TÀI NGUYÊN
Công trình zero energy – Khái niệm, nhu cầu và Giải Pháp
Công trình zero energy – Khái niệm, nhu cầu và Giải Pháp
Tháp chung cư Danube, tòa nhà chung cư zero energy.
Vấn đề chống biến đổi khí hậu và cam kết giảm phát thải CO2 trong ngành xây dựng tại Việt Nam.
Chống biến đổi khí hậu từ lâu đã là đề tài nóng và được quan tâm hàng đầu trên thế giới, Việt Nam là 1 trong 5 nước bị tác động lớn nhất khi khí hậu thay đổi nên cũng không nằm ngoài mối quan tâm chung về biến đổi khí hậu.
Mới đây nhất, trong văn kiện COP21, Việt Nam đã cam kết cắt giảm phát thải CO2 trong lĩnh vực xây dựng, tới năm 2030 đạt 8% nếu không có sự hỗ trợ quốc tế. Trường hợp có hỗ trợ quốc tế, con số này là 25%. Đây là những mục tiêu không hề đơn giản, thậm chí là rất khó thực hiện nếu không có những thay đổi mang tính căn bản trong quản lý các hoạt động xây dựng, đi kèm với hệ thống quản lý, việc ứng dụng những công nghệ mới trong xây dựng…
Các dữ liệu thống kê vĩ mô tại Việt Nam cho thấy: Hoạt động xây dựng và vận hành các công trình chiếm khoảng 40% tổng phát thải CO2, do đó đây là ngành then chốt cần can thiệp để giảm phát thải CO2. Phát thải CO2 trong ngành xây dựng chủ yếu được chia thành 2 phần:
- Một là thành phần phát thải trực tiếp từ hoạt động sản xuất vật liệu xây dựng.
- Hai là là hoạt động tiêu thụ điện từ các công trình xây dựng và kéo dài trong suốt vòng đời công trình (đây chính là lĩnh vực khó nhất mà hiện tại các nước phát triển trên thế giới đều tập trung cải thiện nhằm cắt giảm phát thải).
Chỉ số phát thải CO2 tại Việt Nam hiện đang được tính với mức 1kWh (1 số điện) sẽ thải ra khoảng 0.5 kg CO2. Nguyên do các nhà máy điện cần phải đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện (thủy điện tại Việt Nam chỉ cung cấp ~20% tổng sản lượng điện). Việc phát thải do nhu cầu sử dụng điện sẽ xảy ra liên tục trong suốt vòng đời 40, 50, thậm chí 100 năm của công trình xây dựng, và đây là tảng băng chìm về phát thải cần phải được cải thiện nhằm đạt mục tiêu đã cam kết.
Mục tiêu của ngành thiết kế công trình
Hiện nay trên khắp thế giới đang lan rộng trào lưu thiết kế công trình hiệu năng cao, tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là công trình có mức sử dụng năng lượng trung bình cả năm bằng 0. Dạng công trình này đòi hỏi sử dụng năng lượng cực nhỏ, đủ nhỏ để cân bằng với mức năng lượng tự sinh ra do các thiết bị tái tạo năng lượng (pano năng lượng mặt trời, turbine gió…). Vấn đề khó nhất khi thực hiện những công trình dạng này không phải ở chỗ đầu tư các thiết bị tái tạo năng lượng, mà là phải làm sao để công trình tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể – Đây là thách thức lớn trong những năm 80 – 90 của thế kỷ 20, khi các công cụ thiết kế chủ yếu thiên về tính toán để xác định công suất của thiết bị thay vì xác định mức sử dụng năng lượng. Ngày nay, các công cụ hiện đại còn đi kèm với các dữ liệu phân tích để tối ưu hóa vận hành công trình.
