Thiết kế kiến trúc xanh với hỗ trợ bởi các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS)

Sự gia tăng mối quan tâm toàn cầu về phát triển bền vững và hiệu quả sử dụng năng lượng:

Cách thức khai thác, sản xuất và tiêu thụ của con người hiện nay đã vượt quá 30% khả năng của trái đất trong việc tái tạo nguồn cung và hấp thu các chất thải. Tiêu thụ năng lượng tính trên đầu người đã tăng gấp đôi từ năm 1960 đến năm 2000. So với giai đoạn 1950 – 1990, trong vòng 10 năm từ 1990 -2000 các thảm họa thiên nhiên như lũ lụt, bão… đã tăng 40%. Riêng trong năm 2004, chúng ta thải vào bầu khí quyển 28 tỷ tấn khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Ô nhiễm và sự biến đổi khí hậu toàn cầu trong gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng, thách thức sự phát triển bền vững của hệ sinh thái trái đất và đe dọa các thế hệ tương lai.

Đứng trước những thách thức đó, khái niệm phát triển bền vững lần đầu tiên được đưa ra trong báo cáo ‘Our common future’ của Bruntdland năm 1987. Sau đó, Hội nghị thượng đỉnh Trái đất về môi trường và phát triển tại Rio de Janeiro năm 1992 đã chính thức thông qua định nghĩa ‘phát triển bền vững’ và thông qua chương trình nghị sự Agenda 21 nhằm định hướng các chiến lược hướng tới phát triển bền vững.

Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học công trình đã chỉ ra rằng sự vận hành các công trình xây dựng ngốn khoảng 1/3 tổng mức tiêu thụ năng lượng của con người (Theo Bộ xây dựng, con số này ở Việt Nam năm 2010 vào khoảng 20 -24%), do đó là nguồn phát thải khí nhà kính lớn và tác động mạnh mẽ đến môi trường và hệ sinh thái. Những con số nói trên là động lực thúc đẩy giới KTS và Kỹ sư công trình thay đổi tư duy thiết kế nhằm đạt hiệu quả năng lượng cao hơn và giảm thiểu tác động bất lợi của công trình lên môi trường và hệ sinh thái. Bắt đầu vào những năm 90, Kiến trúc xanh ra đời như một sự hưởng ứng của giới thiết kế công trình với xu hướng chung. Công cụ đánh giá công trình xanh (Green building rating tool) và Gắn nhãn công trình xanh (Green building labeling) là những bước cụ thể hóa và lượng hóa chất lượng các ‘giải pháp xanh’, giúp cho khái niệm Kiến trúc xanh nhanh chóng trở thành một trào lưu mới mang tính quốc tế và có sức lan tỏa mạnh mẽ. So với các khái niệm kiến trúc sinh thái, kiến trúc sinh khí hậu, kiến trúc môi trường, kiến trúc hiệu quả năng lượng… kiến trúc xanh – qua các tiêu chí của các công cụ đánh giá – cụ thể hơn, dễ hình dung hơn và có tính bao quát hơn cả, nên có tính thực tiễn cao và hứa hẹn một hướng đi bền vững. Tuy nhiên đi kèm với đó là những yêu cầu phức tạp và chi tiết, đòi hỏi người thiết kế nhiều kỹ năng hơn.

Có thể nói, từ khi khởi xướng bởi BREEAM, tiêu chuẩn xanh đầu tiên trên thế giới của Anh vào năm 1990 cho đến nay, hầu hết các nước phát triển đều đã có tiêu chuẩn xanh của riêng mình. Việc công cụ LOTUS của Việt Nam ra đời vào cuối năm 2011 tuy khá muộn nhưng đó là một hệ quả tất yếu của trào lưu chung. Vì chỉ là một công cụ đánh giá, hay nôm na là «tiêu chuẩn công trình xanh», LOTUS không giúp KTS Việt Nam trong việc thiết kế xanh hơn mà thay vào đó đặt ra những yêu cầu khắt khe mà giới thiết kế công trình ở Việt Nam phải đáp ứng nếu muốn xanh hóa tác phẩm của mình. LOTUS chỉ rõ rằng thiết kế công trình xanh không đơn giản như nhiều KTS vẫn nghĩ và từ lúc này trở đi, chúng ta mới có công trình xanh đúng nghĩa theo tiêu chí Việt.

