Tòa nhà Kim cương (ST Diamond)- Công trình Xanh độc đáo tại Putrajaya – Malaysia

1266

Tháng 5 năm 2013, tôi đã được tham gia cùng Hội Môi trường Xây dựng Việt nam đi khảo sát các Công trình xanh tại Singapore và Malaysia. Một trong những địa chỉ mà đoàn khảo sát đã được đến tham quan và học tập kinh nghiệm là Tòa nhà Kim Cương (ST Diamond). Bài báo này tôi viết dựa trên các tài liệu được cung cấp khi đến tham quan công trình do Công ty Tư vấn Năng lượng Xanh – IEN Consultants (đại diện là kỹ sư Gregers Reimann) và tôi cũng tham khảo thêm bài viết “Diamond Building” trên sách “Green Pages” của Malaysia xuất bản năm 2012.

Thông tin công trình

  • Chủ đầu tư: Hội đồng năng lượng của Malaysia
  • Quản lý dự án: Senandung Budiman Sdn Bhd
  • Thiết kế Kiến trúc: NR Architect & NR Interior Design  (Malaysia)
  • Thiết kế cơ điện (M&E): Primetech Engineers
  • Tư vấn Năng lượng Xanh: IEN Consultants
  • Thời điểm hoàn thành: 3/2010
  • Số tầng cao:  8 tầng và 1,5 tầng hầm.
  • Diện tích xây dựng: 4.928m2
  • Tổng diện tích sàn: 14.691m2
  • Tổng diện tích sử dụng: 11.668,4m2
  • Tổng mức đầu tư: 76,5 triệu RM
  • Thiết kế C&S: Công ty Perunding SM Cekap
  • Nhà thầu: Putra Perdana Construction
  • Công ty vận hành: Pureaire Sdn Bhd
  • Chi phí gia tăng cho năng lượng xanh: 3,2%;
  • Thời gian hoàn vốn < 3 năm

Tòa nhà kim cương (ST Diamond), trụ sở của Hội đồng năng lượng Malaysia (EC) tại Putrajaya, là công trình xanh đầu tiên ở Malaysia đã đạt cùng lúc Chứng chỉ Bạch kim Green Mark của Singapore (95/120 điểm) và Chứng chỉ Bạch kim GBI của Malaysia (88/100 điểm).

Phối cảnh tổng thể Tòa nhà Kim cương – ST Diamond

Công trình này cũng giành được hai giải thưởng CIDB và MCIEA năm 2010 bao gồm: Giải thưởng nhà thầu G7 và Giải thưởng đặc biệt về tính sáng tạo. Đặc biệt, công trình đã giành giải nhất trong cuộc thi giải thưởng năng lượng của ASEAN năm 2012 và đã đứng thứ nhì cuộc thi giải thưởng công nghệ ASHRAE (Mỹ) năm 2013.

Khung cảnh nhìn từ bên trong công trình

Tòa nhà Diamond được tập đoàn Senandung Budiman đầu tư xây dựng để giới thiệu các công nghệ giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và nước sạch trong công trình, tiết kiệm các nguồn tài nguyên tự nhiên, thúc đẩy việc sử dụng các vật liệu xây dựng bền vững và tăng cường chất lượng môi trường trong nhà. Phương pháp tiếp cận toàn diện cho vỏ bao che công trình, sảnh thông tầng – sân trong, hệ thống cơ điện, hệ thống chiếu sáng tự nhiên, kiến trúc cảnh quan và lựa chọn vật liệu cho phép thiết kế – xây dựng một tòa nhà bền vững về môi trường

Tổng quan thiết kế

Việc thiết kế phát triển công trình Diamond trên lô đất 2C15 ở Putrajaya đã tuân thủ tất cả các quy định về tỷ lệ lô đất, diện tích chiếm đất tối đa, chiều cao tối đa trong Hướng dẫn thiết kế đô thị Putrajaya (UDG). Riêng hình dáng thiết kế ban đầu là hình chữ U có sân trong đã bị loại trừ và Chính quyền địa phương đã đưa ra một hình dáng mới cho công trình có thể tạo ra hiệu suất năng lượng tối ưu – đó là hình Viên Kim Cương.

