Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam
MỤC LỤC
Vấn đề môi trường toàn cầu và các phong trào phát triển bền vững Hiện nay thế giới đang đối diện với hai vấn đề lớn: Sự cạn kiệt nguồn năng
Trong các tiêu chuẩn đánh giá tính bền vững của công trình kiến trúc, hiệu quả năng lượng luôn chiếm tỉ trọng cao nhất, cho thấy năng lượng là vấn đề cần được quan tâm hàng đầu hiện nay.
Xu hướng kiến trúc hiệu quả năng lượng trên thế giới
Hệ thống đánh giá công trình xanh Lotus được xây dựng trên cơ sở tham khảo các hệ thống tiêu chí công trình xanh khác nhau trên thế giới của Hội đồng Công trình xanh Việt Nam (Vietnam Green Building Council - VGBC). Hệ thống Chứng nhận Lotus có khả năng áp dụng cho toàn bộ các loại hình dự án xây dựng và có các chứng nhận khác nhau tương ứng với từng loại hình công trình.
Các vấn đề về năng lượng tại Việt Nam
- LEED India – Bộ tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh phiên bản LEED của Ấn Độ. - BREEAM Gulf, BREEAM Europe – Bộ tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh phiên bản BREEAM của các nước vùng Vịnh và Châu Âu.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu 1: Đánh giá hiệu quả năng lượng cho thể loại công trình văn phòng cao tầng dưới tác động đồng thời của ba yếu tố: Thông gió tự nhiên – Chiếu sáng tự nhiên – Điều hoà không khí, thay vì chỉ đánh giá riêng rẽ từng yếu tố, không đặt trong mối quan hệ tương hỗ với nhau;. Mục tiêu 3: Xây dựng bộ công cụ đánh giá nhanh hiện trạng công trình có sẵn hoặc đang thiết kế, để từ đó đánh giá mức độ hiệu quả năng lượng mà công trình đạt được, sau đó đưa ra các giải pháp để nâng cao hiệu quả năng lượng cho công trình.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Lựa chọn các trường hợp điển hình về khu vực khí hậu và công trình văn phòng tại các địa điểm cụ thể để áp dụng các giải pháp thiết kế cũng như đánh giá hiệu quả năng lượng đạt được, từ đú làm rừ thờm nội dung nghiờn cứu. Thêm vào đó là việc lựa chọn các mức độ khác nhau cho từng giải pháp, từng điều kiện cụ thể để có cơ sở so sánh, đối chiếu mức độ hiệu quả đạt được trong quá trình mô phỏng để chứng minh cho tính hợp lý của giải pháp đưa ra.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi về quy chuẩn, quy chế
- Tham khảo thêm kinh nghiệm thiết kế của một số nước tiên tiến trên thế giới. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ LỚP VỎ BAO CHE HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHềNG CAO TẦNG.
Ý nghĩa và tầm quan trọng của công trình hiệu quả năng lượng 1. Thực trạng tiêu thụ năng lượng trên thế giới và Việt Nam
Theo tiêu chuẩn ISO 23045:2008: "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” [8]. Tại Việt Nam, quy chuẩn QCVN 09:2017/BXD “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả” do Viện Kỹ thuật Xây dựng (Hội Kết cấu và Công nghệ Xây dựng Việt Nam) [10] cập nhật những quy định về phạm vi và mức độ áp dụng là công cụ pháp lý mới nhất liên quan đến vấn đề hiệu quả năng lượng công trình xây dựng. Quy chuẩn này quy định những yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân theo khi thiết kế, xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình với tổng diện tích sàn từ 2500 m2 trở lên thuộc các loại hoặc hỗn hợp các loại công trình dưới như:. Những quy định trong quy chuẩn này được áp dụng cho các bộ phận cụ thể:. 2) Hệ thống thông gió và điều hòa không khí;. 4) Các thiết bị điện khác (động cơ điện; hệ thống cấp nước nóng).
