Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Kỳ 3, phần 2): Cơ sở kỹ thuật và công nghệ

1524

Nối tiếp kỳ 1kỳ 2, kỳ 3 của loạt bài viết về Kiến trúc hiệu quả năng lượng, tác giả đi vào phân tích các cơ sở quy hoạch, kiến trúc, kỹ thuật và công nghệ để thiết lập các công trình kiến trúc hiệu quả năng lượng.

Cơ sở kỹ thuật và công nghệ

Khi công trình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu quy hoạch và thiết kế bền vững, việc áp dụng các kỹ thuật và công nghệ năng lượng sẽ là bước tiếp theo, góp phần nâng cao thêm tính hiệu quả về năng lượng. Công nghệ ở đây chính là việc khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo một cách hữu hiệu trong công trình vốn đã đảm bảo tính chuẩn mực về thiết kế tiết kiệm/hiệu quả năng lượng.

Năng lượng tái tạo khá đa dạng và có thể được khai thác trên quy mô lớn nhằm đáp ứng toàn bộ hoặc nếu không ít nhất là một phần nhu cầu sử dụng của các công trình trong thực tế, tùy thuộc vào một số yếu tố như nhiệm vụ thiết kế, quy mô cũng như tính chất của dự án, đi đôi với khả năng tài chính của chủ đầu tư, ngoài ra còn có thêm ý tưởng của kiến trúc sư.

Được khai thác phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là năng lượng mặt trời, tiếp đến là năng lượng gió. Ở một số quốc gia như Iceland và New Zealand các suối nước nóng dưới lòng đất phân bố khá rộng rãi và nguồn nhiệt vô tận từ các núi lửa cung cấp năng lượng địa nhiệt dồi dào để sản xuất điện. Ở các khu vực khác không được thiên nhiên ưu đãi về địa nhiệt, về lý thuyết, khi khoan sâu xuống lòng đất 400 ÷ 500 m, nhiệt độ sẽ lên tới 160 ÷ 190oC đủ để chạy máy phát điện cỡ nhỏ với chi phí đầu tư không quá lớn có thể được xã hội hóa, hoàn toàn thích hợp và áp dụng phổ biến cho các khu dân cư, bổ sung cho nguồn năng lượng mặt trời [1]. Năng lượng hạt nhân hiệu suất cao nhưng tiềm ẩn nguy cơ xảy ra các sự cố môi trường nên nhiều quốc gia tiên tiến như CHLB Đức, Anh Quốc và Nhật Bản đang có kế hoạch đóng cửa dần các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai và tích cực thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo.

Thủy điện từng một thời được coi là nguồn năng lượng sạch và đầy tiềm năng, nhưng điều này chỉ đúng cho các trạm thủy điện cỡ nhỏ. Các nhà máy thủy điện quy mô càng lớn thì tác động tiêu cực đến môi trường trong thời gian xây dựng và cả quá trình vận hành về sau này sẽ càng nhiều, chưa kể nếu xảy ra sai sót trong điều khiển xả nước sẽ gây ra thảm họa cho các vùng hạ lưu. Thủy điện đóng góp một phần đáng kể trong sản lượng điện của nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên ngày nay nguồn cung cấp đó thật sự không ổn định trong bối cảnh thời tiết nhiều biến động dưới tác động ngày càng lớn của biến đổi khí hậu. Chế độ thủy văn trở nên bất thường, hạn hán xảy ra thường xuyên hơn và kéo dài hơn, khiến một số nhà máy thủy điện phải tạm ngừng hoạt động trong khi một số khác vận hành cầm chừng. Vì thế phải nhận thức rằng không thể phụ thuộc hoàn toàn hoặc phần lớn vào thủy điện trong tương lai, mà cần tích cực tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch mới để thay thế. Năng lượng được sản xuất từ nguồn nhiệt điện, sử dụng than hoặc dầu là các nguồn nguyên liệu hóa thạch đầu vào để đốt trong lò, thu lấy nhiệt chạy máy phát điện, phát sinh một lượng khí thải khổng lồ gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Năng lượng sinh học cũng hứa hẹn là một nguồn cung cấp sạch và an toàn về mặt sinh thái, song nếu phát triển quá mức sẽ thu hẹp diện tích trồng trọt trong nông nghiệp, vì quỹ đất canh tác của mỗi quốc gia là hữu hạn, từ đó có thể dẫn đến tình trạng mất an ninh lương thực.

Việt Nam là quốc gia nằm hoàn toàn trong vành đai khí hậu nhiệt đới, sẽ có lợi thế rất lớn khi phát triển năng lượng mặt trời do số giờ nắng trong năm cao (Hà Nội khoảng 1.500 giờ/năm, Đà Nẵng 2.200 giờ/năm và Sài Gòn 2.500 giờ/năm) [2] và cường độ bức xạ mặt trời lớn (4 kWh/m2ngày ở miền Bắc và 5 ÷ 6 kWh/m2ngày ở miền Trung và miền Nam) [3], mỗi chỉ số đều cao hơn gấp đôi so với mức trung bình của CHLB Đức – một quốc gia đi đầu trên thế giới về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng [4]. Do vậy năng lượng mặt trời rất cần được khai thác để cung cấp cho các công trình tại các đô thị trong nỗ lực thay thế dần các nguồn cung cấp từ những nhà máy nhiệt điện chạy than hoặc dầu tại Việt Nam.

