Thế nào là Nhà sử dụng hiệu quả năng lượng?
Trước hết, cần thống nhất khái niệm này. Có người cho rằng: Nhà sử dụng hiệu quả năng lượng (HQNL) là nhà có các thiết bị (năng lượng) được thiết kế và vận hành tối ưu, tiêu thụ ít năng lượng nhất.
“Định nghĩa” này không sai, nhưng chưa đầy đủ.
Chúng tôi cho rằng, một công trình có HQNL phải đạt được các đòi hỏi sau đây:
– Sử dụng tối đa điều kiện tự nhiên thuận lợi, khí hậu, ánh sáng, môi trường và cảnh quan thiên nhiên, do đó tiêu thụ ít năng lượng từ nguồn hóa thạch;
– Các thiết bị sử dụng năng lượng như hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK), chiếu sáng, thang máy, cấp nước…được thiết kế và làm việc tối ưu, tiêu thụ ít điện năng;
– Sử dụng được năng lượng tự nhiên, như nhiệt mặt trời, địa nhiệt và chuyển đổi năng lượng mặt trời, gió thành điện năng để sử dụng tại chỗ (năng lượng xanh);
– Tạo được môi trường tiện nghi trong nhà phù hợp với hoạt động của con người để bảo đảm sức khỏe, vệ sinh cho họ. Điều này muốn nói rằng: Chúng ta không tiết kiệm theo hướng giảm bớt điều kiện tiện nghi.
Công trình Swiss Re Tower, London
Bài viết của chúng tôi chỉ bàn về các tiêu chí đánh giá vỏ nhà và chỉ dẫn thiết kế kiến trúc công trình căn cứ theo khái niệm nêu trên.
Các tiêu chí đánh giá vỏ nhà hiện nay:
Trong Quy chuẩn xây dựng (QCXD) Việt Nam và của nhiều nước (Building Code) thường đánh giá vỏ nhà theo các tiêu chí sau đây:
1. Giá trị truyền nhiệt qua kết cấu vỏ nhà (U, W/m2K)
Giá trị U (U-value) cho biết lượng nhiệt đơn vị (1m2, trong 1 giờ) truyền qua kết cấu vỏ nhà (đi vào hoặc đi ra).
2. Giá trị OTTV (W/m2)
Vỏ nhà thường làm bằng nhiều vật liệu khác nhau, như gạch, bê tông, kính … vì vậy có U khác nhau. OTTV (Overall Thermal Transfer Value) là giá trị trung bình của U theo các diện tích vật liệu / kết cấu khác nhau của vỏ nhà. Công thức xác định OTTV còn xét tới bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu lên vỏ nhà theo các hướng khác nhau và khả năng được che nắng của kết cấu. Điều này rất quan trọng đối với khí hậu nhiệt đới.
3. Giá trị SHGC
Trong kết cấu vỏ nhà, thì kính có vai trò quan trọng nhất liên quan đến môi trường nhiệt và ánh sáng trong nhà.
SHGC (Solar heat gain co-efficient) là hệ số nhận nhiệt mặt trời của kính.
SHGC = (τ + αU / ho)
trong đó: τ – Hệ số xuyên BXMT của kính;
α – Hệ số hấp thụ BXMT của kính;
ho – hệ số trao đổi nhiệt mặt ngoài của cửa kính (do đối lưu và bức xạ).
Như vậy, SHGC đã xét tới cả BXMT xuyên qua kính, nhiệt được kính hấp thụ và nhiệt truyền qua kính. Đối với khí hậu nóng, SHGC càng nhỏ càng có lợi, đặc biệt đối với hướng chịu BXMT chiếu lên cửa sổ với giá trị cao.
Trong điều kiện mùa nóng, cần ĐHKK, nếu U, OTTV và SHGC lớn, lượng nhiệt mặt trời vào nhà sẽ lớn theo, khi đó hệ thống ĐHKK phải hoạt động mạnh hơn, tốn nhiều năng lượng hơn, được gọi là làm “tăng tải trọng lạnh” của hệ thống ĐHKK; trong điều kiện mùa lạnh, cần sưởi ấm, U và OTTV lớn làm tăng mất nhiệt của hệ thống sưởi. Vì vậy, trong QCXD Việt Nam và nhiều nước đều quy định các giá trị tối thiểu không được vượt của các đại lượng này.
