Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Kỳ 5 – phần 1): Các ví dụ đến từ các nước công nghiệp phát triển

363

Kiến trúc hiệu quả năng lượng có sức lan tỏa ngày một sâu rộng trên thế giới, khởi đầu từ các quốc gia tiên tiến có trình độ khoa học công nghệ phát triển cao và tiềm lực kinh tế mạnh tại Bắc Mỹ và Tây Âu. Khu vực Đông Nam Á đã đón nhận xu thế phát triển này một cách tích cực, và Việt Nam cũng đã khởi động lộ trình tiến tới kiến trúc hiệu quả năng lượng nói riêng và kiến trúc bền vững nói chung. Theo hướng tiếp cận này, 15 công trình kiến trúc hiệu quả năng lượng tiêu biểu sẽ lần lượt được giới thiệu trong ba phần của bài viết kỳ 5: 5 công trình tại Bắc Mỹ – Tây Âu, 5 công trình trong khu vực Đông Nam Á5 công trình ở Việt Nam. Các công trình được lựa chọn đa dạng về thể loại và quy mô, theo cả hai trường phái kiến trúc hiệu quả năng lượng ứng dụng công nghệ cao và công nghệ truyền thống.

Tòa nhà số 3 Khoa Môi Trường, Đại học Waterloo, Ontario (Canada)

Thông tin dự án

  • Chủ đầu tư dự án: Đại học Tổng hợp Waterloo
  • Đơn vị quản lí trực tiếp: Khoa Môi trường
  • Địa điểm: 200 University Avenue West, Waterloo, Ontario, Canada
  • Tính chất xây dựng: Công trình xây mới (93%) và cải tạo (7%)
  • Vùng khí hậu: Hàn đới
  • Thiết kế kiến trúc: Hãng Pearce McCluskey Architects
  • Thời gian xây dựng: 17 tháng
  • Thời điểm hoàn thiện: 2011
  • Kinh phí xây dựng: 21,1 triệu đôla Canada
  • Diện tích khu đất: 6.563m2
  • Số tầng cao: 4 tầng
  • Tổng diện tích sàn: 5.644m2

Mô tả công trình

Tòa nhà làm việc số 3 được khánh thành năm 2011 đã mở rộng cơ sở vật chất cho Khoa Môi trường (sử dụng hai tòa nhà làm việc số 1 và số 2 được xây dựng đã lâu chưa theo tiêu chuẩn công trình xanh) thuộc Đại học Tổng hợp Waterloo – một trong những đại học công lập lớn nhất và có uy tín đào tạo cao nhất tại Canada. Chuyên sâu về khoa học môi trường, Khoa Môi Trường khi lập dự án chủ trương đưa công trình thành một hình mẫu về kiến trúc thân thiện với môi trường và đặc biệt chú trọng tính hiệu quả năng lượng. Công trình đã được chứng nhận LEED mức Bạch Kim của Hội đồng Công trình Xanh Canada năm 2012, là công trình giáo dục đầu tiên của tỉnh Ontario và thứ hai ở Canada nhận được sự đánh giá ở mức cao nhất này. Điều cần nói thêm là chi phí đầu tư cho công trình ở mức độ khiêm tốn, tận dụng tính ưu việt của công nghệ mô phỏng thiết kế – xây dựng (design – build) và chương trình kiểm tra song song (thay vì nối tiếp) để lựa chọn thông số thích hợp, giúp giảm thiểu chi phí mà vẫn đạt hiệu năng tối đa. Một điểm thuận lợi nữa của dự án là tất cả các bên có liên quan nhanh chóng tìm được tiếng nói chung và thống nhất phương án thiết kế cũng như kế hoạch vận hành sau khi công trình được đưa vào sử dụng. Tất cả các yếu tố quan trọng trong thiết kế như nhu cầu của người sử dụng, lợi thế của địa điểm, hiệu năng của công nghệ và hiệu quả đầu tư đều được phân tích và đánh giá kỹ lưỡng.

Tòa nhà làm việc số 3 được thiết kế có sân trong ở giữa và toàn bộ các trang thiết bị cũng như hoạt động được tổ chức xung quanh sân trong này. Kết hợp với sân trong là lớp vỏ bao che có các ô cửa kính lớn để lấy ánh sáng nên công trình tràn ngập ánh sáng tự nhiên. Các không gian chức năng bên trong bao gồm một khán phòng 150 chỗ ngồi, sáu lớp học cùng một số phòng hành chính, các không gian tự học và tự nghiên cứu dành cho sinh viên (của Khoa Môi trường), một xưởng quy hoạch (của Khoa Quy hoạch), khu vệ sinh, thang bộ và một số tiện ích chung.

Bản thiết kế chủ yếu sử dụng các công nghệ năng lượng chủ động và tối ưu hóa việc tổ chức không gian cũng như các hoạt động nhằm tạo lập một môi trường làm việc cũng như học tập đặc biệt tốt, chẳng hạn như sử dụng màu sắc một cách tinh tế, ánh sáng tự nhiên hài hòa, không khí trong lành, các cấu trúc bề mặt đẹp mắt.

