Cơ sở hỗ trợ nghiên cứu NREL – Hoa Kỳ

Giới thiệu chung

Với mục tiêu tạo ra tòa nhà thương mại cân bằng năng lượng lớn nhất cả nước, Cơ sở hỗ trợ nghiên cứu NREL (RSF) được xây dựng để đóng vai trò là bản thiết kế cho tương lai cân bằng năng lượng và tạo tác động đến ngành xây dựng để theo đuổi hiệu quả năng lượng cực cao và hiệu suất năng lượng ròng bằng không. Các kiến trúc sư đã khéo léo tận dụng tối đa các chiến lược thiết kế bị động,  giúp tận dụng các điều kiện khí hậu thuận lợi và thúc đẩy giảm sử dụng năng lượng.

Phương pháp thiết kế

Phương pháp thụ động

Thiết kế công trình tận dụng tối đa các chiến lược kiến trúc thụ động nhằm khai thác điều kiện khí hậu tự nhiên và giảm thiểu nhu cầu sử dụng năng lượng.

Các giải pháp thiết kế được triển khai nhằm ưu tiên giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng ban đầu. Sau đó, hiệu suất năng lượng của công trình được tăng cường thông qua việc tích hợp hệ thống chiếu sáng hiệu suất cao, hệ thống làm mát và sưởi bức xạ, cùng hệ thống thông gió phân phối gió qua sàn nâng (underfloor air distribution system).

Hướng và hình khối của tòa nhà

• Hướng và hình khối của tòa nhà được thiết kế để giảm thiểu sử dụng kính ở mặt Đông và mặt Tây – là hai hướng dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời vào buổi sáng và chiều, gây tăng tải nhiệt.
• Mặt kính ở hai hướng Bắc và Nam được thiết kế tối ưu về kích thước và che nắng, đảm bảo cung cấp ánh sáng tự nhiên ban ngày, đồng thời giảm thiểu tổn thất và hấp thu nhiệt ngoài ý muốn
• Sàn tòa nhà hẹp (rộng 18 mét) cho phép tận dụng ánh sáng ban ngày và thông gió tự nhiên cho người trong tòa nhà
• Tỷ lệ cửa sổ trên tường đối với tường phía Bắc và phía Nam là 25% và các cửa sổ được thiết kế tận dụng chiếu sáng ban ngày và cảnh quan.
• Cấu trúc bê tông lớn trong không gian thu hẹp của RSF lưu trữ năng lượng nhiệt và cung cấp công suất bổ sung cho sưởi ấm thụ động. 

Chiếu sáng ban ngày

• Tất cả các khu làm việc đều được chiếu sáng ban ngày. Nhân viên được bố trí không ngồi cách cửa sổ quá 9 mét.
• Ánh sáng ban ngày chiếu vào các phần trên của hệ thống cửa sổ hướng Nam, phản chiếu lên trần nhà rồi chiếu sâu hơn vào tòa nhà bằng các thiết bị hắt sáng
• Một mặt bằng văn phòng mở với các khu làm việc thấp cho phép tận dụng ánh sáng ban ngày hợp lý.
• Hình khối tòa nhà được phát triển để đáp ứng việc tận dụng ánh sáng ban ngày chiếu sâu vào tòa nhà.
• Các tấm trần tiêu âm có độ phản xạ cao giúp phân bổ ánh sáng tự nhiên tối đa trong không gian
• Ánh sáng ban ngày trên 323 lux trong điều kiện trời nắng, cung cấp tất cả ánh sáng cần thiết. 

