Tiết kiệm năng lượng và các giải pháp thiết kế thụ động

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THỤ ĐỘNG TRONG CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
Các giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng thực ra không phải là vấn đề mới lạ đối với thiết kế kiến trúc, mà chủ yếu là đổi mới tư duy thân thiện môi trường của người thiết kế. Các kiến trúc sư sẽ phải cân nhắc giữa một giải pháp ngôn ngữ với hình khối tự do, mặt đứng chỉ tập trung vào tính thẩm mỹ – theo gu thị hiếu, bất chấp môi sinh chung quanh hay một giải pháp kiến trúc lấy các yêu cầu đặc biệt phát sinh từ điều kiện khí hậu dùng làm tiêu chí cơ sở cho thiết kế, nghiên cứu để thích ứng với khí hậu từng vùng miền cụ thể, thiết kế đáp ứng môi trường.
Đầu tiên là cần phải tối ưu hóa tất cả các cơ hội của thiết kế thụ động được tạo ra từ điều kiện khí hậu; tiếp theo là tối ưu hóa tất cả các hệ thống chế độ hỗn hợp và cuối cùng, thiết kế sử dụng các dạng chủ động của các hệ thống môi trường có sử dụng M & E để đạt tiện nghi (kết hợp với các kỹ sư cơ điện).
Sau đây là các chiến lược thiết kế thụ động để đạt yêu cầu tiện nghi môi trường trong công trình mà không cần sử dụng nhiều năng lượng.

• Quy hoạch và thiết kế tổng thể: tổng thể công trình được quy hoạch để tối ưu hóa sử dụng đất và tiện nghi thụ động; Lựa chọn hình dáng và hướng công trình thích ứng khí hậu.
• Bố trí mặt bằng hợp lý: giải pháp tổ chức không gian chính và không gian phụ để thông gió và chiếu sáng tự nhiên tốt nhất. Các giải pháp như sử dụng ban công, sân trong, giếng trời… nên được cân nhắc.
• Thiết kế mặt đứng thích ứng (tạo khoảng lùi, khoảng âm ở bề mặt bên ngoài công trình để tạo ra vùng đệm nhiệt, cách bố trí cửa, giải pháp che nắng) để kiểm soát nhiệt bức xạ mặt trời, độ chói, độ ẩm và ánh nắng để giảm thiểu sức nóng mặt trời vào mặt đứng và tận dụng chiếu sáng tự nhiên.
• Cấu tạo và kết cấu bao che bên trong và bên ngoài công trình (tường kính, tường dày, tường nhiều lớp, tường hoa, kết cấu che nắng, che mưa, mái cách nhiệt, mái cây xanh…): sử dụng vật liệu cách nhiệt; các vật liệu có tác dụng phản quang để tăng cường ánh sáng bên trong công trình, cấu tạo và chọn màu sắc tường, sàn, trần phù hợp…
• Thiết kế bố cục nội thất.
• Tận dụng các năng lượng tái tạo: Panel tích hợp quang điện, hệ thống đun nước bằng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, sử dụng nước mưa…
• Sử dụng cây xanh và mặt nước: Cảnh quan cây xanh và mặt nước theo chiều đứng và theo chiều ngang làm giảm nhiệt độ bề mặt bên ngoài công trình, cải thiện môi trường nhiệt trong nhà cũng như hiệu suất nhiệt của công trình.
• Sử dụng Mô phỏng (phương pháp tiếp cận “cơ sở khoa học” – dựa trên mô phỏng hiệu suất và đánh giá định lượng): Các thí nghiệm mô phỏng về chiếu sáng tự nhiên, tổ chức thông gió tự nhiên, mô hình thiết kế che nắng, tính toán cách nhiệt của công trình để xác định mức độ tiện nghi vi khí hậu chấp nhận được. Xác định các mức hiệu suất năng lượng của công trình chứng minh tiết kiệm năng lượng.