Theo kinh nghiệm phát triển của các quốc gia tiên tiến, giá thành điện mặt trời không hề đắt như nhiều người vẫn lầm tưởng. Tại CHLB Đức, giá thành điện mặt trời thời điểm năm 2013 trung bình là 0,11 euro/kWh (tương đương 2.700 đồng/kWh) [5], ở Việt Nam là 0.078 euro/kWh (tương đương 2.030 đồng/kWh) [6] trong khi mức giá điện sinh hoạt trong giờ cao điểm tại Việt Nam được Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) áp dụng theo định mức, thấp nhất cho 50 kWh đầu tiên là 1.400 đồng/kWh và cao nhất là 2.600 đồng/Kwh từ kWh thứ 401 trở đi trong tháng [7], có nghĩa là ở mức chấp nhận được. Ý nghĩa của việc khai thác và sử dụng năng lượng măt trời không đơn thuần dừng lại ở mức độ so sánh hai biểu giá với nhau, mà còn lớn hơn thế nhiều khi tiết kiệm chi phí phải bỏ ra để khắc phục thiệt hại do ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu của việc phát thải CO2 từ các nhà máy nhiệt điện thải ra hàng năm. Chi phí cải tạo môi trường lớn hơn nhiều lần so với chi phí ban đầu xây dựng các trạm và lắp đặt các thiết bị thu năng lượng mặt trời. Do vậy, đầu tư cho năng lượng mặt trời là sự lựa chọn đúng đắn và sáng suốt.

Hình 12a: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời (Nguồn: www.solarstore.vn)

Hình 12b: Sơ đồ nguyên lý biến quang năng thành điện năng (Nguồn: www.printablediagram.com)

Hình 12c: Tấm pin năng lượng mặt trời lắp trên mái nhà (Nguồn: www.seia.org)

Về nguyên lý, thiết bị thu năng lượng mặt trời có hai loại: pin năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng và tấm thu nhiệt mặt trời để làm nóng nước.

Pin năng lượng mặt trời có nguyên tắc hoạt động tương đối đơn giản: Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, lớp tế bào quang điện ở giữa hai mặt kính của tấm pin sẽ hấp thụ các hạt photon trong tia bức xạ mặt trời và tạo thành dòng điện. Dòng điện này sẽ được truyền qua lớp vật liệu bán dẫn phía dưới và tập trung về thiết bị tích trữ điện năng, qua đồng hồ đo rồi đến các thiết bị tiêu thụ trong công trình như đèn, quạt, máy giặt, tủ lạnh, điều hòa không khí, lò vi sóng, dàn âm thanh, vô tuyến… Hệ thống phát điện này cũng được đấu nối với mạng lưới điện khu vực để trong trường hợp không sử dụng hết năng lượng tạo ra, có thể dự trữ một phần và phần còn lại chuyển vào hệ thống để điều phối. Với các công trình nhỏ, mức độ sử dụng năng lượng không quá cao như nhà ở gia đình, các tấm pin năng lượng mặt trời có thể được lắp tại chỗ trên mái nhà hoặc trên mặt đứng nhà. Trong phạm vi đô thị, để cung cấp năng lượng mặt trời cho các công trình công cộng và công trình sản xuất, nơi có mức tiêu thụ năng lượng cao mà các nguồn cấp tại chỗ có thể không đủ, các trạm phát bổ sung quy mô lớn sẽ được quy hoạch. Những khoảng đất trống, chưa được khai thác bên ngoài đô thị có thể được tận dụng để đặt các hệ giàn pin năng lượng mặt trời bao phủ một diện tích rộng nhiều ha (cánh đồng năng lượng mặt trời – solar farm) và một trạm thu + phân phối tại chỗ phụ trách một vùng trong đô thị (Hình 12d).

Hình 12d: Sơ đồ hệ thống khai thác năng lượng mặt trời quy mô lớn (Nguồn: www.enerwise.asia)

Đối với những vùng có tiềm năng về gió như ven biển hoặc ngoài hải đảo, có thể tích hợp thêm trạm điện gió vào hệ thống. Trạm điện gió này bao gồm một khối nhà đặt thiết bị thu đấu nối với nhiều cột cánh quạt cao được bố trí sao cho hướng gió chủ đạo trong vùng thổi vuông góc vào mặt phẳng cánh quạt. Nguyên tắc hoạt động của trạm điện gió rất đơn giản: Các luồng gió mạnh thổi qua sẽ làm quay cánh quạt, truyền chuyển động đến turbine của máy phát điện đặt ở bên trong và sản sinh ra điện. Lượng điện được tạo ra sẽ hòa vào mạng lưới cung cấp năng lượng. Ở Việt Nam, từ 2011 đến 2016 đã có sáu dự án điện gió ở bốn tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận, Cà Mau và Bạc Liêu đi vào hoạt động, với tổng công suất khoảng 500 mW/năm, sản lượng sẽ tăng lên 800 mW/năm đến 2020 và 2.500 mW/năm đến 2025. Hiện tại, giá điện gió tại Việt Nam là 0,065 euro/kWh (tương đương 1.700 đồng/kWh), tức là rẻ hơn giá thành điện mặt trời [8].

Hình 13a: Trạm điện gió tích hợp với trạm điện mặt trời (Nguồn: www.homepower.com)

Hình 13b: Một trạm điện gió dọc biển Bắc (CHLB Đức) (Nguồn: engineered.thyssenkrupp.com)

