Các vấn đề môi trường và thiết kế xây dựng

Mục tiêu và quá trình xây dựng xanh

Các vấn đề môi trường và thiết kế xây dựng

Theo cộng đồng khoa học, biến đổi khí hậu đang diễn ra và ảnh hưởng của nó sẽ có hậu quả nghiêm trọng đối với xã hội và môi trường của chúng ta. Giảm sử dụng năng lượng trong các tòa nhà là một trong những cách quan trọng nhất để giảm thiểu các tác động đến môi trường gây ra bởi con người.

Các ghi nhận của các mẫu băng từ Nam Cực cho thấy những thay đổi trong nồng độ carbon dioxide (màu xanh) nó liên hệ chặt chẽ và có liên quan chặt chẽ với những thay đổi về nhiệt độ (màu đỏ) của trái đất. Nồng độ cacbon điôxit hiện nay cao hơn bất cứ lúc nào trong 650.000 năm qua. (Nguồn: Bảo tàng Khoa học Marian Koshland)

Đã có sự nhất trí cao từ các nhà khoa học cho rằng biến đổi khí hậu đang diễn ra như là kết quả của hoạt động của con người. Mô hình toán học của biến đổi khí hậu toàn cầu đã chỉ ra mối liên quan giữa việc tăng khí nhà kính do các hoạt động của con người đến sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu (đặc biệt là trong 250 năm qua, kể từ khi cuộc cách mạng công nghiệp). Các nguồn chính của sự gia tăng này trong khí nhà kính đã được quy cho các khí thải từ việc sử dụng năng lượng dựa vào nhiên liệu hóa thạch.

Biến đổi khí hậu có liên quan đến những sự thay đổi rối loạn có thể quan sát được như là sự biến mất của các sông băng núi và lớp băng bao phủ trên trái đất vùng cực, sự thay đổi thời gian nở hoa vào mùa xuân và sự gia tăng về tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan như sóng lạnh, sóng nhiệt, bão lớn, bão và lốc xoáy, lũ lụt và hạn hán.

Các nhà khoa học về khí hậu đã đưa ra giả thuyết rằng nền văn minh của con người đang có nguy cơ vượt ngưỡng hoặc “điểm tới hạn” có thể dẫn đến nhiều thay đổi căn bản trong khí hậu toàn cầu và có thể đẩy nhanh sự khởi đầu của cả một thời đại mới ” nóng và ẩm ướt” tương tự như môi trường của trái đất trước khi có sự xuất hiện của con người , hoặc thời đại của một kỷ băng hà mới . (Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu , IPCC Báo cáo đánh giá thứ tư [AR4]) .

Ước tính khoa học chỉ ra rằng cơ hội để loài người có thể ngăn cản lại xu hướng này chỉ có thể xuất hiện trong một khoảng thời gian rất ngắn tiếp theo, theo một số người, chỉ được trong khoảng vài chục năm tới.

Sau đó, khí hậu toàn cầu có thể thay đổi không thể đảo ngược và con người sẽ chỉ còn 1 lựa chọn là bắt buộc phải thích ứng.

Tác động môi trường của tòa nhà

Năng lượng tiêu thụ từ các tòa nhà chiếm 40% tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới – lớn hơn cả con số năng lượng tiêu thụ của ngành giao thông vận tải . Hơn nữa, trong 25 năm tới, lượng khí thải CO2 từ các tòa nhà được dự đoán sẽ tăng trưởng nhanh hơn bất kỳ lĩnh vực nào khác (ở Mỹ) , với lượng khí thải từ các tòa nhà thương mại dự kiến sẽ tăng nhanh nhất 1,8% một năm đến năm 2030 (USGBC).

Thông thường năng lượng điện sẽ gây ra các tác động môi trường lớn nhất so với các dạng năng lượng khác. Nguồn khai thác của năng lượng điện sẽ quy định các tác động này là như thế nào. Lấy ví dụ tại Hoa Kỳ, các tòa nhà tiêu thụ hơn 70% năng lượng điện , trong đó hầu hết năng lượng điện được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện đốt than (USGBC ).

Những tác động chính xác lên môi trường của công trình có thể được xác định bằng phương pháp đánh giá vòng đời (LCA). Đây cũng là phương pháp triệt để, toàn diện nhất để xác định mức độ ảnh hưởng của một thiết kế hay sản phẩm lên môi trường. Hiện giờ chưa có một phương pháp nào thể hiện được mức độ ảnh hưởng lên môi trường của sản phẩm hay của thiết kế một cách tuyệt đối. Phương pháp đánh giá vòng đời LCA thường sử dụng chỉ số lượng khí nhà kính phát thải ( với đơn vị là CO2e hay CO2 quy đổi) để đánh giá khả năng nóng lên toàn cầu, hoặc có thể đo bằng những thông số khác như thông số thể hiện mức độ ảnh hưởng lên sức khỏe con người , nước và các tác động sử dụng đất. Bạn có thể nghe thấy cụm từ năng lượng tự thân hay carbon tự thân – đây là các thông số thể hiện lượng năng lượng hay lượng khí nhà kính phát thải gây ra trong suốt vòng đời của một sản phẩm hay thiết kế nào đó (ví dụ sản xuất gạch nung, mỗi viên gạch có năng lượng và carbon tự thân của riêng nó).

Ngoài ra, phương pháp này có thể dùng một chỉ số đo lường tổng quát có thể xem xét nhiều loại tác động vào một con số duy nhất (ví dụ chỉ số Eco- thang điểm 99). Đây là một đại lượng quan trọng cho chỉ số LCA.

Trong các lĩnh vực có thể có những đóng góp thiết thực cho quá trình này, thì kiến trúc sư, kỹ sư và các nhà chuyên môn hoạt động trong lĩnh vực xây dựng là những người duy nhất với các kỹ năng và nguồn lực có thể cung cấp các giải pháp thực tế, thiết thực, hiệu quả về chi phí.

Một nghiên cứu về phương pháp đánh giá cả vòng đời LCA vào năm 2012 chỉ ra rằng “Đối với các tòa nhà thương mại thì ảnh hưởng gây ra trong quá trình sử dụng và vận hành lớn hẳn so với các giai đoạn sản xuất, xây dựng, phá dỡ và vận chuyển nhưng ảnh hưởng của công trình ở giai đoạn này gần như không được tính đến cho hầu hết các tòa nhà được xây dựng theo kiểu truyền thống” (Tạp chí Công trình Xanh).

Thông số thể hiện mức độ ảnh hưởng đến môi trường trên toàn vòng đời cho một tòa nhà thương mại xây theo phương pháp lắp ghép từ cấu kiện đúc sẵn, ứng với các mức tiêu thụ lượng khác nhau của tòa nhà bao gồm mức tiêu thụ trung bình của bang California, mức tiêu thụ thực tế (30 % năng lượng được cung cấp bởi năng lượng mặt trời), và mức tiêu thụ bằng 0 (100 % năng lượng được cung cấp bởi năng lượng mặt trời), trong đơn vị EcoIndicator 99 điểm.

Từ năm 1920, xu hướng chung trong việc sử dụng năng lượng cho các tòa nhà thương mại là mật độ tiêu thụ năng lượng cho mỗi foot vuông đã dần tăng cao (BuildingScience.com). Hiện nay điều quan trọng là chúng ta phải tìm cách để đảo ngược xu hướng này.

Trong những thập kỷ tới sự phát triển nhanh sẽ tiếp tục ở các nước đang phát triển, trong khi nhiều tòa nhà ở các nước phát triển sẽ cần phải được cải tạo và trang bị thêm.

Chúng ta cần phải đảm bảo rằng các kỹ sư và kiến trúc sư làm việc trên các tòa nhà được trang bị đầy đủ kiến thức để có được những lựa chọn thiết kế sử dụng năng lượng hiệu quả.

Công trình cân bằng năng lượng – Net Zero Energy Buildings

Để thiết kế các tòa nhà hiệu suất cao, nhà đầu tư cần đặt ra các mục tiêu bền vững, nhưng hiệu quả về chi phí cụ thể ngay từ đầu, sau đó vạch một lộ trình thiết kế hợp lý. Để tìm cách tối ưu hóa thiết kế, việc này sẽ giúp giảm sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, vật liệu…) và đảm bảo tiện nghi sống cho người ở, nhưng với mức đầu tư tối thiểu. Đây là 3 công việc ưu tiên trong suốt quá trình thiết kế. Thông thường, giảm sử dụng năng lượng công trình mang lại tác động môi trường lớn nhất, cho nên Net Zero Energy là chủ đề thiết kế ngày càng phổ biến, là mục tiêu phấn đấu cho các công trình trên khắp thế giới.

Mục tiêu đạt được mức cân bằng về năng lượng Net Zero Energy Buildings – nghĩa là công trình sử dụng năng lượng cực kỳ hiệu quả và tạo ra năng lượng tại chỗ đủ để cân bằng với nhu cầu năng lượng tiêu thụ hàng năm.

Công trình cân bằng năng lượng là công trình có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất ra lượng năng lượng bằng với lượng năng lượng tiêu thụ từ lưới điện mỗi năm. Các tấm pin quang điện trên mái của Trung tâm Lewis tại Cao đẳng Oberlin ở Oberlin, Ohio do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL – ASHRAE) cung cấp.

Đối với thiết kế công trình hiệu suất cao, cách tốt nhất là đo lường và so sánh các chỉ số giữa các phương án thiết kế khác nhau, kết quả tính toán sẽ cho ra sự khác biệt về tiêu thụ năng lượng, và các dữ liệu so sánh giá trị khác nhằm hỗ trợ ra quyết định. Những so sánh này mang tính khách quan, được ứng dụng phổ biến và đã được chứng thực tính hiệu quả trên toàn thế giới.

Khi thiết kế công trình dựa trên mức năng lượng tiêu thụ dự kiến, hiệu suất thực sự của công trình trong quá trình vận hành sẽ không được thông qua bất kỳ luật xây dựng hoặc hệ thống đánh giá công trình xanh nào. Mặc dù hệ thống đánh giá công trình xanh như LEED hay LOTUS là rất hữu ích, nhưng đôi khi chỉ áp dụng các chứng chỉ xanh sẽ không tạo ra những ưu tiên mạnh mẽ về năng lượng cho công trình. Khi đó mục tiêu công trình tòa nhà cân bằng năng lượng sẽ là một cam kết mạnh mẽ đảm bảo một kết quả tốt nhất cho công trình.

Định nghĩa công trình cân bằng năng lượng (NZEB)

Công trình cân bằng về năng lượng là công trình có hiệu quả sử dụng năng lượng cao, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất ra lượng năng lượng bằng với lượng năng lượng tiêu thụ từ lưới điện mỗi năm.

Có một số khái niệm về các công trình “Cân bằng năng lượng” dựa trên ranh giới cho sự cân bằng năng lượng. Dưới đây là bản tóm tắt các định nghĩa chính từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ NREL.

Thiết kế công trình cân bằng năng lượng

Nguyên tắc chính để thiết kế công trình cân bằng về năng lượng trước hết là giảm nhu cầu năng lượng càng nhiều càng tốt và sau đó chọn các nguồn năng lượng tốt. Dưới đây là một trình tự thiết kế ví dụ:

1. Giảm tối đa tải năng lượng
2. Tối ưu hóa thiết kế với chiến lược thụ động (passive design): giúp giảm tối đa tải nhiệt lên hệ thống kỹ thuật công trình bằng lớp vỏ cách nhiệt hay tận dụng không gian thông gió tự nhiên, giảm tải chiếu sáng lên hệ thống đèn bằng chiếu sáng tự nhiên…
3. Tối ưu hóa thiết kế cho các chiến lược chủ động (active design): sử dụng hệ thống kỹ thuật (HVAC, chiếu sáng, bơm…) có hiệu suất cao tiêu tốn ít năng lượng, phù hợp nhất với công suất yêu cầu của tòa nhà.
4. Thu hồi tận dụng năng lượng thải ra (recovery energy): như xem xét sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt…
5. Tạo ra năng lượng tại chỗ: (renewable energy system)
6. Mua năng lượng/ Carbon bù đắp

Công trình và sử dụng tài nguyên

Các công trình sử dụng năng lượng, vật liệu, nước và đất để tạo ra môi trường sống cho những người sinh sống và làm việc trong đó. Tất cả các yếu tố này đều tiêu tốn chi phí – và có tác động đến môi trường.

Sử dụng vật liệu

Sử dụng nhiều vật liệu bền vững hơn, sử dụng ít vật liệu hơn và sử dụng vật liệu phù hợp trong công trình có thể cải thiện các tác động môi trường của công trình xây dựng, tuổi thọ công trình và hạn sử dụng.

Tầm quan trọng

Các loại vật liệu có các tác động riêng của chúng đến môi trường thông qua hoạt động khai thác và sản xuất, chúng cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất nhiệt, hình ảnh và âm thanh của tòa nhà. Lựa chọn vật liệu và sản phẩm xây dựng cũng quyết định đến chi phí của các dự án.

Vật liệu cũng rất quan trọng bởi vì chúng tạo ra không gian vật lý mà người sử dụng tòa nhà sẽ trải nghiệm.

Các chất độc hoặc hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe. Mặt khác, lựa chọn đúng loại vật liệu có thể đem lại những tác động tích cực đến cảm giác và sức khỏe con người.

Các số liệu

Năng lượng tiêu tốn hoặc các bon phát thải có thể được sử dụng để làm thước đo các tác động đến môi trường của hoạt động khai thác, chế biến, sản xuất và phân phối vật liệu.

Tuy nhiên, khi tính đến toàn bộ vòng đời công trình và tùy thuộc vào cách áp dụng, các yếu tố khác của vật liệu như tính chất nhiệt và cấu trúc có thể quan trọng hơn nhiều. Ví dụ, nếu tính chất nhiệt của các vật liệu được sử dụng ở lớp vỏ của công trình tốt hơn thì có thể cải thiện việc sử dụng năng lượng của công trình (Ví dụ như được đo bằng cường độ sử dụng năng lượng).

Vòng đời của vật liệu là một yếu tố cũng rất quan trọng. Nó có thể tái chế hoặc có thể phân hủy sinh học không? Nó được làm từ vật liệu tái chế hoặc các vật liệu có thể tái tạo nhanh không?

Chiến lược thiết kế

Trên thực tế việc lựa chọn các vật liệu cho công trình cần xem xét cân nhắc nhiều yếu tố và không phải lúc nào cũng có thể toàn vẹn được. Các chiến lược lựa chọn vật liệu thay đổi rất nhiều dựa trên các mục tiêu và tình hình thực tế của bạn. Có một chiến lược thường luôn hợp lý là tái sử dụng vật liệu sẵn có, sử dụng vật liệu địa phương và sử dụng vật liệu tái chế hoặc có thể tái chế.

Hệ thốn năng lượng

Hệ thống năng lượng sản xuất, sử dụng, chuyển đổi và lưu trữ năng lượng cho công trình. Ở các tòa nhà có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, các hệ thống này cần phải đạt được hiệu suất lẫn hiệu quả.

Tầm quan trọng

Hệ thống tiện nghi nhiệt và thị giác đều sử dụng năng lượng ở một số hình thức.

Sản xuất và sử dụng năng lượng là nguyên nhân chính của hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên toàn cầu. Sử dụng năng lượng trong các công trình cũng tiêu tốn chi phí lớn nhất trong suốt quá trình sử dụng tòa nhà.

Số liệu

Sử dụng năng lượng hiệu quả có nghĩa là lựa chọn đúng công nghệ và chiến lược thiết kế phù hợp cho hệ thống công trình. Hiệu quả năng lượng có thể được đo bằng số kilôwat giờ mỗi năm trên đơn vị diện tích (cường độ sử dụng năng lượng hoặc EUI).

Hiệu suất năng lượng có nghĩa là sử dụng được hầu hết hệ thống và công nghệ đã lựa chọn. Hiệu suất năng lượng có thể được đo bằng hệ số về hiệu suất của thiết bị.

Chiến lược thiết kế

Thiết kế hệ thống năng lượng nên được nhìn nhận một cách toàn diện. Tùy vào vị trí, nhu cầu và nguồn năng lượng sẵn có, ta có thể chọn lựa nguồn năng lượng tại chỗ từ quang điện, gió, lưới điện hoặc khí thiên nhiên. Nếu không thể lấy được năng lượng sạch từ khu đất thì ta có thể mua bổ sung.

Nói chung, công việc của kiến trúc sư là xác định “nhu cầu” năng lượng (những yêu cầu và hạn chế về hoạt động của công trình được đặt ra trong thiết kế của họ) còn nhiệm vụ của các kỹ sư là xác định làm thế nào để “cung cấp” năng lượng này.

Sử dụng nước

Nước được sử dụng trong công trình cho các mục đích uống, lau chùi và vệ sinh môi trường. Bên ngoài công trình, nước được sử dụng cho cảnh quan. Nước thải và nước bề mặt cần được quản lý hợp lý nhằm tạo lên môi trường bền vững.

Tầm quan trọng

Nước là thành phần cơ bản cho sự sống và sức khỏe của con người; đồng thời nó cũng đóng vai trò quan trọng trong cân bằng hệ sinh thái.

Số liệu

Nước được đo và đánh giá về cả chất lẫn lượng. Tốc độ dòng chảy của thiết bị sử dụng nước như vòi hay khả năng chứa của bề nước là các đại lượng khác nhau nhằm xác định lượng nước.

Chất lượng của nước có thể được đánh giá theo nhiều cách và với những mục đích sử dụng khác nhau thì chất lượng nước cần thiết là khác nhau. Việc nước có uống được hay không không có ảnh hưởng tới mục đích sử dụng của nó. Các chỉ số như pH, đô phân hủy chất hữu cơ có trong nước, hàm lượng chất rắn lơ lửng và độ đục giúp đánh giá chất lượng nước.

Chiến lược thiết kế

Hiệu quả sử dụng nước phụ thuộc vào việc sử dụng đúng loại nước cho đúng mục đích, đồng thời tái sử dụng càng nhiều càng tốt và kết hợp với việc sử dụng các trang thiết bị tiết kiệm.

Nước mưa được thu gom có thể là nguồn nước tốt. Ngoài ra hệ thống đường ống có khả năng phân chia nước uống, nước xám, nước đen giúp tận dụng tới từng giọt nước. Nước cũng có thể được xử lý làm sạch ngay tại công trình thông qua các cỗ máy sống, hệ sinh vật và hệ tự hoại tiên tiến.

Chi phí công trình xanh

Bền vững đòi hỏi phải có một phương pháp tiếp cận hệ thống để tính tới cả vòng đời công trình. Quan trọng là phải tính toán chính xác tác động tài chính của một đề xuất thiết kế. Hơn nữa, hiểu được cách suy nghĩ hệ thống có thể được áp dụng vào chi phí có thể phát triển ý tưởng tốt hơn về cách các chi phí đầu tư có thể được bù đắp bằng phân tích chi phí vòng đời.

Chi phí, đôi khi được chuyển đổi thành nền kinh tế tiền tệ, là phương tiện hỗ trợ thực hiện các dự án xây dựng. Mọi thứ đều có giá trị tài chính, và các dự án chỉ có thể được thực hiện khi có sự đồng ý đầu tư từ các bên liên quan. Thực hiện phân tích hiệu suất của công trình xây dựng là một công cụ quan trọng để lọc ra những quyết định thiết kế có thể mang lại lợi ích kinh tế cao hơn. Hơn nữa, một số chủ sở hữu tòa nhà có ngân sách xây dựng rất hạn chế, ví dụ như các trường tiểu học công cộng, điều này có thể khiến thiết kế tòa nhà phải giữ trong một ngân sách tài chính cứng đã được thiết lập trong giai đoạn tiền thiết kế của dự án.

Định nghĩa về chi phí

Thường thì chi phí được liên hệ với các chi phí tiền tệ. Tuy nhiên, chúng ta có thể liên hệ “chi phí” với rất nhiều chất lượng khác nhau, như chi phí tác động đến môi trường, chi phí sử dụng tài nguyên, chi phí cho sức khỏe con người và chi phí thời gian. Khi phân tích chi phí tác động đến môi trường, quá trình đó được gọi là Phân tích vòng đời, hoặc Đánh giá vòng đời (LCA).

Việc phân tích các chi phí tiền tệ được cô lập gọi là Phân tích chi phí vòng đời (LCCA). Nó phân loại chi phí tiền tệ thành ba loại cơ bản. Đó là chi phí đầu tư hoặc chi phí ban đầu, chi phí vận hành hoặc chi phí liên tục và chi phí trả lại hoặc chi phí dư thừa. Chi phí ban đầu bao gồm chi phí để vận hành một thứ gì đó. Ví dụ, chi phí mua một tấm pin năng lượng mặt trời để sử dụng cho việc làm nóng nước và chi phí lắp đặt nó trên mái tòa nhà. Chi phí vận hành có thể là chi phí để vận hành bình chứa nước mà tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp nhiệt cho, và chi phí trả lại là sản xuất năng lượng giúp giảm chi phí cho việc cung cấp năng lượng.

Mặc dù sản xuất năng lượng tại chỗ là tuyệt vời và giảm chi phí, “toán học” để xác định Lợi nhuận đầu tư (ROI) cho các tính năng thiết kế bền vững như vậy không đơn giản như các chi phí cần thiết để mua và cài đặt một sản phẩm. Các công nghệ tiết kiệm năng lượng và thiết kế giảm nhu cầu năng lượng được coi là các lựa chọn thông minh khi xét đến chi phí đầu tư và chi phí vận hành một mình. Tuy nhiên, để thực sự có cái nhìn tổng thể về một dự án thiết kế giảm nhu cầu năng lượng, cần xem xét một đánh giá vòng đời đầy đủ.

Phân tích chi phí vòng đời đầy đủ

Khi các tòa nhà không hoạt động hiệu quả như chúng có thể, ROI có thể đạt được ngay lập tức, nhưng không bền vững trong dài hạn. Nó có thể diễn ra như sau …

• Một tòa nhà có chi phí “A” để xây dựng và có thể được bán hoặc cho thuê với giá “B”
• Sự khác biệt giữa “B” và “A” là ROI
• Kết quả, rất nhiều ROI dựa trên các dự báo bất động sản, có thể thay đổi một cách đáng kể.

Trong kịch bản này, “A”, chi phí đầu tư, cũng chiếm nửa phương trình, nhấn mạnh tầm quan trọng của chi phí ban đầu. Vì lý do này, chi phí để xây dựng một tòa nhà truyền thống đã trở thành yếu tố quyết định chính trong việc xây dựng một thiết kế cụ thể hay không. Vì lý do này, các tòa nhà bền vững có thể đắt hơn để xây dựng, nhưng ROI mới là chìa khóa.

Lịch sử cho thấy rằng chỉ giá trị ban đầu và giá bán của một tòa nhà được xem xét trong LCCA. Tuy nhiên, để xem xét các lợi ích của thiết kế bền vững, khả năng thiết kế trả lại năng lượng phải được tính đến trong phép tính. Ngoài ra, vì khả năng của các công nghệ để tạo ra năng lượng dựa trên điều kiện môi trường và thiết bị, ROI cũng dễ dàng dự đoán hơn. Ví dụ, ánh nắng mặt trời sẽ không bị ảnh hưởng bởi thị trường bất động sản. Tất cả điều này đòi hỏi một cách mới để xem xét chi phí tài chính của một tòa nhà. Bởi vì có khả năng nhận được lợi tức tài chính tại một thời điểm xa hơn so với xây dựng ban đầu của một tòa nhà, “A”, LCCA phải xem xét “C”, một biến số tính toán cho lợi tức định kỳ. Trong quá khứ, chỉ giá trị đầu tư ban đầu và giá bán được xem xét trong việc tính toán về Chi phí Toàn vòng đời của một tòa nhà. Tuy nhiên, để tính toán các lợi ích của thiết kế bền vững, khả năng của thiết kế phải trả lại năng lượng phải được tính đến trong phép tính. Ngoài ra, vì khả năng các công nghệ tạo năng lượng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và thiết bị, ROI cũng dễ dàng dự đoán hơn. Chẳng hạn, ánh sáng mặt trời sẽ không bị ảnh hưởng bởi thị trường bất động sản. Tất cả điều này đòi hỏi một cách mới để xem xét chi phí tài chính của một tòa nhà. Bởi vì có khả năng nhận được lợi nhuận tài chính trong một khoảng thời gian xa hơn so với xây dựng ban đầu của một tòa nhà, “A”, LCCA phải xem xét “C”, một biến số tính toán cho lợi nhuận tái diễn.

Các quyết định thiết kế phải cân nhắc giá trị đầu tư ban đầu so với khoảng thời gian trả lại khi đề xuất các khái niệm cho chủ sở hữu tòa nhà. Dưới đây là một LCCA đã được thực hiện cho một mái kính tấm pin mặt trời đề xuất trong một cuộc thi thiết kế sinh viên ASHRAE.

Phân tích chi phí cả vòng đời bắt đầu với chi phí đầu tư, sau đó lập biểu đồ số tiền tiết kiệm được hàng năm từ sản xuất năng lượng.

Đây là một biểu đồ Phân tích chi phí cả vòng đời khác sử dụng kính truyền thống không tạo ra bất kỳ năng lượng nào.

Nếu bảo trì được tính đến trong phân tích này, chi phí thực sự sẽ là lợi nhuận ròng mỗi năm.

Như có thể thấy, đầu tư kính PV hòa vốn vào khoảng năm mười tám. Trong năm tiếp theo kính bắt đầu có lãi hoàn toàn. Mười tám năm có phải là thời gian quá dài để hoàn vốn đầu tư hay không là do chủ sở hữu tòa nhà quyết định. Nhưng ít nhất nhà thiết kế đã liên hệ thiết kế được đề xuất với các khuyến khích tài chính và có nhận thức về cách kinh tế học phù hợp với các mục tiêu bền vững là giảm tiêu thụ năng lượng.

Nếu chủ sở hữu tòa nhà chỉ được trình bày với chi phí ban đầu khoảng 350.000 USD, họ có thể không quan tâm đến khái niệm kính PV này. Điều này có thể khiến chủ sở hữu có khả năng lựa chọn loại kính truyền thống có thể giảm tới 35% chi phí đầu tư, nhưng không có khả năng thực sự để tự chi trả. Thiết kế bền vững không chỉ tốt cho hành tinh mà còn có tính hợp lý về mặt kinh tế.

Tận dụng chi phí trong BPA

Phân tích hiệu suất tòa nhà giúp LCCA dễ tiếp cận hơn với quy trình thiết kế. Thông qua sự kết hợp của các phương pháp BPA và công nghệ BIM, dữ liệu luôn có sẵn để phân tích. Dữ liệu này tại bất kỳ thời điểm nào cũng có thể được chạy qua LCCA để so sánh đầu tư, hoạt động và lợi nhuận.

Thời gian cũng là một chi phí có thể được kiếm tiền bằng các kỹ thuật BPA. Nhiều phương pháp BPA được nhắm mục tiêu hướng tới sự hài lòng của người sử dụng. Khi mọi người cảm thấy thoải mái trong môi trường làm việc của họ, họ có xu hướng làm việc hiệu quả hơn. Ai đó càng đạt được nhiều thành tựu trong một khoảng thời gian nhất định thì họ càng trở nên có giá trị về mặt tài chính. Ngoài ra, khi các tòa nhà được thiết kế xanh, ít người gặp phải tình trạng gọi là hội chứng tòa nhà ốm yếu, dẫn đến những ngày làm việc hoàn toàn không hiệu quả. Điều quan trọng là phải xem xét tất cả các phương pháp hoàn vốn tài chính khi trình bày các thiết kế được tạo ra bằng cách sử dụng các phương pháp BPA.

Các giai đoạn trong thiết kế công trình xanh

Quá trình xây dựng đã được đúc rút qua hàng ngàn năm. Mặc dù quy trình mỗi dự án là khác nhau không đáng kể, các dự án thường được phát triển qua một số giai đoạn chính sau đây. Quan trọng là ta phải biết đúng loại và mức độ thông tin cần thiết cho từng giai đoạn để có thể đạt được giá trị cao nhất.

Các giai đoạn thiết kế

Các quá trình được nêu ra ở đây rất gần với cung cấp dự án tích hợp integrated project delivery (IPD), với sự hợp tác chặt chẽ hơn và chia sẻ mục tiêu giữa các bên liên quan và các nguyên tắc thiết kế. Tuy nhiên, nhiều dự án vẫn còn sử dụng quy trình thiết kế-thầu-xây dựng.

Các giai đoạn thiết kế xây dựng điển hình

Mức độ chi tiết (LOD)

Để quản lý quy trình làm việc trong quy trình làm việc BIM một cách hiệu quả, ngành công nghiệp đã áp dụng một ngôn ngữ chính thức để mô tả độ hoàn thành của một mô hình kỹ thuật số tại một thời điểm nhất định. Ngôn ngữ này là “Mức độ phát triển” (LOD). LOD, trong thế giới BIM, dao động từ 100 (cơ bản / khái niệm) đến 500 (cực kỳ chi tiết / chính xác). Không có gì lạ khi các mức độ phát triển được mô tả trong tài liệu hợp đồng theo mô tả của Hiệp hội Kiến trúc sư Mỹ về Giao thức Mô hình Thông tin Xây dựng.

Các giai đoạn LOD có thể được tóm tắt như sau:

• LOD 100: Các yếu tố mô hình ở mức độ khái niệm. Thông tin có thể được truyền đạt với các hình dạng khối, các câu chuyện viết và biểu tượng 2D.
• LOD 200: Các yếu tố mô hình có các mối quan hệ xấp xỉ với số lượng, kích thước, vị trí và định hướng. Một số thông tin vẫn có thể được truyền đạt bằng các câu chuyện viết.
• LOD 300: Các yếu tố mô hình được giải thích theo các hệ thống cụ thể, số lượng, kích thước, hình dạng, vị trí và định hướng.
• LOD 400: Tiếp tục LOD 300 với đủ thông tin được thêm vào để tạo điều kiện cho gia công, lắp ráp và lắp đặt.
• LOD 500: Các yếu tố mô hình đại diện cho các điều kiện đã được lắp đặt và có thể được sử dụng cho quản lý cơ sở vật chất liên tục.

Cần nhắc lại rằng mối quan hệ giữa LOD và các giai đoạn thiết kế có thể được xác định một cách lỏng lẻo. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng mối quan hệ này không phải là chứng minh. Ví dụ, một dự án như một tổng thể có thể đang ở giai đoạn phát triển thiết kế, nhưng trong mô hình kỹ thuật số, hệ thống vỏ bao của tòa nhà có thể được chi tiết hoàn toàn với các vật liệu và độ dày chính xác. Hơn nữa, hệ thống ống nước có thể được đại diện bằng các đường một chiều, không phải hình học được mô hình hoá.

LOD và phân tích hiệu năng xây dựng

Phân tích hiệu năng xây dựng (BPA) liên quan đến LOD ở hai mặt. Đầu tiên, điều ngăn cản các yếu tố được mô hình hóa từ tiến bộ đến bước LOD tiếp theo là sự thiếu thông tin. Các câu trả lời cho các câu hỏi riêng lẻ chưa được tìm thấy. BPA có thể là một cơ chế để tìm câu trả lời cho những câu hỏi này và thông tin quyết định cho quá trình thiết kế.

Thứ hai, các phương pháp số hóa của BPA phụ thuộc vào số lượng thông tin được mô hình hóa số. Do đó, hiểu được LOD của một mô hình là gì, và điều đó có nghĩa gì đối với dữ liệu có sẵn, sẽ giúp các phương pháp phân tích được liên kết với thông tin kỹ thuật số sẵn có. Ví dụ, một mô hình ở LOD 100 sẽ không cho phép thực hiện mô hình năng lượng cần thiết để đạt chứng nhận LEED, nhưng mô hình năng lượng với LOD 100 có thể xác định được làm thế nào tiêu thụ năng lượng của tòa nhà có thể bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời. Vì những lý do này, LOD của một mô hình và các phương pháp BPA chia sẻ một vòng lặp phản hồi mà đôi khi không có tính tuyến tính như các bước phát triển các mức độ chi tiết trong mô hình BIM. Điều này có thể được giải thích tốt nhất với đồ họa sau đây.

Sơ đồ môi quan hệ giữa Mức độ chi tiết (LOD) và Phân tích hiệu năng xây dựng

Giai đoạn tiền thiết kế

Các mục tiêu

Trong giai đoạn này, ta cần nghiên cứu khí hậu địa phương, tìm hiểu các không gian sẽ được sử dụng như thế nào, sắp xếp các mục tiêu với chủ sở hữu và nhóm dự án, tra cứu các tiêu chuẩn và luật thích hợp, xem xét các dự án đã có trước đó để tạo nguồn cảm hứng và nghiên cứu các điều kiện hiện hữu trên khu đất xây dựng

Nhận thức

Cần bắt đầu hiểu được tiềm năng và những hạn chế của chiến lược thiết kế thụ động nhằm đáp ứng tiêu chí về tiện nghi nhiệt và thị giác. Thêm vào đó cần nắm bắt rõ những cơ hội dành cho năng lượng tái tạo và sẽ khám phá vai trò của việc lựa chọn vật liệu.

