Biến đổi khí hậu đang đe dọa cuộc sống và sinh kế của mọi người dân trên thế giới, hiện tượng thời tiết cực đoan diễn ra thường xuyên hơn bao giờ hết: Bão, lũ lụt, mực nước biển dâng, hạn hán và nắng nóng cực đoan. Để hạn chế mức tăng nhiệt độ tòan cầu dưới 1,5°C theo mục tiêu của Thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu, cần phải tạo ra những ngôi nhà, những khu đô thị bền vững, có thể đạt cân bằng năng lượng/ trung hòa cacbon (Net Zero). Điều này yêu cầu giảm tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của ngành xây dựng và khử cacbon hàm chứa. Các cuộc thi tạo ra sân chơi để các Kiến trúc sư (KTS), kỹ sư (KS) tương lai nghiên cứu các giải pháp thiết kế và xây dựng các tòa nhà trung hòa cacbon, các đô thị cân bằng năng lượng là bước tiến quan trọng thể hiện mục tiêu phát triển bền vững của ngành xây dựng – kiến trúc tương lai.
Bài viết giới thiệu hai ví dụ cụ thể để phân tích về hai cuộc thi quốc tế dành cho sinh viên, hướng tới công trình và khu đô thị Net Zero, từ đó đưa ra một số nhận định trong giáo dục thực hành đối với sinh viên ngành Kiến trúc – Xây dựng tại Việt Nam trong bối cảnh tòan ngành đang nỗ lực thực hiện cam kết đạt Net Zero vào 2050 của Chính phủ tại COP 26.
Tổng quan về các cuộc thi thiết kế công trình Net Zero – “Solar Decathlon”
Năm 2000, ông Richard King – Giám đốc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) [1] đã sáng lập cuộc thi Solar Decathlon (SD) [2] với mong muốn tạo ra một thế giới mới, nơi mà các KTS và KS tương lai sẽ là những “đại sứ” tốt nhất về đổi mới và bền vững. Vì nhóm thi đấu đa ngành (kiến trúc, kỹ thuật, bền vững, kinh tế, truyền thông,…) nên các thành viên sẽ có cơ hội được học hỏi không chỉ các vấn đề kỹ thuật mà còn tinh thần đồng đội, kỹ năng giao tiếp, lối sống bền vững và các vấn đề kinh tế – xã hội cho việc đảm bảo một dự án tồn tại bền vững.
Mùa thu năm 2002, 14 đội sinh viên từ khắp nước Hoa Kỳ đã tụ hội và tranh tài ở cuộc thi SD đầu tiên tại Washington D.C. Các đội thi đã phải đương đầu với 10 thử thách trong thiết kế và xây dựng, và đội chiến thắng là đội có tổng điểm cao nhất. Mười thử thách này được thay đổi theo yêu cầu từng năm. Hình 2 giới thiệu 10 thử thách của SD 2023: (1) Kiến trúc; (2) Kỹ thuật; (3) Phân tích thị trường; (4) Bền lâu và khả năng phục hồi; (5) Tác động môi trường hàm chứa; (6) Hiệu suất tích hợp; (7) Trải nghiệm của người dùng; (8) Tiện nghi và chất lượng môi trường; (9) Hiệu quả năng lượng; (10) Trình bày.
Cuộc thi SD gồm hai nội dung: “Thử thách Thiết kế” (Design Challenge) và “Thử thách Xây dựng” (Build Challenge), được tổ chức hai năm một lần. Từ năm 2019, nội dung “Thử thách Thiết kế” đã trở thành “Cuộc đua đến Zero” (Race to Zero) và bắt đầu được tổ chức thường niên.
Ngày nay, DOE đặt ra hai sứ mệnh cho cuộc thi SD:
- Chuẩn bị năng lực cho thế hệ chuyên gia xây dựng – kiến trúc tương lai có thể thiết kế và xây dựng các tòa nhà hiệu suất cao, carbon thấp và sử dụng năng lượng tái tạo;
- Giáo dục sinh viên và công chúng về các công nghệ, vật liệu mới nhất trong thiết kế và xây dựng các tòa nhà hiệu suất cao, cân bằng năng lượng, giải pháp nhà thông minh.