Tình hình thiết kế và xây dựng công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới và Việt Nam
Khoảng lùi giật sâu còn tạo bóng đổ che nắng cho các không gian nội thất gần kề, vốn được sử dụng diện tích kính rất lớn đặc trưng của các văn phòng (Hình 1.6). Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng ở Việt Nam a) Xu hướng thiết kế theo tiêu chí xanh/hiệu quả năng lượng. Công trình xanh đã, đang và sẽ tiếp tục phát triển, trở thành xu hướng tất yếu của kiến trúc thế giới với những ưu việt về sử dụng hiệu quả năng lượng và tài nguyên, giảm chi phí vận hành công trình, giảm thiểu tác động tới môi trường sinh thái trong khi vẫn đảm bảo điều kiện tiện nghi cho người sử dụng,…. Hoà chung với xu hướng chung của nhân loại, bắt đầu từ năm 2007 Việt Nam đã được giới thiệu và tiếp cận kiến trúc xanh với sự ủng hộ từ chính phủ và sự phối hợp, hỗ trợ từ các tổ chức quốc tế. Mặc dù với thời gian gần hai thập kỷ, cùng với đó là số lượng rất nhiều các công trình mới được xây dựng, tuy nhiên số lượng công trình được chứng nhận là công trình xanh/bền vững là rất khiêm tốn với chỉ gần 100. Ngoài lý do về chính sách khuyến khích và quan ngại của chủ đầu tư về tăng thêm. chi phí đầu tư, thì việc thiếu các quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng làm nền tảng, chính sách ràng buộc khi cấp phép là những nguyên nhân cản trở sự phát triển công trình xanh ở Việt Nam. Bên cạnh đó, cũng cần thiết có những nghiên cứu chuyên sâu đóng vai trò định hướng và đề ra các giải pháp tham khảo cho đội ngũ kiến trúc sư; những công trình điển hình cũng thực sự cần thiết trong bối cảnh phát triển mạnh trên tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là cơ sở hạ tầng. b) Các cuộc thi công trình hiệu quả năng lượng. Toà nhà FPT Complex là một trong những công trình văn phòng đầu tiên được chứng nhận bởi hệ thống đánh giá này (Hình 1.7). Tòa nhà FPT Complex Đà Nẵng đạt chứng nhận EDGE của IFC [Nguồn: https://fptcity.vn/]. Tòa nhà Văn phòng FPT là khu phức hợp toạ lạc tại khu đô thị FPT City, thành phố Đà Nẵng. Công trình được thiết kế dành cho khoảng 10.000 nhân viên sản xuất phần mềm của FPT Software trong tương lai. Tòa nhà được thiết kế với các giải pháp tiết kiệm tài nguyên và hiệu quả năng lượng, đặc biệt là việc sử dụng hệ thống thu gom và xử lý nước thải, hệ thống thu hồi nước mưa, hệ thống ĐHKK và chiếu sáng hiệu suất cao. mức tiêu thụ nước và tiết kiệm khoảng 20% vật liệu. d) Tình hình thực hiện QCVN về các xây dựng công trình sử dụng năng lượng hiệu quả.
Tình hình thiết kế và xây dựng văn phòng cao tầng hiệu quả năng lượng tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ (Lấy Đà Nẵng là nghiên cứu điển hình)
Thâm chí nhiều người còn cho rằng Nhà cao tầng sử dụng nhiều kính là đặc điểm tiêu biểu cho kiến trúc thời đại này, vì vậy họ chỉ quan tâm tới thông số, kỷ lục (số tầng cao, hình dạng tạo điểm nhấn, chủng loại kính, giá thành, vv…) và tác dụng ấn tượng của công trình (điểm đột phá trong quy hoạch không gian, quảng cáo thương mại,..) mà không quan tâm tới tính địa phương, sự thích ứng, tới đặc điểm thể loại công trình, tới điều kiện kinh tế – kỹ thuật của đất nước, và đặc biệt là chưa có các nghiên cứu để tìm ra giải pháp “bản địa hóa” dạng vật liệu này. Theo nghiên cứu khi tổng hợp và so sánh 07 hệ thống đánh giá công trình xanh trình Bộ Xây dựng của dự án Năng lượng sạch do USAID tài trợ, các công trình xanh hiện nay được đánh giá theo các tiêu chí chính sau đây: (1)Hiệu quả năng lượng thông qua giảm mức tiêu thụ năng lượng và khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, (2)Sử dụng hiệu quả nguồn nước nhờ áp dụng giải pháp thu gom, lưu trữ và tái sử dụng nước ngọt, kết hợp sử dụng thiết bị tiết kiệm nước, (3)Tiết kiệm sử dụng vật liệu hoặc sử dụng vật liệu bền vững, (4)Bảo vệ môi trường sinh thái xung quanh, (5)Giảm thiểu phát thải và gây ô nhiễm tới môi trường, (6)Cải thiện tiện nghi nhiệt và môi trường vi khí hậu bên trong công trình nhằm đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng.
