Giải pháp vỏ bao che tiết kiệm năng lượng cho nhà ga hàng không tại khu vực phía Nam Việt Nam

Tổng quan

Vỏ bao che của các công trình kiến trúc, trước tiên, tạo nên giá trị thẩm mỹ cho công trình. Bên cạnh đó, nó cũng góp phần quan trọng vào việc tạo ra không gian tiện nghi. Hơn nữa, nếu lựa chọn giải pháp vỏ bao che không phù hợp sẽ dẫn đến việc phải tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho hoạt động bên trong công trình.

Đặc thù của kiến trúc Nhà ga hàng không (NGHK) là tổ hợp không gian lớn và có yêu cầu cao về tiện nghi vi khí hậu (VKH). Ngoài ra, đây còn là công trình trọng điểm, một biểu trưng cho diện mạo kiến trúc của thành phố, của khu vực, của quốc gia. Với quy mô và nhu cầu đặc biệt, công trình này có tác động lớn đến môi trường tự nhiên do nó tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể [1].

Hiện tại, Việt Nam vẫn chưa có quy chuẩn riêng dành cho quy định và hướng dẫn thiết kế NGHK mà chủ yếu dựa trên hướng dẫn chung của tiêu chuẩn IATA của Hiệp hội vận tải hàng không quốc tế. Yêu cầu về diện tích cho nhà hàng, văn phòng, phòng máy và thiết bị được lấy trong Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam dành riêng cho từng hạng mục công cộng, có tham chiếu nội dung phân tích mẫu của các sân bay khác. Vì thế, nội dung quy chuẩn hướng dẫn thiết kế dành riêng cho hạng mục NGHK cần được nghiên cứu và ban hành. Trong khi đó, kiến trúc TKNL được hướng dẫn trong QCVN 09:2013/BXD là tương đối đầy đủ [2].

Điều kiện khí hậu khu vực phía Nam Việt Nam có những lợi điểm có thể tận dụng khi thiết kế công trình kiến trúc như việc khai thác nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, vận tốc gió, hướng gió chủ đạo, số giờ nắng trong năm, cường độ bức xạ mặt trời (BXMT). Nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, vỏ bao che công trình NGHK cần đóng vai trò che nắng, cách nhiệt, ngăn mưa, chống thấm tốt, chắn gió nhưng vẫn thông thoáng tốt… Theo các nguyên tắc thiết kế kiến trúc TKNL, thì mặt đứng chính NGHK nên quay về hướng Nam. Phần lớn thời gian trong ngày cũng như trong năm, BXMT rọi tới từ công trình đều từ phía Nam cung cấp ánh sáng tự nhiên, hơi ấm và năng lượng cho công trình. Lớp vỏ bao che công trình cần được che nắng và cách nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là mái nhà và các diện tường hoặc cửa sổ, cửa đi, vách kính (trên các hướng Tây Bắc – Tây – Tây Nam). Nguồn năng lượng tái tạo khá đa dạng và có tiềm năng được khai thác trên quy mô lớn, chủ yếu là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng sinh học. Chu trình làm mát công trình của hệ thống bơm nhiệt có thể được ứng dụng vào thiết kế TKNL.

Nguyên tắc thiết kế chung vỏ bao che TKNL cho NGHK (Nguồn: tác giả)

Trong bối cảnh BĐKH gây tác động ngày càng nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên – kinh tế – xã hội, yêu cầu tiết kiệm năng lượng (TKNL) và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính trong hoạt động xây dựng là rất cấp thiết. Việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp vỏ bao che NGHK tại khu vực phía Nam Việt Nam là thật sự cần thiết. Vỏ bao che được đề cập trong bài báo này là hệ thống vỏ công trình phía trên mặt đất, bao gồm tường biên và mái của NGHK. Trong giới hạn của bài báo này, hệ thống vỏ bao che nằm dưới mặt đất như hệ thống vách hầm biên và sàn hầm cuối, móng… không được tập trung nghiên cứu.

