Thiết kế nhà văn phòng theo hướng tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam

Việc nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho công trình, trong đó có các công trình văn phòng có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với ngành Xây dựng nhằm thực hiện mục tiêu giảm phát thải CO2 cũng như để thích ứng với Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của nước ta, việc giảm tiêu thụ năng lượng trong các công trình có thể được thực hiện bằng việc giảm thời gian sử dụng điều hòa không khí (ĐHKK) và tăng cường thông gió tự nhiên (TGTN) cho công trình, đặc biệt là cho các tòa nhà văn phòng (thường được thiết kế đóng kín để sử dụng ĐHKK). Bài viết phân tích những hạn chế trong thiết kế nhà văn phòng hiện nay tại Việt Nam, đồng thời đề xuất những giải pháp có thể áp dụng khi thiết kế không gian và mặt đứng của tòa nhà, nhằm tạo điều kiện cho việc tổ chức TGTN, qua đó nâng cao hiệu quả năng lượng và chất lượng môi trường không khí trong công trình.

Đặc điểm kiến trúc của các tòa nhà văn phòng ở Việt Nam hiện nay

1. Đặc điểm tổ chức không gian

Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) là hai đô thị có số lượng tòa nhà văn phòng nhiều nhất cả nước. Mặc dù khí hậu tại hai thành phố này có những điểm khác biệt nhất định nhưng đều có điểm chung là lượng bức xạ mặt trời rất cao và có gió mát xuất hiện vào mùa hè. Vì vậy, các công trình nói chung và công trình văn phòng nói riêng cần có những giải pháp che bức xạ mặt trời, tận dụng được gió mát trong một số không gian. Tuy nhiên, trên thực tế, hầu hết mọi công trình được dùng làm văn phòng làm việc đều có không gian đóng kín, vỏ bao che công trình có tỉ lệ kính lớn và môi trường trong nhà được điều tiết bằng ĐHKK. Có thể kể đến những ví dụ điển hình, đó là Tòa tháp văn phòng Keangnam 72 tầng (Hà Nội), Tòa tháp Bitexco Financial (TP HCM), tòa nhà Eurowindow (Hà Nội) …

Các đô thị nằm ven biển của Việt Nam có lợi thế rất lớn để đón gió mát từ biển thổi vào hàng ngày. Bên cạnh đó, thời tiết ở các đô thị này ôn hòa hơn do biển có thể giảm thiểu những dạng thời tiết cực đoan (nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp). Không khí tại các đô thị ven biển trong lành và sạch sẽ, do đó nếu các công trình kiến trúc có giải pháp tận dụng không khí từ biển thổi vào sẽ rất có lợi cho tiện nghi môi trường trong nhà và sức khỏe của người làm việc.

Mặc dù vậy, các công trình văn phòng tại một số đô thị lớn ven biển như Hải Phòng, Đà Nẵng… đều có cách tổ chức không gian đóng kín, tiện nghi vi khí hậu trong nhà dựa hoàn toàn vào điều hòa không khí, không hề có những không gian mở hay giải pháp để đón nhận không khí biển. Nhìn vào một số tòa nhà văn phòng ở Hải Phòng, Đà Nẵng… (như tòa nhà DG, VIPCO, Trung tâm hành chính Đà Nẵng…) sẽ không thấy sự khác biệt nào trong cách tổ chức không gian với những tòa nhà được xây dựng ở các đô thị khác của Việt Nam hay những vùng khí hậu khác trên thế giới.

2. Đặc điểm sử dụng vật liệu trên mặt đứng

Giống với nhà chung cư hay các loại công trình khác, mặt đứng nhà văn phòng phần lớn gồm hai phần, là phần tường gạch đặc và phần tường kính. Tuy nhiên, tỷ lệ phần tường kính trên mặt đứng nhà văn phòng thường cao hơn các loại hình công trình khác, do yêu cầu cần tạo nên ngôn ngữ kiến trúc đặc trưng, cũng như do nhu cầu mở rộng tầm nhìn ra bên ngoài của người làm việc.

