Trong báo cáo đánh giá của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu, một phần ba việc phát thải toàn cầu trong năm 2002 – là từ năng lượng sử dụng của các tòa nhà. Điều đó cho thấy giới thiết kế kiến trúc cần đặc biệt lưu ý đến khả năng tiết kiệm năng lượng của các công trình trong tương lai.

1. Vấn đề và sự cấp thiết của nghiên cứu công trình kiến trúc dưới tác động của biến đổi khí hậu

Nhiều năm gần đây, các hiện tượng biến đổi khí hậu (BĐKH) gây ra bởi sự ấm lên toàn cầu như mực nước biển dâng và thiên tai gia tăng ngày càng mạnh mẽ đã tác động nghiêm trọng đến đời sống con người. Trong báo cáo đánh giá lần thứ tư của IPCC (Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu), ước tính 7.85 Gt CO2 – chiếm 33% hay một phần ba việc phát thải toàn cầu trong năm 2002 – là từ năng lượng sử dụng của các tòa nhà. Năng lượng tiêu thụ trong các tòa nhà trong vùng nhiệt đới sẽ tăng lên vì lý do sự ấm lên toàn cầu sẽ làm gia tăng nhu cầu làm lạnh [1]. Việt Nam bị ảnh hưởng mạnh bởi tác động của biến đổi khí hậu, thực tế này đe dọa những nỗ lực tăng trưởng kinh tế bền vững trong dài hạn. Ở Việt Nam, 38.08% (6.2/16.28 Mtoe, số liệu IEA 2018) sản lượng điện dùng cho tiện nghi nhà ở và thương mại, nhu cầu tiêu thụ năng lượng của Việt Nam dự báo sẽ tăng 12% mỗi năm trong tương lai và Việt Nam được dự báo sẽ trở thành nước nhập khẩu mạnh về năng lượng. Vì thế sử dụng hiệu quả năng lượng là rất quan trọng. Làn sóng nhiệt cao trong mùa hè 2003 tại Châu Âu là nguyên nhân của 70.000 cái chết liên quan đến sốc nhiệt, việc mất điện do nhu cầu tiêu thụ gia tăng tại đây đã đẩy hàng nghìn tòa nhà vào tình trạng không sử dụng được thiết bị làm lạnh, điều có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến người già, trẻ em và người bệnh kinh niên [2]. Các tòa nhà xây dựng hiện có và sắp được xây mới dự đoán sẽ phải đối mặt với thời tiết trong tương lai ngày càng trở nên khắc nghiệt hơn so với các tiêu chuẩn thiết kế hiện tại. Như là một hệ quả, nhà thiết kế cần được trang bị những phương pháp cho phép họ kiểm tra thiết kế của mình dưới điều kiện thời tiết khí hậu trong tương lai. Vậy việc đánh giá sự tác động của biến đổi khí hậu vào các công trình xây dựng là hết sức cấp thiết.

Khí hậu tương lai đã được dự báo có nhiều diễn biến phức tạp. Theo các kịch bản biến đổi khí hậu được đề xuất bởi IPCC [3, 4], 4 họ kịch bản được đề cập năm 2007 là A1, A2, B1 và B2 và năm 2014 là RCP2.0, RCP4.5, RCP6.5 và RCP8.5. Trong đó, kịch bản A2 là kịch bản có mức tăng nhiệt độ lớn nhất, diễn ra nếu không có nỗ lực nào làm giảm phát thải nhà kính. Nghiên cứu này chọn kịch bản A2 và RCP 8.5 để nghiên cứu, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu ở kịch bản nghiêm trọng. Trong nghiên cứu này, khí hậu toàn cầu trong trung hạn (2050) và trong dài hạn (2080) được dự báo bởi mô hình khí hậu tổng quát HadCM3 của IPCC. Khí hậu tại Việt Nam được nội suy (trong các tài liệu khoa học quốc tế gọi là downscale) từ kết quả của mô hình HadCM3 và ứng dụng phương pháp biến hình (morphing method) của Jentsch và cộng sự [5,6]. Các tập tin thời tiết của TP Hà Nội, TP Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh trong tương lai (2050 – 2080) được khởi tạo bởi công cụ CCworldWeatherGen (có tích hợp mô hình HadCM3 và phương pháp biến hình, kịch bản biến đổi khí hậu A2) và công cụ WeatherShift (có tích hợp 14 mô hình Khí hậu toàn cầu và phương pháp biến hình, kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và 8.5); đáp ứng yêu cầu tính toán hàng giờ của việc mô phỏng năng lượng.

Chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình tòa nhà cho mô phỏng năng lượng và tiến hành kê khai số liệu đầu vào cho tòa nhà bằng phần mềm EnergyPlus (xem Hình 1). Công trình được chúng tôi chọn nghiên cứu là toà nhà văn phòng vì sự phổ biến của chúng.

Hình 1. Tiến trình xây dựng mô hình công trình cho mô phỏng năng lượng bằng phần mềm OpenStudio

Các tính toán mô phỏng năng lượng mô hình tòa nhà được thực hiện bằng chương trình EnergyPlus phiên bản 8.8.0, là chương trình phổ biến nhất để mô phỏng năng lượng tòa nhà [7]. Mô hình tòa nhà cơ bản được thiết lập dựa trên nguyên mẫu của một tòa nhà văn phòng tại Hà Nội, đó là toà tháp Plaschem, là tòa nhà văn phòng hạng A điển hình, cao 17 tầng và một tầng hầm với tổng diện tích sàn là 17.760 m2. Tòa nhà được xây dựng vào năm 2009, có sức chứa khoảng 500 người. Để giảm tài nguyên và thời gian cho mỗi lần mô phỏng, 13 tầng điển hình của tháp Plaschem đã được thay thế bằng một tầng duy nhất trong mô hình năng lượng của EnergyPlus, với hệ số nhân là 13. Các tầng còn lại vẫn được lập mô hình như bình thường (xem Hình 2). Các tòa nhà xung quanh cũng được đưa vào mô hình năng lượng như các yếu tố che nắng.

Hình 2. Toà nhà Plaschem, mặt bằng và mô hình năng lượng của nó

2. Dự báo các thay đổi thời tiết trong tương lai

Các kết quả phân tích từ các mô hình khí hậu của chúng tôi cho thấy có sự biến đổi rất đáng kể của khí hậu trong tương lai, đặc biệt nghiêm trọng là trường hợp kịch bản xấu nhất. Hình 3 và 4 cho thấy mức độ gia tăng nhiệt độ trung bình hàng tháng trong các khoảng thời gian 2020s, 2050s, 2080s ở 3 địa phương khảo sát theo kịch bản A2. Mức tăng ở Hà Nội là 3.91%, 5.29%, 6.72%; trong khi đó tại Đà Nẵng là 3.5%, 4.63%, 5.95% và TP Hồ Chí Minh là 3.49%, 4.12%, 5.51%.

Hà Nội có sự gia tăng nhiệt độ trung bình cao nhất trong các giai đoạn ở tương lai so với các vùng khác. Hình 3 cho thấy nền nhiệt trung bình tháng TP Hồ Chí Minh cao nhất trong ba thành phố, tháng 4 là tháng nóng đỉnh điểm với nhiệt độ trung bình tháng có thể lên tới 33.6 °C và nhiệt độ tối đa trong ngày có thể lên đến 41.6 °C (vào ngày 17 tháng 3 giai đoạn 2080s).

Hình 3. Nhiệt độ không khí trung bình tháng qua các giai đoạn của ba thành phố tại Việt Nam
Hình 4. Nhiệt độ bầu khô và độ ẩm tương đối không khí

Hình 4 cho thấy nhiệt độ trung bình năm gia tăng từ 2.18 °C, 3.88 °C, trong khi đó độ ẩm tương đối có xu hướng giảm đi 2.91%, 4.36% tương ứng trong giai đoạn 2050s, 2080s của cả ba thành phố.

3. Hiệu suất của mô hình cơ sở và các biến thể của nó

Mức tăng tuyệt đối và tương đối trong mức tiêu thụ năng lượng hàng năm và thời kỳ quá nóng trung bình của mô hình cơ sở do biến đổi khí hậu được trình bày trong Hình 5 và báo cáo trong Bảng 1. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy mức tăng năng lượng dưới tác động của biến đổi khí hậu ở các vùng Đông Nam Á khá nhất quán, từ 7,2% đến 12,3%. Tuy nhiên, sự gia tăng trong giai đoạn quá nóng có sự chênh lệch lớn giữa các vùng khí hậu, cho thấy mức tăng cao ở Bangkok và Kuala Lumpur.

