Giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

1. Sự cần thiết của đề tài luận án PHẦN MỞ ĐẦU Theo kịch bản biến đổi khí hậu ở Việt Nam lần thứ 3 do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2016 [8], trong thời kỳ 1958 - 2014, nhiệt độ không khí trung bình năm của cả nước tăng khoảng 0,62 o C (khoảng 0,1 o C/10 năm). Số ngày nóng (có T max ≥ 35 o C) có xu hướng tăng ở hầu hết các địa phương, đặc biệt là ở vùng Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ và Tây Nguyên, với mức tăng phổ biến là 2 - 3 ngày/10 năm. Với kịch bản trung bình (kịch bản RCP4.5), dự báo nhiệt độ không khí nước ta đến cuối thế kỷ 21 sẽ tăng 1,9 o C ÷ 2,4 o C ở phía Bắc và 1,7 o C ÷ 1,9 o C ở phía Nam. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam, đặc biệt là khí hậu Hà Nội với đặc trưng mùa nóng có nhiệt độ cao và độ ẩm rất lớn (> 80%), để bảo đảm vi khí hậu trong nhà đáp ứng yêu cầu tiện nghi nhiệt cần phải sử dụng hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK), mà tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của hệ thống này thường chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng tiêu thụ năng lượng của công trình. Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ tăng lên, mực nước biển dâng cao và gia tăng các hiện tượng khí hậu cực đoan, số ngày nóng bức trong năm nhiều hơn, cộng thêm tác động của quá trình đô thị hóa khiến cho cuộc sống ở các thành phố ngày càng ngột ngạt, kết quả là nhu cầu sử dụng ĐHKK trong các công trình sẽ ngày càng tăng cao để bảo đảm tiện nghi môi trường trong nhà tại các đô thị của Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng. Biến đổi khí hậu là do các hoạt động phát triển, chủ yếu là sản xuất và sử dụng năng lượng phát thải ra nhiều khí nhà kính (GHG) gây ra. Việt Nam đứng thứ 18 trong số các nước đang phát triển với lượng khí thải CO 2 (GHG) hàng năm là 122 triệu tấn. Theo thực trạng hiện nay, lượng phát thải khí nhà kính của Việt Nam có thể tăng gấp ba vào năm 2030 nếu không có các biện pháp giảm thiểu hiệu quả [1]. Khu vực đô thị là nơi phát thải rất nhiều khí nhà kính, đóng góp một nguyên nhân đáng kể của sự ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà dân dụng ở Việt Nam năm 2003 chỉ chiếm 22,4%, đến năm 2014 đã chiếm tới 37 - 38% tổng mức tiêu thụ năng lượng của quốc gia và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng cao trong những năm tới [1]. Vì vậy, trong Chiến lược và kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu ở nước ta đều yêu cầu ngành xây dựng - kiến trúc cần phải phát triển kiến trúc xanh, công trình xanh, đô thị xanh và tăng tính hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng đối với các công trình hiện hành hay xây mới. Trong hai thập kỷ qua, Việt Nam đã trải qua quá trình đô thị hóa nhanh, dẫn đến nhu cầu phát triển ngày càng nhiều nhà chung cư tại các đô thị để đảm bảo cuộc sống của người dân. Những năm gần đây, trung bình tổng diện tích sàn nhà ở được xây dựng của Việt Nam là khoảng 80 - 90 triệu m 2 /năm [1]. Theo Chiến lược phát triển nhà ở quốc gia đến năm 2030 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt tháng 11/2011, mục tiêu sẽ tăng tỷ lệ nhà chung cư, đặc biệt là nhà chung cư cao tầng. Đối với đô thị lớn như Hà Nội, tỷ lệ nhà chung cư phải đạt trên 80% tổng số đơn vị nhà ở xây dựng mới; đến năm 2030 tỷ lệ này cần đạt trên 90% tổng diện tích xây dựng mới. Đội ngũ kiến trúc sư đang bị ảnh hưởng nhiều của xu hướng quốc tế hóa, ít để ý đến điều kiện khí hậu địa phương, chưa quan tâm đến các giải pháp che chắn bức xạ mặt trời cũng như việc xem xét cẩn thận về thông gió và chiếu sáng tự nhiên... khi thiết kế các chung cư cao tầng. Hậu quả là các công trình này đang trở thành là một trong những nguồn tiêu thụ lớn tài nguyên thiên nhiên, năng lượng và gây nhiều tác động tiêu cực đến môi trường. Theo thông tin của Tập đoàn điện lực Việt Nam, tỷ lệ sử dụng điện trong công trình nhà ở và hành chính chiếm trên 88% tỷ lệ sử dụng điện trong các công trình xây dựng nước ta (bảng 1.1). Để tạo sự phát triển hài hoà giữa xây dựng và môi trường sống, xu hướng sử dụng các giải pháp kiến trúc thụ động để gia tăng hiệu quả năng lượng (HQNL) trong công trình đang ngày càng được quan tâm, đặc biệt đối với các chung cư cao tầng tại đô thị lớn như Hà Nội. Vì vậy đề tài Luận án “Giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội” là đề tài có tính thời sự và cấp thiết hiện nay ở nước ta. 2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng được một công cụ có thể tham khảo và so sánh HQNL của các giải pháp kiến trúc lớp vỏ bao che (tổ hợp kiến trúc mặt đứng) trong giai đoạn thiết kế ý tưởng ban đầu, áp dụng cụ thể đối với nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội. - Xác định các giải pháp kiến trúc thụ động cần áp dụng để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng cho đảm bảo tiện nghi vi khí hậu trong nhà chung cư cao tầng ở Hà Nội.

-

Phạm Thị Hải Hà

GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC THỤ ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP TÍNH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LỚP VỎ BAO CHE NHÀ CHUNG CƯ CAO TẦNG TẠI HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kiến trúc

Mã số: 62 58 01 02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS.TS Nguyễn Quốc Thông

2 GS.TS Phạm Đình Việt

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - NĂM 2018

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch,

Bộ môn Kiến trúc môi trường và Bộ môn Kiến trúc dân dụng, Trường Đại học Xây dựng Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Quốc Thông và GS.TS Phạm Đình Việt, những người Thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn chuyên gia tin học - ThS Vũ Tiến Sinh, Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cùng tôi nghiên cứu lập trình chương trình phần mềm tính toán

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành bản luận án này

Tác giả luận án NCS: Phạm Thị Hải Hà

MỤC LỤC

Trang

OTTV

12 1.2 Tình hình xây dựng công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới và ở 13

1.4 Nhận xét về giải pháp thiết kế của các công trình hiệu quả năng lượng

tại Việt Nam

24

31

Chương 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC KIẾN TRÚC THỤ ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP TÍNH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG KIẾN TRÚC LỚP VỎ BAO CHE NHÀ CHUNG

CƯ CAO TẦNG TẠI HÀ NỘI

2.4.1 Kinh nghiệm thiết kế tích hợp kiến trúc lớp vỏ bao che và năng

lượng mặt trời trên thế giới

2.5.1 Đặc điểm hình thức thẩm mỹ của nhà chung cư cao tầng 85 2.5.2 Các nguyên tắc tổ hợp kiến trúc mặt đứng chung cư cao tầng 86

Chương 3: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC THỤ ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP TÍNH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LỚP VỎ BAO CHE NHÀ CHUNG CƯ CAO TẦNG TẠI HÀ NỘI

3.1 Bổ sung hoàn thiện phương pháp thiết kế kiến trúc của công trình hiệu

quả năng lượng

89

3.2 Đề xuất khái niệm và nghiên cứu phương pháp tính toán hệ số hiệu quả

năng lượng lớp vỏ bao che

3.3 Các giải pháp kiến trúc thụ động trên cơ sở kết quả tính toán hệ số hiệu

quả năng lượng lớp vỏ bao che

119

3.3.1 Lựa chọn hướng và hình dạng nhà bảo đảm chế độ thông gió tự

nhiên đạt hiệu quả cao nhất

3.4.1 Thiết kế kiến trúc thụ động là sự kết hợp giữa khoa học vật lý kiến

trúc và thiết kế sáng tác kiến trúc

138

3.4.2 Sự khác biệt giữa phương pháp thiết kế KCCN của luận án và

phương pháp thiết kế KCCN theo vùng hiệu quả che nắng

139

3.4.4 Khả năng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của luận án đối với các vùng khí hậu khác

141

NHỮNG CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

147

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

149

Phụ lục 2.1 Cường độ tán xạ, tổng xạ trên mặt ngang và trực xạ trên

mặt đứng trung bình biến thiên trong ngày đặc trưng của từng tháng

mùa nóng ở Hà Nội (số liệu quan trắc thực tế từ 1996 - 2005)

PHỤ LỤC - 1

Phụ lục 2.2 Phương pháp tính các hệ số K cn và K bt đối với KCCN

nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục và hình hộp của Phạm Ngọc