Chuẩn bị cho các giai đoạn tiếp theo

Việc thiết lập mục các tiêu cho sự bền vững chẳng hạn như đạt được cân bằng về năng lượng hoặc chứng nhận công trình xây dựng thông qua một chương trình chứng chỉ xanh cũng rất quan trọng. Phát triển và xem xét lại các mục tiêu định lượng và định tính qua tất cả các giai đoạn. Điều đó sẽ giúp quản lý được những nỗ lực của nhóm và hợp chuẩn thiết kế của mình.

Giai đoạn thiết kế ý tưởng

Những thiết kế đầu tiên sẽ khám phá ra những giải pháp thay thế cho thiết kế hệ thống và công trình.

Ở giai đoạn này khi hình khối tòa nhà vẫn còn đang phát triển, việc tận dụng ánh nắng mặt trời và gió có sẵn trên khu đất xây dựng nhằm đạt được chiến lược thiết kế thụ động là rất quan trọng.

Các mục tiêu

Trong giai đoạn này cần phải kiểm tra và so sánh các thiết kế ý tưởng bằng cách thay đổi lặp đi lặp lại các thông số thiết kế. Mô hình hóa năng lượng sử dụng ban đầu có thể giúp xác định hướng công trình, khối lượng xây dựng, sơ đồ chương trình, kích thước cửa sổ, và bóng đổ trên mặt tiền.

Tinh chỉnh mặc định mô hình năng lượng như các thiết lập và thiết bị vận hành cùng với những đặc điểm của công trình khác có thể giúp ta thấy được những tác động đối với việc sử dụng năng lượng, chi phí, tiện nghi và các yếu tố khác trong công trình.

Ánh sáng tự nhiên, độ chói, thông gió tự nhiên, che chắn, độ khuyếch đại mặt trời, phân bố tải trọng nội bộ và vật liệu bao bọc là những yếu tố cần tập trung chính để đạt được hiệu quả năng lượng trong giai đoạn này.

Nhận thức

Sau những lần lặp đi lặp lại này, ta sẽ hiểu được thông số nào sẽ phù hợp với thiết kế của mình để tinh chỉnh và ta sẽ bắt đầu chỉnh sửa lại hình thức tổng thể, vật liệu và bố trí công năng của tòa nhà.

Rất khó để phỏng đoán được nội dung dự án và các yêu cầu kiến ​​trúc sẽ đáp ứng như thế nào. Ta sẽ kiểm tra hình thức tổng thể và ý tưởng bố trí nội thất để xác định các thông số thiết kế hiệu quả.

Hợp tác

Để tạo ra thiết kế mang lại hiệu quả về năng lượng, khả thi và mang lại lợi nhuận, tốt nhất là các kiến trúc sư, kỹ sư, chủ đầu tư, và nhóm thi công phải làm việc cùng nhau trong giai đoạn đầu này.

Chuẩn bị cho các giai đoạn tiếp theo

Vào cuối giai đoạn này, khi các quyết định về thiết kế bắt đầu khó khăn hơn để thay đổi, sự hợp tác tốt có thể đảm bảo ta đang theo định hướng tổng thể hứa hẹn nhất.

Giai đoạn phát triển thiết kế

Một khi ta đã căn theo hướng thiết kế tổng thể, ta có thể tinh chỉnh thiết kế của toàn bộ công trình bằng cách tập trung nhiều hơn vào các chi tiết của vật liệu, không gian, hệ thống công trình và hệ thống cơ khí.

Mục tiêu

Trong giai đoạn này, ta sẽ bắt đầu giải quyết các vấn đề và nghiên cứu các chi tiết của ý tưởng thiết kế thay thế được lựa chọn trong giai đoạn thiết kế ý tưởng. Ta sẽ thiết kế các yếu tố như chi tiết của mặt tiền, cách bố trí không gian nội thất, ánh sáng và sử dụng thông tin này để đưa ra phân tích năng lượng toàn bộ tòa nhà chi tiết hơn.

Nhận thức

Ta sẽ tạo ra các chi tiết thiết kế bị động, tối ưu hóa không gian để tận dụng lợi thế của thông gió tự nhiên và ánh sáng ban ngày. Bằng cách định lượng tiện nghi nhiệt và trực quan, ta cũng sẽ hiểu hơn về các hệ thống chủ động cần phải bổ sung cho các hệ thống thụ động. Tạo ra những thiết kế đơn giản cho các hệ thống bị động sẽ đảm bảo những hệ thống này hoạt động cùng với những hệ thống bị động.

Hợp tác

Kiến trúc sư và kỹ sư sẽ tập trung nhiều hơn vào phần việc của họ trong giai đoạn này – tuy nhiên vẫn như mọi khi, sự trao đổi thông tin giữa hai bên tốt rất là quan trọng để tạo ra các giải pháp hiệu quả về năng lượng (EEM). Sự trao đổi thông tin và sự hợp tác được hỗ trợ bởi các công nghệ như BIM và mô hình hóa năng lượng tích hợp. Tất cả số liệu sẽ được đưa vào thiết kế chính.

Chuẩn bị cho giai đoạn tiếp theo

Vào cuối giai đoạn này, nhóm nghiên cứu sẽ đưa ra một đề xuất thiết kế có thể với nhiều phương án công trình và chi tiết hệ thống khác nhau để chủ đầu tư lựa chọn trước khi chuyển sang bước thiết kế chi tiết.

Giai đoạn thiết kế chi tiết và tài liệu

Khi đã đưa ra được thiết kế cuối cùng, nhóm nghiên cứu sẽ đưa ra thiết kế rõ ràng đầy đủ và mô hình thông tin của công trình để chuẩn bị cho thi công.

Các hoạt động

Trong giai đoạn này, nhóm nghiên cứu sẽ làm việc ngay trên công trường và sẽ định rõ các loại vật liệu cụ thể và các sản phẩm xây dựng hay kỹ thuật thi công đáp ứng các yêu cầu mô hình năng lượng. Các kỹ sư MEP có thể thiết kế và định rõ chi tiết những hoạt động của hệ thống HVAC và chiếu sáng.

Nhận thức

Ta phải đảm bảo rằng thiết kế đã rõ ràng đầy đủ để xây dựng được (tức là đã bàn giao cho nhà thầu) và các hệ thống được tích hợp đúng cách để cho hiệu suất tối đa.

Hợp tác

Kiến trúc sư và kỹ sư sẽ tập trung vào công việc của họ nhưng nhóm nghiên cứu có thể sử dụng BIM (Building information modeling) và mô hình hóa năng lượng tích hợp có thể đảm bảo sự thống nhất thiết kế chặt chẽ.

Chuẩn bị cho giai đoạn tiếp theo

Phiên bản cuối cùng của mô phỏng và phân tích năng lượng sẽ là tài liệu chứng minh cho mục tiêu hiệu suất năng lượng và cung cấp tiêu chuẩn cho tính hợp lệ trong giai đoạn thi công. Với thông tin này, ta cũng sẽ sẵn sàng để hoàn thành rất nhiều các tài liệu cần thiết cho các hệ chứng nhận xây dựng xanh như LEED.

Giai đoạn thi công

Với các bản vẽ được thực hiện đầy đủ bởi các kỹ sư và kiến trúc sư, lúc này ta sẽ đảm bảo rằng nhóm thi công có thể triển khai dự án theo thiết kế và kỹ thuật thi công một cách hiệu quả.

Hoạt động

Nhóm sẽ thiết kế chi tiết đầy đủ các bản vẽ của tất cả các phần thi công, kết nối và các hệ thống để công trình có thể được xây dựng. Nhóm cũng có thể sử dụng các công cụ kỹ thuật số để sắp xếp, phối hợp và hình dung quá trình xây dựng.

Nhận thức

Ta sẽ bảo đảm công trình được xây dựng hiệu quả và đúng kĩ thuật thi công.

Hợp tác

Ở giai đoạn này nhà thầu xây dựng sẽ điều hành. Phần còn lại của đội ngũ thiết kế sẽ làm việc với họ để đảm bảo tòa nhà được xây dựng theo thiết kế. Vật liệu xây dựng thường được mua trong giai đoạn này. Thường thì thông số kỹ thuật cho phép để thay thế phải là giống hoặc tốt hơn. Một mô hình chi tiết BIM và mô hình năng lượng phối hợp sẽ giúp đảm bảo bất kỳ thay thế nào cũng sẽ thực sự đáp ứng theo yêu cầu thi công.

Chuẩn bị cho giai đoạn tiếp theo

Nhóm có thể thay đổi những thiết kế chi tiết cuối cùng trong quá trình thi công dự án để tạo ra một mô hình năng lượng và mô hình BIM cuối cùng “như đã xây dựng” để sử dụng trong giai đoạn vận hành và bảo dưỡng.

Giai đoạn vận hành và bảo dưỡng

Một khi công trình đã được xây dựng (hoặc việc trang bị bổ sung đã hoàn thành), ta sẽ chuẩn bị cho việc sử dụng bằng việc đưa công trình mới vào vận hành. Đưa ra các hướng dẫn giúp bảo dưỡng công trình theo thời gian cũng rất quan trọng để đáp ứng các nhu cầu của người sử dụng.

Mục tiêu

Trước hết, ta sẽ kiểm tra hoặc vận hành công trình để đảm bảo rằng tất cả các hệ thống đang hoạt động đúng và các thiết lập khớp với ý tưởng thể hiện trong thiết kế và mô hình năng lượng. Một khi công trình được đưa vào vận hành, ta sẽ phải tiếp tục theo dõi việc sử dụng năng lượng và các tiện nghi nhiệt để khẳng định rằng công trình đang hoạt động tốt, liên tục cải tiến hoạt động (vận hành liên tục) và sớm phát hiện các lỗi và hư hỏng về thiết bị hoặc hệ thống điều khiển. Ngoài ra, vì những thay đổi thường hay xảy ra trong quá trình thi công nên ta sẽ sửa đổi mô hình BIM và các chi tiết của mô hình năng lượng theo thiết kế cuối cùng. Với những mô hình và bản vẽ của các tòa nhà như được xây dựng, cùng với các cảm biến và cơ chế phản hồi, có thể giúp các nhà quản lý các hạng mục của công trình trong việc bảo dưỡng công trình và giữ cho nó hoạt động hiệu quả.

Nhận thức

Vận hành công trình và hợp chuẩn hiệu suất của tòa nhà hầu như luôn luôn dựa trên thiết kế, thi công hoặc thiết lập điều khiển các thiếu sót cần được sửa chữa. Giám sát và bảo trì liên tục rất là quan trọng để đảm bảo tòa nhà vẫn tiếp tục hoạt động tốt.

Hợp tác

Ở giai đoạn này, tòa nhà được chuyển giao cho chủ đầu tư và nhóm quản lý các hạng mục công trình. Tuy nhiên, với một mô hình BIM được duy trì, công việc của đội ngũ kiến trúc sư và thiết kế có thể tiếp tục nhằm theo dõi hoạt động của công trình và sửa đổi lại.

Chuẩn bị cho giai đoạn tiếp theo

Chế độ bảo dưỡng và điều chỉnh hiệu suất tốt có thể dự đoán nhu cầu sửa chữa đang diễn ra và ngăn chặn việc đổi mới hoặc sửa chữa lớn. Khi cần tu sửa hay bổ sung, có được mô hình thông tin xây dựng tốt và hồ sơ ghi chép chính xác sẽ làm cho quá trình này hiệu quả hơn.

Các công trình xây mới và công trình hiện có

Cải tạo công trình xây dựng đóng vai trò vô cùng quan trọng. Các công trình mới chỉ thay thế hay bổ sung thêm một tỷ lệ rất nhỏ vào số lượng công trình hiện có mỗi năm. Thông thường cải tạo công trình hiện có cần tới chi phí thấp hơn nhiều so với chi phí phá dỡ và thay thế.

Theo Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu/ Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) cho biết: “Đến năm 2030, trong lĩnh vực công trình xây dựng, tỷ lệ giảm phát thải khí cacbon phần lớn là nhờ vào hoạt động cải tạo các công trình hiện có và thay thế các trang thiết bị tiêu thụ năng lượng”. Các công trình thương mại có thể tiết kiệm tới 50% – 70% năng lượng khi áp dụng các biện pháp tiết kiệm hiệu quả năng lượng.

Quy trình thiết kế bền vững được mô tả trên trang này có thể được áp dụng cho cả công trình xây dựng mới và cải tạo hoặc nâng cấp công trình có sẵn.

Một trong những khác biệt lớn giữa hai trường hợp này là trong giai đoạn thiết kế sơ bộ của cải tạo và nâng cấp công trình, kết cấu công trình hiện có cần phải được nghiên cứu một cách chi tiết và toàn bộ các vấn đề hạn chế trong thiết kế cần được đưa ra một cách tổng thể. Các chiến lược thiết kế cho cả 2 trường hợp này đều giống nhau, tuy nhiên người thiết kế sẽ không có nhiều lựa chọn trong việc thay đổi lại hình dáng các công trình hiện có.

Trong quá trình làm việc với một công trình hiện có, cần phải có được sự hiểu biết về vấn đề sử dụng năng lượng của công trình và đặc điểm năng lượng sử dụng hiệu suất nhiệt, trang thiết bị hiện có, quy trình giám sát, tình hình cư trú, chiếu sáng và các hệ thống khác của công trình. Thường thì sẽ rất khó để có được các thông tin chi tiết về kết cấu và các vấn đề khác mà chúng ta không thể quan sát được. Do vậy, các công cụ như cảm biến, thiết bị đo phụ trợ và camera hồng ngoại là rất hữu dụng.

Việc dựng được một mô hình công trình như thực tế thi công đóng vai trò vô cùng quan trọng, song cũng rất khó. Các công cụ thu hình ảnh thực tế như camera thông minh (GPS, thiết bị đo gia tốc, và cao độ) và máy quét laze có thể giúp ích trong việc có được hình ảnh kiểu dáng của công trình.

Tiện nghi của người sử dụng

Công trình cần được thiết kế để giúp cho người ở có được cảm giác thoải mái, sức khỏe, hiệu suất và an toàn khi thực hiện các sinh hoạt khác nhau trong công trình.

Thiết kế công trình xanh cần nghiên cứu để tạo ra các công trình giúp cho con người được thoải mái trong khi giảm thiểu các tác động tiêu cực đối với môi trường.

Tiện nghi nhiệt

Duy trì tiện nghi nhiệt của một người có nghĩa là đảm bảo cho họ không cảm thấy quá nóng hay quá lạnh. Tức là giữ cho nhiệt độ, độ ẩm, luồng khí và các nguồn nhiệt trong phạm vi cho phép.

Tầm quan trọng

Việc tạo ra các điều kiện tiện nghi là một trong những vấn đề quan trọng nhất của việc sử dụng năng lượng bên trong công trình và nó cũng vô cùng quan trọng đối với sự thõa mãn và năng suất của người sử dụng. Thông thường, các yếu tố như luồng khí và nhiệt bức xạ bị không được quan tâm đúng mức trong quá trình thiết kế, dẫn tới việc sử dụng quá nhiều năng lượng và còn tạo sự không thoải mái cho người sử dụng.

Đo lường

Để giữ cho con người thấy thoải mái, nhiệt độ, độ ẩm, nhiệt bức xạ và tốc độ gió phải được cung cấp một cách phù hợp. Tùy thuộc vào hình thức hoạt động diễn ra, mức độ hoạt động của con người ở đó và quần áo mà họ mặc mà có mức độ phù hợp riêng. Mỗi người có tiêu chí tiện nghi khác nhau nên sự tiện nghi thường được đo bằng tỷ lệ phần trăm người sử dụng thông báo là họ thỏa mãn với các điều kiện của công trình.

Chiến lược thiết kế

Một số phương pháp để giúp cho con người cảm thấy tiện nghi là sử dụng ánh nắng mặt trời cho sưởi ấm, sử dụng gió hay quạt trần để lưu thông khí khi quá nóng và giữ cho các bề mặt xung quanh có nhiệt độ phù hợp nhờ cách nhiệt tốt. Các thiết bị thông gió – sưởi-điều hòa thông gió – HVAC như lò hơi, quạt và bộ trao đổi nhiệt có thể điều hòa được nhiệt độ không khí và độ ẩm nhưng nhiệt độ bề mặt và các dòng khí dịch chuyển cũng cần phải được lưu tâm.

Tiện nghi chiếu sáng

Duy trì tiện nghi thị giác nghĩa là đảm bảo con người có đủ ánh sáng cho các hoạt động của họ, ánh sáng phải đủ chất lượng, cân bằng và đem lại tầm nhìn tốt.

Tầm quan trọng

Chiếu sáng tốt giúp tạo ra môi trường thư giãn và năng suất cao. Ánh sáng tự nhiên có tác dụng tốt hơn so với ánh sáng nhân tạo trong việc đạt được hiệu quả tiện nghi thị giác. Tầm nhìn tốt cũng mang lại cho con người cảm giác tiện nghi và thoải mái.

Đo lường

Chiếu sáng hiệu quả khi được phân tán đều, không quá mờ hay quá chói và sử dụng năng lượng ở mức tối thiểu. Ánh sáng thường được đo bằng lượng ánh sáng rọi trên bề mặt (độ rọi) hoặc lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt (độ chói).

Đây là các biện pháp mang tính khách quan, nhưng cảm nhận của con người về tiện nghi ánh sáng lại mang tính chủ quan (vd: họ cảm thấy thoải mái không? Họ có bị chói không?). Tiện nghi thị giác tốt thông thường đồng nghĩa với việc có càng nhiều ánh sáng tự nhiên càng tốt. Con người gắn liền với ánh sáng mặt trời và đồng thời ánh sáng này còn giúp tiết kiệm năng lượng.

Chiến lược thiết kế

Chiến lược thiết kế chiếu sáng tự nhiên như cửa sổ, hay cửa trời, tấm hắt sáng, và các mái kính được bố trí phù hợp có thể giúp phân tán ánh sáng mặt trời vào trong không gian bên trong. Khi chúng ta thực sự cần ánh sáng nhân tạo, chúng ta có thể giảm năng lượng tiêu thụ bằng cách sử dụng đèn huỳnh quang hiệu suất cao hoặc đèn LED; sử dụng bộ điều khiển chiếu sáng theo ánh sáng ban ngày; các thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao và thiết kế chiếu sáng phù hợp.

Bộ điều khiển chiếu sáng tốt có thể tự động cân bằng chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo. Đa số đèn chiếu sáng cần nên có cảm biến chuyển động.

Chất lượng không khí

Ngoài việc không khí phải có nhiệt độ và độ ẩm phù hợp để đạt tiện nghi nhiệt, việc có được không khí sạch, trong lành và lưu thông một cách có hiệu quả trong không gian cũng vô cùng quan trọng.

Tầm quan trọng

Nếu không khí không được trong lành hoặc bị ô nhiễm, nó sẽ làm cho chúng ta cảm thấy khó chịu, năng suất làm việc thấp, không thoải mái và mệt mỏi.

Không khí trong lành giúp chúng ta tỉnh táo hơn, sáng tạo hơn, khỏe mạnh và vui vẻ hơn.

Đo lường

Không khí trong lành đòi hỏi phải có một lượng khí nhất định được lưu thông từ bên ngoài vào trong không gian. Cấp độ nhiễm bẩn và tác nhân gây bệnh phải dưới ngưỡng nhất định.

Chiến lược thiết kế

Không khí có thể được giữ trong lành với tỷ lệ thông gió cao nhờ thông gió tự nhiên bằng cửa sổ lùa hoặc các hệ thống chủ động như quạt và các đường ống điều hòa thông gió – HVAC.

Không khí sạch có thể thu được nhờ lọc không khí, làm sạch phòng bằng không khí sạch bên ngoài, và tránh làm ô nhiễm không khí do các tạp chất sinh trong công trình như hợp chất hữu cơ bay hơi từ sơn hay các vật liệu khác.

Tiện nghi âm thanh

Tiện nghi về âm thanh có nghĩa là mức độ và chất lượng tập âm thích hợp để sử dụng không gian đúng mục đích.

Tầm quan trọng

Con người sẽ thấy năng suất làm việc cao hơn và thoải mái hơn khi họ không bị làm phiền bởi các tiếng ồn/ tạp âm từ bên ngoài hay từ môi trường hoặc người khác xung quanh.

Sự tiện nghi về âm thanh có vai trò vô cùng quan trọng tại các tòa nhà văn phòng và trường học.

Đo lường

Con người tiếp nhận âm thanh và độ ồn như thể nào là một yếu tố mang tính chủ quan.

Tuy nhiên, chúng ta có thể tạo một môi trường tiện nghi về âm thânh bằng cách kiểm soát các biện pháp mang tích khách quan như độ to của âm, thời gian vang âm, độ phản âm và độ tiêu âm của vật liệu.

Chiến lược thiết kế

Việc tạo ra các lớp ngăn và cách âm giữa các nguồn âm là vô cùng quan trọng.

Chúng ta có thể tối ưu hóa kiểu dáng và kích thước của phòng để giảm tiếng vang và thời gian vang âm. Và chúng ta có thể sử dụng gạch cách âm cho tường và trần để giảm âm.

Phân tích khí hậu và địa điểm xây dựng

Phân tích khí hậu

Các yếu tố cần xem xét khi phân tích khu đất bao gồm các yêu tố khí hậu (ánh sáng mặt trời và điệu kiện của mây, hướng gió và cường độ gió, nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa trong năm), điều kiện môi trường xung quanh tòa nhà (che bóng các tòa nhà lân cận, cây cối, v.v.) và vị trí khu đất xem xét liên kết giao thông với khu vực xung quanh trong bối cảnh của một thành phố hoặc một tỉnh (dễ đi bộ, tiếp cận giao thông công cộng và các phương tiện khác cho người sử dụng tòa nhà).

Khí hậu là yếu tố môi trường quan trọng nhất và là yếu tố đầu tiên mà các kiến trúc sư và kỹ sư nên xem xét khi thiết kế một tòa nhà. Để đạt được một tòa nhà tiêu thụ năng lượng net-zero, thiết kế phải xem xét đến khí hậu cụ thể của địa điểm tòa nhà.

Khí hậu có thể quyết định những chiến lược thiết kế không sử dụng năng lượng nào phù hợp và hiệu quả nhất cho địa điểm tòa nhà. Ví dụ, những chiến lược hoàn hảo cho một vị trí khô ráo nóng có thể gây ngược lại hiệu quả tại một khí hậu lạnh ẩm.

Các khu vực khí hậu khác nhau trên thế giới

Khí hậu của một địa điểm được quyết định bởi vĩ độ, độ cao và địa hình. Một địa điểm nằm ở 60°N trên đỉnh núi sẽ yêu cầu các chiến lược thiết kế rất khác biệt so với một địa điểm ở 7°S ở mực nước biển. Khí hậu ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của thiết kế tòa nhà, chẳng hạn như nhiệt độ trong nhà nên là bao nhiêu, những yếu tố nào xác định sự thoải mái nhiệt độ của con người và dự đoán tải năng lượng cho tòa nhà.

Một quan niệm sai lầm phổ biến là khí hậu và thời tiết là hai thuật ngữ thay thế nhau để mô tả cùng một điều. Điều này không đúng. Khí hậu chỉ đến điều kiện khí quyển trung bình trong một khoảng thời gian dài, trong khi thời tiết chỉ đến nhiệt độ hàng ngày và điều kiện khí quyển. Ví dụ, thay đổi khí hậu đề cập đến sự thay đổi mô hình thời tiết hàng ngày trong một khoảng thời gian dài.

Phân loại khí hậu

Các nhà thiết kế có thể chọn các chiến lược thiết kế không tiêu tốn năng lượng phù hợp với kiểu khí hậu của khu vực xây dựng. Các phân loại khí hậu cụ thể khác nhau; tuy nhiên, chúng đều hữu ích để xác định các chiến lược thiết kế phù hợp. Ví dụ, hệ thống phân loại khí hậu Köppen-Geiger được sử dụng trên toàn thế giới; tuy nhiên, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ có hướng dẫn về các khu vực khí hậu của Hoa Kỳ, và tiểu bang California có hướng dẫn cụ thể riêng về các khu vực khí hậu của California.

Các hệ thống phân loại khí hậu hữu ích để xác định các chiến lược thiết kế không tiêu tốn năng lượng tổng thể để triển khai; tuy nhiên, chúng thường không xem xét các vùng khí hậu nhỏ. Các vùng khí hậu nhỏ được gọi là vi khí hậu có đặc điểm khí hậu khác biệt so với vùng khí hậu tổng thể mà chúng thuộc về. Chúng được gây ra bởi các địa hình khác nhau, các vùng nước, thực vật và môi trường xung quanh khu vực xây dựng. Ví dụ, San Francisco nổi tiếng với các vi khí hậu của nó. Nơi đó có thể rất nắng và ấm áp ở một số khu phố, trong khi chỉ cách đó chưa đầy một dặm lại có sương mù và lạnh. Điều này được gây ra bởi địa hình đồi núi nổi tiếng của thành phố này, cùng với các yếu tố khác.

Nhiệt độ

Nhiệt độ biến thiên liên tục trong ngày và quanh năm và là thước đo rõ ràng nhất để xem xét thiết kế sưởi ấm và làm mát thụ động cho công trình.

Hai khái niệm cơ bản của nhiệt độ là nhiệt độ khô và nhiệt độ ướt. Từ những đại lượng này chúng ra có thể hiểu về cả nhiệt độ và độ ẩm không khí.

 

Dữ liệu biến thiên nhiệt độ được cung cấp dưới dạng trung bình hàng tháng và trung bình hàng ngày.

Nhiệt độ khô

Nhiệt độ khô đơn giản là nhiệt độ không khí, không xét đến độ ẩm. Nó được đo theo độ Celcius, độ Fahrenheit, hoặc Kelvin và có thể được đo bằng nhiệt kế tiếp xúc với không khí. Nó thường được gọi là nhiệt độ không khí và được thông báo trong các bản tin dự báo thời tiết thường ngày.

Nhiệt độ ướt

Nhiệt độ ướt là nhiệt độ không khí có tính đến tiềm năng làm mát của sự bay hơi. Nó được đo bằng cách cho nhiệt kế được làm ẩm tiếp xúc với luồng không khí (bọc bầu nhiệt kế trong vải ướt và lắc nó trong không khí).

Sự bay hơi của hơi ẩm phụ thuộc vào độ ẩm của không khí (tương tự việc chờ tóc ướt khô lâu như thế nào trong một ngày ẩm ướt). Giống như nhiệt độ khô, nhiệt độ ướt có thể được đo theo độ Celcius, độ Farenheit, hoặc Kelvin.

Ở độ ẩm 100%, không khí hoàn toàn bão hòa và nhiệt độ khô sẽ bằng nhiệt độ ướt. Trong tất cả các trường hợp khác, nhiệt độ ướt luôn luôn thấp hơn nhiệt độ khô do làm mát bay hơi. Sự chênh lệch giữa nhiệt độ khô và ướt càng lớn, không khí càng khô và độ ẩm tương đối càng thấp.

Ngày mức độ

Để có được một khái niệm về yêu cầu sưởi ấm và làm mát cho khu đất được xây dựng, một phạm vi nhiệt độ tiện nghi cần được đặt ra. Phạm vi này, thường đươc gọi là vùng tiện nghi, sau đó có thể so sánh với nhiệt độ thực tế theo thời gian của khu đất xây dựng. Khi nhiệt độ khu đất nằm ngoài vùng tiện nghi, nó được đo theo “ngày mức độ”  sưởi ấm hoặc làm mát.

Ví dụ

Nếu thời tiết ấm hơn trung bình 1 độ so với mức tiện nghi trong một ngày, chúng ta nói rằng công trình cần một ‘ngày mức độ’ làm mát để giữ tiện nghi.

Nếu thời tiết ấm hơn trung bình 10 độ trong một ngày, hoặc ấm hơn một độ trong 10 ngày, từ đó công trình cần 10 ngày mức độ làm mát.

Nếu nhiệt độ thấp hơn 10 độ mức tiện nghi tối thiểu trong một ngày, từ đó công trình cần 10 ngày mức độ sưởi ấm.

 

Ngày mức độ là nhiệt độ vượt ngưỡng, nhân lên theo thời gian

Ngày mức độ không chỉ hữu ích để dự toán nhu cầu sưởi ấm và làm mát; chúng cũng giúp việc so sánh giữa các công trình một cách công bằng hơn. Một công trình ở khí hậu ôn hòa như San Francisco sẽ cần ít năng lượng sưởi ấm và làm mát hơn so với một công trình ở khí hậu lạnh như Moscow, ngay cả khi công trình ở Moscow được xây tốt hơn nhiều.

So sánh cường độ năng lượng của các tòa nhà khác nhau với các ngày mức độ sưởi ấm và làm mát ở mỗi khu đất sẽ làm những so sánh này thể hiện chính xác hơn sự hiệu quả thiết kế của công trình.

Biểu đồ này từ Montreal cho thấy rằng tháng một có gần 800 ngày mức độ để duy trì tiện nghi.

Đọc biểu đồ nhiệt độ

Dữ liệu nhiệt độ có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau. Tận dụng đầy đủ các biểu đồ nhiệt độ sẽ giúp bạn có thêm thông tin để đưa ra các quyết định thiết kế và đảm bảo rằng bạn đã xem xét đầy đủ dữ liệu.

Dữ liệu nhiệt độ được trình bày dưới dạng bảng có thể được biểu diễn rõ ràng trên nhiều loại biểu đồ khác nhau.

Nhiệt độ biến thiên theo tháng

Dĩ nhiên, nhiệt độ không luôn luôn cố định trong một ngày hay một năm. Thiết kế hợp lý là thiết kế có xem xét cho cả những tình trạng bất thường cũng như các điều kiện trung bình.Biểu đồ dữ liệu thiết kế nhiệt độ theo tháng

Biểu đồ trên không chỉ chỉ ra nhiệt độ trung bình hàng tháng từ dữ liệu nhiệt độ lịch sử, mà còn chỉ ra hai mức độ sai lệch.

Các hộp màu xanh lá cây thể hiện giá trị trung bình theo lịch sử của nhiệt độ khô cao nhất và thấp nhất theo tháng; khu đất của bạn hầu như sẽ phải trải qua những nhiệt độ trong những tháng này, do đó cần thiết kế phù hợp với chúng.

Khoảng mở rộng của các hộp thể hiện các nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất chỉ được ghi lại trong 1% thời gian của dữ liệu lịch sử. Khu đất của bạn sẽ không trải qua chúng thường xuyên, nhưng trong thiết kế hợp lý, người thiết kế nên xem xét cả nhiệt độ đạt mức cực tiểu và cực đại này.

Bạn có thể thấy rằng khu đất này có ít biến thiên về nhiệt độ hơn biểu đồ trước một cách đáng kể.

Trong tháng tư, nhiệt độ đỉnh 64oF xảy ra, nhưng nói chung phạm vi nhiệt độ sẽ ở khoảng giữa 48o và 57oF trong tháng.

Thời tiết trung bình ban ngày

Dữ liệu nhiệt độ ban ngày thể hiện chu kỳ thay đổi của nhiệt độ và bức xạ hàng ngày trên khu đất. Dữ liệu điển hình bao gồm nhiệt độ khô, nhiệt độ ướt, bức xạ mặt trời trực tiếp và tán xạ như là một giá trị trung bình ngày cho mỗi tháng.

Từ dữ liệu này bạn có thể nghiên cứu về sự chênh lệch giữa nhiệt độ khô và nhiệt độ ướt (chỉ số độ ẩm tương đối), sự chênh lệch giữa nhiệt độ ban đêm và ban ngày và các dữ liệu bức xạ mặt trời phụ khác.

Biểu đồ thời tiết ban ngày từ Revit của Nashville, TN.

Nhiệt độ hàng năm tại một khu đất vùng khí hậu lạnh, chủ yếu có yêu cầu về sưởi ấm. Biểu đồ còn thể hiện tần suất của nhiệt độ khô và ướt, gợi ý rằng vùng khí hậu không có mùa hè ẩm.

Độ ẩm

Độ ẩm cũng quan trọng như nhiệt độ đối với tiện nghi của con người. Độ ẩm quá cao có thể khuếch đại nhiệt và làm cho không khí trở nên oi bức, trong khi độ ẩm thấp có thể tạo sự khô hanh khó chịu.

Không khí ấm chứa nhiều hơi ẩm hơn không khí lạnh, nhưng con người không thể cảm nhận được độ ẩm tuyệt đối (tương ứng số lượng phân tử nước tuyệt đối trong không khí, được đo như mật độ), họ cảm nhận độ ẩm tương đối, được tính là phần trăm hơi nước trong không khí.

Biểu đồ so sánh nhiệt độ ướt và nhiệt độ khô ; từ đó giúp hiểu về độ ẩm. Chênh lệch giữa nhiệt độ ướt và khô càng lớn, không khí càng khô và độ ẩm tương đối càng thấp. Bạn có thể thấy Copenhagen khá ẩm vì nhiệt độ là khá tương đương về kích thước và sự phân bố cho nhiệt độ khô và ướt.

Con người thường cho rằng độ ẩm tương đối 40-55% là tiện nghi. Dưới 40% sẽ cảm nhận là khô, trên 55% sẽ cảm nhận là oi và ẩm ướt (trừ khi thời tiết lạnh).

Độ ẩm cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của các chiến lược sưởi ấm hoặc làm mát thụ động. Ví dụ như làm mát bay hơi hiệu quả hơn nhiều trong môi trường khô.

