Luận án Tiến sĩ Kiến trúc: Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:232

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kiến trúc "Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: tổng quan về giải pháp thiết kế lớp vỏ bao che hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng; tác cơ sở khoa học về thiết kế lớp vỏ bao che hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng; giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kiến trúc: Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KIẾN TRÚC QUỐC GIA GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TÍCH HỢP VỎ BAO CHE NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KIẾN TRÚC QUỐC GIA GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TÍCH HỢP VỎ BAO CHE NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ VIỆT NAM Chuyên ngành: Kiến trúc Mã số: 9.58.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ Giải pháp thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác Hà Nội, ngày …. tháng…..năm 20… Nghiên cứu sinh
LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Kiến trúc Quốc gia. Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, tôi nhận được rất nhiều sự quan tâm, tạo điều kiện và hỗ trợ của quý thầy cô Lãnh đạo Viện, phòng Đào tạo và Hợp tác quốc tế. Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới quý thầy cô. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những người Thầy đã định hướng khoa học và tận tình và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các nhà khoa học, các chuyên gia hàng đầu đã góp ý, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án và cho phép tôi được trích dẫn, sử dụng các kết quả nghiên cứu để từ đó tôi có cơ sở phát triển và hoàn thiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới đơn vị công tác, gia đình, người thân, đồng nghiệp, bạn bè đã luôn giúp đỡ, động viên, khích lệ cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................................1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU....................................................................................6 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................................7 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................................................8 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ LỚP VỎ BAO CHE HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG ........................11 1.1. Ý nghĩa và tầm quan trọng của công trình hiệu quả năng lượng .......................11 1.1.1. Thực trạng tiêu thụ năng lượng trên thế giới và Việt Nam ........................11 1.1.2. Thực trạng thiết kế và xây dựng công trình hiệu quả về năng lượng .........12 1.1.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng của công trình xây dựng ............................13 1.2. Tình hình thiết kế và xây dựng công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới và Việt Nam ..............................................................................................................15 1.2.1. Tình hình thế giới........................................................................................15 1.2.2. Tình hình một số nước trong khu vực ........................................................18 1.2.3. Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng ở Việt Nam .............23 1.3. Tình hình thiết kế và xây dựng văn phòng cao tầng hiệu quả năng lượng tại khu vực trung bộ (Lấy Đà Nẵng là nghiên cứu điển hình) .......................................26 1.3.1. Tổng quan tình hình xây dựng văn phòng cao tầng....................................26 1.3.2. Đánh giá về công trình hiệu quả năng lượng tại Việt Nam và khu vực duyên hải Nam Trung Bộ ..........................................................................................28 1.4. Tổng quan về giải pháp thiết kế vỏ bao che công trình phù hợp với điều kiện khí hậu và hiệu quả năng lượng trên thế giới và Việt Nam ......................................31 1.4.1. Các dạng vỏ bao che hiệu quả năng lượng trên thế giới.............................31 1.4.2. Tổng quan về giải pháp thiết kế vỏ bao che công trình phù hợp với điều kiện khí hậu và hiệu quả năng lượng ở Việt Nam ....................................................33 1.5. Tình hình nghiên cứu các đề tài liên quan .........................................................38 1.5.1. Các đề tài nghiên cứu trong nước ...............................................................39 1.5.2. Các đề tài hợp tác nghiên cứu .....................................................................40 1.5.3. Các luận án tiến sỹ ......................................................................................41 1.6. Vấn đề nghiên cứu đặt ra đối với đề tài .............................................................43
