Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại Việt Nam

MTXD - Một công trình hiệu quả năng lượng được bắt nguồn từ chiến lược về hướng và hình dáng tòa nhà. Tiếp theo là thiết kế lớp vỏ công trình bao gồm. Kết cấu che nắng, các cửa sổ kính có hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC), các lớp cách nhiệt (bằng cách sử dụng lớp đệm kín không khí) và các bức tường là nơi truyền tải nhiệt nội bộ, nếu không được kiểm soát tốt thì sẽ không hiệu quả về năng lượng.

Kiến trúc mặt đứng xanh cho công trình. (Ảnh minh họa- Internet)

1. Tổng quan

Vỏ bao che tòa nhà là giao diện giữa bên trong của tòa nhà và môi trường bên ngoài, bao gồm các bức tường, mái nhà, và nền móng – có chức năng như một rào cản nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng năng lượng cần thiết để duy trì môi trường thoải mái trong nhà so với môi trường bên ngoài.

Phần vỏ của tòa nhà không những ảnh hưởng đến hình dáng mà còn tác động đến khả năng sử dụng, độ bền, an toàn tính mạng và tài sản của người sử dụng Ngoài ra, phần vỏ bao che của tòa nhà thông thường và đôi khi thậm chí là bắt buộc là nơi đảm nhiệm chức năng lắp đặt các thiết bị liên quan đến sử dụng và tiết kiệm năng lượng.

Dù là loại kết cấu nào và hình thức ra sao thì vỏ bao che tòa nhà vẫn gồm các chức năng chính như sau. Chịu lực (chống đỡ và chịu lực), kiểm soát (dòng chảy vật chất và các dạng năng lượng), an toàn (chống lại các tác động bất lợi từ bên ngoài), thẩm mỹ (đáp ứng mong muốn của con người cả bên trong và bên ngoài).

Qua khảo sát, đánh giá thực tiễn thiết kế và xây dựng công trình cho thấy. Tất cả các thành phần phần vỏ của công trình đều có ảnh hưởng nhất định đến việc sử dụng năng lượng chính của các tòa nhà.

Một công trình hiệu quả năng lượng được bắt nguồn từ chiến lược về hướng và hình dáng tòa nhà. Tiếp theo là thiết kế lớp vỏ công trình bao gồm. Kết cấu che nắng, các cửa sổ kính có hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC), các lớp cách nhiệt (bằng cách sử dụng lớp đệm kín không khí) và các bức tường là nơi truyền tải nhiệt nội bộ, nếu không được kiểm soát tốt thì sẽ không hiệu quả về năng lượng.

Thí nghiệm về ảnh hưởng sự truyền nhiệt cho các bức tưởng khi độ dày lớp cách nhiệt của tưởng bao ngoài là 0 mm thì nhiệt độ bên ngoài gần bằng nhiệt độ bên trong, 50 mm thì nhiệt độ bên ngoài cao hơn nhiệt độ bên trong 4°C (đối với vùng khí hậu nhiệt đới như Việt Nam).

Ngày nay, xu hướng tăng cường sử dụng kính cho bề mặt tòa nhà “trong suốt” làm tăng sức làm mát đáng kể trong các tòa nhà Việc lựa chọn kính cho phù hợp mà không ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng cũng như tầm nhìn và tiện nghỉ nhiệt của các tòa nhà. Cần hiểu rõ các mối quan hệ giữa hap thu nhiệt mặt trời và lấy ánh sáng tự nhiên.

Trong đó hướng và diện tích cửa sổ cũng phải được kiểm soát để tận dụng ánh sáng ban ngày, kết cấu che nặng bên trong và bên ngoài cũng như loại khung và kính cũng cần được tính toán để có thể kiểm soát năng lượng sử dụng, cũng như độ chói, tầm nhìn thông qua hệ số xuyên ánh sáng của kính (VLT) hệ số hấp thu nhiệt của kính (SHGC), hệ số chế năng (SC), hệ số phản xạ ánh sáng (VLR).

Theo kết quả mô phỏng thì ban ngày nhiệt hấp thụ qua kinh một lớp cao hơn so với kính hai lớp do hệ số SHGC cao hơn. Ban đêm không có bức xạ nhiệt mặt trời, và nhiệt độ bên ngoài tháp hơn nhiệt toả ra khỏi công trình qua các khu vực lắp kính vì giá trị U cao.

Mặt khác, để tận dụng ánh sáng tự nhiên, cần thiết kế tốt hệ thống chiếu sáng tự nhiên ở các vùng khí hậu nhiệt đới để giảm thiểu hấp thụ nhiệt mặt trời, ngăn ánh sáng chói.

