Tính khả thi của văn phòng theo mô hình zero năng lượng ở Việt Nam

Công trình zero năng lượng (Zero Energy Building – ZEB) và sứ mạng giảm phát thải ròng về zero

Trong những giải pháp góp phần hiện thực hóa cam kết Thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu giai đoạn 2020 – 2030, được quan tâm và đặt kì vọng nhiều là thiết kế các công trình có mức tiêu thụ năng lượng trung bình cả năm bằng 0, hay còn gọi là Zero Energy Building (ZEB). Theo định nghĩa của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, ZEB là: “Tòa nhà tiết kiệm năng lượng, trong đó, trên cơ sở năng lượng nguồn, năng lượng thực tế được tiêu thụ hàng năm phải nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng tái tạo tại chỗ”. Bằng cách giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng đến mức tối đa và tự sản sinh ra năng lượng để duy trì hoạt động, các ZEB có thể giải quyết được bài toán về giảm thiểu lượng phát thải khí nhà kính nhưng vẫn đảm bảo duy trì sự tiện nghi và chất lượng môi trường sống của con người. Trong một viễn cảnh tích cực, các công trình ZEB sẽ trở thành hình thức xây dựng cơ bản trên mọi nền kinh tế, đóng góp tích cực vào xu hướng phát triển bền vững toàn cầu.

Hình 1: Ảnh chụp Trung tâm Bullitt, Hoa Kỳ (Nguồn: @ Benjamin Benschneider, giấy phép Creative Commons).

Nghiên cứu và vận dụng ZEB có thể mang lại những cải cách lớn đối với lĩnh vực kiến trúc xây dựng Việt Nam, đặc biệt là khi Thủ tướng chính phủ đã có những cam kết mạnh mẽ ở hội nghị COP 26 nhằm hướng tới mục tiêu phát thải bằng 0 – Net Zero vào năm 2050 [1]. Nghiên cứu này đề cập đến các vấn đề về tính khả thi và các giải pháp thiết kế ZEB dành cho các công trình văn phòng, cũng là loại hình kiến trúc đang có tốc độ phát triển nhanh chóng tại các TP lớn ở Việt Nam.

Những văn phòng ZEB điển hình đã vận hành trên thế giới

Ngày càng nhiều văn phòng ZEB được xây dựng thành công, có thể kể đến một vài công trình văn phòng ZEB tiêu biểu như Trung tâm Bullitt (Seatle, Hoa Kỳ), Văn phòng La Jolla Common II (Hoa Kỳ), Văn phòng 550 Spencer (Tây Melbourne, Úc), Tòa nhà SUSTIE (Nhật Bản)…

Trung tâm Bullitt (Seatle, Hoa Kỳ): được xem là biểu tượng công trình thương mại xanh nhất trên thế giới, được cấp chứng nhận Living Building, tiêu chuẩn cao nhất dành cho các công trình phát triển bền vững. Tòa nhà có 06 tầng với tổng diện tích xây dựng là 4.800m2. Chi phí xây dựng lên tới 18,5 triệu USD, nhưng được hoàn lại khoảng 1,7 triệu USD/năm (355 USD/m2/năm) nhờ vào chiến lược thiết kế hiệu quả năng lượng như:

• Tất cả không gian đều trang bị cửa sổ kính tiêu chuẩn cao, có hệ thống rèm và kết cấu chắn nắng điều khiển linh hoạt; nhằm phục vụ chiến lược thông gió và chiếu sáng tự nhiên;
• Hệ thống chiếu sáng ban ngày tích hợp cảm biến, tắt khi không có người dùng. Hệ thống đèn LED chiếu sáng bổ sung tiết kiệm điện năng;
• Hệ thống địa nhiệt cung cấp năng lượng sưởi và làm mát sàn;
• Mái có độ vươn lớn để lắp đặt 575 tấm pin năng lượng mặt trời cho sản lượng điện lên đến 243.671 kWh. Phần điện năng dư thừa được hòa vào lưới điện lưu trữ; và lấy ra dùng khi cần thiết.