Vật liệu kính

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, do chính sách mở cửa và xu hướng hội nhập, hình thức kiến trúc của các công trình xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt là những công trình cao tầng đã có những thay đổi đáng kể theo hướng hiện đại hơn, đơn giản hơn. Một đặc trưng cơ bản của sự thay đổi này chính là tỷ lệ kính trên mặt đứng của công trình ngày càng tăng lên, bởi kính có khả năng xuyên sáng cao, dễ dàng đem lại cho công trình vẻ đẹp khỏe khoắn mà vẫn thanh thoát, hiện đại.

Ngày càng có nhiều loại kính xây dựng được nhập khẩu và sử dụng, chủ đầu tư, KTS có nhiều lựa chọn kính để sử dụng cho mặt đứng công trình. tuy nhiên việc sử dụng kính còn tùy tiện và lộn xộn. Các khu văn phòng cao tầng đều sử dụng những mảng kính cường lực lớn trên mặt đứng, không gian và tầm nhìn được mở rộng nhưng lại không giải quyết được bài toán tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Một số công trình tiêu biểu sử dụng mảng kính lớn ở Việt Nam có thể kể đến là: Tổ hợp trung tâm thương mại- văn phòng- khách sạn Grand Plaza (117 Trần Duy Hưng, Hà Nội), Keangnam Landmark Tower 72 (đường Phạm Hùng, Nam Từ Liêm, Hà Nội), Trung tâm hành chính TP Đà Nẵng (24 Trần Phú, Đà Nẵng), Tổ hợp Trung tâm thương mại – Văn phòng – Căn hộ cao cấp Lotte Centre (phố Đào Tấn, Hà Nội)… Mặc dù có hình thức hào nhoáng, hiện đại nhưng những công trình này lại hoàn toàn xa lạ với phong cách kiến trúc thoáng hở của miền nhiệt đới nóng ẩm, và tạo ra một cảm giác “ngột ngạt” theo cả nghĩa đen lẫn nghĩa bóng.

Ở một số nước trên thế giới, những Quy chuẩn, Tiêu chuẩn về sử dụng kính cho vỏ bao che công trình đảm bảo yêu cầu chiếu sáng, cách nhiệt, cách âm… đã được ban hành từ khá lâu (ở Mỹ, quy định về sử dụng kính để đảm bảo hiệu quả năng lượng cho công trình đã được Hiệp hội kỹ sư điều hòa, thông gió và cấp nhiệt Hoa Kỳ ASHARE ban hành từ những năm 1990). Tại Việt Nam, tính đến thời điểm này, mới chỉ có duy nhất Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả QCVN 09: 2013 / BXD quy định việc lựa chọn và sử dụng loại kính phải phù hợp với hướng nhà và tỷ lệ mảng kính trên tường (WWR- Window to Wall Ratio) để đảm bảo hiệu quả năng lượng cho công trình. Quy chuẩn này mới được chính thức ban hành vào năm 2013 và đang gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai áp dụng. Trong nhiều công trình xây dựng, chủ đầu tư và đơn vị tư vấn thiết kế chưa chú trọng tới nghiên cứu giải pháp sử dụng kính cho vỏ bao che công trình một cách nghiêm túc. Do đó, việc sử dụng kính ở nước ta còn khá dễ dãi, thậm chí còn có biểu hiện chạy theo hình thức, thiếu hẳn sự nghiên cứu đầy đủ các mặt lợi hại của kính, xem nhẹ hiệu ứng nhà kính dẫn tới sự tiêu tốn năng lượng và ảnh hưởng không tốt tới môi trường.