Hiệu quả năng lượng

  • Nhu cầu sử dụng năng lượng của công trình, thường xuyên có 300 – 400 người sử dụng và lúc tập trung nhất lên tới 500 người, ở mức 1,2 – 1,3 triệu kWh/năm. Tòa nhà sử dụng các kỹ thuật và công nghệ hiện đại nhất, trong đó có kỹ thuật và công nghệ về năng lượng để giảm mức tiêu thụ còn 225 kWh/m2năm, tiết kiệm 45% năng lượng so với các công tình cùng loại và cùng quy mô cũng như tần suất sử dụng tại Canada.
  • Tất cả các không gian chức năng chính đều được chiếu sáng tự nhiên tốt, ở mức tối đa nhờ hệ thống cửa kính tiết kiệm năng lượng (low-e) hiệu quả gấp 5 lần so với kính low-e thông thường, được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm ngay trong phòng thí nghiệm năng lượng mặt trời của Trường. Các không gian nội thất có gắn thiết bị cảm biến (sensor) để tự động điều chỉnh ánh sáng tự nhiên lẫn nhân tạo theo điều kiện thực tế bên ngoài. Ban ngày, nếu cường độ chiếu sáng tự nhiên quá mạnh có thể gây chói lóa, hệ thống mành sẽ được điều khiển tự động ngăn bớt ánh sáng mặt trời để đảm bảo tiện nghi thị giác. Lúc trời đầy mây, ánh sáng tự nhiên yếu hơn, hệ thống đèn sẽ tự động bật sáng ở công suất phù hợp và tự động tắt khi trời hửng nắng trở lại, chứ không đặt ở chế độ mặc định trong suốt thời gian, do đó tiết kiệm năng lượng triệt để.
  • Công trình cũng rất hiệu quả về năng lượng khi xét đến năng lượng hàm chứa hay năng lượng tiềm ẩn (embodied energy), khi sử dụng sản phẩm gỗ tự nhiên từ những khu rừng trong khu vực được trồng để khai thác theo quy hoạch, và tỷ lệ sử dụng thép tái chế lên tới 88%.
  • Năng lượng mặt trời được khai thác qua các tấm pin đặt trên mái, cung cấp 67.000 kWh điện/năm.
  • Không gian thông tầng có bề mặt được phủ xanh bằng các loại thực vật trồng làm cảnh kết nối với hệ thống thông gió nhân tạo, đảm bảo chất lượng khí tươi cung cấp cho các phòng chức năng suốt mùa đông giá lạnh, và có khả năng lọc bụi cũng như loại bỏ các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) và các tạp chất khác nếu lẫn trong luồng không khí lấy vào từ đầu hệ thống.

Mức điểm mà công trình đạt được qua việc đánh giá theo hệ thống LEED Canada

Tiêu chí chính Điểm Tiêu chí phụ liên quan đến năng lượng Điểm
Địa điểm bền vững 11/14 Tận dụng hướng nắng và hướng gió tốt 1/1
Mật độ xây dựng phù hợp, khoảng cách đến các công trình lân cận đảm bảo 1/1
Các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng nhân tạo 1/1
Các giải pháp hạn chế hiện tượng đảo nhiệt đô thị cho trường hợp có mái che và không có mái che 2/2
Hiệu quả năng lượng và môi trường 10/17 Tối ưu hóa hiệu năng về năng lượng 5/10
Sử dụng năng lượng tái tạo 2/3
Chạy thử đạt hiệu suất đúng với thiết kế 1/1
Phát điện đạt tiêu chuẩn xanh 1/1
Công tác đo đạc, thẩm định năng lượng 1/1
Góp phần tich cực bảo vệ tầng ozone 0/1
Hiệu quả sử dụng nước 5/5
Sử dụng vật liệu và tài nguyên 9/14 Sử dụng vật liệu tái chế 2/2
Sử dụng vật liệu địa phương 2/2
Sử dụng vật liệu sinh thái, thiên nhiên 1/1
Đạt chứng nhận gỗ khai thác bền vững 1/1
Sử dụng vật liệu có độ bền cao 1/1
Quản lý, xử lý phế thải xây dựng không tiêu tốn năng lượng (san lấp nền đất) 2/2
Chất lượng môi trường trong nhà 13/15 Hệ thống thông gió nhân tạo hiệu quả 1/1
Tiện nghi nhiệt đáp ứng tiêu chuẩn ASHRAE 55-2004 1/1
Thiết bị giám sát tiện nghi nhiệt hiệu quả 1/1
Sự giám sát hiệu quả hệ thống vận hành 1/2
Chiếu sáng tự nhiên và tầm nhìn tốt 1/2
Sự tiên tiến, hiện đại và quá trình thiết kế 5/5
Tổng số

 

53/70 Đạt Chứng nhận Bạch kim >=52/70

(Nguồn: Hội đồng Công trình Xanh Canada, www.leed.cagbc.org)

Tổng mặt bằng Tòa nhà ENV3 (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Phối cảnh công trình (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Mặt bằng tầng 1 (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Mặt bằng tầng 2 (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Mặt bằng tầng 3 (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Mặt bằng tầng 4 (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Năng lượng mặt trời được khai thác (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Không gian thông tầng được xanh hoá (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Xưởng đồ án quy hoạch đủ ánh sáng tự nhiên (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)
Không gian tự học đủ ánh sáng tự nhiên (Nguồn: Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca)

Trụ sở Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ, Washington DC (Hoa Kỳ)

