Giải pháp thiết kế vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng

TÓM TẮT:

Năng lượng và sử dụng hiệu quả năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu trong các lĩnh vực toàn cầu hiện nay. Tính toán năng lượng tiêu hao đối với lĩnh vực kiến trúc- xây dựng thì phần này đang chiểm tỷ trọng rất lớn (gần 50% tổng năng lượng tiêu thụ). Trong khi đó, Việt Nam lại có những điều kiện khí hậu thuận lợi, có thể tận dụng để thiết kế lớp vỏ công trình với mục tiêu cải thiện tiện nghi nhiệt và giảm tiêu thụ năng lượng (hơn 60% thời gian trong năm khí hậu đạt trạng thái tiện nghi). Tuy nhiên, việc tận dụng những yếu tố tự nhiên có lợi để nâng cao điều kiện tiện nghi nhiệt và giảm tiêu thụ năng lượng cho công trình nói chung và cao ốc văn phòng lại chưa nhận được sự quan tâm đúng mức. Và thành phần quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của công trình chính là lớp vỏ bao che.

Báo cáo đề xuất các giải pháp thiết kế lớp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho công trình văn phòng cao tầng ở nước ta trên cơ sở đánh giá tác động đồng thời của nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng như: Thông gió tự nhiên - Chiếu sáng tự nhiên - Điều hoà không khí.

1. Tổng quan

Là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi về điều kiện tự nhiên và khí hậu, Việt Nam có nhiều thế mạnh trong thiết kế kiến trúc thích ứng với khí hậu địa phương nhằm tạo môi trường khí hậu tiện nghi, sử dụng tiết kiệm, hiệu quả năng lượng và đảm bảo cân bằng sinh thái. Bên cạnh đó, việc hạn chế những tác động bất lợi của khí hậu đối với kiến trúc là một yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, trong giai đoạn 2050 – 2080, nhiệt độ ở các thành phố lớn tăng khoảng 2,18 – 3,88oC; nhu cầu tiêu thụ năng lượng làm mát của các tòa nhà gia tăng từ 4,8% - 100,6% tuỳ theo chủng loại công trình. Theo số liệu thống kê của World Bank và các điều tra liên quan, xây dựng - kiến trúc tiêu thụ tới khoảng 70% tổng sử dụng vật liệu tự nhiên, khoảng 40% tổng tiêu thụ năng lượng điện, và sản sinh ra khoảng 30% tổng lượng "khí nhà kính" trên toàn thế giới [Phạm Ngọc Đăng, Nguyễn Việt Anh, 2014].

Ở Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Xây dựng, tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà dân dụng của nước ta ngày càng tăng, cụ thể: năm 2003 chiếm 22,4%, đến năm 2014 chiếm khoảng 37 - 38% tổng mức tiêu thụ năng lượng của quốc gia. Theo thông tin của Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN), tỷ lệ sử dụng điện trong công trình nhà ở và hành chính chiếm trên 88 % tỷ lệ sử dụng điện trong các công trình xây dựng.

Mặt khác, việc thiết kế vỏ bao che của công trình, đặc biệt là văn phòng ở nước ta hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu đầy đủ và đồng bộ dẫn đến sự phụ thuộc nhiều vào các hệ thống kỹ thuật trong quá trình vận hành, từ đó giảm hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như mức độ tiện nghi của điều kiện vi khí hậu bên trong công trình [Phạm Ngọc Đăng và các cộng sự, 2014]. Từ kết quả đạt được cũng cho thấy, cần kết hợp nhiều giải pháp thiết kế thụ động để đạt hiệu quả tối ưu [PGS. TS. Phạm Đức Nguyên, 2016].

Do vậy, hiệu quả năng lượng đã, đang và sẽ là mối quan tâm hàng đầu trong thiết kế và xây dựng các công trình. Trong đó, việc thiết kế vỏ bao che của công trình, đặc biệt là văn phòng cao tầng còn rất nhiều bất cập mặc dù đây là thành phần quan trọng nhất trong việc tạo lập môi trường tiện nghi cho cảm giác nhiệt của con người, tuy nhiên cho đến nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu đầy đủ và đồng bộ dẫn đến sự phụ thuộc nhiều vào các hệ thống kỹ thuật trong quá trình vận hành, từ đó giảm hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như mức độ tiện nghi của điều kiện vi khí hậu bên trong công trình [PGS.TS. Hoàng Mạnh Nguyên, 2016].