Kể từ năm 2002, cuộc thi SD đã phát triển mạnh mẽ và mở rộng phạm vi trên tòan thế giới với Solar Decathlon Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ, Châu Mỹ Latinh và Caribe, Trung Đông và Châu Phi, tạo dựng danh tiếng như một chương trình giáo dục thành công và cơ hội phát triển nghề nghiệp cho hàng chục nghìn sinh viên.
Cuộc thi Solar Decathlon Châu Âu (Solar Decathlon Europe) [3]
Solar Decathlon Châu Âu (SDE) ra đời năm 2007 theo biên bản hợp tác giữa Hoa Kỳ và Tây Ban Nha, và được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2010 tại Madrid với các đội thi từ 8 nước. Các ngôi nhà đã được xây dựng tại địa điểm thi trong 10 ngày, tạo thành “Làng năng lượng mặt trời”. SDE 2012 tiếp tục được tổ chức tại Madrid, SDE 2014 chuyển đến Versailles (Pháp), SDE 2019 diễn ra tại Szentendre (Hungary) và SDE 2021/22 được tổ chức tại Wuppertal (Đức). SDE 2021/22 gồm 10 thử thách: (1) Kiến trúc; (2) Kỹ thuật & xây dựng; (3) Hiệu quả năng lượng; (4) Khả năng chi trả và sinh sống; (5) Truyền thông, giáo dục & nhận thức xã hội; (6) Bền vững; (7) Tiện nghi; (8) Công năng của ngôi nhà; (9) Dịch chuyển trong đô thị; và (10) Sáng tạo.
Cuộc thi Solar Decathlon Trung Quốc (Solar Decathlon China) [4]
Solar Decathlon Trung Quốc (SDC) được coi là thành tựu của Đối thoại Kinh tế và Chiến lược Trung-Mỹ. SDC đầu tiên được tổ chức năm 2013, tại Đại Đồng, tỉnh Sơn Tây; lần thứ hai vào năm 2018, tại Đức Châu, tỉnh Sơn Đông. Với SDC lần thứ ba năm 2022 tại Trương Gia Khẩu, tỉnh Hà Bắc, ngoài 10 thử thách: (1) Kiến trúc; (2) Kỹ thuật và xây dựng; (3) Năng lượng; (4) Truyền thông; (5) Tiềm năng trên thị trường; (6) Môi trường trong nhà; (7) Hệ thống sưởi & làm mát tái tạo; (8) Cuộc sống trong nhà; (9) Trải nghiệm tương tác; (10) Tự cung tự cấp năng lượng; thì các phương án dự thi còn phải thỏa mãn 03 yêu cầu của TP đăng cai, đó là: Phát triển bền vững; Kết nối thông minh; Sức khỏe con người. TP Trương Gia Khẩu đã công nhận và duy trì 15 ngôi nhà SDC làm cơ sở lưu trú phục vụ Thế vận hội Olimpic mùa đông 2022, là phòng thí nghiệm sống của Khu trình diễn năng lượng tái tạo quốc gia và hình mẫu cho sự phát triển bền vững của khu vực.
Ra đời vào năm 2020, Solar Decathlon Ấn Độ (SDI) là cuộc thi “Thiết kế tòa nhà Net-Zero” và được tổ chức hàng năm. Đây là cuộc thi dành cho sinh viên đại học và sau đại học tìm hiểu và phát triển các giải pháp thiết kế các tòa nhà cân bằng năng lượng với giá cả phải chăng, có khả năng phục hồi và có thể áp dụng trong thực tiễn. Mỗi đội thi gồm 5 -15 sinh viên, trong đó phải có ít nhất một sinh viên ngành Kiến trúc/Khoa học tòa nhà và một sinh viên ngành Kỹ thuật.
SDI 2023-24 được chia theo 6 nhóm thể loại công trình với 10 thử thách: (1) Hiệu quả năng lượng; (2) Hiệu quả nước; (3) Khả năng phục hồi; (4) Sức khỏe và hạnh phúc; (5) Carbon hàm chứa; (6) Sự đổi mới; (7) Thiết kế kiến trúc; (8) Khả năng chi trả; (9) Kỹ thuật và vận hành; (10) Giá trị mang lại. SDI 2023-24 có hơn 2100 sinh viên và 270 giảng viên từ 187 trường trên khắp Ấn Độ tham gia.