Một đơn vị tế bào quang điện được sản xuất có kích thước phổ biến 10 cm x 10 cm hoặc 15 cm x 15 cm, được ghép nối với nhau trên một mặt phẳng tạo ra một module tấm pin năng lượng mặt trời, có kích thước tiêu chuẩn là 1,2 m x 1 m. Theo tính toán của các chuyên gia về năng lượng, 9 tấm pin trên được lắp đặt thành khung 3 tấm ngang x 3 tấm dọc, với kích thước tổng 3,6 m x 3 m (diện tích 10,8 m2), trong điều kiện tối ưu cả về hướng lẫn góc nghiêng khi lắp trên mái, có thể cung cấp lượng điện năng 1.000 kWh/năm, đáp ứng 25% nhu cầu tiêu thụ của một gia đình bốn nhân khẩu tại CHLB Đức [9]. Như vậy, nếu một hộ gia đình đặt mục tiêu đầu tư vào hệ thống pin năng lượng mặt trời để cung cấp 100% nhu cầu sử dụng điện năng thì cần 44 m2 diện tích mái hướng chính nam để lắp các tấm pin năng lượng mặt trời với công suất 3 kW với vốn đầu tư khoảng 16.000 euro cho thiết bị này. Kết quả tính toán cho thấy thời gian thu hồi vốn đầu tư là 9,5 năm, trong khi độ bền của thiết bị (thời hạn sử dụng) lên tới trên 30 năm và trong thời gian 9,5 năm này, hộ gia đình đó sẽ tiết kiệm được trên 18.300 euro [10]. Trong trường hợp không sử dụng được diện tích mái nhà, ví dụ như ở các chung cư cao tầng khi một đơn vị diện tích mái bị chia đều ra cho 15 ÷ 20 hộ gia đình sống bên dưới, thì có thể lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời trên mặt đứng, tuy nhiên hiệu suất các tấm pin khi đó sẽ giảm đi 20% do góc nghiêng không tối ưu [11] và phải bù lại bằng cách lắp thêm các tấm pin, do đó cần một diện tích mặt đứng rộng hơn (khoảng 53 m2). Giả sử diện tích mặt đứng của căn hộ không đủ thì một kịch bản khả thi hơn – năng lượng mặt trời từ các tấm pin lắp tại chỗ trên mặt đứng căn hộ đáp ứng 75% hoặc 50% nhu cầu sử dụng – tương ứng diện tích hữu dụng bằng 3/4 hoặc 1/2 diện tích cần thiết – sẽ được tính tới, phần còn lại sẽ được bù đắp từ một trạm điện gió hoặc điện mặt trời gần nhất.

Thiết bị thu năng lượng mặt trời có tác dụng làm nóng nước lên đến nhiệt độ 40 ÷ 45oC để phục vụ nhu cầu sử dụng của con người (tắm gội, giặt, rửa bát, rửa tay, …) hàng ngày, nhất là khi thời tiết trở lạnh. Thiết bị này là một hệ thống tương đối đơn giản, bao gồm ba bộ phận chính là tấm thu nhiệt mặt trời, bộ phận điều chỉnh/trao đổi nhiệt và bình chứa nước. Ngoài ra còn có một thiết bị đun cũng được gắn vào bình chứa. Tấm thu nhiệt mặt trời có hai dạng cơ bản là tấm phẳng và hệ ống chân không. Dạng tấm phẳng thiết bị khá mỏng có các ống dẫn nhiệt cỡ nhỏ xếp hành hàng đặt trên một lớp vật liệu hấp thụ nhiệt giữa hai tấm kính cường lực có tráng một lớp cách nhiệt ở mặt bên dưới. Dạng ống chân không cũng có cấu tạo tương tự, nhưng các ống dẫn nhiệt được ghép thành từng cặp và lồng vào bên trong một ống chân không tiết diện lớn có hai đầu gá vào khung. Thiết bị dạng ống chi phí chế tạo cao hơn nhưng hiệu quả lại hơn đáng kể do sử dụng môi trường chân không bên trong ống giúp loại trừ hiện tượng tổn thất nhiệt.

Hình 14a: Cấu tạo thiết bị thu nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng (Nguồn: killus-technik.de/product)

Hình 14b: Cấu tạo thiết bị thu nhiệt mặt trời dạng ống (Nguồn: www.energieheld.de)

Nguyên tắc hoạt động của thiết bị đun nước chạy bằng năng lượng mặt trời: Lượng nhiệt mà tấm thu nhiệt hấp thụ được sẽ chuyển qua bộ phận điều chỉnh/trao đổi nhiệt. Tại đây có cuộn dây kim loại bọc lớp bảo ôn dẫn đến bình đun. Trong bình đun, nước lạnh chảy vào có nhiệt độ khoảng 20oC được làm ấm lên đến 40 ÷ 45oC theo đường ống dẫn đến các thiết bị tiêu thụ. Thiết bị đun chạy điện được gắn thêm vào bình để vẫn đun nước ban ngày trong điều kiện thời tiết xấu, thiết bị thu nhiệt mặt trời không hoạt động hoặc hoạt động yếu, không cung cấp đủ nhiệt để làm nóng nước đến nhiệt độ cần thiết, hoặc ban đêm, khi lượng nhiệt trong bộ phận lưu trữ chỉ đủ để làm nóng nước vài giờ sau khi mặt trời lặn. Sau khoảng thời gian đó nước ấm sẽ hạ dần về nhiệt độ bình thường.

Hình 15: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đun nước nóng chạy bằng năng lượng Mặt Trời (Nguồn: www.energyunlimitedoregon.com và http://www.w-quadrat.de)

Tấm thu nhiệt thông thường được lắp trên mái nhà, đôi khi được gắn trên mặt đứng hoặc để tự do ngoài trời trên một giá đỡ, các thiết bị khác trong hệ thống được bố trí trong tầng áp mái, các đường dây và đường ống chạy ngầm tường, nếu chạy nổi thì phải có vỏ hộp kỹ thuật bảo vệ. Tùy thuộc công suất thiết bị mà diện tích tấm thu nhiệt được tính bình quân 0,75 ÷ 1,5 m2/người và bình chứa có thể tích 300 ÷ 500 l là đủ cho một hộ gia đình 4 người [12]. Tương tự như tấm pin năng lượng mặt trời, tấm thu nhiệt mặt trời chỉ đạt hiệu suất thiết kế khi được đặt đúng hướng (chính nam) với góc nghiêng thích hợp (tùy theo vĩ độ).

