Các trở ngại và cơ hội trong thiết kế công trình cân bằng năng lượng (ZEBs) ở Việt Nam

MTXD - Các công trình cân bằng năng lượng (ZEBs) đã và đang trở thành một giải pháp được quốc tế đón nhận, và được kỳ vọng phát triển ở Việt Nam như một trong những nỗ lực quyết định đưa phát thải ròng ngành Xây dựng về bằng 0.

1. Giới thiệu - ZEBs, xu hướng tất yếu hướng tới mục tiêu giảm thiểu carbon trong ngành xây dựng   

1.1. Sự cần thiết triển khai ZEBs

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (U.S.DOE) định nghĩa ZEB là một công trình sử dụng năng lượng, trong đó trên cơ sở tiêu thụ năng lượng, năng lượng cung cấp thực tế cho công trình hàng năm nhỏ hơn hoặc bằng lượng năng lượng tái tạo sản xuất tại chỗ [1]. 

Việc thiết kế và vận hành các công trình có mức tiêu thụ năng lượng thấp, công trình cân bằng năng lượng được bắt nguồn từ châu Âu. Ngày 13/ 9/ 1993, Hội đồng Cộng đồng châu Âu đã ban hành Chỉ thị SAVE [2] với mục tiêu hạn chế phát thải khí CO₂ bằng cách nâng cao hiệu quả năng lượng cho các công trình xây dựng, tuy nhiên Chỉ thị SAVE không hoàn toàn thành công.

Chính vì vậy, Chỉ thị về hiệu quả năng lượng của các công trình xây dựng (Chỉ thị EPBD) đã được Nghị viện châu Âu và Hội đồng Liên minh châu Âu (EU) ban hành ngày 16/ 12/ 2002, yêu cầu tất cả các nước thành viên EU phải triển khai chương trình đánh giá, xếp hạng và cấp chứng nhận hiệu quả năng lượng (EPC) cho các công trình [3].

Đến năm 2010, Chỉ thị EPBD phiên bản sửa đổi đã yêu cầu các quốc gia hướng tới mục tiêu các công trình xây mới phải đạt mức tiêu chuẩn gần cân bằng năng lượng (nZEB standard) vào cuối năm 2020 (đối với các công trình công cộng là cuối năm 2018)  [4].

Chỉ thị EPBD định nghĩa nZEB là công trình có hiệu suất năng lượng rất cao, với lượng năng lượng cần thiết gần như bằng không hoặc rất thấp được cung cấp chủ yếu bởi năng lượng được sản xuất từ các nguồn tái tạo tại chỗ hoặc gần địa điểm của công trình.

Chỉ thị EPBD phiên bản sửa đổi ban hành ngày 30/ 5/ 2018 [5] được xem như là một phần của gói Năng lượng sạch, yêu cầu tất cả các nước thành viên phải xây dựng các chiến lược cải tạo dài hạn cho các công trình hiện hữu để phù hợp với việc giảm 80-95% lượng phát thải khí nhà kính vào 2050.

Tháng 12/2021, EU đã đưa ra Dự thảo sửa đổi Chỉ thị EPBD, theo đó, nZEB sẽ chuyển sang Công trình phát thải bằng không (Zero-Emission Building) để hướng đến Công trình trung hòa Các-bon và an ninh năng lượng trong tương lai xa [6]. 

Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu trong năm 2022 đã khiến phần lớn các khu vực trên thế giới phải đối mặt với sự thiếu hụt nguồn cung năng lượng hóa thạch, đặc biệt là EU, điều này đã thúc đẩy việc hình thành hệ thống năng lượng bền vững.

Tính đến 8/2022 mức tiêu thụ điện mặt trời đã đạt đến mức kỷ lục 12% tại EU; điển hình là các nước như Hà Lan, Đức và Tây Ban Nha với mức sử dụng năng lượng mặt trời lần lượt là 22,7%, 19,3% và 16,7% trong tổng sản lượng năng lượng của mỗi quốc gia [7].

Theo Báo cáo hiện trạng toàn cầu đối với công trình và xây dựng năm 2019 [8] và 2022 [9], lĩnh vực xây dựng, vận hành các công trình tiêu thụ 37÷39% tổng nhu cầu năng lượng liên quan đến phát thải khí nhà kính.

Chính vì vậy, ZEBs đã trở thành nỗ lực hàng đầu của ngành Xây dựng nhằm đạt được các mục tiêu tiết kiệm năng lượng, giảm ảnh hưởng tiêu cực đến biến đổi khí hậu. Tại thời điểm hiện tại, một số nước đã đưa ra mục tiêu và các biện pháp hành động đẩy mạnh phát triển ZEBs để thực hiện lộ trình hướng đến phát thải ròng bằng không vào năm 2050 (Bảng 1).

Bảng 1. Mục tiêu ZEBs tại các quốc gia trên thế giới [10]. 

Tại Việt Nam, ngành Xây dựng tiêu thụ khoảng 35÷40% tổng sản lượng tiêu thụ năng lượng quốc gia [11], [12]. Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các công trình dân dụng như sau: năng lượng cho điều hòa không khí chiếm 26÷60%, chiếu sáng chiếm 13÷39%, tải các thiết bị 26%, thang máy và thang cuốn 4÷29% [13].

Gần đây, tháng 5/ 2023, cả nước đối mặt với việc thiếu điện, hàng loạt các thành phố lớn phải cắt điện luân phiên tạm dừng toàn bộ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất là thách thức rất lớn đối với toàn xã hội nói chung và ngành xây dựng nói riêng.

Tại Hội nghị COP26, Chính phủ Việt Nam đã công bố cam kết tự nguyện giảm phát thải khí nhà kính để đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. Vì vậy, việc triển khai ZEBs trở thành nhiệm vụ cấp thiết cần được nghiên cứu và thực hiện bài bản tại Việt Nam.