Lợi ích của công trình xanh đem lại là không phải bàn cãi dù chi phí đầu tư ban đầu có cao hơn.  Trong hình 1 giới thiệu công trình xanh Dockland ở Hamburg với mức tiêu thụ năng lượng chỉ khoảng một nửa so với văn phòng bình thường.

Image

Hình 1: Dockland, Hamburg, Đức (Thiết kế: BRT Architects và D&S Advanced Building Technologies) 

Hệ thống đánh giá công trình xanh LOTUS và những nhận xét ban đầu

LOTUS là công cụ đánh giá công trình xanh cho công trình xây dựng ở Việt Nam, được phát triển bởi VGBC (Hội đồng công trình xanh Việt Nam). Thực chất đây là bộ tiêu chuẩn để xem xét cấp chứng chỉ công trình xanh. Trong vòng chưa đầy 3 năm làm việc, VGBC đã gần như giới thiệu toàn bộ các phiên bản LOTUS cần thiết để đánh giá mọi thể loại công trình ở Việt Nam (có thể tải về từ trang web của VGBC). Đó là nỗ lực đáng trân trọng của những người đi tiên phong, trước cả Bộ Xây dựng – cơ quan có vai trò định hướng quản lý. VGBC sẽ cấp chứng nhận «Công trình xanh» ở 3 mức độ : CHỨNG NHẬN (certified), BẠC, VÀNG theo số điểm mà công trình đạt được như trong hình 2.

Image 

Hình 2: Hệ thống đánh giá và mức chứng nhận của LOTUS

Tuy chưa có điều kiện xem xét kỹ LOTUS, nhưng tác giả nhận thấy các phiên bản tiếng Anh hiện nay có thể xem là tương đối hoàn chỉnh, phù hợp với các mô hình tiên tiến trên thế giới và là tiền đề cho các phiên bản nâng cấp theo thời gian. Các phiên bản tiếng Việt có chỗ chưa chính xác ý của phiên bản tiếng Anh. Trong khuôn khổ có giới hạn, bài viết không nhắc lại những ưu điểm mà chỉ xin nêu ra một vài bất cập lớn có thể cản trở tính thực tiễn của LOTUS.

Thứ nhất, việc sử dụng các công cụ mô phỏng hiệu năng của công trình (Building performance simulation – BPS, trong LOTUS dịch là phần mềm giả lập), công cụ để đạt được ít nhất 50/150 số điểm của LOTUS,  luôn cần các tập tin khí hậu định dạng chuẩn (weather file TMY, TRY…) của nơi đặt công trình. Đây là loại thông tin khí hậu điển hình, thường được xây dựng trên cơ sở số liệu khí tượng thu thập trong 30 năm liên tiếp. Loại dữ liệu này Việt Nam chưa có (hoặc chưa công bố và chưa thể tiếp cận). «QCVN 02:2009/BXD – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng» không thể thay thế loại tập tin này.

Thứ hai, LOTUS áp dụng một số tiêu chuẩn mới của Việt Nam. Tuy nhiên có những tiêu chuẩn do lỗi thời hoặc sai sót không phù hợp để đánh giá theo yêu cầu của LOTUS. Lấy ví dụ: Tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt trong công trình TCVN 306:2004 tính toán tiện nghi nhiệt trong công trình theo chỉ số điều kiện ΣH và nhiệt độ hiệu quả Thq, hai chỉ số môi trường rất lạc hậu và không còn được sử dụng từ lâu; hiện không có công cụ BPS nào tích hợp các chỉ số này. Công thức tính Nhiệt độ tổng hợp (phụ lục A) trong tiêu chuẩn cũng có sai sót. Trong khi Việt Nam chưa có một tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt tin cậy, vận dụng tiêu chuẩn nước ngoài, ví dụ ASHRAE 55 của Mỹ, sẽ phù hợp hơn với LOTUS.

Thứ ba, LOTUS yêu cầu các giải pháp thiết kế đưa ra phải hiệu quả hơn so với mô hình cơ sở. Vấn đề là việc xác định thế nào là mô hình cơ sở và hiệu năng của nó còn là một dấu hỏi lớn. Thông thường hiệu năng của mô hình cơ sở được xác định bằng hiệu năng trung bình của một tập hợp điều tra thực tế. Ví dụ: trung bình các công trình văn phòng ở Hà Nội có mức tiêu thụ năng lượng trung bình là 40KWh/m².năm, có thể coi đó là hiệu năng năng lượng (energy performance) của mô hình cơ sở mà các văn phòng xanh ở Hà Nội phải vượt qua.

