Tối ưu hóa Hiệu quả Năng lượng trong Công trình Nhiệt đới Việt Nam thông qua các Chiến lược Thiết kế Thụ động dựa trên Mô phỏng

Tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng và quá trình đô thị hóa ngày càng gia tăng của Việt Nam đã dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng đáng kể, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng. Các công trình xây dựng tại Việt Nam tiêu thụ một phần đáng kể năng lượng quốc gia, chiếm 30-40% tổng sản lượng năng lượng và một phần tư sản lượng khai thác gỗ ¹. Mức tiêu thụ cao này phần lớn đến từ nhu cầu làm mát trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm phổ biến, với ước tính làm mát không gian chiếm tới 40% nhu cầu điện dân dụng và 25-40% tại các tòa nhà thương mại và công cộng ², ³. Khi biến đổi khí hậu được dự báo sẽ mở rộng điều kiện khí hậu nhiệt đới ra gần như toàn bộ lãnh thổ Việt Nam vào năm 2100 ⁴, nhu cầu làm mát sẽ chỉ càng tăng lên. Giải quyết thách thức này là rất quan trọng cho cả sự bền vững môi trường và khả năng phục hồi kinh tế.

Kiến trúc truyền thống Việt Nam từ xưa đã sử dụng các chiến lược thiết kế thụ động khéo léo để ứng phó với khí hậu khắc nghiệt, đúc rút kinh nghiệm từ điều kiện địa phương nhằm tối đa hóa tiện nghi với mức sử dụng năng lượng tối thiểu. Các kỹ thuật bản địa này, như định hướng công trình phù hợp, thông gió tự nhiên và che nắng, mang lại những hiểu biết quý giá cho xây dựng hiện đại. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng và chuyển đổi sang các loại hình công trình hiện đại, như nhà ống phổ biến và các tòa nhà cao tầng, thường bỏ qua những nguyên tắc đã được thử nghiệm theo thời gian này, dẫn đến các cấu trúc không hiệu quả năng lượng và phụ thuộc nhiều vào điều hòa không khí.

Đây là lúc mô phỏng hiệu năng công trình (BPS) đóng vai trò quan trọng. Các công cụ BPS cho phép kiến trúc sư và kỹ sư dự đoán mức tiêu thụ năng lượng và chất lượng môi trường bên trong công trình dựa trên các thông số thiết kế khác nhau trước khi bắt đầu thi công ⁵. Bằng cách mô phỏng các chiến lược thiết kế thụ động khác nhau, các chuyên gia có thể xác định sự kết hợp hiệu quả nhất để giảm thiểu nhu cầu năng lượng và nâng cao tiện nghi nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới đặc trưng của Việt Nam ⁶, ⁷. Phương pháp tiếp cận dựa trên mô phỏng này là chìa khóa để phát triển các công trình hiệu quả năng lượng và bền vững, thích ứng tốt với điều kiện địa phương.

Các Chiến lược Thiết kế Thụ động Chính và Những Hiểu biết từ Mô phỏng

Một số chiến lược thiết kế thụ động đặc biệt phù hợp với khí hậu nhiệt đới Việt Nam, và hiệu quả của chúng có thể được đánh giá và tối ưu hóa một cách nghiêm ngặt thông qua mô phỏng:

1. Định hướng và Hình khối Công trình: Hướng của công trình ảnh hưởng đáng kể đến lượng bức xạ mặt trời mà nó nhận được, tác động trực tiếp đến tải làm mát ⁸. Tại các vùng khí hậu nhiệt đới, việc định hướng các mặt tiền dài nhất về phía Bắc và Nam thường được khuyến nghị để giảm thiểu tiếp xúc với ánh nắng gay gắt từ phía Đông và Tây ⁹. Mô phỏng công trình có thể phân tích hiệu năng năng lượng của các hướng và hình khối khác nhau, giúp xác định bố cục công trình tối ưu cho một địa điểm và vùng khí hậu cụ thể tại Việt Nam ¹⁰, ¹¹. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tác động của định hướng đối với mức tiêu thụ năng lượng có thể là đáng kể, với các tòa nhà hướng Đông hoặc Tây tiêu thụ năng lượng làm mát nhiều hơn đáng kể so với các tòa nhà hướng Bắc hoặc Nam ¹². Các công cụ mô phỏng như EnergyPlus thường được sử dụng cho các phân tích này ¹³.