Hiện nay, các cơ sở pháp lý hỗ trợ việc triển khai thiết kế và vận hành công trình hiệu quả năng lượng ở Việt Nam là: Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả 2010 cùng với Nghị định số 21/2011/NĐ-CP và Nghị định số 134/2013/NĐCP;

Luật Xây dựng  sửa đổi năm 2020 đã bổ sung nội dung “Khuyến khích hoạt động đầu tư, chứng nhận công trình sử dụng tiết kiệm, hiệu quả năng lượng, tài nguyên,...” cùng với Nghị định số 15/2021/NĐ-CP, trong đó bao gồm Điều 7. Công trình hiệu quả năng lượng, công trình tiết kiệm tài nguyên và công trình xanh;

Quyết định 258/QĐ-TTg ngày 17/ 3/ 2023 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Lộ trình áp dụng Mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng;

Quyết định số 280/QĐ-TTg ngày 13/3/2019 của Thủ Tướng Chính phủ: Phê duyệt Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019 - 2030, bao gồm việc thực hiện các quy định của QCVN 09:2017/BXD;

Quyết định số 1677/QĐ-BXD ngày 30/ 12/ 2020 về Kế hoạch thực hiện các nội dung nhiệm vụ về sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả của Bộ Xây dựng giai đoạn đến năm 2030;

QCVN 09:2017/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả.

1.2. Thực trạng phát triển ZEBs trên thế giới

Đẩy mạnh phát triển ZEBs cần có sự kết hợp toàn diện của cơ sở hành lang pháp lý, sự phát triển trong công nghệ kỹ thuật xây dựng, sự hiểu biết về ZEBs của mọi người dân và các đơn vị, tổ chức. 

Hiện nay nhiều quốc gia, tổ chức quốc tế đã xây dựng các bộ tiêu chuẩn đánh giá và chỉ dẫn thiết kế, vận hành và kiểm soát mục tiêu cân bằng năng lượng như: Tiêu chuẩn quốc tế ISO/TS 23764:2021 “Phương pháp để đạt được các tòa nhà cân bằng năng lượng đối với công trình phi nhà ở (ZEBs)” [14];

Tiêu chuẩn của Hiệp hội thông gió, cấp nhiệt và điều hòa không khí Mỹ (ASHRAE) “ANSI/ASHRAE 228-2033 - Phương pháp tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất công trình cân bằng năng lượng ròng và cac-bon ròng” [15];

Các tập sách Hướng dẫn thiết kế để đạt Zero năng lượng của Hiệp hội ASHRAE cho các thể loại công trình: văn phòng quy mô nhỏ và vừa [16] nhà chung cư [17], trường học [18]; “Hướng dẫn tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà năm 2022 - Bước đầu trung hòa carbon” của Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Nhật Bản [19]; ....

Tại EU [20], công trình cân bằng năng lượng đưa mức tiêu thụ năng lượng về bằng 0 thông qua các tiêu chuẩn xây dựng như: quản lý năng lượng và môi trường, tính bền vững của khu cư dân; áp dụng các giải pháp chủ động và thụ động; phát triển các công nghệ nhiệt, điện kết hợp trong hệ thống tích hợp làm mát, sưởi ấm và điện (CCHP/CHP), có vai trò quan trọng trong việc thực hiện hóa các mức tiết kiệm năng lượng: nZEBs (công trình gần cân bằng năng lượng), Net ZEBs (công trình cân bằng năng lượng ròng), PEBs  (công trình năng lượng dương); đẩy mạnh phát triển các chính sách xanh đối với hộ gia đình thông qua việc ưu đãi, trợ cấp, giáo dục cộng đồng và phát triển các công cụ quản lý.

Bảng 2. Tổng hợp tiêu chí Công trình xanh và ZEB tại Nhật Bản và ASEAN [10].

Cho đến nay, số lượng ZEBs được xây dựng thành công gia tăng đáng kể, đặc biệt tại Hoa Kỳ, các nước EU, Nhật Bản, Hàn Quốc,v.v.  ví dụ như tòa nhà Trung tâm Bullitt (Seatle, Hoa Kỳ), tòa nhà Sustie (Nhật Bản), Văn phòng 550 Spencer (Tây Melbourne, Úc), tòa nhà ZEB+ Building (Singapore).

Hình 1. Số lượng và vị trí phân bổ các dự án  ZEB [27]

Cho dù tiếp cận theo các cấp độ triển khai không giống nhau, các kỹ thuật cơ bản để thực hiện ZEBs đều căn cứ trên ba giải pháp chính: (i) Thiết kế thụ động để giảm tải nhiệt và chiếu sáng nhân tạo của công trình đến mức thấp nhất trong khả năng cho phép; (ii) Thiết kế chủ động với các thiết bị, hệ thống điện - khí hiệu suất cao để giảm nhu cầu sử dụng năng lượng điện của công trình đến mức thấp nhất trong điều kiện cho phép; (iii) Áp dụng kỹ thuật tiên tiến để sản xuất ra năng lượng điện tái tạo từ tài nguyên thiên nhiên, năng lượng điện tái tạo này cân bằng hay lớn hơn so với nhu cầu năng lượng điện của công trình.

2. Giải pháp thiết kế ZEBs - thực trạng và trở ngại trong triển khai tại Việt Nam

2.1. Triển khai thiết kế thụ động cho ZEBs ở Việt Nam

Thiết kế thụ động trong kiến trúc là các giải pháp tối đa hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên tự nhiên như bức xạ mặt trời, gió, chênh lệch nhiệt độ hoặc áp lực giữa không khí trong nhà và ngoài nhà để tạo điều kiện tiện nghi bên trong công trình mà không cần tiêu thụ điện năng.