Điều khiển và kiểm soát độ ẩm cũng là một chức năng quan trọng của hệ thống điều hòa không khí chủ động. Trong nước chứa rất nhiều nhiệt ẩn và việc khử ẩm không khí đòi hỏi phải làm mát nước – điều có thể yêu cầu nhiều năng lượng cho làm mát.

Độ ẩm có thể được xác định bằng cách so sánh nhiệt độ khô và nhiệt độ ướt. Ở độ ẩm 100% không khí hoàn toàn bão hòa và nhiệt độ khô sẽ bằng nhiệt độ ướt. Trong tất cả các kịch bản khác, nhiệt độ ướt luôn luôn thấp hơn nhiệt độ khô do làm mát bằng hơi nước. Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ bầu khô và ướt càng lớn, không khí càng khô và độ ẩm tương đối càng thấp.

Dữ liệu độ ẩm thường được trình bày trong biểu đồ nhiệt ẩm.

Giống như nhiệt độ, độ ẩm thay đổi liên tục trong ngày và quanh năm, và thiết kế bền vững yêu cầu thiết kế cho một phạm vi độ ẩm. Bạn có thể vẽ biểu đồ sự biến thiên độ ẩm để giúp đưa ra các yêu cầu trong thiết kế của bạn.

Biến thiên độ ẩm trong năm tại một khu đất Biểu đồ dữ liệu thiết kế nhiệt độ theo tháng.

Biểu đồ trên cho thấy độ ẩm trung bình vào buổi sáng và buổi chiều từ ghi chép quá khứ, với một dải tô màu đậm mô tả phạm vi trung bình hàng ngày của độ ẩm. Dải trong suốt rộng hơn được giới hạn bởi các đường chấm thể hiện đầy đủ vùng biến thiên độ ẩm cực đại và cực tiểu trong quá khứ. Tương ứng với biến thiên nhiệt độ, những cực trị này không diễn ra thường xuyên nhưng cần xem xét chúng trong thiết kế bền vững.

Bên cạnh việc tác động đến nhu cầu về năng lượng làm mát, độ ẩm cũng có thể ảnh hưởng đến các nhân tố thiết kế bền vững khác như sử dụng nước và đặc biệt là tưới tiêu cảnh quan.

Vị trí mặt trời

Sự di chuyển của mặt trời trong ngày và trong năm là yếu tố môi trường cốt yếu nhất cần tìm hiểu khi thiết kế một công trình hiệu suất cao.

Nếu bạn thiết kế công trình với sự xem xét kĩ lưỡng đường đi mặt trời, bạn có thể tận dụng được ưu điểm của các chiến lược như chiếu sáng tự nhiên, sưởi ấm thụ động, sản suất năng lượng mặt trời và thậm chí cả thông gió tự nhiên.

Tuy nhiên, nếu bất cẩn, những cơ hội này có thể phản tác dụng như gây chói hoặc  quá nóng.

Đường đi và vị trí của mặt trời

Điều đầu tiên bạn cần biết là đường đi của mặt trời ở ví trí của bạn.

Ở mỗi điểm cho trước trên đường đi của mặt trời, độ cao của nó trên bầu trời được gọi là góc cao, và góc ngang tương đối với hướng bắc được gọi là góc phương vị.

Góc cao là góc thẳng đứng mặt trời tạo ra với mặt đất (0o < alt , 90o) Góc phương vị là góc nằm ngang giữa mặt trời và phương bắc (-180 < azi < 180o, chiều dương theo chiều kim đồng hồ từ hướng bắc)

Sự biến đổi theo mùa và các ngày quan trọng

Đường đi của mặt trời thay đổi quanh năm. Vào mùa hè, mặt trời ở vị trí cao trên bầu trời, mọc lên và lặn xuống phía bắc của trục đông-tây ở Bắc bán cầu (ở Nam bán cầu, nó là phía nam của Đông-tây).

Mặt trời cũng mọc lên sớm hơn và lặn xuống muộn hơn nhiều vào mùa hè so với mùa đông.

Để nghiên cứu về cực hạn của mặt trời nóng mùa hè, bạn cần nghiên cứu về đường đi của mặt trời ở hạ chí, ngày mà mặt trời ở vị trí cao nhất giữa trưa.

Vào mùa đông mặt trời ở vị trí thấp trên bầu trời, mọc và lặn ở phía nam của trục đông-tây ở Nam bán cầu (ở Nam bán cầu, nó là phía Bắc của trục đông-tây).

Để nghiên cứu cực hạn của đường đi mặt trời mùa đông, bạn cần nghiên cứu về đường đi mặt trời ngày đông chí, ngày mà mặt trời ở vị trí thấp nhất giữa trưa.

Để nghiên cứu các vị trí trung bình hơn, bạn có thể xem xét đường đi mặt trời vào các ngày xuân phân và thu phân, khi mặt trời mọc và lặn đúng trục đông-tây.

Góc cao của mặt trời giữa trưa vào 2 điểm phân được xác định bởi vĩ độ của khu đất.

Đây là lý do quy tắc ngón cái cho góc tối ưu của các tấm pin mặt trời là vĩ độ của khu đất. Ở góc này, các tia mặt trời vuông góc nhất với các tấm pin trong phần lớn năm.

Có 4 ngày quan trọng cần nhớ khi xem xét vị trí mặt trời

Một số mẹo và kinh nghiệm bao gồm:

Nghiên cứu những ngày đặc biệt:

• Các điểm chí: nghiên cứu những cực hạn của vị trí mặt trời.
• Các điểm phân: nghiên cứu vị trí trung bình của mặt trời.

Nghiên cứu các mùa khác nhau:

• Nghiên cứu mùa đông: Làm cách nào để hấp thu tối đa mặt trời để sưởi ấm thụ động cho công trình
• Nghiên cứu mùa hè: Làm cách nào để hấp thu tối thiểu mặt trời để làm mát thụ động cho công trình

Hãy xét một số thời điểm cụ thể trong ngày

Buổi sáng: bạn có thể muốn thu năng lượng mặt trời để làm ấm không gian khi mặt trời ở thấp trên bầu trời. Nhưng cũng cần tránh hiện tượng chói.

Buổi trưa: Mặt trời mạnh nhất và cao nhất trên bầu trời. Bạn có thể muốn tránh mặt trời nóng giữa ngày để giảm tải lạnh trong một vài khu vực.

Lưu ý rằng đôi khi buổi trưa không phải là góc cao nhất. Đó là do sự chênh lệch giữa “giờ mặt trời” (xác định bởi vị trí mặt trời) và “giờ địa phương” (xác định bởi múi giờ).

Buổi chiều: bạn có thể muốn chống quá nóng và chói.

Giờ lưu trú: Bạn có thể đặc biệt quan tâm đến những thời điểm khi công trình được lưu trú nhiều nhất.

Giờ mặt trời và Giờ địa phương

Trong phần lớn địa điểm, sẽ thường có sự chênh lệch giữa giờ mặt trời và giờ địa phương. Giờ mặt trời được xác định bởi vị trí của mặt trời. Buổi trưa nó có độ cao lớn nhất, mặt trời mọc và lặn xảy ra ở những thời điểm đối xứng 2 bên buổi trưa. Giờ địa phương được xác định bởi múi giờ địa phương và được lấy trên một kinh độ quy chiếu.

Ví dụ, múi giờ địa phương ở Perth được lấy trên vĩ độ 120o (ở miền trung của Tây Úc). Tuy nhiên, kinh độ thực của Perth là 116o. Mỗi độ chênh lệch kinh độ giữa thực tế và quy chiếu tương đương 4 phút thời gian chênh lệch. Vì vậy, để chuyển giờ mặt trời về giờ địa phương, sử dụng công thức sau:

Tđịa phương = Tmặt trời + ((Kinh độ – Kinh độ quy chiếu)*4)

Nếu bạn để ý thấy trong một số phân tích của bạn, mặt trời không ở cao nhất vào buổi trưa trên khu đất xây dựng, đây chính là lý do.Bạn sẽ thường muốn phân tích theo giờ địa phương, đó là giờ mà tất cả các thành viên khác trong nhóm thiết kế sẽ tham khảo cho những thứ như lịch trình hoạt động.

Mô phỏng đường đi mặt trời

Có một số cách để hình dung về đường đi của mặt trời.

Đường đi mặt trời mùa hè: Mô hình 3D của biểu đồ nổi của sơ đồ bên phải, thể hiện sự di chuyển của mặt trời trong ngày vào 21 tháng 6 (hạ chí)

Đường đi mặt trời mùa đông Mô hình 3D của biểu đồ nổi của sơ đồ bên phải, thể hiện sự di chuyển của mặt trời trong ngày vào 21 tháng 12 (đông chí)

Đường đi mặt trời vào buổi trưa: Mô hình 3D của biểu đồ thể hiện sự di chuyển của mặt trời vào các ngày trong năm cố định lúc 12h trưa

Đọc biểu đồ đường đi mặt trời

Biểu đồ đường đi mặt trời được sử dụng để đọc góc cao và góc phương vị trong ngày và trong năm tại một địa điểm cho trước trên Trái Đất.

Chúng có thể được liên tưởng đến một bức ảnh của bầu trời, chụp thẳng đứng lên thiên đỉnh, với góc máy mắt cá 180o. Đường đi của mặt trời ở các thời điểm khác nhau trong năm có thể được chiếu lên hình cầu phẳng này cho mọi vị trí của trái đất.

Biểu đồ đường đi mặt trời

Lưu ý rằng những biểu đồ nổi này không giống y như ảnh mắt cá: những hình ảnh như vậy sẽ bị lật trái-qua-phải.  Những biểu đồ này là từ góc nhìn bầu trời xuống mặt đất, bạn có thể đặt chồng nó lên một bản đồ hoặc một mặt bằng công trình mà không bị rối. (Bạn có thể thấy điều này bằng cách theo các đường giờ từ đông sang tây trên biểu đồ).

Đường góc phương vị – Góc phương vị chạy quanh cạnh của biểu đồ.

Đường góc cao – Góc cao được biểu diễn như các vòng nét đứt đồng tâm chạy từ tâm của biểu đồ ra.

Đường ngày – Chạy từ cạnh phía đông của biểu đồ đến cạnh phía tây và thể hiện đường đi của mặt trời vào một ngày cụ thể trong năm. Ở Ecotect, ngày đầu tháng 1 đến tháng 6 được thể hiện bằng các nét đặc, trong khi tháng 7 đến 12 là các nét đứt.

Đường giờ / Analemma – Đường giờ được thể hiện như các đường hình số 8 cắt qua đường ngày và thể hiện vị trí của mặt trời tại một giờ cụ thể trong ngày. Điểm giao cắt giữa đường ngày và giờ thể hiện vị trí của mặt trời.

Đọc vị trí của mặt trời theo từng bước

Biểu đồ đường đi mặt trời hình bán cầu

1. Đinh vị đường giờ cần xem trên biểu đồ

2. Định vị đường ngày cần xem, nhớ rằng nét liền cho tháng 1-6, nét đứt cho tháng 7-12

3. Tìm điểm giao cắt giữa đường ngày và giờ. Nhớ cắt nét liền với nét liền và nét đứt với nét đứt.

4. Vẽ một đường từ tâm biểu đồ, qua điểm giao cắt, đến chu vi của biểu đồ.

5. Đọc góc phương vị như là góc lấy theo chiều kim đồng hồ từ hướng Bắc. Trong trường hợp này, giá trị là khoảng 62o

6. Đi theo vòng tròn đồng tâm quanh điểm cắt đến trục thẳng đứng phía bắc, trên đó thể hiện góc cao.

7. Đánh dấu giữa các đường tròn đồng tâm để tìm ra độ cao. Trong trường hợp này điểm giao cắt năm ở chính xác đường 30 độ.

8. Điều này đưa ra vị trí chính xác của mặt trời, xác định đầy đủ góc

Biểu đồ mặt trời mô tả sự khác biệt giữa đường di chuyển của mặt trời theo vĩ tuyến.

Các bài viết về sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng tự nhiên sẽ mô tả cách thiết kế để tận dụng nhiệt và ánh sáng của mặt trời vào tòa nhà vào một số thời điểm và ngăn cản nhiệt mặt trời vào tòa nhà vào các thời điểm khác.

Các chỉ số đo lường bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời là một yếu tố quan trọng trong bất kỳ tòa nhà nào cố gắng tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Lượng bức xạ mặt trời vào công trình tương ứng với nhiệt độ không khí tăng lên hoặc với lượng điện năng tiêu thụ để giải nhiệt hoặc là điện năng thu lịa được bởi pin năng lượng mặt trời.

Hiểu sự quan trọng của các chỉ số đo lường lượng bức xạ mặt trời sẽ giúp bạn tính toán, phân tích, thay đổi hướng và thiết kế công trình sao cho có thể hạn chế nhược điểm và tận dụng ưu thế của bức xạ mặt trời mang lại vào các mùa khác nhau, theo từng vùng địa hình khí hậu.

Độ mạnh của ánh sáng mặt trời thay đổi theo độ trong suốt của khí quyển và góc mà mặt trời va chạm vào một bề mặt, được gọi là góc tới bức xạ mặt trời. Bề mặt càng vuông góc với tia bức xạ/tia nắng thì càng thu nhiều năng lượng nhiệt và ánh sáng.

Cường độ bức xạ mặt trời

Cường độ bức xạ mặt trời là lượng năng lượng bức xạ mặt trời nhận được trên một bề mặt nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Giá trị được biểu thị bằng đơn vị năng lượng trên diện tích (W/m2 hoặc BTU/hr/ft2) và thường là chỉ số đo lường quan trọng nhất cho các nghiên cứu thiết kế sớm. Điều này còn được gọi là Cường độ bức xạ mặt trời (insolation) và đôi khi được trích dẫn theo năng lượng tích lũy hàng ngày hoặc hàng năm (kWh/m2/ngày hoặc kWh/m2/năm).

Hiển thị cường độ bức xạ mặt trời

Giá trị Cường độ bức xạ mặt trờidựa trên hai thành phần chính:

• Bức xạ trực tiếp từ mặt trời (tia trực xạ = Ib) luôn được đo vuông góc với tia mặt trời.
• Tia tán xạ là bức xạ bị phân tán bởi mây và khí quyển (bức xạ trời phân tán = Id) và mặt đất trước bề mặt (Ir). Điều này luôn được đo trên một bề mặt nằm ngang.

Điều kiện thời tiết của bầu trời ảnh hưởng đến mức độ và phân bố của bức xạ mặt trời. Bầu trời có nhiều mây sẽ giảm lượng tia trực xạ và tăng các tia tán xạ. Ví dụ, bầu trời trong xanh sẽ cho phép ánh sáng trực tiếp di chuyển từ mặt trời trực tiếp đến địa điểm/công trình của bạn, trong khi bầu trời có nhiều mây sẽ lọc ánh sáng và phân tán ánh sáng phân tán xung quanh vị trí của bạn.

Ngoài việc ánh sáng mặt trời trực tiếp làm nóng công trình, bức xạ mặt trời còn tạo ra thời tiết nhiệt độ không khí nóng hơn và ảnh hưởng đến độ ẩm. Điều này là một trong những lý do mà nó được bao gồm trong biểu đồ thời tiết hàng ngày.

Biểu đồ trung bình thời tiết hàng ngày cho thấy cả tia trực xạ và tán xạ. Khi bức xạ mặt trời trực tiếp thay đổi rất nhiều trong suốt một năm, thì trời có nhiều mây. Bạn có thể thấy rằng Copenhagen mây mù vào mùa đông vì giá trị tuyệt đối của bức xạ trực tiếp thấp hơn nhiều so với các tia tán xạ.

Tia bức xạ mặt trời truyền qua, hấp thụ hay phản xạ

Trong khi bức xạ mặt trời tiếp xúc chỉ là lượng năng lượng va chạm vào một bề mặt cụ thể. Nó không nhất thiết cho biết bao nhiêu bức xạ được hấp thụ vào façade của tòa nhà, truyền qua cửa sổ của tòa nhà, hay phản chiếu lại từ các bề mặt. Điều đó phụ thuộc vào các thuộc tính vật liệu và được quy định bởi phương trình sau:

100% Lượng bức xạ chiếu tới – Lượng bức xạ phản xạ = Lượng bức xạ hấp thụ + Lượng bức xạ truyền qua

Phân tích bức xạ mặt trời

Dữ liệu về bức xạ mặt trời trực tiếp và phân tán được bao gồm trong các tệp thời tiết mà phần mềm phân tích sử dụng.

Các giá trị bức xạ mặt trời tiếp xúc thực sự được tính toán và trực quan hóa trong Revit dựa trên hình học tòa nhà cụ thể của bạn. Chúng tính toán dữ liệu bức xạ mặt trời trực tiếp và phân tán hàng giờ từ dữ liệu thời tiết, hình học tòa nhà của bạn và khoảng thời gian phân tích. Kết quả phân tích luôn được tính trên một khoảng thời gian nhất định (thường là một giờ) và được trình bày trong đơn vị Wh/m2 (hoặc BTU/ft2). Bạn có thể nhân với 317.15 để chuyển đổi từ kWh/m2 sang BTU/ft2.

Công thức tính toán được sử dụng bởi phần mềm bao gồm việc che chắn từ các đối tượng xung quanh (Fshading), phần của bầu trời “nhìn thấy” bề mặt (Fsky) và góc giữa ánh sáng mặt trời và bề mặt được phân tích (theta). Vì bức xạ mặt trời tiếp xúc chỉ là một đo lường về lượng ánh sáng chiếu lên một bề mặt, nó không phụ thuộc vào các thuộc tính vật liệu.

Hệ số F sky – hệ số bầu trời không mây trên một bề mặt được quyết định bởi một mặt phẳng qua vòm trời

Công thức của giá trị cường độ bức xạ mặt trời:

Cường độ bức xạ mặt trời = (I_b* F_shading* cos(theta)) + (I_d* F_sky)+ I_r

Với:

I_b= tia bức xạ mặt trời trực tiếp, được đo vuông góc với tia bức xạ
I_d= tán xạ từ mây, được đo trên bề mặt nằm ngang measured on horizontal plane
I_r= tia phản xạ từ mặt đất
F_shading= hệ số che bóng
F_sky= Hệ số bầu trời trong xanh
Theta = góc nghiêng giữa tia nắng và bề mặt được phân tích

Nghiên cứu về bức xạ mặt trời theo mục đích khác nhau.

Bạn có thể lựa chọn các giá trị đỉnh tải, trung bình hoặc cộng dồn cho các thiết lập mô phỏng của phân tích bức xạ mặt trời. Các giá trị khác nhau này có ưu điểm và nhược điểm dựa trên phân tích bạn đang thực hiện.

Giá trị đỉnh tải

1. WHAT: Giá trị tối đa được tính toán trong suốt thời gian nghiên cứu.
2. WHEN: Thường muốn thực hiện điều này trong một ngày, một tháng hoặc mùa để tập trung vào ánh sáng mạnh nhất.
3. WHY: Chỉ số này chủ yếu được sử dụng để xác định kích cỡ hệ thống và thiết bị HVAC và cố gắng tránh các giá trị cực đại. Tải nhiệt mặt trời là một trong những thành phần chính của tải làm mát.

• Tải nhiệt và Tải mặt trời cực đại: Lượng nhiệt mặt trời tối đa mà bạn sẽ trải qua trong ngày nóng nhất trong mùa hè là gì? Có thể tòa nhà của bạn chịu được các tải nhiệt mặt trời cực đại này không? Bạn có thể giảm giá trị này bằng các thiết bị che nắng không? Khi bạn giảm tải làm mát cực đại, bạn có thể giảm kích thước hệ thống HVAC không?

• Tấm pin mặt trời (PV Panels): Tìm kiếm lượng năng lượng tối đa mà bạn có thể mong đợi sẽ rơi vào mặt tấm pin mặt trời có thể giúp xác định kích thước các bộ biến áp PV. Tuy nhiên, một quy tắc tổng quát là giá trị cực đại là khoảng 1000 W/m2 cho phần lớn thế giới – do đó, điều này thường không được thực hiện trong thực tế.

Giá trị trung bình

1. WHAT: Giá trị trung bình hàng giờ trong suốt thời gian nghiên cứu xác định. Giá trị trung bình này dựa trên các giờ khi mặt trời tỏa sáng. Giá trị ban đêm không được bao gồm, ngay cả khi bạn chỉ định các giờ ban đêm.
2. WHEN: Xác định các điều kiện thiết kế trung bình chung trong một tháng hoặc mùa. Thường chỉ tính trong thời gian hoạt động của tòa nhà.
3. WHY: Chỉ số này chủ yếu được sử dụng để ước tính sử dụng và lợi thế năng lượng trong một khoảng thời gian xác định. (Năng lượng bức xạ trung bình * tổng số giờ = tổng năng lượng).

• Sưởi ấm và Tải trọng mặt trời trung bình: Ước tính tiềm năng sưởi ấm tự nhiên bằng cách nghiên cứu trung bình bức xạ mặt trời trong những thời điểm nhiệt độ thấp (khi cần sưởi ấm).

• Tấm pin mặt trời và Sưởi ấm tự nhiên: Tìm tổng công suất có sẵn bằng cách nhân trung bình bức xạ mặt trời với tổng số giờ. Sau đó, nhân giá trị này với hiệu suất hệ thống được giả định để tính toán tổng công suất mong đợi (đối với việc tạo điện hoặc sưởi ấm).

Giá trị cộng dồn

1. WHAT: Tổng số các giá trị được tính toán trong một khoảng thời gian nhất định.
2. WHEN: Cho bất kỳ khoảng thời gian nào bạn quan tâm, bạn có thể xác định tổng năng lượng sản xuất hoặc tiết kiệm. Phương pháp này có thể chính xác hơn so với việc sử dụng giá trị trung bình khi nghiên cứu các khoảng thời gian cụ thể.
3. WHY: Sử dụng khi tìm kiếm tổng năng lượng sẽ có sẵn trong một khoảng thời gian nhất định.

• Điều hòa nhiệt độ tự nhiên và làm mát: Tìm hiểu ảnh hưởng của tải nhiệt độ tự nhiên và làm mát trong một khoảng thời gian nhất định và có bao nhiêu năng lượng tổng sẽ có để quản lý. Ví dụ, tìm hiểu tổng năng lượng bạn có thể thu hoạch cho hệ thống đón nhiệt trực tiếp như tường khối nhiệt.

• Tiềm năng tấm pin mặt trời: Đây là ứng dụng chính cho các chỉ số tích lũy. Tổng năng lượng nào sẽ rơi vào mặt tấm pin mặt trời trong suốt một năm đầy đủ và trong các khoảng thời gian cụ thể. Bạn có thể khớp tải của toà nhà với tiềm năng sản xuất này không?

Tài liệu tham khảo có thể được cung cấp cho các vị trí khác nhau dựa trên tổng bức xạ trong suốt một ngày. Bảng dưới đây có thể giúp bạn có được sự hiểu biết về quy mô của tổng bức xạ mặt trời mà bạn có thể mong đợi trong suốt một ngày cho các điều kiện khác nhau. Xem bảng dưới đây để hiểu thêm về tỷ lệ bức xạ trên các mặt của một tòa nhà ở gần và xa xích đạo.

Lượng bức xạ mặt trời cộng dồn tại thành phố ở gần và xa xích đạo, vào mùa hè và mùa đông.

Bức xạ mặt trời tại một thời điểm cụ thể

Nhìn vào bức xạ mặt trời vào thời điểm cụ thể là rất hữu ích khi bạn cần hiểu ban đầu về lượng năng lượng có sẵn trên khu đất của mình.

Sử dụng công cụ đường đi của mặt trời kết hợp với kết quả bức xạ mặt trời có thể là một cách rất hiệu quả để hiểu cả đường đi của mặt trời và lượng năng lượng mặt trời tác động lên mặt của tòa nhà. Lưu ý rằng khi nghiên cứu bức xạ thời gian thực, kết quả sẽ giống nhau nếu bạn chọn Đỉnh, Trung bình hoặc tích lũy.

Bức xạ mặt trời trung bình trên toàn trái đất khoảng 240 W/m².

Điều kiện bầu trời và Lượng mưa

Khi chuyển động, mặt trời có thể gặp phải các điều kiện bầu trời làm tăng cường ánh sáng hoặc che khuất nó. Điều quan trọng là cần phải hiểu rõ những yếu tố này và xét tới chúng khi thiết kế các công trình không tiêu hao năng lượng.

Mây

Để đảm bảo đưa ra các thiết kế thụ động hiệu quả, cần phải mô hình hóa tần suất và độ chắn sáng của các đám mây che phủ.

Việc chiếu nắng cho một vị trí nhất định trong suốt cả năm, trong điều kiện không có mây (theo lý thuyết) và trong điều kiện có xuất hiện mây

Mây không chỉ chặn ánh sáng mặt trời chiếu đến công trình, mà cũng có thể khuếch tán nó. Điều này đặc biệt quan trọng đối với chiếu sáng tự nhiên bởi nó sẽ làm thay đổi sự phân bố ánh sáng chiếu đến một không gian.

Mây là một nhân tố tối quan trọng trong “các điều kiện chiếu rọi bầu trời” vốn được sử dụng để mô hình hóa ánh sáng mặt trời và ánh sáng ban ngày.

Ủy ban Chiếu sáng quốc tế (CIE) đã đưa ra các tiêu chuẩn để xác định các kiểu bầu trời là trong xanh, bình thường hay u ám.

Thường sẽ chọn kiểu bầu trời u ám làm tiêu chí thiết kế bởi vì chúng đại diện cho các tình huống bất lợi nhất. Tuy nhiên, đối với các công trình xây dựng gần đường xích đạo, chọn kiểu bầu trời bình thường có thể chính xác hơn

Dữ liệu đám mây che phủ thường sẽ có trong các tệp dữ liệu định dạng .WEA hoặc .EPW cùng với các dữ liệu thời tiết khác. Thông thường dữ liệu về bức xạ mặt trời sẽ tự động có thông tin về các tác động của đám mây che phủ.

Độ sáng của bầu trời quay 180° trong điều kiện trời trong xanh, bình thường và u ám, mỗi điều kiện đều có 2 giá trị về độ sáng và mã màu để có thể phân biệt dễ dàng hơn.

Bức xạ mặt trời trực tiếp và khuyếch tán

Cường độ chiếu sáng của mặt trời thường được gọi là “chiếu nắng”  (đây là viết tắt của ” bức xạ mặt trời chiếu tới” và hoàn toàn khác với cách nhiệt) và chúng đóng một vai trò quan trọng trong các chiến lược thiết kế thụ động và sản xuất năng lượng.

Giá trị bức xạ mặt trời chiếu tới phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: bức xạ trực tiếp từ mặt trời và bức xạ khuếch tán được phân tán bởi những đám mây và bầu khí quyển (và lớp mặt đất ở phía trước của bề mặt tiếp xúc).

Bầu trời nhiều mây sẽ làm giảm lượng tia bức xạ trực tiếp và tăng lượng bức xạ khuếch tán lên bầu trời.

Chiếu nắng cho một khu công trình và hướng bề mặt

Số liệu bức xạ mặt trời thường có sẵn trong các tệp dữ liệu thời tiết (định dạng .wea hoặc .epw). Để tìm hiểu thêm về những giá trị này, vui lòng xem trang về số liệu bức xạ mặt trời.

Lượng mưa

Mưa và tuyết ảnh hưởng đến rất nhiều yếu tố trong công trình xanh như tiện nghi nhiệt, chiếu sáng tự nhiên, sản xuất điện năng mặt trời, thu nước mưa và các yếu tố khác.

Thậm chí ngay cả kết cấu của công trình cũng có thể phụ thuộc vào lượng mưa. Đặc biệt ở nhiều vùng khí hậu trên núi thường phải hứng chịu các trận mưa tuyết nặng nề nên sẽ cần loại mái và tường chắc chắn hơn so với vùng không có tuyết.

Gió

Gió tạo ra thông gió tự nhiên và thường làm mát công trình và con người bởi chúng tăng tốc độ truyền nhiệt. Tốc độ và hướng gió thay đổi trong ngày và quanh năm, và khó dự đoán hơn so với chuyển động của mặt trời.

Hiểu về mô hình gió ở vị trí của bạn sẽ ảnh hưởng đến các xem xét về môi trường và kết cấu.

Như một tài nguyên, gió có thể tạo điều kiện cho thông gió tự nhiên và tăng sự tiện nghi của người sử dụng một cách thụ động – hãy nghĩ về một làn gió mát vào một ngày nóng bức. Gió cũng có thể được khai thác để tạo ra điện thông qua cối xay gió, mặc dù điều này thường không hiệu quả bằng năng lượng mặt trời cho các ứng dụng quy mô nhỏ.

Như một trở ngại, gió có thể đưa hơi ẩm và nước  qua các lỗ hổng nhỏ trong vỏ công trình, dẫn đến khả năng phá hoại nếu như không được kiểm soát.

Dự đoán hành vi gió

Không khí di chuyển từ áp suất cao đến áp suất thấp. Điều này rất quan trọng vì đây là nguyên tắc cơ bản của thông gió ngang và thông gió đứng. Khi gió gặp một vật cản, nó sẽ thổi quanh vật cản và tiếp tục di chuyển theo cùng hướng. Điều này cũng tương tự như dòng chảy của nước (cả nước và không khí là chất lưu).

Điều quan trọng cần lưu ý là nếu gió bị chặn lại bởi một địa hình hay tòa nhà xung quanh, gió không dừng lại mà chỉ chệch hướng đi.

Tốc độ gió thay đổi theo độ cao và địa hình. Khi độ cao tăng, tốc độ gió cũng tăng. Địa hình thô hơn, độ tăng tốc độ gió chậm lại. Điều này có nghĩa là tốc độ gió trong một môi trường mở như ở ngoại ô/nông thôn sẽ tăng theo chiều cao nhanh hơn nhiều so với tốc độ gió trong một trung tâm đô thị dày đặc. Tỷ lệ này tăng được biết đến như một gradient gió, hoặc tiết diện gió. Kết quả là, tốc độ gió có thể khác nhau giữa các địa hình khác nhau ở cùng độ cao.

Trong môi trường đô thị dày đặc, gió sẽ đạt 100% vận tốc ở độ cao lớn hơn nhiều so với một môi trường mở không có các tòa nhà. Điều này được minh họa trong hình dưới đây.

Gió chưa đạt được tốc độ tối đa đến khi lên một độ cao nhất định khỏi mặt đất; chiều cao này phụ thuộc vào các vật cản ở đó.

Gió và vi khí hậu

Môi trường bao quanh có thể tạo ra vi khí hậu với khả năng thay đổi đáng kể mô hình gió trên khu đất. Hướng gió chủ đạo có thể thay đổi do địa hình lân cận, các tòa nhà, và / hoặc các đối tượng khác.

Nếu bạn đang ở trong một vi khí hậu khác với các trạm thời tiết gần nhất, bạn không thể chắc chắn về việc sử dụng dữ liệu có sẵn để định hướng thiết kế. Các đặc điểm cần chú ý đến là các vùng nước lớn và những thay đổi về độ cao.

Mô hình hóa các khu vực xung quanh, và xem xét các điều kiện trên khu đất thực tế, có thể cung cấp thông tin tốt hơn về các điều kiện gió chính xác của khu đất đó.

 

Mặc dù yếu tố vi khi hậu có thể dẫn đến việc khó đoán được hành vi của luồng gió, tuy nhiên vẫn có thể đưa ra được những phỏng đoán chung nhất định.

Gần các vùng nước, đất trở nên nóng hơn trong ngày, do đó, không khí trên đất nóng lên và bay lên, nó được thay thế bởi không khí lạnh từ mặt nước – như vậy gió thổi từ mặt nước vào đất liền. Vào ban đêm, hiệu ứng này được đảo ngược. Nước ấm hơn đất, do đó, không khí trên mặt nước ấm hơn và tăng và được thay thế bởi không khí lạnh đến từ hơn đất – vì vậy gió thổi từ đất liền ra mặt nước.

Tại một thung lũng, trong một ngày, gió sẽ thổi lên đồi vì mặt trời làm ấm không khí và làm nó bay lên. Vào ban đêm, gió sẽ thổi xuống dốc vì không khí được làm mát bởi bề mặt mặt đất lạnh, làm cho nó chìm xuống thung lũng.

 

Vận tốc gió

Hiểu về vận tốc gió là cũng quan trọng như hiểu về nguồn gốc gió. Gió có thể nhẹ nhàng xào xạc lá trên cây, hoặc nó có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng về kết cấu công trình. Tất cả phụ thuộc vào tốc độ nó đang chuyển động.

Vận tốc gió thường được đo bằng hải lý, dặm trên giờ, mét trên giây, hoặc feet trên giây. Hiện cũng có một loạt các công cụ chuyển đổi đơn vị trực tuyến (ví dụ: NOAA Conversion Tool).

Bảng dưới đây mô tả vận tốc gió thành hình ảnh chuyển động trên mặt đất. Nó đã được chuyển thể từ Thang gió Beaufort, một thang điểm chung để so sánh tốc độ gió được sử dụng ở nhiều nước.

Biểu đồ hoa gió

Biểu đồ hoa gió sẽ giúp bạn hình dung ra các kiểu hình gió tại khu vực công trình. Sử dụng biểu đồ hoa gió có thể dễ dàng đưa ra các quyết định về thiết kế nhưng cũng cần phải lưu ý đến các hình thái vi khí hậu đặc trưng và địa hình khu đất mà biểu đồ hoa gió không thể mô tả rõ ràng.

