Giải Pháp Vỏ Bao Che Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Nhà Ga Hàng Không Tại Khu Vực Phía Nam Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH ---------------o.O.o---------------

MAI PHƯỚC MI ĐOL

GIẢI PHÁP VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC

TP. HỒ CHÍ MINH _ 2O18

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH ----------------------------------

MAI PHƯỚC MI ĐOL

GIẢI PHÁP VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: KIẾN TRÚC MÃ SỐ: 60 58 01 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: TS.KTS LÊ THỊ HỒNG NA

TP. HỒ CHÍ MINH _ 2O18

b

LỜI CẢM ƠN! Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Nhà trường và các lãnh đạo, các cán bộ trực thuộc trường vì đã tạo điều kiện, môi trường cho học viên học tập và nghiên cứu.

Thành thật cảm ơn giảng viên hướng dẫn TS.KTS Lê Thị Hồng Na / Với sự định hướng, ân cần của cô trong quá trình hướng dẫn luận văn đã thay đổi rất nhiều nhận thức và tư duy trong em về thực hiện một nghiên cứu khoa học.

Xin được trân trọng và cảm ơn các thành viên hội đồng. Học viên mong nhận được nhiều phê bình, góp ý của các thầy, cô để em hoàn thiện hơn nội dung nghiên cứu của luận văn.

i

MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt - giải thích thuật ngữ Danh mục hình ảnh - bảng biểu PHẦN I. MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 1 2. TỔNG QUAN VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI .............................. 2 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 3 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 4 5. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 4 6. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 4 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................ 4 8. CẤU TRÚC LUẬN VĂN .......................................................................................... 6 PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VỎ BAO CHE, NHÀ GA HÀNG KHÔNG VÀ KIẾN TRÚC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 1.1. Vỏ bao che công trình................................................................................. 7 1.1.1. Khái niệm, công năng và thành phần vỏ bao che ................................ 7 1.1.2. Lịch sử phát triển vỏ bao che ............................................................ 10 1.1.3. Tác động của môi trường đối với vỏ bao che .................................... 12 1.1.4. Hệ thống vỏ bao che nhiều lớp .......................................................... 13 1.2. Kiến trúc nhà ga hàng không ................................................................... 15 1.2.1. Khái niệm nhà ga hàng không ........................................................... 15 1.2.2. Chức năng và sơ đồ tổ hợp nhà ga hàng không ................................ 16 1.2.3. Kiến trúc nhà ga hàng không trên thế giới ........................................ 18 1.2.4. Kiến trúc nhà ga hàng không ở Việt Nam ......................................... 21 1.3. Kiến trúc tiết kiệm năng lượng ................................................................. 24

ii 1.3.1. Khái niệm kiến trúc tiết kiệm năng lượng ......................................... 24 1.3.2. Bối cảnh ra đời kiến trúc tiết kiệm năng lượng ................................. 25 1.3.3. Xu hướng kiến trúc tiết kiệm năng lượng trên thế giới ..................... 27 Kết luận chương 1 ........................................................................................... 28 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM 2.1. Cơ sở pháp lý ............................................................................................ 29 2.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế nhà ga hàng không ............................................. 29 2.1.2. Tiêu chuẩn - quy chuẩn liên quan kiến trúc tiết kiệm năng lượng .... 30 2.1.3. Quy chuẩn thiết kế vỏ bao che tiết kiệm năng lượng ........................ 31 2.2. Cơ sở lý luận ............................................................................................. 33 2.2.1. Nguyên tắc thiết kế quy hoạch và kiến trúc ...................................... 33 2.2.2. Yếu tố kỹ thuật và công nghệ ............................................................ 37 2.3. Cơ sở thực tiễn .......................................................................................... 45 2.3.1. Điều kiện khí hậu phía Nam Việt Nam ............................................. 45 2.3.2. Bài học kinh nghiệm về thiết kế vỏ bao che hai lớp ......................... 47 2.3.3. Bài học kinh nghiệm về thiết kế vỏ bao che tiết kiệm năng lượng ... 51 Kết luận chương 2 ........................................................................................... 52 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM 3.1. Nguyên tắc chung ..................................................................................... 54 3.2. Giải pháp quy hoạch ................................................................................ 55 3.3. Giải pháp kiến trúc vỏ bao che ................................................................ 56 3.3.1. Thiết kế hình khối .............................................................................. 59 3.3.2. Thiết kế che nắng và bố trí cửa sổ ..................................................... 61

iii 3.3.3. Tổ chức cảnh quan cây xanh và bố trí sân trong ............................... 63 3.3.4. Sử dụng vật liệu và màu sắc .............................................................. 65 3.3.5. Lớp vỏ thông minh ............................................................................ 68 3.4. Giải pháp kỹ thuật .................................................................................... 70 3.4.1. Lựa chọn thiết bị tiêu thụ năng lượng phù hợp ................................. 71 3.4.2. Khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo ........................................... 72 3.4.3. Ứng dụng hệ thống quản lý công trình thông minh .......................... 74 Kết luận chương 3 ........................................................................................... 74 PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN ......................................................................................................... 77 2. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 79 Danh mục tài liệu tham khảo Phụ lục

iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt

Từ nguyên mẫu

Tp.HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

TKNL

Tiết kiệm năng lượng

VKH

Vi khí hậu

BĐKH

Biến đổi khí hậu

BXMT

Bức xạ mặt trời

ĐHKK

Điều hòa không khí

GS

Giáo sư

PGS

Phó giáo sư

TS

Tiến sĩ

ThS

Thạc sĩ

KTS

Kiến trúc sư

IATA

Hiệp hội các hãng Vận tải Hàng không Quốc tế (International Air Transport Association, viết tắt IATA)

IFC

Tổ chức Tài chính Quốc tế (International Finance Corporation)

ICAO

Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

v

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Vỏ bao che (Building envelope): là kết cấu bao che công trình, bao gồm tường và mái không xuyên sáng hoặc xuyên sáng (tường kính, cửa kính…) tạo thành các không gian khép kín trong công trình.

Tiết kiệm năng lượng (Energy efficiency): hay hiệu quả năng lượng là một thuật ngữ để mô tả việc sử dụng năng lượng hiệu quả. Do đó tiết kiệm năng lượng không phải là bảo tồn năng lượng. TKNL là sử dụng ít năng lượng hơn để cung cấp cùng một dịch vụ.

Biến đổi khí hậu (Climate change): là thay đổi của khí hậu do hoạt động của con người (trực tiếp hoặc gián tiếp) làm thay đổi thành phần của khí quyển toàn cầu và sự thay đổi này được cộng thêm vào khả năng biến động tự nhiên của khí hậu quan sát được trong những thời kỳ có thể so sánh được.

Vi khí hậu (Microclimate): Khí hậu của một tiểu khu xây dựng, xung quanh hoặc bên trong một công trình, một không gian. Điều kiện tiện nghi (Comfort conditions): được định nghĩa như là cảm giác thoải mái nhất về thể chất và tinh thần. Tiêu chuẩn của sự tiện nghi phụ thuộc vào cảm giác của mỗi người, bao gồm các loại tiện nghi sau: Tiện nghi nhiệt; Tiện nghi ánh sáng; Tiện nghi âm thanh; Chất lượng môi trường không khí; Cảm giác về thẩm mỹ.

Cảng hàng không (Airports): là tổ hợp các công trình được xây dựng lắp đặt để đón và tiễn các máy bay và phục vụ cho vận chuyển hàng không, mà ở đó có ga hàng không và các công trình khác và các thiết bị chuyên ngành hàng không cần thiết.

Ga hàng không (Terminal): hay nhà ga hành khách là công trình thuộc cảng hàng không, nó có chức năng vận chuyển hành khách và hàng hóa bằng đường hàng không.

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình ảnh

Nội dung hình ảnh

Hình 1.1

Nhà ga T3 Sân bay Quốc tế Bảo An Thẩm Quyến

Hình 1.2

Nhà ga T2 Sân bay Tân Sân Nhất

Hình 1.3

Bảo tàng nghệ thuật thành phố Đài Bắc

Hình 1.4

Sơ đồ chức năng của cảng hàng không

Hình 1.5

Sơ đồ chức năng của nhà ga hàng không

Hình 1.6

Sơ đồ dây chuyền lưu thông trên mặt cắt nhà ga hàng không

Hình 1.7

Sơ đồ tổ hợp nhà ga hàng không

Hình 1.8

Sân bay quốc tế Hồng Kông, Nhà ga Chek Lap Kok

Hình 1.9

Sân bay quốc tế Bangkok, Nhà ga Suvarnabhumi

Hình 2.1

Ba hướng tối ưu cùng hội tụ, cần tận dụng trong việc chọn hướng nhà trong quy hoạch

Hình 2.2

Quy hoạch hướng nhà, chiều cao và khoảng cách đảm bảo sự tối ưu về năng lượng

Hình 2.3

Phân khu chức năng hợp lý là giải pháp chủ động tiết kiệm năng lượng trong công trình

Hình 2.4

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời

Hình 2.5

Sơ đồ hệ thống khai thác năng lượng mặt trời quy mô lớn

Hình 2.6

Trạm điện gió tích hợp với trạm điện mặt trời

Hình 2.7

Cấu tạo thiết bị thu nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng

Hình 2.8

Sơ đồ nguyên lý thiết bị đun nước nóng chạy bằng năng lượng Mặt Trời

Hình 2.9

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt

vii

Hình 2.10

Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm nhiệt cho việc sưởi ấm mùa đông và làm mát mùa hè cho công trình

Hình 2.11

Sơ đồ máy bơm nhiệt

Hình 2.12

Hệ thống bơm nhiệt đất theo chiều ngang và theo chiều dọc

Hình 2.13

Cơ chế vận hành của hệ thống sưởi ấm và làm mát bằng không khí và nước kết hợp

Hình 2.14

Biểu đồ hóa số liệu khí hậu của Tp.HCM

Hình 2.15

Biểu đồ Mặt trời ở Tp.HCM

Hình 2.16

Biểu đồ hướng và tốc độ gió ở Tp.HCM

Hình 2.17

Biểu đồ các vùng sinh khí hậu tiện nghi

Hình 2.18

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của vỏ bao hai lớp với thông gió và chiếu sáng tự nhiên có kiểm soát

Hình 2.19

Kết cấu che nắng dạng thanh nằm ngang

Hình 2.20

Cơ cấu sử dụng năng lượng trong công trình thương mại tại Hoa Kỳ năm 2015

Hình 3.1

Sơ đồ giải pháp vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không

Hình 3.2

Sơ đồ nguyên tắc thiết kế chung vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không

Hình 3.3

Sơ đồ giải pháp kiến trúc vỏ bao che

Hình 3.4

Thiết kế theo hướng ghép khối, giảm thiểu diện tích tường ngoài để tiết kiệm năng lượng

Hình 3.5

Tổ hợp công năng công trình nhà ga hàng không dạng hình khối tập chung

Hình 3.6

Tỷ số A/V là một tiêu chí đánh giá hiệu quả về nhiệt cũng như năng lượng của công trình

Hình 3.7

Lam che nắng theo chiều dọc ở trường học tại Bình Dương

viii

Hình 3.8

Không gian thông tầng bên trong nhà ga Madrid-Barajas Airport

Hình 3.9

Tác dụng của cửa trong kính ngoài chớp

Hình 3.10

Hệ số lambda

Hình 3.11

Giá trị U của một bức tường

Hình 3.12

Hiệu suất nhiệt của vật liệu

Hình 3.13

Hiệu ứng của nhiệt khối lượng

Hình 3.14

Nhà ga hàng không TWA cũ của New York

Hình 3.15

Hệ lam chắn nắng sử dụng động cơ

Hình 3.16

Hệ thống kính năng động

Hình 3.17

Công trình Media-TIC, Barcelona, Tây Ban Nha

Hình 3.18

Sơ đồ giải pháp kỹ thuật

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng

Nội dung bảng

Bảng 1.1

Các tính năng nhiệt của vật liệu

Bảng 2.1

Tiêu chuẩn tính toán quy mô phòng ốc

Bảng 2.2

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với tường bao che bên ngoài

Bảng 2.3

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với mái bằng

Bảng 2.4

Hệ số SHGC của kính phụ thuộc vào tỷ số WWR

Bảng 2.5

Hệ số A đối với kết cấu che nắng (KCCN) nằm ngang dài liên tục đặt sát mép trên cửa sổ hoặc đặt cách mép trên cửa sổ một khoảng cách d với d/H < 0,1

Bảng 2.6

Hệ số A đối với tấm che nắng thẳng đứng bề cao liên tục đặt sát cạnh bên cửa sổ hoặc cách cạnh bên cửa sổ một khoảng cách e với e/B <0,1

Bảng 2.7

Sự thay đổi theo thời gian của năng lượng sử dụng cho bốn nhu cầu cơ bản là sưởi ấm, làm mát, chiếu sáng và đun nước trong lĩnh vực công trình nhà ở tại Hoa Kỳ

Bảng 3.1

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với mái bằng

1

PHẦN I. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong 100 năm gần đây, nhiệt độ trung bình của Trái đất đã tăng 0,6oC [21], số liệu này xem ra chưa nêu lên vấn đề biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, sự biến đổi khí hậu toàn cầu là hệ thống các yếu tố khí hậu tương tác và ảnh hưởng dây chuyền lẫn nhau. Mực nước biển được dự báo sẽ tăng 590mm trong thế kỷ XXI [8], do băng tan và sự giãn nở nhiệt của nước biển. Các dòng hải lưu của đại dương biến đổi dẫn theo gia tăng tần suất và cường độ các cơn bão trong năm, điều này cũng là hệ lụy của sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu. Các vùng lân cận sa mạc bị sa mạc hóa nhanh hơn do nhiệt độ tăng. Các vùng nhiệt đới bị lũ, lụt nhiều hơn do gia tăng lượng mưa trên năm…

Sự biến đổi khí hậu gây tác động nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên kinh tế - xã hội. Vấn đề biến đổi khí hậu là do chu kỳ biến đổi tự nhiên của Trái đất nhưng chu trình này được thúc đẩy nhanh chống do sự tác động chủ yếu từ những hoạt động của con người. Chúng ta khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch tự nhiên ngày càng cạn kiệt, nó thải ra khí CO2 và những khí nhà kính khác làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, khí hậu toàn cầu nóng lên nhanh hơn.

Cùng với sự phát triển và hội nhập quốc tế, nhu cầu đi lại của chúng ta tăng cao, đặt biệt là ngành hàng không đã tăng lên 94 triệu lượt khách - 800 nghìn chuyến bay trong năm 2017, tăng 16% so với năm 2016 [4]. Với tốc độ tăng trưởng quá nhanh kéo theo hàng loạt vấn đề như ùn tắt, quá tải ở các cảng hàng không. Việc mở rộng, xây mới các sân bay và nhà ga hàng không là tất yếu để đáp ứng nhu cầu hiện tại. Nhưng quá trình thi công - vận hành tháo dỡ công trình này đều tác động xấu đến môi trường xung quanh công trình. Trong đó vỏ bao che nhà ga hàng không là một trong những tác nhân chính trực tiếp gây ra hiệu ứng nhà kính. Nó tiêu tốn nguồn nhiên liệu cực lớn để tạo ra không gian tiện nghi VKH nhân tạo bên trong nhà ga.

2 Với những vấn đề và nhu cầu thực tế, các chuyên gia đã đề xuất một số giải pháp TKNL. Kiến trúc TKNL là xu hướng kiến trúc của thế kỷ XXI vì giá trị mà nó mang lại trong tiến trình làm chậm quá trình biến đổi khí hậu và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Các nghiên cứu thuộc cấp trường Đại học kiến trúc HCM đã đề cập đến giải pháp cho nhà ở, nhà cao tầng theo xu hướng xanh, sinh thái hay TKNL nhưng chưa bàn đến vỏ bao che của công trình có không gian lớn và nhà ga hàng không. Vỏ bao che nhà ga hàng không là đối tượng cần thiết để nghiên cứu các giải pháp TKNL và ứng dụng cho các thể loại công trình có không gian lớn bên trong tương tự. Vì vậy trong nội dung luận văn, học viên đề xuất “Giải pháp vỏ bao che tiết kiệm năng lượng cho nhà ga hàng không tại khu vực phía Nam Việt Nam”.

2. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến đề tài Richard Rush nêu trong “Sổ tay kết nối các hệ thống công trình” (1991) rằng một công trình bao gồm [31]: (i) Hệ thống kết cấu công trình; (ii) Hệ thống vỏ bao che công trình; (iii) Hệ thống cơ khí; (iv) Hệ thống nội thất.

“Vỏ bao che công trình phải tương tác với cả những lực tác động của thiên nhiên lẫn những giá trị của con người. Lực tác động của thiên nhiên bao gồm nắng, mưa, gió và tuyết. Những vấn đề của con người bao gồm an toàn, an ninh và các công năng của công trình. Hệ thống vỏ bảo vệ công trình bằng cách bao che và cân bằng các lực tác động môi trường từ bên trong lẫn bên ngoài công trình. Để có được sự bảo vệ này nó phải kiểm soát chặt chẽ các hiện tượng xâm nhập vào công trình. Có thể tưởng tượng vỏ bao che công trình như một cái bong bóng lớn có khả năng ngăn các tác động bất lợi của môi trường bên ngoài vào và giữ cho điều kiện vi khí hậu của môi trường bên trong thoát ra” [31]. Vỏ bao che được hiểu là những vật thể kiến trúc có chức năng tạo ra không gian VKH bên trong, nó phục vụ cho các yêu cầu do con người đặt ra. Vỏ bao che công trình luôn thay đổi, thích ứng với từng thời của điểm và bối cảnh xã hội mà nó hiện hữu. Giống như phong cách

3 kiến trúc, vỏ bao che cũng bộc lộ một trào lưu, xu hướng hay thể hiện quan điểm nghệ thuật của thời đại. Vì vậy vai trò của vỏ bao che trong công trình là rất quan trọng, việc thiết kế vỏ bao che cho công trình phải luôn được nghiên cứu những xu thế mới, thích nghi với điều kiện hiện tại và định hướng cho trào lưu tương lai. Vỏ bao che là thành phần kiến trúc không thể thiếu trong công trình vì thế trong xu hướng phát triển bền vững hiện nay nếu không nghiên cứu giải pháp thiết kế vỏ bao che theo xu hướng kiến trúc bền vững là một thiếu sót. Trong giá trị bền vững của một công trình; bền vững về năng lượng được quan tâm nhiều nhất hiện nay.

Trước khi hình thành ý tưởng và đề tài nghiên cứu cho luận văn và xem xét sự trùng lắp của nội dung nghiên trước đây ở cấp cơ sở, học viên sử dụng phương pháp thư tịch để cân nhắc hướng đi của đề tài trong khả năng hữu hạn của bản thân. Dự trên dữ liệu của Trường Đại học Kiến Trúc Tp.HCM thì các công trình nghiên cứu vỏ bao che công trình còn hạn chế về số lượng.

Những công trình nghiên cứu về vỏ bao che công trình thuộc trường được công bố: (i) ThS. Nguyễn Việt An đã hoàn thành luận văn “Vỏ bao che cao ốc văn phòng tại Tp.HCM” (2010). Luận văn này đã tổng hợp vỏ bao che của các cao ốc văn phòng tại Tp.HCM và đề xuất giải pháp tường treo [9]. (ii) ThS. Nguyễn Hữu Thịnh đã hoàn thành luận văn “Vỏ bao che cho nhà cao tầng tại Tp.HCM trong xu thế phát triển của kiến trúc bền vững” (2011).

Trong luận văn đề xuất giải pháp thiết kế bền vững cho vỏ bao che nhà cao tầng [20]. Ngoài 2 luận văn trên, ở cấp cơ sở thì chưa có luận văn nào nghiên cứu vỏ bao che công trình. Để tiếp nối tinh thần nghiên cứu, đề xuất giải pháp thiết kế vỏ bao che TKNL cho công trình, cụ thể là vỏ bao che nhà ga hàng không ở vùng khí hậu phía Nam Việt Nam. 3. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không tại khu vực phía Nam Việt Nam.

4 4. Nội dung nghiên cứu Cơ sở lý luận, khoa học vững chắc để đạt được mục tiêu chính thì trong luận văn thực hiện ba nội dung: (i) Tìm hiểu tổng quan về khái niệm, quá trình hình thành và xu hướng phát triển của vỏ bao che công trình kiến trúc nhà ga hàng không và kiến trúc TKNL. (iii) Xây dựng cơ sở khoa học dựa trên pháp lý, lý luận và thực tiễn để đề xuất giải pháp vỏ bao che nhà ga hàng không. (iv) Nhận diện tính đặc trưng và đặc thù của không gian kiến trúc nhà ga hàng không, từ đó đề xuất giải pháp định hướng thiết kế vỏ bao che phù hợp. Xem xét tính khả thi ứng dụng giải pháp vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không thích ứng với điều kiện khí hậu tại khu vực phía Nam Việt Nam. 5. Đối tượng nghiên cứu Vỏ bao che nhà ga hàng không được nghiên cứu trong luận văn là hệ thống vỏ công trình phía trên mặt đất, bao gồm hệ thống tường biên và mái của công trình. Trong luận văn không nghiên cứu đến hệ thống vỏ bao che nằm dưới mặt đất như hệ thống vách hầm biên và sàn hầm cuối, móng…

6. Phạm vi nghiên cứu Vỏ bao che nhà ga hàng không được đề xuất dựa trên xu hướng kiến trúc TKNL và phạm vi ứng dụng ở khu vực phía Nam Việt Nam. 7. Phương pháp nghiên cứu a. Phương pháp chuyên gia Tiếp cận và tham khảo ý kiến của các chuyên gia liên quan đến thiết kế vỏ bao che công trình và nhất là có quan niệm về kiến trúc TKNL. Cần tiếp cận là các chuyên gia trong lĩnh vực hàng không, KTS thiết kế nhà ga hàng không, vỏ bao che công trình, chuyên gia về kiến trúc bền vững và một số đối tượng liên qua đến đề tài.

5 b. Phương pháp hệ thống Hệ thống hóa các nội dung của luận văn trong quá trình nghiên cứu, đảm bảo rằng các nội dung này đều thống nhất và xoay quanh vỏ bao che nhà ga hàng không trên luận điểm về kiến trúc TKNL. c. Phương pháp phân tích - tổng hợp Thu thập các tài liệu liên quan đến nhà ga hàng không, vỏ bao che của nó và kiến trúc TKNL ở góc độ nghiên cứu quá trình hình thành và tiến trình phát triển trên thế giới và Việt Nam. Từ đó, hệ thống các cơ sở khoa học để đề xuất giải pháp vỏ bao che ứng dụng kiến trúc TKNL. d. Phương pháp so sánh So sánh các nguyên tắc thiết kế vỏ bao che, tìm ra điểm thống nhất chung của hệ thống vỏ bao che nhà ga hàng không. So sánh các quan niệm về kiến trúc TKNL ở thế giới và Việt Nam dựa trên bối cảnh hiện tại và nhận định hướng phát triển khả thi trên lý luận và cả thực tiễn. e. Phương pháp thư tịch Sưu tầm các công trình nghiên cứu của các chuyên gia liên quan đến giải pháp vỏ bao che và giải pháp TKNL; các công trình thực tế đạt hiệu quả về vỏ bao che TKNL để hình thành bài học kinh nghiệm cho việc đề xuất giải pháp vỏ bao che cho nhà ga hàng không.

6 8. Cấu trúc luận văn

7

PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VỎ BAO CHE, NHÀ GA HÀNG KHÔNG VÀ KIẾN TRÚC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 1.1. Vỏ bao che công trình 1.1.1. Khái niệm, công năng và thành phần vỏ bao che a. Khái niệm Vỏ bao che là phân cách vật lý giữa không gian VKH bên trong và môi trường bên ngoài của một công trình. Một thuật ngữ mới nổi là “Enclosure Building”, nó phục vụ như là lớp bỏ bên ngoài để giúp duy trì môi trường trong nhà và tạo điều kiện kiểm soát VKH của nó. Thiết kế vỏ bao che là một lĩnh vực chuyên ngành kiến trúc và kỹ thuật ứng dụng từ các thành tựu của lĩnh vực khoa học xây dựng và kiểm soát VKH bên trong công trình [22]. b. Công năng Vỏ bao che đóng vai trò là bộ lọc khí hậu, là kết cấu phân cách không gian trong và ngoài công trình. Không khí, ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ... muốn xâm nhập vào công trình phải đi qua vỏ bao che. Vì vậy, vỏ bao che có thể cho phép thiên nhiên thuận lợi bên ngoài tự do tràn vào trong công trình, đồng thời có thể làm giảm hoặc triệt tiêu tác dụng xấu của nó, nhưng cũng có thể làm cho nó trở nên xấu hơn.

Công năng của vỏ bao che cụ thể là: (i) Đón nhiều khí hậu, thiên nhiên có lợi vào trong công trình; (ii) Lọc giảm bớt bất lợi của tự nhiên như: nhiệt, độ ẩm, ánh sáng, tiếng ồn, gió, bụi, mưa...; (iii) Giảm bớt sử dụng thiết bị, môi trường nhân tạo; (iv) Tạo môi trường khí hậu phù hợp với sức khỏe con người, sinh vật trong công trình, trong vùng và môi trường xung quanh.

TS. Eric Burnett và TS. John Straube, trong một số bài viết của mình, còn mô tả hệ vỏ bao che công trình theo công năng và hoạt động của nó. Theo họ, vỏ bao che công trình “chịu tác động của một loạt các tải trọng, trong đó có các tải trọng kết cấu, tĩnh và động, và các tải không khí, nhiệt, và độ ẩm”.

