Thiết kế nâng cao chất lượng môi trường và hiệu quả năng lượng trong các tòa nhà văn phòng ven biển Việt Nam

Bài viết dựa trên các nghiên cứu về khí hậu sinh học 20 năm (1981 – 2000), từ đó đề xuất các giải pháp kiến trúc nhằm nâng cao chất lượng môi trường và giảm bớt sử dụng năng lượng của hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà văn phòng ven biển Việt Nam. 

Xem thêm: Bàn về phương pháp thiết kế Kiến trúc xanh tại Việt Nam

Đặc điểm về khí hậu sinh học và công trình văn phòng ven biển Việt Nam

Việt Nam tuy có diện tích không lớn, nhưng nằm cạnh biển, với chiều dài bờ biển trên 3400 km. Nhiều thành phố Việt Nam nằm ở ven biển, ngay cả Thủ đô Hà Nội, cách biển khoảng 100 km cũng chịu ảnh hưởng của khí hậu biển.

Hai yếu tố khí hậu được quan tâm hàng đầu khi thiết kế công trình kiến trúc là: Đặc điểm khí hậu tác động tới con người (sinh khí hậu = SKH)trực xạ mặt trời (TXMT).

1. Phân tích SKH các đô thị ven biển

Lãnh thổ ven biển Việt Nam chịu ảnh hưởng trực tiếp của hoàn lưu gió mùa với sự tranh chấp của 5 khối gió chính, nên khí hậu ven biển có nhiều nét đặc trưng mà nơi khác không có.

Bão mạnh, mưa cường độ cao kèm theo gió lớn, triều dâng – sẽ càng nghiêm trọng hơn trong thời kỳ Biến đổi khí hậu – cần phải được xem xét cẩn trọng khi thiết kế để bảo đảm cho công trình an toàn tuyệt đối trong suốt quá trình vận hành. Các hiện tượng thời tiết cực đoan sẽ ngày càng khủng khiếp hơn với tần suất tăng dần. Tuy vậy, đó không phải là những hiện tượng xảy ra thường xuyên. Những đặc điểm sinh học xảy ra hàng ngày, được coi là “lợi thế của vùng ven biển” có thể kể ra dưới đây cần được nghiên cứu để đưa vào công trình bằng các giải pháp kiến trúc sáng tạo:

  • Không khí biển luôn luôn sạch sẽ, vệ sinh, gần như không bị ô nhiễm. Không khí này có thể chứa nhiều hơi ẩm và muối, có thể ảnh hưởng đến một số vật liệu và thiết bị, nhưng chưa có nghiên cứu nào cho rằng nó có ảnh hưởng xấu tới con người. Vì vậy, hàng năm ai cũng mong muốn được vài lần thở hít không khí biển.
  • Biển được coi là “máy điều hòa không khí (ĐHKK)” nhân tạo, làm giảm nhiệt độ của vùng nhiệt đới. Nhờ có biển mà nhiệt độ không khí luôn mát mẻ, dễ chịu, không vượt quá 33 – 34oC trong những ngày hè, trong khi tại vùng Trung đông cùng vĩ độ, nhiệt độ cực đại có thể lên tới 50 – 55oC.
  • Gió biển – gió đất (Breeze) thổi hàng ngày, mang không khí mát mẻ từ biển vào, có thể tạo ra vận tốc gió mong muốn, thay thế quạt làm mát con người trong vùng nhiệt đới độ ẩm cao. 
Biểu đồ các vùng SKHXD Việt Nam và kết quả phân tích TP Đà Nẵng.
Biểu đồ các vùng SKHXD Việt Nam và kết quả phân tích TP Đà Nẵng.