Tháp văn phòng Elithis Dijon France. Tòa nhà có mức sử dụng năng lượng dương (khi tính mô phỏng) đầu tiên trên thế giới với mức chi phí xây dựng 1400 euro/m2, đúng bằng mức xây văn phòng thông thường tại Pháp (2009)
Việc thiết kế công trình hiệu năng cao đòi hỏi sự tính toán trước các vấn đề về tiêu thụ năng lượng trên tất cả các hệ thống (điều hòa, chiếu sáng, bơm, quạt, thang máy…), do đó không thể ước lượng như thời kỳ những năm 80 – 90. Song hành với việc giá điện càng ngày càng tăng, gánh nặng chi phí vận hành càng lớn, việc tối ưu hóa vận hành công trình, ngay trong giai đoạn thiết kế không chỉ đóng vai trò cắt giảm phát thải do nhu cầu sử dụng điện mà quan trọng hơn, còn góp phần giảm chi phí hoạt động cho doanh nghiệp, cho xã hội. Các nước phương Tây có rất nhiều chương trình nghiên cứu cơ bản về hiệu năng sử dụng công trình, kết quả của các nghiên cứu này là sự xuất hiện một loạt những phần mềm mô phỏng năng lượng và vận hành công trình với độ chính xác cao, nhằm hỗ trợ tính toán định lượng cho quá trình thiết kế. Nhờ những công cụ này, người thiết kế có thể biết trước được mức sử dụng năng lượng công trình của họ ngay khi công trình đó còn đang trên giấy tờ, bản vẽ.
Công trình tiết kiệm năng lượng và 2 thành phần tiêu thụ điện lớn nhất
- Chiếu sáng
Trước mắt, mục tiêu cần đạt được để đảm bảo cam kết với quốc tế là công trình hiệu quả năng lượng, công trình xanh. Đây là bước đệm cần thiết để tiến tới công trình zero energy. Tuy vậy, vẫn cần phải nhắc lại rằng: Cần có thêm nhiều khuyến khích từ chính sách vĩ mô để việc thiết kế công trình xanh trở thành hiện thực trên diện rộng. Và, cần thiết hơn hết, để việc phát triển công trình xanh đi vào thực chất, tạo ra tác động tốt về kinh tế, về môi trường, thay vì tạo ra các tác động xanh giả tạo bằng cách trồng cây hay là sơn xanh trên bề mặt công trình với mục đích chụp ảnh và PR để có thêm hợp đồng thiết kế…
Xem thêm: Bàn về phương pháp thiết kế Kiến trúc xanh tại Việt Nam
Hai thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong công trình tại Việt Nam là chiếu sáng và điều hòa thông gió, cũng là 2 thành phần có tiềm năng nhất trong việc thiết kế tiết kiệm năng lượng. Ví dụ dưới đây cho thấy sự tương tác của thiết kế concept tới thiết kế chiếu sáng:
Sự tương tác của thiết kế concept tới thiết kế chiếu sáng
Với hình ảnh của ví dụ này, người đọc có lẽ đã tự hiểu ảnh hưởng của thiết kế sơ bộ tới chất lượng chiếu sáng công trình như thế nào. Tận dụng chiếu sáng tự nhiên là một trong số yếu tố quan trọng, không thể thiếu trong một công trình tốt. Tuy vậy, không phải thiết kế với chiếu sáng tự nhiên có nghĩa là công trình nhận càng nhiều ánh sáng càng tốt – Nhiều sáng dễ gây chói và phải kéo rèm, bật đèn, gây tiêu thụ điện nhiều hơn so với công trình có ánh sáng vừa phải. Vẫn biết rằng thiết kế chiếu sáng tốt để tận dụng ánh sáng tự nhiên không đơn giản, nhưng không có nghĩa là không thể làm được, đáng tiếc là thiết kế ở Việt Nam chỉ quan tâm tới việc lắp bao nhiêu đèn để cho đủ sáng, còn sử dụng ánh sáng như thế nào cho hiệu quả (tiết kiệm điện) đang hoàn toàn bị bỏ ngỏ trong thiết kế. Tại các thành phố lớn của Việt Nam, có tới 95% số các công trình văn phòng thường xuyên kéo rèm và bật đèn, các văn phòng không kéo rèm thường là văn phòng… đang chờ cho thuê.