Việt Nam là nước nhiệt đới nóng ẩm, nằm trong giải phân bố ánh nắng mặt trời nhiều nhất trên thế giới. Thiết kế lớp vỏ công trình hiệu quả năng lượng chính là xu hướng phát triển tất yếu của thời đại, mang lại lợi ích to lớn và lâu dài về kinh tế, xã hội và môi trường.

Văn phòng cao tầng là một bộ phận đáng kể và ngày càng đóng vai trò quan trọng của kiến trúc cao tầng trong không gian đô thị. Xu hướng “văn phòng tập trung” đang trở nên phổ biến trong quy hoạch hiện đại không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng không gian trung tâm của đô thị, mà còn góp phần giải phóng không gian mặt đất cho cây xanh, mặt nước và không gian trống. Văn phòng cao tầng càng trở nên quan trọng trong các dự án phát triển đô thị với yêu cầu đầu tư có hiệu quả.

Các thành phố lớn của Việt Nam bắt đầu phát triển kiến trúc cao tầng muộn hơn so với thế giới hàng trăm năm, nhưng lại có cơ hội phát triển nhanh hơn, nhờ các dự án đầu tư và những kinh nghiệm có được từ các dự án đầu tư đó.

Giải pháp thiết kế văn phòng cao tầng hiện nay ở Việt Nam đã có những biến đổi nhất định trong cả Quy hoạch và kiến trúc:

- Về quy hoạch

Văn phòng cao tầng trong không gian đô thị, hoặc nằm trong tổng thể của Quy hoạch một khu đô thị mới, hoặc được xây chen trong một khu ở cũ, đã định hình Trong cả hai trường hợp, việc sắp xếp vị trí và xác định kiểu dáng kiến trúc đã có những cải thiện nhất định, đặc biệt về mặt hình thức, và sự tạo dựng hình ảnh đô thị. Tuy nhiên, sự quan tâm tới yếu tố thích ứng khí hậu trong tổ chức quy hoạch và kiến trúc cao tầng nhìn chung vẫn chưa được chủ trọng.

- Về kiến trúc

Văn phòng cao tầng có sự đa dạng về kiểu dáng và hình khối, tuy nhiên dạng điểm – tháp được quan tâm nhiều hơn. Những khối nhà vuông vức vươn cao này đã có những cải tiến về mặt kỹ thuật và công nghệ, cũng như sang tạo về mặt công năng và hình thức. Nhưng sự thích ứng với khí hậu nhiệt đới thì chưa được quan tầm nhiều.

Giải pháp kiến trúc được sử dụng phổ biến vẫn là dùng nhiều vật liệu kinh cho lớp vỏ công trình, trong đỏ gần như chỉ có một lớp kính đơn, thiếu các thành phản hỗ trợ khác để hạn chế những bất lợi của vật liệu này, dẫn đến thực trạng đảng buồn là các công trình đều phải sử dụng các giải pháp chủ động và cơ khi để đàm bảo điều kiện làm việc và sinh hoạt bên trong.

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 (đặc biệt là vẫn còn sư dụng các loại kính có cấu tạo, màu sắc và khả năng cách nhiệt không phù hợp), vật liệu, trang thiết bị chủ yếu đáp ứng yêu cầu chức năng, tham mỹ mà bỏ qua yếu t hiệu quả năng lượng. Khảo sát cho thay “98% tòa nhà xây trong năm năm trở lại đây không có cách nhiệt, 75% sử dụng một lớp kính, 41% có tỷ lệ kinh trên tưởng 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.

Có thể thay răng càng ngày lớp vỏ bao che càng bị bỏ qua các yêu cầu chức năng. Kết quả là Các không gian bên trong công trình rất dễ bị “tổn thương bởi những tác động của khí hậu bên ngoài và can thiết phải sử dụng những giải pháp chủ động 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 và nếu không sử dụng những giải pháp trên thì công trình hầu như không thể sử dụng được. Có thể nói, vỏ nhà chưa đảm bảo được chức năng cơ bản cần có và chưa tạo được điều kiện vi khí hậu tiện nghi. 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.

Ảnh Internet

IL Giải pháp đề xuất

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 năng, hưởng gió và giải pháp xử lý lớp vỏ bao che phù hợp. Bức xạ mặt trời theo các hướng tác động lên công trình hoàn toàn khác nhau, vậy nhưng nhiều công trình lại có lớp vỏ bao che đồng nhất, điều đó cho thấy sự bất hợp lý trong thiết kế.

