Giải pháp cho công trình xanh ứng với các vùng khí hậu Việt Nam

Hội thảo
Giải pháp cho công trình xanh ứng với các vùng khí hậu
Việt Nam
THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CÓ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG:

HAI CÁCH TIẾP CẬN KIẾN TRÚC
VÀO KHÍ HẬU VIỆT NAM
Energy Efficient Building Design:
Two Architectural Approach to Climate of Vietnam
Phạm Đức Nguyên
PGS. TS, Giảng viên cao cấp
Khoa Kiến trúc- Quy hoạch, ĐH Xây dựng,
Phó Chủ tịch, Tổng thư ký Hội MTXDVN
Phó Chủ tịch Hội đồng xây dựng xanh VN (GBC Vietnam)
Ủy viên Hội đồng Kiến trúc xanh, Hội KTS Việt Nam


NỘI DUNG
I- Sơ lược khí hậu Việt Nam
 Hai cách tiếp cận kiến trúc
II- Cách tiếp cận thứ nhất: nhà đóng kín,
để sưởi ấm / ĐHKK
III- Cách tiếp cận thứ hai: nhà mở, hở
để đón nhận tự nhiên
☻ Kết luận


I- Sơ lược khí hậu Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam: sát biển, nằm trọn trong vùng nhiệt đới, kéo dài 15 vĩ độ
 thuộc khí hậu nhiệt đới, ẩm, có gió mùa.
Ba đặc điểm quan trọng nhất của khí hậu này là:

(1) BXMT cao quanh năm trên toàn lãnh thổ. Cường độ trực xạ mặt trời tại tất cả các
các địa phương quanh năm từ 9 giờ đấn 15 giờ đều đạt trên 600 W/m2, thậm chí
một số nơi, nhiều giờ đạt tới 1000 W/m2 (ví dụ TP Hồ Chí Minh);
(2) Không khí của gió mùa và gió biển thổi vào các đô thị hàng ngày, quanh năm là
không khí mát mẻ, có nhiệt độ không cao, lại sạch sẽ, vệ sinh, tuy có độ ẩm lớn. Vai
trò biển – như một “máy điều hòa không khí nhân tạo” có ảnh hưởng rất lớn tới khí
hậu Việt Nam, làm cho lãnh thổ không có các cực trị nhiệt độ lớn như các vùng có
cùng vĩ độ ở Ấn Độ, trung đông hoặc châu Phi.
(3) Chịu ảnh hưởng của thời tiết cực đoan của vùng lãnh thổ gần biển, như gió
mạnh kèm mưa tạo ra góc tạt lớn, bão, lụt, hạn hán thường xẩy ra, sóng thần (ít gặp
hơn)…
Có hai dạng thời tiết khá đặc trưng, “dị thường”:
i)
Thời tiết lạnh do gió mùa cực đới ở miền bắc (từ Huế ra bắc). Lạnh không phải
do mặt trời, mà do gió từ Xiabia thổi về sau khi đã qua lục đị Trung Quốc hoặc
qua biển, nên nhiệt độ thường không dưới 10o .
ii) Thời tiết gió tây nóng khô do hiệu ứng Foehn khi gió biển bắc Ấn Độ dương
vượt qua dãy Trường Sơn ở miền trung.
Tuy nhiên các thời tiết này đều không kéo dài, chỉ xuất hiện ~ 10 - 15 ngày.


Khí hậu Việt Nam theo QCVN 02: 2009/BXD
☻ Đặc điểm chung:
1- Nắng: toàn lãnh thổ thời gian nắng dài.
Số giờ nắng TB năm: M Bắc < 2000 h,
M Nam > 2000h;
2- Nhiệt độ không khí: M Bắc N ĐTB năm
dưới 24oC; m Nam … 24 – 28oC;
3- BXMT: Lượng BX dồi dào. Tổng xạ TB năm
tại mB < 586 kJ/cm2; tại MN >586 kJ/cm2.

4- Độ ẩm kk và các mùa thời tiết: Trên toàn
lãnh thổ quanh năm cao: 77 -87% (95%).
5- Toàn lãnh thổ mưa lớn, TB 1100 – 4800
mm và 67 – 223 ngày.

Hoàng sa

☻Hai miền:
M Bắc (từ 16oB – ngang Hải Vân ra Bắc) : Có
mùa đông lạnh. Vùng đồng bằng tháng
lạnh có N ĐTB 10 – 15oC; Có 4 vùng khí hậu
M. Nam: Ko có mùa đông lạnh. Vùng đồng
bằng quanh năm nóng và chia ra 2 mùa rõ
rệt là M. mưa (t.5 10) và M. khô (t 11
4). Có 3 vùng khí hậu.