Biểu đồ “hoa gió” là phương thức phổ biến nhất để hiển thị các dữ liệu về gió và có thể được xác định theo kiểu “Phân bố tốc độ gió” hoặc kiểu “Phân bố tần suất gió”. Các biểu đồ hoa gió có thể được lập trung bình theo năm hoặc theo các mùa cụ thể; thậm chí một số biểu đồ hoa gió còn chứa các thông tin về nhiệt độ không khí.

Mô hình phía dưới, từ trung tâm hỗ trợ của Revit, sẽ giải thích cách đọc và hiểu biểu đồ hoa gió.

Hoa gió (Phân bố tốc độ gió)

Biểu đồ này cho thấy tần suất và tốc độ gió thổi từ từng hướng khác nhau.

Khi bạn di chuyển dần ra ngoài theo tỷ lệ bán kính, tần suất của luồng gió từ hướng chuyển động đó sẽ tăng lên. Mỗi nan hoa được chia ra theo các màu để biểu thị các vùng tốc độ gió khác nhau. Chiều dài tính từ tâm của mỗi nan hoa quanh vòng tròn là tỷ lệ phần trăm thời gian gió thổi từ hướng đó tới.

Trong các mẫu hoa gió – phân bố tốc độ gió (mẫu hoa gió hàng năm từ Boston, Massachusetts), gió từ hướng Tây Bắc và Nam Tây Nam là phổ biến nhất (chiếm hơn 10% số giờ gió thổi hàng năm). Đối với gió từ hướng Nam Tây Nam, tốc độ gió thường xuyên trong điểm nút 6-9 và 9-11 (màu vàng và màu xanh nhạt).

Hoa gió (Phân bố tần suất gió)

Hoa gió theo dạng này cũng đưa ra các số liệu tương tự như hoa gió – phân bố tốc độ gió, ngoại trừ việc tỷ lệ bán kính hiện sẽ đặc trưng cho tốc độ gió chứ không phải là phần trăm thời gian.

Ngoài ra, các phân đoạn màu của mỗi nan hoa cũng đại diện cho số giờ chứ không còn cho tốc độ gió nữa.

Dữ liệu gió

Mặc dù dữ liệu thời tiết từ các công cụ phần mềm có thể cung cấp đủ các kiến thức cơ bản về các kiểu hình gió thì biện pháp tốt nhất để có được các số liệu chính xác nhất là thông qua việc thực hiện các phép đo thực tế ngay tại khu vực công trình.

Dữ liệu khí hậu, bao gồm cả kiểu hình gió, chủ yếu bắt nguồn từ các sân bay.

Thông thường các kiểu hình gió đo được tại sân bay sẽ rất khác so với các kiểu hình gió tại các khu vực xung quanh khu công trình.

Tuy nhiên, qua những hiểu biết khái niệm cơ bản về sự chuyển động không khí, bạn có thể điều chỉnh các số liệu gió để phù hợp hơn với địa điểm khu công trình và mô phỏng các trường hợp chính xác hơn.

Khi thu thập được các dữ liệu về gió tại các sân bay, nên đo ở khoảng cách 10 m (30 ft) so với mặt đất. Yếu tố này và yếu tố địa hình cần được xem xét khi thiết kế với gió ở độ cao cho người đi bộ.

Tiện nghi nhiệt

Phần Tiện nghi nhiệt sẽ bao gồm bài:

• Tiện nghi nhiệt cho người sử dụng: giải thích chi tiết về tiện nghi nhiệt của người phụ thuộc yếu tố nào và cách đo lại thế nào.
• Biểu đồ nhiệt ẩm: giải thích chi tiết về biểu đồ nhiệt ẩm, ý nghĩa của biểu đồ, các thành phần trên biểu đồ, cách đọc và sử dụng để kiểm soát tiện nghi nhiệt với các chiến lược thiết kế khác nhau thế nào.

Tiện nghi nhiệt cho người sử dụng

Các công trình hiệu quả về năng lượng chỉ hiệu quả khi những người sử dụng cảm thấy tiện nghi thoải mái. Nếu thấy không thoải mái thì sau đó họ sẽ lựa chọn những giải pháp và phương tiện để sưởi ấm hoặc làm mát phòng chủ động như máy sưởi hay các máy điều hoà không khí gắn cửa sổ mà về căn bản có hiệu quả sử dụng năng lượng kém hơn các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hoà nhiệt độ (HVAC) đặc thù.

Việc đo lường sự tiện nghi về nhiệt là khó vì nó mang tính chủ quan cao. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm không khí, nhiệt độ bức xạ, vận tốc không khí, mức độ hoạt động và các loại quần áo. Tuy nhiên, mỗi người trải nghiệm các cảm giác này khá là khác nhau tuỳ thuộc vào sinh lý và trạng thái của họ.

Cảm giác lạnh sẽ dễ chịu khi cơ thể bị quá nóng, nhưng sẽ gây khó chịu khi bên trong cơ thể đã bị lạnh. Đồng thời, nhiệt độ bề mặt da ở các phần khác nhau của cơ thể cũng không đồng nhất do sự khác nhau về lưu lượng máu và phần mỡ dưới da.

Tính năng cách nhiệt của quần áo cũng có ảnh hưởng đáng kể đến mức nhiệt độ và sự phân bổ nhiệt độ da.

Do đó, cảm nhận của của bất cứ phần nào trên da đều phụ thuộc vào thời gian, địa điểm và quần áo cũng như nhiệt độ của môi trường xung quanh.

Các yếu tố ảnh hưởng Tiện nghi nhiệt

Có sáu yếu tố được xem xét ảnh hưởng tới cảm giác tiện nghi nhiệt  bao gồm:

1. Tỉ lệ trao đổi chất (met): Tỉ lệ lượng năng lượng sinh ra bởi cơ thể con người
2. Mức độ cách nhiệt quần áo (clo): Mức độ cách nhiệt của quần áo
3. Nhiệt độ không khí: Nhiệt độ không khí xung quanh cơ thể người
4. Nhiệt độ bức xạ: Tổng lượng nhiệt bức xạ từ các bề mặt xung quanh cơ thể con người chiếu tới
5. Tốc độ không khí: Tốc độ các dòng khí di chuyển xung quanh cơ thể con người
6. Độ ẩm tương đối: Phần trăm hơi nước trong không khí

Các thông số môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nhiệt độ bức xạ và tốc độ gió. Các yếu tố liên quan tới con người bao gồm mức độ vận động (từ đó ảnh hưởng lên tỉ lệ trao đổi chất) và quần áo.

Tiện nghi nhiệt được tính toán khi mà nhiệt trao đổi năng lượng được cân bằng, Nhiệt được trao đổi qua các tia bức xạ do chênh lệch nhiệt độ giữa các bề mặt với cơ thể con người, do tiếp xúc và  đối lưu với cơ thể con người được cân bằng với mức độ trao đổi chất của cơ thể con người.

Nhiệt trao đổi diễn ra giữa môi trường xung quanh và cơ thể con người, thông thường có diện tích khoảng 19 feet vuông. Nếu như lượng nhiệt thất thoát ra khỏi cơ thể con người lớn hơn lượng nhiệt truyền vào cơ thể thì mức độ tiện nghi được coi là “lạnh”. Ngược lại nếu nhiệt truyền vào lớn nhơn nhiệt thất thoát thì mức độ tiện nghi được coi là “nóng” hay “ấm”.

Một phương pháp diễn tả mức dộ tiện nghi nhiệt được đưa ra bới Ole Faner là Chỉ số dự đoán Cảm giác nhiệt trung bình – Predicted Mean Vote (PMV) và Chỉ số dự đoán Phần trăm không tiện nghi – Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD).

Chỉ số PMV – Chỉ số dự đoán cảm giác nhiệt trung bình

Chỉ số PMV đề cập đến một thang nhiệt độ từ Lạnh (-3) đến Nóng (+3), ban đầu do Franger phát triển và sau đó được áp dụng như một tiêu chuẩn ISO. Các dữ liệu gốc được thu thập bằng cách làm thí nghiệm trên một số lượng lớn người (hàng ngàn lính Israel) ở các điều kiện khác nhau trong một buồng khí hậu và nhờ họ lựa chọn một vị trí trên thang đo miêu tả đúng nhất cảm giác tiện nghi của họ. Từ các dữ liệu thí nghiệm một mô hình toán học về mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường và sinh lý thực nghiệm đã được suy ra. Kết quả liên quan tới những mức độ của 6 yếu tố ảnh hưởng tiện nghi với nhau qua các nguyên lý cân bằng nhiệt từ đó đưa ra thang mức độ tiện nghi nhiệt như ở dưới:

Mức độ tiện nghi cho phép được khuyến nghị theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 nằm trong khoảng  -0.5 và +0.5 cho không gian trong nhà.

Có những công cụ hỗ trợ để tìm ra mối tương quan giữa 6 yếu tố ảnh hưởng và thang mức độ tiện nghi PMV và PPD bằng cách thay đổi chỉ số của 6 yếu tố ảnh hưởng như ở dưới đây:

Thay đổi chỉ số của 6 yếu tố ảnh hưởng và tìm ra chỉ số mức độ tiện nghi nhiệt PMV và PPD.

Mức độ cân bằng (PMV= 0.2, PPD = 5.8%) khi nhiệt độ không khí 21,6 độ C, nhiệt độ bức xạ 33,1 độ C, độ ẩm tương đối 60%, tốc độ gió 0,5 m/s, tốc độ trao đổi chất 1 met, mức độ cách nhiệt quần áo 1 clo

Mức độ ấm (PMV= 2, PPD = 76,8%) khi nhiệt độ không khí 30 độ C, nhiệt độ bức xạ 31,9 độ C, độ ẩm tương đối 82,5%, tốc độ gió 1,4m/s, tốc độ trao đổi chất 1 met, mức độ cách nhiệt quần áo 0.9 clo

Mức độ lạnh (PMV= -2,1, PPD = 81,1%) khi nhiệt độ không khí 8,9 độ C, nhiệt độ bức xạ 3,8 độ C, độ ẩm tương đối 62,8%, tốc độ gió 1,4m/s, tốc độ trao đổi chất 1,4 met, mức độ cách nhiệt quần áo 1,4 clo

Chỉ số PDD – Chỉ số dự đoán phần trăm không tiện nghi

Từ PMV, có thể xác định được tỉ lệ số người trong tập hợp khảo sát không thỏa mãn về nhiệt (PPD).

Khi PMV cách xa điểm trung tính (PMV=0) về cả hai hướng thì PPD tăng.

Số lượng người tối đa không thỏa mãn với điều kiện tiện nghi của họ là 100% và thực tế cũng chỉ ra rằng bạn không thể làm thỏa mãn tất cả mọi người tại mọi thời điểm cho nên mức độ khuyến nghị cho chỉ số PPD đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 của Hoa Kỳ là có ít hơn 10% số người cảm thấy không hài lòng cho không gian trong nhà.

Tiện nghi thích ứng

Các mô hình tiện nghi thích ứng thêm vào một số hành vi của con người vào tính toán. Các mô hình này giả sử rằng nếu có những thay đổi về môi trường nhiệt gây ra sự khó chịu thì sau đó con người sẽ thay đổi hành vi của họ và hành động để có thể khôi phục sự thoải mái cho họ. Những hành động này có thể gồm cởi quần áo, giảm mức độ hoạt động hoặc ngay cả mở cửa số. Tác dụng chính của các mô hình này là gia tăng khoảng điều kiện mà những nhà thiết kế có thể xem như tiện nghi, đặc biệt trong các toà nhà thông gió tự nhiên nơi mà người sử dụng có mức độ kiểm soát cao hơn môi trường nhiệt của họ.

Bởi vì phụ thuộc quá nhiều vào hành vi của con người, các mô hình thích ứng luôn luôn dựa trên các khảo sát diện rộng về tiện nghi nhiệt và các điều kiện môi trường bên trong/bên ngoài công trình. Nghiên cứu này cho thấy rõ rằng nếu con người có các phương tiện để kiểm soát môi trường sống thì sẽ làm gia tăng đáng kể phần trăm người cảm thấy hài lòng và khiến họ dễ dàng bỏ qua những lúc công trình hoạt động không hiệu quả.

Biểu đồ nhiệt ẩm

Xem xét biểu đồ nhiệt ẩm của một địa điểm nhất định sẽ mang tới những thông tin về nhiệt độ (bầu khô, bầu ướt) và độ ẩm (tương đối, tuyệt đối).

Mặc dù mới nhìn, biểu đồ trông có vẻ phức tạp nhưng khi nắm được cách các đại lượng/biến tương tác với nhau, bạn sẽ có thể sử dụng biểu đồ nhiệt ẩm để đánh giá điều kiện tiện nghi cho người sử dụng cũng như các giải pháp thiết kế bị động phù hợp cho công trình.

Biểu đồ nhiệt ẩm chỉ ra giá trị nhiệt độ vs. độ ẩm, và có thể được sử dụng để thể hiện mức độ tiện nghi nhiệt, giải pháp thiết kế và mức năng lượng yêu cầu cho những giải pháp đó.

Biểu đồ nhiệt ẩm là gì?

Biểu đồ nhiệt ẩm là biểu đồ đại diện cho quá trình biến đổi trạng thái của không khí. Quá trình biến đổi trạng thái này bao gồm các đại lượng vật lý và nhiệt động lực học như nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt, độ ẩm, entanpi và tỷ trọng không khí.

Biểu đồ nhiệt ẩm có thể được sử dụng theo hai cách khác nhau. Cách đầu tiên được thực hiện bằng cách thể hiện nhiều điểm dữ liệu trên biểu đồ, mỗi điểm này đại diện cho điều kiện không khí ở thời điểm xác định. Sau đó, phủ lên khu vực “vùng tiện nghi” trên biểu đồ. Vùng tiện nghi của biểu đồ nhiệt ẩm được định nghĩa là vùng mà ở trong đó, người sử dụng sẽ cảm thấy hài lòng với các điều kiện nhiệt xung quanh mình. Sau khi vẽ các điểm dữ liệu và vùng tiện nghi, người sử dụng có thể nhìn thấy cách các giải pháp thiết kế thụ động có thể mở rộng vùng tiện nghi.

Ví dụ về cách nghiên cứu các điểm dữ liệu trên biểu đồ nhiệt ẩm và liên hệ chúng với các giải pháp thiết kế thụ động. Trong biểu đồ này, những ô xanh sẫm đại diện cho vùng tiện nghi và các màu sắc khác đại diện cho các giải pháp thiết kế đã được nghiên cứu từ trước để xem cách nó có thể mở rộng vùng tiện nghi.

Biểu đồ thông thường còn được sử dụng bởi các kĩ sư cơ khí để xác định các điểm động đại diện cho không khí bên ngoài và để hiểu quá trình không khí phải đi qua để có thể đạt được điều kiện tiện nghi cho người sử dụng bên trong công trình.

Khi sử dụng biểu đồ nhiệt ẩm cho mục đích này, các điểm dữ liệu di chuyển trên biểu đồ.

Biểu đồ nhiệt ẩm cho thấy nhiệt độ vs. độ ẩm và có thể được sử dụng để xem xét mức độ tiện nghi cho người sử dụng và mức năng lượng yêu cầu cho những giải pháp đó.

Thành phần của biểu đồ nhiệt ẩm

Nhiệt độ

Nhiệt độ bầu khô được thể hiện trên biểu đồ nhiệt ẩm bởi các đường dọc thẳng đứng. Nhiệt độ không khí tăng dần từ trái sang phải.

Đường mầu xanh thẳng đứng thể hiện nhiệt độ bầu khô trên biểu đồ nhiệt ẩm

Nhiệt độ bầu ướt được thể hiện bằng các đường chéo. Tương tự như nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt tăng dần từ trái sang phải.

Đường mầu xanh chéo thể hiện nhiệt độ bầu ướt trên biểu đồ nhiệt ẩm

Độ ẩm tương đối

Một yếu tố khác trong mỗi biểu đồ nhiệt ẩm là các đường độ ẩm tương đối. Những đường này có dạng cong, bắt đầu từ 100% ở phía trên biểu đồ và giảm dần khi xuống dưới.

Thông thường giá trị của những đường này cách nhau theo thang 10.

Đường mầu đỏ thể hiện độ ẩm tương đối trên biểu đồ nhiệt ẩm

Điểm dữ liệu

Mỗi điểm trên biểu đồ nhiệt ẩm là một điểm dữ liệu. Hình thức thể hiện của các điểm dữ liệu này có thể thay đổi tùy theo chương trình phầm mềm sử dụng để thiết lập biểu đồ nhiệt ẩm, hoặc thiết lập bằng tay. Mỗi điểm dữ liệu tượng trưng cho một bộ những giá trị về chất lượng không khí tại một thời điểm. Nó có thể theo giờ, theo ngày, theo tháng hoặc thậm chí dữ liệu theo mùa.

Điều kiện trung bình có thẻ được xác định dựa vào mật độ các điểm dữ liệu. Tại từng thời điểm có thể xem xét dữ liệu mùa hè và mùa đông riêng biệt nhưng việc xem xét chúng cùng thời điểm sẽ cho phép bạn xem xét toàn bộ các giải pháp thụ động một cách tổng thể và tích hợp.

Ví dụ như dựa vào những điểm dữ liệu trong trường hợp này, chúng ta có thể kết luận nhiệt độ trung bình ở mức 30 tới 35OC

Vùng tiện nghi

Vùng tiện nghi thông thường có thể được xác định bằng cách tô một phần của biểu đồ nhiệt ẩm. Vùng được tô này thay đổi rõ rệt theo từng vùng khí hậu và từng dự án. Vùng tiện nghi có thể được xác định bằng các chương trình phần mềm hoặc thủ công bằng tay, dựa trên chức năng, các hoạt động sẽ diễn ra trong công trình và dự kiến trang phục được mặc bởi người sử dụng.

Ví dụ như dựa Trong trường hợp này, nhiệt độ trên 30o C sẽ là quá nóng và dưới 20o C sẽ là quá lạnh

Trên một số biểu đồ nhiệt ẩm nhất định, một vài giá trị khác có thể được xác định, ví nhụ như:

• Các đường thể hiện nhiệt độ đọng sương nằm song song với trục hoành với chỉ số đọc ở bên phải biểu đồ. Đại lượng này cho phép xác định thời điểm nước trong không khí sẽ bắt đầu ngưng đọng, điều có thể dẫn tới nấm mốc và giảm hiệu quả cách nhiệt, hiệu quả nhiệt chung của công trình nếu không được xử lý hợp lý trong thiết kế.
• Đường ngang thể hiện tỷ lệ độ ẩm/đại lượng đo hơi nước. Thông tin này mang tới góc nhìn chi tiết hơn về tỷ trọng không khí – đại lượng liên quan tới độ nổi và các vấn đề về chất lượng không khí.
• Dọc theo phía trên cạnh trái của biểu đồ, đôi khi sẽ có các đường chéo/tick được đặt theo góc và hướng tương tự như các đường đo nhiệt độ wet bulb. Đây là các đo lường enthalpy (nhiệt lượng) hữu ích để hiểu về năng lượng nhiệt cần thiết hoặc tồn tại trong không khí.

Diễn giải biểu đồ nhiệt ẩm
Do biểu đồ nhiệt ẩm có thể nhanh chóng mang tới cái nhìn tổng quan về điều kiện không khí và mối liên hệ với mức tiện nghi sử dụng, một số nhận xét rõ ràng có thể được đưa ra. Ví dụ như việc khí hậu của bạn là nóng ẩm hay khô? Trong phần lớn thời gian, người sử dụng sẽ cảm thấy như thế nào – quá nóng, quá lạnh hay thoải mái?

Dưới đây là một số ví dụ về nhận xét có thể rút ra từ biểu đồ.

Nhiệt độ (cam = rất nóng, xanh dương = rất lạnh)

Giải pháp thiết kế và biểu đồ nhiệt ẩm

Sau khi tìm hiểu về khí hậu được thể hiện trên biểu đồ nhiệt ẩm,bạn có thể sử dụng nó để tìm ra giải pháp thiết kế bền vững nào là tốt nhất có thể được sử dụng để cải thiện tiện nghi cho con người.

Khi các điểm dữ liệu nằm về phía bên phải vùng tiện nghi, bạn sẽ cần giảm nhiệt độ không khí. Giải pháp có thể được áp dụng là tăng tốc độ lưu thông không khí bằng thông gió tự nhiên.

Khi các điểm dữ liệu nằm về phía bên trái vùng tiện nghi, bạn sẽ cần tăng nhiệt độ không khí. Giải pháp bị động thông thường là tăng mức hấp thu nhiệt bức xạ mặt trời bằng các vật liệu có nhiệt khối lớn.

Khi độ ẩm tương đối quá thấp, nó có thể được tăng bằng làm mát bay hơi. Và khi độ ẩm quá cao thì cần phải khử ẩm.

Ví dụ dưới đây sẽ cho thấy:

Biểu đồ nhiệt ẩm ban đầu, với vùng tiện nghi cho trang phục mùa đông và mùa hè. Biểu đồ đồng thời cũng chỉ ra rằng chỉ 9.5% người sử dụng sẽ cảm thấy thoải mái nếu không sử dụng giải pháp thiết kế nào.

Giải pháp thông gió tự nhiên được áp dụng để giảm nhiệt độ không khí và tiện nghi nhiệt cho người ở tăng lên 10%.

Các giải pháp nhận nhiệt mặt trời thụ động kết hợp với các vật liệu ngậm nhiệt lớn, nhằm làm tăng nhiệt độ không khí . Kết quả là tiên nhgi nhiệt tăng lên 29.1 %

Việc tăng độ ẩm được kết hợp với hệ thống sưởi thụ động và tiện nghi nhiệt của người ở đạt đến 98,9%.

Vị trí và các chương trình hoạt động

Vị trí và chương trình của công trình sẽ giúp bạn hiểu được về các tải năng lượng cần được quản lý, các chiến lược thiết kế thụ động phù hợp nhất, cách để tòa nhà hài hòa với cảnh quan xung quanh và nhu cầu của con người.

Vị trí khu đất

Đất xanh, đất xám,  đất nâu

Việc một công trình có được xem là cân bằng năng lượng hay không và một phần yếu tố bền vững của nó phụ thuộc vào việc sử dụng đất ban đầu. Hoạt động tiếp tục chuyển đổi đất khu vực hoang dã hoặc đất nông nghiệp thành công trình là hoạt động xây dựng thiếu bền vững.

Hiện nay vẫn đang còn nhiều diện tích đất trong thành phố có thể được phát triển để có mật độ và tính bền vững cao hơn.

Khu đất có dạng đất xanh

Khu đất có dạng đất xám

Các khu đất chưa từng được khai phá xây dựng trước đây được gọi là các khu đất “đồng xanh” và tốt nhất không nên thực hiện hoạt động xây dựng ở đây. Các tác động đến các khu đất “đồng xanh” có thể được giảm thiểu bằng việc giảm phát thải các-bon của công trình và của các cảnh quan cứng khác, và cũng có thể bằng cách bao phủ lên các tòa nhà cùng các cảnh quan cứng này với các loại mái thảm thực vật, đặc biệt là sử dụng các loài thực vật bản địa.

Các khu đất đã từng được khai phá xây dựng được gọi là các khu đất “đồng xám”. Xây dựng trên các khu đất này không chỉ tránh việc tàn phá các vùng đất hoang hoặc đất nông nghiệp mà còn thường sẽ đem lại nhiều lợi ích cho các vùng đất này chính bởi lựa chọn các hình thức phát triển phù hợp khiến các khu vực xung quanh trở nên sôi động hơn, dễ đi bộ đến và đem lại hiệu quả chi phí khi cung cấp các phương tiện giao thông phù hợp.

Các khu đất đã bị ô nhiễm do quá trình khai thác xây dựng hoặc sự phát triển của ngành công nghiệp trước đó được gọi là các khu đất “đồng nâu”. Nó mang lại lợi ích sinh thái khi phải dọn sạch các khu đất đồng nâu và phải phục hồi để chúng có thể trở thành một thành nhân tố có ích cho xã hội.

Khả năng tiếp cận khu đất
Trong khi việc sử dụng năng lượng trong công trình là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và các loại ô nhiễm khác, xe ô tô cũng là một trong những nguyên nhân đó.

Khả năng dễ dàng tiếp cận phương tiện giao thông công cộng

Vì vậy, điều quan trọng là phải lựa chọn một khu đất thuận tiện cho người sử dụng công trình đi lại bằng cách đi bộ, đi xe đạp, và bằng các phương tiện giao thông công cộng. Các công cụ như Walkscore.com có thể giúp xác định lưu lượng đi bộ và giao thông của các khu đất khác nhau.

Ô nhiễm ánh sáng

Một trong những yếu tố liên quan tới môi trường thường bị bỏ qua trong việc xem xét chất lượng công trình là sự ô nhiễm ánh sáng.

Vấn đề này có thể có ảnh hưởng xấu đến các loài động vật hoang dã do nhầm lẫn các dấu hiệu thông thường của ban ngày và ban đêm hoặc các chu kỳ mặt trăng, cũng như sẽ có tác động đáng kể đến con người và làm suy giảm tầm nhìn của chúng ta trong bầu trời đêm.

Các vị trí gần vùng đất hoang đều có những yêu cầu nghiêm ngặt hơn để tránh ô nhiễm ánh sáng trong khi các khu đất trong đô thị lại chỉ đưa ra các yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn.

Ô nhiễm ánh sáng có thể gây ra nhiều vấn đề cho các hệ sinh thái xung quanh.

Ảnh hưởng qua lại với môi trường và tòa nhà lân cận

Môi trường xung quanh một tòa nhà có thể thay đổi ảnh hưởng điều kiện thời tiết lên công trình, vì các tòa nhà hoặc cây gần đó có thể che chắn ánh nắng và thay đổi đường đi của gió. Khi thiết kế một tòa nhà mới, bạn sẽ muốn tính đến ảnh hưởng các tòa nhà xung quanh – để có thể hiểu được cách tòa nhà lân cận ảnh hưởng đến thiết kế công trình của bạn và các chiến lược thiết kế thụ động sẽ áp dụng cho công trình.

Che bóng và cửa sổ mặt trời
Để hình dung được cách các vật thể xung quanh sẽ che chắn tòa nhà của bạn, bạn có thể tạo ra một phiên bản được sửa đổi của biểu đồ đường đi của mặt trời bao gồm các chướng ngại vật.

Hãy tưởng tượng bạn nhìn thẳng lên thông qua một ống kính góc rộng 180°, vì vậy bạn có thể nhìn thấy tất cả 360° của môi trường xung quanh của bạn – và xem cái gì đang che chắn bầu trời. Khẩu độ hoặc góc mà điểm cụ thể có thể “nhìn” thấy bầu trời được gọi là cửa sổ mặt trời. Biểu đồ đường đi của mặt trời thể hiện hình ảnh này, nhưng bị đảo ngược từ trái sang phải để nhìn xuống từ quan điểm của bầu trời. (Điều này tránh sự nhầm lẫn khi xem các kế hoạch và bản đồ của địa điểm.)

Biểu đồ đường đi của mặt trời và cửa sổ mặt trời, với các chướng ngại vật gây ra bóng đổ.

Xem thêm bài về vị trí mặt trời

 

Tiếp cận với chiếu sáng tự nhiên và ánh nắng mặt trời

Việc tiếp cận với ánh sáng tự nhiên và năng lượng mặt trời là rất quan trọng khi xây dựng trong môi trường đô thị dày đặc, và phụ thuộc nhiều vào quy hoạch để đảm bảo việc tiếp cận đủ ánh sáng tự nhiên và năng lượng mặt trời cho toàn bộ các công trình. Nếu các tòa nhà quá dày đặc hoặc quá cao, tiếp cận với ánh sáng ban ngày và bức xạ mặt trời có thể bị hạn chế nghiêm trọng.

Các phương pháp thiết kế tương tự để cải thiện tiếp cận với ánh sáng mặt trời cho cư dân tòa nhà và khu vực xung quanh được goi là phương pháp thiết kế vỏ bao đảm bảo chiếu sáng tự nhiên và ánh nắng mặt trời . Để tìm hiểu thêm, mời đọc giả xem thêm cuốn sách Sun, Wind, and Light của G.Z. Brown và Mark DeKay. (mời bạn liên hệ với chương trình SBVN để tìm hiểu thêm về cuốn sách này)

Phương pháp này tại một địa điểm xây dựng quy định sự phát triển trong các ranh giới tưởng tượng để không che chắn khu vực xung quanh. Đây là một ranh giới mà người thiết kế cần lưu ý để có thể xây dựng trên một địa điểm mà sẽ không làm che mất tia nắng tới các công trình lân cận trong một khoảng thời gian nhất định. Phương pháp này dựa trên phân tích ánh sáng mặt trời trực tiếp ảnh hưởng lên công trình lân cận (và do đó giúp ngăn chặn việc chắn ngang bức xạ mặt trời trực tiếp).

Vỏ bao năng lượng mặt trời: Hình ảnh của một tòa nhà giả định nằm trong vỏ bọc năng lượng mặt trời. (Hình ảnh từ cuốn sách Sun, Wind và Light, trang 90 của G.Z. Brown và Mark DeKay, xuất bản bởi Wiley)

Một lớp vỏ có xem xét tới đảm bảo chiếu sáng ban ngày cho một địa điểm xây dựng là ranh giới thể tích lớn nhất mà người thiết kế có thể xây dựng trên đó vẫn đảm bảo cho các tòa nhà lân cận có thể tiếp cận với ánh sáng ban ngày. Phương pháp này dựa trên toàn bộ bầu trời và giả định bầu trời nhiều mây “overcast” (và do đó giúp ngăn chặn việc chắn ngang ánh sáng ban ngày).

Phương pháp đảm bảo tiếp cận chiếu sáng tự nhiên cho công trình lân cận: Tòa nhà Look ở thành phố New York sử dụng hình dạng xây dựng bậc thang để cho phép ánh sáng ban ngày tiếp cận tới các tòa nhà xung quanh. (Hình ảnh từ cuốn sách Sun, Wind và Light, trang 110 của G.Z. Brown và Mark DeKay, xuất bản bởi Wiley)

Các chương trình và lịch vận hành tòa nhà

Chương trình của tòa nhà định hướng dự án bằng cách xác định các mục tiêu, điều kiện và mục đích của nó. Thông thường, chương trình được xác định bởi chủ sở hữu, nhưng quan trọng là cũng phải liên kết với người sử dụng và nhà thiết kế để tạo ra chương trình.

Chương trình và lịch trình khác nhau có thể gây ra sự khác biệt đáng kể trong việc sử dụng năng lượng của một tòa nhà.

Chương trình giải thích cách thiết kế sẽ được sử dụng bằng cách chỉ định những thứ như các hoạt động, sự chiếm dụng và lịch trình hoạt động. Nó cũng bao gồm các yêu cầu chi tiết hơn như: kích thước phòng, không gian cần thiết cho mỗi người, mối quan hệ giữa các không gian, thiết bị cần thiết và ngân sách.

Tất cả những yếu tố này ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng của tòa nhà.

Các loại chương trình

Một số chương trình xây dựng tiêu thụ năng lượng khác nhau đáng kể và có các yếu tố cân nhắc về địa điểm khác nhau. Ví dụ, ở Hoa Kỳ, các tòa nhà giáo dục có mức độ tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (trung bình 83 kBTU/ft2/năm, 26 kWh/m2/năm) và được chi phối bởi tải nhiệt và tải chiếu sáng, trong khi các tòa nhà dịch vụ thực phẩm là các tòa nhà tiêu thụ năng lượng cao nhất (trung bình 258 kBTU/ft2, 81 kWh/m2/năm) và được chi phối bởi tải thiết bị.

Để biết danh sách chi tiết về các mức độ tiêu thụ năng lượng khác nhau cho các chương trình xây dựng khác nhau tại Hoa Kỳ, hãy xem Báo cáo Tổng quan về Sử dụng Năng lượng của Khảo sát Tiêu thụ Năng lượng Tòa nhà Thương mại năm 2012 của Cục Thông tin Năng lượng của Hoa Kỳ.

Mật độ tiêu thụ năng lượng cho các tòa nhà ở Mỹ, theo loại chương trình (Nguồn: U.S. Energy Information Administration, Commercial Buildings Energy Consumption Survey)

Lịch vận hành
Lên lịch thông minh cho việc sử dụng tòa nhà có thể giảm thiểu nhu cầu sử dụng hệ thống làm mát và sưởi ấm bằng cách tránh những khoảng thời gian trong ngày hoặc năm có thời tiết khắc nghiệt nhất. Ví dụ, một trường học ở vùng khí hậu nóng có thể giảm nhu cầu làm mát bằng cách không tổ chức các lớp học vào ban ngày trong những tháng hè nóng nhất.

 

Các nguyên tắc cơ bản thiết kế tối ưu năng lượng công trình

 

Các dòng nhiệt năng bên trong công trình

Nhân tố cơ bản để để tạo ra sự hiệu quả năng lượng trong công trình là nắm rõ các dòng nhiệt cơ bản do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Hơi ẩm cũng rất quan trọng vì hơi ẩm có chứa nguồn năng lượng như là “nhiệt ẩn”.

Các dòng nhiệt hiện và nhiệt ẩn

Có 2 loại dòng nhiệt: nhiệt hiện và nhiệt ẩn.   Dòng nhiệt hiện được tạo ra từ sự thay đổi nhiệt độ.  Nhiệt ẩn được hình thành từ sự thay đổi hàm lượng  hơi ẩm (thường là độ ẩm không khí).  Tổng dòng nhiệt chính là tổng các dòng  nhiệt hiện và nhiệt ẩn.

