Singapore – BCA Singapore Net Zero Building

THÔNG TIN CHUNG

BCA là cơ quan trực thuộc Bộ Phát Triển Quốc gia của Chính phủ Singapore và được giao nhiệm vụ phát triển các công nghệ xanh nhằm đáp ứng mục tiêu xanh hóa 80% tất cả các tòa nhà của Singapore vào năm 2030. Hiện tại học viện BCA là tòa nhà ZBE đầu tiên của Đông Nam Á, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình hướng tới một môi trường công trình bền vững của Singapore.

Trong suốt quá trình lên ý tưởng, thiết kế, triển khai và vân hành, ZEB bao gồm hai phương pháp tiếp cận tích hợp chung nhằm giảm tối đa mức tiêu thụ năng lượng:

• Thiết kế thụ động cho vùng nhiệt đới
• Chủ động trong việc đưa ra khả năng kiểm soát tối ưu

Một số đặc điểm nổi bật:

• Tích hợp hơn 30 công nghệ tiên tiến từ hệ thống thụ động và chủ động, như thông gió tự nhiên được hỗ trợ bằng năng lượng mặt trời, Mirror duct, Quạt đôi với cuộn đơn (Single-Coil Twin Fan – SCTF), thông gió dịch chuyển, điều khiển chiếu sáng thông minh, quang điện tích hợp tòa nhà (Building integrated photovoltaics – BIPV),…
• Đạt hiệu suất năng lượng ròng bằng 0 trong chín năm liên tiếp kể từ năm 2009.
• Mang lại mức tiết kiệm năng lượng vượt trội 52% so với một tòa nhà điển hình ở Singapore, với chỉ số sử dụng năng lượng (Energy Utilisation Index – EUI) trung bình là 43 kWh/ m2/ năm.
• Nhận được nhiều giải thưởng quốc tế như Giải thưởng Năng lượng ASEAN, Giải thưởng IES,..

Khi tòa nhà BCA cần trang bị thêm 3 tầng tại khuôn viên học viện BCA. Họ đã quyết định bắt tay triển khai xây dựng tòa nhà ZEB bất chấp thách thức là khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. BCA quản lý và xếp hạng tòa nhà Green Mark tại Singapore và muốn dự án này phản ánh các phương pháp xây dựng bền vững tốt nhất. Sau khoảng thời gian dài hoạt động, tòa nhà này đã và đang mang lại sự thoải mái.

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN

Phương pháp tiếp cận tích hợp

Việc quy hoạch bắt đầu từ năm 2007 như một dự án công hợp tác với chủ tòa nhà (BCA), các nhà thiết kế/ tư vấn và nhà xây dựng địa phương đã hợp tác với các nhà nghiên cứu từ đại học Quốc gia Singapore (NUS) và viện nghiên cứu năng lượng mặt trời (SERIS) để xây dựng thêm một tòa nhà Net Zero energy. Diện tích tòa nhà dài khoảng 76 m (250 ft) và sâu 20 m (65 ft), với hành lang bên ngoài ở phía đông dài hơn tạo điều kiện để tiếp cận các không gian sâu hơn của trong cả 3 tầng của tòa nhà.

Trong các biểu mẫu thiết kế, các bên liên quan đã thảo luận về phương án thiết kế thụ động, hiệu quả sử dụng năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo. Các phương án nghiên cứu điển hình quốc tế được đưa vào để phân tích, các khái niệm khác nhau được đưa vào để xem xét và được hỗ trợ trong việc mô phỏng tính toán và trực quan hóa.

Sau nhiều lần lặp lại việc mô phỏng tính toán. Mục tiêu chính cho việc thiết kế thụ động bao gồm giảm truyền nhiệt, tăng cường chiếu sáng ban ngày và tăng cường thông gió tự nhiên. Hệ thống chiếu sáng điện, điều hòa không khí và thông gió cơ học bằng hệ thống của tòa nhà. Việc tích hợp quang điện vào lớp vỏ của tòa nhà là rất quan trọng trong việc đạt được mục tiêu Net Zero energy.