Tình hình nghiên cứu các đề tài liên quan
Đề tài đã đề xuất các giải pháp thiết kế hiệu quả năng lượng đối với nhà cao tầng theo các cấp độ: (1) Quy hoạch tổng thể không gian đô thị, các tuyến đường, khu dân cư; (2) Các giải pháp thiết kế kiến trúc: hình khối và hình thức công trình, mặt cắt không gian, (3) Các vật liệu và kết cấu bao che, giải pháp tạo cảnh quan theo phương đứng đứng; (4) Giải pháp kỹ thuật: giải pháp tận dụng năng lượng mặt trời chủ động và bị động; giải pháp tổ chức thông gió tự nhiên; hệ thống ĐHKK, thông gió, chiếu sáng; (5) giải pháp quản lý. Luận án nghiên cứu việc áp dụng các tính năng đặc biệt của nhà ở bản địa đến nhà chung cư cao tầng trong đô thị ở Việt Nam bao gồm: (1) Nghiên cứu các lý thuyết thiết kế thụ động cơ bản và các nguyên tắc cơ bản của thiết kế thụ động cho nhà ở cao tầng ở Việt Nam; (2) Khảo sát các đặc tính không gian của ngôi nhà dân gian truyền thống và lối sống nông thôn Việt Nam, từ đó chọn lọc những giải pháp tinh tuý của nhà ở truyền thống và áp dụng vào thiết kế nhà ở cao tầng; (3) Nghiên cứu về đặc điểm của nhà phố và lối sống đô thị Việt Nam, từ đó tìm ra và phát triển những lợi thế của nhà phố, áp dụng chúng để thiết kế nhà ở cao tầng; (4) Đề xuất loại hình mới trong thiết kế nhà ở cao tầng hiện đại: bốn.
Vấn đề nghiên cứu đặt ra đối với đề tài
Dù là thể loại và hình thức khác nhau, nhưng lớp vỏ bao che của nhà cao tầng phải đảm bảo các chức năng chính như: Chức năng chịu lực (chịu tải trọng bản thân và các ngoại lực tác động); Chức năng kiểm soát (tận dụng các điều kiện có lợi (bao gồm các dạng năng lượng sạch) và hạn chế tác động bất lợi); Chức năng an toàn (đảm bảo sự an toàn cho người sử dụng bên trong); Chức năng thẩm mỹ (tạo nên hình thức thẩm mỹ của công trình và tạo các không gian cảnh quan). Tuy nhiên, các vật liệu này cũng có hạn chế nhất định, ví dụ như trong điều kiện khí hậu của khí hậu Việt Nam, kính và kim loại nhận và truyền bức xạ và nhiệt mặt trời rất lớn, đồng thời không cho phép thoát hơi ẩm và việc ngăn nước xâm nhập từ ngoài vào trong tại các mối nối của các loại vật liệu này khá phức tạp[10], các vật liệu “truyền thống” như bê tông, gạch lại dễ hấp thụ nhiệt và tạo hiệu ứng khối nhiệt không mong muốn, vật liệu kính dễ gây hiệu ứng nhà kính nếu sử dụng nhiều và không đúng phương pháp,….
![Hình 2.1. Lớp vỏ công trình tiết kiệm năng lượng hiệu quả nhờ thiết kế kết cấu che nắng[39]](https://media.store123doc.com/figures/003/478/hinh-lop-trinh-tiet-kiem-luong-hieu-thiet-3478598.webp)
Cơ sở thực tiễn
Việc thiết kế và xây dựng đạt được nhiều thành tựu đáng kể về công năng, trình độ thi công, sự tiện lợi cho người sử dụng, … Tuy nhiên dường như yếu tố thiết kế vỏ nhà đang bị xem nhẹ; cụ thể là rất nhiều công trình vỏ bao che chỉ có một lớp rất đơn giản, không bền vững trước những yếu tố khí hậu phức tạp, hoặc cũng có nhiều lớp nhưng là “lớp cấu tạo” chứ chưa xử lý một cách hiệu quả; cùng với đó là việc sử dụng vật liệu thiếu phù hợp, đặc biệt là sử dụng vật liệu kính mà không có thành phần hỗ trợ hợp lý, hoặc quá tập trung vào yếu tố thẩm mỹ và kinh tế mà quên mất chức năng chính của vỏ nhà và những thành phần cấu tạo mà vỏ nhà phải có (Hình 2.3&2.4). Có thể kể đến một số công trình tiêu biểu sử dụng mảng kính lớn ở Việt Nam như: Tòa nhà Bitexco (TP. HCM), Trung tâm hành chính TP Đà Nẵng (Đà Nẵng) (Hình 2.5), Keangnam Landmark Tower 72 (Hà Nội), , Tổ hợp Trung tâm thương mại – Văn phòng – Căn hộ cao cấp Lotte Centre (Hà Nội),… Mặc dù những công trình này tạo được hình thức bên ngoài hào nhoáng, hiện đại nhưng lại mang phong cách đóng kín của các nước xứ lạnh, hoàn toàn xa lạ với phong cách kiến trúc thoáng hở của miền nhiệt đới nóng ẩm như nước ta, tạo nên cảm giác ngột ngạt theo cả nghĩa đen lẫn nghĩa bóng.