Tính mô phỏng: Với cùng một không gian, nhưng khi sử dụng lớp vỏ kép để tăng hiệu quả cách nhiệt với lam che nắng đặt vào giữa lớp vỏ kép, mức chói đã giảm đi đáng kể, chỉ cần dùng thêm 1 phần nhỏ đèn chiếu sáng phía trong văn phòng sẽ hết chói.
Tính mô phỏng: Một không gian văn phòng bị chói khi chưa có xử lý chiếu sáng.
Sự kết hợp chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo sẽ tạo ra hiệu quả tiết kiệm điện. Với biểu đồ bên dưới : Vùng màu vàng thể hiện việc sử dụng đèn, nếu bật đèn thường xuyên thì năng lượng sử dụng là tổng của 3 phần xanh, đỏ, vàng. Khi kết hợp với thiết bị đo ánh sáng để điều khiển đèn sẽ làm giảm mức tiêu thụ điện. Phần màu xanh là mức giảm tiêu thụ điện khi sử dụng điều khiển đơn giản (step dimming), tắt bật lần lượt từng dải đèn sát cửa sổ khi cường độ ánh sáng tự nhiên lên cao (đường cong bên dưới biểu đồ). Tổng phần màu xanh và đỏ là mức giảm tiêu thụ điện khi sử dụng điều khiển kiểu dimming, thay đổi giảm dần mức năng lượng cung cấp cho đèn (proportional dimming), như vậy việc giảm 50% năng lượng cho chiếu sáng không phải là quá khó nếu công trình đó có đủ sáng và được kiểm soát chói hợp lý đi kèm với điều khiển tốt.
Kết hợp chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo để tạo ra hiệu quả tiết kiệm điện
- Điều hòa thông gió
Theo thống kê của Tổ chức Kỹ sư tư vấn Đức – VBI công bố tháng 11/2010, 60% điện công trình dùng trong các tòa nhà ở Việt Nam sử dụng cho hệ thống điều hòa, cá biệt một số công trình trong khảo sát của Bộ Công thương, phần năng lượng này lên tới trên 80%. Thực trạng lãng phí này xảy ra do nhiều nguyên nhân, từ khâu thiết kế vỏ bao công trình cho đến thiết kế điều hòa thông gió. Ví dụ: Cửa kính một lớp, tường mỏng, không có che nắng, khung và cửa không kín khít, nhưng quan trọng hơn là tính toán điều hòa mà không nhập đúng các số liệu thật của công trình vào tính toán. Hoặc đôi khi chỉ tính toán theo kinh nghiệm, quyết định công suất hệ thống điều hòa theo kiểu W/m2 sàn.
Đối với những công trình sử dụng điều hòa trung tâm, việc tính toán tối ưu hóa hệ thống kỹ thuật là một vấn đề khó vì đây là hệ thống máy phức tạp, điều khiển hoạt động lại phụ thuộc các tác động nhiệt lên công trình.
Thực tế thiết kế tại Việt Nam cho thấy phần lớn thời gian thiết kế hệ thống điều hòa thông gió tập trung vào khâu triển khai bản vẽ. Đây là cách làm ngược với quy trình trên thế giới, khi mà khâu số liệu đầu vào luôn luôn được cân nhắc, tính toán mô phỏng, tối ưu hóa kỹ lưỡng rồi mới tiến đến triển khai bản vẽ (do việc này liên quan rất lớn tới chi phí đầu tư và chi phí vận hành công trình trong toàn bộ vòng đời của nó).
Nguyên nhân tiếp theo dẫn đến sự lạc hậu trong thiết kế năng lượng tại Việt Nam là ít áp dụng các công nghệ tính toán công trình thế hệ mới, công nghệ mới cho phép tính toán và kiểm soát chính xác các tác động nhiệt lên công trình theo biểu đồ và bảng số liệu, tính cho từng giờ. Thiếu những yếu tố này thì việc tối ưu hóa thiết kế năng lượng công trình sẽ khó hơn nhiều lần.
Phân tích nhiệt do sử dụng các loại kính khác nhau ảnh hưởng lên không gian sử dụng.