Hình 2: Ảnh chụp Trung tâm Mosaic, Canada (Nguồn: @Flickr, giấy phép Creative Commons)

Trung tâm Mosaic (Nam Edmonton, Canada): Đây là tòa nhà thương mại cộng đồng đạt được mục tiêu “năng lượng bằng không” đầu tiên và lớn nhất ở Canada. Tòa nhà rộng 2.970m2 này có giá 10,5 triệu đô la. Các chiến lược thiết kế tòa nhà có thể kể đến như:

• Giảm tải điện chiếu sáng nội thất tối đa; sử dụng các nguồn ánh sáng tự nhiên và chỉ dùng ánh sáng nhân tạo khi thật sự cần thiết;
• Hệ thống bơm địa nhiệt phục vụ sưởi ấm và làm mát công trình. Bãi đậu xe ở phía Bắc của tòa nhà được chuyển đổi thành một cánh đồng địa nhiệt với 32 lỗ khoan sâu đến 70m;
• Các cửa sổ kính không đóng kín mà vận hành linh hoạt có thể mở rộng nhằm phục vụ thông gió và điều hòa nhiệt độ vào mùa hè;
• 700 tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái và mặt đứng, tổng công suất mà hệ thống này cung cấp cho tòa nhà là 213 kW, đáp ứng đủ lượng năng lượng mà tòa nhà này tiêu thụ trong cùng một khoảng thời gian tương ứng.

Có thể thấy, các chiến lược ở những ZEB kể trên sẽ tập trung xoay quanh hai nguyên tắc chính: (a) Giảm thiểu nhu cầu sử dụng năng lượng (đặc biệt là nhu cầu sưởi ấm, làm mát và thông gió) trong các tòa nhà về mức tối thiểu thông qua các biện pháp thiết kế và vận hành hiệu quả năng lượng [2]; (b) bù đắp lượng năng lượng đã tiêu thụ bằng cách áp dụng các nguồn năng lượng tái tạo như quang điện, địa nhiệt,… [3].

Các thách thức

Trong khoảng 300 dự án ZEB được liệt kê trong Bản đồ thế giới của Chương trình Sưởi ấm và Làm mát (SHCB) thuộc Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), hơn 90% được định vị ở các khu vực phát triển của Liên minh Châu Âu và Hoa Kỳ, hầu hết là những vùng có khí hậu lạnh hoặc ôn đới. Điều này dẫn đến có rất nhiều nghiên cứu về các chiến lược thụ động và chủ động phục vụ nhu cầu sưởi ấm, tận dụng giữ nhiệt và bức xạ mặt trời.

Trái lại, ở các nước đang phát triển hoặc các vùng khí hậu nóng ẩm hoặc nóng khô, việc thiết kế ZEB dường như chưa được đẩy mạnh, có lẽ xuất phát từ vấn đề thiếu hụt tài chính và các công nghệ khoa học tiên tiến cũng như các thách thức về giải quyết tải nhiệt dư thừa của khí hậu nóng. Điều này đặt ra sự tập trung vào các chiến lược thụ động với khoản đầu tư ban đầu tương đối thấp, kết hợp các chiến lược chủ động hiệu suất cao, nhằm thúc đẩy các cơ hội phát triển ZEB. Đối với các nước đang phát triển nằm hoàn toàn ở trong vành đai khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, cần chú trọng vào các thiết kế cho nhu cầu làm mát, các biện pháp thông gió, cách nhiệt che nắng kĩ càng. Yêu cầu chống nóng này là rất thách thức, so với các yêu cầu chống lạnh ở các nước có khí hậu mát mẻ. Tuy vậy, về sản xuất năng lượng tái tạo cho công trình, Việt Nam lại có lợi thế rất lớn đối với khai thác năng lượng mặt trời, khi số giờ nắng trong năm cao (Hà Nội khoảng 1.500 giờ/năm, Đà Nẵng 2.200 giờ/năm và Sài Gòn 2.500 giờ/năm) và cường độ bức xạ mặt trời lớn (4 kWh/m2 ngày ở miền Bắc và 5-6 kWh/m2 ngày ở miền Trung và miền Nam).