8 Như vậy hệ vỏ bao che chịu các tải trọng kết cấu công trình và kiểm soát các tải môi trường, bao gồm cả tải dài hạn và ngắn hạn. Hệ vỏ bao che còn thường được dùng để vận chuyển và phân phối các hệ thống kỹ thuật trong công trình. Ngoài ra, hệ vỏ bao che còn có nhiều thuộc tính thẩm mỹ có thể phân loại thành phần hoàn thiện của công trình.

Những yêu cầu về công năng cho thấy sự phức tạp của kết cấu vỏ bao che được thiết kế đáp ứng các yêu cầu đó. Mỗi chức năng có những tiêu chuẩn hoạt động riêng và phương pháp định lượng, phương pháp kiểm tra sự tuân thủ cũng như những tiêu chí chấp nhận riêng. Có mười bốn tiêu chí cơ bản mà vỏ bao che đáp ứng cho mỗi công trình: (i) Chịu tải: Nếu vỏ bao che không phải là kết cấu chịu lực chính của công trình, thì nó cũng phải chịu tải trọng bản thân, tải trọng gió theo chiều ngang và chuyền tải trọng đó vào khung kết cấu chính của công trình; (ii) Chống thấm: Chống lại sự xâm nhập của nước vào bên trong công trình; (iii) Kín khí: Chống sự thâm nhập quá mức của khí. Điều hòa lưu thông khí giữa bên trong và bên ngoài, cách ly ô nhiễm không khí; (iv) Chống ngưng tụ: Chống hiện tượng ngưng tụ trên bề mặt của công trình dưới những điều kiện làm việc bình thường; (v) Chuyển vị: Chịu được những chuyển vị vi sai gây ra bởi độ ẩm, sự thay đổi nhiệt độ theo mùa hoặc hàng ngày, và chuyển vị kết cấu. Chịu được tác động của động đất; (vi) Tiết kiệm năng lượng: Chống lại sự chuyền nhiệt bằng bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt. Ít hấp thụ bức xạ nhiệt, tăng cường thông gió và chiếu sáng tự nhiên. Đây là tiêu chí được quan tâm chính trong những giải pháp cho vỏ bao che đạt giá trị tiêu thụ năng lượng thấp nhất trong thời gian vận hành của công trình; (vii) Chống ồn: Làm loãng bớt quá trình truyền âm, cách âm và chống ồn; (viii) An toàn cháy: Có khả năng chống cháy theo phân cấp phòng cháy chữa cháy; (ix) An ninh: Bảo vệ con người trong công trình khỏi những mối đe dọa từ bên ngoài; (x) Tính khả thi: Có kết cấu, cấu tạo và vật liệu phù hợp với trình độ thi công hiện tại; (xi) Khả năng bảo trì, bảo dưỡng: Có khả năng tiếp cận để bảo trì, phục hồi và thay thế; (xii) Độ bền: Đảm bảo

9 những yêu cầu công năng và thẩm mỹ trong một khoảng thời gian nhất định; (xiii) Thẩm mỹ: Đảm bảo tất cả những yêu cầu trên mà vẫn đạt giá trị thẩm mỹ; (xiv) Kinh tế: Đảm bảo tất cả những yêu cầu trên mà hợp lý trong suất đầu tư. Tóm lại, để hoạt động có hiệu quả, vỏ bao che với vai trò là một hệ thống bao che bên ngoài công trình phải đáp ứng những yêu cầu làm việc như như trên [22]. c. Thành phần KTS.Chris Amaold, thành viên Hội KTS hoàng gia Anh (RIBA) và hội viên Viện KTS Hoa kỳ (AIA), cho rằng vỏ bao che công trình còn gồm cả tường, móng và sàn tầng hầm, như vậy vỏ bao che bao gồm tất cả những gì phân chia phần nội thất của công trình với môi trường bên ngoài. Với cách tiếp cận này, có thể xếp những hệ thống sau đây làm những thành phần của hệ thống vỏ bao che công trình. Cụ thể như sau: (i) Tầng hầm: bao gồm móng, sàn và tường tầng hầm. Vật liệu sử dụng thường là bê tông cốt thép để đảm bảo về tải trọng cho toàn bộ công trình cũng như ngăn chặn sự xâm nhập có hại từ bên ngoài; (ii) Tường bao che bên ngoài công trình: bao gồm cả tường chịu lực và không chịu lực. Vật liệu sử dụng cho thành phần này rất phong phú và đa dạng như: Bê tông cốt thép, gạch, đá, kim loại, gỗ...; (iii) Cửa: bao gồm cửa sổ, cửa đi, các mảng kính lấy sáng từ phía ngoài công trình, các mảng kính nghiêng dốc hay hệ lam che nắng; (iv) Mái: bao gồm từ mài bằng đến các loại mái với các dộ dốc khác nhau.

Công việc thiết kế vỏ bao che công trình là rất phức tạp và có nhiều yếu tố cần phải được đánh giá cân nhắc để đảm bảo những yêu cầu tiện nghi về nhiệt, âm và tầm nhìn cũng như vấn đề an ninh, an toàn hay chất lượng thẩm mỹ của công trình. Vỏ bao che đóng vai trò quan trọng để đảm bảo chức năng trong mối liên hệ với các hệ thống khác trong công trình. Tuy nhiên, hệ thống vỏ bao che gồm nhiều thành phần nhưng trong nội dung của luận văn chỉ đề xuất giải pháp TKNL cho các thành vỏ bao che nằm trên mặt đất.

10 Tóm lại, các hệ thống và thành phần của hệ thống vỏ bao che công trình chính là một trong bốn hệ thống chủ yếu cấu thành một công trình xét về sự tồn tại vật chất cũng như vai trò trong sự vận hành công trình của nó [22].

1.1.2. Lịch sử phát triển vỏ bao che Vỏ bao che công trình đầu tiên bảo vệ con người khỏi những sức mạnh của thiên nhiên có lẽ là các hang động với mức độ riêng tư và an toàn nhất định. Những vỏ bao che công trình sớm nhất là những cấu trúc dạng tấm đá mỏng kê lên các gối tựa tạo ra những không gian tương đối hẹp. Tuy nhiên, ban đầu phát triển hai hình thức vỏ bao che chính, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và những vật liệu sẵn có là khung gỗ và tường xây. Những chỗ trú ẩn sơ khai ở những vùng khí hậu ấm áp của Châu Phi và Châu Á sử dụng khung gỗ hoặc tre che phủ bằng lá cây hoặc sản phẩm dệt. Ở những vùng khí hậu khác, những vật liệu bản địa nặng hơn như đá và đất sét phơi khô được sử dụng để đem lại sự ngăn cách và bảo vệ tốt hơn đối với tác động của khí hậu bên ngoài.

So với hầu hết những bức tường của ngày hôm nay thì tường xây thời Trung cổ hoặc thời Phục hưng rất đơn giản. Ban đầu, bức tường chỉ bao gồm vật liệu đồng nhất (gạch hoặc đá). Những bức tường như vậy ngày nay vẫn còn được xây dựng, mặc dù vật liệu có thể là bằng bê tông cốt thép hoặc gạch bê tông. Sau đó, lịch sử kiến trúc chứng kiến bức tường được thêm vào những trang trí: một kết cấu đá thô nhám sẽ được ốp mặt ngoài bằng một bề mặt cắt và gắn khít chuẩn xác bằng đá mịn hoặc đá cẩm thạch, và mặt trong sẽ được trát bằng vữa phẳng.

Ngay khi kết cấu tường được ốp bằng những vật liệu hoàn thiện khác nhau thì cũng bắt đầu nảy sinh những khả năng về hiệu quả làm việc khác nhau của kết cấu đó. Sự tách biệt giữa phần lõi kết cấu và lớp ốp trát bên ngoài chính là dấu hiệu báo trước sự ra đời của bức tường ngoài có nhiều lớp như ngày nay. Phần kết cấu bằng đá đẽo thô có thể được xây độc lập với lớp che

11 phủ của nó, vốn có thể được chế tạo sẵn trong xưởng của người thợ thủ công.

Lớp che phủ bề mặt có chất lượng cao cùng với những chi tiết của nó cũng đã bảo vệ khối kết cấu bên trong khỏi tác động của môi trường.

Bước thay đổi thật sự lớn lao trong khái niệm về bức tường, và sự bắt đầu thực sự của khái niệm vỏ bao che công trình ngày nay, xuất hiện với việc phát minh ra hệ khung thép vào thế kỷ XIX. Bức tường bên ngoài có thể trở thành một bức màn ngăn cách sự khắc nghiệt của thiên nhiên và không còn cần thiết trong việc chống đỡ các sàn nhà và mái nhà nữa. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ khung thép bị phủ lấp trong các khối tường xây, và những tòa nhà tiếp tục được thiết kế theo các phong cách Gothic hoặc Phục hưng. Cuộc cách mạng kiến trúc hiện đại bắt đầu vào đầu thế kỷ XX đã thay đổi điều này vào giữa thế kỷ XX, các công trình có khung bằng thép hoặc bê tông với vỏ bao che nhẹ bằng kim vả kính đã trở thành ngôn ngữ hiện đại mới trên toàn thế giới cho những công trình có không gian lớn.

Một loạt những ngành công nghiệp mới sinh ra nhằm phát triển những vật liệu chống cháy, cách nhiệt, ngăn nước, khí và che phủ bề mặt trong và ngoài công trình. Gần đây hơn vỏ bao che đã trở thành một chủ đề chính của những nghiên cứu của khoa học xây dựng, chủ yếu là do vai trò then chốt của nó trong việc khống chế các hiện tượng thất thoát nhiệt, thu nhiệt và rỉ thấm nước. Kết quả là hiện nay vỏ bao che bao gồm một loạt các lớp với những tính năng đáp ứng yêu cầu của công trình.

Mỗi vật liệu khác nhau có thể đạt được một vài yêu cầu tính năng, khi đó việc kết hợp những vật liệu với nhau nhằm tối ưu hóa khả năng làm việc của vỏ bao che. Chẳng hạn, rào cản khí chỉ có thể là một lớp phủ trên một lớp chống đở.

Kết cấu vỏ bao che đầu tiên được cho là được thiết kế bởi KTS người Đức Walter Gropius (1882 - 1969), người sáng lập Trường phái Bauhaus và cùng ới Ludwig Mies van der Rode và Le Corbusier, được xem là những bậc thầy tiên phong khởi xướng trào lưu kiến trúc hiện đại với Phong cách Quốc tế.

12 Năm 1923 khi trường Bauhaus chuyển từ Weimar về Dessau, Gropius đã thiết kế một ngôi trường nổi tiếng gọi là trường Bauhaus ở Dessau. Đây là tác phẩm mamg tính tuyên ngôn cho Trường phái Bauhaus thể hiện nguyên tắc kiến trúc mà Gropius và các đồng nghiệp khởi xướng. Ngoài ra, đóng góp quan trọng của Gropius trong công trình này một hệ thống vỏ bao che bên ngoài công trình bằng kính trong suốt chó thấy phần nội thất của công trình [22].

1.1.3. Tác động của môi trường đối với vỏ bao che Các yếu tố tự nhiên và tác động của chúng đối với hệ thống vỏ bao che bao gồm: nắng, nhiệt, nước, gió và trọng lực. Ánh nắng mặt trời không thể thiếu đối với sự sống trên trái đất nhưng nó cũng gây ra nhiều vấn đề bất lợi cho con người nên công trình sử dụng vỏ bao che để ngăn cách nó có chọn lọc. Nắng làm hỏng các vật liệu của vỏ bao che như mất màu và giảm tuổi thọ do tác dụng quang hóa của ánh nắng. Nhất là của tia tử ngoại, gây ra những biến đổi hóa học làm xuất hiện hiện tượng bạc màu hay thậm chí phá hoại vật liệu. Do đó những vật liệu hoàn thiện dễ bị ảnh hưởng bởi những tác động này cần thiết phải được kiểm tra cẩn thận trước khi đưa ra sử dụng. Nếu không được kiểm soát, ánh nắng mặt trời xuyên qua vỏ bao che có thể gây ra hiện tượng chói lóa ảnh hưởng đến điều kiện sinh hoạt của con người trong công trình. Những tác động xấu của mặt trời có thể được khống chế bằng cách sử dụng những bộ phận che nắng cả ở mặt trong và mặt ngoài của vỏ bao che.

Nhiệt độ gây ra hai loại vấn đề cần phải lưu ý trong khi thiết kế vỏ bao che là: (i) Sự co giãn của vật liệu và sự cần thiết phải khống chế sự truyền nhiệt qua lớp vỏ bao che công trình. (ii) Nhiệt lượng của mặt trời tác động lên hệ vỏ bao che gây ra sự chuyển vị do nhiệt trong các cấu kiện của nó. Sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày hay theo mùa có tác động lớn đến các chi tiết vỏ

13 bao che. Tất cả các vật liệu đều co giãn ở một thông số với sự thay đổi nhiệt độ.

Nước, dưới dạng mưa, hơi nước hoặc mưa ngưng tụ, có lẽ là nguyên nhân tiềm ẩn rắc rối. Dưới dạng nước mưa khi bị gió hút, nó có thể len lỏi vào những kẽ hở rất nhỏ và có thể di chuyển bên trong tường và xuất hiện ở mặt trong tường rất xa nơi nó bắt đầu thâm nhập vào. Dưới dạng hơi nước nó có thể đi xuyên qua những lỗ cực nhỏ, sẽ ngưng tụ lại khi gặp lạnh và nếu bị đọng ở bên trong có thể gây ra những tác hại nghiêm trọng mà rất lâu sau mới phát hiện.

Gió tác động lên tường tạo ra những lực ảnh hưởng lên bề mặt phủ ngoài của công trình. Gió cũng góp phần làm chuyển vị, ảnh hưởng đến các mối ghét và bộ phận liên kết. Áp suất cao và những khoảng chân không tạo ra bởi gió lớn không chỉ gây ra ứng suất nghịch cho cấu kiện của hệ khung và bề mặt, mà còn làm cho nước mưa có khả năng chảy vào khắp mọi hướng của toàn bộ bề mặt bao che. Như vậy gió cũng phải được xem là một nhân tố quan trọng đóng góp vào khả năng xuất hiện hiện tượng thấm rỉ nước.

Trọng lực, không giống như những tác động tự nhiên khác, là một hằng số tĩnh chứ không phải là một biến số động. Nó gây ra độ võng của những cấu kiện chịu lực nằm ngang. Vì những tải trọng này có thể gây ra độ võng và chuyển vị của hệ khung kết cấu, những liên kết của vỏ bao che với khung kết cấu cần có giải pháp thiết kế với độ chuyển vị tương đối đủ đảm bảo (xem Bảng 1.1) [22].

1.1.4. Hệ thống vỏ bao che nhiều lớp Trong công trình ở vùng nhiệt đới, thiết kế thụ động hoàn toàn có thể được áp dụng nhằm tận dụng tối đa các lợi thế của điều kiện tự nhiên như thông gió, chiếu sáng, cây xanh trong khi cố gắng đảm bảo điều kiện VKH, tiện nghi nhiệt trong công trình. Tuy nhiên, đây không phải là câu trả lời toàn diện cho bài toán thiết kế nhà ga hàng không. Nhiệt độ ở khu vực nhiệt đới

14 ngày càng tăng cao do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu dẫn đến các không gian có người sử dụng hoàn toàn phục thuộc vào hệ thống điều hòa không khí nhân tạo. Do đó, rất khó có công trình nhà ga hàng không sử dụng thông thoáng tự nhiên. Vì vậy kiến trúc thích ứng khí hậu phải là sự tương tác hài hòa giữa các giải pháp tự nhiên và nhân tạo, đặc biệt đối với lớp vỏ bao che của nhà ga hàng không nhằm đảm bảo tiện nghi sử dụng, TKNL, giảm tác động đến môi trường. Theo nhiều nghiên cứu, khoảng 40% sự tương tác này diễn ra ở lớp vỏ bao che của công trình. Do đó tìm kiếm những giải pháp thích ứng cho lớp vỏ bao che đóng vai trò rất quan trọng.

Trên thế giới, sử dụng lớp vỏ hai lớp là một trong những xu hướng thích ứng khí hậu phổ biến. Đây là một trong những phương thức lồng ghép công nghệ thích ứng khí hậu vào lớp vỏ công trình (xem Hình 1.1). Nếu thiết kế phù hợp, lớp vỏ kép có thể đồng thời tăng cường điều kiện VKH bên trong và TKNL cho công trình. Sử dụng lớp vỏ kép hiệu quả khá phức tạp, vì còn liên quan đến nhiều thành phần khác trong công trình, như hệ thống điều hòa, thông thoáng, chiếu sáng, che nắng… nên ở Việt Nam chỉ dừng lại ở việc sử dụng tấm lợp kim loại (xem Hình 1.2). Theo xu hướng này rất phù hợp ứng dụng cho công trình nhà ga hàng không và các công trình có không gian lớn ở Việt nam và đặc biệt là Khu vực phía Nam. Vỏ bao che hai lớp bao gồm: (i) Lớp bên trong có thể là kính, tường hoặc mái bao che nhằm phục vụ các yêu cầu bên trong công trình; (ii) Lớp bên ngoài là hệ khung rất đa dạng về vật liệu và thể loại tùy theo yêu cầu chắn nắng, cách nhiệt. Ưu điểm của lớp vỏ kép là từ hệ chắn nắng và hiệu quả cách nhiệt từ lớp không khí giữa hai lớp, do đó TKNL và tăng tiện nghi chiếu sáng tự nhiên cho công trình. Lựa chọn vật liệu phù hợp cho hai lớp vỏ bao che đóng vai trò rất quan trọng trong các chức năng thích ứng và thẩm mỹ của công trình.

Vật liệu cho lớp vỏ bao che bên trong công trình có thể là kính hoặc vật liệu bao che khác tùy thuộc vào yêu cầu và chức năng không gian bên trong

15 công trình. Thông thường vật liệu tường gạch đất nung bao che bề mặt ngoài công trình được sử dụng phổ biến nhưng đây là loại vật liệu cần hạn chế vì những tác hại về môi trường và nhiều nhược điểm khác. Tuy nhiên điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Khu vực phía Nam Việt Nam, vỏ bao che kính sẽ gây ra hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ trong công trình nóng lên. Nhưng kính là vật liệu phổ biến với những đặc điểm như tính trong suốt, biểu cảm phong phú, đa dạng, đưa ánh sáng tự nhiên và thiên nhiên vào không gian nội thất.

Những loại kính cách nhiệt phù hợp với khí hậu nhiệt đới là lựa chọn tối ưu cho lớp vỏ bên trong của hệ thống vỏ kép. Do đó để có kết quả tối ưu khi sử dụng lớp vỏ kép, ngoài những giải pháp lựa chọn vật liệu độc lập cho lớp trong, ngoài công trình cần có giải pháp tổng thể để xác định sự tương tác giữa các yếu tố tiện nghi môi trường bên trong, TKNL với hệ thống vỏ kép (xem Hình 1.3) [11].

1.2. Kiến trúc nhà ga hàng không 1.2.1. Khái niệm nhà ga hàng không a. Cảng hàng không Là một khu vực xác định trên mặt đất hoặc mặt nước được xây dựng để đảm bảo cho tàu bay cất cánh, hạ cánh hoặc di chuyển. Phi trường là từ Hán Việt, thường được dung để gọi các sân bay tương đối lớn, nhưng hiện nay ít dùng. Cảng hàng không phục vụ việc vận chuyển hành khách và hàng hóa thương mại, do đó có thêm nhà ga hành khách và các phương tiện, dịch vụ khác. Mỗi cảng hàng không có ít nhất một đường băng, là nơi để các máy bay cất cánh và hạ cánh, nhưng thường cũng có nhà máy bay và sân đậu máy bay. Ngoài ra, một sân bay có thể có nhiều phương tiện và cơ sở hạ tầng, bao gồm những trung tâm sửa chữa máy bay, trung tâm kiểm soát không lưu, dịch vụ cho hành khách (như nhà hàng và phòng đợi), và các dịch vụ khẩn cấp. Những sân bay dành cho quân đội được gọi là sân bay quân sự. Sân bay quân sự loại lớn được gọi là căn cứ không quân. Sân bay có khu vực lân cận

16 để đảm bảo an toàn cho hoạt động hàng không dân dụng và dân cư trong khu vực đó. Giới hạn khu vực lân cận cảng hàng không, sân bay là 8km tính từ ranh giới cảng hàng không, sân bay trở ra (xem Hình 1.4) [10]. b. Nhà ga hành khách (Terminal) Nhà ga hành khách là nơi để hành khách và hàng hóa được vận chuyển bằng đường hàng không (máy bay) cho quốc tế và quốc nội. Ga hàng không dân dụng có những chức năng sau: làm thủ tục vận chuyển và bay cho hành khách, hành lý và hàng hóa; kiểm tra kiểm soát an toàn máy bay và chuyến bay; đảm bảo các dịch vụ sinh hoạt, thương mại, thông tin, liên lạc, kho tàng bến bãi cho con người và hàng hóa; là cửa ngõ của 1 đất nước (từ trên không trung). Ga hàng không có thể kết hợp với các loại vận tải mặt đất khác (xe ô tô, xe bus, tàu hỏa tàu điện ngầm. Bên cạnh đó có thể nói sân bay là cổng trình của một đất nước, là công trình kiến trúc đầu tiên mà chúng ta nhìn thấy khi đến bất cứ một nước trên thế giới… đó chính là bộ mặt của đất nước về văn hóa cũng như xã hội. Hiện nay, nền kinh tế thế giới phát triển nhảy vọt, ga hàng không trở thành một trung tâm văn hóa đáp ứng khá đầy đủ nhu cầu của con người về nghỉ ngơi, thư giãn, cũng như nhu cầu về thương mại, dịch vụ… [10].

1.2.2. Chức năng và sơ đồ tổ hợp nhà ga hàng không a. Chức năng Nhà ga hàng không có ba chức năng chính sau (xem Hình 1.5): (i) Nơi thay đổi phương thức di chuyển: chỉ có một số ít chuyến bay được thực hiện từ địa điểm xuất phát đầu tiên tới điểm cuối cùng. Một chuyến bay thường là sự kết hợp đa dạng của các chuyến bay khác nhau. Trong sự thay đổi từ hình thức này sang một hình thức khác, hành khách di chuyển tự nhiên qua suốt nhà ga theo một quy tắc di chuyển được định hướng. Sự di chuyển đó của hành khách là không gian lưu thông hành khách; (ii) Nơi thực hiện

17 các quy trình: nhà ga là một điểm thuận tiện để thực hiện một cách chắc chắn các quy trình liên quan tới chuyến bay. Các quy trình đó có thể là đăng ký vé, kiểm tra thủ tục đối với hành khách, từ đó phân loại và hợp nhất với hành lý của họ và đảm bảo kiểm tra an ninh cũng như quá trình kiểm soát. Chức năng này của nhà ga đồi hỏi không gian thực hiện quy trình thủ tục hành khách; (iii) Nơi thay đổi các loại phương tiện: mặc dù máy bay đưa hành khách đi theo các nhóm riêng biệt theo chuyến bay, hành khách cùng vào nhà ga hầu hết trên cơ sở liên tiếp các chuyến đi và đến bằng các loại phương tiện như xe bus, taxi... Nhà ga hành khách do vậy có chức năng như một bể chứa các luồng khách, rồi liên tiếp dồn họ lại và phân bố họ vào các quy trình của chuyến bay ở phía luồng đi và ở phía luồng đến thì quá trình diễn ra ngược lại. Để thực hiện chức năng này, nhà ga phải có không gian chứa hành khách.

Về phân khu chức năng của nhà ga bao gồm (xem Hình 1.6): (i) Tầng hầm bao gồm các khu xử lý kỹ thuật, kho, dịch vụ khác và khu bãi xe dài hạn và xe buýt đưa rước nhân viên; (ii) Tầng trệt phần đầu là dây chuyền hành khách đến và ở, bố trí trung tâm xử lý hành lý đi; (iii) Tầng lửng là dây chuyền hàng hóa của hành khách đến và được nối lên tầng đi cho hành khách; (iv) Tầng 2 là dây chuyền hành khách đi; (v) Tầng 3 bố trí các bộ phận văn phòng và các dịch vụ cho khách quốc tế. Tất cả các bộ phận phục vụ hành khách đều có các thiết bị tiện nghi đi lại và sinh hoạt cho người tàn tật [16]. b. Sơ đồ tổ hợp Có sáu dạng sơ đồ tổ hợp nhà ga hàng không (xem Hình 1.7). Thứ nhất, dạng mô hình đơn (simple concept) áp dụng cho cấu trúc nhà ga điển hình có không gian chờ lưu động. Cấu trúc này xây dựng cho những nhà ga cố định, ít phát triển công suất, thường ứng dụng cho những nhà ga vừa và nhỏ.