Áp dụng các chiến lược thiết kế thụ động từ giai đoạn thiết kế ban đầu sẽ giúp giảm nhu cầu năng lượng trong vận hành lâu dài của công trình. Chính vì vậy, nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế thụ động đã được ban hành cũng như các khóa đào tạo đã được triển khai ở trên thế giới để nâng cao năng lực cho các kiến trúc sư, kỹ sư kiến trúc như: các tiêu chuẩn thực hành quốc gia MS 2680:2017 [28]  và MS 1525:2019 [29] của Malaysia; sách “Kiến trúc và thiết kế thụ động” [30], Khóa đào tạo “Kỹ thuật thiết kế thụ động” tại Ấn Độ [31].

Phần lục địa của nước ta trải dài từ vĩ độ 8^oB đến 23^oB, miền Bắc (từ vĩ độ 16^oB trở ra phía Bắc) có khí hậu nhiệt đới ẩm, gió mùa và có mùa đông lạnh, còn miền Nam (từ vĩ độ 16^oB trở vào phía Nam) có khí hậu nhiệt đới ẩm điển hình với nền nhiệt độ cao, được phân chia thành 7 vùng khí hậu xây dựng: I, II, III, IV V, VI, VII theo QCVN 02:2022/BXD.

Từ vùng khí hậu III đến VII, chiến lược thiết kế thụ động chủ yếu là chống nóng, còn đối với vùng khí hậu I và II thì yêu cầu chống nóng và chống lạnh là giống nhau. Một số vùng núi cao ở vùng khí hậu I và II lại phải chú ý chống lạnh hơn chống nóng.

Để đáp ứng với đặc điểm kiến trúc và khí hậu đa dạng, nghiên cứu của nhóm tác giả (PTH Hà, NTK Phương và ĐT Công) đã đề xuất hướng dẫn thực hành thiết kế thụ động với ba dạng công trình: Loại 1- Công trình sử dụng Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khí (HVAC); Loại 2 - Công trình hoàn toàn sử dụng thông gió tự nhiên, và Loại 3 - Công trình sử dụng chế độ hỗn hợp (Bảng 3). 

Bảng 3. Các kỹ thuật thiết kế thụ động nâng cao hiệu quả năng lượng  trong thiết kế ZEBs tại Việt Nam [32]

Hình 2. Minh họa phân khu chức năng trên mặt bằng của nhà văn phòng giúp giảm bức xạ mặt trời hướng Đông và Tây

Hình 3. Tường, sàn, mái, cửa sổ có cấu tạo nhiều lớp, có giá trị U thấp/R cao giúp chống lạnh và chống nóng cho nhà ở miền núi Cao Bằng (Nguồn: Bài tham dự cuộc thi thiết kế công trình cân bằng năng lượng và trung hòa cacbon “Solar Decathlon 2023 Design Challenge” tại Hoa Kỳ của sinh viên ĐH Texas A&M  và ĐH Xây dựng Hà Nội)

Ngày nay, với sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng chuyên dụng và cơ sở dữ liệu thời tiết được cập nhật theo từng giờ trong cả năm, việc đánh giá và lựa chọn giải pháp thiết kế thụ động đã có thể thực hiện không quá khó khăn.

Tuy nhiên, để tiến hành được công việc này, người thiết kế cần có kiến thức nền tảng cơ bản về khí hậu xây dựng, vật lý công trình, thiết kế kiến trúc, khả năng ứng dụng của các phần mềm mô phỏng nhiệt, chiếu sáng, khí động học; cập nhật được các chỉ số đánh giá hiệu quả năng lượng hiện đại.

Các kiến thức này đòi hỏi phương pháp tiếp cận thiết kế tích hợp cũng như cần có sự nỗ lực rất lớn trong đổi mới đào tạo từ các trường đại học về Kiến trúc - Xây dựng để cung cấp đầy đủ kiến thức lý thuyết cũng như thực hành, đáp ứng với nhu cầu phát triển ZEBs.

Đây cũng là những thách thức và khó khăn từ phía đào tạo ảnh hưởng lớn tới chất lượng nguồn nhân lực đáp ứng triển khai thiết kế tại Việt Nam hiện nay [33].

2.2. Triển khai thiết kế chủ động với các hệ thống thiết bị hiệu suất cao, hướng tới ZEBs ở Việt Nam

2.2.1. Hệ thống thiết bị hiệu suất cao

Hệ thống cơ điện trong công trình được biết đến bao gồm điều hòa không khí, hệ thống sưởi, thông gió cơ khí, bơm, thiết bị hệ thống chiếu sáng, thiết bị cung cấp nước nóng và các thiết bị phục vụ khác (thang máy, thang cuốn, v.v) giữ vai trò duy trì và nâng cao tiện nghi sử dụng và chất lượng môi trường bên trong công trình.

Tại Việt Nam, các quy chuẩn, tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống cơ điện đã được ban hành và vận dụng trong quá trình thiết kế như QCVN 12:2014- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về hệ thống điện của nhà ở và công trình; TCVN 9206:2012- Đặt  thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng; TCVN 394:2007- Tiêu chuẩn thiết kế lắp đặt trang thiết bị điện trong công trình xây dựng, TCVN 5687:2010

- Thông gió - Điều hòa không khí - Tiêu chuẩn thiết kế. Đối với các công trình có diện tích sàn  ≥ 2500 m², khi thiết kế, xây dựng hoặc cải tạo cần phải tuân thủ Quy chuẩn QCVN 09:2017/BXD theo các yêu cầu sau:

- Lựa chọn thiết bị có công suất phù hợp với quy mô công trình. Tính toán lựa chọn công suất của  thiết bị đáp ứng yêu cầu công năng và tiêu chuẩn cho phép, tránh gây dư thừa và lãng phí.

