Thiết kế công trình hiệu quả năng lượng: Chiến lược từ hướng và hình dáng

Kiến trúc lớp vỏ công trình là biện pháp căn bản để tiết kiệm năng lượng (TKNL), trong đó lớp vỏ được coi là ranh giới bên trong và bên ngoài công trình, bao gồm tường bên ngoài, mái, kính, các đặc tính có thể tận dụng được ánh sáng tự nhiên và che nắng, đồng thời các cửa thông gió tự nhiên để kiểm soát xâm nhập. 

Điểm quan trọng của lớp vỏ công trình đều ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng như dự trữ nhiệt, làm mát (trì hoãn quá trình truyền nhiệt), thông gió mong muốn, tải nhiệt hay sự xâm nhập của ánh sáng ban ngày, đồng thời là nhân tố quyết định một công trình sử dụng hiệu quả năng lượng.

Những ý kiến đưa ra tại buổi tập huấn cho các KTS và KS xây dựng do Bộ Xây dựng kết hợp với Đại sứ quán Đan Mạch - Cục Năng lượng Đan Mạch và Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM tổ chức về kỹ năng ứng dụng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia vào thực tiễn thiết kế và xây dựng công trình cho thấy: Tất cả các kết cấu phần vỏ của công trình đều ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng chính của các toà nhà. 

Bài tham luận của TS.KTS Hoàng Mạnh Nguyên, Viện Kiến trúc nhiệt đới đã khẳng định một công trình hiệu quả năng lượng được bắt nguồn từ chiến lược về hướng và hình dáng toà nhà. Và thiết kế lớp vỏ công trình với kết cấu che nắng, các cửa sổ có hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC), cách nhiệt (bằng cách sử dụng lớp đệm kín không khí) và các cửa sổ lắp kính kép low-e là để tiết kiệm năng lượng. 

Đặc biệt, các bức tường là nơi truyền tải nhiệt nội bộ, nếu không được kiểm soát tốt thì sẽ không làm giảm điện năng tiêu thụ. Thí nghiệm về ảnh hưởng sự truyền nhiệt cho các bức tường khi độ dày lớp cách nhiệt của tường bao ngoài là 0mm thì nhiệt độ bên ngoài gần bằng nhiệt độ bên trong, 50mm thì nhiệt độ bên ngoài cao hơn nhiệt độ bên trong 4 độ. Điều đó cho thấy nghiên cứu các phương án tiết kiệm từ việc sử dụng tường cách nhiệt - thực hiện mô phỏng hiệu suất năng lượng trong công trình phụ thuộc vào hướng nhà và các lớp cách nhiệt bên ngoài và các lớp kính. 

Ngoài ra, mái nhà cũng là một điển hình TKNL cho lớp vỏ công trình. Vì mái là nơi tiếp xúc hoàn toàn với không gian bầu trời và chịu ảnh hưởng mạnh từ bức xạ nhiệt mặt trời. Nhiệt truyền qua mái nhà nhiều hơn so với truyền qua tường vì nhận bức xạ mặt trời từ toàn bộ vòm trời (trong khi tường chỉ nhận ½ của tia bức xạ mặt trời). 

Sự bức xạ nhiệt từ mặt trời truyền lên trên mái nhà và làm nóng bề mặt bên ngoài mái, sau đó sẽ truyền nhiệt vào bên trong công trình. Để mái nhà mát, các vật liệu xây dựng phải là vật liệu có hệ số phản xạ mặt trời và phát xạ cao. 

Mái nhà mát sẽ phản xạ và phát xạ phần lớn năng lượng mặt trời. Các bề mặt như kim loại mạ tĩnh điện có hệ số phản xạ cao nhưng lại có hệ số phát xạ thấp. 

Điều này cho thấy vật liệu phản xạ nhiệt nhưng không thể tránh hấp thu nhiệt. Cụ thể như nhựa bitum đen thông thường có hệ số phản xạ 5% và có thể đạt nhiệt độ phát xạ lên tới 80 độ C vào ngày nắng nóng. 

Kiến trúc mái ít dốc nhiều lớp hoặc lớp mỏng được phủ xi măng dày hoặc polymer và các chất phụ gia thì hệ số phản xạ trên 65% và hệ số phát xạ trong khoảng 80 - 90%. 

