Ashui.com

Trong những năm gần đây, thế giới đang lên "cơn sốt" về vấn đề năng lượng. Nguồn năng lượng hóa thạch dễ sử dụng nhất như dầu mỏ, than đá, khí đốt… ngày càng cạn kiệt trong khi các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, nước…chưa được phát triển mạnh, nguyên nhân là do hiệu quả chưa cao, cách thức sử dụng còn khá phức tạp và chi phí đắt đỏ. Trong khi chờ đợi những giải pháp hiệu quả hơn cho việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, việc tiết kiệm năng lượng (TKNL) được xem như là biện pháp quan trọng và cần thiết trong giai đoạn hiện nay.

Thống kê cho thấy, các công trình xây dựng tiêu thụ đến gần một nửa nguồn năng lượng toàn cầu. Vì vậy, TKNL trong các công trình xây dựng góp phần đáng kể vào việc hạn chế tiêu thụ năng lượng của cả trái đất. Việt Nam cũng đã bước đầu tham gia vào phong trào TKNL của thế giới. Các quy định của Chính phủ về TKNL gần đây cho các công trình xây dựng là một trong những bước đi đầu tiên cho quá trình này.

Trong công trình xây dựng tại Việt Nam, các giải pháp TKNL phổ biến hiện nay tập trung ở 3 hệ thống kỹ thuật: Hệ thống chiếu sáng nhân tạo, cấp thoát nước và điều hòa không khí. Trong khuôn khổ bài viết này chỉ đề cập đến những hệ thống TKNL có ảnh hưởng đến giải pháp kiến trúc mà các kiến trúc sư (KTS) cần quan tâm.

Mở rộng diện tích cửa kính, tận dụng ánh sáng tự nhiên, tiết kiệm năng lượng điện

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO

Việc thay thế các thiết bị chiếu sáng thông thường bằng thiết bị TKNL hơn như đèn LED, đèn  Compact, đèn huỳnh quang hiệu suất cao (đèn T5 + chấn lưu điện tử)… là những giải pháp khá đơn giản, dễ thực hiện nhất và khả năng tiết kiệm được đến 40% tổng năng lượng chiếu sáng. Đây là giải pháp TKNL dễ thuyết phục chủ đầu tư thực hiện do thời gian thu hồi vốn nhanh (khoảng 1 đến 2 năm). Đi xa hơn vào kỹ thuật, có thể sử dụng hệ thống điều khiển thông minh giúp giảm hoặc cắt hẳn lượng chiếu sáng khi không cần thiết bằng các sensor, điều khiển tự động độ sáng của đèn theo ánh sáng ngoài trời hoặc tự tắt đèn khi không có người sử dụng.

Thông thường, KTS không tham gia trực tiếp vào việc quyết định chọn lựa thiết bị chiếu sáng. Tuy nhiên, giải pháp kiến trúc lại góp phần lớn vào việc giảm thiểu tổng công suất chiếu sáng toàn công trình.  Bổ sung ánh sáng tự nhiên qua các giải pháp bố trí hướng tòa nhà hợp lý, bố trí cửa sổ kết hợp lam chắn nắng hiệu quả, tận dụng các mặt phản xạ đưa ánh sáng ngoài trời vào sâu bên trong công trình cũng giúp giảm bớt lượng điện tiêu thụ cho chiếu sáng. Việc xác định yêu cầu độ sáng chính xác cho từng khu vực cũng góp phần giảm nhu cầu chiếu sáng, giúp giảm tổng công suất tiêu thụ.

Bên cạnh đó, KTS cũng cần phải cân nhắc khi chọn lựa giải pháp chiếu sáng tiết kiệm sao cho mang lại hiệu quả cao nhất. Thí dụ giải pháp sử dụng lam chắn nắng không hợp lý sẽ vừa tốn kém, lại vừa không mang lại hiệu quả TKNL chiếu sáng cho công trình; các giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng nội thất không khéo có khi không đáp ứng được yêu cầu công năng. Thí dụ một trung tâm thương mại ở TP.HCM sử dụng toàn bộ đèn LED để chiếu sáng khu vực bán hàng, dù hiệu quả TKNL cao nhưng kết quả là các sản phẩm trưng bày không bắt mắt (do ánh sáng đèn LED không làm cho sản phẩm đẹp lên) khiến các mặt hàng bán không chạy. Sau đó, đã phải điều chỉnh bổ sung thêm một số đèn halogen tăng cường và hiệu quả TKNL không còn nữa.

