Nhà vách kính lớn- sát thủ năng lượng

MTXD -  Những năm gần đây, việc xây dựng những tòa nhà cao tầng với mảng kính lớn ngày càng trở nên phổ biến. Không thể phủ nhận rằng sự góp mặt của những tòa nhà này đã khiến diện mạo thành phố càng trở nên đẹp đẽ hơn. Nhưng ở góc độ tiết kiệm năng lượng, những tòa nhà này cũng góp phần đáng kể trong việc tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn do đã hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời. Những bức tường kính lớn được xây dựng ở nhiều thành phố có khí hậu nhiệt đới. Xu hướng này không được khuyến khích vì chúng ta biết rằng một tòa nhà lắp kính thực sự có thể bị đốt nóng hơn tòa nhà thông thường vì phải chi phí một lượng lớn điện năng dùng cho hệ thống điều hòa không khí để làm mát. Bài viết này trình bày thông tin về những nhược điểm của các tòa nhà có khu vực lắp kính và đánh giá các không gian trong nhà quá nóng do ánh nắng trực tiếp và thông gió không đúng cách.

Từ khóa: Vi khí hậu trong nhà, kính mảng lớn, Hội chứng bệnh nhà kín, thông gió tự nhiên, chiếu sáng tự nhiên, tiện nghi nhiệt.

Abstract: In recent years, the construction of high-rise buildings with large glass panels has become increasingly popular. It cannot be denied that the presence of these buildings made the appearance of the city even more beautiful. But from an energy saving perspective, these buildings also contribute to the consumption of large amounts of energy by absorbing heat from solar radiation. Large glazed walls are constructed in many City in the Tropical Climate. This is not recommended tendency because we knew that a glazed building can indeed get hot and the air-conditioning system needed to deal with the heat is extremely expensive. This paper present infomations about weakness of Buildings with glazed areas and the evaluation of overheating indoor spaces because of the direct sun and improper ventilation.

Keywords: indoor microclimate, glazed areas, SBS symptoms, natural ventilation, daylighting, thermal comfort.

1.Nhà kính - khởi nguồn của kiến trúc buồng nhiệt

Có thể nói ngày nay những tòa nhà cao tầng với những mảng kính lớn đang làm hỏng đi bộ mặt kiến trúc đô thị, tao ra một nguy cơ là các thành phố đều na ná giống nhau. Cần nhớ rằng nhà kính là sản phẩm của các nước hàn đới dùng để thiết kế phòng ấm, song hiện nay ở nhiều quốc gia nhiệt đới trong đó có cả Việt Nam, trào lưu nhà kính đang trở thành “mốt”, chọn toàn bộ vỏ bao che là những mảng kính lớn và coi đó là biểu tượng của văn minh kỹ thuật mà không biết rằng những công trình có tấm kính lớn đang gây lãng phí lớn về năng lượng và phá hoại môi trường.

Hình 1. Kiến trúc vách kính diện tích lớn đang là một trào lưu ở cả các nước nhiệt đới

Cư dân của các vùng khí hậu hàn đới từ lâu đã biết tác dụng bảo ôn của kín, vì vậy tại thời kỳ trung thế kỷ, rất nhiều các phòng nhiệt bằng kính đã được thiết kế để trồng hoa , cây cảnh. Vào thế kỷ 16 người Hà Lan bắt đầu xây dựng các nhà kính để trồng hoa và dần dà trở thành phổ cập ở lục địa Âu-Mĩ. Sang thế kỷ 17 là thời kỳ chủ nghĩa thực dân, một số cường quốc Âu Mĩ đi xâm chiếm các nước nhiệt đới Á-Phi, rất nhiều người có thế lực và có tiền đã muốn đem các cây cỏ vùng nhiệt đới về trồng ở hàn đới phương Bắc với ý đồ khoe khoang sức mạnh và tiền của. Chính vì vậy mà đến thé kỷ 18 trong xã hội thượng lưu Âu Mĩ thịnh hành xu hướng thiết kế phòng nhiệt. Có người thiết kế phòng nhiệt bên cạnh một khách sạn sang trọng, có người lại xây cả một tòa nhà lớn như công viên thực vật. Việc xây dựng phòng nhiệt phổ biến ở thế kỷ 18 trong lịch sử kiến trúc thường được gọi là “ thời đại phòng nhiệt” ( Age of Greenhouse ).