Nhiệt hiện: Nhiệt gắn liền với sự thay đổi nhiệt độ của một chất/ vật liệu/ không gian.

Nhiệt ẩn: Hiện tượng tích tụ hay giải phóng nhiệt gắn liền với sự thay đổi trạng thái của chất mà không thay đổi nhiệt độ của chất. Trong thiết kế xây dựng, điều này thường là lượng nhiệt cần thết để bổ sung/ giảm bớt hàm lượng độ ẩm (hơi ẩm) trong không khí.

Nhiệt hiện và nhiệt ẩn: Mức tiêu thụ sẽ tốn gấp 5 lần khi chuyển nước thành hơi nước tại cùng nhiệt độ so với thành hơi ở cùng nhiệt độ so với việc làm nóng nước từ trạng thái đóng băng sang nhiệt độ sôi.

Khi một vật có nhiệt đô khác với nhiệt độ môi trường xung quanh, nhiệt sẽ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh. Cũng tương tự, hơi ẩm sẽ chuyển từ các khu vực có mật độ cao hơn sang các khu vực có mật độ thấp hơn.

Xem thêm thông tin về kiểm soát độ ẩm tại bài  Sự rò rỉ và kiểm soát độ ẩm.

Sự dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ

Các công trình bị thất thoát nhiệt hiện ra ngoài môi trường (hay  hấp thụ nhiệt từ môi trường bên ngoài) qua 3 cách cơ bản:

1) Dẫn nhiệt:  Hiện tượng truyền nhiệt giữa các chất tiếp xúc trực tiếp với nhau.

2) Đối lưu: Hiện tượng dịch chuyển khí và chất lỏng do truyền nhiệt. Khi khí và chấy lỏng được làm nóng, nó ấm lên, giãn ra và nổi lên vì nó loãng hơn.

3) Bức xạ: khi sóng điện từ đi qua không gian, nó được gọi là bức xạ. Khi các sóng này (ví dụ từ mặt trời) tiếp xúc vào một vật, chúng truyền nhiệt của mình vào vật đó.

Cách mà bạn trải nghiệm với nhiệt từ ngọn lửa là một vì dụ rất thú vị về hiện tượng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.

• Nhiệt dẫn qua các vật đặt trong lửa như là thanh cời lửa bằng kim loại. Bạn có thể chặn hiện tượng dẫn tới bàn tay bằng cách sử dụng một miếng đệm cách nhiệt.
• Nhiệt bức xạ từ lửa tới vị vị trí của bạn. Bạn có thể tránh hiện hượng bức xạ bằng cách đặt một vật vào giữa bạn và ngọn lửa hay đứng ra xa.
• Nhiệt (và khói) di chuyển ra khỏi ngọn lửa qua không khí. Hướng mà nó di chuyển tùy thuộc vào gió và sự chêng lệch áp suất.

Bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt: hiện tượng truyền nhiệt diễn ra ở tất cả mọi nơi mà chúng ta thấy.

Trong một tòa nhà, dẫn nhiệt cơ bản xảy ra qua một tổ hợp được bao kín, bức xạ nhiệt cơ bản từ mặt trời và đối lưu thường là do gió hay áp lực làm dịch chuyển các luồng không khí.

Các hiệu ứng nhiệt động lực

Mặc dù vẫn giữ nguyên các nguyên tắc chung nhưng việc phân tích dòng nhiệt dưới điều kiện động (thay đổi nhanh chóng) phức tạp hơn rất nhiều sơ với điều kiện tĩnh hay “trạng thái ổn định” (không thay đổi).

Các tác động của việc trữ nhiệt trong vật liệu trở nên được quan tâm hơn rất nhiều dưới điều kiện động. Dưới điều kiện tĩnh, các dòng nhiệt cơ bản là hàm số của chênh lệch nhiệt độ (lực dẫn động) và cản nhiệt (lực cản). Dưới điều kiện động, 02 yếu tố này vẫn quan trọng nhưng việc giữ nhiệt trong một tổ hợp kín trở thành một vấn đề tổng hợp.

Trữ nhiệt là hàm của tỷ trọng vật liệu và nhiệt dung riêng của nó; Kết quả của hai đặc tính này là nhiệt dung (hay khối  nhiệt).

Vật liệu xây dựng hấp thụ hay thất thoát nhiệt suốt thời gian tương ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường xung quanh và các đặc tính trữ nhiệt này sẽ xác định bao nhiêu năng lượng được lưu trữ trong một vật liệu sẵn có và năng lượng đó sẽ được hấp thụ hay giải phóng nhanh như thế nào.

Xem thêm bài Khối nhiệt Thermal Mass.

Các đặc tính nhiệt ẩn

Khi không khí quá ẩm, nó cần được khử ẩm  để đảm bảo sự tiện nghi cho người sử dụng. Việc khử ẩm này đòi hỏi phải loại bỏ nhiệt ẩn và đây là một chức năng vô cùng quan trọng của hệ thống điều hòa thông gió (HVAC).

Mặc dù không phổ biến lắm, đôi khi cần phải thêm độ ẩm vào các tòa nhà trong thời tiết rất lạnh để bù đắp cho khả năng không thể giữ độ ẩm của không khí lạnh. Quá trình bay hơi và  ngưng tụ, mặc dù không thường được liệt kê vào các phương thức truyền nhiệt, nhưng đây lại thể hiện cách chính mà nhiệt ẩn được truyền đi thế nào, một yếu tố quan trọng quyết định sự thoải mái tiện nghi của con người.

Xem thêm bài   Sự rò rỉ và Kiểm soát độ ẩm  Infiltration and Moisture Control  cho thiết kế lớp vỏ tối ưu,  và bài Kiểm soát độ ẩm Humidity Control để biết thêm hệ thống kỹ thuật sẽ kiểm soát yếu tố này thế nào.

Đặc tính truyền nhiệt của vật liệu

Mỗi vật liệu được sử dụng trong lớp vỏ công trình sẽ có các đặc tính vật lý cơ bản quyết định hiệu suất năng lượng như hệ số truyền nhiệt, hệ số cản nhiệt, và khối nhiệt. Hiểu rõ những đặc tính cốt lõi này sẽ giúp bạn lựa chọn đúng các vật liệu để quản lý hiệu quả tải nhiệt và hiệu quả năng lượng công trình.

Hệ số truyền nhiệt (k)

Hệ số về khả năng truyền nhiệt của từng loại chất liệu khác nhau.

Mỗi vật liệu có một tỷ lệ đặc trưng về việc nhiệt sẽ truyền qua nó. Nhiệt truyền qua một vật liệu càng nhanh, thì nó càng có tính dẫn nhiệt cao hơn. Độ dẫn nhiệt (k) là một đặc tính của vật liệu được xác định cho các chất rắn đồng nhất trong điều kiện ổn định.

Nó được sử dụng trong phương trình sau đây:

trong đó

• q = lượng nhiệt truyền qua (Watts)
• k = hệ số truyền nhiệt của vật liệu (W/mK).
• A = diện tích bề mặt (m²)
• ∆T = nhiệt độ chênh lệch giữa 2 bên bề mặt nhiệt truyền qua (K), and
• L = độ dầy của lớp vật liệu (m)

Đơn vị của hệ số dẫn nhiệt K có thể là:

• BTU*in/h ft ºF: trong hệ đơn vị IS Imperial system, Độ dẫn nhiệt là số British thermal units mỗi giờ (Btu/h) truyền qua 1 foot vuông (ft2) của vật liệu có độ dày 1 inch khi chênh lệch nhiệt độ qua vật liệu đó là 1ºF (dưới điều kiện luồng nhiệt ổn định).
• W/m ºC or W/m K: theo Hệ thống đơn vị Quốc tế (SI) tương đương là số watt truyền qua 1 mét vuông (m2) của vật liệu có độ dày 1 mét khi chênh lệch nhiệt độ qua vật liệu đó là 1 K (tương đương với 1ºC) dưới điều kiện luồng nhiệt ổn định.

Hệ số dẫn nhiệt C, (hệ số dẫn nhiệt λ trong QCVN 09:2017/BXD)

Độ dẫn nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích cho một độ dày cụ thể. Được sử dụng cho các vật liệu xây dựng tiêu chuẩn.

Trong các vật liệu xây dựng cơ bản, dòng nhiệt truyền đi thường được đo bằng hệ số dẫn nhiệt C (hay là λ trong QCVN 09:2017/BXD) chứ không phải là hệ số truyền nhiệt K. Độ dẫn nhiệt C là độ dẫn nhiệt của vật liệu trên mỗi đơn vị diện tích cho độ dày của vật (đơn vị là W/m²K trong hệ đo lường SI và BTU/hr•ft2•°F trong hệ đo lường Imperial).

Độ dẫn nhiệt là một đặc tính của vật và phụ thuộc cả vào vật liệu và độ dày của nó. Nhiều vật liệu xây dựng rắn như các loại gạch xây, ván gỗ, vật liệu cách nhiệt bằng bông hoặc tấm và tấm thạch cao thường cố định độ dày theo tiêu chuẩn phổ biến trên một thị trường. Đối với các vật liệu phổ biến thông thường như vậy, sẽ hữu ích hơn khi biết tốc độ truyền nhiệt cho độ dày tiêu chuẩn đó, thay vì giá trị trên mỗi mét độ dầy.

Hệ số truyền nhiệt tổng (U)

Hệ số dẫn nhiệt tổng quát của một thành phần xây dựng. Được sử dụng cho các cấu trúc xây dựng có nhiều lớp.

Trong các cấu trúc có nhiều lớp, các hệ số dẫn nhiệt được kết hợp thành một con số duy nhất gọi là “U-factor” (hoặc đôi khi được gọi là “U-value”).

U-factor và hệ số dẫn nhiệt chuyển đổi độ dẫn nhiệt từ đặc tính vật liệu sang đặc tính của cả một vật. U là hệ số tổng quát về truyền nhiệt, được biểu diễn dưới đơn vị Btu/h ft2 ºF (trong hệ đo lường SI, là W/m2 K). Đây cũng là đơn vị giống như hệ số dẫn nhiệt vì đo lường cùng một yếu tố: hệ số dẫn nhiệt được sử dụng cho một vật liệu cụ thể, U-factor được sử dụng cho một cấu trúc cụ thể. Giá trị U-factor càng thấp, tức là độ dẫn nhiệt càng ít, điều này đồng nghĩa với cách nhiệt tốt hơn.

Ví dụ, U-factor tổng quát của một cửa sổ bao gồm hệ số dẫn nhiệt của các tấm kính, không khí bên trong, vật liệu khung và bất kỳ vật liệu nào khác với các độ dày và vị trí khác nhau. Trừ khi có trường hợp đặc biệt, các hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu không thể được cộng thêm để xác định U-factor của cấu trúc.

U-factor là một hệ số tổng quát về truyền nhiệt và bao gồm tác động của tất cả các thành phần trong một cấu trúc và tất cả các chế độ truyền nhiệt hợp lý (dẫn nhiệt, lưu thông và phát xạ), nhưng không bao gồm truyền nhiệt tiết diện (liên quan đến độ ẩm).

Thuật ngữ U-factor chỉ nên được sử dụng khi luồng nhiệt chảy từ không khí ở phía ngoài vỏ bao, qua hệ thống vỏ bao đến không khí ở phía trong. Nó không nên được sử dụng cho các tường tầng hầm, ví dụ như.

Hệ số truyện nhiệt U và hệ số dẫn nhiệt C chuyển đổi độ dẫn nhiệt từ đặc tính vật liệu thành đặc tính của một vật.

 

Nhiệt trở (R-value = 1/U)

Khả năng cản nhiệt tiếp xúc qua từng lớp vật liệu

Nhiệt trở R (giá trị R), cho biết khả năng cản nhiệt của một loại vật liệu. Nghịch đảo của hệ số dẫn nhiệt, R được đo bằng giờ cần thiết để 1 Btu nhiệt truyền qua 1 ft2 của một độ dày vật liệu cụ thể khi chênh lệch nhiệt độ là 1ºF. Trong hệ thống đơn vị IP, đơn vị được sử dụng là ft2•°F•hr/BTU. Trong hệ thống SI, đơn vị là m²K/W.

Nhiệt trở R đôi khi được liệt kê cho cả độ dày đơn vị và cho một mẫu vật liệu có độ dày đã biết. Ví dụ, nhiệt trở của gỗ thông có thể được cung cấp là 1.0 ft2•°F•hr/BTU trên mỗi inch, hoặc giá trị có thể được liệt kê cho một thanh gỗ thông kích thước 2×6 là 5.5 ft2•°F•hr/BTU. Đối với một vật liệu đồng nhất như gỗ, nhân đôi độ dày sẽ làm tăng gấp đôi giá trị R. Thông thường, giá trị R không được chỉ định cho các cấu trúc kết hợp từ nhiều vật liệu. Hệ số U được sử dụng cho các cấu trúc như vậy.

Khả năng cách nhiệt, ngăn chặn luồng nhiệt truyền qua lớp vỏ bao công trình, thường được đo bằng giá trị nhiệt trở R tổng. Giá trị R cao hơn cho thấy hiệu suất cách nhiệt tốt hơn. Khi xem các bảng thông số kỹ thuật, hãy chắc chắn rằng bạn đọc giá trị R trong các đơn vị chính xác, vì các đơn vị không luôn được viết rõ ràng.

Để biết thêm thông tin về thiết kế với vật liệu cách nhiệt – bao gồm bảng giá trị R các các loại vật liệu phổ biến, hiện tượng cầu nhiệt (thermal bridge) và cách tính giá trị R tổng cho các kết cấu vật liệu, mời ban xem bài Cách nhiệt/Tường

Sử dụng hệ số truyền nhiệt tổng U và nhiệt trở R trên thực tế

Việc sử dụng nhiều thuật ngữ khác nhau để diễn tả các đặc tính dẫn nhiệt làm cho kiến thức trở nên phức tạp. Khi làm việc với các kết cấu xây dựng  có nhiều lớp, việc kết hợp các đặc tính nhiệt vào một con số tổng quát duy nhất là hữu ích để xác định tiêu chuẩn thiết kế vỏ bao.

Đối với vỏ bao toàn bộ tòa nhà, thường được biểu thị dưới dạng hệ số U. Tuy nhiên, cửa sổ thường được biểu thị bằng hệ số U và tường thường được biểu thị bằng giá trị R. Không có quy tắc nghiêm ngặt nào cho điều này.

Việc tính toán hệ số U tổng quát bắt đầu bằng việc cộng tổng các giá trị kháng. Hệ số U được tính toán cho một thành phần cụ thể (mái, tường, v.v.) bằng cách tìm giá trị kháng của từng phần thành, bao gồm lớp không khí và không gian không khí, sau đó cộng tổng các giá trị kháng này để thu được tổng giá trị kháng. Hệ số U là nghịch đảo của tổng (Σ) các giá trị kháng này: U = 1/Σ R.

Để biết thêm thông tin về cách sử dụng giá trị R và hệ số U cho thiết kế vỏ bao, hãy xem trang về Giá trị R tổng quát và hiện tượng cầu nhiệt/Tường

Khối nhiệt

Khối lượng nhiệt là khả năng chống lại sự thay đổi nhiệt độ khi nhiệt được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi vật liệu, và là một yếu tố quan trọng trong tương tác truyền nhiệt động trong một tòa nhà. Có bốn yếu tố cần hiểu là: mật độ, nhiệt dung riêng, khả năng chứa nhiệt và độ trễ nhiệt.

Khối lượng riêng
Vật liệu có khối lượng riêng cao thường lưu trữ nhiều nhiệt hơn.

Khối lượng riêng là khối lượng của một vật liệu trên một đơn vị thể tích. Trong hệ thống đơn vị Imperial, khối lượng riêng được biểu thị bằng lb/ft3; trong hệ thống SI, nó được biểu thị bằng kg/m3. Với một thể tích cố định của vật liệu, khối lượng riêng lớn hơn sẽ cho phép lưu trữ nhiều nhiệt hơn.

Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng cao yêu cầu năng lượng lớn để thay đổi nhiệt độ.

Nhiệt dung riêng là một đo lường về lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một khối lượng vật liệu cố định một độ. Trong hệ thống Imperial, điều này được biểu thị dưới dạng Btu/lb ºF; trong hệ thống SI, nó được biểu thị dưới dạng kJ/kg K. Để tăng nhiệt độ của vật liệu có nhiệt dung riêng thấp, cần ít năng lượng hơn so với vật liệu có nhiệt dung riêng cao.

Ví dụ, một gram nước yêu cầu một calo năng lượng nhiệt để tăng một độ Celsius nhiệt độ. Nước có khả năng chứa nhiệt cao, do đó đôi khi được sử dụng như khối lượng nhiệt trong các tòa nhà.

Khả năng trữ nhiệt (Khối nhiệt)
Khối lượng riêng x Nhiệt dung riêng = Lượng nhiệt có thể trữ trong mõi đơn vị thể tích vật liệu

Khả năng chứa nhiệt là chỉ số của khả năng của một vật liệu để lưu trữ nhiệt theo đơn vị thể tích. Khả năng chứa nhiệt càng lớn, vật liệu có thể lưu trữ nhiều nhiệt trong một thể tích cố định mỗi độ tăng nhiệt độ. Khả năng chứa nhiệt của một vật liệu được tính bằng tích của khối lượng riêng và nhiệt dung riêng. Đơn vị là J/K.

Khả năng chứa nhiệt cao có thể (nhưng không luôn luôn) giảm lưu lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài vào bên trong bằng cách lưu trữ nhiệt trong vật liệu. Ví dụ, nhiệt đi vào một cấu trúc tường trong ban ngày có thể được lưu trữ trong tường trong một vài giờ cho đến khi nó trở lại không khí lạnh của đêm – với điều kiện thời tiết phù hợp và khả năng chứa nhiệt đủ.

Độ trễ nhiệt (Time Lag)
Với khối lượng nhiệt cao, có thể mất nhiều giờ để nhiệt di chuyển từ một mặt của vỏ bên ngoài sang mặt bên trong.

Sự chậm trễ trong việc truyền nhiệt được gọi là “độ trễ nhiệt” (hoặc thời gian trễ), và được đo lường dưới dạng sự khác biệt về thời gian giữa nhiệt độ cao nhất trên bề mặt bên ngoài của thành phần xây dựng và nhiệt độ cao nhất trên bề mặt bên trong. Một số vật liệu, như kính, không có nhiều độ trễ nhiệt. Tuy nhiên, độ trễ nhiệt có thể lên đến tám hoặc chín giờ đối với các công trình có khối nhiệt cao như tường gạch đôi hoặc tường đất nén.

Thời gian trễ và điều chỉnh của nhiệt độ bởi khối nhiệt

Ví dụ, nếu mặt trời ló ra từ sau những đám mây và chiếu vào một vỏ bên ngoài của tòa nhà có khả năng chứa nhiệt cao vào lúc 10 giờ sáng, nhiệt độ bề mặt bên ngoài sẽ tăng nhanh chóng. Tuy nhiên, có thể mất vài giờ cho đến khi “đỉnh” nhiệt độ này xuất hiện trên bề mặt bên trong của tường. Lý do là một phần nhiệt được lưu trữ trong vật liệu tường. Nhiệt này được lưu trữ trong vật liệu tường cho đến khi nó hấp thụ được nhiều nhiệt nhất có thể (đạt tới mức bão hòa). Sau đó, nhiệt sẽ di chuyển vào bên trong, dựa trên khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.

Một ví dụ về độ trễ nhiệt trên quy mô lớn là thực tế rằng tháng nóng nhất ở hầu hết các vùng của bán cầu bắc là tháng 7 hoặc tháng 8, mặc dù mặt trời mạnh nhất trong năm là vào tháng 06.

Thông số của Kính

Trong các bề mặt trong suốt như kính, còn có nhiều yếu tố truyền nhiệt khác cần xem xét.

Truyền nhiệt qua kính bao gồm ba chế độ truyền nhiệt: truyền nhiệt tiếp xúc, truyền nhiệt dạng tia bức xạ, truyền nhiệt đối lưu. Chế độ truyền nhiệt quan trọng nhất luôn thay đổi và phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ môi trường và nội thất, tốc độ gió bên ngoài và lượng và góc chiếu xạ mặt trời tới bề mặt cửa sổ. Khả năng cách nhiệt của cửa sổ thường được đo bằng hệ số U; xem bảng trong trang Các đặc tính của kính. Hệ số U cho một cửa sổ kính chủ yếu là một đại lượng được sử dụng để tính toán phần nhiệt tiếp xúc dẫn qua cửa sổ.

Nhiệt hấp thụ (Abssorbed), phản xạ (Reflected) và truyền qua (Transmitted) một tấm kính

Bởi vì cửa sổ kính cho phép cả ánh sáng nhìn thấy và bức xạ nhiệt đi qua, có một loạt các hệ số kỹ thuật cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Ví dụ, một chỉ số đơn giản được sử dụng để đo lại mức độ truyền nhiệt bức xạ qua cửa sổ khi năng lượng mặt trời chiếu vào cửa sổ được gọi là hệ số truyền nhiệt mặt trời (SHGC). SHGC là một giá trị từ 0 đến 1.0 và là một đại lượng đo lường mức độ % nhiệt truyền qua kính so với một diện cửa không có kính.

Mời bạn xem thêm thông tin trong bài Các đặc tính của kính Glazing Properties.

Tải năng lượng công trình

Các tải năng lượng là lượng năng lượng mà tòa nhà của bạn cần. Những nhu cầu về năng lượng này có thể được cung cấp bằng điện năng qua lưới điện, nhiên liệu hoặc bằng các giải pháp thiết kế thụ động tận dụng từ thiên nhiên. Hiểu về các tải năng lượng của tòa nhà có thể là một chủ đề phức tạp vì có quá nhiều thuật ngữ liên quan cần hiểu rõ.

Hình đồ họa dưới đây có thể giúp bạn hiểu rõ các thuật ngữ này và có cái nhìn tốt hơn về kết quả phân tích hiệu suất của tòa nhà.

Các tải nhiệt là lượng năng lượng sưởi ấm và làm lạnh cần phải được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi tòa nhà để giữ cho người trong tòa nhà thoải mái. Các tải nhiệt đến từ quá trình truyền nhiệt từ bên trong tòa nhà trong quá trình hoạt động của nó (tải nội, hoặc tải từ lõi) và giữa tòa nhà và môi trường bên ngoài (tải ngoại, tải vỏ hoặc tải vải).

Các tải nhiệt này có thể chuyển thành tải sưởi (khi tòa nhà quá lạnh) và tải làm mát (khi tòa nhà quá nóng). Những tải sưởi và tải làm mát này không chỉ liên quan đến nhiệt độ (nhiệt hiện), mà còn bao gồm điều khiển độ ẩm (nhiệt ẩn). (Xem thêm bài Rò rỉ không khí và Kiểm soát độ ẩm)

Các tải sưởi và tải làm lạnh được đáp ứng bởi hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió, sưởi ấm và làm mát), sử dụng năng lượng để thêm hoặc loại bỏ nhiệt. Việc sử dụng năng lượng này tương ứng với thành phần HVAC của tải hệ thống kỹ thuật của tòa nhà (được cung cấp bằng nhiên liệu hoặc điện). Các tải năng lượng khác của tòa nhà bao gồm tải thiết bị (điện sử dụng cho máy tính và thiết bị gia dụng) và tải chiếu sáng (điện sử dụng cho đèn).

Phụ tải nhiệt

Các tải nhiệt là năng lượng mà hệ thống điều hòa thông gió HVAC cần để bổ sung thêm hay loại bỏ đi trong một không gian nhằm mang lại sự tiện nghi cho người cư trú.

Việc lựa chọn hệ thống HVAC hợp lý đòi hỏi phải nắm bắt được các phụ tải sưởi ấm và làm mát bên trong không gian đó.

Các công trình hiệu năng cao cần giảm thiểu tối đa các phụ tải này và đáp ứng yêu cầu của các phụ tải này một cách hiệu quả nhất.

Đặc thù vận hành công trình xác định liệu phụ tải bên trong hay bên ngoài công trình lớn hơn.

Các tải nhiệt bên ngoài nhà

Qua việc nắm bắt được các tải nhiệt của công trình và mục đích sử dụng của nó, bạn có thể sử dụng một cách hiệu quả hơn năng lượng từ mặt trời và từ gió để sưới ấm, làm mát và thông gió thụ động, chiếu sáng công trình và bố trí hệ thống điều hòa thông gió hiệu quả. Thậm chí, bạn còn có thể tạo ra năng lượng ngay tại chỗ nhờ sử dụng chính các phụ tải nhiệt mà đáng ra sẽ đòi hỏi phải tiêu thụ năng lượng.

Phụ tải nhiệt ngoài nhà đến từ hiện tượng truyền nhiệt từ mặt trời và môi trường bên ngoài (và thời tiết) qua lớp vỏ công trình. Lớp vỏ công trình bao gồm tường, mái, sàn, cửa sổ và bất cứ bề mặt nào phân tách bên trong và bên ngoài công trình. Nó cũng bao gồm cả năng lượng sẵn có trong không khí ẩm (xem  nhiệt ẩn và nhiệt hiện).

Một số cách phổ biến dòng nhiệt vào hay ra khỏi công trình là:

• Dẫn nhiệt qua lớp vỏ công trình ra lớp nền hay không khí bên ngoài.
• Ánh sáng mặt trời chiếu qua cửa sổ và truyền nhiệt không gian bên trong: hấp thụ nhiệt mặt trời trực tiếp
• Ánh sáng mặt trời làm ấm bề mặt ngoài của công trình (“Hấp thụ nhiệt mặt trời gián tiếp)
• Thất thoát không khí từ bên trong ra bên ngoài hay ngược lại do rò rỉ hay thẩm thấu.
• Không khí được dẫn vào tòa nhà để cung cấp khí tươi và tạo môi trường thông thoáng hoặc được xả ra từ các ống xả.

Mức năng lượng từ  bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí ngoài trời và nhiệt ẩn trong độ ẩm không khí có thể vào được môi trường bên trong và có ảnh hưởng tới sự tiện nghi của người cư trú phụ thuộc rất nhiều vào chủng loại vật liệu sử dụng cho lớp vỏ công trình, thiết kế mặt đứng và độ kín của lớp vỏ công trình.

Việc nắm bắt được nhiệt năng mất đi và thu được từ đâu trong thiết kế là bước đầu tiên hướng tới những giải pháp thiết kế thụ động thành công.  Khi trời nắng nóng, điều quan trọng là giảm phụ tải từ bức xạ mặt trời bằng các kết cấu che nắng tốt.  Khi lạnh, cần đảm bảo hấp thu được năng lượng bằng những giải pháp nhất định.

Mời bạn xem thêm chủ đề:

• Xem xét đặc tính khí hậu địa phương
• Truyền nhiệt và đặc tính nhiệt
• Rò rỉ không khí và nhiệt ẩn
• Thiết kế che nắng

Tất cả năng lượng chiếu sáng suy cho cùng đều trở thành nhiệt.

Các tải nhiệt trong nhà

Phụ tải nhiệt trong nhà hình thành do lượng nhiệt được sinh ra bởi con người, thiết bị chiếu sáng và các thiết bị khác. Đôi khi chúng được gọi là tải lõi hay hấp thụ nhiệt trong nhà.

Tải nhiệt trong & ngoài nhà

Các công trình có mật độ dân cư cao với cường độ hoạt động lớn và/ hay các trang thiết bị tiêu tốn năng lượng (vd tòa nhà văn phòng) thì phụ tải trong công trình là chủ đạo trong khi các công trình có mật độ dân cư thưa thớt với ít trang thiết bị và các hoạt động (như khu hộ dân cư cá thể) thì phụ tải ngoài nhà là chủ yếu.

Đặc thù vận hành và hình khối  công trình cũng sẽ quyết định tầm quan trọng của phụ tải nhiệt bên trong công trình so với phụ tải bên ngoài như từ mặt trời và gió.

Bảng giá trị từ Starner, T. and Paradiso, J.A., “Human Generated Power for Mobile Electronics,” in Piguet, C. (ed), Low-Power Electronics, CRC Press, Chapter 45, 2004.

Tải nhiệt tỏa ra từ các hoạt động khác nhau của con người

Tải sưởi ấm và làm mát

Các phụ tải nhiệt bên trong và ngoài nhà được chuyển hóa thành các phụ tải sưởi ấm và phụ tải làm mát.

Đây là lượng nhiệt cần để sưởi ấm hay làm mát công trình và để kiểm soát độ ẩm bên trong công trình.

Phụ tải thường được tính là lượng năng lượng cần để đưa vào hay loại bỏ khỏi công trình nhằm giữ nhiệt độ ở một điểm nhất định (điểm đặt).

• Thu nhiệt chính là phần lớn hơn nhiệt tổn thất từ thông gió và vỏ công trình, có thể gây ra phụ tải làm mát thực tế (công trình quá nóng).
• Hao hụt nhiệt chính là phần ít hơn nhiệt bên trong công trình thu được, có thể gây ra phụ tải sưởi ấm thực tế (công trình quá lạnh).
• Điểm đặt sưởi ấm thường khác với điểm đặt làm mát vì thế việc phân bố phụ tải làm mát và sưởi ấm phụ thuộc vào khí hậu.

Biểu đồ tải làm mát và sưởi ấm hàng tháng cho biết nhiệt năng thu được thu và và hao hụt ở đâu.

Một ví dụ về việc phụ tải làm mát và sưởi ấm được thể hiện như qua các biểu đồ cột.

Đối với các phụ tải nhiệt, cần lưu ý tới nhiệt hao hụt và thu được lớn nhất đến từ phụ tải trong hay ngoài nhà.

Cũng cần lưu ý phụ tải ĐỈNH làm mát và sưởi được sử dụng để xác định kích thước thiết bị điều hòa thông gió – HVAC.  Các sơ đồ phân tích năng lượng giúp nhận diện dòng năng lượng mà không phải xác định kích thước thiết bị.  Tuy nhiên, việc sử dụng các công cụ phân tích năng lượng có thể cho phép bạn tính toán và hiểu tốt hơn năng lương sử dụng để có thể  tránh được việc xác định kích thước thiết bị quá lớn và bỏ qua “các quy tắc theo kinh nghiệm” đặc trưng.

Sử dụng năng lượng để đáp ứng tải làm mát và sưởi ấm

Các giá trị trong sơ đồ phụ tải làm mát và phụ tải sưởi ấm nêu trên thể hiện lượng năng lượng sười ấm hay làm mát cần thiết mà không phải là năng lượng thực tế hệ thống điều hòa thông gió HVAC tiêu thụ để đáp ứng tải yêu cầu.

Các hệ thống thụ động giúp giảm nhu cầu năng lượng hay đáp ứng nó một cách tự nhiên. Các hệ thống chủ động sử dụng khí hay điện để xử lý nhiệt và hơi ẩm. Chủng loại và số lượng thì tùy thuộc vào chủng loại của hệ thống và hiệu suất của nó.

Khi sử dụng các hệ thống chủ động, thường nó sẽ cần nhiều năng lượng hơn để đáp ứng phụ tải sưởi ấm so với việc đáp ứng phụ tải làm mát. Vì sưởi ấm chỉ có thể đạt hiệu suất 75% – 95% trong khi làm mát lại có hiệu suất 300% – 1200% đối với việc đưa nhiệt năng ra khỏi công trình. Do vậy tỷ số giữa  làm mát và sưởi ấm trong biểu đồ tiêu thụ năng lượng nhỏ hơn nhiều so với trong biểu đổ phụ tải.

Tương tự, khi tính đến chi phí sẽ nảy sinh mức độ mức tạp khác vì nhiên liệu để sưởi ấm trên mỗi đơn vị năng lượng rẻ hơn rất nhiều so với điện.

Điểm cân bằng

Khái niệm điểm cân bằng của công trình có thể giúp cho nhà thiết kế xác định khi nào cần làm mát và khi nào cần sưởi.

Điểm cân bằng là nhiệt độ ngoài trời mà tại đó công trình chuyển từ nhu cầu sưởi ấm sang nhu cầu làm mát.

Nó được tính toán bằng cách so sánh lượng nhiệt thu được bên trong (từ người, thiết bị …) với lương nhiệt hao hụt bên ngoài (từ sự rò rỉ của công trình …). Nó không phải là nhiệt độ tiện nghi lý tưởng bên trong công trình.

Nó là nhiệt độ mà tại đó lượng nhiệt thu được của công trình cân bằng với hao hụt.

• Nếu nhiệt độ DƯỚI điểm cân bằng, cần phải sưởi ấm.
• Nếu nhiệt độ TRÊN điểm cân bằng, cần làm mát.
• Nếu nhiệt độ tại điểm cân bằng, không cần sưởi hay làm mát vì công trình thu được lượng nhiệt bằng lượng nhiệt hao hụt.

Ví dụ, nếu điểm cân bằng của một công trình là 65 độ và nhiệt độ ngoài nhà là 75 độ, các phương pháp làm mát thụ động như che nắng sẽ là một giải pháp rất hữu hiệu khi đó.

Công trình có lượng nhiệt thu được trong nhà caovà tỷ lệ hao hụt nhiệt thấp (tòa nhà kín và cách nhiệt tốt) sẽ có điểm cân bằng thấp hơn.