2. Thông gió Tự nhiên: Tối đa hóa thông gió tự nhiên là nền tảng của làm mát thụ động trong khí hậu nóng ẩm ¹⁴. Nhà truyền thống Việt Nam thường có thiết kế tạo điều kiện cho luồng không khí, chẳng hạn như mặt bằng mở, sân trong và cửa sổ đặt ở vị trí chiến lược ¹⁵, ¹⁶. Mô phỏng công trình, bao gồm Động lực học chất lưu tính toán (CFD), có thể mô hình hóa các luồng không khí bên trong và xung quanh công trình để đánh giá hiệu quả của các chiến lược thông gió ¹⁷. Các thông số như kích thước, vị trí cửa sổ và cấu hình công trình có thể được tối ưu hóa thông qua mô phỏng để tăng cường thông gió tự nhiên và cải thiện tiện nghi nhiệt, từ đó giảm sự phụ thuộc vào điều hòa không khí ¹⁸. Chẳng hạn, các nghiên cứu tại Việt Nam và các vùng khí hậu tương tự đã chỉ ra rằng thông gió tự nhiên có thể làm tăng đáng kể thời gian tiện nghi nhiệt ¹⁹, ²⁰.

3. Bộ phận Che nắng: Bảo vệ công trình khỏi bức xạ mặt trời trực tiếp là rất quan trọng ở vùng nhiệt đới ²¹. Các bộ phận che nắng bên ngoài, như mái đua, lam chắn, và màn chắn, có thể giảm hiệu quả lượng nhiệt hấp thụ qua cửa sổ và tường ²². Mô phỏng năng lượng công trình là cần thiết để thiết kế các hệ thống che nắng hiệu quả, cho phép các nhà thiết kế đánh giá hiệu năng của các loại, kích thước và vật liệu che nắng khác nhau dưới các góc nắng thay đổi trong suốt cả năm ²³. Nghiên cứu ở các vùng nhiệt đới đã chứng minh rằng việc áp dụng các biện pháp che nắng được thiết kế tốt có thể dẫn đến giảm đáng kể nhiệt độ bên trong và mức tiêu thụ năng lượng làm mát ²⁴, ²⁵. Các giải pháp đổi mới, như mặt tiền xanh và gạch lỗ, cũng đang được khám phá và mô phỏng về lợi ích che nắng và thông gió trong bối cảnh Việt Nam ²⁶, ²⁷.

4. Tối ưu hóa Vỏ Công trình: Các đặc tính nhiệt của vỏ công trình – tường, mái và cửa sổ – đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ nhiệt ²⁸. Mô phỏng có thể giúp tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu và kỹ thuật xây dựng để cải thiện cách nhiệt và giảm độ dẫn nhiệt ²⁹. Mặc dù khối lượng nhiệt cao có thể mang lại lợi ích ở những vùng khí hậu có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm, nhưng nó có thể không hiệu quả bằng ở những vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm liên tục với nhiệt độ ban đêm vẫn cao ³⁰. Mô phỏng cho phép hiểu rõ hơn về cách các vật liệu khác nhau hoạt động trong điều kiện khí hậu đặc trưng của Việt Nam, xem xét các yếu tố như hấp thụ nhiệt, lưu trữ và giải phóng nhiệt ³¹. Các nghiên cứu đã điều tra tác động của vật liệu tường, lớp cách nhiệt và loại kính đối với mức tiêu thụ năng lượng thông qua mô phỏng ³², ³³, ³⁴.

Bối cảnh Việt Nam: Thách thức và Cơ hội

Áp dụng thiết kế thụ động dựa trên mô phỏng tại Việt Nam mang đến cả thách thức và cơ hội ³⁵. Tốc độ xây dựng nhanh, cùng với sự thiếu hiểu biết rộng rãi về các nguyên tắc thiết kế thụ động ở một số nhà phát triển và nhà thầu, có thể cản trở việc thực hiện chúng ³⁶. Hơn nữa, trong khi các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về công trình hiệu quả năng lượng (như QCVN09:2017/BXD) đã tồn tại, việc áp dụng chúng có thể tập trung nhiều hơn vào các tòa nhà lớn, còn nhà ở nhỏ, chiếm phần lớn tổng số nhà, thường bị bỏ qua ³⁷.

Tuy nhiên, nhận thức về tầm quan trọng của hiệu quả năng lượng và xây dựng bền vững tại Việt Nam đang ngày càng tăng ³⁸. Chính phủ đã đưa ra các chính sách và chiến lược nhằm thúc đẩy các biện pháp tiết kiệm năng lượng trong ngành xây dựng ³⁹. Các tổ chức như Hội đồng Công trình Xanh Việt Nam (VGBC) đang nỗ lực nâng cao nhận thức và xây dựng năng lực. Cũng có nhiều nghiên cứu học thuật tập trung vào hiệu năng năng lượng của các công trình trong khí hậu Việt Nam và tiềm năng của thiết kế thụ động cùng mô phỏng ⁴⁰. Các dự án hợp tác cũng đang được triển khai để phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật và đào tạo về thực hành xây dựng hiệu quả năng lượng.

