VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHÒNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.31 MB, 147 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH

---

NGUYỄN NGUYÊN

VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHỊNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC

TP.HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH

---

NGUYỄN NGUYÊN

VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHÒNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV)

Chuyên ngành : KIẾN TRÚC Mã số:

8580101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. KTS TRẦN HỮU ANH TUẤN

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2019

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Lời cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ, kiến trúc sư Trần Hữu Anh Tuấn, trưởng khoa khoa kiến trúc nội thất, trường Đại học Kiến trúc TP.HCM đã truyền đạt nhiều kiến thức có hệ thống, kinh nghiệm quý báu, trao đổi nhiều ý kiến quan trọng, cung cấp tài liệu nghiên cứu và tận tình hướng dẫn học viên thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn thầy đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho học viên hoàn thành việc nghiên cứu.

Học viên cũng rất biết ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến trúc TP.HCM và các anh chị, các bạn bè đồng nghiệp đã cung cấp những kiến thức và tư liệu rất bổ ích, giúp ích nhiều cho tơi khi trong q trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

MỤC LỤC

Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU ... 1

1.Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài ... 1

2.Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến đề tài ... 2

3.Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu ... 4

4.Nội dung nghiên cứu ... 5

5.Phương pháp nghiên cứu ... 5

6. Cấu trúc luận văn ... 6

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ... 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHỊNG VÀ CƠNG NGHỆ TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ... 7

1.1 .Tổng quan về vỏ bao che cơng trình cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh ... 7

1.1.1. Khái niệm cao ốc văn phịng và vỏ bao che cơng trình ... 7

1.1.2. Tình hình phát triển của các cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh ... 11

1.1.3. Đặc điểm lớp vỏ bao che các cao ốc văn phòng tại Tp. Hồ Chí Minh ... 15

1.2 . Các cơng nghệ tấm quang điện ... 16

1.2.1. Lịch sử BIPV và công nghệ chung về tấm năng lượng mặt trời ... 16

1.2.2. Tiềm năng về pin quang điện trong việc tạo nguồn năng lượng sạch ... 17

1.3 . Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời trong xu hướng phát triển kiến trúc xây dựng tại Việt Nam. ... 19

1.3.1. Tác động của các yếu tố tự nhiên đối với lớp vỏ bao che ... 19

1.3.2. Xu thế sử dụng năng lượng mặt trời trong kiến trúc thế giới ... 21

1.3.3. Tính cấp thiết của vấn đề năng lượng trong các cơng trình cao ốc văn phịng tại thành phố Hồ Chí Minh... 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VIỆC TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ BIPV VÀO LỚP VỎ BAO CHE CƠNG TRÌNH CAO ỐC VĂN PHỊNG ... 26

2.1. Bức xạ mặt trời và các vấn đề năng lượng hiện nay ... 26

2.1.1 Bức xạ mặt trời tại Việt Nam ... 26

2.1.2. Sự thay đổi khí hậu và các vấn đề năng lượng hiện nay ... 27

2.2. Đặc điểm quang khí hậu tại Tp.HCM ... 28

2.2.1. Đặc điểm quang khí hậu ... 28

2.2.2. Khả năng sử dụng nhiệt với lượng bức xạ mặt trời ... 29

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

2.3. Các giải pháp chung về BIPV ... 30

2.3.1. Công nghệ BIPV ... 30

2.3.2. So sánh công nghệ BIPV và công nghệ PV trước đây ... 31

2.3.3. Các loại vật liệu PV và các giải pháp sử dụng... 34

2.4. Một số cơng trình ứng dụng BIPV trên thế giới ... 36

2.4.1. Cơng trình tại vùng khí hậu ơn đới ... 36

2.4.2. Các cơng trình ở vùng vĩ độ khí hậu nhiệt đới tương đương Tp. Hồ Chí Minh 43 2.5. Kiến trúc cao ốc văn phòng trong xu thế phát triển bền vững và sử dụng năng lượng hiệu quả ... 51

2.5.1. Các giải pháp kiến trúc nâng cao việc sử dụng hiệu quả năng lượng các cao ốc văn phòng ở Việt Nam ... 51

2.5.2. Công nghệ mặt đứng thông minh ... 53

2.6. Cơ sở pháp lí cho việc sử dụng cơng nghệ năng lượng mặt trời vào cơng trình kiến trúc ... 56

CHƯƠNG 3: CÁC ĐỀ XUẤT TÍCH HỢP TẤM BIPV VÀO LỚP VỎ BAO CHE CƠNG TRÌNH CAO ỐC VĂN PHÒNG ... 61

3.1 Giải pháp thiết kế vỏ bao che cho cơng trình cao ốc văn phịng tại Tp. HCM ứng dụng công nghệ BIPV ... 61

3.1.1. Đảm bảo hiệu quả thị giác ... 61

3.1.2. Giải pháp cụ thể về mặt kĩ thuật ... 61

3.1.3. Các giải pháp cụ thể về mặt kiến trúc ... 62

3.1.4. Các đánh giá hiệu quả về mặt kinh tế ... 63

3.1.5. Các giải pháp chung cho việc sử dụng công nghệ BIPV trong các cao ốc văn phòng tại tp.HCM ... 64

3.2 Nghiên cứu điển hình cơng trình cao ốc văn phịng ở TPHCM ... 66

3.2.1. Giới thiệu cơng trình Tháp tài chính Bitexco... 66

3.2.2. Phát triển thiết kế BIPV tích hợp trên vỏ bao che cơng trình Bitexco ... 66

3.2.3. Lựa chọn module PV và tính thẩm mỹ kiến trúc ... 67

3.2.4. Hệ thống BIPV đề xuất cho Bitexco ... 68

3.2.5. Tiềm năng năng lượng BIPV ... 69

3.2.6. Mặt bằng tổng thể cơng trình cho dự tốn năng lượng ... 69

3.2.7. Sản xuất năng lượng BIPV, tổng chi phí hồn vốn ... 70

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Phần 3: PHẦN KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ... 78 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 81

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

PV: Photovoltaics, tấm tế bào quang điện tạo ra điện từ năng lượng mặt trời

BIPV: Building Integrated Photovoltaics, tấm quang điện tích hợp cơng trình.

Một dạng công nghệ mới sử dụng vật liệu bán dẫn tích hợp trong các tấm quang điện để chuyển nhiệt năng của mặt trời thành điện năng sử dụng. Tấm quang điện này sẽ được tổ hợp để trở thành 1 bộ phần cấu thành cơng trình.

BAPV: Building Applied photovoltaics, tấm quang điện được thêm vào cơng trình nhưng là bộ phận rời, cũng có tác dụng chuyển nhiệt năng thành điện năng.

SHGC: Solar Heat Gain Cofficient, hệ số hấp thụ nhiệt của kính. Xét đến phần

trực xạ mặt trời truyền qua và xuyên qua cửa kính vào nhà. Các nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị này tương ứng với các loại kính khác nhau.

Solar panel, tấm thu nhiệt từ năng lượng mặt trời dùng cho nước nóng.

OTTV: Overall Thermal Transfert Value (W/m2), chỉ số truyền nhiệt tổng (của

tường, hoặc mái nhà). Lượng nhiệt truyền qua 1m2 các kết cấu vỏ nhà (tường, mái, cửa) trong 1 giờ, ký hiệu U, W/m2. Do vỏ nhà có nhiều kết cấu với vật liệu khác nhau, nên các nước trên thế giới đều thống nhất đánh giá bằng một giá trị U trung bình của tồn vỏ nhà.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài

Trong q trình phát triển của xã hội lồi người hiện nay, các yếu tố năng lượng, môi trường luôn là những vấn đề được đặt lên hàng đầu trong các lĩnh vực đời sống. Các công trình xây dựng được đặt ra yêu cầu về vấn đề phát triển bền vững, thân thiện môi trường sống cũng như tiết kiệm năng lượng. Cơng trình xây dựng cao tầng là nhu cầu phát triển của nhân loại, phổ biến ở các đô thị trên thế giới, minh chứng cho sự tiến bộ của loài người. Với xu thế hiện nay về phát triển các đô thị lớn và siêu lớn trên thế giới, cũng như tại Việt Nam, các cao ốc văn phòng được xây dựng với tốc độ chóng mặt. Những cao ốc này phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về quy chuẩn cơng trình xanh, tiết kiệm năng lượng. Cao ốc văn phòng được thiết kế tốt từ giai đoạn ban đầu sẽ giúp quá trình vận hành và tiết kiệm năng lượng được hiệu quả. Điều này không thể thiếu việc đề ra các giải pháp vỏ bao che. Vỏ bao che cơng trình cao ốc văn phịng ảnh hưởng đến không gian sử dụng bên trong, là yếu tố quan trọng trong các vấn đề giảm thiểu năng lượng, cũng như hiệu quả thẩm mỹ trong không gian đô thị.

Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới là một xu hướng tất yếu khi con người hướng đến sự phát triển bền vững và các nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường. Việt Nam năm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng nhiệt bức xạ hàng năm thuộc hàng cao nhất thế giới, số giờ nắng quanh năm rất cao (trung bình từ 2000 giờ trở lên, đặc biệt ở các vùng khí hậu phía Nam). Với những lợi thế như trên, cùng với tốc độ phát triển nhanh của các cơng trình cao tầng tại Việt Nam, chúng ta hồn tồn có thể nghiên cứu ứng dụng các giải pháp về kiến trúc và vỏ bao che để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời nhằm giải quyết vấn đề năng lượng cho chính cơng trình và giảm thiểu các tác động của bức xạ vào không gian bên trong. Theo thống kê của cục năng lượng Hoa Kỳ, vấn đề chiếu sáng chiếm đến 35% tổng năng lượng vận hành của một công trình (2015). Việc nghiên cứu và sử dụng lớp vỏ bao che không đơn thuần là sử dụng vật liệu mang tính bền, đẹp, kinh tế; mà cịn cần phải đáp ứng yêu cầu về tính thân thiện với môi trường hay tiết kiệm được năng lượng sử dụng, cũng như có khả năng tái chế. Đối

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

với các cơng trình cao ốc văn phòng, các loại vật liệu phổ biến hiện nay như gạch, bê tơng, kính mang những biểu cảm thẩm mỹ khác nhau, tuy nhiên lại hạn chế về

mặt lấy sáng hoặc tận dụng nguồn nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Học viên chọn BIPV là một giải pháp đưa tấm quang điện thành một bộ phận trong kiến trúc, khơng

những có khả năng tạo năng lượng sạch mà còn đem lại giá trị thẩm mỹ cho cơng

trình để nghiên cứu khả năng trong thiết kế vỏ bao che cơng trình.

Do vậy, đề tài luận văn “Vỏ bao che cao ốc văn phòng sử dụng tấm quang điện tích hợp (BIPV)” mà học viên đưa ra nhằm mục đích đánh giá khả năng ứng

dụng BIPV cho các cơng trình thương mại tại Việt Nam, thông qua việc thiết kế vỏ bao che cho cao ốc văn phịng tại thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM). Đề tài chú trọng việc đánh giá khả năng về kỹ thuật, tính thẩm mỹ và tính kinh tế của một cơng trình cao ốc văn phịng. Với các giải pháp khi thiết kế vỏ bao che cơng trình cao ốc văn phịng, tích hợp các tấm năng lượng mặt trời BIPV, luận văn cần nêu được những mặt hiệu quả và khả năng ứng dụng tại Việt Nam. Đó là mục đích chung mà luận văn hướng đến.

2. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến đề tài

Các luận văn thạc sĩ ở trường kiến trúc Tp. HCM có nhiều đề tài về nhà cao tầng, vỏ bao che công trình, nghiên cứu các giả pháp vi khí hậu. Tuy vậy, vẫn chưa có đề tài nghiên cứu sâu về lớp vỏ bao che và khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả..

Tiêu biểu có đề tài “Vỏ bao che cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh” của tác giả Nguyễn Việt An, “Vỏ bao che của các nhà cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh trong xu thế phát triển của kiến trúc bền vững” của tác giả Nguyễn Hữu Thịnh. Các

đề tài này tập trung nghiên cứu vào khía cạnh hình thức lớp vỏ bao che và phát triển bên vững, chứ chưa đề cập vấn đề sử dụng năng lượng từ lớp vỏ bao che này. Ngồi ra, cịn có các luận văn liên quan đến đối tượng nghiên cứa là cao ốc văn

phòng như “Giải pháp kiến trúc xanh cho cao ốc văn phịng tại thành phố Hồ Chí Minh” của tác giả Phạm Hùng Cường hay “Kiến trúc cao ốc văn phịng tại thành phố Hồ Chí Minh” của Dương Hoàng Thu Thủy. Các luận văn này đề cập tổng

quan về các cơng trình cao ốc văn phòng chứ chưa đi chuyên sâu về vỏ bao che và năng lượng.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Ở tầm vĩ mô, những nghiên cứu liên quan đến cơng trình cao tầng nói chung và lớp vỏ bao che cao ốc văn phịng nói riêng khá rộng, cả trong và ngồi nước. Có

thể tổng hợp một số các nghiên cứu chuyên sâu như: “Thiết kế nhà cao tầng hiện đại” của Trần Xuân Đỉnh, “Kiến trúc nhà cao tầng” với hai cốn khác nhau của tác

giả Hồ Thế Đức năm 1999 và nhóm tác giả Trịnh Hồng Đoàn, Nguyên Hồng Thục, Khuất Tân Hưng viết năm 2012. Các vấn đề về kĩ thuật xây dựng cũng như yếu tố thẩm mỹ công trình cao tầng và các vấn đề năng lượng, kiến trúc xanh luôn thay đổi theo từng năm. Các nghiên cứu trên mang mức độ phổ quát, là tiền đề để học viên sử dụng các công thức, đánh giá các giải pháp xử lí lơp vỏ bao che cho cơng trình.

Với các nghiên cứu nước ngoài về lĩnh vực nhà cao tầng, lượng tài liệu rất phong phú. Sự phát triển khoa học kĩ thuật, về nghiên cứu sản xuất chế tạo vật liệu giúp phương Tây có nhiều lợi thế về nghiên cứu cao ốc văn phịng nói riêng, nhà cao tầng nói chung. Có thể nói đến những cuốn sách cơ bản về nhà cao tầng như:

“The Skycraper bioclimatically considered” của Ken Yang, “Designing Tall Buildings Structure as Architecture” của tác giả Mark Sarkisian, “Sustainable Facades Design methods for high-performance building envelopes” của Ajla

Aksamija Perkings, Will. Ngoài ra, các công ty chuyên về xây dựng tòa nhà cao tầng cũng có những ấn phẩm kiến trúc hay xây dựng mang tính kĩ thuật cao.

Song song với các tài liệu về nhà cao tầng, là các loại tài liệu nói về các tiêu chí kiến trúc xanh và sử dụng năng lượng hiệu quả. Phải kể đến các nghiên cứu của

PGS.TS. Phạm Đức Nguyên về nhiệt khí hậu kiến trúc như “Kiến trúc sinh khí hậu – Thiết kế Sinh khí hậu trong kiến trúc Việt Nam”, “Phát triển kiến trúc bền vững, kiến trúc xanh ở Việt Nam”. Những nghiên cứu này là tiền đề cho học viên sử dụng

đề xuất tính hiệu quả khi xử lí lớp vỏ bao che theo phương pháp mới.

Thành phố Hồ Chí Minh đã được đặt nền móng phát triển lâu đời. Hiện nay, đơ thị ngày càng phình to và tiến tới siêu đô thị trên tầm thế giới. Nhu cầu về cao ốc văn phòng, nhà cao tầng chắc chắn sẽ tăng lên cùng với mật độ dân số ngày càng tăng. Do đó, các vấn đề tiết kiệm năng lượng, chuyển hóa năng lượng, sử dụng năng lượng mặt trời nhằm giảm thiểu tác động môi trường là một xu thế tất yếu.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Từ các nghiên cứu liên quan kể trên, xét trên phương diện cả đối tượng nghiên cứu và địa bàn nghiên cứu, học viên nhận thấy có sự cần thiết trong đề tài

luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của bản thân. Đề tài “Vỏ bao che cao ốc văn phòng sử dụng tấm quang điện tích hợp (BIPV)” đề cập đến một vấn đề cần được quan

tâm trong cơng trình cao ốc văn phịng, đó là lớp vỏ bao che , xét trên mức độ thẩm mỹ và sử dụng năng lượng hiệu quả. Thêm vào đó, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới vào cơng trình cũng rất cần thiết. Việc tạo ra một cơ sở lí luận dựa trên các thông số nghiên cứu cụ thể góp phần vào việc thay đổi bộ mặt cơng trình và khiến khơng gian đơ thị hấp dẫn hơn. Ngồi ra, đề tài cịn là tiền đề cho những nghiên cứu về sau trong lĩnh vực sử dụng năng lượng hiệu quả cho các cơng trình cao tầng.

3. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Với đề tài “Vỏ bao che cao ốc văn phịng sử dụng tấm quang điện tích hợp (BIPV)”, đối tượng nghiên cứu là vỏ bao che của các cao ốc văn phịng tại Tp.

Hồ Chí Minh. Các cao ốc hiện tại với lớp vỏ bao che bê tơng và kính lấy sáng, tuy có tính đến khả năng giảm thiểu bức xạ, nhưng thực sự chưa hiệu quả về mặt tận dụng năng lượng mặt trời. Không gian nghiên cứu chính tại các quận nội thành thành phố Hồ Chí Minh, với các văn phòng được xây dựng trong khoảng năm 2005 đến 2015. Các vỏ bao che của các cao ốc văn phòng tiêu biểu sẽ được đánh giá trong khoảng thời gian 6 tháng với điều kiện khí hậu tại thành phố Hồ Chí Minh.

Mục đích nghiên cứu chung của luận văn là đánh giá khả năng áp dụng tấm năng lượng PV tích hợp cho vỏ bao che của cơng trình cao tầng tại TPHCM. Do đó mục tiêu nghiên cứu có những nội dung cụ thể:

- Tìm hiểu về cơ sở khoa học liên quan đến quang khi hậu địa phương TPHCM có ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng pin năng lượng mặt trời

- Giới thiệu về công nghệ tấm quang điện và công nghệ quang điện tích hợp vào cơng trình. Hệ thống hóa cơng nghệ và các ứng dụng BIPV trên thế giới

- Đánh giá khả năng ứng dựng BIPV vào cơng trình tại TPHCM, thơng qua ví dụ 1 trường hợp của tòa nhà Bitexco.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

4. Nội dung nghiên cứu

Từ những mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu như trên, học viên có những nội dung nghiên cứu cụ thể như sau:

- Giới thiệu tổng quan về vỏ bao che cao ốc văn phòng và công nghệ tấm quang điện.

- Cơ sở khoa học cho việc tích hợp BIPV vào cỏ bao che cao ốc văn phòng

- Những đề xuất tích hợp cơng nghệ BIPV vào vỏ bao che thơng qua một ví dụ cụ thể - cơng trình Bitexco.

5. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở tổng hợp các phương pháp:

Phương pháp điền dã: tiến hành tham quan, khảo sát, chụp ảnh và đo đạc về các

thông số kĩ thuật liên quan đến chiếu sáng cơng trình cao ốc văn phịng; từ đó có những hình ảnh và số liệu cụ thể phục vụ đề tài luận văn.

Phương pháp tổng hợp, phân tích: từ các tài liệu tham khảo, các dữ liệu khoa học

sưu tập trên thực tế và trên internet, học viên tiến hành tổng hợp thành luận cứ, luận điểm khoa học, hoặc phân tích các tài liệu liên quan đề tài; để có các trích ý, trích dẫn, dẫn ý phù hợp với luận văn.

Phương pháp chuyên gia: trên cơ sở phỏng vấn những người gắn liền với nghiên

cứu kiến trúc xanh và kiến trúc bền vững, ứng dụng vào khả năng phân tích cơng trình trong luận văn.

Phương pháp mơ phỏng cơng trình thực tế: việc mơ phỏng các cơng trình trên bản

vẽ 3D, tạo ra cơng trình với lớp vỏ bao che giả lập, là cơ sở cho việc đánh giá các tác động môi trường lên cơng trình, từ đó có sự đánh giá về mặt hiệu quả năng lượng và hiệu quả kinh tế.

Phương pháp so sánh: so sánh mức hiệu quả thẩm mỹ giữa cơng trình hiện hữu và

cơng trình được mơ hình hóa về mặt tích hợp tấm BIPV Đồng thời so sánh khả năng áp dụng tại các tỉnh thành khác ở Việt Nam.

Phương pháp lập bảng biểu: trên cơ sở các thống kê dữ liệu, học viên tạo ra các

bảng biểu hệ thống sử dụng tấm BIPV tại các góc khác nhau của lớp vỏ bao che và trong các thời điểm khác nhau trong ngày.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

6. Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 3 phần:

Phần mở đầu: nêu lý do chọn đề tài, tổng quan về những nghiên cứu có liên quan đến đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn.

Phần nội dung có bố cục ba chương

Chương 1: Tổng quan về vỏ bao che cao ốc văn phịng và cơng nghệ tấm pin năng lượng mặt trời.

Chương 2: Cơ sở khoa học cho vận dụng công nghệ BIPV vào lớp vỏ bao che cao ốc văn phòng.

Chương 3: Các đề xuất tích hợp tấm BIPV vào vỏ bao che cơng trình cao ốc văn phòng.