HỆ THỐNG CẤP THOÁT NƯỚC

Việc đầu tiên đối với TKNL cho hệ thống này là là tiết kiệm nước. Việc tiết kiệm nước giúp giảm nhu cầu cấp nước từ thủy cục, giảm công suất nhà máy lọc nước cũng như các trạm bơm, góp phần TKNL nguồn nước chung cho thành phố.  Việc lựa chọn thiết bị vệ sinh vô cùng quan trọng. Nếu biết chọn lựa thiết bị vệ sinh thế hệ mới thì có thể tiết kiệm được 20% lượng nước sử dụng. Bên cạnh đó, việc tận dụng nước mưa và nước thải xám - nước thải từ vòi sen, vòi rửa tay, máy giặt được xử lý và tái sử dụng - cũng góp phần tiết kiệm thêm 20%-30%.

Trong hệ thống cấp thoát nước, hệ thống cung cấp nước nóng là loại thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng nhất và có hiệu suất rất thấp. Bình nước nóng dùng điện có hiệu suất chỉ khoảng 10%-20%. Hiện nay, hệ thống bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời đang dần thay thế loại dùng điện và được đánh giá là hệ thống dùng năng lượng tái tạo hiệu quả, đơn giản và ít tổn thất năng lượng nhất.  Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là lệ thuộc vào thời tiết. Những ngày mưa bão hoặc trời nhiều mây thì hệ thống không thể hoạt động hoặc hoạt động với hiệu suất rất thấp. Để giải quyết trở ngại này người ta thường kết hợp thêm hệ thống đun nóng dùng điện (hoạt động khi trời không nắng).

Bên cạnh hệ thống nước nóng bằng năng lượng mặt trời, một loại hệ thống nước nóng khác cũng được sử dụng khá phổ biến là bơm nhiệt (heat pump), làm việc trên nguyên lý của điều hòa nhiệt độ 2 chiều, nhưng ngược với quy trình làm lạnh. Hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ trên 150 C cả ngày lẫn đêm. Hiệu suất của hệ thống này có thể cao gấp 4 lần hệ thống nước nóng sử dụng điện thông thường, nhưng có nhược điểm là thời gian để hệ thống làm nóng nước có thể đến nhiều giờ thay vì vài phút như hệ thống dùng điện, do vậy thiết bị cần có bình trữ nước nóng tương đối lớn so với hệ thống thông thường, đòi hỏi một không gian rộng để bố trí lắp đặt.

Người thiết kế kiến trúc khi tính toán hiệu quả cho hệ thống nước nóng cần chú ý đến vị trí lắp đặt sao cho thiết bị năng lượng mặt trời có thể thu được nắng nhiều nhất trong năm. Một lưu ý khác là do hệ thống bình nước nóng năng lượng mặt trời thường được đặt ở vị trí trên nóc công trình nên sẽ tham gia vào mặt đứng của công trình ở vị trí cao nhất, ảnh hưởng đến bố cục hình khối công trình, đó là điều KTS cần chuẩn bị trước các giải pháp để khắc phục. Ngoài ra, việc tận dụng nước mưa cũng đòi hỏi KTS suy nghĩ các giải pháp mái sao cho phù hợp với yêu cầu này.

• Ảnh bên: Tòa nhà "Điện gió và mặt trời" Trung tâm thương mại quốc tế Bahrain 

HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Điều hòa không khí là hệ thống tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong các công trình xây dựng. Giống như hệ thống chiếu sáng, đối với hệ thống điều hòa không khí thì việc chọn lựa thiết bị là một bước quan trọng trong TKNL. Người ta thường chú ý đến hệ số COP (Coefficient Of Performance) là hệ số thể hiện hiệu quả năng lượng của thiết bị. Với thiết bị thế hệ cũ COP thường <2.5, còn các thiết bị thế hệ mới tiết kiệm điện năng hơn thì COP sẽ khoảng >3.

Gần đây các thiết bị điều hòa không khí theo công nghệ biến tần inverter đã suất hiện nhiều trên thị trường Việt Nam có COP >4, giúp tiết kiệm đến khoảng 40% điện năng tiêu thụ. Thiết bị theo công nghệ này còn giúp ổn định nhiệt độ trong phòng hơn, dao động trong khoảng 1-20 C so với thiết bị cũ là 2-40 C. Nếu xét đến tính hiệu quả, giá các loại máy inverter cao hơn 3-4 triệu đồng cho máy 2 Hp so với máy bình thường cùng công suất và được sử dụng 8 giờ/ngày thì sau 1,5 năm sẽ có thể thu hồi vốn nhờ tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Tuy vậy, cần hiểu rằng hệ thống điều hòa không khí này chỉ hiệu quả khi vỏ bao che công trình được thiết kế đúng chuẩn mực - sử dụng vật liệu cách nhiệt tốt, chống thất thoát năng lượng qua khe cửa, hành lang…

Thiết bị điều hòa không khí bằng năng lượng mặt trời cũng đã bắt đầu xuất hiện tại Việt Nam. Thiết bị này sử dụng trực tiếp năng lượng ánh sáng để làm mát không khí giúp tiết kiệm đến 50% lượng điện tiêu thụ với điều kiện trời có nắng nhưng không hoạt đông khi trời mưa bão hay nhiều mây. Do vậy thiết bị này hiện chỉ phù hợp cho các văn phòng làm việc (hoạt động ban ngày) và phải kết hợp với sử dụng điện lưới khi trời mưa.