Trong việc sưởi ấm và làm mát cho công trình (nhà ở, nhà công cộng và nhà xưởng sản xuất), máy bơm nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng hơn những thiết bị cung cấp nhiệt thông thường và cũng phát sinh ít khí thải. Để đảm bảo tính thân thiện với môi trường, nguồn điện cấp cho máy bơm nhiệt lấy từ các trạm điện gió hoặc điện mặt trời. Máy bơm nhiệt là một hệ thống khép kín gồm bốn thiết bị chính là máy sấy, máy nén, máy ngưng tụ và van điều áp, hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học nhằm mục đích chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác. Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định, từ nóng sang lạnh hoặc ngược lại. Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di chuyển của nhiệt lượng được gọi là máy bơm nhiệt thuận nghịch, dùng để sưởi ấm trong mùa đông và làm mát trong mùa hè.

Hình 16: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt (Nguồn: www.airandwater.com.au)

Chu trình vận hành của hệ thống bơm nhiệt như sau:

  • Chất làm lạnh thể hơi (lưu chất) ở áp suất thấp và nhiệt độ khoảng 10oC sau khi qua máy nén sẽ được nén lên áp suất 20 at và nhiệt độ 80 ÷ 90oC.
  • Sau đó hơi này sẽ qua giàn trao đổi nhiệt dạng cho nước hạ nhiệt độ xuống và biến thành thể lỏng. Nước lấy ra từ giàn trao đổi nhiệt này sẽ có nhiệt độ 60oC.
  • Lưu lượng nước nóng sẽ được một máy bơm bơm vào một bình chứa cách nhiệt để đảm bảo lượng nước nóng sử dụng cho giờ cao điểm và giảm được tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
  • Lưu chất ở trạng thái lỏng và áp suất cao sẽ tiếp tục qua van điều áp để giảm nhiệt độ xuống còn 10 ÷ 15oC rồi đi qua giàn lạnh. Trong giàn lạnh, lưu chất sẽ hấp thụ nhiệt của không khí và làm cho nhiệt độ của không khí giảm xuống còn khoảng 20 ÷ 25oC. Không khí này được tận dụng và được quạt ly tâm đưa đi để làm mát các không gian phát sinh nhiệt (ví dụ như bếp, lò sấy, lò nung, …).
  • Sau khi qua van điều áp và giàn lạnh, lưu chất quay trở lại máy sấy và được sấy thành luồng lưu chất mới (ở dạng hơi, áp suất thấp) và mang theo nhiệt lượng thu từ môi trường ngoài để tiếp tục một chu trình mới (Hình 16).

Hệ thống này hoạt động theo hai cơ chế riêng biệt, tương ứng hai mùa trong năm là mùa đông và mùa hè, với hai nhu cầu cơ bản là sưởi ấm và làm mát (Hình 17).

Hình 17: Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm nhiệt cho việc sưởi ấm mùa đông và làm mát mùa hè cho công trình (Nguồn: www.savewithsrp.com)

Chu trình sưởi ấm: không khí lạnh ngoài trời qua quá trình trao đổi nhiệt (thu nhiệt) trong máy nén trở thành các luồng hơi ấm tỏa ra từ một miệng xả ở trên trần, duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức độ tiện nghi, khoảng 25 ÷ 30oC, đồng thời các luồng hơi ấm này sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong phòng sẽ nguội đi, được hút về miệng thu của thiết bị bố trí sát sàn nhà, cuốn theo các khí bẩn, khí thải, hơi nước, … phát sinh từ các hoạt động của con người và được dẫn ra bên ngoài.

Chu trình làm mát: không khí nóng ngoài trời qua quá trình trao đổi nhiệt (tỏa nhiệt) trong máy nén trở thành các luồng hơi mát tỏa ra từ một miệng xả ở trên trần, duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức độ tiện nghi, khoảng 25 ÷ 30oC, đồng thời các luồng hơi mát này sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong phòng sẽ ấm lên, được hút về miệng thu của thiết bị bố trí sát sàn nhà, cuốn theo các khí bẩn, khí thải, hơi nước, … phát sinh từ các hoạt động của con người và được dẫn ra bên ngoài.

Máy bơm nhiệt hiện nay khai thác ba nguồn nhiệt chính lấy từ không khí, nước và đất, tương ứng là ba loại máy bơm nhiệt: nhiệt khí, nhiệt nước và nhiệt đất (Hình 18a, 18b và 18c).

Máy bơm nhiệt khí sử dụng nguồn nhiệt lấy từ không khí, có ưu điểm là lắp đặt dễ dàng, chi phí rẻ hơn các loại máy bơm khác, thích hợp để thay thế các loại lò sưởi điện thông thường. Hiện nay, các kỹ sư công nghệ đã cải tiến máy bơm nhiệt khí, tận dụng khí thải có chứa nhiệt phát sinh từ quá trình sinh hoạt và sản xuất để sưởi ấm.

Máy bơm nhiệt nước có thể dùng nguồn nước ngầm, nước sông hồ hoặc nước biển, tùy thuộc sự sẵn có của nguồn nước tại chỗ. Các máy bơm nhiệt nước ngầm có ưu điểm là dễ lắp đặt và hoạt động ổn định, hiệu suất tương đối cao, tuy vậy cần phải tìm được nguồn nước ngầm ở gần nơi lắp đặt, chỉ thích hợp với các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc các hệ thống sưởi cho sàn nhà, thêm vào đó khi lắp đặt cần lưu ý tránh gây ô nhiễm nguồn nước và khu vực đất xung quanh. Tương tự như vậy, nước sông hồ cũng là những nguồn cung cấp nhiệt tốt và thường xuyên trong điều kiện Việt Nam, vì các sông hồ không bị đóng băng về mùa đông như ở xứ lạnh và riêng các địa phương ven biển có thể tận dụng lợi thế về vị trí để phát triển công nghệ bơm nhiệt nước biển, với trữ lượng dồi dào, nhiệt độ nước dưới tầng đáy gần bờ khá ổn định quanh mức 10oC, thích hợp với các trạm bơm nhiệt công suất trung bình đến lớn, chỉ cần chú ý chống ăn mòn cho các đường ống dẫn nhiệt để tránh gây tác động bất lợi đến môi trường nước biển. Gần đây, nước thải trong công nghiệp (đặc biệt là công nghiệp luyện kim và mạ), cũng đã được tận dụng tại chỗ để sưởi ấm cho các cơ sở sản xuất và góp phần tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, trong khi nước thải trong lĩnh vực dân dụng khó thu gom hơn trong công nghiệp nên khả năng áp dụng bơm nhiệt nước còn hạn chế.

