KIẾN TRÚC SƯ VỚI XU HƯỚNG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

KTS. Nguyễn Anh Tuấn, KTS. Trần Thị Thục Linh

Bài đăng trên Tạp chí kiến trúc. Số: 255-07/2016. Trang: 30. Năm 2016

Xu hướng

Những năm gần đây, sự chuyển mình của toàn xã hội trong nhận thức và hành động liên quan đến môi trường đang thay đổi nhanh chóng theo hướng tích cực. Do đó, vấn đề tiết kiệm năng lượng trong công trình xây dựng đang ngày càng được quan tâm, không chỉ trong lĩnh vực sản xuất kinh doanh năng lượng mà còn cả trong giới Kiến trúc sư, Kỹ sư công trình nói chung. Tuy nhiên, một câu chuyện mà ai trong giới Kiến trúc cũng biết là việc thiết kế Kiến trúc kết hợp với tiết kiệm năng lượng là công việc còn nhiều khó khăn do có nhiều rào cản. Thứ nhất, về mặt chuyên môn, nhiều anh chị em KTS và kỹ sư chưa được trang bị hoàn chỉnh các kiến thức và kỹ năng về thiết kế Kiến trúc tiết kiệm năng lượng, do đó để bắt tay vào công việc thực tiễn sẽ có những e ngại nhất định. Thứ hai, nhiều chủ đầu tư của chúng ta chưa thực sự quan tâm và hiểu biết cặn kẽ những lợi ích về kinh tế và môi trường của Kiến trúc tiết kiệm năng lượng, do đó yêu cầu tiết kiệm năng lượng thường không được nêu rõ trong nhiệm vụ thiết kế giao cho nhà thầu tư vấn kiến trúc. Ngoài ra, hành lang pháp lý, cách thức phê duyệt các dự án xây dựng của chúng ta chưa thực sự đưa yêu cầu tiết kiệm năng lượng trở thành yêu cầu tiên quyết, khiến việc thiết kế tiết kiệm năng lượng trở thành một thứ “thời trang”, có thì tốt mà không có cũng xong.

Trong bài báo này, dưới góc độ của một người làm nghiên cứu để ứng dụng, chúng tôi xin được chia sẻ với bạn đọc những kinh nghiệm mà chúng có thể giúp ích cho những người làm công tác thiết kế định hướng và triển khai thiết kế tiết kiệm năng lượng vào trong công việc thực tiễn.

Lợi ích

Thiết kế công trình tiết kiệm năng lượng có thể mang lại những lợi ích sau:

–          Giúp công trình tiêu thụ ít năng lượng hơn so với công trình bình thường cùng loại. Nhiều công trình có thể tiến đến mức zero năng lượng (tổng năng lượng tiêu thụ trong thời gian 1 năm cân bằng với tổng năng lượng năng lượng sản sinh trong cùng thời gian) hoặc thặng dư năng lượng (Positive energy building). Hiện nay, nhiều công trình zero năng lượng đã được xây dựng chứ không chỉ là những mô hình lý thuyết (Hình 1).

–          Công trình giảm tiêu thụ năng lượng thì mức phát thải carbon và các tác động môi trường bất lợi cũng được giảm thiểu. Qua đó, công trình tiết kiệm năng lượng đóng góp tích cực vào xu hướng phát triển bền vững.

–          Tiết kiệm năng lượng là tiết kiệm tài nguyên, mang lại lợi ích tài chính lâu dài cho chủ đầu tư công trình.

–          Kiến trúc tiết kiệm năng lượng thường có khả năng thích ứng tốt hơn với các thay đổi thời tiết, với biến đổi khí hậu và thiên tai.