Nguyên tắc chung

Có 3 giải pháp chính được sắp xếp theo thứ tự ưu tiên trong thiết kế vỏ bao che TKNL cho NGHK. Thứ nhất, các giải pháp quy hoạch luôn là tiền đề để hướng đến mục tiêu TKNL. Thứ hai, giải pháp kiến trúc vỏ bao che là yếu tố quan trọng và cốt lõi quyết định đến hiệu quả năng lượng. Thứ ba, các giải pháp hỗ trợ sẽ giúp công trình đạt mức TKNL theo yêu cầu. Các giải pháp này phụ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật. Ngoài ra, cách thức vận hành và ý thức người sử dụng cũng đóng góp không nhỏ trong quá trình hướng đến TKNL. Các giải pháp trên cần tuân thủ 04 nguyên tắc thiết kế chung bao gồm: (i) đảm bảo tiện nghi VKH (nhiệt độ, thông thoáng, chiếu sáng và che nắng); (ii) ưu tiên cho các giải pháp thiết kế thụ động (passive design) trước khi cần phải sử dụng các giải pháp thiết kế chủ động (active design); (iii) xem xét sử dụng nguồn năng lượng tái tạo sẽ giảm thiểu việc tác động đến nguồn năng lượng hóa thạch; (iv) lựa chọn hợp lý các loại vật liệu, cây xanh, nước và phương thức vận hành công trình (Hình 1).

Giải pháp quy hoạch

Trong tổng thể cảng hàng không, hướng gió và nắng phụ thuộc hoàn toàn và kỹ thuật bay. Tuy nhiên, kiến trúc nhà ga có thể được linh hoạt ưu tiên bố cục hình khối tổng thể và các vị trí tiếp giáp với mặt nước và mảng xanh để tận dụng hướng gió, giúp làm mát công trình. Việc lựa chọn hình khối phù hợp để bề mặt trực diện với BXMT là nhỏ nhất sẽ giúp công trình hấp thụ nhiệt ít hơn, dẫn đến giảm tiêu thụ năng lượng làm mát. Tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên vào các không gian phù hợp cũng giúp TKNL cho việc chiếu sáng. Trong trường hợp không thể tận dụng 02 giải pháp trên cùng lúc thì việc lựa chọn tối ưu nên được cân nhắc. Bên cạnh đó, việc nâng tầng hoặc đan xen các mảng xanh vào vỏ bao che công trình cũng là giải pháp hướng đến giải thiểu sử dụng năng lượng. Lựa chọn hình khối nhà ga hợp lý và ứng dụng thủ pháp “bóng đổ tự thân” có thể giảm áp lực về hấp thụ nhiệt cho lớp vỏ bao che. Nhìn chung, giải pháp quy hoạch giải quyết bố cục và hướng của nhà ga trong tổng thể cảng hàng không cần dựa trên nguyên tắc về hướng cất hạ cánh của kỹ thuật bay và tận dụng các điều kiện khí hậu có lợi của vùng khí hậu phía Nam Việt Nam. Từ đó, có thể giải quyết tối ưu áp lực về nhiệt, tận dụng gió và làm mát cho lớp vỏ bao che công trình.

Sơ đồ giải pháp kiến trúc vỏ bao che
(Nguồn: tác giả)

Giải pháp kiến trúc

Giải pháp kiến trúc vỏ bao che cần giải quyết được yêu cầu về che nắng, cách nhiệt và tăng cường thông gió tự nhiên để tối thiểu năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo sự thông thoáng cho các không gian hoạt động bên trong. Có 5 giải pháp thiết kế vỏ bao che chính, gồm (i) Thiết kế hình khối; (ii) Thiết kế che nắng và bố trí cửa sổ; (iii) Tổ chức cảnh quan cây xanh; (iv) Sử dụng vật liệu và màu sắc; và (v) Lớp vỏ thông minh (Hình 2).

Việc lựa chọn hình khối đơn giản (Hình 3) và tạo các bề mặt cong cho vỏ bao che sẽ đóng góp tích cực vào việc TKNL. Giải pháp kiến trúc thể hiện trên 2 khía cạnh là: (i) công năng hoàn chỉnh, tận dụng các yếu tố có lợi về khí hậu và năng lượng khi bố trí các không gian chính/ phụ; (ii) cấu tạo lớp vỏ bao che sao cho nó có tác dụng như một bộ lọc khí hậu.

