CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung Ngành xây dựng chiếm một vị trí rất quan trọng trong sự phát triển của kinh tế xã hội trong giai đoạn hiện đại, là một trong những ngành đóng vai trò chủ đạo của nền kinh tế và góp phần hình thành nên các tài sản cố định cho nền kinh tế. Mặc dù đứng trước bối cảnh khó khăn do sự bùng phát của đại dịch Covid- 19 khắp cả nước, trong mức tăng chung 5,64% tổng sản phẩm trong nước (GDP) 2 quý đầu năm 2021, ngành xây dựng đóng góp đến 59,05%, tăng 8,36% so với cùng kì năm trước đó theo báo cáo của tổng cục thống kê [1].1: Tốc độ tăng trưởng của ngành xây dựng giai đoạn 2011-2021 (Nguồn: Báo cáo của tổng cục thống kê [1]) Bên cạnh đóng góp to lớn cho kinh tế xã hội, xây dựng lại là một trong những ngành tiêu thụ nhiều tài nguyên nhất thế giới. Các tòa nhà và công trình xây dựng tiêu thụ 17% lượng nước ngọt, ước chừng 25% lượng gỗ khai thác, 40-50% nguyên vật liệu thô, chiếm 36% tổng năng lượng toàn cầu và 39% tổng lượng phát thải CO2 2 toàn cầu [2].
Các tòa nhà tiêu thụ rất nhiều năng lượng trong mọi giai đoạn, ngay từ khi giai đoạn lên kế hoạch, thiết kế, thi công cho đến hết vòng đời của chúng. Khoảng một nửa số tài nguyên không thể tái sinh (nước, năng lượng và nguyên liệu thô) mà con người sử dụng trong quá trình xây dựng [3]. Năng lượng được sử dụng trong các công trình xây dựng trên toàn cầu dự kiến sẽ còn tăng lên khi các nước đang phát triển tiếp tục hiện đại hóa, công nghiệp hóa. Mặc dù các hoạt động hướng tới mục tiêu phát triển bền vững ngày càng tiến bộ, các cải tiến ấy vẫn không đáp ứng kịp sự phát triển của ngành xây dựng [2].
Đứng trước những khó khăn của biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường, ngành xây dựng cần phải có trách nhiệm hơn nữa để ứng phó với các vấn đề này. Các dự án CTX, công trình sử dụng HQNL nổi lên như một xu hướng góp phần cải thiện vấn đề năng lượng và hướng đến phát triển bền vững. Xu hướng phát triển CTX không chỉ diễn ra ở các nước phát triển, mà tại Việt Nam cũng đang rất được quan tâm. Những lợi ích mà CTX mang lại là cực kì đa dạng, có thể xếp vào 3 nhóm chính đó là: môi trường, kinh tế và xã hội.
(1) Đối với môi trường, các dự án CTX góp phần giảm lượng khí thải phát ra môi trường; (2) Về kinh tế, trong giai đoạn hoạt động của dự án, tài nguyên được sử dụng hiệu quả dựa vào các giải pháp tối ưu thiết kế và công nghệ xanh, mang lại mức chi phí vận hành thấp. Về lâu dài bù lại khoảng chi phí đầu tư cao hơn các dự án thông thường; (3) Đối với xã hội, các dự án CTX góp phần nâng cao sức khỏe, chất lượng cuộc sống cho người cư ngụ bên trong công trình. Hạn chế các điều kiện sống kém, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người như thiếu không khí, ánh sáng tự nhiên, ẩm mốc, nhiệt độ không thoải mái, hóa chất độc hại. Ngoài ra còn giúp nâng cao nhận thức về định hướng phát triển phù hợp với xu hướng sống xanh, thân thiện với môi trường, một xu thế đã được thế giới lựa chọn.
Xác định vấn đề nghiên cứu Bối cảnh khủng hoảng thiếu hụt năng lượng đang diễn ra trầm trọng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Điển hình như tình trạng thiếu điện do suy giảm nguồn cung than ở Trung Quốc, thiếu hụt xăng dầu ở Anh [4] đang gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến nền kinh tế, và Việt Nam cũng không ngoại lệ. Tiêu thụ năng lượng đang có nguy cơ vượt qua khả năng cung cấp dẫn đến tình trạng thiếu hụt năng lượng ngày càng thường xuyên hơn đối với một quốc gia sản xuất năng lượng phần lớn từ than và khí đốt như Việt Nam. Theo báo cáo Triển vọng năng lượng Việt Nam do Bộ Công thương và Cơ quan năng lượng Đan Mạch thực hiện năm 2017, từ nay đến năm 2035, dự báo nhu cầu sử dụng điện sẽ tăng trung bình 8% mỗi năm, trong đó khoảng một phần hai sản lượng điện được tạo ra từ nguồn nguyên liệu hóa thạch.
Khoảng một phần ba năng lượng trên toàn cầu được tiêu thụ trong các tòa nhà. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng con người dành hơn 90% thời gian ở môi trường bên trong các tòa nhà [5]. Năng lượng phần lớn được sử dụng để điều hòa nhiệt độ, thông gió, chiếu sáng, nấu ăn, đun nước, làm lạnh và vận hành các thiết bị cơ khí… Với tốc độ đô thị hóa ngày càng nhanh ở các nước đang phát triển như Việt Nam, số lượng và quy mô các tòa nhà sẽ ngày càng tăng lên, dẫn đến nhu cầu về năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà cũng sẽ tăng theo. Đi cùng với mức TTNL cao, tiềm năng TKNL cho các tòa nhà cũng rất lớn.