Hình 1: Công trình zero năng lượng ở Vicenza, Italy (KTS Traverso Vighy)  với vỏ bao che bằng gỗ + khung thép, chỉ sử dụng năng lượng mặt trời, địa nhiệt và củi (Nguồn: http://www.archdaily.com)

Những giải pháp nhằm hiện thực hóa mục tiêu thiết kế công trình hiệu quả năng lượng

Trong các công trình kiến trúc truyền thống hay dân gian, kiến trúc hoàn toàn không dùng năng lượng hóa thạch và công trình có thể cung cấp những tiện nghi cơ bản cho con người. Công trình hiện đại có yêu cầu tiện nghi cao hơn, do đó việc tiết kiệm năng lượng luôn là sự kết hợp nhuần nhuyễn các giải pháp thiết kế thụ động và thiết kế chủ động. Nhằm đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng tối đa, chúng tôi khuyến khích áp dụng các nhóm giải pháp theo thứ tự ưu tiên sau (do hạn chế với thời lượng, chúng tôi chỉ nêu tên giải pháp mà không giải thích).

(i)                Thiết kế thụ động:

Thiết kế thụ động (passive design) là một thuật ngữ dùng phổ biến trong thiết kế kiến trúc ở các nước phương Tây. Thuật ngữ này chỉ các giải pháp thiết kế (thông qua giải pháp quy hoạch, kiến trúc, cấu tạo, sử dụng vật liệu…) phù hợp với điều kiện tự nhiên và khí hậu của địa điểm xây dựng nhằm đảm bảo tối đa tiện nghi trong công trình xây dựng và sự vận hành của nó, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng năng lượng để công trình có thể vận hành bình thường (Hình 2). Các giải pháp thiết kế thụ động thường hoàn toàn dựa vào các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên. Các giải pháp thiết kế thụ động chủ yếu cụ thể có thể áp dụng ở điều kiện Việt Nam gồm có:

–          Kiểm soát dòng nhiệt đi ra vào công trình một cách thụ động: sử dụng vật liệu cách nhiệt cho vỏ bao che, sử dụng kính có hệ số SHGC thấp (ít hấp thu bức xạ mặt trời), mái xanh, tường phủ cây xanh, sử dụng vỏ bao che có màu sáng, che nắng và tạo bóng đổ, bể nước trên mái (+ phun nước),

–          Thông gió tự nhiên: đây là giải pháp thụ động có lợi ích to lớn, mang lại sự tiện nghi và sức khỏe cho người sử dụng, bắt buộc phải áp dụng ở Việt Nam.

–          Làm mát bằng bay hơi nước thụ động (tưới nước trên mặt sân, mái nhà) [2].

–          Khối nhiệt và thông gió tự nhiên vào ban đêm: làm mát các khối nhiệt như tường dày, sàn, bê tông, hồ nước trong công trình vào ban đêm bằng thông gió, ban ngày các khối nhiệt sẽ hấp thu nhiệt bên trong công trình, giúp duy trì nhiệt độ dễ chịu. Đây là nguyên lý mà các ngôi biệt thự Pháp ở Việt Nam thường khai thác.

–          Kết cấu mỏng nhẹ, cách nhiệt tốt: giúp công trình không bị nóng vào ban ngày, đồng thời nguội nhanh vào ban đêm, đạt nhiệt độ môi trường nhanh chóng. Nếu được thông gió tốt về đêm sẽ mang lại môi trường tiện nghi cao. Giải pháp này được nhà ở dân gian ở Việt Nam thường xuyên khai thác (nhà tranh, vách đất, thông gió tốt).

–          Kiểm soát độ trễ nhiệt của lớp vỏ bao che: khiến cho nhiệt độ mặt trong vỏ bao che đạt cực đại vào thời điểm mong muốn. Ví dụ: chọn kết cấu vỏ bao che cho văn phòng làm việc có độ trễ nhiệt khoảng 8h, để cực đại nhiệt độ mặt trong rơi vào lúc 20h, khi văn phòng đã đóng cửa, không gây khó chịu cho mọi người.

–          Ổn định nhiệt bằng khối đất: làm công trình âm trong lòng đất, mái đất giúp công trình có độ ổn định nhiệt độ cao, mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông.

–          Sưởi ấm bằng bức xạ mặt trời: trữ nhiệt bằng tường Trombe, vách kính hướng về xích đạo (hướng Nam ở Việt Nam), phòng mặt trời, máy nước nóng NLMT.

–          Sử dụng cây xanh, mặt nước, thảm xanh cải thiện vi khí hậu xung quanh công trình.

–          Chiếu sáng tự nhiên trực tiếp và gián tiếp.

