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

ii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ĐO vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN x xv PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài luận án Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Phạm vi đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp tiếp cận Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Đóng góp luận án 10 Cấu trúc luận án PHẦN NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG CHUNG CƯ CAO TẦNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG 1.1 Ý nghĩa tầm quan trọng thiết kế - xây dựng cơng trình hiệu lượng 1.1.1 Thiết kế xây dựng cơng trình hiệu lượng 1.1.2 Chỉ số đánh giá hiệu sử dụng lượng cơng trình 11 1.1.3 Chỉ số đánh giá hiệu lượng lớp vỏ cơng trình – trị số 12 OTTV 1.2 Tình hình xây dựng cơng trình hiệu lượng giới 13 iii Việt Nam 1.2.1 Tình hình phát triển cơng trình hiệu lượng giới 13 1.2.2 Tình hình phát triển cơng trình hiệu lượng số nước 15 khu vực 1.2.3 Tình hình phát triển cơng trình hiệu lượng Việt Nam 22 1.3 Thực trạng xây dựng chung cư cao tầng theo hướng hiệu 24 lượng Hà Nội Nhận xét giải pháp thiết kế cơng trình hiệu lượng 1.4 31 Việt Nam 1.5 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan 32 1.5.1 Các đề tài nghiên cứu khoa học 32 1.5.2 Các luận án tiến sỹ kiến trúc 34 1.6 Những vấn đề luận án cần nghiên cứu 37 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 2.1 Cơ sở pháp lý 39 2.2 Cơ sở khí hậu Hà Nội 41 2.3 Cơ sở lý thuyết 46 2.3.1 Lý thuyết thiết kế kiến trúc chung cư cao tầng 46 2.3.2 Cơ sở tiện nghi môi trường kiến trúc nhà 49 2.3.3 Các nguyên lý thiết kế kiến trúc thụ động phù hợp với khí hậu Hà 57 Nội 2.3.4 Các phương pháp tính tổng lượng nhiệt BXMT chiếu qua cửa kính 71 có KCCN vào nhà 2.4 Cơ sở thực tiễn 2.4.1 Kinh nghiệm thiết kế tích hợp kiến trúc lớp vỏ bao che 80 80 lượng mặt trời giới 2.4.2 Kinh nghiệm kiến trúc phù hợp với khí hậu Việt Nam 2.5 Một số yếu tố tác động đến thẩm mỹ kiến trúc lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng 81 85 iv 2.5.1 Đặc điểm hình thức thẩm mỹ 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 cơng trình hiệu 89 lượng 3.2 Đề xuất khái niệm nghiên cứu phương pháp tính tốn hệ số hiệu 91 lượng lớp vỏ bao che 3.2.1 Đề xuất khái niệm hệ số hiệu lượng lớp vỏ bao che 91 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp tính hệ số hiệu lượng lớp vỏ bao 93 che (Khqnl) nhà chung cư cao tầng Hà Nội 3.3 Các giải pháp kiến trúc thụ động sở kết tính tốn hệ số hiệu 119 lượng lớp vỏ bao che 3.3.1 Lựa chọn hướng hình dạng nhà bảo đảm chế độ thơng gió tự 121 nhiên đạt hiệu cao 3.3.2 Tổ chức kiến trúc mặt đứng hiệu lượng 124 3.3.3 Cách nhiệt tốt cho lớp vỏ bao che, đặc biệt mái tường hướng Tây, 133 Tây Bắc, Tây Nam 3.3.4 Tích hợp kiến trúc lớp vỏ bao che hệ thống khai thác lượng 136 BXMT 3.4 Bàn luận kết nghiên cứu 3.4.1 Thiết kế kiến trúc thụ động kết hợp khoa học