Hình 19: Hệ thống bơm nhiệt đất theo chiều ngang và theo chiều dọc (Nguồn: entreprise-martin-marchand.fr)

Máy bơm nhiệt đất có ưu điểm là tận dụng được nguồn nhiệt năng đất dồi dào có sẵn dưới nền của mỗi công trình, không hoặc rất ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh (do nhiệt lượng trong lòng đất thường ổn định) nhưng nhược điểm là chi phí lắp đặt khá cao. Có hai cách bố trí hệ thống thu dẫn nhiệt đất là: 1. theo chiều ngang, chỉ cần đặt sâu khoảng 1 ÷ 2 m so với mặt đất, và yêu cầu một diện tích tương đối lớn nên thường được áp dụng trong nhà có sân vườn rộng và 2. theo chiều dọc, thích hợp với công trình do điều kiện diện tích hạn chế không bố trí được sân vườn nhưng cần đào sâu xuống đất trên dưới 100 m theo kết quả khảo sát và tư vấn của kỹ sư địa năng lượng (Hình 19).

Ở các nước xứ lạnh, máy bơm nhiệt đất phổ biến bởi vì nhu cầu sưởi ấm trong mùa đông rất lớn trong khi mùa hè yêu cầu làm mát lại không đáng kể. Đối với các nước xứ nóng, ngược lại, làm mát về mùa hè là nhu cầu chính. Tận dụng nhiệt độ dưới lòng đất khá ổn định và dồi dào, các kỹ sư năng lượng đã thiết lập quá trình trao đổi nhiệt tương tự như đã mô tả trong Hình 16, chỉ có một điểm khác là thiết bị trao đổi nhiệt không bố trí trong nhà mà đặt bên ngoài, trong một “hầm nhiệt” dưới lòng đất. Cơ chế sưởi ấm dựa trên quá trình thu nhiệt của luồng hơi lạnh chạy trong hệ ống ngầm trong “hầm nhiệt” để trở thành luồng hơi nóng, còn cơ chế làm mát dựa trên quá trình tỏa nhiệt của luồng hơi nóng chạy trong cùng hệ thống nói trên để trở thành luồng hơi lạnh, sau đó luồng hơi nóng hoặc luồng hơi lạnh sẽ theo mạng lưới ống đặt ngầm sàn/ngầm tường tỏa đi sưởi ấm hoặc làm mát các không gian trong nhà. Ngoài không khí, nước cũng có thể được khai thác. Hai hệ thống sưởi ấm/làm mát bằng không khí và nước trong thực tế thường được phối hợp, sử dụng chung một máy nén (Hình 20).

Hình 20: Cơ chế vận hành của hệ thống sưởi ấm và làm mát bằng không khí và nước kết hợp (Nguồn: www.geoexchange.org)

Trong kiến trúc hiệu quả năng lượng, lớp vỏ công trình đóng vai trò đặc biệt quan trọng, như là một bộ lọc khí hậu cho không gian bên trong khi tính đến yếu tố tiện nghi vi khí hậu theo mùa, tác động trực tiếp đến sử dụng năng lượng cho việc chiếu sáng, thông gió, sưởi ấm và làm mát. Hai vấn đề kỹ thuật công nghệ sau liên quan đến lớp vỏ công trình cần xem xét: 1. cấu trúc vỏ hai lớp (double skin) bao gồm trong đó cả lắp đặt cửa kính – vách kính (glazing) và lắp đặt các kết cấu che nắng và 2. lớp vật liệu cách nhiệt.

Cấu trúc vỏ hai lớp tạo ra một khoảng trống ở giữa, được nghiên cứu cho công trình kiến trúc ở các nước xứ lạnh, giúp tiết kiệm năng lượng. Lớp vỏ bên ngoài được cấu tạo bằng kính cường lực dày với hệ khung kim loại có hoặc không có kết cấu che nắng, tùy thuộc vào chủng loại kính, còn lớp vỏ bên trong có thể giống hoặc khác với lớp vỏ bên ngoài (cũng là vách kính hoặc hệ tường/cửa sổ bình thường). Khoảng cách giữa hai lớp vỏ dao động từ 0,5 đến 2 m.

Mặt đứng hai lớp giúp thông gió tự nhiên hiệu quả, không trực tiếp theo kiểu xuyên phòng mà đi chéo qua các khoảng mở so le của lớp vỏ trong và lớp vỏ ngoài để tránh gió lạnh mùa đông lùa thẳng vào phòng, cung cấp không khí tươi cho các không gian văn phòng và không gian ở, hạn chế sử dụng các hệ thống điều hòa không khí cơ khí, đồng thời giảm tiếng ồn từ bên ngoài vọng vào. Khi cần thiết, khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp, cả hai lớp vỏ này đều đóng kín, tạo thành một lớp đệm không khí ở giữa, cách nhiệt rất hiệu quả, đồng thời cũng cách âm tốt. Dưới tác động của ánh nắng mặt trời mùa đông, lớp không khí này sẽ tăng nhiệt độ, ở khoảng giữa hai nền nhiệt độ trong nhà và ngoài nhà, giảm thiểu tổn thất nhiệt giữa không gian phòng và không gian đệm, giữa không gian đệm và không gian ngoài trời. Trong các tháng hè, luồng không khí nóng giữa hai lớp mặt đứng sẽ được rút bớt ra theo chiều thẳng đứng nhờ hệ thống quạt gió phía trên khi lớp vỏ kính bên ngoài hạn chế mở, hoặc nhờ thông gió tự nhiên qua các ô kính mở (dạng chớp lật có điều khiển) khi điều kiện cho phép, kết quả là không gian bên trong sẽ trở nên mát mẻ và dễ chịu hơn. Ngoài ra, vị trí và chiều cao cửa sổ, bệ cửa sổ cũng được tính toán để mặt trời mùa hè không rọi trực tiếp vào phòng qua cửa sổ, còn mặt trời mùa đông chiếu thẳng được vào phòng (Hình 21). Các thiết bị chiếu sáng, thông gió, …nếu được lắp đặt trong khoảng đệm giữa hai lớp vỏ, vẫn hoạt động hiệu quả, lại bền hơn do được bảo vệ khỏi các tác động bất lợi của thời tiết, đồng thời không ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ trên mặt đứng công trình.