Thứ hai, dạng mô hình tuyến tính (linear concept) sử dụng cho nhà ga có công suất lớn, đất đai có điều kiện phát triển kéo dài, có thể tổ hợp nhiều

18 Terminal để xây dựng theo kế hoạch phát triển công suất hoặc phát triển nhiều phòng chờ dọc theo sân đỗ (nhưng có ít ga chính để làm thủ tục). Thứ ba, dạng mô hình ngón tay (finger concept) là sự kết hợp giữa mô hình đơn và tuyến tính. Rất thích hợp cho việc xây dựng nhiều “terminal” theo kế hoạch phát triển công suất, phù hợp với các sân bay có công suất lớn và rất thuận lợi cho việc quản lý từ terminal. Thứ tư, dạng mô hình vệ tinh (Satellite concept): Gồm một nhà ga trung tâm và nhiều vệ tinh là những phòng chờ lên máy bay. Đòi hỏi nhiều thiết bị hiện đại để giải quyết giao thông cho hành khách và hành lý. Đòi hỏi có diện tích xây dựng lớn cho khu vực sân bay. Thứ năm, dạng mô hình máy bay đậu xa nhà ga (Remote parking system): Là dạng mô hình giúp giảm thiểu quãng đường di chuyển của hành khách bằng cách sử dụng các loại xe chuyên dụng để đưa hành khách từ nhà ga lên máy bay, thông thường là loại xe buýt chuyên dụng (mobile lounge). Vào giờ bay, hành khách được chở tới máy bay, do đó không cần đi bộ xa. Thứ sáu, dạng mô hình hỗn hợp (Hybrid concept): Là dạng kết hợp giữa đơn chiếc, tuyến tính, ngón tay và vệ tinh. Dạng này ở các sân bay cũ của Mỹ và Châu Á - Âu do phát triển công suất thường xuyên, có nhiều yếu tố quan trọng của vị trí sân bay, có đất đai cần phát triển mềm dẻo cho phù hợp [16].

1.2.3. Kiến trúc nhà ga hàng không trên thế giới Vào lúc 10h35’ ngày 17/09/1903 hai anh em nhà Wright là Willbur Wright và Crivile Wright thực hiện chuyến bay đầu tiên của loài người đánh dấu sự ra đời của ngành hàng không, phương tiện giao thông hiện đại nhất của loài người. Trong tất cả các phương thức vận chuyển của con người thì vận chuyển hàng không là phương thức ưu việt nhất vì có nhiều thế mạnh.

Vận chuyển hàng không có tốc độ nhanh nhất trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là vận chuyển đường dài. Tuy nhiên, đối với vận tải đường ngắn, lợi thế tốc độ của hàng không không rõ do thủ tục phức tạp và thời gian

19 di chuyển hành khách đến sân bay và từ sân bay về. Tính an toàn của vận tải hàng không lớn hơn nhiều so với các phương thức vận chuyển khác. Công nghệ hàng không ngày càng phát triển thì càng có điều kiện trang bị đầy đủ tiện nghi hiện đại cho hành khách. Hiện nay hành khách đi máy bay đều có thể thoã mãn những yêu cầu riêng tư như xem truyền hình, ăn uống tại chỗ với loại thức ăn riêng… Phương thức vận chuyển hàng không rất tiện lợi trong sử dụng, có thể đến bất cứ nơi nào mà các phương thức vận chuyển khác khó có thể thực hiện được từ núi non hiểm trở đến các hòn đảo xa xôi.

Số lần lặp đi lặp lại của các chuyến bay cùng với sự gia tăng của vận chuyển cũng làm tăng thêm sự tiện lợi trong sử dụng. Năng lực vận chuyển hành khách và hàng hoá của máy bay ngày càng tăng đã làm giảm đáng kể số lần cất hạ cánh của các máy bay ở mỗi cảng hàng không. Tuy vậy, do lượng hành khách tăng lên nên yêu cầu cơ sở hạ tầng cũng phải phát triển cho đồng bộ.

Từ khi ra đời phương thức vận chuyển hàng không do những ưu thế của mình nên ngày càng phát triển nhanh chóng. Theo tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO khối lượng vận chuyển hành khách bằng hàng không tăng đều đặn 14% và hàng hoá tăng 16% hàng năm [28]. Và với nhịp độ phát triển này thì khối lượng vận chuyển của ngành hàng không cứ 5 năm lại tăng gấp đôi. Do vậy, máy bay ngày càng được cải tiến để có thể bay xa hơn và chuyên chở hành khách và hàng hoá nhiều hơn. Các sân bay cũng ngày càng được cải tiến để đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế ngày càng khắt khe về kĩ thuật của một công trình mang tính biểu tượng của quốc gia hay địa phương.

Tại Hội nghị hàng không quốc tế vào tháng 5/1997 do Viện hàng không quốc tế tổ chức tại Singapore đã định nghĩa một sân bay quốc tế theo những tiêu chuẩn sau và lấy đó làm mục tiêu cho chiến lược phát triển ngành hàng không cho tương lai là: trung tâm kinh tế thương mại; trung tâm khoa học kĩ thuật;

20 công cụ chính trị và hoạt động quân sự của quốc gia. Hay nói khác đi sân bay quốc tế sẽ trở thành “Thành phố sân bay (Airport city)”.

Nhà ga hàng không là một công trình quan trọng trong tổng thể sân bay.

Cảng hàng không là công trình có quy mô rất lớn về cả quy mô và cả vốn đầu tư, có yêu cầu công năng và công nghệ rất hiện đại, dây chuyền hoạt động phức tạp với nhiều luồng giao thông đan xen và mang tính đồng bộ và tiêu chuẩn hoá cao trên toàn thế giới. Bên cạnh đó, cảng hàng không quốc tế được xem như là cái nhìn đầu tiên và cũng là cuối cùng của du khách đối với địa phương nên yêu cầu thẩm mỹ, đặc trưng kiến trúc truyền thống và bản địa đặc thù của cảng hàng không cần phải chú ý [12].

Theo Hiệp hội vận tải hàng không quốc tế thì năm 2000 ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương có đến 200 triệu lượt hành khách và đến năm 2010 sẽ tăng lên 400 triệu lượt hành khách chiếm ½ tổng số hành khách trên thế giới [27]. Ngành hàng không Châu Á phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây do lợi ích của nó đem lại cho ngành du lịch, khách sạn, thương mại, và đặc biệt là phát triển kinh tế do thu hút được các công ty đa quốc gia đặt trụ sở.

Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ước tính cứ mỗi 100 USD chi cho tiền vé máy bay của một nước thì nền kinh tế nước đó sẽ thu lại 325 USD và thêm 100 việc làm xuất hiện trong vận chuyển hàng không, và 610 việc làm mới [28]. Hiện nay, Đông Nam Á là khu vực có tần suất bay dân dụng cao nhất thế giới. Sự phát triển của ngành hàng không dân dụng kéo theo sự phát triển của các sân bay. Trên thế giới có khoảng 40.000 sân bay dân dụng và đang khai thác thương mại gần 1.200 sân bay thuộc quyền sở hữu 450 thành viên hiệp hội vận tải hàng không quốc tế quốc tế IATA. Trong đó, Châu Á và Trung Cận Đông chiếm khoảng 200 sân bay [27].

Sự phát triển về ngành hàng không vượt quá xa so với mức độ đầu tư cho cơ sở hạ tầng của sân bay và hệ thống quản lý bay dẫn đến sự quá tải của các sân bay hiện hữu, trong đó số sân bay quá tải ở Châu Á đã hơn phân nửa.

21 Trong kế hoạch đến 2020, Châu Á Thái Bình Dương phải đầu tư nâng cấp và xây dựng các sân bay. Ta có thể đưa ra rất nhiều ví dụ điển hình như việc xây dựng cảng hàng không quốc tế Chek Lap Kok ở Hong Kong ngốn chi phí xây dựng đến 20 tỉ USD và xây dựng trong một thời gian cực ngắn là 7 năm liên tục xây dựng để thay thế cho sân bay Kai Tak đã quá tải (xem Hình 1.8). Hay sự khánh thành cảng hàng không quốc tế Suvarnabhumi ở Thái lan vào ngày 28/9/2006 với công suất 45 triệu hành khách/năm để thay thế cho cảng hàng không quốc tế cũ là Bangkok International Airport (Don Muang) đã quá tải và không còn khả năng phát triển (xem Hình 1.9).

Hiện nay diện mạo ngành hàng không Châu Á có nhiều thay đổi to lớn do sự xuất hiện và ngày càng phát triển mạnh mẽ của các hãng hàng không giá rẻ. Trong tương lai các hãng hàng không giá rẻ trong khu vực như Cathay Parcific, Tiger Airways… và các hãng hàng không độc lập như ValuAir (Singapore), Air Asia (Malaysia) hay Lion Air (Indonesia) sẽ ngày càng cạnh tranh khốc liệt hơn. Tuy nhiên theo ông Peter Harbison, giám đốc Trung tâm hàng không Châu Á Thái Bình Dương dự báo mạng lưới điều tiết chặt chẽ các dịch vụ hàng không song phương trong 10 năm tới sẽ phá vỡ nhu cầu ngày càng tăng của hàng không giá rẻ [32].

1.2.4. Kiến trúc nhà ga hàng không ở Việt Nam a. Đặc điểm, điều kiện phát triển ở Việt Nam Khi xem xét các đặc điểm, điều kiện của Việt Nam cần phải quan tâm đến các mặt tích cực và hạn chế của chúng từ đó đưa ra các giải pháp tổng thể: (i) Mặt tích cực, mức tăng trưởng kinh tế cao và khá ổn định là một trong những nhân tố quan trọng góp phần nâng cao mức sống cũng như nhu cầu sử dụng đường hàng không - một phương tiện giao thông hiện đại cho luồng khách nội địa. Trao đổi thương mại lớn và nền du lịch tăng trưởng mạnh cho phép thu hút một luồng khách quốc tế không nhỏ; (ii) Mặt hạn chế, thiếu đồng bộ trong quy hoạch tổng thể. Cơ sở hạ tầng kém phát triển

22 làm giảm hiệu quả của các mối liên hệ kết nối giữa các ga hàng không và các loại hình giao thông vận tải khác. Nền kinh tế còn kém phát triển chƣa cho phép đầu tư mạnh mẽ vào xây dựng nhà ga. Khoảng cách di chuyển tương đối ngắn (xa nhất khoảng gần 3 giờ bay) nên sức cạnh tranh so với các phương tiện giao thông thông dụng khác chưa cao [12]. b. Quy hoạch hệ thống ở Việt Nam Kế hoạch phát triển 10 năm của hệ thống sân bay luôn được bổ sung, tiếp tục hiện đại hoá năm năm một lần bởi Cục hàng không dân dụng Việt Nam (CAAV). Vùng (miền), hệ thống sân bay toàn quốc được chia làm ba cụm cảng hàng không: (i) Cụm cảng Hàng không sân bay Miền Bắc; (ii) Cụm cảng Hàng không sân bay Miền Trung; (iii) Cụm cảng Hàng không sân bay Miền Nam. Hệ thống các cụm cảng này trực tiếp quản lý các sân bay trong khu vực về các mặt hoạt động, các kế hoạch đầu tư phát triển dưới sự chỉ đạo của Cục Hàng không dân dụng Việt Nam. Các cảng hàng không quốc tế của Việt Nam hiện nay hầu như là được sử dụng lại từ các sân bay quân sự cũ của Mỹ hay Pháp xây dựng trong thời kì chiến tranh với điều kiện cơ sở hạ tầng lạc hậu, cũ kỹ. Nhiều sân bay do không còn được sử dụng nên cơ sở hạ tầng dần dần đã xuống cấp trầm trọng như Sân bay Chu Lai ở Quảng Nam do Mỹ xây dựng trong thời kì chiến tranh đã xuống cấp đến 90%, có nơi đến 100%. Cảng hàng không quốc tế Đà Nẵng cũng được sử dụng lại từ sân bay quân sự do Mỹ xây dựng trong thời kì chiến tranh. Tất cả các cảng hàng không quốc tế tại Việt Nam đều cần phải nâng cấp để đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành hàng không [4].

Hoà chung vào sự phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không Châu Á, ngành hàng không Việt Nam cũng phát triển mạnh mẽ. Việt Nam là một trong những thị trường du hành hàng không tăng trưởng nhanh nhât thế giới.

Những đường bay quốc tế bay qua vùng không phận Việt nam quản lý và điều hành nằm trong số 25 đường bay có tần suất lớn nhất thế giới. Theo

23 IATA, đến năm 2010 ngành hàng không Việt nam sẽ có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất Châu Á với 17% [27]. Theo ICAO, dự kiến khối lượng hành khách tăng 10,5%/năm trong thời gian 5 năm tới. Bình quân hàng năm tăng 35% so với mức trung bình của thế giới là 5% và Đông Nam Á là 8% [28].

Khối lượng vận chuyển hành khách do hàng không Việt Nam vận chuyển chiếm 40% thị trường vận chuyển hành khách ở Việt Nam. Khối lượng vận chuyển hàng hoá tăng 10 lần.

Theo đánh giá của Hội nghị hàng không thế giới tổ chức tại Singapore tháng 5/1993 thì thị trường hàng không thế giới đang phát triển rất mạnh và trung tâm vận chuyển hàng không đang chuyển dịch về Châu Á, đặc biệt là các nước đang phát triển ở khu vực Đông Nam Á. Việt Nam lại nằm trong vị trí trung tâm của khu vực này, nên ngoài vai trò vận chuyển, các cảng hàng không quốc tế ở Việt Nam còn làm nhiệm vụ quá cảnh cho các nước lân cận.

Hệ thống cảng hàng không Việt Nam hiện tại có 16 cảng hàng không đang hoạt động và sẽ mở rộng, nâng cấp lên 25 cảng hàng không trong thời gian sắp tới. Hiện tại, Việt Nam có 3 cảng hàng không quốc tế quan trọng trải ra ở ba khu vực là: (i) Khu vực miền Bắc với cảng hàng không quốc tế Nội Bài, (ii) Khu vực miền Trung với cảng hàng không quốc tế Đà Nẵng, (iii) Khu vực miền Nam với cảng hàng không quốc tế Tân Sơn Nhất. Cả ba cảng hàng không quốc tế đều đóng vai trò quyết định cho việc phát triển kinh tế cũng như xã hội của đất nước nhưng với quy mô hiện tại thì chưa đáp ứng được nhu cầu phát triển của đất nước. Trong quý I - 2004 ngành hàng không dân dụng đã đưa vào hoạt động trở lại ba sân bay vừa được nâng cấp là Côn Sơn, Cà Mau và Cần Thơ.

Trong luận văn chỉ đề cập đến “Giải pháp vỏ bao che tiết kiệm năng lượng cho nhà ga hàng không khu vực phía Nam Việt Nam”. Bao gồm các nhà ga hàng không thuộc Cụm cảng hàng Miền Nam (SAA, quản lý và khai thác các Cảng hàng không khu vực phía Nam): (i) SGN tại Tp.HCM (SGN,

24 mã cảng hàng không dân dụng theo quy định ICAO [11]); (ii) DLI tại Liên Khương; (iii) BMV tại Buôn Ma Thuột; (iv) VCS tại Côn Sơn; (iv) VKG tại Rạch Giá; (v) PQC tại Phú Quốc; (vi) CAH tại Cà Mau; (vii) VCA tại Cần Thơ [4].

Nói chung, để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không thì các cảng hàng không hiện tại của Việt Nam phải được cải tạo, nâng cấp cũng như phải xây dựng thêm một số cảng hàng không mới [3].

1.3. Kiến trúc tiết kiệm năng lượng 1.3.1. Khái niệm kiến trúc tiết kiệm năng lượng Kiến trúc tiết kiệm năng lượng (TKNL), là một thuật ngữ mô tả phương pháp thiết kế chú trọng đến việc nâng cao tính hiệu quả và điều tiết nhu cầu sử dụng năng lượng của công trình. Đây là một bộ phận vô cùng quan trọng của Kiến trúc bền vững. Theo một số thống kê, năng lượng mà một công trình tiêu thụ trong quá trình vận hành chiếm đến 80 - 90% tổng mức đầu tư cho công trình đó. Vòng đời trung bình của các công trình là từ 50 - 80 năm, và một công trình hiệu quả năng lượng có thể tiết kiệm đến 30% mức sử dụng năng lượng so với một công trình thông thường. Thông qua đó giảm thiểu chi phí đầu tư và tác động tiêu cực đến môi trường bởi việc sản xuất điện năng. Trong kiến trúc TKNL, kiến trúc sư thông qua các giải pháp thiết kế và kỹ thuật để làm giảm nhu cầu sử dụng năng lượng, đồng thời làm tăng khả năng tự đáp ứng nhu cầu năng lượng của công trình.

Trong quá trình vận hành, có bốn yếu tố chính tác động đến nhu cầu sử dụng năng lượng của công trình. Thứ nhất, chiếu sáng tự nhiên giúp công trình giảm thiểu nhu cầu cho việc chiếu sáng nhân tạo vào ban ngày. Thứ hai, khả năng cách nhiệt giúp giảm thiểu năng lượng tiêu hao cho hệ thống điều hòa không khí bằng cách giảm sự trao đổi nhiệt của công trình với môi trường bên ngoài. Thứ ba, lưu thông gió tự nhiên giúp làm mát công trình và giảm nhu cầu sử dụng năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí. Thứ tư, khả

25 năng tự tạo ra năng lượng giúp công trình tận dụng các nguồn năng lượng tự nhiên để tự tạo ra năng lượng phục vụ cho nhu cầu của chính nó. Để thiết kế một công trình kiến trúc được xem là TKNL, kiến trúc sư cần đưa ra các giải pháp tối ưu xoay quanh bốn yếu tố trên nhằm giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ năng lượng của công trình. Dựa trên bốn yếu tố này, chiến lược trong quá trình thiết kế kiến trúc gồm ba giai đoạn chính, đó là: (i) Quy hoạch, thiết kế tổng mặt bằng; (ii) Giải pháp thiết kế kiến trúc; (iii) Giải pháp kỹ thuật.

1.3.2. Bối cảnh ra đời kiến trúc tiết kiệm năng lượng Kiến trúc TKNL là sự lựa chọn tất yếu, bởi nhiều lý do [14]: Thứ nhất, dân số thế giới gia tăng nhanh chóng và các đô thị ngày càng trở nên đông đúc, khiến tổng năng lượng sử dụng cũng tăng theo. Thứ hai, con người trong cuộc sống văn minh hậu công nghiệp ngày càng sử dụng nhiều thiết bị tiêu thụ năng lượng thay thế cho các cách thức quen thuộc được thực hiện bằng thủ công hoặc với những dụng cụ đơn giản như trước kia, chẳng hạn như máy giặt thay thế hình thức giặt tay, máy sấy quần áo thay vì phơi ngoài trời, máy cắt bánh mỳ và máy pha cà phê thay cho dùng dao cắt bánh hoặc tự tay pha chế, lò vi sóng hâm nóng thức ăn để tủ lạnh thay cho dùng nồi đảo lại thức ăn trên bếp ga… khiến tổng năng lượng tiêu thụ theo thời gian gia tăng nhanh hơn tốc độ phát triển dân số cùng kỳ. Thứ ba, biến đổi khí hậu ngày càng tác động sâu sắc, hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra thường xuyên hơn, kéo dài hơn và khắc nghiệt hơn (nắng nóng trên 40oC hoặc trời lạnh dưới - 20oC), khiến nhu cầu làm mát và sưởi ấm tăng đột biến. Thứ tư, giá điện được sản xuất theo phương pháp nhiệt điện đang leo thang khi chi phí khai thác than đá và dầu mỏ tăng cao. Các vỉa than và túi dầu ở tầng trên và tầng giữa lớp vỏ Trái Đất nhiều nơi đã cạn kiệt, phải khoan sâu hơn mới chạm các vỉa than mới hoặc dùng bơm công suất lớn hơn mới hút được dầu ở tầng dưới, trong khi thủy điện trở nên không ổn định do chế độ thủy văn

26 thay đổi thất thường dưới tác động của biến đổi khí hậu. Thứ năm, khi cuộc sống trở nên hiện đại hơn, con người có xu hướng ỷ lại vào công nghệ, quá phụ thuộc vào thiết bị mà bỏ qua hoặc coi nhẹ yếu tố tự nhiên có lợi. Đa số người dân lựa chọn giải pháp đóng kín không gian ở và làm việc, bật điều hòa không khí hoặc máy sưởi liên tục để duy trì môi trường tiện nghi nhiệt một giải pháp không thật sự hiệu quả bởi vì giải pháp nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn giải pháp tự nhiên, không những thế còn phát thải nhiều carbon vào bầu khí quyển. Hậu quả là biến đổi khí hậu càng mạnh mẽ, sự khắc nghiệt của thời tiết càng gia tăng và con người gần như bị kẹt trong một vòng luẩn quẩn xem chừng rất khó tháo gỡ.

Kiến trúc TKNL đem lại nhiều lợi ích thiết thực. Về môi trường, kiến trúc TKNL giảm đáng kể lượng phát thải carbon vào bầu khí quyển, qua đó góp phần giảm nhẹ tác động của biến đổi khí hậu đến cuộc sống của con người, đồng thời hạn chế gây ô nhiễm. Về chất lượng VKH, kiến trúc TKNL đảm bảo sự tiện nghi trong nhà mà sử dụng ít năng lượng hơn, hoặc với cùng lượng điện năng tiêu thụ nhưng đạt mức tiện nghi cao hơn. Ngoài ra, đối với loại hình kiến trúc TKNL thiên về công nghệ cao, việc chọn lọc kỹ lưỡng các kết cấu và vật liệu được sản xuất theo quy trình chuẩn với sự tư vấn của chuyên gia cùng kỹ thuật thi công hiện đại sẽ làm công trình có thời hạn sử dụng lâu hơn, bền chắc hơn, do vậy tính kinh tế sẽ cao hơn, và khi công trình hết thời hạn sử dụng, các vật liệu và cấu kiện nói trên vẫn có thể được tái sử dụng hoặc tái chế. Trong trường hợp kiến trúc TKNL theo hướng công nghệ thấp, tức là kế thừa và phát huy kinh nghiệm dân gian truyền thống, các vật liệu được sử dụng là có nguồn gốc hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, lá, đất, rơm rạ… có độ bền không cao nhưng lại rất thân thiện với môi trường, hết thời hạn sử dụng sẽ dễ dàng bị phân hủy trở về với thiên nhiên hoặc biến thành chất mùn làm tăng độ màu cho đất [14].

27 1.3.3. Xu hướng kiến trúc tiết kiệm năng lượng trên thế giới Do những lợi ích to lớn đã được chứng thực và khẳng định qua thực tế, kiến trúc TKNL hay kiến trúc hiệu quả năng lượng cùng kiến trúc xanh và kiến trúc bền vững đã trở thành một trào lưu thiết kế ngày càng phát huy tầm ảnh hưởng sâu rộng trên thế giới ngày nay. Các quốc gia tiên tiến tập trung phát triển kiến trúc TKNL công nghệ cao trong khi kiến trúc TKNL công nghệ thấp là sự lựa chọn phù hợp hơn đối với những quốc gia còn gặp nhiều khó khăn về kinh tế, tài chính và khoa học kỹ thuật.

Cộng hòa liên bang - Đức là quốc gia luôn dẫn đầu thế giới về công nghệ tiết kiệm năng lượng ứng dụng trong xây dựng. Vauban với 5.700 cư dân thuộc thành phố Freiburg - tiểu bang Baden Württemberg là khu ở đầu tiên tại Cộng hòa liên bang - Đức có toàn bộ nhà ở và công trình công cộng trong khu vực được thiết kế xây mới hoặc cải tạo đạt tiêu chuẩn nhà ở thụ động (passive house) hoặc nhà ở có mức năng lượng tiêu thụ siêu thấp (ultra lowenergy house), đặc biệt có 60 căn nhà trong giai đoạn phát triển sau thừa hưởng thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất trong lĩnh vực công nghệ năng lượng đã được thẩm định và công nhận là phụ trội năng lượng (plus-energy house), tức là loại hình nhà ở tiên tiến nhất về năng lượng hiện nay. Thêm 40 căn nhà thể loại này sẽ tiếp tục được triển khai xây dựng trên phần đất dự trữ phát triển còn lại. Đồng thời Vauban Freiburg cũng được xem là một dự án mẫu mực trên thế giới về khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo vì mục đích dân sinh, khi 100% năng lượng được cung cấp từ các tấm pin năng lượng mặt trời lắp đặt trên các mái nhà [34]. Đây còn là một ví dụ hiếm hoi về khu ở không xe hơi trên thế giới.

Tuy nhiên, không phải là tất cả các thử nghiệm đều thành công. Nếu như tòa tháp Gherkin ở London (Anh Quốc) - một thiết kế nổi tiếng của KTS. Norman Foster và Cộng sự - được đánh giá cao bởi thiết kế đơn giản song đầy sáng tạo, thông minh và hiệu quả với mặt bằng tròn xoay có sáu khoảng thông tầng phân chia các không gian văn phòng thành sáu cụm nhỏ xoay dần

28 từ dưới lên trên, tạo hiệu ứng thông gió ống khói từ ngoài vào trong và từ dưới lên trên theo trục xiên, kết hợp với lớp vỏ kính hai lớp có khả năng đóng mở linh hoạt nên tận dụng được thông gió và chiếu sáng tự nhiên, giúp công trình tiết kiệm 50% năng lượng so với các công trình tương tự về quy mô và tính chất sử dụng [29]. Đây là một bài học cho việc cân nhắc và tận dụng các yếu tố tự nhiên có lợi mà một thiết kế thông minh.

Kết luận chương 1 Vỏ bao che của các công trình kiến trúc, trước tiên, tạo nên giá trị thẩm mỹ cho công trình. Bên cạnh đó, vỏ bao che là thành phần kiến trúc góp phần quan trọng vào việc tạo ra không gian tiện nghi bên trong công trình. Hơn nữa, nếu lựa chọn giải pháp vỏ bao che không phù hợp sẽ dẫn đến việc phải tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho các hoạt động bên trong công trình.

Nhà ga hàng không là công trình kiến trúc công cộng có đặc thù là được tổ hợp không gian lớn, có yêu cầu cao về tiện nghi VKH. Ngoài ra, nó còn là công trình trọng điểm và là biểu trưng cho bộ mặt kiến trúc của một thành phố, một khu vực hay một quốc gia. Với quy mô và nhu cầu đặc biệt, nhà ga hàng không có tác động lớn đến môi trường tự nhiên do nó tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể.