Theo các nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng quốc tế, ước tính các tòa nhà chiếm khoảng 41% tiềm năm tiết kiệm năm lượng toàn cầu vào năm 2035 [6]. Do vậy nếu có các biện pháp phù hợp nhằm cải thiện việc sử dụng HQNL sẽ giúp giảm đáng kể chi phí vận hành lâu dài của công trình, giảm phát thải CO2, mang lại lợi ích kinh tế, cải thiện môi trường và chất lượng cuộc sống. Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu các giải pháp TKNL sử dụng cho các tòa nhà văn phòng trong giai đoạn thiết kế, và đề xuất mô hình dự đoán mức TTNL cho tòa nhà. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau: i) Đánh giá các giải pháp giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho tòa nhà văn phòng tại Tp.HCM; ii) Xây dựng mô hình dự đoán mức tiêu thụ năng lượng cho tòa nhà bằng cách kết hợp mô hình vật lý và mô hình thống kê sử dụng thuật toán Rừng ngẫu nhiên (RandomsForests- RF); iii) Đề xuất các giải pháp TKNL cụ thể cho tòa nhà trong giai đoạn thiết kế; 1.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu dừng lại ở một số giới hạn sau: Đối tượng nghiên cứu: các dự án văn phòng xây dựng tại Tp. Đối tượng khảo sát: kết quả nghiên cứu được thu thập từ những người có hiểu biết trong ngành xây dựng, lĩnh vực CTX, công trình TKNL hoặc công trình theo hướng phát triển bền vững. Đối tượng phỏng vấn: các chuyên gia có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và đánh giá công trình xanh hoặc công trình theo hướng phát triển bền vững. Thời gian thu thập dữ liệu: bắt đầu từ tháng 01/2022 đến hết tháng 02/2022.
Góc độ phân tích: nghiên cứu dựa trên quan điểm của đơn vị tư vấn thiết kế trong giai đoạn thiết kế thực hiện dự án. Đóng góp dự kiến của nghiên cứu 1.1 Đóng góp về mặt học thuật Đề xuất mô hình dự đoán mức TTNL dựa trên đặc điểm thiết kế của các tòa nhà văn phòng. Kết quả nghiên cứu sẽ trở thành cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu tương lai về các giải pháp TKNL hiệu quả cho tòa nhà văn phòng tại Tp.2 Đóng góp về mặt thực tiễn 5 Giúp đơn vị tư vấn thiết kế và các bên liên quan xác định mức độ ảnh hưởng của các đặc điểm thiết kế tòa nhà đến mức tiêu thu năng lượng, từ đó lựa chọn ra các giải pháp tối ưu nhất để áp dụng nhằm nâng cao khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả cho công trình. Bố cục của luận văn 6 CHƯƠNG 2.1 Công trình xanh Theo định nghĩa từ WGBC - Hội đồng CTX thế giới, công trình “xanh” là công trình mà trong suốt quá trình thiết kế, đến xây dựng hoặc giai đoạn vận hành hạn chế tối đa các tác động tiêu cực đồng thời có thể tạo ra những tác động tích cực đối với khí hậu và môi trường tự nhiên.
CTX có khả năng nâng cao chất lượng cuộc sống trong khi vẫn bảo tồn được các nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá [7]. Một số tiêu chí làm cho công trình trở nên “xanh”: - Sử dụng một cách HQNL, tài nguyên nước và các tài nguyên khác; - Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo; - Có giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và chất thải bên cạnh đó cho phép tái chế và tái sử dụng; - Có các biện pháp kiểm soát nhằm đảm bảo chất lượng của không khí bên trong tòa nhà; - Sử dụng các loại vật liệu không độc hại, vật liệu theo hướng bền vững - Trong suốt quá trình từ thiết kế, thi công cho đến giai đoạn vận hành, luôn xem xét đến môi trường; - Đảm bảo chất lượng cuộc sống của người cư ngụ trong công trình trong suốt vòng đời của dự án; - Thiết kế phải đảm bảo thích ứng với môi trường [7].2 Phát triển bền vững Định nghĩa “Phát triển bền vững” được trình bày năm 1987 trong báo cáo “Tương lai của chúng ta” của Ủy ban Môi trường và Phát triển Thế giới (WCED). Theo định nghĩa này, phát triển bền vững “là sự phát triển có thể đáp ứng những mong muốn của hiện tại mà không làm ảnh hưởng, trở ngại cho việc đảm bảo phục vụ các nhu cầu của các thế hệ trong tương lai” [8].3 Tòa nhà sử dụng hiệu quả năng lượng: Tòa nhà sử dụng HQNL là tòa nhà tạo ra điều kiện sống thoải mái cho môi trường bên trong nó với mức TTNL ít nhất có thể, tối đa hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên. HQNL của một tòa nhà là mức độ TTNL trên mỗi mét vuông diện tích sàn của tòa nhà đo được theo tiêu chuẩn TTNL đã thiết lập cho loại tòa nhà cụ thể đó trong các điều kiện khí hậu xác định [9].4 Lớp vỏ công trình Lớp vỏ công trình được định nghĩa là lớp ngăn cách vật lý giữa môi trường bên ngoài và bên trong công trình, bao gồm các bức tường, cửa, mái và nền móng [10].
Bằng cách hoạt động như một rào cản nhiệt, lớp vỏ của tòa nhà giữ một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ bên trong với bên ngoài, giúp xác định lượng năng lượng cần thiết để duy trì sự thoải mái về nhiệt cho người cư ngụ bên trong tòa nhà.5 Chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV OTTV (Overal Thermal Transfer Value) là trị số truyền nhiệt tổng qua lớp vỏ công trình tính trên 1 đơn vị diện tích của tường bao hoặc mái nhà, đơn vị tính là W/m2 (QCXDVN 09:2017).