Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ LỚP VỎ BAO CHE HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CHO VĂN PHÒNG CAO TẦNG 1. Ý nghĩa và tầm quan trọng của công trình hiệu quả năng lượng 1. Thực trạng tiêu thụ năng lượng trên thế giới và Việt Nam Cùng với quá trình phát triển của văn minh nhân loại, năng lượng đóng vai trò ngày quan trọng đối với mọi hoạt động phát triển kinh tế, xã hội và đời sống. Đây là nguồn động lực của tất cả các ngành sản xuất, cũng như của mọi hoạt động xã hội và là nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày.
Tuy nhiên, việc phát triển kinh tế - xã hội rất mạnh mẽ trên thế giới trong nửa cuối của thế kỷ 20 đã không song hành các giải pháp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững tương ứng đã dẫn đến hậu quả là nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, môi trường sinh thái bị suy thoái và cạn kiệt, nguy cơ khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu theo hướng ngày càng tiêu cực, đe dọa sự sinh tồn và phát triển của xã hội loài người. Trong rất nhiều những yếu tố tham gia vào quá trình đó, ngành kiến trúc và xây dựng “đóng góp” tỉ lệ rất lớn. Theo số liệu thống kê của World Bank và các điều tra liên quan, xây dựng - kiến trúc tiêu thụ tới khoảng 70% tổng sử dụng vật liệu tự nhiên, khoảng 37% tổng tiêu thụ năng lượng điện, và sản sinh ra khoảng 30% tổng lượng "khí nhà kính" trên toàn thế giới [33]. Ở Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Xây dựng, tổng mức tiêu thụ năng lượng của các công trình dân dụng của nước ta ngày càng tăng, cụ thể: năm 2003 chiếm 22,4%, đến năm 2014 tăng lên khoảng 37 - 38% tổng mức tiêu thụ năng lượng cả nước.
Theo thông tin của Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN), tỉ lệ sử dụng điện trong công trình nhà ở và hành chính chiếm hơn 88% tỷ lệ sử dụng điện trong các công trình xây dựng (bảng 1. Sử dụng điện trong công trình xây dựng Tổng cộng trong năm (Đơn vị: GWh) Loại công trình 2002 2003 2004 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Dịch vụ & thương mại 1373,1 1513,0 2162,3 2474,2 2809,0 3228,5 3501,8 3895,5 4354,3 Nhà ở và hành chính 14333,2 15953,0 19830,6 22120,4 23908,0 26556,3 29908,0 32002,1 34273,8 Tỷ lệ sử dụng điện của 91,26% 91,34% 90,17% 89,94% 89,49% 89,16% 89,52% 89,15% 88,73% nhà ở, hành chính [Nguồn: EVN] 11 1. Thực trạng thiết kế và xây dựng công trình hiệu quả về năng lượng Đứng trước những nguy cơ trước mắt và lâu dài về vấn đề năng lượng, Đảng và Chính phủ nước ta đã kịp thời nghiên cứu và ban hành một số cơ sở pháp lý về quản lý và hướng dẫn thực thi các vấn đề về năng lượng. Cụ thể: Luật “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” được Quốc hội thông qua và ban hành, số 50/2010/QH12 ngày 17 tháng 06 năm 2010, đã đưa ra khái niệm cơ bản về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả như sau: “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống” [44].
Nghị định số 102/2003/NĐ-CP ngày 03/09/2003 của Chính phủ về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đã định nghĩa: “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là sử dụng năng lượng một cách hợp lý, nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng, giảm chi phí năng lượng cho hoạt động của các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng mà vẫn đảm bảo nhu cầu năng lượng cần thiết cho các quá trình sản xuất, dịch vụ và sinh hoạt” [50]. Vậy, thế nào là thiết kế và xây dựng công trình HQNL? Theo tiêu chuẩn ISO 23045:2008: "Thiết kế và xây dựng một công trình xây dựng có HQNL được xác định trước hết bằng các phương pháp tiếp cận toàn diện và tiến tới sử dụng các giải pháp thiết kế thụ động nhằm tiết kiệm sử dụng năng lượng trong sự đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng môi trường trong nhà cao nhất đối với các hệ thống thiết bị có liên quan, như là các hệ thống sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí (HVAC), hệ thống chiếu sáng, hệ thống cấp nước nóng và các hệ thống điều khiển liên quan và trong đó, hệ thống HVAC là cần đáp ứng được những yêu cầu cao nhất” [8]. Việc sử dụng năng lượng hiệu quả đối với công trình xây dựng phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau: (1) Các giải pháp kiến trúc thụ động giúp công trình có đủ khả năng ngăn ngừa lượng nhiệt truyền từ ngoài vào trong nhà và tận dụng thông gió tự nhiên, ánh sáng tự nhiên để đảm bảo điều kiện tiện nghi môi trường vi khí hậu trong công trình; (2) Thiết kế hệ thống kỹ thuật như hệ thống thiết bị thông gió, ĐHKK, chiếu sáng điện và các hệ thống thiết bị khác để đảm bảo điều kiện tiện nghi môi trường vi khí hậu và đáp ứng chỉ tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm; (3) Hành vi quản lý của người sử dụng công trình như là mở cửa sổ thông gió tự nhiên, khi điều kiện khí hậu ngoài nhà tiện nghi và đặt nhiệt độ không khí trong 12 nhà không quá thấp (không < 260C) khi đóng cửa bật máy ĐHKK. Trong 3 yếu tố này thì yếu tố (1) và (2) liên quan trực tiếp đến giải pháp thiết kế công trình, yếu tố (3) liên quan đến giải pháp quản lý và hành vi người sử dụng (không liên quan nhiều đến giải pháp thiết kế đề xuất) Các nghiên cứu của các tác giả đi trước cho thấy khi thay đổi các thông số thiết kế kiến trúc công trình, như thay đổi hướng và hình dạng công trình, tổ chức mặt bằng, thiết kế không gian đứng trong phạm vi hợp lý thì tiêu thụ năng lượng có thể biến đổi trong phạm vi từ 1 đến 2,5 lần.