Khu vực xây dựng công trình bằng phẳng, thiếu thảm thực vật và khung cảnh mềm, nên mặt trời chiếu nắng gần như suốt cả ngày, dẫn đến tiềm năng tăng lượng nhiệt truyền vào nhà, không chỉ do bức xạ mặt trời trực tiếp mà còn có cả bức xạ mặt trời phản chiếu từ khung cảnh xây dựng và mặt đất không thấm nước ở xung quanh.

Toàn cảnh khu đất nhìn từ hướng Đông – công viên Pancarona

Các ý tưởng về việc sử dụng gió để tạo ra hệ thống thông gió tự nhiên cho công trình không được chấp thuận do công trình cần phải được đóng kín hoàn toàn để duy trì nhiệt độ trong nhà ổn định là 24°C.  Tuy nhiên, bãi đậu xe ở tầng hầm đã được thiết kế cẩn thận để được thông gió tự nhiên với các khoảng mở dọc theo chu vi công trình và cả một khu vườn lớn phía dưới. Kết quả là, các quạt kiểm soát khí CO ở khu đỗ xe hiếm khi phải hoạt động.

Chiến lược thiết kế

Công trình được lấy cảm hứng từ hình dạng của viên kim cương, tượng trưng cho sự minh bạch, giá trị và bền vững; đại diện cho vai trò và nhiệm vụ của Hội đồng năng lượng quốc gia. Hình dạng viên kim cương được đưa ra cũng là kết quả của việc thiết kế có tính đến điều kiện khí hậu và đường chuyển động biểu kiến của mặt trời của nước xích đạo Malaysia (3,15° Bắc). Theo nghiên cứu về đường chuyển động biểu kiến của mặt trời, các mặt đứng nghiêng sẽ tự tạo bóng đổ với góc nghiêng 25 độ.

Mặt đứng tự tạo bóng đổ

Trong quá trình thiết kế, việc mô phỏng trên máy tính đã được tiến hành để đảm bảo rằng hiệu suất năng lượng đạt yêu cầu, ánh sáng tự nhiên đầy đủ và phân bố tốt. Dữ liệu từ các thí nghiệm mô phỏng cũng cung cấp thông tin hữu ích về các giải pháp thích hợp có thể áp dụng trong việc giảm tiêu thụ năng lượng mà không ảnh hưởng đến mức độ tiện nghi của người sử dụng.

Tòa nhà được thiết kế với chỉ số BEI (chỉ số năng lượng công trình của Malaysia) là 85kWh/m2/năm với thời gian hoạt động là 2800 giờ/năm – giảm 65% tiêu thụ năng lượng so với một tòa nhà văn phòng điển hình ở Malaysia (chỉ số BEI trung bình là 210kWh/m2/năm). Theo số liệu đo năm 2011, chỉ số BEI trung bình của tòa nhà Kim cương là 65kWh/m2/năm, tương ứng với lượng điện được tiết kiệm hàng năm là 63%.

Hệ thống điều hòa không khí

Tòa nhà Kim cương được thiết kế để tạo ra sự tiện nghi nhiệt với hai hệ thống làm mát sau đây:

  • Tấm sàn bức xạ lạnh giải quyết tải lượng hợp lý của không gian điều hòa không khí;
  • Hệ thống đối lưu không khí giải quyết tải lượng tiềm ẩn, chuyển động không khí và lọc không khí ở các không gian điều hòa.
Hệ thống làm mát trong nhà (1) Sàn được làm mát; (2) Hệ thống thông gió

 

Bức xạ lạnh từ mặt tấm sàn được thực hiện bằng cách làm lạnh các tấm sàn bê tông RC với nước lạnh từ 18-20°C. Ống hấp thụ nhiệt Polyethlene (PERT) được đặt vào trong các tấm bê tông, chúng được cấp nước lạnh để làm lạnh các tấm sàn và làm lạnh cho công trình (hình 4). Các tấm bê tông đóng vai trò như một lưu trữ nhiệt, mà sẽ được xạc vào ban đêm từ 10:00 đêm đến 6:00 giờ sáng và sẽ xả nhiệt thụ động làm mát suốt cả ngày bằng cách làm mát bức xạ và đối lưu nhiệt. Nhiệt độ bề mặt của tấm sàn được làm mát được thay đổi trong khoảng 20-23°C. Nhiệt độ này cao hơn nhiệt độ điểm sương là 17°C và do đó, sự đọng sương sẽ không xảy ra trên tấm sàn.