Khảo sát các công trình xanh đoạt giải hay đạt chứng chỉ tiết kiệm năng lượng ở nước ta hiện nay cho thấy HQNL đạt được đều do áp dụng cải tiến các giải pháp kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại. Ngược lại, rất ít tòa nhà được giải công trình áp dụng các giải pháp kiến trúc thụ động, như là chọn hướng nhà, lựa chọn tỷ lệ diện tích cửa kính trên diện tích tường bao che hợp lý, thiết kế che nắng cho cửa kính, thiết kế cách nhiệt cho tường và mái nhà, tận dụng chiếu sáng tự nhiên, v.v. để giảm thiểu sử dụng điện năng. Chính vì vậy mà thông tin tại Triển lãm quốc tế năng lượng hiệu quả môi trường Entech Hà Nội 2013 đã có nhận xét rằng: “95% các công trình, tòa nhà cao tầng ở Việt Nam không tích hợp yếu tố sử dụng năng lượng hiệu quả ngay từ khâu thiết kế”.

2. Thực trạng và cơ sở nghiên cứu

Trên thực tế việc thiết kế, xây dựng và vận hành của phần lớn các công trình xây dựng ở nước ta chưa có sự quan tâm đúng mực đến các giải pháp hiệu quả năng lượng. Trong thiết kế, việc chọn giải pháp vỏ bao che, vật liệu, trang thiết bị chủ yếu đáp ứng yêu cầu chức năng, thẩm mỹ mà bỏ qua yếu tố hiệu quả năng lượng. Khảo sát cho thấy: “98% tòa nhà xây trong năm năm trở lại đây không có cách nhiệt, 75% sử dụng một lớp kính, 41% có tỷ lệ kính trên tường – WWR – lớn hơn 0.25, 37% có điều hòa nhiệt độ sử dụng hệ thống điều hòa không khí trung tâm và 25% có các loại quạt và máy bơm với tốc độ khác nhau” [VNEEP, 2017].

Có thể thấy rằng càng ngày lớp vỏ bao che càng bị bỏ qua các chức năng cần thiết. Kết quả là: Công trình rất dễ bị “tổn thương” bởi những tác động của khí hậu bên ngoài và cần thiết phải sử dụng những giải pháp “chữa cháy” như: Sử dụng quạt, điều hòa để làm mát, che rèm + sử dụng ánh sáng điện vì độ chói bên ngoài chiếu vào quá cao, … vừa tốn kém vừa thiếu hiệu quả; nếu không sử dụng những giải pháp trên thì công trình hầu như không thể sử dụng được. Và hậu quả nhãn tiền là con người đang phải trả giá về sử dụng năng lượng và hiệu quả kinh tế và phần nào đó là sức khỏe, tâm sinh lý của người sử dụng.

Một đặc điểm nữa là hình thức vỏ bao che của các tòa nhà văn phòng ở Việt Nam hiện nay khá tương đồng, đó là sử dụng rất nhiều kính cho lớp vỏ (nhiều công trình diện tích kính chiếm 100% diện tích lớp vỏ), cùng với đó là không có giải pháp thụ động giảm tác động của nhiệt BXMT lên kính. Chính điều này dẫn đến việc bắt buộc phải sử dụng các giải pháp chủ động (điều hòa, thông gió cơ khí) vừa tốn kém rất nhiều năng lượng vừa không đảm bảo tính bền vững.

Kết quả khảo sát thí điểm các công trình văn phòng cao tầng tại TP. Đà Nẵng rút ra các nhận xét như sau:

(1) Về hướng công trình: Toàn bộ công trình đều quay ra các trục đường chính, chưa quan tâm đến việc lựa chọn hướng nhà tốt;

(2) Về hình dạng khối: Tỉ lệ công trình có hình hộp chữ nhật chiếm đa số công trình khảo sát (83%), các công trình hình dạng khác chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ.

(3) Về tổ chức thông gió tự nhiên: Hầu hết văn phòng cao tầng đều không tổ chức thông gió tự nhiên mà dùng ĐHKK hoàn toàn.