Thiết kế theo hướng ghép khối để giảm thiểu diện tích tường ngoài để TKNL (Nguồn: www.ecobine.de)

Lớp vỏ công trình nên được thiết kế linh hoạt với các ô kính mở phù hợp, vừa đủ chiếu sáng tự nhiên vừa hạn chế tác động của BXMT (Hình 4). Nếu gió nóng không ảnh hưởng đến công trình mà chỉ có BXMT thì có thể tận dụng để giải nhiệt cho kết cấu chắn nắng. Trong trường hợp thời tiết quá nóng, các chuyên gia khuyến cáo nên xử lý cách nhiệt cho tường ngoài và mái để hạn chế hơi nóng xâm nhập từ ngoài vào trong. Có thể xử lý cách nhiệt đơn giản bằng cách chèn các tấm cách nhiệt vào vỏ bao che, tạo khoảng rỗng giữa những lớp vỏ…

Bố trí cửa sổ và cửa đi hợp lý cũng là một giải pháp kiến trúc quan trọng. Hệ thống cửa chính là thành phần tạo nên lớp vỏ bao che cho công trình. Nếu không lắp cửa kính 2 hoặc 3 lớp thì hệ cửa trong kính (đơn lớp) ngoài chớp sẽ luôn phát huy tác dụng và đã được chứng thực trong rất nhiều công trình đã xây dựng tại Việt Nam [4]. Trường hợp thứ nhất, nếu cần gió mát và ngăn bức xạ mặt trời (BXMT), có thể đóng cửa chớp và mở cửa kính. Bức xạ nhiệt sẽ bị các lam chớp đặt nghiêng 450 cản lại và gió/hơi mát thổi qua các khe hở của nan chớp để vào bên trong. Trường hợp thứ hai, nếu cần ánh sáng mặt trời và chắn gió, có thể mở cửa chớp và đóng cửa kính. Cửa kính sẽ ngăn gió song vẫn cho ánh sáng mặt trời rọi qua. Vỏ bao che nhiều lớp nên được sử dụng và ưu tiên ứng dụng trường hợp thứ hai vì có thể làm mát lớp vỏ, giảm năng lượng cho điều hòa không khí (ĐHKK) khi mà mức độ tiện nghi nhiệt bên trong nhà ga có yêu cầu rất cao (Hình 5).

Không chỉ cách nhiệt tốt ban ngày, lớp vỏ còn phải giải nhiệt nhanh về đêm. Giải pháp giải nhiệt nhanh nhất là thông gió, qua sự đối lưu không khí giữa các lớp vỏ. Gió thổi qua khoảng rỗng ở giữa sẽ tản hơi nóng tích tụ do BXMT sinh ra, làm nhiệt độ bề mặt này giảm xuống. Nhiệt ở bên trong sẽ truyền ra phía ngoài, gặp gió làm mát lại, cứ thế quá trình này tiếp tục cho tới khi nhiệt trong và ngoài cân bằng. Là giải pháp TKNL xuất xứ từ các nước có khí hậu lạnh, vỏ bao che nhiều lớp bọc kính toàn bộ hoặc gần như toàn bộ không nên áp dụng cho công trình tại vùng khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là nhà ga, vì thực sự không thích hợp, có thể gây hiệu ứng nhà kính. Nếu áp dụng vỏ nhiều lớp thì cần chú ý đến tính linh hoạt của việc đóng/mở và chỉ giới hạn trong một số công trình công cộng có quy mô lớn như NGHK – Do yêu cầu cao về tính thẩm mỹ theo quan điểm kiến trúc hiện đại cũng như tính tiện nghi mà giải pháp tự nhiên khó đáp ứng, ngoài ra còn có thể phát sinh một số vấn đề không mong muốn. Lý do chủ yếu là: Với các công trình quy mô càng lớn thì hiệu quả thông gió và chiếu sáng tự nhiên càng thấp tại các không gian nằm sâu bên trong, nơi mà gió mát và ánh nắng rất khó tiếp cận đến, nếu không tổ chức các khoảng không gian mở bên trong. Số lượng người sử dụng càng nhiều thì yêu cầu thông thoáng càng cao, đòi hỏi thông gió càng thường xuyên (như khu sảnh và chờ của nhà ga). Tuy nhiên, trong thực tế, các giải pháp thông gió và chiếu sáng tự nhiên ở nhà ga không đạt yêu cầu, vì không đáp ứng được mức độ tiện nghi nhiệt. Thêm vào đó, khi mở cửa đón gió và lấy sáng, các tác động không mong muốn từ bên ngoài như tiếng ồn, khói thải, bụi, hơi nóng… cũng có thể theo vào, gây ảnh hưởng (nhà ga đòi hỏi cao về chống ồn do âm thanh cất hạ của máy bay cực lớn).

