1. Nhiệt độ ngoài trời chưa phải nhiệt độ mái
Một mái nhà xưởng có thể nóng hơn không khí bên ngoài vì hấp thụ bức xạ mặt trời. Nhiệt nhận vào được phân phối cho đối lưu ra không khí, bức xạ nhiệt ra môi trường và dẫn qua mái vào trong. Tài liệu EnergyPlus biểu diễn cân bằng mặt ngoài bằng các thành phần sóng ngắn, sóng dài, đối lưu và dẫn nhiệt. [1] Cách viết này cho phép kiểm từng dòng năng lượng thay vì lấy nhiệt độ không khí làm điều kiện mặt mái một cách mặc định.
Bài này dùng mô hình ổn định cho một vùng mái phẳng, khô, đồng nhất, không có bóng che và chưa xét tích trữ nhiệt. Các số liệu khí hậu, vật liệu và hệ số trao đổi đều giả định. Mục tiêu là phân tích độ nhạy, không dự báo nhiệt độ thực của một xưởng hoặc lượng điện tiết kiệm trong năm.
2. Hai tính chất bức xạ không được nhập thành một
Gọi α là hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời; ε là hệ số phát xạ trong dải nhiệt. Với mặt không truyền ánh sáng, α bằng một trừ hệ số phản xạ mặt trời. Hướng dẫn DOE phân biệt tính phản xạ mặt trời với khả năng phát xạ nhiệt, đồng thời lưu ý các tính chất bề mặt có thể thay đổi khi bám bẩn và phong hóa. [2]
Không áp dụng α = ε cho hai đại lượng ở hai dải phổ khác nhau. LBNL giải thích bức xạ mặt trời và bức xạ nhiệt của bề mặt thuộc các khoảng bước sóng khác nhau, nên phản xạ mặt trời và phát xạ nhiệt cần được đánh giá riêng. [3] Một lớp phủ có thể hấp thụ ít nắng nhưng vẫn phát xạ nhiệt hiệu quả; đó không phải mâu thuẫn với cân bằng bức xạ.
3. Mô hình và đơn vị
Cho G là bức xạ mặt trời tới mái, W/m²; h là hệ số đối lưu ngoài, W/(m²·K); R là nhiệt trở diện tích từ mặt ngoài đến không khí trong nhà, m²·K/W. R bao gồm các lớp mái và màng trao đổi bên trong, nhưng chưa gồm đối lưu và bức xạ ngoài đã viết riêng. Nhiệt độ mặt ngoài, không khí ngoài, không khí trong lần lượt là Tₛ, Tₐ, Tᵢ.
Giả sử mặt ngoài chỉ trao đổi bức xạ với một bầu trời tương đương có nhiệt độ Tsky. Nhiệt độ tương đương này là tham số bức xạ, không phải nhiệt độ không khí đo ở sân. Đặt σ = 5,670374419 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴). Với dòng nhiệt dương đi vào nhà:
q trong = (Tₛ − Tᵢ)/R
q đối lưu = h(Tₛ − Tₐ)
q bức xạ = εσ(Tₛ,K⁴ − Tsky,K⁴)
αG = q đối lưu + q bức xạ + q trong
Tₛ,K và Tsky,K phải dùng kelvin. Trong hiệu nhiệt độ ở đối lưu và dẫn, chênh lệch °C bằng chênh lệch K. Riêng lũy thừa bậc bốn không được dùng trực tiếp số °C.
4. Giải trường hợp cơ sở
Giả định G = 800 W/m², α = 0,75, ε = 0,90, h = 12 W/(m²·K), R = 1,50 m²·K/W, Tₐ = 35°C, Tᵢ = 28°C và Tsky = 20°C. Năng lượng hấp thụ bằng 600 W/m². Giải phương trình phi tuyến trên theo Tₛ cho:
Tₛ = 61,3277°C
Tại nghiệm, q đối lưu = 315,9325 W/m²; q bức xạ = 261,8490 W/m²; q trong = 22,2185 W/m². Tổng ba dòng bằng 600 W/m², là phép kiểm khép kín của ví dụ. Không được lấy toàn bộ 600 W/m² làm tải lạnh trong nhà, vì phần lớn đang thoát về phía ngoài.