(4) Về giải pháp che nắng: Trong số công trình khảo sát chỉ có 01/23 công trình (toà nhà Phi Long Plaza) là có giải pháp che nắng cho lớp vỏ bao che.

(5) Về tỉ lệ kính/tường: Tỉ lệ này là rất lớn đối với các công trình khảo sát, thậm chí nhiều công trình còn sử dụng 100% kính cho lớp tường bao che.

(6) Về sử dụng vật liệu cho lớp vỏ: Hầu như toàn bộ các công trình không có lớp vật liệu cách nhiệt cho lớp vỏ.

(7) Về sử dụng năng lượng sạch (năng lượng áp mái): Không có công trình nào sử dụng năng lượng áp mái.

Trong khi đó về điều kiện khí hậu của các địa phương ở Việt Nam là rất tốt, đạt thời gian tiện nghi khá cao quanh năm để có thể tận dụng đưa vào bên trong công trình. Cụ thể:

- Theo kết quả phân tích BĐSKHXDVN của PGS.TS. Phạm Đức Nguyên cho thấy hầu hết các địa phương ở nước ta đều có mức tiện nghi cao, đặc biệt là miền khí hậu phía Nam thời tiết tiện nghi xuất hiện trên 80% số giờ / năm, thậm chí tại Nha Trang tới 99% số giờ / năm [PGS. TS. Phạm Đức Nguyên, 2016].

- Theo kết quả phân tích sinh khí hậu Đà Nẵng theo mô hình sinh khí hậu của PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn áp dụng cho một số địa phương, vùng tiện nghi của khí hậu của các địa phương như Đà Nẵng, Quy Nhơn và Nha Trang cũng chiếm tỉ lệ cao, ngoài ra nếu tổ chức thông gió tự nhiên sẽ tăng mức độ tiện nghi rất lớn.

- Còn theo kết quả phân tích sinh khí hậu của phần mềm Climate Consultant (phiên bản 6.0) áp dụng theo mô hình tiện nghi thích ứng theo tiêu chuẩn của ASHRAE (Adaptive Comfort Model in ASHRAE Standard) thì thời gian tiện nghi trong năm của các đô thị là khá cao, cụ thể là Đà Nẵng (55%), Quy Nhơn (62%) và Nha Trang (67%).

- Do đó, giải pháp thiết kế ưu tiên hàng đầu ở nước ta là công trình cần tận dụng tối đa điều kiện tiện nghi nhiệt ở bên ngoài, được đón gió tươi mát từ bên ngoài thổi vào để cải thiện điều kiện tiện nghi và giảm năng lượng sử dụng cho điều hoà để làm mát cho công trình. Cùng với đó là hạn chế tối đa các tác động bất lợi của khí hậu lên lớp vỏ bao che.

3. Giải pháp thiết kế lớp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng

Trong quá trình nghiên cứu HQNL thông qua lớp vỏ bao che, tác giả nhận thấy có 3 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và rõ nét đến hiệu quả năng lượng công trình là: thông gió tự nhiên – chiếu sáng tự nhiên – điều hòa không khí. Các yếu tố này ngoài việc đồng thời tác động lên điều kiện tiện nghi bên trong, thì bản thân còn có sự cộng hưởng (tỉ lệ thuận) hoặc loại trừ (tỉ lệ nghịch) với nhau. Ví dụ: khi mở cửa để lấy sáng tự nhiên càng nhiều thì lượng nhiệt truyền vào càng nhiều, hay khi che nắng bằng kết cấu đặc thì sẽ giảm lượng ánh sáng tự nhiên đi vào bên trong công trình, …

Do vậy tác đề xuất giải pháp thiết kế lớp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho công trình văn phòng cao tầng dưới tác động và chi phối đồng thời của ba yếu tố: THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN – CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN – ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ. Đồng thời, sử dụng kết hợp nhiều giải pháp cùng lúc để giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao chất lượng môi trường bên trong công trình. Cụ thể:

3.1. Quy hoạch không gian công trình

Tổng mặt bằng công trình liên quan đến hướng xây dựng công trình và tác động của các yếu tố môi trường xung tác động lên công trình đó, đặc biệt là bức xạ mặt trời, việc lựa chọn hướng tốt sẽ tận dụng được nhiều yếu tố có lợi, hạn chế tối đa tác động bất lợi từ bên ngoài. Hướng công trình sẽ ảnh hưởng đến hướng lấy sáng tự nhiên, hướng nắng, hướng gió và giải pháp xử lý lớp vỏ bao che phù hợp.