Hình 21a: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của vỏ bao hai lớp với thông gió và chiếu sáng tự nhiên có kiểm soát (Nguồn: www. fmarchitecture.com.au)

Hình 21b: Luồng khí tươi đi vào và luồng khí bẩn thoát ra qua các khe trên hệ vỏ hai lớp (Nguồn: www.architectus.com.au)

Hình 21c: Hệ vỏ hai lớp của tháp Agbar (Barcelona – Tây Ban Nha) (Nguồn: www.e-architect.co.uk)

Kết cấu chắn nắng là một bộ phận của lớp vỏ công trình bảo vệ không gian bên trong khỏi tác động bất lợi của bức xạ mặt trời. Có hai loại kết cấu che nắng thông dụng là kết cấu nằm ngang và kết cấu chạy dọc. Đôi khi cả hai loại kết cấu này phối hợp với nhau, tạo thành các diện kẻ ô trên mặt đứng. Mỗi loại kết cấu che nắng sẽ hiệu quả cho một hướng, cụ thể kết cấu chắn nắng nằm ngang sẽ phù hợp với các hướng từ đông nam đến tây nam, trong khi kết cấu chắn nắng chạy dọc phát huy tác dụng trên hướng đông và hướng tây. Thay vì các kết cấu chắn nắng bằng bê tông gắn cố định của những năm 1960 – 1980, kể cả những bức tường hoa văn bằng gạch đúc rất đẹp và đặc trưng của thời kỳ này vẫn còn tồn tại đến ngày nay, kiến trúc hiện đại ưu tiên sử dụng các kết cấu chắn nắng linh hoạt hơn bằng hợp kim nhôm, không chỉ dễ dàng tháo lắp mà còn có thể được điều khiển xoay một góc khi cần thiết để điều chỉnh lượng ánh sáng mặt trời vào phòng theo nhu cầu, từ tối đa (khi các thanh chớp song song với tia nắng) đến tối thiểu (khi các thanh chớp chờm lên nhau và vuông góc với tia nắng). Trong thực tế, các kết cấu che nắng được lắp trên lớp vỏ ngoài hoặc giữa hai lớp vỏ (khi yêu cầu mặt đứng để cả mảng kính lớn, không có kết cấu phân chia) phổ biến hơn là bên trong phòng vì tính chủ động cao hơn và hiệu quả lớn hơn. Bên trong phòng giải pháp rèm kéo hoặc mành cuốn điều khiển bằng dây kéo tỏ ra thích hợp, hỗ trợ thêm cho kết cấu chắn nắng bên ngoài.

Hình 22a: Kết cấu che nắng dạng thanh nằm ngang (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2013)

Hình 22b: Kết cấu che nắng bằng hợp kim nhôm (Nguồn: www.unicelarchitectural.com)

Trong kiến trúc hiên đại, các kết cấu chắn nắng có khả năng đóng mở linh hoạt và có tính thẩm mỹ – tạo hình cao rất được ưa chuộng. Khu học xá Kolding của Đại học Nam Đan Mạch (SDU) và Tòa tháp Al-Bahar ở Abu Dahbi – Các Tiểu vương quốc Ả-rập thống nhất (UAE) là hai ví dụ điển hình cho phong cách thiết kế kiến trúc này.

Hình 23a: Mặt đứng khu học xá Kolding (Đan Mạch) (Nguồn: www.henninglarsen.com)

Hình 23b: Mặt đứng tòa tháp Al-Bahar (UAE) (Nguồn: www. urbangreencouncil.org)

Kính cản nhiệt hay còn gọi là kính phát xạ nhiệt chậm, đôi khi được hiểu là kính tiết kiệm năng lượng (low-e glass, với từ e được viết tắt của emissivity – phát xạ hoặc energy – năng lượng trong tiếng Anh) là công nghệ tiên tiến hơn và do đó cũng hiệu quả hơn kính phản quang (reflective glass) về tác dụng cách nhiệt. Kính phản quang đặc biệt hữu dụng khi hạn chế ánh sáng mặt trời nhưng lại không cản được nguồn nhiệt phi bức xạ mặt trời, có nghĩa là các nguồn nhiệt từ hiện tượng đảo nhiệt đô thị từ các bề mặt bê tông, nhựa đường, kim loại, phương tiện giao thông, cục nóng điều hòa… cộng hưởng với nhau phả vào công trình, trong khi kính low-e có tác dụng ngược lại. Do vậy kính low-e được lắp đặt phổ biến trong các công trình xây mới có tỷ lệ phủ kính cao với yêu cầu khắt khe về tiết kiệm năng lượng dù giá thành đắt hơn. Kính low-e là loại kính được phủ lên bề mặt một loại hợp chất đặc biệt (kim loại – crom hoặc titan, oxyt kim loại – oxyt thiếc hoặc oxyt titan hoặc hợp kim nhôm – sylic), giúp kính có tính năng phát xạ nhiệt chậm, làm giảm sự phát tán, hấp thụ nhiệt lượng chậm và làm chậm quá trình truyền tải nhiệt nhưng vẫn đảm bảo độ sáng trong căn phòng, là tính năng vượt trội của sản phẩm, giúp cho căn phòng ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè, tiết kiệm tối đa chi phí cho công việc duy trì nhiệt độ trong phòng mà vẫn giữ được độ sáng và đảm bảo thẩm mỹ tối đa. Có hai loại kính low-e là phủ cứng (được chế tạo bằng công nghệ nhiệt luyện, phủ một lần, độ bền cao, thời gian sử dụng lâu, có khả năng gia công, độ phản chiếu ánh sáng trung bình) và phủ mềm (được chế tạo bằng công nghệ điện giải trong môi trường chân không, phủ hai hoặc nhiều lớp, độ bền trung bình, thời gian sử dụng ngắn hơn loại phủ cứng, khả năng gia công hạn chế, độ phản chiếu ánh sáng cao).

