Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Kỳ 4): Các giải pháp

2751

Có thể coi kiến trúc đạt hiệu quả năng lượng khi công trình đó được thiết kế hợp lý (hoặc tối ưu nếu có thể) về năng lượng trên cơ sở quy hoạch tốt. Đi sâu hơn thì đến từng thiết bị tiêu thụ năng lượng trước khi được lắp đặt cũng được cân nhắc và lựa chọn kỹ dựa trên các thông số kỹ thuật của sản phẩm mà nhà sản xuất công bố, và khi đã vận hành thì được đặt ở chế độ làm việc phù hợp theo điều kiện thực tế. Hiệu quả năng lượng còn liên quan đến ý thức tiết kiệm của người sử dụng được xây dựng thành thói quen và có sự đóng góp của công nghệ năng lượng. Hiệu quả năng lượng sẽ càng cao nếu có sự kết hợp đồng bộ của tất cả các giải pháp.

Các nguyên tắc

  • Các giải pháp quy hoạch luôn đóng vai trò chủ động và là bước đi khởi đầu trên lộ trình đưa công trình đến mục tiêu hiệu quả năng lượng;
  • Các giải pháp thiết kế kiến trúc cũng đóng vai trò chủ động, rất quan trọng và là bước đi số hai để công trình đạt hiệu quả năng lượng cao;
  • Các giải pháp khác liên quan đến năng lượng như kỹ thuật, công nghệ, ý thức, … sẽ hỗ trợ thêm, khiến công trình hiệu quả hơn về năng lượng;
  • Công trình cần đạt tới tính tối ưu về sưởi ấm và làm mát, thông gió và chiếu sáng;
  • Các giải pháp tự nhiên luôn tốt hơn các giải pháp nhân tạo. Các giải pháp tự nhiên cần đóng vai trò chủ đạo còn các giải pháp nhân tạo chỉ nên được sử dụng trong các tình huống thời tiết thật sự bất lợi;
  • Khai thác các nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ hoặc trong phạm vi gần;
  • Thực hiện đồng bộ các gói giải pháp khác về nước, vật liệu xây dựng, trồng cây/phủ xanh các bề mặt, quản lý vận hành thông minh, … cũng góp phần tiết kiệm năng lượng và làm công trình thực sự bền vững.

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong công trình

Giải pháp quy hoạch

  • Nếu có thể chọn được vị trí thuận lợi để xây dựng và hướng công trình đảm bảo: các vị trí gần sông, hồ với nguồn nước không bị ô nhiễm, tiếp giáp với vườn hoa – công viên và các diện tích cây xanh – mặt nước tự nhiên này nằm trên hướng gió chính thổi vào công trình, rõ ràng đây là trường hợp lý tưởng;
  • Nếu không chọn được vị trí thuận lợi nhưng được hướng nhà tốt: các hướng từ chính nam đến đông đông nam trong trường hợp của Hà Nội và các địa phương vùng đồng bằng Bắc Bộ. Đối với các tỉnh/thành ở các vùng miền khác dựa trên sự phân tích tổng hợp hướng nắng và hướng gió có lợi của địa phương. Nếu hai hướng này trùng nhau, hiệu quả sẽ được cộng hưởng. Còn trong trường hợp hai hướng này khác nhau: nếu góc lệch không quá lớn thì chọn hướng ở giữa là phù hợp, tận dụng được cả hai yếu tố có lợi, dù mỗi yếu tố không đạt mức tối đa, còn nếu góc lệch lớn thì sẽ phải lựa chọn yếu tố trội hơn (hoặc ánh nắng ấm hoặc gió mát) và áp dụng giải pháp hạn chế sự bất lợi do việc không chọn yếu tố kia gây ra;
  • Nếu không chọn được hướng nhà tốt nhưng điều kiện diện tích khu đất đủ lớn, có thể xoay công trình đi một góc sao cho tận dụng được các yếu tố tự nhiên có lợi;
  • Nếu không chọn được hướng nhà tốt và diện tích khu đất không đủ lớn để có thể xoay công trình: cần xem xét tận dụng các vật thể tự nhiên và/hoặc nhân tạo có sẵn xung quanh để giúp công trình khắc phục được hoàn toàn hoặc một phần các yếu tố bất lợi về hướng, chẳng hạn như nhà cao tầng và cây bóng mát án ngữ hướng tây, tây nam, tây bắc sẽ chắn bức xạ mặt trời và giảm tác động của hơi nóng lên công trình;
  • Nếu không chọn được hướng nhà tốt, diện tích không đủ lớn để có thể xoay công trình và cũng không tận dụng được gì từ khu vực giáp ranh: đây có thể coi là trường hợp bất lợi nhất. Lúc này, các giải pháp kiến trúc sẽ được áp dụng để cải thiện điều kiện tiện nghi vi khí hậu và nâng cao tính hiệu quả năng lượng trong công trình;
  • Trong một quần thể công trình: trên hướng tia nắng mặt trời buổi sáng rọi tới, bố trí các công trình thấp tầng, khối tích nhỏ phía trước, các công trình cao tầng, khối tích lớn hơn phía sau. Khoảng cách giữa hai công trình đối diện được tính toán sao cho bóng đổ của công trình phía trước cùng lắm chỉ lên đến bệ cửa sổ phòng ở hoặc phòng làm việc tầng thấp nhất của công trình phía sau, có nghĩa là toàn bộ ô cửa của các không gian quan trọng thuộc công trình phía sau không bị chắn sáng trong khoảng thời gian khả dụng ánh sáng và năng lượng mặt trời ban ngày. Về cơ bản, khoảng cách bằng hai lần chiều cao sẽ đáp ứng được yêu cầu này.