Nghiên cứu của chúng tôi đã xây dựng Biểu đồ sinh khí hậu xây dựng Việt Nam với 9 vùng cảm giác nhiệt, từ rất lạnh (V.1) tới rất nóng ẩm (V.8) và rất nóng khô (V.9), đã được Hội đồng khoa học Bộ xây dựng nghiệm thu năm 2004 (xem hình 1- ví dụ cho Đà Nẵng). Lưu ý rằng “vùng tiện nghi chấp nhận” (V.4) bao gồm từ cảm giác hơi lạnh đến hơi nóng, đã xét đến:

  • Người làm việc nhẹ (lượng nhiệt sinh lý M= 1 met);
  • Thời tiết hơi lạnh: áo quần có trở nhiệt I = 1-1,2 clo; vận tốc gió v < 0,5 m/s;
  • Thời tiết hơi nóng: áo quần I = 0,3 – 0,5 clo; vận tốc gió v = 0,5 – 1,0 m/s.

Cách ứng xử của người Việt Nam do quen sống ngàn năm trong khí hậu ẩm ướt – khác xa với người ở vùng khí hậu lạnh, và vùng khí hậu nóng khô – cũng cần được xét đến khi đề xuất các giải pháp kiến trúc thích ứng khí hậu:

  • Thời tiết của vùng tiện nghi và nóng (V. 4 & 7) có thể mở cửa hoàn toàn để đón không khí biển nhờ thông gió tự nhiên (TGTN). Gió biển là loại “quạt thiên nhiên” có giá trị vệ sinh, hiệu quả và kinh tế.
  • Thời tiết của vùng mát ẩm (V.6), lạnh (V.2) và lạnh vừa (V.3) có thể mở cửa một phần để đón không khí tự nhiên (TGTN có điều kiện);
  • Chỉ có các vùng rất lạnh (V.1) và rất nóng ẩm (V.8) là cần đóng kín cửa để sưởi ấm hoặc ĐHKK – Giải pháp công nghệ tốn năng lượng và không hoàn toàn vệ sinh. 
Bảng 1. Phân tích SKH các đô thị ven biển Việt Nam
Bảng 1. Phân tích SKH các đô thị ven biển Việt Nam

Bảng 1 là tổng kết phân tích SKH các đô thị ven biển Việt Nam theo số liệu nhiệt – ẩm từng giờ trong 20 năm (1981- 2000). Con số ghi trong bảng là số giờ / năm (theo %) xuất hiện các dạng thời tiết khác nhau. Ở miền khí hậu phía Bắc Việt Nam, thời tiết tiện nghi thường xuất hiện dưới 50% số giờ / năm. Qua đèo Hải Vân về phía Nam, thời tiết tiện nghi xuất hiện trên 80% số giờ / năm, thậm chí tại Nha Trang tới 99% số giờ / năm. Bảng 1 cho thấy các đô thị gần biển phía Nam đều có thời tiết tiện nghi rất cao.

2. Trực xạ mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam có lãnh thổ trải dài 15 vĩ độ và nằm trọn trong vùng nhiệt đới (từ 8o 30 đến 23o30B) nên bức xạ mặt trời, đặc biệt trực xạ mặt trời cao quanh năm và có tính hướng rõ rệt.

Trực xạ mặt trời (TXMT) khi chiếu qua vỏ kính vào nhà có thể gây ra một số tác động đến các môi trường trong nhà:

  • Môi trường nhiệt: Trong trường hợp cửa sổ đóng, TXMT xuyên qua cửa sẽ gây ra “hiệu ứng nhà kính” nung nóng không khí trong phòng. Khi chiếu trực tiếp lên các bề mặt nhà, TXMT cũng làm nóng các bề mặt này. Trong cả 2 trường hợp, sẽ làm nóng môi trường vi khí hậu (VKH), ảnh hưởng đến cảm giác nhiệt của con người, đặc biệt là trong mùa nóng ở Việt Nam; 
  • Môi trường ánh sáng: TXMT có cường độ cao, khi chiếu lên các bề mặt sẽ gây “lóa” trực tiếp hoặc phản xạ, có ảnh hưởng xấu đến tiện nghi thị giác;
  • Vệ sinh môi trường: TXMT có tác dụng diệt vi khuẩn, nấm mốc, làm sạch hơn môi trường không khí trong nhà, đặc biệt trong khí hậu nóng ẩm;
  • Sử dụng năng lượng: Nếu như trong vùng khí hậu lạnh, TXMT vào nhà nung nóng không khí, có thể giảm bớt năng lượng sưởi ấm trong những ngày đông lạnh giá, thì trong vùng khí hậu nóng, TXMT lại làm tăng tải trọng lạnh của hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng trong các tòa nhà. Vì vậy trong các công trình đóng kín ĐHKK, quy chuẩn xây dựng Việt Nam (QCVN 09:2013/BXD) đã quy định các giá trị OTTV, SHGC mà các công trình này phải tuân theo.
Trực xạ mặt trời mặt ngang tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP. HCM Nửa bên trái - tháng 12,1,2,3,4,5; Nửa bên phải - tháng 6,7,8,9,10,11
Trực xạ mặt trời mặt ngang tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP. HCM
Nửa bên trái – tháng 12,1,2,3,4,5; Nửa bên phải – tháng 6,7,8,9,10,11

Hình trên giới thiệu về TXMT trên mặt ngang tính toán từ số liệu đo 20 năm (1981 – 2000) tại 3 thành phố: Hà Nội, Đà Nẵng và TP HCM. Lưu ý rằng giá trị thể hiện là trung bình của những giờ có nắng.

Các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng môi trường trong nhà

Người làm việc văn phòng thường ngồi trong không gian của tòa nhà từ 6 đến 9 giờ mỗi ngày (8 giờ làm việc + 1 giờ nghỉ trưa), chưa kể có người phải làm việc thêm buổi tối. Các nghiên cứu cho thấy: Khi ngồi liên tục trong nhà, người làm việc dễ mắc triệu chứng bệnh lý (Sick Building Syndrome). Thông thường khi làm việc văn phòng liên tục vài, ba giờ, người công chức muốn được ra ngoài thở hít khí trời, vươn vai, hút thuốc hoặc nói chuyện gẫu với nhau.

Với lợi thế gần biển, các tòa nhà văn phòng cao tầng cần tổ chức không gian để đón được nhiều nhất không khí mát, vệ sinh từ biển vào các không gian làm việc và nghỉ ngơi. Thiết kế không gian đóng kín hoàn toàn trong nhà văn phòng, đặc biệt các tòa nhà ven biển Việt Nam là sai lầm lớn về môi trường, mà không chỉ về sử dụng năng lượng.

Quan điểm của chúng tôi là: Tổ chức không gian nhà văn phòng cần phân hai loại không gian khác nhau với các giải pháp thiết kế có thể trái ngược:

1. Không gian thông gió tự nhiên với các giải pháp:

  • Các phòng làm việc phải có hai mặt có cửa sổ trên hai hướng tiếp xúc với tự nhiên, tốt nhất trên mặt tường đối diện, nhờ đó tạo được TGTN xuyên phòng. Trong mùa nóng mong muốn vận tốc gió đạt từ 0,5 – 1,5 m/s, tối đa 2,0 m/s. 
  • Có các không gian đón gió và hành lang dẫn gió biển vào các phòng làm việc. Cần phải mở rộng tối đa diện tích sử dụng các không gian này, đặc biệt các tòa nhà ven biển phía Nam.
  • Mở các sân trời, ưu tiên mặt nhà hướng Đông (hướng biển) để đón gió mát. Các sân, ban công trở thành các “không gian xanh”, nơi nhân viên văn phòng có thể ra vào / ra, gặp gỡ khách hàng, trao đổi công việc, nghỉ ngơi ít phút giữa giờ;

Tổ chức sân trong – “lõi sinh thái” (Ecological core – theo đánh giá của các Chuyên gia Nikken Sekkei) của tòa nhà. Sân trong phải có không gian mở về phía biển để đưa không khí biển vào sân và phân phối tới các không gian ở hướng đối diện bất lợi. Không nên mở thông sân trong cả hai phía, tránh tạo thành ống hút gió với vận tốc lớn, đặc biệt khi mở về hướng gió lạnh như ở miền Bắc nước ta. Sân trong tạo thành những hành lang hở phía trong, đặc biệt nâng cao tiện nghi môi trường trong những ngày mưa to, gió lớn hay bão nhiệt đới.