Kiến trúc TKNL là xu hướng cấp thiết để ứng phó với BĐKH và tình hình cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch. Các công trình kiến trúc TKNL với nhiều giải pháp khác nhau đã được ứng dụng nhiều trên thế giới. Các bài học kinh nghiệm và giải pháp TKNL cần được nghiên cứu và ứng dụng vào kiến trúc Việt Nam. Như vậy, việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp tại khu vực phía Nam Việt Nam là thật sự cần thiết. Những cơ sở khoa học cho việc đề xuất được trình bày trong nội dung tiếp theo ở chương 2.

a

Hình 1.1

Nhà ga T3 Sân bay Quốc tế Bảo An Thẩm Quyến (Nguồn: www.dezeen.com)

b

Hình 1.2

Nhà ga T2 Sân bay Tân Sân Nhất (Nguồn: www.hanoiairporthotels.vn)

c

Hình 1.3

Bảo tàng nghệ thuật thành phố Đài Bắc (Nguồn: www.designboom.com)

d

Hệ thống các hạng mục cơ bản trong cảng hàng không: Vận tải hàng không không thể tồn tại nếu thiếu các cảng hàng không được xây dựng chu đáo hoặc thiếu những cơ quan và những công trình kỹ thuật đảm bảo cho hoạt động của cả mạng đường trên không.

1: Đường băng.

5: Đài không lưu.

2: Đường lăn.

6: Giao thông tiếp cận và bãi xe.

3: Sân đậu máy bay.

7: Nhà ga hành khách.

4: Xưởng sửa chữa và cung cấp nhiên liệu.

Hình 1.4

Sơ đồ chức năng của cảng hàng không (Nguồn: Học viên, dựa trên tài liệu [10])

e

Hình 1.5

Sơ đồ chức năng của nhà ga hàng không (Nguồn: Học viên, dựa trên tài liệu [10])

f

Hình 1.6

Sơ đồ dây chuyền lưu thông trên mặt cắt nhà ga hàng không (Nguồn: Học viên, dựa trên tài liệu [10])

g i. Dạng đơn

ii. Dạng tuyến

iii. Dạng ngón tay

iv. Dạng vệ tinh

v. Dạng máy bay đậu xa nhà ga

Hình 1.7

Sơ đồ tổ hợp nhà ga hàng không (Nguồn: Học viên, dựa trên tài liệu [10])

h

Hoàn thành: năm 1998 Diện tích: 516.000 m² Chủ đầu tư: Cơ quan Sân bay Hồng Kông

Hình 1.8

Sân bay quốc tế Hồng Kông, Nhà ga Chek Lap Kok (Nguồn: www.hongkongairport.com)

i

Hoàn thành: năm 2006 Diện tích: 32.800 m2 Chủ đầu tư: Cơ quan Sân bay Bangkok

Hình 1.9

Sân bay quốc tế Bangkok, Nhà ga Suvarnabhumi (Nguồn: www.bangkokairportonline.com)

j

Bảng 1.1

Các tính năng nhiệt của vật liệu (Nguồn: [32])

29 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM 2.1. Cơ sở pháp lý 2.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế nhà ga hàng không Hiệp hội các hãng Vận tải Hàng không Quốc tế (International Air Transport Association, viết tắt là IATA) là một nhóm nghề nghiệp quốc tế của các hãng hàng không có trụ sở tại Montreal, Quebec, Canada. IATA được thành lập ngày 19 tháng 4 năm 1945, ở Havana, Cuba. Đây là tổ chức kế nhiệm của Hiệp hội Vận chuyển Hàng không Quốc tế (International Air Traffic Association) được thành lập ở Hague năm 1919, năm có dịch vụ theo lịch trình quốc tế đầu tiên. Vào thời điểm thành lập, IATA có 57 thành viên từ 31 quốc gia, phần lớn ở châu Âu và Bắc Mỹ, tính đến tháng 4 năm 2012, có khoảng 243 thành viên đến từ hơn 126 quốc gia trong tất cả các phần của thế giới (chiếm 84% vận tải hàng không của thế giới). Ngày nay, hiệp hội này có 270 thành viên từ 140 quốc gia ở khắp nơi trên thế giới. Ở Việt Nam, hiện chưa ban hàng tiêu chuẩn thiết kế dành riêng cho kiến trúc nhà ga hàng không. Quy mô công suất nhà ga được tham khảo một số tiêu chuẩn đã sử dụng ở một số sân bay quốc tế và trong nước cũng như tiêu chuẩn chung của IATA để xác định tổng diện tích xây dựng cần thiết (xem Bảng 2.1). Yêu cầu diện tích cho khu vực xử lý hành khách, hành lý trong nhà ga lấy từ công thức trong “Sổ tay tham khảo cho việc phát triển sân bay của IATA” [27]. Yêu cầu về diện tích cho nhà hàng, văn phòng, phòng máy và thiết bị lấy trong “Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam” dành riêng cho từng hạng mục công cộng, có tham chiếu nội dung phân tích mẫu của các sân bay khác. Ngoài ra, Về phân cấp cảng hàng không và an toàn bay có thể Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) [28].

30 Tiêu chí chung cho nhà ga hàng không cần đáp ứng theo hướng dẫn của IATA: (i) Công năng thuận lợi khách đi và đến nhanh, tuyến đi mạch lạc, dễ hiểu. (ii) Kỹ thuật hiện đại với vật liệu chắc chắn không bị ảnh hưởng bởi gió, bão; đảm bảo không gian nhẹ nhàng, thông thoáng, có nhiều giải pháp điều tiết ánh nắng. (iii) Hình thức biểu trưng tạo được cảm xúc, ấn tượng liên quan đến ngành hàng không, có ý nghĩa hình thức phù hợp với vùng nhiệt đới ven biển, có ý nghĩa gắn với đặc trưng của địa phương, có xu thế thời đại. (iv) Kết cấu nhịp không gian lớn, hạn chế tối đa việc cột ảnh hưởng đến tuyến đi lại của hành khách.

2.1.2. Tiêu chuẩn - quy chuẩn liên quan kiến trúc tiết kiệm năng lượng a. Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia 09:2013/BXD - 09:2017/BXD QCVN 09:2013/BXD về “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả” do Hội Môi trường Xây dựng Việt Nam soạn thảo, Vụ Khoa học Công nghệ và Môi trường trình duyệt, Bộ Xây dựng ban hành theo Thông tư 15-2013-TT-BXD ngày 26 tháng 9 năm 2013. Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2013/BXD thay thế Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam QCXDVN 09:2005 “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả” được ban hành theo Quyết định số 40/2005/QĐ-BXD ngày 17/11/2005 của Bộ trưởng Bộ Xây dựng [7].

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2013/BXD được sự tham gia nghiên cứu và góp ý của các chuyên gia quốc tế do các tổ chức quốc tế tài trợ, bao gồm: Tổ chức Tài chính Quốc tế (IFC - International Finance Corporation), Cơ quan Phát triển Quốc tế Hoa Kỳ (USAID - United States Agency for International Development), Cục Năng lượng Đan Mạch (Vương Quốc Đan Mạch).

Tuy nhiên, đã có thông tư ban hành QCVN 09:2017/BXD về “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả” thay thế cho QCVN 09:2013/BXD và có hiệu lực từ ngày 01/06/2018. Vì thế trong luận văn xem

31 xét QCVN 09:2013/BXD làm cơ sở pháp lý để đề xuất các giải pháp năng lượng cho vỏ bao che công trình [1].

Phạm vi áp dụng: Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả” quy định những yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ khi thiết kế, xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình dân dụng (văn phòng, khách sạn, bệnh viện, trường học, thương mại, dịch vụ, chung cư) có tổng diện tích sàn từ 2500 m2 trở lên.

Quy định trong quy chuẩn này được áp dụng trong công trình. Thứ nhất, lớp vỏ công trình, ngoại trừ lớp vỏ của các không gian làm kho chứa hoặc nhà kho không sử dụng điều hoà. Thứ hai, trang thiết bị trong công trình bao gồm: (i) Hệ thống chiếu sáng nội thất; (ii) Hệ thống thông gió và điều hoà không khí; (iii) Thiết bị đun nước nóng; (iv) Thiết bị quản lý năng lượng; (v) Thang máy và thang cuốn. Đối tượng áp dụng của quy chuẩn này quy định các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ đối với mọi tổ chức, cá nhân có các hoạt động liên quan đến các các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả [7].

2.1.3. Quy chuẩn thiết kế vỏ bao che tiết kiệm năng lượng Hiện tại ở Việt Nam vẫn chưa ban hành riêng quy chuẩn thiết kế vỏ bao che TKNL mà được soạn thảo thành một mục trong QCVN 09:2013/BXD [7]. Những yêu cầu trong mục này là cơ sở cho giải pháp vỏ bao che TKNL: Yêu cầu chung, lớp vỏ công trình phải được thiết kế và xây dựng nhằm đảm bảo: (i) Thông thoáng tự nhiên khi các điều kiện khí hậu bên ngoài cho phép; (ii) Đủ khả năng cách nhiệt và giảm thiểu gió lạnh; (ii) Đủ khả năng chiếu sáng tự nhiên dưới các điều kiện cho phép thông thường, đồng thời giảm thiểu bức xạ mặt trời xâm nhập vào bên trong công trình; (ii) Lựa chọn các vật liệu thích hợp làm tăng hiệu suất năng lượng cho công trình. Yêu cầu đối với tường ngoài và mái công trình: (i) Tất cả các tường bao ngoài công trình trên mặt đất (phần tường không trong suốt) phải có giá trị tổng truyền nhiệt

32 lớn nhất Uo.max không lớn hơn hoặc giá trị tổng nhiệt trở nhỏ nhất Ro.min không nhỏ hơn giá trị xác định (xem Bảng 2.2); (ii) Yêu cầu đối với mái bằng và mái có độ dốc dưới 150: Tất cả các loại mái nhà, bao gồm mái có lớp cách nhiệt, mái bằng kim loại và các loại mái khác phải có giá trị tổng truyền nhiệt Uo không lớn hơn hoặc giá trị tổng nhiệt trở Ro không nhỏ hơn giá trị xác định (xem Bảng 2.3); (iii) Diện tích cửa sổ và cửa mái: Tổng diện tích cửa sổ trên mặt đứng cho hai loại cửa mở được và cửa gắn cố định theo chiều đứng phải đảm bảo thông thoáng và lấy ánh sáng tự nhiên. Chỉ số truyền nhiệt tổng phải đảm bảo OTTV của tường không vượt quá 60 W/m2, OTTV của mái không vượt quá 25 W/m2. Giá trị OTTV được xác định theo các tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật; (iv) Thiết kế cửa sổ với kính có hệ số SHGC thích hợp thay thế cho việc xác định chỉ số OTTV của tường. SHGC của kính phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tối đa cho phép, đồng thời VLT của kính không được thấp hơn giá trị VLTmin (xem Bảng 2.4); (v) Trường hợp mặt đứng nhà có kết cấu che nắng, hệ số SHGC (xem Bảng 2.4) được phép điều chỉnh bằng cách nhân với hệ số A (xem Bảng 2.5) và (xem Bảng 2.6) [7].

Các yêu cầu khác liên quan đến vỏ bao che: (i) Yêu cầu chung về thông gió và ĐHKK: Đối với từng không gian cụ thể, hệ thống thông gió có thể là thông gió tự nhiên (thụ động) hoặc thông gió cưỡng bức (chủ động - thông gió nhân tạo hoặc thông gió cơ khí). Các không gian không được thông gió tự nhiên phải được lắp đặt hệ thống thông gió cơ khí để cấp không khí từ bên ngoài tới mỗi không gian có người sử dụng thường xuyên qua hệ thống ống dẫn; (ii) Yêu cầu chung về chiếu sáng: Mục này quy định những giá trị giới hạn công suất chiếu sáng tối đa được dùng cho hệ thống chiếu sáng công trình, cũng như quy định các giá trị giới hạn về hiệu suất cho phép của những thiệt bị chiếu sáng thông dụng (đèn và chấn lưu) và hệ thống điều khiển chiếu sáng [7].

33 2.2. Cơ sở lý luận 2.2.1. Nguyên tắc thiết kế quy hoạch và kiến trúc Trong quy hoạch, nếu có thể chọn vị trí thích hợp và thuận lợi để xây dựng công trình, không chỉ về địa hình, giao thông hay cảnh quan, mà còn về khí hậu thì đó được xem là bước đi đầu tiên và giải pháp chủ động số một để TKNL. Công trình sẽ tận dụng các điều kiện khí hậu có lợi của khu vực như ánh nắng mặt trời buổi sáng để đảm bảo chiếu sáng tự nhiên cũng như vệ sinh phòng do ánh nắng mặt trời buổi sáng có tác dụng diệt khuẩn đồng thời sưởi ấm không gian, còn gió mát thổi vào sẽ đảm bảo thông thoáng, đem không khí tươi vào phòng, đẩy không khí bẩn nếu còn lưu cữu trong phòng ra ngoài.

Việc sử dụng các giải pháp kỹ thuật khi các yếu tố tự nhiên còn phát huy tác dụng sẽ thực sự không cần thiết, mà các hệ thống kỹ thuật này tiêu thụ nhiều năng lượng để vận hành, do đó sẽ giúp TKNL. Cũng cần phải nói rõ thêm là nếu môi trường không bị ô nhiễm nặng hoặc thời tiết không diễn biến cực đoan (quá nóng, quá lạnh, quá ẩm) thì các giải pháp tự nhiên luôn tốt hơn các giải pháp nhân tạo khi muốn duy trì và đảm bảo tiện nghi VKH bên trong công trình cho người sử dụng. Cách đây vài thế kỷ hoàn toàn chưa có điện hoặc các thiết bị kỹ thuật hỗ trợ nhưng chỉ bằng những giải pháp rất đơn giản mà lại hiệu quả, người xưa đã xây dựng nên những căn nhà ở truyền thống mát mẻ về mùa hè và khá ấm về mùa đông, điều mà ngày nay phần lớn các công trình xây dựng hiện đại không đạt được, hoặc nếu có đạt được thì cũng tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí.

Ngoài hướng nắng ấm có lợi và hướng gió mát, hướng năng lượng cũng cần được quan tâm, có nghĩa là chọn hướng sao cho công trình khai thác và sử dụng năng lượng đạt hiệu quả cao. Hướng Nam là hướng “chuẩn” về năng lượng cho các quốc gia và vùng lãnh thổ thuộc Bán cầu Bắc, bởi vì phần lớn thời gian trong ngày và tổng quan hơn là trong năm mặt trời ở từ phía Nam

34 (chính xác hơn là trong một biên độ rộng từ hướng Đông - Đông Nam đến hướng Tây - Tây Nam) rọi tới, cung cấp ánh sáng tự nhiên, hơi ấm và năng lượng cho công trình. Các tấm pin năng lượng mặt trời sẽ đạt 100% công suất phát điện thiết kế, khi ánh nắng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt tấm pin. Tuy nhiên, vị trí và góc cao của mặt trời luôn thay đổi trong ngày và giữa các ngày trong năm, như được thể hiện trên biểu đồ mặt trời (sun path diagram). Nếu các tấm pin năng lượng mặt trời không có khả năng xoay theo chuyển động của mặt trời trên các hệ giàn linh hoạt mà buộc phải lắp cố định, thì hướng tối ưu là chính Nam, còn góc nghiêng lắp đặt sẽ được tính toán theo vĩ độ của địa điểm. Điều quan trọng là cần đảm bảo sẽ không có công trình xây dựng hoặc vật thể kiến trúc nào xung quanh che chắn, tạo bóng đổ trùm lên khu vực đặt các thiết bị thu năng lượng. Khi đó, ánh sáng mặt trời luôn chiếu vào các tấm pin năng lượng dưới các góc tới khác nhau, không đạt 100% công suất nhưng luôn có điện được tạo ra và tích trữ. Thời gian phát điện hiệu suất cao nhất là từ 11h đến 13h trong điều kiện thời tiết tốt, quang mây, nắng mạnh. Đối với các thiết bị thu nhiệt năng mặt trời để đun nóng nước, các yêu cầu trên cũng cần chú ý và được áp dụng (xem Hình 2.1) [14]. Ảnh hưởng của quy hoạch đến TKNL cũng được thể hiện qua các khía cạnh bố trí thứ tự các công trình có chiều cao và khối tích khác nhau. Trên hướng chiếu sáng của mặt trời (từ Đông sang Tây, từ Đông Nam đến Tây Bắc, từ Nam đến Bắc, từ Tây Nam đến Đông Bắc, lần lượt theo vị trí của mặt trời trong ngày từ sáng đến chiều), các công trình khối tích nhỏ và thấp tầng nên được bố trí phía trước, công trình khối tích lớn và cao tầng sẽ đặt phía sau. Cách quy hoạch như vậy sẽ đảm bảo công trình phía sau không bị che khuất (sấp bóng), bởi vì ánh sáng mặt trời cần rọi được vào bên trong phòng của công trình phía sau ở những thời điểm nhất định trong ngày, ít nhất là vào buổi sáng. Nếu công trình phía sau lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời và/hoặc thiết bị thu nhiệt mặt trời để đun nước nóng trên mái hoặc mặt đứng

35 nhà thì cũng phải đảm bảo rằng bề mặt các thiết bị này không bị bóng đổ của công trình phía trước trùm lên. Nếu không có ánh sáng mặt trời rọi trực tiếp vào, hoặc nếu có thì cường độ yếu, thiết bị sẽ khó hoạt động và việc cung cấp năng lượng mặt trời sẽ bị gián đoạn (xem Hình 2.2).

Bên cạnh việc chọn vị trí và hướng nhà hợp lý như đã phân tích ở nội dung quy hoạch bên trên, tối ưu hóa không gian trong nhà - liên quan đến thiết kế kiến trúc - tự bản thân đã là một giải pháp giúp TKNL. Với mỗi một khu đất cụ thể trong thực tế, sẽ luôn xác định được vị trí của khoảng có lợi về mặt khí hậu và năng lượng trong phạm vi ranh giới để ưu tiên bố trí các phòng chức năng chính. Nếu các phòng chức năng chính đều quay về hướng này sẽ tận dụng được nắng ấm và gió mát. Bức xạ, hơi nóng, gió lạnh, bụi khói… sẽ được ngăn lại hoặc giảm đáng kể tác động bởi các không gian phụ ở hướng còn lại. Như vậy, có thể nói không gian phụ sẽ che chắn cho không gian chính khỏi những tác động bất lợi trong khi không gian chính tận dụng những yếu tố có lợi nhất. Do đó, nhu cầu sử dụng các thiết bị ĐHKK sẽ được giảm thiểu, đồng nghĩa với việc năng lượng được sử dụng hiệu quả và tiết kiệm (xem Hình 2.3).

Vấn đề cần cân nhắc là hướng có lợi về khí hậu không phải lúc nào cũng trùng với hướng tiếp cận từ đường hoặc ngõ vào nhà. Trong trường hợp hai hướng này khác nhau, thậm chí ngược nhau, thì theo cách thông thường các không gian chính sẽ được bố trí ở mặt tiền nhà, như vậy sẽ trực tiếp chịu tác động của BXMT, hơi nóng, gió lạnh… cùng khói bụi và tiếng ồn, và sẽ phải đóng kín cửa trong điều kiện thời tiết bất lợi để giảm thiểu ảnh hưởng, duy trì sự tiện nghi bên trong bằng các giải pháp nhân tạo (máy ĐHKK là thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng). Khi bật các thiết bị này kéo dài nhiều tiếng trong ngày, lượng năng lượng tiêu thụ đương nhiên sẽ rất lớn. Trong khi đó, hướng đối diện, tức là hướng có lợi, lại bị chắn bởi các công trình phụ do xây gần sát, thậm chí giáp tường sau của nhà hàng xóm, nên gần như không tận dụng được các yếu tố có lợi là nắng ấm và gió mát. Một khoảng giếng trời

36 nhỏ giữa nhà hoặc khoảng thông tầng tại buồng thang bộ chỉ giải quyết một phần rất nhỏ nhu cầu chiếu sáng và thông gió, chủ yếu là cho một hoặc hai tầng trên cùng, còn các vị trí tương ứng ở các tầng dưới, chất lượng thông gió và chiếu sáng tự nhiên đều không đạt yêu cầu. Đối với công trình nhà ga hàng không, việc lựa chọn hướng tối ưu về năng lượng sẽ không khó khăn vì yêu cầu giữ khoảng cách nhất định tới các công trình lân cận. Do vậy khi quy hoạch KTS có thể xoay cả khối nhà đi một góc để đạt sự tối ưu về hướng năng lượng. Các không gian phát sinh do việc xoay cả khối nhà hoàn toàn có thể được xử lý một cách khéo léo qua một số thủ pháp thiết kế.

Ngoài cách bố trí không gian bên trong, lớp vỏ công trình cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo tiện nghi VKH đồng thời TKNL. Lớp vỏ công trình được ví với bộ lọc khí hậu cho công trình, cho phép những yếu tố có lợi thâm nhập sâu vào bên trong và giữ những yếu tố bất lợi bên ngoài. Lớp vỏ cần được cách nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là mái nhà và các diện tường hoặc cửa sổ, cửa đi, vách kính… trên các hướng Tây Bắc - Tây - Tây Nam để giảm thiểu sự truyền nhiệt từ bên ngoài vào bên trong công trình trong mùa nóng đồng thời cũng hạn chế tổn thất nhiệt vào mùa đông khi hơi ấm từ bên trong có xu hướng thẩm thấu nhanh ra bên ngoài có nhiệt độ thấp hơn qua toàn bộ lớp vỏ bao che không có xử lý cách nhiệt theo nguyên lý truyền nhiệt - nhiệt sẽ truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp cho đến khi cân bằng nhiệt trong - ngoài. Đồng thời lớp cách nhiệt cũng có thể kiêm luôn vai trò của lớp cách âm nếu lựa chọn vật liệu thích hợp chèn giữa hai lớp bề mặt trong - ngoài của vỏ bao che, bởi vì công trình tại các đô thị lớn cũng cần kiểm soát tốt và ngăn chặn tiếng ồn từ nhiều nguồn khác nhau ở bên ngoài dội vào bên trong, đặc biệt là tiếng ồn mà các phương tiện giao thông lưu thông trong giờ cao điểm gây ra [14].

37 2.2.2. Yếu tố kỹ thuật và công nghệ Khi công trình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu quy hoạch và thiết kế bền vững, việc áp dụng các kỹ thuật và công nghệ năng lượng sẽ là bước tiếp theo, góp phần nâng cao TKNL. Công nghệ ở đây chính là việc khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo một cách hữu hiệu trong công trình vốn đã đảm bảo tính chuẩn mực về thiết kế TKNL. Năng lượng tái tạo khá đa dạng và có thể được khai thác trên quy mô lớn nhằm đáp ứng toàn bộ hoặc nếu không ít nhất là một phần nhu cầu sử dụng của các công trình trong thực tế, tùy thuộc vào một số yếu tố như nhiệm vụ thiết kế, quy mô cũng như tính chất của dự án, đi đôi với khả năng tài chính của chủ đầu tư, ngoài ra còn có thêm ý tưởng của kiến trúc sư. Được khai thác phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là năng lượng mặt trời, tiếp đến là năng lượng gió. Ở một số quốc gia như Iceland và New Zealand các suối nước nóng dưới lòng đất phân bố khá rộng rãi và nguồn nhiệt vô tận từ các núi lửa cung cấp năng lượng địa nhiệt dồi dào để sản xuất điện. Ở các khu vực khác không được thiên nhiên ưu đãi về địa nhiệt, về lý thuyết, khi khoan sâu xuống lòng đất 400 ÷ 500 m, nhiệt độ sẽ lên tới 160 ÷ 190oC đủ để chạy máy phát điện cỡ nhỏ với chi phí đầu tư không quá lớn có thể được xã hội hóa, hoàn toàn thích hợp và áp dụng phổ biến cho các khu dân cư, bổ sung cho nguồn năng lượng mặt trời [24]. Năng lượng hạt nhân hiệu suất cao nhưng tiềm ẩn nguy cơ xảy ra các sự cố môi trường nên nhiều quốc gia tiên tiến như Cộng hòa liên bang - Đức, Anh Quốc và Nhật Bản đang có kế hoạch đóng cửa dần các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai và tích cực thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo.

Thủy điện từng một thời được coi là nguồn năng lượng sạch và đầy tiềm năng, nhưng điều này chỉ đúng cho các trạm thủy điện cỡ nhỏ. Các nhà máy thủy điện quy mô càng lớn thì tác động tiêu cực đến môi trường trong thời gian xây dựng và cả quá trình vận hành về sau này sẽ càng nhiều, chưa kể nếu xảy ra sai sót trong điều khiển xả nước sẽ gây ra thảm họa cho các vùng

38 hạ lưu. Thủy điện đóng góp một phần đáng kể trong sản lượng điện của nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên ngày nay nguồn cung cấp đó thật sự không ổn định trong bối cảnh thời tiết nhiều biến động dưới tác động ngày càng lớn của BĐKH. Chế độ thủy văn trở nên bất thường, hạn hán xảy ra thường xuyên hơn và kéo dài hơn, khiến một số nhà máy thủy điện phải tạm ngừng hoạt động trong khi một số khác vận hành cầm chừng. Vì thế phải nhận thức rằng không thể phụ thuộc hoàn toàn hoặc phần lớn vào thủy điện trong tương lai, mà cần tích cực tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch mới để thay thế. Năng lượng được sản xuất từ nguồn nhiệt điện, sử dụng than hoặc dầu là các nguồn nguyên liệu hóa thạch đầu vào để đốt trong lò, thu lấy nhiệt chạy máy phát điện, phát sinh một lượng khí thải khổng lồ gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Năng lượng sinh học cũng hứa hẹn là một nguồn cung cấp sạch và an toàn về mặt sinh thái, song nếu phát triển quá mức sẽ thu hẹp diện tích trồng trọt trong nông nghiệp, vì quỹ đất canh tác của mỗi quốc gia là hữu hạn, từ đó có thể dẫn đến tình trạng mất an ninh lương thực.