Đăng

PHỤ LỤC - 9

Phụ lục 3.1 Chi tiết tính toán thử nghiệm đối với chung cư 17T10 PHỤ LỤC - 16

Phụ lục 3.2 Nghiên cứu đề xuất công thức tính hệ số chiếu nắng

(K cn.ov ) và hệ số chiếu tán xạ bầu trời (K bt.ov ) đối với cửa kính có

KCCN ngang hữu hạn

PHỤ LỤC - 23

Phụ lục 3.3 Hệ số chiếu nắng (K cn.ov ) của cửa kính với 4 loại KCCN

nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục, hình hộp và ngang hữu hạn

có kích thước L ng /H, L đ /B, L ov /H = từ 0.1 đến 1.0, quay ra 8 hướng,

biến thiên theo các giờ trong ngày đặc trưng của tháng 5 ở Hà Nội

PHỤ LỤC - 40

Phụ lục 3.4 Sơ đồ khối chương trình tính toán PHỤ LỤC - 50

Phụ lục 3.5 Các hệ số hiệu quả năng lượng kiến trúc K hqnl trung bình

của từng tháng trong mùa nóng, của 3 tháng nóng nhất (6,7,8), của cả

mùa nóng (5, 6, 7, 8, 9) đối với các loại KCCN nằm ngang liên tục,

thẳng đứng liên tục, hình hộp và ngang hữu hạn với 10 loại kích

thước khác nhau, ở 8 hướng tại Hà Nội

PHỤ LỤC - 51

Phụ lục 3.6 Hướng dẫn sử dụng và Mã nguồn chương trình tính toán PHỤ LỤC - 58

CET Nhiệt độ hiệu quả hiệu chỉnh

ĐHKK Điều hòa không khí

HVAC Hệ thống điều hòa không khí, thông gió, cấp nhiệt

HQNL Hiệu quả năng lượng

IFC-WB Tổ chức tài chính quốc tế của Ngân hàng Thế giới

ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

KCCN Kết cấu che nắng

OTTV Chỉ số tổng truyền nhiệt qua kết cấu bao che

PMV Chỉ số biểu quyết dự báo trung bình

UNDP Chương trình phát triển của Liên Hiệp Quốc

USAID Cơ quan phát triển quốc tế của Hoa Kỳ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ĐO

I o Cường độ bức xạ tổng cộng của mặt trời – W/m 2

S đ Cường độ trực xạ của mặt trời chiếu trên mặt đứng – W/m 2

S ng Cường độ trực xạ của mặt trời chiếu trên mặt ngang – W/m 2

D đ Cường độ tán xạ của bầu trời chiếu trên mặt đứng – W/m 2

D ng Cường độ tán xạ của bầu trời chiếu trên mặt ngang – W/m 2

α Hệ số hấp thụ bức xạ

λ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu – W/m.K

h t ; h n Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu mặt trong, mặt ngoài - W/m 2 K

K cn Hệ số chiếu nắng của cửa kính có kết cấu che nắng

K bt Hệ số chiếu tán xạ bầu trời của cửa kính có kết cấu che nắng

F cs Diện tích cửa kính - m 2

F t,m Diện tích tường, mái - m 2

Q t,m Lượng nhiệt trung bình ngày truyền qua tường hay mái - W

Q cs Lượng nhiệt truyền qua cửa kính - W

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.2 Phân tích một số mẫu căn hộ 2, 3 phòng ngủ trong các chung cư

cao tầng tại một số khu đô thị mới của Hà Nội

Bảng 2.3 Tỷ lệ trực xạ của mặt trời chiếu trên các mặt đứng hướng T, TB,

TN so với trực xạ chiếu trên các mặt đứng hướng Đ, ĐB, ĐN

44

Bảng 2.4 Tỷ lệ tán xạ/tổng xạ (D ng /I ng ) trên mặt nằm ngang (%) biến thiên

theo các tháng

45

Bảng 2.5 Tỷ lệ tán xạ/tổng xạ (D đ /I đ ) trên mặt thẳng đứng (%) biến thiên

theo 8 hướng nhà trong các tháng mùa nóng (5,6,7,8,9)

45

Bảng 2.7 Hệ số độ rọi ánh sáng tự nhiên trong các phòng của nhà ở 56 Bảng 2.8 Kích thước tối ưu về BXMT của nhà hình chữ nhật có thể tích khác

nhau quay về hướng Bắc – Nam cho Hà Nội

58

Bảng 2.9 Hiệu quả của KCCN làm giảm % tổng năng lượng tiêu thụ của

công trình và giảm thiểu % năng lượng tiêu thụ làm lạnh của hệ

thống ĐHKK

69

Bảng 3.1 Tổng BXMT (I o , W/m 2 ) chiếu tới mặt nhà, trung bình từ 6h đến

18h của 5 tháng mùa nóng ở Hà Nội

95

Bảng 3.2 Các đường phân giới phân chia bề mặt cửa kính thành 9 phạm vi

khác nhau

100

Bảng 3.3 Hình thù diện tích phần kính cửa sổ bị chiếu nắng hay được che

râm bởi KCCN ngang hữu hạn có thể xảy ra 9 trường hợp khác

nhau

101

102

103 Bảng 3.4 K cn đối với tháng 5 ở Hà Nội của cửa kính có KCCN khác nhau 107 Bảng 3.5 Kết quả tính toán hệ số chiếu tán xạ của bầu trời (K bt ) đối với cửa

kính có các kiểu và kích thước đua ra của KCCN khác nhau

108

Bảng 3.6 Biến thiên của hệ số K hqnl trung bình mùa nóng phụ thuộc vào hình

thức, kích thước KCCN và hướng nhà

118

Bảng 3.7 Đề xuất hướng nhà tốt cho nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội 122 Bảng 3.8 Đề xuất chiều rộng B tối đa của nhà chung cư cao tầng 124 Bảng 3.9 Tìm nhiệt trở yêu cầu đối với tường hướng Tây 134 Bảng 3.10 Tìm nhiệt trở yêu cầu đối với tường hướng Tây Bắc 134 Bảng 3.11 Tìm nhiệt trở yêu cầu đối với tường hướng Tây Nam 135 Bảng 3.12 Biến thiên nhiệt trở và nhiệt trở yêu cầu theo chiều dày kết cấu 135 Bảng 3.13 Các ví dụ cấu tạo tường và mái cách nhiệt tốt 136

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 0.0 Khái niệm kiến trúc thụ động

Trang xvi

Hình 1.3 Thông gió tự nhiên có thể áp dụng cho mọi vùng khí hậu 18 Hình 1.4 Cây xanh trong Toà nhà JA Tower, Kuala Lumpur, Malaysia 19 Hình 1.5 Tổng thể dự án khu dân cư Dục Phong - Anh Luân 20

Hình 1.8 Các tòa nhà 17T1, 17T2, 17T3 ở khu đô thị Trung hòa Nhân chính 28

Hình 1.10 Mặt đứng hướng Tây của chung cư Imperia Garden – Trung hòa

Hình 2.3a Biểu đồ trực xạ của mặt trời chiếu trên các mặt đứng và tổng xạ,

tán xạ chiếu trên mặt ngang trong tháng 5 ở Hà Nội

43

Hình 2.3b,c,d,e Biểu đồ trực xạ của mặt trời chiếu trên các mặt đứng và tổng

xạ, tán xạ chiếu trên mặt ngang trong tháng 6,7,8,9 ở Hà Nội

43

Hình 2.4 Các mặt bằng chung cư cao tầng kiểu nhà tháp 46

Hình 2.6 Chung cư Copenhagen’s Malleable Sky village - Rodovre 47

Hình 2.8 Sơ đồ quan hệ chức năng cơ bản trong căn hộ 48 Hình 2.9 Vùng tiện nghi đề xuất cho người Việt Nam trên biểu đồ nhiệt ẩm 52 Hình 2.10: Dải nhiệt độ tổng hợp tiện nghi kiến nghị cho Hà Nội 52

Hình 2.14 Số liệu dữ liệu thời tiết của Hà Nội trên biểu đồ psychrometric ở

áp suất khí quyển chuẩn (101,325 kPa) và vùng tiện nghi nhiệt

55

Hình 2.15 Vùng tiện nghi theo trạng thái tự nhiên và vùng tiện nghi khi áp

dụng giải pháp thông gió tự nhiên với v max = 1m/s trong 12 tháng ở

Hình 2.19 Phân tích thông gió theo các phương án hình dạng và hướng công

trình tại độ cao 1,5m trên tổng mặt bằng

61

Hình 2.20 Sơ đồ phân vùng không gian sử dụng trong căn hộ 61

Hình 2.22 Nhu cầu năng lượng và tải làm mát giờ cao điểm phụ thuộc hệ số

hấp thụ nhiệt bức xạ của bề mặt ngoài nhà

64

Hình 2.23 Hiệu quả cách nhiệt khác nhau (nhiệt trở R khác nhau) khi sắp xếp

vị trí lớp không khí lưu thông khác nhau ở mái nhà

65

Hình 2.25 Nguyên tắc thâm nhập ánh sáng tự nhiên vào trong phòng: có và

không có giá hắt sáng

70

Hình 2.26 Ví dụ sử dụng phần mềm Ecotect phân tích giả định môi trường

ánh sáng trong nhà khi thiết kế khu chung cư Dục Phong - Anh

Luân

70

Hình 2.27a Sơ đồ xác định diện tích mặt cửa kính bị nắng chiếu, dùng để xác

định hệ số “K cn ” đối với KCCN là tấm ngang liên tục

73

Hình 2.27b Sơ đồ xác định diện tích mặt cửa kính bị nắng chiếu, dùng để xác

định hệ số “K cn ” đối với KCCN là tấm đứng liên tục

73

Hình 2.28 Sơ đồ mảng trời bị tấm che nắng nằm ngang liên tục che khuất

không thể chiếu tán xạ xuống mặt cửa kính

74

Hình 2.29 Ví dụ phần mềm tính toán vẽ bóng đổ của KCCN của Trần Ngọc

Chấn

76

Hình 2.31 Phương pháp tính toán tính toán nhiệt BXMT chiếu vào nhà đi

qua cửa kính có KCCN ngang hữu hạn che nắng của R.F.Yandat và

R.E Jones

78

Hình 2.32 Lắp đặt tấm đun nước nóng trên mái nhà chung cư 81 Hình 2.33 Tích hợp tấm đun nước nóng vào mặt đứng công trình 81 Hình 2.34 Một số giải pháp tổ hợp nhà ở truyền thống vùng đồng bằng Bắc