Nếu hệ số trao đổi trong được giả định là 8 W/(m²·K), nhiệt trở màng trong là 0,125 m²·K/W, đã nằm trong R. Nhiệt độ mặt trong mái bằng 28 + 22,2185/8 = 30,7773°C. Mặt ngoài và mặt trong có nhiệt độ khác nhau; một phép đo hồng ngoại trên mái không trực tiếp cho nhiệt độ bề mặt nhìn từ trong xưởng.
Có thể giải bằng chia đôi hoặc Newton. Vế tổng nhiệt thoát tăng theo Tₛ vì đạo hàm bằng h + 4εσTₛ,K³ + 1/R, luôn dương trong miền nhiệt độ tuyệt đối dương và các hệ số dương. Vì vậy mô hình này có nhiều nhất một nghiệm, giúp phát hiện một lỗi dấu nếu bộ giải trả hai nhiệt độ cân bằng khác nhau.
5. Đổi lớp phủ và đổi gió
Giữ các điều kiện cơ sở, chỉ giảm α từ 0,75 xuống 0,25. Nghiệm mới Tₛ = 40,9563°C và q trong = 8,63753 W/m². Mặt ngoài giảm 20,3714°C, còn dòng nhiệt vào nhà giảm 13,58094 W/m². Với diện tích mái hữu hiệu giả định 1.200 m², mức giảm tải nhiệt ổn định là 16,2971 kW. Đây là công suất nhiệt tại điều kiện đang xét, chưa phải điện năng tiết kiệm.
Ở nghiệm cơ sở, độ nhạy vi phân của nhiệt độ theo α bằng:
dTₛ/dα = G/(h + 4εσTₛ,K³ + 1/R)
Giá trị là 39,3986 K cho một đơn vị α. Giảm α nhỏ 0,05 cho dự đoán tuyến tính khoảng −1,970°C. Với thay đổi lớn 0,50, nên giải lại phương trình, vì hệ số bức xạ thay đổi theo nhiệt độ.
Một kịch bản độc lập giữ α = 0,75 và tăng h từ 12 lên 25 cho Tₛ = 50,9426°C, q trong = 15,2951 W/m². Không suy ra h = 25 từ một tốc độ gió bất kỳ nếu chưa chọn quan hệ đối lưu phù hợp. Trong EnergyPlus, phần đối lưu ngoài được xử lý bằng các mô hình riêng; hệ số không chỉ là một hằng số chung cho mọi mái và mọi điều kiện. [1]
6. Phát xạ thấp và cách nhiệt kém
Trở lại điều kiện cơ sở, chỉ giảm ε từ 0,90 xuống 0,30. Nhiệt độ mặt ngoài tăng thành 72,7032°C, q trong thành 29,8022 W/m². Khả năng phát xạ thấp làm bề mặt khó thoát nhiệt trong mô hình này, dù α vẫn giữ nguyên. Không mô tả ε thấp là “chống nóng” chỉ vì nó liên quan đến bức xạ; cần biết bề mặt nằm ở đâu và trao đổi với môi trường nào.
Trong một kịch bản khác, giữ α = 0,75, ε = 0,90 nhưng giảm R từ 1,50 xuống 0,30. Mặt ngoài giảm nhẹ xuống 57,4365°C, song q trong tăng mạnh lên 98,1217 W/m². Mái ngoài mát hơn ở đây là do nhiệt đi vào nhà dễ hơn. Vì vậy chỉ so nhiệt độ ngoài để đánh giá cách nhiệt có thể dẫn tới kết luận ngược.