Việt Nam là quốc gia nằm hoàn toàn trong vành đai khí hậu nhiệt đới, sẽ có lợi thế rất lớn khi phát triển năng lượng mặt trời do số giờ nắng trong năm cao (Tp.HCM 2.500 giờ/năm) [30] và cường độ bức xạ mặt trời lớn (5 ÷ 6 kWh/m2/ngày ở miền Trung và miền Nam) [6], mỗi chỉ số đều cao hơn gấp đôi so với mức trung bình của Cộng hòa liên Bang - Đức - một quốc gia đi đầu trên thế giới về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng [24]. Do đó, năng lượng mặt trời rất cần được khai thác để cung cấp cho các công trình tại các đô thị trong nỗ lực thay thế dần các nguồn cung cấp từ những nhà máy nhiệt điện chạy than hoặc dầu tại Việt Nam. Theo kinh nghiệm phát triển của các quốc gia tiên tiến, giá thành điện mặt trời không hề đắt như nhiều người vẫn lầm tưởng. Tại Cộng hòa liên bang Đức, giá thành điện mặt trời thời điểm năm 2013 trung bình là 0,11 euro/kWh (tương đương 2.700 đồng/kWh) [23], ở Việt Nam là 0.078 euro/kWh (tương đương 2.030 đồng/kWh) trong khi mức giá điện sinh hoạt trong giờ cao điểm

39 tại Việt Nam được Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) áp dụng theo định mức, thấp nhất cho 50 kWh đầu tiên là 1.400 đồng/kWh và cao nhất là 2.600 đồng/Kwh từ kWh thứ 401 trở đi trong tháng [5], có nghĩa là ở mức chấp nhận được. Ý nghĩa của việc khai thác và sử dụng năng lượng măt trời không đơn thuần dừng lại ở mức độ so sánh hai biểu giá với nhau, mà còn lớn hơn thế nhiều khi tiết kiệm chi phí phải bỏ ra để khắc phục thiệt hại do ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu của việc phát thải CO2 từ các nhà máy nhiệt điện thải ra hàng năm. Chi phí cải tạo môi trường lớn hơn nhiều lần so với chi phí ban đầu xây dựng các trạm và lắp đặt các thiết bị thu năng lượng mặt trời. Do vậy, đầu tư cho năng lượng mặt trời là sự lựa chọn đúng đắn và sáng suốt (xem Hình 2.4).

Về nguyên lý, thiết bị thu năng lượng mặt trời có hai loại: (i) pin năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng; (ii) tấm thu nhiệt mặt trời để làm nóng nước [14]. Dưới tác động của BXMT, lớp tế bào quang điện ở giữa hai mặt kính của tấm pin sẽ hấp thụ các hạt photon trong tia BXMT và tạo thành dòng điện. Dòng điện này sẽ được truyền qua lớp vật liệu bán dẫn phía dưới và tập trung về thiết bị tích trữ điện năng, qua đồng hồ đo rồi đến các thiết bị tiêu thụ trong công trình như đèn, quạt, máy giặt, tủ lạnh, điều hòa không khí, lò vi sóng, dàn âm thanh, vô tuyến… Hệ thống phát điện này cũng được đấu nối với mạng lưới điện khu vực để trong trường hợp không sử dụng hết năng lượng tạo ra, có thể dự trữ một phần và phần còn lại chuyển vào hệ thống để điều phối. Với các công trình nhỏ, mức độ sử dụng năng lượng không quá cao như nhà ở gia đình, các tấm pin năng lượng mặt trời có thể được lắp tại chỗ trên mái nhà hoặc trên mặt đứng nhà. Trong phạm vi đô thị, để cung cấp năng lượng mặt trời cho các công trình công cộng và công trình sản xuất, nơi có mức tiêu thụ năng lượng cao mà các nguồn cấp tại chỗ có thể không đủ, các trạm phát bổ sung quy mô lớn sẽ được quy hoạch. Những khoảng đất trống, chưa được khai thác bên ngoài đô thị có thể được tận dụng để đặt các hệ giàn pin năng lượng mặt trời bao phủ một diện tích rộng nhiều ha (cánh

40 đồng năng lượng mặt trời - solar farm) và một trạm thu, phân phối tại chỗ phụ trách một vùng trong đô thị (xem Hình 2.5). Đối với những vùng có tiềm năng về gió như ven biển hoặc ngoài hải đảo, có thể tích hợp thêm trạm điện gió vào hệ thống. Trạm điện gió này bao gồm một khối nhà đặt thiết bị thu đấu nối với nhiều cột cánh quạt cao được bố trí sao cho hướng gió chủ đạo trong vùng thổi vuông góc vào mặt phẳng cánh quạt. Các luồng gió mạnh thổi qua sẽ làm quay cánh quạt, truyền chuyển động đến turbine của máy phát điện đặt ở bên trong và sản sinh ra điện.

Lượng điện được tạo ra sẽ hòa vào mạng lưới cung cấp năng lượng (xem Hình 2.6). Ở Việt Nam, từ 2011 đến 2016 đã có sáu dự án điện gió ở bốn tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận, Cà Mau và Bạc Liêu đi vào hoạt động, với tổng công suất khoảng 500 mW/năm, sản lượng sẽ tăng lên 800 mW/năm đến 2020 và 2.500 mW/năm đến 2025. Hiện tại, giá điện gió tại Việt Nam là 0,065 euro/kWh (tương đương 1.700 đồng/kWh), tức là rẻ hơn giá thành điện mặt trời [5].

Một đơn vị tế bào quang điện được sản xuất có kích thước phổ biến 10 cm x 10 cm hoặc 15 cm x 15 cm, được ghép nối với nhau trên một mặt phẳng tạo ra một module tấm pin năng lượng mặt trời, có kích thước tiêu chuẩn là 1,2 m x 1 m. Theo tính toán của các chuyên gia về năng lượng, 9 tấm pin trên được lắp đặt thành khung 3 tấm ngang x 3 tấm dọc, với kích thước tổng 3,6 m x 3 m (diện tích 10,8 m2), trong điều kiện tối ưu cả về hướng lẫn góc nghiêng khi lắp trên mái, có thể cung cấp lượng điện năng 1.000 kWh/năm, đáp ứng 25% nhu cầu tiêu thụ của một gia đình bốn nhân khẩu tại Cộng hòa liên bang - Đức [24].

Thiết bị thu năng lượng mặt trời có tác dụng làm nóng nước lên đến nhiệt độ 40 ÷ 45oC để phục vụ nhu cầu sử dụng của con người hàng ngày.

Thiết bị này là một hệ thống tương đối đơn giản, bao gồm ba bộ phận chính là tấm thu nhiệt mặt trời, bộ phận điều chỉnh/trao đổi nhiệt và bình chứa nước. Ngoài ra còn có một thiết bị đun cũng được gắn vào bình chứa. Tấm

41 thu nhiệt mặt trời có hai dạng cơ bản là tấm phẳng và hệ ống chân không.

Dạng tấm phẳng thiết bị khá mỏng có các ống dẫn nhiệt cỡ nhỏ xếp hành hàng đặt trên một lớp vật liệu hấp thụ nhiệt giữa hai tấm kính cường lực có tráng một lớp cách nhiệt ở mặt bên dưới. Dạng ống chân không cũng có cấu tạo tương tự, nhưng các ống dẫn nhiệt được ghép thành từng cặp và lồng vào bên trong một ống chân không tiết diện lớn có hai đầu gá vào khung. Thiết bị dạng ống chi phí chế tạo cao hơn nhưng hiệu quả lại hơn đáng kể do sử dụng môi trường chân không bên trong ống giúp loại trừ hiện tượng tổn thất nhiệt (xem Hình 2.7).

Lượng nhiệt mà tấm thu nhiệt hấp thụ được sẽ chuyển qua bộ phận điều chỉnh/trao đổi nhiệt. Tại đây có cuộn dây kim loại bọc lớp bảo ôn dẫn đến bình đun. Trong bình đun, nước lạnh chảy vào có nhiệt độ khoảng 20oC được làm ấm lên đến 40 ÷ 45oC theo đường ống dẫn đến các thiết bị tiêu thụ. Thiết bị đun chạy điện được gắn thêm vào bình để vẫn đun nước ban ngày trong điều kiện thời tiết xấu, thiết bị thu nhiệt mặt trời không hoạt động hoặc hoạt động yếu, không cung cấp đủ nhiệt để làm nóng nước đến nhiệt độ cần thiết, hoặc ban đêm, khi lượng nhiệt trong bộ phận lưu trữ chỉ đủ để làm nóng nước vài giờ sau khi mặt trời lặn. Sau khoảng thời gian đó nước ấm sẽ hạ dần về nhiệt độ bình thường (xem Hình 2.8).

Tấm thu nhiệt thông thường được lắp trên mái, đôi khi được gắn trên mặt đứng hoặc để tự do ngoài trời trên một giá đỡ, các thiết bị khác trong hệ thống được bố trí trong tầng áp mái, các đường dây và đường ống chạy ngầm tường, nếu chạy nổi thì phải có vỏ hộp kỹ thuật bảo vệ. Tùy thuộc công suất thiết bị mà diện tích tấm thu nhiệt được tính bình quân 0,75 ÷ 1,5 m2/người [24].

Tương tự như tấm pin năng lượng mặt trời, tấm thu nhiệt mặt trời chỉ đạt hiệu suất thiết kế khi được đặt đúng hướng (chính nam) với góc nghiêng thích hợp (tùy theo vĩ độ).

Chu trình vận hành của hệ thống bơm nhiệt như sau: (i) Chất làm lạnh thể hơi (lưu chất) ở áp suất thấp và nhiệt độ khoảng 10oC sau khi qua máy nén

42 sẽ được nén lên áp suất 20 at và nhiệt độ 80 ÷ 90oC; (ii) Sau đó hơi này sẽ qua giàn trao đổi nhiệt dạng cho nước hạ nhiệt độ xuống và biến thành thể lỏng. Nước lấy ra từ giàn trao đổi nhiệt này sẽ có nhiệt độ 60oC; (iii) Lưu lượng nước nóng sẽ được một máy bơm bơm vào một bình chứa cách nhiệt để đảm bảo lượng nước nóng sử dụng cho giờ cao điểm và giảm được tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh; (iv) Lưu chất ở trạng thái lỏng và áp suất cao sẽ tiếp tục qua van điều áp để giảm nhiệt độ xuống còn 10 ÷ 15oC rồi đi qua giàn lạnh. Trong giàn lạnh, lưu chất sẽ hấp thụ nhiệt của không khí và làm cho nhiệt độ của không khí giảm xuống còn khoảng 20 ÷ 25oC. Không khí này được tận dụng và được quạt ly tâm đưa đi để làm mát các không gian phát sinh nhiệt (ví dụ như bếp, lò sấy, lò nun…); (v) Sau khi qua van điều áp và giàn lạnh, lưu chất quay trở lại máy sấy và được sấy thành luồng lưu chất mới (ở dạng hơi, áp suất thấp) và mang theo nhiệt lượng thu từ môi trường ngoài để tiếp tục một chu trình mới (xem Hình 2.9).

Hệ thống này hoạt động theo hai cơ chế riêng biệt, tương ứng hai mùa trong năm là mùa đông và mùa hè, với hai nhu cầu cơ bản là sưởi ấm và làm mát (xem Hình 2.10). Chu trình sưởi ấm không khí lạnh ngoài trời qua quá trình trao đổi nhiệt (thu nhiệt) trong máy nén trở thành các luồng hơi ấm tỏa ra từ một miệng xả ở trên trần, duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức độ tiện nghi, khoảng 25 ÷ 30oC, đồng thời các luồng hơi ấm này sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong phòng sẽ nguội đi, được hút về miệng thu của thiết bị bố trí sát sàn nhà, cuốn theo các khí bẩn, khí thải, hơi nước… phát sinh từ các hoạt động của con người và được dẫn ra bên ngoài. Chu trình làm mát không khí nóng ngoài trời qua quá trình trao đổi nhiệt (tỏa nhiệt) trong máy nén trở thành các luồng hơi mát tỏa ra từ một miệng xả ở trên trần, duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức độ tiện nghi, khoảng 25 ÷ 30oC, đồng thời các luồng hơi mát này sau khi trao đổi nhiệt với không khí trong phòng sẽ ấm lên, được hút về miệng thu của thiết bị bố trí sát sàn nhà, cuốn theo các khí

43 bẩn, khí thải, hơi nước… phát sinh từ các hoạt động của con người và được dẫn ra bên ngoài.

Máy bơm nhiệt hiện nay khai thác ba nguồn nhiệt chính lấy từ không khí, nước và đất, tương ứng là ba loại máy bơm nhiệt (xem Hình 2.11). Thứ nhất, máy bơm nhiệt khí sử dụng nguồn nhiệt lấy từ không khí, có ưu điểm là lắp đặt dễ dàng, chi phí rẻ hơn các loại máy bơm khác, thích hợp để thay thế các loại lò sưởi điện thông thường. Hiện nay, các kỹ sư công nghệ đã cải tiến máy bơm nhiệt khí, tận dụng khí thải có chứa nhiệt phát sinh từ quá trình sinh hoạt và sản xuất để sưởi ấm. Thứ hai, máy bơm nhiệt nước có thể dùng nguồn nước ngầm, nước sông hồ hoặc nước biển, tùy thuộc sự sẵn có của nguồn nước tại chỗ. Các máy bơm nhiệt nước ngầm có ưu điểm là dễ lắp đặt và hoạt động ổn định, hiệu suất tương đối cao, tuy vậy cần phải tìm được nguồn nước ngầm ở gần nơi lắp đặt, chỉ thích hợp với các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc các hệ thống sưởi cho sàn nhà, thêm vào đó khi lắp đặt cần lưu ý tránh gây ô nhiễm nguồn nước và khu vực đất xung quanh. Tương tự như vậy, nước sông hồ cũng là những nguồn cung cấp nhiệt tốt và thường xuyên trong điều kiện Việt Nam, vì các sông hồ không bị đóng băng về mùa đông như ở xứ lạnh và riêng các địa phương ven biển có thể tận dụng lợi thế về vị trí để phát triển công nghệ bơm nhiệt nước biển, với trữ lượng dồi dào, nhiệt độ nước dưới tầng đáy gần bờ khá ổn định quanh mức 10oC, thích hợp với các trạm bơm nhiệt công suất trung bình đến lớn, chỉ cần chú ý chống ăn mòn cho các đường ống dẫn nhiệt để tránh gây tác động bất lợi đến môi trường nước biển. Gần đây, nước thải trong công nghiệp (đặc biệt là công nghiệp luyện kim và mạ), cũng đã được tận dụng tại chỗ để sưởi ấm cho các cơ sở sản xuất và góp phần tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, trong khi nước thải trong lĩnh vực dân dụng khó thu gom hơn trong công nghiệp nên khả năng áp dụng bơm nhiệt nước còn hạn chế. Thứ ba, máy bơm nhiệt đất có ưu điểm là tận dụng được nguồn nhiệt năng đất dồi dào có sẵn dưới nền của mỗi công trình, không hoặc rất ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường

44 xung quanh (do nhiệt lượng trong lòng đất thường ổn định) nhưng nhược điểm là chi phí lắp đặt khá cao. Có hai cách bố trí hệ thống thu dẫn nhiệt đất là: (i) Theo chiều ngang, chỉ cần đặt sâu khoảng 1 ÷ 2 m so với mặt đất, và yêu cầu một diện tích tương đối lớn nên thường được áp dụng trong nhà có sân vườn rộng; và (ii) Theo chiều dọc, thích hợp với công trình do điều kiện diện tích hạn chế không bố trí được sân vườn nhưng cần đào sâu xuống đất trên dưới 100 m theo kết quả khảo sát và tư vấn của kỹ sư địa năng lượng (xem Hình 2.12). Ở các nước xứ nóng, làm mát về mùa hè là nhu cầu chính. Tận dụng nhiệt độ dưới lòng đất khá ổn định và dồi dào, các kỹ sư năng lượng đã thiết lập quá trình trao đổi nhiệt, chỉ có một điểm khác là thiết bị trao đổi nhiệt không bố trí trong nhà mà đặt bên ngoài, trong một “hầm nhiệt” dưới lòng đất. Cơ chế sưởi ấm dựa trên quá trình thu nhiệt của luồng hơi lạnh chạy trong hệ ống ngầm trong “hầm nhiệt” để trở thành luồng hơi nóng, còn cơ chế làm mát dựa trên quá trình tỏa nhiệt của luồng hơi nóng chạy trong cùng hệ thống nói trên để trở thành luồng hơi lạnh, sau đó luồng hơi nóng hoặc luồng hơi lạnh sẽ theo mạng lưới ống đặt ngầm sàn/ngầm tường tỏa đi sưởi ấm hoặc làm mát các không gian trong nhà. Ngoài không khí, nước cũng có thể được khai thác. Hai hệ thống sưởi ấm/làm mát bằng không khí và nước trong thực tế thường được phối hợp, sử dụng chung một máy nén (xem Hình 2.13).

Tóm lại, kỹ thuật công nghệ, bao gồm công nghệ khai thác năng lượng ưu tiên hàng đầu cho việc sưởi ấm và làm mát - và kỹ thuật cách nhiệt cho lớp vỏ bao che công trình, là yếu tố hỗ trợ tích cực cho công trình để đạt mức độ hiệu quả năng lượng cao hơn trên cơ sở giải pháp quy hoạch và thiết kế kiến trúc đã được tối ưu hóa.

45 2.3. Cơ sở thực tiễn 2.3.1. Điều kiện khí hậu phía Nam Việt Nam Khí hậu là yếu tố có tác động rất mạnh lên công trình kiến trúc, ảnh hưởng trực tiếp đến sự tiện nghi bên trong cho người ở hoặc làm việc qua lớp vỏ và các khoảng không gian mở bên trong công trình (nếu có). Những yếu tố thời tiết sau cần được thu thập đầy đủ và phân tích kỹ lưỡng bởi kiến trúc sư nhằm cho ra giải pháp thiết kế TKNL, khai thác được các yếu tố có lợi cũng như hạn chế các tác động bất lợi của khí hậu - thời tiết trong khu vực: (i) Nhiệt độ (đơn vị 0C); (ii) Độ ẩm tương đối (đơn vị %); (iii) Lượng mưa (đơn vị mm); (iv) Vận tốc gió (đơn vị m/s); (v) Hướng gió chủ đạo; (vi) Số giờ nắng trong năm (đơn vị giờ/ngày cho tháng và tổng số giờ/năm); (vii) Cường độ bức xạ mặt trời (đơn vị kWh/m2ngày).

Có thể thấy rõ những khoảng thời gian nào trong năm cần chống nóng, chống lạnh, chống ẩm và chống mưa hắt cho công trình kiến trúc khi căn cứ vào số liệu nền được cung cấp bởi các chuyên gia về thiết kế sinh khí hậu công trình để từ đó đề xuất và áp dụng các giải pháp cụ thể cho từng trường hợp một. Chẳng hạn như tại Hà Nội, cần chống nóng cho công trình vào các tháng 5 - 6 - 7 - 8, chống mưa hắt các tháng 6 - 7 - 8 - 9, chống lạnh các tháng 12 - 1 - 2, chống nồm các tháng 2 - 3. Điều kiện thời tiết ở mỗi địa phương (tỉnh, thành phố) trong cùng một vùng cũng không giống nhau hoàn toàn, vì vậy xây dựng cơ sở dữ liệu khí hậu riêng cho từng địa phương là công việc có tầm quan trọng rất lớn và là dữ liệu đầu vào bắt buộc của quá trình quy hoạch - thiết kế sinh khí hậu hướng tới TKNL (xem Hình 2.14).

Có thể thấy ngày Hạ chí (22/06) là thời điểm mặt trời ở vị trí cao nhất trong năm và là đỉnh điểm của mùa nóng, thời gian che chắn bức xạ mặt trời từ 15h đến 18h, tương ứng với góc phương vị mặt trời từ 500 đến 100, nếu như mặt trước nhà với chiều cao 3,5 m/tầng và bệ cửa sổ cao hơn sàn 0,9 m có một lô-gia chạy dài hết mặt tiền với độ lùi sâu 2 m là đủ che nắng hiệu

46 quả theo phương ngang từ 12h đến 15h (góc phương vị tương ứng từ 900 đến 500), còn từ 15h đến 18h (lúc mặt trời lặn) ngoài khoảng chắn của lô-gia cần che nắng theo phương đứng bằng mành hoặc rèm (xem Hình 2.15). Nếu quay cửa chính về hướng Đông Nam thì ngôi nhà sẽ đón được gió mát mùa hè, sẽ giúp giảm thời gian sử dụng cũng như cường độ làm mát của máy điều hòa không khí, còn mặt bên nhà, nếu lộ diện nhưng được xây kín hoặc có trổ cửa sổ cánh kính và được đóng chặt sẽ chống được gió lạnh mùa đông, thành ra việc bật máy sưởi là không cần thiết trong những ngày đông lạnh nhưng chưa đến mức rét (xem Hình 2.16). Đặc trưng khí hậu khác biệt chính là một trong những nguyên nhân lý giải vì sao miền Bắc chìm trong khí hậu giá rét mà miền Nam thì vẫn ấm áp. Sự khác biệt là miền Bắc có khí hậu cận nhiệt đới ẩm và có bốn mùa, còn miền Nam thì có khí hậu xavan nhiệt đới. (i) Khí hậu cận nhiệt đới ẩm là một kiểu khí hậu đặc trưng bởi mùa hè nóng và ẩm, mùa đông mát và khá lạnh. (ii) Khí hậu nhiệt đới xavan có nhiệt độ trung bình tất cả các tháng trong năm trên 18°C và thường có một mùa khô rõ rệt.

Vị trí địa lí nước ta cũng là yếu tố quyết định đến sự khác biệt khí hậu giữa hai miền Nam - Bắc, điểm cực Bắc gần chí tuyến (23 độ 23' B); điểm cực Nam nằm cách Xích đạo không xa (8 độ 34' B). Vì Miền Bắc nằm ở vĩ độ cao hơn miền Nam nên chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của gió mùa Đông Bắc, trong khi đó gió mùa Đông Bắc càng vào Nam càng suy yếu. Nước ta nằm trong vùng nội chí tuyến Bắc bán cầu, miền Nam nước ta lại gần Xích đạo hơn nên hàng năm nhận được lượng bức xạ lớn.

Một cơ sở quan trọng nữa cần được sử dụng khi phân tích điều kiện khí hậu để chọn giải pháp thiết kế phù hợp là biểu đồ sinh khí hậu (bio-climatic diagram) được xây dựng cho từng địa phương, với hai thông số quan trọng nhất là nhiệt độ và độ ẩm, được phân vùng theo cảm giác nhiệt của con người, cụ thể như sau: Vùng 1, Rất lạnh; Vùng 2, Lạnh; Vùng 3, Tương đối lạnh; Vùng 4, Tiện nghi; Vùng 5, Mát khô; Vùng 6, Mát ẩm; Vùng 7, Khá nóng;

47 Vùng 8, Nóng ẩm; Vùng 9, Nóng khô. Vùng quan trọng nhất là “vùng tiện nghi” - tức vùng 4 - nằm ở khoảng giữa, nếu phạm vi này càng mở rộng thì lại càng có lợi. Ở Việt Nam có PGS.TS. Phạm Đức Nguyên và cộng sự đã thiết lập được biểu đồ sinh khí hậu cho toàn quốc và một số địa phương như Tp.HCM, Đà Nẵng và Hà Nội (xem Hình 2.17) [19].

2.3.2. Bài học kinh nghiệm về thiết kế vỏ bao che hai lớp Trong kiến trúc TKNL, lớp vỏ công trình đóng vai trò đặc biệt quan trọng, như là một bộ lọc khí hậu cho không gian bên trong khi tính đến yếu tố tiện nghi VKH theo mùa, tác động trực tiếp đến sử dụng năng lượng cho việc chiếu sáng, thông gió, sưởi ấm và làm mát. Hai vấn đề kỹ thuật công nghệ sau liên quan đến lớp vỏ công trình cần xem xét: (i) Cấu trúc vỏ hai lớp (double skin) bao gồm trong đó cả lắp đặt cửa kính - vách kính (glazing) và lắp đặt các kết cấu che nắng; (ii) Lớp vật liệu cách nhiệt.

Cấu trúc vỏ hai lớp tạo ra một khoảng trống ở giữa, được nghiên cứu cho công trình kiến trúc giúp TKNL. Lớp vỏ bên ngoài được cấu tạo bằng kính cường lực dày với hệ khung kim loại có hoặc không có kết cấu che nắng, tùy thuộc vào chủng loại kính, còn lớp vỏ bên trong có thể giống hoặc khác với lớp vỏ bên ngoài (cũng là vách kính hoặc hệ tường/cửa sổ bình thường).

Khoảng cách giữa hai lớp vỏ dao động từ 0,5 đến 2 m.