Hệ thống chiếu sáng: 4,0 W/m2;

Ba nguyên tắc chính để kiểm soát ánh sáng trong công trình là:

  • Cảm biến ánh sáng tự nhiên cho tất cả các văn phòng tiếp xúc với mặt ngoài và sân trong. Nếu mức độ ánh sáng tự nhiên đủ, đèn được tự động tắt. Nếu người sử dụng muốn sử dụng ánh sáng điện để bổ sung, họ phải sử dụng đèn bàn cá nhân của mình;
  • Cảm biến chuyển động cho nhà vệ sinh kiểm soát khoảng 50% ánh sáng;
  • Nhiều mạch ánh sáng phân vùng trong tòa nhà.

Tổng tiêu thụ năng lượng chiếu sáng của công trình là 138 MWh/năm, giảm 74% so với công trình bình thường (522 MWh/năm). Mức tiêu thụ ánh sáng được thiết kế cho khu vực văn phòng là 8,6W/m2 (đèn huỳnh quang T5), trong khi mức tiêu thụ ánh sáng trung bình thực tế đo được trong giờ làm việc là 4,0W/m2 – đây là bằng chứng về quyền tự chủ ánh sáng tự nhiên cao. Mức độ chiếu sáng điện trung bình là từ 300 – 400lux.

Các ứng dụng cho văn phòng hiệu quả năng lượng

Tòa nhà Diamond là một tòa nhà văn phòng nơi các máy tính và thiết bị công nghệ thông tin (CNTT) khác nhau chiếm đa số phụ tải ổ cắm điện. Hai năm trước khi kết thúc quá trình xây dựng, chính sách mua thiết bị máy tính xanh đã được thông qua, trong đó cam kết chỉ mua các sản phẩm thiết bị CNTT được dán nhãn Energy Star (hoặc tương đương). Điều này đã có kết quả là một phụ tải ổ cắm thấp và chỉ là 2,8 W/m2 trong giờ làm việc

Vận chuyển theo phương đứng (thang máy)

Thang máy hiệu quả năng lượng sử dụng VVVF và tắt đèn và quạt khi không sử dụng. Một cầu thang mở được đặt bên cạnh thang máy. Cầu thang bộ khuyến khích rất tốt nhân viên đi bộ thay vì dùng thang máy cho các di chuyển ngắn. Thang máy chỉ tiêu thụ 3% tổng mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà.

Tổng tiêu thụ năng lượng năm 2011 (các dữ liệu màu da cam không được tính vào chỉ số EEI)

Tổng năng lượng tiêu thụ/m2 (EEI) của các khu vực được làm lạnh thông thường:

Các phân tích năng lượng của tòa nhà Kim cương dựa trên các dữ liệu được đo đầy đủ trong một năm từ tháng 1/2011 – 12/2011 được cho trong hình 5. Theo hình 5 cho thấy rằng tỷ lệ năng lượng làm mát tòa nhà là tương đối cao – 68%, bao gồm các thành phần: năng lượng làm mát của quận 51% (tại Putrajaya, yêu cầu bắt buộc đối với các công trình là phải kết nối với mạng lưới làm mát của quận), bơm nước lạnh 8% và các máy điều hoà không khí 9%.

Kết quả là Tòa nhà Diamond có chỉ số EEI = 76,3 kWh/m2 /năm; chỉ bằng 1/3 so với các tòa nhà văn phòng lân cận khác trong Putrajaya.

