Shenzhen – Hình mẫu cho các tòa nhà tương lai của Trung Quốc

TỔNG QUAN

Sự bùng nổ xây dựng của Trung Quốc cùng với tình trạng ô nhiễm không khí từ các nhà máy nhiệt điện than đã khiến việc phát triển các toà nhà hiệu quả năng lượng trở nên rất quan trọng. Tòa nhà trụ sở của Viện nghiên cứu Xây dựng Thâm Quyến (IBR – Institute of Building Research) được xây dựng như một phòng thí nghiệm và đã được chứng minh là tòa nhà kiểu mẫu cho sự bền vững không chỉ đối với Trung Quốc mà trên toàn thế giới. Tòa nhà sử dụng kiến trúc tối giản, đồng thời kết hợp nhiều chiến lược bền vững, sử dụng ít năng lượng hơn so với các tòa cùng ngành ở Thâm Quyến và các tòa nhà tương đương ở Mỹ.

Shenzhen là toà nhà Gần cân bằng năng lượng – Nearly Zero Energy Building, với lượng năng lượng được tiêu thụ hằng năm: (tính trong năm 2014)

Thời gian tiêu thụ năng lượng quanh năm bắt đầu từ 8:00 – 18:00 (thời điểm sử dụng từ thứ 2 – thứ 6, một số tuần tiêu thụ năng lượng vào thứ bảy, và tiêu thụ năng lượng ít nhất vào chủ nhật).

Lượng nước tiêu thụ hằng năm (2011): 1.354 x 10^4(m3/ năm); trong đó 40% là sử dụng nước mưa thu được.

Với mức tiêu thụ như trên, Shenzhen sẽ tiếp tục các phương án cải tạo để đạt Cân bằng năng lượng (ZEB) trong tương lai.

Có thể kể đến một vài điểm nhấn của toà nhà như:

• Hơn 40 công nghệ bền vững được sử dụng trong một công trình chi phí- thấp, it- tiêu- thụ- điện- năng thông qua phương pháp thiết kế tích hợp.
• Tối ưu ánh sáng ban ngày và thông gió tự nhiên giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ cho điều hòa không khí và chiếu sáng, vốn là nguồn tiêu thụ năng lượng cao nhất trong một tòa nhà văn phòng.
• Không gian làm việc được xây dựng thân thiện với môi trường, đồng thời thuận lợi cho giao tiếp và cho các hoạt động của người dùng.

Giá thành và tiết kiệm năng lượng

Chi phí xây dựng tòa nhà ở mức 689 USD/m2, thấp hơn so với các công trình thương mại với trung bình ở Thâm Quyến.

Dự án đạt hiệu quả năng lượng cao như ng với chi phí thấp nhờ 02 yếu tố chính:

• Sử dụng thiết kế tích hợp nhằm tìm ra sự kết hợp tối ưu của các hệ thống với chi phí thấp nhất, đồng thời quản lý tính toán chặt chẽ trong các giai đoạn thiết kế, xây dựng và vận hành của dự án.
• Thiết kế và hoàn thành nội thất đơn giản

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Phương pháp thiết kế tích hợp đánh giá 04 yếu tố:

• Gió: Thông gió tự nhiên trong tất cả các không gian văn phòng, cho phép tiếp xúc trực tiếp với thiên nhiên và sử dụng điều hòa ít hơn 30%.
• Ánh sáng: Sử dụng ánh sáng tự nhiên chiếu sáng tới tất cả các không gian trong văn phòng và cung cấp tầm nhìn đến các không gian xung quanh tòa nhà.
• Cảnh quan: Tường xanh (tường được phủ bởi thảm thực vật) được phân bố theo chiều thẳng đứng khắp tòa nhà, giúp tăng gấp đôi diện tích dành cho khu vực cây xanh so với diện tích ban đầu. Khu vườn trên mái, khu vườn trên cao và sân vườn đều giúp khôi phục lại sự cân bằng sinh thái của khu vực xây dựng.
• Nước: Tiết kiệm được 43% lượng nước tiêu thụ so với các tòa nhà thông thường có quy mô tương tự ở Thâm Quyến nhờ sử dụng hệ thống thu gom nước mưa và tái chế.