Việt Nam là nước nhiệt đới, có chế độ bức xạ mặt trời nội chí tuyến, trong năm mặt trời có hai lần đi qua thiên đỉnh.  Tổng lượng bức xạ hàng năm đạt khoảng 100-300 Kcal/cm² ở phía Bắc và khoảng 120-350 Kcal/cm² ở phía Nam. Độ cao mặt trời khá lớn, thời gian chiếu bức xạ trong phạm vi toàn quốc tương đối đồng đều. Tổng số giờ nắng hàng năm đạt 4.300 – 4.500 giờ/năm, khá đồng đều trên các vĩ độ, nhưng số giờ nắng không phân phối đều cho các tháng. Do ảnh hưởng của trời nhiều mây nên lượng bức xạ khuếch tán (tán xạ của bầu trời) ở Việt Nam tương đối lớn, thường chiếm tới 50% tổng lượng bức xạ mặt trời; lượng bức xạ tổng cộng trong năm thực tế tương đối thấp ở miền Bắc và tương đối cao ở miền Nam.
Bảng 1. Cường độ BXMT trung bình (W/m²) và nhiệt độ trung bình (^OC)  của  ba tháng nóng nhất trong năm ở Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Buôn Ma Thuột

Nguồn: Theo số liệu tính toán của GS. Trần Ngọc Chấn

Vì vậy, khi thiết kế công trình tiết kiệm năng lượng ở Việt Nam, người kiến trúc sư cần hết sức chú ý đến việc chọn hướng nhà hợp lý và chọn giải pháp che nắng chống bức xạ mặt trời truyền qua mái và chiếu qua cửa sổ vào phòng (ở các xứ lạnh nhiệt lượng truyền từ trong ra ngoài gây ra do chênh nhiệt độ không khí ở bên trong và bên ngoài nhà, nên lượng nhiệt truyền qua 1m² của tường hay của cửa sổ chỉ khác nhau vài lần, nhưng ở Việt Nam trong mùa hè lượng nhiệt bức xạ mặt trời xuyên qua 1m² của cửa sổ vào phòng có thể lớn hơn từ 8 đến 12 lần lượng nhiệt truyền qua 1m²của tường vào nhà). Ví dụ, sau khi đã chọn ra được phương án thiết kế sơ bộ thì cần nghiên cứu đánh giá các loại tường, mái cách nhiệt khác nhau (đặc biệt là tường các hướng Đông, Tây, cũng như ở các hướng lân cận Đông, Tây); các giải pháp kính khác nhau: có và không có tấm che nắng; hình thức, kích thước và mật độ tấm che nắng… bằng các kết quả số liệu và biểu đồ cụ thể.
Trong bài viết này chỉ bàn về các giải pháp che nắng cho cửa sổ. Như mọi người đều biết: cửa sổ là những thành phần quan trọng nhất của vỏ bao che công trình có ảnh hưởng đến hai vấn đề: sự tiện nghi về vi khí hậu, ánh sáng, tầm nhìn và hiệu quả sử dụng năng lượng trên một đơn vị diện tích mặt sàn.
Thiết kế che nắng gồm hai vấn đề:

• Lựa chọn hình thức thiết bị che nắng thích hợp với từng công trình và với từng mặt nhà.
• Xác định kích thước, vị trí và mật độ hợp lý của thiết bị che nắng.

Khi thiết kế che nắng, bao giờ cũng phải lựa chọn hình thức thiết bị che nắng trước, sau đó mới xác định kích thước, vị trí và mật độ của chúng. Muốn lựa chọn hình thức thiết bị che nắng hợp lý phải nắm vững đường chuyển động biểu kiến của mặt trời, đặc tính của từng thiết bị che nắng và hiệu quả của chúng về các mặt ngăn bức xạ, thông gió tự nhiên, chiếu sáng, che mưa và hiệu quả thẩm mỹ kiến trúc.
Thiết bị che nắng được thiết kế tốt sẽ tạo bóng râm trên mặt cửa sổ có thể làm giảm đáng kể lượng nhiệt bức xạ hun nóng công trình lúc cao điểm và giảm yêu cầu tải lượng đối với máy điều hòa làm mát, do đó sẽ tiết kiệm được năng lượng (bảng 1 và hình 1).
Hình 1 và bảng 1: Tác dụng của kết cấu che nắng đến tải làm mát của công trình