Vỏ bao che hai lớp giúp thông gió tự nhiên hiệu quả, không trực tiếp theo kiểu xuyên phòng mà đi chéo qua các khoảng mở so le của lớp vỏ trong và lớp vỏ ngoài để tránh gió lạnh mùa đông lùa thẳng vào phòng, cung cấp không khí tươi cho các không gian văn phòng và không gian ở, hạn chế sử dụng các hệ thống điều hòa không khí cơ khí, đồng thời giảm tiếng ồn từ bên ngoài vọng vào. Khi cần thiết, khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp, cả hai lớp vỏ này đều đóng kín, tạo thành một lớp đệm không khí ở giữa, cách nhiệt rất hiệu quả, đồng thời cũng cách âm tốt. Dưới tác động của ánh nắng mặt trời mùa đông, lớp không khí này sẽ tăng nhiệt độ, ở khoảng giữa hai nền nhiệt

48 độ trong và ngoài công trình, giảm thiểu tổn thất nhiệt giữa không gian phòng và không gian đệm, giữa không gian đệm và không gian ngoài trời. Trong các tháng hè, luồng không khí nóng giữa hai lớp vỏ sẽ được rút bớt ra nhờ hệ thống quạt gió phía trên khi lớp vỏ kính bên ngoài hạn chế mở, hoặc nhờ thông gió tự nhiên qua các ô kính mở (dạng chớp lật có điều khiển) khi điều kiện cho phép, kết quả là không gian bên trong sẽ trở nên mát mẻ và dễ chịu hơn (xem Hình 2.18). Các thiết bị chiếu sáng, thông gió… nếu được lắp đặt trong khoảng đệm giữa hai lớp vỏ, vẫn hoạt động hiệu quả, lại bền hơn do được bảo vệ khỏi các tác động bất lợi của thời tiết, đồng thời không ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ trên mặt đứng công trình.

Kết cấu chắn nắng là một bộ phận của lớp vỏ công trình bảo vệ không gian bên trong khỏi tác động bất lợi của BXMT. Có hai loại kết cấu che nắng thông dụng là kết cấu nằm ngang và kết cấu chạy dọc. Đôi khi cả hai loại kết cấu này phối hợp với nhau, tạo thành các diện kẻ ô trên mặt đứng. Mỗi loại kết cấu che nắng sẽ hiệu quả cho một hướng, cụ thể kết cấu chắn nắng nằm ngang sẽ phù hợp với các hướng từ Đông Nam đến Tây Nam, trong khi kết cấu chắn nắng chạy dọc phát huy tác dụng trên hướng Đông và hướng Tây.

Thay vì các kết cấu chắn nắng bằng bê tông gắn cố định của những năm 1960 - 1980, kể cả những bức tường hoa văn bằng gạch đúc rất đẹp và đặc trưng của thời kỳ này vẫn còn tồn tại đến ngày nay, kiến trúc hiện đại ưu tiên sử dụng các kết cấu chắn nắng linh hoạt hơn bằng hợp kim nhôm, không chỉ dễ dàng tháo lắp mà còn có thể được điều khiển xoay một góc khi cần thiết để điều chỉnh lượng ánh sáng mặt trời vào phòng theo nhu cầu, từ tối đa (khi các thanh chớp song song với tia nắng) đến tối thiểu (khi các thanh chớp chờm lên nhau và vuông góc với tia nắng). Trong thực tế, các kết cấu che nắng được lắp trên lớp vỏ ngoài hoặc giữa hai lớp vỏ (khi yêu cầu mặt đứng để cả mảng kính lớn, không có kết cấu phân chia) phổ biến hơn là bên trong phòng vì tính chủ động cao hơn và hiệu quả lớn hơn (xem Hình 2.19).

49 Kính cản nhiệt hay còn gọi là kính phát xạ nhiệt chậm, đôi khi được hiểu là kính TKNL (low-e glass) là công nghệ tiên tiến hơn và do đó cũng hiệu quả hơn kính phản quang (reflective glass) về tác dụng cách nhiệt. Kính phản quang đặc biệt hữu dụng khi hạn chế ánh sáng mặt trời nhưng lại không cản được nguồn nhiệt phi BXMT, có nghĩa là các nguồn nhiệt từ hiện tượng đảo nhiệt đô thị từ các bề mặt bê tông, nhựa đường, kim loại, phương tiện giao thông, cục nóng điều hòa,… cộng hưởng với nhau phả vào công trình, trong khi kính low-e có tác dụng ngược lại. Do vậy kính low-e được lắp đặt phổ biến trong các công trình xây mới có tỷ lệ phủ kính cao với yêu cầu khắt khe về TKNL dù giá thành đắt hơn. Kính low-e là loại kính được phủ lên bề mặt một loại hợp chất đặc biệt (kim loại - crom hoặc titan, oxyt kim loại - oxyt thiếc hoặc oxyt titan hoặc hợp kim nhôm - sylic), giúp kính có tính năng phát xạ nhiệt chậm, làm giảm sự phát tán, hấp thụ nhiệt lượng chậm và làm chậm quá trình truyền tải nhiệt nhưng vẫn đảm bảo độ sáng trong căn phòng, là tính năng vượt trội của sản phẩm, giúp cho căn phòng ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè, tiết kiệm tối đa chi phí cho công việc duy trì nhiệt độ trong phòng mà vẫn giữ được độ sáng và đảm bảo thẩm mỹ tối đa. Có hai loại kính low-e là phủ cứng (được chế tạo bằng công nghệ nhiệt luyện, phủ một lần, độ bền cao, thời gian sử dụng lâu, có khả năng gia công, độ phản chiếu ánh sáng trung bình) và phủ mềm (được chế tạo bằng công nghệ điện giải trong môi trường chân không, phủ hai hoặc nhiều lớp, độ bền trung bình, thời gian sử dụng ngắn hơn loại phủ cứng, khả năng gia công hạn chế, độ phản chiếu ánh sáng cao). Bốn thông số kỹ thuật quan trọng của kính low-e giúp cho việc lựa chọn chủng loại kính phù hợp thường được cung cấp bởi nhà sản xuất là: (i) hệ số truyền nhiệt (U-value, đơn vị W/m2K); (ii) hệ số truyền sáng, có một số tài liệu gọi là độ thấu quang (visible light transmittance); (iii) hệ số thu nhiệt mặt trời (solar heat gain co-efficient); (iv) hệ số rò không khí (air leakage). Các khoảng giá trị phổ biến của bốn hệ số trên lần lượt là 0,20 ÷ 1,20; 0 ÷ 1; 0 ÷ 1 và 0,1 ÷ 0,3. Các giá trị của hệ số

50 truyền nhiệt, hệ số thu nhiệt và hệ số rò không khí càng nhỏ thì càng có lợi và giá trị của hệ số truyền sáng càng cao thì càng tốt [26].

Cửa sổ và cửa đi lắp kính là một trường hợp cần được xét riêng vì hai loại cửa này là hai thành phần quan trọng hiện diện trên mặt đứng của công trình. Diện tích ô cửa càng lớn thì khả năng chiếu sáng tự nhiên trực tiếp càng tốt. Cửa sổ và cửa đi cách nhiệt có hai lớp kính với một lớp chân không ở giữa khoảng 1 cm và ba lớp kính với hai lớp chân không ở giữa, mỗi lớp chân không dày khoảng 1 cm, hoàn toàn không cho nhiệt truyền qua, bởi vì chân không ( = 0) hoàn toàn cách nhiệt. Tuy nhiên, lớp vật liệu chế tạo đố cửa và khuôn cửa bằng hợp kim, chất dẻo hoặc gỗ vẫn có thể cho một phần nhiệt nhất định truyền qua nên hệ số truyền nhiệt (U-value) và hệ số truyền năng lượng (g-value) là hai thông số kỹ thuật quan trọng cần xem xét để lựa chọn loại cửa phù hợp. Cửa hai lớp kính chân không có U = 2,5 ÷ 3,0 W/m2K và g = 0,8 ÷ 0,85, cửa ba lớp kính chân không có U = 2 W/m2K và g = 0,7 ÷ 0,75, trong khi cửa kính một lớp (không có lớp chân không) có U = 5,5 ÷ 6 W/m2K và g = 0,9. Để giảm giá trị của U và g, tức là tăng hiệu quả cách nhiệt của cửa kính, sẽ phải cần đến công nghệ chế tạo đặc biệt. Hiện nay, các loại cửa tiên tiến nhất có U = 0,5 W/m2K và g = 0,4, tuy nhiên do giá thành cao nên hiện vẫn chưa được sử dụng phổ biến như kính hai lớp và ba lớp có chân không [24].

Cách nhiệt là bài toán đặt ra cho mọi công trình, dù trong điều kiện khí hậu nóng hay lạnh. Nhiệt độ không khí bên ngoài cao, nhiệt độ không khí trong duy trì ở mức tiện nghi (thấp hơn bên ngoài). Về nguyên tắc, nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp, nhiệt ngoài trời sẽ thâm nhập vào trong nhà qua lớp vỏ bao che, tăng nhiệt độ của không khí trong phòng và sự truyền nhiệt này sẽ dừng lại khi nhiệt độ trong nhà tương đương với nhiệt độ ngoài trời, tức là cùng nóng như nhau. Hiệu quả cách nhiệt của tường phụ thuộc vào chất lượng của lớp vật liệu cách nhiệt, được chèn vào giữa lớp ngoài cùng và lớp trong cùng của cấu kiện tường, hoặc lớp

51 trên cùng và lớp dưới cùng của cấu kiện mái. Hai cấu kiện này có tầm quan trọng tương đương nhau trong các công trình thấp tầng [14].

Có hai hình thức tạo khoảng cách nhiệt cho lớp vỏ: (i) Chèn các vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ có nguồn gốc tự nhiên với hệ số dẫn nhiệt  thấp như sợi gỗ ép ( = 0,15), bông khoáng ( = 0,05), xơ sợi thực vật ép như xơ dừa ( = 0,04), bọt xốp polyurethane ( = 0,02)… đầy khoảng trống giữa hai lớp tường trong - tường ngoài và mái trên - mái dưới, vì các vật liệu này khi có chiều dày đủ lớn, tối thiểu 10 cm, sẽ ngăn cản sự truyền nhiệt từ ngoài vào trong; (ii) Tạo không gian rỗng giữa hai lớp bề mặt vỏ bao che với khoảng cách tối thiểu 30 cm, vì không khí giữa hai lớp vỏ ( = 0,025) cũng có tác dụng tương đương với các vật liệu chèn cách nhiệt tốt khác và không gian rỗng này được xẻ khe hoặc ô thoáng hai đầu cho gió thổi qua, tản bớt nhiệt tích tụ bên trong dưới tác động của bức xạ mặt trời. Các vật liệu cách nhiệt được chế tạo theo phương pháp công nghiệp, ép thành từng tấm hoặc tết thành từng cuộn có kích thước và độ dày cũng như độ xốp khác nhau theo tiêu chuẩn. Trong quá trình thi công, các tấm/cuộn vật liệu nói trên sẽ được chèn vào giữa hai lớp tường trong - tường ngoài và mái trên - mái dưới. Tùy thuộc chất liệu và độ dày của các tấm/cuộn đặt vào mà hiệu quả cách nhiệt của tường/mái sẽ khác nhau [20].

2.3.3. Bài học kinh nghiệm về thiết kế vỏ bao che tiết kiệm năng lượng Cơ cấu sử dụng năng lượng trong công trình thay đổi theo vị trí và thể loại công trình. Thực tiễn phát triển trên thế giới đã cho thấy tại cùng một địa điểm và trong cùng một thể loại công trình, cơ cấu sử dụng năng lượng của các công trình cũng có thể khác nhau tương đối nhiều tùy thuộc vào tính chất sử dụng và thời gian với những biến đổi về thời tiết cũng như dưới tác động của nhiều yếu tố khác.

Các số liệu thống kê cho phép đi đến kết luận là năm 2010 khí hậu khá ấm về mùa đông và tương đối nóng về mùa hè, khác với hai năm 2006 và

52 2007, khi nhu cầu sưởi ấm và đun nóng nước năm 2010 giảm đột ngột và nhu cầu làm mát tăng đáng kể. Tuy nhiên, so với năm 2010 thì năm 2011 tình hình lại hoàn toàn đảo ngược đó là một năm có mùa đông rất khắc nghiệt khiến nhu cầu sưởi ấm tăng mạnh: gấp gần 1,5 lần năm 2006 và 2 lần so với năm 2007 (xem Bảng 2.7). Số liệu thống kê cơ cấu sử dụng năng lượng trong công trình tại Hoa Kỳ năm 2015 trong hai phạm vi là công trình nhà ở và công trình công cộng. Theo biểu đồ này có thể thấy rõ sự khác biệt giữa hai thể loại: cùng là nhu cầu chủ đạo song sưởi ấm chỉ chiếm 27% trong hộ gia đình, nhưng bên công trình thương mại, tỷ lệ này tăng lên đến 45%. Đối với nhà ở, chiếu sáng là nhu cầu thiết yếu số 2, với 14% năng lượng sử dụng, trong khi bên công trình thương mại nhu cầu đó lại là đun nóng nước với 18%. Bốn nhu cầu thiết yếu nhất (sưởi ấm - chiếu sáng - làm mát - đun nước) tiêu thụ 58% năng lượng trong hộ gia đình và 78% trong công trình thương mại. Như vậy, muốn sử dụng năng lượng có hiệu quả trong công trình xây dựng, cần ưu tiên áp dụng các giải pháp tiết kiệm trong bốn lĩnh vực này trước (xem Hình 2.19) [14].

Kết luận chương 2 Hiện tại, Việt Nam vẫn chưa có quy chuẩn riêng dành cho quy định và hướng dẫn thiết kế nhà ga hàng không. Việc thiết kế chủ yếu dựa trên hướng dẫn chung của tiêu chuẩn IATA. Yêu cầu diện tích cho khu vực xử lý hành khách, hành lý trong nhà ga được lấy từ công thức trong “Sổ tay tham khảo cho việc phát triển sân bay của IATA”. Yêu cầu về diện tích cho nhà hàng, văn phòng, phòng máy và thiết bị lấy trong “Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam” dành riêng cho từng hạng mục công cộng, có tham chiếu nội dung phân tích mẫu của các sân bay khác. Vì thế cần nghiên cứu và ban hành quy chuẩn hướng dẫn thiết kế dành riêng cho hạng mục nhà ga hàng không. Kiến trúc TKNL được hướng dẫn thiết kế trong QCVN 09:2013/BXD tương đối đầy đủ, đây là một lợi thế cho các KTS thiết kế công trình kiến trúc TKNL.

53 Nguyên tắc thiết kế quy hoạch, kiến trúc và các yếu tố kỹ thuật, công nghệ là cơ sở lý luận để đề xuất giải pháp kiến trúc TKNL. Nên bố trí mặt đứng chính quay về hướng Nam, là hướng “chuẩn” để về năng lượng cho các quốc gia và vùng lãnh thổ thuộc Bán cầu Bắc. Phần lớn thời gian trong ngày và thậm chí tổng quan hơn là trong năm, bức xạ mặt trời rọi tới từ công trình đều phía Nam, cung cấp ánh sáng tự nhiên, hơi ấm và năng lượng cho công trình. Lớp vỏ bao che công trình cần được che nắng và cách nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là mái nhà và các diện tường hoặc cửa sổ, cửa đi, vách kính (trên các hướng Tây Bắc - Tây - Tây Nam). Nguồn năng lượng tái tạo khá đa dạng và có tiềm năng được khai thác trên quy mô lớn, bao gồm năng lượng thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học. Chu trình làm mát công trình của hệ thống bơm nhiệt có thể được ứng dụng vào thiết kế TKNL. Trên thực tế, điều kiện khí hậu khu vực phía Nam Việt Nam có những lợi điểm có thể tận dụng khi thiết kế công trình kiến trúc như việc khai thác nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, vận tốc gió, hướng gió chủ đạo, số giờ nắng trong năm, cường độ bức xạ mặt trời. Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, vỏ bao che công trình nhà ga hàng không cần đóng vai trò che nắng, cách nhiệt, ngăn mưa, chống thấm tốt, chắn gió nhưng vẫn thông thoáng tốt...

Những giải pháp đề xuất cho lớp vỏ bao che TKNL nhà ga hàng không khu vực phía Nam Việt Nam được trình bày trong nội dung chương 3.

k

Ba hướng tối ưu cùng hội tụ, cần tận dụng trong việc chọn Hình 2.1

hướng nhà trong quy hoạch (Nguồn: [14])

l

Quy hoạch hướng nhà, chiều cao và khoảng cách đảm bảo sự Hình 2.2

tối ưu về năng lượng (Nguồn: [14])

m

Phân khu chức năng hợp lý là giải pháp chủ động tiết kiệm Hình 2.3

năng lượng trong công trình (Nguồn: [15])

n

Hình 2.4

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời (Nguồn: www.solarstore.vn)

o

Hình 2.5

Hình 2.6

Sơ đồ hệ thống khai thác năng lượng mặt trời quy mô lớn (Nguồn: www.enerwise.asia)

Trạm điện gió tích hợp với trạm điện mặt trời (Nguồn: www.homepower.com)

p

a. Dạng tấm phẳng

b. Dạng ống

Hình 2.7

Cấu tạo thiết bị thu nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng (Nguồn: www.killus-technik.de/product)

q

Sơ đồ nguyên lý thiết bị đun nước nóng chạy bằng năng lượng Hình 2.8

Mặt Trời (Nguồn: www.energyunlimitedoregon.com)

r

Hình 2.9

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt (Nguồn: www.airandwater.com.au)

s

Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm nhiệt cho việc sưởi ấm Hình 2.10

mùa đông và làm mát mùa hè cho công trình (Nguồn: www.savewithsrp.com)

t

a. Máy bơm nhiệt khí

b. Máy bơm nhiệt nước

c. Máy bơm nhiệt đất

Hình 2.11

Sơ đồ máy bơm nhiệt (Nguồn: www.wilfert-heizungsbau.de)

u

Hình 2.12

Hệ thống bơm nhiệt đất theo chiều ngang và theo chiều dọc (Nguồn: www.entreprise-martin-marchand.fr)

v

Cơ chế vận hành của hệ thống sưởi ấm và làm mát bằng không Hình 2.13

khí và nước kết hợp (Nguồn: www.geoexchange.org)

w

Hình 2.14

Biểu đồ hóa số liệu khí hậu của Tp.HCM (Nguồn: www.saigon.climatemps.com)

x

Hình 2.15

Biểu đồ Mặt trời ở Tp.HCM (Nguồn: www.gaisma.com)

y

Bảng dữ liệu Windrose (Tần số phần trăm) cho HỒ CHÍ MINH / TANS (VVTS) Quan sát được sử dụng / Thiếu / Tổng số: 94399/22843/117242 Thời gian: ngày 2 tháng 7 năm 2011 - ngày 7 tháng 5 năm 2018 Các đơn vị Tốc độ gió: dặm một giờ Đã tạo 07 May 2018 20:41 UTC, liên hệ: akrherz@iastate.edu

Hình 2.16

Biểu đồ hướng và tốc độ gió ở Tp.HCM (Nguồn: www.mesonet.agron.iastate.edu)

z

Hình 2.17

Biểu đồ các vùng sinh khí hậu tiện nghi (Nguồn: [19])

aa

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của vỏ bao hai lớp với thông gió Hình 2.17

và chiếu sáng tự nhiên có kiểm soát (Nguồn: www. kab3ey.wordpress.com)

bb

Hình 2.19

Kết cấu che nắng dạng thanh nằm ngang (Nguồn: [14] )

cc

Cơ cấu sử dụng năng lượng trong công trình thương mại tại Hình 2.20

Hoa Kỳ năm 2015 (Nguồn: www.needtoknow.nas.edu)

dd

Bảng 2.1

Tiêu chuẩn tính toán quy mô phòng ốc (Nguồn: [10])

ee

Bảng 2.2

Bảng 2.3

Bảng 2.4

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với tường bao che bên ngoài (Nguồn: [7])

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với mái bằng (Nguồn: [7])

Hệ số SHGC của kính phụ thuộc vào tỷ số WWR (Nguồn: [7])

ff

Bảng 2.5

Hệ số A đối với kết cấu che nắng (KCCN) nằm ngang dài liên tục đặt sát mép trên cửa sổ hoặc đặt cách mép trên cửa sổ một khoảng cách d với d/H < 0,1 (Nguồn: [7])

Bảng 2.6

Hệ số A đối với tấm che nắng thẳng đứng bề cao liên tục đặt sát cạnh bên cửa sổ hoặc cách cạnh bên cửa sổ một khoảng cách e với e/B <0,1 (Nguồn: [7])

gg Sự thay đổi theo thời gian của năng lượng sử dụng cho bốn Bảng 2.7

nhu cầu cơ bản là sưởi ấm, làm mát, chiếu sáng và đun nước trong lĩnh vực công trình nhà ở tại Hoa Kỳ (Nguồn: www.needtoknow.nas.edu)

Năng lượng sử dụng Sưởi ấm Làm mát Chiếu sáng Đun nóng nước

Năm 2006 31% 12% 11% 12%

2007 23% 14% 11% 13%

2010 9% 22% 14% 9%

2011 45% 9% 6% 18%

2015 27% 11% 7% 13%

54 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VỎ BAO CHE TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHÀ GA HÀNG KHÔNG TẠI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM 3.1. Nguyên tắc chung Có ba giải pháp chính được sắp xếp theo thứ tự ưu tiên trong thiết kế nhằm hướng đến giải pháp vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không (xem Hình 3.1). Thứ nhất, các giải pháp quy hoạch luôn là tiền đề để hướng đến mục tiêu TKNL. Lộ trình này tương tự với với các mục tiêu về hạ tầng, không gian, thẩm mỹ và văn hóa đô thị… Ở công trình nhà ga hàng không thì định hướng chung về quy hoạch đặt ra mục TKNL không chỉ định hướng cho kiến trúc mà còn định hướng cho toàn thể sân bay, tất cả các bộ môn liên quan.

Thứ hai, bước tiếp theo để tiến đến mục tiêu về TKNL cho vỏ bao che của nhà ga thì giải pháp kiến trúc là yếu tố quan trọng và cốt lõi quyết định đến hiệu quả năng lượng vỏ bao che. Thứ ba, các giải pháp hỗ trợ sẽ giúp công trình đạt mức TKNL. Các giải pháp kỹ thuật, công nghệ… phụ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật của đất nước. Thứ tư, ngoài các giải pháp trên thì việc vận hành và ý thức người sử dụng cũng đóng góp không nhỏ trong quá trình tiếp cận đến TKNL. Các giải pháp trên phải phụ thuộc vào bốn nguyên tắc thiết kế chung (xem Hình 3.2). Cụ thể là (i) Công trình TKNL cần đạt những giá trị tiện nghi về không gian sử dụng như nhiệt độ, thông thoáng, chiếu sáng và che nắng; (ii) Nên ưu tiên các giải pháp tự nhiên, chỉ sử dụng các giải pháp nhân tạo trong các trường hợp bất khả kháng; (iii) Để giảm mức tiêu thụ năng lượng thì việc sử dụng nguồn năng lượng có thể tái tạo sẽ giảm thiểu việc tác động đến nguồn năng lượng hóa thạch; (iv) Ngoài việc sử dụng năng lượng thông minh thì các giải pháp hợp lý về vật liệu, cây xanh, nước và công tác vận hành công trình… cũng hướng đến TKNL.

55 3.2. Giải pháp quy hoạch Trong việc quy hoạch cảng hàng không thì hướng gió, nắng phụ thuộc hoàn toàn và kỹ thuật bay; tuy nhiên ở kiến trúc nhà ga thì vẫn có thể linh hoạt ưu tiên bố cục hình khối tổng thể nhà ga và các vị trí tiếp giáp với mặt nước và mảng xanh để tận dụng hướng gió giúp công trình nhận giải nhiệt đối với vùng khí hậu phía Nam là rất tốt. Do không gian bên trong nhà ga có yêu cầu đặc biệt về tiện nghi nhiệt cũng như chiếu sáng nên giải pháp chủ yếu vẫn là các giải pháp nhân tạo, nhưng kết hợp với giải pháp tự nhiên cũng góp phần tiết kiệm được nguồn năng lượng không nhỏ. Đối với vỏ bao che thì lựa chọn hình khối phù hợp để bề mặt trực diện mặt trời nhỏ nhất giúp công trình hấp thụ nhiệt ít hơn sẽ giảm tiêu thụ năng lượng giành cho làm mát. Tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên vào các không gian phù hợp cũng giúp TKNL cho việc chiếu sáng. Nếu trong trường hợp không thể tận dụng hai giải pháp trên cùng lúc thì việc lựa chọn tối ưu nhất nên được cân nhắc.

Ngoài giải pháp hình khối tổng thể và bố cục không gian chức năng có lợi việc nâng tầng hoặc đan xen các mảng xanh vào vỏ bao che công trình cũng là giải pháp hướng đến giải thiểu sử dụng năng lượng. Khi đó, diện tích bề mặt vỏ bao che tiếp xúc khí hậu bất lợi ít hơn; cụ thể là nhiệt độ do nắng nóng của vùng khí hậu phía Nam Việt Nam. Do yếu tố an toàn bay nên khu vực lân cận, xung quanh nhà ga sẽ không có các công trình cao tầng, vì thế việc tận dụng các công trình đó để che nắng, hướng luồng gió vào nhà ga hàng không là không khả thi. Tuy nhiên, giải pháp tổng thể hình khối nhà ga ứng dụng thủ pháp “bóng đổ tự thân” cũng có thể giảm áp lực về hấp thụ nhiệt cho lớp vỏ bao che.

Khi ứng dụng các giải pháp trên vẫn chưa thể đạt hiệu quả tối ưu về TKNL cho công trình thì lúc này nên kết hợp với các giải pháp kiến trúc vỏ bao che để đảm bao tiện nghi VKH bên trong công trình và sử dụng TKNL nhất.