- Sử dụng hệ thống áp dụng công nghệ có hiệu suất cao như chiếu sáng hiệu suất cao (LED), máy biến áp hiệu suất cao, thiết bị đun nước nóng.

- Lựa chọn thiết bị có hiệu năng cao thông qua tem dán nhãn năng lượng, mức hiệu quả năng lượng đã được kiểm chứng, áp dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng.

2.2.2. Hệ thống quản lý theo nhu cầu sử dụng 

Việc áp dụng các hệ thống quản lý năng lượng (ESM), hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) thông qua việc giám sát và quản lý toàn bộ hệ thống cơ điện trong một công trình nhằm tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng, tránh thất thoát năng lượng với các chiến lược bao gồm:  

- Giám sát và trực quan hóa dữ liệu tiêu thụ năng lượng trong công trình: các chỉ số sử dụng năng lượng theo quy mô công trình, chi phí và các chỉ số tiêu chuẩn năng lượng được thông báo bằng các hình ảnh trực quan, dễ tiếp cận; qua đó, nâng cao sự nhận thức và giúp thay đổi hành vi của người sử dụng nhằm tiết kiệm năng lượng (Hình 4).

Hình 4. Phần mềm kiểm soát năng lượng và phân tích trực quan EMS (Nguồn Atpro.com.vn)

- Các hệ thống kiểm soát tối ưu hóa sự vận hành dựa trên nhu cầu mức độ thiết bị sử dụng và số người sử dụng công trình,  đồng thời duy trì tiện nghi của môi trường trong nhà như: phân vùng công suất điều hòa dựa trên vùng tập trung đông người, ít người; kiểm soát nhiệt cho hệ thống đun nước nóng; v.v.

- Các hệ thống quản lý tích hợp: các hệ thống tích hợp dữ liệu của các cảm biến giúp tối ưu hóa quá trình vận hành của công trình, duy trì hiệu suất cao và hiệu quả năng lượng (Hình 5).

Hình 5. Cảm biến cho hệ thống chiếu sáng trong công trình (Nguồn Green Viet)

Tuy nhiên, công tác triển khai thiết kế và vận hành hệ thống cơ điện còn chưa hoàn toàn khả thi do vấn đề chi phí, công nghệ và nguồn lực. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thiết bị hiệu suất cao, thiết bị cảm biến, tiết kiệm năng lượng tương đối cao.

Các hệ thống kiểm soát năng lượng còn khá mới mẻ, chưa được áp dụng phổ biến trong quản lý vận hành công trình tại Việt Nam.

Việc áp dụng thiết kế tích hợp chủ động và thụ động ứng dụng công cụ mô phỏng, tính toán thiết bị, năng lượng còn yếu kém dẫn đến quá trình thiết kế còn nhiều bất cập: nhiều công trình xây dựng thiết kế đóng kín, không tận dụng chiếu sáng, thông gió tự nhiên mà thay vào đó sử dụng hoàn toàn bằng hệ thống cơ điện tiêu thụ lượng lớn năng lượng cho vận hành.

2.3. Triển khai năng lượng tái tạo cho ZEBs ở Việt Nam

Công trình cân bằng năng lượng có mục tiêu sử dụng hiệu quả năng lượng kết hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống cung cấp chung, đưa mức tiêu thụ năng lượng của công trình về bằng “0”, hoặc năng lượng dương.

Do đó, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để bù cho nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch là chiến lược quan trọng tiến đến mục tiêu ZEBs.

Tại Việt Nam, năng lượng tái tạo chỉ thực sự phát triển trong mấy năm gần đây kể từ khi có Quy hoạch điện VII điều chỉnh (tại Quyết định số 428/QĐ-TTg, ngày 18/3/2016) và gần đây là Quyết định 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2023 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 - gọi là Quy hoạch điện VIII [35].

Đối với chuyển đổi năng lượng công bằng, Quy hoạch điện VIII  đã đặt mục tiêu tăng cường phát triển các nguồn năng lượng tái tạo với tỷ lệ khoảng 30,9-39,2% trong hệ thống điện vào năm 2030; hướng đến đạt tỷ lệ năng lượng tái tạo đến 47% với các điều kiện cam kết theo Tuyên bố chính trị thiết lập Quan hệ đối tác chuyển đổi năng lượng công bằng với Việt Nam (JETP).

Đến năm 2050, định hướng tỷ lệ nguồn điện từ năng lượng tái tạo trong hệ thống là 67,5-71,5%.

2.3.1. Điện mặt trời cho công trình xây dựng

Việt Nam là nước có nhiều lợi thế về tiềm năng bức xạ mặt trời, rất thuận lợi để áp dụng công nghệ quang điện, điện mặt trời cho mục tiêu phát triển ZEBs.

Về điều kiện khí hậu, số giờ nắng tại Việt Nam trung bình có tổng bức xạ năng lượng mặt trời vào khoảng 5 kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam và khoảng 4 kW/h/m²/ngày ở các tỉnh miền Bắc. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1.500 - 1.700 giờ và từ miền Trung trở vào khoảng 2.000 - 2.600 giờ (QCVN 02:2022/BXD).

Khả năng ứng dụng điện năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu, điển hình như Nhóm tác giả Trịnh Thị Tuyết Dung và Trần Minh [36] đã xây dựng cơ sở lý thuyết để triển khai các nghiên cứu thực nghiệm về năng lượng mặt trời cấp hộ gia đình tại Việt Nam.