Tải chiếu sáng và thiết bị

Các thiết bị chiếu sáng, điều hòa thông gió (HVAC), bình nước nóng và các thiết bị gia dụng đều tiêu thụ năng lượng hoặc là điện năng hoặc là nhiên liệu. Đây là những thiết bị có vai trò quan trọng, cần phải được thừa nhận một cách hợp lý và tối ưu hóa để đạt được một thiết kế công trình có hiệu quả cao; đồng thời đây cũng là các dữ liệu đầu vào vô cùng quan trọng đối với phương pháp mô phỏng phân tích năng lượng toàn bộ công trình.

Các phụ tải thiết bị điện, chiếu sáng, ổ cắm mô tả dưới đây được xác định tùy theo mục đích sử dụng của tòa nhà, cư dân và kế hoạch vận hành.

Nói một cách ngắn gọn là đặc thù vận hành công trình.

Tải chiếu sáng

Phụ tải chiếu sáng là năng lượng được sử dụng để cung cấp cho việc chiếu sáng bằng điện; nó chiếm gần 1/3 nguồn năng lượng sử dụng trong các tòa nhà thương mại tại Mỹ, và thông thường từ  10 – 15% trong các tòa nhà dân cư. Phụ tải trong một công trình thường được nhắc tới với thuật ngữ “Mật độ công suất chiếu sáng”, được đo bằng đơn vị Watt/ m2 (hoặc foot vuông).

Khi quyết định lựa chọn loại sản phẩm chiếu sáng để đưa vào sử dụng, hãy xem hiệu suất (hay hiệu quả chiếu sáng của sản phẩm).

Nguồn sáng có hiệu suất càng cao thì các thiết bị không chỉ giảm phụ tải chiếu sáng mà còn giảm phủ tải làm mát nhưng vẫn mang lại độ sáng quan sát tương đương.

Phụ tải ổ cắm

Phụ tải ổ cắm là điện năng được sử dụng cho các thiết bị khác như máy tính và đồ gia dụng; chúng chiếm tới 20 – 30% phụ tải điện trong các tòa nhà thương mại và 15 – 20% năng lượng gia đình mặc dù các con số này đang ngày càng gia tăng do các thiết bị điện từ phát triển một cách tràn lan.

Phụ tải thiết bị điện đôi khi bao gồm cả “Mật độ công suất thiết bị” (EPD) và đôi khi chúng lại được tách riêng.  Khi thực hiện phân tích công trình, điều quan trọng là nắm được các giá trị đầu vào.

Phụ tải ổ cắm cho một số thiết bị

Tải hệ thống kỹ thuật

Các thiết bị như hệ thống điều hòa thông gió – HVAC và bình nước nóng chính là các phụ tải chính khác bên trong công trình. Nó được tách riêng với phụ tải ổ cắm và được gắn với thuật ngữ “Mật độ công suất thiết bị” được đo bằng đơn vị Watts/m2 hay W/ft2.

Khi quyết định lựa chọn thiết bị sử dụng, cần xem xét bảng đánh giá định lượng của một bên thứ ba hoặc công suất tối đa thể hiện trong bảng hướng dẫn/ thông số kỹ thuật của thiết bị (thường thì không có các thông số về công suất sử dụng trung bình vì nó thay đổi tùy theo tình hình sử dụng).

Ví dụ về phụ tải  bên trong các không gian khác nhau 

Lưu ý rằng thông tin này có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng không gian. (Nguồn: United States Department of Energy)

Đo lường tiêu thụ năng lượng của công trình

Nhờ nhận biết được cách đo năng lượng sử dụng trong công trình, nó sẽ giúp chúng ta đặt ra các mục tiêu tốt hơn về hiệu suất năng lượng. Cường độ sử dụng năng lượng (Energy Use Intensity – EUI) chuẩn hóa năng lượng sử dụng theo diện tích sàn và nó rất hữu ích cho việc xác định các mục tiêu và định chuẩn. Nhưng khi dưới các tác động của môi trường, chúng ta cần xem xét ngược lại “ năng lượng nguồn”. Tương tự, khi đo đạc hiệu suất năng lượng, chúng ta cần biết loại thiết bị/ dụng cụ nào tiêu thụ nhiều năng lượng nhất.

Cường độ sử dụng năng lượng – EUI

Khi so sánh các công trình, chúng ta không chỉ nhắc tới tổng như cầu năng lượng mà còn nói tới “cường độ sử dụng năng lượng (EUI)”.  Cường độ năng lượng đơn giản chỉ là nhu cầu năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích sàn của công trình, thường theo đơn vị m2 hay ft2. Nó cho phép chúng ta so sánh  nhu cầu năng lượng của các công trình có kích thước khác nhau; như thế, chúng ta có thể thấy được công trình nào hoạt động tốt hơn.

Phân tích hiệu quả tiêu thụ năng lượng công trình thông qua chỉ số cường đọ sử dung năng lượng EUI và Chi phí hàng năm

EUI là đơn vị đặc biệt quan trọng trong việc thiết lập định chuẩn và mục tiêu tiêu thụ năng lượng.Cường độ sử dụng năng lượng thường thay đổi nhỏ tùy theo đặc thù vận hành công trình, điều kiện khí hậu và kích thước của công trình. Dựa trên các thông tin của CBECS data – Hoa Kỳ, các biểu đồ dưới đây cung cấp dải cường độ sử dụng năng lượng – EUI mà bạn có thể tham  khảo.

Ví dụ Cường độ sử dụng năng lượng căn cứ theo hoạt động của công trình

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở  tại Hoa Kỳ cho thấy:

• Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.
• Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thu”.
•  Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.

Cường độ sử dụng năng lượng theo diện tích công trình.

Cường độ sử dụng năng lượng theo diện tích công trình: Các công trình lớn có cường độ năng lượng cao hơn các công trình nhỏ, nhưng các công trình nhỏ cũng có thể có cường độ năng lượng cao.​

Bảng có thể download tại đây. Dữ liệu từ 2003 CBECS Survey Data for USA.

Năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn

Điện năng chúng ta tiêu thụ thực tế tại công trình có thể cần nhiều năng lượng đầu nguồn hơn. 1kW năng lượng tại công trình cần 3.3 kW năng lượng nguồn, ở Hoa Kỳ

Cường độ năng lượng chỉ xem xét đến lượng điện năng và nhiệt được sử dụng tại công trường (năng lượng “thứ cấp” hay “tiêu thụ tại công trường”). Nó không tính đến lượng nhiên liệu được tiêu thụ để tạo ra lượng nhiệt hay điện năng đó.

Năng lượng “nguồn” hay ‘sơ cấp” có thể được tạo ra ngay tại công trình hoặc nhà máy điện bố trí từ xa.

1 kW điện năng tại công trình từ tấm pin mặt trời trên mái công trình tương đương 1kW năng lượng nguồn vì các tấm pin mặt trời chình là nguồn năng lượng.

Khi đo năng lượng được sử dụng để cung cấp sự tiện nghi về nhiệt hay quan sát, năng lượng tiêu thụ tại công trình là phương pháp hữu hiệu nhất.

Nhưng khi đo tổng năng lượng sử dụng để đánh giá tác động môi trường, năng lượng nguồn là phương pháp chính xác nhất.

Đôi khi việc sử dụng ít năng lượng tại công trình thực chất gây ra việc sử dụng nhiều năng lượng nguồn hơn.  Ví dụ, 2kW khí tự nhiên được đốt cháy tại công trình để lấy nhiệt có thể không bằng 1kW điện sử dụng tại công trình để cấp nhiệt tương đương khi sử dụng bơm nhiệt.

Tuy nhiên, 1 kW điện từ mạng lưới điện trung thế tương đương với 3.3kW năng lượng nguồn do hiệu suất thấp của máy phát điện sử dụng chất đốt và do lượng hao hụt nhỏ trên đường truyền tải. Nên thực tế, 2kW khí tự nhiên được đốt tại công trình lại tốt hơn cho việc cấp nhiệt.

Bảng: phương pháp đánh giá hiệu suất của EPA’s EnergyStar- Hoa Kỳ đối với việc sử dụng năng lượng nguồn kết hợp

Tiêu thụ năng lượng

Các công trình thương mại và nhà ở sử dụng năng lượng một cách khác nhau. Các công trình thương mại chủ yếu là phụ tải nhiệt bên trong công trình (nhiều người và thiết bị hơn) và sử dụng  chiếu sáng nhiều hơn so với các công trình nhà ở. Các công trình dân cư thường chủ yếu là phụ tải nhiệt ngoài nhà và một tỷ lệ lớn năng lượng được sử dụng để sưởi ấm và làm mát nhằm đáp ứng các phụ tải này.

Biểu đồ Sankey về tiêu thụ năng lượng là một hình ảnh mô phỏng tuyệt vời thể hiện năng lượng đến từ đâu và được đưa tới vị trí nào trong công trình.

Trong mỗi đồ thị Sankey, độ rộng của cột thể hiện số lượng đo được và lưu đồ “đầu nguồn tới hạ nguồn” (thường theo mũi tên).

Trong biểu đồ Sankey thể hiện dưới đây của USDOE, nguồn năng lượng được thể hiện ở bên trài (than đá, khí tự nhiên) và điểm tiêu thụ năng lượng được thể hiện ở bên phải (cấp nhiệt cho phòng, chiếu sáng và các thiết bị).

Chúng ta có thể thấy rõ sự khác biệt giữa năng lượng tiêu thụ và năng lượng nguồn trong biểu đồ bằng mũi tên kéo dài khỏi đỉnh vì một loạt các hao hụt khác nhau.

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở tại Hoa Kỳ

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở  tại Hoa Kỳ cho thấy:

• Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.
• Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thu”.
•  Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình thương mại ở tại Hoa Kỳ

Biểu đồ Sankey đối với sử dụng năng lượng trong công trình nhà ở  tại Hoa Kỳ cho thấy:

• Sưởi ấm chiếm chủ yếu năng lượng sử dụng và cơ bản được đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Đun nóng nước là nguồn tiêu thụ năng lượng thứ 2 và cũng cơ bản đước đáp ứng nhờ khí tự nhiên.
• Chiếu sáng tiêu thụ điện năng nhiều nhất và đứng thứ 3 về tiêu thụ năng lượng cuối cùng.
• Tổn thất đáng kể do truyền tải và chuyển hóa năng lượng từ than đá dùng để sản xuất điện. Nó làm cho tổng “năng lượng nguồn” lớn hơn rất nhiều so với “năng lượng tiêu thu”.
•  Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địa nhiệt và mặt trời chiếm tỷ lệ rất nhỏ so với than đá và khí tự nhiên.

Lớp vỏ công trình

Lớp vỏ công trình

Con người ban đầu đã tạo ra các căn nhà nhằm cung cấp sự thoải mái tiện nghi và bảo vệ con người khỏi các yếu tố tự nhiên bất lợi, và điều này vẫn là mục tiêu chính của các công trình xây dựng. Thiết kế lớp vỏ công trình giúp ngăn chia giữa không gian bên trong và bên ngoài của một tòa nhà hợp lý sẽ giúp đạt mục tiêu này.

Các thành phần của vỏ bao thường bao gồm: tường, sàn, mái, cửa sổ và cửa. Các cửa sổ bao gồm các loại lỗ hở trong kết cấu: cửa sổ, cửa sổ trần, cửa sổ chìa khóa, v.v. Khi thiết kế vỏ bên ngoài của công trình, việc hiểu cơ bản về vật liệu xây dựng và truyền nhiệt sẽ giúp bạn đưa ra quyết định cân nhắc đúng đắn.

Các loại lớp vỏ công trình theo loại hình khí hậu

Một lớp vỏ được thiết kế tốt phải được xem xét phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương. Như đã mô tả trong trang Về khí hậu, có nhiều phân loại khí hậu trên toàn cầu, nhưng tóm tắt dưới đây chỉ ra bốn loại hình khí hậu phổ biến.

Lớp vỏ cho khí hậu khô nóng

Đây là dạng khí hậu kết hợp giữa yếu tô khô và nóng, nhưng thường có sự biến đổi nhiệt độ lớn từ ban ngày đến ban đêm. Do đó, khối lượng nhiệt trên bề mặt bên ngoài của công trình là chiến lược thiết kế quan trọng nhất để làm giảm sự biến động nhiệt độ này. Đối với những vị trí liên tục nóng, việc có trần cao, hành lang che chắn, màu sáng và cung cấp ánh sáng tự nhiên thông qua ánh sáng phản chiếu (không phải ánh sáng mặt trời trực tiếp) là rất hữu ích, như trong phòng họp này tại cung điện thành phố Jaipur. Các sân trong với thông gió tự nhiên và hồ hoặc đài phun nước cũng có thể cung cấp làm lạnh bằng cách bay hơi.

Cung điện City Palace tại Jaipur, Ấn Độ Ảnh: Jeremy Faludi

Lớp vỏ cho khí hậu nhiệt đới

Khí hậu nhiệt đới là dạng khí hậu nóng và ẩm. Do đó, việc ngăn ánh nắng mặt trời và tối ưu hóa thông gió là ưu tiên hàng đầu, đồng thời mái nhà cần được cách nhiệt và có tính phản chiếu—mái nhà cách nhiệt phản chiếu với tường cho gió qua nhưng không để mưa vào là lý tưởng. Mái nhà bằng vật liệu rơm dày và màu sáng trong ngôi nhà truyền thống Papua New Guinea giữ nhiệt độ của ánh nắng mặt trời ra ngoài, trong khi các lỗ thông gió và thanh tre tạo lỗ hổng cho tường và sàn giúp tối đa hóa thông gió tự nhiên. Các vật liệu được sử dụng đều có khối lượng nhẹ để tránh hiện tượng ngưng tụ và sự phát triển của nấm mốc, điều này có thể xảy ra với các vật liệu có khối lượng cao trong khí hậu ẩm ướt. (Lưu ý: Cửa sổ Jalousie thường được sử dụng ở vùng nhiệt đới, nhưng không phổ biến như vậy ở các nơi khác, bởi vì chúng rất thông thoáng gió.)

Căn nhà truyền thống tại Papua New Guinea. Ảnh: Jeremy Faludi

Lớp vỏ cho khí hậu ôn đới

Khí hậu lạnh có số ngày cần sưởi ấm nhiều hơn số ngày làm mát. Do đó, tối đa hóa cách nhiệt là chìa khóa để giữ ấm, cũng như sử dụng cửa sổ để tận dụng ánh sáng mặt trời cho khối lượng nhiệt trong vỏ bên trong công trình (không phải bên ngoài như trong khí hậu khô cằn). Một phần quan trọng của việc có vỏ chắn hiệu quả trong khí hậu lạnh là có một vỏ kín khí, tránh xâm nhập không khí bên ngoài. Ngôi nhà gỗ Phần Lan này có rất ít và rất nhỏ cửa sổ ngoại trừ phía nam, để thu được tối đa nhiệt mặt trời trong khi giảm thiểu thất thoát nhiệt ở những hướng khác. Trước khi có vật liệu cách nhiệt hiện đại, những bức tường gỗ dày như những bức tường này cung cấp khả năng cách nhiệt tốt hơn so với các bức tường bằng ván.

Lớp vỏ cho khí hậu nóng mùa hè lạnh mùa đông

Nhiều khí hậu mùa hè nóng, mùa đông lạnh – temperate ở sâu trong đất liền thực tế có hai dạng thời tiết  cực đoan – lạnh vào mùa đông, nóng và ẩm vào mùa hè. Sự linh hoạt là chìa khóa để thiết kế cho những khí hậu này. Trung tâm Aldo Leopold ở Wisconsin, tòa nhà đầu tiên được chứng nhận LEED với tính năng không gây khí thải carbon, sử dụng những mái hiên sâu để cho phép ánh mặt trời mùa đông thấp chiếu vào qua cửa sổ, làm nóng một lớp bê tông có khối nhiệt cao bên trong, đồng thời chặn ánh mặt trời mạnh mùa hè. Nó cũng sử dụng mái nhà màu sáng và tường màu đậm để phản chiếu ánh mặt trời mùa hè nhưng hấp thụ ánh mặt trời mùa đông. Lớp cách nhiệt bổ sung giữ nhiệt vào mùa đông, nhưng cửa sổ có thể mở giúp làm mát tự nhiên vào mùa hè.

Tòa nhà Aldo Leopold Center tại Baraboo, Wisconsin. Ảnh: Jeremy Faludi

Các Dòng Nhiệt Truyền Qua Lớp Vỏ

Từ quan điểm về lưu lượng năng lượng, vỏ bên ngoài là một sự kết hợp của các lớp với các đặc tính nhiệt và thấm khác nhau. Vỏ bên ngoài có thể bao gồm các màng, tấm, khối và các thành phần được lắp ráp trước. Sự lựa chọn của vỏ bên ngoài được điều chỉnh bởi khí hậu, văn hóa và tài liệu có sẵn. Phạm vi các lựa chọn trong thiết kế vỏ bên ngoài có thể được minh họa bằng hai khái niệm thiết kế đối lập: kết cấu mở và vỏ đóng kín.

Trong khí hậu khắc nghiệt, người thiết kế thường xem vỏ công trình như một vỏ đóng kín và tiến hành tạo các lỗ thông hơi hạn chế và đặc biệt để tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Điều này cũng có thể đúng trong trường hợp có những yếu tố bên ngoài không mong muốn như tiếng ồn hoặc tạo cảnh quan rối mắt.

Khi điều kiện bên ngoài rất gần với điều kiện bên trong mong muốn, vỏ thường bắt đầu như một kết cấu khung mở, với các mảnh vỏ công trình được thêm vào một cách lựa chọn để chỉnh sửa chỉ một số lực tác động từ môi trường bên ngoài.

Dòng nhiệt qua vỏ công trình thay đổi theo mùa (nhiệt luôn luôn chảy từ nhiệt đến lạnh và thường chảy từ công trình ra ngoài vào mùa đông và từ môi trường bên ngoài vào công trình vào mùa hè) và theo đường đi của nhiệt (qua các vật liệu của lớp vỏ công trình hoặc qua không khí bên ngoài đi vào). Những phức tạp này phải được xem xét bởi nhà thiết kế mong muốn đem lại sự thoải mái và hiệu suất năng lượng.

Các bài viết dưới đây sẽ cung cấp thông tin chi tiết hơn về các thành phần vỏ công trình và yêu cầu nhiệt tối thiểu của vỏ công trình cho các khí hậu khác nhau theo định nghĩa của ASHRAE.

Tường

Việc am hiểu và tối ưu hóa truyền nhiệt qua các bức tường là điều rất quan trọng trong thiết kế công trình hiệu quả năng lượng. Ứng dụng khối nhiệt và cách nhiệt cho chiến lược thiết kế thụ động có thể giúp tiết kiệm năng lượng mà các hệ thống/thiết bị tại công trình cần sử dụng.

Vật liệu cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt đóng vai trò ngăn cách hay hạn chế dòng nhiệt qua lớp vỏ công trình. Đối với hầu hết thiết kế công trình xanh, cách nhiệt vô cùng quan trọng bởi nó cho phép giữ nhiệt trong không gian trong khi tránh nhiệt thừa từ bên ngoài.

Để hiểu về cách nhiệt thì điều quan trọng là cần nắm rõ về dòng nhiệt năng. Thiết kế cách nhiệt chủ yếu nhằm ngăn truyền nhiệt qua dẫn nhiệt và bức xạ.

Giá trị R là đại lượng đặc trưng cho khả năng cách nhiệt đối với dẫn nhiệt (R càng cao khả năng kháng nhiệt càng lớn); độ phát xạ là đại lượng đặc trưng cho khả năng cách nhiệt đối với bức xạ (kháng nhiệt càng cao thì độ phát xạ càng thấp và độ phản xạ càng cao).

Dẫn nhiệt là yếu tố chi phối khi các vật liệu được tiếp xúc với nhau; khi có lớp đệm không khí giữa các vật liệu, bức xạ trở nên rất quan trọng. Thông thường cần để ý đến truyền nhiệt đối lưu khi có lỗ hở khí lớn. Các vật liệu cách nhiệt được chia làm hai loại:

• Vật liệu cách nhiệt dạng sợi hoặc xốp– có khả năng ngăn truyền nhiệt qua dẫn nhiệt. Vật liệu loại này có thể là vô cơ (như thủy tinh, bông đá, bông xỉ, đá trân châu hay chất khoáng) hoặc hữu cơ (như cotton, sợi tổng hợp, cork, cao su bọt, hay nhựa Polixetiren).
• Kim loại hoặc màng phản quang hữu cơ – có khả năng ngăn truyền nhiệt bức xạ và hiệu quả khi tiếp xúc với không gian rỗng.

Giá trị R và cách nhiệt (tiếp xúc)

Bảng giá trị R dưới đây từ một số vật liệu xây dựng thông thường.

Bảng R-values cho vật liệu xây dựng thông thường dầy 2.5cm . Dữ liệu từ Wikipedia and Klepper, Hahn & Hyatt.

Giá trị R còn được tính bằng 1 / độ dẫn nhiệt (U), vì vậy dù tăng gấp đôi độ dày của vật liệu cách nhiệt thì khả năng cách nhiệt cũng không thể giảm được một nửa.

Đường cong logarit ngược biểu diễn mối liên hệ giữa độ giảm truyền nhiệt và độ dày vật liệu cách nhiệt

Thay vào đó có phân rã dạng hàm mũ của dòng nhiệt, tại đó là khác biệt đáng kể giữa không có cách nhiệt và cách nhiệt với độ dày 1 inch (hoặc một cm) có thể tiết kiệm được 80% tổn thất nhiệt, trong khi độ dày của vật liệu cách nhiệt tăng từ 1 đến 2 inch chỉ tiết kiệm được một thêm 9%, và từ 9 inches đến 10 inch chỉ tiết kiệm thêm 1%.

Xem thêm thông tin tính toán giá trị nhiệt trở R tại bài Total R-value and Thermal Bridging.

Cách nhiệt sử dụng bề mặt có độ phát xạ thấp (bức xạ)

Trong nhiều trường hợp thì việc tránh truyền nhiệt bức xạ là vô cùng quan trọng – ví dụ như không gian gác mái hay nhà kho, nơi mặt trời nung nóng bề mặt lớp vỏ công trình với cường độ cao.

Trong những trường hợp này, một tấm mỏng làm bằng vật liệu có độ phản xạ cao sẽ có hiệu quả tương đương với tấm dày với nhiều lớp vật liệu cách nhiệt tiếp xúc khác nhau.   Nó được gọi là “rào cản bức xạ”.

Các rào cản bức xạ phải có độ bức xạ thấp (nhỏ hơn hoặc bằng 0,1) và khả năng phản xạ cao (lớn hơn hoặc bằng 0,9), do đó, chúng thông thường là các  vật liệu với bề mặt phản chiếu sáng bóng hoặc có màu trắng.

Cách nhiệt với bề mặt có bức xạ thấp có 1 mặt phản xạ bằng lá chắn bạc

Chúng chỉ có tác dụng giảm truyền nhiệt bức xạ. Chính vì thế, cách nhiệt phản xạ chỉ được sử dụng hiệu quả cho bề mặt cách nhiệt tiếp xúc với ô hở hoặc không khí bên ngoài.

Đối lưu và cách nhiệt

Hiện tượng đối lưu của các dòng chất lỏng (hoặc khí) cũng đóng vai trò truyền nhiệt. Hiện tượng đối lưu không mong muốn qua lớp vỏ công trình có thể dẫn tới tăng nhiệt hoặc mất nhiệt ngoài mong muốn.  Đồng thời, việc giảm thiểu đối lưu của vật liệu trong lớp vỏ công trình thông thường cũng chính là điều giúp cho cách nhiệt trở nên hiệu quả.

Đối lưu diễn ra trong lớp vỏ công trình ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả cách nhiệt của nó. Không khí tĩnh có khả năng cách nhiệt vô cùng tốt, chính vì thế các kết cấu cách nhiệt tốt thường sử dụng các túi khí.  Lí do chính khiến cho vật liệu cách nhiệt dạng bọt có hiệu quả cách nhiệt cao hơn vật liệu cách nhiệt dạng sợi, tấm chính là việc bên trong nó ít diễn ra hiện tượng đối lưu hơn.

Sở dĩ Aerogel (vật liệu xốp tổng hợp siêu nhẹ với nguồn gốc từ một loại gel) là do nó được cấu thành chủ yếu bởi không khí và cấu trúc vi mô của Aerogel đồng thời ngăn cản đối lưu diễn ra bên trong nó. Sản phẩm dạng sợi hoặc xốp ngăn cản hiện tượng đối lưu bằng cách giữ cho không khí ở trạng thái tĩnh bằng các cach như:

• Vật liệu cách nhiệt dạng tấm-sợi bẫy không khí trong các tấm thảm được làm từ vật liệu có độ dẫn nhiệt tiếp xúc thấp như thủy tinh hoặc sợi hữu cơ (lông cừu hoặc polyester)
• Bọt phun mở bẫy không khí dưới dạng các bong bóng bao bọc bởi vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp. Tuy nhiên, không khí vẫn có thể lưu thông từ bong bóng này tới bong bóng khác.
• Bọt phun kín ngăn cản hiện tượng lưu thông không khí bên trong nó, do đó đây là cách tốt nhất để cách nhiệt đối lưu

Các vật liệu cách nhiệt

Mặc dù cách nhiệt có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng thông thường nó có năm dạng vật lý: bông cách nhiệt, bông thủy tinh, cellulose, lăp tấm xốp cứng hoặc lớp phim phản xạ. Mỗi loại được làm để phù hợp với một phần cụ thể của tòa nhà.

1. Tấm vải cách nhiệt

Cách lắp đặt:  Có dạng bông cách nhiệt hoặc cuộn liên tục được cắt bằng tay hoặc cắt gọn phù hợp. Được lấp vào khoảng cách giữa các thanh chắn hoặc dầm.

Vật liệu:  Sợi thủy tinh được sản xuất từ cát và thủy tinh tái chế, và sợi khoáng (vật liệu đá lửa) được làm từ đá bazan và/hoặc vật liệu tái chế từ chất thải nhà máy thép. Thậm chí còn sử dụng cả sợi bông tái chế từ quần jeans. Có sẵn với hoặc không có mặt phủ chống hơi và chống cháy.

Lợi ích: Dễ dàng lắp đặt và phổ biến. Có sẵn các loại có chiều rộng phù hợp với khoảng cách tiêu chuẩn của các thanh chắn tường, dầm trần hoặc sàn.

2. Các vật liệu lấp đầy bằng phun vào khoảng trống

Cách lắp đặt:  Các sợi lỏng hoặc hạt sợi được thổi vào không gian trong tòa nhà bằng cách sử dụng thiết bị khí nén đặc biệt. Chất kết dính được phun cùng với sợi để tránh sự định tinh.

Vật liệu:  Sợi thủy tinh, sợi khoáng (đá lửa) hoặc xenluloz. Xenluloz được làm từ vật liệu thực vật tái chế (như báo) đã được xử lý bằng các chất chống cháy.

Lợi ích: Có thể cung cấp khả năng chống rò rỉ không khí nếu lớp cách nhiệt đủ mật độ dầy cần thiết.

3. Xốp đúc tại chỗ

Cách lắp đặt:  Phun trực tiếp vào các khoảng trống trong tòa nhà, khi đó nó sẽ nở và cứng lại để phủ kín hoàn toàn khoảng trống đó, lấp đầy tất cả các khe hở và góc cạnh.

Vật liệu:  Polyurethane hoặc polyisocyanurate. Một số thương hiệu sử dụng một phần chất liệu sinh học thay vì polyurethane thu được từ nguồn năng lượng hóa thạch. Tuy nhiên, tỷ lệ chất liệu sinh học thường không cao hơn 10 – 15%, vì hiện tại vẫn chưa có sự thay thế dựa trên nguồn năng lượng sinh học thích hợp cho hầu hết các polymer polyurethane

Lợi ích: Nó có thể phủ kín hoàn toàn khoảng trống, giúp giảm thiểu rò rỉ không khí. Một khi bọt phun cứng lại, nó đủ cứng để hỗ trợ chịu lực cho kết cấu. Nó thường có giá trị nhiệt trở R cao và cũng giúp cách âm tốt.

4. Tấm xốp cứng

Cách lắp đặt:  Các bọt nhựa được ép thành tấm hoặc các vật liệu sợi được ép thành tấm. Cũng có thể được đúc thành vỏ ống hoặc các hình dạng ba chiều khác. Tấm xốp cứng cung cấp cả khả năng cách nhiệt và cách âm, và có độ bền với trọng lượng nhẹ. Vật liệu này sẽ ít bị rò rỉ nhiệt nếu nó khớp với vị trí lắp đặt.

Vật liệu:  Polyisocyanurate, polyurethane, polystyrene ép (“XPS”), polystyrene nở (“EPS” hoặc “beadboard”), hoặc các vật liệu khác. Cũng có thể được phủ mặt bằng lá chắn phản xạ bạc thấp hấp thụ nhiệt.

Lợi ích: Nhẹ, cung cấp hỗ trợ chịu lực kết cấu và thông thường có giá trị nhiệt trở R cao. Có thể sử dụng trong các không gian hạn chế như tường ngoại vi, tầng hầm, tường nền và tường cọc, bề mặt bê tông và trần nhà thờ.

5. Phim phản xạ

Cách lắp đặt:  Cuộn lá bạc, tích hợp vào lớp bọc nhà hoặc tích hợp vào tấm cách nhiệt cứng. Những tấm giúp chặn bức xạ nhiệt này thường được đặt giữa các sào mái, dầm sàn hoặc thanh chắn tường.

Vật liệu:  Được sản xuất từ lá bạc nhôm kết hợp với nhiều lớp phủ khác nhau như giấy thủ công, màng nhựa, bong bóng polyethylene hoặc bìa cứng.

Lợi ích: Giúp cản truyền nhiệt bằng bức xạ. Sự kháng lại dòng nhiệt phụ thuộc vào hướng dòng nhiệt – nó hiệu quả nhất trong việc giảm dòng nhiệt xuống. Các tấm phim phản xạ được lắp đặt trong tòa nhà để giảm sự tăng nhiệt mùa hè và mất nhiệt mùa đông. Chúng hiệu quả nhất trong các vùng khí hậu nóng hơn so với các vùng khí hậu mát.

Cách nhiệt di động

Cửa sổ thường cung cấp lượng nhiệt đáng kể vào ban ngày nhưng gây mất nhiệt khó khăn vào ban đêm. Một cách để ngăn chặn điều này là sử dụng cách nhiệt có thể di chuyển, dưới dạng rèm cách nhiệt hoặc bức tường di động, rèm cuốn cách nhiệt nội hoặc ngoại, hoặc–phổ biến nhất–rèm dày.

Rèm thường có một khuyết điểm nghiêm trọng là cho phép dòng chảy không khí xung quanh chúng. Không khí lạnh giữa rèm và cửa sổ sẽ chảy xuống, rơi xuống phía dưới rèm vào phòng, và không khí ấm từ phòng sẽ bị hút từ phía trên rèm vào khoảng không gian giữa rèm và cửa sổ, tạo ra chu kỳ lặp lại. Vấn đề này được giải quyết bằng cách có một tấm phủ kín đầu rèm hoặc “vách ngăn” đóng kín phía trên rèm.

Tấm phủ kín phía trên rèm

Giá trị nhiệt trở R tổng

Để biết được hiệu suất nhiệt thực sự của tòa nhà, bạn cần tính toán giá trị R tổng thể cho các bộ phận như tường, mái, sàn và kính cửa. Giá trị R tổng (hoặc giá trị R tổng thể) của một bộ phận cách nhiệt có thể cao hơn hoặc thấp hơn giá trị R của cách nhiệt, phụ thuộc vào cấu trúc của bộ phận đó. Hiện tượng cầu nhiệt xảy ra khi giá trị R tổng thể thấp hơn giá trị R của cách nhiệt.

Tòa nhà hiếm khi được xây dựng từ một vật liệu duy nhất, vì vậy để xác định giá trị R tổng cần tính đến tất cả các thành phần riêng lẻ. Kháng nhiệt tự thêm vào một cách khác nhau nếu nó nằm trong chuỗi hoặc song song. Đối với các tòa nhà có hiệu suất cao, thường mong muốn giá trị R cao (cách nhiệt tốt).

Thêm lớp cách nhiệt vuông góc với đường truyền nhiệt

Tăng giá trị nhiệt trở R (theo phương vuông góc đường truyền nhiệt)

Khi vật liệu được ghép chồng lên nhau, vuông góc với hướng dòng nhiệt, được gọi là “thêm vào chuỗi”. Một ví dụ của điều này là tường gạch ốp lõm, với hai lớp gạch, một khoảng không khí và 1/2″ (1,2 cm) ván thạch cao, tất cả được xếp hàng.

Nhiệt phải đi qua toàn bộ một vật liệu trước khi đến vật liệu tiếp theo, vì vậy bất kỳ dòng nhiệt nào bị chặn bởi một vật liệu cũng sẽ bị chặn trong quá trình còn lại. Toán học, việc thêm vào chuỗi rất đơn giản: chỉ cần tổng hợp tất cả các trở kháng nhiệt (giá trị R).