Cuộc thi Solar Decathlon Châu Mỹ Latinh và Caribe (Solar Decathlon Latin America and Caribbean) [8]
Solar Decathlon Châu Mỹ Latinh và Caribe (SDLAC) được ra đời vào tháng 3/2014 theo Biên bản hợp tác giữa DOE và Chính phủ Colombia. SDLAC đầu tiên được tổ chức vào tháng 12/2015 trong khuôn viên Đại học Del Valle ở Cali, Colombia. SDLAC lần thứ 2 năm 2019 cũng tại Cali. Ngoài các thử thách cơ bản của SD, các đội dự thi phải tập trung vào các giải pháp thiết kế, xây dựng và vận hành ngôi nhà có giá cả phải chăng, phù hợp với các khu đô thị mật độ cao và tôn vinh môi trường sinh thái của các gia đình Mỹ Latinh.
Cuộc thi Solar Decathlon Trung Đông (Solar Decathlon Middle East) [9]
Ngày 17/06/2015, Hội đồng năng lượng tối cao Dubai, Cơ quan điện và nước Dubai và DOE đã ký thỏa thuận hợp tác phát triển cuộc thi Solar Decathlon Trung Đông (SDME), với mục đích tích hợp các giải pháp thiết kế và xây dựng nhà ở phù hợp với đặc điểm địa lý, văn hóa – xã hội, hệ sinh thái và khí hậu độc đáo của khu vực này. Các đội tranh tài theo 10 thử thách: (1) Kiến trúc; (2) Kỹ thuật và xây dựng; (3) Quản lý năng lượng; (4) Hiệu quả năng lượng; (5) Điều kiện tiện nghi; (6) Công năng của ngôi nhà; (7) Giao thông bền vững; (8) Sự bền vững; (9) Truyền thông; và (10) Đổi mới.
SDME được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2018 tại Dubai, và lần thứ hai vào tháng 11/2021, trong khuôn khổ các hoạt động của World Expo 2020 Dubai nên SDME21 được gọi là “Olympic của Xây dựng bền vững”.
Cuộc thi thiết kế khu đô thị Net Zero – “Solar District Cup”
Ngày 30/5/2019, DOE đã công bố cuộc thi Solar District Cup [12], do Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) quản lý. Cuộc thi Solar District Cup được thiết kế để truyền cảm hứng cho sinh viên các ngành: Kỹ thuật, quy hoạch đô thị, tài chính, bền vững, truyền thông,… trong việc xem xét các cơ hội nghề nghiệp mới, học thêm các kỹ năng liên quan đến ngành của mình, và chuẩn bị để trở thành người dẫn đầu trong lĩnh vực phân phối năng lượng mặt trời. Solar District Cup được tổ chức hàng năm, bắt đầu từ 2020.
Trong cuộc thi này, các nhóm sinh viên đa ngành sẽ thiết kế, mô hình hóa các hệ thống năng lượng phân tán cho một khuôn viên trường đại học hoặc một khu đô thị – là nhóm nhà có chung nguồn phân phối điện. Các thiết kế tốt nhất đem lại mức bù đắp năng lượng hàng năm cao nhất và tiết kiệm tài chính lớn nhất, được xác định bằng các phân tích kinh tế – kỹ thuật do sinh viên thực hiện và theo đánh giá của ban giám khảo.