Để có thể trồng được những cây lớn như cây chuối, cọ, dừa... và thế kỷ 17 người Pháp đã phát minh ra cách chế tạo những tấm kính có diện tích lớn. Đồng thời kết hợp với những kết cấu thép cỡ lớn, các quốc gia Âu Mĩ đã cho ra đời hàng loạt những tòa nhà kính đồ sộ. Thậm chí năm 1851 tại triển lãm Quốc tế ở Luân Đôn đã xây dựng một tòa nhà kính gọi là Thủy tinh cung chiều dài 1848 thước Anh (563m), chiều rộng 408 thước Anh (125m), bước cột 24x18 thước Anh.

Hình 2. Thủy tinh cung ở Luân Đôn năm 1851

Thủy tinh cung là công trình sang trọng lần đầu tiên sử dụng kết cấu thép và kính để xây dựng phòng nhiệt và đã từng được gọi là “khởi điểm của kiến trúc cận đại”. Chính vì lí do này mà lúc đầu kết cấu kính thép chỉ dùng để xây phòng nhiệt thì ngay sau đó đã dần dần trở thành một trào lưu chính thức trong kiến trúc công cộng, thậm chí trong thời kỳ cận đại đã phát triển hình thức cấu tạo kết cấu bao che toàn bằng kính. Có nhiều nhà kính còn phun thêm hơi ẩm bên trong để tạo ra những cơn “mưa rừng nhiệt đới” , những công trình này thực sự đã phản sinh thái và phản khí hậu. Hiện tượng gọi là “ hiệu ứng nhà kính” tức là kính có thể cho ánh sáng mặt trời sóng ngắn xuyên vào phòng, sau đó sự bức xạ nhiệt trong phòng lại là bức xạ sóng dài không dễ dàng phát tán ra ngoài được, cứ như vậy làm cho sự tích nhiệt trong phòng càng ngày càng nóng.

Hình 3. Kiến trúc buồng nhiệt ở Luân đôn năm 1854

2. Kiến trúc kính mảng lớn là “sát thủ” đối với ngành năng lượng

Câu nói này đã được nhiều GS trên thế giới sử dụng để nói về kiến trúc mảng kính lớn tràn lan như hiện nay.

Thực tế thì kiến trúc mảng kính lớn cho dù ở khí hậu hàn đới hay nhiệt đới cũng đều gây lãng phí năng lượng. Có thể thấy rõ điều này qua điều tra của
cục điều tra năng lượng Hoa Kỳ để giải thích tiêu hao điện năng cho Điều hồa không khí (hình 4).

Điều tra 6 thành phố từ hàn đới đến nhiệt đới có lắp mảng kính lớn (bất kể loại nào) thì tổng điện năng tiêu phí cho ĐHKK (dù là sưởi hay làm mát) cũng đều gia tăng; từ Singapor, Đài Bắc đến Bắc Kinh bình quân cứ tăng 1% diện tích kính một lớp tiêu hao năng lượng tăng từ 0.25, 0.27, 0.44 kWh/m2; còn đối với kính 2 lớp phát xạ thấp (Low-E) thì sự tiêu hao tương ứng  cũng là 0.13, 0.12, 0.19 kWh/m2 đủ để thấy rằng cho dù ở khí hậu hàn đới hay nhiệt đới với bất cứ loại kính nào những mảng kính lớn luôn gây ra tiêu hao năng lượng. Ngày nay kiến trúc nhà cao tầng lắp kính tràn lan trên toàn thế giới đang làm mất đi bản sắc kiến trúc và phá vỡ cảnh quan, đồng thời đẩy toàn thế giới tới nguy cơ lãng phí năng lượng tại các đô thị.

Hình 4. Sự tiêu hao năng lượng cho hệ thống ĐHKK tại các công trình cao tầng mảng kính lớn
(số liệu điều tra tại 6 thành phố Cáp Nhĩ Tân, Thượng Hải, Bắc Kinh, Đài Bắc, Tô-ki-ô và Singapore)

Về thực chất thì chính mảng kính lớn không bao giờ có thể giữ nhiệt tốt hơn tường đặc đối với khí hậu hàn đới và cũng không bao giờ có thể che được nắng tốt hơn tường đặc ở vùng khí hậu nhiệt đới. Tuy nhiên với tiến bộ kỹ thuật ngày nay đã chế tạo được những loại kính giữ nhiệt tốt để giảm bớt tải sưởi ấm và kính có tính năng che nắng cao (Low-E) để giảm bớt tải làm mát của hệ thống ĐHKK đối với các nước nhiệt đới. Tuy vậy các nghiên cứu đều cho thấy các tính năng này so với tường đặc còn kém xa so với tường đặc, song vẫn không có cách nào cải thiện được nhược điểm cố hữu của nó là lãng phí năng lượng.