Chương 2. CÁC CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ THIẾT KẾ LỚP VỎ BAO CHE HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG ........................44 2.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................44 2.1.1. Lý thuyết về công trình văn phòng cao tầng...............................................44 2.1.2. Lý thuyết về lớp vỏ bao che công trình kiến trúc .......................................45 2.1.3. Cơ sở đánh giá hiệu quả năng lượng của văn phòng cao tầng ...................56 2.1.4. Nâng cao hiệu quả năng lượng trong thiết kế kiến trúc ..............................57 2.2. Cơ sở thực tiễn ...................................................................................................58 2.2.1. Thực trạng thiết kế vỏ bao che của các công trình cao tầng ở nước ta hiện nay 58 2.2.2. Những kết quả khảo sát, đánh giá ở những công trình thực tế ...................66 2.2.3. Tính chất, số liệu đặc trưng của các loại vật liệu........................................75 2.2.4. Tính chất, số liệu đặc trưng của các nguồn sáng ........................................76 2.2.5. Tính chất, số liệu, công nghệ đặc trưng của các hệ thống ĐHKK .............79 2.3. Cơ sở khí hậu vùng duyên hải Nam Trung Bộ ..................................................79 2.4. Cơ sở pháp lý .....................................................................................................84 2.4.1. Các Công ước quốc tế về phát triển bền vững ............................................84 2.4.2. Chương trình mục tiêu quốc gia về tiết kiệm năng lượng ..........................85 2.4.3. Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia 09/2017 về các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả ...........................................................................................................85 2.4.4. Tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng liên quan đến công trình cao tầng .........86 2.4.5. Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả .........................................87 2.4.6. Một số văn bản pháp lý khác ......................................................................88 2.5. Các yếu tố kinh tế – xã hội .................................................................................88 2.5.1. Các yếu tố kinh tế .......................................................................................88 2.5.2. Các yếu tố xã hội ........................................................................................90 Chương 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TÍCH HỢP VỎ BAO CHE NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG TẠI KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ VIỆT NAM .........................92 3.1. Đề xuất các nguyên tắc và quy trình thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho văn phòng cao tầng ....................................................92 3.1.1. Nguyên tắc chung .......................................................................................92 3.1.2. Nguyên tắc tích hợp các yếu tố nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng tòa nhà ........................................................................................................................103
3.1.3. Quy trình thiết kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng .......................................................................................................................104 3.2. Giải pháp thiết kế tích hợp lớp vỏ bao che công trình văn phòng cao tầng .....105 3.2.1. Giải pháp tổ chức thông gió tự nhiên đảm bảo hiệu quả năng lượng .......105 3.2.2. Giải pháp chiếu sáng tự nhiên đảm bảo hiệu quả năng lượng ..................107 3.2.3. Giải pháp về điều hòa không khí đảm bảo hiệu quả năng lượng .............116 3.2.4. Tích hợp tác động đồng thời của 3 yếu tố thông gió tự nhiên – chiếu sáng tự nhiên – điều hòa không khí .................................................................................121 3.3. Công cụ đánh giá hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che thông qua tích hợp 3 yếu tố .......................................................................................................................122 3.3.1. Cơ sở đề xuất công cụ đánh giá hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che thông qua tích hợp 3 yếu tố ...............................................................................................122 3.3.2. Quy trình của công cụ đánh giá lớp vỏ bao che thông qua tích hợp 3 yếu tố ........................................................................................................................131 3.3.3. Điều kiện áp dụng .....................................................................................132 3.3.4. Công cụ đánh giá hiệu quả năng lượng trên cơ sở tích hợp ba yếu tố ......135 3.4. Áp dụng thí điểm trên một số công trình .........................................................140 3.4.1. Cơ sở lựa chọn các công trình thí điểm ....................................................140 3.4.2. Tòa nhà văn phòng DTU (Kiểu nhà A) ....................................................140 3.4.3. Tòa nhà Trung tâm hành chính thành phố Đà Nẵng (Kiểu nhà B)...........142 3.4.4. Tòa nhà Phi Long Technology (Kiểu nhà D) ...........................................143 3.5. Bàn luận kết quả nghiên cứu ............................................................................145 3.5.1. Định hướng giải pháp thiết kế hiệu quả năng lượng cho công trình trên cơ sở tích hợp tác động của 3 yếu tố .......................................................................145 3.5.2. Đưa ra công cụ đánh giá nhanh hiệu quả năng lượng công trình .............145 3.5.3. Mở rộng đối với các vùng khí hậu khác tại Việt Nam .............................145 3.5.4. Một cách tiếp cận với kiến trúc xanh thông qua tiêu chí hiệu quả năng lượng .......................................................................................................................146 3.5.5. Hướng tới kiến trúc bền vững ở Việt Nam ...............................................146 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................146 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASHARE American Society of Heating Refrigeration and Airconditioning Engineers (Hiệp hội về Phát triển Kỹ thuật các Hệ thống sưởi ấm, làm lạnh, thông gió, điều hòa không khí Hoa Kỳ) ASEAN Association of South East Asian Nations (Hiệp hội các Quốc gia Đông Nam Á) BĐSKHXDVN Biểu đồ sinh khí hậu xây dựng Việt Nam B Bắc BEI Building Energy Index (Suất tiêu hao năng lượng của toàn công trình) BXD Bộ Xây dựng BXMT Bức xạ mặt trời CSNT Chiếu sáng nhân tạo CSTN Chiếu sáng tự nhiên CT Công trình Đ Đông ĐB Đông Bắc ĐHBK Đại học Bách Khoa ĐHKK Điều hòa không khí ĐN Đông Nam EDGE Excellence in Design for Greater Efficiencies (hệ thống đánh giá công trình sử dụng tài nguyên hiệu quả) EUI Energy Use Intensity (Cường độ sử dụng năng lượng) HQNL Hiệu quả năng lượng HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning (Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí) KK Không khí KTS Kiến trúc sư LEED Leadership in Energy & Environmental Design (Tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh của Hội đồng Công trình xanh Hoa Kỳ) N Nam NL Năng lượng NCS Nghiên cứu sinh
OTTV Overall Thermal Transfer Value (Chỉ số truyền nhiệt tổng) PCCC Phòng cháy chữa cháy PGS.TS Phó Giáo sư - Tiến sỹ QCVN Quy chuẩn Việt Nam QCXDVN Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam SC Shading Coefficient (Hệ số che nắng) SHGC Solar Heat Gain Coefficient (Hệ số hấp thu nhiệt mặt trời của kính) SKH Sinh khí hậu T Tây TB Tây Bắc TC Tiêu chuẩn TCCP Tiêu chuẩn cho phép TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TG Tam giác TGTN Thông gió tự nhiên TKNL Tiết kiệm năng lượng TN Tây Nam TP Thành phố TP.HCM Thành phố Hồ Chí Minh TS Tiến sỹ TT Thứ tự UNDP United Nations Development Programme - Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc USGBC United States Green Building Council (Hội đồng Công trình xanh Hoa Kỳ) VCEP Vietnam Clean Energy Program (Chương trình năng lượng sạch Việt Nam) VKH Vi khí hậu VPCT Văn phòng cao tầng VL Vật liệu VLR Visible Light Reflectance (Hệ số phản xạ ánh sáng) VLT Visible Light Transmission (Hệ số xuyên sáng của kính) WWR Window to Wall Ratio (tỷ lệ mảng kính trên tường) YTTH Yếu tố tích hợp
