Bắt kịp xu hướng Hiệu Quả Năng Lượng khi thiết kế công trình

Những năm gần đây, sự chuyển mình của toàn xã hội (trong nhận thức và hành động) liên quan đến vấn đề môi trường đang thay đổi nhanh chóng theo hướng tích cực. Do đó, vấn đề hiệu quả 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 vậy, việc thiết kế kiến trúc tích hợp với hiệu quả năng lượng là công việc còn nhiều khó khăn do có nhiều rào cản.

• Thứ nhất, về mặt chuyên môn, nhiều anh chị em kiến trúc sư và kỹ sư chưa được trang bị hoàn chỉnh các kiến thức và kỹ năng về thiết kế Kiến trúc hiệu quả năng lượng, do đó để bắt tay vào thực tiễn sẽ có những e ngại nhất định.
• Thứ hai, nhiều chủ đầu tư 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 này trở thành xu hướng tiết kiệm năng lượng như là “thời trang”, có thì tốt mà không có cũng xong.

Lợi ích khi theo đuổi xu hướng Thiết kế Hiệu quả Năng lượng

Đi theo xu hướng thiết kế hiệu quả 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.
• 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.
• Hiệu quả năng lượng là tiết kiệm tài nguyên, mang lại lợi ích tài chính lâu dài cho chủ đầu tư công trình.
• Kiến trúc hiệu quả năng lượng thường có khả năng thích ứng tốt hơn với các thay đổi thời tiết, với biến đổi khí hậu và thiên tai.

Ảnh 1: 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 giải pháp thực hiện 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. Để không nằm ngoài xu hướng tiết kiệm năng lượng nói chung và đạt hiệu quả tiết kiệm tối đa, các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng công trình có thể tham khảo các giải pháp dưới đây:

 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 (bao gồm các 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. 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 có thể áp dụng ở Việt Nam

• 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 thụ 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).
• 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 năng lượng mặt trời.
• 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).

Những xu hướng hiệu quả năng lượng nhờ 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:

• 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.

Những sai lầm phổ biến của kiến trúc sư

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 kiến trúc sư như sau:

• Tường xây gạch dày 20 thì không cần cách nhiệt (thực tế thì các hướng Đông – Tây rất cần thêm cách nhiệt, tối thiểu dày khoảng 40cm).
• 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. 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.

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. Theo đuổi xu hướng tiết kiệm năng lượng, giải pháp thiết kế chủ động hay gặp nhất 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 thiết kế chủ động được khuyến nghị

• Khai thác năng lượng tái sinh:Sử dụng pin năng lượng mặt trời, tua-bin gió (ven biển), máy nước nóng dùng năng lượng mặt trời.
• 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…

Ứng dụng Mô phỏng Năng lượng và Thiết kế Công trình hiệu quả Năng lượng

Thời gian gần đây, thuật ngữ “Mô Phỏng Năng Lượng Công Trình – Building Energy Simulation/Building Energy Modeling) đã bắt đầu được nhắc tới và lan tỏa trong cộng đồng xây dựng. Về bản chất, Mô phỏng năng lượng là công việc mô tả bằng số hóa toàn bộ hoạt động vận hành thực tế của tòa nhà nhằm dự báo trước mọi vấn đề liên quan tới môi trường không khí, chiếu sáng tự nhiên, các hệ thống năng lượng như đèn, thiết bị, toàn bộ hệ thống điều hòa thông gió, chi phí vận hành của công trình… để thực hiện tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và các loại chi phí công trình.

Mô Phỏng Năng Lượng công trình 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 trong quá trình thiết kế tiết kiệm năng lượng. 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… Theo Ông Trần Thành Vũ, Chuyên gia Thiết kế Tiết kiệm Năng lượng Công trình “Hàng đầu” Việt Nam cho hay: “Công trình Tiết kiệm Năng lượng và ứng dụng Mô Phỏng Năng Lượng hoàn toàn có thể không làm tăng chi phí đầu tư khi tối thiểu được năng lượng cần thiết, thậm chí còn có thể giảm chi phí đầu tư và chi phí vận hành, tối ưu Lợi Nhuận và rút ngắn thời gian hoàn vốn cho các chủ đầu tư. Đây là cơ hội dành cho mọi công trình khi được Thiết Kế Đúng, Xây Dựng Đúng và Vận Hành Đúng.”

Bắt kịp xu hướng tiết kiệm năng lượng cùng Chuyên gia Tiên phong tư vấn và thực hiện THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG tại Việt Nam tại đây!

(Bài viết tham khảo của TS. KTS Nguyễn Anh Tuấn – KTS Trần Thị Thục Linh trên tapchikientruc.com.vn)