Đối với công trình văn phòng cao tầng ở nước ta hiện nay, việc lựa chọn hướng nâng cao về năng lượng sẽ không khó khăn như các loại công trình khác vì thời gian hoạt động chỉ là ban ngày. Do vậy khi quy hoạch kiến trúc sư có thể xoay cả khối nhà đi một góc để đạt sự nâng cao về hướng năng lượng. Các không gian phát sinh do việc xoay cả khối nhà hoàn toàn có thể được xử lý một cách khéo léo qua một số thủ pháp bố cục không gian và thiết kế mặt đứng công trình.

3.2. Lựa chọn hình khối công trình

Đối với công trình cao tầng, diện tích bề mặt tường xung quanh lớn hơn nhiều so với bề mặt mái, không giống như công trình ít tầng và nhiều tầng. Chỉ số năng lượng truyền qua kết cấu bao che xung quanh công trình sẽ phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa tổng diện tích mặt tường xung quanh và diện tích sử dụng của nhà. Hình 13 là các kiểu hình khối nhà cao tầng có tính ưu việt thứ tự từ cao (khối nhà số 1) đến thấp (khối nhà số 6) xét theo chỉ số năng lượng truyền qua kết cấu bao che xung quanh công trình (Phạm Ngọc Đăng, 2014).

3.3. Tổ chức không gian mặt bằng

Việc tổ chức mặt bằng đóng vai trò quan trọng trong việc tận dụng các yếu tố tự nhiên có lợi như ánh sáng tự nhiên, thông gió tự nhiên; đồng thời hạn chế tác động bất lợi từ bên ngoài như ánh nắng, gió nóng/lạnh. Mặt bằng văn phòng cao tầng cần được tổ chức theo các nguyên tắc sau:

- Phân chia không gian thành các không gian chính (không gian làm việc, không gian sử dụng thường xuyên) và các không gian phụ (hành lang, sảnh, kho, WC, …).

- Ưu tiên bố trí các không gian chính ở hướng tốt để tận dụng tối đa các yếu tố có lợi, các không gian phụ ưu tiên bố trí ở các hướng bất lợi.

Bên cạnh đó, có thể kết hợp tổ chức giếng trời để tăng cường chiếu sáng tự nhiên cho không gian làm việc.

3.4. Sử dụng lớp vỏ bao che nhiều lớp

Lớp vỏ của công trình, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, nên được thiết kế linh hoạt, mở tối đa có thể để đón ánh sáng và gió mát nhưng cũng có thể thay đổi độ mở này tùy theo thực tế, và khi rất bất lợi – ví dụ như gió nóng về mùa hè cộng thêm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị – cần được khép kín lại để ngăn hơi nóng xâm nhập vào nhà. Xử lý cách nhiệt rất đơn giản: Dùng lớp không khí tự nhiên giữa kết cấu che nắng và hệ tường bao bên trong mà không cần phải dùng thêm bất kỳ vật liệu nào khác.

3.5. Che nắng cho các hướng khác nhau của công trình

Kết cấu che nắng bên ngoài tòa nhà có vai trò quan trọng, giúp giảm thiểu lượng nhiệt bức xạ mặt trời truyền vào trong nhà thông qua cửa sổ kính, đặc biệt là đối với những quốc gia có khí hậu nhiệt đới nằm ở vị trí địa lý có vĩ độ thấp, gần xích đạo như Việt Nam. Che nắng đồng nghĩa với việc giảm đáng kể lượng nhiệt bức xạ hun nóng công trình và giảm yêu cầu tải lạnh đối với máy ĐHKK, tránh những bất tiện, bất lợi khi bị nắng chiếu và cũng là giảm độ chói gắt của ánh sáng mặt trời trong không gian ở [Im G. and Partners, 2012].

