- Tham gia
- 11/1/24
- Bài viết
- 51
- Chủ đề Tác giả
- #1
1. Mô hình nhà ở hiệu quả năng lượng khởi nguồn từ Đức
(Nguồn: PHI, 2016)
Đức là quốc gia dẫn đầu thế giới về khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật môi trường nói riêng, trong đó có công nghệ năng lượng, chú trọng đặc biệt đến ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống, đem lại hiệu quả cao và những lợi ích thiết thực cho cộng đồng. Ngay từ năm 1991, chỉ một năm sau ngày nước Đức thống nhất, ngôi nhà thụ động đầu tiên trên thế giới (dịch từ thuật ngữ tiếng Đức là Passivhaus) đã được hoàn thành ở thành phố Darmstadt thuộc tiểu bang Hessen miền Trung nước Đức, gồm bốn căn nhà cao 2,5 tầng (3 tầng phía trước và 2 tầng phía sau, mái dốc) với tổng diện tích sàn 156 m2/căn kiểu khối ghép, được thiết kế và thi công bởi GS.TS Wolfgang Feist và cộng sự (Hình 1). Tính năng đặc biệt của ngôi nhà: Năng lượng tiêu thụ cho việc sưởi ấm chỉ ở mức 15 kWh/m2 năm, bằng 1/5 so với các ngôi nhà tiết kiệm năng lượng khác tại Đức, đã thực sự gây tiếng vang và mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp xây dựng, không chỉ ở Đức mà còn cho toàn Liên minh Châu Âu và phát huy ảnh hưởng tầm quốc tế. Năm 1996, GS.TS Wolfgang Feist và cộng sự đã quyết định thành lập Viện Nhà ở Thụ động (Passivhaus Institut – PHI) tại thành phố Darmstadt, chuyên nghiên cứu một cách có hệ thống về công trình hiệu quả năng lượng và phát triển một công cụ gọi tắt là PHPP (Passivhaus Projektierungspaket trong tiếng Đức và Passive House Planning Package trong tiếng Anh, tạm dịch: Gói Hướng dẫn thiết kế Nhà thụ động) với tính năng: Hỗ trợ thiết kế – tính toán các thông số đầu ra có liên quan đến hiệu quả năng lượng (như năng lượng sưởi ấm, năng lượng làm mát, nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo cần thiết và lượng thực tế khai thác được, … tính theo năm dựa trên những thông số cơ bản đầu vào như hướng nhà, diện tích sàn, diện tích cửa sổ – cửa đi, các dữ kiện về khí hậu của từng khu vực, các cấu kiện xây dựng,…). Phiên bản mới nhất đang được sử dụng là PHPP-9. Ngoài ra, PHI còn là đơn vị tư vấn thiết kế và kiểm định năng lượng công trình (có đội ngũ chuyên gia riêng), trao chứng chỉ cũng như gắn biển “Nhà Thụ động” cho các hồ sơ. Tính đến năm 2014, theo số liệu thống kê của Hiệp hội Nhà Thụ động Quốc tế (IPHA), đã có hơn 50.000 công trình khắp thế giới đạt tiêu chuẩn và được cấp chứng nhận “Nhà Thụ động”. Trong đó, nước Đức – quê hương của mô hình này – đã chiếm một nửa (IPHA, 2015). So với nhà thụ động thế hệ thứ nhất những năm 1990, nhà thụ động thế hệ thứ ba ngày nay đã đạt hiệu năng cao hơn gần gấp đôi: Năng lượng cho việc sưởi ấm và làm mát giảm xuống chỉ còn 8 kWh/m2 năm (PHI, 2018).