Giải pháp kiến trúc

Giải pháp kiến trúc thể hiện trên hai khía cạnh: 1. Công năng hoàn chỉnh, tận dụng các yếu tố có lợi về khí hậu và năng lượng khi bố trí các không gian chính/phụ bên trong công trình và 2. Cấu tạo lớp vỏ bao che sao cho vỏ bao che có tác dụng như một bộ lọc khí hậu. Cụ thể như sau:

Các không gian chức năng chính của công trình (ví dụ phòng khách, phòng sinh hoạt chung, phòng ăn liên thông với bếp, các phòng ngủ tách biệt hoặc gộp chung với không gian làm việc hoặc học tập trong nhà ở) tập trung về hướng đón được nắng ấm buổi sáng và gió mát trong ngày. Điều này đòi hỏi công trình phải có khoảng lưu không đủ lớn trên hướng đó, có thể ở dạng sân, vườn, lối đi, … Nếu không có yêu cầu gì đặc biệt, không gian nào cần yếu tố gì hơn (nắng hoặc gió) thì ưu tiên bố trí về hướng đó sao cho yếu tố có lợi này tác động vuông góc với bề mặt để đạt hiệu quả tối đa, trong khi yếu tố kia tác động chéo góc cho hiệu quả ở mức độ chấp nhận được. Không gian nào cần cả hai yếu tố ở mức độ tương đương thì bố trí ở giữa hai hướng tác động để tiếp nhận cả hai một cách đồng đều. Với ánh sáng mặt trời buổi sáng có thể được đón nhận ở dạng chiếu sáng trực tiếp vào phòng, còn buổi trưa và chiều cần có kiểm soát dưới dạng ánh sáng tán xạ. Với thông gió thì thông gió xuyên phòng (thổi từ phía trước ra phía sau) đã được chứng minh là hiệu quả nhất trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm nên được khuyến khích áp dụng. Thông gió vuông góc (thổi vào từ một hướng và đi ra từ hướng vuông góc, kiểu chữ L) hiệu quả sẽ hạn chế hơn. Kém nhất trong các trường hợp thông gió tự nhiên là luồng gió vào và luồng gió ra cùng một phía (kiểu chữ U).

Các không gian chức năng phụ của công trình, chẳng hạn như cầu thang, khu vệ sinh, kho, phòng đệm… được đặt trên các hướng còn lại. Cách bố trí này sẽ tạo ra sự phân khu chức năng chính – phụ rõ ràng, trong đó các không gian phụ vừa liên kết về chức năng và/hoặc giao thông với các phòng chức năng chính, vừa bảo vệ các phòng chức năng chính này khỏi tác động bất lợi của thời tiết như bức xạ mặt trời, hơi nóng, gió lạnh… Kết quả là điều kiện tiện nghi sinh khí hậu được duy trì một cách tự nhiên, tối đa về mức độ và kéo dài về thời gian, đồng nghĩa với giảm thiểu nhu cầu sử dụng năng lượng cho nhu cầu làm mát, sưởi ấm và chiếu sáng nhân tạo (luôn chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng năng lượng mà công trình tiêu thụ).

Lớp vỏ của công trình, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, nên được thiết kế linh hoạt, mở hết cỡ để đón nắng ấm và gió mát nhưng cũng có thể thay đổi độ mở này tùy theo thực tế, và khi rất bất lợi – ví dụ như gió nóng về mùa hè cộng thêm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị – cần được khép kín lại để ngăn hơi nóng xâm nhập vào nhà. Nếu gió nóng không ảnh hưởng đến công trình mà chỉ có bức xạ mặt trời thì có thể mở cửa cho thoáng nhưng cần điều chỉnh kết cấu chắn nắng (thanh chớp lật, mành hoặc rèm) để bức xạ mặt trời không hắt vào các phòng và hơi mát (nếu có) vẫn có thể thổi qua. Ở các địa phương phía Bắc có mùa đông lạnh, miền núi có thể xuống dưới 0oC còn vùng trung du và đồng bằng nền nhiệt độ xuống dưới 10oC đạt mức rét đậm hoặc rét hại, cần chống gió lạnh từ hướng Đông Bắc thổi tới, đảm bảo lớp vỏ bao che kín gió thì các không gian bên trong công trình sẽ không bị gió lùa. Trong cả hai trường hợp thời tiết quá nóng và quá lạnh, các chuyên gia khuyến cáo nên xử lý cách nhiệt cho tường ngoài và mái để hạn chế hơi nóng xâm nhập từ ngoài vào trong về mùa hè và giảm thiểu hiện tượng thất thoát hơi ấm từ trong ra ngoài về mùa đông. Xử lý cách nhiệt rất đơn giản: chỉ cần chèn các tấm cách nhiệt bằng bông khoáng hoặc vỏ bào, mùn cưa ép, rơm rạ, xơ sợi thực vật, … được chế tạo sẵn thành các tấm phẳng hoặc thành cuộn tròn với kích thước và độ dày đã ấn định vào giữa hai lớp vỏ bao che khi thi công.