Thêm lớp cách nhiệt song song với đường truyền nhiệt

Tăng giá trị nhiệt trở R (theo phương song song với đường truyền nhiệt)

Khi vật liệu được ghép song song với hướng dòng nhiệt, được gọi là “thêm vào song song”. Nhiệt đang được truyền không cần phải đi qua toàn bộ một vật liệu trước khi đến vật liệu tiếp theo; thay vào đó, nó có thể đi theo con đường có trở kháng nhỏ nhất. Một ví dụ của điều này là cửa sổ thông thường trong một tường được cách nhiệt tốt.

Toán học, việc thêm vào song song có nghĩa là giá trị R tổng thể sẽ bằng một chia cho tổng của nghịch đảo của tất cả các giá trị R của các vật liệu riêng lẻ. Một vật liệu dẫn nhiệt cao có thể làm ngắn mạch hoàn toàn các vật liệu cách nhiệt khác và làm giảm giá trị R tổng cả bộ phận.

Cách tính giá trị nhiệt trở R tổng

Tổng giá trị cách nhiệt của một hệ thống bao gồm tất cả các trở kháng của các vật liệu riêng lẻ, bất kể liệu chúng có nằm trong chuỗi, song song hay cả hai. Nếu một số vật liệu nằm song song trong khi những vật liệu khác nằm trong chuỗi, mỗi phần vật liệu song song nên được xem như một lớp riêng biệt, và giá trị R tổng thể của nó được tính toán. Sau đó, tất cả các lớp có thể được tổng hợp lại để tính giá trị R tổng cả hệ thống.

Tốc độ không khí gần như bằng không sát gần bề mặt của một bề mặt kết cấu. Lớp không khí tĩnh giúp cách nhiệt này “gắn liền” với bề mặt kết cấu như là một lớp khí tĩnh giúp cách nhiệt.

Nhiệt trở của lớp không khí tĩnh sát bề mặt kết cấu

Không khí trên bề mặt và giữa các cấu trúc xây dựng đóng vai trò cung cấp tính cách nhiệt. Ngoài cách nhiệt do các vật liệu chính, không khí cung cấp một giá trị cách nhiệt bổ sung và nên được xem xét khi tính toán giá trị R tổng cộng.

Lớp không khí là các lớp không khí tĩnh trên mỗi bên của vỏ bao bên trong và bên ngoài của tòa nhà, và không gian không khí là các không gian không khí trong các cấu trúc xây dựng. Cả hai thành phần này đều có tính nhiệt động học đáng chú ý vì mặc dù thực tế chúng không có vật liệu, chúng có khả năng cách nhiệt hữu ích. Chúng có thể đóng góp đáng kể vào khả năng cách nhiệt của một số bộ phận xây dựng.

Tốc độ không khí gần như bằng không sát gần bề mặt của một bề mặt kết cấu. Lớp không khí tĩnh giúp cách nhiệt này “gắn liền” với bề mặt kết cấu như là một lớp khí tĩnh giúp cách nhiệt.

Các hốc và không gian đệm chứa không khí

Không gian không khí là một khối không gian phẳng chứa không khí hai bên được các yếu tố của hệ thống vỏ bọc (ván ép, gạch, cách nhiệt, v.v.) gắn kết. Như đã đề cập trong phần cách nhiệt, không gian không khí thường được tích hợp vào cấu trúc tường để giúp giảm dòng nhiệt khi có nhiều lớp nằm trong chuỗi.

Không khí có khả năng chống lại dẫn nhiệt cao, nhưng nó gần như không có khả năng chống lại phản chiếu nhiệt, và ít khả năng chống lại dòng nhiệt theo hiệu ứng truyền nhiệt bằng không khí trừ khi nó chỉ giới hạn trong lớp không khí mỏng tiếp xúc với bề mặt. Khi sự truyền nhiệt dẫn, truyền nhiệt bằng không khí và phản chiếu nhiệt xảy ra cùng một lúc, trở kháng nhiệt tổng thể của không gian không khí trở nên độc lập với độ rộng khoảng cách khi nó lớn hơn khoảng 1″ (2,5 cm).

Độ cản nhiệt của một không gian không khí dày có thể tăng bằng cách chia thành nhiều lớp mỏng. Độ cản nhiệt của toàn bộ không gian sau đó là tổng của độ cản nhiệt của các không gian không khí mỏng, cộng thêm độ cản nhiệt của các phân cách. Cửa sổ ba lớp hoặc cửa sổ nhiều lớp cao hơn sử dụng chiến lược này. (Xem Thông số kính)

Chia không gian không khí là hiệu quả nhất khi sử dụng vật liệu phản xạ nhiệt thấp như bạc nhôm để chia không gian vì chúng cũng có thể chặn tia phản chiếu không mong muốn cũng như truyền nhiệt bằng không khí. Điều này hiệu quả nhất khi thêm các lớp theo chuỗi, không phải song song, vì trong trường hợp song song, các vật liệu được sử dụng để chia không gian không khí có thể gây ra những gì được gọi là “cầu nhiệt”.

Rò rỉ nhiệt và hiện tượng cầu nhiệt

Khung cửa sắt thường tạo ra những cầu nhiệt xung quanh các cửa sổ (kính cách nhiệt tốt nhưng khung không cách nhiệt tốt).

Cầu nhiệt (Thermal Bridging) là hiện tượng có một đường dẫn không mong muốn cho dòng nhiệt đi qua, bỏ qua lớp cách nhiệt chính của vỏ bên ngoài của một tòa nhà. Điều này xảy ra khi một chất dẫn nhiệt tốt được đặt song song với lớp cách nhiệt.

Việc đặt một chất dẫn nhiệt tốt song song với lớp cách nhiệt tốt thường dẫn đến hiện tượng cầu nhiệt “thermal bridging” vì nó tạo ra một con đường cho dòng nhiệt đi qua, bỏ qua lớp cách nhiệt chính. Thanh chống bằng thép và khung cửa sắt là những cầu nhiệt phổ biến.

Cách tránh hiện tượng cầu nhiệt là đặt lớp cách nhiệt theo chuỗi với vật liệu dẫn nhiệt, thay vì đặt chúng song song. Ví dụ, bạn có thể đặt lớp cách nhiệt bên ngoài tường thép chứ không chỉ giữa các thanh thép. Điều này đôi khi được gọi là “exsulation” (bên ngoài lớp cách nhiệt) để phân biệt với “insulation” (lớp cách nhiệt).

Việc tránh cầu nhiệt cũng có thể được thực hiện bằng cách tìm giá trị R thấp nhất trong một hệ thống và cải thiện nó. Ví dụ, thay thế khung cửa sắt bằng khung nhựa sợi thủy tinh (fiberglass).

Khung cửa sổ được cách nhiệt

Cầu nhiệt – thermal breaks

Hiện tượng cầu nhiệt “Thermal break” là khi một hệ thống ban đầu sẽ tạo thành một cầu nhiệt được chia thành các mảnh riêng biệt và cách ly bởi vật liệu cách nhiệt tốt hơn. Các hệ thống như vậy được gọi là “thermally broken” (được cách nhiệt). “Thermally improved” (được cải thiện về cách nhiệt) thực hiện cùng điều đó, nhưng với ít cầu nhiệt hơn.

Ví dụ, nhiều khung cửa sắt được chia thành các mảnh riêng biệt sao cho một mảnh kim loại ốp bên ngoài tòa nhà, một mảnh kim loại ốp bên trong tòa nhà và ở giữa là các mảnh nhựa cứng. Nhựa không phải là một chất cách nhiệt tốt như các vật liệu cách nhiệt, do đó vẫn có một số cầu nhiệt xảy ra, nhưng nhựa chịu lực tốt hơn so với chất cách nhiệt.

Hình ảnh hồng ngoại của một ngôi nhà, cho thấy lớp cách nhiệt tốt bị vượt qua bởi cầu nhiệt qua các khung cửa, khung xương tấm tường

Tỷ lệ khung

“Framing Factor” (Hệ số khung xương) là mức độ mà khung xương của một bức tường, mái nhà hoặc sàn giảm giá trị R của lớp cách nhiệt. Đây chỉ là một phần trăm giảm giá trị R. Ví dụ, một bức tường có lớp cách nhiệt R-20 và hệ số khung xương là 25% sẽ có giá trị cách nhiệt tổng thể là R-15. Càng có nhiều thành viên khung xương, hệ số khung xương càng cao. Các hệ thống thanh chống bằng thép thường có hệ số khung xương từ 50% trở lên, trong khi khung xương gỗ thường gần hơn với 25%.

Giống như việc loại bỏ cầu nhiệt bất kỳ, hệ số khung xương có thể được loại bỏ bằng cách đặt lớp cách nhiệt theo chuỗi với khung xương thay vì (hoặc thêm vào) giữa các thành viên khung xương.

Thiết kế cửa sổ

Thiết kế bố trí cửa (cửa sổ, cửa mái, v.v…) đòi hỏi sự chú ý đặc biệt bởi sự đa dạng của các bộ phận công trình hiện có và một số vai trò  quan trọng của cửa sổ.

Có lẽ yếu tố nhiệt là quan trọng nhất do chúng nhận bức xạ mặt trời. Điều này thường có lợi vào mùa đông và bất lợi vào mùa hè. Ngoài ra, mặc dù có nhiều cải tiến đáng kể, cửa kính vẫn thường có giá trị R thấp nhất (hệ số U cao nhất) trong tất cả các bộ phận của lớp vỏ công trình. Cửa sổ và cửa mái đồng thời cũng thu nhận ánh sáng ban ngày cho các công trình và thường cung cấp thông gió theo mong muốn.

Các chỉ số của kính

Những đặc tính tốt của kính rất quan trọng bởi chúng kiểm soát lượng ánh sáng ban ngày, chất lượng ánh sáng và lượng nhiệt hấp thụ từ mặt trời vào trong công trình cùng với các yếu tố khác. Những đặc tính này quyết định rất lớn đến tiện nghi nhiệt và tiện nghi thị giác trong một không gian.

Ví dụ chứng nhận các chỉ số nhiệt của cửa sổ

Cửa là bất kỳ một lỗ mở nào trên lớp vỏ công trình. Khi lỗ mở đó được phủ bằng một bề mặt mờ hoặc trong suốt (như là cửa sổ hay giếng trời) thì nó được gọi là cửa kính. Ba trong số các đặc tính quan trọng nhất của vật liệu, lớp phủ và kết cấu xây dựng  tạo nên cửa sổ, giếng trời, tấm xuyên sáng hay các sản phẩm khác được sử dụng để lấy sáng vào công trình bao gồm:

• Độ dẫn nhiệt (trị số U)
• Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC)
• Hệ số xuyên sáng (Tvis)

Các giá trị phù hợp cho những đặc tính kính thay đổi theo khí hậu, kích cỡ và vị trí của ô cửa . Không có loại kính nào là tốt nhất để sử dụng. Không phải là hiếm khi công trình sử dụng 3, 4 hoặc thậm chí là 5 loại kính có lỗ kích thước khác nhau và tại các chiều cao khác nhau của công trình.

Hệ số dẫn nhiệt U (U-factor)

Đối với các bộ phận vỏ công trình không trong suốt, dòng nhiệt cảm biến do chênh lệch nhiệt độ đi qua cửa sổ và giếng trời là một hàm theo hệ số U. Nó đo lường khả năng cách nhiệt của kính tốt như thế nào hay nói cách khác là kính cách nhiệt kém ra sao.

Hệ số U cho một số loại kính khác nhau

Hệ số U đo lường độ dẫn nhiệt, tốc độ truyền nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích, trên mỗi đơn vị nhiệt độ chênh lệch giữa bên nhiệt độ nóng hơn và bên nhiệt độ lạnh hơn. Theo đơn vị SI là W/(m²K) , theo hệ Anh là BTU/(h°F ft²). Điều quan trọng là phải biết loại đơn vị đang sử dụng. Giá trị R là 1/U. Hệ số U hoặc được đo cho kính (“trung tâm kính”) hoặc cho toàn bộ kết cấu cửa sổ (bao gồm khung và thanh giằng).

Có sự khác biệt đáng kể trong tốc độ dòng nhiệt giữa trung tâm kính, ngoài rìa kính và phần khung của cửa, vì vậy hệ số U của toàn bộ kết cấu cửa sổ là giá trị thường được nhắc đến nhất.  Hội đồng Xếp hạng Sắp xếp Cửa sổ Quốc gia (NFRC) là một cơ quan đáng tin cậy về vấn đề này. Kích thước khoảng không khí giữa các lớp kính, lớp phủ trên kính, khí gas giữa các lớp kính và kết cấu khung tất cả đều ảnh hưởng đến hệ số U.

Ở vùng khí hậu lạnh, giá trị U thấp thường là đặc tính quan trọng nhất của cửa sổ và một quy tắc theo kinh nghiệm là phải tìm các cửa sổ có giá trị U nhỏ hơn hoặc bằng 0,35 (đơn vị Anh). Ở vùng khí hậu ấm hơn, giá trị U thấp thường ít quan trọng hơn hệ số thu nhiệt từ mặt trời vì sự hấp thu trực tiếp bức xạ mặt trời quan trọng hơn sự dẫn nhiệt qua cửa sổ.

Hệ số SHGC

Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời(SHGC) đo lường lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời truyền vào trong công trình là bao nhiêu, so với phần bị phản xạ trở ra. Nhiệt từ mặt trời là bức xạ sóng dài (ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng khác không thấy được).

Đặc tính nhiệt này nhìn chung dựa trên hiệu suất của toàn bộ khối kính chứ không chỉ là kính. Hệ số SHGC phụ thuộc vào loại kính và số lớp kính cũng như màu sắc kính, lớp phủ phản xạ, và phần che của cửa sổ hoặc khung giếng trời.

Nhiệt truyền qua, hấp thụ và phản xạ qua kính

Hệ số SHGC là một số vô thứ nguyên giữa 0 và 1. Về mặt lý thuyết, SHGC có thể dao động từ 0 đến 1; trong đó, 1 thể hiện không có sự kháng lại nào (tất cả nhiệt từ mặt trời sẽ đi xuyên qua) và 0 thể hiện sự kháng lại hoàn toàn (không có bất kỳ lượng nhiệt nào đi vào bên trong). Giá trị SHGC của một sản phẩm thực tế thông thường là từ 0.9 đến 0.2.

Việc chọn đúng hệ số SHGC phụ thuộc vào kích thước và vị trí ô cửa cũng như khí hậu và các yếu tố thiết kế khác. Hệ số SHGC cực kỳ quan trọng đối với khí hậu nắng nóng (nơi mà làm mát là vấn đề về nhiệt nổi trội), và bạn thường phải sử dụng kính có hệ số SHGC thấp (dưới 0.4). Các công trình ở khí hậu lạnh thường phải có hệ số SHGC cao hơn để cho phép sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thụ động và nhằm giảm phụ tải sưởi ấm.

Hệ số SHGC đối với kính không tráng, không phủ màu thông thường có thể là 0.9  trong khi giá trị của nó có thể thấp đến 0.25 hay thậm chí 0.15 đối với một số loại kính đặc biệt. Đối với kính lọc quang phổ, hệ số SHGC có thể độc lập với sự truyền ánh sáng nhìn thấy. Tỉ số giữa ánh sáng và nhiệt hấp thụ mặt trời được sử dụng để đo lường hiệu quả của kính lọc quang phổ và là hệ số xuyên sáng được chia cho hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời.

Hệ số xuyên sáng (VLT)

Nhiệm vụ của cửa sổ là đóng vai trò làm nơi để ánh sáng truyền qua. Phần trăm ánh sáng nhìn thấy đi qua một cửa sổ hay bộ kính khác được gọi là hệ số xuyênsáng (Tvis hoặc VLT). Một bức tường mờ sẽ có Tvis là 0%, trong khi một lỗ trống sẽ là 100%; nhiều kính không phủ màu và vật liệu nhựa có Tvis là 90% hoặc hơn. Tvis không đo lường ánh sáng sóng ngắn như UV hay ánh sáng sóng dài như hồng ngoại – mà chỉ là ánh sáng nhìn thấy được.

Nhiều ánh sáng quá cũng không tốt bởi nó có thể gây ra chói và quá nóng. Phủ màu, nấu chảy và tráng có thể được chọn để sản xuất ra bất kỳ Tvis nào; giá trị thông thường là 30 – 80%.

Tvis bị ảnh hưởng bởi màu của kính (kính trong có Tvis cao nhất) cũng như bởi các lớp phủ và số lượng kính. Tvis có thể chỉ phản ánh riêng phần kính của một bộ kính hoặc  cả kính và khung.

Việc biểu diễn phù hợp sẽ phụ thuộc vào mỗi đặc thù phân tích; trong bất kỳ trường hợp nào, các giá trị không thể so sánh được không nên được so sánh. Tất cả các giá trị Tvis đã được NFRC chứng nhận thì có thể so sánh trực tiếp.

Đặc tính thích nghi

Một số hệ thống kính cải tiến có thể thay đổi hệ sốxuyên sáng, hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời, và các đặc tính khác.

Màng phim tinh thể lỏng LCD

• Các cửa sổ tinh thể lỏng thay đổi từ trong đến mờ hay tối khi một điện áp được áp dụng bằng một hệ thống điều khiển, nâng cao sự riêng biệt nhưng không làm thay đổi sự hấp thu nhiệt từ mặt trời của chúng.
• Lớp phủ nhiệt sắc chuyển từ sáng sang tối ở nhiệt độ cao (thông thường khi bị chiếu bởi ánh sáng trực tiếp), làm giảm Tvis và SHGC.
• Lớp phủ đổi màu chuyển từ sáng sang tối khi bị chiếu sáng; nhiều loại mắt kính sử dụng đặc tính này.
• Lớp phủ điện sắc thay đổi từ sáng sang tối khi một điện áp được áp dụng bởi một hệ thống điều khiển, cũng làm giảm thiểu hệ số Tvis và SHGC.

Các chỉ số khác

Một số chỉ số/ yếu tố quan trọng khác cần xem xét với cửa sổ hay những ô cửa khác là hệ số thâm nhập,  góc phân bố ánh sáng, sự ngưng tụ và âm học.

Rò rỉ khí  là không khí rò rỉ qua khung của một bộ kính. Việc làm chặt bộ kính có thể tăng giá trị U hiệu quả lên 10% hoặc hơn.  Hệ số rò rỉ tiêu chuẩn là 0.3 CFM/ft2 (0.0015 m/s) trong khi bộ kính chặt có thể thấp xuống 0.02 (0.0001) hay ngay cả 0.01 CFM/ft2 (0.00005 m/s).

Góc phân bố ánh sáng là hướng ánh sáng được truyền vào trong công trình. Cửa sổ thông thường cho phép ánh sáng đi thắng, trong khi các bộ kính cải tiến có thể phản xạ lại ánh sáng theo các góc khác nhau, hay truyền phân tán khắp phòng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với giếng trời.

Sự ngưng tụ có thể xuất hiện trong các bộ kính khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn từ bên trong ra bên ngoài. Ngoài việc khó nhìn, nó có thể gây ra nấm móc không có lợi cho chất lượng không khí trong nhà. Các bộ kính tốt kiểm soát được sự ngưng tụ.

Tiêu âm rất có ích vì kính thông thường truyền âm nhiều hơn tường. Tiếng ồn có thể là vấn đề đối với công trình ở các khu vực ồn ào. Một số bộ kính có sự tiêu âm tốt hơn các loại khác, đặc biệt các kết cấu kính nhiều lớp mà khung của chúng sử dụng độ dày kính khác nhau và các lớp vật liệu khác nhau.

Cửa sổ hiệu quả năng lượng

Bài viết dưới đây cho thấy tác dụng của lớp low-E là giúp ngăn cản cho bức xạ hồng ngoại bước sóng dài và có ảnh hưởng tới giá trị truyền nhiệt U của kính. Lớp low-E thường có ý nghĩa với khí hậu lạnh cần cản các bức xạ nhiệt từ lò sưởi và các thiết bị… từ trong nhà ra ngoài trời. Còn lớp phủ chọn lọc quang phổ bức xạ mặt trời giúp cho ánh sáng tự nhiên đi vào và cản bức xạ mặt trời ở ngoài thường sẽ quan trọng với khí hậu nóng cần cản nhiệt sóng ngắn của bức xạ mặt trời vào trong nhà.

Cửa sổ hiệu quả năng lượng tích hợp các lớp: lớp phủ low-E, lớp màn chọn lọc tỷ lệ truyền sáng, lớp khí trơ giúp tăng cách nhiệt có thể mang lại hiệu suất năng lượng cao hơn. Hiệu ứng chúng của những lớp tích hợp vào kính này này là giảm hệ số truyền nhiệt U, và sự lựa chọn đúng các lớp lắp đặt và tính năng tương ứng phụ thuộc vào các mục đích và ứng dụng cụ thể.

Hệ số dẫn nhiệt U (U-factor)

Giá trị truyền nhiệt U có thể được giảm bằng cách giảm sự truyền nhiệt đối lưu bởi các lớp không khí di chuyển tiếp xúc với bề mặt kính. Cách đơn giản nhất để làm điều này là ngăn chia giữa lớp không khí bằng cách thêm nhiều tấm kính hơn. Các tấm cứng bên trong giữa các lớp không khí chỉ cần là lớp màng mỏng, chỉ có hai tấm kính ngoài cùng là vật liệu kính.

Cấu trúc cửa sổ với trân không và khí trơ để giảm sự lưu thông nhiệt giữa các tấm kính cửa sổ bởi truyền nhiệt đối lưu.

Không khí giữa các tấm kính có thể được thay thế bằng khí trơ như Argon hoặc Krypton, cả hai loại khí trơ này đều giảm dẫn nhiệt và sự chuyển động nhiệt lưu. Sử dụng khí trơ như argon hoặc krypton giữa các lớp kính mang lại lợi ích về cách nhiệt. Các khí trơ này giúp giảm đáng kể sự truyền nhiệt bằng nhiệt đối lưu khi các không khí chuyển động đối lưu, giúp tạo ra hệ số truyền nhiệt U thấp hơn. Kết quả là bề mặt trong của kính được duy trì ở nhiệt độ gần giống với nhiệt độ trong nhà, mang lại sự thoải mái cao hơn (do lưu lượng nhiệt phản chiếu đến hoặc từ bề mặt cửa sổ được giảm) và giảm khả năng ngưng tụ trên bề mặt bên trong.

Lớp phủ Low-E

Lớp phủ low E là gì?

Hiệu suất cách nhiệt của cửa sổ và cửa trần thường có thể được cải thiện bằng cách sử dụng lớp phủ Low-Emittance (low-E) trên bề mặt kính của chúng.

Các lớp phủ low-E là các lớp mỏng không nhìn thấy bao gồm các hạt kim loại hoặc ôxit kim loại được phủ lên bề mặt kính của cửa sổ và cửa trần.

Có hai phương pháp để cung cấp các lớp phủ low-E:

• Lớp phủ cứng (hard-coat): bền, giá rẻ hơn nhưng hiệu quả nhiệt học thấp hơn.
• Lớp phủ mềm (soft-coat): hiệu suất nhiệt học tốt hơn nhưng đắt hơn và dễ bị oxy hóa trong giai đoạn sản xuất.

Các lớp phủ này thường được áp dụng lên một bề mặt kính hướng vào không gian không khí giữa các lớp kính. Một lớp phủ low-E chặn một lượng lớn truyền nhiệt phản chiếu giữa các tấm kính, giảm luồng nhiệt tổng thể qua cửa sổ và cải thiện hệ số U. Thực tế, một lớp phủ như vậy gần như có hiệu quả tương đương việc thêm một lớp kính khác. Một lợi ích quan trọng khác của các lớp phim này là giảm truyền tia tử ngoại (UV), từ đó giảm quá trình phai mờ của các vật và bề mặt trong các phòng.

Cấu hình Lớp phủ Low-E và Truyền nhiệt

Lớp phủ Low-E trên kính hoạt động như một gương phản xạ: nhiệt tới bề mặt Low -E bị phản xạ lại quay ngược trở lại không đi tiếp được nữa. Bề mặt nào được phủ bằng lớp Low-E được lựa chọn dựa trên điều kiện khí hậu.

Việc sử dụng dự định của cửa sổ trong tòa nhà nên quyết định bề mặt nào sẽ được áp dụng lớp phủ Low-E. Có nhiều cấu hình khác nhau. Một số nhà sản xuất chỉ đặt lớp phủ Low-E trên bề mặt #2 do lo ngại về việc cửa sổ không được kín khít

Trong cửa sổ nhiều lớp, cơ chế truyền nhiệt chính sẽ là truyền nhiệt từ tấm kính nóng hơn tới tấm kính mát hơn. Bằng cách phủ một lớp Low -E lên một trong các bề mặt kính, giúp nhiệt không đi qua mà quay ngược trở lại nên giúp chặn một lượng đáng kể bức xạ nhiệt qua kính. Khi đó tùy theo mục đích điều kiện khí hậu nóng hay lạnh, cần giữa lại nhiệt trong nhà hay không cho nhiệt đi vào trong nhà mà sẽ xử lý phun lớp Low-E hướng vào trong nhà hay hướng ra phía ngoài của nhà.

Có ba loại lớp phủ Low-E phổ biến:

• Low-E High-transmission: Trong khí hậu lạnh ôn đới, có nhu cầu sưởi cao, nhiệt cần được chặn lại không cho thất thoát từ trong nhà ra ngoài trời, lớp phủ Low-E nên được phủ trên bề mặt hướng ra phía ngoài của nhà của tấm kính bên trong (bề mặt số #3). Đây là phương án thiết kế sưởi ấm thụ động hợp lý cho những nơi cần kính có hệ số U thấp với SHGC cao. Trong trường hợp này, lớp phủ ngăn chặn tia hồng ngoại ra ngoài mà nếu không sẽ bị thất thoát. Để tránh cho ngôi nhà bị quá nóng vào mùa hè thì cần các thiết bị che nắng bên ngoài.

• Low-E Selective-transmissionTrong trường hợp mà sưởi ấm vào mùa đông và làm mát vào mùa hè đều quan trọng, khi đó cần có yêu cầu hệ số U thấp và SHGC thấp, nhưng có hệ số xuyên sáng VLT tương đối cao để đảm bảo đủ ánh sáng ban ngày. Lớp phủ được đặt trên kính phía bên ngoài, nơi nó có thể ngăn không cho tia hồng ngoại vào trong nhà, sau đó nhiệt được lưu thông qua không khí ra ngoài trời.

• Low-E Low-transmission: Trong khí hậu nơi nhu cầu làm mát cao và ánh sáng mặt trời là mối đe dọa, khi đó cần có yêu cầu hệ số U thấp, SHGC thấp và hệ số xuyên sáng VLT không cần quá cao. Một lần nữa, lớp phủ Low-E được đặt trên kính phía bên ngoài, giúp nó cản bức xạ mặt trời vào nhà. Với việc sử dụng kính bên ngoài là kính mầu thì hệ số SHGC và VLT có thể còn thấp hơn.

Lưu ý rằng vị trí chính xác của vật liệu Low-E không quan trọng bằng việc sử dụng vật liệu Low-E từ đầu. Bảng dưới đây cho thấy các giá trị U cho các cấu trúc kính khác nhau. Như có thể thấy, việc thêm lớp phủ Low-E cải thiện hệ số U (xem bài viết các thuộc tính của kính) của cửa sổ, từ đó tạo ra hiệu suất tốt hơn.

Việc sử dụng dự định của cửa sổ trong tòa nhà nên quyết định bề mặt nào sẽ được áp dụng lớp phủ Low-E. Có nhiều cấu hình khác nhau. Một số nhà sản xuất chỉ đặt lớp phủ Low-E trên bề mặt #2 do lo ngại về việc cửa sổ không được kín khít

Cầu nhiệt qua khung kính

Giá trị U cũng có thể được giảm bằng cách giảm khả năng dẫn nhiệt của các vật liệu trong hệ thống kính như khung kính, các lớp không khí. Như đã đề cập ở trên, các khí có mật độ cao như Argon giúp làm tăng khả năng cản nhiệt so với không khí. Quan trọng hơn, khung cửa sổ không nên làm rò rỉ nhiệt do khả năng cách nhiệt kém.

Khung cửa bằng vật liệu gỗ hoặc sợi thủy tinh sẽ dẫn nhiệt ít hơn so với khung cửa kim loại. Cấu trúc khung của cửa sổ và các bộ phận kính khác có thể gây mất nhiệt đến mức giá trị U tổng thể của một đơn vị có thể gấp đôi hoặc gấp ba lần giá trị U “ở trung tâm của kính”. Do đó, việc sử dụng giá trị U tổng bao gồm cả khung kính rất quan trọng.

Khung cửa sổ cách nhiệt

Lớp chọn lọc các sóng bức xạ mặt trời qua kính

Bạn cũng có thể kiểm soát những bước sóng ánh sáng truyền qua kính vào không gian phòng. Các cửa sổ có tính năng “chọn lọc quang phổ” cho phép ánh sáng nhìn thấy có thể đi qua trong khi chặn hầu hết các bước sóng khác, chẳng hạn như hồng ngoại và/hoặc tia tử ngoại. Chúng có chỉ số VLT (Tvis) cao mà không có tổng truyền sáng cao. Bức xạ tia tử ngoại có thể làm phai màu và làm hư hỏng các bề mặt và đồ nội thất bên trong. Bức xạ hồng ngoại làm tăng nhiệt độ phòng và thường không mong muốn trong khí hậu nóng và ấm.
Cửa sổ chọn lọc quang phổ mặt trời có thể chặn một số bước sóng ánh sáng. Các lớp phủ này cho phép hầu hết các bức xạ mặt trời đi vào trong dải sóng ánh sáng có thể nhìn thấy và gần hồng ngoại (ngắn). Vật thể ấm trong một căn phòng phát ra bức xạ hồng ngoại xa (dài). Bức xạ hồng ngoại này được phản chiếu trở lại trong phòng bởi lớp phủ chọn lọc.
Các lớp phủ chọn lọc quang phổ mặt trời thường được cung cấp dưới dạng các tấm riêng lẻ có thể được chèn giữa các tấm kính khi chế tạo toàn bộ cửa sổ. Như một tấm riêng lẻ, lớp phủ chọn lọc có thể được áp dụng lên các cửa sổ hiện có – ví dụ như giữa cửa sổ bảo vệ và cửa sổ thông thường.

Các cửa sổ chọn lọc quang phổ có thể chặn một số bước sóng ánh sáng.

Cách bố trí và diện tích ô cửa

“Ô cửa” đề cập đến bất cứ nguồn ánh sáng tự nhiên nào, gồm có cửa sổ, giếng trời, các lỗ mở và bất cứ bề mặt trong suốt hoặc mờ khác. Cách bố trí và diện tích ô cửa rất quan trọng bởi vì việc sử dụng khéo léo cửa sổ và giếng trời có thể mang lại tiện nghi nhiệt và thị giác thụ động, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.

Tham khảo thêm bài Chiếu sáng tự nhiên và Làm mát và sưởi ấm thụ động.

Diện tích ô cửa Chiếu sáng mặt bên

Ô cửa lớn hơn không hẳn là tốt hơn. Chúng có thể gây ra tổn thất nhiệt hay hấp thu nhiệt quá lớn hoặc quá sáng và chói. Lưa chọn kích thước ô cửa hợp lý (“kích thước hợp lý”) là yếu tố quyết định. Một trong những thước đo ô cửa là tỉ lệ kính trên tường (WWR):

Tỉ số diện tích cửa sổ – tường = Diện tích thực của kính / Tổng diện tích tường

Trong đó, “diện tích thực của kính” chỉ tính phần trong suốt của cửa sổ, không tính song cửa hay khung cửa (thường thì diện tích thực của kính chiếm khoảng 80% tổng diện tích cửa sổ), và “tổng diện tích tường” tính theo chiều cao tường mặt ngoài . Một nguyên tắc chung cho thấy rõ tỉ số cửa sổ và tường nên thấp hơn hoặc bằng 40% để bảo đảm cách nhiệt cho vùng khí hậu lạnh, mặc dù ngày càng có nhiều cửa sổ cải tiến có giá trị R lớn hơn (giá trị U thấp hơn) cho phép tỉ số lớn hơn.

Ở những vùng khí hậu ấm, tỉ số lớn hơn vẫn chấp nhận được ngay cả cửa sổ không được cách nhiệt tốt, miễn là cửa sổ được che chắn tốt để tránh nhiệt mặt trời.

Các tỉ số cửa sổ và tường khác nhau và độ chiếu sáng tương ứng

Một thước đo khác cần được chú ý nhằm lựa chọn kính phù hợp từ cửa sổ bên là tỉ số cửa sổ và sàn (WFR).

Nguyên tắc tính ngưỡng chiếu sáng mặt bên đó là tỉ số cửa sổ và sàn, nhân cho hệ số truyền ánh sáng thấy được (VLT hay Tvis) của cửa sổ, nên là:    0.15 < VLT x WFR < 0.18

Diện tích ô cửa chiếu sáng trên mái

Lấy sáng qua ô cửa trần mang lại nhiều ánh sáng hơn so với chiếu sáng qua ô cửa mặt bên, do đó cần ít diện tích hơn. Tương tự với tỉ số diện tích cửa sổ – tường, ở đây sử dụng tỉ số diện tích giếng trời – mái (SRR), là tỷ lệ diện tích thực của kính chia cho tổng diện tích mái. Nguyên tắc chung đó là SRR phải nằm trong khoảng 3% – 6%.