–          Thu nước mưa và tái sử dụng.

–          Chống nồm ở miền Bắc.

–          Các giải pháp lai (thụ động và chủ động): Thông gió qua ống trao đổi nhiệt dưới lòng đất, làm mát bằng máy bay hơi nước trực tiếp (quạt phun sương) hoặc gián tiếp (cần thiết bị chuyên biệt), bơm địa nhiệt (lấy nước làm mát và sưởi ấm từ lòng đất hoặc nước sông, hồ, biển) [2].

Những giải pháp thiết kế thụ động được khuyến nghị

Trải qua một quá trình nhiều năm nghiên cứu, ứng dụng, kiểm chứng, chúng tôi xin đưa ra các khuyến nghị giải pháp thiết kế thụ động mang tính ưu tiên cho kiến trúc trong điều kiện khí hậu Việt Nam như sau [3]:

–          Tường hướng Đông, hướng Tây và mái nhà phải cách nhiệt kỹ (Nhiệt trở tối thiểu 2.5 m2.K/W);

–          Vỏ bao che nên có màu trắng sáng;

–          Kính ở hướng Đông và Tây cần được che nắng (trực xạ) hoàn toàn;

–          Tổ chức thông gió tự nhiên tốt cho mọi phòng sinh hoạt, lưu ý ưu tiên thông gió xuyên;

–          Cửa sổ, cửa đi, vách kính có mái che nắng, che mưa hắt;

–          Ở miền Bắc nước ta, kiến trúc phải đảm bảo kín gió khi đóng cửa (chống lạnh);

–          Kiến trúc gắn liền với cây xanh, mặt nước, thảm cỏ.

image005image007

Hình 2: Palmyra house, Alibagh, Ấn Độ – Giải thưởng Aga Khan – một dạng kiến trúc nhiệt đới thông gió tự nhiên điển hình (KTS Bijoy Jain – studio Mumbai) (Nguồn: http://www.akdn.org)

Những sai lầm phổ biến của KTS.

Qua thực tiễn, chúng tôi cũng phát hiện ra các thiếu sót rất hay gặp trong nhận thức về thiết kế thụ động của các KTS như sau:

–          Tường xây gạch dày 200 thì không cần cách nhiệt (thực tế thì các hướng Đông Tây rất cần thêm cách nhiệt, tối thiểu dày khoảng 40mm);

–          Cửa kính hướng Bắc – Nam thì không cần che nắng do không có nắng (thực tế thì tùy vùng, nhưng luôn có nhu cầu che nắng ở hướng Bắc và hướng Nam);

–          Hướng Đông nắng dịu hơn hướng Tây, nên có thể mở cửa kính hướng Đông thoải mái mà không sợ nắng (thực tế là lượng bức xạ hoàn toàn giống nhau);

–          Kiến trúc luôn mở, thoáng để thông gió tốt mà không cần đóng kín (thực tế luôn cần có khả năng đóng kín để kiểm soát được khói bụi, tiếng ồn, không khí lạnh, gió xấu, gió Lào…);

–          Mái lợp tôn thì chỉ cần đóng trần và có 1 lớp cách nhiệt là không bị nóng (thực tế cần 1 lớp cách nhiệt EPS có độ dày lên đến 100mm mới đáp ứng yêu cầu cách nhiệt);

–          Vách kính low-E có thể chống bức xạ mặt trời tốt do đó không cần che nắng và có thể dùng nhiều thoải mái (Hình 3). Thực tế các loại kính có tính năng hơn kém nhau khá nhiều, nhưng khả năng hạn chế truyền nhiệt vào nhà của tất cả các loại kính kém xa so với kết cấu bao che không xuyên sáng.

image009

Hình 3: Vincom Center ở TP HCM – một ví dụ về sự lạm dụng kính Low-E nhưng không che nắng, không thích hợp với khí hậu nhiệt đới ở miền Nam (Nguồn: http://www.anvlaw.com)