Hình 2.36 “Dại tre” che nắng trong nhà ở truyền thống 83

Hình 2.39 Sự biến đổi hình thức thẩm mỹ kiến trúc nhà chung cư cao tầng

nhờ công nghệ thi công tiên tiến và sự phát triển của kính và hợp

Hình 2.41 Nhịp điệu theo chiều ngang và đứng - Chung cư The Met

(Thailand)

87

Hình 2.42: Chung cư Edificio Pueyrredón 1101 ở thành phố Rosario 88

Hình 3.1 Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thiết kế công trình hiệu quả năng

Hình 3.6a Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (K hqnl.mn ) trung bình

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN

nằm ngang liên tục với 10 kích thước đua ra (L ng /H,) khác nhau

114

Hình 3.6b Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

6,7,8 theo 8 hướng nhà của KCCN nằm ngang liên tục với 10 kích

thước đua ra (L ng /H)

114

Hình 3.7a Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (K hqnl.mn ) trung bình

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN

thẳng đứng liên tục với 10 kích thước đua ra (L đ /B) khác nhau

115

Hình 3.7b Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

6, 7, 8 theo 8 hướng nhà của KCCN thẳng đứng liên tục với 10 kích

thước đua ra (L đ /B)

115

Hình 3.8a Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (K hqnl.mn ) trung bình

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN

hình hộp với 10 kích thước đua ra (L ng /H, L đ /B) khác nhau

116

Hình 3.8b Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

6, 7, 8 của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN hình hộp với 10

kích thước đua ra (L ng /H, L đ /B)

116

Hình 3.9a Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (K hqnl.mn ) trung bình

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN

ngang hữu hạn với 10 kích thước đua ra (L ov /H) khác nhau

117

Hình 3.9b Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

6, 7, 8 của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN ngang hữu hạn với

10 kích thước đua ra (L ov /H) khác nhau

117

Hình 3.10 Các giải pháp kiến trúc thụ động cần áp dụng khi thiết kế nhà

chung cư cao tầng hiệu quả năng lượng tại Hà Nội

120

Hình 3.11 Chung cư dạng đơn nguyên và hướng nhà tốt nhất 122 Hình 3.12 Chung cư dạng hành lang bên và hướng nhà tốt nhất 123 Hình 3.13 Minh họa giải pháp mặt bằng có lõi sinh thái 124

Hình 3.15: Chung cư Unité d'habitation với KCCN đứng, lôgia, tấm che nắng

Hình 3.25 KCCN ngang liên tục và KCCN ngang hữu hạn 131

Hình 3.29 Minh họa hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 137

GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN

 Nhà chung cư là nhà ở có từ hai tầng trở lên, có lối đi, cầu thang và hệ thống

công trình hạ tầng sử dụng chung cho các hộ gia đình, cá nhân, tổ chức

 Chung cư cao tầng là nhà chung cư có chiều cao từ 9 đến 40 tầng

 Tiện nghi nhiệt: là điều kiện của cảm giác thể hiện sự thỏa mãn với môi trường

nhiệt và được quyết định bởi đánh giá chủ quan của con người

 Lớp vỏ bao che hay còn gọi là kết cấu bao che, bao gồm cửa đi, cửa sổ, tường,

mái, cửa mái, trong suốt hoặc không trong suốt, tạo thành các không gian khép kín bên trong công trình

 Kiến trúc lớp vỏ bao che: kiến trúc tổ hợp mặt đứng, liên quan đến thẩm mỹ

công trình

 Công trình xanh: Công trình xanh là công trình xây dựng mà thực tế đã đạt

được hiệu quả lớn nhất trong lựa chọn địa điểm xây dựng công trình, sử dụng tài nguyên - năng lượng, nước, và vật liệu, trong khi tác động của công trình đến sức khỏe của con người và môi trường xung quanh là nhỏ nhất trong suốt toàn bộ vòng đời của công trình, từ chọn địa điểm, thiết kế, thi công xây dựng đến vận hành, sửa chữa và tái sử dụng công trình

 Thuật ngữ chủ động và bị động trong thiết kế công trình hiệu quả năng lượng

Trong kiến trúc truyền thống, công trình hoàn toàn không sử dụng năng lượng hóa thạch và công trình có thể cung cấp những tiện nghi cơ bản cho con người Trong thời đại hiện nay, các công trình kiến trúc hiện đại đòi hỏi điều kiện tiện nghi cao hơn nên việc tiết kiệm năng lượng trong công trình luôn là sự kết hợp nhuần

nhuyễn các giải pháp thiết kế chủ động (active design) và thiết kế bị động (passive design)

Thiết kế thụ động và thiết kế chủ động là một thuật ngữ dùng phổ biến trong thiết kế công trình hiệu quả năng lượng ở các nước phương Tây

Trang web “Cơ sở tri thức ngành xây dựng - Designing Buildings Wiki” của nước Anh [100] đã định nghĩa: “Thiết kế thụ động tối đa hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên tự nhiên trong việc sưởi ấm, làm mát và thông gió để tạo điều kiện tiện nghi bên trong công trình Nó khai thác các điều kiện môi trường bên ngoài như bức xạ mặt trời, không khí ban đêm mát mẻ và chênh lệch áp suất khí động để điều khiển môi trường bên trong Các biện pháp thụ động không bao gồm các hệ thống cơ khí hay hệ thống điện Phương pháp này trái ngược với thiết kế chủ động vốn dĩ sử dụng các hệ thống của công trình để tạo môi trường tiện nghi trong nhà như hệ thống thông gió cơ khí, chiếu sáng điện, hệ thống điện lạnh… Thiết kế thụ động bao gồm: làm mát thụ động; sưởi ấm thụ động và thông gió thụ động (thông gió tự nhiên) Ngoài ra còn có thiết kế năng lượng mặt trời thụ động (passive solar design) cũng là một khía cạnh của thiết kế thụ động, tập trung vào tối

đa hóa việc sử dụng năng lượng nhiệt từ bức xạ mặt trời.”

Trang web “Hướng dẫn xây dựng ngôi nhà bền vững - Australia's guide to environmentally sustainable homes” của Chính phủ Úc [101] đã định nghĩa: “Thiết

kế thụ động là thiết kế tận dụng các điều kiện thuận lợi của khí hậu để duy trì dải nhiệt độ tiện nghi trong nhà Thiết kế thụ động làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu sưởi

ấm hay làm mát phụ trợ Thời gian kinh tế nhất để đạt được thiết kế thụ động tốt là trong giai đoạn thiết kế đầu tiên

Các chiến lược thiết kế thụ động là thiết kế phù hợp với khí hậu: chọn hướng nhà, che nắng, sưởi ấm thụ động, làm mát thụ động; tránh lọt khí; cách nhiệt; khối nhiệt; chọn vật liệu kính”

Còn cổng thông tin hàng đầu về xây dựng của Ấn độ Glazette [102] lại đưa ra khái niệm thiết kế thụ động, thiết kế chủ động, kiến trúc thụ động và kiến trúc chủ động như ở dưới đây:

“Các kỹ thuật xây dựng sử dụng cả hai tính năng thiết kế chủ động và thiết kế

bị động trong kiến trúc để đảm bảo không gian sống tiện nghi bằng cách sử dụng các vật liệu chuyên sâu về năng lượng nhằm giảm thiểu sử dụng năng lượng Thiết

kế chủ động là sử dụng các trang thiết bị trong công trình để thay đổi trạng thái trong nhà nhằm mục đích tạo ra môi trường nhân tạo thoải mái cho con người bằng

cách sử dụng năng lượng Trong khi đó thiết kế thụ động là thiết kế tối đa hiệu quả năng lượng bằng các giải pháp thiết kế của chính công trình

Kiến trúc chủ động là các thiết kế của công trình bao gồm các thiết bị cơ khí chuyển tải năng lượng mặt trời bị hấp thụ từ khu vực này đến khu vực khác của công trình Thiết kế chủ động thường sử dụng các thiết bị như hệ thống thông gió, điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng v.v…

Kiến trúc thụ động là thiết kế công trình và quy hoạch địa điểm xây dựng mà tận dụng lợi thế của khí hậu địa phương để tòa nhà có khả năng lưu giữ nhiệt mặt trời để sưởi ấm hoặc làm mát bằng giải pháp che chắn cấu trúc một cách tự nhiên đối với bức xạ mặt trời”