Thiết kế thụ động

Hướng và thiết kế công trình

Tòa nhà có 4 hướng phía Bắc, Đông, Nam và Tây; trong đó mặt đứng chính phải đối mặt với hướng Tây. Trong khi tất cả các mặt đứng khác có một đường chân trời rộng mở thì mặt chính phía Tây lại bị che bóng một phần của công trình liền kề.

Hình dạng kim cương của công trình ngăn gió xâm nhập vào công trình; gió thổi trên mặt đứng nghiêng sẽ đi xuống phía dưới giúp thông gió cho tầng đỗ xe ở tầng hầm thay vì thổi thẳng vào mặt đứng và xâm nhập vào hệ thống điều hòa của công trình. Ngoài ra mặt đứng nghiêng làm cho chân đế của công trình nhỏ hơn cho phép nhiều diện tích cảnh quan xung quanh công trình. Đến lượt cảnh quan xung quanh giúp giảm tăng nhiệt vào công trình làm cho nhiệt độ môi trường quanh công trình là thấp hơn nhiều. 

Phối cảnh và mặt bằng các tầng

 

Mặt đứng nghiêng tự tạo bóng đổ tối ưu thiết kế bị động tiếp cận với hiệu quả năng lượng. Diện tích tường bên ngoài nghiêng 65 độ so với phương nằm ngang. Kết quả là, mặt đứng phía Nam và Bắc của công trình không bị ánh sáng trực tiếp và mặt đứng phía Đông và phía Tây cũng được giảm đáng kể ánh sáng xiên chiếu.

Lõi phục vụ bao gồm các sảnh thang máy, lối thoát hiểm và nhà vệ sinh được quy hoạch lại với nhau trong vùng lõi nơi mức sử dụng ánh sáng tự nhiên là tối thiểu để tối ưu hóa không gian văn phòng với ánh sáng tự nhiên.

Thiết kế chiếu sáng tự nhiên

Chiếu sáng tự nhiên của tòa nhà Diamond đáp ứng 50% nhu cầu, bao gồm 3 hệ thống chính là:

  • Hệ thống chiếu sáng tự nhiên mặt ngoài bao gồm một giá ánh sáng có gương và bệ cửa sổ sơn màu trắng. Cả hai làm chệch hướng ánh sáng ban ngày để phản xạ ánh sáng vào trần nhà màu trắng nhằm cải thiện và phân phối ánh sáng ban ngày trong phạm vi 5 mét tính từ mặt tiền. Do công trình tự tạo bóng đổ nên kính 2 lớp (DGUs) là không cần thiết. Thay vào đó, kính nhiều lớp được sử dụng cho tất cả các mặt đứng; riêng đối với mặt đứng hướng Đông và hướng Tây kính được phủ thêm lớp low-e.

 

Hệ thống chiếu sáng mặt ngoài
  • Hệ thống chiếu sáng tự nhiên ở sân trong – đại sảnh với vòm mái kính có mành che chống chói tự động để duy trì mức độ ánh sáng tự nhiên ổn định ở sân trong và chống chói từ ánh sáng trực tiếp. Hệ thống vòm kính bao phủ sân trong – đại sảnh có thể cung cấp một dải ánh sáng tự nhiên 2m xung quanh không gian đại sảnh cho tất cả các tầng. Kính của mái sảnh là kính nhiều lớp nhưng không có low-e, do hệ thống rèm tự động sẽ loại bỏ hầu hết nhiệt bức xạ. Rèm che có thể cho phép 30% ánh sáng đi qua. Một dải các tấm phản xạ Tannenbaum đã được sử dụng cho tầng 4 và tầng 5 để làm chệch hướng ánh sáng trên đại sảnh hướng vào tầng 1 và tầng 2, nơi mà mức ánh sáng tự nhiên là thấp nhất. Các tấm phản xạ “Chrismas tree” được cấu tạo nghiêng 10o và phản xạ 85% ánh sáng bán khuyếch tán, do đó, chống chói cho người sử dụng.