(Nguồn: PHI, 2016)
Ghi chú: Thermische Solaranlage (optional) – Thiết bị thu nhiệt mặt trời (tùy chọn); Passivhausfenster (Dreifachverglasung oder Kastenfenster) – Cửa sổ trong nhà thụ động (lắp 3 lớp kính hoặc cửa dạng khung hộp); Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung – Thiết bị thông gió với tính năng thu hồi nhiệt; Erdwärmetauscher – Máy trao đổi địa nhiệt; Sehr gute Wärmedämmung – Lớp cách nhiệt rất hiệu quả; Zuluft – Khí cấp (khí tươi); Abluft – Khí xả (khí bẩn)
Tính ưu việt của nhà thụ động được thể hiện trên nhiều khía cạnh:
- Tạo lập và duy trì mức độ tiện nghi nhiệt cao cho người sử dụng;
- Hoàn toàn chủ động cung cấp lượng khí sạch cho tất cả các phòng trong mọi điều kiện, mọi thời điểm trong năm;
- Không gây tác động tiêu cực đến môi trường;
- Năng lượng và chi phí sưởi ấm và/hoặc làm mát rất thấp;
- Điều chỉnh các thông số tiện nghi nhiệt dễ dàng, loại trừ phần lớn các tác nhân không mong muốn như hơi ẩm, nấm mốc, bụi, vi sinh vật gây hại, … (PHI, 2015).
(Nguồn: Detlef Glücklich, 2005)
Để đạt được chất lượng như vậy, bốn điều kiện bắt buộc phải được đáp ứng:
- Toàn bộ lớp vỏ bao che phải được cách nhiệt rất tốt;
- Hệ thống lọc và cấp khí tươi hiệu năng cao được lắp đặt;
- Công trình đảm bảo độ kín hơi, ngăn chặn các tác động không mong muốn xâm nhập vào không gian bên trong như bức xạ và hơi nóng (mùa hè), không khí lạnh (mùa đông) và các tác nhân gây ô nhiễm từ các phương tiện giao thông lưu hành và những hoạt động sinh hoạt, sản xuất hàng ngày;
- Các thiết bị năng lượng tiên tiến, được chứng thực “hiệu quả năng lượng”, từ thiết bị lớn như điều hòa không khí, máy giặt, tủ lạnh, cho đến thiết bị nhỏ như đèn bàn làm việc (Hình 2) (PHI, 2016).
Trước hết, cần khẳng định nhà ở thụ động là công trình công nghệ cao (high-tech), đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu lớn, nhưng lại có nguyên lý hoạt động khá đơn giản: cần đạt tính tối ưu về thiết kế, thể hiện qua bốn nguyên lý:
- Hướng công trình tối ưu;
- Hình dạng công trình tối ưu;
- Sơ đồ bố trí mặt bằng tối ưu;
- Kết cấu bao che tối ưu;
- Và, được xem là khía cạnh thứ năm – cũng không kém phần quan trọng – là ý thức của người sử dụng. Nếu năm khía cạnh nói trên không được đảm bảo thì sự hỗ trợ của kỹ thuật và công nghệ sẽ khó phát huy tác dụng
Hình dạng công trình cũng rất quan trọng khi xem xét lựa chọn các phương án thiết kế theo tiêu chí hiệu quả năng lượng. Cùng một khối tích, diện tích mặt ngoài của các hình khối khác nhau sẽ thay đổi, mà diện tích mặt ngoài lại tỷ lệ thuận với sự trao đổi nhiệt độ giữa công trình và môi trường xung quanh (hay còn gọi là tổn thất nhiệt – Wärmeverlust trong tiếng Đức hoặc heat loss trong tiếng Anh). Chính vì vậy, tỷ lệ A/V (Außenwand/Volumen – Mặt tường ngoài/Khối tích) được các nhà khoa học Đức đề xuất để so sánh tính hiệu quả về năng lượng của các hình dạng công trình khác nhau trong quá trình tìm ý tưởng thiết kế, từ đó chọn ra phương án thích hợp hoặc nếu có thể là phương án tối ưu. Một hình bán cầu có bán kính r = 4,5 m được lấy làm chuẩn, với A/V = 1. Kết quả của việc thay đổi hình khối khi giữ nguyên thể tích được thể hiện qua Hình 3a, với các hình dạng được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về trị số A/V. Ngoài ra, cùng một số lượng đơn vị tổ hợp, trị số A/V sẽ biến đổi tùy thuộc cách thức sắp xếp được trình bày trên Hình 3b. Chẳng hạn như khối hộp chữ nhật với các kích thước R x D x C = 10 m x 20 m x 5 m sẽ có A/V = 0,7 nếu đứng một mình. Khi ghép bốn khối với nhau theo bốn kiểu: Xoay bốn cạnh tạo lõi rỗng ở giữa (sân trong), dàn hàng 4 x 1, chồng khối 2 x 2 và chồng khối 2 x 2 gập góc chữ L sẽ cho kết quả A/V tương ứng là 0,55 – 0,55 – 0,45 – 0,4. Càng ghép nhiều khối với nhau, tỷ lệ A/V càng giảm. Với 12 khối xếp chồng kiểu 3 x 4, trị số A/V chỉ còn 0,27 (Detlef Glücklich, 2005). Do vậy, các chuyên gia năng lượng luôn khuyến khích giải pháp ghép khối, giảm thiểu diện tích tường ngoài nếu không có yêu cầu gì đặc biệt về kiến trúc, hướng tới tính hiệu quả năng lượng cho công trình.