Thiết kế văn phòng zeb tại Việt Nam có khả thi hay không?

Để đánh giá tính khả thi của việc xây dựng ZEB trong điều kiện khí hậu Việt Nam, các phương pháp phân tích tiên tiến với khả năng định lượng quá trình trao đổi nhiệt trong công trình phải được sử dụng. Nghiên cứu này sử dụng chương trình Energy Plus 8.8.0 để lập mô hình năng lượng văn phòng ở Việt Nam cũng như thực hiện các cân chỉnh và tính toán hiệu quả năng lượng khi áp dụng các giải pháp chiến lược thụ động và chủ động.

Mô hình làm hình mẫu là một tòa nhà văn phòng đơn chức năng, thuộc phân hạng A, có hình khối độc lập với các công trình lân cận. Mô hình cũng được chia thành 3 dạng hình khối công trình tiêu biểu (hình hộp, hình trụ tròn, hình tam giác). Mỗi khối công trình có 01 tầng hầm và 10 tầng nổi (bao gồm 01 tầng đế, 08 tầng điển hình, 01 tầng mái). Phương pháp đánh giá được thực hiện từng bước sau đây;

Thiết lập mô hình cơ sở

Các thiết lập mô hình cơ sở tuân theo tiêu chuẩn thiết kế và thực tế phổ biến đối với xây dựng tòa nhà văn phòng Việt Nam (tiêu chuẩn nhà cao tầng TCXDVN 323:2004 [4]), bao gồm một số đặc điểm cụ thể như:

• Tường ngoài là gạch trát vữa sơn hoàn thiện và không có cách nhiệt. Tường nội thất là gạch trát hoặc vách ngăn thạch cao. Mái bê tông cốt thép. Cửa kính 01 lớp không có mái che;
• Sử dụng hệ thống điều hòa trung tâm giải nhiệt bằng gió, đặt trên mái (VRF), cài đặt nhiệt độ ở mức 25oC;
• Sử dụng thiết bị văn phòng: máy tính để bàn, máy tính cá nhân, hệ thống máy chủ, máy in, máy phô tô, tủ lạnh, máy scan, ấm đun nước nóng với hoạt động 8h/ngày; 90% số người được trang bị máy tính để bàn (250 W/máy), 90% văn phòng có máy in, scan, photocopy (1.200 W/máy);
• Sử dụng các thiết bị chiếu sáng: đèn huỳnh quang T8, đèn compact, đèn led với phân bố 3W/m2 cho không gian văn phòng, 2W/m2 cho thang máy, 2W/m2 cho tầng hầm.

Để giảm thời gian tính toán cho mỗi lần mô phỏng, 08 tầng điển hình đã được thay thế bằng một tầng duy nhất trong mô hình năng lượng của EnergyPlus với hệ số nhân là 08 (xem hình 3), cho ra kết quả tương đương. Các tầng còn lại được lập mô hình như bình thường.

Hình 3: Thiết lập mô hình năng lượng cơ sở, phân vùng nhiệt với 03 kiểu hình khối trong phần mềm EnergyPlus (nguồn: tác giả).

Ba khối mô hình cơ sở cho ra kết quả suất tiêu hao năng lượng (Energy Use Intensity – EUI) của công trình là: EUI Khối hộp = 119,71 kWh/m2/năm; EUI Khối trụ tròn = 121,09 Wh/m2/năm; EUI Khối lăng trụ tam giác = 114,74 kWh/m2/năm. Kết quả này đã được thực hiện cân chỉnh mô hình tương đương với chỉ số trung bình năng lượng các tòa nhà văn phòng toàn quốc EUItb = 112,39 kWh/m2/năm, tương tự kết quả báo cáo của Chương trình năng lượng sạch Việt Nam (VCEP) [5]. Cách tiếp cận này có thể tìm thấy trong nhiều nghiên cứu khác như của Zheng và Weng [6] hay Huang và Gurney [7].