Phần kết luận và kiến nghị: từ các kết quả nghiên cứu, có sự so sánh, kết luận với các mục tiêu đề ra ở phần 1, đưa ra một số kiến nghị để kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiễn trong thiết kế vỏ bao che cơng trình.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHỊNG VÀ CƠNG NGHỆ TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 .Tổng quan về vỏ bao che cơng trình cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh 1.1.1 . Khái niệm cao ốc văn phịng và vỏ bao che cơng trình

Khái niệm Cao ốc văn phòng [27]

Năm 1885, kỹ sư và đông thời là kiến trúc sư William Le Baron Jenney

(Hình 1.1a) người Mỹ đã trở thành người sáng tạo ra nhà chọc trời hiện đại khi ơng

nhận thấy nhà cao tầng có thể xây dựng bằng vật liệu hoàn toàn khác với vật liệu truyền thống. Thay vì dùng các bức tường gạch nặng nề để chịu lực cho các phần phía trên, ơng đã sử dụng khung và dầm thép làm kết cấu cho tòa nhà Home

Insurance Building ở Chicago với chiều cao 55m (10 tầng) (Hình 1.1b). Cơng trình

hiện khơng cịn nữa (bị phá hủy năm 1941), tuy nhiên, từ đó đến nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, các cơng trình cao tầng đua nhau xây dựng, phá vỡ những thách thức về độ cao và kĩ thuật; trong đó, có loại hình cao ốc văn phòng. Theo lời của nhà tư vấn và cũng là một tác giả về thiết kế văn phịng Francis

Duffy (1940) thì “Cao ốc văn phịng là một trong những biểu tượng vĩ đại của thế kỷ hai mươi. Những tòa tháp văn phòng chiếm lĩnh đường chân trời của các đô thị ở mỗi châu lục… là chỉ số hiển nhiên nhất của hoạt động kinh tế, của tiến bộ xã hội, công nghệ và tài chính, chúng đã trở thành biểu tượng của hầu hết những gì đại diện cho thế kỷ này”.

Cao ốc văn phòng hay còn gọi là khối văn phòng hoặc trung tâm kinh doanh, được xây dựng cho mục đích thương mại, trong đó có khơng gian được thiết kế chủ yếu với mục đích sử dụng cho các văn phòng. Một tòa nhà văn phòng sẽ được chia thành nhiều phần cho các công ty, doanh nghiệp khác nhau hoặc có thể được dành riêng cho một công ty hoặc một doanh nghiệp. Nhiều cao ốc văn phịng cũng có các cơng năng kèm theo như nhà bếp và phòng thư giãn, nơi các nhân viên có thể ăn trưa hoặc nghỉ ngơi tại chỗ. Cao ốc văn phòng là sự phản ánh cụ thể nhất của những biến đổi sâu sắc trong những hình thức sử dụng lao động, chuyển đổi từ việc sử

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

dụng lao động chân tay sang “bàn giấy”. Ngày nay ở nước Mỹ, Bắc Âu, và ở Nhật bản, ít nhất 50% số người lao động được sử dụng trong mơi trường văn phịng so với 5% vào đầu thế kỷ 20. Lương cho nhân viên lại chiếm 90% đến 91% trong phân

bổ chi phí của vịng đời một doanh nghiệp, bên cạnh 3% đến 4% cho cơ sở vật chất,

4% cho hoạt động của doanh nghiệp, 1% cho trang thiết bị nội thất văn phòng. Như vậy, nếu cấu trúc văn phịng có thể là địn bẩy nâng chi phí cho cơ sở vật chất nhằm cải thiện hiệu quả làm việc của nhân viên, thì nó có thể có một tác động rất lớn đối với đóng góp của nhân viên cho một doanh nghiệp.[26] Để hoàn thành động tác này, các cơng trình văn phịng phải có một phương pháp thiết kế tổng hợp trong đó tập trung vào việc đáp ứng một loạt các mục tiêu. Qua phương thức thiết kế tổng hợp, một thế hệ mới các cao ốc văn phòng chất lượng cao đang mọc lên đem lại cho các chủ đầu tư cũng như người sử dụng sự thoả mãn và hiệu suất làm việc của nhân

viên, sức khỏe cải thiện, tính linh hoạt cao hơn và việc sử dụng năng lượng và các khía cạnh mơi trường được tăng cường.

Trong hai thập kỷ trở lại đây, tỷ lệ nhà cao tầng và các cao ốc văn phòng tại các thành phố khu vực Châu Á – Thái Bình Dương chiếm tới 1/3 trong số 100 nhà

chọc trời cao nhất thế giới (Hình 1.1b). Các chương trình nhà cao tầng ở Nhật Bản,

Malaysia, Singapore, Thái Lan, Indonesia, Đài Loan, Hàn Quốc, và đặc biệt là Hồng Kông được thúc đẩy mạnh mẽ do sự bùng nổ của công nghiệp xuất khẩu từ năm 1950 và sản lượng thép tăng ở Châu Á. Những dự án phát triển nhà cao tầng được thực hiện ở Châu Á đã chứng tỏ tính ưu việt của nhà cao tầng, trong đó đáng chú ý là Tháp Buji Khalifa tại thành phố Dubai, thủ đô của các Tiểu vương quốc Ả rập thống nhất là tòa tháp cao nhất thế giới hiện nay với chiều cao 828m và có tổng

cộng 162 tầng [28] (Hình 1.1c). Điều này đặt ra những thách thức và cơ hội trong

việc thiết kế, thi công những cao ốc văn phịng có hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng. Trong đó, lớp vỏ bao che cơng trình chiếm một vai trị quan trọng.

Khái niệm vỏ bao che cơng trình

Kết cấu vỏ bao che đầu tiên được cho là được thiết kế bởi KTS người Đức Walter Gropius (1883-1969), người sáng lập ra Trường phái Bauhaus và cùng

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

với Ludwig Mies van der Rohe và Le Corbusier, được xem là những bậc thầy tiên phong khởi xướng trào lưu kiến trúc hiện đại. Năm 1923 khi trường Bauhaus chuyển từ Weimar về Dessau, Gropius đã thiết kế một ngôi trường mới nổi tiếng

gọi là trường Bauhaus ở Dessau. (Hình 1.2) Đây là tác phẩm mang tính tun ngơn

cho trường phái Bauhaus thể hiện nguyên tắc kiến trúc mà Gropius và các đồng nghiệp khởi xướng. Ngồi ra, cơng trình này có một điểm đặc biệt là hệ thống tường bao che bên ngoài bằng kính trong suốt cho thấy phần nội thất của cơng trình. [20]

Định nghĩa về vỏ cơng trình của The Pew Research Center on Global Climate

Change (Tổ chức nghiên cứu về biến đổi khí hậu tồn cầu): “Vỏ bao che tòa nhà là giao diện giữa bên trong của tịa nhà và mơi trường bên ngồi, bao gồm các bức tường, mái nhà, và nền móng – có chức năng như một rào cản nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng năng lượng cần thiết để duy trì mơi trường thoải mái trong nhà so với mơi trường bên ngồi”.

Một thuật ngữ mới là "Building Enclosure". Vỏ bao che là phân cách vật lý giữa nội thất và các môi trường bên ngồi của một cơng trình. Chức năng của nó như là lớp vỏ bên ngồi để giúp duy trì mơi trường trong nhà (cùng với hệ thống điều cơ khí) và tạo điều kiện kiểm sốt vi khí hậu cơng trình. Xây dựng thiết kế vỏ bao che là một lĩnh vực chuyên ngành kiến trúc và kỹ thuật thực hành rút ra từ tất cả các lĩnh vực khoa học xây dựng và kiểm sốt vi khí hậu trong nhà. [20]

Theo Richard Rush, “Vỏ bao che cơng trình phải tương tác với cả những lực tác động của thiên nhiên lẫn những giá trị của con người. Lực tác động của thiên nhiên bao gồm nắng, mưa, gió và tuyết. Những vấn đề của con người bao gồm an toàn, an ninh, và các công năng của cơng trình. Hệ thống vỏ bảo vệ công trình bằng cách bao che và bằng cách cân bằng các lực tác động môi trường từ bên trong lẫn bên ngồi cơng trình. Để có được sự bảo vệ này nó phải kiểm sốt chặt chẽ các hiện tượng xâm nhập vào cơng trình. Có thể tưởng tượng vỏ bao che cơng trình như một cái bong bóng lớn có khả năng ngăn các tác động bất lợi của môi trường bên ngoài vào và giữ cho điều kiện vi khí hậu của môi trường bên trong

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

khơng thốt ra ngồi.” [20]. Cũng theo ơng, một cơng trình xây dựng chỉ thơng qua

bốn hệ thống bao gồm: Hệ thống kết cấu công trình (Structure), Hệ thống vỏ bao che cơng trình (Envelope), Hệ thống cơ khí (Mechanical), Hệ thống nội thất

(Interior) (Sổ tay kết nối các hệ thống cơng trình).

TS Eric Burnett và TS John Straube, trong một số bài viết của mình, cịn mơ tả hệ vỏ bao che cơng trình theo cơng năng và hoạt động của chúng. Theo các vị

này, vỏ bao che cơng trình “chịu tác động của một loạt các tải trọng, trong đó có các tải trọng kết cấu, tĩnh và động, và các tải khơng khí, nhiệt, và độ ẩm.” Hệ vỏ

bao che thường được dùng để vận chuyển và phân phối các hệ thống kỹ thuật trong cơng trình. Hệ thống vỏ bao che chịu tác động của tỉ trọng bản thân và các tác động mơi trường trực tiếp theo thời gian. Ngồi ra, hệ vỏ bao che (chủ yếu là hệ tường) cịn có nhiều thuộc tính thẩm mỹ có thể phân loại thành phần hồn thiện của cơng trình. Tóm lại, các hệ thống và thành phần của hệ vỏ bao che cơng trình chính là một trong bốn hệ thống chủ yếu cấu thành một cơng trình xây dựng xét về cả sự tồn tại vật chất lẫn vai trị của nó trong sự vận hành của tồn thể cơng trình. [20]

Các thành phần của vỏ bao che

KTS Chris Arnold, thành viên Hội kiến trúc sư hoàng gia Anh quốc (RIBA) và Hội viên Viện Kiến trúc sư Hoa kỳ (AIA), cho rằng vỏ bao che cơng trình cịn bao gồm cả tường, móng và sàn tầng hầm (mặc dù những thành phần này thường được gắn với hệ khung kết cấu). Chúng ta có thể hiểu vỏ bao che bao gồm tất cả những gì phân chia phần nội thất của cơng trình với mơi trường bên ngoài. [12] [20]. Với cách tiếp cận này, có thể xếp những hệ thống sau đây làm những thành

phần của hệ thống vỏ bao che cơng trình. (Hình 1.3)

- Tầng hầm (Below Grade construction): bao gồm móng, sàn, và tường tầng hầm.

Vật liệu sử dụng thường là bê tông cốt thép để đảm bảo sự chắn chắn về tải trọng của tồn bộ cơng trình cũng như ngăn chặn sự xâm nhập có hại từ bên ngoài.

- Tường bao che bên ngoài cơng trình (Exterior Walls): bao gồm cả tường chịu lực

và tường không chịu lực. Vật liệu sử dụng cho thành phần này rất phong phú và đa

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

dạng như : Bê tông cốt thép, gạch, đá, kính, hợp kim nhơm, gỗ, tấm xi măng sợi xenlulô, composite.