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Sử dụng điện trong công trình xây dựng ..................................................11 Bảng 1.2. Một số giải pháp được ứng dụng trong công trình ...................................20 Bảng 2.4. Thông tin một số công trình văn phòng cao tầng tiêu biểu tại .................35 TP. Đà Nẵng. .............................................................................................................35 Bảng 2.1. Định mức tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà ...........................................57 Bảng 2.2. Thực trạng vai trò của lớp vỏ bao che hiện nay .......................................60 Bảng 2.3. Thống kê số lượng nhà cao tầng ở các đô thị Việt Nam (tính đến 2021). 61 Bảng 2.5. Các thông số VKH và thiết bị đo lường ...................................................67 Bảng 2.6. Tóm tắt kết quả đo lường VKH mùa nóng bốn công trình văn phòng ở ..67 Đà Nẵng.....................................................................................................................67 Bảng 2.7. Kết quả đo lường chiếu sáng ở Đà Nẵng ..................................................70 Bảng 2.8. Tóm tắt kết quả đo lường khảo sát môi trường chiếu sáng trong văn phòng làm việc ở Đà Nẵng ........................................................................................71 Bảng 2.9. Kết quả đánh giá định tính hệ thống ĐHKK ............................................73 Bảng 2.10. Hiệu suất sáng của ánh sáng phụ thuộc bước sóng ................................78 Bảng 2.11. Kết quả phân tích SKH Đà Nẵng ...........................................................81 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của kết cấu che nắng và năng lượng tiêu thụ để làm mát ...100 Bảng 3.2. Tiềm năng giảm phụ tải lạnh cùng giải pháp che nắng với hệ thống điều hòa không khí .........................................................................................................100 Bảng 3.3. Tiềm năng giảm thiểu dùng năng lượng cho chiếu sáng nhân tạo . .......101 Bảng 3.4. Bảng thông tin mô hình mô phỏng cơ sở................................................124 Bảng 3.5. Bảng thông tin mô hình bổ sung các giải pháp nhằm nâng cao HQNL. 126 Bảng 3.6. Bảng kết quả mô phỏng hiệu quả năng lượng đạt được. ........................127 Bảng 3.7. Bảng đánh giá điều kiện cần thiết áp dụng bộ công cụ. .........................133 Bảng 3.8. Bảng đánh giá điều kiện xem xét khi áp dụng bộ công cụ .....................134 Bảng 3.9. Bảng đánh giá điểm tích hợp 3 yếu tố tác động đồng thời lên lớp vỏ bao che 136 Bảng 3.10. Bảng đánh giá điểm tích hợp 3 yếu tố ..................................................137 Bảng 3.11. Bảng đánh giá mức hiệu quả năng lượng lớp vỏ công trình.................138 Bảng 3.12. Định hướng giải pháp thiết kế/cải tạo lớp vỏ bao che nhằm nâng cao HQNL văn phòng cao tầng. ....................................................................................138
Bảng 3.13. Đánh giá điều kiện cần thiết tòa nhà DTU .............................................18 Bảng 3.14. Đánh giá điều kiện xem xét tòa nhà DTU ..............................................19 Bảng 3.15. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà văn phòng DTU ...................................20 Bảng 3.16. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà văn phòng DTU (sau khi định hướng giải pháp cải tạo). ......................................................................................................21 Bảng 3.17. Đánh giá điều kiện cần thiết tòa nhà Trung tâm hành chính TP. Đà Nẵng24 Bảng 3.18. Đánh giá điều kiện xem xét tòa nhà Trung tâm hành chính TP. Đà Nẵng. .........................................................................................................................25 Bảng 3.19. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà Trung tâm hành chính TP. Đà Nẵng. ..26 Bảng 3.20. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà Trung tâm hành chính TP. Đà Nẵng (sau khi định hướng giải pháp cải tạo). .....................................................................28 Bảng 3.21. Đánh giá điều kiện cần thiết tòa nhà Phi Long Technology...................30 Bảng 3.22. Đánh giá điều kiện xem xét tòa nhà Phi Long Technology ...................30 Bảng 3.23. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà văn phòng Phi Long Technology ........32 Bảng 3.24. Đánh giá điểm tích hợp tòa nhà Phi Long Technology (sau khi định hướng giải pháp cải tạo). ...........................................................................................33