Thứ tư, về cơ chế, việc cấp chứng chỉ công trình xanh phải do một tổ chức phi lợi nhuận độc lập đứng ra thực hiện thay vì thực hiện bởi VGBC (vừa là tổ chức soạn tiêu chuẩn, vừa là người kiểm định cấp chứng chỉ xanh và các hoạt động liên quan như: đào tạo chuyên viên tư vấn, thu phí cấp chứng nhận…). Phương thức vận hành như vậy, theo cá nhân tác giả, dễ phát sinh độc quyền và tiêu cực.

Thứ năm, LOTUS đưa ra khá nhiều tiêu chí nghiêm ngặt, có tiêu chí ngoài lề của yêu cầu xanh (cộng đồng, bảo tồn, người tàn tật, an toàn lao động…) để đạt được chứng chỉ công trình xanh trong khi đây mới chỉ là bước khởi đầu ở Việt Nam. Người viết e rằng với sự ngặt nghèo mà không có cơ chế khích lệ như vậy sẽ không khuyến khích được giới thiết kế và chủ đầu tư trong việc đăng ký công trình xanh. Ở đây, khái niệm thế nào là công trình xanh sẽ quyết định các yêu cầu cần phải thỏa mãn, nhưng không được LOTUS đề cập. 

Rõ ràng là nhiều yêu cầu của LOTUS tuy theo thông lệ quốc tế, nhưng lại vượt quá khả năng của các KTS nước nhà. Việc này vừa đòi hỏi LOTUS phải được cân nhắc điều chỉnh, vừa đòi hỏi giới KTS nỗ lực làm giàu năng lực sáng tác và tri thức về khoa học công trình.

Một vài phương pháp thiết kế tiên tiến đang áp dụng trên thế giới:

KTS không phải và không thể là người duy nhất giúp « xanh hóa » công trình, nhưng là người có vai trò quan trọng nhất. Trong việc thiết kế, xây dựng công trình và vận hành công trình, khâu thiết kế cũng là khâu quyết định liệu một công trình có thể được công nhận là «Công trình xanh» hay không.

Hình 3 cho thấy sự tham gia của BPS vào quá trình đánh giá công trình xanh. Sơ đồ này cho thấy rõ vai trò của công cụ BPS trong việc giúp KTS định hướng giải pháp thiết kế và có cơ sở để tin rằng giải pháp đưa ra đáp ứng yêu cầu của Tiêu chuẩn xanh. Sơ đồ này cũng chỉ rõ công cụ BPS giúp KTS xác định các phương án cải tạo tối ưu nhằm «xanh hóa» công trình đã xây dựng và cần cấp chứng chỉ. Có thể nói rằng không có các công cụ BPS, việc thiết kế công trình xanh là cực kỳ khó khăn nếu không nói là không thể.

Image

Hình 3: Các bước chính trong việc thiết kế và kiểm soát hiệu năng công trình đáp ứng các tiêu chuẩn xanh bằng các công cụ BPS 

Trên thế giới hiện nay đang tồn tại 2 xu hướng đánh giá công trình xanh: (1) đánh giá dựa trên các tiêu chí (criteria-based assessment) như LEED, BREEAM, GBTool, HQE, LOTUS… và (2) đánh giá dựa trên vòng đời công trình (Life Cycle Assessment – LCA) như BEES (Mỹ – 2004), BEAT (Đan Mạch – 2005); EcoQuantum (Hà Lan – 2002) và KCL Eco (Phần Lan – 2005)… Mỗi xu hướng có các phương pháp thiết kế và các công cụ hỗ trợ phù hợp.

