Vườn trên mái hay tấm pin năng lượng mặt trời – Giải pháp nào tối ưu cho nhà mái bằng

Nhà là nơi chốn để trở về – Khi mức sống sinh hoạt ngày càng được nâng cao, người dân quan tâm hơn về chất lượng sống, họ cần nhiều không gian để thư giãn, nghỉ ngơi và thụ hưởng. Ngoài các ý tưởng về hình thức và tiện nghi có thể nhìn thấy ngay trước mắt, tính hiệu quả thực sự mà các giải pháp đó mang lại dường như khó xác định vì thế hay bị bỏ qua. Do đó cần có những đánh giá cụ thể về tính hiệu quả của thiết kế sân vườn, giải pháp kỹ thuật chống nóng trên mái bằng để cung cấp những giải pháp tối ưu cho người thiết kế, sử dụng.

Giải pháp chống nóng trên mái và tính hiệu quả

1. Đánh giá tính hiệu quả phải sớm từ ban đầu

Các nghiên cứu về mái bằng trong công trình và độ tin cậy của các giải pháp bảo trì mái bằng đã có từ trước tới nay [1], đánh giá kinh tế trong xây dựng bảo trì mái bằng cũng được nghiên cứu nhiều [2,3,4], tuy nhiên, giải pháp mái nhà nào phù hợp hơn, kinh tế hơn có lẽ còn chưa có câu trả lời cụ thể. Thay vì để chủ đầu tư phải chờ đợi vào thời gian trải nghiệm, các đánh giá này có thể được đơn giản hóa bởi bài toán ước tính về chi phí và mô phỏng, phương pháp này cho thấy sự minh bạch về tính tiện nghi nhiệt và hiệu quả kinh tế của ngôi nhà một cách cụ thể để gia chủ có thể đưa ra lựa chọn và quyết định từ ban đầu.

2. Bài toán đơn giản để thực hiện đánh giá

Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu

Hai kiểu ứng dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mái bằng được đánh giá là mái sử dụng Pin năng lượng mặt trời (NLMT) và mái xanh tức mái có trồng vườn trên mái. Trong đó lấy dữ liệu của mái bằng bê tông cốt thép (BTCT) không trang bị giải pháp cách nhiệt làm cơ sở đối chiếu, dựa trên phương pháp mô phỏng hai loại công trình nhà ở tiêu biểu là: Nhà phố và ký túc xá (KTX) giải thích ở sơ đồ Hình 1. Các đối tượng nhà ở lựa chọn nằm trên địa bàn TP Đà Nẵng để tiện quan sát trong nghiên cứu ban đầu. Mô hình đề xuất cuối cùng là mô hình tham khảo ứng dụng sự phối hợp 2 giải pháp trên.

Hình 2. Công trình nhà phố (trái) Công trình KTX Đại học FPT (phải)
Hình 3. Thiết lập mô hình mô phỏng nhà ở và KTX

Nhà phố được mô phỏng là căn 3 tầng tiêu biểu (Hình 1), có sử dụng kết cấu mái bằng BTCT, dựa trên mức độ phổ biến tại khu vực Nại Hiện Đông, Sơn Trà, TP. Đà Nẵng, có diện tích dao động từ 5×20(m) đến 5×30(m), loại hình này chiếm tới 63% tổng công trình nhà ở tại đây. Mô hình thứ 2 được nghiên cứu là KTX Đại học FPT ở khu quy hoạch FPT, hoàn thành vào năm 2019 (Hình 2) là kiểu công trình mái bằng dễ thiết lập giải pháp kỹ thuật mái.