Trước đây có nhiều y kiến cho rằng mở rông cửa kính sẽ tận dụng nhiều ánh sáng tự nhiên và do đó tiết kiệm điện cho chiếu sáng nhân tạo. Song thực tế điều tra nhiều năm qua lại cho thấy ngược lại, tức là hình như càng mở rộng vách kính thì lạ càng tốn điện thắp sáng! Sở dĩ có tình trạng này là vì ánh sáng bầu trời vùng nhiệt đới hết sức chói chang do bầu trời phổ biến là mây tích (mây Cu) phản xạ ánh sáng rất mạnh. Hơn nữa sự phân bố ánh sáng tự nhiên trong trường hợp này rất không đều: chỗ gần cửa sổ thì qua chói chang, xa hơn một chút rất tối, điều này đã làm cho hoạt động thị giác càng căng thẳng, gây mỏi mệt nhanh chóng cho toàn bộ hệ thần kinh nói chung. Hầu hết người ngồi bên trong nhà rất khó chịu về mặt tâm lí và sinh lí thị giác, chính vì vậy mà luôn xảy ra tình trạng tại các phòng làm việc, phòng họp người ta lại kéo rèm che và bật đèn điện! Kết quả điều tra của các chuyên gia Đài Loan tại một loạt các thành phố lớn đã cho thấy “càng mở rộng cửa kính càng bật đèn càng nhiều, càng lâu và dó đó càng gây lãng phí điện năng”. Kết luận này tưởng như rất khôi hài nhưng lại là sự thật. Đối với Việt Nam, có lẽ điều này cũng không phải xa lạ.

Tác giả bài viết này cũng đã nhiều lần dự những cuộc hội thảo khoa học bàn về tiết kiệm năng lượng được tổ chức trong những nhà có tường kính nhưng lại bị che đi để sử dụng đèn điện cho dễ chịu hơn.

Tại vùng khí hậu nhiệt đới được tuyên truyền cho việc dùng vật liệu kính có độ phản xạ cao, song thực chất lại làm giảm độ xuyên sáng của bức xạ khả kiến (chỉ có 8%), do đó bên trong các nhà lắp loại kính này thường bị tối hơn bình thường, người làm việc bên trong như ở dưới tầng hầm. Hơn nữa kính bị phơi dưới nắng hè có nhiệt độ có khi lên tới 50oC-60oC, trong những phòng có sử dụng ĐHKK sẽ tạo ra sự chêng lệch nhiệt độ so với mặt tường trong nhà tới 20oC-30oC. Thực trạng này đã gây ra hiện tượng bức xạ nhiệt không đều làm cho người ngồi trong nhà cứ như ngồi trong bể nước đá, mặt hướng tới một bếp lò, gây ra cảm giác bất tiện nghi về nhiệt. Mặt khác, chính vì sự có mặt của các vách kính mảng lớn mà tải nhiệt cho ĐHKK thay đổi rất lớn theo biến đổi đônghè, mưa-nắng, ngày-đêm có khi gấp đến 10 lần, làm cho ngay cả hệ thống điều hòa VAV (Variable Air Volume) hiện đại cũng không đáp ứng nổi. Điều này dẫn đến trong không gian được điều hòa nơi thì quá nóng, nơi lại quá lạnh gây co giãn rất mạnh ở các mạch máu trong cơ thể, nhức xương, dễ gây bệnh khí lạnh làm cho thể hư khí nhược.

Một tòa nhà vách kính cao tầng bao giờ cũng kèm theo hệ thống ĐHKK trung tâm. Thế nhưng hệ thống này chỉ đảm bảo điều khiển theo một chế độ chung để có hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy mà khi không thỏa mãn những yêu cầu riêng biệt, một số người sử dụng đã làm thêm mái che trên vách kính, hoặc lắp thêm máy điều hòa cục bộ làm bộ mặt kiến trúc của công trình càng xấu.
(hình 5).