 

Với xu hướng thứ nhất, các nhà thiết kế thường sử dụng các công cụ mô phỏng hiệu năng của công trình (Building Performance Simulation – BPS) để đánh giá chính xác khả năng của từng giải pháp và lựa chọn giải pháp đáp ứng tiêu chuẩn xanh có tính định lượng ngay từ khâu thiết kế. Các công cụ này thường liên kết chặt chẽ với các công cụ thiết kế trên máy tính (CAD) và có khả năng:

–  Nhập (import) các mô hình công trình 3D từ các phần mềm CAD

–  Phân tích đặc điểm khí hậu và dự kiến các giải pháp kiến trúc thích ứng khí hậu

–  Dự đoán nhiệt độ, chiếu sáng, lưu lượng thông gió, độ ẩm, nồng độ các chất khí có hại trong công trình trong công trình tại tất cả các vị trí và đối chiếu với tiêu chuẩn trong suốt một năm

–  Dự đoán năng lượng tiêu thụ của công trình, của từng hạng mục thiết bị trong suốt một năm

–  Giá thành suốt vòng đời của công trình (gồm chi phí xây dựng và vận hành)

–  Đánh giá các mức tác động đến môi trường, lựa chọn loại hình năng lượng phù hợp cho công trình

–  Khảo sát nắng, bóng đổ, thiết kế kết cấu che nắng, quỹ đạo mặt trời…

–  Dự đoán thông gió chính xác đến từng vị trí, thiết kế khí động học,… với CFD

–  Và nhiều tính năng khác…

 

Các bước chính để thực hiện Mô phỏng hiệu năng của một công trình gồm có :

–  Xây dựng mô hình của công trình trong công cụ BPS (hoặc có thể import mô hình kiến trúc từ các phần mềm CAD).

–  Nhập các tham số thiết kế của công trình (địa điểm, giải pháp cấu tạo kết cấu bao che, ngăn chia…)

–  Nhập các tham số về sự vận hành dự kiến của công trình (số người, thiết bị bên trong, vận hành của các hệ thống thông gió, điều hòa không khí…)

–  Chạy mô phỏng và phân tích xử lý kết quả

Các bước cơ bản tuy đơn giản, nhưng trên thực tế việc sử dụng lại không dễ dàng vì nó đòi hỏi người sử dụng công cụ những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về khoa học công trình.

Hình 4, 5, 6 và 7 giới thiệu một số kết quả nghiên cứu với sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng. Với những tính năng như vậy, người thiết kế có thể thay đổi các tham số thiết kế để đạt được hiệu quả tốt và kiểm soát hoàn toàn thiết kế của mình.

Image

Hình 4: Giải nhất phương án thiết kế trường đại học Kiến trúc TP HCM với sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng khí động (nguồn: http://www.votrongnghia.com)

Image

Hình 5: Nghiên cứu hiệu quả che nắng ở nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội (14h; ngày 11 tháng Bảy)

Image

Hình 6: Nghiên cứu chuyển động gió (vận tốc và áp lực) trong và ngoài nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội với sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng khí động CFD

Image

Hình 7: Kết quả mô phỏng nhiệt độ phòng khách nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội trong suốt 1 năm bởi công cụ BPS

Hiện nay có khoảng vài trăm công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS tool) ở các mức độ chính xác và phức tạp khác nhau. Nhiều phần mềm được cung cấp miễn phí. VGBC giới thiệu gói phần mềm VE (Virtual environment) của IES như một giải pháp cho LOTUS. VE có ưu điểm là có giao diện người dùng khá thân thiện, tuy nhiên có một số tính năng còn hạn chế và đặc biệt giá thành rất đắt. Bài viết này giới thiệu phần mềm miễn phí EnergyPlus của Bộ năng lượng Mỹ phát triển, tuy khó dùng và đòi hỏi nhiều kiến thức cao cấp nhưng có tính năng gần như tốt nhất và đầy đủ nhất hiện nay. EnergyPlus đáp ứng hầu hết các yêu cầu liên quan đến mô phỏng của LOTUS.

Một ứng dụng cực kỳ quan trọng nữa của BPS, đó là tối ưu hóa thiết kế nhằm đạt hiệu quả tối đa thông qua mô phỏng (simulation-based optimization). Cách làm này là sự kết hợp giữa một thuật toán tối ưu hóa (optimization algorithm) và một công cụ BPS. Để dễ hình dung, lấy ví dụ khi thiết kế một công trình, người KTS phải quyết định hàng trăm tham số của công trình, ví dụ: kích thước, hướng, diện tích cửa sổ trên mặt đứng, cấu tạo tường… sao cho đạt hiệu quả tối đa một hoặc nhiều mục tiêu (giá thành, tiện nghi, năng lượng tiêu thụ…). Mỗi tham số lại có hàng chục lựa chọn, ví dụ với tham số hướng có các lựa chọn: Bắc, Nam, Đông, Tây… Sẽ có một ma trận tham số tạo ra hàng tỷ giải pháp khả thi và người KTS phải quyết định ra giải pháp tốt nhất trong số đó. Tối ưu hóa thiết kế nhằm tìm ra giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu trong số hàng tỷ giải pháp khả thi. Mô hình đã tối ưu hóa thường có hiệu năng tốt hơn mô hình cơ sở từ 25% đến 50%. Tối ưu hóa thông qua mô phỏng là một phương pháp ưa chuộng hiện nay và giúp công trình đáp ứng nhiều yêu cầu ngặt nghèo của các tiêu chuẩn xanh như LOTUS mà các phương pháp thông thường không đáp ứng.