Trong tổng thể cảng hàng không, mật độ các công trình chức năng rất thấp, bố trí thấp tầng và chảy rộng trên diện ngang nên rất thuận lợi cho việc khai

56 thác nguồn ánh sáng khả dụng thông qua bộ lọc của lớp vỏ bao che. Có nghĩa là tận dụng ánh sáng tản xạ tự nhiên thay cho chiếu sáng nhân tạo vì lợi thế của lớp vỏ bao che trải rộng. Ánh sáng tự nhiên rất quan trọng trong công trình này. Ngoài việc giúp TKNL chiếu sáng, nó còn giúp diệt khuẩn, chống ẩm mốc cho không gian bên trong nhà ga. Ánh sáng tự nhiên còn là nguồn cung cấp năng lượng sống và vitamin cho con người.

Tóm lại, giải pháp quy hoạch giải quyết bố cục và hướng của nhà ga trong tổng thể cảng hàng không, dựa trên nguyên tắc về hướng cất hạ cánh của kỹ thuật bay; tận dụng các điều kiện khí hậu có lợi của vùng khí hậu phía Nam Việt Nam để giải quyết tối ưu áp lực về nhiệt và tận dụng gió làm mát cho lớp vỏ bao che nhà ga.

3.3. Giải pháp kiến trúc vỏ bao che Hiện nay, phần lớn nhà ga hàng không ở Việt Nam chỉ đề cập đến vấn đề công năng, thẩm mỹ và đảm bảo khả năng chịu lực của công trình. Những vấn đề có ảnh hưởng lớn đến TKNL như khoa học về vật lý kiến trúc, vật liệu xây dựng và kỹ thuật công nghệ còn ít được quan tâm. Khu vực phía Nam nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm với thời gian nóng khá dài nên cần tập trung giải quyết vấn đề chống nóng. Trong thiết kế kiến trúc vỏ bao che, cần có các giải pháp để khai thác triệt để các yếu tố có lợi và hạn chế tối đa các yếu tố bất lợi của khí hậu địa phương. Giải quyết được vấn đề này là đã giảm tải đáng kể cho hệ thống thông gió hay điều hòa không khí cho nhà ga. Bên cạnh đó, cần giải quyết được yêu cầu về tăng cường thông gió tự nhiên để đảm bảo sự thông thoáng cho các không gian hoạt động bên trong. Phần lớn thời gian khi nhiệt độ không khí bên ngoài ở mức không quá 30oC, khi đó chỉ cần kết hợp thông gió giải nhiệt cho lớp vỏ sẽ giúp cân bằng chênh lệnh nhiệt giữa bên trong và bên ngoài, giúp giảm truyền nhiệt và thất thoát nhiệt.

57 Đối với kiến trúc vỏ bao nhà ga hàng không có năm giải pháp chính: (i) Thiết kế hình khối; (ii) Thiết kế che nắng và bố trí cửa sổ; (iii) Tổ chức cảnh quan cây xanh; (iv) Sử dụng vật liệu và màu sắc; (v) Lớp vỏ thông minh (xem Hình 3.3). Việc lựa chọn hình khối đơn giản và tạo các bề cong của vỏ bao che sẽ đóng góp tích cực vào việc TKNL. Giải pháp kiến trúc thể hiện trên hai khía cạnh, gồm (i) Công năng hoàn chỉnh, tận dụng các yếu tố có lợi về khí hậu và năng lượng khi bố trí các không gian chính/ phụ bên trong công trình; (ii) Cấu tạo lớp vỏ bao che sao cho vỏ bao che có tác dụng như một bộ lọc khí hậu. Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm khu vực phía Nam, lớp vỏ của công trình nên được thiết kế linh hoạt với các khoảng mở ô kính phù hợp để vừa đủ chiếu sáng tự nhiên mà không bị tác động BXMT. Nếu gió nóng không ảnh hưởng đến công trình mà chỉ có BXMT thì có thể tận dụng để giải nhiệt cho kết cấu chắn nắng. Trong trường hợp thời tiết quá nóng, các chuyên gia khuyến cáo nên xử lý cách nhiệt cho tường ngoài và mái để hạn chế hơi nóng xâm nhập từ ngoài vào trong. Xử lý cách nhiệt rất đơn giản, chỉ cần chèn các tấm cách nhiệt vào vỏ bao che, tạo khoảng rỗng giữa những lớp vỏ…

Bố trí cửa sổ và cửa đi hợp lý cũng là một giải pháp kiến trúc quan trọng.

Hệ thống cửa chính là thành phần tạo nên lớp vỏ bao che cho công trình. Nếu không lắp cửa kính hai hoặc ba lớp thì hệ cửa trong kính (đơn lớp) ngoài chớp sẽ luôn phát huy tác dụng và đã được chứng thực trong rất nhiều công trình đã xây dựng tại Việt Nam [15]. Trường hợp thứ nhất, cần gió mát và ngăn BXMT - đóng cửa chớp và mở cửa kính. Bức xạ nhiệt sẽ bị các lam chớp đặt nghiêng 45o cản lại và gió/hơi mát thổi qua các khe hở của nan chớp để vào bên trong. Trường hợp thứ hai, cần ánh sáng mặt trời và chắn gió mở cửa chớp và đóng cửa kính. Cửa kính sẽ ngăn gió song vẫn cho ánh sáng mặt trời rọi qua. Ở công trình nhà ga hàng không nên ứng dụng vỏ bao che nhiều lớp; ưu tiên ứng dụng trường hợp hai vì mức độ tiện nghi nhiệt bên

58 trong nhà ga rất cao nên ưng dụng trường hợp này làm mát lớp vỏ, giảm năng lượng cho ĐHKK. Không chỉ cách nhiệt tốt ban ngày, lớp vỏ còn phải giải nhiệt nhanh về đêm. Giải pháp giải nhiệt nhanh nhất là thông gió, qua sự đối lưu không khí giữa các lớp vỏ. Gió thổi qua khoảng rỗng ở giữa sẽ tản hơi nóng tích tụ do BXMT sinh ra, làm nhiệt độ bề mặt này giảm xuống. Nhiệt ở bên trong sẽ truyền ra phía ngoài, gặp gió làm mát lại, cứ thế quá trình này tiếp tục cho tới khi nhiệt trong và ngoài cân bằng. Là giải pháp TKNL xuất xứ từ các nước có khí hậu lạnh, vỏ bao che nhiều lớp bọc kính toàn bộ hoặc gần như toàn bộ không nên áp dụng cho công trình tại vùng khí hậu nhiệt đới, đặc biệt là nhà ga, vì thực sự không thích hợp, có thể gây hiệu ứng nhà kính. Nếu áp dụng vỏ nhiều lớp thì cần chú ý đến tính linh hoạt của việc đóng/mở và chỉ giới hạn trong một số công trình công cộng có quy mô lớn như nhà ga hàng không vì yêu cầu cao về tính thẩm mỹ theo quan điểm kiến trúc hiện đại cũng như tính tiện nghi mà giải pháp tự nhiên khó đáp ứng và còn có thể phát sinh một số vấn đề không mong muốn. Lý do chủ yêu là vì với các công trình quy mô càng lớn thì hiệu quả thông gió và chiếu sáng tự nhiên càng thấp tại các không gian nằm sâu bên trong, nơi mà gió mát và ánh nắng rất khó tiếp cận đến, nếu không tổ chức các khoảng không gian mở bên trong. Số lượng người sử dụng càng nhiều thì yêu cầu thông thoáng càng cao, đòi hỏi thông gió càng thường xuyên như khu sảnh và chờ của nhà ga. Tuy nhiên, trong thực tế các giải pháp thông gió và chiếu sáng tự nhiên ở nhà ga không đạt yêu cầu, vì không đáp ứng được mức độ tiện nghi nhiệt. Thêm vào đó, khi mở cửa đón gió và lấy sáng, các tác động không mong muốn từ bên ngoài như tiếng ồn, khói thải, bụi, hơi nóng… cũng có thể theo vào, ảnh hưởng; nhà ga đòi hỏi cao về chống ồn do âm thanh cất hạ của máy bay cực lớn.

Những vấn đề khác như tổ chức cảnh quan, cây xanh, mặt nước và bố trí sân trong cũng cần được quan tâm hơn. Việc lựa chọn vật liệu cần theo định hướng thân thiện với môi trường, đảm bảo tiện nghi và sức khoẻ cho

59 người sử dụng. Vật liệu với màu sơn sáng nên được ưu tiên lựa chọn. Lớp vỏ thông minh là giải pháp nên được lựa chọn nhằm hướng đến TKNL. 3.3.1. Thiết kế hình khối Dựa trên nguyên lý thiết kế sinh khí hậu, hướng công trình nên lựa chọn phù hợp với từng điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm và dựa trên hướng mặt trời và hướng gió giúp đảm bảo tiện nghi VKH bên trong. Mặt trời đem lại nguồn nhiệt và nguồn ánh sáng tự nhiên chính cho nhà ga. Hướng nhà ga nếu được đặt hợp lý sẽ giảm đáng kể bức xạ nhiệt truyền vào, gây tăng nhiệt độ ngoài ý muốn và bên cạnh đó còn giúp tận dụng được nguồn ánh sáng tự nhiên. Từ đó, chúng ta có thể TKNL tiêu thụ bởi hệ thống điều hòa và chiếu sáng.

Hướng gió phụ thuộc phần lớn vào khu vực khí hậu và các công trình bao quanh địa điểm xây dựng. Hướng nhà ga cần được bố trí hợp lý để có thể đạt được thông gió tự nhiên giải nhiệt cho vỏ bao che. Ở khu vực phía Nam Việt Nam, mùa nắng có gió thổi từ biển vào theo hướng Nam, Đông Nam và mùa mưa có gió từ hướng Tây, Tây Nam. Do đó bố trí hướng nhà ga đón gió hướng Nam hoặc Đông Nam là lý tưởng nhất. Tuy nhiên, cũng cần chú ý bố trí giải pháp che mưa cho vỏ bao che ở hướng Tây, Tây Nam vì ngoài gió thì trong mùa này có lượng mưa lớn và kéo dài do đặc tính khí hậu.

Hình khối đơn giản hơn sẽ giúp vỏ bao che công trình càng TKNL hơn.

Với cùng một khối tích công trình sẽ có thể có nhiều hình dạng khác nhau nên diện tích bề mặt cũng chênh lệch như các nghiên cứu đo đạc đã cho thấy.

Trong thực tế tỷ số A/V (diện tích tường ngoài chia cho khối tích) thường được sử dụng để so sánh tỷ số này càng nhỏ thì càng có lợi về năng lượng.

Làm giảm diện tích bề mặt vỏ bao che, các kiến trúc sư nên thiết kế tổ hợp các không gian chức năng công trình thành các dạng hình khối tập trung (xem Hình 3.4). Cách tổ hợp này không chỉ góp phần TKNL mà còn giảm thiểu được diện tích giao thông bên trong nhà ga do các không gian sảnh - check in - chờ - ống dẫn lên máy bay được bố cục gần nhau. Dây chuyền hoạt động

60 của khánh đi - đến nhà ga được thuận tiện hơn từ đó giúp nhà ga nâng hiệu xuất và lưu lượng khách. Với hình khối này: (i) Ưu điểm về tiết kiệm diện tích bề mặt vỏ bao che nhằm giảm lượng nhiệt hấp thụ nhiệt từ đó giảm nguồn năng lượng điều hóa không khí; (ii) Tuy nhiên, nhược điểm của dạng hình khối này là các vị trí đậu máy bay (nhận trả khách) nằm ở vị trí bất lợi vì kích thước máy bay lớn nên khó di chuyển trên đường lăn dài và phức tạp (xem Hình 3.5).

Bề mặt cong của vỏ bao che sẽ làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với môi trường trên cùng một khối tích. Một công trình có hình dạng tối ưu, đứng trên quan điểm về năng lượng, là khi có thể giảm thiểu tối đa sự thất thoát về nhiệt từ bên trong ra môi trường ngoài cùng lúc với việc tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên cần thiết từ môi trường ngoài vào bên trong. Hình dạng công trình được xem xét thông qua việc tính toán độ đặc của công trình qua hệ số hình dạng C. Đó là tỉ lệ giữa diện tích bề mặt bao che tiếp xúc với môi trường ngoài (Sp) và thể tích của công trình (V): C = Sp/V (m²/m3). Công trình càng đặc khi hệ số C càng nhỏ. Chúng ta có thể thấy với cùng một thể tích 750 m3, hình cầu cho hệ số C nhỏ nhất (khoảng 0.53), tiếp theo là hình trụ (0.64) và hình lập phương (0.67). Chúng ta cũng thấy rằng khi các tòa nhà được dựng liền kề nhau, hệ số C cũng giảm đi đáng kể (0.44) (xem Hình 3.6). Trong nhà ga nên ứng dụng vỏ bao che có bề mặt cong; không những có lợi về năng lượng mà còn có lợi về khả năng chịu lực. Nhà ga là công trình có không gian lớn nên vỏ bao che dòi hỏi phải có khả năng vượt nhịp lớn.

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, do đặc thù nhiệt độ cao quanh năm, nhiệt thường được hấp thụ ngược lại từ môi trường ngoài vào bên trong nhà ga thông qua lớp vỏ bao che. Do đó, cần thiết kế diện tích mặt đứng hướng Tây nhỏ nhất có thể và tích hợp giải pháp cách nhiệt để tránh hấp thụ nhiệt trực tiếp vào buổi chiều (xem Hình 3.7). Bên cạnh đó, nhà ga nên được thiết kế với trần cao, tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng phân tầng không khí

61 (air stratification). Khối lượng riêng của không khí tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, do đó trong công trình, khí nóng nhẹ hơn sẽ nổi lên cao còn khí mát sẽ là là dưới.

Việc thiết kế bố cục các phòng và vị trí, diện tích các cửa đóng một vai trò quan trọng trong việc đem lại tiện nghi cho công trình nhà ga. Cụ thể, các phòng nếu được bố trí hợp lý sẽ có thể tận dụng được nguồn nhiệt và ánh sáng tự nhiên cần thiết đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho thông gió tự nhiên. Trong nhà ga có thể bố trí không gian sảnh, khu đợi lên máy bay và một số không gian khác có thể kết hợp chiếu sáng tự nhiên (xem Hình 3.8).

Hình khối đóng vai trò chính của giải pháp vỏ bao che trong việc thích ứng với khí hậu để giảm tối đa áp lực của nhiệt và tận dụng nguồn gió có lợi để tạo ra không gian tiện nghi bên trong nhà ga; từ đó giảm thiểu tối đa sử dụng năng lượng.

3.3.2. Thiết kế che nắng và bố trí cửa sổ Khu vực Phía nam Việt Nam là vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có chế độ bức xạ mặt trời, trong năm mặt trời có hai lần đi qua thiên đỉnh. Tổng lượng bức xạ hàng năm đạt khoảng 120 - 350 Kcal/cm2. Độ cao mặt trời khá lớn, thời gian chiếu bức xạ trong phạm vi toàn quốc tương đối đồng đều. Tổng số giờ nắng hàng năm đạt 4.300 - 4.500 giờ/năm, nhưng số giờ nắng phân phối không đều theo các tháng. Do ảnh hưởng của trời nhiều mây nên lượng bức xạ khuếch tán (tán xạ của bầu trời) tương đối lớn, thường chiếm tới 50% tổng lượng bức xạ mặt trời [2].

Do có bức xạ khuyếch tán lớn nên chúng ta có nguồn ánh sáng tự nhiên rất lớn, nếu thiết kế kiến trúc tận dụng ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng thụ động, thì sẽ tiết kiệm được lượng điện đáng kể. Ngược lại, bức xạ mặt trời xuyên qua lớp vỏ bao che cần phải giảm thiểu thì mới giảm năng lượng cung cấp cho hệ thống ĐHKK. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý đến giải pháp che nắng chống bức xạ mặt trời chiếu lên vỏ bao che và chuyền vào bên trong có

62 chọn lọc chủ ý. Trong mùa hè, lượng nhiệt bức xạ mặt trời xuyên qua 1m2 cửa sổ vào phòng lớn hơn từ 8 - 12 lần lượng nhiệt truyền qua 1m2 tường gạch [18].

Cửa sổ là thành phần quan trọng của vỏ bao che, ảnh hưởng đến sự tiện nghi về VKH, ánh sáng, tầm nhìn và TKNL. Kết cấu che nắng được thiết kế tốt sẽ tạo bóng râm trên mặt kính, làm giảm đáng kể lượng nhiệt bức xạ hun nóng công trình và giảm chạy lạnh đối với máy ĐHKK, do đó sẽ TKNL (xem Hình 3.9) (xem Bảng 3.1). Kết cấu lam chắn nắng rất phong phú, kiến trúc hiện đại hay sử dụng kết cấu che nắng ngoài là hệ thanh hợp kim nhôm nhẹ và bền với thời tiết, theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc theo từng hướng, gắn trên hệ khung có khả năng dễ dàng điều chỉnh góc nghiêng theo vị trí mặt trời trong ngày. Trong một số trường hợp, kết cấu chắn nắng có gắn thêm các tấm pin năng lượng mặt trời, cung cấp thêm điện năng cho công trình.

Có ba giải pháp che nắng chính: (i) Che nắng cố định, là các bộ phận đặt cố định xung quanh ô kính, tạo ra bóng râm che chắn ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào bên trong công trình; (ii) Che nắng di động, là các bộ phận đặt xung quanh ô kính, cho phép con người điều chỉnh mức độ bóng râm theo từng thời điểm. Giải pháp này áp dụng công nghệ để điều khiển các chuyển động của kết cấu che nắng hợp lý nhờ vào cảm biến và hệ thống thông minh được lập trình; (iii) Che nắng gián tiếp, là che nắng gián tiếp cho ô kính thông qua bóng râm tạo ra bởi cây xanh. Không gian nhà ga phù hợp nhất với giải pháp che nắng di động vì tính linh động của nó sẽ đáp ứng tối ưu nhất cho không gian tiện nghi bên trong lớp vỏ.

Các giải pháp nêu trên được lựa chọn tùy thuộc hướng tiếp giáp của bề mặt vỏ bao che. Đường mặt trời di chuyển thẳng hướng Đông - Tây. Như vậy đối với kính hướng theo hướng Bắc và Nam, sử dụng che nắng cố định như ô văng, mái che là giải pháp đơn giản, hợp lý và tiết kiệm hơn cả. Còn đối với kính hướng theo hướng Đông và Tây, mặt trời sẽ ở vị trí thấp vào buổi sáng và buổi chiều gây thiếu tiện nghi. Do đó, bên cạnh các giải pháp

63 che nắng cố định cần kết hợp thêm các giải pháp che nắng di động hoặc che nắng gián tiếp.Việc đặt tấm che nắng nếu được đặt bên ngoài cửa kính sẽ có thể ngăn cản bức xạ nhiệt truyền vào trong nhà nhiều hơn so với việc đặt bên trong. Tuy vậy, lượng ánh sáng truyền vào công trình ở cả hai trường hợp là như nhau. Các ô cửa sổ trên vỏ bao che nên bố trí theo nguyên tắc ngược lại với kết cấu che nắng. Có nghĩa là những hướng chịu bức xạ trực tiếp của mặt trời thì bố trí cửa sổ với số lượng ít và diện tích nhỏ hơn so với những hướng còn lại nêu trên. Mặc dù tận dụng tối đa các giải pháp để giảm thiểu việc sử dụng năng lượng cho ĐHKK và chiếu sang nhưng việc bố trí cửa sổ mái có thể thoát ẩm. Thực trạng các công trình đều xuất hiện hiện tượng điểm sương do sự ngưng tụ của không khí ẩm kết hợp với sự chênh lệch nhiết độ trong và ngoài lớp vỏ. Có hai giải pháp để giảm thiểu vấn đề này là (i) Kiểm soát độ ẩm không khí bên trong nhà ga bằng giải pháp ĐHKK; và (ii) Tạo khoảng mở chủ ý để lưu thông không khí ẩm ra ngoài. Giải pháp không được ưu tiên cho nhà ga nhưng có thể ứng dụng cho các công trình có yêu cầu tiện nghi VKH thấp hơn.

Với cửa kính là bộ phận vừa giúp hấp thụ nhiệt và ánh sáng tự nhiên, vừa gây thất thoát nhiệt. Trong một công trình thông thường lượng nhiệt thất thoát thông qua ô kính là rất lớn. Do đó, thiết kế ô kính cần lưu ý đến hai vấn đề cốt yếu sau: (i) Đặc tính vật lý (khả năng cách nhiệt, truyền ánh sáng); và (ii) Thiết kế che nắng. Chúng ta có thể tận dụng được ánh sáng tự nhiên giúp giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống chiếu sáng nhân tạo; đồng thời tránh hấp thụ nhiệt không cần thiết gây áp lực nhiệt quá lớn. Thông qua đó, tiện nghi nhiệt và tiện nghi thị giác có thể được đảm bảo.

3.3.3. Tổ chức cảnh quan cây xanh Giải pháp sử dụng cây xanh không những giúp chúng ta cải thiện, bảo vệ môi trường, tạo cảnh quan mà cây xanh còn giúp chúng ta TKNL. Điều này đã được kiểm chứng qua nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước. Nghiên

64 cứu của tổ chức “USDA Forest Service” đưa ra kết luận rằng, khi đầu tư 1$ cho cây xanh sẽ mang lại 1.31 $ [33]. Xanh hóa bề mặt vỏ bao che, nhất là tường ở các hướng Tây Bắc - Tây - Tây Nam không chỉ tạo cảnh quan đẹp mà còn giúp chống nóng một cách tự nhiên và hiệu quả nhờ duy trì độ ẩm để cây sinh trưởng và hoạt động trao đổi chất có phát sinh hơi nước, hơi nước sẽ thu nhiệt và mang lượng nhiệt này đi. Các thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tường có trồng cây xanh thấp hơn 20C so với cũng bức tường ấy nhưng không có thực vật che phủ [18]. Cây xanh cho bóng mát, giúp tạo mỹ quan, giảm tiếng ồn và ô nhiễm. Cây xanh sẽ giúp ngăn chặn sự hấp thụ năng lượng từ ánh nắng mặt trời và tạo bóng râm mát; Hấp thụ năng lượng mặt trời và làm mát không khí; Làm giảm việc luân chuyển khối không khí nóng vào mùa nắng và chắn gió mang theo mưa vào mùa mưa.

Trong thiết kế vỏ bao che, cây xanh có thể được đóng vai trò giống như kết cấu che nắng cho công trình. Tuy nhiên, giải pháp này được khuyến cáo không nên lạm dụng trong thiết kế vì những hệ lụy của nó mang lại. Nhà ga hàng không có đặt trưng là không gian vượt nhịp lớn; diện tích mái trải rộng trên diện ngang. Sử dụng cây xanh trên vỏ bao che sẽ bất lợi hơn các kết cấu che nắng khác vì (i) (do đặt tình tự nhiên) Khó kiểm soát về độ che phủ bóng mát; (ii) Cây xanh cần nguồn dinh dưỡng từ dung dịch hay đất nên trọng lượng rấy lớn, tạo áp lực về chịu lực bất lợi cho lớp vỏ; và (iii) Hiện tượng phủ xanh gây ra hệ lụy cho xã hội đại chúng, thực trạng hiện tại đại đa số cho rằng phủ cây xanh lên mái và mặt dựng công trình là giải pháp tối ưu theo xu hướng hiện tại.

Ngoài ra, giải pháp sử dụng mặt nước trong kiến trúc nhà ga hàng không cũng cần được xem xét ứng dụng giải nhiệt cho vỏ bao che. Vào mùa nắng, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nước sẽ bay hơi và quá trình bay hơi sẽ lấy bớt nhiệt, làm không khí dịu mát. Tận dụng điều này, giải pháp tạo ra mặt nước xung quanh nhà ga. Thậm chí nên đưa mặt nước vào bên trong nhà ga, vừa làm đẹp cảnh quan vừa làm mát cho không gian bên trong như các khu

65 vực sảnh, khu chờ lên máy bay... Nước còn ứng dụng phun sương hay màng nước trực tiếp giải nhiệt cho lớp vỏ ngoài. Nguyên lý này giống như nguyên lý tản nhiệt nước cho động cơ và máy vi tính.

3.3.4. Sử dụng vật liệu và màu sắc Các vật liệu được sử dụng trong công trình nói chung cần phải thân thiện với môi trường, không chứa các chất gây hại đến sức khỏe người sử dụng, có năng lượng hàm chứa thấp, dễ tái chế và tái sử dụng, được lập thành danh mục với các đặc tính và thông số kỹ thuật đi kèm để chủ đầu tư và KTS lựa chọn theo sự tư vấn của các kỹ sư vật liệu xây dựng. Đối với vỏ bao che, vật liệu được chọn ít hấp thụ nhiệt và có màu sáng. Sử dụng vật liệu không nung góp phần bảo vệ môi trường bởi vì nguyên liệu đầu vào của gạch khung nung là xỉ tro, tức là tận dụng chất thải của ngành công nghiệp luyện kim và các nhà máy nhiệt điện, trộn với một số phụ gia và đem ép thành viên, không phải nung. Trong nhà ga cùng với mục tiêu chung tiến đến TKNL ở khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm phía Nam Việt Nam, vật liệu sử dụng phải đáp ứng yêu cầu cách nhiệt.

Sử dụng vật liệu cách nhiệt cho lớp vỏ bao che nhà ga hàng là một trong những giải pháp thụ động giúp TKNL. Khả năng dẫn nhiệt của một vật liệu được đặc trưng bởi đại lượng vật lý lambda (W/m.K) - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Hệ số dẫn nhiệt được xác định bằng nhiệt lượng truyền qua một vật liệu đồng nhất có diện tích 1 m², độ dày 1 m trong 1 giây, dưới tác động của sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 bên vật liệu là 1 K. Vật liệu có hệ số lambda càng lớn, vật liệu đó dẫn nhiệt càng tốt và ngược lại (xem Hình 3.10).