Kinh nghiệm thu hoạch từ cuộc thi Solar Decathlon 2023 và Solar District Cup 2024
Sân chơi quốc tế đầu tiên cho sinh viên ngành Kiến trúc – Xây dựng Việt Nam, tiếp cận thiết kế tích hợp – Solar Decathlon 2023, giải Tinh thần cống hiến
Lần đầu tiên, 07 sinh viên đại học, cao học, và các giảng viên đến từ các khoa: Kiến trúc và Quy hoạch, Kỹ thuật Môi trường, Vật liệu xây dựng, Kinh tế và Quản lý xây dựng của trường Đại học Xây dựng Hà Nội (HUCE) đã có cơ hội hợp tác với 08 sinh viên đại học, cao học, nghiên cứu sinh, và giảng viên nhóm Thiết kế bền vững của Đại học Texas A&M Hoa Kỳ (TAMU) cùng tham gia SD 2023 “Thử thách thức thiết kế” [14], hạng mục “Attached House”. Trải qua 6 tháng (10/2022 ÷ 4/2023) với hai vòng thi, đội TAMU-HUCE đã xuất sắc lọt vào top 4 hạng mục “Attached House”, và đạt giải “Tinh thần cống hiến” của SD 2023 “Thử thách thức thiết kế”.
Bối cảnh được lựa chọn nghiên cứu là làng Khuổi Ky, Trùng Khánh, Cao Bằng – một làng đá hơn 400 năm tuổi, có đặc điểm văn hóa cùng khí hậu miền núi đặc trưng. Để xác định chính xác nhiệm vụ thiết kế, nhóm HUCE đã tiến hành khảo sát thực trạng về đặc điểm kiến trúc, điều kiện môi trường ở, khí hậu và phong tục sinh hoạt của người dân tộc Tày làng Khuổi Ky trong hai ngày 29 và 30/11/2023. Các kết quả khảo sát đã cho thấy người Tày đang sinh sống trong không gian thông gió kém, lạnh vào mùa đông, thiếu ánh sáng tự nhiên và điều kiện vệ sinh thấp.
Ý tưởng nhiệm vụ thiết kế gồm 03 khối nhà ở của một đại gia đình gồm nhiều thế hệ, và có thể phát triển thành nhà ở kết hợp homestay để thích ứng với thị trường du lịch ngày càng phát triển. Thử thách thiết kế là các vấn đề về điều kiện sống, lối sống, năng lượng, khả năng kinh tế và điều kiện thi công.
Các phân tích tiềm năng trên biểu đồ sinh khí hậu cho thấy khí hậu của làng Khuổi Ky có thể đạt đến 80,3% thời gian tiện nghi trong năm:
- 5,7% thời gian đạt tiện nghi khi không sử dụng các chiến lược làm mát và sưởi ấm;
- 49,1% thời gian đạt tiện nghi khi sử dụng chiến lược thông gió tự nhiên;
- 25,5% thời gian đạt tiện nghi khi sử dụng cách nhiệt làm ấm thụ động;
- 19,7% thời gian đạt tiện nghi khi sử dụng thiết bị sưởi ấm và làm mát (HVAC).
Kết quả mô phỏng luồng không khí chuyển động giữa các rặng núi theo hướng gió chủ đạo mùa hè và mùa đông cho biết có thể tận dụng tối đa gió tự nhiên tại địa điểm nghiên cứu. Sau nhiều tuần phối hợp làm việc, nhóm TAMU-HUCE đã hoàn thành thiết kế tổ hợp 03 ngôi nhà A, B và C (hình 7) với phương thức tiếp cận hiện đại, đa chiều theo năm khía cạnh:
- Chất lượng cuộc sống: Nâng cao chất lượng môi trường trong nhà, tập trung vào các giải pháp tăng cường ánh sáng tự nhiên, thông gió tự nhiên và tiện nghi nhiệt, sử dụng vật liệu tiêu âm trong nội thất.
- Cảm nhận nơi chốn: Tôn trọng và bảo tồn giá trị truyền thống, kiến trúc gìn giữ các đặc trưng văn hóa phong tục người Tày tại Khuổi Ky, thể hiện qua việc chọn hướng nhà, bố trí nơi thờ cúng tổ tiên, lựa chọn vật liệu và phương thức xây dựng.
- Thiết kế thụ động: Các chiến lược thông gió tự nhiên, chiếu sáng tự nhiên và che nắng, cách nhiệt được sử dụng để đảm bảo tiện nghi nhiệt và thị giác, giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao chất lượng môi trường trong nhà vào mùa đông và mùa hè.