Với R = 0,30 và đổi α xuống 0,25, q trong còn 37,8587 W/m². Mức giảm 60,2630 W/m² lớn hơn mức giảm ở mái đã cách nhiệt tốt. Nhận xét định lượng này chỉ thuộc mô hình và đầu vào đã chọn; hiệu quả toàn năm còn phụ thuộc chu kỳ khí hậu, tải trong nhà và vận hành hệ làm mát, như DOE lưu ý khi đánh giá lợi ích mái mát. [2]
7. Ban đêm có thể đảo chiều dòng nhiệt
Xét riêng ban đêm: G = 0, Tₐ = Tᵢ = 28°C, Tsky = 12°C, giữ ε = 0,90, h = 12 và R = 1,50. Nghiệm là Tₛ = 23,4549°C, thấp hơn cả không khí ngoài lẫn trong. Đối lưu khi đó bằng −54,5410 W/m², bức xạ ra trời 57,5711 W/m² và dòng vào nhà −3,03006 W/m². Không khí ngoài cùng bên trong cấp nhiệt cho bề mặt đang mất nhiệt bằng bức xạ.
Nếu có hơi nước ngưng tụ hoặc bề mặt bị ướt, cân bằng phải thêm trao đổi khối và nhiệt ẩn. Nếu mái có khối lượng nhiệt đáng kể, trạng thái ban ngày và ban đêm không chuyển tức thời; cần phương trình quá độ thay cho hai nghiệm ổn định độc lập. Mái nghiêng, vật cản và các bề mặt lân cận cũng làm hệ số nhìn bức xạ khác giả thiết chỉ nhìn trời.
Để áp dụng cho nhà xưởng dầu khí, cần bức xạ tới đúng hướng mái, dữ liệu lớp phủ sau sử dụng, cấu tạo mái, thông gió và trạng thái trong nhà. Các nghiệm trên có ích để kiểm đơn vị, dấu dòng nhiệt và hướng độ nhạy. Chúng chưa đại diện cho nhiệt độ tiếp xúc an toàn, nguy cơ ngưng tụ hoặc mức tiêu thụ điện của công trình.
Nguồn tham khảo
[1] EnergyPlus 25.2 Engineering Reference — Outside Surface Heat Balance — EnergyPlus documentation, University of Illinois/Lawrence Berkeley National Laboratory; bản HTML của Big Ladder Software. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Guidelines for Selecting Cool Roofs — U.S. Department of Energy. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Cool Roofs — Cool Science — Heat Island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Một mái nhà xưởng có thể nóng hơn không khí bên ngoài vì hấp thụ bức xạ mặt trời. Nhiệt nhận vào được phân phối cho đối lưu ra không khí, bức xạ nhiệt ra môi trường và dẫn qua mái vào trong. Tài liệu EnergyPlus biểu diễn cân bằng mặt ngoài bằng các thành phần sóng ngắn, sóng dài, đối lưu và dẫn nhiệt. [1] Cách viết này cho phép kiểm từng dòng năng lượng thay vì lấy nhiệt độ không khí làm điều kiện mặt mái một cách mặc định.
Bài này dùng mô hình ổn định cho một vùng mái phẳng, khô, đồng nhất, không có bóng che và chưa xét tích trữ nhiệt. Các số liệu khí hậu, vật liệu và hệ số trao đổi đều giả định. Mục tiêu là phân tích độ nhạy, không dự báo nhiệt độ thực của một xưởng hoặc lượng điện tiết kiệm trong năm.
2. Hai tính chất bức xạ không được nhập thành một
Gọi α là hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời; ε là hệ số phát xạ trong dải nhiệt. Với mặt không truyền ánh sáng, α bằng một trừ hệ số phản xạ mặt trời. Hướng dẫn DOE phân biệt tính phản xạ mặt trời với khả năng phát xạ nhiệt, đồng thời lưu ý các tính chất bề mặt có thể thay đổi khi bám bẩn và phong hóa. [2]
Không áp dụng α = ε cho hai đại lượng ở hai dải phổ khác nhau. LBNL giải thích bức xạ mặt trời và bức xạ nhiệt của bề mặt thuộc các khoảng bước sóng khác nhau, nên phản xạ mặt trời và phát xạ nhiệt cần được đánh giá riêng. [3] Một lớp phủ có thể hấp thụ ít nắng nhưng vẫn phát xạ nhiệt hiệu quả; đó không phải mâu thuẫn với cân bằng bức xạ.