Trong tính toán năng lượng công trình, để đánh giá khả năng cách nhiệt của vỏ bao che, ta thường sử dụng hệ số truyền (thất thoát) nhiệt tổng thể U (W/m².K) (thermal transmittance hoặc U-value). Hệ số truyền nhiệt tổng thể U cho biết nhiệt lượng truyền qua kết cấu bao che (có thể là 1 vật liệu hoặc một cấu tạo nhiều lớp vật liệu) có diện tích 1 m² trong 1 giây, dưới tác động

66 của sự chênh lệch nhiệt độ là 1 K. Vỏ bao che có giá trị U càng nhỏ thì khả năng cách nhiệt càng tốt và ngược lại. Giá trị U phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt lambda và độ dày của các lớp vật liệu cấu thành kết cấu bao che (xem Hình 3.11). Sự tương quan về độ dày và hệ số truyền nhiệt của các loại vật liệu phổ biến trong xây dựng. Với cùng một giá trị U xấp xỉ 0.32 W/m².K, ta cần đến 504 cm bê tông, 233 cm gạch nung hoặc 56 cm gỗ, trong khi đó ta chỉ cần 10 cm bông thủy tinh (glass wool) hoặc 28 cm bê tông khí chưng áp (autoclaved aerated concrete - AAC) (xem Hình 3.12). Từ đó ta có thể thấy được tầm quan trọng của việc sử dụng vật liệu cách nhiệt trong thiết kế vỏ bao che cho công trình. Có thể kể đến ba giải pháp chính nhằm cách nhiệt cho công trình: (i) Sử dụng bản thân vật liệu xây dựng có khả năng cách nhiệt tốt; (ii) Thiết kế vỏ bao che nhiều lớp; và (iii) Phủ lớp sơn cách nhiệt bề mặt ngoài vỏ bao che.

Cách nhiệt công trình vẫn luôn là một giải pháp thiết kế thụ động cốt yếu và không thể bỏ qua trong thiết kế công TKNL, công trình sinh khí hậu. Tại hầu hết các quốc gia trên thế giới, cách nhiệt công trình đã trở thành tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ trong thiết kế xây dựng, dù là công trình xây mới hay trùng tu, cải tạo. Tại Việt Nam, dù vẫn tồn tại nhiều hạn chế, cách nhiệt đang từng bước trở nên bắt buộc trong thiết kế, hiện tại đang áp dụng cho các công trình có tổng diện tích sàn tối thiểu 2500 m² [7].

Như đã nêu ở trên, vỏ bao che đóng vai trò môi trường trung gian tiếp xúc giữa môi trường ngoài và môi trường bên trong công trình. Khi môi trường bên ngoài thay đổi nhiệt độ sẽ gây nên sự trao đổi nhiệt thông qua kết cấu bao che, dẫn đến nhiệt độ môi trường bên trong thay đổi. Tốc độ của sự thay đổi nhiệt độ này được quyết định bởi khối nhiệt của kết cấu bao che. Như vậy, khối nhiệt của vỏ bao che công trình được định nghĩa như khả năng làm chậm và suy yếu các biến đổi nhiệt độ bên ngoài vào bên trong công trình. Đối với một vật liệu không trong suốt, khi có bức xạ mặt trời chiếu vào, một phần năng lượng sẽ phản xạ lại môi trường ngoài, phần năng lượng còn

67 lại sẽ được biến đổi thành nhiệt lượng và hấp thụ bởi vật liệu. Phần nhiệt này sẽ được vật liệu phản xạ vào môi trường với một thời gian trễ (time - lag) nhất định. Như vậy, một vật liệu có khối nhiệt lớn sẽ có khả năng hấp thụ, tích trữ nhiệt cao và hoàn nhiệt chậm với thời gian trễ dài (xem Hình 3.13).

Vỏ bao che được xem như có khối nhiệt nhỏ khi đáp ứng được hai điều kiện chính là (i) Có khối lượng riêng nhỏ hơn (trên 1000 kg/m3); và (ii) Có bề dày tối đa 10 cm.

Tại các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, nhiệt độ quanh năm tương đối cao và biên độ nhiệt ngày - đêm thấp (nhỏ hơn 70C), khối nhiệt lại không phải là một giải pháp hiệu quả. Thật vậy, nhiệt độ bên ngoài luôn ở mức cao khiến nhiệt lượng hấp thụ bởi vật liệu hoàn trả ra môi trường với tốc độ rất chậm. Điều này đặc biệt gây thiếu tiện nghi vào buổi khuya. Do đó, ở các vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, kết cấu bao che thường được thiết kế với vật liệu có khối nhiệt nhỏ, kết hợp với các giải pháp thông gió tự nhiên, làm mát thụ động (hoặc chủ động nếu cần thiết) và giải pháp che nắng hợp lý.

Các số liệu đo đạc cho thấy cùng một loại vật liệu nếu sơn màu sẫm hơn thì khả năng hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời sẽ lớn hơn. Ví dụ: đá cẩm thạch trắng mài nhẵn có hệ số r = 0,30, trong khí đó đá cẩm thạch màu xám có r = 0,55 và đá cẩm thạch màu đen có r = 0,65. Tương tự đối với vữa xây quét sơn màu trắng, vàng và nâu đỏ lần lượt là 0,32 - 0,42 - 0,73 [17]. Trên khía cạnh thẩm mỹ, các công trình được sơn màu sáng, nhất là màu trắng trông rất trang nhã và nổi bật trên nền cây cối, bầu trời và mặt nước trong xanh, nên được ưa chuộng và sử dụng nhiều cả trong kiến trúc cổ điển lẫn kiến trúc hiện đại (xem Hình 3.14). Vì thế màu sắc của vật liệu vỏ bao che được khuyến khích những vật liệu và màu sơn sáng nhằm giảm hấp thụ nhiệt BXMT.

68 3.3.5. Lớp vỏ thông minh Trong thực tế, những nghiên cứu và đề xuất đầu tiên về vỏ bao che thông minh nhằm khắc phục những hạn chế của mặt đứng cố định đã bắt đầu từ những năm 80 của thế kỷ trước, nhưng chúng ít được áp dụng bởi giá thành đắt đỏ. Tuy nhiên, trong khoảng hai chục năm trở lại đây, do những ưu điểm nổi bật, vỏ bao che thông minh ngày càng được phát triển mạnh mẽ, trở nên đa dạng hơn về loại hình và giải pháp đề xuất.

Một trong những giải pháp vỏ bao che thông minh được áp dụng khá phổ biến là loại có cấu trúc vỏ hai lớp, có thể được tích hợp với hệ thống chắn nắng, hệ thống điều khiển chiếu sáng tự nhiên và hệ thống thông gió. Lớp bên trong thường là kính cố định với các ô cửa sổ có thể mở được khi cần, còn lớp bên ngoài là lớp vỏ động (hệ thống lam chắn nắng hoặc màn chắn nắng động lực), có thể đóng mở linh hoạt để chắn nắng và lấy ánh sáng tự nhiên tùy thuộc góc chiếu của mặt trời. Được điều khiển tự động nhờ các cảm biến ánh sáng, lớp vỏ này đóng vai trò như một bộ lọc, điều chỉnh, cải thiện gió và ánh sáng trước khi dẫn vào không gian bên trong. Tùy thuộc vào thời điểm trong năm và vào hướng của công trình mà lớp vỏ thông minh này có thể để ánh sáng tự nhiên chiếu sâu vào không gian bên trong, có thể cản bớt ánh nắng mặt trời trực tiếp để hạn chế bức xạ nhiệt trong khi vẫn khai thác nguồn sáng tự nhiên một cách tích cực. Cũng thông qua lớp vỏ này, không khí có thể được lọc bụi, làm mát và bổ sung ô-xy trước khi được cấp vào bên trong theo cách mà người thiết kế mong muốn.

Hoạt động của lớp vỏ thông minh loại này được thực hiện nhờ các cảm biến được bố trí tại các vị trí cần thiết trên vỏ. Dữ liệu từ các cảm biến này sẽ được truyền đến trung tâm điều khiển để xử lý, từ đó sẽ kích hoạt các hệ thống điều khiển cơ học trên vỏ bao che để nó thích ứng với môi trường thay đổi. Ví dụ các lá chớp sẽ quay và được điều chỉnh về vị trí phù hợp, màn chắn nắng hay nắp thông gió được mở ra hay đóng lại phụ thuộc vào các thông số khác nhau như cường độ, hướng và góc chiếu của mặt trời (xem

69 Hình 3.15). Vỏ bao che kiểu này đảm bảo chắn nắng rất hiệu quả, hạn chế bức xạ nhiệt, chống ồn, chống mưa… nhưng vẫn đảm bảo khả năng chiếu sáng tự nhiên cần thiết. Nhờ vậy tiết kiệm đáng kể năng lượng sử dụng, đặc biệt là chi phí ĐHKK và chiếu sáng nhân tạo cho công trình, trong khi vẫn tạo ra không gian tiện nghi bên trong công trình. Đối với kiến trúc nhà ga, tạo điểm nhấn của chiến lược thiết kế vỏ bao che thông minh là giữ mức độ mất nhiệt thấp và tránh hấp thụ nhiệt BXMT không mong muốn, có thể sử dụng loại kính có thể thay đổi cường độ của mặt trời và ánh sáng truyền qua, sử dụng lớp phim dán trên bề mặt kính.

Trong số những loại vỏ bao che chủ động nêu trên, loại sử dụng phim dán trên bề mặt kính có nhiều tiềm năng nhất. Tùy thuộc vào hiệu điện thế tạo thành mà có sự biến đổi về màu sắc hay độ trong của nó. Khi điện bị ngắt, màu sắc và độ trong của phim sẽ được duy trì cho đến khi hiệu điện thế mới được thiết lập. Tùy thuộc vào những thay đổi của bức xạ mặt trời, phim dán trên bề mặt kính sẽ thay đổi khả năng truyền ánh sáng, giảm cả chiếu sáng và truyền bức xạ mặt trời trực tiếp, trong khi vẫn nâng cao khả năng cách nhiệt. Còn vật liệu tấm phim có thể được sử dụng cho ô kính và khiến nó trở nên mờ đi khi nhiệt độ tăng cao, bằng cách đó sẽ hạn chế hấp thu nhiệt (xem Hình 3.16).

Bên cạnh những loại kính đang dần tìm được chỗ đứng trong thực tế, những thử nghiệm mới trong thời gian gần đây đã tạo ra một số vật liệu mới rất tìm năng cho vỏ bao che thông minh. Chẳng hạn, các nhà khoa học Đức đã sáng chế ra một màn chắn phản ứng nhiệt được làm từ những chất liệu vải có hình dạng giống như những bông hoa. Mỗi thành phần này lại chứa một bộ truyền động được chế tạo từ hợp kim niken - titan có khả năng ghi nhớ hình dạng tích hợp và khôi phục hình dạng đó sau khi bị nhiệt độ cao làm biến dạng. Khi những dây hợp kim bị nóng lên dưới ánh mặt trời, chúng sẽ tự động bung mở các thành phần làm từ vải để che phủ bề mặt tránh hấp thụ bức xạ. Ngược lại, khi mặt trời lặn hay biến mất, những đoá hoa này sẽ tự

70 động đóng lại và mặt tiền lại quay lại trạng thái trong suốt. Người sử dụng được cung cấp lượng ánh sáng, bóng mát lý tưởng và TKNL đáng kể để làm mát cho các không gian bên trong [13].

Trong công trình Media - TIC ở Barcelona, Tây Ban Nha người ta sử dụng một lớp vỏ bao che bơm hơi mờ làm từ một loại chất dẻo có gốc flo là Ethylene Tetrafluoroethylene. Lớp vỏ bao che này giữ lớp màng chứa đầy hỗn hợp nitơ và dầu. Khi mặt trời chiếu gay gắt, lớp màng này bị mờ đi cản trở nhiệt và ánh sáng truyền qua, giúp giảm tới 85% bức xạ nhiệt. Vào mùa đông, lớp màng ở trạng thái trong suốt cho phép ánh sáng truyền qua để chiếu sáng không gian bên trong (xem Hình 3.17) [25].

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và giải pháp vỏ bao che thông minh cùng những ưu thế vượt trội của chúng về khả năng TKNL và tạo ra môi trường sống tối ưu đã và đang định hình một xu hướng sáng tác kiến trúc mới. Công trình kiến trúc sẽ ngày càng giống hơn với cơ thể sinh vật khi có thể tự biến đổi và ứng xử một cách linh hoạt với môi trường xung quanh.

Còn hình thức của lớp vỏ bao che công trình sẽ ngày càng trở nên lệ thuộc hơn vào những giải pháp công nghệ. Với tính chất yêu cầu cao về kiến trúc cũng như có xuất đầu tư lớn, nhà ga hàng không là thể loại công trình rất khả thi trong việc ứng dụng khoa học và công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng tiện nghi, biểu trưng giá trị thẩm mỹ của thời đại và tiến đến TKNL tối đa.

3.4. Giải pháp kỹ thuật Ngoài các giải pháp thiết kế quy hoạch, kiến trúc vỏ bao che thì giải pháp kỹ thuật, công nghệ… là giải pháp hỗ trợ nhằm hướng đến TKNL (xem Hình 3.18).

71 3.4.1. Lựa chọn thiết bị tiêu thụ năng lượng phù hợp Trong công trình nhà ga hàng không, các giải pháp TKNL tập trung ở ba hệ thống kỹ thuật: (i) Hệ thống chiếu sáng nhân tạo; (ii) Cấp thoát nước; (iii) ĐHKK. Trong hệ thống chiếu sáng nhân tạo, việc thay thế các thiết bị chiếu sáng thông thường bằng thiết bị TKNL hơn như; đèn LED, Compact, 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 - 2 năm). 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, các 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 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 điện.

Bên cạnh đó, kiến trúc sư 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. Đối với hệ thống cấp thoát nước, nhằm TKNL cho hệ thống này cần lựa chọn các thiết bị phù hợp. 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

72 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. Việc tận dụng nước mưa và nước thải xám - nước thải từ vòi sen, vòi rửa tay, tái sử dụng - cũng góp phần tiết kiệm thêm 20% - 30%.

Hệ thống ĐHKK là hệ thống tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong các công trình. 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. Việc lựa chọn hệ thống ĐHKK và thông gió TKNL cũng chính là tìm giải pháp làm giảm năng lượng tiêu hao để sản xuất lạnh đồng thời theo hai hướng (i) Giảm lượng nhiệt dư trong công trình; và (ii) Giảm mức tiêu thụ điện để sản xuất lạnh. Người ta thường chú ý đến hệ số COP là hệ số thể hiện TKNL của thiết bị. Với thiết bị thế hệ cũ, COP thường <2.5, còn các thiết bị thế hệ mới TKNL hơn thì COP sẽ khoảng >3. Gần đây các thiết bị ĐHKK 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. Tuy vậy, cần hiểu rằng hệ thống ĐHKK 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 ĐHKK 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 động khi trời mưa bão hay nhiều mây. Do vậy, thiết bị này với nhà ga do công trình có diện tích mái chiếm phần lớn trong vỏ bao che; phải kết hợp với sử dụng điện lưới khi trời mưa.

3.4.2. Khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo Khi công trình đã đạt đến mức độ tối ưu về quy hoạch và thiết kế cũng như cấu tạo kiến trúc để đảm bảo tiện nghi VKH, và các thiết bị tiêu thụ điện trong công trình được lựa chọn loại TKNL với chế độ hoạt động tối ưu, việc

73 cần thực hiện tiếp theo là khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời được khai thác trong lĩnh vực xây dựng gồm hai mục đích sử dụng chính là (i) Cung cấp điện năng cho các thiết bị điện rất đa dạng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời; và (ii) Có thể tích hợp với hệ thống làm mát thụ động hiệu năng cao. Theo các mức đề xuất 25% - 50% - 75% - 100%, tùy thuộc hướng, diện tích vỏ bao che có thể tận dụng với nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện của nhà ga rất lớn.

Các KTS trên thế giới đã nghiên cứu việc tích hợp pin năng lượng vào thiết kế, biến chúng thành những thành phần kiến trúc, góp phần tạo nên sự độc đáo cho công trình. KTS phải giải quyết mọi vấn đề về kiểu dáng, bảo vệ các thành phần công trình dưới tác động của điều kiện khí hậu. Giải pháp cơ bản tích hợp pin năng lượng vào mái, tường và các tấm chắn nắng công trình. Thứ nhất, các hệ thống trên mái có nhiều lợi điểm cho việc lắp đặt các hệ thống pin năng lượng như: (i) Không bị che chắn; (ii) Độ dốc mái dễ chọn phù hợp với việc vận hành cao, do không bị che chắn và không ảnh hưởng lớn tới thẩm mỹ công trình. (iii) Tích hợp vào mái dễ hơn tích hợp vào tường cả về mặt thẩm mỹ và hiệu năng. Tuy nhiên, cần phải lưu ý tới việc thông gió cho hệ thống pin, cần có khung phụ gắn vào mái để cách tấm pin khỏi bề mặt khoảng từ 100mm để có thể thông gió và tản nhiệt tốt cho bản thân hệ thống. Nói chung thông gió cho mái không phức tạp như cho tường. Nhiều hệ thống pin với độ phủ lớn trên mái giúp cải thiện chế độ nhiệt cho công trình, đặc biệt ở nhà ga hàng không. Thứ hai, lắp đặt pin năng lượng vào các hệ thống trên tường có ưu điểm đáng kể: (i) Các tấm pin có thể được sử dụng như các tấm kính lắp đặt trực tiếp lên tường hoặc trong các vách dựng; (ii) Chúng cũng có thể được lắp đặt như các tấm chắn nắng ngang, dọc hoặc thậm chí trực tiếp ngay ngoài cửa sổ do hiệu quả xuyên sáng thấp của các tấm pin; và (iii) Các tấm pin cũng có thể được lắp đặt trong các tấm chắn nắng cố định hoặc di động.

74 Trong kiến trúc, pin năng lượng được tích hợp trong công trình chủ yếu là dạng tấm nằm trên mái dốc hay dạng ống nước tích hợp tế bào quang nhiệt bên trong nằm trên mái phẳng của công trình. Pin năng lượng mặt trời chưa được ứng dụng một cách hợp lý trong các công trình nhà ga và các công trình có quy mô lớn. Vì vậy, việc sử dụng pin năng lượng như là một thành phần kiến trúc sẽ là điều mà các KTS phải suy nghĩ, tiếp cận khi thiết kế công trình nhà ga hàng không trong tương lai.

3.4.3. Ứng dụng hệ thống quản lý công trình thông minh Các giải pháp TKNL cho nhà ga bao gồm (i) Tổ chức quản lý, vận hành hợp lý theo nhu cầu sử dụng của từng không gian khác nhau trong nhà ga; (ii) Có chế độ bảo trì cho toàn bộ hệ thống sau khi đưa vào sử dụng; (iii) Định kỳ làm vệ sinh các dàn trao đổi nhiệt, đặc biệt các giàn nóng giải nhiệt gió không để bám bụi bẩn làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của giàn; (iv) Đảm bảo chất lượng nước mềm cho các hệ thống máy lạnh giải nhiệt nước; (v) Không để nhiệt độ bên trong công trình lạnh dưới mức cần thiết vì khi nhiệt độ bay hơi giảm 1oC thì điện năng tiêu tốn ước tính tăng hơn 1%; (vi) Bảo trì, bảo dưỡng kịp thời để tránh tổn thất năng lượng cho hệ thống; và (vii) Cần có đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp để quản lý và vận hành một cách đúng đắn, khoa học hệ thống ĐHKK và thông gió trong công trình sẽ mang lại hiệu quả cao về TKNL. Tiếp cận với công nghệ 4.0, việc quản lý và vận hàng công trình đã được số hóa; dựa trên ứng dụng quy trình BIM (building information modeling), (ứng dụng BIM là thành tựu của nền công nghiệp 3.0). Tiếp đến ứng dụng quy trình quản lý năng lượng cho công trình là tiến trình không thể bỏ qua để TKNL. Quy trình này có thể tạm đưa ra khái niệm là BEM (building energy modeling). Ngoài ứng dụng BIM, Các KTS và kỹ sư năng lượng nên quan tâm đến quy trình BEM vì quy trình quản lý năng lượng là tất yếu để tiến đến TKNL.

75 Kết luận chương 3 Các nguyên tắc chung và thứ tự ưu tiên cần thực hiện đã được đề xuất nhằm hướng đến việc thiết kế vỏ bao che cho công trình nhà ga hàng không tại khu vực phía Nam Việt Nam theo hướng TKNL. Trong việc quy hoạch cảng hàng không thì hướng gió, nắng phụ thuộc hoàn toàn và kỹ thuật bay. Tuy nhiên, ở kiến trúc nhà ga, có thể linh hoạt ưu tiên bố cục hình khối tổng thể nhà ga và các vị trí tiếp giáp với mặt nước và mảng xanh. Việc nâng tầng hoặc đan xen các mảng xanh vào vỏ bao che công trình cũng là giải pháp hướng đến giải thiểu sử dụng năng lượng.

Trong thiết kế kiến trúc vỏ bao che, cần giải quyết được yêu cầu về tăng cường thông gió tự nhiên để đảm bảo sự thông thoáng cho các không gian hoạt động bên trong. Việc lựa chọn hình khối đơn giản và tạo các bề mặt cong cho vỏ bao che sẽ đóng góp tích cực vào việc TKNL. Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm khu vực phía Nam, công trình nên được thiết kế có lớp vỏ bao che linh hoạt với các khoảng mở ô kính phù hợp để vừa đủ chiếu sáng tự nhiên mà không bị tác động BXMT. Bố trí cửa sổ và cửa đi hợp lý cũng là một giải pháp kiến trúc quan trọng. Những vấn đề khác như tổ chức cảnh quan, cây xanh, mặt nước và bố trí sân trong cũng cần được quan tâm hợp lý. Việc lựa chọn vật liệu thân thiện với môi trường, đảm bảo tiện nghi và sức khoẻ cho người sử dụng nên được ưu tiên. Vật liệu với màu sơn sáng nên được ưu tiên lựa chọn. Lớp vỏ thông minh là giải pháp nên được xem xét ứng dụng nhằm hướng đến TKNL. Trong công trình nhà ga hàng không, các giải pháp TKNL tập trung ở ba hệ thống kỹ thuật gồm hệ thống chiếu sáng nhân tạo, hệ thống cấp thoát nước và hệ thống ĐHKK. Khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo cần được khuyến khích, chủ yếu cung cấp điện năng cho các thiết bị điện rất đa dạng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời và có thể tích hợp với hệ thống làm mát thụ động hiệu năng cao.

76 Ứng dụng hệ thống quản lý công trình thông minh và tiếp cận với công nghệ 4.0, việc quản lý và vận hàng công trình đã được số hóa dựa trên ứng dụng quy trình BIM cũng là những giải pháp được đề xuất nhằm hướng đến đạt hiệu quả sử dụng năng lượng trong kiến trúc nhà ga hàng không.

hh

Hình 3.1

Sơ đồ giải pháp vỏ bao che TKNL cho nhà ga hàng không (Nguồn: Học viên)

ii

Sơ đồ nguyên tắc thiết kế chung vỏ bao che TKNL cho nhà Hình 3.2

ga hàng không (Nguồn: Học viên)

jj

Hình 3.3

Sơ đồ giải pháp kiến trúc vỏ bao che (Nguồn: Học viên)

kk

Thiết kế theo hướng ghép khối, giảm thiểu diện tích tường Hình 3.4

ngoài để tiết kiệm năng lượng (Nguồn: www.cipra.org/de)

ll

Hình 3.5

Tổ hợp công năng công trình nhà ga hàng không dạng hình khối tập chung (Nguồn: Học viên)

mm

Tỷ số A/V là một tiêu chí đánh giá hiệu quả về nhiệt cũng như Hình 3.6

năng lượng của công trình (Nguồn: www.ecobine.de)

nn

Hình 3.7

Lam che nắng theo chiều dọc ở trường học tại Bình Dương (Nguồn: Học viên)

oo

Không gian thông tầng bên trong nhà ga Madrid-Barajas Hình 3.8

Airport (Nguồn: www.madrid-mad.worldairportguides.com)

pp

Hình 3.9

Tác dụng của cửa trong kính ngoài chớp (Nguồn: [14])

qq

Hình 3.10

Hình 3.11

Hệ số lambda (Nguồn: www.energieplus-lesite.be)

Giá trị U của một bức tường (Nguồn: www.energieplus-lesite.be)

rr

Hình 3.12

Hình 3.13

Hiệu suất nhiệt của vật liệu (Nguồn: www.toutsurlisolation.com)

Hiệu ứng của nhiệt khối lượng (Nguồn: www. blueridgeicf.com)

ss

Hình 3.14

Nhà ga hàng không TWA cũ của New York (Nguồn: www. www.twa-airport.com)

tt

Hình 3.15

Hệ lam chắn nắng sử dụng động cơ (Nguồn: www.afa.com.vn)

uu

Hình 3.16

Hệ thống kính năng động (Nguồn: www.pinsdaddy.com/)

vv

Hình 3.17

Công trình Media - TIC, Barcelona, Tây Ban Nha (Nguồn: www.ciberperfil.com)

ww

Hình 3.18

Sơ đồ giải pháp kỹ thuật (Nguồn: Học viên)

xx

Bảng 3.1

Yêu cầu nhiệt kỹ thuật đối với mái bằng (Nguồn: [7])