So với sự gia tăng tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia khác có khí hậu tương tự, chúng tôi thấy có một tương quan tốt. Theo đó, các cao ốc văn phòng có mức tăng khoảng 15,2% tại Florida, Mỹ (có đủ 4 kiểu khí hậu của 4 thành phố Đông Nam Á) vào năm 2089 [8]. Trong khi đó, theo Wan et al. [9] tại Hồng Kông, với khí hậu cận nhiệt đới, các tòa nhà văn phòng có mức tăng 6,6% trong khoảng 2091 – 2100 nếu áp dụng kịch bản biến đổi khí hậu B1 (tương đương với kịch bản RCP4.5). Một nghiên cứu khác [10] cho thấy mức tăng 7,9% (văn phòng cỡ trung bình) theo kịch bản A1F1 (tương tự như RCP8.5) vào năm 2050 cho khu vực Los Angeles. Các kết quả thống nhất ở trên cho phép chúng tôi xác nhận mức độ tăng trung bình đáng tin cậy, có thể để tham khảo bởi các nhà nghiên cứu khác.

Hình 5. Hiệu năng của mô hình cơ sở trong 3 khung thời gian (hình vuông: hiện tại; tam giác: trung hạn; hình tròn: dài hạn; RCP4.5: tuyến ngắn; RCP8.5: tuyến dài)

RCP4.5RCP4.5RCP8.5RCP8.5

2056 -20752080-20992056-20752080-2099
Năng lượng tiêu thụ hàng năm7.2%8.0%9.8%12.3%
Thời gian quá nhiệt216.8%254.8%354.9%488.6%

Bảng 1. Mức tăng tương đối trung bình của mức tiêu thụ năng lượng hàng năm và thời kỳ quá nóng của mô hình cơ sở do biến đổi khí hậu ở Đông Nam Á

Hình 6 cho thấy hiệu năng các công trình tham chiếu và công trình được tối ưu hoá dưới tác động của biến đổi khí hậu theo các kịch bản RCP 4.5 và 8.5 trong dài hạn. Các kết quả trong hình 6 cho thấy:

  • Biến đổi khí hậu tác động toàn diện đến tòa nhà: Không chỉ làm tăng tổng năng lượng tiêu thụ mà còn gây quá tải cho hệ thống làm mát đang chạy với công suất hiện tại. Do đó, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu cần xem xét đồng thời nhiều chỉ tiêu chứ không chỉ riêng về năng lượng.
  • Về tiết kiệm năng lượng và ngăn ngừa quá nhiệt, trong cùng điều kiện khí hậu, các công trình được tối ưu hoá cho thấy hiệu suất vượt trội hơn so với mô hình cơ sở và các biến thể của nó. Dù ở hiện tại hay tương lai thì tính ưu việt đó vẫn luôn được duy trì. Điều này cho thấy ý nghĩa to lớn của việc áp dụng phương pháp tối ưu hóa vào thiết kế và vận hành tòa nhà hiện nay.
  • Trong tương lai, dưới tác động của biến đổi khí hậu, không có giải pháp tối ưu nào có thể giúp duy trì cả mức tiêu thụ năng lượng và quá nhiệt ở mức hiện tại của tòa nhà cơ sở và hầu hết các biến thể của nó. Điều này cho thấy rằng cần có các biện pháp bổ sung để giúp các tòa nhà giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu trong tương lai, chẳng hạn như tích hợp các hệ thống năng lượng tái tạo. Sự gia tăng của quá nhiệt trong điều kiện biến đổi khí hậu cho thấy hệ thống làm mát của tòa nhà hiện tại có thể bị quá tải trong tương lai do tải trọng làm mát tăng lên.
  • Riêng về tiêu thụ năng lượng, trong giai đoạn trung hạn 2056 – 2075, một số giải pháp tối ưu có thể giúp duy trì tiêu thụ ở mức thấp nhất so với mức tiêu thụ cơ sở trong thời điểm hiện tại, ngay cả trong điều kiện kịch bản xấu nhất RCP8.5. Trong giai đoạn dài hạn 2080 – 2099, điều này vẫn đúng theo kịch bản phát thải trung bình RCP4.5. Tuy nhiên, với kịch bản phát thải cao RCP8.5, chỉ một số mô hình tối ưu của Bangkok có thể cân bằng tác động của biến đổi khí hậu đối với tiêu thụ năng lượng trong khi các trường hợp và mô hình còn lại thất bại.
Hình 6. Hiệu suất của tất cả các mô hình ở các vùng khí hậu khác nhau của Đông Nam Á dưới tác động của biến đổi khí hậu trong dài hạn