Những vấn đề khác như tổ chức cảnh quan, cây xanh, mặt nước và bố trí sân trong (Hình 6) cần được quan tâm hợp lý. Việc lựa chọn vật liệu thân thiện với môi trường, đảm bảo tiện nghi và sức khoẻ cho người sử dụng nên được chú trọng. Vật liệu với màu sơn sáng nên được ưu tiên lựa chọn. Thêm vào đó, lớp vỏ thông minh là giải pháp cần được xem xét ứng dụng nhằm hướng đến TKNL.

Hệ thống kính năng động (Nguồn: www.pinsdaddy.com)

Giải pháp kỹ thuật

Các giải pháp kỹ thuật cần được xem xét bao gồm: (i) Việc lựa chọn thiết bị tiêu thụ năng lượng phù hợp; (ii) khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo; (iii) ứng dụng hệ thống quản lý công trình thông minh.

Trong NGHK, các giải pháp TKNL tập trung ở 3 hệ thống kỹ thuật gồm hệ thống chiếu sáng nhân tạo, cấp thoát nước và ĐHKK. Việc thay thế các thiết bị chiếu sáng thông thường bằng thiết bị TKNL hơn như đèn LED, “compact”, huỳnh quang hiệu suất cao… là những giải pháp khá đơn giản, dễ thực hiện và có thể tiết kiệm đến 40% tổng năng lượng chiếu sáng với thời gian thu hồi vốn nhanh. Có thể sử dụng hệ thống điều khiển thông minh giúp giảm lượng chiếu sáng khi không cần thiết bằng các “sensor”. Việc lựa chọn thiết bị vệ sinh cũng vô cùng quan trọng. Các thiết bị vệ sinh thế hệ mới có thể tiết kiệm được 20% lượng nước sử dụng. Việc tận dụng nước mưa và nước thải xám – nước thải từ vòi sen, vòi rửa tay, tái sử dụng cũng góp phần tiết kiệm thêm 20% – 30%. Việc lựa chọn hệ thống ĐHKK và thông gió TKNL cũng chính là tìm giải pháp làm giảm năng lượng tiêu hao để sản xuất lạnh đồng thời theo hướng giảm lượng nhiệt dư trong công trình và giảm mức tiêu thụ điện để sản xuất lạnh.

Tác dụng của cửa trong kính ngoài chớp
(Nguồn: [3])
Khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo cần được khuyến khích. Năng lượng mặt trời được khai thác trong lĩnh vực xây dựng gồm 2 mục đích sử dụng chính là: (i) cung cấp điện năng cho các thiết bị điện rất đa dạng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời; (ii) có thể tích hợp với hệ thống làm mát thụ động hiệu năng cao. Theo các mức đề xuất 25% – 50% – 75% – 100%, tùy thuộc hướng, diện tích vỏ bao che có thể tận dụng với nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện của nhà ga rất lớn. Có thể tận dụng diện tích mái, tường và các tấm chắn nắng để tích hợp các tấm pin năng lượng mặt trời. Ngoài ra, ứng dụng hệ thống quản lý công trình thông minh và tiếp cận với công nghệ 4.0, việc quản lý và vận hành công trình được số hóa dựa trên ứng dụng quy trình BIM cũng là giải pháp được đề xuất nhằm hướng đến đạt hiệu quả sử dụng năng lượng trong kiến trúc NGHK.

Tác dụng của cửa trong kính ngoài chớp
(Nguồn: [3])

Kết luận

Các giải pháp vỏ bao che TKNL cho NGHK tại khu vực phía Nam Việt Nam được đề xuất nhằm ứng dụng cho thiết kế công trình có đặc thù không gian lớn và nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Hệ thống những giải pháp này là tài liệu để so sánh và tham khảo cho việc nghiên cứu kiến trúc vỏ bao che TKNL cho công trình có không gian lớn. Tiếp theo, những nghiên cứu mang tính định lượng như đo đạc kiểm chứng, mô phỏng hiệu năng công trình… cần được thực hiện một cách nghiêm túc, khoa học nhằm đưa hệ thống các giải pháp thiết kế trên vào thực tiễn. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu này, bộ tài liệu “Hệ thống tiêu chí thiết kế TKNL áp dụng cho công trình NGHK Việt Nam” có thể được tiếp tục đề xuất nhằm giúp người thiết kế có cơ sở xác định mức độ TKNL của phương án thiết kế cũng như NGHK đang vận hành. Từ đó, có thể đưa ra những điều chỉnh hợp lý cũng như cải tạo nâng cao khả năng TKNL cho công trình kiến trúc NGHK.

Lê Thị Hồng Na, Mai Phước Mi Đol

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 07-2018)