  • Có giải pháp kiểm soát vận tốc TGTN cho các không gian làm việc, đặc biệt không gian mở của nhà cao tầng bằng hệ thống cửa tự động đóng mở theo áp lực gió hoặc áp dụng thông gió cơ khí.

Chúng tôi giới thiệu Dự án Viettinbank tại Tây Hồ, Hà Nội do KTS sinh thái nổi tiếng Norman Foster thiết kế. Tòa tháp văn phòng 68 tầng với một hệ thống sân xanh nối liền, thuận lợi đưa không khí tự nhiên trong lành tới cận kề nơi làm việc tại tất cả các tầng.

Dự án Viettinbank - KTS. Norman Foster
Dự án Viettinbank – KTS. Norman Foster

Một ví dụ khác là Chung cư Grand View Phú Mỹ Hưng với sân trong được mở về phía gió mát thịnh hành, đưa không khí tự nhiên về phía các căn hộ đối diện của tòa nhà.

Chung cư Grand View, Phú Mỹ Hưng, TP Hồ Chí Minh
Chung cư Grand View, Phú Mỹ Hưng, TP Hồ Chí Minh

2. Không gian điều hòa không khí với các giải pháp:

  • Không gian kiến trúc trong nhà có thể thiết kế hợp khối, chặt chẽ để giảm diện tích vỏ nhà. Mặt chính nhà ưu tiên mở về các hướng có TXMT thấp;
  • Giảm diện tích tường và cửa kính các hướng có trực xạ mặt trời cao; bảo đảm các giá trị OTTV và SHGC theo quy định của QCVN 09:2013/BXD;
  • Thiết kế cấu tạo che trực xạ mặt trời có hiệu quả cho các cửa sổ và tường kính. Che nắng hiệu quả cửa sổ đối với nhà đóng kín ĐHKK quan trọng hơn đối với nhà mở cửa đón không khí tự nhiên vì hai lý do: Một là khi không có TXMT vào nhà sẽ không xảy ra “Hiệu ứng nhà kính” trong nhà đóng kín, không làm tăng tải trọng lạnh của hệ thống ĐHKK. Hai là không cần sử dụng kính công nghệ cao để chống trực xạ (có SHGC nhỏ), nhờ đó giảm đáng kể kinh phí xây dựng.
Thư viện quốc gia King Fahad, Riad/ Ả Rập Saudi
Thư viện quốc gia King Fahad, Riad/ Ả Rập Saudi

Với công trình Thư viện quốc gia King Fahad, Riad / Ả Rập Saudi với vỏ nhà 2 lớp che nắng hoàn toàn cho cả tòa nhà. Kính cửa trong tòa nhà này, khi đó chỉ cần dùng loại 2 lớp, có khả năng cách nhiệt tốt để giữ mát không gian trong nhà (có giá trị U nhỏ), mà không cần loại kính có SHGC nhỏ.

A1136-tckt-07

Kết luận

Từ những phân tích trên, để tạo được môi trường trong nhà tốt nhất và giảm sử dụng năng lượng nhờ giảm không gian sử dụng ĐHKK, chúng tôi đưa ra chỉ dẫn thiết kế các tòa nhà văn phòng, đặc biệt nhà văn phòng cao tầng tại các thành phố ven biển Việt Nam sau đây:

1. Nhà có hình dạng chữ nhật, mặt chính nhà ưu tiên mở về các hướng có TXMT thấp. Đó là các hướng: Bắc, Nam, Đông Bắc và Đông Nam.