Tiêu chí năng lượng tiêu thụ và tiện nghi nhiệt là các tiêu chí chính được theo dõi trên Ecotect cùng với dữ liệu thời tiết của TP. Đà Nẵng, dữ liệu thời tiết sử dụng theo vùng hoặc dùng kiểu dữ liệu nhiệt đới ẩm của nước ta. Các thông số tiện nghi nhiệt sẽ được cài đặt tùy vào nhu cầu sử dụng mà người thiết kế mong muốn. Trong đó, đối với nhà phố thì lắp đặt 32 Pin mặt trời: 2.5(m) x 1(m) trong diện tích 80m2 (chiếm 80% S mái), cài đặt 366 Pin mặt trời cho nhà KTX với diện tích 915 m2, hệ số xuyên sáng là 20%. Mô hình cần được thiết lập theo phương pháp phân vùng: Vùng có sử dụng máy lạnh và vùng không sử dụng máy lạnh, lưu ý các máy lạnh chỉ bố trí ở các phòng ngủ. Ngoài ra, các tầng ngoài tầng áp mái không có hoặc có rất rất ít sự ảnh hưởng của kiểu mái bằng nên các chênh lệch về nhiệt độ, tiêu thụ năng lượng của toàn công trình hầu như do tầng mái quyết định.

Phương pháp này yêu cầu tính toán nhiệt trở U-value của các lớp cấu tạo vật liệu mái, căn cứ vào hệ số trao đổi nhiệt, bề dày lớp vật liệu, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt trở không khí và tra phụ lục QCVN 09-2013-BXD [5], giá trị nhiệt trở U-value của tường gạch vữa 220mm, mái BTCT dày 110mm và mái xanh (BTCT +Lớp mái xanh) dày 247.5mm được xác định lần lượt là 2.2892, 4.629 và 1.314.

Giá trị kinh tế dựa trên tính toán hằng năm, bao gồm chi phí lắp đặt đối với mái NLMT và chi phí thi công đối với mái xanh trong năm đầu tiên. Sau thời gian này, chi phí bảo dưỡng sẽ được áp dụng cho mái xanh, và mức suy giảm công suất tạo ra điện cũng được áp dụng cho mái Pin NLMT cùng với tiêu hao về điện năng do làm mát công trình theo giờ sẽ được thống kê để tính chi phí và lợi nhuận cuối cùng. 32 tấm Pin NLMT trung bình 1 năm tạo ra 24261 Kwh (theo ước tính của doanh nghiệp GIVASOLAR [6]). Giá thành tiền điện nhà nước thu mua 2086 VNĐ/Kwh (theo điều 4, chương II, Quyết định 13-2020 QD-TTg [7]). Chi phí lắp đặt 30 tấm Pin mặt trời EA Solar 2.5(m) x 1(m) có hạn 10 năm công suất 15Kwh là 215 triệu VNĐ (theo giá thị trường hiện nay [8]). Chi phí lắp đặt thi công mái xanh 100m2: 252 triệu VND (theo EPA- Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ ước tính theo 1m2 [9]). Chi phí bảo dưỡng mái xanh theo quý: 1.75 triệu VNĐ (theo bảng giá bảo dưỡng chăm sóc vườn trên thị trường hiện nay [9]). Giá trị kinh tế (GTKT)GTKT được thống kê qua 3 mốc thời gian 10 năm, 20 năm và 40 năm, là các mốc vòng đời của công trình và vòng đời của các giải pháp mái, GTKT nhận thấy lớn hơn 0 khi lợi nhuận thu vào cao hơn các chi phí khác và ngược lại, GTKT được tính như sau:

GTKT = [Lợi nhuận sinh ra (VNĐ)] – [Năng lượng tiêu thụ (kWh) x giá điện (VNĐ) + Phí lắp đặt (VNĐ) + Phí bảo trì (VNĐ)].

3. Vậy phương pháp nào thực sự hiệu quả hơn?

So sánh về năng lượng

Hình 4 – Biểu đồ so sánh năng lượng tiêu thụ để làm mát của 3 kiểu mái bằng trong năm thuộc công trình nhà phố và KTX

Thời tiết kiểu nhiệt đới gió mùa tại TP Đà Nẵng cho thấy tháng 6 là tháng nóng nhất, công trình phải sử dụng nhiều năng lượng nhất để tạo được tiện nghi nhiệt cho con người, mùa đông đến mùa xuân nhiệt độ ít khi lên quá mốc tiện nghi nhiệt. Trong một năm, mái BTCT sử dụng nhiều năng lượng để làm mát nhất; mái Pin NLMT cao hơn một ít xấp xỉ 4.2%, nhưng mái xanh rất thấp, kém đến 24.7% so với mái BTCT. Như vậy, rõ ràng mái xanh sử dụng năng lượng để làm mát ít nhất, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Các kết quả tương tự cũng thể hiện ở công trình KTX. Số liệu năng lượng tiêu thụ để làm mát của 3 kiểu mái bằng nhà phố và KTX tham khảo Hình 4.