Model mẫu của các công nghệ trong xây dựng xanh

Hệ thống thông gió tự nhiên với ống khói năng lượng mặt trời

Hệ thống ống khói năng lượng mặt trời

Các tòa nhà khác trong khuôn viên trường trước đây đã được chuyển thành văn phòng có máy lạnh một phần. Dự án này bao gồm các phòng học và hội trường (1/3 tổng diện tích sàn) được làm mát bằng hệ thống thông gió tự nhiên. Nhiệt độ không khí trung bình và độ ẩm ở vùng nhiệt đới Singapore trong ngày dao động quanh 31°C (88°F) và 80% với sự thay đổi theo mùa tương đối ít. Hệ thống HVAC và hệ thống thông gió tự nhiên giúp tăng cường chuyển động không khí trong tòa nhà.

Hệ thống ống khói năng lượng mặt trời được chọn cho hệ thống thông gió tự nhiên của các lớp học và hội trường. Bốn ống khói trên mái nhà là điểm cuối của một loạt ống dẫn ẩn một phần dọc theo vỏ của tòa nhà.là phần dễ thấy nhất của hệ thống. Hệ thống bắt đầu với các ống dẫn thẳng đứng lộ ra dọc theo mặt tiền của hướng Tây, sau đó uốn cong theo mái cong và cuối cùng để kết nối với các ống khói trung tâm. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, chúng trở nên nóng hơn, đồng thời tạo ra khí nóng bên trong, nở ra, trở nên nhẹ hơn và bốc lên (hiệu ứng nổi) và lần lượt không khí ấm trong nhà qua nhiều cửa hút gió không khí xung quanh qua mặt tiền vào bên trong. Trong hội trường, chuyển động của không khí lên tới 394 fpm (2 m/s) đã được đo và đã thay đổi khả năng chấp nhận nhiệt từ không thể chấp nhận được thành chấp nhận được.

Sự dễ chịu từ nhiệt được cải thiện thông qua việc dự đoán nhiệt độ từ “Quá ấm” đến “Ấm”.

Đối với các không gian điều hòa được không khí, hiệu quả sử dụng năng lượng đã được cải thiện đáng kể so với phạm vi thông thường là 138 đến 174 kWh/m2 mỗi năm (43 đến 55 kBtu/ ft2 mỗi năm) đối với các tòa nhà văn phòng tương tự. Hiệu quả năng lượng đạt được bằng cách làm mát không khí và tuần hoàn riêng biệt, bằng cách điều khiển quạt riêng biệt với tốc độ có thể thay đổi được để phù hợp với nhu cầu chung.

Giải quyết vấn đề tăng nhiệt

Lớp vỏ ban đầu với lớp tường bê tông lộ ra ngoài và mái kim loại có ít bóng râm, nóng lên vào ban ngày và truyền nhiệt vào bên trong do không có lớp cách nhiệt. Do lượng bức xạ mặt trời mạnh (hơn 1.600kWh/m2 [507 kBtu/ft2] mỗi năm), nhiệt độ cao nhất của các bề mặt bên ngoài có thể vượt quá 50°C (120°F). Chiến lược tổng thể là bổ sung thêm lớp vỏ làm mát cho lớp ngoài của tòa nhà. Các tấm che nắng và những bức tường xanh thẳng đứng được thêm vào ở phía Tây, đồng thời mái nhà được lợp thêm một lớp mô-đun để đảm bảo thông gió và làm mát các mô đun PV cũng như mái kim loại bên dưới.

Lớp làm mát dành cho mục đích giúp cho việc tạo bóng, một số tấm che nắng ở mặt tiền có PV ở phần trên, tạo ra thêm điện. Một số khác có màng phản chiếu, có tác dụng gấp đôi như giá đèn, chuyển hướng ánh sáng ban ngày vào sâu hơn trong các tòa nhà. Hệ thống thường và mái xanh hỗ trợ nghiên cứu về tác dụng che nắng và tản nhiệt hơi trong việc giảm truyền nhiệt và sử dụng năng lượng làm mát.