Tuy nhiên, khả năng phát triển dự án điện mặt trời cho các công trình xây dựng còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ và cơ chế chính về giá thành, chính sách thuế, quy hoạch, kế hoạch phát triển; khả năng rủi ro trong huy động vốn vay, mức lãi suất, tỷ giá trao đổi ngoại tệ. Bên cạnh đó, hiện trạng cơ sở hạ tầng ngành điện chưa phát triển tương xứng với tiềm năng của điện mặt trời, gia tăng áp lực lên hệ thống lưới điện và tiềm ẩn nhiều rủi ro.

2.3.2. Năng lượng gió cho công trình xây dựng

Trong các năng lượng tái tạo thay thế, năng lượng gió cũng đóng vai trò quan trọng và phù hợp  về mặt kỹ thuật để triển khai rộng trong lĩnh vực xây dựng với chi phí sản xuất cạnh tranh, từ 4÷8 US cent/kWh so với 50÷100 US cent/kWh đối với quang điện mặt trời và 12÷30 US cent/kWh đối với nhiệt điện mặt trời [37].

Khai thác năng lượng gió ít sử dụng đến diện tích đất. Việt Nam được cho là có tiềm năng tốt về năng lượng gió. Bản đồ tiềm năng gió đã được lập bởi World Bank (Global Wind Atlas) cập nhật cho tới năm 2023 có thể sử dụng cho phân tích sơ bộ tiềm năng khai thác điện gió tại từng thành phố. 

Về khả năng ứng dụng điện gió cho công trình xây dựng, mỗi dạng đô thị sẽ có đặc trưng của địa hình tức là luồng gió giảm và phức tạp hơn so với không gian trống nhưng tốc độ gió đô thị tăng lên khi càng lên cao.

Một số ứng dụng dạng tua-bin gió như: tua-bin tích hợp trong các công trình, tua-bin nhỏ trên các công trình hiện hữu và tua-bin đứng tự do ở các khu vực công cộng. Tua-bin gió tích hợp là hợp lý nhất cho các công trình cao tầng, vì đạt được chiều cao tới các lớp có vận tốc gió cao, đây cũng là giải pháp thay thế ngày càng phổ biến cho các công trình thương mại, chung cư. 

Thách thức lớn nhất của lĩnh vực khai thác năng lượng gió phải đối mặt là sự chấp nhận và tin tưởng của người dân vào công nghệ và sự an toàn về kết cấu, đồng thời cơ sở nghiên cứu toàn diện trong lĩnh vực khí động học đô thị và đánh giá tài nguyên gió, nhằm tối ưu hóa việc tạo và sử dụng gió đô thị ở Việt Nam còn rất thiếu.

Hình 6. Dự án tua-bin điện gió tại khu công nghiệp DEEP C Hải Phòng II (Nguồn https://www.deepc.vn)

Hình 7. Các tấm pin năng lượng mặt trời tại Công ty TNHH CJ Foods Việt Nam, Bà Rịa Vũng Tàu (Nguồn Báo Nhân dân)

3. Kinh nghiệm trong thiết kế ZEBs tại nhật bản, bài học và cơ hội triển khai thiết kế ZEBs cho Việt Nam  

Nhật Bản là quốc gia đi đầu, có nhiều thành tự nổi bật trong an ninh năng lượng và phát triển công trình xanh, công trình hiệu quả năng lượng ở châu Á, đã xây dựng thành công các tiêu chuẩn, quy chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật ZEBs.

Nhật Bản có nhiều đặc điểm về văn hóa và điều kiện tự nhiên tương đồng với Việt Nam. Đất nước Nhật Bản trải dài, có nhiều vùng khí hậu từ lạnh đến ấm ẩm với 8 vùng khí hậu xây dựng.

Hiện nay, chính phủ Nhật Bản đang hỗ trợ các nước ASEAN: Malaysia, Philippine và Singapore phát triển ZEBs và kiến tạo cộng đồng mạng lưới ZEBs tại châu Á. Chính vì vậy, nhóm tác giả đã lựa chọn Nhật Bản để nghiên cứu điển hình, phân tích kinh nghiệm triển khai ZEBs.

3.1. Kinh nghiệm trong thiết kế ZEBs tại Nhật Bản

3.1.1. Tiếp cận lý thuyết

Ở Nhật Bản, công trình xanh, công trình hiệu quả năng lượng đã được phát triển vào những năm thập niên 90 của thế kỷ 20, đến năm 2015, ZEBs bắt đầu được nghiên cứu triển khai.

Để có thể hiện thực ZEBs trong thực tiễn, Nhật Bản đã đưa ra khái niệm “Họ ZEB” (ZEB Family): ở bước đầu tiên là công trình “Sẵn sàng cho ZEB” (ZEB Ready) - hướng đến các công trình sử dụng năng lượng siêu thấp (tiết kiệm năng lượng > 50% so với mức tiêu thụ năng lượng tham chiếu), bước tiếp theo là công trình “Gần đạt ZEB” (Nerly ZEB) - công trình tiết kiệm năng lượng > 75% so với mức tiêu thụ năng lượng tham chiếu, và mức cao nhất là “Công trình (net) ZEB”, đạt tiết kiệm năng lượng ròng ≥ 100% (năng lượng tái tạo cân bằng hoặc cao hơn mức tiêu thụ năng lượng tham chiếu). Nhờ đó có thể tăng tốc độ phổ cập ZEBs và đạt mục tiêu thực hiện ZEBs ở mức trung bình cho các công trình công và tư nhân xây mới vào năm 2030.