Cấu trúc thiết kế tòa nhà cũng giúp giảm chi phí xây dựng. Hầu hết các tòa nhà thương mại ở Thâm Quyến đều sử dụng móng khung, một quyết định thiết kế quen thuộc và an toàn. Thay vào đó, tòa nhà sử dụng móng bè, giúp giảm chi phí và thời gian xây dựng bằng cách loại bỏ việc khoan cho các trụ, đồng thời đáp ứng tất cả tiêu chuẩn về an toàn.

Tòa nhà đã ghi nhận mức sử dụng năng lượng thấp hơn so với các công trình tương đương, tổng chi phí điện hằng năm được ghi nhận vào khoảng 700.000 nhân dân tệ ( 105.000 USD).

Thiết kế

Nhóm thiết kế đã xem xét hơn 100 công nghệ, chiến lược bền vững và kết hợp hơn 40 công nghệ trong số đó bao gồm cả chiếu sáng ban ngày, thông gió tự nhiên, tái chế “Graywater”, sử dụng năng lượng mặt trời và với hệ thống HVAC

Phương pháp bền vững

Nhóm thiết kế bắt đầu với các nguyên tắc thông gió tự nhiên và chiếu sáng tự nhiên sao cho phù hợp với điều kiện khí hậu mùa hè nóng bức, mùa đông ấm áp của Thâm Quyến. Các kỹ sư đã chạy mô hình mô phỏng CFD, tính toán chính xác luồng gió và nhiệt độ từng không gian, giúp xác định vị trí, kích thước và độ nghiêng tốt nhất cho cửa sổ để đảm bảo thông gió tự nhiên tối ưu, giúp điều hướng luồng không khí trong không gian làm việc.

Không giống như các khu vực khác của Trung Quốc, vị trí ven biển của Thâm Quyến có chất lượng không khí tương đối tốt, cho phép có thể thông gió tự nhiên quanh năm. Các văn phòng có cửa sổ có thể mở được nằm ở các tầng trên, vị trí có mức độ ô nhiễm không khí và tiếng ồn ít hơn so với dưới đường phố. Các phòng thí nghiệm được sắp đặt nằm ở tầng thấp hơn vì không cần nhiều tương tác với môi trường bên ngoài. 

Dự án đã thiết kế các kệ đèn và diện tích tòa nhà để đảm bảo đủ ánh sáng ban ngày cho tất cả các không gian làm việc trong văn phòng. Ánh sáng nhân tạo, khi cần, được cung cấp bởi đèn T5, đèn LED và một số bóng đèn CFL. 

Hướng của công trình, xây dựng khối và cách sắp xếp

Tòa nhà gần sát với trục Bắc Nam để tận dụng gió từ phía Đông cho hệ thống thông gió tự nhiên. PV film và thảm thực vật tạo bóng mát nằm phía Tây. Với cách sắp xếp các phần tòa nhà (Ví dụ như tòa thí nghiệm bên dưới, văn phòng bên trên) thành nhiều khối xếp chồng lên nhau, các kiến trúc sư có thể tạo ra một không gian thông tầng ngoài trời cao 12 tầng ở phía Đông để đón gió Đông Nam và mang ánh sáng ban ngày vào bên trong. 

Tầng một là sảnh mở, tầng hai và ba là phòng triển lãm công nghệ xanh, Tầng bốn có phòng thử nghiệm vật liệu xanh, tầng năm là trung tâm hội nghị, tầng sáu là “Sky Garden”, tầng bảy đến mười là không gian văn phòng, tầng mười một có phòng dành cho khách, tầng mười hai là không gian ăn uống và tầng 13 là sân vườn trên mái.