Thông tin dự án

  • Chủ đầu tư dự án: Hội đồng Công trình xanh Hoa Kỳ (USGBC)
  • Đơn vị quản lí trực tiếp: Charles E. Smith Vornado
  • Địa điểm dự án: 2101 L Street NW Washington DC 20037 (Hoa Kỳ)
  • Tính chất xây dựng: Công trình xây mới 100%
  • Vùng khí hậu: Ôn đới
  • Thiết kế kiến trúc: Hãng Perkins+Will (Washington DC)
  • Thời điểm hoàn thiện: 2007
  • Diện tích khu đất: 2.050m2
  • Số tầng cao: 10 tầng
  • Tổng diện tích sàn: 1.372m2 (2 tầng 5+6) trong tổng số 6.860m2 diện tích sàn

Mô tả công trình

Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ là cơ quan chuyên trách đánh giá công trình xanh không chỉ tại Hoa Kỳ mà còn cho các dự án của nhiều quốc gia khác trên thế giới mong muốn được công nhận đạt tiêu chuẩn LEED uy tín hàng đầu trên thế giới. Trụ sở Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ là công trình mang ý nghĩa đại diện cao. Chính vì thế, công trình đã được đầu tư thiết kế và thi công rất kỹ lưỡng, ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ xây dựng và môi trường tiên tiến nhất. Đây là công trình đầu tiên được đánh giá theo tiêu chuẩn LEED 2009 và đạt kết quả xuất sắc, thuộc nhóm 1% công trình có hiệu năng cao nhất xét trên phạm vi toàn cầu.

Công trình tọa lạc tại thủ đô Washington, ngay tại trung tâm, sát với khu vực được mệnh danh là “Tam giác Vàng về Kinh doanh”, tiếp giáp với khuôn viên của một trường đại học và hai khu dân cư, dễ dàng tiếp cận bằng nhiều loại hình giao thông và hoàn hảo về tiện ích đô thị. Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ đóng tại tầng 5 và tầng 6 của tòa nhà 10 tầng, được thiết kế đơn giản về mặt bằng và hình khối. Các tầng còn lại dành cho các đơn vị khác thuê làm văn phòng.

Hiệu quả năng lượng

  • Hiệu quả năng lượng là đặc tính nổi trội của tòa nhà, được biểu hiện trước hết trong bản thiết kế đảm bảo ánh sáng tự nhiên tốt nhất có thể cho các không gian làm việc của nhân viên. Tỷ lệ không gian được chiếu sáng tự nhiên đầy đủ là 90% diện tích sàn. Ánh sáng nhân tạo cũng được chú trọng và được điều khiển bằng hệ thống quản lý chiếu sáng công nghệ số DLMS (Digital Lighting Management System), có cả các thiết bị cảm biến để giúp điều chỉnh ánh sáng ở chế độ tối ưu theo điều kiện thực tế. Khi không có nhân viên, đèn tự động được tắt mấy giây sau khi người cuối cùng rời khỏi phòng. So với các công trình cùng thể loại và cùng quy mô, Trụ sở Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ tiết kiệm 35% điện năng dành cho việc chiếu sáng. Thêm vào đó, 90% thiết bị điện được lắp đặt trong công trình được chứng thực đạt tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng bởi các cơ quan chuyên môn. Kết quả chung cuộc, công trình giảm 50% năng lượng sử dụng so với công trình cùng thể loại và cùng quy mô tại vùng Đông Bắc Hoa Kỳ.
  • Hệ vách kính lắp bên ngoài là kính có hiệu quả năng lượng (low-e).
  • Năng lượng tái tạo được khai thác tại chỗ kết hợp với các trạm phát trong phạm vi gần, cung cấp 100% nhu cầu sử dụng nước ấm và 100% nhu cầu tiêu dùng điện năng khác trong công trình.
  • Công trình tận dụng 75% lượng phế thải xây dựng, 30% vật liệu sử dụng trong toàn bộ công trình được tái chế từ vật liệu cũ, riêng hệ thống tấm lợp mái bằng nhôm tỷ lệ này lên tới 90% nên tiết kiệm năng lượng ở dạng năng lượng hàm chứa (embodied energy).
  • Toàn bộ diện tích mái được phủ thực vật để hoàn trả lại diện tích xanh của đô thị đã được sử dụng để xây dựng công trình đồng thời giảm hấp thụ nhiệt về mùa hè, có nghĩa là nhu cầu làm mát không quá cao và sẽ tiết kiệm đáng kể năng lượng cho mục đích này.
  • Nước được sử dụng để làm mát kết hợp tạo cảnh quan cho không gian bên trong dưới dạng thác nước chảy với lưu lượng chậm từ trên xuống bên trong vách kính hai lớp bao bọc khoảng thông tầng.