Hình 1a: Xử lý cách nhiệt cho tường bao công trình (Nguồn: www.climatechangenews.com)
Hình 1b: Xử lý cách nhiệt cho mái công trình (Nguồn: www.greenbuildingadvisor.com)
Hình 1c : Cửa sổ hai lớp có tác dụng cách nhiệt rất tốt (Nguồn: www.which.co.uk)

Đối với cửa sổ và cửa đi cũng là một thành phần tạo nên lớp vỏ bao che cho công trình, nếu không lắp cửa kính hai hoặc ba lớp (xem bài kỳ 3 – Cơ sở kỹ thuật và công nghệ) thì hệ cửa trong kính (đơn lớp) ngoài chớp sẽ luôn phát huy tác dụng và đã được chứng thực trong rất nhiều công trình biệt thự và công thự mà người Pháp đã xây dựng tại Việt Nam trong hơn nửa thế kỷ, từ năm 1890 đến 1945:

+ Trường hợp 1: Cần gió/hơi mát và ngăn bức xạ mặt trời – đóng cửa chớp và mở cửa kính. Bức xạ nhiệt sẽ bị các nan chớp đặt nghiêng 45o cản lại và gió/hơi mát thổi qua các khe hở của nan chớp để vào phòng.

+ Trường hợp 2: Cần ánh sáng mặt trời và chắn gió lạnh – mở cửa chớp và đóng cửa kính. Cửa kính sẽ ngăn gió lạnh song vẫn cho ánh sáng mặt trời rọi qua.

Hình 2: Tác dụng của cửa trong kính ngoài chớp (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2010)

Không chỉ cách nhiệt tốt ban ngày, lớp vỏ công trình còn phải thải nhiệt nhanh về tối và đêm trong mùa hè. Giải pháp thải nhiệt nhanh nhất là thông gió, qua sự đối lưu không khí giữa hai lớp vỏ. Gió thổi qua khoảng rỗng ở giữa sẽ tản hơi nóng tích tụ do bức xạ mặt trời sinh ra, làm nhiệt độ bề mặt này giảm xuống. Nhiệt ở bên trong kết cấu sẽ truyền ra phía ngoài, gặp gió mát lại hạ nhiệt, cứ thế quá trình này tiếp tục cho tới khi nhiệt trong và ngoài cân bằng.

Hà Nội và các tỉnh Bắc Bộ chịu ảnh hưởng của hiện tượng mưa phùn và nồm sau Tết Âm lịch hàng năm (tháng 2 và tháng 3 Dương lịch), cần đóng kín lớp vỏ bao che để tránh hơi ẩm ngoài trời (độ ẩm cao trên 95% đến bão hòa – 100%) lọt vào bên trong nhà gây đọng nước trên sàn và chân tường. Nền nhà được xử lý bằng cách rải xỉ than dày độ 20 – 30 cm bên dưới rồi đổ một lớp cát đen dày 10 cm lên trên làm phẳng bề mặt, sau đó lát nền bằng loại gạch có khả năng thấm hút nước. Hơi nước theo vào khi đóng/mở cửa nếu đọng lại trên bề mặt sàn sẽ nhanh chóng thấm qua lớp gạch lát với vô số lỗ nhỏ li ti xuống đất và được giữ trong lớp cát + xỉ, khiến sàn nhà và chân tường khô ráo. Nếu nền nhà không được xử lý như trên bắt buộc phải dùng máy hút ẩm liên tục trong khi vẫn phải đóng kín các cửa. Ngoài ra cần duy trì nhiệt độ các bề mặt trong nhà cao hơn nhiệt độ điểm sương bằng cách bật máy sưởi ở nhiệt độ thích hợp.