- Thi công xây dựng: Khả năng thi công có tính đến vị trí, việc tiếp cận giao thông. Ưu tiên sử dụng vật liệu có nguồn gốc địa phương, dễ thi công, đồng thời đảm bảo các yêu cầu cách nhiệt mong muốn.
- Khả năng chống chịu, phục hồi: Có thể chống chịu nguy cơ lũ lụt và lở đất thường xảy ra ở địa phương.
Các giải pháp thiết kế thụ động đã được áp dụng là: Chọn hướng nhà Bắc – Nam giúp giảm bức xạ mặt trời vào mùa hè; thiết kế cách nhiệt cho tường, sàn và mái; tổ chức thông gió xuyên phòng; cửa kính trên cao tăng cường chiếu sáng tự nhiên; hàng hiên ở hướng Đông nhìn ra suối Khuổi Ky (theo văn hóa truyền thống) đã che nắng hoàn tòan cho cửa chính; hệ panen điện mặt trời được lắp đặt trên mái theo góc phương vị 2110 và góc nghiêng 220 để tối đa khả năng nhận bức xạ mặt trời.
Hệ thống chủ động bao gồm điều hòa không khí, quạt và hệ thống đun nước nóng, được thiết kế nhằm mục đích nâng cao tiện nghi vào những thời điểm nắng nóng mùa hè, giá lạnh mùa đông (hình 10).
- Thiết bị điều hòa không khí được trang bị “công nghệ điều khiển môi chất lạnh thông minh” giúp tiết kiệm năng lượng tới 30% so với cho các mô hình không biến tần. Quạt hút được tích hợp vào hệ thống để quản lý ngưng tụ và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc;
- Quạt gió được sử dụng để điều tiết tăng cường thông gió tự nhiên, nâng cao tiện nghi nhiệt đáp ứng các tiêu chuẩn ASHRAE 62.2, LEED, Energy Star. Quạt được trang bị cảm biến chuyển động thông minh điều chỉnh tốc độ và cảm ứng chiếm cứ, nâng cao hiệu quả năng lượng;
- Máy nước nóng năng lượng mặt trời lắp đặt trên mái có khả năng giữ nhiệt lên đến 72 giờ, giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình gia nhiệt của bình nước nóng.
Các giải pháp thiết kế tích hợp thụ động và chủ động tối ưu đã giúp cả 3 ngôi nhà đều đạt mức cân bằng năng lượng khi có lắp đặt hệ thống panen điện mặt trời (hình 9).
Theo yêu cầu của cuộc thi, các kết cấu cần thể hiện đầy đủ thông số kỹ thuật như R, U-value, SHGC (hình 10). Tuy nhiên nhiều vật liệu xây dựng không có thông tin về hệ số dẫn nhiệt, ví dụ trần bằng cây tre, mái ngói âm dương, tấm panen nén rơm và mùn cưa,… nên đội thi đã sử dụng phương pháp tính gián tiếp để xác định các giá trị cần thiết sử dụng cho mô phỏng. Quá trình nghiên cứu cấu tạo và tính toán cách nhiệt trong bối cảnh các cấu trúc được tổ hợp từ các vật liệu địa phương đòi hỏi nhóm TAMU-HUCE liên tục tìm hiểu và trao đổi thống nhất cho đến khi đạt được chỉ tiêu hiệu quả năng lượng và tính bền vững về môi trường, kinh tế.
Vấn đề lở đất tại địa điểm cũng đã được giải quyết nhờ hệ thống sinh thái nhiều lớp. Lớp đầu tiên sát núi là rừng tre ngăn ngừa lở đất. Để ngăn tre lan rộng một cách mất kiểm soát, một bức tường chắn đã được thiết kế để giới hạn tre trong khu vực được chỉ định. Lớp tiếp theo là khu vực chuyển tiếp được trồng các loại cây bản địa như gỗ Tếch và Keo. Tiếp đến là khu trồng các cây bụi và cuối cùng là các vườn rau, cây cảnh.