Ánh sáng trực xạ
Ánh sáng mặt trời khi xuyên qua tầng khí quyển một phần sẽ phản xạ qua lại nhiều lần giữa các lớp khí quyển và mặt đất, một phần bị khuếch tán bởi các phần tử vật chất trong không khí như: bụi, khí hơi nước, khói,… làm cho năng lượng giảm đi nhiều, nhất là bức xạ hồng ngoại. Tuy nhiên ánh sáng trực xạ của mặt trời vì có cường độ lớn nên sẽ gây chói loá, ảnh hưởng xấu đến tiện nghi thị giác của con người, đồng thời ánh sáng này mang theo nhiều nhiệt (bức xạ hồng ngoại) và không ổn định trong ngày (chỉ xuất hiện khi bầu trời không có mây) nên đây không phải là nguồn sáng có thể dùng để chiếu sáng tự nhiên cho nội thất công trình.
Ánh sáng tán xạ
Cơ sở khí hậu vùng duyên hải Nam Trung Bộ
Nước ta trải dài ven biển, lại nằm trong khu vực chịu nhiều tác động biến đổi thời tiết và khí hậu, chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiều loại gió mùa khác nhau (5 loại giú mựa với hướng thổi và tớnh chất khỏc biệt), tạo nờn nột đặc trưng rừ rệt so với cỏc khu vực khác, đặc biệt là vùng duyên hải sát biển. (3) Gió đất – gió biển (còn gọi là gió Breeze) thổi hàng ngày từ biển vào mùa nóng, mang không khí mát mẻ, dễ chịu từ biển vào, có thể tạo ra vận tốc gió khá lớn, có thể tổ chức TGTN hiệu quả, thay thế các thiết bị làm mát nhân tạo như quạt, điều hoà trong vùng nhiệt đới độ ẩm cao.
![Hình 2.8. Phân tích sinh khí hậu Đà Nẵng trên BĐSKHXDVN của PGS.TS. Phạm Đức Nguyên[45]](https://media.store123doc.com/figures/003/478/hinh-phan-tich-nang-bdskhxdvn-pham-duc-nguyen-3478600.webp)
Cơ sở pháp lý
Thông qua hoạt động của Chương trình, mục tiêu dự kiến là đạt được tổng mức tiết kiệm năng lượng tính chung cho cả nước và riêng cho từng lĩnh vực tiêu thụ nhiều năng lượng, từ đó mang lại lợi ích lâu dài về kinh tế - xã hội, đồng thời góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm đầu tư cho xây dựng và phát triển hệ thống cung ứng năng lượng, bảo vệ môi trường sinh thái; khai thác hợp lý nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Quy chuẩn này được biên soạn với sự tham gia hỗ trợ của Chính phủ Đan Mạch và các chuyên gia của Tổ chức tài chính quốc tế (IFC - International Finance Corporation), Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình dương (PNNL - Pacific Northwest National Laboratory, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ) và Hội Môi trường Xây. dựng Việt Nam. Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả đưa ra những quy định về các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ khi thiết kế, xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình sẵn có với tổng diện tích sàn từ 2,500 m2 trở lên, trong đó bao gồm thể loại công trình Văn phòng và các yếu tố liên quan đến hiệu quả năng lượng như:. 2) Hệ thống thông gió và điều hòa không khí;.
Các yếu tố kinh tế – xã hội 1. Các yếu tố kinh tế
Cơ chế quản lý xây dựng có nhiều bước đột phá, có phương thức quản lý phù hợp với từng nguồn vốn khỏc nhau, trỏch nhiệm của cỏc bờn tham gia được làm rừ, kiểm soát chặt chẽ và nâng cao chất lượng từng khâu trong hoạt động thiết kế và xây dựng, góp phần tích cực vào việc nâng cao chất lượng công trình và hiệu quả vốn đầu tư, chống lãng phí, thất thoát nguồn vốn đầu tư. Đối với nhà ở, kiến trúc truyền thống có thể chia làm ba dạng: Người nghèo thì mái lợp gianh, vách đất, nền đất, kết cấu chịu lực làm bằng tre nứa; khá hơn thì làm nhà bằng gỗ tự nhiên, mái lợp rạ, cỏ gianh…, vách bằng đất bùn hoặc đất sét nhào rơm, nền đất hoặc lát gạch; người giàu thì làm nhà bằng gỗ tự nhiên có chạm trổ trang trí (lim, mít, kiền kiền…), mái lợp ngói, tường gạch, nền gạch,… Về thể loại, người nghèo thường làm nhà một gian hai chái hoặc ba gian hẹp, còn nhà trung bình và nhà giàu thì làm nhà ba gian hai chái, hoặc năm gian hai chái.
