Đánh giá mức độ thích ứng khí hậu thông qua tính toán các khả năng làm việc của hệ thống bao che kiến trúc (lấy mặt đứng nhà phố làm ví dụ)

Thiết kế kiến trúc dựa trên hiệu quả (Performance – based architectural design) là một xu hướng tiên tiến trong kiến trúc, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các tòa nhà hiệu quả cao, bền vững và tập trung vào người sử dụng [1]. Mục tiêu chính của thiết kế kiến trúc dựa trên hiệu quả bao gồm việc đảm bảo việc sử dụng năng lượng tối ưu, giảm thiểu suy thoái môi trường, nâng cao sự thoải mái và sự hài lòng của người sử dụng, và cải thiện tính bền vững và sự chống chịu tổng thể của tòa nhà. Phương pháp này khuyến khích các KTS và nhà thiết kế tích hợp công nghệ tiên tiến, vật liệu sáng tạo, và thực hành bền vững từ các giai đoạn thiết kế ban đầu, đồng bộ hóa mong muốn kiến trúc với nhu cầu sinh thái và xã hội [2]. Đầu thiên niên kỉ thứ 3, tiến trình “Thiết kế dựa trên hiệu quả” đã được đẩy nhanh hơn nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, sự tiến bộ vượt bậc của khoa học máy tính cùng với các công cụ hỗ trợ thiết kế (CAD), các phương tiện phần mềm mô phỏng trên máy tính, các phương pháp kỹ thuật…[3].

Khả năng thích ứng với điều kiện khí hậu góp phần nâng cao hiệu quả tổng thể của công trình kiến trúc. Trong đó, công tác thiết kế lớp vỏ bao che kiến trúc đóng vai trò quan trọng. Tuy nhiên, các KTS và nhà thiết kế hiện nay còn dựa nhiều vào cảm tính và kinh nghiệm là chính trong quá trình thực hiện công tác này. Các thiết kế thường thiếu đi một cơ sở rất quan trọng là tính định lượng và các số liệu minh chứng về tính hiệu quả cho các giải pháp kiến trúc thích ứng và bền vững.

Do đó, cần thiết phải có những nghiên cứu liên quan đến vấn đề định lượng trong thiết kế giúp cho người hành nghề kiến trúc có cái nhìn rõ hơn và gần hơn đến xu hướng tất yếu của nhân loại này. Bài báo đề xuất một đại lượng mới là “Mức độ thích ứng với khí hậu của hệ thống bao che kiến trúc” đồng thời chỉ ra cách thức xác định thông qua tính toán các khả năng làm việc của hệ thống. Đề xuất này được cụ thể hóa thông qua ví dụ về mặt đứng nhà phố, là một phần của “hệ thống bao che kiến trúc”.

2. Các khái niệm

2.1 Hệ thống bao che kiến trúc

Hệ thống bao che kiến trúc (HTBC) là tập hợp các thành phần vật chất và các khoảng không gian đệm nằm giữa và ngăn cách không gian sử dụng bên trong và không gian bên ngoài công trình kiến trúc [6]. Đối với nhà phố, mặt đứng (MĐ) là 1 phần rất quan trọng của HTBC, góp phần to lớn trong việc giảm thiểu các tác động xấu của môi trường bên ngoài và tăng cường các tác động có lợi vào bên trong.

Tính đa lớp của HTBC: Các thành phần của hệ thống liên kết, tổ hợp lại với nhau thành các nhóm thành phần có vị trí và ảnh hưởng khác nhau gọi là các lớp bao che. Số lớp bao che của hệ thống chính là số lần các tác động bên ngoài phải đi qua để vào đến không gian bên trong. Dựa trên khái niệm về tính đa lớp này, mặt đứng đa lớp (MĐĐL) nhà phố cũng được đề xuất [6].

2.2 Khả năng làm việc của hệ thống bao che kiến trúc

Khái niệm về các khả năng làm việc của HTBC được đề xuất dựa trên quan điểm coi HTBC như là một bộ lọc (filter) các yếu tố tác động. Đối với các bộ lọc khí (hoặc nước) thông thường (Hình 1), lượng khí có hại (hoặc chất có hại) còn lại sau khi đi qua nhiều lớp của bộ lọc có thể dùng để đánh giá khả năng ngăn chặn các yếu tố bất lợi (hoặc khả năng làm việc) của bộ lọc đó. Khả năng làm việc của bộ lọc được đánh giá qua tỉ lệ phần trăm của lượng chất có hại bị ngăn chặn và lượng chất có hại ban đầu.