 

Mái kính và hệ thống rèm tự động che đại sảnh – sân trong

 

Các tấm phản xạ ánh sáng ở sân trong

 

Hệ thống mái lấy sáng
  • Hệ thống lấy ánh sáng mái với các ô cửa ở mặt hướng Nam để lấy ánh sáng khuếch tán từ bầu trời. Các bức tường của cửa mái được sơn màu nhẹ và tạo sần nhọn làm lệch ánh sáng tự nhiên nhẹ nhàng vào không gian ngồi đọc hay thu nhận thông tin ở phía dưới.

 

Hệ mái nhà xanh: mái của công trình được tích hợp 3 hệ mái xanh, đó là

Các tấm Panel tích hợp quang điện (PV).

Các tấm Voltaics (BIPV) được bố trí trên 4 cạnh của tòa nhà và được được lắp đặt với góc nghiêng 20° và thẳng hướng chính bắc, nam, đông và tây. Tổng công suất của các tấm PV được lắp đặt là 71,4kWp với 1.112 tấm PV màng mỏng và bao phủ một diện tích là 834m2. Đo lường cho thấy rằng các tấm PV sản suất được 98 MWh, chiếm gần 10% lượng tiêu thụ năng lượng hàng năm của tòa nhà.

Cây xanh trên mái

Cỏ (zoysiamatrella) được trồng bao phủ 17% mái nhà. Giá trị hệ số truyền nhiệt U của mái xanh là 0,29W/m2K. Các thảm cỏ giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, giảm nước mưa chảy tràn, tạo ra lớp cách nhiệt bổ sung và tạo được tính thẩm mỹ trên đỉnh mái. Khi nhiệt độ ở tại bề mặt của mái bê tông cách nhiệt đo được là 35,1oC thì nhiệt độ tại diện tích trồng cỏ chỉ là 30°C.

Mái bê tông cách nhiệt

Mái nhà bê tông được thiết kế cách nhiệt với tấm cách nhiệt dày 100mm loại Dow Roofmate dạng tấm xốp bọc cách điện. Giá trị U của mái nhà là 0.24W/m2K, cách nhiệt tốt hơn so với yêu cầu tiêu chuẩn là 0.6W/m2K.

Nước hiệu quả

Công trình đã kết hợp quản lý hiệu quả tài nguyên nước thông qua các hệ thống sau:

  • Thu nước mưa: Nước mưa được sử dụng để xả nước nhà vệ sinh và hệ thống tưới nước nhỏ giọt cho cây xanh, giúp giảm sử dụng nước sạch cho khu vệ sinh và tưới cây đến 40%.
  • Xử lý tái chế nước thải: nước thải (nước xám) từ chậu rửa và lỗ thoát sàn vệ sinh được thu gom và chảy ra vùng đất ngập nước nhỏ để nuôi hệ thống thực vật lau sậy.  
  • Lắp đặt các thiết bị tiết kiệm nước như các vòi nước có sục khí, xí vệ sinh kép và bồn tiểu tiết kiệm giúp tiết kiệm được hơn 67% nước sạch so với lắp đặt các thiết bị ở các công trình thông thường.

Tăng cường chất lượng môi trường trong nhà

Các vật liệu nội thất chứa hàm lượng thấp hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) như sơn và thảm được lựa chọn để giảm thiểu các nguy cơ về sức khỏe cho người sử dụng. Hơn nữa, hàm lượng CO2 được theo dõi liên tục để đảm bảo rằng đầy đủ không khí sạch được cung cấp tại mọi thời điểm (mức độ CO2 dưới 900 ppm). Các phòng làm việc cũng được thiết kế và xếp đặt để làm sao cho hầu hết người sử dụng có tầm nhìn ra ngoài.

Một góc nhìn khác của công trình

Người sử dụng công trình này sẽ cảm thấy tiện nghi nhiệt trong công trình tốt hơn vì vật liệu kính và tường được sử dụng có hiệu suất cao nên nhiệt truyền rất ít vào trong công trình.  Một cuộc điều tra được tiến hành cho thấy rằng 89% những người sử dụng đều hài lòng với chất lượng không khí trong nhà và 86% những người sử dụng đã hài lòng với tiện nghi nhiệt.