3. Mô hình và đơn vị
Cho G là bức xạ mặt trời tới mái, W/m²; h là hệ số đối lưu ngoài, W/(m²·K); R là nhiệt trở diện tích từ mặt ngoài đến không khí trong nhà, m²·K/W. R bao gồm các lớp mái và màng trao đổi bên trong, nhưng chưa gồm đối lưu và bức xạ ngoài đã viết riêng. Nhiệt độ mặt ngoài, không khí ngoài, không khí trong lần lượt là Tₛ, Tₐ, Tᵢ.
Giả sử mặt ngoài chỉ trao đổi bức xạ với một bầu trời tương đương có nhiệt độ Tsky. Nhiệt độ tương đương này là tham số bức xạ, không phải nhiệt độ không khí đo ở sân. Đặt σ = 5,670374419 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴). Với dòng nhiệt dương đi vào nhà:
q trong = (Tₛ − Tᵢ)/R
q đối lưu = h(Tₛ − Tₐ)
q bức xạ = εσ(Tₛ,K⁴ − Tsky,K⁴)
αG = q đối lưu + q bức xạ + q trong
Tₛ,K và Tsky,K phải dùng kelvin. Trong hiệu nhiệt độ ở đối lưu và dẫn, chênh lệch °C bằng chênh lệch K. Riêng lũy thừa bậc bốn không được dùng trực tiếp số °C.
4. Giải trường hợp cơ sở
Giả định G = 800 W/m², α = 0,75, ε = 0,90, h = 12 W/(m²·K), R = 1,50 m²·K/W, Tₐ = 35°C, Tᵢ = 28°C và Tsky = 20°C. Năng lượng hấp thụ bằng 600 W/m². Giải phương trình phi tuyến trên theo Tₛ cho:
Tₛ = 61,3277°C
Tại nghiệm, q đối lưu = 315,9325 W/m²; q bức xạ = 261,8490 W/m²; q trong = 22,2185 W/m². Tổng ba dòng bằng 600 W/m², là phép kiểm khép kín của ví dụ. Không được lấy toàn bộ 600 W/m² làm tải lạnh trong nhà, vì phần lớn đang thoát về phía ngoài.
Nếu hệ số trao đổi trong được giả định là 8 W/(m²·K), nhiệt trở màng trong là 0,125 m²·K/W, đã nằm trong R. Nhiệt độ mặt trong mái bằng 28 + 22,2185/8 = 30,7773°C. Mặt ngoài và mặt trong có nhiệt độ khác nhau; một phép đo hồng ngoại trên mái không trực tiếp cho nhiệt độ bề mặt nhìn từ trong xưởng.
Có thể giải bằng chia đôi hoặc Newton. Vế tổng nhiệt thoát tăng theo Tₛ vì đạo hàm bằng h + 4εσTₛ,K³ + 1/R, luôn dương trong miền nhiệt độ tuyệt đối dương và các hệ số dương. Vì vậy mô hình này có nhiều nhất một nghiệm, giúp phát hiện một lỗi dấu nếu bộ giải trả hai nhiệt độ cân bằng khác nhau.
5. Đổi lớp phủ và đổi gió
Giữ các điều kiện cơ sở, chỉ giảm α từ 0,75 xuống 0,25. Nghiệm mới Tₛ = 40,9563°C và q trong = 8,63753 W/m². Mặt ngoài giảm 20,3714°C, còn dòng nhiệt vào nhà giảm 13,58094 W/m². Với diện tích mái hữu hiệu giả định 1.200 m², mức giảm tải nhiệt ổn định là 16,2971 kW. Đây là công suất nhiệt tại điều kiện đang xét, chưa phải điện năng tiết kiệm.
Ở nghiệm cơ sở, độ nhạy vi phân của nhiệt độ theo α bằng:
dTₛ/dα = G/(h + 4εσTₛ,K³ + 1/R)
Giá trị là 39,3986 K cho một đơn vị α. Giảm α nhỏ 0,05 cho dự đoán tuyến tính khoảng −1,970°C. Với thay đổi lớn 0,50, nên giải lại phương trình, vì hệ số bức xạ thay đổi theo nhiệt độ.