Như vậy, có thể định nghĩa khái niệm kiến trúc thụ động như sau:

Kiến trúc thụ động là khoa học thiết kế công trình, sử dụng các giải pháp quy hoạch địa điểm và thiết kế kiến trúc tận dụng tối đa lợi thế của khí hậu của địa phương để sưởi ấm, làm mát và thông gió cho công trình một cách tự nhiên nhằm đảm bảo môi trường tiện nghi trong nhà và tạo điều kiện cho các hệ thống kỹ thuật

sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng (hình 0.0)

Hình 0.0 Khái niệm kiến trúc thụ động

Các giải pháp kiến trúc thụ động chủ yếu có thể áp dụng ở Việt Nam là:

- Quy hoạch địa điểm xây dựng, chọn hướng và hình dáng nhà

- Tổ chức thông gió tự nhiên

- Thiết kế che nắng

- Cách nhiệt và khối nhiệt

- Chọn vật liệu kính và tỷ lệ cửa kính trên tường

- Chiếu sáng tự nhiên

- Thiết kế năng lượng mặt trời thụ động

- Cảnh quan cây xanh, mặt nước

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài luận án

Theo kịch bản biến đổi khí hậu ở Việt Nam lần thứ 3 do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2016 [8], trong thời kỳ 1958 - 2014, nhiệt độ không khí trung bình năm của cả nước tăng khoảng 0,62 o C (khoảng 0,1 o C/10 năm) Số ngày nóng (có

T max ≥ 35 o C) có xu hướng tăng ở hầu hết các địa phương, đặc biệt là ở vùng Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ và Tây Nguyên, với mức tăng phổ biến là 2 - 3 ngày/10 năm Với kịch bản trung bình (kịch bản RCP4.5), dự báo nhiệt độ không khí nước ta đến cuối thế kỷ 21 sẽ tăng 1,9 o C ÷ 2,4 o C ở phía Bắc và 1,7 o C ÷ 1,9 o C ở phía Nam Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam, đặc biệt là khí hậu

Hà Nội với đặc trưng mùa nóng có nhiệt độ cao và độ ẩm rất lớn (> 80%), để bảo đảm vi khí hậu trong nhà đáp ứng yêu cầu tiện nghi nhiệt cần phải sử dụng hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK), mà tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của hệ thống này thường chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng tiêu thụ năng lượng của công trình Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ tăng lên, mực nước biển dâng cao và gia tăng các hiện tượng khí hậu cực đoan, số ngày nóng bức trong năm nhiều hơn, cộng thêm tác động của quá trình đô thị hóa khiến cho cuộc sống ở các thành phố ngày càng ngột ngạt, kết quả là nhu cầu sử dụng ĐHKK trong các công trình sẽ ngày càng tăng cao để bảo đảm tiện nghi môi trường trong nhà tại các đô thị của Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng Biến đổi khí hậu là do các hoạt động phát triển, chủ yếu là sản xuất và sử dụng năng lượng phát thải ra nhiều khí nhà kính (GHG) gây ra Việt Nam đứng thứ 18 trong số các nước đang phát triển với lượng khí thải CO 2 (GHG) hàng năm là 122 triệu tấn Theo thực trạng hiện nay, lượng phát thải khí nhà kính của Việt Nam có thể tăng gấp ba vào năm 2030 nếu không có các biện pháp giảm thiểu hiệu quả [1] Khu vực đô thị là nơi phát thải rất nhiều khí nhà kính, đóng góp một nguyên nhân đáng kể của sự ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà dân dụng ở Việt Nam năm 2003 chỉ chiếm 22,4%, đến năm 2014 đã chiếm tới 37 - 38% tổng mức tiêu thụ năng lượng của quốc gia và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng cao trong những năm tới [1] Vì vậy, trong Chiến lược và kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu ở nước ta đều yêu cầu ngành xây dựng - kiến trúc

cần phải phát triển kiến trúc xanh, công trình xanh, đô thị xanh và tăng tính hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng đối với các công trình hiện hành hay xây mới

Trong hai thập kỷ qua, Việt Nam đã trải qua quá trình đô thị hóa nhanh, dẫn đến nhu cầu phát triển ngày càng nhiều nhà chung cư tại các đô thị để đảm bảo cuộc sống của người dân Những năm gần đây, trung bình tổng diện tích sàn nhà ở được xây dựng của Việt Nam là khoảng 80 - 90 triệu m 2 /năm [1] Theo Chiến lược phát triển nhà ở quốc gia đến năm 2030 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt tháng 11/2011, mục tiêu sẽ tăng tỷ lệ nhà chung cư, đặc biệt là nhà chung cư cao tầng Đối với đô thị lớn như Hà Nội, tỷ lệ nhà chung cư phải đạt trên 80% tổng số đơn vị nhà ở xây dựng mới; đến năm 2030 tỷ lệ này cần đạt trên 90% tổng diện tích xây dựng mới

Đội ngũ kiến trúc sư đang bị ảnh hưởng nhiều của xu hướng quốc tế hóa, ít để

ý đến điều kiện khí hậu địa phương, chưa quan tâm đến các giải pháp che chắn bức

xạ mặt trời cũng như việc xem xét cẩn thận về thông gió và chiếu sáng tự nhiên khi thiết kế các chung cư cao tầng Hậu quả là các công trình này đang trở thành là một trong những nguồn tiêu thụ lớn tài nguyên thiên nhiên, năng lượng và gây nhiều tác động tiêu cực đến môi trường Theo thông tin của Tập đoàn điện lực Việt Nam, tỷ lệ

sử dụng điện trong công trình nhà ở và hành chính chiếm trên 88% tỷ lệ sử dụng điện trong các công trình xây dựng nước ta (bảng 1.1)

Để tạo sự phát triển hài hoà giữa xây dựng và môi trường sống, xu hướng sử dụng các giải pháp kiến trúc thụ động để gia tăng hiệu quả năng lượng (HQNL) trong công trình đang ngày càng được quan tâm, đặc biệt đối với các chung cư cao tầng tại

đô thị lớn như Hà Nội Vì vậy đề tài Luận án “Giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội” là đề tài có tính thời sự và cấp thiết hiện nay ở nước ta

2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng được một công cụ có thể tham khảo và so sánh HQNL của các giải pháp kiến trúc lớp vỏ bao che (tổ hợp kiến trúc mặt đứng) trong giai đoạn thiết kế ý tưởng ban đầu, áp dụng cụ thể đối với nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

- Xác định các giải pháp kiến trúc thụ động cần áp dụng để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng cho đảm bảo tiện nghi vi khí hậu trong nhà chung cư cao tầng ở Hà Nội

3 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Đề xuất khái niệm về hệ số HQNL lớp vỏ bao che công trình để tham khảo

và so sánh HQNL của các giải pháp tổ hợp kiến trúc mặt đứng công trình trong giai đoạn thiết kế ý tưởng ban đầu

(2) Xây dựng phương pháp tính hệ số HQNL lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng trong điều kiện khí hậu của Hà Nội

(3) Đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động theo kết quả phương pháp tính HQNL lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu:

Giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính HQNL lớp vỏ bao che

 Phạm vi nghiên cứu:

- Áp dụng đối với nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

- Nghiên cứu xác định HQNL của kiến trúc lớp vỏ bao che liên quan đến tiêu thụ điện năng

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán HQNL làm mát đối với kiến trúc lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng trong giai đoạn thiết kế ý tưởng ban đầu trong điều kiện khí hậu thực tế của Hà Nội

- Giải pháp kiến trúc thụ động tập trung chính vào các giải pháp kiến trúc liên quan đến HQNL của lớp vỏ bao che (hình dáng và hướng nhà, tổ chức kiến trúc mặt đứng, cách nhiệt, thiết kế năng lượng mặt trời thụ động)

5 Nội dung nghiên cứu

(1) Xây dựng cơ sở khoa học cho các giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính toán HQNL lớp vỏ bao che đối với nhà chung cư cao tầng phù hợp với điều kiện khí hậu của Hà Nội;

(2) Nghiên cứu phương pháp tính toán HQNL lớp vỏ bao che của nhà chung cư cao tầng có cửa kính với các kết cấu che nắng (KCCN) có hình thức và kích thước khác nhau, ở các hướng nhà khác nhau Lập chương trình phần mềm tính toán và tiến hành áp dụng tính hệ số HQNL lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng trong điều kiện khí hậu thực tế của Hà Nội

(3) Đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động trên cơ sở kết quả của phương pháp tính toán hệ số HQNL lớp vỏ bao che trong điều kiện đảm bảo tiện nghi vi khí hậu trong nhà đối với chung cư cao tầng ở Hà Nội

6 Phương pháp tiếp cận

(1) Tổng quan, thu thập và phân tích các thông tin có liên quan đến phương pháp tính toán xác định lượng nhiệt bức xạ truyền vào nhà qua cửa kính có các KCCN khác nhau hiện có ở trong nước và ở trên thế giới Tiến hành phân tích, đánh giá các

ưu điểm của các phương pháp trên để học tập, tiếp thu, phát triển và tìm ra các thiếu sót, tồn tại của mỗi phương pháp hiện có để tìm cách khắc phục và sáng tạo đề xuất phương pháp tính toán mới của mình