Mức điểm mà công trình đạt được qua việc đánh giá theo hệ thống LEED Hoa Kỳ

Tiêu chí chính Điểm Tiêu chí phụ liên quan đến năng lượng Điểm
Địa điểm bền vững 19/21 Tận dụng hướng nắng và hướng gió tố 3/5
Mật độ xây dựng phù hợp, khoảng cách đến các công trình lân cận đảm bảo 6/6
Hiệu quả năng lượng và môi trường 36/37 Tối ưu hóa hiệu năng về chiếu sáng 5/5
Tối ưu hóa điều khiển ánh sáng 2/3
Hiệu quả của hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) 10/10
Lắp đặt thiết bị hiệu quả năng lượng 4/4
Công tác đo đạc, thẩm định năng lượng 5/5
Khai thác năng lượng tái tạo 5/5
Hiệu quả sử dụng nước 11/11
Sử dụng vật liệu và tài nguyên 8/14 Sử dụng vật liệu tái chế 2/2
Sử dụng vật liệu địa phương 2/2
Đạt chứng nhận gỗ khai thác bền vững 1/1
Quản lý, xử lý phế thải xây dựng không tiêu tốn năng lượng (san lấp nền đất) 2/2
Chất lượng môi trường trong nhà 11/17 Hệ thống thông gió nhân tạo hiệu quả 1/1
Sự giám sát hiệu quả hệ thống thông gió 1/1
Sự giám sát hiệu quả hệ thống chiếu sáng 1/1
Tiện nghi nhiệt đáp ứng chuẩn thiết kế 1/1
Tiện nghi nhiệt đáp ứng chuẩn vận hành 1/1
Chiếu sáng tự nhiên và tầm nhìn tốt 1/2
Sự tiên

tiến, hiện đại và quá trình thiết kế

6/6
Sự ưu tiên sử dụng các yếu tố mang tính khu vực 3/4
Tổng số

 

94/110 Đạt Chứng nhận Bạch kim >=80/110

(Nguồn: Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ, www.usgbc.org)

Phối cảnh công trình (Nguồn: www.usgbc.org)
Mặt bằng tầng điển hình (Nguồn: www.usgbc.org)
Sơ đồ bố trí không gian nội thất góc công trình (Nguồn: www.usgbc.org)
Không gian tràn ngập ánh sáng tự nhiên (Nguồn: www.usgbc.org)
Hệ thống chiếu sáng nhân tạo cảm biến (Nguồn: www.usgbc.org)
Tiện nghi nhiệt tối đa bên trong công trình (Nguồn: www.usgbc.org)

Nhà ở Kingspan Lighthouse ở Watford, Hertfordshire (Vương Quốc Anh)

Thông tin dự án

  • Chủ đầu tư dự án: Kingspan Metl-Construction
  • Đơn vị quản lí trực tiếp: Building Research Establishment
  • Địa điểm dự án: Innovation Park, Watford, Hertfordshire, Vương quốc Anh
  • Tính chất xây dựng: Công trình xây mới 100%
  • Vùng khí hậu: Ôn đới
  • Thiết kế kiến trúc: Hãng Sheppard Robson (London)
  • Thời điểm hoàn thiện: 2007
  • Diện tích khu đất: 85m2
  • Số tầng cao: 2,5 tầng
  • Tổng diện tích sàn: 93m2

Mô tả công trình

Các kiến trúc sư khi thiết kế đã đặt tên cho ngôi nhà này là Lighthouse (Ngọn Hải đăng), hàm ý rằng đây là một ví dụ tiêu biểu mang tính chất dẫn đường cho những ngôi nhà hiện tại và tương lai tại Anh Quốc cần được tạo lập trên cơ sở hiệu quả cả về ngôn ngữ kiến trúc lẫn năng lượng. Lấy cảm hứng từ ánh sáng, gió và những đặc trưng về kiến trúc của khu vực, các kiến trúc sư lựa chọn hình khối vừa hiện đại, vừa gợi nhớ hình ảnh các kho lúa mỳ truyền thống với mái dốc và tầng xép. Nhìn tổng thể, công trình toát lên ý tưởng về kiến trúc hiệu quả năng lượng theo hướng công nghệ cao, vì được đặt trong một quần thể các công trình tương tự – có mức phát thải carbon thấp – thuộc dự án xây dựng một khu nghiên cứu khoa học quy mô lớn và hiện đại bậc nhất của Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng (BRE), một trong những tổ chức nghiên cứu lớn mạnh hàng đầu của Vương quốc Anh. Qua công trình mang tính thử nghiệm này, các nhà nghiên cứu kỳ vọng thiết lập một tiêu chuẩn mới về tính hiệu quả năng lượng nói riêng và bền vững nói chung cho ngành xây dựng.

Ngôi nhà bao gồm hai phòng ngủ sử dụng chung một khu vệ sinh ở tầng một, một phòng khách và một khu bếp nấu + phòng ăn trên tầng hai, một cầu thang bộ và một số không gian phụ trợ nhỏ ở mỗi tầng. Bên dưới mái được bố trí một gác lửng để cất đồ và sử dụng một phần cho mục đích vận hành hệ thống kỹ thuật điện – năng lượng của công trình. Với cơ cấu phòng chức năng như vậy, ngôi nhà hoàn toàn thích hợp với một hộ gia đình điển hình ở Anh có 3 – 4 nhân khẩu gồm bố mẹ và một đến hai con nhỏ trong độ tuổi đi nhà trẻ hoặc đến trường.

Hiệu quả năng lượng

Năm 2008, chỉ sau một năm đi vào vận hành, công trình đã đạt cấp độ 6 về tiết kiệm năng lượng, tức là mức cao nhất có thể đạt được theo hệ thống đánh giá công trình xanh của Vương quốc Anh lúc đó ở dạng đề xuất. Năm 2016, tiêu chuẩn này mới được công bố và chính thức áp dụng. Như vậy, công trình đã thực sự đi trước thời đại tám năm. Đây cũng là công trình đầu tiên tại Vương quốc Anh được công nhận đạt mức “trung hòa năng lượng” (zero-energy).