Là giải pháp tiết kiệm năng lượng xuất xứ từ các nước có khí hậu lạnh, vỏ bao che hai lớp bọc kính toàn bộ hoặc gần như toàn bộ (như đã được giới thiệu trong bài 4 kỳ 3 – Cơ sở kỹ thuật và công nghệ) không được khuyến khích áp dụng cho công trình tại vùng khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là trong nhà ở, vì thực sự không thích hợp, có thể gây mệt mỏi cho người sử dụng dưới tác động của hội chứng SBS (Sick Building Syndrome – hội chứng các tòa nhà gây bệnh cho người sử dụng do kém thông thoáng), mà sự kiện các cơ quan phải chuyển ra khỏi Tòa nhà Trung tâm Hành chính Đà Nẵng gần đây là một ví dụ minh họa rõ nhất. Nếu áp dụng vỏ hai lớp thì cần chú ý đến tính linh hoạt của việc đóng/mở và chỉ giới hạn trong một số công trình công cộng có quy mô lớn và yêu cầu cao về tính thẩm mỹ theo quan điểm kiến trúc hiện đại cũng như tính tiện nghi mà giải pháp tự nhiên khó đáp ứng và còn có thể phát sinh một số vấn đề không mong muốn (*) như cảng hàng không, nhà hát, thư viện, bệnh viện, khách sạn, siêu thị, nhà thi đấu thể thao và các cao ốc văn phòng. Luận điểm (*) có thể được làm rõ như sau: công trình quy mô càng lớn thì hiệu quả thông gió và chiếu sáng tự nhiên càng thấp tại các không gian nằm sâu bên trong lõi, nơi mà gió mát và ánh nắng rất khó tiếp cận đến, nếu không tổ chức các khoảng không gian mở bên trong. Số lượng người sử dụng càng nhiều thì yêu cầu thông thoáng càng cao, đòi hỏi thông gió càng thường xuyên như tại các bệnh viện và sân bay. Tuy nhiên, trong thực tế các giải pháp thông gió và chiếu sáng tự nhiên không phải luôn luôn đạt yêu cầu, chẳng hạn trong những ngày lặng gió và bầu trời đầy mây. Thêm vào đó, khi mở cửa đón gió và lấy sáng, các tác động không mong muốn từ bên ngoài như tiếng ồn, khói thải, bụi, hơi nóng, … cũng có thể theo vào, ảnh hưởng đến một số công trình đòi hỏi cao về vệ sinh như bệnh viện hoặc âm thanh như nhà hát, … Các tác động bất lợi nói trên đặc biệt đúng với những đô thị lớn có mật độ phương tiện giao thông dày đặc, môi trường bị ô nhiễm và hiện tượng đảo nhiệt đô thị được cảm nhận rõ rệt.

Các giải pháp thiết kế khác hỗ trợ

Giải pháp hình khối: nếu không có lý do đặc biệt, công trình càng đơn giản về hình khối sẽ càng hiệu quả về năng lượng. Với cùng một khối tích công trình sẽ có thể có nhiều hình dạng khác nhau nên diện tích bề mặt cũng chênh lệch như các nghiên cứu đo đạc đã cho thấy. Trong thực tế tỷ số A/V (diện tích tường ngoài chia cho khối tích) thường được sử dụng để so sánh: tỷ số này càng nhỏ thì càng có lợi về năng lượng. Nhằm làm giảm diện tích tường ngoài, các kiến trúc sư nên thiết kế tổ hợp các đơn vị ở riêng lẻ thành từng dãy (nhà liền kề) hoặc thành từng khối (chung cư), như được trình bày trên Hình 3 và Hình 4 là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Đức. Cách tổ hợp này không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn tiết kiệm đất cũng như hạ tầng kỹ thuật trong các đô thị, nâng cao mật độ cư trú, phù hợp với xu thế phát triển xây dựng bền vững (sustainable building) và đô thị nén (compact city) trong tương lai.

Hình 3: Tỷ số A/V là một tiêu chí đánh giá hiệu quả về nhiệt cũng như năng lượng của công trình (Nguồn: www.ecobine.de)
Hình 4: Thiết kế theo hướng ghép khối, giảm thiểu diện tích tường ngoài để tiết kiệm năng lượng (Nguồn: www.cipra.org/de/)

Giải pháp bề mặt: vát nghiêng bề mặt từ trên xuống dưới, hoặc tầng giật cấp thu nhỏ dần về bên dưới theo hình kim tự tháp ngược, hoặc tạo khoảng lồi lõm (khối đua ra bên cạnh khối lùi sâu vào so với bề mặt thẳng đứng lấy làm chuẩn ban đầu) để tạo bóng đổ trên mặt đứng, có tác dụng tương đương với những kết cấu chắn nắng.

Hình 5a: Bảo tàng Hà Nội (Nguồn: www.milimet.com)
Hình 5b: Góc Bảo tàng Hà Nội (Nguồn: www.gmp-architekten.com)
Hình 5c: Cung Triển lãm Quốc tế Tokyo (Nhật Bản) (Nguồn: www.io9.gizmodo.com)
Hình 5d: Trụ sở Bộ Nội vụ ở Riyadh (Saudi Arabia) (Nguồn: www.io9.gizmodo.com)
Hình 5e: Khu nhà ở Carabanchel, Madrid (Tây Ban Nha) (Nguồn: www.openbuildings.com)

Giải pháp chắn nắng: trong thực tế, kết cấu lam chắn nắng rất phong phú. Kiến trúc hiện đại hay sử dụng kết cấu che nắng ngoài là hệ thanh hợp kim nhôm nhẹ và bền với thời tiết, theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc theo từng hướng, gắn trên hệ khung có khả năng dễ dàng điều chỉnh góc nghiêng theo vị trí mặt trời trong ngày, còn bên trong phòng dùng mành/rèm kéo để đóng/mở linh hoạt hỗ trợ thêm cho lam chắn nắng ngoài. Trong một số trường hợp, kết cấu chắn nắng có gắn thêm các tấm pin năng lượng mặt trời, cung cấp thêm điện năng cho công trình.