Vật liệu cho tường đặc

Kết quả khảo sát các tòa nhà văn phòng (trích từ kết quả khảo sát của Chương trình năng lượng sạch Việt Nam VCEP) [6] cho thấy vật liệu được dùng cho phần tường đặc ở các tòa nhà văn phòng ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng khá đa dạng. Một số tòa nhà sử dụng gạch rỗng dày 220mm, như Trụ sở Bộ công thương (phố Phan Châu Trinh, Hà Nội), một số công trình mới được xây dựng từ 2008 lại có xu hướng sử dụng gạch bọt khí – silicat, như tòa nhà Trụ sở viện công nghệ VEAM (phố Vũ Ngọc Phan, Hà Nội). Ở các tòa nhà văn phòng cao tầng, còn phải kể đến phần tường đặc bằng vách bê tông cốt thép (tòa nhà VCCI, phố Đào Duy Anh), và có thể được sử dụng như một thành phần chịu lực của tòa nhà. Nhìn chung, những phần tường đặc như vậy có trị số truyền nhiệt tổng Uo trung bình khoảng 2,3 – 3 W/m2.K, vượt quá giá trị U tối đa cho phép (1,8 W/m2.K) đã được quy định trong Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả (QCVN 09:2013/BXD). Tại TP HCM, một số tòa nhà sử dụng gạch bê tông bọt trọng lượng nhẹ với độ dày 330mm, như tòa nhà Kumho Asiana (đường Lê Duẩn), nhưng có những công trình lại sử dụng gạch block dày 400 mm cùng lớp cách nhiệt bằng bông khoáng dày 100 mm cho tường đặc như tòa nhà Diamond Plaza (đường Lê Duẩn). Với một số tòa nhà sử dụng gạch bê tông bọt chiều dày 300 mm trở lên, giá trị truyền nhiệt tổng của lớp tường gạch là khoảng 1,4 – 1,5 W/m2.K, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu cách nhiệt cho tường theo QCVN 09:2013/BXD. Tuy nhiên, cũng có nhiều tòa nhà, như trụ sở làm việc của Tổng công ty Bến Thành chỉ sử dụng gạch 220mm, không có cách nhiệt và không đảm bảo yêu cầu cách nhiệt đã quy định trong QCVN 09: 2013 / BXD.

Đề xuất giải pháp tổ chức không gian và thiết kế mặt đứng các tòa nhà văn phòng tại Việt Nam theo xu hướng kiến trúc xanh

1. Giải pháp tổ chức không gian để tăng cường thông gió tự nhiên (TGTN)

Việc tổ chức không gian có ảnh hưởng trực tiếp tới năng lượng sử dụng của tòa nhà. Để giảm thiểu năng lượng sử dụng cho điều hòa ở các tòa nhà văn phòng, cần điều chỉnh cách tổ chức không gian đóng kín hoàn toàn, không có khả năng đón gió tự nhiên như hiện nay. Thay vào đó, không gian của cả tòa nhà cần có tính mở để đón không khí tự nhiên và vẫn có thể được đóng kín để sử dụng điều hòa vào những thời điểm mà thời tiết ngoài nhà trở nên bất lợi. Để có thể dung hòa được nhu cầu dùng điều hòa và mở cửa thông gió tự nhiên khác nhau của những người làm việc trong tòa nhà, không gian làm việc của nhà văn phòng cần được chia thành 2 loại: Không gian luôn đóng kín để sử dụng điều hòa thường xuyên và không gian hỗn hợp, có thể lựa chọn: Hoặc mở cửa để đón gió tự nhiên, hoặc đóng cửa để dùng ĐHKK. Mỗi một loại không gian trên sẽ có định hướng và giải pháp thiết kế khác biệt nhằm mục đích nâng cao tiện nghi vi khí hậu và hiệu quả năng lượng.

Bên cạnh 02 loại không gian làm việc chính và lõi của tòa nhà, các không gian phụ trợ đi kèm cần phải có để đảm bảo hiệu quả thông gió bao gồm: Không gian đón gió, hành lang dẫn gió ngoài nhà, hành lang dẫn gió kết hợp giao thông trong nhà và không gian thoát gió. Việc bố trí các không gian phụ trợ sẽ phụ thuộc vào sơ đồ mặt bằng của tòa nhà.Thông thường, các tòa nhà văn phòng có lõi (thang máy, sảnh thang máy, khu vệ sinh và khu kỹ thuật, cầu thang bộ) được đặt ở giữa; ngoài ra, các tòa nhà có diện tích nhỏ (dưới 700 m2) lại thường có lõi đặt ở phía trong. Để đón được không khí mát mẻ từ biển và đưa không khí này vào không gian làm việc cũng như hành lang giao thông, sảnh thang máy…, cần có hành lang dẫn gió, hành lang thoát gió và không gian thoát gió kết hợp không gian nghỉ ngơi của nhân viên. Sơ đồ bố trí các không gian chính và không gian phụ trợ để tổ chức thông gió tự nhiên trong tòa nhà văn phòng được thể hiện qua các hình vẽ 5,6,7,8 và 9