Vỏ tòa nhà và cửa sổ

• Tất cả mặt kính cung cấp tầm nhìn của cửa sổ ở phía Bắc và phía Nam của tòa nhà đều là kính ba lớp và khung cửa sổ cách nhiệt làm tăng hiệu quả năng lượng của các đơn vị.
• Các cửa sổ ở hướng Bắc có kích thước lớn hơn một chút so với hướng Nam vì ít bị chói hơn. 
• Để giảm độ chói ở mặt đứng phía Nam, các mái đua được thiết kế nhằm che chắn nắng cho phần kính dưới.
• Màn che cửa sổ được thiết kế dựa vào hướng của cửa sổ và vị trí của các lỗ mở.
• Người trong tòa nhà có thể mở một số cửa sổ để đưa khí tươi vào và làm mát tòa nhà một cách tự nhiên.
• Kính điện sắc (là loại kính có khả năng tự điều chỉnh độ truyền sáng khi có dòng điện chạy qua.) được lắp đặt tại các ô cửa trên mặt đứng phía Tây, trong khi kính nhiệt sắc (loại kính thông minh có khả năng tự động thay đổi màu sắc hoặc độ truyền sáng theo nhiệt độ môi trường – mà không cần đến dòng điện như kính điện sắc) được sử dụng cho mặt đứng phía Đông. Các khu vực này còn được che nắng bổ sung bằng các ban công âm.

Khối nhiệt

1. Tấm bê tông đúc sẵn có lớp cách nhiệt: Hệ tường ngoài sử dụng các tấm bê tông đúc sẵn cách nhiệt với khối lượng nhiệt lớn giúp điều hòa nhiệt độ bên trong công trình một cách hiệu quả.
2. Mê cung nhiệt:

• Công trình được thiết kế với một hệ thống mê cung nhiệt lớn nằm bên dưới hai khối văn phòng chính.
• Hệ thống này có khả năng tích trữ nhiệt từ các tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mặt đứng phía Nam của tòa nhà. Ngoài ra, nó còn đóng vai trò như một hệ thống “bồn nhiệt” hấp thụ lượng nhiệt thải ra từ trung tâm dữ liệu của tòa nhà, qua đó giảm đáng kể tải làm mát cho trung tâm dữ liệu trong suốt cả năm.
• Mê cung có thể làm ấm không khí bên ngoài từ 2,8 – 5,6ºC so với nhiệt độ ban đầu và hoạt động như một bộ pin lưu trữ nhiệt.

Phương pháp chủ động

Hệ thống sưởi và làm mát bức xạ

• Khoảng 42 dặm (tương đương khoảng 68 km) ống dẫn nhiệt bức xạ được lắp đặt xuyên suốt tất cả các tầng của công trình, sử dụng nước làm môi chất chính để làm mát và sưởi trong phần lớn các không gian làm việc, thay vì sử dụng hệ thống khí cưỡng bức.
• Nước trong các tấm trần bức xạ được làm nóng bởi Nhà máy nhiệt sử dụng nhiên liệu tái tạo của NREL (nồi hơi trung tâm đốt dăm gỗ) và được làm mát bằng các máy làm lạnh hiệu suất cao, vốn cũng cung cấp nước lạnh cho toàn bộ khuôn viên NREL.

Thông gió dưới sàn

1. Hệ thống không khí ngoài trời chuyên dụng theo nhu cầu (DOAS) và hệ thống thông gió tự nhiên được lắp đặt trong RSF.
2. Khi nhiệt độ môi trường bên ngoài phù hợp, các cửa sổ sẽ được mở để thông gió tự nhiên. Trong những điều kiện không cho phép thông gió tự nhiên – chẳng hạn như vào những ngày nóng nhất hoặc lạnh nhất – hệ thống DOAS sẽ đảm nhiệm chức năng thông gió cơ khí.
3. Không khí cấp được phân phối thông qua hệ thống phân phối khí dưới sàn (UFAD) với các miệng khuếch tán xoáy.
4. Hệ thống làm mát bay hơi và thu hồi năng lượng giúp giảm thêm mức tiêu thụ năng lượng cho việc điều hòa không gian.

Trung tâm dữ liệu và khu làm việc tiết kiệm năng lượng

Cấu hình trung tâm dữ liệu với lối đi nóng và lối đi lạnh hoàn toàn biệt lập cho phép làm mát hiệu quả bằng hệ thống economizer sử dụng không khí ngoài trời, có thể tăng cường bằng làm mát bay hơi khi cần thiết, đồng thời thu hồi nhiệt thải để tái sử dụng cho tòa nhà. Tải cắm điện (plug load) được giảm thiểu nhờ sử dụng rộng rãi máy tính xách tay và thiết bị văn phòng hiệu suất cao.