2. Các hướng có TXMT cao (Tây, Đông, Tây Bắc, Tây Nam) có diện tích tường, đặc biệt diện tích cửa kính nhỏ nhất;

3. Không gian làm việc được chia thành 2 loại:

  • Không gian TGTN là chủ yếu (thời gian TGTN trên 50%) được thiết kế “mở” về phía biển (thường hướng Đông). Khi đó nên tạo thành các “hành lang đón gió”. Trường hợp mở cửa sổ trực tiếp, cần thiết kế che nắng hiệu quả (xem các giải pháp kiến trúc đã nêu ở mục A)
  • Không gian ĐHKK là chủ yếu (thời gian ĐHKK trên 50%) được thiết kế “kín” (xem các giải pháp kiến trúc đã nêu ở mục B).

4. Phần vỏ kính của nhà (tường và cửa sổ) ưu tiên thiết kế cấu tạo che TXMT. Khi che nắng hiệu quả, các không gian sử dụng hệ thống ĐHKK chỉ cần quan tâm hạ thấp giá trị U của chúng (ví dụ kính 2 lớp có khí Argon ở giữa), mà không cần quan tâm giá trị SHGC.

Cũng xin lưu ý rằng che nắng hiệu quả không chỉ giải quyết bằng cấu tạo che nắng, mà còn có thể thực hiện bằng nhiều giải pháp khác như tổ chức không gian (lồi / lõm), tạo không gian chuyển tiếp, “vỏ 2 lớp / double skins” đổi hướng cửa sổ, sử dụng dàn cây, sân xanh, hiên xanh …

Các kiến nghị trình bày đã được áp dụng trong một đề xuất ý tưởng thiết kế cải tạo Trung tâm hành chính Đà Nẵng (mời xem thêm bài trong TCKT 255 – 07 – 2016).

Xem thêm: Trung tâm Hành chính Đà Nẵng – Khi công năng thua hình thức

Các tòa nhà văn phòng tại các nước có vĩ độ cao (> 40 độ) thường ưu tiên tối đa sử dụng vỏ kính mà không cần che chắn, nhằm lấy được nhiều ánh sáng tự nhiên, đặc biệt trong những ngày mùa đông (có khi chỉ có 3 – 4 giờ ban ngày) và lợi dụng Mặt trời có cường độ thấp để sưởi ấm nhà những tháng mùa lạnh.

Trong vùng khí hậu nhiệt đới – ẩm ven biển của nước ta, không khí mát và sạch sẽ quanh năm, nhưng trực xạ mặt trời lớn, nếu sao chép hoàn toàn các giải pháp của các tòa nhà vùng lạnh sẽ tạo ra nhiều bất lợi cả về môi trường và năng lượng. Thiết kế kiến trúc công trình văn phòng ven biển hợp lý sẽ nâng cao chất lượng môi trường vi khí hậu và sức khỏe trong nhà, nâng cao tiện nghi ánh sáng trong các không gian làm việc nhờ sử dụng được tối đa ánh sáng tự nhiên và giảm đáng kể năng lượng sử dụng nhờ giảm không gian và thời gian phải chạy hệ thống ĐHKK.


Tài liệu tham khảo

  • Phạm Đức Nguyên. Phát triển kiến trúc bền vững, kiến trúc xanh ở Việt Nam. NXB Trí thức 2012.
  • Phạm Đức Nguyên. Bàn về phương pháp thiết kế kiến trúc xanh ở Việt Nam. Tạp chí Kiến trúc 255 – 07 – 2016.
  • Designing healthy energy efficient office buildings. Thermal programme action B 100. For the European Commission, Directorate – General for Energy.
  • Anna Ray – Jones ( Edited ). Sustainnable Architecture in Japan . The Green Buildings of Nikken Sekkei. 2000. Wiley- Academy.

PGS.TS Phạm Đức Nguyên
UV Hội đồng Kiến trúc xanh, Hội KTS Việt Nam

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 08-2016)