Hình 6a: Kết cấu chắn nắng kiểu mới – tường hoa văn ghép bằng kim loại trong trung tâm hội nghị (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2008)
Hình 6b: Kết cấu chắn nắng bằng các thanh lam hợp kim nhôm trong công trình văn phòng (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2008)
Hình 6c: Lam che nắng theo chiều dọc ở trường học tại Bình Dương (Việt Nam) (Nguồn: www.kienviet.net)
Hình 6d: Lam che nắng kết hợp tấm pin năng lượng mặt trời ở Manchester (Anh) (Nguồn www.steelconstruction.info)
Hình 6e: Lớp vỏ chắn nắng cho khách sạn ở Barcelona (Tây Ban Nha) (Nguồn: www.toyo-ito.co.jp)
Hình 6f: Lớp vỏ chắn nắng cho ga-ra ô-tô ở Darmstadt (CHLB Đức) (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2014)
Hình 6g: Rèm che nắng trong văn phòng (Nguồn: www.sieuthirem.com)
Hình 6h: Mành che nắng trong nhà ở (Nguồn: www.thegioiremcua.vn)

Giải pháp bố trí cửa sổ: về nguyên tắc, cần ưu tiên các bề mặt có diện tích lớn hơn quay về hướng có lợi về thời tiết và năng lượng và mở các cửa sổ rộng hết mức có thể trong phạm vi tối ưu này. Ngược lại, trên các hướng bất lợi, các bề mặt càng nhỏ càng tốt và hạn chế mở cửa, nếu có thì cũng chỉ để các ô cửa nhỏ. Trong một số trường hợp yêu cầu cao về chiếu sáng, với cùng một diện tích cửa sổ 3,6 m2 (bằng 1/6 diện tích sàn của một phòng 21,6 m2 có kích thước 3,6 m x 6 m), việc bố trí hai cửa sổ 1,8 m2 ở hai phía sẽ đảm bảo ánh sáng phân bố đều hơn là một cửa sổ 3,6 m2 ở một phía. Việc bố trí cửa sổ còn ảnh hưởng đến chất lượng thông gió. Một cửa sổ 2,4 m2 phía trước và một cửa sổ 1,2 m2 phía sau (thông gió xuyên phòng) sẽ tốt hơn một cửa sổ 2,4 m2 phía trước và một cửa sổ 1,2 m2 bên cạnh (thông gió vuông góc) hoặc một cửa sổ duy nhất 3,6 m2 vừa đón gió vào vừa để gió ra (thông gió một hướng).

Giải pháp tạo sân trong và giếng trời đối với các công trình có diện tích sàn lớn và các công trình có diện tích sàn nhỏ nhưng tiếp giáp 2 – 3 mặt với các công trình xung quanh, để đảm bảo không gian ở chính giữa – vị trí bất lợi nhất – cũng được chiếu sáng và thông gió tự nhiên ở mức độ đạt yêu cầu. Diện tích sân trong và giếng trời cần thiết tùy thuộc vào điều kiện thực tế của từng trường hợp, chẳng hạn như diện tích sàn, chiều cao tầng, số tầng nhà, hướng nhà, …

Hình 7a: Khoảng thông tầng trong Thư viện Cộng đồng ở Vancouver (Canada) (Nguồn: www.nashvancouver.com)
Hình 7b : Khoảng thông tầng trong trung tâm hành chính quốc tế Acros ở Fukuoka (Nhật Bản) (Nguồn: www.inhabitat.com)

Giải pháp cảnh quan: xanh hóa bề mặt mái và tường ngoài, nhất là tường ở các hướng Tây Bắc – Tây – Tây Nam, không chỉ tạo cảnh quan đẹp mà còn giúp chống nóng một cách tự nhiên và hiệu quả nhờ duy trì độ ẩm để cây sinh trưởng và hoạt động trao đổi chất có phát sinh hơi nước, hơi nước sẽ thu nhiệt và mang lượng nhiệt này đi. Các thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tường có trồng cây xanh thấp hơn 2oC so với cũng bức tường ấy nhưng không có thực vật che phủ [1].

Hình 8a: Giải pháp mái xanh – Tòa thị chính Chicago (Hoa Kỳ) (Nguồn:www.sideinside.org)
Hình 8b: Giải pháp tường xanh – khách sạn Ruben Palace ở London (Vương Quốc Anh) (Nguồn: http://www.architecturalrecord.com)