3.6. Lựa chọn vật liệu sử dụng cho lớp vỏ công trình

Các vật liệu được sử dụng trong công trình nói chung cần phải thân thiện với môi trường, không chứa các chất gây hại đến sức khỏe người sử dụng, có năng lượng hàm chứa thấp, dễ tái chế và tái sử dụng, được lập thành danh mục (catalogue) với các đặc tính và thông số kỹ thuật đi kèm để chủ đầu tư và kiến trúc sư lựa chọn theo sự tư vấn của các kỹ sư vật liệu xây dựng. Đối với lớp vỏ công trình, vật liệu được chọn ít hấp thụ nhiệt và có màu sáng. Những công trình hiệu quả năng lượng được xây dựng theo mô hình kiến trúc xanh công nghệ thấp thường sử dụng đất sét, tre, gỗ, rơm, lá cây, … là những vật liệu thiên nhiên – sinh thái có sẵn, không gây ô nhiễm môi trường và không tốn năng lượng vận chuyển.

3.7. Sử dụng năng lượng sạch nhằm bổ sung năng lượng tiêu thụ cho việc làm mát công trình

Đối với quốc gia có tiềm năng về bức xạ mặt trời và số giờ nắng lớn như Việt Nam, việc khai thác và tận dụng năng lượng từ bức xạ mặt trời là cần thiết. Đối với văn phòng cao tầng, điện tạo ra từ bức xạ mặt trời (pin quang điện) cần được ưu tiên khai thác để bổ sung thêm nguồn năng lượng tại chỗ cho công trình.

4. Kết luận

Vỏ bao che là thành phần tác động quyết định đến hiệu quả năng lượng của công trình, cùng lúc đảm nhiệm nhiều chức năng. Do vậy, khi thiết kế lớp vỏ bao che cần được đánh giá thông qua tác động của nhiều yếu tố và sử dụng nhiều giải pháp thiết kế đồng thời. Có như vậy mới có thể đạt được hiệu quả năng lượng cao nhất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. ArchDaily. The 'World's Greenest Commercial' Building Opens in Seattle Today. n.d. 21 10 2022. .

2. Climate.OneBuilding.Org. Climate Files - listed in WMO Regions. n.d. Climate.OneBuilding.Org. 20 05 2023. .

3. Im G. and Partners. "Comparative advantage of an exterior shading device in thermal performance for residential buildings." Energy and Buildings (2012).

4. Lê Lương Vàng. “ Vai trò của lớp vỏ công trình trong Công trình xanh.” Hội thảo trực tuyến. Hà Nội , 2021.

5. Nguyễn Quang Minh. “Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Kỳ 3, phần 1): Cơ sở quy hoạch và kiến trúc.” Tạp chí Kiến trúc, (2017): số 03-2017.

6. PGS. TS. Phạm Đức Nguyên. “Thiết kế nâng cao chất lượng môi trường và hiệu quả năng lượng trong các tòa nhà văn phòng ven biển Việt Nam.” Tạp chí Kiến trúc (2016): số 08 - 2016.

7. PGS.TS. Hoàng Mạnh Nguyên. “Vai trò của nhà cao tầng trong phát triển đô thị bền vững tại Việt Nam.” Tạp chí Kiến trúc (2016): Số 03-2016.

8. PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn. Phương pháp phân tích sinh khí hậu cho các vùng nhiệt đới ẩm. 8 12 2016. nguyenanhtuandn.wordpress.com. 25 09 2023. .

9. Phạm Đức Nguyên . Kiến trúc sinh khí hậu. thiết kế sinh khí hậu trong kiến trúc Việt Nam. Hà Nội; Nhà Xuất bản Xây dựng, 2008.

10. Phạm Ngọc Đăng và các cộng sự. Các giải pháp thiết kế công trình xanh tại Việt Nam. Hà Nội: Nhà Xuất bản Xây dựng, 2014.

11. Phạm Ngọc Đăng, Nguyễn Việt Anh. Các giải pháp thiết kế công trình xanh ở Việt Nam. Hà Nội: NXB Xây dựng, 2014.

12. SAMYN and Partners. Head Office of AGC Glass Europe. n.d. Archdaily. 15 09 2020. .

13. VNEEP. Áp dụng quy chuẩn tiết kiệm năng lượng sẽ tiết kiệm được 30%. 10 05 2017. VNEEP. 10 05 2018. .