Mức tiết kiệm năng lượng dựa trên phép đo chênh lệch thông lượng nhiệt lớn nhất đối với các hệ thống gắn trên mái. Ví dụ: khoảng 70 kWh/m2 (6 kWh/ft2) mỗi năm và đối các hệ thống (có một phần là bóng râm) được lắp ở mặt trước theo hướng Nam (màu xanh lá cây, có bóng tường là hiệu quả nhất).

Ánh sáng ban ngày

Mái BPIV và Ống dẫn ánh sáng

Sau hệ thống thông gió tự nhiên và việc giảm năng lượng mặt trời nhận vào, thì việc chiếu sáng ngày lại là một thách thức khác khó đạt được vì lượng ánh sáng chiếu vào ban ngày không đủ lượng sáng do mặt bằng sàn sâu 18 m (59 ft) và do độ cao mặt trời so với vị trí của Singapore dọc theo đường xích đạo.

Một thế kế định sẽ tạo ra quá nhiều ánh sáng ban ngày xung quanh các khu vực thiếu ánh sáng ở sâu bên trong. Một ý tưởng thiết kế được tạo ra để nghiên cứu các hướng của cửa sổ hướng về phía mặt trời, hay định nghĩa rõ hơn là việc thu ánh sáng từ ở thời điểm mặt trời lên cao nhất từ mái nhà và mặt tiền rồi chuyển hướng sáng qua những nơi cần thiết.

Biểu đồ sản xuất và tiêu thụ năng lượng

Một số hệ thống chiếu sáng ban ngày tiên tiến được lắp đặt và thử nghiệm để cung cấp ánh sáng ban ngày cho một số khu vực được chọn, bao gồm các ống dẫn ánh sáng dọc, ngang và các ống dẫn khác. Kệ đèn bên ngoài và kính hai lớp tùy chỉnh với rèm có thể điều chỉnh tích hợp, màng điện hóa và PV bán trong suốt. Chỉ số chiếu sáng trung bình trong không gian phía sau kính là 800 lux đối với kính trong, 100 lux đối với quan điện bán trong suốt, 300 đến 800 lux đối với rèm tích hợp có thể điều chỉnh và 100 đến 700 lux đối với kính điện hóa ở các trạng thái khác nhau, ánh sáng được chiếu ở những nơi có chỉ số là 300 lux trở lên.

Khả năng tự chiếu sáng ở thời điểm ban ngay (Tỷ lệ phần trăm thời gian vượt quá 300 lux) không bao giờ có thể đạt được với PV bán trong suốt do khả năng chiếu những ánh sáng nhìn thấy được thấp hơn 10%, nhưng với đặc tính tạo bóng, khả năng kiểm soát độ chói và hiển thị màu của nó rất tốt khi tạo ra điện

Các ống dẫn ánh sáng ngang tùy chỉnh được thiết kế bao gồm các bộ thu ánh sáng ban ngày ở bên ngoài được tích hợp ở mặt ngoài đặt tại phía Đông và các ống dẫn ánh sáng ngang dài 12 m (39 ft) được tích hợp trên trần nhà và cung cấp ánh sáng ban ngày không chói qua một số lỗ mở vào các không gian bên dưới. Hiệu suất của chúng thay đổi tùy theo các tấm màng phản chiếu bên trong. Tấm phim có độ phản chiếu hơn 98% cung cấp hệ số ánh sáng ban ngày trên 5% ở các khu vực sâu trong tòa nhà. Tuy nhiên, điều này làm ảnh hưởng đến khả năng hiển thị màu sắc vì ánh sáng có vẻ hơi vàng ở cửa thoát hiểm. Hệ thống ống dẫn ánh sáng thẳng đức là những sản phẩm có sẵn trên thị trường, với mái vòm thu ánh sáng trên mái nhà và các ống thẳng đứng và cong chạy dài tới 8m (26 ft) từ mái nhà đến bộ khuếch tán gắn trên trên trong không gian văn phòng.