- Cửa (Fenestration): bao gồm cửa sổ, cửa đi, các mảng kính lấy sáng từ phía ngồi

cơng trình, các mảng kính nghiêng dốc, tường treo; hệ thống lam che nắng

- Mái (Roofs): bao gồm từ mái bằng đến các loại mái với các độ dốc khác nhau;

Công việc thiết kế vỏ bao che cơng trình là rất phức tạp và có nhiều yếu tố cần phải được đánh giá cân nhắc để đảm bảo những yêu cầu tiện nghi về nhiệt, âm thanh và thị giác cũng như vấn đề an toàn, khả năng tiếp cận và chất lượng thẩm mỹ cơng trình. Vỏ bao che đóng một vai trò nhất định trong hầu như tất cả các chức năng của cơng trình, trong mối quan hệ trực tiếp và gián tiếp của nó với các hệ thống khác trong cơng trình xây dựng.[20] Trong khn khổ luận văn, học viên chú trọng nghiên cứu thành phần tường bao che bên ngoài, chịu tác động trực tiếp của ánh sáng mặt trời và ngăn cách không gian bên trong với mơi trường bên ngồi.

1.1.2 . Tình hình phát triển của các cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh

Trước năm 1975, Sài Gịn đã có cơng trình cao 15 tầng được xây dựng. Với nhu cầu phát triển của một đơ thị lớn hiện nay, loại hình cao ốc văn phòng chiếm một tỉ lệ lớn trong việc xây dựng các cơng trình cao tầng tại Tp. HCM. Các cơng trình cao tầng, đặc biệt là cao ốc văn phịng khơng ngừng được xây dựng, bùng nổ trong giai đoạn 2005-2015. Số lượng văn phịng mới hồn thành trong thời gian qua khá nhiều đang tạo sức ép ngày càng tăng lên phân khúc thị trường văn phòng cho thuê tại khu TPHCM (Bảng 1.1). Đỉnh điểm năm 2010 lượng cung mới tham gia thị

trường lên tới 230,000 m2, tăng gần 50% so với năm 2009 (Hình 1.4). Tuy nhiên,

tiêu chí chung nào để đánh giá và xếp hạng và phân loại cho các cao ốc tại Việt Nam hay ở Tp.HCM đến nay vẫn chưa được đưa ra cụ thể. Theo nhận xét của nhiều chuyên gia, đến nay ở Việt Nam chưa có chuẩn chung về xếp hạng cao ốc văn phòng. Thực tế, hầu hết sự đánh giá và xếp hạng cao ốc đang dựa vào tiêu chí của từng công ty trong lĩnh vực dịch vụ bất động sản quốc tế hoạt động tại Việt Nam. Thơng thường, các yếu tố có thể quyết định trong việc xếp hạng của các tòa nhà cao

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

tầng gồm: địa điểm, ngày hoàn tất, dịch vụ, tuổi thọ tòa nhà, khả năng tiếp cận và

tiêu chuẩn quản lý. Như vậy, phần tiêu chí năng lượng hay tiêu chí mơi trường vẫn chưa được quan tâm một cách đúng nghĩa.

Bảng 1.1. Phân hạng và nguồn cung sàn văn phòng cho thuê 2010

Nguồn: Tư vấn nghiên cứu Savills 2010

Hiện nay cao ốc văn phòng được chia thành 3 hạng mức cơ bản: hạng A (hoặc A+), B và C. Tính đến năm 2013, tồn thành phố có 405 tịa nhà văn phịng, trong đó có 13 tịa hạng A, 61 tịa hạng B, cịn lại là hạng C. Ở Tp.HCM, các cao ốc văn phòng hạng A được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn về vị trí tọa lạc trong khu trung tâm quận 1, quy mơ và diện tích cho th. Thống kê từ 1996-2006, Tp.HCM có 5 cơng trình nhà cao tầng văn phịng được đánh giá hạng A là Diamond plaza, Saigon Centre, Saigon Tower, The Metropolitan, Sunwah Tower. Đến cuối năm 2013 có thêm các tịa nhà được hồn thành và được liệt vào nhóm cao ốc hạng A gồm có: Bitexco Fianncial Tower, Kumho Asiana Plaza, Vincom Center, Time

square, A&B Tower, President Place, Lim Tower, Center point. (Nguồn: Tư vấn nghiên cứu Savills)

Như vậy, mức sàn văn phịng khơng ngừng tăng lên, kèm theo là chi phí vận hành và cho thuê cũng tăng theo. Điều này đòi hỏi phải có bài tốn giải quyết về vấn đề năng lượng sử dụng trong tịa nhà. Do đó, đặt ra thách thức và cơ hội cho các nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng trong các công trình cao tầng hoặc sử dụng năng lượng sạch, thân thiện với môi trường. Các đại biểu tại hội thảo hiện trạng sử dụng năng lượng và giải pháp cơng nghệ trong cơng trình xây dựng đã đưa ra một

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

thực tế: cơng trình theo quy chuẩn tiết kiệm năng lượng kiến trúc xanh chưa có

nhiều (Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tp.HCM). Và theo kết quả khảo sát về việc

tiết kiệm năng lượng tại một số cơng trình kiến trúc cao tầng ở Tp.HCM của trung tâm thì cho thấy một thực trạng, nhiều cơng trình văn phịng cao tầng dù được đánh giá xếp hạng A nhưng vẫn ít sử dụng các giải pháp trong kiến trúc để hạn chế bức xạ mặt trời hoặc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời này ngồi việc làm nóng nước sinh hoạt. Trong giới hạn đề tài, học viên quan tâm đến những yếu tố về cao ốc văn phòng tại Tp.HCM như sau: địa điểm, quy mô, lớp vỏ bao che (chỉ xét đến lớp vỏ

tường bao) (mục 1.1.1) và các tiêu chí kiến trúc tiết kiệm năng lượng mà cơng trình

đạt được từ giai đoạn thiết kế đến vận hành.

- Địa điểm bền vững: có vị trí quan trọng trong phát triển đô thị. - Quy mơ: cao tầng, có tổng diện tích sàn cho mục đích văn phịng lớn.

- Sử dụng tài ngun và năng lượng hiệu quả: tiết kiệm năng lượng trong vận hành, có thiết kế từ đầu chú trọng vấn đề môi trường và sử dụng nguồn năng lượng sạch. Chất lượng môi trường trong nhà: Tạo được mơi trường chiếu sáng tự nhiên có chất lượng và tiện nghi, sử dụng hiệu quả cơng trình.

- Thủ pháp mặt đứng và lớp vỏ bao che: có thiết kế tốt về hướng nhìn, sử dụng các giải pháp bao che hiệu quả về năng lượng.

- Tính xã hội bền vững.

Các cơng trình lựa chọn để khảo sát và đánh giá sơ bộ theo các tiêu chí đã đề cập là những cao ốc văn phòng hạng A đã xây dựng ở Tp.HCM trong thời gian gần

đây. Kết quả đánh giá chỉ dừng ở mức độ định tính. (Bảng 1.2)

Bảng 1.2. Các cao ốc văn phòng tại thành phố Hồ Chí Minh

Tiêu chí tiết kiệm tối đa lượng điện năng, giảm thiểu các tác động ô nhiễm môi trường và

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

cơng trình kiến trúc tiết kiệm năng lượng năm

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

1.1.3 . Đặc điểm lớp vỏ bao che các cao ốc văn phịng tại Tp. Hồ Chí Minh

Hiện nay, việc sử dụng kính cho lớp vỏ bao che cơng trình cao tầng đã trở nên rất phổ biến tại Việt Nam, thậm chí có những cơng trình vật liệu kính chiếm 100%. Năng lượng sưởi ấm cho những tháng mùa đông không nhiều, trong khi lượng bức xạ mặt trời ở những tháng mùa hè rất cao, nung nóng tồn bộ tịa nhà. Do đó, việc giảm bức xạ mặt trời đặc biệt có ý nghĩa đối với các tịa nhà – khi đó năng lượng làm mát thụ động sẽ giảm đi (giảm chi phí đầu tư thiết bị, chi phí vận hành và chi phí bảo dưỡng). Với đặc điểm của cao ốc văn phịng là cơng trình cao tầng, chi phí xây dựng cho lớp vỏ bao che của một cơng trình thường chiếm tỉ trọng

khá cao (Bảng 1.3).

Bảng 1.3. Tỉ lệ chi phí xây dựng các thành phần vỏ bao che với tổng chi phí cơng trình, đơn vị % (Nguồn: Means Square Foot Costs)

Loại cơng trình Tường ngoài Tấm sàn đáy Mái Tổng

Học viên có những khảo sát mang tính định tính về lớp vỏ bao che của các

cao ốc văn phòng tại bảng 1.2 (Mục 1.1.2). Các luận văn về cao ốc văn phòng và

lớp vỏ bao che được tham khảo có thống kê khá đầy đủ về các cao ốc văn phịng điển hình ở Tp.HCM. Trong khuôn khổ luận văn này, học viên cũng đã tiến hành tổng hợp các cơng trình cao ốc văn phịng, trong đó chú trọng đến lớp vỏ bao che cơng trình. Các cơng trình này nói chung thuộc dạng: do tư vấn nước ngoài thiết kế,

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

nhà thầu chính là các tập đồn nước ngồi hoặc trong nước thi cơng, qui mơ trên 15 tầng, số lượng trên 25 tầng chiếm chủ yếu.

Từ việc tổng hợp các dạng vỏ bao che (chỉ xét vỏ tường bao) của các cơng trình cao ốc văn phịng điển hình như bảng 1.2, học viên có nhận xét chung, các cơng trình trên đều chú ý đến việc lựa chọn vật liệu tương thích với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Tp.HCM. Đó là các dạng kính cách nhiệt hai lớp, tường hai lớp hoặc kính e-low. Tuy nhiên, vẫn chưa có một cơng trình nào theo xu hướng thiết kế kiến trúc xanh hay tiết kiệm năng lượng mà sử dụng năng lượng mặt trời thông qua lớp vỏ bao che như là một loại năng lượng chính cho tòa nhà. Điều này là một điểm cần nghiên cứu để tích hợp cơng nghệ pin quang điện vào lớp vỏ bao che cao ốc,

vốn có tỉ trọng kính rất cao. Hình 1.5 đến Hình 1.15 trình bày điển hình một số trong các cơng trình mà tác giả đã tiến hành khảo sát theo Bảng 1.2.

1.2 . Các công nghệ tấm quang điện

1.2.1 . Lịch sử BIPV và công nghệ chung về tấm năng lượng mặt trời

Nhà vật lý người Pháp, Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891), đã tạo ra hiệu ứng Becquerel, sau này được gọi là "hiệu ứng quang điện". Năm 1839, Becquerel đặt hai dây dẫn bán dẫn điện cực platinum bạc tráng bạc và nhúng chúng vào một ống nitric dung dịch axit axit và tiếp xúc với ánh sáng, tạo ra dòng điện.