Giải pháp sử dụng vật liệu: Các vật liệu được sử dụng trong công trình nói chung cần phải thân thiện với môi trường, không chứa các chất gây hại đến sức khỏe người sử dụng, có năng lượng hàm chứa thấp, dễ tái chế và tái sử dụng, được lập thành danh mục (catalogue) với các đặc tính và thông số kỹ thuật đi kèm để chủ đầu tư và kiến trúc sư lựa chọn theo sự tư vấn của các kỹ sư vật liệu xây dựng. Đối với lớp vỏ công trình, vật liệu được chọn ít hấp thụ nhiệt và có màu sáng. Sử dụng vật liệu không nung góp phần bảo vệ môi trường bởi vì nguyên liệu đầu vào của gạch khung nung là xỉ – tro, tức là tận dụng chất thải của ngành công nghiệp luyện kim và các nhà máy nhiệt điện, trộn với một số phụ gia và đem ép thành viên, không phải nung, do đó cũng tiết kiệm một lượng năng lượng khá lớn dưới dạng năng lượng biểu hiện hay còn gọi là năng lượng hàm chứa (embodied energy). Những công trình hiệu quả năng lượng được xây dựng theo mô hình kiến trúc xanh công nghệ thấp thường sử dụng đất sét, tre, gỗ, rơm, lá cây, … là những vật liệu thiên nhiên – sinh thái có sẵn, không gây ô nhiễm môi trường và không tốn năng lượng vận chuyển. Đối với các vật liệu xây dựng hiện đại hơn dùng cho lớp vỏ bao che, khả năng hấp thụ nhiệt của vật liệu đặc trưng bởi hệ số r được tính tới, theo đó giá trị r càng nhỏ thì càng có lợi. Chẳng hạn như gạch ốp tráng men màu sáng có r = 0,26, đá vôi màu trắng xám mài nhẵn có r = 0,35, kính trắng dày 7 mm có r = 0,08 [2].

Giải pháp sử dụng màu sắc: Các số liệu đo đạc cho thấy cùng một loại vật liệu nếu sơn màu sẫm hơn thì khả năng hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời sẽ lớn hơn. Ví dụ: đá cẩm thạch trắng mài nhẵn có hệ số r = 0,30, trong khí đó đá cẩm thạch màu xám có r = 0,55 và đá cẩm thạch màu đen có r = 0,65. Tương tự đối với vữa xây quét sơn màu trắng, vàng và nâu đỏ lần lượt là 0,32 – 0,42 – 0,73 [2]. Trên khía cạnh thẩm mỹ, các công trình được sơn màu sáng, nhất là màu trắng trông rất trang nhã và nổi bật trên nền cây cối, bầu trời và mặt nước trong xanh, nên được ưa chuộng và sử dụng nhiều cả trong kiến trúc cổ điển lẫn kiến trúc hiện đại. Hai trong số những ví dụ điển hình nhất về chọn màu sắc là Nhà thờ Sacré Coeur Paris (Pháp) và Nhà hát Opera Sydney (Australia).

Hình 9a: Nhà thờ Sacré Coeur Paris (Pháp) (Nguồn: www.parisbytrain.com)
Hình 9b: Nhà hát Opera Sydney (Australia) (Nguồn: www.theaustralian.com.au)

Giải pháp tạo mặt nước: vào mùa hè, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nước sẽ bay hơi và quá trình bay hơi sẽ lấy bớt nhiệt, làm không khí dịu mát. Tận dụng điều này, giải pháp chủ động tạo ra mặt nước xung quanh nhà rất phổ biến trong kiến trúc đô thị ở các nước tiên tiến, nếu vị trí xây dựng không gần biển, hồ, sông, kênh… Ngoài bể bơi gia đình còn có hồ cảnh, vòi phun, thác nước… với nhiều kích cỡ và cách bài trí khác nhau phù hợp với điều kiện diện tích sẵn có. Thậm chí kiến trúc sư còn mạnh dạn đưa mặt nước vào nhà, vừa làm đẹp cảnh quan vừa làm mát cho không gian bên trong như phòng khách, phòng ăn và bếp. Máy phun sương (hơi nước) cho hiên và các không gian đệm cũng cho hiệu quả tương tự trong những ngày hè nóng bức.

Hình 10a: Nhà Mái chồng mái của KTS Ken Yeang (Malaysia) dùng mặt nước để làm mát cho công trình (Nguồn: http://www.chinagb.net)
Hình 10b: Mặt nước bố trí trong nhà với không gian thoáng đón gió (Nguồn: http://www.chinagb.net)
Hình 10c: Máy phun sương áp dụng cho các không gian mở/bán mở quanh nhà giúp nhanh hạ nhiệt (Nguồn: www.koolfog.com)
Hình 10d: Giải pháp tạo thác nước chảy từ từ trong không gian nội thất, giúp làm mát phòng (Nguồn: www.buildingpartnershipsma.org)

Giải pháp chiếu sáng và thông gió tự nhiên: đã được trình bày trong một số phần trước.

Giải pháp lựa chọn thiết bị tiêu thụ năng lượng phù hợp: ngày nay, đã có rất nhiều sản phẩm gia dụng tiết kiệm điện của các hàng sản xuất tên tuổi, cả trong nước lẫn ngoài nước, được bày bán trên thị trường, từ các thiết bị tiêu thụ nhiều điện năng như điều hòa không khí, máy giặt, tủ lạnh, bình nước nóng, … cho đến những dụng cụ nhỏ như bóng đèn, máy xay sinh tố, ấm đun nước, … Người tiêu dùng hoàn toàn có thể chọn lựa chủng loại phù hợp với nhu cầu của cá nhân, gia đình, cơ quan, tổ chức, … Mức độ tiết kiệm năng lượng thông thường được ghi rõ trên bao bì sản phẩm. Chế độ vận hành tối ưu cũng được hướng dẫn cụ thể. Người tiêu dùng cần chú ý thực hiện theo các hướng dẫn này một cách nghiêm chỉnh thì hiệu quả năng lượng sẽ đạt được.