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Sự khác nhau về mức tiêu thụ năng lượng đối với thiết kế vỏ bao che thông thường và thụ động ...........................................................................................2 Hình 3. Tỷ lệ các dạng năng lượng và nhu cầu tiêu thụ tại Việt Nam ........................6 Hình 4. Tiêu thụ năng lượng trung bình của Seattle (Mỹ) 2013 theo loại công trình . 9 Hình 1.1. Hệ thống tiêu chí đánh giá công trình xanh LEED (Mỹ). .........................17 Hình 1.2. Bullit Center – Tòa văn phòng “xanh” nhất thế giới ...............................17 Hình 1.3. Thư viện quốc gia Singapore ....................................................................18 Hình 1.4. Tòa tháp Taipei 101 – công trình xanh tiêu biểu của Đài Loan. ...............20 Hình 1.5. Tòa tháp Mesiniaga – Malaysia ................................................................22 Hình 1.6. Tòa tháp Mesiniaga – Malaysia (mặt cắt) .................................................23 Hình 1.7. Tòa nhà FPT Complex Đà Nẵng đạt chứng nhận EDGE của IFC............25 Hình 1.8. Phi Long Plaza – Văn phòng cao tầng hiếm hoi có quan tâm đến giải pháp vỏ bao che theo giải pháp xanh ........................................................................30 Hình 1.9. Sơ đồ thể hiện tương quan giữa bên trong và bên ngoài công trình thông qua vỏ nhà .................................................................................................................34 Hình 1.10. Vỏ nhà trong kiến trúc truyền thống Việt Nam ......................................35 Hình 2.1. Lớp vỏ công trình tiết kiệm năng lượng hiệu quả nhờ thiết kế kết cấu che nắng.....................................................................................................................48 Hình 2.2. Mô hình thể hiện sự ảnh hưởng, tác động qua lại giữ các yếu tố trong công trình kiến trúc ...................................................................................................58 Hình 2.3. Chức năng cần có của lớp vỏ bao che công trình .....................................59 Hình 2.4. Thực tế chức năng kiểm soát của lớp vỏ bao che hiện nay.......................60 Hình 2.5. Mặt bằng tổ chức không gian tầng điển hình và ảnh chụp bên ngoài của Trung tâm hành chính Đà Nẵng ................................................................................63 Hình 2.6. Những ví dụ tiêu biểu cho các công trình cao tầng hiện đại ở Việt Nam sử dụng kính với tỷ lệ rất lớn trên mặt đứng (Lotte Hà Nội, VP Bank Hà Nội, TTHC Đà Nẵng và SHB Đà Nẵng). ..........................................................................64 Hình 2.7. Phổ ánh sáng mặt trời ngoài khí quyển (1), trên mặt nước biển khi mặt trời ở thiên đỉnh (3) và bức xạ của vật đen ở 5900°K (2) .........................................78 Hình 2.8. Phân tích sinh khí hậu Đà Nẵng trên BĐSKHXDVN của PGS.TS. Phạm Đức Nguyên ..............................................................................................................81
Hình 2.9. Phân tích sinh khí hậu các địa phương theo mô hình của PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn .....................................................................................................82 Hình 2.10. Phân tích sinh khí hậu các địa phương theo phần mềm Climate Consultant..................................................................................................................83 Hình 3.1. Tỷ số S/V là một tiêu chí đánh giá hiệu quả về nhiệt cũng như năng lượng của công trình..................................................................................................94 Hình 3.2. So sánh chỉ số tiêu hao năng lượng giữa các loại hình khối nhà cao tầng 95 Hình 3.3. Cấu tạo tường kiểu nhà của Pháp và cửa sổ “trong kính ngoài chớp”......97 Hình 3.4. Nguyên lý hoạt động của cửa sổ “trong kính ngoài chớp” .......................98 Hình 3.5. Ví dụ tiêu biểu về việc sử dụng năng lượng mặt trời áp mái cho văn phòng .........................................................................................................................99 (Bullitt Center – Mỹ) .................................................................................................99 Hình 3.6. Mô hình minh họa giải pháp nâng cao hiệu quả năng lượng thông qua tích hợp của đề tài ...................................................................................................103 Hình 3.7. Sơ đồ minh họa giải pháp tích hợp 3 yếu tố tác động lên lớp vỏ bao che của đề tài..................................................................................................................104 