Một kịch bản độc lập giữ α = 0,75 và tăng h từ 12 lên 25 cho Tₛ = 50,9426°C, q trong = 15,2951 W/m². Không suy ra h = 25 từ một tốc độ gió bất kỳ nếu chưa chọn quan hệ đối lưu phù hợp. Trong EnergyPlus, phần đối lưu ngoài được xử lý bằng các mô hình riêng; hệ số không chỉ là một hằng số chung cho mọi mái và mọi điều kiện. [1]
6. Phát xạ thấp và cách nhiệt kém
Trở lại điều kiện cơ sở, chỉ giảm ε từ 0,90 xuống 0,30. Nhiệt độ mặt ngoài tăng thành 72,7032°C, q trong thành 29,8022 W/m². Khả năng phát xạ thấp làm bề mặt khó thoát nhiệt trong mô hình này, dù α vẫn giữ nguyên. Không mô tả ε thấp là “chống nóng” chỉ vì nó liên quan đến bức xạ; cần biết bề mặt nằm ở đâu và trao đổi với môi trường nào.
Trong một kịch bản khác, giữ α = 0,75, ε = 0,90 nhưng giảm R từ 1,50 xuống 0,30. Mặt ngoài giảm nhẹ xuống 57,4365°C, song q trong tăng mạnh lên 98,1217 W/m². Mái ngoài mát hơn ở đây là do nhiệt đi vào nhà dễ hơn. Vì vậy chỉ so nhiệt độ ngoài để đánh giá cách nhiệt có thể dẫn tới kết luận ngược.
Với R = 0,30 và đổi α xuống 0,25, q trong còn 37,8587 W/m². Mức giảm 60,2630 W/m² lớn hơn mức giảm ở mái đã cách nhiệt tốt. Nhận xét định lượng này chỉ thuộc mô hình và đầu vào đã chọn; hiệu quả toàn năm còn phụ thuộc chu kỳ khí hậu, tải trong nhà và vận hành hệ làm mát, như DOE lưu ý khi đánh giá lợi ích mái mát. [2]
7. Ban đêm có thể đảo chiều dòng nhiệt
Xét riêng ban đêm: G = 0, Tₐ = Tᵢ = 28°C, Tsky = 12°C, giữ ε = 0,90, h = 12 và R = 1,50. Nghiệm là Tₛ = 23,4549°C, thấp hơn cả không khí ngoài lẫn trong. Đối lưu khi đó bằng −54,5410 W/m², bức xạ ra trời 57,5711 W/m² và dòng vào nhà −3,03006 W/m². Không khí ngoài cùng bên trong cấp nhiệt cho bề mặt đang mất nhiệt bằng bức xạ.
Nếu có hơi nước ngưng tụ hoặc bề mặt bị ướt, cân bằng phải thêm trao đổi khối và nhiệt ẩn. Nếu mái có khối lượng nhiệt đáng kể, trạng thái ban ngày và ban đêm không chuyển tức thời; cần phương trình quá độ thay cho hai nghiệm ổn định độc lập. Mái nghiêng, vật cản và các bề mặt lân cận cũng làm hệ số nhìn bức xạ khác giả thiết chỉ nhìn trời.
Để áp dụng cho nhà xưởng dầu khí, cần bức xạ tới đúng hướng mái, dữ liệu lớp phủ sau sử dụng, cấu tạo mái, thông gió và trạng thái trong nhà. Các nghiệm trên có ích để kiểm đơn vị, dấu dòng nhiệt và hướng độ nhạy. Chúng chưa đại diện cho nhiệt độ tiếp xúc an toàn, nguy cơ ngưng tụ hoặc mức tiêu thụ điện của công trình.
Nguồn tham khảo
[1] EnergyPlus 25.2 Engineering Reference — Outside Surface Heat Balance — EnergyPlus documentation, University of Illinois/Lawrence Berkeley National Laboratory; bản HTML của Big Ladder Software. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Guidelines for Selecting Cool Roofs — U.S. Department of Energy. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Cool Roofs — Cool Science — Heat Island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