2. Lựa chọn hình khối công trình

Nguyên tắc lựa chọn hình khối nếu không có lý do đặc biệt, công trình càng đơn giản về hình khối sẽ càng hiệu quả về năng lượng. Với cùng một khối tích công trình sẽ có thể có nhiều hình dạng khác nhau nên diện tích bề mặt cũng chênh lệch như các nghiên cứu đo đạc đã cho thấy. Trong thực tế tỷ số SV (diện tích tường ngoài chia cho khối tích) thường được sử dụng để so sánh tỷ số này càng nhỏ thì càng có lợi về năng lượng vì giảm được diện tích nhận nhiệt bức xạ mặt trời tác động lên bề mặt công trình. Nhằm làm giảm diện tích tường ngoài, các kiến trúc sư cần lựa chọn hình khối và chiều cao hợp lý nhằm giảm tỷ số này, đồng nghĩa với việc giảm diện tích tiếp xúc của công trình với bên ngoài xuống thấp nhưng thể tích không gian lại rộng tối đa. Cách tổ hợp này không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn tiết kiệm đất cũng như hạ tầng kỹ thuật trong các đô thị, tăng diện tích sử dụng, phù hợp với xu thế phát triển xây dựng bền vững (sustainable building) và đô thị nén (compact city ) trong tương lai.

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 bảng 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.

+ Ngoài ra đối với mục tiêu tận dụng tối đa chiếu sáng tự nhiên, chiều sâu của phòng không được lớn hơn hai lần chiều cao thông thủy của tầng). Nếu chiều sâu quá lớn sẽ không đảm bảo lượng ánh sáng cần thiết.

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

4. Cấu tạo lớp vỏ bao che

Lớp vỏ bao che ở đây nên được hiểu là kết cấu bao che nhiều lớp, trong đó có hai lớp rõ rệt đó là lớp “bao” và lớp “che”. Đối với kết cấu bao che cho công trình văn phòng cao tầng, lớp bao sẽ là kính, còn lớp che là các kết cấu che năng ở bên ngoài; và giải pháp cách nhiệt đơn giản và hiệu quả đề xuất chính là lớp không khí năm giữa hai lớp này.

Với kiến trúc văn phòng cao tầng, khi chỉ được bao che bởi lớp vỏ một lớp mỏng manh (thường là kính các loại) mà không hề có thêm lớp vật liệu hỗ trợ nào như hiện nay, việc công trình dễ bị “tổn thương” bởi tác động của khí hậu là điều hiển nhiên. Và cái giá phải trả đó là sự tiêu tốn năng lượng, là chất lượng vi khí hậu không tốt và phải sử dụng nhiều giải pháp chủ động vừa tốn kém vừa ít hiệu quả, nguy hại hơn nữa là có thể ảnh hưởng đến sức khỏe, tâm lý người sử dụng.

Do vậy, cần thiết phải sử dụng thêm lớp vật liệu "che" cho lớp kính bên trong tạo thành kết cấu bao che nhiều lớp, để vẫn có thể thoại mái sử dụng kính cho công trình văn phòng, đồng thời hạn chế tác động của nhiệt vào bên trong, giữa hai lớp này là lớp “cách nhiệt" tự nhiên băng lớp không khí có thể lưu thông.

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

Kết cấu che năng 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.

Nguyên tắc thiết kế kết cấu che năng trong các công trình kiến trúc có hai loại kết cấu che năng cơ bản là Kết cấu che năng kiểu tấm ngang (lam ngang), có chiều dài liên tục, đặt sát mép trên cửa sổ và vuông góc với mặt tường, kết cấu che nắng kiểu tắm đứng (lam đứng), chiều cao liên tục, đặt sát cạnh bên của cửa sổ và vuông góc với bề mặt tưởng. Đối với công trình văn phong cao tầng, với diện tích sử dụng kính là rất lớn và diện cản che chăn cũng vậy, do vậy khái niệm “cửa sổ” được mở rộng ra là toàn bộ diện tường bao che theo các hướng công trình. Với sự phát triển của công nghệ và sự sáng tạo của người thiết kế, ngày nay nhiều công trình có thiết kế bỏ bao che phức hợp với nhiều hình thức, kiểu dáng khác nhau, vừa có tác dụng bảo vệ lớp vỏ, vừa làm tăng thẩm mỹ kiến trúc, sự độc đáo cho công trình.

Thiết kế che nặng, bao che công trình tốt sẽ tạo được bóng râm trên mặt kính, giảm đáng kể nhiệt bức xạ vào công trình, từ đó giảm yêu cầu tải lạnh, tiết kiệm năng lượng.

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

Nguyên tắc lựa chọn và sử dụng vật liệu. Các vật liệu được sử dụng trong công trình nói chung can phải thân thiện với môi trường, không chữa các chất gây hại đến sức khỏe người sử dụng, có năng lượng hàm chứa tháp, 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. Sử dụng vật liệu không nung góp phần bảo vệ môi trường bởi vì nguyên liệu đầu vào của gạch khung nung là xỉ – tro, tức là tận dụng chất thải của ngành công nghiệp luyện kim và các nhà máy nhiệt điện, trộn với một số phụ gia và đem ép thành viên, không phải nung, do đó cũng tiết kiệm một lượng năng lượng khá lớn dưới dạng năng lượng biểu hiện hay còn gọi là năng lượng toàn phản (embodied energy). 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 tổn năng lượng vận chuyển.