  • Trục chính (trục dài) của công trình đặt theo hướng Đông – Tây, mái nhà dốc một phía, nghiêng góc 40o quay về hướng chính Nam là hướng chuẩn về năng lượng. Trên mái có lắp các tấm pin năng lượng mặt trời với diện tích 46 m2 cung cấp gần 3.000 kWh điện/năm cho công trình và hai giàn thu năng lượng mặt trời (2 m2/giàn) đáp ứng toàn bộ nhu cầu nước ấm.
  • Các phòng chức năng được thiết kế vừa tối ưu lại vừa đủ, không có không gian và diện tích thừa, góp phần tiết kiệm năng lượng cho việc sưởi ấm và làm mát.
  • Ánh sáng mặt trời và thông gió tự nhiên được đảm bảo qua hệ cửa kính. Cửa kính là loại cửa ba lớp kính với hai lớp chân không, cách nhiệt rất hiệu quả với giá trị truyền nhiệt (U-value) là 0,7 W/m2K. Ống thông gió thẳng đứng kiêm đường dẫn sáng, cùng với các ô cửa mái lấy thêm ánh sáng tán xạ từ trên xuống cho các không gian tầng hai và gác lửng. Ống thẳng đứng vươn cao này có tác dụng nhấn mạnh diện tường cao vượt trội của hướng Bắc so với ba hướng còn lại. Cầu thang để khoảng hở giữa các tấm bậc, giúp ánh sáng có thể đi qua, len lỏi vào bên trong chứ không chắn sáng tạo thành khoảng tối ở lõi như nhiều công trình nhà ở khác.
  • Các kết cấu che nắng bao gồm mái đua ở hướng Nam, các tấm chắn nắng lớn được ghép từ nhiều thanh gỗ nhỏ với mật độ dày có thể điều khiển đóng – mở trượt trên hệ ray cho cửa sổ hướng Tây.
  • Tường được chèn lớp cách nhiệt khá dày để giảm thiểu tổn thất nhiệt về mùa đông. Giá trị truyền nhiệt của lớp vỏ công trình là 0,11 W/m2K (rất thấp).
  • Hệ thống năng lượng bị động hoạt động vừa độc lập, vừa kết hợp với hệ thống năng lượng chủ động để đáp ứng tốt nhất nhu cầu thực tế có thể biến thiên với biên độ rộng, tùy thuộc điều kiện thời tiết cụ thể, khiến ngôi nhà hoàn toàn chủ động về năng lượng.
  • Mức độ sử dụng năng lượng của ngôi nhà là 83 kWh/m2năm (sưởi ấm là 19 kWh/m2năm – gần với mức quy định cho Nhà ở Thụ động của CHLB Đức) và chi phí cho năng lượng vận hành ngôi nhà ở mức 31 bảng Anh/năm so với 500 bảng Anh cho một căn nhà thông thường cùng quy mô diện tích.
  • Mức độ phát thải CO2 của Kingspan Lighthouse được tính toán ở mức 45 kg/năm, so với mức phát thải trung bình 26.000 kg CO2/năm/hộ gia đình tại Anh thì đây là một thành tựu vượt trội (theo Angela Druckman và Tim Jackson, 2010).
  • Ngoại trừ các ô cửa đi và cửa sổ, toàn bộ hệ thống tường cấu tạo từ vật liệu gỗ tái chế được sản xuất theo phương pháp công nghiệp, có năng lượng hàm chứa thấp.
Mặt bằng tầng 1 (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Mặt bằng tầng 2 (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Mặt bằng gác lửng (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Mặt bằng mái (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Phối cảnh công trình (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Sơ đồ nguyên lí thông gió ngày và đêm (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Sơ đồ nguyên lí năng lượng trong công trình (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Mái nhà có lắp thiết bị thu năng lượng mặt trời (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Ánh sáng tự nhiên phân bố đều trong nhà (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)
Sơ đồ ống thông gió kết hợp lấy sáng (Nguồn: Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh www.bre.org.uk)

Tòa nhà BIQ (Bio Intelligent Quotient) ở Hamburg (CHLB Đức)

Thông tin dự án

  • Chủ đầu tư dự án: Otto Wulff Bauunternehmung/Strategic Science Consultant GmbH, Hamburg
  • Đơn vị quản lí trực tiếp: Triển lãm Xây dựng Quốc tế International Building Exhibition (IBA)
  • Địa điểm: Am Inselpark 17, 21109 Hamburg, CHLB Đức
  • Tính chất xây dựng: Công trình xây mới 100%
  • Vùng khí hậu: Ôn đới
  • Thiết kế kiến trúc: Splitterwerk Architekten (Graz – Áo)
  • Thời gian xây dựng: 15 tháng
  • Thời điểm hoàn thiện: 2013
  • Kinh phí xây dựng: 4,5 triệu Euro
  • Diện tích khu đất: 840m2
  • Số tầng cao: 5 tầng
  • Tổng diện tích sàn: 1.350m2

Mô tả công trình

Công trình được thiết kế trên tinh thần “Tự nhiên – Hiệu quả – Độc đáo”. CHLB Đức nổi tiếng là quốc gia đi đầu trong công nghệ mới nói chung và công nghệ năng lượng trong công trình xây dựng nói tiêng. Tòa nhà BIQ tại thành phố Hamburg miền Bắc nước Đức có thể coi là một ví dụ điển hình minh chứng cho điều này vì được biết đến là công trình thể nghiệm đầu tiên trên thế giới với mặt đứng có khả năng tương tác quang sinh học (photo/bioreactor façade) sản sinh ra năng lượng, cho thấy một hình ảnh thú vị trong tương lai và gợi mở một hướng đi mới cho thiết kế đô thị, khi năng lượng và sinh học được tích hợp nhiều hơn và gắn bó hữu cơ hơn với cuộc sống của con người.