Bên cạnh việc giải quyết các mục tiêu kỹ thuật, nhóm TAMU-HUCE phải chứng minh dự án có khả năng duy trì bền vững với lối sống và điều kiện kinh tế của người dân làng đá Khuổi Ky. Các sinh viên HUCE đã tiếp cận đánh giá kinh tế vòng đời (LCC) cho dự án. Tổng kinh phí xây dựng khoảng 38.300 USD, trong đó phần kết cấu chịu lực chỉ là 3.700 USD, tương đương gần 10% tổng chi phí vì đá hộc có thể tự khai thác. Gỗ, tre và ván gỗ sử dụng vật liệu có sẵn tại địa phương. Một số vật liệu phải mua và vận chuyển từ TP Cao Bằng hay thị trấn Trùng Khánh như vật liệu cách nhiệt EPS, tấm panen rơm và mùn cưa ép, cửa kính 2 lớp, đồ nội thất, và các thiết bị là nguyên nhân khiến cho tổng chi phí tăng lên. Nhờ vào truyền thống tốt đẹp của người dân tộc Tày là đổi công cho nhau, các chi phí xây dựng tại công trường được giảm thiểu.
Đánh giá tiềm năng phát thải vòng đời của ba ngôi nhà thực hiện theo hướng dẫn của tiêu chuẩn EN 15978 và khung quy định của tiêu chuẩn ISO 14044, sử dụng công cụ trực tuyến OneClickLCA, công cụ GaBi và cơ sở dữ liệu Ecoinvent. Phạm vi vòng đời (cradle-to-grave) được tính cho 75 năm, từ giai đoạn A1đến C4. Các tác động môi trường được tính bao gồm: (1) Tiềm năng nóng lên tòan cầu (GWP) để đánh giá lượng carbon phát thải của thiết kế; (2) Tiềm năng phú dưỡng (EP) để đo lường tác động của chất dinh dưỡng dư thừa được xả vào hệ sinh thái nước mặt và nước ngầm trong quá trình thi công và vận hành ngôi nhà; và (3) Khả năng gây độc cho con người (HTP) để đánh giá nguy cơ tiềm ẩn khi con người tiếp xúc với các chất độc hại.
Mục tiêu đặt ra là đạt mức phát thải carbon dưới 500 kgCO2e/m2 đã thành công cho cả ba ngôi nhà A,B,C và hiên chung (hình 11). Hình 12 minh họa kết quả tính lượng phát thải carbon của ba ngôi nhà theo các giai đoạn của vòng đời. Có thể thấy giai đoạn A1-A3 phát thải nhiều carbon nhất, tiếp theo là giai đoạn vận hành B6.
Bài thi Solar District Cup 2024 của sinh viên trường Đại học Vilanova, giải Nhì
Đây là lần đầu tiên Đại học Villanova tham dự Solar District Cup. Đội thi gồm 01 giảng viên và 06 sinh viên đại học, cao học thuộc các ngành: Kỹ thuật bền vững, Kỹ thuật điện và Kỹ thuật dân dụng. Tương tự như nhóm TAMU-HUCE, nhóm Villanova đã trải qua hơn nửa năm tự học và trải nghiệm thiết kế năng lượng mặt trời công nghệ cao, vượt qua vòng loại, tiến vào vòng chung kết và giành giải Nhì của nhóm chủ đề California State University, Northridge [15].
Đầu bài nghiên cứu của nhóm Villanova được Ban tổ chức lựa chọn và chỉ định, đó là khuôn viên trường Đại học bang California, Northridge (CSUN), một trường đại học tiên phong về xu hướng bền vững với cam kết tích hợp xanh trong mọi hoạt động của trường (hình 13). CSUN đã đặt ra các mục tiêu phát triển bền vững đầy tham vọng là đạt mức phát thải ròng bằng 0 và loại bỏ lượng khí thải liên quan đến điện trong khuôn viên trường vào năm 2040 thông qua việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời với công suất khoảng 20 MWdc (MWdc – megawatt dòng điện một chiều). Nhóm Villanova được giao nhiệm vụ tích hợp các hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống lưu trữ theo hai yêu cầu: (1) Giảm chi phí sử dụng điện vào giờ cao điểm; (2) cung cấp nguồn điện dự phòng nhằm tăng cường khả năng phục hồi năng lượng.