Yếu tố tiếp theo, sau khi công trình đã xác định được hướng và hình khối được lựa chọn, sẽ là sơ đồ bố trí mặt bằng. Trên các hướng thuận lợi (được ánh nắng buổi sáng sưởi ấm, đón gió mát, thoáng đãng và có điểm nhìn đẹp – thay đổi tùy điều kiện thực tế tại địa điểm xây dựng), nên bố trí các không gian chức năng chính, các không gian chức năng phụ sẽ án ngữ các hướng bất lợi (bị ảnh hưởng bởi gió nóng/lạnh, bức xạ nhiệt buổi chiều, …) (phương án A) sẽ tốt hơn nhiều so với trường hợp ngược lại (phương án B). Phương án A cho thấy tác dụng “kép” khi các không gian quan trọng trong công trình (yêu cầu cao về tiện nghi nhiệt, tập trung đông người và thời gian sử dụng lâu) không chỉ tận dụng các yếu tố khí hậu và cảnh quan thuận lợi mà còn được bảo vệ khỏi những tác động bất lợi của khí hậu tại cùng thời điểm và địa điểm do được các không gian phụ trợ “che chắn”. Thông gió và chiếu sáng tự nhiên, ngoại trừ trong một số trường hợp thời tiết cực đoan, luôn chất lượng hơn thông gió và chiếu sáng nhân tạo, đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt ý nghĩa đối với việc sưởi ấm và làm mát cho công trình
Khi ba yếu tố đầu tiên được đảm bảo, kết cấu bao che (tường bao và mái) sẽ đóng vai trò quyết định khi công trình vận hành, với thời gian kéo dài nhiều năm theo vòng đời được thiết kế. Nói một cách hình ảnh, nếu công trình được ví như một cơ thể sống thì kết cấu bao che chính là bộ da. “Bộ da” đó có tác dụng cân bằng nhiệt giữa công trình với môi trường xung quanh, điều tiết lượng nhiệt truyền qua khi có sự tương tác giữa không gian bên trong và môi trường bên ngoài. Yêu cầu đặt ra đối với kết cấu bao che (lớp vỏ) của công trình là bền chắc, không bị biến dạng khi nhiệt độ thay đổi, kín khít nhằm tránh hiện tượng thẩm thấu của khí nóng (mùa hè) hoặc hơi lạnh (mùa đông), và ngăn ngừa khả năng nước gây ngấm dột. Ở các nước xứ lạnh, kết cấu bao che còn được mở rộng đối với sàn của tầng trệt hoặc tầng hầm, bởi vì sự thẩm thấu nhiệt cũng diễn ra trên diện tiếp xúc của sàn nhà và nền đất, mà tỷ lệ này lại khá cao trong các công trình thấp tầng. Các kết cấu bao che như mái, tường ngoài, sàn, … thường được cách nhiệt bằng các loại vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ dạng xơ, sợi với độ xốp thay đổi tùy theo phương thức chế tạo với độ dày thông thường dao động 10 – 30 cm. Nhìn chung, hệ số truyền nhiệt qua các kết cấu có xử lý cách nhiệt đều yêu cầu dưới 0,5 W/m2K. Riêng đối với cửa đi và cửa sổ, kính một hoặc hai khoảng chân không (hai hoặc ba lớp kính đặt song song) được sử dụng rộng rãi với hệ số truyền nhiệt phổ biến – mức trung bình – tương ứng là 1,5 W/m2K và 0,7 W/m2K. Thông số kỹ thuật này được ghi