Về cấu trúc mặt bằng, BIQ tương tự như nhiều tòa nhà văn phòng quy mô nhỏ khác ở các thành phố của CHLB Đức với mặt bằng vuông vức và cách bố trí không gian duy lý chặt chẽ và thiết kế logic, gồm 15 văn phòng theo kiểu căn hộ khép kín, diện tích 50 m2 (loại nhỏ) và 120 m2 (loại trung bình), có thể cho thuê, vừa làm việc vừa sinh hoạt. Điểm khiến công trình đặc biệt, khác biệt so với tất cả các công trình có mặt đứng phủ xanh bằng thực vật khác, là công nghệ cấy vi tảo lục vào tấm kính của lớp vỏ bao che, sản sinh và cung cấp năng lượng trực tiếp cho công trình, bổ sung thêm bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo khác.

Nhóm thiết kế kiến trúc và kỹ thuật của BIQ được trao ba giải thưởng lớn về ý tưởng đột phá và sự xuất sắc về hiệu năng cũng như tiên tiến về công nghệ môi trường của CHLB Đức trong hai năm 2013 và 2014.

Hiệu quả năng lượng

  • Loại tảo lục được các nhà khoa học Đức nuôi cấy thành công trong trường hợp này hiệu quả cao gấp năm lần so với các nguồn năng lượng sinh khối (biomass) khác trên cùng một đơn vị diện tích và trong cùng một điều kiện chiếu sáng. Vi tảo lục sau khi qua khâu kiểm tra về tình trạng sinh trưởng nếu đạt yêu cầu sẽ được cấy vào giữa hai lớp kính phủ ngoài trên hai mặt đứng chính quay về hướng Đông Nam và Tây Nam, mỗi hướng có diện tích mặt kính hơn 120 m2. Tổng số có 129 đơn vị tấm kính cấy tảo được lắp đặt, kích thước một tấm chuẩn là 270 cm x 70 cm x 8 cm. Lớp tảo này phát triển mạnh trong môi trường giữa hai lớp kính nhờ chất dinh dưỡng và CO2 cho tảo sinh trưởng được bơm đầy đủ và liên tục qua một hệ thống ống dẫn siêu nhỏ gắn bên trong tấm kính. Khi vi tảo lục quang hợp, loài thực vật này sản sinh ra khá nhiều năng lượng, tổng số khoảng 7.300 kWh/năm, bình quân 30 kWh/m2 bề mặt trong một năm, đóng góp 4,2% vào tổng năng lượng tiêu thụ. Lớp tảo này cũng kiểm soát lượng ánh sáng mặt trời rọi vào phòng. Hệ thống cung cấp năng lượng này giảm phát thải CO2 ở mức 6 tấn/năm.
  • Ngoài năng lượng sinh khối, các nguồn năng lượng tái tạo khác được khai thác nhằm đáp ứng hoàn toàn nhu cầu tiêu thụ năng lượng của tòa nhà, gồm năng lượng mặt trời (từ các tấm pin năng lượng mặt trời đặt trên mái), năng lượng địa nhiệt (lỗ khoan sâu 80 m xuống lòng đất ngay bên cạnh để sưởi ấm theo hệ thống ống đi ngầm sàn) và năng lượng gió (từ các trạm điện gió dọc biển Bắc). Đây cũng là một trong số những ví dụ hiếm hoi trên thế giới khi một công trình khai thác hiệu quả cùng một lúc bốn nguồn năng lượng tái tạo.
  • Lớp kính bọc ngoài trên hai hướng Tây Nam và Đông Nam ngoài nhiệm vụ cung cấp năng lượng còn hạn chế tiếng ồn và bức xạ mặt trời, góp phần duy trì trạng thái vi khí hậu tiện nghi trong phòng, đồng thời đảm bảo tầm nhìn tốt từ trong ra ngoài, nhất là các tầng bên trên có thể trông sang khu công viên đối diện. Trong khi đó hai diện tường hướng Tây Bắc và Đông Bắc được xử lý cách nhiệt tốt, kể cả diện cửa kính lấy sáng, nhằm hạn chế tổn thất nhiệt vào mùa đông.
Mặt bằng tầng điển hình của công trình (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Mặt cắt công trình (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Mặt đứng với các tấm năng lượng vi tảo lục (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)

 

Mặt đứng sau khi hoàn thiện xây lắp (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Phối cảnh công trình (hướng Nam) (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Phối cảnh công trình (hướng Bắc) (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Tấm năng lượng có lớp vi tảo lục bên trong (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)
Sơ đồ chu trình năng lượng sinh khối (biomass) (Nguồn: www.iba-hamburg.de và www.inhabitat.com)

Tòa tháp văn phòng Elithis ở Dijon (Pháp)

