Phương pháp thiết kế thụ động

Phương pháp thiết kế thụ động

Định nghĩa phương pháp thiết kế thụ động

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

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

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

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

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

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

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

Hình khối tổng thể và hướng của công trình

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

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

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

Xây dựng khối

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

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

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

Tạo khối cho tòa nhà

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

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

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

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

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

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

Các hướng tòa được đặt ở các vị trí khác nhau

Định hướng tòa nhà

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

Hướng của tòa nhà được đo bằng góc phương vị

Phương pháp sưởi bị động

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

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

Nhiệt lượng trực tiếp từ mặt trời

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

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

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

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

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

Kính hạn chế bức xạ mặt trời

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

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

Hạn chế rò rỉ nhiệt

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

Vật liệu lưu nhiệt

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

Màu sắc bề mặt và mái chống nóng

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

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

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

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

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

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

Một số giá trị được ghi ở dưới đây

Bảng chỉ số phản xạ ánh mặt trời

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

Phương pháp làm mát bị động

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

Thông gió tự nhiên

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

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

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

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

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

Khi nào không sử dụng phương pháp thông gió tự nhiên

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

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

Định lượng hiệu quả thông gió

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

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

Q_wind = K • A • V

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

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

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

Tốc độ không khí và nhiệt độ trong tòa nhà

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

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

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

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

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

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

Ta có phương trình:

ACH  = (Q/V) * (Hệ số chuyển đổi)

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

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

Q và V không cùng đơn vị

Vật liệu lưu nhiệt

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

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

Thiết kế ánh sáng và ánh sáng ban ngày

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

Trong các tòa nhà trung tâm thương mại lượng điện chiếu sáng chiếm 35 – 50% tổng lượng điện tiêu thụ. Việc biết tận dụng ánh sáng mặt trời có thể làm giảm lượng điện tiêu thụ và giúp tăng năng suất và cải thiện độ tiện nghi.

Trong trường hợp không thể tận dụng được ánh sáng ban ngày, việc thiết kế chiếu sáng tốt cũng có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng. Và cả hai việc này đều là những yếu tố quan trọng trong Tòa nhà Năng lượng Net Zero.