vật lý kiến 138 138 trúc thiết kế sáng tác kiến trúc 3.4.2 Sự khác biệt phương pháp thiết kế KCCN luận án 139 phương pháp thiết kế KCCN theo vùng hiệu che nắng 3.4.3 Hạn chế kết nghiên cứu 141 3.4.4 Khả áp dụng kết nghiên cứu luận án 141 vùng khí hậu khác KẾT LUẬN 143 v NHỮNG CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 147 LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO 149 PHỤ LỤC Phụ lục 2.1 Cường độ tán xạ, tổng xạ mặt ngang trực xạ PHỤ LỤC - mặt đứng trung bình biến thiên ngày đặc trưng tháng mùa nóng Hà Nội (số liệu quan trắc thực tế từ 1996 - 2005) Phụ lục 2.2 Phương pháp tính hệ số Kcn Kbt KCCN PHỤ LỤC - nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục hình hộp Phạm Ngọc Đăng Phụ lục 3.1 Chi tiết tính tốn thử nghiệm chung cư 17T10 PHỤ LỤC - 16 Phụ lục 3.2 Nghiên cứu đề xuất cơng thức tính hệ số chiếu nắng PHỤ LỤC - 23 (Kcn.ov) hệ số chiếu tán xạ bầu trời (Kbt.ov) cửa kính có KCCN ngang hữu hạn Phụ lục 3.3 Hệ số chiếu nắng (Kcn.ov) cửa kính với loại KCCN PHỤ LỤC - 40 nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục, hình hộp ngang hữu hạn có kích thước Lng/H, Lđ/B, Lov/H = từ 0.1 đến 1.0, quay hướng, biến thiên theo ngày đặc trưng tháng Hà Nội Phụ lục 3.4 Sơ đồ khối chương trình tính tốn PHỤ LỤC - 50 Phụ lục 3.5 Các hệ số hiệu lượng kiến trúc Khqnl trung bình PHỤ LỤC - 51 tháng mùa nóng, tháng nóng (6,7,8), mùa nóng (5, 6, 7, 8, 9) loại KCCN nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục, hình hộp ngang hữu hạn với 10 loại kích thước khác nhau, hướng Hà Nội Phụ lục 3.6 Hướng dẫn sử dụng Mã nguồn chương trình tính tốn PHỤ LỤC - 58 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASHRAE Hiệp hội kỹ sư điều hịa khơng khí, làm lạnh, sưởi ấm Hoa Kỳ ASEAN Hiệp hội nước Đông Nam châu Á BXMT Bức xạ mặt trời B Bắc CET Nhiệt độ hiệu hiệu chỉnh ĐHKK Điều hịa khơng khí Đ Đơng ĐN Đơng Nam ĐB Đơng Bắc HVAC Hệ thống điều hịa khơng khí, thơng gió, cấp nhiệt HQNL Hiệu lượng IFC-WB Tổ chức tài quốc tế Ngân hàng Thế giới ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế KCCN Kết cấu che nắng N Nam NCS Nghiên cứu sinh OTTV Chỉ số tổng truyền nhiệt qua kết cấu bao che PMV Chỉ số biểu dự báo trung bình TP Thành phố T Tây TN Tây Nam TB Tây Bắc VKH Vi khí hậu UNDP Chương trình phát triển Liên Hiệp Quốc USAID Cơ quan phát triển quốc tế Hoa Kỳ WB Ngân hàng Thế giới vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ĐO SC Hệ số che nắng SHGC Hệ số hấp thụ nhiệt kính WWR Tỷ lệ diện tích cửa sổ/diện tích mặt tường bao che VLT Hệ số xuyên sáng kính Ro Tổng nhiệt trở kết cấu bao che – m2K/W Uo Hệ số tổng truyền nhiệt – W/m2.K t Nhiệt độ không khí - oC φ Độ ẩm tương đối - % v Tốc độ gió - m/s Io Cường độ xạ tổng cộng mặt trời – W/m2 Sđ Cường độ trực xạ mặt trời chiếu mặt đứng – W/m2 Sng Cường độ trực xạ mặt trời chiếu mặt ngang – W/m2 Dđ Cường độ tán xạ bầu trời chiếu mặt đứng – W/m2 Dng Cường độ tán xạ bầu trời chiếu mặt ngang – W/m2 α Hệ số hấp thụ xạ λ Hệ số dẫn nhiệt vật liệu – W/m.K μ Hệ số tắt dần ht; hn Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu mặt trong, mặt - W/m2.K Kcn Hệ số chiếu nắng cửa kính có kết cấu che nắng Kbt Hệ số chiếu tán xạ bầu trời cửa kính có kết cấu che nắng Fcs Diện tích cửa kính - m2 Ft,m Diện tích tường, mái - m2 Qt,m Lượng nhiệt trung bình ngày truyền qua tường hay mái - W Qcs Lượng nhiệt truyền qua cửa kính - W viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sử dụng điện cơng trình xây dựng 10 Bảng 1.2 Phân tích số mẫu hộ 2, phòng ngủ chung cư 29 cao tầng số khu đô thị Hà Nội Bảng 2.1 Dữ liệu khí hậu Hà Nội theo Quy chuẩn 02: 2009/BXD 41 Bảng 2.2 Kết gia công trị số BXMT từ số liệu quan trắc thực tế Hà 44 Nội Bảng 2.3 Tỷ lệ trực xạ mặt trời chiếu mặt đứng hướng T, TB, 44 TN so với trực xạ chiếu mặt đứng hướng Đ, ĐB, ĐN Bảng 2.4 Tỷ lệ tán xạ/tổng xạ (Dng/Ing) mặt nằm ngang (%) biến thiên 45 theo tháng Bảng 2.5 Tỷ lệ tán xạ/tổng xạ (Dđ/Iđ) mặt thẳng đứng (%) biến thiên 45 theo hướng nhà tháng mùa nóng (5,6,7,8,9) Bảng 2.6 Cảm giác nhiệt người Việt Nam 51 Bảng 2.7 Hệ số độ rọi ánh sáng tự nhiên phòng nhà 56 Bảng 2.8 Kích thước tối ưu BXMT nhà hình chữ nhật tích khác 58 quay hướng Bắc – Nam cho Hà Nội Bảng 2.9 Hiệu KCCN làm giảm % tổng lượng tiêu thụ 69 cơng trình giảm thiểu % lượng tiêu thụ làm lạnh hệ thống ĐHKK Bảng 3.1 Tổng BXMT (Io, W/m2) chiếu tới mặt nhà, trung bình từ 6h đến 95 18h tháng mùa nóng Hà Nội Bảng 3.2 Các đường phân giới phân chia bề mặt cửa kính thành phạm vi khác Bảng 3.3 Hình thù diện tích phần kính cửa sổ bị chiếu nắng hay che 100 râm KCCN ngang hữu hạn xảy trường hợp khác 102 103 101 Bảng 3.4 Kcn tháng Hà Nội cửa kính có KCCN khác 107 Bảng 3.5 Kết tính tốn hệ số chiếu tán xạ bầu trời (Kbt) cửa 108 kính có kiểu kích thước đua KCCN khác Bảng 3.6 Biến thiên hệ số Khqnl trung bình mùa nóng phụ thuộc vào hình thức, kích thước KCCN hướng nhà 118 ix Bảng 3.7 Đề xuất hướng nhà tốt cho nhà chung cư cao tầng Hà Nội 122 Bảng 3.8 Đề xuất chiều rộng B tối đa nhà chung cư cao tầng 124 Bảng 3.9 Tìm nhiệt trở yêu cầu tường hướng Tây 134 Bảng 3.10 Tìm nhiệt trở yêu cầu tường hướng Tây Bắc 134 Bảng 3.11 Tìm nhiệt trở yêu cầu tường hướng Tây Nam 135 Bảng 3.12 Biến thiên nhiệt trở nhiệt trở yêu cầu theo chiều dày kết cấu 135 Bảng 3.13 Các ví dụ cấu tạo tường mái cách nhiệt tốt 136 x DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 0.0 Khái niệm kiến trúc thụ động xvi Hình 01 Phương pháp luận nghiên cứu luận án Hình 02 Sơ đồ cấu trúc chi tiết luận án Hình 1.1 Chỉ đạo thiết kế LEED 2009 15 Hình 1.2 Khu nhà Punggol Eco-Town 16 Hình 1.3 Thơng gió tự nhiên áp dụng cho vùng khí hậu 18 Hình 1.4 Cây xanh Tồ nhà JA Tower, Kuala Lumpur, Malaysia 19 Hình 1.5 Tổng thể dự án khu dân cư Dục Phong - Anh Luân 20 Hình 1.6 Tổng thể làng Olimpic, Bắc Kinh 21 Hình 1.7 Chung cư Bridgeview 23 Hình 1.8 Các tịa nhà 17T1, 17T2, 17T3 khu thị Trung hịa Nhân 28 Hình 1.9 Khu thị Royal City, Nguyễn Trãi 28 