Ngoài những văn phòng dạng tháp và có lõi ở trung tâm thường thấy, còn có một số tòa nhà dạng tấm với chiều dài lớn. Để có thể tổ chức TGTN hiệu quả, cần bố trí các khu vực kỹ thuật, WC về hướng Đông – Tây của tòa nhà, ưu tiên hướng Bắc – Nam cho các không gian làm việc. Khi đó, loại không gian hỗn hợp sẽ được đặt ở hướng Nam để đón gió mát, còn không gian đóng kín được đặt ở hướng Bắc – hướng không có nhiều ưu thế về gió mát và tránh được gió lạnh (ở miền Bắc). Sơ đồ bố trí các không gian chính và không gian phụ trợ để tổ chức thông gió tự nhiên trong tòa nhà văn phòng dạng tấm được thể hiện qua các hình vẽ 14 và 15.

2. Thiết kế mặt đứng

a. Phân tích năng lượng sử dụng của mô hình tòa nhà văn phòng điển hình qua các giải pháp mặt đứng khác nhau:

Xét một mô hình nhà văn phòng điển hình ở Việt Nam cao 15 tầng, có mặt bằng hình chữ nhật, lõi công trình được đặt ở giữa, và sàn văn phòng nằm xung quanh lõi. Kích thước mặt bằng của mô hình nghiên cứu là 40 x 25 (m), và mô hình được khảo sát trong điều kiện khí hậu của Hà Nội. Phần mềm được dùng để tính toán là OpenStudio 1.10.1. Ngoài các không gian chính được sử dụng làm văn phòng làm việc, có một phần không gian phía trước có chức năng là tiền sảnh, và một phần không gian ở tầng trên cùng được dung làm phòng hội thảo.

Các giả thiết của mô phỏng:

• Tòa nhà có trục chính theo hướng Đông – Tây
• Tỷ lệ cửa kính trên tất cả các mặt tường (WWR) là 0,6 (60%)
• Sử dụng hệ thống ĐHKK VRF để làm mát toàn bộ tòa nhà
• Phần tường đặc được làm bằng gạch không nung AAC có khả năng cách nhiệt tốt.

Các phương án sử dụng kính cho vỏ bao che được áp dụng cho tòa nhà như sau:

• Phương án 1: Sử dụng kính 1 lớp, có khả năng cách nhiệt kém với các thông số: hệ số truyền nhiệt U = 5,0 W/m2.K, hệ số nhận nhiệt Mặt trời SHGC = 0,7 và hệ số xuyên sáng VLT = 0,8. Các cửa kính không được che nắng.
• Phương án 2: Sử dụng kính low-E 2 lớp có khả năng cách nhiệt tốt với các thông số: hệ số truyền nhiệt U = 1,5 W/m2.K, hệ số nhận nhiệt Mặt trời SHGC = 0,25 và hệ số xuyên sáng VLT = 0,3. Các cửa kính không được che nắng.
• Phương án 3: Các cửa kính trên các mặt tường của tòa nhà được che nắng bằng KCCN nằm ngang, độ vươn ra là 1,0m. Loại kính sử dụng là kính 2 lớp với thông số U = 2 w/m2.K, SHGC = 0,5 và VLT = 0,45.

