Sử dụng vật liệu kính trong thiết kế kiến trúc đạt hiệu quả năng lượng tại Việt Nam

Kính đã góp phần làm thay đổi bộ mặt kiến trúc đô thị, tạo bước chuyển biến lớn trong hiện đại hóa công trình xây dựng. Đặc biệt, đây là loại vật liệu lấy ánh sáng, ngăn che gió bụi, cách âm, cách nhiệt, không cho rêu mốc phát triển, tạo các không gian, hình khối kiến trúc đa dạng, vừa nhẹ nhàng, vừa thanh thoát, vừa hiện đại, khang trang… Tuy nhiên, ở một nước có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, đâu là giải pháp tối ưu cho việc sử dụng kính trong các công trình kiến trúc?

Trung tâm hành chính mới Đà Nẵng với vỏ bao che hoàn toàn bằng vật liệu kính.

Xu hướng sử dụng vật liệu kính trong công trình kiến trúc tại Việt Nam

Vật liệu kính  đã khá quen thuộc trong các công trình kiến trúc. Kính hiện diện với nhiều vai trò khác nhau vừa là vật liệu cơ bảnvật liệu hoàn thiện và vật liệu trang trí mang tính thẩm mỹ cao. Là dòng vật liệu nhân tạo, kính có đặc tính cơ lý ưu việt, độ bền cao, có khả năng chống lại tác động của môi trường… Kính xuất hiện ở nhiều thể loại công trình, từ những không gian sống riêng tư của mỗi gia đình cho đến  công trình tôn giáo tín ngưỡng như nhà thờ và ngày nay rất phổ biến trong các cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại…

Xu hướng sử dụng kính trong công trình xây dựng ngày một lan rộng trên khắp thế giới. Tại Việt Nam, kính đã góp phần làm thay đổi bộ mặt kiến trúc đô thị, tạo bước chuyển biến lớn trong hiện đại hóa công trình xây dựng.

Tuy nhiên, tại các vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm như Việt Nam nơi có nhiều ánh nắng mặt trời quanh năm, việc lạm dụng vật liệu kính trong lớp vỏ công trình sẽ gây ra nhiều bất lợi trong sử dụng cũng như tiêu tốn nhiều năng lượng…

Ngày 26/9/2013, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2013/BXD về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả đã được Bộ Xây dựng ban hành theo Thông tư số 15/2013/TT-BXD. Theo đó, nhiều qui định trong việc sử dụng vật liệu kính trong lớp vỏ công trình xây dựng được đặt ra nhằm hướng tới việc sử dụng hiệu quả năng lượng.

Nhận thức về sử dụng vật liệu kính trong các công trình kiến trúc ở Việt Nam

Nhận thức sử dụng vật liệu kính:

Ở Việt Nam, với tốc độ phát triển nhanh, nhiều công trình với vỏ bao che bằng kính đã được xây dựng lên.  Tuy nhiên, việc áp dụng một cách  ồ ạt, nhận thức chưa đầy đủ về vật liệu kính của các chủ đầu tư, nhà thiết kế và người sử dụng… đã khiến việc thiết kế và sử dụng kính không đạt được hiệu quả mong muốn.

Chủ đầu tư

Hiện nay, các chủ đầu tư ở Việt Nam còn rất hạn chế về các kiến thức sử dụng kính nói chung và kính tiết kiệm năng lượng nói riêng. Với mức đầu tư ban đầu lớn, các nhà đầu tư còn khá e dè trong việc sử dụng kính tiết kiệm năng lượng, thường lựa chọn loại kính có giá thành thấp. Do hạn chế về thông tin, một số lượng lớn các nhà đầu tư còn khá tùy tiện, thờ ơ … hoặc phụ thuộc hoàn toàn vào bên tư vấn trong việc lựa chọn vât liệu kính. Vì vậy, nhiều công trình khi đưa vào vận hành đã không đáp ứng được mong muốn của chủ đầu tư về hiệu quả kinh tế cũng như chất lượng sử dụng.

Người thiết kế

Với vai trò tư vấn cho chủ đầu tư, người thiết kế chưa làm được nhiều bởi sự thiếu thốn dữ liệu thông tin về vật liệu kính. Nhiều nhà thiết kế tại Việt Nam chưa làm chủ kiến thức về điều kiện khí hậu, thiếu kiến thức sử dụng vật liệu kính, thiếu các công cụ (mô phỏng, tính toán…) trong quá trình thiết kế. Một nhóm nhỏ còn dễ dãi trong việc tư vấn sử dụng vật liệu kính khiến tác phẩm của họ hào nhoáng nhưng lại không đạt về tiện nghi sử dụng và hiệu quả kinh tế lâu dài cho công trình.