(ii)              Các biện pháp thiết kế chủ động

Các biện pháp thiết kế chủ động (active design) là các giải pháp sử dụng máy móc, thiết bị công nghệ vận hành khai thác các nguồn năng lượng trong tự nhiên nhằm đảm bảo tiện nghi và sự vận hành của công trình. Giải pháp thiết kế chủ động hay gặp nhất chính là việc sử dụng hệ thống điều hòa không khí hoặc sưởi nhằm đảm bảo tiện nghi nhiệt và yêu cầu vệ sinh trong công trình. Nó cũng bao gồm các giải pháp sử dụng pin năng lượng, tua-bin gió, bơm nhiệt từ lòng đất, các hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả, các hệ thống thu gom tái chế nước… Các giải pháp mà chúng tôi khuyến nghị nên áp dụng trong điều kiện Việt Nam là:

–          Khai thác năng lượng tái sinh: Sử dụng pin NLMT, tua-bin gió (ven biển), máy nước nóng dùng NLMT,

–          Thiết bị sử dụng năng lượng hiệu suất cao: điều hòa Inverter, đèn chiếu sáng LED kết hợp các giải pháp kiểm soát chiếu sáng (cảm biến ánh sáng, cảm biến người, dimmer…), thiết bị thu hồi nhiệt thông gió, thu gom nước mưa, nước thải để tái sử dụng.

–          Sử dụng các loại năng lượng có hiệu suất cao: đồng phát nhiệt – điện (Máy phát điện tận dụng nhiệt thải làm năng lượng sưởi ấm), bơm địa nhiệt, quạt thông gió trao đổi nhiệt với lòng đất…

(iii)           Thiết kế với hỗ trợ của mô phỏng, tối ưu hóa thiết kế năng lượng

Thời gian gần đây, thuật ngữ mô phỏng hiệu năng công trình xây dựng (building performance simulation) đã bắt đầu được nhắc tới và lan tỏa trong cộng đồng xây dựng. Mô phỏng hiệu năng đã chứng tỏ khả năng trong giải quyết nhiều vấn đề kiến trúc phức tạp mà các phương pháp thông thường không đáp ứng được. Chẳng hạn như việc dự báo chính xác khả năng thông gió tự nhiên, khả năng tiết kiệm năng lượng, các tác động môi trường của phương án thiết kế… Do đó, mô phỏng hiệu năng công trình nên được áp dụng rộng rãi trong thiết kế các công trình có hiệu quả năng lượng [1]. Mô phỏng giúp người thiết kế biết cách kết hợp các giải pháp thiết kế thụ động lẫn chủ động để đem lại hiệu năng cao nhất cho công trình.

Về bản chất, mô phỏng hiệu năng là quá trình giả lập lại sự vận hành của công trình trên máy tính. Tất cả các yếu tố liên quan đến công trình gồm: thông số hình học, vật liệu, kết cấu, vận hành, con người, trang thiết bị… đều được giả lập trên một phần mềm máy tính. Hiện có gần 500 phần mềm hỗ trợ mô phỏng hiệu năng khác nhau, có tính năng khác nhau. Có thể tạm chia thành các nhóm phần mềm mô phỏng hiệu năng sau:

–          Nhóm mô phỏng năng lượng công trình, ví dụ: EnergyPlus, Design Builder…

–          Nhóm mô phỏng thông gió (CFD hoặc airflow network model), ví dụ: CFX, CONTAM…

–          Nhóm mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo, ví dụ: Radiance, DIALux…

–          Nhóm mô phỏng môi trường âm thanh (thiết kế âm học thính phòng), ví dụ:  Odeon, Scatt…

–          Các nhóm hỗ trợ: nghiên cứu che nắng, chiếu nắng, bóng đổ, phân tích khí hậu, quỹ đạo mặt trời…, ví dụ: Autodesk Ecotect, Climate Consultant…

Các nhóm phần mềm này có liên quan trực tiếp đến quá trình thiết kế công trình hiệu quả năng lượng, có thể khai thác sử dụng bởi các đơn vị tư vấn, chủ đầu tư, nhà quản lý, giảng dạy… Do chưa được đào tạo bài bản ở bậc Đại học, vấn đề mà các KTS, kỹ sư quan tâm là nên bắt đầu từ đâu để tiếp cận các công cụ mô phỏng này. Trên cơ sở kinh nghiệm của mình, chúng tôi đề xuất một vài cách thức tiếp cận mang tính tham khảo như sau:

–          Các doanh nghiệp tổ chức cho nhân viên tự học phần mềm: tài liệu học tập chủ yếu là các video clip, các trao đổi trên diễn đàn, các tài liệu hướng dẫn, tư vấn qua email, điện thoại từ các chuyên gia. Khả năng này vẫn có thể thực hiện được.