 

Hình 8. Các bước hiện thức hóa ZEB của Nhật Bản (Nguồn Japanese Business Alltance for Smart Energy Worldwide)

Phương pháp luận của Tiêu chuẩn ISO/TS 23764 để đạt công trình phi nhà ở cân bằng năng lượng theo từng bước gồm 6 yếu tố chính:

(1) Ở giai đoạn lập kế hoạch, cần có chính sách rõ ràng để đạt được ZEB theo 03 bước, Sẵn sàng cho ZEB → Gần đạt ZEB → (net) ZEB, tức là không đạt (net) ZEB chỉ bằng 01 bước. Các công trình “Sẵn sàng cho ZEB” có thể được thiết kế, xây dựng và vận hành không chỉ với các công nghệ tiên tiến mà còn sử dụng các vật liệu/thiết bị hiện có, và có thể đo lường, thẩm tra và quản lý. Công trình “Sẵn sàng cho ZEB” có thể áp dụng không chỉ ở các nước phát triển mà cả ở các nền kinh tế mới nổi.

(2) Ở giai đoạn thiết kế, cần lựa chọn các vật liệu và thiết bị phù hợp, đã được cấp chứng nhận theo tiêu chuẩn trong nước hoặc tiêu chuẩn quốc tế, càng nhiều càng tốt.

(3) Trong quá trình thi công, phải thi công các vật liệu và lắp đặt các thiết bị đã chọn đúng theo bản vẽ và thông số kỹ thuật.

(4) Sau khi xây dựng xong công trình, cần triển khai mục tiêu đạt mức tiêu thụ năng lượng đã được xác định ở giai đoạn thiết kế.

(5) Sau khi công trình bắt đầu vận hành, liên tục kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng thực tế (thời điểm thích hợp là trước 01 năm) xem có sự khác biệt nào giữa mức tiêu thụ năng lượng trong mục tiêu ở giai đoạn thiết kế và thực tế đo được khi vận hành để đưa ra các biện pháp điều chỉnh.

(6) Sau khi hoàn thành các bước, định kỳ tính toán mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp bằng phần mềm mô phỏng (nếu có thể).

Chính phủ Nhật Bản đã xây dựng kế hoạch cụ thể và chi tiết về phát triển “Họ ZEB” và quyết tâm thực hiện kế hoạch đã được thiết lập. Theo kế hoạch, giai đoạn ban đầu là tập trung vào áp dụng bắt buộc các tiêu chuẩn, quy định về ZEBs với các công trình xây dựng có quy mô rất lớn (có tổng diện tích sàn ≥ 10.000 m²), bởi vì tuy rằng số lượng các công trình có quy mô lớn này chỉ chiếm khoảng 1% trong tổng số các công trình xây mới, nhưng lượng tiêu thụ năng lượng hàng năm của chúng rất lớn, chiếm đến 36% tổng tiêu thụ năng lượng của ngành xây dựng ở Nhật Bản.

Theo kế hoạch, đến năm 2025, tất cả các loại công trình thương mại, công trình công cộng và nhà ở xây mới  đều phải tuân thủ quy định bắt buộc áp dụng ZEBs; đến năm 2030 phát triển ZEBs ở Nhật Bản phải đạt được mục tiêu đóng góp vào giảm tổng lượng năng lượng tiêu thụ của Quốc gia khoảng 62 triệu kJ [38].

3.1.2. Tiếp cận thực hành

Chính phủ Nhật Bản tập trung vào các chính sách đào tạo, khuyến khích phát triển ZEBs như sau: 

(1) Nâng cao hiểu biết và nhận thức của các bên liên quan (doanh nghiệp đầu tư, công ty thiết kế, công ty tư vấn) chính xác về lợi ích của ZEBs mang lại. 

(2) Đánh giá, thẩm định và cấp chứng nhận cho các công trình đạt chuẩn ZEBs, tăng tính nhận diện để nâng cao nhận thức về ZEBs.

(3) Khuyến khích và thuyết phục các nhà đầu tư về ZEBs thông qua Giải thưởng tiết kiệm năng lượng, chia sẻ và tích lũy kiến thức.

(4) Xây dựng năng lực cho các kiến trúc sư, kỹ sư ngành Xây dựng và các ngành có liên quan thông qua các tài liệu thiết kế, tài liệu giới thiệu ZEBs.

3.1.3. Tiếp cận các giải pháp kỹ thuật công nghệ

Nhật Bản được thực hiện ZEBs tốt nhờ xác định chính xác ba vấn đề chính về kỹ thuật cần đổi mới sáng tạo để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của công trình là [38]:  

(i) Lĩnh vực liên quan đến quy hoạch và kiến trúc, lựa chọn hình khối, bố trí mặt bằng công năng và tổ chức không gian hợp lý, phương thức xây dựng, lựa chọn vật liệu xây dựng lớp vỏ công trình v.v... - Thiết kế thụ động;

(ii) Các lĩnh vực liên quan đến hiệu quả sử dụng năng lượng của các hệ thống thiết bị và phương pháp quản lý vận hành, điều khiển hệ thống thiết bị trong công trình - Thiết kế chủ động;

(iii) Thiết lập và tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo để tạo ra điện năng phục vụ các nhu cầu sử dụng của công trình.

Hình 9. Quy trình đạt chuẩn ZEB của Nhật Bản (Nguồn Sanken-Environmental engineering)

 

 

Hình 10. Ứng dụng kỹ thuật trong thiết kế thụ động cho Trung tâm kỹ thuật TSUKUBA (công trình đạt ZEB)  tại Nhật Bản (Nguồn: skk.jp/en/zeb )

3.2. Bài học và cơ hội triển khai thiết kế ZEBs cho Việt Nam 

Công trình xây dựng đạt ZEBs phải đối mặt với có rất nhiều khó khăn về tài chính hoặc kỹ thuật công nghệ để thực hiện hóa mục tiêu trong một bước. Để đạt được mục tiêu ZEBs, phương pháp tiếp cận theo “Họ ZEB”, chia nhỏ các giai đoạn để hiện thực hóa với hỗ trợ các bên liên quan, giúp dễ dàng xây dựng chiến lược, kiểm soát, điều chỉnh phù hợp và hiệu quả.