Các đặc trưng cảnh quan như dàn cây leo, cây xanh trưởng thành hay hàng rào;Theo F.Hammad: với việc sử dụng một hệ thống cửa chớp năng động kết hợp chiến lược ánh sáng mờ đã đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng 34,2% ở hướng Nam, 28,57% ở hướng Đông và 30,31% ở hướng Tây.  Nhà nghiên cứu E.Gratia khẳng định rằng sự lựa chọn của các tham số bao gồm: loại mành che tối ưu, kích thước của nó và màu sắc một cách hợp lý có thể tiết kiệm đến 14,1% năng lượng tiêu thụ làm mát của tất cả các công trình trong một ngày hè đầy nắng [2].
Giải pháp che nắng được phân làm hai loại: che nắng bên trong và che nắng bên ngoài. Các thiết bị che nắng được lắp đặt ở bên ngoài bề mặt của công trình có thể ngăn chặn bức xạ mặt trời một cách hiệu quả trước khi bức xạ xuyên qua lỗ cửa kính vào nhà, có hiệu quả che nắng tốt hơn nhiều so với các thiết bị che nắng đặt ở bên trong cửa sổ, đồng thời cũng bảo đảm tầm nhìn tốt hơn. Kiến trúc truyền thống của nước ta thường cấu tạo cửa sổ hai lớp: cửa kính bên trong, cửa chớp bên ngoài, loại cửa này đạt hiệu quả che nắng rất tốt ở mọi hướng của cửa sổ.
Các hệ thống thiết bị che nắng bao gồm:

• Các chi tiết bên ngoài như tấm che nắng (ô văng) theo chiều đứng, chiều ngang, hỗn hợp, các chớp ngang, chớp đứng cố định, hiên…
• Kết cấu che nắng kiểu tấm chắn cố định trước mặt cửa sổ, hệ mành che nắng bằng các lam che nang hay tạo ravo boc công trình hai lớp “da” (double skin).
• Hệ thống che nắng di động được cấu tạo từ các lá chớp có điều khiển, có thể treo theo chiều dọc ở phía trước cửa sổ. Hệ thống này làm tối ưu hóa việc che các tia nắng của mặt trời và bảo đảm tầm nhìn nhờ vào phần mềm máy tính đặc biệt được xây dựng để kiểm soát các lam hướng theo đường đi của chiếu nắng của mặt trời, kết quả là che nắng tối ưu vào mọi thời điểm cần thiết.
• Các thiết bị che có bề mặt phản xạ ánh sáng, được gọi là “kệ ánh sáng” (light-shelf)
• Kính có hiệu suất cao như: kính low- E (giảm bức xạ mặt trời xuyên qua vào trong công trình); kính hai lớp, ba lớp (giảm bức xạ mặt trời nhờ khoảng chân không cách nhiệt giữa các tấm kính); kính có tấm dán cách nhiệt (giảm tia cực tím có hại và ngăn ngừa tia hồng ngoại-tia nhiệt năng lượng mặt trời).
• Các thiết bị kiểm soát độ chói nội thất như rèm, mành, chớp điều chỉnh.
• Bảng 2 cho thấy tiềm năng giảm tải làm mát và tải chiếu sáng nhân tạo khi sử dụng thiết bị che nắng bên trong và che nắng bên ngoài theo nghiên cứu của công ty WAREMA [10].

Bảng 2. Tiềm năng giảm tải làm mát

Bảng 3: Tiềm năng giảm sử dụng năng lượng cho chiếu sáng nhân tạo

Tóm lại, khi thiết kế trong vùng khí hậu nhiệt đới, người kiến trúc sư cần nghiên cứu góc độ ánh nắng mặt trời. Sự hiểu biết của góc độ ánh nắng tác động đến các khía cạnh khác nhau trong thiết kế bao gồm: việc xác định hướng chính của công trình, hình dạng công trình, lựa chọn các thiết bị che nắng, và lắp đặt panel quang điện tích hợp cho công trình hay tấm hấp thụ năng lượng mặt trời, nhờ đó có thể làm giảm năng lượng tiêu thụ làm mát hàng năm của cả tòa nhà.