có thể đáp ứng một phần đáng kể phụ tải ban ngày của khu thấp và trung tầng, nhưng phần nhỏ của khu cao tầng mật độ cao, vì diện tích mái nhỏ so với diện tích sàn. Đây là đánh đổi mà thuyết minh nên nói rõ thay vì ghi chung chung “khuyến khích năng lượng tái tạo”.

Áp dụng: năm việc cho phần năng lượng trong đồ án

1. Tính phụ tải theo chức năng với chỉ tiêu trong quy chuẩn, ghi rõ hệ số đồng thời.
2. Đặt vị trí trạm biến áp phân phối gần trung tâm phụ tải, và dành đất cho trạm cao áp nếu khu đủ lớn.
3. Vẽ mặt cắt phố có xếp tuyến cáp ngầm cùng các tuyến khác.
4. Chỉ ra ba biện pháp hình thái giảm tải làm mát: hướng công trình, cây xanh, hành lang gió.
5. Ước tính tiềm năng điện mặt trời mái nhà bằng con số, không bằng khẩu hiệu.

Làm đủ năm việc, phần năng lượng của đồ án sẽ không còn là trang phụ lục cuối cùng mà trở thành một lập luận cho thấy hình thái bạn chọn có hệ quả đo được.

Câu hỏi thường gặp