Hình 3.8. Sơ đồ quy trình kế tích hợp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho công trình ...............................................................................................105 Hình 3.9. Hướng nắng, hướng gió, hướng lấy sáng tự nhiên và hướng năng lượng ở Đà Nẵng ..............................................................................................................109 Hình 3.10. Điều chỉnh hướng công trình để đạt hiệu quả năng lượng cao hơn . ....110 Hình 3.11. Phân khu chức năng hợp lý là giải pháp chủ động tiết kiệm năng lượng trong công trình .......................................................................................................111 Hình 3.12. Một số dạng kết cấu che nắng cho tòa nhà văn phòng ..........................112 Hình 3.13. Sử dụng chiếu sáng tự nhiên là giải pháp ưu tiên hàng đầu của văn phòng .......................................................................................................................113 Hình 3.14. Sử dụng vách ngăn bằng kính sẽ giúp ánh sáng tự nhiên đi sâu hơn vào bên trong công trình ................................................................................................114 Hình 3.15. Giải pháp tổ chức không gian chiếu sáng hiệu quả...............................115 Hình 3.16. Giải pháp thiết kế vỏ bao che hiệu quả năng lượng[49] .......................117 Hình 3.17. Giải pháp che nắng đề xuất cho các hướng khác nhau ở Đà Nẵng (a), Quy Nhơn (b) và Nha Trang (c). .............................................................................118 Hình 3.18. Rèm che nắng trong văn phòng trung tâm hành chính Đà Nẵng ..........119
Hình 3.19. Sơ đồ tích hợp 3 yếu tố: TGTN-CSTN-ĐHKK ....................................121 Hình 3.20. Sơ đồ mối quan hệ tác động qua lại giữa 2 yếu tố ................................122 Hình 3.21. Sơ đồ mối quan hệ tác động qua lại giữa 3 yếu tố ................................122 Hình 3.22. Sơ đồ các bước mô phỏng mức hiệu quả năng lượng ...........................123 Hình 3.23. Mô hình các công trình sử dụng để mô phỏng ......................................123 Hình 3.24. Sơ đồ quy trình công cụ đánh giá HQNL lớp vỏ bao che thông qua tích hợp 3 yếu tố .............................................................................................................132 Hình 3.25. Tòa nhà văn phòng, trường ĐH Duy Tân .............................................141 Hình 3.26. Tòa nhà Trung tâm hành chính thành phố Đà Nẵng .............................142 Hình 3.27. Tòa nhà Trung tâm hành chính thành phố Đà Nẵng .............................144
GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN • Văn phòng là nơi làm việc hay khu vực làm việc của các doanh nghiệp, công ty hoặc đơn vị tổ chức. Thời gian vận hành chủ yếu là vào ban ngày, trong giờ hành chính (từ 7h00-17h00 theo giờ Việt Nam). • Văn phòng cao tầng là văn phòng có chiều cao từ 9 đến 40 tầng. • Hiệu quả năng lượng là việc dùng ít năng lượng hơn để thực hiện cùng một chức năng, trong khi vẫn thoả mãn các điều kiện về tiện nghi. • Lớp vỏ bao che hay còn gọi là kết cấu bao che, bao gồm cửa đi, cửa sổ, tường, mái, cửa mái, ... trong suốt hoặc không trong suốt, tạo thành các không gian khép kín bên trong công trình. • Thiết kế tích hợp lớp vỏ bao che là phương pháp thiết kế áp dụng đồng thời nhiều giải pháp cùng lúc cho lớp vỏ bao che của công trình. • Tiện nghi nhiệt: là điều kiện của cảm giác thể hiện sự thỏa mãn với môi trường nhiệt và được quyết định bởi đánh giá chủ quan của con người. • Che nắng: chỉ che nắng, che trực xạ mặt trời, không che tán xạ bầu trời, vì tán xạ cung cấp ánh sáng tự nhiên. • Sinh khí hậu: xem xét điều kiện khí hậu của địa điểm, trong mối quan hệ tác động tới con người. • Công trình xanh: Công trình xanh là công trình xây dựng mà thực tế đã đạt được hiệu quả lớn nhất trong lựa chọn địa điểm xây dựng công trình, sử dụng tài nguyên - năng lượng, nước, và vật liệu, trong khi tác động của công trình đến sức khỏe của con người và môi trường xung quanh là nhỏ nhất trong suốt toàn bộ vòng đời của công trình, từ chọn địa điểm, thiết kế, thi công xây dựng đến vận hành, sửa chữa và tái sử dụng công trình. • Khu vực duyên hải Nam Trung Bộ là vùng địa phương ven biển của phía nam thuộc Trung Bộ Việt Nam, kéo dài từ Đà Nẵng tới Bình Thuận, với thành phố trọng điểm và lớn nhất là thành phố Đà Nẵng. • Kiến trúc thụ động (Passive architecture): Giải pháp thiết kế nhằm đạt tới sự tiện nghi, tiết kiệm năng lượng một cách tự nhiên. • Kiến trúc chủ động (Active architecture): Thiết kế nhằm đạt tới sự tiện nghi bằng các giải pháp nhân tạo, ít phụ thuộc vào môi trường bên ngoài. • Kiến trúc tích hợp (Integrated architecture): Là thiết kế kiến trúc tích hợp nhiều giải pháp khác nhau (vốn dĩ được coi là độc lập) nhằm đem lại hiệu quả cao nhất