Bốn thông số kỹ thuật quan trọng của kính low-e giúp cho việc lựa chọn chủng loại kính phù hợp thường được cung cấp bởi nhà sản xuất là hệ số truyền nhiệt (U-value, đơn vị W/m2K), hệ số truyền sáng, có một số tài liệu gọi là độ thấu quang (visible light transmittance), hệ số thu nhiệt mặt trời (solar heat gain co-efficient) và hệ số rò không khí (air leakage). Các khoảng giá trị phổ biến của bốn hệ số trên lần lượt là 0,20 ÷ 1,20; 0 ÷ 1; 0 ÷ 1 và 0,1 ÷ 0,3. Các giá trị của hệ số truyền nhiệt, hệ số thu nhiệt và hệ số rò không khí càng nhỏ thì càng có lợi và giá trị của hệ số truyền sáng càng cao thì càng tốt [13].

Cửa sổ và cửa đi lắp kính là một trường hợp cần được xét riêng vì hai loại cửa này là hai thành phần quan trọng hiện diện trên mặt đứng của công trình. Diện tích ô cửa càng lớn thì khả năng chiếu sáng tự nhiên trực tiếp càng tốt. Cửa sổ và cửa đi cách nhiệt có hai lớp kính với một lớp chân không ở giữa khoảng 1 cm (Hình 21a) và ba lớp kính với hai lớp chân không ở giữa, mỗi lớp chân không dày khoảng 1 cm (Hình 21b), hoàn toàn không cho nhiệt truyền qua, bởi vì chân không ( = 0) hoàn toàn cách nhiệt. Tuy nhiên, lớp vật liệu chế tạo đố cửa và khuôn cửa bằng hợp kim, chất dẻo hoặc gỗ vẫn có thể cho một phần nhiệt nhất định truyền qua nên hệ số truyền nhiệt (U-value) và hệ số truyền năng lượng (g-value) là hai thông số kỹ thuật quan trọng cần xem xét để lựa chọn loại cửa phù hợp. Cửa hai lớp kính chân không có U = 2,5 ÷ 3,0 W/m2K và g = 0,8 ÷ 0,85, cửa ba lớp kính chân không có U = 2 W/m2K và g = 0,7 ÷ 0,75, trong khi cửa kính một lớp (không có lớp chân không) có U = 5,5 ÷ 6 W/m2K và g = 0,9. Để giảm giá trị của U và g, tức là tăng hiệu quả cách nhiệt của cửa kính, sẽ phải cần đến công nghệ chế tạo đặc biệt. Hiện nay, các loại cửa tiên tiến nhất có U = 0,5 W/m2K và g = 0,4, tuy nhiên do giá thành cao nên hiện vẫn chưa được sử dụng phổ biến như kính hai lớp và ba lớp có chân không [14].

Hình 24a: Kính đơn lớp, hai lớp và ba lớp (Nguồn: www.greenmatch.co.uk)

Hình 24b: Phân tích công dụng của kính hai lớp (Nguồn: https://www.pilkington.com)

Cách nhiệt là bài toán đặt ra cho mọi công trình, dù trong điều kiện khí hậu nóng hay lạnh. Về mùa nóng, nhiệt độ không khí bên ngoài cao, nhiệt độ không khí trong nhà duy trì ở mức tiện nghi (thấp hơn bên ngoài). Về nguyên tắc, nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp, nhiệt ngoài trời sẽ thâm nhập vào trong nhà qua lớp vỏ bao che, tăng nhiệt độ của không khí trong phòng và sự truyền nhiệt này sẽ dừng lại khi nhiệt độ trong nhà tương đương với nhiệt độ ngoài trời, tức là cùng nóng như nhau. Ngược lại, vào mùa đông, nhiệt độ không khí bên ngoài thấp, nhiệt độ không khí trong nhà duy trì ở mức tiện nghi (cao hơn bên ngoài). Nhiệt bên trong sẽ thất thoát ra bên ngoài qua lớp vỏ, hạ nhiệt độ của không khí trong phòng và sự truyền nhiệt này sẽ dừng lại khi nhiệt độ trong nhà tương đương với nhiệt độ ngoài trời, tức là cùng lạnh như nhau. Hiệu quả cách nhiệt của tường phụ thuộc vào chất lượng của lớp vật liệu cách nhiệt, được chèn vào giữa lớp ngoài cùng và lớp trong cùng của cấu kiện tường, hoặc lớp trên cùng và lớp dưới cùng của cấu kiện mái. Hai cấu kiện này có tầm quan trọng tương đương nhau trong các công trình thấp tầng. Đối với nhà cao tầng, diện tích tường bao lớn hơn nhiều so với diện tích mái nên được chú ý hơn. Hướng Tây Bắc, Tây và Tây Nam chịu lượng bức xạ mặt trời lớn nên yêu cầu cách nhiệt cho tường hướng này cao hơn các hướng khác (lớp cách nhiệt dày hơn, chỗ tiếp giáp của các tấm vật liệu cách nhiệt và các khe hở cần được xử lý tốt hơn).