Kết quả mô phỏng về hiệu quả sử dụng năng lượng và tiện nghi nhiệt của tòa nhà được biểu diễn qua biểu đồ cơ cấu sử dụng năng lượng của các loại thiết bị, ước tính tổng mức năng lượng tiêu thụ trong năm và chỉ số năng lượng tiêu thụ trên mỗi mét vuông sàn (BEI) của cả tòa nhà. Các số liệu tương ứng với mỗi phương án sử dụng kính ở trên được tổng hợp qua bảng 2 dưới đây.

Kết quả mô phỏng cho thấy, phương án 1- với kính trên mặt đứng là loại kính 1 lớp, và không được che nắng – sẽ gây ra lãng phí năng lượng rất lớn để làm mát. Trong khi đó, nếu thay thế kính một lớp bằng kính low-E sẽ tạo ra hiệu quả cách nhiệt đáng kể, góp phần làm giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng và chỉ số tiêu thụ năng lượng trên mỗi m2 sàn (BEI) của tòa nhà. Do đó, có thể khẳng định ưu điểm vượt trội về nhiệt của kính low-E so với những loại kính thông thường.

Tuy nhiên, kết quả mô phỏng ở phương án 3 lại cho thấy hiệu quả cách nhiệt rõ rệt khi sử dụng kết cấu che nắng trên mặt đứng của công trình. Mặc dù, tổng mức năng lượng tiêu thụ của tòa nhà trong phương án 3 cao hơn con số ở phương án 2, nhưng năng lượng dùng cho làm mát trong hai trường hợp lại xấp xỉ nhau (khoảng hơn 1 triệu kWh) trong khi loại kính sử dụng trong phương án 3 có tính năng cách nhiệt kém hơn so với phương án 2. Nếu các mặt đứng của tòa nhà, đặc biệt là hai mặt đứng hướng Đông – Tây được che nắng triệt để hơn thì mức tiêu thụ năng lượng nói chung và năng lượng làm mát nói riêng cho tòa nhà ở phương án 3 còn có thể giảm được hơn nữa. Xét về khía cạnh kinh tế, tuy thiết kể vỏ công trình theo phương án 3 sẽ làm tăng thêm chi phí cho các KCCN nhưng hiệu quả của phương án 3 vẫn cao hơn phương án 2 do khoản tiết kiệm chi phí sử dụng kính mang lại là rất lớn.

b. Đề xuất thiết kế mặt đứng để nâng cao hiệu quả năng lượng

Các kết quả thu được qua mô phỏng năng lượng của mô hình tòa nhà là cơ sở quan trọng trong việc đề xuất giải pháp sử dụng kính cho vỏ bao che của các tòa nhà văn phòng cao tầng trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Các đề xuất này bao gồm:

• Lựa chọn các loại kính có các hệ số U, SHGC thấp để nâng cao khả năng cách nhiệt cho vỏ bao che công trình, và do đó làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng cho tòa nhà. Trong các loại kính cách nhiệt hiện nay, kính Low–E có khả năng hấp thụ rất ít và cho phản xạ nhiều BXMT, đặc biệt là các bức xạ thuộc vùng hồng ngoại. Do đó, kính Low-E nếu được dùng trên vỏ bao che cho các công trình cao ốc văn phòng thì hiệu quả cách nhiệt tăng lên, góp phần tiết kiệm năng lượng đáng kể cho việc làm mát. Mặc dù vậy, không nên lạm dụng kính Low-E trên tất cả các mặt đứng của công trình mà nên lựa chọn để áp dụng cho những mặt chịu nhiều BXMT như hướng Đông và Tây, mục đích để tiết kiệm chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhiệt cho con người.
• Sử dụng các mảng kính lớn phải đi kèm với nghiên cứu che nắng hiệu quả bằng kết cấu che nắng (KCCN) hoặc bản thân hình khối công trình. Những ví dụ thực tế đã áp dụng thành công việc che nắng và sử dụng kính là: Tòa nhà Kim Cương (Malaysia), Bảo tàng Hà Nội, Khách sạn JW Marriot (Mỹ Đình, Hà Nội). Các giải pháp che nắng chính là một trong những đặc trưng của kiến trúc nhiệt đới nóng ẩm như Việt Nam.
• Khi đã có KCCN, có thể thay thế kính Low-E đắt tiền bằng kính thường mà vẫn có hiệu quả năng lượng tương đương trong khi vẫn giải quyết được chi phí về vật liệu. Kính Low-E (hay các loại kính cách nhiệt nói chung) là bước đột phá mạnh mẽ trong công nghệ sản xuất kính giúp chủ công trình và các KTS giải quyết tốt yêu cầu về tầm nhìn và khá tốt yêu cầu về hiệu quả cách nhiệt. Nhưng nếu chỉ dựa vào kính Low-E sẽ không giải quyết được triệt để bài toán cách nhiệt và cũng không góp phần giữ gìn bản sắc kiến trúc nhiệt đới Việt Nam. Chỉ có sử dụng KCCN trên vỏ bao che – một hình ảnh đặc trưng của kiến trúc vùng nhiệt đới mới có thể mang lại cơ hội cho các KTS Việt Nam phát huy được nét truyền thống của kiến trúc Việt Nam trong thời kỳ hội nhập.