Từ các giá trị được QCXD quy định, sẽ dẫn đến chỉ dẫn thiết kế vỏ nhà, như:
– Tỷ lệ kính không được vượt quá, ví dụ 70%, 80% diện tích vỏ nhà;
– Tường và mái nhà phải đủ độ dày cách nhiệt;
– Sử dụng kính có giá trị U và SHGC nhỏ nhất (nhưng cũng đồng nghĩa đắt tiền hơn);
Thậm chí có những nghiên cứu chỉ dẫn sai lệch ở Việt Nam, như tìm hình khối, kích thước tòa nhà để giảm tối thiểu diện tích vỏ nhà. Kết quả tìm thấy nhà có mặt bằng hình vuông, hình tròn, mái dạng cầu – theo lý thuyết tổ ong – xem [3].
Kiến trúc châu Âu trước thời hiện đại thường có dáng vẻ nặng nề, thiết kế hợp khối, nhà có tường dày và cửa sổ ít, nhỏ, với nhiều lớp kính (giảm OTTV và SHGC) nhằm giảm tổn thất nhiệt của hệ thống sưởi trong mùa lạnh. Khi đó đành chấp nhận thiếu ánh sáng trong mùa đông, khi mặt trời chỉ xuất hiện từ 8,9 giờ sáng và 3,4 giờ chiều đã lặn.
Vấn đề đặt ra là: Khi kiến trúc áp dụng vào khí hậu mát mẻ, cửa sổ được mở rộng để đón không khí bên ngoài thì các đại lượng được coi là tiêu chí nêu trên có còn ý nghĩa không?
Nhà Quốc hội Italia
Giải pháp kiến trúc cho khí hậu Việt Nam
Chúng ta đều biết Việt Nam thuộc khí hậu nhiệt đới, ẩm, có gió mùa. Với lãnh thổ có phần lớn các đô thị nằm gần biển, không khí thổi vào các đô thị thường là không khí biển, mát mẻ vì có nhiệt độ không cao, sạch sẽ, vệ sinh, tuy có độ ẩm lớn. Các nghiên cứu khí hậu xây dựng theo sinh học của chúng tôi [1] cho thấy: Khả năng sử dụng không khí tự nhiên tại các đô thị Việt Nam chiếm từ ~50% số giờ một năm (Hà Nội), 80% (TP Hồ Chí Minh), 85% (Đà Nẵng), thậm chí tới 99% như ở Nha Trang. Lúc đó, ta hoàn toàn có thể mở rộng cửa để đón gió tự nhiên, và nếu thiếu gió chúng ta có thể dùng thêm quạt điện (thiết bị quen thuộc, ít tốn năng lượng), mà chưa cần sử dụng ĐHKK.
Các nghiên cứu lý thuyết kiến trúc nhiệt đới Việt Nam đều dẫn tới hai khái niệm.
1. Phong cách kiến trúc nhiệt đới / Tropical Architectural Style.
Nhiệt đới là một vùng rộng lớn từ xích đạo đến các chí tuyến Bắc và Nam. Tuy nhiên, theo đặc điểm khí hậu, có thể chia thành “Phong cách kiến trúc nhiệt đới ẩm” và “Phong cách kiến trúc nhiệt đới khô” mà giải pháp kiến trúc nhiều khi trái ngược nhau.
Báo cáo chỉ đề cập Phong cách kiến trúc nhiệt đới ẩm, cho các lãnh thổ nằm ven biển như Việt Nam, với các đặc điểm khí hậu:
– BXMT lớn quanh năm;
– Gió biển mát và vệ sinh. Trừ một số thời gian có gió lạnh (gió mùa cực đới ở miền Bắc) và gió khô nóng do “hiệu ứng Phơn” (ở miền Trung).