Kể từ đó chất bán dẫn là thành phần chính của cơng nghệ quang điện. Cho đến

năm 1953, tại phịng thí nghiệm Bell, các nhà khoa học Daryl Chapin, Calvin Fuller và Gerald Pearson đã khám phá ra tế bào silic hiện đại. Thí nghiệm với các tạp chất làm thay đổi silic, từ dây dẫn điện bình thường đến cao cấp, các nhà khoa học đã sử dụng một miếng silic với một lượng gallium nhỏ nhúng một ống lithium nóng và phơi ra dưới đèn, để tạo ra một điện tích âm từ vật liệu silic và tạo ra một wafer silic với hiệu suất chuyển đổi là 6%.[28] Như vậy pin mặt trời đã được sinh ra. Các tế bào năng lượng mặt trời lần đầu tiên được sử dụng để cung cấp điện cho vệ tinh. Vào đầu những năm 1970, Tiến sĩ Elliot Berman đã chế tạo một pin mặt trời rẻ tiền hơn bằng cách đưa ra silic chất lượng và vật liệu kém hơn, do đó giảm giá một pin mặt trời từ 100 đô la đến 20 đô la một watt. Điều này cho phép vật liệu PV thể hiện

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

được tính khả thi về mặt kinh tế của nó và năng lực tiềm năng. Điều này bắt đầu phát triển ngành công nghiệp sản xuất quang điện, thử nghiệm và nghiên cứu khoa học vật liệu. Cơng trình nhà Carlisle, được xây dựng vào năm 1979, là căn nhà hạt nhân đầu tiên của BIPV - là một cấu trúc tạo ra năng lượng đủ cung cấp cho cơng

trình sử dụng trong một năm (Hình 1.16).

Thuật ngữ BIPV được sử dụng vào đầu những năm 1990 , thông qua một chương trình thí điểm do Sở Năng lượng (DOE) và Phịng Thí nghiệm năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) của Mỹ tiến hành, gọi là "PV: Bonus". Giáo sư Susan

Roaf, mơ tả chương trình BIPV như sau: "Tập trung vào việc phát triển các sản phẩm biến đổi quang điện tích hợp cơng trình (BIPV) để có thể dễ dàng gắn liền với các tịa nhà. Từ đó, có mức sử dụng cơng nghệ năng lượng mặt trời cao hơn, và phổ biến trên thị trường ". [28] [29]

Một trong những khái niệm mang tính cách mạng nhất hỗ trợ việc áp dụng BIPV trong tương lai như một phương pháp bền vững chính cho xây dựng là một khái niệm về áp dụng lý thuyết quang hợp để xây dựng các ứng dụng. PV cho phép các vỏ bao che của các tòa nhà trở nên gần gũi hơn với các bề mặt quang hợp của cây trồng - thu hoạch năng lượng từ mặt trời để các cấu trúc do con người tạo ra có thể chuyển từ những người tiêu dùng năng lượng tĩnh sang việc sản xuất, ví dụ trong lĩnh vực nông nghiệp. [88] Điều này đang thách thức quan niệm chung về những gì mà BIPV có thể. Khi BIPV bắt đầu chuyển từ mái nhà sang phía mặt tiền, lợi ích khi thương mại hóa BIPV và phát triển kiến trúc bền vững thế kỷ 21 được

nêu ra nghiên cứu (Hình 1.17).

Như vậy, khởi đầu là các tấm quang điện sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển hóa thành nhiệt năng (đốt nóng nước) hay có tác dụng trong nơng nghiệp, BIPV từng bước xâm nhập vào thị trường. BIPV là một dạng cơng nghệ mới, vừa chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng, vừa đặt ra bài tốn về giải quyết tính năng thẩm mỹ ở lớp vỏ cơng trình.

1.2.2 . Tiềm năng về pin quang điện trong việc tạo nguồn năng lượng sạch

 Pin năng lượng mặt trời:

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Phát triển ngành công nghiệp năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và tiết kiệm năng lượng là một xu hướng tất yếu của thế giới trong thế kỷ 21. Tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo là rất to lớn, do vậy phát triển ngành công nghiệp năng lượng mới là một vấn đề cấp bách, càng sớm càng mang lại lợi ích to lớn cho đất nước trong điều kiện tự nhiên thuận lợi của Việt Nam, với lượng bức xạ mặt trời rất

lớn trên toàn quốc. (Hình 1.18) Tại Tp.HCM hàng năm có tới trên 330 ngày có

nhiệt độ trung bình 25-280C. Ðiều kiện nhiệt độ và ánh sáng thuận lợi cho việc sử dụng thiết bị pin NLMT phục vụ cho đun nước, chiếu sáng và thơng tin liên lạc.

(Hình 1.19)

 Pin mặt trời công nghệ mới:

Để đáp ứng nhu cầu tận dụng nguồn năng lượng tái sinh vơ tận của tồn thế giới, các nhà khoa học Na Uy và Anh đã hợp tác nghiên cứu để chế tạo ra các loại pin mặt trời mới trên nguyên lý tác dụng của hạt nano. Loại pin này rất thuận tiện vì

khi dùng chỉ việc dán lên những tấm kính cửa sổ có khung. (Hình 1.20) Loại pin

mặt trời mới này trông giống như một lớp màng trong suốt. Nếu dán lên cửa sổ của một toà nhà thì chúng có thể đáp ứng được khoảng 26% nhu cầu điện năng cho gia đình gồm 4 người. [29]

 Tấm pin quang điện: (PV)

Các nhà nghiên cứu thuộc Cơ quan Khoa học quốc gia Australia (CSIRO) đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc sản xuất các tấm pin quang điện để biến ánh

sáng mặt trời thành điện năng theo kỹ thuật in ấn. Các tấm pin trên sẽ được "in" lên

các tấm nhựa polymer và sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong việc sử dụng năng

lượng điện mặt trời. (Hình 1.21)

Một trong những ưu thế vượt trội của pin quang điện so với các loại nhiên liệu tái sinh khác là ở chỗ chúng nhỏ bé, mềm dẻo và các nhà nghiên cứu có thể nghĩ ra nhiều cách để chế tạo cũng như sử dụng chúng. Những bộ pin quang điện từ vật liệu hữu cơ mềm dẻo sẽ được công ty Securency in trên polymer thành những tấm mỏng có kích thước lớn. [12], [30]

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Như vậy, với tình hình phát triển về cơng nghệ pin quang điện và khả năng tạo năng lượng sạch, việc tích hợp các loại cơng nghệ này vào cơng trình là điều khả thi, đặc biệt là các cơng trình được thiết kế với tỉ lệ mảng kính lớn.

1.3 . Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời trong xu hướng phát triển kiến trúc xây dựng tại Việt Nam.

1.3.1 . Tác động của các yếu tố tự nhiên đối với lớp vỏ bao che

Các yếu tố tự nhiên và tác động của chúng đối với hệ thống vỏ bao che bao gồm: ánh nắng mặt trời, nhiệt độ, nước, gió và trọng lực. [6] [12]

Ánh nắng mặt trời là điều kiện của sự sống, tuy nhiên lại có những tác động tiêu cực đến lớp vỏ bao che. Mặt trời làm hỏng các vật liệu hữu cơ như sắc tố màu, chất dẻo composite hay các loại keo gắn kính, làm rỉ sét các vật liệu thép, alumium. Tác dụng của ánh nắng, nhất là của tia tử ngoại, gây ra những biến đổi hóa học làm oxi hóa hay thậm chí phá hoại vật liệu. Do đó những vật liệu hoàn thiện dễ bị ảnh hưởng bởi những tác động này. Nếu khơng được kiểm sốt, ánh nắng mặt trời xuyên qua vỏ bao che bằng kính có thể gây ra hiện tượng chói lóa, hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của nhân viên văn phòng.

Nhiệt độ gây ra hai loại vấn đề cần phải lưu ý trong khi thiết kế vỏ bao che là: sự co giãn của vật liệu và sự cần thiết phải khống chế sự truyền nhiệt qua lớp vỏ bao che của cơng trình. Nhiệt lượng của mặt trời tác động lên hệ vỏ bao che gây ra sự chuyển vị do nhiệt trong các cấu kiện của tường (OTTV). Sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày hay theo mùa có tác động lớn đến các chi tiết vỏ bao che. Việc khống chế sự truyền nhiệt qua tường có ảnh hưởng đến cả sự thất thoát nhiệt lượng ở những vùng khí hậu lạnh cũng như sự tăng nhiệt độ ở những vùng khí hậu nóng, tùy thuộc vào vị trí địa lý của cơng trình, nhưng khi diện tích kính trong suốt là chủ đạo, thì việc sử dụng kính cách nhiệt sẽ có hiệu quả tốt hơn trong việc giảm trị số U tổng thể của vỏ bao che. Một giải pháp mới hơn đang được sử dụng là sử dụng các loại kính có tính năng giảm chói hoặc kính phản quang giúp tăng thêm tiện nghi sử dụng đồng thời khơng làm cản trở tầm nhìn của người sử dụng cơng trình. Thống kê tại bảng 1.2 cho thấy, phàn lớn các cơng trình cao ốc văn phịng đều sử dụng kính khá nhiều. Tuy nhiện, với cơng nghệ tấm quang điện tích hợp, khả năng tận

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

dụng được nguồn nhiệt từ bức xạ mặt trời là một lợi thế. Các mặt công trình gắn kính tiếp giáp trực tiếp với bức xạ mặt trời là điều kiện lí tưởng để tận dụng được nguồn năng lượng này và chuyển hóa điện năng.

Nước, dưới dạng mưa, tuyết, hơi nước hoặc nước ngưng tụ, có lẽ là nguyên nhân tiềm ẩn rắc rối và lớpi dẳng nhất. Dưới dạng nước mưa khi bị gió hút, nó có thể len lỏi vào những kẽ hở rất nhỏ và có thể di chuyển bên trong tường và xuất hiện ở mặt trong tường rất xa nơi nó bắt đầu thâm nhập vào. Dưới dạng hơi nước nó có thể đi xuyên qua những lỗ cực nhỏ, và sẽ ngưng tụ lại khi gặp lạnh, và nếu bị mắc ở bên trong tường, có thể gây ra những tác hại nghiêm trọng mà có lẽ sẽ rất lâu sau mới được phát hiện ra. Rị rỉ có lẽ là vấn đề của bức tường làm bằng bất kỳ vật liệu nào, đặc biệt là lớp vỏ bao che bằng kính. Một phần lượng nước này có thể đi xun qua các khe kính khơng được hồn thiện kĩ và xuất hiện ở mặt trong vỏ bao che. Điều này cũng nhấn mạnh rất nhiều tầm quan trọng của việc phải thiết kế cẩn thận những chỗ nối ghép.

Gió tác động lên tường tạo ra những lực ảnh hưởng rất lớn đến thiết kế kết cấu của tường. Đặc biệt là ở những kết cấu nhà cao tầng, đặc điểm về kết cấu của những cấu kiện khung và tấm tường, cũng như độ dày kính được xác định căn cứ vào tải gió tối đa. Gió cũng đóng góp vào việc làm chuyển vị lớp vỏ bao che, ảnh hưởng đến các mối ghép và bộ phận neo tường. Áp suất cao tạo ra bởi gió lớn gây ra ứng suất nghịch cho các cấu kiện của hệ khung vỏ bao che và lớp kính gắn vào, làm cho nước mưa có khả năng chảy vào khắp mọi hướng của toàn bộ bề mặt tường. Như vậy gió cũng phải được xem là một nhân tố quan trọng đóng góp vào khả năng xuất hiện hiện tượng thấm rò nước.