Ảnh Internet

7. Sử dụng năng lượng sạch nhằm bổ sung năng lượng tiêu thụ cho việc làm

Đối với quốc gia có tiềm năng về bức xạ mặt trời và số giờ năng 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, với các lý do sau:

+ Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, gần như vô tận và luôn có sẵn tại chỗ để sử dụng.

+ Năng lượng bức xạ mặt trời luôn tỉ lệ thuận với nhiệt độ trong những ngày nóng (thời điểm mà nhu cầu năng lượng dùng cho làm mất là lớn nhất), nên sẽ ra nếu có sự khai thác và bổ sung nguồn này nhằm chia sẽ và giảm tài cho nguồn điện khai thác từ lưới điện quốc gia (trong đó thủy điện chiếm tỉ trọng lớn nhất).

+ Công nghệ pin quang điện hiện nay khá cao về mặt công suất, tạo ra dòng điện ổn định, liên tục, đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp mà không cần phải thông qua hệ thống lưu trữ, từ đó sẽ giảm thiểu tác động đến môi trường trong vòng đời sử dụng. Đặc biệt nhất là giả thành pin quang điện ngày càng rẻ so với tiềm năng năng lượng mà hệ thống này có thể tạo ra.

Mặt khác, giải pháp thiết kế hiệu quả năng lượng cho các công trình nói chung và văn phòng cao tầng nói riêng đóng vai trò rất quan trọng và là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế kế trúc. Ở nước ta, vấn đề này ngày càng được chú trọng và quan tắm, và chắc chắn trong tương lai, hiệu quả năng lượng sẽ là một trong những tiêu chi đầu tiên được xét đến khi xem xét và cấp phép xây dựng công trình.

Do vậy, đề tài này sẽ là tài liệu hữu ích cho kiến trúc sư cũng như các nhà quản lý tham khảo trước và trong quá trình thiết kế, xây dựng công trình. Các giải pháp, các lựa chọn và đề xuất trong bài luận thực sự hiệu quả nếu được nghiên cứu và vận dụng một cách linh hoạt.

PGS TS HOÀNG MẠNH NGUYỄN

TS. LƯƠNG XUÂN HIỂU

(Viện KHCN Đô thị xanh)

Tài liệu tham khảo:

1. Bộ Công thương Việt Nam (2019). Tầm nhìn, Chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh, Website, truy cập ngày 20/12/2021, tại trang https://moit.gov.vn/.

2. TS.KTS Nguyễn Quang Minh (2017), Kiến trúc hiệu quả năng lượng. Tạp chí kiến trúc. số 08-2017

3. Phạm Đức Nguyên, Nguyễn Thu Hòa và Trần Quốc Bảo, Các giải pháp kiển trúc khí hậu Việt Nam, chủ biên, NXB Khoa học và Kỹ thuật (2006).

4. Đức Nguyên Phạm. Kiến trúc xinh khí hậu. Thiết kế sinh khí hậu trong kiến trúc Việt Nam, NXB Khoa học và Kỹ thuật (2008).

5. TS. KTS Lê Thị Bích Thuận. Nghiên cứu mô hình kiến trúc xanh tại Việt Nam nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quá. Báo cáo đề tài NCKH, chủ biên (2009).

6. VNEFP, Một số xu hướng thiết kế lớp và công trình tiết kiệm năng lượng. chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Website, truy cập ngày 06.05/2016, tại trang http://vnccc.gov.vn

7. Nguyễn Quang Minh. Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Kỳ 3, phần l): Cơ sở quy hoạch và kiến trúc, Hội KTSVN, Website, truy cập ngày 07/05/2017.

8. VNEFP Áp dụng quy chuẩn tiết kiệm năng lượng sẽ tiết kiệm được 30%, truy cáp ngày 01/03/2018, tai trang http://tietkiemnangluong.com.vn.

9. ArchDaily, The World's Greenest Commercial Building Opens in Seattle Toky, truy cập ngày 21/12.2020, tại trang httpsli archdaily com.

10. SAMYN and PARTNERS (2014). Head Office of AGC Glass Europe, ArchDaily, Website, truy cập ngày 14/03/2019, https://www.archdaily.com/.

11. Michael Bauer, Peter Mösle & Michael Schwarz, Green building guidebook for sustainable architecture, Springer Science & Business Media (2009). 12 Norbert Lechner, Heating, cooling lighting Sustainable design methods for architects, John Wiley & Sons (2014).