Ngoài ra, Việt Nam với lợi thế tiềm năng về các nguồn năng lượng tái tạo, mô hình công trình kết hợp thiết kế thụ động và thiết kế chủ động với hệ thống thiết bị hiệu suất cao, quản lý theo nhu cầu sử dụng, tận dụng năng lượng tái tạo từ nguồn năng lượng sạch có thể đạt mức (net) ZEB hoặc cao hơn là năng lượng dương.

Gần đây, nghiên cứu cụ thể mô hình Tòa nhà văn phòng ZEB được xây dựng với điều kiện khí hậu Việt Nam của tác giả Nguyễn Anh Tuấn [39] cho thấy, nếu tận dụng tối đa các chiến lược thiết kế thụ động, kết hợp sử dụng thiết bị hiệu suất cao và điều khiển theo nhu cầu sử dụng, tận dụng năng lượng được sản xuất từ các tấm pin mặt trời có thể tạo ra tòa nhà năng lượng dương (+ 1,51 kWh/(m².năm)). Các điều kiện mô phỏng được cho ở Bảng 4.

Bảng 4. Các giải pháp kỹ thuật và cài đặt sử dụng trong mô hình Tòa nhà văn phòng ZEB thiết kế thực hiện bởi tác giả Nguyễn Anh Tuấn và cộng sự cho điều kiện Việt Nam  [39]        

Hình 11. Ứng dụng kỹ thuật công nghệ tiên tiến trong thiết kế chủ động tích hợp thụ động cho Trung tâm kỹ thuật TSUKUBA (công trình đạt ZEB) tại Nhật Bản (Nguồn: skk.jp/Sustainability)

Việt Nam sẽ có những thuận lợi và cơ hội triển khai ZEBs trên quy mô lớn để đáp ứng cam kết mạnh mẽ của Chính phủ Việt Nam tại COP26 về tăng cường hợp tác Quốc tế chuyển giao công nghệ và nâng cao năng lực thực hiện Công trình hiệu quả năng lượng giảm phát thải khí nhà kính, ứng phó Biến đổi khí hậu.

Các cơ sở hoàn thiện hành lang pháp lý về quy định Tài chính khí hậu; Tận dụng lợi thế về năng lượng tái tạo; Phát triển khoa học công nghệ dựa trên Quyết định 280/QĐ-TTg ngày 13/ 3/ 2019 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019 - 2030, Luật sử dụng năng lượng hiệu quả (2010), Luật xây dựng sửa đổi (2020), Luật bảo vệ môi trường (2020).

Trong thời gian tới, sự cần thiết phối hợp chặt chẽ giữa các nhà chuyên môn và các Bộ, Ban ngành liên quan, các chuyên gia và các tổ chức Quốc tế trong việc thiết lập Kế hoạch cũng như Lộ trình phát triển toàn diện (bao gồm cả kỹ thuật và các hỗ trợ pháp lý, lý thuyết, thực hành) cho triển khai ZEBs đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050, tương tự như kế hoạch phát triển ZEBs của Nhật Bản. 

4. Kết luận

Phát triển ZEBs là một trong những chiến lược quan trọng nhằm đáp ứng và thích nghi với bối cảnh chung của toàn thế giới nói chung và khu vực châu Á nói riêng. Theo dự tính, tiêu thụ năng lượng châu Á sẽ chiếm 50% vào năm 2030, trong đó lĩnh vực xây dựng chiếm 30-40%, vì vậy phát triển ZEBs sẽ góp phần giải quyết các vấn đề năng lượng đang thiếu hụt và giảm thiểu phát thải khí nhà kính của ngành Xây dựng.

Tiếp thu bài học thực tiễn tại Nhật Bản đã cho thấy sự khả thi và khả năng thiết kế công trình đạt ZEBs hiệu suất cao với mục tiêu về mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp vào khoảng 100kWh/m²/năm cho công trình xây dựng ở Nhật Bản khi tập trung vào ba chiến lược chính với thứ tự ưu tiên: Thiết kế thụ động, Thiết kế chủ động và Triển khai sử dụng năng lượng tái tạo. 

Với tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo lớn, phát triển ZEBs ở Việt Nam hoàn toàn có khả năng đạt mức năng lượng dương nếu được thiết kế kết hợp tốt các giải pháp thụ động, chủ động với các thiết bị hiệu suất cao.

Các chiến lược giảm ẩm và điều tiết giảm nhiệt độ ngoài nhà là những biện pháp hiệu quả cần được ưu tiên. Một số nhiệm vụ cần tiếp tục hoàn thiện là ban hành các chính sách ưu đãi, khuyến khích của nhà nước cho các công trình xây mới đáp ứng được tiêu chuẩn ZEBs, chính sách thúc đẩy năng lượng tái tạo trong ngành Xây dựng, hoàn thiện các cơ sở dữ liệu kỹ thuật, nâng cao năng lực cho các bên liên quan thông qua chương trình đào tạo, tài liệu hướng dẫn, thay đổi nhận thức và phát triển kỹ thuật về ZEBs cho các kiến trúc sư, kỹ sư nói chung và giáo dục kiến thức trong các cơ sở đào tạo về thiết kế xây dựng công trình tại Việt Nam.