Các công cụ thiết kế mới cũng cho phép phân tích tác động nhiệt khi sử dụng vật liệu hay phương án thiết kế khác nhau, hình trên minh họa phân tích bức xạ nhiệt và truyền nhiệt trong không gian văn phòng khi dùng các loại kính khác nhau. Việc phân tích này tại vùng khí hậu nhiệt đới là rất quan trọng, do nhiệt từ cửa kính có ảnh hưởng lớn, trực tiếp tới công suất và chi phí thiết bị điều hòa (chi phí đầu tư), và làm thay đổi chi phí vận hành công trình trong dài hạn.
Điều đáng tiếc là các phân tích dạng này trong thiết kế rất ít được thực hiện, tình trạng phổ biến hiện nay là KTS chọn kính theo màu, không quan tâm tới nhiệt. Kỹ sư điều hòa thực hiện tính toán các hệ số của kính theo dữ liệu có sẵn trong phần mềm, không quan tâm nhiều lắm tới thực tế công trình sẽ chọn loại kính nào khi thi công, công suất điều hòa sẽ được điều chỉnh lại sau khi tính toán theo kinh nghiệm, phần lớn dựa trên W/m2 sàn, và ít khi thấp hơn 150 W/m2. Chủ đầu tư sẽ chọn kính có màu gần giống với phối cảnh và với mức giá hợp lý. Như vậy là có sự may rủi trong thiết kế công trình ở Việt Nam, có thể xảy ra 3 trường hợp:
- May mắn: Tải điều hòa bị tính thừa, công trình hoạt động tốt, công trình được coi là hoàn thành, đội thiết kế đi làm công trình khác. Nhưng ẩn sau việc này là 1 khoản chi phí lớn đã bị lãng phí và những khoản chi phí phụ trội hàng năm cho vận hành hệ thống quá lớn so với cần thiết, hệ thống này chỉ chạy non tải trong suốt vòng đời công trình.
- Kém may: Tải điều hòa bị tính thiếu, đặc biệt với trường hợp kỹ sư áp dụng các số liệu cho kính theo tiêu chuẩn ASHRAE 2007 (Mỹ) để tính toán, loại kính này hoàn toàn là lý thuyết, kính thực tế thường có các chỉ số khác rất xa. Quan trọng hơn, để tới gần với các giá trị lý thuyết này cần đầu tư rất lớn cho kính, nhưng tại Việt Nam, loại kính được dùng phổ biến rẻ hơn nhiều và chất lượng nhiệt thấp hơn hẳn. Việc này gây bất tiện cho người sử dụng, làm cho hệ thống chạy quá tải thường xuyên gây tốn điện và giảm tuổi thọ thiết bị. Từ đó sẽ tăng chi phí vận hành, tốn kém chi phí để cải tạo hệ thống và thay thế thiết bị.
- Rất may: Mọi thứ ăn khớp với tính toán, bảng kết quả ra đầy đủ, trường hợp này ít xảy ra. Chưa kể tới việc kỹ sư có xu hướng sử dụng kinh nghiệm để tăng tải lên, cho chắc chắn đảm bảo công trình mát, và thực tế sẽ quay về trường hợp 1.
Ngoài ra, còn rất nhiều trường hợp KTS thiết kế đã cẩn thận về nhiệt, chọn kính, thiết kế che nắng rất cẩn trọng để tạo ra hướng đi riêng khi sớm cân nhắc thiết kế công trình xanh. Đây là xu hướng để tạo nên chất lượng và sự khác biệt trong bối cảnh thị trường bắt đầu bão hòa về cạnh tranh hình thức kiến trúc. Tuy vậy, cố gắng này là chưa đủ để tạo nên 1 công trình tốt, cần có sự phối hợp tốt từ phía các ngành kỹ thuật thì mới đảm bảo công trình có được hiệu quả kinh tế và môi trường. Đáng tiếc là các ngành kỹ thuật phục vụ kiến trúc có ít tiến bộ về mặt ứng dụng kỹ thuật cao, chủ yếu chỉ tiến bộ trong khâu thực hiện hồ sơ thiết kế như ứng dụng BIM để triển khai bản vẽ. Để làm được công trình có tính bền vững về kinh tế xã hội, vai trò của kết cấu và điều hòa thông gió, chiếu sáng cũng phải được nâng lên một tầm cao mới và đó là thiết kế BEM (Building Energy Modeling).