Lớp vỏ tòa nhà

Lớp vỏ cách nhiệt được phân biệt theo từng độ cao. Lớp ngoài có cửa sổ kính hai lớp low-e với khung được làm từ hợp kim nhôm, mang lại hiệu suất tốt đến từ ánh sáng ban ngày, tiện nghi nhiệt và chống ồn.

Tỷ lệ cửa sổ trên tường của tòa nhà (Window-to-wall – WWR)  khác nhau trên các không gian khác nhau của tòa nhà. Các khu vực phía dưới của tòa được thiết kế chủ yếu cho các phòng thí nghiệm và phòng họp, nơi giá trị WWR là 0,3 được sử dụng cho các tầng thấp ở phía Nam, phía Đông và Bắc – để giảm thiểu tác động của ánh sáng ban ngày đến không gian họp và không gian của phòng thí nghiệm. Đối với văn phòng phía trên, giá trị WWR 0,7 được chọn để tận dụng ánh sáng ban ngày và giảm mức tiêu thụ năng lượng từ chiếu sáng nhân tạo.

Việc che nắng rất quan trọng đối với các tòa nhà nằm trong khu vực có khí hậu mùa hè nóng bức/ mùa đông ấm áp của Trung Quốc và tòa nhà trụ sở IBR đã áp dụng các chiến lược che nắng khác nhau cho các độ cao khác nhau. Phần nhô ra với rèm cửa sổ bên trong được sử dụng cho văn phòng làm việc.

Thảm thực vật được trồng ở vườn ươm trên tầng mười ba có tác dụng chắn nắng các mặt tiền ở phía Tây tòa nhà. Phần chắn nắng của lớp vỏ tòa nhà được sử dụng vật liệu cách nhiệt và lớp này được hoàn thiện bên ngoài bằng nhôm trên bê tông đúc, giúp cho lớp vỏ dễ dàng vệ sinh và duy trình độ tiện nghi nhiệt bên trong tòa nhà.

Mặt phía Tây của của tòa nhà được tích hợp các tấm pin năng lượng mặt trời màng mỏng, với độ xuyên sáng là 0.2, duy trì khả năng nhìn được và cũng có thể thu được năng lượng từ mặt trời để duy trì các hoạt động trong tòa nhà. Năng lượng tái tạo của tòa nhà bao gồm nhiều hệ thống PV, tua-bin gió nhỏ và hệ thống năng lượng mặt trời.

Hệ thống PV bao gồm các tấm pin năng lượng mặt trời, mô-đun PV trên phần nhô ra và hệ thống PV màng mỏng ở mặt trước phía Tây của tòa nhà. Hầu hết, các mảng PV bao gồm các mô-đun PV với pin silicon, trong khi các mô-đun giúp tăng tiện nghi về ánh sáng cũng như việc che nắng cho tòa nhà. Ngoài ra, tòa nhà còn có bình nóng lạnh năng lượng mặt trời tiêu chuẩn.

Các hệ thống PV này tạo ra khoảng 70,000 kWh/ năm. Hệ thống năng lượng mặt trời thu thập và lưu trữ nhiệt nhiệt cho tất cả nước nóng được sử dụng nhà bếp và phòng nghỉ của khách sạn trong tòa nhà.

Hệ thống sưởi và làm mát

Tòa nhà trụ sở IBR sử dụng hệ thống HVAC hiệu quả cao. Vì tòa nhà nằm ở khu vực cận nhiệt đới nóng ẩm nên việc kiểm soát độ ẩm rất quan trọng để mạng lại sự tiện nghi trong tòa nhà. Tòa nhà sử dụng hệ thống kiểm soát riêng với nhiệt độ và độ ẩm để xử lý không khí ngoài trời.

Một hệ thống không khí ngoài trời chuyên dụng được sử dụng để hút ẩm. Hệ thống này cho phép các thiết bị đầu cuối cung cấp năng lượng và điều chỉnh mức độ làm mát hợp lý cho các tòa nhà. Các hệ thống HVAC khác nhau sẽ đáp ứng các nhu cầu làm mát khác nhau. Ví dụ, tầng hầm và tầng một sử dụng máy nước nóng bơm nhiệt (Water source heat pump – WSHP). Máy bơm nhiệt được đặt gần hồ cảnh quan nên nước được ngưng tụ trong vòng tuần hoàn kín sẽ trao đổi nhiệt trực tiếp với hồ cảnh quan, giúp cho việc giảm thêm nhiệt độ đồng thời tăng hiệu suất cho hệ thống WSHP.