Hình 25a: Cấu tạo tường cách nhiệt ở giữa hai lớp (Nguồn: www.ribaproductselector.com)

Hình 25b: Dòng nhiệt truyền qua tường cách nhiệt (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2013)

Có hai hình thức tạo khoảng cách nhiệt cho lớp vỏ: 1. chèn các vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ có nguồn gốc tự nhiên với hệ số dẫn nhiệt  thấp như sợi gỗ ép ( = 0,15), bông khoáng ( = 0,05), xơ sợi thực vật ép như xơ dừa ( = 0,04), bọt xốp polyurethane ( = 0,02), … đầy khoảng trống giữa hai lớp tường trong – tường ngoài và mái trên – mái dưới, vì các vật liệu này khi có chiều dày đủ lớn, tối thiểu 10 cm, sẽ ngăn cản sự truyền nhiệt từ ngoài vào trong (mùa hè) hoặc từ trong ra ngoài (mùa đông) và 2. Tạo không gian rỗng giữa hai lớp bề mặt vỏ bao che với khoảng cách tối thiểu 30 cm, vì không khí giữa hai lớp vỏ ( = 0,025) cũng có tác dụng tương đương với các vật liệu chèn cách nhiệt tốt khác và không gian rỗng này được xẻ khe hoặc ô thoáng hai đầu cho gió thổi qua, tản bớt nhiệt tích tụ bên trong dưới tác động của bức xạ mặt trời. Các vật liệu cách nhiệt được chế tạo theo phương pháp công nghiệp, ép thành từng tấm hoặc tết thành từng cuộn có kích thước và độ dày cũng như độ xốp khác nhau theo tiêu chuẩn. Trong quá trình thi công, các tấm/cuộn vật liệu nói trên sẽ được chèn vào giữa hai lớp tường trong – tường ngoài và mái trên – mái dưới. Tùy thuộc chất liệu và độ dày của các tấm/cuộn đặt vào mà hiệu quả cách nhiệt của tường/mái sẽ khác nhau.

Trong những năm gần đây, công nghệ mái xanh và tường xanh trở nên phổ biến. Các loại thực vật trồng trên mái hoặc bám theo giàn gắn vào tường là tấm màn chắn bức xạ tự nhiên, là phương pháp không tốn kém, cũng có tác dụng cách nhiệt tốt cho mái và tường ngoài nhà và hơn nữa mang giá trị sinh thái, thẩm mỹ, và trong một số trường hợp còn tạo nên các tác phẩm nghệ thuật cây cảnh độc đáo. Tiêu chí chọn các loài thực vật để phủ xanh mái và tường, ngoài yếu tố thẩm mỹ, còn bao gồm các đặc tính sinh học như cây chịu được khô hạn, không có mùi khó chịu hoặc chứa chất độc, không hấp dẫn côn trùng, không/ít rụng lá về mùa đông, … Yêu cầu kỹ thuật đối với mái xanh là xử lý thoát nước và chống thấm dột tốt, có hệ thống phun nước kiểu nhỏ giọt tưới vừa đủ nhằm tiết kiệm nước và lớp bảo vệ bê tông chống rễ cây đâm xuyên, còn đối với tường xanh là có hệ khung giàn cách tường để cây mọc leo từ dưới đất bám vào hoặc để xếp khay đất nhỏ tạo điều kiện cho cây mọc trực tiếp, hạn chế rễ lan trên mặt tường, có thể chèn vào khe nứt lâu ngày làm hỏng tường, gây ra hiện tượng thấm nước.

Hình 26a: Cấu tạo mái trồng thực vật (Nguồn: www.lindumgreenroofs.co.uk)

Hình 26b: Tác dụng của bức tường thực vật (Nguồn: sciencepublishinggroup.com)

Tóm lại, kỹ thuật công nghệ, bao gồm công nghệ khai thác năng lượng – ưu tiên hàng đầu cho việc sưởi ấm và làm mát – và kỹ thuật cách nhiệt cho lớp vỏ bao che công trình, là yếu tố hỗ trợ tích cực cho công trình để đạt mức độ hiệu quả năng lượng cao hơn trên cơ sở giải pháp quy hoạch và thiết kế kiến trúc đã được tối ưu hóa.

(Còn tiếp)

Tài liệu tham khảo

[1] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 41
[2] World Weather Information Service http://worldweather.wmo.int
[3] Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Mặt trời Việt Nam https://solarpower.vn/cuong-do-buc-xa-nang-luong-mat-troi-tai-cac-khu-vuc-viet-nam/
[4] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 56
[5] Christoph Kost và Johannes Mayer, Levelising Cost of Electricity Produced with Renewable Energy Technologies, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Freiburg, 2013, trang 2
[6] Tập đoàn Điện lực Việt Nam, http://evn.com.vn/d6/event/Phat-trien-Dien-mat-troi-tai-Viet-Nam-2-11-50.aspx
[7] Tập đoàn Điện lực Việt Nam, http://www.evn.com.vn/c3/evn-va-khach-hang/Bieu-gia-ban-le-dien-9-79.aspx
[8] Tập đoàn Điện lực Việt Nam, http://www.evn.com.vn/d6/news/Phat-trien-dien-gio-tai-Viet-Nam-Khong-the-chan-chu-6-12-19297.aspx
[9] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 65
[10] Energy Informative, http://energyinformative.org/solar-panels-cost/
[11] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 65
[12] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 67
[13] Auto Desk Corporation https://sustainabilityworkshop.autodesk.com/buildings/glazing-properties
[14] Detlef Glücklich, Ökologisches Bauen – Von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, 2005, trang 59

TS. KTS Nguyễn Quang Minh
Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Đại học Xây dựng