Nhóm Villanova đã xây dựng ý tưởng thiết kế cho khuôn viên CSUN là tập trung vào tích hợp các giải pháp hệ thống quang điện mặt trời (PV), trong đó ưu tiên hai mục tiêu: (1) Giảm nhu cầu sử dụng điện từ lưới điện quốc gia, (2) tạo điều kiện thuận lợi cho các bộ sạc xe ôtô điện (EV). Dự kiến xe ôtô điện sẽ chiếm tỷ lệ 90% vào 2040 nên CSUN mong muốn thiết lập cơ sở hạ tầng tối ưu cho các bộ sạc EV.
Nhu cầu điện năng tối đa và mức tiêu thụ điện hàng năm cho mỗi tòa nhà trong khuôn viên CSUN đã được tính toán, đồng thời các trạm biến áp cần thiết cũng được xác định. Từ đó nhóm đã thiết lập được đường cơ sở cho các tải năng lượng và sản lượng hệ thống điện để thực hiện phân tích tác động của hệ thống phân phối điện năng khi các hệ thống điện mới được bổ sung. Sau khi đường cơ sở được thiết lập, công tác đánh giá địa điểm được thực hiện, tập trung vào các mái nhà, gara và đặc biệt là hệ kết cấu che bãi đỗ xe. Tiêu chí để lựa chọn vị trí lắp đặt các tấm PV trên mái các nhà giảng đường có đôi chút khác biệt so với các tiêu chí cho gara và kết cấu che bãi đỗ xe. Các yêu cầu về khả năng tiếp cận thuận tiện cho các hoạt động thi công, không gian đủ rộng để lắp đặt tấm pin mặt trời, gần các điểm tiêu thụ hoặc kết nối và việc hạn chế tác động đến các hoạt động thường xuyên trong môi trường khuôn viên trường đã được xem xét đầy đủ. Từ đó nhóm đã khuyến nghị triển khai 34 hệ thống PV (sản phẩm SPR-MAX3-425, hiệu suất 22,7%, không chì, bảo hành 40 năm) với tổng công suất là 14,9 MWdc (hình 14).
Trong giai đoạn thiết kế chi tiết, phần mềm Helioscope đã được áp dụng để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời lắp trên mái các tòa nhà, gara và kết cấu che bãi đỗ xe. Các tấm PV đã được đặt dốc 10o với góc phương vị 180º (hướng Nam) để tối đa hóa khả năng nhận bức xạ mặt trời và tạo ra nhiều năng lượng nhất. Để tránh việc nhận bức xạ mặt trời thấp hơn 90%, giới hạn bị che nắng nhỏ hơn 10% đã được thiết lập cho tất cả mô đun thiết kế. Những tháng có bóng râm cao nhất là tháng 11, 12 và tháng 1, tuy nhiên diện tích bị che râm trong các tháng này vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được.
(Nguồn: Bài thi nhóm Villanova tại Solar District Cup 2024)
(Nguồn: BHinhfài thi nhóm Villanova tại Solar District Cup 2024)
(Nguồn: Bài thi nhóm Villanova tại Solar District Cup 2024)
Lưu trữ pin để giảm chi phí nhu cầu cao điểm trong tháng 6 đến tháng 10 và đảm bảo nguồn cung cấp điện không bị gián đoạn trong thời gian bị mất điện từ lưới điện TP cũng đã được xem xét. Nhóm Villanova đã chạy mười bốn hệ thống với SAM để có được kết quả tài chính và kỹ thuật cho từng hệ thống. Tuy nhiên, dựa trên kết quả tài chính, tất cả các hệ thống đều cho mức tiết kiệm âm. Do đó, nhóm đề xuất chỉ áp dụng hệ thống lưu trữ pin cho cho hệ thống 14 PV của ba tòa nhà: Redwood Hall, Oviat Hall và University Student Union để đảm bảo khả năng tài chính tối ưu và lợi tức đầu tư.
Việc phân tích tài chính chi tiết trong tòan bộ vòng đời cho hệ thống 14 PV của ba tòa nhà được đề xuất đã được thực hiện theo hai phương án: Đầu tư trả trước tòan bộ hệ thống hoặc thuê trong thời hạn hợp đồng. Kết quả phân tích tài chính này đã được Hội đồng giám khảo đánh giá cao về tính khả thi.