Các nhà thiết kế tòa nhà đã đưa vào một hệ thống làm bằng bức xạ thử nghiệm cho một phần của tòa nh à, nhưng khó khăn trong việc kiểm soát sự ngưng tụ hơi nước trên đường ống đã buộc phái tắt hệ thống này đi. Để giải quyết vấn đề này, bộ phận vận hành tòa nhà tìm ra giải pháp khi điều hòa hoạt động thì không gian phải kín gió trong thời điểm tần suất điều hòa được sử dụng nhiều nhất.

Các tầng còn lại sử dụng thiết bị làm mát bằng nước hiệu suất cao (18°C [63°F]) nhiệt độ được cung cấp do CHW), với các bộ xử lý không khí hút ẩm dựa trên giải pháp và các bộ phận trên dây quạt. Vì nhiệt độ CHW cao nên các bộ phận cuộn dây quạt chỉ quản lý được phần tải nhiệt sao cho hợp lý của tòa nhà, một thiết kế tránh việc ngưng tụ hơi nước và tiết kiệm năng lượng sử dụng cho nhiệt.

Kiểm tra hiệu suất của tòa nhà

Mức tiêu thụ năng lượng cao nhất của tòa nhà là vào mùa hè do tần suất sử dụng điều hòa không khí và mức tiêu thụ cao phụ tải của các nguồn năng lượng. Tổng năng lượng sử dụng cho tòa nhà năm 2011 là 1.151.033 kWh, trong đó 84% đến từ lưới điện thành phố. Khoảng 10% năng lượng sử dụng trong tòa nhà đến từ khí đốt của thành phố và 6% từ các tấm pin năng lượng mặt trời của tòa nhà.

Năng lượng sử dụng lớn nhất (36%) là điện để chạy máy chủ và các thiết bị CNTT khác. Tiếp theo là điều hòa không khí (21%), theo sau là các thiết bị khác (17%). Hệ thống chiếu sáng, ổ cắm, hệ thống cơ khí và nhà bếp chiếm phần năng lượng còn lại của tòa nhà.

Tòa nhà được dự đoán sẽ sử dụng 33 kWh/m2 (10 kBtu/ft2) cho điều hòa không khí, nhưng mức sử dụng năng lượng AC thực tế vào năm 2011 là 14 kWh/m2 (4 kBtu/ft2), ít hơn một nửa mức sử dụng đã được dự đoán. Lý do dẫn đến sự khác biệt có thể đến từ việc năng lượng AC dự đoán được dựa trên tiêu chuẩn thiết kế thương mại của Trung Quốc, trong đó giả định một tòa nhà được lắp máy điều hòa không khí và không tính toán đến hệ thống thông gió tự nhiên của tòa nhà.

Tòa nhà trụ sở IBR được thiết kế để tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng ban ngày, bao gồm việc sử dụng các ống chiếu sáng tự nhiên ở tầng hầm. Mức tiêu thụ năng lượng rất thấp vào ban đêm và cuối tuần do các nhân viên trong tòa nhà sử dụng lượng điện ít hơn vào thời điểm cuối tuần.

Bảo trì và vận hành

Đội ngũ vận hành rất hài lòng khi làm việc trong môi trường có đầy đủ ánh sáng và thông gió tự nhiên. 

Vì không có hướng dẫn cụ thể cho việc vận hành một “toà nhà xanh”, đội ngũ vận hành đã liên tục kiểm tra các thiết bị và hệ thống, đồng thời chuẩn bị lắp đặt hệ thống quản lý toà nhà, giúp cung cấp các thông tin chi tiết về hiệu suất vận hành của dự án.