4. Giải pháp cơ bản nhằm hạn chế tối đa tác động của biến đổi khí hậu:

Các mô hình tối ưu hóa năng lượng ở các vùng khí hậu khác nhau của khu vực Đông Nam Á cho thấy các kết quả không giống nhau về giá trị của các thông số thiết kế. Bằng cách so sánh và thu thập các thông số đầu vào tối ưu tương đồng của 4 mô hình tối ưu hóa năng lượng tại các vùng khí hậu, chúng tôi đề xuất một số quy tắc thiết kế nhất quán cần được ưu tiên cho toàn khu vực như sau:

  • Giảm thiểu sự hấp thụ năng lượng mặt trời của tường và mái bên ngoài;
  • Giảm thiểu sự truyền năng lượng mặt trời của các mặt tiền lắp kính;
  • Giảm thiểu sự tăng nhiệt bên trong: hệ thống chiếu sáng, thiết bị …;
  • Giảm thiểu rò rỉ không khí trong – ngoài qua các khe hở của tòa nhà;
  • Tổ chức thông gió ban đêm bằng quạt quanh năm;

Đối với từng vùng khí hậu riêng biệt, có thể cần có thêm một số giải pháp đặc thù mang tính địa phương nhằm thích ứng tốt hơn với biến đổi khí hậu.

5. Kết luận

Biến đổi khí hậu đã và đang có nhiều tác động mạnh mẽ trên bình diện toàn cầu. Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu. Qua các nghiên cứu của chúng tôi, có thể thấy trong tương lai trung và dài hạn, khí hậu sẽ thay đổi theo hướng nóng lên rất nhiều. Điều này có tác động nghiêm trọng đến mức tiêu thụ năng lượng và tiện nghi nhiệt bên trong công trình. Kết quả nghiên cứu này cho thấy mức tăng năng lượng dưới tác động của biến đổi khí hậu ở các khu vực Đông Nam Á khá nhất quán, từ 7,2% đến 12,3%, cùng với thời gian quá nóng kéo dài hơn đáng kể, đặc biệt là ở Bangkok và Kuala Lumpur. Thời gian quá nóng lâu hơn có thể làm quá tải hệ thống làm mát của tòa nhà đang chạy ở công suất hiện tại. Những kết quả này khá phù hợp với các nghiên cứu khác.

Điều đó cho thấy giới thiết kế kiến trúc cần đặc biệt lưu ý đến khả năng tiết kiệm năng lượng của công trình trong tương lai. Chúng ta đang rất cần một cuộc cách mạng về tư duy thiết kế, đặc biệt chú ý đến các chiến lược thiết kế phù hợp với khí hậu và bản sắc địa phương. Một khi thiết kế sinh khí hậu được tuân thủ, các tòa nhà được tạo ra có thể thích ứng với biến đổi khí hậu một cách hiệu quả và việc tối ưu hóa tòa nhà sẽ dẫn đến cải thiện hiệu suất lớn hơn nhiều.

ThS. KTS. Trần Anh Tuấn – Công ty Tư vấn Thiết kế và Xây dựng Harmony

PGS. TS. KTS. Nguyễn Anh Tuấn – Trưởng Khoa Kiến trúc, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tài liệu tham khảo

[1] S. L. Wong, K. K. Wan, D. H. Li và J. C. Lam, “Impact of climate change on residential building envelope cooling loads in subtropical climates,” Energy and Buildings, tập 42, số 11, p. 2098-2103, 2010.

[2] Robine, J. M., Cheung, S. L. K., Le Roy, S., Van Oyen, H., Griffiths, C., Michel, J. P. and Herrmann, F. R., Death toll exceeded 70,000 in Europe during the summer of 2003. Comptes rendus biologies, 331(2), p.171-178, 2008.

[3] IPCC, “Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change,” IPCC, Geneva, Switzerland, 2007

[4] IPCC, “Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change,” Geneva, Switzerland, 2014.

[5] M. F. Jentsch, P. A. James, L. Bourikas và A. S. Bahaj, “Transforming existing weather data for worldwide locations to enable energy and building performance simulation under future climates,” Renewable Energy, tập 55, p. 514-524, 2013.

[6] A. Moazami, S. Carluccia và S. Geving, “Critical Analysis of Software Tools Aimed at

Generating Future Weather Files with a view to their use in Building Performance

Simulation,” Energy Procedia 132, tập 132, p. 640-645, 2017.

[7] A. T. Nguyen, S. Reiter and P. Rigo, “A review on simulation-based optimization

XEM THÊM:

Bình luận từ Facebook