Đề xuất các nguyên tắc và quy trình thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng
Là phương pháp tiết kiệm năng lượng xuất xứ từ các nước có khí hậu lạnh, vỏ bao che với lớp bọc kính toàn bộ hoặc gần như toàn bộ không được khuyến khích áp dụng cho công trình tại vùng khí hậu nhiệt đới, vì thực sự không thích hợp do sẽ gây hiệu ứng nhà kính và có thể gây mệt mỏi cho người sử dụng dưới tác động của hội chứng SBS (Sick Building Syndrome – hội chứng các tòa nhà gây bệnh cho người sử dụng do kém thông thoáng), do vậy cần thiết phải có lớp kết cấu che nắng ở bên ngoài để tận dụng những ưu điểm của kính, đồng thời giảm thiểu những vấn đề bất cập mà vật liệu này gây ra[52]. Đối với thiết kế kiến trúc văn phòng hiện nay, kính là vật liệu được lựa chọn và ưu tiên hàng đầu, do vậy trong giải pháp thiết kế lớp vỏ bao che của đề tài này cũng không nằm ngoài chọn lựa này; tuy nhiên vấn đề đặt ra là sử dụng kính cần kết hợp với hệ che nắng và khoảng hở cần thiết để có thể thoát nhiệt đối lưu từ kết cấu với lớp không khí ở giữa, vừa có chiều dày đủ lớn để hạn chế tối đa nhiệt bức xạ từ lớp vật liệu che lên lớp kính bao ở bên trong.
![Hình 3.2. So sánh chỉ số tiêu hao năng lượng giữa các loại hình khối nhà cao tầng[34]](https://media.store123doc.com/figures/003/478/hinh-sanh-tieu-nang-luong-loai-khoi-tang-3478603.webp)
Giải pháp thiết kế tích hợp lớp vỏ bao che công trình văn phòng cao tầng
Đối với công trình văn phòng cao tầng ở nước ta hiện nay, việc lựa chọn hướng nâng cao về năng lượng sẽ không khó khăn như các loại công trình khác vì thời gian hoạt động chỉ là ban ngày và yêu cầu giữ khoảng cách nhất định tới các công trình lân cận là rất tốt, mỗi nhà cao tầng đều có khoảng không gian lưu không trên tất cả các hướng chứ không tập trung nhiều công trình cùng một chỗ như chung cư hoặc khách sạn. Do vậy, khi lựa chọn chiều cao tầng ngoài các vấn đề về tổ chức không gian và hệ thống kỹ thuật thì cần chú ý đến tỷ lệ chiều rộng của công trình, trong trường hợp bắt buộc không thể nâng chiều cao tầng thì cần ưu tiên bố trí không gian chính ở gần cửa sổ hoặc dùng sân trong, giếng trời để bổ sung ánh sáng tự nhiên; hoặc có thể kết hợp chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo ở một số vị trí xa cửa sổ.
![Hình 3.10. Điều chỉnh hướng công trình để đạt hiệu quả năng lượng cao hơn [17].](https://media.store123doc.com/figures/003/478/hinh-chinh-huong-cong-trinh-dat-hieu-luong-3478606.webp)
Công cụ đánh giá hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che thông qua tích hợp 3 yếu tố
Trên cơ sở các nguyên tắc đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho lớp vỏ bao che, đề tài đưa ra các giải pháp thiết kế nhằm đánh giá mức độ hiệu quả một cách riêng lẻ (đánh số thứ tự từ 1đến 7): (1) Góc và phương vị công trình; (2) lựa chọn hình khối; (3) Vật liệu sử dụng cho lớp vỏ bao che; (4) Che nắng cho các hướng. - Đối với trường hợp tăng cường chiếu sáng tự nhiên thì mức hiệu quả năng lượng có sự thay đổi: giảm mức tiêu thụ năng lượng với diện tích kính thấp và tăng lên theo % kiện tích kính/tường, nguyên nhân ở đây là mặc dù khi tăng cường chiếu sáng tự nhiên thì sẽ giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo, tuy nhiên lại tăng năng lượng cho phần làm mát do lượng nhiệt truyền vào nhiều hơn qua các diện tích lấy sáng tự nhiên trên lớp vỏ bao che.