Mái dốc đứng có lớp cuội atphan, tấm lợp kim loại, gạch ngói màu, hệ số phản xạ từ 20-90%. Trung tâm chăm sóc khách hàng Edenvale, Nam Phi thí nghiệm trên 800m2 không gian văn phòng mái được phủ sơn bitum, đồng màu với tấm lợp nhôm có mái dốc, bê tông nhẹ, các tấm kim loại bị gỉ trước khi sơn và sau khi sơn đã tiết kiệm cho hệ thống điều hoà không khí là - 13.125 kWh/năm (mức tiết kiệm được tách riêng, không bao gồm các mức tiết kiệm nhờ hệ thống thông gió mới). 

Tuy nhiên theo đánh giá của Cục Năng lượng Đan Mạch và Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thì đối với khí hậu ở Việt Nam, không cần thiết phải sử dụng các lớp cách nhiệt quá dày cho mái để ngăn sự truyền nhiệt.

Đồng thời mái dốc phải được thông gió để ngăn nhiệt độ trong các phòng quá nóng ở các tầng phía trên của công trình. Sử dụng lớp phủ vật liệu màu sang có hệ số phản xạ cao để tang sự phản xạ bức xạ nhiệt mặt trời từ mái. Hệ thống kính thì cần sự cân bằng giữa thiết kế và hiệu quả sử dụng. 

Và ngày nay, xu hướng tăng cường sử dụng kính cho bề mặt toà nhà “trong suốt” làm tăng sức làm mát đáng kể trong các toà nhà. Việc lựa chọn kính cho phù hợp mà không ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng cũng như tầm nhìn và tiện nghi nhiệt của các toà nhà. Cần hiểu rõ các mối quan hệ giữa hấp thu nhiệt mặt trời và lấy ánh sáng tự nhiên.

Trong đó hướng và diện tích cửa sổ cũng phải được kiểm soát để tận dụng tối đa ánh sáng ban ngày, kết cấu che nắng bên trong và bên ngoài cũng nhưng loại khung và kính cũng cần được tính toán để có thể kiểm soát năng lượng sử dụng, cũng như độ chói, tầm nhìn thong qua hệ số xuyên ánh sáng của kính (VLT), hệ số hấp thu nhiệt của kính (SHGC), hệ số che nắng (SC), hệ số phản xạ ánh sang (VLR). 

Vì vậy Trung tâm sinh viên Energy+ đã đưa ra hai phương án: Một là chọn kính hai lớp khung nhôm không chịu tác động của nhiệt hay là kính 1 lớp khung nhựa UPVC.

Theo kết quả mô phỏng thì ban ngày nhiệt hấp thụ qua kính 1 lớp cao hơn so với kính 2 lớp do hệ số SHGC cao hơn. Ban đêm không có bức xạ nhiệt mặt trời, và nhiệt độ bên ngoài thấp hơn nhiệt toả ra khỏi công trình qua các khu vực lắp kính vì giá trị U cao. Nhưng trong trường hợp nhiệt độ bên ngoài cao hơn vào ban đêm thì hệ số SHGC là nhân tố quyết định. Vì vậy để tận dụng ánh sáng tự nhiên, cần thiết kế tốt hệ thống chiếu tự nhiên ở các vùng khí hậu nhiệt đới để giảm thiểu hấp thụ nhiệt mặt trời, ngăn ánh sáng chói. 

Theo KTS Nguyễn Hoàng Sơn - Viện KTQH Hải Phòng thì đây là nhân tố quan trọng nhất cần lưu ý khi lựa chọn kính lắp cho các toà nhà ở Việt Nam, để mang lại hiệu quả năng lượng thì hệ số hấp tụ nhiệt của kính càng thấp càng tốt. 

Hệ số VLT của kính càng cao thì có thể lấy ánh sáng tự nhiên nhiều hơn, nhưng cần đảm bảo rằng sẽ không gây ra sự thiếu tiện nghi do ánh sáng chói. Trong đó hiệu quả sử dụng kết cấu che nắng ngang hoặc đứng bên ngoài tuỳ thuộc vào hướng tường và vùng khí hậu Việt Nam. 

Việt Nam là nước nhiệt đới nóng ẩm, nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trên thế giới. Để thiết kế lớp vỏ công trình hiệu quả năng lượng cũng chính là xu hướng phát triển tất yếu của thời đại, nó mang lại lợi ích to lớn và lâu dài về kinh tế, xã hội và môi trường. 

Phát triển tiết kiệm năng lượng cho các toà nhà, chính là ngành xây dựng thực thi Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Chiến lược quốc gia về “Tăng trưởng xanh”, “Ứng phó với biến đổi khí hậu”, đóng góp tích cực vào sự nghiệp BVMT & PTBV đất nước.

Theo Báo Xây Dựng