Lớp vỏ công trình

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.