Một số vấn đề về thiết kế công trình xanh tiết kiệm năng lượng bằng các giải pháp kiến trúc thụ động

Chiến lược quốc gia về TTX thời kỳ 2011-2020 và tầm nhìn đến năm 2050 được ban hành theo Quyết định số 1393/QĐ-TTg, ngày 25/9/2012, đã xác định giải pháp đối với ngành xây dựng là xây dựng đô thị xanh, công trình xanh (CTX). Tiêu chí quan trọng của CTX là sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về các giải pháp thiết kế kiến trúc “thụ động” nhằm tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, giảm thiểu phát thải “khí nhà kính (KNK)” trong điều kiện khí hậu Việt Nam.

     Thiết kế thụ động trong kiến trúc và tiết kiệm năng lượng (TKNL) công trình

     Thiết kế thụ động trong kiến trúc là thiết kế tận dụng các điều kiện thuận lợi của khí hậu để duy trì phạm vi tiện nghi nhiệt trong nhà. Thiết kế thụ động tốt sẽ làm giảm, loại bỏ sự cần thiết làm mát hoặc sưởi ấm, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng và giảm phát thải KNK trong suốt vòng đời của công trình.

     Theo số liệu của Bộ Xây dựng, khoảng 40% tổng năng lượng tiêu thụ của một đô thị là năng lượng cung cấp cho các công trình xây dựng, trong đó các nhà cao tầng có chỉ số tiêu thụ năng lượng cao nhất. Theo kết quả khảo sát của Bộ Xây dựng kết hợp với Trung tâm TKNL Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh về hiện trạng sử dụng, quản lý năng lượng tại một số tòa nhà sử dụng nhiều năng lượng cho thấy, đối với tòa nhà là trụ sở cơ quan hành chính, thiết bị sử dụng điện nhiều nhất là điều hòa không khí chiếm trên 70% tổng lượng điện sử dụng; đèn chiếu sáng chiếm 10%; các thiết bị khác như máy móc văn phòng, thang máy, máy bơm nước chiếm khoảng 20%. Đối với tòa nhà là trung tâm thương mại, siêu thị, các con số này lần lượt là 75%; 10% và 15%; đối với khách sạn thì các con số trên là 60%, 25% và 15%. Như vậy, mức tiêu hao năng lượng trong các công trình xây dựng ở Việt Nam là cao so với các nước trên thế giới, nguyên nhân là do chưa thiết kế và xây dựng các công trình theo tiêu chí CTX.

     Giải pháp thiết kế thụ động để TKNL

     Các giải pháp thiết kế kiến trúc để TKNL không là vấn đề mới lạ đối với thiết kế kiến trúc mà chủ yếu là cần phải đổi mới tư duy thân thiện môi trường của người thiết kế. Các kiến trúc sư sẽ cân nhắc giữa một giải pháp ngôn ngữ kiến trúc với hình khối tự do, mặt đứng chỉ tập trung vào tính thẩm mỹ - theo gu thị hiếu, bất chấp môi sinh xung quanh hay một giải pháp kiến trúc lấy các yêu cầu đặc biệt phát sinh từ điều kiện khí hậu dùng làm tiêu chí cơ sở cho thiết kế, đáp ứng yêu cầu BVMT.

     Các giải pháp thiết kế TKNL cho công trình khiến các kiến trúc sư phải quay lại với phong cách kiến trúc truyền thống thích ứng với khí hậu nhiệt đới mà các thế hệ kiến trúc sư và kỹ sư xây dựng tiền bối đã áp dụng ở Việt Nam từ gần 50 năm trước đây. Tuy nhiên, để vận dụng các giải pháp thiết kế TKNL trong thời đại khoa học công nghệ thông tin hiện nay đòi hỏi người kiến trúc sư cần phối hợp giữa thiết kế kiến trúc và khoa học công trình, đặc biệt cần có kiến thức nhất định về thiết kế tích hợp, kỹ thuật, xây dựng và công nghệ. Người thiết kế phải vận dụng hợp lý các chiến lược thiết kế kiến trúc như: “thụ động”, “chủ động” và loại hình hỗn hợp chủ động và thụ động. Đầu tiên là cần tối ưu hóa tất cả các cơ hội của thiết kế “thụ động” phù hợp với điều kiện tự nhiên để TKNL; tiếp theo là thiết kế tối ưu hóa tất cả các hệ thống trang thiết bị sử dụng năng lượng của công trình, như là kiểm soát năng lượng trong thiết kế, mô hình hóa năng lượng chi tiết, thiết kế kiểm soát hậu quả môi trường, năng lượng. Từ đó, tìm ra những giải pháp kiến trúc vừa hiện đại, vừa đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả năng lượng và BVMT.