Người sử dụng

Tại Việt Nam, người sử dụng các công trình xây dựng chưa được cung cấp kiến thức đầy đủ để hiểu một cách rõ ràng về vận hành công trình hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Chính vì vậy, khi vận hành thường mắc rất nhiều sai lầm khiến cho các công trình sử dụng kính rất nhanh bị xuống cấp hoặc không đạt hiệu quả sử dung mong muốn.

Những thách thức trong việc thiết kế kiến trúc với vật liệu kính tại Việt Nam

Xu hướng tăng cường sử dụng kính cho bề mặt tòa nhà “trong suốt” hiện nay làm tăng tải làm mát đáng kể trong các tòa nhà. Điều này khiến cho các tòa nhà kính trở thành các cỗ máy ngốn năng lượng. Đây là một mâu thuẫn gay gắt trong bài toán kinh tế của các nhà đầu tư.

Sự thiếu nguồn dữ liệu chuẩn về các thông số kỹ thuật của các chủng loại kính trên thị trường khiến người tiêu dùng rất khó khăn để lựa chọn kính phù hợp.

Nhiều KTS không làm chủ được các công cụ tính toán mô phỏng, khiến các công trình không đạt yêu cầu cần bằng giữa hấp thu nhiệt mặt trời và lấy ánh sáng tự nhiên…

Vỏ bao che hai lớp với vật liệu kính của Tòa nhà A Học viện hành chính quốc gia (Thiết kế cải tạo bởi Viện Kiến trúc Nhiệt đới năm 2010 hoàn thành 2013)

Thiết kế công trình kiến trúc sử dụng vật liệu kính đạt hiệu quả năng lượng tại Việt Nam

Để có thể thiết kế công trình kiến trúc sử dụng vật liệu kính đạt hiệu quả năng lượng tại Việt Nam, KTS cần nắm vững về đặc điểm bức xạ mặt trời (BXMT) và đặc điểm nhiệt quang của kính.

Đặc điểm bức xạ mặt trời (BXMT) tại Việt Nam có thể tóm lược một số nét chính như sau: BXMT quanh năm cao, đặc biệt là trực xạ mặt trời (TXMT), tính định hướng của TXMT rất rõ rệt, trị số độ rọi cao vào ban ngày kể cả đầu giờ sáng và cuối giờ chiều, độ rọi khuếch tán khá đồng đều trên toàn lãnh thổ, độ rọi phân bố đều quanh năm theo thời gian trong ngày. Điều này cho thấy tiềm năng sử dụng ánh sáng tự nhiên (ASTN) ở Việt Nam là rất dồi dào. So với nhiều nước khác, tại Việt Nam có thể sử dụng ASTN nhiều giờ trong ngày. Nắm vững đặc điểm BXMT và tiềm năng sử dụng ASTN tại Việt Nam sẽ giúp ích cho người thiết kế có những lựa chọn đúng đắn về hướng công trình, có giải pháp che nắng phù hợp giúp khai thác tối ưu ASTN cho công trình. Tránh được việc sử dụng kính theo kinh nghiệm hay cảm tính như là hướng Nam thì nên thế này hay hướng Bắc thì nên thế kia…

Phân tích đặc điểm khí hậu của khu vực Học viện hành chính quốc gia trước khi thiết kế cải tạo

Nhiều nghiên cứu cho thấy sử dụng vật liệu kính xoay về hướng tránh đường mặt trời thay vì hướng xích đạo sẽ tạo ra độ chiếu sáng đồng đều nhất, mặc dù không phải là sáng nhất. Bố trí kính ở hướng Đông và Tây có thể cho ánh sáng rất sáng vào buổi sáng hay tối nhưng lại thiếu sáng nhiều thời điểm khác trong ngày và rất dễ bị chói. Bố trí kính hướng về đường mặt trời nhận được ánh sáng sáng nhất; chúng cũng có thể bị chói nhưng độ chói dễ dàng kiểm soát hơn so với tường hướng Đông và Tây. Ở vùng vĩ độ trung bình và vùng gần với xích đạo, giếng trời sẽ tạo ra độ chiếu sáng ổn định và sáng nhất, nhưng ở những vĩ độ gần cực sẽ ít sáng hơn và ít ổn định hơn.

Đặc điểm nhiệt quang của kính bao gồm các yếu tố sau: Giá trị U (U), hệ số hấp thu nhiệt mặt trời (SHGC), hệ số truyền ánh sáng nhìn thấy (VLT), hệ số che nắng (SC), hệ số phản xạ ánh sáng nhìn thấy (VLR)…

– Đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của kết cấu, trị số U càng nhỏ càng có ý nghĩa trong việc cách nhiệt qua kết cấu.

– Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của kính SHGC (Solar heat gain coefficiency) có ý nghĩa trong việc ngăn nhiệt truyền qua kính vào nhà. Kính có SHGC càng nhỏ càng có giá thành cao.