Hình 11a: Điều hòa không khí tiết kiệm điện năng (Nguồn: www.nagakawa.com.vn)
Hình 11b: Đèn chiếu sáng tiết kiệm điện năng (Nguồn: www.bongdenphilips.net)

Giải pháp nâng cao ý thức của người sử dụng: đây là vấn đề thuần túy về mặt xã hội, tuy nhiên cũng có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả năng lượng. “Tắt khi không sử dụng” là điều cần ghi nhớ đầu tiên và tập thành thói quen. Tiếp đó, chọn chế độ làm việc phù hợp cũng được quan tâm đúng mức. Điều hòa không khí là một ví dụ. Trong điều kiện nắng nóng, nhiệt độ ngoài trời lên tới 40oC, chế độ tiện nghi nhiệt cho người sử dụng công trình cần được duy trì trong khoảng 25 – 30oC là thích hợp. Tuy nhiên, giá trị cần cần chọn là cận trên (30oC) thay vì cận dưới (25oC), bởi vì theo nghiên cứu của các chuyên gia vật lý công trình, cảm giác tiện nghi nhiệt ở hai nền nhiệt độ 25oC và 30oC không chênh lệch quá nhiều nếu so với sức nóng 40oC ngoài trời. Tuy nhiên, mức độ tiêu thụ điện năng của máy điều hòa không khí ở nền nhiệt 25oC cao hơn hẳn so với ở nền nhiệt 30oC. Nếu chỉnh nhiệt độ xuống thấp hơn, lượng điện năng tiêu thụ sẽ tăng lên rất nhanh, rơ-le đóng ngắt thường xuyên hơn và gây hại máy. Hơn nữa, nếu có việc cần phải đi ra ngoài, nguy cơ “sốc nhiệt” giữa 25oC trong nhà và 40oC ngoài trời ở người (nhất là người già và trẻ nhỏ) cũng cao hơn so với giữa 30oC và 40oC. Điều hòa có ứng dụng công nghệ biến tần (inverter), kiểm soát nhiệt độ thông qua bộ mạch điện tử vi xử lý, mỗi tháng giúp tiết kiệm 20% điện năng so với loại không lắp inverter. Các chuyên gia điện máy cũng đưa ra lời khuyên chọn chế độ khô (dry) sẽ giúp giảm mức độ tiêu thụ năng lượng của điều hòa chỉ còn 1/10 so với chế độ mát (cool) trên cùng một nền nhiệt độ [3].

Giải pháp khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo: khi công trình đã đạt đến mức độ tối ưu về quy hoạch và thiết kế cũng như cấu tạo kiến trúc để đảm bảo tiện nghi vi khí hậu phòng, và các thiết bị tiêu thụ điện trong công trình được lựa chọn loại tiết kiệm năng lượng với chế độ hoạt động tối ưu (tiết kiệm năng lượng), việc cần thực hiện tiếp theo là khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời được khai thác trong lĩnh vực xây dựng dân dụng gồm hai mục đích sử dụng chính: cung cấp điện năng cho các thiết bị điện tử gia dụng rất đa dạng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời (photovoltatic panel) và cung cấp nhiệt năng để đun nước ấm thông qua thiết bị thu nhiệt mặt trời (solar collector) có thể tích hợp với hệ thống sưởi ấm hoặc làm mát thụ động (passive heating/cooling system) hiệu năng cao. Hệ thống tích hợp này rất phổ biến tại CHLB Đức, cả ở đô thị lẫn nông thôn, nhà ở và công trình công cộng. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, công suất, chi phí và thời gian hoàn vốn của hai hệ thống đã được trình bày trong bài viết kỳ 3 (Cơ sở kỹ thuật – công nghệ). Căn cứ trên điều kiện cụ thể để lựa chọn kịch bản phù hợp cho việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời trong công trình, theo các mức đề xuất 25% – 50% – 75% – 100%, tùy thuộc hướng nhà, diện tích mái và mặt đứng có thể tận dụng, nhu cầu tiêu thụ năng lượng, số lượng và công suất thiết bị, khả năng tài chính…

Hình 12: Hai loại thiết bị năng lượng mặt trời cùng được lắp đặt trên mái nhà – rất phổ biến tại CHLB Đức (Nguồn: www.solartechnik.org và www.solaranlagen-portal.com)
Hình 12: Hai loại thiết bị năng lượng mặt trời cùng được lắp đặt trên mái nhà – rất phổ biến tại CHLB Đức (Nguồn: www.solartechnik.org và www.solaranlagen-portal.com)

Tóm lại, trong thực tế có rất nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể được áp dụng cho công trình, từ quy hoạch đến thiết kế, từ kỹ thuật đến phi kỹ thuật, với các phạm vi ứng dụng khác nhau, song hoàn toàn có thể được phối hợp với nhau để nâng cao hiệu quả năng lượng cho công trình đến mức cao nhất. Các giải pháp từ tổng thể đến chi tiết kể trên được lập thành danh mục (checklist) và các kiến trúc sư/kỹ sư có thể sử dụng danh mục này để kiểm tra mức độ áp dụng của các giải pháp tiết kiệm năng lượng trên bản vẽ thiết kế hoàn thiện và sau đó khi công trình được đưa vào sử dụng.