Hình 5. Tỉ lệ phần trăm số giờ tiện nghi nhiệt trong năm của 3 loại mái bằng của nhà phố ( và KTX

So sánh về tiện nghi nhiệt

Lấy mức tiện nghi nhiệt yêu cầu tối thiểu từ 25oC – 26oC để đáp ứng nhu cầu sử dụng, mô phỏng cho thấy tỉ lệ phần trăm số giờ tiện nghi nhiệt trong năm của 3 loại mái bằng được thể hiện. Kiểu mái xanh đáp ứng tiện nghi nhiệt nhiều nhất, cao hơn 3.4% so với mái BTCT đối với nhà phố và hơn 7.5% với KTX, mái Pin NLMT cao hơn mái BTCT 0.5% đối với nhà phố và 1.2% với KTX. Các tỉ số này thể hiện rõ rệt hơn đối với công trình KTX có quy mô lớn hơn. Từ đó có thể thấy được, khi công trình không sử dụng năng lượng làm mát và chỉ tính đến điều kiện khí hậu tự nhiên thì mái xanh tạo ra thời gian tiện nghi nhiệt nhiều nhất và mái BTCT tạo ra thời gian tiện nghi nhiệt thấp nhất.

So sánh về kinh tế

Lợi nhuận trong 1 năm là số tiền lời mà 3 kiểu mái tạo ra sau khi trừ đi hết các khoảng chi phí lắp đặt, bảo trì bảo dưỡng và tiêu thụ năng lượng để làm mát. Từ đó có thể thấy sau 1 năm, mái Pin NLMT vẫn chưa có lợi nhuận, trong khi đó mái xanh có tiêu phí năm đầu cao nhất (271 triệu VNĐ đối với nhà phố, 3008 triệu VNĐ với KTX) và mái BTCT thấp nhất (từ 16 đến 80 triệu VNĐ). Lấy chi phí xây dựng mái BTCT làm mốc vì cả 3 đều lắp đặt sàn BTCT, 2 kiểu mái PNLMT có chi phí ban đầu lần lượt từ 215 đến 1800 triệu VNĐ. Tham khảo Bảng 1.

Bảng 1. So sánh lợi nhuận trong năm đầu của 3 kiểu mái bằng nhà phố và KTX

Sau 10 năm, có thể thấy kiểu mái Pin NLMT sau khi trừ các loại chi phí lắp đặt (Bảng 2), bảo trì bảo dưỡng và tiêu thụ năng lượng đã sinh ra lợi nhuận rất lớn (từ 158 đến 3586 triệu VNĐ), tiếp tục tăng sau 20 năm (307 đến 7173 triệu VNĐ) và 40 năm ( từ 614 đến 14345 triệuVNĐ). Các loại mái khác vẫn tiếp tục tốn nhiều chi phí và không sinh ra tiền lời, trong đó mái xanh chi phí nhiều hơn mái BTCT 30 triệu VNĐ và vẫn tăng dần đều theo năm tham khảo tại Bảng 2.

Bảng 2. So sánh lợi nhuận trong 10, 20, 40 năm của 3 kiểu mái bằng nhà phố và KTX

4. Thảo luận và đề xuất mô hình giải pháp mái

Đối với công trình nhà ở: Mái xanh có tỉ lệ làm mát tốt từ 21.4% đến 10.1% so với mái Pin NLMT nên: Sử dụng 10.1-21.4% diện tích mái dành cho mái xanh kết hợp phần diện tích còn lại dành cho mái Pin NLMT để mang lại hiệu quả cao về tiện nghi nhiệt và kinh tế đồng thời giúp tăng khả năng làm mát tự nhiên của công trình – bảo vệ môi trường. Giải pháp đề xuất được mô phỏng cho các đối tượng như các tham khảo ở Hình 6. Chỉ cần căn cứ vào tỉ lệ thành phần đề xuất, các giải pháp bài trí có thể tùy theo ý đồ thiết kế, với khuyến nghị mái xanh nên thiết kế đặt tại vị trí bên trên phòng ngủ.

