Tối ưu hóa các chiến lược thiết kế thụ động cho tiện nghi nhiệt và hiệu quả năng lượng trong các tòa nhà nhà ở tại Việt Nam sử dụng mô phỏng hiệu năng công trình

Tổng quan

Bài viết giới thiệu tổng quát cách các chiến lược thiết kế thụ động và mô phỏng hiệu năng công trình (BPS), bao gồm tối ưu hóa dựa trên mô phỏng, có thể được dùng để cải thiện tiện nghi nhiệt và giảm năng lượng làm mát trong nhà ở tại Việt Nam. Bài viết mô tả một quy trình điển hình; không báo cáo kết quả của một nghiên cứu cụ thể.

Vì sao thiết kế thụ động quan trọng với nhà ở Việt Nam

Phần lớn lãnh thổ Việt Nam có khí hậu nóng ẩm, và làm mát là một nguyên nhân chính của tiêu thụ điện trong nhà ở khi điều hòa ngày càng phổ biến. Nhà ở đô thị chủ yếu là nhà ống: một nghiên cứu về Hà Nội trích dẫn ước tính khoảng 69% quỹ nhà ở Việt Nam là nhà ống 3-5 tầng (Parkes, 2013, được trích dẫn trong ¹). Thiết kế thụ động sử dụng hình khối, hướng, vỏ công trình, che nắng và thông gió để giảm nhiệt hấp thụ và thải nhiệt mà không cần hệ thống cơ khí, nhờ đó có thể giảm sự phụ thuộc vào điều hòa không khí.

Ở các đô thị dày đặc, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) làm bài toán khó hơn. Một nghiên cứu mô phỏng về Hà Nội dự báo việc thực hiện Quy hoạch chung Hà Nội 2030 có thể làm tăng nhiệt độ không khí ở khu vực xây dựng thêm tới 2-3°C và khiến việc đạt tiện nghi nhiệt bằng thông gió tự nhiên trong nhà ống khó khăn hơn ¹.

Các chiến lược thụ động chính

Hướng và hình khối: Hạn chế mặt đứng và cửa kính hướng đông, tây chịu nắng góc thấp.
Thông gió tự nhiên: Thông gió xuyên phòng và thông gió theo hiệu ứng ống khói (qua cầu thang, giếng trời, giếng thông gió) giúp thải nhiệt và tăng chuyển động không khí. Một tổng quan có hệ thống về dòng gió trong nhà ống ở vùng nhiệt đới ẩm cho thấy còn ít nghiên cứu riêng về nhà ống và chỉ ra khoảng thông tầng cầu thang, giếng trời, thông gió mặt đứng và lỗ mở mái là các yếu tố còn ít được nghiên cứu ².
Che nắng: Ô văng, lam đứng, màn chắn và cây xanh bên ngoài giảm bức xạ trực tiếp lên cửa sổ và tường.
Đặc tính vỏ công trình: Cách nhiệt mái và tường, quán tính nhiệt và hệ số phản xạ mặt trời của bề mặt ngoài ảnh hưởng đến truyền nhiệt. Tác dụng của chúng trong khí hậu nóng ẩm phụ thuộc vào cách vận hành công trình (thông gió tự nhiên, điều hòa hoặc hỗn hợp), nên cần được đánh giá bằng mô phỏng thay vì giả định.
Sân trong, giếng trời và cây xanh: Các khoảng rỗng bên trong và cây xanh hỗ trợ thông gió và chiếu sáng tự nhiên cho mặt bằng hẹp và sâu.

Tiêu chí tiện nghi nhiệt

Với nhà ở thông gió tự nhiên hoặc hỗn hợp, mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng, liên hệ nhiệt độ trong nhà chấp nhận được với điều kiện ngoài trời, thường phù hợp hơn các mô hình tĩnh xây dựng cho không gian điều hòa hoàn toàn. Tỷ lệ số giờ sử dụng nằm trong vùng tiện nghi là chỉ số hiệu năng phổ biến. Cần có dữ liệu khảo sát người dùng Việt Nam để xác nhận giới hạn tiện nghi áp dụng tại địa phương.

