Công trình cân bằng năng lượng – Net Zero Energy Buildings

Để thiết kế các tòa nhà hiệu suất cao, nhà đầu tư cần đặt ra các mục tiêu bền vững, nhưng hiệu quả về chi phí cụ thể ngay từ đầu, sau đó vạch một lộ trình thiết kế hợp lý. Để tìm cách tối ưu hóa thiết kế, việc này sẽ giúp giảm sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, vật liệu…) và đảm bảo tiện nghi sống cho người ở, nhưng với mức đầu tư tối thiểu. Đây là 3 công việc ưu tiên trong suốt quá trình thiết kế. Thông thường, giảm sử dụng năng lượng công trình mang lại tác động môi trường lớn nhất, cho nên Net Zero Energy là chủ đề thiết kế ngày càng phổ biến, là mục tiêu phấn đấu cho các công trình trên khắp thế giới.

Mục tiêu đạt được mức cân bằng về năng lượng Net Zero Energy Buildings – nghĩa là công trình sử dụng năng lượng cực kỳ hiệu quả và tạo ra năng lượng tại chỗ đủ để cân bằng với nhu cầu năng lượng tiêu thụ hàng năm.

Công trình cân bằng năng lượng Tòa nhà 13 tầng La Jolla Commons, USA

Công trình cân bằng năng lượng là công trình có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất ra lượng năng lượng bằng với lượng năng lượng tiêu thụ từ lưới điện mỗi năm.

 Các tấm pin quang điện trên mái của Trung tâm Lewis tại Cao đẳng Oberlin ở Oberlin, Ohio do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL – ASHRAE) cung cấp.

Đối với thiết kế công trình hiệu suất cao, cách tốt nhất là đo lường và so sánh các chỉ số giữa các  phương án thiết kế khác nhau, kết quả tính toán sẽ cho ra sự khác biệt về tiêu thụ năng lượng, và các dữ liệu so sánh giá trị khác nhằm hỗ trợ ra quyết định. Những so sánh này mang tính khách quan, được ứng dụng phổ biến và đã được chứng thực tính hiệu quả trên toàn thế giới.

Khi thiết kế công trình dựa trên mức năng lượng tiêu thụ​​ dự kiến, hiệu suất thực sự của công trình trong quá trình vận hành sẽ không được thông qua bất kỳ luật xây dựng hoặc hệ thống đánh giá công trình xanh nào. Mặc dù hệ thống đánh giá công trình xanh như LEED hay LOTUS là rất hữu ích, nhưng đôi khi chỉ áp dụng các chứng chỉ xanh sẽ không tạo ra những ưu tiên mạnh mẽ về năng lượng cho công trình. Khi đó mục tiêu công trình tòa nhà cân bằng năng lượng sẽ là một cam kết mạnh mẽ đảm bảo một kết quả tốt nhất cho công trình. 

Định nghĩa công trình cân bằng năng lượng (NZEB)

Công trình cân bằng về năng lượng là công trình có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất ra lượng năng lượng bằng với lượng năng lượng tiêu thụ từ lưới điện mỗi năm.

Có một số khái niệm về các công trình “Cân bằng năng lượng” dựa trên ranh giới cho sự cân bằng năng lượng. Dưới đây là bản tóm tắt  các định nghĩa chính từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ NREL.

 Năng lượng cân bằng tại chỗ: Năng lượng tái tạo được sản xuất ra ít nhất phải bằng năng lượng tiêu thụ của công trình trong một năm khi tính toán tại khu đất đó.

 Công trình cân bằng năng lượng nguồn: Năng lượng nguồn tạo ra (hoặc mua) của công trình ít nhất bằng năng lượng được sử dụng trong một năm được tính tại nguồn. Năng lượng nguồn liên quan đến năng lượng sơ cấp được sử dụng để trích xuất, sản xuất và vận chuyển năng lượng tới công trình. Để tính toán tổng năng lượng nguồn của công trình, năng lượng nhập và xuất được nhân bởi số hệ số chuyển đổi thích hợp từ khu đất đến nguồn dựa trên loại năng lượng nguồn của nhà máy điện.

Công trình cân bằng chi phí năng lượng: Công trình cân bằng chi phí năng lượng là công trình có số tiền mà nhà máy điện trả cho chủ sở hữu tòa nhà phần năng lượng tái tạo mà tòa nhà xuất ra lưới điện ít nhất bằng số tiền chủ sở hữu trả cho nhà máy điện đối với các dịch vụ năng lượng và năng lượng sử dụng trong một năm.

 Công trình cân bằng phát thải: Một công trình không phát thải tạo ra (hoặc mua) đủ năng lượng tái tạo để bù vào lượng khí thải từ tất cả các năng lượng được sử dụng trong tòa nhà hàng năm. Cacbon, NOx và SOx là những khí thải phổ biến mà ZEBs bù đắp. Để tính toán tổng lượng phát thải của công trình, năng lượng nhập và xuất được nhân với hệ số phát thải phù hợp dựa trên lượng khí thải của nhà máy điện  và khí thải tại công trình (nếu có).

Thiết kế công trình cân bằng năng lượng

Nguyên tắc chính để thiết kế công trình cân bằng về năng lượng trước hết là giảm nhu cầu năng lượng càng nhiều càng tốt và sau đó chọn các nguồn năng lượng tốt. Dưới đây là một trình tự thiết kế ví dụ:

1. Giảm tối đa tải năng lượng
2. Tối ưu hóa thiết kế với chiến lược thụ động (passive design): giúp giảm tối đa tải nhiệt lên hệ thống kỹ thuật công trình bằng lớp vỏ cách nhiệt hay tận dụng không gian thông gió tự nhiên, giảm tải chiếu sáng lên hệ thống đèn bằng chiếu sáng tự nhiên…
3. Tối ưu hóa thiết kế cho các chiến lược chủ động (active design): sử dụng hệ thống kỹ thuật (HVAC, chiếu sáng, bơm…) có hiệu suất cao tiêu tốn ít năng lượng, phù hợp nhất với công suất yêu cầu của tòa nhà.
4. Thu hồi tận dụng năng lượng thải ra (recovery energy): như xem xét sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt…
5. Tạo ra năng lượng tại chỗ: (renewable energy system) 
6. Mua năng lượng/carbon bù đắp