(2) Tổng kết các kinh nghiệm thiết kế kiến trúc HQNL đối với các công trình dân dụng, đặc biệt là các chung cư cao tầng đã được xây dựng ở trên thế giới và ở trong nước, quan tâm chủ yếu đến các nước nhiệt đới có điều kiện khí hậu tương tự như ở Việt Nam Phân tích, chọn lựa, xác định, hoàn thiện và đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động dựa trên phương pháp đánh giá HQNL lớp vỏ bao che và phù hợp điều kiện khí hậu ở Hà Nội

7 Phương pháp nghiên cứu

(1) Phương pháp sưu tầm - tổng hợp – đánh giá: Phương pháp sưu tầm, thu

thập tài liệu được sử dụng để đánh giá tổng quan hiện trạng và các kinh nghiệm thiết

kế các công trình HQNL, đặc biệt đối với các chung cư cao tầng Tổng kết và kế thừa các kinh nghiệm kiến trúc HQNL thực tế ở trong nước và ở nước ngoài, chủ yếu là kinh nghiệm của các nước nhiệt đới nóng ẩm tương tự như nước ta Quan tâm đến các nghiên cứu, các quy chuẩn, tiêu chuẩn của các nước tiên tiến và có điều kiện khí hậu tương tự Việt Nam

(2) Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phương pháp phân tích và

tổng hợp lý thuyết được sử dụng để đánh giá các phương pháp tính bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu qua cửa kính có KCCN vào nhà ở trong nước và trên thế giới

Áp dụng các cơ sở khoa học về nhiệt và khí hậu kiến trúc, cụ thể là về trao đổi nhiệt bức xạ, về che nắng và chiếu nắng để thiết lập các công thức tính toán lượng nhiệt trực xạ mặt trời chiếu vào nhà đi qua cửa kính có KCCN ngang hữu hạn

(3) Phương pháp chuyên gia: Tham vấn, lấy ý kiến đóng góp của các chuyên

gia về nhiệt lạnh và nhiệt kiến trúc trong quá trình thành lập các công thức tính toán lượng nhiệt trực xạ mặt trời truyền vào nhà qua cửa kính có KCCN ngang hữu hạn cũng như trong quá trình xây dựng phương pháp tính toán hệ số HQNL lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

(4) Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Thiết lập các đồ thị, bảng số để tra

cứu hệ số HQNL lớp vỏ bao che của nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội thông qua phần mềm tính toán với sự thay đổi của các thông số đầu vào như: các loại KCCN, các kích thước KCCN, các hướng nhà khác nhau và tương ứng với các thời điểm tính toán khác nhau với sự trợ giúp của chuyên gia tin học

Sử dụng các bảng số, các biểu đồ để tính toán HQNL làm mát đối với kiến trúc lớp vỏ bao che của chung cư cao tầng ở Hà Nội là rất hiệu quả đối với các kiến trúc

sư cho việc xây dựng ý tưởng thiết kế ban đầu, tiệm cận với giá trị tính toán năng lượng của các phần mềm mô phỏng năng lượng trong các giai đoạn thiết kế sau này

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

 Ý nghĩa khoa học

- Đã thiết lập các công thức tính hệ số chiếu nắng để tính toán lượng nhiệt trực

xạ mặt trời chiếu vào nhà đi qua cửa kính có KCCN ngang hữu hạn; đã thiết lập công thức tính hệ số chiếu tán xạ bầu trời để tính toán lượng nhiệt tán xạ bầu trời chiếu vào nhà qua cửa kính có KCCN ngang hữu hạn trên cơ sở lời giải phương trình vi phân trao đổi nhiệt bức xạ giữa điểm tâm cửa sổ và KCCN do Phạm Ngọc Đăng thành lập

- Đề xuất khái niệm Hệ số HQNL lớp vỏ bao che công trình – K hqnl Đối với nhà chung cư cao tầng, hệ số K hqnl dùng để định lượng một cách tương đối HQNL làm mát khi thiết kế ý tưởng tổ hợp kiến trúc mặt đứng trong giai đoạn phác thảo ý tưởng ban đầu

- Nghiên cứu áp dụng cụ thể hóa vào điều kiện khí hậu Hà Nội các công thức tính toán lượng nhiệt BXMT truyền qua cửa kính vào nhà để xác định hệ số K hqnl đối với cửa kính có KCCN nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục, hình hộp và ngang hữu hạn với các kích thước khác nhau, ở các hướng nhà khác nhau, tương ứng với từng giờ của các ngày đặc trưng mỗi tháng trong mùa nóng ở Hà Nội

 Ý nghĩa thực tiễn

- Toàn bộ kết quả tính toán về các hệ số K hqnl đối với các cửa kính có KCCN với 4 hình thức phổ biến, 10 kích thước khác nhau, ở 8 hướng nhà khác nhau, đã được thiết lập thành các bảng số liệu cụ thể, các biểu đồ hiển thị dễ dàng sử dụng đối với người thiết kế để lựa chọn các giải pháp tổ hợp kiến trúc mặt đứng nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội phù hợp về HQNL mong muốn trong giai đoạn xây dựng ý tưởng

- Bổ sung lý thuyết cho thiết kế kiến trúc thụ động nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội Các công ty tư vấn kiến trúc, các kiến trúc sư có thể sử dụng kết quả nghiên cứu của đề tài để tham khảo và so sánh HQNL của các giải pháp tổ chức kiến trúc mặt đứng công trình khi thiết kế nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

9 Đóng góp sáng tạo mới của luận án

- Đã thiết lập các công thức tính hệ số chiếu nắng để tính toán lượng nhiệt trực

xạ mặt trời chiếu qua cửa kính có kết cấu che nắng ngang hữu hạn vào nhà và công thức tính hệ số chiếu tán xạ bầu trời để tính toán lượng nhiệt tán xạ bầu trời chiếu qua cửa kính có kết cấu che nắng ngang hữu hạn vào nhà

- Đã xây dựng được hệ thống lý luận để đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính HQNL lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội, bao gồm:

+ Đề xuất khái niệm Hệ số HQNL lớp vỏ bao che công trình - K hqnl Đối với nhà chung cư cao tầng, hệ số HQNL lớp vỏ bao che (K hqnl ) dùng để định lượng một cách tương đối hiệu quả năng lượng làm mát khi thiết kế ý tưởng

tổ hợp kiến trúc mặt đứng trong giai đoạn phác thảo ý tưởng ban đầu + Đề xuất phương pháp tính hệ số K hqnl của nhà chung cư cao tầng trên cơ sở các công thức tính lượng nhiệt BXMT (trực xạ và tán xạ) chiếu qua cửa kính

có KCCN vào nhà

- Đã đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động có liên quan trực tiếp đến hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội dựa trên kết quả phương pháp tính Hệ số K hqnl

10 Cấu trúc của luận án: Luận án bao gồm các chương mục sau (hình 02):

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan tình hình xây dựng chung cư cao tầng HQNL

Chương 2: Cơ sở khoa học kiến trúc thụ động theo phương pháp tính HQNL lớp

vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

Chương 3: Đề xuất các giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính HQNL

lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội

Kết luận

Phụ lục

Hình 01 Phương pháp luận nghiên cứu của luận án

Hình 02 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG NHÀ CHUNG CƯ CAO TẦNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

1.1 Ý nghĩa và tầm quan trọng của thiết kế - xây dựng công trình hiệu quả năng lượng

1.1.1 Thiết kế và xây dựng công trình hiệu quả năng lượng

Năng lượng có vai trò rất quan trọng đối với mọi hoạt động phát triển kinh tế,

xã hội và đời sống của con người Nó là nguồn động lực của tất cả các ngành sản xuất, cũng như của mọi hoạt động xã hội và là nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của mọi người Phát triển kinh tế - xã hội rất mạnh mẽ trên thế giới trong nửa cuối của thế kỷ 20 đã không kèm theo các giải pháp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững tương ứng, đã làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm, tài nguyên thiên nhiên ngày càng bị suy thoái và cạn kiệt, làm cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần dần cạn kiệt, đã gây ra nguy cơ khủng hoảng năng lượng, gây ra biến đổi khí hậu, đe dọa sự sinh tồn của cả loài người

Theo số liệu của World Bank và tài liệu [12] ngành xây dựng - kiến trúc có thể tiêu thụ tới khoảng 70% tổng sử dụng vật liệu tự nhiên, khoảng 40% tổng tiêu thụ năng lượng điện, và sản sinh ra khoảng 30% tổng lượng "khí nhà kính" của quốc gia Theo Báo cáo của Bộ Xây dựng [1], tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà dân dụng của nước ta năm 2003 chiếm 22,4% và đến năm 2014 chiếm khoảng 37 - 38% tổng mức tiêu thụ năng lượng của quốc gia Theo thông tin của Tập đoàn điện lực Việt Nam, tỷ lệ sử dụng điện trong công trình nhà ở và hành chính chiếm trên 88 %

tỷ lệ sử dụng điện trong các công trình xây dựng (bảng 1.1)

Luật “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”, số 50/2010/QH12, được ban hành năm 2010, đã đưa ra khái niệm cơ bản về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu

quả như sau: “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện

pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống”