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc chi tiết của luận án
MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Lý do chọn đề tài Ngành kiến trúc - xây dựng là lĩnh vực đóng góp lớn nhất vào lượng khí thải carbon liên quan đến năng lượng (với khoảng 37% lượng khí thải trên toàn cầu). Việc thiết kế và xây dựng công trình là tác nhân chính tạo ra sự thay đổi tiêu cực cho môi trường sinh thái và do đó cần được kiểm soát và hạn chế tới mức thấp nhất. Theo đó, các quốc gia đều phải nỗ lực trong việc giảm phát thải khí CO2 đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris. Việt Nam không phải là ngoại lệ, chúng ta phải thực hiện nghĩa vụ bắt buộc giảm phát thải khí nhà kính kể từ năm 2021 theo đóng góp do quốc gia tự quyết định (NDC), đặc biệt cần nỗ lực thực hiện các biện pháp giảm phát thải khí nhà kính hướng tới mục tiêu đạt phát thải ròng bằng “0” vào năm 2050 theo cam kết của Thủ tướng Chính phủ tại Hội nghị COP26[54]. Trong thời gian qua, Đảng, Nhà nước, Chính phủ Việt Nam đã có nhiều chủ trương, chính sách thúc đẩy sử dụng năng lượng, tài nguyên tiết kiệm, hiệu quả, bảo vệ môi trường, giảm phát thải khí nhà kính trong các hoạt động kinh tế xã hội, trong đó có lĩnh vực xây dựng; đáng chú ý là Nghị quyết số 06-NQ/TW ngày 24/1/2022 của Bộ Chính trị về “Quy hoạch, xây dựng, quản lý và phát triển bền vững đô thị Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045”; Chương trình hành động của Chính phủ thực hiện Nghị quyết 06-NQ/TW; Nghị quyết 29/NQ-TW ngày 17/11/2022 tại Hội nghị lần thứ 6 Ban Chấp hành TW khóa XIII về tiếp tục đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045, trong đó đưa ra định hướng chuyển đổi xanh nền kinh tế [57]. Việc khuyến khích phát triển công trình hiệu quả năng lượng, công trình xanh cũng đã được quy định trong Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Xây dựng năm 2020[58] và Nghị định số 15/2021/NĐ-CP của Chính phủ quy định chi tiết một số nội dung về quản lý dự án đầu tư xây dựng [59]. Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Kế hoạch hành động quốc gia về tăng trưởng xanh giai đoạn 2021-2030; Chiến lược quốc gia về biến đổi khí hậu giai đoạn đến năm 2050; Đề án về những nhiệm vụ, giải pháp triển khai kết quả COP26. Bộ trưởng Bộ Xây dựng cũng đã ban hành Kế hoạch hành động của ngành Xây dựng ứng phó với biến đổi khí hậu giai đoạn 2022-2030, tầm nhìn đến năm 2050 thực hiện cam kết của Việt Nam tại COP26. Mặt khác, Việt Nam là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi về điều kiện tự nhiên và khí hậu, Việt Nam có nhiều thế mạnh trong thiết kế kiến trúc thích ứng với 1
khí hậu địa phương nhằm tạo môi trường khí hậu tiện nghi, sử dụng tiết kiệm, hiệu quả năng lượng và đảm bảo cân bằng sinh thái. Bên cạnh đó, việc hạn chế những tác động bất lợi của khí hậu đối với kiến trúc là một yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng cho công trình kiến trúc, từ đó góp phần bảo vệ mội trường sinh thái bền vững. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, trong khoảng từ năm 2050 - 2080 nhiệt độ ở các thành phố lớn tăng khoảng 2,18 – 3,88oC; cùng với đó nhu cầu tiêu thụ năng lượng làm mát của các tòa nhà sẽ tăng từ 4,8% - 100,6%. Do vậy, công trình kiến trúc cần được thiết kế và áp dụng các giải pháp thụ động nhằm khai thác và tận dụng tối đa các yếu tố và năng lượng tự nhiên, đồng thời giảm thiểu tác động bất lợi từ khí hậu để đạt hiệu quả năng lượng cao nhất so với thiết kế chủ động (hình 1). Trong các thành phần của công trình kiến trúc, lớp vỏ bao che là bộ phận quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp nhất đến hiệu quả năng cũng như môi trường tiện nghi bên trong, do đây là bộ phận chịu tác động trực tiếp từ các yếu tố bên ngoài, đồng thời đóng vai trò là bộ lọc khí hậu và tạo môi trường vi khí hậu bên trong. Tuy nhiên, việc thiết kế vỏ bao che của công trình, đặc biệt là loại hình văn phòng cho đến nay ở nước ta chưa áp dụng nhiều giải pháp thụ động, vẫn phụ thuộc nhiều vào các giải pháp kỹ thuật trong quá trình vận hành, từ đó tạo gánh nặng rất lớn về năng lượng, đặc biệt là trong mùa nóng[16]. Hình 1. Sự khác nhau về mức tiêu thụ năng lượng đối với thiết kế vỏ bao che thông thường và thụ động Trong các khu vực khí hậu trên lãnh thổ nước ta, khu vực duyên hải Nam Trung Bộ có điều kiện khí hậu đạt trạng thái tiện nghi trong năm cao nhất. Bên cạnh đó, loại hình công trình văn phòng cao tầng ngày càng được xây dựng nhiều tỉ lệ thuận với tốc độ phát triển của nền kinh tế; trong bối cảnh thiết kế vỏ bao che cho dạng công trình này vẫn còn rất nhiều bất cập. Do vậy, luận án lựa chọn nghiên cứu các giải 2