Trọng lực, không giống như những tác động tự nhiên khác, là một hằng số tĩnh chứ không phải là một biến số động. Nó gây ra độ võng của những cấu kiện chịu lực nằm ngang, đặc biệt khi chịu tải của những tấm kính lớn có trọng lượng lớn. Vì những tải trọng này có thể gây ra những độ võng và chuyển vị của hệ khung kết cấu, những liên kết của vỏ bao che với khung kết cấu phải được thiết kế để cho phép có độ chuyển vị tương đối đủ đảm bảo những chuyển vị này không gây ra những tải trọng theo phương đứng lên bản thân lớp vỏ bao che. [5] [6] [26]

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

1.3.2 . Xu thế sử dụng năng lượng mặt trời trong kiến trúc thế giới

Kiến trúc xanh

Trong tình trạng khủng hoảng về năng lượng, tài nguyên và môi trường thiên nhiên hiện nay thì “kiến trúc xanh” chính là điều kiện cần thiết trong các bước thiết kế và vận hành một cơng trình bất kì. Kiến trúc xanh không phải là việc trồng cây xanh hay gắn vào những khái niệm mơ hồ. Kiến trúc xanh cũng không hẳn là việc không sử dụng các thiết bị cơ khí như điều hịa hay gia nhiệt. Ở những nơi có thể, người ta tận dụng tối đa thơng thống tự nhiên, cải tạo vi khí hậu quanh nhà bằng cây xanh, hồ nước, thảm cỏ… Từ đó tiến dần đến ngơi nhà hồn tồn thơng thống tự nhiên. Việc sử dụng kính trong cơng trình vẫn có thể đạt được tiêu chuẩn Leed hay Lotus về kiến trúc xanh. Đặc biệt với cơng trình cao ốc văn phịng sử dụng vật liệu kính rất lớn. [5]

Kiến trúc sinh thái

Kiến trúc sinh thái (KTST) hay còn gọi là “kiến trúc bền vững” được hiểu là kiến trúc mà trong suốt vịng đời của nó từ khi xây dựng, sử dụng cho đến khi loại bỏ đều được tiến hành theo các nguyên tắc sinh thái: [6] [12]

- Cộng sinh với môi trường tự nhiên; - Sử dụng các vật liệu tuần hồn, tái sinh; - Tạo mơi trường bên trong lành mạnh, dễ chịu;

- Hoà nhập với môi trường nhân văn của lịch sử và khu vực; - Ứng dụng các kỹ thuật mới tiết kiệm năng lượng

KTST bảo vệ môi trường lớn chung quanh, môi trường vĩ mô, là hạn chế ảnh hưởng tự nhiên, giảm ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường, giảm tải rác thải và xử lý thoả đáng phế thải. Đồng thời, cơng trình kiến trúc cịn phải xử lí được các tác nhân ơ nhiễm từ bên ngồi hay do chính bản thân tạo ra, như ô nhiễm âm thanh, ô nhiễm ánh sáng; có khả năng tái tạo năng lượng một cách tuần hoàn. Điều này cũng là một vẫn đề ảnh hưởng đến tất cả các khâu, từ thiết kế, vận hành và bảo dưỡng cơng trình.[15]

Kiến trúc nhiệt đới

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Kiến trúc nhiệt đới tuy là một khái niệm nhỏ và nằm trong kiến trúc sinh thái nhưng lại mang tính độc lập riêng rẽ bởi nó chỉ hướng tới một mục đích duy nhất – là sự thống nhất và phù hợp giữa kiến trúc và khí hậu. [12]

Xu hướng tích hợp kiến trúc – năng lượng

Trong hai thập kỷ gần đây, khuynh hướng thiết kế kiến trúc nghiêng mạnh về phía sử dụng hiệu quả về năng lượng. Trong nhiều trường hợp, xu hướng này đạt đến trình độ tích hợp giữa kết cấu kiến trúc với khai thác năng lượng, dựa trên những thành tựu nhanh chóng của hai lĩnh vực riêng lẻ. Gió và năng lượng mặt trời là hai nguồn năng lượng tích hợp phổ biến nhất. Các tuabin gió trở thành một phần thiết yếu của cơng trình kiến trúc, đặc biệt đối với các nhà cao tầng…

Cơng trình The Lighthouse là một sáng tạo về nhà chọc trời xanh được xây dựng ở Dubai. Đối với việc tạo ra năng lượng, cơng trình sẽ có ba tuabin gió khổng lồ 225 kilowatt (đường kính 29m), và 4.000 tấm quang điện trên mặt tiền phía nam. Thiết kế bởi nhóm Atkins, cơng trình mong muốn giảm mức tiêu thụ năng lượng

đến 65% và lượng nước tiêu thụ lên đến 40%. (Hình 1.22a,b)

1.3.3 . Tính cấp thiết của vấn đề năng lượng trong các công trình cao ốc văn phịng tại thành phố Hồ Chí Minh

Về điều kiện kinh tế

Tp.HCM luôn khẳng định là trung tâm kinh tế cả nước, và đặc biệt ở khu vực phía Nam về kinh tế, tài chính với các chỉ tiêu GDP, số liệu đóng thuế hay sử dụng nguồn lực quốc gia. Đứng đầu về thu hút vốn đầu tư FDI với số vốn 1.1 tỷ USD (theo Cục đầu tư nước ngoài, bộ KH&ĐT - 2010). Theo các báo cáo của Price Waterhouse Cooper và tổ chức nghiên cứu Urban Land Institute có trụ sở tại Mỹ, Tp.HCM nằm trong top 10 thị trường bất động sản triển vọng của khu vực Châu Á Thái Bình Dương. Đặc biệt về số lượng cao ốc văn phòng, các dự án được xây dựng và vận hành của Tp.HCM luôn đứng đầu cả nước. Các dự án lớn về BĐS như Thủ Thiêm, Đô Thị Cảng Hiệp Phước, khu đô thị mới Nam Sài Gòn, xây dựng các khách sạn 5 sao, các tổ hợp thương mại, dịch vụ, căn hộ, văn phòng ln có vị trí đắc địa tại các khu đất vàng của thành phố.

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Với mật độ dân số cao, 4000 người/km2, tổng số dân khơng chính thức khoảng 14 triệu người (số liệu UBND Tp.HCM năm 2016), Tp.HCM là địa phương có tỷ lệ đơ thị hóa cao, tập trung dân số đơng, mức thu nhập bình qn đầu người cao. Tp.HCM là nơi có lực lượng lao động nhiều thành phần, đồng thời thu hút được lượng lao động có trình độ, kĩ thuật cao. [16] [31]

Nhu cầu sử dụng

Tp.Hcm hiện chiếm đến 1/5 sản lượng điện tiêu thụ của cả nước.[34] Với tốc độ tăng trưởng xây dựng bình quân 15%/năm, số toà nhà cao tầng, trung tâm thương mại, siêu thị mới sẽ tăng thêm rất nhiều và tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các toà nhà chiếm từ 35 - 40% tổng năng lượng tiêu dùng. Năng lượng sử dụng trong các tồ nhà, cơng trình cao tầng là rất lớn. Thêm vào đó, hầu hết cơng trình cao tầng do các cơng ty nước ngồi thiết kế và làm thầu chính, phong cách thiết kế và vấn đề tính tốn năng lượng sử dụng cũng chưa phù hợp điều kiện khí hậu Việt Nam.Việc cách nhiệt cho cơng trình cũng là một giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng. Tuy vậy, đặt ra vấn đề tận dụng lượng nhiệt lớn từ bức xạ mặt trời để sử dụng cho nhà cao tầng nói chung và cao ốc văn phịng nói riêng là một điều cần thiết. Các toà nhà cao tầng sử dụng nhiều năng lượng hơn bất kỳ cơng trình nhỏ và vì vậy chúng là nhân tố góp phần gây ra tình trạng biến đổi khí hậu. Những điều trên cho thấy việc tìm ra những giải pháp vỏ bao che để ứng dụng cho nhà cao tầng nhằm tận dụng nguồn bức xạ mặt trời dồi dào là việc cấp bách. [19]

Ý thức tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng sạch của người dân

Con người sống lệ thuộc vào mơi trường, nhưng con người cũng có thể làm thay đổi môi trường. Tp.HCM là thành phố đang phát triển, q trình đơ thị hóa đang diễn ra rất nhanh, dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng rất nhiều. Thói quen sử dụng năng lượng của người dân dẫn đến việc các nguồn năng lượng phổ biến như nhiệt điện, thủy điện đang ngày càng cạn kiệt và làm thay đổi cấu trúc môi trường theo hướng tiêu cực. Vì vậy, cần có một cái nhìn mới về việc sử dụng nguồn năng lượng sạch và vô tận như năng lượng mặt trời. Tất nhiên, chi phí đầu

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

tư ban đầu cho công nghệ này là rất lớn. Nhưng về lâu dài, việc hoàn vốn và có lợi

nhuận từ cơng nghệ điện sạch là khả thi. [6] [7]

Giá thành xây dựng của lớp vỏ bao che

Vỏ bao che cơng trình chiếm một tỷ trọng đáng kể trong giá thành xây dựng một cơng trình. Đối với một cơng trình nhiều tầng, chi phí của vỏ bao che (chủ yếu là chi phí cho hệ tường và cửa sổ) thậm chí có thể vượt q 20% chi phí xây dựng

tồn bộ cơng trình.(Bảng 1.3) Vỏ bao che cũng là một hệ thống quan trọng trong

việc quyết định hiệu quả làm việc tổng thể của tồn bộ cơng trình, trong đó tập trung vào môi trường nhiệt, chiếu sáng và đặc điểm âm học. Nó là yếu tố quyết định chính của chất lượng thẩm mỹ ngoại thất cơng trình. Rõ ràng, sự cân bằng giữa chi phí của vỏ bao che và các mức độ hiệu quả hoạt động của nó có tầm quan trọng rất lớn trong việc đạt được phương án thiết kế có hiệu quả kinh tế cao nhất cho cơng trình.

Quản lý chi phí cần phải được căn cứ vào thơng tin địa phương thu thập ở khu vực địa điểm xây dựng trước giai đoạn thiết kế dùng cho mục đích lập kế hoạch dự án và trong giai đoạn thiết kế để dùng cho mục đích quản lý chi phí. Những chủ đầu tư tư nhân có thể cân nhắc về suất đầu tư ban đầu của công nghệ mới về BIPV. Tuy nhiên, việc tính tốn theo tồn bộ vịng đời cơng trình sẽ đưa ra những bài tốn kinh tế hợp lí cho việc ứng dụng công nghệ BIPV vào vỏ bao che. Với một tương lai có thể thấy rõ là giá năng lượng chắc chắn sẽ không ngừng tăng cao, trong đó bản thân năng lượng đang trở nên ngày càng khan hiếm hơn trong bối cảnh xây dựng ngày nay, thì việc phải thiết kế để tận dụng nguồn bức xạ mặt trời, chuyển hóa năng lượng này thành điện năng sử dụng cho tồn bộ cơng trình là điều hợp lí. [20]

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Kết luận chương 1

Có thể phân chia một cơng trình kiến trúc thành bốn hệ thống cấu thành bao gồm (1)hệ thống kết cấu cơng trình, (2)hệ thống vỏ bao che, (3)hệ thống cơ khí, và (4)hệ thống nội thất cơng trình. Hệ vỏ bao che bảo vệ các hệ thống khác khỏi những khía cạnh khắc nghiệt của mơi trường bên ngồi. Nó cũng hoạt động đồng bộ với các hệ thống khác để đảm bảo tiện nghi cho những người sử dụng cơng trình. Việc thiết kế vỏ bao che cần phải đảm bảo các tiêu chí về an toàn, bảo vệ và thẩm mỹ. Bên cạnh đó, hướng nghiên cứu về lớp vỏ bao che tích hợp cơng nghệ chuyển hóa năng lượng là một điều hợp lí.