Bảng 1.1 Sử dụng điện trong công trình xây dựng [nguồn: EVN]

Nghị định số 102/2003/NĐ-CP ngày 3/9/2003 của Chính phủ về sử dụng năng

lượng tiết kiệm và hiệu quả đã định nghĩa:“Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu

quả là sử dụng năng lượng một cách hợp lý, nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng,

giảm chi phí năng lượng cho hoạt động của các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng mà vẫn đảm bảo nhu cầu năng lượng cần thiết cho các quá trình sản xuất, dịch

vụ và sinh hoạt”

Vậy, thế nào là thiết kế và xây dựng công trình HQNL? Theo tiêu chuẩn ISO

23045:2008 [67]: "Thiết kế và xây dựng một công trình xây dựng có HQNL được xác định trước hết bằng các phương pháp tiếp cận toàn diện và tiến tới sử dụng các giải pháp thiết kế thụ động nhằm tiết kiệm sử dụng năng lượng trong sự đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng môi trường trong nhà cao nhất đối với các hệ thống thiết bị có liên quan, như là các hệ thống sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí (HVAC), hệ thống chiếu sáng, hệ thống cấp nước nóng và các hệ thống điều khiển liên quan và trong

đó, hệ thống HVAC là cần đáp ứng được những yêu cầu cao nhất”

Sử dụng năng lượng tiết kiệm và có hiệu quả đối với công trình xây dựng phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau:

(1) Các giải pháp kiến trúc thụ động giúp công trình có đủ khả năng ngăn ngừa lượng nhiệt truyền từ ngoài vào trong nhà và tận dụng thông gió tự nhiên, ánh sáng

tự nhiên để đảm bảo điều kiện tiện nghi môi trường vi khí hậu trong công trình; (2) Thiết kế hệ thống kỹ thuật như hệ thống thiết bị thông gió, ĐHKK, chiếu sáng điện và các hệ thống thiết bị khác để đảm bảo điều kiện tiện nghi môi trường vi khí hậu và đáp ứng chỉ tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm;

(3) Hành vi quản lý của người sử dụng công trình như là mở cửa sổ thông gió

tự nhiên, khi điều kiện khí hậu ngoài nhà tiện nghi và đặt nhiệt độ không khí trong nhà không quá thấp (không < 26 0 C) khi đóng cửa bật máy ĐHKK

Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh rằng trong ba yếu tố nêu trên thì yếu tố (1) và (2) là có tầm quan trọng hơn, có hiệu quả hơn đối với sử dụng hiệu quả và tiết kiệm

năng lượng trong công trình

Công trình nghiên cứu [78] cho thấy khi biến đổi các thông số thiết kế kiến trúc công trình, như thay đổi hướng và hình dạng công trình, mặt bằng, mặt cắt, thiết kế mặt đứng trong phạm vi hợp lý thì tiêu thụ năng lượng có thể biến đổi trong phạm vi

từ 1 đến 2,5 lần Nếu thay đổi các thông số hệ thống kỹ thuật như chiếu sáng hiệu quả, hiệu suất làm mát v.v thì phạm vi tiêu thụ năng lượng được mở rộng đến khoảng

5 lần Cuối cùng thì hành vi điều khiển sử dụng của con người có thể làm cho tổng cộng tác động làm tăng HQNL của hai biến trên lên tới 10 lần Tuy nhiên, các quyết định chiến lược trong giai đoạn đầu triển khai thiết kế công trình của kiến trúc sư là

vô cùng quan trọng đối với tiêu thụ năng lượng lâu dài và hiệu quả môi trường của công trình Có thể giải thích điều này theo hai lý do sau:

- Các thông số thiết kế kiến trúc ít có khả năng thay đổi Chỉ có cải tạo lớn mới

có thể làm được điều này, trong khi hệ thống kỹ thuật có thể được cải thiện và thay thế tương đối thường xuyên Và người sử dụng thông thái có thể thay đổi khiến cho công trình trở nên có HQNL hơn

- Ba yếu tố (thiết kế kiến trúc, hệ thống kỹ thuật, hành vi quản lý của người sử dụng) không hoạt động độc lập mà các chiến lược thiết kế kiến trúc HQNL có nhiều tiềm năng giúp cho hiệu suất năng lượng của hệ thống kỹ thuật tốt hơn và người sử

dụng thuận lợi hơn

1.1.2 Chỉ số đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của công trình

Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp và các chỉ số đã được đề xuất để giám sát và đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng trong các công trình xây dựng Điển hình là các chỉ số sau:

- Chỉ số công suất sử dụng BPI (Building Performance Index) - đánh giá HQNL

của các thiết bị được lắp đặt trong công trình

BPI = Tổng công suất thiết bị sử dụng (W)

Tổng diện tích sàn sử dụng (m2) ; (W/m 2 ) (1.1)

- Chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng – EEI (Energy Efficency Index) hay Chỉ

số năng lượng sử dụng của công trình – BEI (Building Energy Index) – so sánh mức

độ tiêu thụ năng lượng giữa các tòa nhà khác nhau Cách tính cơ bản EEI và BEI là: BEI = Tổng năng lượng sử dụng toàn bộ công trình trong năm (kWh/năm)

Tổng diện tích sàn sử dụng (m2) ; (kWh/m 2 /năm) (1.2) Cách tính chi tiết chỉ số EEI và BEI ở mỗi nước qui định khác nhau Điều quan trọng là giả thiết về số giờ hoạt động và diện tích sàn dùng để tính toán BEI, từ đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị BEI tính toán Hiện nay ở nước ta chưa có công trình nghiên cứu nào xác định được các chỉ số năng lượng sử dụng cơ sở (baseline) của công trình bằng bao nhiêu là công trình có HQNL Theo tài liệu [11] ở Malaysia đã đưa ra trị số BEI đối với công trình có mức HQNL trung bình là 136kWh/m 2 /năm, đối với công trình đạt mức HQNL tốt là 98kWh/m 2 /năm

Quy chuẩn của Cộng hòa Liên Bang Đức phân mức hiệu quả sử dụng năng lượng của công trình xây dựng như sau [84, 85]:

a) Công trình năng lượng thấp (low-energy building): mức tiêu hao năng lượng

sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 55 - 70kWh/m 2 /năm;

b) Công trình có HQNL (energy-efficient building): mức tiêu hao năng lượng

sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 15- 55kWh/m 2 /năm;

c) Công trình năng lượng thụ động (passive building): mức tiêu hao năng

lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 0 - 15kWh/m 2 /năm;

d) Công trình trung hòa năng lượng (zero-energy building): mức tiêu hao năng

lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 0 kWh/m 2 /năm;

e) Công trình phụ trội về năng lượng (plus energy building)

1.1.3 Chỉ số đánh giá hiệu quả năng lượng của lớp vỏ công trình – trị số OTTV

Mức độ nhiệt truyền vào nhà qua lớp vỏ công trình có ảnh hưởng quyết định đến môi trường vi khí hậu trong nhà và mức độ tiêu thụ năng lượng của hệ thống ĐHKK Để đánh giá mức độ nhiệt truyền vào nhà cũng như đánh giá HQNL của lớp

vỏ công trình, trị số truyền nhiệt tổng OTTV (Overal Thermal Transmission Value)

đã được đưa vào tiêu chuẩn ASHRAE 90.A1980 và được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ở các nước Đông Nam Á Trị số OTTV càng cao cho thấy mức độ tăng nhiệt bên trong công trình càng cao

Trị số truyền nhiệt tổng, theo ASHRAE 80.A - 1980, bao gồm tổng giá trị truyền nhiệt qua các bức tường và truyền nhiệt qua mái với phương trình cơ bản (1.3) ở dưới đây, trong đó giá trị truyền nhiệt qua tường được tính toán bằng tổng của giá trị truyền nhiệt qua phần tường đặc (phần kết cấu bao che không xuyên sáng) và giá trị truyền nhiệt qua cửa kính (phần kết cấu bao che xuyên sáng)

OTTV = TD eq (1 – WWR).U w + DT (WWR) U f + SF (WWR) SC; (W/m 2 ) (1.3)

Trong đó: TD eq – chênh lệch nhiệt độ tương đương, o K;

DT - chênh lệch nhiệt độ ngoài nhà ( o K);

sự tiêu hao năng lượng thiết kế kiến trúc rút ra từ mô hình tính toán trên máy tính không được cao hơn tiêu hao năng lượng kiến trúc có hình dạng tương đồng quy định Tại Việt Nam, quy chuẩn QCVN 09-2013/BXD đã quy định đối với tường OTTV T ≤ 60 W/m 2 và đối với mái OTTV M ≤ 25 W/m 2 [4]

1.2 Tình hình xây dựng công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới và

ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới

Trong những năm thập niên cuối cùng của thế kỷ 20, thế giới đã nhận thấy nguy

cơ ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu, suy thoái tài nguyên thiên nhiên, đe dọa cả

sự sinh tồn của cả loài người, Liên Hiệp Quốc đã phải tổ chức các Hội nghị Thượng đỉnh Thế giới để bàn về bảo vệ môi trường, phát triển bền vững Rất nhiều nước đã

tích cực đẩy mạnh phát triển kiến trúc năng lượng thấp, kiến trúc không tiêu hao năng lượng và phát triển kỹ thuật tiết kiệm năng lượng, xây dựng nhiều dự án công trình mẫu về sử dụng năng lượng hiệu quả và công trình xanh Có thể nói rằng xu hướng phát triển công trình tiết kiệm năng lượng luôn luôn đồng hành với xu hướng phát triển công trình xanh