– Chịu một số ảnh hưởng của thời tiết cực đoan, như gió mạnh kèm mưa tạt, bão, lụt, sóng thần…
Phong cách nhiệt đới ẩm có thể tóm tắt là.
a. Cửa sổ có kết cấu che nắng. Nói khác đi nhà cửa có kết cấu che BXMT, mặt nhà “không phơi nắng” tạo thành nét đặc trưng của kiến trúc nhiệt đới (cả ẩm và khô);
b. “Kiến trúc mở” đón gió tự nhiên (gió từ biển). Khi đó phải tạo được “thông gió xuyên phòng” – khác với thông gió đối lưu, thông gió vệ sinh chỉ nhờ vài lỗ mở trên trần (hoặc tường) rồi thông với một ống dẫn ra ngoài;
c. Kiến trúc hòa nhập vào thiên nhiên, (trái với phong cách hợp khối, cô đặc, đóng kín của kiến trúc xứ lạnh và cả xứ nóng khô).
Lâu đài cổ ở Thụy Sĩ
2. Truyền thống và bản sắc kiến trúc Việt Nam
Từ lâu đời, ông cha ta đã dạy: Nhà cửa Việt Nam cần mỏng, nhẹ, thoáng, hở. Như vậy, tường nhà không cần dày để có OTTV lớn. Thoáng hở thì phải mở cửa, khi đó U, OTTV và SHGC không còn ý nghĩa.
“Làm nhà hướng Nam”, “Trước cau, sau chuối” chính là đón gió mát, che gió lạnh ở miền Bắc Việt Nam (chú ý gió lạnh chỉ cần che, chứ không cần tường dày, cách nhiệt, giảm U);
Nhà phải có sân để phơi phóng phục vụ hoạt động nông nghiệp, rồi sân trở thành nơi chơi đùa của trẻ nhỏ, nơi đón xóm giềng những đêm hè..
Nhà có hiên, mái đua rộng che nắng, che mưa – Hiên là không gian chuyển tiếp, giảm bức xạ vào nhà, để chạy mưa giông nhiệt đới nhanh chóng khi phơi nông sản, để phơi phóng những ngày mưa phùn ẩm ướt. Hiên còn là nơi tiếp khách, uống trà, treo giò lan, đặt chậu hoa, lồng chim – thú vui của người vùng có thực vật và động vật phong phú. Hiên hoàn toàn khác với tiền phòng vùng khí hậu lạnh.
Vườn cây, giàn cây vừa tạo bóng mát, vừa che nắng. Bởi nắng có thể che được, còn gió phải đón mới có, nên nhiều trường hợp phải chấp nhận hướng bất lợi, chịu nắng để đón gió mát (ví dụ nhà vùng biển miền Trung thường quay hướng Đông / Tây).
Cần lưu ý rằng: Người Việt Nam hàng ngàn năm sống trong khí hậu mát, ẩm, quen với không khí này, quen với việc dùng quạt để cải thiện vi khí hậu. Ngày nay các nghiên cứu thực nghiệm mới chứng minh rằng, quạt gió có vận tốc 0,5 – 1,0 m/s tương đương với hạ nhiệt độ 2 – 3 oC, còn khi vận tốc 1,0 – 1,5 m/s tương đương với hạ thấp nhiệt độ 3 – 4oC.
Như vậy, với kiến trúc thoáng hở (mở) đón gió tự nhiên, kết hợp sử dụng quạt điện (khi thiếu gió), ta hoàn toàn có thể cải thiện nâng cao tiện nghi vi khí hậu trong nhiều thời gian của năm mà không cần sử dụng ĐHKK – một thiết bị tốn nhiều năng lượng và góp phần làm tăng nhiệt độ đô thị trong mùa nóng.
Với cách tiếp cận của kiến trúc vào khí hậu này, công trình không chỉ có HQNL mà còn cải thiện môi trường trở nên vệ sinh hơn, có lợi cho sức khỏe con người và giảm bớt năng lượng sử dụng, góp phần vào cuộc đấu tranh chống Biến đổi khí hậu trên toàn cầu.