Yếu tố khả năng chi trả cũng rất quan trọng trong một nền kinh tế đang phát triển như Việt Nam. Mặc dù một số chiến lược thiết kế thụ động có thể có chi phí ban đầu, mô phỏng có thể chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng lâu dài và tiện nghi được cải thiện của chúng, từ đó biện minh cho khoản đầu tư. Hơn nữa, nhiều kỹ thuật thụ động, dựa trên kiến trúc bản địa, có thể hiệu quả về chi phí và sử dụng vật liệu sẵn có tại địa phương.

Khuyến nghị Thực tế cho Việc Triển khai

Đối với kiến trúc sư, kỹ sư, nhà phát triển và nhà hoạch định chính sách tại Việt Nam, việc tích hợp thiết kế thụ động dựa trên mô phỏng bao gồm một số bước thực tế:

1. Tích hợp Sớm Mô phỏng: Mô phỏng hiệu năng công trình nên được đưa vào từ các giai đoạn thiết kế ban đầu, chứ không phải là một ý nghĩ sau cùng. Điều này cho phép đánh giá các lựa chọn thiết kế cơ bản như định hướng, hình khối và vị trí cửa sổ từ sớm, nơi chúng có tác động đáng kể nhất đến hiệu năng năng lượng.
2. Tập trung vào các Chiến lược Đặc thù Khí hậu: Ưu tiên các chiến lược thiết kế thụ động hiệu quả nhất cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam, như tối đa hóa thông gió tự nhiên, áp dụng các biện pháp che nắng bên ngoài hiệu quả và tối ưu hóa hiệu năng nhiệt của vỏ công trình.
3. Sử dụng Dữ liệu Khí hậu Địa phương: Dữ liệu thời tiết chính xác và bản địa hóa là rất quan trọng để có kết quả mô phỏng đáng tin cậy. Sử dụng dữ liệu Khí tượng Tiêu biểu (TMY) cho các thành phố cụ thể của Việt Nam là điều cần thiết.
4. Nâng cao Năng lực: Đầu tư vào đào tạo và giáo dục về các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình và các nguyên tắc thiết kế thụ động cho các kiến trúc sư, kỹ sư và chuyên gia xây dựng tại Việt Nam.
5. Phát triển các Chuẩn Hiệu năng và Hướng dẫn Địa phương: Thiết lập các chuẩn hiệu năng và hướng dẫn thiết kế được điều chỉnh đặc biệt cho các vùng khí hậu và loại hình công trình khác nhau tại Việt Nam, được hỗ trợ bởi các nghiên cứu mô phỏng.
6. Thúc đẩy Nghiên cứu Điển hình và Minh họa: Trưng bày các ví dụ thành công về các công trình hiệu quả năng lượng tại Việt Nam đã sử dụng thiết kế thụ động dựa trên mô phỏng để chứng minh lợi ích của chúng.

Kết luận

Tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trong các công trình nhiệt đới Việt Nam thông qua các chiến lược thiết kế thụ động dựa trên mô phỏng không chỉ là một yêu cầu cấp bách về môi trường mà còn là một cơ hội kinh tế. Bằng cách tận dụng sức mạnh của mô phỏng hiệu năng công trình, các nhà thiết kế có thể vượt qua sự phỏng đoán và xác nhận thực nghiệm hiệu quả của các kỹ thuật thụ động như định hướng tối ưu, thông gió tự nhiên và che nắng chiến lược. Cách tiếp cận này, kết hợp với những hiểu biết từ kiến trúc truyền thống Việt Nam và được điều chỉnh theo bối cảnh địa phương của một nền kinh tế đang phát triển và khí hậu nhiệt đới, có thể dẫn đến những công trình thoải mái hơn, lành mạnh hơn và giảm đáng kể sự phụ thuộc vào các hệ thống làm mát chủ động tiêu tốn nhiều năng lượng. Áp dụng thiết kế thụ động dựa trên mô phỏng là một bước đi quan trọng hướng tới môi trường xây dựng bền vững tại Việt Nam, đảm bảo rằng sự phát triển của đất nước vừa năng động vừa có trách nhiệm với môi trường.

Tài liệu tham khảo