     Sau đây là các giải pháp thiết kế “thụ động” để đạt yêu cầu tiện nghi môi trường trong công trình mà không cần sử dụng nhiều năng lượng: Quy hoạch và thiết kế tổng mặt bằng; Bố trí mặt bằng công trình hợp lý;Thiết kế mặt đứng thích ứng; Cấu tạo và kết cấu bao che bên trong và bên ngoài công trình; Tận dụng các năng lượng tái tạo; Sử dụng cây xanh và mặt nước; Sử dụng mô phỏng.

     Thiết kế kết cấu bao che công trình trong điều kiện khí hậu Việt Nam

     Việt Nam là nước nhiệt đới, có chế độ bức xạ mặt trời nội chí tuyến, trong năm mặt trời có hai lần đi qua thiên đỉnh. Tổng lượng bức xạ hàng năm đạt khoảng 100 - 300 Kcal/cm² ở phía Bắc và khoảng 120 - 350 Kcal/cm² ở phía Nam. Độ cao mặt trời khá lớn, thời gian chiếu bức xạ trong phạm vi toàn quốc tương đối đồng đều. Tổng số giờ nắng hàng năm đạt 4.300 - 4.500 giờ/năm, nhưng số giờ nắng phân phối không đều theo các tháng. Do ảnh hưởng của trời nhiều mây nên lượng bức xạ khuếch tán (tán xạ của bầu trời) ở Việt Nam tương đối lớn, thường chiếm tới 50% tổng lượng bức xạ mặt trời.

     Do có bức xạ khuyếch tán lớn nên nước ta có tài nguyên ánh sáng tự nhiên rất lớn, nếu thiết kế kiến trúc công trình biết tận dụng ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng thụ động và sử dụng năng lượng bức xạ trực tiếp để đun nước nóng phục vụ sinh hoạt, sưởi ấm mùa đông và sản xuất nguồn điện sạch, tái tạo, thì sẽ tiết kiệm được lượng điện đáng kể. Nhưng ngược lại, bức xạ mặt trời xuyên qua kết cấu vào nhà (là nguồn tải trọng nhiệt lớn) cần phải giảm thiểu thì mới giảm tải lạnh đối với hệ thống điều hòa không khí. Vì vậy, khi thiết kế CTX ở Việt Nam, kiến trúc sư cần chú ý đến việc chọn hướng nhà, giải pháp che nắng chống bức xạ mặt trời truyền qua mái và chiếu qua cửa sổ vào phòng hợp lý. Trong mùa hè, lượng nhiệt bức xạ mặt trời xuyên qua 1m² cửa sổ vào phòng lớn hơn từ 8 - 12 lần lượng nhiệt truyền qua 1m² tường vào nhà.

     Cửa sổ là thành phần quan trọng của vỏ bao che công trình, ảnh hưởng đến sự tiện nghi về vi khí hậu, ánh sáng, tầm nhìn và hiệu quả sử dụng năng lượng. Thiết kế che nắng gồm hai vấn đề: Lựa chọn hình thức thiết bị che nắng thích hợp với từng công trình và với từng mặt nhà; Xác định kích thước, vị trí và mật độ hợp lý của thiết bị che nắng.

     Thiết bị che nắng được thiết kế tốt sẽ tạo bóng râm trên mặt cửa sổ, làm giảm đáng kể lượng nhiệt bức xạ hun nóng công trình và giảm yêu cầu tải lạnh đối với máy điều hòa không khí, do đó sẽ tiết kiệm được năng lượng (bảng 1 và hình 1).