Xu hướng phát triển công trình xanh được khởi đầu từ năm 1990 ở nước Anh

và năm 1991 ở Hoa Kỳ Năm 1993 trở thành trào xu hướng phát triển mạnh mẽ ở Hoa

Kỳ, Canada và một số nước phát triển khác Năm 1999, Chủ tịch Hội đồng công trình xanh Hoa Kỳ Richard Fedrizzi đã viết: “Cuộc Cách mạng công trình xanh đang diễn

ra ở mọi nơi, mọi lúc Nó đang làm biến đổi thị trường nhà đất và lối sống của cộng đồng dân cư Nó là một phần của cuộc Cách mạng phát triển bền vững rộng lớn, có thể làm biến đổi mọi thứ mà chúng ta đang có Cuộc cách mạng này làm thay đổi môi trường xây dựng bằng cách tạo ra hiệu quả sử dụng năng lượng, sức khỏe, các công trình hữu ích để giảm thiểu tác động tiêu cực đáng kể của công trình lên cuộc sống

đô thị và lên môi trường của địa phương, khu vực và toàn cầu”

Có thể nói rằng công trình tiết kiệm năng lượng là bước đi khởi đầu của phát triển công trình xanh, trong đó quan trọng nhất là các giải pháp bảo đảm chất lượng môi trường sống và sử dụng năng lượng tiết kiệm Theo đánh giá của LEED 2009

(Leadership in Energy and Environmental Design - Chỉ đạo thiết kế năng lượng và

môi trường) thuộc Hội đồng công trình xanh Hoa Kỳ đưa ra năm 1993, đã được nhiều nước trên thế giới tham khảo để xây dựng các tiêu chí và công nhận công trình xanh

của nước mình thì tiêu chí năng lượng và khí quyển (Energy and atmosphere) được đánh giá là 6 tín chỉ (Credit), đạt 35 điểm số/tổng số 110 điểm đánh giá công trình

xanh, như thể hiện trên hình 1.1

Ở một số nước như là Malaysia và Singapore, đã phát triển xu hướng kết hợp thiết kế công trình xanh với thiết kế công trình HQNL thành một thể thống nhất

Từ năm 2005 ASEAN đã tổ chức các cuộc thi hàng năm về “Công trình sử dụng năng lượng có hiệu quả” Những tòa nhà đoạt giải sẽ được tham gia dự thi và quảng

bá hình ảnh trong Hiệp hội ASEAN qua thương hiệu “Green Building” (Tòa nhà xanh) Năm 2006, khách sạn Continental, TP Hồ Chí Minh và năm 2007 là tòa nhà Diamond Plaza, TP Hồ Chí Minh, đoạt giải “Công trình sử dụng năng lượng có hiệu

quả” của Hiệp hội ASEAN Theo kết quả kiểm toán của Trung Tâm Tiết Kiệm Năng Lượng TP Hồ Chí Minh (ECC – Hồ Chí Minh) tháng 02/2008, khách sạn Continental tiết kiệm đến gần một tỷ đồng mỗi năm trên khoản chi trả hơn 2 tỷ đồng cho chi phí năng lượng (trong đó chi phí cho hệ thống máy ĐHKK, hệ thống chiếu sáng và nước nóng sinh hoạt là cao nhất, chiếm khoảng 89% tổng chi phí năng lượng trong toàn bộ

hệ thống thiết bị của tòa nhà)

Hình 1.1 Chỉ đạo thiết kế của LEED 2009 [nguồn: LEED Core Concepts and Strategies online course]

1.2.2 Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng ở một số nước trong

khu vực

1) Singapore

Quản lý sử dụng năng lượng hiệu quả trong công trình xây dựng ở Singapore

đã được quan tâm ngay sau khủng hoảng năng lượng thế giới vào những năm 1970 Tháng 8/1979 đã ban hành Hướng dẫn bảo tồn năng lượng trong các công trình kiến trúc, bao gồm các quy định về HQNL của thiết kế không gian kiến trúc, OTTV, chiếu sáng, thông gió, ĐHKK, đun nước nóng, v v…, Tất cả các công trình thương mại của Singapore đều đã phù hợp với tiêu chuẩn OTTV từ năm 1986

Hiện nay Singapore là nước dẫn đầu châu Á về phát triển công trình sử dụng năng lượng có hiệu quả và công trình xanh Năm 2005 Singapore ban hành Bộ tiêu chí đánh giá và công nhận công trình xanh (Green Mark) và năm 2006 đã xây dựng xong Kế hoạch Quốc gia về phát triển công trình xanh đến năm 2030 Thực hiện kế hoạch này, từ năm 2008 tất cả các công trình xây dựng mới hay cải tạo nâng cấp có diện tích từ 2000 m 2 trở lên đều được thiết kế và xây dựng theo tiêu chí công trình

6 tiêu chí thiết kế CÔNG TRÌNH XANH:

1 Địa điểm xây dựng bền vững: 26 điểm;

2 Hiệu quả sử dụng nước: 10 điểm;

3 Năng lượng và khí quyển: 35 điểm;

4 Tài nguyên và vật liệu: 14 điểm;

5 Chất lượng môi trường trong nhà: 15 điểm;

6 Sáng tạo trong thiết kế: 6 điểm;

7 Vấn đề ưu tiên của địa phương: 4 điểm

Cộng = 110 điểm

xanh Theo đó, đến năm 2030 tối thiểu 80% các công trình xây dựng (bằng vốn đầu

tư của nhà nước và tư nhân) phải đạt tiêu chí công trình xanh, tiết kiệm khoảng 35% năng lượng tiêu thụ so với năm 2005 [14, 101]

Khu nhà ở xã hội Punggol Eco – Town đạt chứng chỉ công trình xanh hạng Bạch kim đầu tiên đối với loại hình nhà ở Khu nhà này được hoàn thành và đưa vào sử dụng từ tháng 12/2010, gồm 7 tòa tháp 16 tầng quây quanh một khu vườn chung hai tầng có bãi đỗ xe (hình 1.2)

Hình 1.2 Khu nhà ở Punggol Eco-Town

Các giải pháp “xanh” đã được áp dụng như sau:

- Sử dụng phân tích mô phỏng môi trường gió để chọn hướng cho các khối nhà,

và để tránh ánh nắng mặt trời, giúp giảm “nhiệt độ công trình” Các căn hộ bố trí theo hướng gió chính là Đông Bắc để tối đa thông gió và ánh sáng tự nhiên, giảm nhu cầu

sử dụng ĐHKK

- Khu tầng 1 để trống và sân chơi sinh thái trên tầng hai đã giúp tạo lưu thông

gió, góp phần làm môi trường ngoài trời mát hơn

- Hành lang luôn được che nắng

- Sân thượng xanh giúp cách nhiệt mái tốt hơn, chống truyền nhiệt vào tầng phía

dưới Vườn cây trên mặt đứng và khu vườn chung hoạt động như một lá phổi xanh hấp thu nhiệt, góp phần giảm nhiệt độ môi trường và tạo bóng đổ cho đường chạy bộ, khu tập thể dục và sân chơi của trẻ em

- Mặt ngoài chung cư sơn màu trắng có hệ số phản xạ lớn, giảm bức xạ nhiệt

truyền vào nhà, giúp cho công trình mát mẻ và tận dụng ánh sáng tự nhiên Do các bức tường màu trắng sẽ rất nhanh bám bụi nên Chính phủ Singapore đã cho thử nghiệm một loại sơn tự làm sạch khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời

- Lắp đặt các thiết bị HQNL: thang máy, cảm biến chiếu sáng ở hành lang, trạm

sạc điện tại các bãi đậu xe

- Sử dụng năng lượng tái tạo: các tấm thu năng lượng mặt trời được đặt trên mái

của các chung cư cao tầng, cung cấp điện năng cho thang máy, chiếu sáng khu vực công cộng và máy bơm nước

- Hệ thống thu gom nước mưa, lưu trữ và phân phối nước mưa với áp lực cao

để vệ sinh các khu vực chung Điều này giúp giảm việc sử dụng nước sạch và giảm

sử dụng điện đối với máy bơm

2) Malaysia – Ken Yeang với những công trình tiết kiệm năng lượng

Các hoạt động nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng trong xây dựng nhà ở của Malaysia được bắt đầu từ thập kỷ 80 thông qua các hoạt động kiểm toán năng lượng Tháng 8/1986, Ban năng lượng Malaysia phối hợp với Ban tư vấn và nghiên cứu của một trường đại học địa phương soạn thảo những yêu cầu về hiệu suất năng lượng là một phần của “Luật nhà ở đồng bộ” Nội dung chính về ĐHKK, chiếu sáng, lớp vỏ công trình Công việc này đã được trợ giúp của dự án ASEAN - Hoa Kỳ về chống tổn thất, lãng phí năng lượng trong các tòa nhà do Cơ quan phát triển quốc tế của Hoa