Trong các dự án lớn, hệ thống điều hòa không khí trung tâm đòi hỏi một giải pháp phức tạp hơn do các khu vực trong tòa nhà không sử dụng hệ thống điều hòa không khí đồng thời. Hiện nay, hệ thống điều hòa không khí VRV (Variable Refrigerant Volume: máy điều hòa không khí có thể thay đổi công suất, còn được gọi là loại máy 1 mẹ nhiều con) được sử dụng khá phổ biến do dễ dàng thay đổi công suất tùy theo nhu cầu sử dụng, nhờ vậy tránh được lãng phí khi nhu cầu thấp mà hệ thống trung tâm vẫn phải hoạt động với công suất cao.

Ở các công trình sử dụng hệ thống Water Chiller (loại máy điều hòa không khí trung tâm dẫn lạnh bằng nước) nếu kết hợp thêm hệ thống VAV (Variable Air Volume) tự động điều khiển lưu lượng gió theo lập trình (có thể lập trình theo giờ trong ngày, theo mùa trong năm) sẽ giúp phân phối gió hợp lý đến từng khu vực nhỏ, tiết kiệm khá nhiều năng lượng điện. Hệ thống này còn có ưu điểm là có thể kết hợp chung 2 hệ thống làm lạnh và sưởi ấm, thích hợp với khu vực có khí hậu nóng vào mùa hè và lạnh vào mùa đông như các tỉnh phía Bắc.

Đối với các hệ thống lạnh lớn như ở các trung tâm mua sắm, siêu thị... ; hệ thống bình trữ lạnh được xem là giải pháp đem lại hiệu quả cao. Nguyên tắc của hệ thống này không phải là giảm lượng điện tiêu thụ mà là phân bố lại lượng điện tiêu thụ không tập trung vào giờ cao điểm, phân bớt lại vào giờ thấp điểm. Hệ thống sẽ hoạt động vào ban đêm và tích trữ lạnh vào một bồn chứa. Sau đó vào ban ngày bồn trữ lạnh này sẽ cung cấp nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí làm giảm lượng điện tiêu thụ giờ cao điểm. Với giá điện giờ cao điểm hiện nay đang gấp 3 lần so gới giờ thấp điểm thì hệ thống này giúp tiết kiệm đáng kể chi phí điện cho hệ thống điều hòa không khí. Do các hệ thống thủy điện hoạt động 24/24 nhưng nhu cầu dùng điện thì lại tập trung vào giờ cao điểm nên thực tế đã có một lượng điện thừa khá nhiều vào giờ thấp điểm (ban đêm). Như vậy hệ thống trữ lạnh đã tận dụng được lượng điện thừa này và giảm bớt được nhu cầu dùng điện vào giờ cao điểm (ban ngày), có nghĩa tiết kiệm được một lượng dầu đáng kể cho các nhà máy nhiệt điện bổ sung. Nhược điểm của hệ thống này là hệ thống vận hành phức tạp hơn và giá thành đầu tư cũng cao hơn. Ngoài ra, hệ thống còn chiếm một không gian khá lớn cho bồn trữ lạnh đòi hỏi người thiết kế phải tính toán vị trí lắp đặt sao cho không ảnh hưởng đến bố cục chung của công trình.

Trong các giải pháp TKNL từ hệ thống điều hòa không khí thì nhiệm vụ của KTS là làm sao giảm bớt tổng công suất của hệ thống bằng cách giảm tổng tải nhiệt của công trình. Đó là các giải pháp kiến trúc hợp lý cho hướng của công trình, cho vỏ bao che sao cho đạt được giá trị tổng lượng nhiệt hấp thụ trên m2 qua vỏ bao che công trình (OTTV) nằm trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn. OTTV (Overal Thermal Transfer Value) là một hệ số không mới nhưng rất ít được KTS quan tâm. Giá trị này liên quan rất nhiều đến giải pháp kiến trúc, giải pháp cách nhiệt và chọn lựa vật liệu cho vỏ bao che công trình đồng thời cũng quyết định đến tổng tải nhiệt cho tòa nhà.