Chiếu sáng nhân tạo

• Khi ánh sáng ban ngày không đủ, đèn T8 25W cung cấp tối thiểu 323 lux tại các khu vực làm việc
• Công tắc thủ công, cảm biến ánh sáng và cảm biến hiện diện được sử dụng để đảm bảo hệ thống chiếu sáng điện chỉ bật khi ánh sáng tự nhiên không đủ
• Đèn LED chiếu sáng cục bộ, mỗi đèn chỉ tiêu thụ 3 watt, được sử dụng để cung cấp ánh sáng điện tại từng vị trí làm việc.
• Cảm biến hiện diện sẽ tắt đèn nếu người sử dụng quên tắt.
• Xử lý âm thanh bên trong, đồ nội thất và sơn được lựa chọn để tối đa hóa ánh sáng ban ngày trong tòa nhà.
• Chiến lược kiểm soát chiếu sáng tại công trình RSF nhằm khuyến khích người sử dụng chỉ bật đèn khi ánh sáng tự nhiên không đủ và tắt đèn khi rời khỏi không gian.

Hệ thống năng lượng tái tạo

Phần mái của công trình được thiết kế nghiêng nhẹ về phía Nam nhằm tăng cường hiệu suất tạo điện từ hệ thống điện mặt trời (PV) lắp trên mái. Độ nghiêng 10 độ về phía Nam cùng với mái tôn dạng seam đứng (standing seam) tạo nên bề mặt lý tưởng để lắp đặt hệ thống PV trên mái.

Tổng công suất lắp đặt của mái nhà là 450 kW.

Các tấm pin PV được sử dụng tại RSF có hiệu suất hơn 17%.

Hệ thống điện mặt trời trên mái không đủ để bù đắp toàn bộ nhu cầu năng lượng của công trình RSF, do đó một số bãi đỗ xe liền kề đã được lắp đặt thêm các tấm pin năng lượng mặt trời. Tổng công suất lắp đặt kết hợp giữa hệ thống trên mái và trên bãi đỗ xe đạt khoảng 1,6 MW – đủ để bù đắp toàn bộ nhu cầu năng lượng hàng năm của công trình RSF.

Hệ thống điện mặt trời trên mái được lắp đặt thông qua Hợp đồng Mua Bán Điện (PPA), trong khi các tấm pin mặt trời tại khu vực bãi đỗ xe được mua bằng nguồn tài trợ từ Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư Hoa Kỳ năm 2009 (ARRA).

Chiến lược giảm tải tiêu thụ thiết bị cắm điện

Thang máy

• Các thang máy tiết kiệm năng lượng được lắp đặt tại các cơ sở vật chất.
• Đèn huỳnh quang tiết kiệm năng lượng được sử dụng trong thang máy.
• Đèn thang máy sẽ tắt khi thang máy không có người.

Chiếu sáng cục bộ

Đèn LED chiếu sáng cục bộ công suất 6 watt giúp giảm tải ánh sáng.

Điện thoại

Thay vì điện thoại tiêu chuẩn, người ta sử dụng điện thoại với quy trình thoại qua internet, mỗi điện thoại tiêu thụ 2 watt.

Máy photocopy, máy in, máy fax

• Giảm thiểu việc sử dụng máy photocopy, máy in và máy fax riêng lẻ.
• Khuyến khích sử dụng máy photocopy, máy in và máy fax theo nhóm.
• Các máy đa chức năng (máy photocopy kết hợp, máy in và máy fax) đã được lắp đặt để giảm tải thiết bị.

Máy tính

Hiện đang có khoảng 90% nhân viên sử dụng máy tính xách tay. Cơ sở khuyến khích sử dụng máy tính xách tay (với công suất 30 watt) thay vì máy tính để bàn (với công suất 300 watt).