Bảo trì và quản lý

Tòa nhà Diamond được trang bị mạng máy tính dựa trên hệ thống tự động hóa công trình (BAS) từ Delta Controls ORCA với một Hệ thống quản lý năng lượng trong công trình (EMS). Hoạt động của các thiết bị hệ thống cơ điện được lập trình, giám sát và vận hành được quản lý thông qua các nhân viên bảo trì của BAS.

BAS có thể truy cập thông qua giám sát từ xa và cảnh báo lỗi được gửi qua dịch vụ tin nhắn đến số điện thoại di động các nhân viên bảo trì để thực hiện các hành động cần thiết khắc phục hậu quả.  Hệ thống EMS sẽ giúp bảo trì theo dõi, kiểm soát, tối ưu hóa và phân tích tiêu thụ năng lượng.

Các tác động môi trường

Quản lý chất thải

Thực hiện Kế hoạch kiểm soát xói mòn và bồi lắng (ESC) trong suốt thời gian xây dựng, giảm tại chỗ chất thải xây dựng. Các nỗ lực đã được thực hiện để giảm thiểu ô nhiễm từ hoạt động xây dựng bằng cách kiểm soát xói mòn, bồi lắng hệ thống nước và bụi trong không khí.

Chỗ đậu xe dành cho xe xanh được ưu tiên

Bãi đậu xe dành riêng được bố trí cho các loại xe xanh, qua đó khuyến khích việc sử dụng các loại xe như: xe xanh và xe sử dụng chung (lái xe theo nhóm) để giảm sử dụng xe cá nhân. Giá đỡ xe đạp và vòi hoa sen cũng được tạo ra ở trong công trình để khuyến khích các nhân viên, những người sống trong vùng lân cận công trình đi xe đạp thay vì lái xe ôtô đi làm.

Hàm lượng vật liệu tái chế

Việc sử dụng hàm lượng tái chế được xác định phù hợp với các tiêu chuẩn ISO 14021 trong tòa nhà được xác lập trong giai đoạn thiết kế. Hàm lượng tái chế từ các loại vật liệu được sử dụng trong công trình chiếm ít nhất là 30% tổng giá trị của dự án.

Vật liệu địa phương

82,9% chi phí vật liệu bao gồm các thanh cốt thép, nhôm khung, ván sàn kim loại, sắt mạ kẽm và thép nhẹ đã được lấy trong vòng bán kính 500 km của khu vực dự án.

Bảo tồn khu đất xây dựng

Ít nhất 50% diện tích khu đất đã được phục hồi với thảm thực vật bản địa hoặc thích nghi. Khu vực phục hồi bao gồm mặt đất và cảnh quan mái nhà, vỉa hè dạng grasscrete, điều này vượt quá yêu cầu của khu vực (tối thiểu ít nhất 25%).

Lưu trữ và thu gom rác tái chế

Trong quá trình xây dựng, khu vực dành riêng để lưu trữ và thu gom rác tái chế đã được thiết lập, tại đó vật liệu phế thải được phân loại tại chỗ và được đóng gói vào các thùng riêng biệt để chuyên chở đến các cơ sở tái chế. Trong quá trình vận hành, các thùng rác được cung cấp đến từng phòng làm việc và từng phòng in. Sau đó chúng được các nhân viên quét dọn thu gom hàng ngày và đặt tại kho rác tái chế để được chuyên chở một lần /tuần do một công ty tái chế của chính quyền địa phương.

Tóm lại, có thể nói rằng Tòa nhà Diamond của Hội đồng năng lượng là một bằng chứng hiệu quả của các chiến lược được thiết kế, xây dựng và hoạt động hiệu quả. Tiết kiệm năng lượng hàng năm đạt được là 2.029 MWh/năm, tương đương tránh được 1.388 tấn CO2 mỗi năm thải vào khí quyển, đạt được 100% các tiêu chí công trình xanh đã đề ra.

ThS.KTS. Phạm Hải Hà – Giảng viên Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, ĐH Xây Dựng

Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc tháng 11/2013