Bảng 1: Danh mục các giải pháp tiết kiệm năng lượng có hiệu quả trong công trình

(Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2017)

Gói GP Giải pháp cụ thể Ghi chú Có/không
Giải pháp quy hoạch Chọn được vị trí thuận lợi/lý tưởng (có khoảng cây xanh, mặt nước)
Chọn được hướng nhà tối ưu (đón nắng ấm buổi sáng)
Chọn được hướng nhà tối ưu (đón gió mát mùa hè)
Chọn được hướng nhà tối ưu (khai thác được năng lượng mặt trời)
Không được hướng nhà tối ưu nhưng đất đủ rộng để xoay công trình
Tận dụng các yếu tố có lợi xung quanh (nhà cao, cây to che bức xạ)
Đảm bảo khoảng cách đến các công trình lân cận, tránh bị chắn sáng
Giải pháp kiến trúc Công năng hoàn chỉnh, được phân chia thành không gian chính/phụ
Không gian chính quay về hướng có lợi và mở thoáng tối đa
Không gian phụ bảo vệ không gian chính khỏi các tác động bất lợi
Hình khối đơn giản, hạn chế tổn thất nhiệt ở các chỗ giao cắt phức tạp
Tỷ lệ A/V phù hợp, không để các diện tích hoặc khối tích thừa
Chiếu sáng tự nhiên (trực tiếp hoặc gián tiếp cho các phòng)
Thông gió tự nhiên (xuyên phòng, vuông góc hoặc một hướng)
Che nắng bằng bóng đổ tự thân (diện vát, khối nhô ra/lùi vào)
Giải pháp kết cấu – lớp vỏ bao che Che nắng bằng kết cấu chắn bức xạ bên ngoài (lam chắn nắng)
Che nắng bằng thiết bị hỗ trợ bên trong (mành, rèm)
Lớp vật liệu cách nhiệt tốt, đủ dày cho vỏ bao che (tường ngoài và mái)
Cửa sổ/cửa đi lắp kính 2 hoặc 3 lớp có lớp chân không giúp cách nhiệt
Cửa sổ trong kính ngoài chớp đóng mở linh hoạt
Thải nhiệt nhanh cho tường và mái (kết cấu hai lớp cho gió thổi qua)
Chống nồm ẩm (gạch lát thấm hút hơi nước đặt trên lớp cát đen và xỉ)
Giải pháp cảnh quan Tạo sân trong và giếng trời (kết hợp cảnh quan)
Mái xanh (phủ thực vật)
Tường xanh (phủ thực vật)
Thiết kế mặt nước xung quanh công trình
Thiết kế mặt nước bên trong công trình
Giải pháp sử dụng vật liệu và trang thiết bị Sử dụng vật liệu không nung
Sử dụng vật liệu sinh thái, thân thiện với môi trường và với con người
Sử dụng vật liệu có khả năng tái chế và tái sử dụng vật liệu
Sử dụng vật liệu hiện đại có tính năng đặc biệt (kính low-e, phản xạ âm)
Sử dụng vật liệu ít hấp thụ nhiệt cho kết cấu bao che
Sử dụng sơn/vật liệu ốp hoàn thiện màu sáng cho kết cấu bao che
Lựa chọn thiết bị tiết kiệm năng lượng
Giải pháp xã hội Lựa chọn chế độ vận hành thiết bị tối ưu trong từng điều kiện cụ thể
Xây dựng ý thức sử dụng năng lượng tiết kiệm (tắt khi không sử dụng)
Giải pháp công nghệ Khai thác/sử dụng năng lượng tái tạo (nhất là năng lượng mặt trời)
Các giải pháp khác (chống ồn, bụi, ô nhiễm, phun sương làm mát, hệ thống quản lý công trình thông minh, thu gom nước mưa và sử dụng nước xám đã qua xử lý thay thế nước sạch, …)

 

Tài liệu tham khảo

[1] Phạm Đức Nguyên (2002), Kiến trúc sinh khí hậu – Thiết kế sinh khí hậu trong Kiến trúc Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội, trang 250
[2] Phạm Đức Nguyên, Nguyễn Thu Hòa, Trần Quốc Bảo (2002), Các giải pháp Kiến trúc Khí hậu Việt Nam, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, trang 239 – 241
[3] Trang Tin tức Việt Nam http://vietnamnet.vn/vn/kinh-doanh/tu-van-tai-chinh/cach-chinh-dieu-hoa-tiet-kiem-dien-gap-10-lan-binh-thuong-305182.html

KTS Nguyễn Quang Minh

Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Đại học Xây dựng