Phân tích khí hậu và địa điểm xây dựng

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.