Hình 5. Lắp thêm điều hoà cục bộ và kết cấu che nắng trên các toà nhà kính phá vỡ cảnh quan kiến trúc đô thị nhiệt đới

Tóm lại, kiến trúc vách kính lớn là một hình thức kiến trúc hoàn toàn đánh mất giá trị về mặt khí hậu, thời tiết, phong tục và văn hóa, đó đơn giản chỉ là những hộp kính vuông tiêu hao năng lượng và là một cản trở lớn trong khi bàn tới tính thẩm mỹ của một nền kiến trúc bản địa. Theo nhận xét của các chuyên gia Đài Loan, nơi có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm như Việt Nam, thì trước tiên cần phải từ bỏ cách nhìn sai lệch về mỹ học của những vật liệu xuyên sáng lấp lánh mới có thể đi ra khỏi ngõ cụt về lãng phí năng lượng để từ đó mới có cơ sở nói về phát triển bền vững và tính thẩm mỹ của một nền kiến trúc bản địa. Những cường quốc về năng lượng như Hoa Kì và Nhật Bản tại những vùng nhiệt đới của họ vẫn có rất nhiều công trình cao tầng điển hình không áp dụng đến những mảng kính lớn phản khí hậu, mà thay vào đó là những kết cấu che nắng tiện lợi và đầy tính thẩm mĩ (Hình 6).

Hình 6. Thay vì phô diễn những mảng kính lớn, những kết cấu che nắng tiện lợi và làm phong phú vẻ đẹp kiến trúc tại các xứ nhiệt đới Hawaii – Hoa Kì (vĩ độ 20 Bắc) và Okinawa - Nhật Bản (vĩ độ 25 Bắc)

3. Tính toán thu nhận nhiệt bức xạ mặt trời của vách kính

Những lập luận nêu trên là rút ra từ kinh nghiệm khảo sát thực tế của các chuyên gia trong và ngoài nước, nhất là của các chuyên gia của Hội Kiến trúc xanh của Đài Loan. Để có một cái nhìn về vấn đề nay một cách rõ nét và khoa học hơn nữa, phần dưới đây sẽ trình bầy cách tính tải nhiệt do hậu quả của việc áp dụng các vách kính mảng lớn đem lại. Phương pháp sử dụng ở đây là phương pháp đánh giá theo hệ số nhận nhiệt mặt trời (SHGC-Solar Heat Gain Coefficient) và nhiệt trở.

Lượng nhiệt truyền qua kính cửa sổ bao giờ cũng gồm 2 thành phần: 1/Nhiệt lượng do bức xạ mặt trời xuyên qua cửa được tinh theo công thức Q1=A.G.q., Q1-W; A diện tích m2; G- bức xạ mặt trời W/m2; q - Hệ số nhận nhiệt mặt trời (Solar Heat Gain Coefficient) 2/Lượng nhiệt truyền qua cửa sổ do chênh lệch nhiệt độ tổng và nhiệt độ bên trong nhà. Q2=A.(ts – tt)/Ro. Q-W; A diện tích m2, ts- nhiệt độ tổng; tt nhiệt độ bên trong; Ro – nhiệt trở( m2K/W) Tổng nhiệt lượng truyền qua sẽ bằng: Q=Q1+Q2 Nhiệt độ ngoài nhà To=35oC, Nhiệt độ trong nhà Ti=25oC, Bức xạ trên mặt ngang 680 W/m2
Bức xạ trên mặt đứng hướng Tây 320 W/m2 Hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của mái đặc và tường đặc =0.7.

Bảng 1 . Kết quả tính lượng nhiệt truyền qua vách kính trên mái và tường hướng Tây

Hình 5. Tổng lượng nhiệt truyền qua mái

Hình 6. Tổng lượng nhiệt truyền qua tường

Nhận xét: Rõ ràng tất cả các giải pháp sử dụng kính đều nâng cao tải nhiệt lớn hơn so với tường đặc, thậm chí lớn hơn gần 20 lần nếu áp dụng kính đơn, còn kính 2 lớp cũng phải tới 10 lần.

4. Kết luận

1. Các công trình lắp kính phải áp dụng phương pháp tính hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời bằng hệ số SHGC để thấy rõ hơn hiệu quả hấp thụ nhiệt.

2.Kiến trúc kính là có nguồn gốc từ các nước hàn đới, việc sử dụng tràn lan ở các nước nhiệt đới cần phải xem xét và đánh giá một cách khoa học.

3. Các Kiến trúc sư Việt Nam có suy nghĩ gì nếu kết luận rằng kiến trúc mảng kính lớn tại các nhà cao tầng nếu đem áp dụng tràn lan ở Hà Nội và Thành Phố Hồ Chí Minh là gây tốn kém năng lượng và phản môi trường?

TS. NGUYỄN VĂN MUÔN

Giảng viên cao cấp, Hội môi trường Xây dựng Việt Nam;

Email:muonnv@gmail.com, Di động: 0989670963
 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. S.V.Szokolay, Introduction to Architectural Science: The Basic of Sustainable Design, ELSEVIER-2004

[2]. Lâm Hiến Đức, 林憲德者, 綠色建築, 台北. Kiến trúc xanh, Đài Bắc, 2006