 

Trong giới hạn của nghiên cứu này ứng với điều kiện khí hậu tại TP.HCM, các yếu tố khí hậu tác động được xem xét bao gồm bức xạ nhiệt mặt trời (BXMT), ánh sáng tự nhiên và sự thông khí. Như vậy, khả năng làm việc của HTBC có thể được tính toán thông qua các dữ liệu mô phỏng về lượng tác động trước và sau khi đi qua các lớp của HTBC (Hình 2).

 

2.3 Mức độ thích ứng với khí hậu

Một HTBC được xem là thích ứng với khí hậu khi được thiết kế nhằm làm giảm thiểu các tác động bất lợi của khí hậu và tăng cường các tác động có lợi. Đây chính là khả năng làm việc của hệ thống hay năng lực làm việc của hệ thống. Đại lượng “mức độ thích ứng” được đề xuất chính là năng lực làm việc của hệ thống này.

Theo giới hạn nghiên cứu từ mục 2.2, để đánh giá “mức độ thích ứng” của HTBC cần dựa trên các khả năng làm việc của HTBC bao gồm khả năng ngăn chặn BXMT (hoặc gọi cách khác là khả năng cách nhiệt), khả năng thông thoáng và khả năng truyền dẫn ánh sáng (hoặc gọi cách khác là khả năng thông sáng) (Hình 3). Các khả năng này được tính toán dựa trên dữ liệu đầu ra (dữ liệu thô) của phần mềm mô phỏng DesignBuilder với nhân EnergyPlus của Bộ năng lượng Hoa Kì.

3. Tính toán các khả năng làm việc của hệ thống bao che kiến trúc

Khả năng làm việc của toàn bộ HTBC có thể được đánh giá thông qua việc tính toán khả năng làm việc của phần hệ thống chịu tác động nhiều nhất. Trong nghiên cứu này, phần hệ thống được tách ra và được chọn làm ví dụ chính là MĐĐL nhà phố tại TP.HCM. Phần mềm DesignBuilder có nhân tính toán EnergyPlus được sử dụng để mô phỏng với các đầu vào mặc định bao gồm: Tập tin dữ liệu thời tiết tại phường Tân Sơn Hòa, quận Tân Bình, TP.HCM; mô hình nhà phố được lấy làm ví dụ có 1 tầng trệt để kinh doanh (cửa có thể đóng hoặc mở) và 3 tầng lầu để ở (cửa luôn đóng) với các không gian sử dụng (KGSD) phía trước lần lượt là không gian thương mại dịch vụ (TMDV), phòng ngủ 1, phòng ngủ 2 và phòng ngủ 3; mô hình nhà phố này có mặt tiền theo hướng chính Tây và thời gian mô phỏng được lấy là khoảng thời gian từ 12h đến 15h ngày mùa hè 15 tháng 7 trong năm.

3.1 Khả năng ngăn chặn BXMT (KNNBX)

Khả năng ngăn chặn BXMT được đề xuất tính toán dựa trên việc so sánh lượng BXMT truyền vào đến không gian bên trong (KGBT) trong trường hợp có phần HTBC ngăn chặn BXMT và trường hợp không có phần HTBC đó (đối với nhà phố là trường hợp có MĐĐL và trường hợp loại bỏ MĐĐL). Lượng BXMT truyền qua HTBC trong một khoảng thời gian có được là kết quả của phần mềm mô phỏng.

Đại lượng thể hiện khả năng ngăn chặn BXMT của HTBC được đề xuất tính toán dựa trên công thức tính phần trăm như sau:

KNNBX= (BXT0-BXT)/BXT0 x100%

Tương đương với:

Trong đó:

• KNNBX: Là khả năng ngăn chặn BXMT, là đại lượng đặc trưng cho mức độ BXMT bị ngăn chặn bởi phần HTBC (lấy ví dụ là MĐĐL nhà phố) trước khi truyền vào đến KGBT;
• BXT0: Là lượng BXMT truyền vào đến không gian bên trong nhà khi không có phần HTBC (lấy ví dụ là MĐĐL nhà phố) trong khoảng thời gian tính toán (gọi là trường hợp gốc). BXT0 là tổng BXMT truyền vào các không gian sử dụng riêng biệt (lấy ví dụ là các không gian: TMDV, phòng ngủ 1, phòng ngủ 2 và phòng ngủ 3 của mô hình nhà phố) và được tính toán như sau:

BXT0 = 14.102 + 9.356 + 9.292 + 9.287 = 42.038 kW (Hình 4)

• BXT: Là tổng lượng BXMT truyền vào các không gian sử dụng riêng biệt trong nhà (lấy ví dụ là các không gian: TMDV, phòng ngủ 1, phòng ngủ 2 và phòng ngủ 3 của mô hình nhà phố) ứng với trường hợp có phần HTBC trong khoảng thời gian tính toán:

BXT = BXTTMDV + BXTPN1 + BXT PN2 + BXT PN3

3.2 Khả năng thông thoáng (KNTT)

Khả năng thông thoáng trong HTBC được đề xuất đánh giá bằng cách so sánh vận tốc gió tại điểm khảo sát bên trong HTBC và vận tốc gió của môi trường bên ngoài. Đối với MĐĐL nhà phố, điểm được chọn nằm sát phía ngoài tường mặt đứng tại tầng 3 có cao độ 8m so với mặt đất (Hình 5). Các giải pháp thông gió cho toàn bộ tòa nhà trên cơ sở vận tốc gió tại điểm khảo sát này cần được tiến hành qua những nghiên cứu khác. Vận tốc gió là kết quả mô phỏng bằng phần mềm DesignBuilder và module CFD với đầu vào mặc định là nhà phố được dùng làm mẫu ở trên và vận tốc gió bên ngoài là 5 m/s.

Đại lượng thể hiện khả năng thông thoáng trong HTBC được đề xuất tính toán dựa trên công thức tính phần trăm như sau:

KNTT= (V/V0) x100%

Tương đương với:

Trong đó:

• KNTT: Khả năng thông thoáng, là đại lượng đặc trưng cho mức độ thông thoáng của HTBC để luồng không khí có thể di chuyển bên trong.
• V: Vận tốc gió tại điểm khảo sát bên trong HTBC
• V0: Vận tốc gió bên ngoài

3.3 Khả năng truyền dẫn ánh sáng (KNTAS)

Trong cùng 1 điều kiện sáng ngoài nhà, độ rọi của ánh sáng trong phòng chịu ảnh hưởng khác nhau bởi các HTBC khác nhau (đối với nhà phố là các MĐĐL khác nhau). Mỗi HTBC có khả năng truyền dẫn một lượng ánh sáng xuyên qua khác nhau. Khả năng truyền dẫn ánh sáng của HTBC được đề xuất tính toán dựa trên việc so sánh độ rọi tại điểm khảo sát trong trường hợp có phần HTBC chịu tác động và trường hợp không có phần HTBC này (đối với nhà phố là trường hợp có MĐĐL và trường hợp loại bỏ MĐĐL). Khả năng này được đề xuất tính toán dựa trên công thức tính phần trăm như sau:

KNTAS = (ĐR/ ĐR0) x 100%

Tương đương với:

Trong đó:

• KNTAS: Là đại lượng đặc trưng cho mức độ ánh sáng tự nhiên có thể xuyên qua HTBC để vào đến KGBT.
• ĐR0: Độ rọi tại vị trí khảo sát trên một mặt phẳng trong KGBT theo trường hợp gốc (trường hợp không có phần HTBC). Chọn phòng ngủ 1 là không gian cứng bên trong nhà để khảo sát, dựa trên kết quả mô phỏng ĐR0 = 1095 lux (điểm khảo sát có tọa độ 9×8 trên mặt phẳng nằm ngang cách sàn 0.75m) (Hình 6).
• ĐR: Độ rọi trung bình tại các vị trí khảo sát bên trong các KGSD riêng biệt (TMDV, phòng ngủ 1, phòng ngủ 2 và phòng ngủ 3) trong khoảng thời gian tính toán: ĐR = (ĐRPN1 + ĐR PN2 + ĐR PN3)/3