–          Các doanh nghiệp tổ chức lớp huấn luyện riêng: cần mời chuyên gia có kinh nghiệm hỗ trợ trực tiếp. Tổng thời gian đào tạo khoảng 5 ngày để nắm bắt và tự thực hiện một cách căn cơ hầu hết các mô phỏng quan trọng.

–          Tham gia các lớp huấn luyện do các tổ chức (Hội KTS, VCEP, Viện Kiến trúc…) đứng ra thực hiện. Các lớp này thời gian tuy ngắn, nhưng cung cấp những thông tin cơ bản cũng như các đầu mối liên hệ cần thiết.

–          Học tập nâng cao trình độ chuyên môn, ví dụ hiện nay nhiều trường Đại học đã đưa môn Mô phỏng hiệu năng vào chương trình giảng dạy bậc Đại học và sau Đại học.

–          Thuê các đơn vị tư vấn chuyên nghiệp, các chuyên gia công trình xanh (LEED AP, LOTUS AP…). Hiện nay ở nước ta đã có những nhà thầu chuyên thực hiện các công việc này và nhiều dự án đã có sự hợp tác thành công.

Những địa chỉ cần thiết

Các đơn vị có nhu cầu về mô phỏng hiệu năng công trình cần có những mối liên hệ chặt chẽ hơn với các tổ chức nghề nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Xây dựng xanh. Đây là các tổ chức có đủ khả năng hỗ trợ các doanh nghiệp cũng như cung cấp các thông tin, làm trung gian liên hệ trong những vấn đề chuyên sâu liên quan đến thiết kế công trình có hiệu năng cao:

–          Hội KTS Việt Nam, VGBC, USGBC…

–          Các chuyên gia của Viện nghiện cứu, trường Đại học: Đại học Bách khoa TPHCM, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Xây dựng Hà Nội, Đại học Kiến trúc Hà Nội…

–          Các chuyên gia của chương trình năng lượng sạch Việt Nam – VCEP

–          Các nhà tư vấn xanh, ví dụ: Green Consult Asia, GreenViet…

–          Các chuyên gia tư vấn LEED AP, LOTUS AP…

Một vài ví dụ về cách thức kết hợp giữa thiết kế và tư vấn công nghệ xanh

Trung tâm Thương mại Big C Nha Trang được chứng chỉ công trình xanh LOTUS bạc nhờ sự phối hợp giữa đơn vị tự vấn Kiến trúc và một nhà thầu tư vấn công nghệ xanh (GreenViet). Nhà máy DBW Long An được chứng chỉ công trình xanh LOTUS nhờ sự phối hợp giữa đơn vị tự vấn Kiến trúc và một nhà thầu tư vấn công nghệ xanh (Green Consult Asia). Trường mầm non British International School EYFS đang theo đuổi chứng chỉ LOTUS với sự hỗ trợ của Artelia Vietnam.

Hiện nay, số lượng các chuyên gia tư vấn công nghệ xanh chuyên nghiệp, các nhà thầu tư vấn công nghệ xanh chưa có nhiều. Với nhu cầu xã hội ngày càng tăng trong thời gian sắp tới, hy vọng điều này sẽ được cải thiện, tạo tiền đề vững chắc cho kiến trúc hiệu quả năng lượng, kiến trúc xanh bùng nổ ở nước ta.

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Anh Tuấn, Thiết kế kiến trúc xanh với hỗ trợ bởi các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS). Tạp chí Kiến trúc. Số: 05. Trang: 13-18. Năm 2012.

[2] S. V. Szokolay, Introduction to architectural science, Oxford: Elsevier Science, 2004.

[3] O. H. Koenigsberger, T. G. Ingersoll, A. Mayhew and S. V. Szokolay, Manual of tropical housing and building, 1st ed., New York: Longman publisher, 1973.

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