Cải tiến mô hình bằng cách vận dụng các chiến lược thiết kế và vận hành công trình thụ động

Từ mô hình cơ sở, chúng tôi vận dụng các chiến lược thiết kế và vận hành thụ động để giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ tòa nhà. Trên cơ sở tìm hiểu, tổng hợp nhiều nghiên cứu địa phương [8] [9], các tiêu chuẩn hướng dẫn [10] [11] cùng với một số nguyên tắc kinh nghiệm, tác giả đưa ra các giải pháp thiết kế và vận hành công trình thụ động được phân thành những nhóm chiến lược như sau (đánh số thứ tự từ 1 đến 5):

1. Chọn góc và phương vị công trình tối ưu: Bố trí công trình theo phương Bắc- Nam. Hoặc góc xoay lệch Bắc theo chiều kim đồng hồ 90o-110o.
2. Thông qua lớp vỏ bao che và vật liệu xây dựng trong công trình để kiểm soát dòng nhiệt, hạn chế hấp thụ bức xạ mặt trời: Tường gạch lỗ xây 2 lớp, dày 250mm, ở giữa có lớp cách nhiệt Polyisocyanurate (PIR) dày 20mm, hệ số dẫn nhiệt 0,0182 W/m.k. Trát vữa hoàn thiện, sơn màu sáng có độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức tối thiểu SHCG = 0,25; Kính hộp low-e 3 lớp, sử dụng khí Agron làm lớp khí đệm giữa các mặt kính với độ dày 30mm, Tỉ lệ diện tích cửa kính so với vỏ bao che giảm về mức tối thiểu (15%). Bố trí ô văng che nắng cho tất cả các cửa sổ của công trình;
3. Điều hòa vẫn giữ mức tiện nghi nhiệt 25oC. Đảm bảo độ kín khí và thông gió tự nhiên. Áp dụng thông gió tự nhiên vào ban đêm (19h-4h hôm sau, mở toàn bộ cửa) và hạn chế mở cửa vào ban ngày, đóng kín cửa vào khoảng thời gian nóng nhất ban ngày (12h – 15h);
4. Bố trí chiếu sáng tập trung ở các vị trí làm việc, giảm chiếu sáng tổng thể, tương đương 6W/người (tính toán trên tiêu chuẩn 10m2/ người, chiều cao thông thủy của tầng là 3m). Sử dụng thiết bị với công suất nhỏ, tiết kiệm điện. Khuyến khích 80% nhân viên sử dụng laptop công suất 50W-75W, 20% sử dụng máy tính bàn, công suất 300W-350W; sử dụng máy in loại công suất 500W, lên lịch trình giờ in để mỗi ngày máy sẽ hoạt động 2h. Tổng suất năng lượng tiêu thụ đối với các thiết bị điện tương đương 80W/người;
5. Quy hoạch hành động người sử dụng: Không tăng ca, thời gian làm việc từ 8h-17h30, thứ 7 làm ½ ngày với 50% nhân lực; Giảm mật độ sử dụng thang máy, tăng cường sử dụng thang bộ đối với các khu vực tầng thấp hoặc các tầng liền kề. Tắt máy, rút nguồn điện khi không sử dụng thiết bị.

Kết quả, các chỉ số tiêu thụ năng lượng sau cải tiến thu được khá khả quan khi suất tiêu hao năng lượng công trình với 3 loại hình khối chỉ từ 26,92 – 27,20 kWh/m2/năm (xem hình 5). Chỉ số này cũng tương đương với khá nhiều nghiên cứu chiến lược thụ động ở các vùng có điều kiện khí hậu nóng ấm, ví dụ nghiên cứu Wei và Qianning [12], Kittisak và Daranee [13],…

Khai thác năng lượng tái tạo qua việc lắp đặt pin năng lượng mặt trời (PV)

Với các công trình trong đô thị, các tấm PV hoàn toàn có thể lắp đặt trên mái nhà hoặc trên mặt đứng. Trong nghiên cứu của chúng tôi, cách bố trí các tấm PV tuân theo tiêu chuẩn Hướng dẫn thiết kế năng lượng tiên tiến cho các tòa nhà văn phòng vừa và nhỏ: Đạt được năng lượng 0 (AEDGZE) do Hiệp hội về Phát triển kỹ thuật các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh, thông gió, điều hòa không khí Hoa Kỳ (ASHRAE) công bố.