pháp thiết kế tích hợp cho lớp vỏ bao che nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng cho loại hình công trình văn phòng cao tầng tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ - khu vực vốn có nhiều ưu thế thuận lợi về điều kiện khí hậu tự nhiên để giảm mức tiêu thụ năng lượng cho loại hình công trình này, góp phần bảo vệ môi trường sinh thái và đảm bảo sự phát triển bền vững trong tương lai. 1.2. Vấn đề môi trường toàn cầu và các phong trào phát triển bền vững Hiện nay thế giới đang đối diện với hai vấn đề lớn: Sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch (nguồn năng lượng chính vẫn đang sử dụng hiện nay) và sự nóng lên của trái đất. Hai vấn đề này có cùng một nguyên nhân chung là việc sử dụng và tiêu thụ năng lượng hóa thạch vẫn còn phổ biến và chưa tìm được nguồn năng lượng thay thế, bên cạnh đó con người vẫn chưa có giải pháp hạn chế sản phẩm phát thải từ những nguồn nguyên liệu này [1]. Trong hành trình đi tìm giải pháp mới cho vấn đề này thì việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hiện có là yêu cầu bắt buộc. Để giảm tiêu thụ năng lượng, giảm phát thải CO2, thì việc sử dụng lại cấu kiện, tính linh hoạt của công trình, sự kéo dài tuổi thọ và đặc biệt, sự tận dụng tối đa năng lượng tự nhiên, giảm bớt sử dụng năng lượng nhân tạo trong vận hành, sự thích ứng của công trình với khí hậu có vai trò hết sức quan trọng. Từ đó đã ra đời một hướng nghiên cứu và thực hành kiến trúc mới, được gọi là “Kiến trúc bền vững” (Sustainnable Architecture) hay Kiến trúc xanh (Green Architecture) (Hình 2). Hình 2. Mô hình kiến trúc bền vững/Kiến trúc xanh [18] 3
Trong các tiêu chuẩn đánh giá tính bền vững của công trình kiến trúc, hiệu quả năng lượng luôn chiếm tỉ trọng cao nhất, cho thấy năng lượng là vấn đề cần được quan tâm hàng đầu hiện nay. 1.3. Xu hướng kiến trúc hiệu quả năng lượng trên thế giới Nhằm sử dụng năng lượng hiệu quả, ứng phó với biến đổi khí hậu, sử dụng hiệu quả các tài nguyên nước và vật liệu, giảm thiểu tác động đến môi trường sinh thái và đảm bảo điều kiện sống tốt nhất cho con người, trên thế giới đã xuất hiện xu hướng phát triển Công trình xanh. Kiến trúc xanh (hay kiến trúc bền vững) ra đời gắn liền với khái niệm phát triển bền vững mà Liên hiệp quốc đề xướng. Kiến trúc xanh thường gắn liền với công trình xanh chủ yếu như sử dụng hiệu quả năng lượng, nguồn nước, bảo vệ sức khỏe con người, song có phạm trù rộng hơn liên quan tới giảm phát thải ô nhiễm và sự suy giảm môi trường, gần thiên nhiên, thân thiện với môi trường[28],… Trong tiến trình phát triển kiến trúc xanh, các quốc gia đã đưa ra các hệ thống tiêu chí của riêng mình nhằm định hướng và đánh giá chất lượng của các công trình kiến trúc. Có thể kể đến một số hệ thống đánh giá công trình xanh phổ biến như sau: - BREEAM - BRE Environmental Assessment Method (Anh) BREEAM là bộ tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh xuất hiện đầu tiên trên thế giới, được ban hành bởi Building Research Establishment (BRE) của nước Anh. Bộ tiêu chuẩn này khá linh hoạt và nếu được điều chỉnh sẽ phù hợp cho nhiều vùng khí hậu khác nhau, do vậy đã được nhiều quốc gia khác tham khảo để xây dựng bộ tiêu chí cho riêng mình. - LEED - Leadership in Energy & Environmental Design (Mỹ) LEED là bộ chuẩn công trình xanh của Mỹ, được ban hành bởi US Green Building Council (USGBC). Đây không phải là bộ tiêu chuẩn đầu tiên, tuy nhiên là bộ tiêu chuẩn phổ biến nhất hiện nay trên thế giới. Và việc cho phép đánh giá và chứng nhận các công trình bên ngoài nước Mỹ, bộ LEED ngày càng được thừa nhận và áp dụng rộng rãi. - BCA Green Mark (Singapore) Là một quốc gia phát triển trong khu vực và thế giới, Singapore cũng rất nhanh chóng trong việc đưa ra bộ tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh của riêng mình, với tên gọi là Green Mark, được ban hành bởi Building and Construction Authority (BCA). Với bộ tiêu chuẩn này, Singapore mong muốn là quốc gia tiên phong trong việc phát triển các công trình xanh và chuẩn hóa bộ tiêu chí đánh giá dành riêng cho 4