Từ các phân tích của chúng tôi ở trên, thấy rằng cần có các tiêu chí và chỉ dẫn thiết kế kiến trúc riêng cho hai loại vỏ cho nhà sử dụng ĐHKK và nhà thông gió tự nhiên (TGTN).
Tiêu chí đánh giá và chỉ dẫn thiết kế kiến trúc
1. Vỏ nhà khi sử dụng hệ thống ĐHKK
Các tiêu chí đánh giá đã đề cập là đủ.
Chỉ dẫn thiết kế:
Nhà sử dụng ĐHKK cần ưu tiên hướng giảm BXMT chiếu lên vỏ nhà, ví dụ nhà hướng Bắc / Nam là có lợi;
– Hình dạng nhà có lợi khi giảm diện tích tường và cửa sổ các hướng có BXMT lớn. Nhà có mặt bằng dạng hình vuông, hình tròn hoặc gần các hình này không mang lại hiệu quả năng lượng tốt. Các hướng bất lợi ở Việt Nam theo thứ tự là: Tây, Đông, Tây Bắc, Tây Nam;
– Cần sử dụng kính hợp lý theo hướng cửa sổ, phù hợp với cường độ và thời gian BXMT chiếu lên cửa sổ hướng đó.
Cùng áp dụng giải pháp vỏ nhà bọc kính, nhưng tòa tháp Swiss Re Tower (London, vùng lạnh) và Al Bahar Abu Dhabi (UAE, vùng nóng khô) là hợp lý so với tòa tháp liên cơ quan Đà Nẵng (vùng nóng ẩm).
– Trong mọi trường hợp khi cửa sổ được thiết kế che nắng hợp lý và hiệu quả, giá trị SHGC của kính không còn quan trọng, mà chỉ cần quan tâm giá trị U – liên quan đến truyền nhiệt qua kính. Nói khác đi không cần sử dụng các loại kính đắt tiền, ví dụ Low-E;
– Các không gian chuyển tiếp kín (giữa trong và ngoài nhà) thiết kế hợp lý có vai trò như lớp cách nhiệt bổ sung, làm giảm tổn thất năng lượng trong các không gian chính sử dụng ĐHKK.
Tòa tháp liên cơ quan Đà Nẵng
2. Vỏ nhà thông gió tự nhiên:
Tiêu chí đánh giá:
Khi nhà được thiết kế thoáng hở để TGTN, các tiêu chí đánh giá vỏ nhà như U, OTTV, SHGC là không còn ý nghĩa. Ví dụ, khi OTTV lớn, dù nhiệt mặt trời vào nhà nhiều, nhưng được TGTN đưa ra khỏi nhà, không còn sợ làm nóng không khí trong nhà. Nếu nhà TGTN tốt, không khí trong nhà sẽ có nhiệt độ xấp xỉ với không khí bên ngoài.
Chúng tôi đề nghị các tiêu chí sau đây:
– Không gian trong nhà không bị nắng (BXMT trực tiếp) chiếu. Khi bị nắng chiếu, các bề mặt sẽ bị nung nóng, làm xấu vi khí hậu phòng, nắng chiếu lên người làm việc gây nóng trực tiếp, nhiều khi không thể chịu nổi. Đồng thời nắng chiếu lên các bề mặt cần nhìn có thể gây lóa, làm mất tiện nghi môi trường ánh sáng, trong nhà sản xuất thậm chí có thể gây tai nạn lao động.
– Kiểm soát nhiệt độ bề mặt nội thất. Các bề mặt ngoài bị nung nóng, truyền vào phòng, nâng cao nhiệt độ bề mặt nội thất. Đến lượt các bề mặt này trao đổi bức xạ với người trong phòng làm cho cơ thể không thải nhiệt được, mà còn nhận thêm nhiệt, gây ra mất tiện nghi nhiệt.
– Thông gió tự nhiên xuyên phòng: khu vực có người hoạt động được thông gió có vận tốc từ 0,5 đến 1,5 m/s (hoặc 2m/s). Đồng thời vận tốc này có thể điều chỉnh được phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm trong không gian làm việc (bằng cách đóng bớt cửa).