Ống đèn dài và cong hơn cung cấp ánh sáng đủ cho phòng hợp không có cửa sổ, trong khi ống đèn thẳng và ngắn hơn có đường kính 1m (3ft) sẽ cung cấp quá nhiều ánh sáng với hệ số ánh sáng ban ngày đôi khi vượt quá 50% vào buổi trưa với vị trí của mặt trời gần thiên đỉnh.

Tóm lại, khái niệm về thu ánh sáng mặt trời ở vị trí cao nhất trên mái nhà và mặt tiền rồi hướng chúng vào các khu vực sâu trong tòa nhà được cho là một giải pháp thay thế hoặc bổ sung hiệu quả và sáng tạo cho hệ thống chiếu sáng điện và mang lại độ trung tính màu sắc tuyệt vời. Tuy nhiên, giải pháp này đòi hỏi nhiều không gian và quy hoạch hơn so với chiếu sáng bằng điện và tăng nhiệt độ bức xạ trung bình thêm 0,5°C (1°F).

Tích hợp quang điện

Mục tiêu năng lượng của tòa nhà là bằng 0, tức là sản xuất đủ lượng điện tiêu thụ trong suốt một năm. Vì không cần phải sưởi ấm nên tất cả lượng năng lượng đều là điện để điều hòa không khí, thông gió, chiếu sáng và tải phích cắm. Ước tính khoảng 207 MWh (703.300 kBtu) hoặc 55.3 kWh/m2 (14.6kBtu/ft2) mỗi năm.

Để sản xuất một lượng điện tương đương bằng PV, mái của tòa nhà cần phải được hoàn toàn lợp bằng PV. Sau một vài lần lặp lại để xác định lợi ích của việc phát điện bằng PV so với tiết kiệm năng lượng thông qua ống khói năng lượng mặt trời, phủ xanh mái nhà hoặc lớp phủ phản chiếu, hệ thống PV có công suất 190 kWp bao phủ khoảng 1540m2 (16.577 ft2) đã được chọn.

Một hệ thống lớn nối lưới được thiết kế để tạo ra hiệu suất điện tối đa đã được lắp đặt trên mái nhà. Do đó, lời mời thầu dựa trên hiệu suất đã được đưa ra. Nhà cung cấp phải đảm bảo một lượng điện sản xuất nhất định, để lắp đặt cũng như vận hành và bảo trì hệ thống PV một cách hiệu quả.

PV cũng cần được lắp đặt ở các mặt tiền, được thiết kế ở đây để thể hiện sự đa dạng của công nghệ PV và tính đa chức năng của chúng, chẳng hạn như dùng làm tấm che nắng, lan can, tường và cửa sổ mờ đục và bán trong suốt.

Những hệ thống nhỏ hơn thì không có lưới điện, nghĩa là điện một chiều của chúng được tiêu thụ ngay tại chỗ bằng bộ sạc điện thoại di động. Cả hai hệ thống nối lưới và không nối lưới đều do BCA sở hữu và vận hành, tuân theo yêu cầu đối với hệ thống điện do Cơ quan Thị trường năng lượng Singapore (EMA – Energy Market Authority) đặt ra và hướng dẫn thiết kế về kiểm soát bảo tồn và phát triển của Cơ quan Tái phát triển Đô thị (URA – Urban Redevelopment Authority).

KẾT LUẬN

Dự án của BCA nhằm mục đích chứng minh việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong một tòa nhà đã được trang bị. Các thiết bị che nắng, đèn chiếu sáng, tường xanh thẳng đứng, kính hiệu suất cao và hệ thống tường nhẹ được tích hợp ở mặt tiền phía Tây. Các ống dẫn ánh sáng và ống dẫn được lắp đặt trên mái và ở bên mặt tiền phía Đông. Các mái nhà được bao phủ bởi hệ thống PV lớn để tạo ra đủ điện năng cho tòa nhà trở thành Net Zero Building. Các phần của mái nhà có ống khói năng lượng mặt trời để cải thiện sự chuyển động của các dòng khí trong không gian thông gió tự nhiên.