Kỳ phối hợp với phòng thí nghiệm LARENCE ở California hỗ trợ Tháng 12/1989, Chính phủ Malaysia ban hành “Hướng dẫn về HQNL trong các công trình xây dựng” [14]

Trên lĩnh vực thiết kế “kiến trúc xanh, kiến trúc tiết kiệm năng lượng” ở

Malaysia không thể không nhắc tới kiến trúc sư Ken Yang Ken Yang bảo vệ luận án tiến sĩ tại trường Đại học Cambridge về môi trường ứng dụng trong thiết kế xây dựng Ken Yeang thiên về thiết kế nhà cao tầng, với lý do là giải pháp này tiết kiệm được năng lượng tiêu thụ và dễ tạo những điều kiện để con người có thể tiếp xúc với thiên nhiên ngay cả ở những tầng cao chót vót Quan điểm này dựa trên nguyên tắc sinh thái tuần hoàn là một xu thế tất yếu trong thiết kế kiến trúc với nguyên tắc lấy con người làm trung tâm, nâng cao tối đa hiệu suất sử dụng năng lượng và vật liệu cũng như giảm ô nhiễm môi trường trong quá trình xây dựng, khai thác và sử dụng công trình

Đối với nhà cao tầng, Ken Yeang quan tâm đến các vấn đề chủ yếu sau [69, 70]:

+ Chọn hướng nhà tối ưu và bố trí mặt bằng thích hợp tự bản thân đã là giải

pháp tiết kiệm năng lượng Nếu công trình quay về hướng đón gió mát mùa hè, đón được nắng ấm buổi sáng, tránh gió lạnh mùa đông và nắng gắt về chiều thì không cần phải sử dụng nhiều đến các thiết bị hỗ trợ chất lượng không khí và điều kiện tiện nghi nhiệt bên trong công trình được đảm bảo

+ Thông gió tự nhiên cần được coi trọng vì gió là nguồn năng lượng quan trọng,

giảm thiểu được yêu cầu thông gió cơ giới và ĐHKK (hình 1.3) Sử dụng bản đồ hoa gió có thể xác định hình thức mặt bằng tầng nhà và tường ngoài của kiến trúc sao cho

có lợi về phương diện thông gió tự nhiên và có hiệu quả hạ thấp nhiệt độ Không khí trong thành phố thường bị ô nhiễm nghiêm trọng nên khi thông gió tự nhiên thường phải đưa không khí qua hệ thống lọc rồi mới đưa vào phòng để đảm bảo chất lượng môi trường bên trong

Hình 1.3 Thông gió tự nhiên có thể áp dụng cho mọi vùng khí hậu [69]

+ Sử dụng hợp lý ánh sáng tự nhiên: giảm chiều sâu mặt bằng tầng nhà để tận

dụng ánh sáng tự nhiên, tiết kiệm ánh sáng nhân tạo Các bộ phận phản xạ ánh sáng

có thể được sử dụng để phản xạ các tia sáng, tuy chúng không thể nâng cao chất lượng ánh sáng nhưng có thể cải thiện tình hình phân bố ánh sáng trong phòng Chỉ có thể đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng khi sử dụng hợp lý hệ thống chiếu sáng phối hợp đồng bộ với hệ thống tự động hóa thiết bị tiện nghi, sử dụng thiết bị khống chế theo khu vực và cảnh quan môi trường

+ Các biện pháp làm giảm nhiệt độ môi trường: thiết kế cảnh quan theo phương

thẳng đứng cũng là một biện pháp quan trọng Đó là nguyên tắc của thiết kế sinh khí hậu trong thiết kế sinh thái, đưa cây xanh vào công trình (hình 1.4) Cây xanh có tác dụng che nắng cho không gian bên trong phòng và tường ngoài, đồng thời giảm phản

xạ nhiệt và chói lóa từ bên ngoài vào phòng Tác dụng bốc hơi giảm nhiệt của cây

xanh có thể được sử dụng như thiết bị làm mát có hiệu quả ở ngoài mặt nhà và cải thiện vi khí hậu công trình

Hình 1.4 Cây xanh trong Toà nhà JA Tower, Kuala Lumpur, Malaysia [69]

Nhiều văn bản pháp luật về công trình xanh, kiến trúc xanh đã được ban hành: (1) “Tiêu chuẩn đánh giá kiến trúc xanh”

(2) “Sổ tay đánh giá kỹ thuật nhà ở sinh thái Trung Quốc”

(3) “Hệ thống đánh giá kiến trúc xanh Olympic”, GOBAS Hệ thống đánh giá

kiến trúc xanh GOBAS được ban hành năm 2003 ở Trung Quốc

Các Quy phạm kỹ thuật mang tính cưỡng chế đã thúc đẩy sự tiến bộ của kiến trúc tiết kiệm năng lượng tại Trung Quốc Các công trình kiến trúc xây mới cơ bản đều thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế tiết kiệm năng lượng hiện hành Đến cuối năm

2006, những hạng mục công trình tại các địa phương có tỷ lệ thiết kế theo Tiêu chuẩn thiết kế tiết kiệm năng lượng trong giai đoạn thiết kế đã đạt 95,7%, trong giai đoạn thi công là 53,8% Khu dân cư Dục Phong – Anh Luân, Nam Ninh, Quảng Tây và làng Olympic, Bắc Kinh là những khu ở xanh - tiết kiệm năng lượng điển hình ở Trung Quốc

Khu dân cư Dục Phong – Anh Luân, Nam Ninh, Quảng Tây (hình 1.6) hoàn thành vào 5/2010 với các giải pháp kiến trúc thụ động như sau [45]:

- Quy hoạch: Dựa trên phân tích bức xạ và biểu đồ mặt trời rồi tiến hành quy hoạch vị trí công trình kiến trúc, điều chỉnh khoảng cách giữa các công trình để đạt được mục đích: tất cả các hộ trong khu dân cư trong ngày Đông chí đều có BXMT trong 1 giờ Phân tích giả định môi trường gió, điều chỉnh hướng và góc của công trình, tối ưu bố cục quy hoạch toàn khu, chọn hướng để công trình có gió xuyên phòng đạt hiệu quả thông gió tự nhiên và cản gió Đông Bắc vào mùa đông

Hình 1.5 Tổng thể dự án khu dân cư Dục Phong - Anh Luân [45]

- Tối ưu hóa thiết kế căn hộ: bố trí hợp lý vị trí và kích thước cửa ra vào và cửa

sổ phía Nam - Bắc, tạo gió xuyên phòng; tính toán kích thước diện tích thông gió của cửa hút gió và cửa thoát gió để quyết định tốc độ gió trong nhà, đảm bảo tốc độ gió

ổn định và trường gió lưu động cân bằng trong nhà, nâng cao độ dễ chịu của con người Phân tích giả định thiết kế chiếu sáng tự nhiên để điều chỉnh thiết kế căn hộ, đảm bảo chiếu sáng tự nhiên có thể đáp ứng nhu cầu hoạt động trong nhà, tiết kiệm điện, nâng cao môi trường thị giác Các khu vệ sinh đều được thiết kế cửa thông gió

và lấy ánh sáng tự nhiên

- Hệ thống che nắng hợp lý: Quảng Tây nằm ở vĩ độ gần giống như Hà Nội nên vấn đề che nắng là mấu chốt trong việc tiết kiệm năng lượng và cải thiện môi trường nhiệt trong nhà Dự án sử dụng hình thức cửa sổ có tấm chắn nắng có thể điều chỉnh, được lắp phía trong cửa kính hợp kim nhôm, kính 2 lớp và có lớp chân không

Khu ở tiết kiệm năng lượng - sinh thái xanh: Làng Olympic, Bắc Kinh hoàn

thành vào tháng 12/2010 với các giải pháp công nghệ tiết kiệm năng lượng - sinh thái

xanh tiên tiến dưới đây [45]:

- Sử dụng hệ thống nước nóng sinh hoạt cung cấp bằng năng lượng mặt trời

Toàn khu dân cư (2000 hộ) sử dụng hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tập trung với lò đun bằng khí là nguồn cung cấp nhiệt phụ trợ Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng kỹ thuật đường ống chân không, được lắp đặt nằm ngang tại vườn hoa trên mái nhà (6000m 2 ), lồng ghép tự nhiên vào trong cảnh quan vườn hoa

Hình 1.6 Tổng thể làng Olimpic, Bắc Kinh [45]

Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng hệ thống khống chế tự động, thông qua việc đo nhiệt độ, lưu lượng, cường độ mặt trời chiếu sáng tại những điểm khác nhau, thu thập dữ liệu, phản hồi thông tin trở lại cho những thiết bị vận hành như máy bơm tuần hoàn, lò nấu, van điện tự động để thực hiện khống chế khu vực, khống chế giữ nhiệt trong thùng nước, khống chế trao đổi nhiệt, khống chế tiêu độc nhiệt, khống chế phòng chống đóng băng, khống chế phòng chống quá nóng

- Lấy nhiệt độ trong nước tái sinh của xưởng xử lý nước thải sông Thanh để cung cấp nhiệt vào mùa đông và làm mát vào mùa hè cho khu ở, có thể tiết kiệm 26%