Nhận định chung và kết luận
Tiếp cận với thực hành thiết kế công trình, khu đô thị Net Zero thông qua các cuộc thi dành cho sinh viên là một phương pháp hiệu quả, giúp nâng cao năng lực kết nối liên ngành của giáo viên hướng dẫn cũng như nâng cao khả năng thực hành và kỹ năng làm việc liên ngành của sinh viên đại học và sau đại học. Đây cũng là phương thức hiệu quả nhất để tiếp cận nhanh và ứng dụng thành thạo các kiến thức mới. Bảng 1 dưới đây phân tích các yếu tố ảnh hưởng và các yêu cầu năng lực thực hiện để tham gia cuộc thi Solar Decathlon qua kinh nghiệm thực tiễn của nhóm HUCE.
Để có thể thúc đẩy Thiết kế Khu đô thị và Công trình Net Zero sớm trở thành hiện thực tại Việt Nam, các cơ quan quản lý Nhà nước, các tổ chức/hiệp hội nghề nghiệp rất nên xem xét tổ chức những cuộc thi trong nước có mục đích tương tự như Solar Decathlon/Solar District Cup và tham gia các cuộc thi thiết kế bền vững chuyên nghiệp quốc tế. Các cuộc thi này không chỉ tạo ra sân chơi bổ ích cho sinh viên và giảng viên mà còn giúp ngành xây dựng Việt Nam tiếp cận với những kiến thức và công nghệ tiên tiến nhất.
Phạm Thị Hải Hà, Nguyễn Thị Khánh Phương,
Nguyễn Phan Mỹ Anh, Nguyễn Ngọc Nam Dương
Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Việt Nam
Đinh Triệu Lâm
Trường Kỹ thuật, Đại học Villanova, Hoa Kỳ
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 7-2024)
Tài liệu tham khảo
[1] U. S. DoE, “A common definition for zero energy buildings,” The National Institute of Building Sciences for the US Department of Energy, 2015.
[2] “Solar Decathlon,” [Online]. Available: https://www.solardecathlon.gov/index.html.
[3] “Solar Decathlon Europe,” [Online]. Available: https://solardecathlon.eu/.
[4] “Solar Decathlon China,” [Online]. Available: https://sdchina.org.cn/home.
[5] T. Schielke, “Solar Decathlon Europe: Sustainable Lighting Combines Engineering and Design,” 15 11 2022. [Online]. Available: https://www.archdaily.com/992017/solar-decathlon-europe-sustainable-lighting-combines-engineering-and-design.
[6] Xinhua, “Solar decathlon competition lights up greener life,” 10 10 2021. [Online].
[7] “Solar Decathlon India,” [Online]. Available: https://solardecathlonindia.in/.
[8] “Solar Decathlon Latin America and Caribbean,” [Online]. Available: https://www.solardecathlon.gov/international-latin-america.html.
[9] “DEWA awards winners of 2nd SDME 2021,” 24 11 2021. [Online]. Available: https://mediaoffice.ae/en/news/2021/November/24-11/DEWA-awards-winners-of-2nd-SDME-2021.
[10] S. D. India, “MFY | Team Synergy | Reimagining Nestalgia,” 12 05 2023. [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=jFMK_XK2nxA.
[11] U. M. E. staff, “Solar Decathlon Middle East 2021 transforms traditional house design into a smart and sustainable oasis,” 18 11 2021. [Online]. Available: https://www.utilities-me.com/news/solar-decathlon-middle-east-2021-transforms-traditional-house-design-into-a-smart-and-sustainable-oasis.
[12] “Solar District Cup,” [Online]. Available: https://www.energy.gov/eere/solar/solar-district-cup.
[13] N. R. E. L. -. NREL, “Solar District Cup Collegiate Design Competition is Seeking Students,” [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=3hSfnw48q88.
[14] “2023 Design Challenge Teams,” [Online]. Available: https://www.solardecathlon.gov/2023/design/2023-design-challenge-teams.html.
[15] “Division Winners Announced!,” [Online]. Available: https://www.herox.com/SolarDistrictCup2024/update/6688