Thông tin dự án

  • Chủ đầu tư dự án: Tập đoàn Elithis
  • Đơn vị quản lí trực tiếp: Tập đoàn Elithis
  • Địa điểm: 1 C Boulevard de Champagne, 21000 Dijon, France
  • Tính chất xây dựng: Công trình xây mới 100%
  • Vùng khí hậu: Ôn đới
  • Thiết kế kiến trúc: Arte Charpentier Architectes (Paris)
  • Thời gian xây dựng: 16 tháng
  • Thời điểm hoàn thiện: 2009
  • Kinh phí xây dựng: 7 triệu Euro
  • Diện tích khu đất: 11.000m2
  • Số tầng cao: 10 tầng
  • Tổng diện tích sàn: 5000m2

Mô tả công trình

Tòa tháp văn phòng 10 tầng (kể cả 1 tầng kỹ thuật) với chiều cao 33,5 m được khánh thành đầu tháng 4 năm 2009 tại trung tâm thành phố Dijon là một thiết kế xuất sắc về kiến trúc thân thiện với môi trường của Hãng Arte Charpentier có trụ sở tại Paris, song ý tưởng lại được khởi xướng bởi Thierry Bievre – Tổng Giám đốc của Tập đoàn Tư vấn Xây dựng Elithis.

Công trình đáp ứng được những tiêu chuẩn cao nhất của Liên minh Châu Âu về tính bền vững nói chung và tính hiệu quả năng lượng nói riêng. Tuy nhiên, chi phí xây dựng chỉ là 7 triêu euro, tương đương với các công trình văn phòng khác cùng thể loại và cùng quy mô. Do vậy, lập luận cho rằng đầu tư vào công trình xanh, công trình hiệu năng cao tốn kém hơn nhiều so với công trình thông thường đã được chứng minh là không đúng trong trường hợp này. Các kiến trúc sư của hãng Arte Charpentier đã cho thấy rõ hiệu năng của công trình hoàn toàn không phụ thuộc vào mức đầu tư mà chìa khóa của vấn đề và yếu tố tạo nên sự khác biệt chính là khâu thiết kế: thận trọng, thông minh và tìm kiếm sự tối ưu – hoàn hảo trong ý tưởng.

Hiệu quả năng lượng

Đối với nhiều kiến trúc sư thiết kế bền vững, việc đạt mức độ “trung hòa năng lượng” (zero-energy) cho công trình đã là một nhiệm vụ không hề dễ dàng. Nhưng nhóm dự án Elithis Dijon của Arte Charpentier còn làm được nhiều hơn thế. Đây là công trình văn phòng đầu tiên trên thế giới đạt mức “phụ trội năng lượng” (plus-energy) – tiêu chuẩn cao hơn zero-energy một bậc – tức là năng lượng mà công trình sản xuất ra từ các nguồn năng lượng tái tạo nhiều hơn nhu cầu tiêu thụ năng lượng của công trình đó đã được đưa về mức hợp lý (tối thiểu song vẫn đảm bảo hiệu quả sử dụng) chủ yếu nhờ các giải pháp thiết kế sáng tạo.

  • Mức phát thải CO2 của Elithis Dijon chỉ bằng 1/6 so với các công trình văn phòng tương đương về quy mô được thiết kế theo cách thức thông thường.
  • Mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp (primary energy consumption) của công trình cũng được giữ ở mức rất thấp: 21 kWh/m2năm.
  • Diện tích và khối tích công trình được tính toán vừa đủ, trên quan điểm hình khối gọn (compact built form) nhằm giảm thiểu năng lượng không cần thiết cho việc sưởi ấm và làm mát những không gian thừa.
  • Nguyên tắc thiết kế thụ động (tận dụng ánh sáng tự nhiên quanh năm, chống chói, khai thác tối đa nhiệt ấm về mùa đông và giảm thiểu thu nhiệt nóng về mùa hè) được áp dụng triệt để trong toàn bộ công trình. Lượng nhiệt năng thừa từ các thiết bị điện tử và hoạt động của con người sinh ra được thu hồi và tích hợp vào hệ thống để phục vụ việc sưởi ấm hoặc sấy khô.
  • Nhiệt độ phòng luôn được duy trì ở mức 21oC quanh năm, đảm bảo tiện nghi nhiệt cho người sử dụng để tạo cảm giác thoải mái, đạt hiệu suất công việc cao.
  • Công trình khai thác năng lượng mặt trời với 330 tấm pin năng lượng mặt trời công suất cao (tối đa 82 kW) lắp trên mái, với diện tích 560 m2, cung cấp khoảng 84.000 kWh điện/năm.
  • Lớp vỏ bao che từ hướng Đông Bắc đến Tây Bắc được lắp một lớp màn chắn tia bức xạ mặt trời dạng lưới mắt cáo, chắn hoàn toàn các tia bức xạ mặt trời nhưng vẫn cho phép ánh sáng và không khí sạch đi qua.
  • Lớp kính phía sau lưới chắn bức xạ nói trên và lộ diện hoàn toàn trên hướng Tây Bắc đến Đông Bắc là kính tiết kiệm năng lượng (low-e) với hai lớp kính tạo khoảng rỗng ở giữa được bơm đầy khí argon (một loại khí trơ, gần như không dẫn nhiệt). Tỷ lệ mở các ô kính trên mặt đứng công trình tối đa là 75% những lúc thời tiết thuận lợi, tạo điều kiện cho thông gió tự nhiên. Tỷ lệ thời gian không cần thông gió nhân tạo lên tới 85%.
  • Toàn bộ các bộ phận cấu tạo nên lớp vỏ có giá trị truyền nhiệt (U-value) thấp, đáp ứng yêu cầu rất khắt khe của các kỹ sư năng lượng đặt ra cho công trình phụ trội năng lượng: cửa sổ kính 1,1 W/m2K, tường ngoài 0,32 W/m2K, sàn tầng hầm 0,39 W/m2K và mái 0,22 W/m2K.
  • Các phương án sưởi ấm, làm mát và thông gió được kiểm chứng tính tối ưu trên mô hình mô phỏng trong quá trình thiết kế để lựa chọn giải pháp tốt nhất và phù hợp nhất. Trong đó hệ thống thông gió cơ khí với 32 cửa lấy khí sạch bố trí đều xung quanh đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia của Pháp khi cung cấp 25 m3 không khí sạch cho một người trong một giờ.
  • Tính tối ưu về năng lượng và các thông số thể hiện sự tối ưu đó được hiển thị qua màn hình được đặt ở từng tầng, thu thập và xử lý số liệu cung cấp bởi hệ thống 1.600 thiết bị cảm biến năng lượng và phát thải CO2 được lắp đặt rộng khắp trong tòa nhà.
Mặt bằng tầng hầm, mặt bằng tầng 1, mặt bằng tầng điển hình và mặt cắt công trình (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Phối cảnh công trình (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Các tấm pin năng lượng mặt trời trên mái (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Lớp vỏ công trình hướng Tây Nam – Đông Nam (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Lớp vỏ công trình hướng Tây Bắc – Đông Bắc (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Hệ mảng bao che chống bức xạ khi khép kín (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Hệ mảng bao che chống bức xạ khi mở (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Sơ đồ phân tích thông gió bên trong công trình (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)
Ống dẫn được bảo ôn để giảm thiểu tổn thất nhiệt (Nguồn: www.asrc.fr, www.eduscol.education.fr, www.arte-charpentier.com và www.elithis.fr)