4. Đề xuất tiêu chí đánh giá và thang mức độ thích ứng với khí hậu

Theo mục 2.3 và dựa trên sự đóng góp của HTBC để giảm năng lượng tiêu thụ của công trình, tăng cường các khả năng làm việc của HTBC ứng với điều kiện khí hậu TP.HCM là để đảm bảo tiện nghi nhiệt (i) và đảm bảo tiện nghi ánh sáng (ii). Trong đó, tiện nghi nhiệt là tiêu chí cần được ưu tiên hơn so với tiện nghi ánh sáng trên cơ sở mức độ sử dụng năng lượng điện. Những trường hợp kết quả tính toán có trị số không quá chênh lệch về tiện nghi nhiệt thì xem xét đến tiêu chí tiện nghi ánh sáng. Những trường hợp kết quả tính toán có khác biệt không đáng kể thì lựa chọn phương án đơn giản và tiết kiệm nhất. Các tiêu chí này (i, ii) được đánh giá thông qua việc xem xét các khả năng làm việc của HTBC là khả năng ngăn chặn BXMT, khả năng thông thoáng, khả năng truyền dẫn ánh sáng (theo giới hạn của nghiên cứu).

Theo số liệu điều tra các nhà dân dụng ở Hà Nội, Đà Nẵng và TP.HCM do Bộ Xây dựng và tổ chức IFC tiến hành [7], cơ cấu sử dụng năng lượng điện trong công trình công cộng ở nước ta thường theo thứ tự như sau: (1) Điều hòa không khí; (2) Chiếu sáng; (3) Thiết bị điện; (4) Nước nóng; (5) Thang máy; …, Còn cơ cấu sử dụng năng lượng đối với nhà ở thường theo thứ tự là: (1) Điều hòa không khí; (2) Nước nóng; (3) Thiết bị điện; (4) Chiếu sáng; (5) Thang máy … Cũng theo số liệu điều tra này, tiêu thụ điện của hệ thống thiết bị điều hòa không khí chiếm tỷ lệ lớn nhất.

4.1 Đảm bảo tiện nghi nhiệt (i):

Tính thích ứng về mặt tiện nghi nhiệt của HTBC được đề xuất là khả năng ngăn chặn BXMT kết hợp với khả năng thông thoáng trong HTBC. Các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, chế độ nắng… Với đặc điểm khí hậu tại TP.HCM và đặc biệt là với các nhà phố hướng Tây, BXMT (trực xạ) là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất và quan trọng nhất lên tiện nghi nhiệt trong nhà. Với các công trình thấp tầng thì cơ hội để nhận được các luồng gió mạnh là không nhiều, tuy nhiên tính chất thông thoáng của HTBC cũng giúp giải phóng một lượng nhiệt được tích tụ giữa các lớp của hệ thống.

4.2 Đảm bảo tiện nghi ánh sáng (ii):

Tính thích ứng về mặt tiện nghi ánh sáng được xác định thông qua khả năng truyền dẫn ánh sáng của cấu trúc. Khi đó, độ rọi trong phòng trên mặt phẳng khảo sát là có ảnh hưởng nhiều nhất. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09:2017/BXD, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7114-1:2008, Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam QCVN 12:2014/BXD và quyết định của Bộ Y tế QĐ/BYT 3733/2002 về tiêu chuẩn về ánh sáng trong phòng, độ rọi được lấy làm tiêu chuẩn trong các phòng ngủ là 100 lux.

4.3 Thang mức độ thích ứng của HTBC

Dựa vào khả năng ngăn chặn BXMT, khả năng thông thoáng và khả năng truyền dẫn ánh sáng của HTBC, mức độ đáp ứng các tiêu chí về tính thích ứng được đề xuất như Bảng 1. Trong đó, có 4 mức độ đánh giá cho mỗi tiêu chí riêng biệt và đánh giá chung từ cao đến thấp như sau: Tốt → Khá → Trung bình → Kém

5. Kết luận

Bài báo đã đưa ra khái niệm mới là “Mức độ thích ứng với khí hậu của hệ thống bao che kiến trúc”. Đồng thời, với ví dụ là mặt đứng nhà phố tại TP.HCM (một phần của hệ thống bao che), phương thức đánh giá ‘mức độ thích ứng” thông qua việc tính toán các khả năng làm việc (bao gồm khả năng ngăn chặn BXMT, khả năng thông thoáng và khả năng truyền dẫn ánh sáng) dựa trên các dữ liệu thu được bằng các phần mềm mô phỏng đã được làm rõ. Cuối cùng, tiêu chí và thang mức độ thích ứng cũng đã được đề xuất để làm mốc định lượng cho các KTS trong việc thiết kế HTBC cho các công trình thích ứng với điều kiện khí hậu, nâng cao hiệu quả thiết kế.