Việc phát triển một hệ thống vỏ bao che cơng trình với một loại vật liệu mới sẽ giúp tận dụng được năng lượng mặt trời, giảm thiểu tác động hiệu ứng nhà kính vào trong khơng gian nội thất cao ốc văn phịng. Điều này khơng chỉ tăng hiệu quả kinh tế, mà cịn góp phần cải thiện vấn đề mơi trường, hướng đến phát triển cao ốc văn phịng nói riêng và cơng trình cao tầng nói chung theo xu hướng bên vững và tiết kiệm năng lượng. Với công nghệ BIPV hiện đại, hứa hẹn sẽ làm thay đổi cách tiếp cận vật liệu lớp vỏ bao che của cơng trình cao ốc văn phịng.

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VIỆC TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ BIPV VÀO LỚP VỎ BAO CHE CƠNG TRÌNH CAO ỐC VĂN PHÒNG

2.1. Bức xạ mặt trời và các vấn đề năng lượng hiện nay 2.1.1 Bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng do Mặt Trời phát ra tới trái đất của chúng ta. Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các q trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời.

Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam. Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời khơng chỉ nhiều mà cịn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm.[33] Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:

– Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800 – 2100 giờ nắng. Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều.

– Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình qn có khoảng 2000 – 2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng.

Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào cường độ BXMT trung bình ngày trong năm ở phía bắc là 3,69 kWh/m2 và phía nam là 5,9 kWh/m2. Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chêng lệch đáng kể về bức xạ mặt trời. Cường độ

bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc. (Hình 2.1)

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Với đặc thù vị trí địa lí của Việt Nam, nằm hoàn tồn trong vùng khí hậu nhiệt đới, nguồn nhiệt bức xạ lớn sẽ là một bài toán nan giải cho việc thiết kế các cơng trình kiến trúc. Tuy nhiên, nếu chúng ta biết cách sử dụng nguồn năng lượng này, chuyển hóa thành điện năng sử dụng, thì đó là một lợi thế lớn của Việt Nam.

2.1.2. Sự thay đổi khí hậu và các vấn đề năng lượng hiện nay Mức độ sử dụng năng lượng và tác động đến môi trường:

Sự biến đổi khí hậu là một vấn đề được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Q trình xây dựng và cơng trình đi vào hoạt động có tác động sâu rộng trực tiếp và gián tiếp đến môi trường, đặc biệt là các cơng trình cao tầng vì có thời gian thi cơng kéo dài. Cơng trình sử dụng nguồn tài nguyên như năng lượng, nước và nguyên liệu, tạo ra chất thải (người ở, xây dựng và sự phá hủy) và phát ra khí thải có hại trong khí quyển. Thiết kế những công trình mới cần có các sáng kiến bền vững để giảm chi phí hoạt động và tác động môi trường.

Nghiên cứu của World Business Council for Sustainable Development (WBCSD) về năng lượng trong cơng trình

Năm 2007, báo cáo của dự án hiệu quả năng lượng trong các cơng trình (EEB - the Energy Efficiency in Buildings) của WBCSD đã nghiên cứu trên 6 thị trường gồm: Mỹ, Nhật Bản, Brazil, Trung Quốc, Châu Âu và Ấn Độ, những khu vực có GDP chiếm hơn 1/2 trên toàn thế giới nhưng chiếm 2/3 năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu. Dự án EEB chỉ đặt tiêu chí về sử dụng năng lượng. Năng lượng trong vận chuyển, sử dụng nước cũng quan trọng như là hướng tiết kiệm năng lượng trong các cơng trình, nhưng không nằm trong phạm vi nghiên cứu của dự án. Trong dự án tập trung vào năng lượng đã sử dụng trong cơng trình suốt quá trình hoạt động của chúng. Tùy thuộc vào mức của các dịch vụ năng lượng có thể chiếm 80%

tổng năng lượng.(Hình 2.2a) Những cơng trình mới sẽ sử dụng nhiều năng lượng

hơn sự cần thiết đang được xây dựng mỗi ngày, và hàng triệu cơng trình kém hiệu quả ngày nay sẽ còn lại như cũ vào năm 2050. [27]

- Phần tiêu thụ năng lượng cuối cùng của cơng trình: 30-40%

- Phát thải CO2 toàn cầu từ năng lượng trong các tòa nhà (2005): 9Gt

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

- Tăng trưởng dân số toàn cầu vào năm 2050: 2.7 tỉ hoặc 42%

Ngoài ra, báo cáo của WBCSD cũng chỉ ra xu hướng sử dụng năng lượng

trong các cơng trình theo tiêu chuẩn xanh trên thế giới. (Hình 2.2b) Tổng năng

lượng sử dụng trong cơng trình được xác định bởi 3 nhân tố: quy mô dân số, mét vng trên người trong cơng trình và năng lượng trên mét vng. Có thể được thề hiện qua công thức sau:

Tổng năng lượng sử dụng = (dân số) x (diện tích/người) x (năng lượng/m2) Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã kêu gọi giảm tổng thể 77% hoặc 48 tỷ tấn khí thải carbon dưới sự phát thải như bình thường (business-as-usual BAU) cho tất cả ngành vào năm 2050. [12]

2.2. Đặc điểm quang khí hậu tại Tp.HCM 2.2.1. Đặc điểm quang khí hậu

Nhiệt độ trung bình tại Tp.HCM

Năm 1984, nhiệt độ trung bình ở Tp.HCM là 27,1 0C, năm 2003 tăng lên 28,10C và năm 2004 là 28 0C. Trong khoảng thời gian 20 năm này có năm nhiệt độ trung bình cao, có năm thấp chứ khơng phải là nhiệt độ năm sau luôn cao hơn năm trước. Nhưng xu thế nhiệt độ đang tăng dần lên. Trong khi đó, theo các nhà khoa học trên thế giới, việc thay đổi nhiệt độ ở mức 0,2 0C đã có thể gây ra những tác hại lớn. Theo nghiên cứu của tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD), Tp.HCM nằm trong danh sách 10 thành phố bị đe dọa nhiều nhất bởi biến đổi khí hậu. Từ năm 1960 đến 2005, nhiệt độ tăng lên khoảng 0,020C.

Nắng nóng trên 35 0C: Nhiều càng ngày hơn

Càng ngày Tp.HCM càng nắng nóng hơn. Số ngày có nhiệt độ trên 350C đang tăng mạnh. Những cơn mưa trái mùa xuất hiện trong thời gian này thường

kèm theo dông bão rất nguy hiểm. [32] (Hình 2.3)

Lượng mưa: Tăng 20% so với những năm trước:

Theo những số liệu đo đạc của thạc sĩ Lê Thị Xn Lan, Phó phịng Dự báo của Đài Khí tượng Thủy văn Nam bộ, bắt đầu từ năm 2007 đến nay, lượng mưa tại Tp.HCM đã tăng đến khoảng 20% so với những năm trước, với những trận mưa kỷ

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

lục lên tới 140mm. Tháng 11-2009, tại quận 11 đã có những cơn mưa với lượng mưa gần 135mm. [34]

Biến đổi khí hậu sẽ nhấn chìm 23% diện tích Tp.HCM:

Biến đổi khí hậu gây ra 3 tác động chính đó là: Nước biển dâng, nhiệt độ tăng và ơ nhiễm khơng khí. Cuối thế kỷ 21, nhiệt độ tại Việt Nam có thể tăng từ 2 - 3 độ C so với trung bình thời kỳ 1980 - 1999. Một điểm đáng chú là khi đó nước biển dâng có thể gây ngập 10 - 23% diện tích Tp.HCM và 19 - 38% diện tích ĐBSCL. Vào giữa thế kỷ 21 mực nước biển có thể dâng thêm khoảng 30cm và đến cuối thế kỷ 21 mực nước biển dâng thêm khoảng 75cm. Với mức nước biển dâng này, Tp.HCM sẽ có 10% diện tích bị ngập, cịn ĐBSCL thì có đến 19%. Còn nếu theo kịch bản cao nhất, nước biển dâng 100cm thì 23% diện tích Tp.HCM và gần 38% diện tích ĐBSCL sẽ ngập trong nước. Trung tâm Quản lý môi trường quốc tế ICEM vừa công bố nghiên cứu về biến đổi khí hậu ở Tp.HCM. Theo một số nhà khoa học, những dự báo của ICEM có phần “đáng sợ” nhưng cũng khơng phải là khơng có cơ sở. Khoảng 40 năm nữa, hơn một nửa diện tích Tp.HCM sẽ thường xuyên ngập lụt. Theo tổ chức ICEM, ngập úng thông thường xảy ra hàng ngày do thủy triều lên xuống và theo mùa do mưa lớn, bão và triều cường mạnh trong suốt đợt gió mùa. [4]

2.2.2. Khả năng sử dụng nhiệt với lượng bức xạ mặt trời

Tp.HCM có lượng bức xạ dồi dào, trung bình khoảng 140 Kcal/cm2/năm.

Số giờ nắng trung bình/tháng 160-270 giờ. Nhiệt độ khơng khí trung bình 270C. Nhiệt độ cao tuyệt đối 400C, nhiệt độ thấp tuyệt đối 13,80C. Tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất là tháng 4 (28,80C), tháng có nhiệt độ trung bình thấp nhất là khoảng giữa tháng 12 và tháng 1 (25,70C). Hàng năm có tới trên 330 ngày có nhiệt độ trung bình 25-280C. Ðộ ẩm tương đối của khơng khí bình qn/năm 79,5%; bình quân mùa mưa 80% và trị số cao tuyệt đối tới 100%; bình quân mùa khô 74,5% và mức thấp tuyệt đối xuống tới 20%. [11][33] Với lượng bức xạ rất dồi dào, Tp.HCM có thể phát triển hệ thống công nghệ PV để tạo ra điện năng vận hành cho chính cơng trình, tạo ra điện năng cung cấp các thiết bị, thậm chí cịn có

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

thể hịa vào lưới điện quốc gia. [22]

Theo hình 2.4, có thể nhận thấy mức trực xạ mặt trời ngang tại Tp.HCM cao

hơn hai địa điểm Hà Nội và Đà Nẵng. Điều này được lí giải do Tp. HCM có vĩ độ thấp, bầu trời quang mây. Với lượng bức xạ và trực xạ hằng năm ở dạng cao, Tp.HCM hồn tồn có cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp thu nhiệt năng sạch từ mặt trời, chuyển hóa thành điện năng, vận hành cho cơng trình.