Quy trình tối ưu hóa dựa trên mô phỏng điển hình

Mô hình công trình đại diện: Mô hình hóa một loại hình nhà ở điển hình, như nhà ống đô thị, dựa trên khảo sát hoặc dữ liệu công trình hiện có, thể hiện hình khối, hướng, tỷ lệ cửa sổ trên tường, bố trí bên trong và tường chung.
Dữ liệu thời tiết: Sử dụng tệp thời tiết đại diện cho các vùng khí hậu cần nghiên cứu (ví dụ Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh). Cân nhắc tệp thời tiết phản ánh điều kiện đô thị hay nông thôn, do ảnh hưởng của UHI.
Biến thiết kế: Chọn các thông số như hướng, tỷ lệ cửa sổ trên tường theo từng mặt, loại và chiều sâu che nắng, hệ số U của tường và mái, hệ số phản xạ bề mặt ngoài, kích thước và vị trí cửa mở được, giếng trời hoặc sân trong.
Công cụ mô phỏng: Sử dụng công cụ BPS động có khả năng mô phỏng truyền nhiệt, dòng khí và tiện nghi, như EnergyPlus hoặc TRNSYS.
Mục tiêu: Các mục tiêu thường gặp là giảm năng lượng làm mát hằng năm, tăng số giờ nằm trong vùng tiện nghi, và có thể giảm chi phí xây dựng hoặc chi phí vòng đời.
Tối ưu hóa: Kết nối mô phỏng với thuật toán đa mục tiêu, như NSGA-II hoặc tối ưu bầy đàn (PSO), để khảo sát không gian thiết kế và xác định các phương án Pareto tối ưu thể hiện sự đánh đổi giữa các mục tiêu.
Kiểm chứng và phân tích độ nhạy: Hiệu chỉnh mô hình bằng số liệu đo khi có thể và phân tích độ nhạy để xác định các thông số quan trọng nhất.

Những gì các nghiên cứu như vậy có thể cho thấy

Một nghiên cứu theo quy trình này có thể định lượng sự đánh đổi giữa năng lượng làm mát, tiện nghi và chi phí cho một loại hình và vùng khí hậu cụ thể, chỉ ra thông số thụ động nào có ảnh hưởng lớn nhất, và cho thấy các tổ hợp tốt nhất khác nhau thế nào giữa khí hậu miền Bắc, miền Trung và miền Nam. Kết quả phụ thuộc vào mô hình công trình, dữ liệu thời tiết, hành vi người ở và tiêu chí tiện nghi được sử dụng, nên cần được báo cáo kèm các giả định này.

Bối cảnh Việt Nam

Quy chuẩn: QCVN 09:2017/BXD, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả, được thay thế bởi QCVN 04-3:2026/BXD, ban hành kèm Thông tư 61/2026/TT-BXD ngày 30/7/2026, có hiệu lực từ 01/02/2027 ³. QCVN 04-3:2026/BXD áp dụng khi thiết kế, xây dựng mới hoặc cải tạo văn phòng, khách sạn, bệnh viện, trường học, trung tâm thương mại và nhà chung cư có tổng diện tích sàn từ 2.500 m² trở lên ⁴. Do đó nhà ống riêng lẻ nằm ngoài phạm vi quy chuẩn, và thiết kế thụ động cho phân khúc này chủ yếu dựa vào hướng dẫn tự nguyện và thực hành tốt.
Rào cản: Các rào cản thường được nêu đối với công trình xanh gồm chi phí ban đầu được cho là cao hơn, ưu đãi còn hạn chế, thiếu chuyên gia mô phỏng có kỹ năng và thiếu dữ liệu về vật liệu trong nước.
Vật liệu địa phương: Cần lập hồ sơ đặc tính nhiệt của các vật liệu sẵn có trong nước để thể hiện chính xác trong mô phỏng.

Nhu cầu nghiên cứu

Mở rộng phạm vi các loại hình nhà ở và phương thức xây dựng ở các vùng khác nhau của Việt Nam.
Phân tích chi phí vòng đời song song với mục tiêu năng lượng và tiện nghi.
Khảo sát thực địa để xây dựng và kiểm chứng tiêu chí tiện nghi nhiệt cho người Việt Nam.
Kết hợp mô hình khí hậu đô thị với mô phỏng công trình để tính đến UHI, như nghiên cứu tại Hà Nội ¹.
Các yếu tố thông gió phù hợp với nhà ống hẹp, như giếng thông gió và lỗ mở mái ².
Đánh giá sau sử dụng về hành vi người ở và hiệu năng đo thực tế.
Công cụ thiết kế, hướng dẫn và đào tạo thực hành cho người làm nghề.