Image

Hình 8: Một ví dụ quá trình tối ưu hóa 2 mục tiêu Giá thành xây dựng (construction cost) và tiện nghi nhiệt (PPD) – kết quả đạt được sau gần 13000 mô phỏng liên tục

Với xu hướng thứ hai: đánh giá dựa trên vòng đời công trình (Life Cycle Assessment – LCA), phương pháp này luôn xem xét đánh giá một thiết kế hay quy hoạch thông qua những tác động của nó đối với môi trường trong suốt vòng đời của nó, từ khâu khai thác chế tạo vật liệu, xây dựng, vận hành cho đến khâu phá dỡ và xử lý phế thải công trình; do đó là một bước nâng cao của xu hướng thứ nhất và có một phần dựa trên các công cụ BPS. Cách đánh giá dài hạn này cho ra những thiết kế có trách nhiệm cao nhất với môi trường và các nguồn tài nguyên. Công trình càng «xanh», ảnh hưởng suốt vòng đời của công trình đối với môi trường càng nhỏ. Cách thức tiến hành đánh giá đã được tiêu chuẩn hóa bởi nhóm tiêu chuẩn ISO 14040 và cũng đã có nhiều công cụ phát triển để hỗ trợ phương pháp này như BEES, ATHENA® Environmental Im­pact Estimator… Nhìn chung, đây là hướng tiếp cận đầy hứa hẹn của tương lai, nhưng hiện tại ứng dụng thường ở mức nghiên cứu học thuật.

 

Công trình xanh và thách thức đối với giới KTS Việt Nam:

Thiết kế kiến trúc ngày nay phải gắn liền với các ràng buộc với môi trường và phát triển bền vững và do đó phải thay đổi để đáp ứng yêu cầu mới. Các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình đã mở ra một kỷ nguyên mới trong khoa học thiết kế và đã trở thành công cụ hữu hiệu trong vòng 20 năm trở lại đây. Mô phỏng hiệu năng công trình không phải là một môn học thông thường mà là một ngành học, với nhiều kỹ năng phức tạp và cao cấp, giúp người thiết kế kiểm soát toàn diện tác phẩm của mình.

Việc LOTUS ra đời trong khi đội ngũ thiết kế nước nhà chưa sẵn sàng đã chỉ ra sự tụt hậu trong công nghệ thiết kế. Có thể nói, trong tương lai gần, hồ sơ thiết kế các công trình quy mô lớn sẽ phải trải qua khâu kiểm toán năng lượng và đánh giá tác động môi trường ngặt nghèo như các nước đã làm và KTS phải là người chủ trì công việc này. Rõ ràng ngay từ lúc này, KTS cần được trang bị các kỹ năng phân tích, mô phỏng hiệu năng công trình thông qua sự hỗ trợ của máy tính hoặc ít nhất có thể phối hợp với chuyên gia cùng thực hiện công việc này. Trước mắt, tác giả kiến nghị cần sớm đưa khoa học mô phỏng công trình vào trong đào tạo KTS bậc đại học hoặc cao học để giúp KTS Việt Nam bắt kịp trình độ đồng nghiệp quốc tế. Mối quan hệ giữa kiến trúc và môi trường cũng cần được làm rõ trong đào tạo và thực tiễn xây dựng nhằm xây dựng ý thức trách nhiệm với môi trường của KTS. Hy vọng trong một tương lai gần, phiên bản tiếp theo của LOTUS sẽ do người Việt biên soạn và sẽ có những công trình xanh ra đời do chính người Việt thiết kế.

Bài và ảnh : TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn (Tạp chí kiến trúc – Số 5, trang 13-18, năm 2012)

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s