Hình 1.10 Mặt đứng hướng Tây chung cư Imperia Garden – Trung hịa 28 Nhân Hình 1.11 Mặt đứng tồn kính chung cư Keagnam Hanoi Landmark 28 Tower, Mỹ Đình Hình 1.12 Nhà chung cư cao tầng Dolphin Plaza – Mỹ Đình 29 Hình 1.13 Tổ hợp nhà chung cư cao tầng Mulberry lane – Mỗ Lao 30 Hình 1.14 Tổ hợp hộ Ecolife Capitol – Tố Hữu, Nam Từ Liêm 31 Hình 2.1 Biểu đồ chuyển động biểu kiến mặt trời Hà Nội 42 Hình 2.2 Hoa gió Hà Nội 42 Hình 2.3a Biểu đồ trực xạ mặt trời chiếu mặt đứng tổng xạ, 43 tán xạ chiếu mặt ngang tháng Hà Nội Hình 2.3b,c,d,e Biểu đồ trực xạ mặt trời chiếu mặt đứng tổng 43 xạ, tán xạ chiếu mặt ngang tháng 6,7,8,9 Hà Nội Hình 2.4 Các mặt chung cư cao tầng kiểu nhà tháp 46 Hình 2.5a Mặt kiểu hành lang bên 46 Hình 2.5b Mặt kiểu lang 46 Hình 2.5c Mặt kiểu đơn nguyên 46 xi Hình 2.6 Chung cư Copenhagen’s Malleable Sky village - Rodovre 47 Hình 2.7 Chung cư Interlace, Singapore 47 Hình 2.8 Sơ đồ quan hệ chức hộ 48 Hình 2.9 Vùng tiện nghi đề xuất cho người Việt Nam biểu đồ nhiệt ẩm 52 Hình 2.10: Dải nhiệt độ tổng hợp tiện nghi kiến nghị cho Hà Nội 52 Hình 2.11 Phân bố t-φ Hà Nội 53 Hình 2.12 Biểu đồ sinh khí hậu xây dựng Việt Nam 54 Hình 2.13 Thời gian cần làm mát Hà Nội 54 Hình 2.14 Số liệu liệu thời tiết Hà Nội biểu đồ psychrometric 55 áp suất khí chuẩn (101,325 kPa) vùng tiện nghi nhiệt Hình 2.15 Vùng tiện nghi theo trạng thái tự nhiên vùng tiện nghi áp 55 dụng giải pháp thơng gió tự nhiên với vmax = 1m/s 12 tháng Hà Nội Hình 2.16 Biểu đồ phân bố độ rọi ngang khuếch tán Hà Nội 57 Hình 2.17a: Biến thiên tổng xạ trực tiếp (kcal/m2.ngày) chiếu mặt 58 đứng tháng 6, tháng tháng phụ thuộc vào hướng nhà Hà Nội Hình 2.17b Hướng nhà có lợi thơng gió khu vực Hà Nội 58 Hình 2.18 So sánh số tiêu hao lượng loại hình khối nhà 60 cao tầng Hình 2.19 Phân tích thơng gió theo phương án hình dạng hướng cơng 61 trình độ cao 1,5m tổng mặt Hình 2.20 Sơ đồ phân vùng không gian sử dụng hộ 61 Hình 2.21a Thơng gió áp lực khí động 62 Hình 2.21b Thơng gió áp lực nhiệt 62 Hình 2.22 Nhu cầu lượng tải làm mát cao điểm phụ thuộc hệ số 64 hấp thụ nhiệt xạ bề mặt ngồi nhà Hình 2.23 Hiệu cách nhiệt khác (nhiệt trở R khác nhau) xếp 65 vị trí lớp khơng khí lưu thơng khác mái nhà Hình 2.24a Che nắng bên ngồi 67 Hình 2.24b Che nắng bên 67 Hình 2.24c Che nắng đặt lớp kính 67 PHỤ LỤC - 94 KcnovTayBac[c, j] = Math.Round(1 + aH - scaleArr[cnt] * (Math.Tan(h[c, j] * (Math.PI / 180)) / Math.Abs(Math.Cos(gamaTayBac[c, j] * (Math.PI / 180)))), 3); } else { goto buoc4; } } else { goto buoc4; } buoc4: if (Math.Abs(Math.Tan(gamaTayBac[c, j] * (Math.PI / 180))) = + aH) { KcnovTayBac[c, j] = 0; } else { goto buoc5; } } else { goto buoc5; } buoc5: if (scaleArr[cnt] * (Math.Tan(h[c, j] * (Math.PI / 180)) / Math.Abs(Math.Cos(gamaTayBac[c, j] * (Math.PI / 180)))) >= + aH) { //sửa theo công thức gửi ngày 29/05 if ((cG * scaleArr[cnt] * Math.Tan(h[c, j] * (Math.PI / 180))) / ((1 + aH) * Math.Abs(Math.Cos(gamaTayBac[c, j] * (Math.PI / 180))))