Mặc dù đem lại hiệu suất thấp hơn khoảng 30-50% so với lắp đặt PV trên mặt mái do góc nghiêng không tối ưu, và thậm chí phải bù lại bằng cách lắp thêm nhiều tấm hơn [14], PV mặt đứng có thể giải quyết được thêm một phần năng lượng sản xuất tại chỗ cho công trình. Từ những định hướng trên, đề tài lập kịch bản lắp đặt và mô phỏng năng lượng của PV cho cả mái và mặt đứng công trình, trong đó bố trí PV theo diện Đông – Tây, mật độ chiếm 80% diện tích mái (xem hình 4).

Hình 4: Mô hình ZEB sau khi áp dụng các giải pháp thụ động và được lắp đặt PV (nguồn:tác giả).

Sau khi thực hiện mô phỏng trên EnergyPlus, kết quả cho thấy việc lắp đặt tấm PV mặt đứng đem lại hiệu suất thấp hơn hẳn so với đặt PV mặt mái, đặc biệt là PV mặt đứng khối trụ tròn và lăng trụ tam giác (xem bảng kết quả). Vì vậy khi thiết kế ZEB, giải pháp lắp đặt PV nên được nghiên cứu ngay từ đầu nhằm kiểm soát diện tích mái công trình thuận tiện cho phương án lắp đặt.

Bảng kết quả năng lượng sau khi lắp đặt PV đối với mô hình cải tiến hướng đến ZEB (Nguồn: tác giả).

Kết quả mô phỏng cho thấy các mô hình sau khi lắp đặt PV đều có tổng năng lượng sản xuất bằng/ hơn với tổng năng lượng tiêu thụ (xem hình 5). Dễ dàng nhận thấy, khối mô phỏng dạng hình hộp chữ nhật sẽ cho hiệu suất PV cao hơn các mô hình còn lại (thặng dư 1,51 kWh/m2/năm).

Hình 5: Suất tiêu hao năng lượng của các mô hình cơ sở, mô hình cải tiến và mô hình ZEB sau khi áp dụng các giải pháp thụ động và được lắp đặt PV (Nguồn:tác giả).

Những bàn luận

Qua những nghiên cứu bước đầu, việc xây dựng văn phòng theo hướng ZEB Việt Nam là khả thi về mặt lý thuyết.

Các chiến lược thiết kế và vận hành công trình thụ động tỏ ra khá hiệu quả trong việc làm giảm tiêu thụ năng lượng của tòa nhà, bao gồm các chiến lược liên quan đến tối ưu phương vị, lớp vỏ bao che và các vật liệu xây dựng, biện pháp thông gió, chiếu sáng, sử dụng thiết bị tiết kiệm điện và nâng cao ý thức con người. Trong khi đó, chiến lược sử dụng PV phụ thuộc nhiều vào diện tích mái công trình nhằm nâng cao hiệu suất tái tạo năng lượng, đặt ra vấn đề khi thiết kế ZEB cần phải suy nghĩ và lập kế hoạch ngay từ đầu đối với các giải pháp khai thác nguồn năng lượng tái tạo.

Các công trình văn phòng Việt Nam hiện nay có xu hướng thiết kế ngày càng cao tầng, tiêu thụ lượng năng lượng lớn và dẫn tới diện tích mái lắp đặt PV không đủ cho việc bù đắp năng lượng. Điều này có thể giải quyết bằng cách lắp đặt PV mặt đứng, dù rõ ràng hiệu suất của PV mặt đứng không cao so với mặt mái (≈ 30-70% tùy vào khối công trình).