Ngoài ra, các thiết bị giải nhiệt của hệ thống điều hòa không khí thường được bố trí trên nóc tòa nhà và đó cũng là một trở ngại cho KTS trong việc hoàn chỉnh mặt đứng công trình.

Ở một góc độ khác, TKNL bằng cách sử dụng nguồn năng lượng tái tạo - như pin mặt trời, tuabin gió (và một số nguồn năng lượng sạch khác chưa phổ biến tại Việt Nam) cũng là những giải pháp thân thiện môi trường. Hệ thống tua-bin gió thường có tiếng ồn lớn nên không phù hợp khi lắp đặt trong công trình mà chỉ thích hợp cho các dự án cấp điện quốc gia quy mô lớn. Hệ thống pin mặt trời được xem là dễ áp dụng cho các công trình kiến trúc, vừa giúp giảm bức xạ nhiệt trên mái vừa cung cấp nguồn năng lượng sạch cho công trình. Tuy nhiên, hệ thống này cũng đòi hỏi việc bảo trì thường xuyên nếu không sẽ rất dễ hư hỏng. Việc trữ điện thu được để sử dụng vào ban đêm cũng khó khăn vì hệ thống lưu điện có tuổi thọ không cao. Theo tính toán thì thời gian thu hồi vốn cho hệ thống pin mặt trời thường kéo dài trên 10 năm đến 20 năm, vì vậy rất khó thuyết phục khách hàng đầu tư hệ thống này nếu như không có sự hỗ trợ kinh phí từ phía Chính phủ (như một số nước trên thế giới đang áp dụng).

Nếu hệ thống pin mặt trời được áp dụng cho dự án thì có lẽ đây là hệ thống có thể ảnh hưởng nhiều nhất đến hình khối công trình. Các tấm pin mặt trời cần được lắp đặt sao cho nhận được nhiều nắng nhất trong năm, đòi hỏi KTS phải tính toán chính xác hướng, góc nghiêng của mái, vách. Một số tấm pin mặt trời thế hệ mới cho phép chỉ thu 50% ánh nắng, phần còn lại cho ánh sáng xuyên qua nên có thể áp dụng cho các vách kính mặt đứng hướng nắng.

Nhìn chung, qua khảo sát một số công trình thực tế thì giải pháp TKNL cho hệ thống chiếu sáng và điều hòa không khí là được ứng dụng nhiều nhất tại Việt Nam có lẽ do chủ đầu tư nhìn thấy hiệu quả rõ rệt nhờ thời gian thu hồi vốn nhanh. Tuy nhiên các giải pháp này tập trung vào việc chọn lựa thiết bị TKNL nhiều hơn là chú ý đến các giải pháp hiệu quả năng lượng từ vỏ bao che công trình. Nguyên nhân có thể do các KTS tập trung vào tính thẩm mỹ của công trình nhiều hơn là hiệu quả năng lượng và nhà đầu tư cũng chưa nhận thức rõ vấn đề này.

Nếu nhìn ở góc độ thiết kế thì có thể thấy các giải pháp TKNL hiện nay thực ra không làm đổi mới thiết kế kiến trúc, nhưng nó làm thay đổi suy nghĩ của người thiết kế. Các KTS sẽ phải cân nhắc giữa một giải pháp hình khối tự do, mặt đứng toàn kính theo thị hiếu hiện nay hay một giải pháp kiến trúc thích ứng với khí hậu địa phương, phù hợp với việc hạn chế hấp thu nhiệt từ bầu trời để TKNL. Nói cách khác các giải pháp TKNL cho công trình có vẻ như khiến các KTS phải quay lại với phong cách kiến trúc truyền thống thích ứng với khí hậu nhiệt đới mà các thế hệ KTS tiền bối đã áp dụng ở Việt Nam từ vài mươi năm trước. Tuy nhiên với sự phát triển liên tục của xu hướng kiến trúc đương đại, các KTS trẻ Việt Nam chắc chắn sẽ tìm ra những giải pháp kiến trúc vừa hiện đại, mới mẻ nhưng cũng vừa đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả năng lượng.

Một điều cần lưu ý là các giải pháp TKNL nêu trên cho các công trình xây dựng tuy không mới, nhưng để vận dụng một cách hợp lý giữa thiết kế và kỹ thuật, đòi hỏi người KTS phải có kiến thức nhất định về hệ thống kỹ thuật và áp dụng vào công việc thiết kế của mình sao cho đem lại hiệu quả tốt nhất./.

KTS Trần Khánh Trung - Công ty thiết kế TTT Architects,
KTS Lý Thúy Hương - Trung tâm tiết kiệm Năng lượng - ECC, TPHCM