Nếu thay đổi các thông số hệ thống kỹ thuật như chiếu sáng hiệu quả, hiệu suất làm mát,. thì phạm vi tiêu thụ năng lượng được mở rộng đến khoảng 5 lần. Cuối cùng là hành vi trong quá trình sử dụng của con người có thể làm cho tổng cộng tác động làm tăng HQNL của hai biến trên lên tới 10 lần. Tuy nhiên, các quyết định chiến lược trong giai đoạn đầu triển khai thiết kế công trình của kiến trúc sư là vô cùng quan trọng đối với tiêu thụ năng lượng lâu dài và hiệu quả môi trường của công trình.
Có thể giải thích điều này theo hai lý do sau: (1) Các thông số thiết kế kiến trúc ít có khả năng thay đổi. Chỉ có cải tạo lớn mới có thể làm được điều này, trong khi hệ thống kỹ thuật có thể được cải thiện và thay thế tương đối thường xuyên. Và ý thức của người sử dụng có thể thay đổi làm cho mức độ hiệu quả của công trình cao hơn. (2) Ba yếu tố (thiết kế kiến trúc - hệ thống kỹ thuật - hành vi của người sử dụng) không hoạt động độc lập mà các chiến lược thiết kế kiến trúc sẽ giúp cho hiệu suất tiêu thụ năng lượng của hệ thống kỹ thuật tốt hơn và người sử dụng thuận lợi hơn.
Đánh giá hiệu quả năng lượng của công trình xây dựng 1. Thế giới Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp và các chỉ số đã được đề xuất để giám sát và đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng trong các công trình xây dựng. Điển hình là các chỉ số sau: - Chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng - EEI (Energy Efficency Index) hay Chỉ số năng lượng sử dụng của công trình - BEI (Building Energy Index) - so sánh mức độ tiêu thụ năng lượng giữa các tòa nhà khác nhau. Cách tính chi tiết chỉ số EEI và BEI ở mỗi nước qui định khác nhau.
Điều quan trọng là giả thiết về số giờ hoạt động và diện tích sàn dùng để tính toán BEI, từ đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị BEI tính toán. Hiện nay ở nước ta chưa có công trình nghiên cứu nào xác định được các chỉ số năng lượng sử dụng cơ sở (baseline) của công trình bằng bao nhiêu là công trình có HQNL. Theo tiêu chuẩn ở Malaysia đã đưa ra trị số 13 BEI đối với công trình có mức HQNL trung bình là 136kWh/m2/năm, đối với công trình đạt mức HQNL tốt là 98kWh/m2/năm. - Quy chuẩn của Cộng hòa Liên Bang Đức phân mức hiệu quả sử dụng năng lượng của công trình xây dựng như sau: + Công trình năng lượng thấp (low-energy building): mức tiêu hao năng lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 55 - 70kWh/m2/năm; + Công trình có HQNL (energy-efficient building): mức tiêu hao năng lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 15- 55kWh/m2/năm; + Công trình năng lượng thụ động (passive building): mức tiêu hao năng lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 0 - 15kWh/m2/năm; + Công trình trung hòa năng lượng (zero-energy building): mức tiêu hao năng lượng sử dụng để sưởi ấm và làm mát E-Index EEI là 0 kWh/m2/năm; + Công trình phụ trội về năng lượng (plus energy building).
- Nhãn Ngôi sao năng lượng (Energy Star) của Mỹ: Nhãn Ngôi sao năng lượng là một chương trình do cơ quan Bảo vệ môi trường của Mỹ (EPA) triển khai từ năm 1992 đến nay, với mục tiêu là giúp các doanh nghiệp và cá nhân tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường sinh thái thông qua việc sử dụng các thiết bị có hiệu quả năng lượng cao. Từ đó đến nay, gần 90% người dân Mỹ đã biết đến nhãn này. Trong đó, nhãn Ngôi sao năng lượng đã được dán cho hơn 65 chủng loại sản phẩm khác nhau, 18 ngàn đối tác và 4,5 tỷ sản phẩm dán nhãn được bán ra. Việt Nam Tại 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” do Viện Kỹ thuật Xây dựng (Hội Kết cấu và Công nghệ Xây dựng Việt Nam) [10] cập nhật những quy định về phạm vi và mức độ áp dụng là công cụ pháp lý mới nhất liên quan đến vấn đề hiệu quả năng lượng công trình xây dựng.
Quy chuẩn này quy định những yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân theo khi thiết kế, xây dựng mới hoặc cải tạo các công trình với tổng diện tích sàn từ 2500 m2 trở lên thuộc các loại hoặc hỗn hợp các loại công trình dưới như: 1) Văn phòng; 2) Khách sạn; 3) Bệnh viện; 4) Trường học; 14 5) Thương mại, dịch vụ; 6) Chung cư.