Giếng trời hình ống đòi hỏi tỉ số SRR thấp hơn nhiều so với giếng trời truyền thống, chỉ xấp xỉ 1% – 2%.

Có thể dùng công thức đơn giản sau dể tính một giếng trời hình chữ nhật:

Diện tích của một giếng trời = (Chiều cao sàn đến trần x 1.5)2xSRR

Cách lựa chọn kích thước phù hợp. Trước tiên lấy SRR bằng 5% và hiệu chỉnh dựa vào khí hậu và công năng công trình. Ví dụ với trần cao 12’ và tỉ số giếng trời và mái là 5%, kích thước phù hợp của giếng trời sẽ xấp xỉ: (12 x 1.5)2 x 5% = 16.2 ft2.  Do đó, nên sử dụng giếng trời kích thước 4’x4’ hay 8’x2’ để phân bố ánh sáng tốt.

Tuy nhiên, diện tích ô cửa không phải là tất cả. Kích thước ô cửa phù hợp phụ thuộc vào vị trí của nó trong công trình, hướng của công trình và những đặc tính của kính.

Che nắng

Che nắng là việc sử dụng các yếu tố công trình nhằm tránh ánh sáng mặt trời trực tiếp nhằm tránh hấp thu quá nhiều ánh sáng hay nhiệt mặt trời. Chuyển hướng ánh sáng là việc sử dụng các yếu tố công trình để đưa ánh sáng đến những vị trí mong muốn ánh sáng nhiều hơn trong công trình.

Tấm che bên trong có thể làm tăng tiện nghi thị giác nhưng không chắn được nhiệt hấp thu mặt trời.

Che nắng là một tập hợp các chiến lược nhằm đạt được tiện nghi thị giác và tiện nghi nhiệt. Như vậy, hiệu quả che nắng chính bằng hiệu quả tổng hợp của tiện nghi thị giác và tiện nghi nhiệt.

Các chiến lược che nắng bao gồm ô văng, mái hắt và tấm chắn dọc. Chiến lược chuyển hướng ánh sáng bao gồm kệ hắt sáng và các vách hướng ánh sáng. Tất cả các chiến lược này có thể thiết kế bên ngoài hoặc bên trong công trình và có thể cố định hay di động.

Một số kết cấu có cả hai công năng chắn nắng và chuyển hướng ánh sáng cùng lúc. Cả hai yếu tố tiện nghi thị giác và tiện nghi nhiệt phải được xem xét đồng thời khi thiết kế các kết cấu này bởi vì chúng có thể tác động đến cả hai yếu tố.

Các chiến lược thiết kế chắn nắng thông dụng

Che nắng thích ứng

Chắn nắng có thể được thiết kế sao cho ánh sáng mặt trời và nhiệt có thể đi vào công trình tại một số thời điểm trong năm và ngăn cản chúng ở các thời điểm khác.

Phương pháp đơn giản nhất là sử dụng ô văng nằm ngang cố định với chiều rộng được thiết kế sao cho che chắn được trong suốt các tháng mùa hè khi mặt trời ở vị trí cao và cho phép ánh sáng mặt trời vào phòng trong các tháng mùa đông khi mặt trời ở vị trí thấp.

Ô văng che nắng vào mùa hè nhưng cho phép hấp thu nhiệt vào mùa đông

Thiết kế chắn nắng thích ứng bằng cách cho nó di động – vận hành thủ công hay điều khiển tự động.

Những hệ thống như vậy có thể điều chỉnh để phản ứng tốt, nhưng chúng hơi đắt tiền và cần phải được bảo dưỡng và sữa chữa qua các năm.

Hệ thống vận hành bởi người dùng cần có sự huấn luyện và thường không được sử dụng đúng cách.

Rò rỉ và kiểm soát độ ẩm

Nước cũng có thể đi vào công trình qua lớp vỏ – ở trạng thái lỏng và hơi. Sự rò rỉ không mong muốn có thể là nguyên nhân chính cho vấn đề này. Điều này phụ thuộc vào sự di chuyển của hơi nước. Cần phải giải quyết vấn đề hơi nước bằng hệ thống kiểm soát khí hậu thông qua việc sử dụng năng lượng (được gọi là nhiệt ẩn).

Sự rò rỉ gây ra tổn thất nhiệt lớn bởi vì độ ẩm không mong muốn (nhiệt ẩn) phải được tách khỏi không khí.

Rò rỉ không khí

Sự rò rỉ là khi không khí xâm nhập hay thoát ra ngoài công trìnhdo các khe hở trong lớp vỏ công trình, và/hoặc giữa tấm cách nhiệt và khung của công trình. Điều này cho phép không khí bên ngoài không bị cách ly và làm mát hay làm nóng đối lưu với không gian bên trong.

Sự rò rỉ có thể là một vấn đề lớn – theo Sở Năng lượng Mỹ ước tính trên 40% tổn thất nhiệt ở nhà dân dụng là do sự rò rỉ gây ra. Môt lý do nữa khiến ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ đó là hơi ẩm trong không khí gây ra sự khó chịu và việc tách ẩm rất tốn năng lượng (nhiệt ẩn).

Các công trình ở vùng khí hậu lạnh rất nhạy cảm với sự rò rỉ do không khí bên ngoài. Các công trình ở vùng khí hậu ôn hòa và/hoặc có tải bên trong công trình cao thường nhạy cảm với sự rò rỉ ít hơn, và có thể tiết kiệm năng lượng cho làm mát nhờ thông gió tự nhiên từ  rò rỉ.

Các công trình ở vùng khí hậu nóng tương đối nhạy cảm với sự rò rỉ do sự khác biệt giữa nhiệt độ thấp bên ngoài và bên trong.

Các hệ thống điều hòa không khí tòa nhà thương mại thường được thiết kế với áp lực dương, nghĩa là sự rò rỉ sẽ bị giảm đi khi các hệ thống này hoạt động.

Kiểm soát độ ẩm

Để khử ẩm cần phải loại bỏ nhiệt ẩn và đây là một chức năng quan trọng của các hệ thống HVAC. Thiết kế thừa tài điều hòa có thể gây vấn đề nghiêm trọng trong việc kiểm soát độ ẩm không khí. Xem thêm về Kiểm soát độ ẩm và thiết kế thừa tải hệ thống điều hòa không khí

Vào mùa hè, hơi ẩm thường xâm nhập vào công trình có điều hòa không khí  làm tăng độ ẩm và đòi hỏi phải được khử ẩm. Vào mùa đông, không phải lạ khi phải thêm hơi nước vào không khí trong phòng nhằm giữ độ ẩm tương đối không bị giảm quá thấp. Điếu này thường được thực hiện bằng cách cho bay hơi nước bằng cách thêm vào nhiệt ẩn hóa hơi.

Ở một vài kiểu khí hậu và dạng công trình, giải quyết nhiệt ẩn có thể là một vấn đề lớn tương tự như vấn đề giải quyết nhiệt hiện.

Kiểm soát độ ẩm

Sự chênh lệch áp suất bay hơi là lực tác động từ dòng ẩm đi qua các hệ thống lớp vỏ công trình nguyên vẹn, cùng với dòng không khí  mang theo hơi ẩm lọt qua đó các khe hở trong lớp vỏ công trình.

Sự chênh lệch áp suất bay hơi  liên quan đến dòng nhiệt ẩn trong khi sự chênh lệch nhiệt độ liên quan đến dòng nhiệt hiện.

Tính dẫn của vật liệu xây dựng là nhiệt ẩn tương đương của sự dẫn nhiệt hiện. Vật liệu càng có khả năng dẫn thấp càng có khả năng cao chống lại dòng hơi nước.

Vật liệu có tính dẫn thấp được gọi là chất kháng hơi, và được trộn vào lớp vỏ xây dựng công trình nhằm làm giảm dòng hơi nước và nguy cơ ngưng tụ hơi bên trong lớp vỏ công trình. 

Theo quan điểm thiết kế kiến trúc, việc làm giảm dòng hơi nước được thực hiện bằng cách sử dụng lớp vật liệu mỏng (màng) được lắp đặt cẩn thận để đảm bảo chúng hoạt động theo ý muốn.

Mặc dù việc bố trí bên trong lớp vỏ công trình rất quan trọng, chất kháng hơi không chiếm nhiều chỗ – tương đối khác với với yêu cầu về độ dày của chất kháng nhiệt hiện (chất cách nhiệt).

Vị trí cụ thể của chất kháng hơi bên trong mặt cắt của tường, mái hay sàn thay đổi tùy theo kiểu khí hậu và công trình.

Tuy nhiên, nguyên tắc cơ bản là để cho chất kháng ngăn dòng hơi nước trước khi hơi có thể đạt đến nhiệt độ đọng sương bên trong lớp kết cấu.

Kiểm soát độ ẩm ở vùng khí hậu lạnh

 Hầu hết các loại vật liệu công trình thông dụng bao gồm tấm thạch cao, bê tông, gạch, gỗ và sợi thủy tinh cách nhiệt thường dễ bị hơi ẩm thấm qua. Hầu hết vật liệu hoàn thiện thường có thể thấm qua.

Ở các vùng khí hậu lạnh, không khí bên ngoài vào mùa đông chứa ít hơi ẩm mặc dù độ ẩm tương đối khá cao.

Ngược lại, không khí bên trong chứa nhiều hơi ẩm hơn trên mỗi đơn vị thể tích, mặc dù có độ ẫm tương đối thấp hơn.

Sự chênh lệch áp suất bay hơi sẽ tạo dòng hơi nước đi từ nơi áp suất bay hơi cao đến nơi áp suất bay hơi thấp.

Kiểm soát độ ẩm ở vùng khí hậu nóng ẩm

Ở vùng khí hậu nóng ẩm, thường gặp phải vấn đề làm lạnh bề mặt bên trong – ví dụ, tấm làm mát phát xạ chứa nước làm mát, một ống nước  hay một bộ khuyếch tán cung cấp không khí.

Không khí ẩm nóng tiếp xúc với các bề mặt như vậy và sự đông tụ có thể xảy ra. Hơi ẩm trong không khí đông tụ để tạo thành các giọt nước đọng trên bề mặt làm mát.

Hiện tượng trên có thể gây ra phiền toái nếu các giọt nước đông tụ rơi vào người hay nghiêm trọng hơn nó gây ra các vết ố làm cho nấm mốc xuất hiện trên các bề mặt ẩm ướt.

Phương pháp thiết kế bị động

Định nghĩa phương pháp thiết kế bị động

Để đảm bảo sự thoải mái cho người ở, người thiết kế sẽ cần sử dụng sự kết hợp cả chiến lược thiết kế thụ động và chủ động. Các công trình hiệu suất cao sử dụng sự kết hợp đúng đắn giữa các chiến lược thiết kế thụ động và chủ động để giảm thiểu năng lượng, vật liệu, nước và sử dụng đất.

Các chiến lược thiết kế thụ động tận dụng các nguồn năng lượng môi trường tự nhiên thay vì năng lượng được tạo ra bởi con người như điện hoặc khí tự nhiên. Những chiến lược này bao gồm chiếu sáng tự nhiên, thông gió tự nhiên và năng lượng mặt trời.

Các chiến lược thiết kế chủ động sử dụng năng lượng cận được mua để duy trì sự thoải mái của tòa nhà. Các chiến lược này bao gồm hệ thống điều hòa thông gió HVAC bằng không khí ép, máy bơm nhiệt, tấm tản nhiệt hoặc tấm làm mát bằng điện và đèn điện.

Hệ thống kết hợp sử dụng một số năng lượng cơ học để tối ưu hóa việc sử dụng các nguồn năng lượng môi trường. Những chiến lược này bao gồm hệ thống thông gió khôi phục nhiệt, thông gió theo chế độ tiết kiệm, hệ thống nhiệt mặt trời, mặt ngoại thất tản nhiệt và thậm chí có thể bao gồm cả máy bơm nhiệt từ đất.

Nói chung, người thiết kế nên tối ưu hóa thiết kế của mình cho các chiến lược thụ động trước. Làm như vậy thường có thể làm giảm kích thước của các hệ thống chủ động mà bạn cần phải lắp đặt.

Hãy xem xét sự tương tự với một con thuyền buồm, sử dụng các lực tự nhiên để đẩy một con thuyền trước khi dùng động cơ. Tương tự như vậy, người thiết kế có thể duy trì sự thoải mái cho người dùng bằng cách sử dụng các chiến lược thiết kế thụ động cho việc sưởi ấm, làm mát và thông gió.

Hiểu cách thiết kế cho sự thoải mái của con người sẽ giúp bạn chọn lựa các chiến lược thiết kế thụ động phù hợp.

Hình khối tổng thể & hướng của công trình

“Hình khối” quyết định hình dạng và kích thước tổng thể của tòa nhà. Tòa nhà sẽ cao hay thấp? Dài hay hẹp ? Có những đường xẻ hay khối đặc? Việc tạo khối thành công sử dụng hình dạng và kích thước tổng quát của tòa nhà để giảm thiểu việc tải năng lượng nhiều nhất có thể và tối đa hóa nguồn năng lượng từ mặt trời và gió.

Định hướng kiểu đơn giản là mặt tòa nhà hướng theo hướng nào. Tòa nhà hướng thẳng về phía Nam không? 80 độ Đông – Đông Bắc? Cùng với hình khối, việc định hướng có thể là một bước quan trọng nhất trong việc mang lại cho tòa nhà sự thoải mái về nhiệt và thị giác bị động. Việc định hướng nên được quyết định cùng với thời điểm thiết kế, vì không thể thực sự tối ưu hóa nếu thiếu một trong hai.

Bên cạnh việc giảm thiểu năng lượng sử dụng và tạo điều kiện cho việc thiết kế bị động,. tThành công trong việc tạo khối và định hướng có thể tận dụng được các lợi ích vùng, ví dụ như việc thu gom nước mưa.  Yếu tố hình khối cũng giúp tòa nhà mang lại các lợi ích về sức khỏe,  cộng đồng và kinh tế xung quanh. Ví dụ, các tòa nhà được thiết kế định hướng kết nối các không gian xã hội, hoặc che khuất những vùng đất hoang dã hoặc có thể hướng người đi bộ ra khỏi các khu vực nhạy cảm về mặt sinh thái.

Xây dựng khối

Trong hình ảnh này, Nhiều tòa nhà được thiết kế với Thiết kế xây dựng khối: Tòa nhà “hình chữ O” ở giữa, tòa nhà hình khối ở bên trái nhô ra so với mặt đường và tòa nhà lớn bên phải có hình mái vòm. Nhiều lựa chọn trong số này được thiết kế vì lý do thẩm mỹ, nhưng việc tạo khối rất quan trọng trong việc sử dụng năng lượng.

Đối với nhiều loại công trình, khối là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc truyền nhiệt, làm mát, và chiếu sáng bị động, tuy nhiên những yếu tố này thường không được xem xét cho đến khi khối được hoàn thành. Đây là yếu tố quan trọng khi bắt đầu xét đến thiết kế bị động trong giai đoạn tạo khối, sao cho diện tích bề mặt tiếp xúc với ánh sáng mặt trời vào các thời điểm khác nhau trong ngày, chiều cao và chiều rộng của tòa nhà có thể tối ưu hóa để mang lại sự thoải mái cho người ở.

Trong hình ảnh bên dưới, “Opt2” có cùng diện tích với “Opt1” nhưng sử dụng ít năng lượng hơn do tạo khối tốt hơn.

Tạo khối cho tòa nhà

Việc có khối phù hợp còn phụ thuộc công năng của công trình. Với các tòa nhà có mật độ dân cư thưa thớt với lượng sử dụng năng lượng ít, nên lượng nhiệt tạo ra cũng sẽ ít theo. Ở vùng khí hậu lạnh, lợi ích từ việc gắn chặt các bề mặt sàn với nhau để tránh việc thất thoát nhiệt lượng ra ngoài. Điều này giảm thiểu tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích, giảm tổn thất nhiệt do gió và làm mát bằng bức xạ.

Mặt khác. Các tòa nhà đông dân cư với hoạt động cao và/ hoặc thiết bị tốn nhiều năng lượng sẽ tạo ra một lượng nhiệt lớn, gây ra tải làm mát bên trong cao. Vì vậy, ngay cả ở những vùng có khí hậu lạnh hơn, những tòa nhà có thể có phần sơ đồ mặt bằng mỏng hơn để có được nhiều khí mát từ ngoài hơn.

Các tòa nhà mỏng hơn sẽ mất nhiều nhiệt từ bên trong ra bên ngoài hơn

Việc vận dụng hình khối có thể tiến xa hơn trong việc tối ưu hóa khả năng tăng nhiệt hoặc làm mát. Ví dụ:

• Mái nhà có thể được tạo góc để tối ưu lượng nhiệt thu được từ mặt trời.
• Phần hở và phần nhô ra có thể che bóng các tòa nhà với các phần khác cùng tòa nhà.
• Đường cong khí động học có thể làm giảm sự mất nhiệt do sự xâm nhập từ không khí bên ngoài.
• Vùng đệm bên trong có thể được đặt phía Tây của tòa nhà để nơi sinh hoạt hay khu vực làm việc của bảo vệ tòa nhà tráng khỏi ánh nắng nóng buổi chiều (Ví dụ: Cầu thang, phòng vệ sinh, hành lang,..).

Cho dù tạo khối dạng đơn giản hay phức tạp, sử dụng mô phỏng công trình là cách tốt nhất để kiểm tra và so sánh hiệu quả năng lượng của các phương án hình khối khác nhau, từ đó, lưa chọn được hình khối có lợi nhất về mặt tiêu thụ năng lượng ngay từ giai đoạn thiết kế concept của dự án.

Các hướng tòa được đặt ở các vị trí khác nhau

Định hướng tòa nhà

Định hướng được hiểu đơn giản là việc đặt các mặt của tòa nhà sao cho đúng hướng phù hợp. Nó phải được tối ưu hóa ngay trong giai đoạn đầu, cùng với việc tạo khối và có thể là bước quan trọng nhất trong thiết kế bị động.

Hướng của tòa nhà được đo bằng góc phương vị

Phương pháp sưởi bị động

Hệ thống sưởi bị động sử dụng năng lượng mặt trời để giữ cho người ở thoải mái mà không cần sử dụng hệ thống cơ khí.

Sau đây là những khái niệm cơ bản giúp người đọc hiểu rõ hơn về “sưởi bị động”.

Nhiệt lượng trực tiếp từ mặt trời

Nhiệt lượng trực tiếp từ mặt trời là nhiệt lượng thu được từ mặt trời và chứa trong một không gian. Lượng nhiệt này có thể được giữ lại bởi vật liệu cách nhiệt của tòa nhà hoặc có thể tránh việc hấp thụ bằng các vật phản chiếu.

Năng lượng trực tiếp từ mặt trời rất quan trọng đối với các khu vực cần được truyền nhiệt, vì đây là cách đơn giản nhất và ít tốn kém nhất trong việc truyền nhiệt bị động một tòa nhà. Việc tránh nhận trực tiếp năng lượng mặt trời cũng rất quan trọng ở một số vùng có khí hậu nắng nóng.

Mức năng lượng nhận được vừa đủ được đo lường hoặc dự đoán bằng cách xách định lượng nhiệt mà mặt trời cung cấp cho không gian bên trong theo ngày và năm.

Năng lượng từ mặt trời chiếu tới mái/ tường và thông qua kính

Ánh sáng mặt trời có thể truyền nhiệt một không gian thông qua tường hoặc mái nhà của tòa nhà. Ánh sáng mặt trời cũng chiếu vào không gian qua cửa sổ và truyền nhiệt tới các bề mặt bên trong

Kính hạn chế bức xạ mặt trời

Vị trí và diện tích là yếu tố rất lớn quyết định lượng nhiệt thu được, vào thời điểm nào trong ngày và vào mùa nào trong năm. Đối với hầu hết các vĩ độ, nó được tối ưu hóa nhờ diện tích lớn kính hướng về phía xích đạo, với không gian sinh hoạt chính hiện ra ngay phía sau. Bóng râm ngăn chặn các tia nắng dư thừa vào thời điểm nóng hơn và để tia nắng chiếu vào thời điểm mát hơn.

Định hướng, kích thước và tạo bóng thông minh phải được kết hợp với việc lựa chọn đúng chất liệu kính. Các loại kính khác nhau có thể dẫn nhiệt vào bên trong hoặc loại bỏ nguồn nhiệt bên trong và để nó thoát ra ngoài. Trong đó, mỗi loại kính sẽ phù hợp với từng mặt của tòa nhà.

Hạn chế rò rỉ nhiệt

Những kính có diện tích lớn bằng nhau sẽ truyền nhiệt vào ban ngày và dễ dàng thoát nhiệt vào ban đêm. Lượng nhiệt có thể thoát qua cửa sổ thông qua truyền nhiệt trực tiếp hoặc bằng cách cho phép bức xạ bước sóng dài khi đi qua vật liệu bên trong và tỏa nhiệt lại. Vì vậy, cần kết hợp một số hình thức bảo vệ vào ban đêm để giảm thiểu mọi tổn thất dẫn truyền nhiệt và đối lưu qua cửa sổ. Có thể sử dụng rèm kéo dày có bảng gờ kín hoặc một khung để bịt kín phía trên hoặc cửa cuốn cách nhiệt bên trong/ ngoài.

Vật liệu lưu nhiệt

Vật liệu lưu trữ nhiệt rất quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng và nhiệt lượng từ mặt trời. Vật liệu này hấp thụ và giữ nhiệt, làm chậm tốc độ truyền nhiệt trong không gian và tốc độ thoát nhiệt khi không có mặt trời. Nếu không có vật liệu này, lượng nhiệt được truyền vào với tốc độ rất nhanh, khiến cho không gian sẽ có nhiệt độ rất cao khi có mặt trời và sẽ hạ thấp đi khi không có mặt trời.

Màu sắc bề mặt và mái chống nóng

Lượng ánh sáng từ mặt trời được vật liệu hấp thụ (và chuyển thành nhiệt lượng) phụ thuộc và màu sắc của vật liệu đó. Các bề mặt sáng màu sẽ phản chiếu lại ánh sáng xung quanh trong không gian, phân bố nó trên nhiều bề mặt hơn. Các vật liệu có màu tối sẽ hấp thụ phần lớn năng lượng ngay khi lượng nhiệt truyền tới. Cả hai điều này đều hữu ích tùy thuộc vào tính huống.

Mái nhà cần tránh trực tiếp hấp thụ năng lượng mặt trời ở những vùng có khí hậu nóng. “Mái chống nóng” sử dụng màu sáng để phản xạ phần lớn lượng nhiệt của mặt trời. Bề mặt mái này sẽ hiệu quả hơn so với việc chỉ thêm một lớp cách nhiệt cho mái. Ví dụ, bề mặt của mái màu đen có thể nóng hơn 40°C (75°F) so với bề mặt mái nhà màu sáng vào một ngày nắng.

Mái nhà màu tối sẽ luôn có nhiệt độ cao hơn so với mái nhà màu sáng

Một phép đo phổ biến về điều này là hiệu suất phản chiếu, khả năng phản chiếu ánh sáng mặt trời của vật liệu. Mái nhà màu sáng có “hiệu suất phản chiều cao”. Nhưng phép đo thường được sử dụng cho các mã và tiêu chuẩn 1 (standards1) là chỉ số phản xạ mặt trời (SRI – Solar Reflectance Index) và đối chiếu với hệ số phát xạ 2 (emissivity2).

SRI là thang đo trong đó 0 là sơn đen tiêu có chuẩn phản xạ nhiệt thấp nhất (độ phản xạ 0,05 và độ phát xạ 0,90) và 100 là sơn trắng tiêu phản xạ nhiệt cao nhất (độ phản xạ 0,80, độ phát xạ 0,90). Điều này có nghĩa là một số vật liệu có thể có chỉ số SRI thấp hơn 0 một chút hoặc cao hơn 100 một chút.

Một mái nhà được xem là “Mái chống nóng” phải dựa vào tiêu chuẩn chung 1 (standards1) cần có SRI trên 78 đối với mái bằng và trên 29 đối với mái dốc.

Một số giá trị được ghi ở dưới đây

Bảng chỉ số phản xạ ánh mặt trời

Phản xạ và hấp thụ năng lượng mặt trời so với phản xạ và phát xạ nhiệt đối với các vật liệu thông thường (từ mặt trời, gió và ánh sáng)

Phương pháp làm mát bị động

Cũng như Hệ thống sưởi bị động, việc làm mát tòa nhà bằng các phương thức thiết kế bị động là rất quan trọng nhằm giảm mức sử dụng năng lượng trong tòa nhà của bạn. Cụ thể, việc sử dụng các phương thức làm mát bị động như thông gió tự nhiên, làm mát không khí và rèm che có thể làm giảm nhu cầu làm mát cơ học trong khi vẫn duy trì tiện nghi nhiệt.

Thông gió tự nhiên

Thông gió tự nhiên, còn gọi là thông gió bị động, sử dụng chuyển động không khí tự nhiên bên ngoài và chênh lệch áp suất làm mát bị động và thông gió cho tòa nhà.

Thông gió tự nhiên rất quan trọng vì nó có thể cung cấp và điều hòa không khí trong lành mà không cần quạt. Đối với khí hậu ấm và nóng, nó có thể giúp đáp ứng tải làm mát của tòa nhà mà không cần sử dụng hệ thống điều hòa không khí cơ học. Đây có thể là một phần lớn của sử dụng năng lượng trong tòa nhà.

Việc hoàn thành được thông gió tự nhiên được xác định bằng việc có được tiện nghi nhiệt độ cao và đủ không khí trong lành cho không gian được thông gió hay không, đồng thời sử dụng ít hoặc không sử dụng năng lượng để điều hòa không khí và thông gió cơ khí

Bạn có thể chọn chiến lược phù hợp dựa trên nhiệt độ và độ ẩm của tòa nhà. Biểu đồ dưới đây sẽ cho thấy các chiến lược khác nhau này có thể mở rộng phạm vi khí hậu thoải mái.

Các chiến lược làm mát bị động khác nhau có thể giúp tăng độ tiện nghi với các phạm vi nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài khác nhau

Khi nào không sử dụng phương pháp thông gió tự nhiên

Các địa điểm có mức độ ồn âm thanh cao, chẳng hạn như gần khu vực giao thông đông đúc, có thể ít phù hợp hơn với hệ thống thông gió tự nhiên vì các lỗ hở lớn trên lớp ngoài của tòa nhà có thể gây khó khăn cho việc chặn tiếng ồn bên ngoài. Điều này đôi khi có thể được giải quyết bằng cách sử dụng louver cách âm.

Ngoài ra, những khu vực có chất lượng không khí kém, chẳng hạn như gần các đường cao tốc đông đúc, cũng có thể ít được chuộng hơn đối với hệ thống thông gió tự nhiên. Những địa điểm như vậy có thể khắc phục chất lượng không khí ngoài trời kém bằng bộ lọc và ống dẫn, mặc dù điều này thường yêu cầu một số hệ thống quạt cơ học.

Định lượng hiệu quả thông gió

Để đo lường hiệu quả của thông gió, bạn có thể đo cả âm lượng và tốc độ của luồng không khí

Thể thích của luồng không khí rất quan trọng vì nó quyết định tốc độ không khí cũ có thể được thay thế bằng không khí trong lành và quyết định mức độ tăng hoặc giảm nhiệt của không gian. Thể tích dòng không khí do gió mang lại là:

Q_wind = K • A • V

Q_wind: Lưu lượng luồng không khí í (m³/h)
K: Hệ số hiệu quả
A: Diện tích cửa mở (m²)
V: Tốc độ gió ngoài trời liên tục (m/h)

Hệ số hiệu quả là một số từ 0 đến 1, điều chỉnh theo góc gió và các yếu tố động lực học chất lỏng khác, chẳng hạn như kích thước tương đối của các lỗ vào và ra. Gió đập vào cửa sổ đang mở ở góc 45 sẽ có hệ số hiệu quả khoảng 0,4 trong khi gió đập trực tiếp vào cửa sổ đang mở ở góc 90 sẽ có hệ số hiệu quả khoảng 0,8.

Khi đặt các lỗ thông gió cần đặt cả cửa hút gió và cửa thoát gió;  thường 2 lỗ hút và lỗ thoát không ở cùng khu vực. Diện tích mở được sử dụng trong phương trình này nhỏ hơn hoặc bằng 2.

Tốc độ không khí và nhiệt độ trong tòa nhà

Ngoài khối lượng, bạn nên lưu ý đến tốc độ gió cho tòa nhà. Tốc độ gió là một phần tạo nên tiện nghi cho người ở và tốc độ phù hợp sẽ phụ thuộc vào khí hậu.

Tốc độ lưu thông không khí cao giúp cho việc làm mát hiệu quả hơn vì nó kéo không khí nóng ra xa nhanh hơn và giúp cho việc nước bị ngưng tụ trong tòa nhà bay hơi nhanh hơn. Ngay cả tốc độ gió vừa phải cũng có thể làm mát được nhiệt độ (5°C (9°F)) so với dòng không khí không bình thường. Đây là cách hoạt động của quạt để đưa nhiệt độ về mức mát dù không làm thay đổi nhiệt độ không khí

Tuy nhiên, khả năng lưu thông của không khí để làm mát còn phụ thuộc vào việc không khí đấy là không khí nóng hay nhiệt độ bức xạ bề mặt nóng. Không khí càng nóng thì khả năng lưu thông càng kém. Nếu con người bị ảnh hưởng từ nhiệt độ của bức xạ xung quanh thì việc lưu thông không khí sẽ giúp ích nhiều hơn. Tiêu chuẩn ASHRAE cung cấp hướng dẫn về mức độ làm mát có thể đạt được dựa trên tốc độ của lưu thông không khí khác nhau, đối với nhiệt độ bức xạ trung bình khác nhau.

Tiện nghi về nhiệt độ không khí so với tốc độ gió phụ thuộc vào nhiệt độ bức xạ trung bình

Cần đảm bảo được rằng tốc độ gió trong nhà không quá cao, tránh việc làm phiền đến người sử dụng, VD gió mạnh có thể thổi bay giấy tờ trên bàn.. Tiêu chuẩn ASHRAE 55 liên quan đến tốc độ không khí cho không gian bên trong, quy định tốc độ không khí phù hợp với môi trường trong nhà không vượt quá 0,2 m/s (0,447 mph). ASHRAE cũng tính đến tốc độ không khí tăng cao sẽ làm tăng nhiệt độ ở mức chấp nhận được. Tốc độ gió tối đa nên ở mức 1,5 m/s (3,579 mph).

Việc xem xét thay đổi lưu lượng gió cấp vào phòng là rất quan trọng, vì sẽ cung cấp không khí trong lành cho không gian. ACH (Air changes per hour) được biết đến là số lần thay đổi không khí mỗi giờ , hoặc tốc độ thay đổi không khí. Chỉ số này được xác định bởi kích thước phòng và lưu lượng của không khí (Q – là một thành phần của lưu lượng gió).

Ta có phương trình:

ACH  = (Q/V) * (Hệ số chuyển đổi)

Q: Lưu lượng không khí
V: Thể tích của căn phòng hoặc không gian

Hệ số chuyển đổi: Nếu lưu lượng không khí, thời gian và thể tích là các đơn vị không giống nhau. Ví dụ: nếu Q tính bằng feet khối trên phút (Cubic feet per minute – CFM) và thể tích là ft2, thì cần phải nhân với 60 để tính theo giờ. Nếu Q tính bằng tính lít trên giây thì hệ số chuyển đổi sẽ khác.

Q và V không cùng đơn vị

Vật liệu lưu nhiệt

Vật liệu này có thể tác đến thông gió tự nhiên. Đôi lúc, việc nóng lên trong không gian sẽ ảnh hưởng đến hệ thống thông gió tự nhiên nên sẽ ảnh hưởng đến sự tiện nghi nhiệt. Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu trữ nhiệt có thể giúp duy trì nhiệt độ ổn định và tránh sự thay đổi quá lớn về nhiệt độ. Bằng cách ổn định sự dao động nhiệt độ, việc sử dụng hệ thống thông gió tự nhiên sẽ hiệu quả hơn, các chiến lược thiết kế thực hiện tốt nhất để tăng cường thông gió tự nhiên qua vật liệu lưu nhiệt sẽ được giải thích thông qua “night purging”.

“Night purging”: là hành động giữ cho các cửa sổ và các lỗ thông gió bị động khác đóng vào ban ngày nhưng mở vào ban đêm để đẩy không khí ấm ra khỏi tòa nhà và vật liệu lưu  nhiệt ở mức mát cho ngày hôm sau.

Thiết kế ánh sáng và ánh sáng ban ngày

Hiểu rõ hơn về ánh sáng là một bước quan trọng trong việc thiết kế các tòa nhà tiết kiệm năng lượng. Tìm hiểu về cách tối ưu ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo  sẽ giúp tăng sự tiện nghi và tăng năng suất trong công việc.

Trong các tòa nhà trung tâm thương mại lượng điện chiếu sáng chiếm 35 – 50% tổng lượng điện tiêu thụ. Việc biết tận dụng ánh sáng mặt trời có thể làm giảm lượng điện tiêu thụ và giúp tăng năng suất và cải thiện độ tiện nghi.

Trong trường hợp không thể tận dụng được ánh sáng ban ngày, việc thiết kế chiếu sáng tốt cũng có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng. Và cả hai việc này đều là những yếu tố quan trọng trong Tòa nhà Năng lượng Net Zero.