2.3. Các giải pháp chung về BIPV 2.3.1 . Công nghệ BIPV

Khoa học Vật liệu quang điện Khoa quang điện (PV) là q trình tạo ra dịng điện trực tiếp (DC) bằng cách chuyển đổi bức xạ mặt trời thông qua vật liệu bán dẫn, điển hình là silic (Si), để tạo ra "hiệu ứng quang điện". Tác động

này là một quá trình gồm hai bước: sự hấp thụ ánh sáng, trong tầm nhìn và một phần của dải hồng ngoại của phổ điện từ, và sự phân bố năng lượng của nó qua một bề mặt bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời. "Trong hầu hết các tế bào năng lượng mặt trời, giao diện chọn lọc (đường giao nhau) được hình thành bằng cách xếp chồng lên hai lớp bán dẫn khác. Mối nối này có thể được hình thành bằng cách thêm các loại tạp chất khác nhau vào các lớp trên cả hai mặt của chất bán dẫn. Đặc điểm chính của mối nối bán dẫn là nó có một điện trường, đẩy / kéo các điện tử ở một bên và các lỗ ở phía bên kia. Khi hai bên của đường nối được kết nối và một mạch điện được hình thành thì dịng chảy hiện tại có thể chảy (ví dụ các điện tử có thể chảy từ một phía của thiết bị sang điện khác) [28]. Khi các tế bào năng lượng mặt trời đang sạc bằng ánh sáng mặt trời, năng lượng truyền tải điện sau đó đi qua dây nối với nhau tạo thành một mơ-đun PV, hay cịn gọi là tấm panel năng lượng

mặt trời.(Hình 2.5) Sau đó nó được trang bị các điểm nối điện và được bao bọc

trong nhựa hoặc thủy tinh dẻo. Các tấm pin mặt trời sau đó được liên kết với nhau

thông qua các kết nối điện và dây điện được gọi chung là "PV Array" (Hình 2.6).

Hơn nữa, thước đo được sử dụng để đo chuyển vị năng lượng của bức xạ mặt trời được gọi là "sự bàng quang mặt trời". Nó được định nghĩa là "đo lường năng lượng bức xạ mặt trời thu được trên một diện tích nhất định trong một khoảng thời gian

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

nhất định. Điện đi qua biến tần, chuyển điện một chiều sang điện xoay chiều, sau đó được hiệu chuẩn cho điện áp và tần số chính xác và phân phối điện đáng tin cậy trong suốt toàn bộ tịa nhà và đưa ra lưới điện tiện ích. Hệ thống cân bằng hệ thống (BOS) bao gồm toàn bộ hệ thống, các ô, các mô-đun và mảng, ngoài các thành phần: dây, kệ lắp, máy biến thế, theo dõi công suất lớn nhất (MPPT), kết nối với lưới điện và bộ lưu trữ pin để tắt các hệ thống lưới điện. Tiêu chuẩn công nghiệp được sử dụng để đánh giá hiệu suất của một hệ thống quang điện và sản lượng là hiệu suất chuyển đổi năng lượng hoặc "đánh +*giá hiệu quả", đó là lượng điện năng photon tới, có thể chuyển đổi thành điện năng. Ưu điểm chính của việc sử dụng PV là nó có nguồn năng lượng dồi dào - mặt trời, trong một ngày nóng, giảm đi 1.000 watt mỗi m2. [27] Hệ thống PV là các thiết bị trạng thái rắn khơng có bộ phận chuyển động, được cố định tại chỗ, hoạt động như một hàng rào thời tiết bảo vệ và không phát ra âm thanh. PV là một nguồn năng lượng lý tưởng ở các vị trí ở xa và ngồi lưới bởi vì nó tạo ra năng lượng tại chỗ; mà không mất hiệu suất đầu ra bởi vì nó khơng phải được phân phối qua các đường dây truyền tải tầm xa. Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ, mức tổn thất truyền tải và phân phối điện trung bình của quốc gia là 6%, tương đương với 672.237.233 MWh tổn thất về điện hoặc 80 tỉ USD. [27] Điều này cũng có nghĩa là những con số này thậm chí có thể thậm chí cịn cao hơn xem chúng dựa trên dữ liệu trước và mức "trung bình" của Hoa Kỳ là 6% về tổn thất bán trên toàn cầu. Họ có mức đánh giá hiệu quả cao nhất của bất kỳ bảng PV nào trên thị trường trung bình 15-18%, nhưng một số được cho là cao 22% [27].

2.3.2 . So sánh công nghệ BIPV và công nghệ PV trước đây

BIPV làm giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng do tính chất của PV như là một nguyên tố cố định, trái ngược với công nghệ PV theo dõi mặt đất, rất tốn kém và tốn nhiều chi phí vận hành và bảo dưỡng. Kiến trúc sư Jesse Henson đã giải

thích ngắn gọn khái niệm tương thích này dựa trên BIPV bằng cách nêu rõ: "Nếu bạn so sánh chi phí và thời gian lắp đặt cho một cửa sổ trần BIPV ... với cùng một lượng kính cửa sổ trần và một cửa sổ riêng hệ thống PV thông thường, cửa sổ trần

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

BIPV có tổng chi phí thấp hơn. Hơn nữa, cửa sổ trần của BIPV nên có tác động ít mơi trường hơn vì ít vật liệu được sử dụng để đạt được kết quả tương tự như: phát điện, xây dựng vỏ bao che và ánh sáng tự nhiên ban ngày ". Thực hiện các kỹ thuật

xây dựng thông minh này trong giai đoạn xây dựng ban đầu tạo ra lợi ích của việc tạo ra năng lượng và tiết kiệm tài chính. Hệ thống BIPV trả tiền cho chính nó, cho đến khi chi phí đầu tư ban đầu được bù đắp, sau đó tạo ra các khoản tiết kiệm kinh tế tích cực cho vịng đời của một hệ thống. Do sự thay đổi khí hậu và những ý nghĩa về năng lượng của nó, xã hội địi hỏi nhiều hơn từ các tòa nhà của họ về sử dụng năng lượng, biểu diễn thẩm mỹ, hiệu suất công nghệ và tiện nghi sử dụng. BIPV cung cấp tất cả các yếu tố này cộng với nó làm giảm chi phí tiện ích thơng qua việc tạo ra năng lượng tái tạo tại chỗ với mục tiêu duy trì một mức tiêu thụ năng lượng nhất định. Khái niệm về khả năng tương tác đòi hỏi sự chấp nhận của ngành theo thời gian. [28] [29]

Bảo toàn năng lượng BIPV về nhu cầu làm lạnh hoặc sưởi ấm tương đương với tiết kiệm tài chính thơng qua việc giảm tiêu thụ năng lượng tại chỗ nếu không thu được từ các nguồn lưới điện tiện ích. Điều này cho phép tổng tải điện được sử dụng thông qua việc kết nối lại hệ thống phân phối điện, hiện giờ nó tập trung vào việc thu hồi điện năng độc lập xảy ra trong mơi trường xung quanh nó. Năng lượng tạo ra trở nên hiệu quả hơn khi BIPV độc lập với lưới điện quốc gia thông qua các phương pháp nhấn mạnh về sử dụng năng lượng tại chỗ.

Tuy nhiên, có những rào cản lớn đối với sự xâm nhập của BIPV gây cản trở việc áp dụng và sử dụng cơ sở rộng rãi của nó:

• Mối quan hệ giữa các ngành công nghiệp năng lượng mặt trời, kiến trúc, xây dựng.

• Khơng có chỉ số năng lượng hợp nhất.

• Chi phí cao: tiền đầu tư cho 1 watt và việc lắp đặt so với chi phí trên hiệu suất liên quan.

• Sự tuân thủ các sản phẩm của BIPV với các yêu cầu về xây dựng pháp luật ở Việt Nam là chưa có.

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

• Chi phí ban đầu cao: các dự án BIPV thường có mức phí bảo hiểm 10% hoặc cao hơn, bổ sung thêm 0.15-0.22 USD / watt cài đặt. (Nguồn: Dữ liệu thị trường của Hoa Kỳ) [27] [28]

• Các cơng ty điện nước độc quyền tạo ra quy mô lớn cho phân phối năng lượng.

• Cơng nghệ pin khơng được ứng dụng công nghệ tiên tiến để sử dụng năng lượng mặt trời vào lưu trữ và phân phối năng lượng từ trung và dài và chi phí của nó vẫn ở mức tương đối cao.

• Các mơ-đun, thư viện thành phần và các chương trình phần mềm thiết kế cho các sản phẩm và vật liệu quang điện tích hợp (BIPV) khơng tồn tại, hoặc làm như vậy trong giai đoạn thử nghiệm đắt tiền.

• Thiếu kiến thức từ người tiêu dùng hoặc vận hành về BIPV.

BIPV là một ngành cơng nghiệp non trẻ, có nghĩa là nó thường là một công việc tùy chỉnh. Điều này làm nổi bật việc kinh doanh cần phát triển các mơ hình mơ-đun thực hiện, lắp đặt và sản xuất chìa khóa trao tay. Các vấn đề nêu trên là những yếu tố cần xem xét để đạt được một khái niệm mới về khả năng tương tác giữa BIPV. Để có thể đi đến một giải pháp như vậy, kiến trúc sư, với tư cách là người xây dựng chủ, phải thiết kế vỏ bao che theo cách mà chúng ta khái niệm hóa các tịa nhà, chức năng của con người và sử dụng năng lượng. Một cách tiếp cận khái niệm đó là giới thiệu cho kiến trúc sư, kỹ sư dân dụng và nhà xây dựng hiểu được khả năng tương tác của BIPV. Một trọng tâm cần thiết để được kiểm tra bởi tất cả phải bao gồm tiết kiệm trong quản lý thời gian và lợi ích kinh tế mà có thể thu được với BIPV. Một phương pháp mới làm việc này là kết hợp các chỉ số của suất đầu tư trên m2 và kính phí để có 1 watt điện.

Nếu chúng ta khuyến khích chi phí xây dựng với chi phí tiết kiệm năng lượng, cả về năng lượng và tiết kiệm điện, thành một số liệu, có thể tạo ra vốn lớn, thời gian có thể được sử dụng hiệu quả và có thể tạo ra các lợi ích về sinh thái và xã hội. Một mục tiêu chính trong BIPV là tinh giản sự phức tạp này thông qua việc thiết lập một khuôn mẫu xây dựng dựa trên tính tương hợp của điện vật liệu xây dựng tái tạo và bề mặt. Về mặt khái niệm và nội tại, những gì đang làm là tận dụng

</div>

VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHÒNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV)

<b>VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHỊNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV) </b>

<b>VỎ BAO CHE CAO ỐC VĂN PHÒNG SỬ DỤNG TẤM QUANG ĐIỆN TÍCH HỢP (BIPV) </b>

8580101

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về