rõ theo từng catalogue sản phẩm và có thể dao động trên biên độ tương đối rộng (1,1 – 1,8 W/m2K với kính hai lớp và 0,5 – 0,9 W/m2K với kính ba lớp tùy theo hãng cung cấp và công nghệ chế tạo). Bên cạnh đó, các vị trí đặc biệt như góc nhà, khuôn cửa, … – nơi hiện tượng thẩm thấu nhiệt rất dễ xảy ra – đòi hỏi xử lý riêng để đảm bảo độ kín khít. Đối với các nước nhiệt đới, việc cách nhiệt cho kết cấu bao che trong mùa hè cũng được đặt ra như một yêu cầu bắt buộc dù sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà không lớn bằng ở các nước xứ lạnh trong mùa đông.
Thỏa mãn cả bốn điều kiện nói trên, công trình vẫn chưa được coi là hiệu quả năng lượng nếu người sử dụng không có ý thức tiết kiệm và lựa chọn chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống trang thiết bị kỹ thuật, chẳng hạn như đóng kín cửa khi bật điều hòa không khí, tắt thiết bị khi không sử dụng hoặc không thực sự cần thiết, chọn giá trị cận trên thay vì cận dưới trong khoảng nhiệt độ của điều hòa không khí được các chuyên gia khuyến cáo thiết lập tương ứng với mỗi điều kiện khí hậu và từng trạng thái thời tiết, …
Gọi là “thụ động”, nhưng công trình lại “chủ động” trong việc khai thác năng lượng mặt trời (mọi nơi) và một số nguồn năng lượng sạch khác năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, … tùy theo tiềm năng của từng khu vực nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc năng lượng vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ mà việc khai thác ngày một khó khăn, chi phí gia tăng, tàn phá thiên nhiên và việc sử dụng gây ô nhiễm môi trường. Trên một nền tảng “tối ưu” có sẵn (về hướng, về hình khối, về cấu trúc mặt bằng, về cấu tạo lớp vỏ và về ý thức sử dụng như đã trình bày), khai thác năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng mặt trời, càng có ý nghĩa về sinh thái và môi trường. Kinh nghiệm của Đức cho thấy, với số giờ nắng trong năm chừng 2.000 giờ, cường độ bức xạ mặt trời mức trung bình khoảng 1.200 kWh/m2 năm, một mô-đun tấm pin mặt trời diện tích 11 m2 với góc nghiêng thích hợp quay về hướng chính nam có thể sản sinh một lượng điện năng là 1.000 kWh/năm (Detlef Glücklich, 2005). Với một ngôi nhà thụ động điển hình 2 tầng hướng chính Nam, tổng mức năng lượng sử dụng là 80 kWh/m2năm (tiêu chuẩn khống chế là 95 kWh/m2năm theo Viện Nhà ở Thụ động Darmstadt), diện tích sàn 50 m2/tầng, diện tích mái (dốc 45o về hai phía) sẽ là 70 m2, phần mái quay về hướng Nam rộng 35 m2 đủ để đặt 3 mô-đun tấm pin, có thể đáp ứng 37,5% nhu cầu điện năng tiêu thụ. Nếu mái dốc một chiều, diện tích mái hữu dụng tăng gấp đôi, tỷ lệ đóng góp của điện mặt trời cũng sẽ tăng tương ứng, 75%.
Bài viết liên quan