Kết luận

• Việc tổ chức TGTN nhằm giảm thời gian sử dụng ĐHKK có thể thực hiện bằng cách cách bố trí các không gian làm việc và các không gian đón – thoát gió trên mặt bằng. Tại mỗi tầng của tòa nhà, cần phân chia 02 kiểu không gian: Đóng kín và hỗn hợp, trong đó không gian hỗn hợp có thể mở cửa để đón nhận không khí tự nhiên. Mỗi loại không gian trên có định hướng thiết kế khác nhau để đảm bảo hiệu quả năng lượng và chất lượng môi trường không khí bên trong nhà. Các không gian và hành lang đón gió, thoát gió cũng có vai trò quan trọng trong việc tạo nên hiệu quả thông gió tự nhiên cho tòa nhà.
• Đối với thiết kế mặt đứng, cần khẳng định rằng kiến trúc công trình bọc kính hoàn toàn không phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, gây ra sự lãng phí về năng lượng và ảnh hưởng không tốt tới chất lượng môi trường trong nhà. Việc sử dụng các loại kính cách nhiệt, kính low-E có thể nâng cao được khả năng cách nhiệt của lớp vỏ công trình nhưng không lại làm tăng chi phí đầu tư, đồng thời không tạo ra được những không gian mở để đón nhận không khí tự nhiên. Hiệu quả cách nhiệt của kính low-E tuy cao hơn các loại kính một lớp hay kính hai lớp chỉ sử dụng không khí, nhưng không thể đạt được hiệu quả cách nhiệt bằng việc che nắng cho các mảng kính lớn.
• Đặc trưng cơ bản của kiến trúc nhiệt đới nói chung và kiến trúc nhiệt đới Việt Nam nói riêng là vỏ công trình được che nắng, có các mảng sáng – tối, rỗng – đặc đan xen, tránh các mặt nhà bọc kính hoàn toàn. Vì vậy, lạm dụng các mảng kính lớn trên mặt đứng và vỏ bao che của công trình không chỉ gây ảnh hưởng tới hiệu quả năng lượng, tiện nghi môi trường mà còn làm mất đi bản sắc vốn có của kiến trúc nhiệt đới Việt Nam.
• Giải pháp thiết kế không gian đa dạng để TGTN cho nhà văn phòng cũng sẽ góp phần tạo nên mặt đứng sinh động, linh hoạt và phù hợp với ngôn ngữ kiến trúc của vùng nhiệt đới nóng ẩm. Để hiện thực hóa ý tưởng TGTN cho nhà văn phòng, cần có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm về khả năng chịu tải gió, khả năng chống bão … và do đó cần có sự kết hợp nghiên cứu của các bên kiến trúc, kết cấu và vật liệu xây dựng.

ThS. KTS. Ngô Hoàng Ngọc Dũng
Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Trường Đại học Xây dựng
KTS. Nguyễn Thu Vân
Cựu sinh viên khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Trường Đại học Xây dựng

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 02-2018)