Phạm Thị Hải Hà*, Nguyễn Công Thịnh**, Nguyễn Thị Khánh Phương*, Đỗ Hải Hưng***

*Khoa Kiến trúc và quy hoạch, Trường ĐH Xây dựng Hà Nội;

**Vụ Khoa học công nghệ và môi trường, BXD

***Công ty CP Tư vấn đầu tư và xây dựng X&D 

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[18] Achieving Zero Energy: Advanced Energy Design Guide for K-12 School Buidings, 2022. 
[17] Achieving Zero Energy: Advanced Energy Design Guide for Multifamily Buildings, 2022. 
[16] Achieving Zero Energy: Advanced Energy Design Guide for Small to Medium Office Buidings, 2019. 
[20] Adrian Pugsley, Aggelos Zacharopoulos, Daniel Chemisana, Polygeneration systems in buidings, 2021. 
[13] Adrian Pugsley, Daniel Chemisana, Polygeneration Systems, 2022. 
[12] Ban quản lý dự án EECB, Báo cáo kết quả thực hiện dự án “Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các tòa nhà thương mạ và chung cư cao tầng tại Việt Nam”, 2021.
[1] Buildings, Common Definition for Zero Energy, US.DOE, 2015. 
[21] CASBEE for Building: New Construction 2016 Edition, Japan Sustainable Building Consortium. 
[34] Chan, T. N., Thi Hai Ha, P., & Phuong, N. T. K., Method of calculating solar heat transmitted through shaded windows for OTTV in consideration of diffuse radiation diminished, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 2023, 22(2), 945-960. 
[6] Commission Recommendation(EU). Guidelines for thepromotion of nearlyzero-energy buildings and best practices to ensure that, by 2020, all new buildings are nearly zero-energy buildings, 2016. 
[31] cseindia.org, Passive Design Techniques. Centre for Science and Environment. 
[5] Directive (EU) 2018/844 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency (Text with EEA relevance). 
[7] EFD (Energy, Fuels& decarbonization expo), Driving the future of sustainable energy solutions, together. 
[37] Fend, T., Hoffschmidt, B., Pitz-Paal, R., Reutter, O., & Rietbrock, P., Porous materials as open volumetric solar receivers: experimental determination of thermophysical and heat transfer properties. Energy, 2004, 29(5-6), 823-833. 
[8] Global Status Report for Building and Construction, UN Environment Programme, 2019.
[9] Global Status Report for Buildings and Construction, UN Environment Programme, 2020. 
[23] GREEN MARK 2021, Building and Construction Authority, Singapore.
[25] GREENBUILDINGINDEX SDN BHD: Green Building Index for NRNC, Malaysia, 2009. 
[26] GREENSHIP 2013, Green Building Council Indonesia.
[32] Hà, P.T.H, Phương, N.T.K, Công, Đ.T, Hướng dẫn thực hành thiết kế thụ động đối với kiến trúc nhiệt đới Việt Nam, Tạp chí khoa học Công nghệ Xây dựng, Tập 16 số 4V, 2022.
[33] Hà, P.T.H, Phương.N.T.K, Bình, P.T.B, Hoa, N.T, Mở ngành "công nghệ kỹ thuật kiến trúc" là cơ hội và thách thức trong bối cảnh phát triển xây dựng bền vững tại Việt Nam, Tạp chí Xây dựng, 2023.
[14] https://globalabc.org. 
[38] Manabu Narimatsu, Cập nhật về tình hình và chính sách- Hội thảo chia sẻ kinh nghiệm phát triển và thực tiễn triển khai ZEBs tại Nhật Bản và khuyến nghị cho Việt Nam, 2023.
[10] Masayuki Ichinose, Hội thảo Chia sẻ Kinh nghiệm phát triển và thực tiễn triển khai ZEBs tại Nhật Bản và Khuyến nghị cho Việt Nam, 2023. 
[27] Masayuki Ichinose, ZEB cho Công trình Trung hòa Carbon, 2023.
[29] MS 1525:2109 Standard, Energy efficiency and use of renewable energy for non-residential buildings.
[28] MS 2680:2017 Standard, Energy efficiency and use of renewable energy for residential buildings - Code of practice. Department of Standards Malaysia.
[15] Nearly Zero Energy Building Standard, www.sciencedirect.com. 
[39] Nguyễn Anh Tuấn, Phan Hạnh Liên, Tính khả thi của văn phòng theo mô hình Zero năng lượng ở Việt Nam, Tạp chí kiến trúc, số 12-2022, 2023.
[30] O’connor, J. M, Architecture & Passive Design, Design Media Publishing (UK) Limited, 2015. 
[24] Thai’s Rating off Energy and Enviromental Sustainability 2017, Thai green Building Institute.
[2] The Council of the Euroup Communities, Council Directive 93/76/EEC of 13 September 1993 to limit carbon dioxide emission by improving energy efficiency (SAVE).
[19] The Energy Conservation Center, Japan; First Step for Carbon Neutrality, Energy Conservation Guidebook for Buildings 2022.
[4] The European Parlianment and the Council of the European Union, Directive 2010/31/EU of the European Parlianment and of the Council off 19 May 2010 on the Energy Performance off Buildings (recast).
[3] The Euroupean Parliament and the Council of the European Unnion, Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the Energy Performance of Buildings.
[11] Thinh, N. C, Luong, N. D, Solutions for promoting green building development: Experiencesfrom other countries and recommendations for Viet Nam.Vietnam Journal of Construction, 2022, 9:64–69.
[35] Toàn văn Quyết định 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2003 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050.
[36] Trịnh Thị Tuyết Dung, Trần Minh, Một số vấn đề cơ bản về việc sử dụng năng lượng mặt trời cấp hộ gia đình, Tạp chí Phát triển bền vững Vùng, 2019, tập số 2, pp. tr. 14-27.
[22] ZEB Portal/Definition of ZEB Ministry off the Environment, Japan.