Các tòa nhà văn phòng rất đa dạng về kiểu dáng, thiết kế, chất lượng kết cấu, cấu trúc hoạt động và mức độ hiệu quả năng lượng. Do đó, cần bổ sung và tạo ra nhiều biến thể hơn của mô hình cơ sở về hình khối, mặt bằng công năng công trình cũng như làm rõ biến động thông số hiệu quả năng lượng đối với từng giải pháp cụ thể; từ đó mở rộng đa dạng và toàn diện các kết quả nghiên cứu xoay quanh thiết kế văn phòng ZEB.

Phan Hạnh Liên
Khoa Kiến trúc & Mỹ thuật Ứng dụng, ĐH Duy Tân
PGS.TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn
Trưởng Khoa Kiến trúc, ĐH Bách khoa – ĐH Đà Nẵng
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 12-2022)

Tài liệu tham khảo
[1] Trường Sơn – Hồng Vân – Hoàng Hà – Văn Toản – Trung Hưng; “COP 26 và dấu ấn Việt Nam,” Báo Nhân Dân, 21 11 2021. [Trực tuyến]. Available: https://special.nhandan.vn. [Đã truy cập 15 4 2022];
[2] N. Saleh and K. Awni, “Zero energy building (ZEB) in a cooling dominated climate of Oman: Design and energy performance analysis,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 112, pp. 299-316, 2019;
[3] L. Matthew and M. Efstathios, “Grid-Independent Residential Buildings with Renewable Energy Sources.,” Energy, vol. 148, pp. 448-460, 2018;
[4] Viện nghiên cứu Kiến trúc, TCXDVN 323:2004 Nhà ở cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, Việt Nam: Bộ Khoa học & Công nghệ, 2004;
[5] Vietnam Clean Energy Program, United States Agency For International Development , “Creating the Capacity to Enable High Performance, Green Buildings,” VCEP, Hanoi, Vietnam, 2016;
[6] Y. Zheng and Q. Weng, “Modeling the effect of climate change on building energy demand in Los Angeles county by using a GIS-based high spatial-and temporal-resolution approach,” Energy, vol. 176, pp. 641-655, 2019;
[7] J. Huang and K. Gurney, “The variation of climate change impact on building energy consumption to building type and spatiotemporal scale,” Energy, vol. 111, pp. 137-153, 2016;
[8] Nguyễn Anh Tuấn – Võ Ngọc Dương; Lê Thị Kim Dung – Trần Anh Tuấn, “Nghiên cứu giải pháp thiết kế công trình thương mại ở việt nam thích ứng với biến đổi khí hậu nhằm giảm phát thải khí nhà kính giai đoạn 2050-2080 – Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học công nghệ cấp ĐH Đà Nẵng,” Đại học Đà Nẵng. Mã số: B2019-DN02-74, Đà Nẵng, Việt Nam, 2022;
[9] A. Nguyen and R. S., “A climate analysis tool for passive heating and cooling strategies in hot humid climate based on Typical Meteorological Year data sets,” Energy and Buildings, vol. 68, p. 756–763, 2014;
[10] Bộ Xây dựng, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2017/BXD Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả, Hà Nội, Việt Nam: Vụ Khoa học Công nghệ và Môi trường, 2017;
[11] American Society of Heating Refrigeration and Airconditioning Engineers, Advanced Energy Design Guide for Small to Medium Office Buildings: Achieving Zero Energy, 2019: ASHRAE, 2019;
[12] F. Wei and Z. Qianning, “A review of net zero energy buildings in hot and humid climates: Experience learned from 34 case study buildings,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, 2019;
[13] L. Kittisak and J. Daranee, “Modeling Energy Efficiency Performance and Cost-Benefit Analysis Achieving Net-Zero Energy Building Design: Case Studies of Three Representative Offices in Thailand.,” Building and Sustainable Energy: Technologies, Policie and Trends, 2021;
[14] T. Lin and F. Jang, “Study on the Performance of Vertical Solar PV Systems in Tropical Region,” Advances in Energy Engineering, vol. 3, 2015.