– Trường hợp công trình có kết hợp che nắng, ta cần cân nhắc đến hệ số che nắng SC.

– Hệ số xuyên ánh sáng của kính VLT (Visible Light Transmission)  biểu diễn tỉ lệ phần trăm của phần năng lượng ánh sáng xuyên qua kính so với phần năng lượng ánh sáng chiếu tới bề mặt kính.

– Cần dung hòa các yêu cầu về VLT, SHGC và giá trị U để đảm bảo các yêu cầu về chiếu sáng tự nhiên và yêu cầu cách nhiệt của công trình.

– Tỷ số diện tích cửa sổ – tường WWR (Window to Wall Ratio) thể hiện cách bố trí và diện tích ô cửa trong công trình kiến trúc. Thông số này rất quan trọng bởi vì việc sử dụng khéo léo cửa sổ kính và giếng trời có thể mang lại tiện nghi nhiệt và thị giác thụ động, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí. Lựa chọn kích thước ô cửa hợp lý là yếu tố quyết định. Cửa sổ và các ô cửa khác mang nhiệt mặt trời vào phòng nhưng cũng có thể làm mất nhiệt do làm mát phát xạ và dẫn nhiệt cao hơn hầu hết các kết cấu tường hay mái. Cũng như vậy, với việc lấy sáng tự nhiên, kính có tính chất phù hợp phải được lựa chọn cho phù hợp với các hướng, cửa sổ kính mang lại nhiều nhiệt có ích bố trí ở một mặt nào đó của công trình có thể cũng làm mất nhiều nhiệt nếu đặt ở một mặt nào đó khác của công trình.

Chúng ta đều biết kiến trúc là tổng hòa của hai yếu tố thẩm mỹ và kỹ thuật, đặc điểm nhiệt quang của kính chính là yếu tố kỹ thuật mà người thiết kế cần nắm bắt được. Chính yếu tố kỹ thuật này giúp người thiết kế đưa ra những giải pháp thiết kế đảm bảo tiện nghi vi khí hậu và góp phần giảm tải năng lượng tiêu thụ cho tòa nhà mang tính định lượng. Đây là những số liệu về mặt hiệu quả kinh tế giúp thuyết phục chủ đầu tư.

Kết luận:

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Việt Nam, kính xây dựng không phải lúc nào cũng phát huy hết ưu điểm và được sử dụng hợp lý. Bên cạnh tính năng vượt trội của các vật liệu khác không có được, cần chú ý đến những tác động ngược chiều của kính như hiện tượng hiệu ứng nhiệt hay sự thiếu an toàn của vật liệu kính.

Để đáp ứng yêu cầu tối thiểu một công trình xây dựng sử dụng kính tiết kiệm năng lượng, người thiết kế cần nắm vững những nội dung của Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2013/BXD về Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả được Bộ Xây dựng ban hành theo Thông tư số 15/2013/TT-BXD ngày 26/9/2013.

Hiểu về vật liệu kính, cần tránh lạm dụng sử dụng vật liệu kính trong công trình kiến trúc. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, BXMT cao của Việt Nam nên kết hợp vật liệu kính với các giải pháp che nắng. Nên sử dụng vật liệu kính phù hợp với các hướng khác nhau của công trình. Nếu dùng vật liệu kính đúng có thể tận dụng tối đa chiếu sáng tự nhiên.

Cần nhanh chóng xây dựng một nguồn dữ liệu thông số kỹ thuật của các chủng loại kính tại Việt Nam. Trên cơ sở dữ liệu này, các công cụ mô phỏng sẽ rất hữu ích để có được các kịch bản sử dụng vật liệu kính phù hợp trong công trình kiến trúc.

Tài liệu tham khảo:

– Robyn Pender, Rodney Bender 2012, Practical Building Conservation: Glass and Glazing, 

– Peter Gossel, Gabriele Leuthhauser 2005, Architecture in the 20th Century. Taschen,.

– Viện Kiến trúc nhiệt đới – 2011, Kỷ yếu Hội thảo Kiến trúc xanh – Tương lai xanh

http://www.hoivlxdvn.org.vn/index.php?module=vbpqtDetail&newsId=387

BS EN 1096 Glass in building. Coated glass

ASHRAE Handbook 2011, Fundamentals

– Phạm Đức Nguyên 2013, Phát triển kiến trúc Bền vững, Kiến trúc xanh Việt Nam, NXB Trí Thức

– Bộ Xây dựng, 2015. Tài liệu tập huấn về áp dụng qui chuẩn quốc gia 09-2013/BXD về Các công trình xây dựng năng lượng hiệu quả.

TS.KTS Hoàng Mạnh Nguyên

Viện Kiến trúc Nhiệt đới

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 09 – 2015)