Ngoài ví dụ chiếu sáng gây kéo rèm bật đèn đã nêu trên, xin nêu một ví dụ khác xảy ra phổ biến như sau: KTS đã thiết kế nhiều chi tiết che nắng để đảm bảo công trình không bị nhận quá nhiều nhiệt từ mặt trời, nhưng khi tính toán, 99% kỹ sư điều hòa tại Việt Nam bỏ qua tính toán các thành phần che nắng, như vậy chủ đầu tư vừa phải đầu tư các hệ thống che nắng vừa phải đầu tư hệ thống điều hòa lớn hơn nhiều so với cần thiết (vì tính toán không kể tới che nắng). Như vậy, công trình được xây lên và vận hành với các thành phần không khớp nhau làm chi phí đầu tư tăng lên và chi phí vận hành cũng tăng lên theo.
Một dạng đồ thị phân tích thiết kế, cho phép xem xét nhiệt độ và các ảnh hưởng nhiệt chính tác động lên một không gian văn phòng
Giải pháp cho các ngành thiết kế
Thực tế như vậy nhưng để thực hiện được tốt các bài toán kỹ thuật thì lại xảy ra tình trạng con gà quả trứng. Đó là tình trạng KTS, kỹ sư làm việc kín lịch, làm việc cả thứ 7, chủ nhật mới đảm bảo được tiến độ hoàn thành bản vẽ, không thể có thời gian để nói tới việc tính toán nhiều phương án nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu. Nguyên nhân vẫn là do quả trứng không đủ to. Thử làm một phép so sánh nhỏ: Luật sư đòi nợ với mức phí người nhà là 10-15%, thông thường là 30%, trường hợp khó còn cao hơn nữa, trong khi đó cả một đội ngũ KTS, kỹ sư nhiều ngành vừa vắt óc vừa vắt sức, lại chỉ có khoảng 2% thiết kế phí. Nhìn mặt bằng tuyển dụng chung cũng có thể thấy các ngành kinh doanh, quảng cáo, marketing, luật … mức lương cho nhân sự cao cấp trên 3000$ là bình thường, có thể lên tới 5000$, trong khi đó các mức đề xuất cho KTS, kỹ sư chủ trì vào khoảng 1500$ đã được coi là cao.
Xem thêm: KTS với xu hướng thiết kế Kiến trúc hiệu quả năng lượng
Hiểu rộng ra đối với bất kể ngành nghề nào, bất kỳ nền kinh tế nào, để kinh doanh tốt, quảng cáo hay, bán hàng nhiều, cần có sản phẩm tốt, mà sản phẩm tốt đều là những đứa con tinh thần của giới chuyên môn kỹ thuật chuyên sâu. Thiên lệch về kinh doanh, tiếp thị, bán hàng mà bỏ quên cái gốc kỹ thuật chính nguyên nhân dẫn tới thảm trạng của nền kinh tế hiện nay.
Không phải ngẫu nhiên mà thiết kế phí trung bình cho một công trình ở các nước phát triển là 10% tổng mức đầu tư, có thể còn cao hơn với các văn phòng thiết kế danh tiếng. Hãy nhìn vào tình hình chung trên thế giới để ra quyết định cho hợp lý. Sâu xa hơn, thiết kế vẫn đang là 1 ngành có đóng góp quan trọng cho bất động sản, cho nền kinh tế. Vậy hãy để cho nó có cơ hội sống sót ngay trên mảnh đất mà từ đó hàng ngàn công trình đang mọc lên, để một ngày nào đó trong tương lai xa, ngành thiết kế kiến trúc có cơ may được bước ra, được hội nhập với thế giới thay vì cứ mải cạnh tranh bằng phối cảnh, bằng giá thiết kế thấp nhưng đi kèm với đó là tính bền vững thấp, chi phí xây dựng cao.
TS.KTS Trần Thành Vũ
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 07-2016)