Kết luận

Sử dụng toàn bộ diện tích mái cho Pin NLMT (100%) sẽ đem lại hiệu quả tối đa về mặt kinh tế và tiện nghi nhiệt cho công trình. Nếu nhà đầu tư ưu tiên giải pháp kinh tế và quan tâm lợi nhuận cuối cùng thì có thể quyết định lắp đặt mái Pin NLMT, nhưng chấp nhận chi phí xây dựng ban đầu cao, do đó phải có nguồn vốn lớn. Đồng thời nên cân nhắc khả năng làm mát tự nhiên của loại này không phải là tối ưu. Trong khi chủ đầu tư quan tâm đến tiện nghi nhiệt nhiều hơn mà không có nguồn vốn ban đầu lớn thì có thể tính đến việc xây dựng một hệ mái trồng cây xanh. Tóm lại, mô hình tối ưu là mô hình sử dụng phối hợp giữa mái xanh và mái Pin NLMT theo tỉ lệ đề xuất để đảm bảo tiện nghi nghiệt và cân đối bài toán kinh tế cho người thiết kế. Đối với các loại công trình đã được nghiên cứu, nên bố trí kết hợp các kiểu mái theo tỉ lệ từ 10-21% diện tích mái xanh kết hợp 90-78% mái lợp Pin NLMT sẽ mang lại hiệu quả cao về năng lượng, tiện nghi nhiệt và kinh tế đồng thời giúp tăng tính thẩm mỹ và bền vững của công trình.

Lê Trương Di Hạ
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 07-2022)


Tài liệu tham khảo
[1] Jaime González-Domínguez, Gonzalo Sánchez-Barroso, Justo García-Sanz-Calcedo, Preventive maintenance optimisation of accessible flat roofs in healthcare centres using the Markov chain, Tạp chí Building Engineering, Số 32,2020,101775,ISSN 2352-7102, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101775
[2] Fu Zhu, Zhixiang Yu, Zhixiang Liu, Xiaoxiao Chen, Ruizhou Cao, Hao Qin, Experimental study on the air flow around an isolated stepped flat roof building: Influence of snow cover on flow fields, tạp chí Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Số 203, 2020, 104244, ISSN 0167-6105, https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104244.
[3] Luis A. García-Solórzano, Carlos J. Esparza-López, Karam M. Al-Obaidi, Environmental design solutions for existing concrete flat roofs in low-cost housing to improve passive cooling in western Mexico, Journal of Cleaner Production, Số 277, 2020, 123992, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123992.
[4] Francesco Leccese, Giacomo Salvadori, Maksym Barlit, Ventilated flat roofs: A simplified model to assess their hygrothermal behaviour, Journal of Building Engineering, Số 22, 2019, Trang 12-21, ISSN 2352-7102, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2018.11.009.
[5] QCVN 09:2017/BXD. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả. Bộ Xây Dựng.
[6] Phương pháp tính giá trị điện cung cấp bởi doanh nghiệp GIVASOLAR. Nguồn internet: https://givasolar.com/san-pham/he-thong-nang-luong-mat-troi-tron-goi-15kw/.
[7] Quyết định 13/2020/QĐ-TTg. Quyết định về cơ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời tại việt nam. Thủ tướng Chính Phủ.
[8] Mia Taylor. What a Green Roof Costs You on the Way to Saving Everything, 2015 EDT. The Arena Group.
[9] Báo giá chăm sóc bảo dưỡng vườn đứng, vườn treo cung cấp bởi doanh nghiệp EGOGREEN. Nguồn internet: https://egogreen.vn/bao-gia-bao-duong-cong-trinh-cay-xanh-tai-egogreen.