Hình 1. Tác dụng của kết cấu che nắng (KCCN) nằm ngang đến tiêu thụ năng lượng làm mát của công trình

Bảng 1. Ảnh hưởng của KCCN đến năng lượng tiêu thụ làm mát

Theo F.Hammad, với việc sử dụng hệ thống cửa chớp di động kết hợp ánh sáng mờ đạt hiệu quả TKNL tới 34,2% ở hướng Nam, 28,57% ở hướng Đông và 30,31% ở hướng Tây.

      Giải pháp che nắng được chia làm hai loại: Che nắng bên trong cửa và che nắng bên ngoài cửa. Các thiết bị che nắng được lắp đặt ở bên ngoài có thể ngăn chặn bức xạ mặt trời hiệu quả trước khi bức xạ xuyên qua lỗ cửa kính vào nhà, nên có hiệu quả che nắng tốt hơn nhiều so với các thiết bị che nắng đặt ở bên trong cửa sổ, đồng thời bảo đảm tầm nhìn tốt. Kiến trúc truyền thống của nước ta thường cấu tạo cửa sổ hai lớp: Cửa kính bên trong, cửa chớp bên ngoài, loại cửa này đạt hiệu quả che nắng tốt ở mọi hướng của cửa sổ.

Bảng 2. Tiềm năng giảm phụ tải lạnh đối với hệ thống điều hòa không khí

Bảng 3: Tiềm năng giảm thiểu sử dụng năng lượng cho chiếu sáng nhân tạo [7]

     Các hệ thống thiết bị che nắng bao gồm: Các đặc trưng cảnh quan như dàn cây leo, cây xanh trưởng thành hay hàng rào; Các chi tiết bên ngoài như tấm che nắng nằm ngang, tấm che theo chiều đứng, tấm che hỗn hợp, các chớp ngang, chớp đứng cố định, hiên…; Kết cấu che nắng kiểu tấm chắn cố định trước mặt cửa sổ, hệ mành che nắng bằng các lam che nắng hay tạo ra vỏ bọc công trình hai lớp “da”; Hệ thống che nắng di động được cấu tạo từ các lá chớp có điều khiển, có thể treo theo chiều dọc ở phía trước cửa sổ (hệ thống này được kiểm soát bởi phần mềm máy tính để các lam hướng theo đường đi tia nắng chiếu của mặt trời, kết quả là che nắng đạt tối ưu vào mọi thời điểm cần thiết); Các thiết bị che có bề mặt phản xạ ánh sáng, được gọi là “giá hứng sáng”; Kính có hiệu suất che nắng cao như: Kính low- E; Kính hai lớp, ba lớp; kính có tấm dán cách nhiệt; Các thiết bị kiểm soát độ chói nội thất như rèm, mành, chớp điều chỉnh (bảng 2, 3).

Trung tâm Lưu ký chứng khoán Việt Nam với các KCCN thẳng đứng giúp TKNL hiệu quả

Tóm lại, khi thiết kế công trình, muốn đạt được tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nước ta, kiến trúc sư cần nghiên cứu, hiểu biết sâu sắc về bức xạ và chuyển động biểu kiến của mặt trời. Sự hiểu biết sâu sắc về góc chiếu nắng và bức xạ mặt trời là cơ sở khoa học trong việc lựa chọn các giải pháp thiết kế “thụ động” bao gồm: Chọn hướng chính của công trình, xác định hình dạng công trình, lựa chọn giải pháp thiết kế các kết cấu bao che công trình, trong đó quan trọng nhất là thiết kế cửa sổ đạt hiệu quả cao về che nắng (che bức xạ mặt trời), lấy ánh sáng tự nhiên, thông gió tự nhiên và thiết kế cách nhiệt ở mái công trình; lắp đặt panel quang điện tích hợp cho công trình hay tấm thu năng lượng mặt trời, nhờ đó giảm tiêu thụ năng lượng làm cho hệ thống thông gió - điều hòa không khí và chiếu sáng nhân tạo hàng năm của tòa nhà 30 - 40%.

Nguồn: Chuyên đề Tăng trưởng xanh - Tạp chí Môi trường