(Còn tiếp)

Tài liệu tham khảo

[1] Hội đồng Công trình Xanh Canada (2013) www.leed.cagbc.org/LEED/projectprofile_EN.aspx

[2] Đại học Waterloo, Ontario, Canada (2012), www.uwaterloo.ca/news/news/university-waterloos-environment-3-building-earns-leed-platinum-certification; www.uwaterloo.ca/environment/about-environment/leedr-platinum-environment-3-ev3

[3] Hiệp hội Kiến trúc sư vùng Ontario, Canada, www.oaa.on.ca/professional%20resources/sustainable%20design/case-studies-details/University-of-Waterloo-Environment-3-Building-/27

[4] Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ, www.usgbc.org/projects/usgbc-headquarters?view=overview

[5] Mary Guzowski (2010), Towards Zero-energy Architecture, Laurence King Publishing Co. Ltd, United Kingdom, trang 31 – 47

[6] Công ty Kiến trúc Sheppard Robson, www.sheppardrobson.com/architecture/view/lighthouse

[7] Cổng Thông tin Hiệu quả Năng lượng trong Công trình Xây dựng tại Châu Âu, www.buildup.eu/sites/default/files/lighthouse01.jpg

[8] Cơ quan Nghiên cứu Công trình Xây dựng Vương Quốc Anh, www.bre.co.uk/filelibrary/images/header/lighthouse-roof-header.jpg

[9] Cơ sở Dữ liệu Kiến trúc Sử dụng Năng lượng Mặt trời, www.solaripedia.com/13/154/1416/lighthouse_zero_energy_home_main_floor_plan.html

[10] Angela Druckman & Tim Jackson (2010), An exploration into the carbon footprint of UK households, University of Surrey, trang 4

[11] Trung tâm Triển lãm Xây dựng Quốc tế Hamburg (IBA), CHLB Đức, www.iba-hamburg.de/en/themes-projects/the-building-exhibition-within-the-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq-1.html

[12] Tập đoàn Arup, www.research.arup.com/projects/bioreactive-facade-cultivating-algae-for-energy/

[13] Cổng Thông tin Hiệu quả Năng lượng trong Công trình Xây dựng tại Châu Âu, www.buildup.eu/en/practices/cases/biq-house-first-algae-powered-building-world

[14] Oscar Hernandez, (2011) REHVA Journal, Federation of European Heating, Ventilation and Air-Conditioning, May 2011, trang 53 – 57

[15] Trang thông tin Nghiên cứu các vấn đề định cư thế giới, www.inhabitat.com/elithis-tower-the-first-energy-positive-office-building/

[16] Cổng Thông tin Hiệu quả Năng lượng trong Công trình Xây dựng tại Châu Âu, www.buildup.eu/en/practices/cases/elithis-tower-energy-positive-office-building

[17] Association des Structures de Recherche sous Contrat de la France, www.asrc.fr/fr/ace-modelise-ecoulements-air-batiment/

[18] Portail National de Ressources en Sciences et Techniques Industrielles de la France (Éduscol), www.eduscol.education.fr/sti/concours_examens/epreuve-dadmissibilite-capet-externe-2013-sciences-industrielles-de-lingenieur-4

[19] Arte Charpentier Architectes, www.arte-charpentier.com/fr/projet/tour-elithis/

[20] Elithis France, www.elithis.fr/en/realisation/tour-elithis/

KTS Nguyễn Quang Minh

Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Đại học Xây dựng