Nhà người Chăm
Chỉ dẫn thiết kế
1. Ưu tiên hướng nhà có lợi đón gió mát mùa nóng. Đối với miền khí hậu phía Bắc, hướng nhà có lợi là Nam và Đông Nam, tuy nhiên hướng Nam có lợi hơn vì giảm được BXMT chiếu lên tường Bắc (so với tường Tây Bắc khi chọn hướng Đông Nam). Đối với lãnh thổ vùng Nam bộ, hướng gió mát có nhiều hơn (đa hướng), và với vùng ven biển hướng gió mát lại từ biển vào (hướng Đông).
Như vậy, “Nhà ĐHKK ưu tiên hướng giảm BXMT, nhà TGTN ưu tiên hướng gió mát”;
2. Thiết kế che nắng hiệu quả cho cửa sổ, theo vị trí mặt trời. Nói chung không hạn chế sử dụng kính trên vỏ nhà. Quan trọng là cửa và tường kính phải được che nắng có hiệu quả. Nhà TGTN không nên và không cần dùng các loại kính có giá trị U và SHGC thấp;
3. Cấu tạo tường, đặc biệt các tường bị mặt trời thiêu đốt mạnh, và mái nhà hợp lý để giảm nhiệt độ mặt trong nhà. Tường cấu tạo hợp lý không cần dày (kết cấu theo nguyên tắc khối nhiệt / thermal mass) mà có thể sử dụng kết cấu nhiều lớp, có lớp không khí lưu thông;
4. Không gian làm việc phải có cửa đón gió và cửa thoát gió, tốt nhất trên hai tường đối diện nhau, nếu không cũng phải trên hai tường vuông góc.
Kích thước và vị trí các cửa có ảnh hưởng quyết định đến vận tốc và diện tích được thông thoáng. Vấn đề này đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, có thể kiểm nghiệm thiết kế trên mô hình khí động học (ví dụ mô hình Vasari).
Nhà ở nông thôn Việt Nam: Nhà người Kinh
Kết luận
Kiến trúc hiện đại ở các nước phát triển có khí hậu lạnh Âu, Mỹ nhờ có công nghệ sản xuất kính tiên tiến, đã giải quyết được mâu thuẫn giữa giữ nhiệt sưởi ấm và đón ánh sáng ít ỏi trong mùa Đông bằng vỏ kính cách nhiệt và thu ánh sáng. Khi du nhập vào Việt Nam, giải pháp này phần nào bị hiểu và áp dụng sai lạc, lạm dụng, dẫn đến các chỉ dẫn thiết kế thiếu toàn diện, không tận dụng được thiên nhiên ưu đãi của khí hậu nhiệt đới ven biển, gây tổn hại về kinh phí và không đem lại hiệu quả về năng lượng và môi trường tốt cho con người trong công trình và trong đô thị.
Những tiêu chí đánh giá công trình kiến trúc thích ứng với khí hậu nhiệt đới ẩm, có gió mùa đặc trưng của lãnh thổ ven biển Việt Nam sẽ khuyến khích các thiết kế mang lại môi trường tiện nghi và sức khỏe trong nhà, bảo vệ môi trường đô thị và giảm sử dụng các thiết bị sử dụng nhiều năng lượng. Đó chính là xu hướng Kiến trúc Xanh đang được cổ vũ hiện nay trên thế giới. í
Tài liệu tham khảo
– Phạm Đức Nguyên: Phát triển kiến trúc bền vững, kiến trúc xanh ở Việt Nam. NXB Trí thức. 2012.
– QCXDVN 09:2005 – Quy chuẩn xây dựng Việt Nam – Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả.
– Phạm Đức Nguyên: Kiến trúc sinh khí hậu – Thiết kế Sinh khí hậu trong kiến trúc Việt Nam. NXB Xây dựng. 2002.
– Internet
PGS.TS Phạm Đức Nguyên
Nguồn: TCKT 10/2013