Trường sa


Đặc điểm riêng hai miền
Mặt trời miền bắc
VTB = 20o N
MT kiểu chí tuyến

Mặt trời miền nam
VTB = 12o N
MT kiểu xích đạo

[Thanh hóa ~20o,
Hà Nội, Hòn Gai: ~21o,

Bắc Giang: ~21o]

[HCM: ~11o,
Đà Lạt, Nha Trang: ~ 12o]

Thời gian nóng nhất trong ngày / năm


Phân tích sinh khí hậu các đô thị
Hà Nội, Đà Nẵng, Hồ Chí Minh & Nha Trang
theo ASHRAE 2005 và theo Tác giả (8760 chấm tương ứng thời tiết mỗi giờ / năm)
“Tiện nghi chấp nhận”:
- Nóng: Gió 0,5 – 1,5m/s;
Áo quần: 0,5-0,8 clo
- Lạnh: Gió 0,2 – 0,5m/s
Áo quần 1 clo
 Tiện nghi chấp nhận:
Đã xét thói quen ứng xử
khí hậu của người Việt

Nghiên cứu sinh khí hậu xây dựng: khả năng sử dụng không khí tự nhiên tại các đô
thị Việt Nam chiếm từ ~50% số giờ một năm (Hà Nội), 80% (TP Hồ Chí Minh), 85%
(Đà Nẵng), thậm chí tới 99% (Nha Trang)

 Kiến trúc khí hậu Việt Nam cần Lợi dụng nhiều nhất thuận lợi thiên nhiên,
Khăc phục bất lợi tự nhiên.


Phân tích khí hậu sinh học 10 đô thị Việt Nam
(theo số liệu khí tượng 1981 – 2000: 8760 giờ x 20 năm)

Vùng SKH
Hà Giang

1:RL
0

Điện Biên

0

Hạ Long

2:L
9,00

3:LV
24,88

4:TN
41,29

5:MK
0

6:MA
24,21

7:N 8:RNA
0,62
0

11,05 21,15

45,51

0

22,29

0

0

0

0,6

8,23

19,27

49,21

0

20,27

2,42

0

0

Hà Nội

0,6

8,6

18

44,6

0

23,4

4,5

0,3

0

Vinh

0,2

5,4

18,7

42,01

0

28,64

4,9

0,15

0

Đà Nẵng

0

0

4,53

85,42

0

8,85

1,20

0

0

Buôn Ma
thuột

0

0,3

10,7

59,1

0

29,3

0,6

0

0

Nha Trang

0

0

0

99,08

0

0,58

0,34

0

0

Hồ Chí
Minh
Cần Thơ

0

0

0,2

79,5

0

16,7

3,5

0,1

0

0

0

0

61,45

0

38,53

0,02

0

0

Lưu ý: Vùng tiện nghi đã xét thói quen người Việt:
dùng quạt tạo gió (max 1,5 m/s) khi trời nóng.

9:RNK
0

TG:Thiết kế kiến trúc ở Việt Nam theo 3 miền khí hậu

• Miền bắc (từ vĩ độ 20 lên phía bắc): khí hậu nóng, ẩm, gió mùa,
có mùa đông lạnh.
Mặt trời & Gió (mát, nóng, lạnh) có tính hướng rõ rệt.
• Miền trung (từ vĩ độ 20 về phía nam đến Quy Nhơn,vĩ độ 14): Mặt trời có tính chuyển tiếp,
Gió: Mát, nóng (Phơn trường Sơn)  nhiệt độ tối cao tuyệt đối
có thể lên tới 41oC (Quảng Ngãi) hay 42oC (Quy Nhơn).
Gió lạnh (nửa phía bắc Hải Vân)
• Miền nam: khí hậu có tính nhiệt đới, ẩm gió mùa điển hình,
nóng quanh năm. Mặt trời có tính hướng
Gió mát và đa hướng.
+ Ngoài ra: - vùng cao nguyên và núi cao (do đặc điểm do độ cao).
-Vùng ven biển có thuận lợi về khí hậu & BĐKH.
- Hải đảo


ĐÀ NẴNG:
Mặt trời có tính hướng.
Gió mát: đa hướng,
Gió nóng: TN

Gió mát Hà Nội 6,7,8

HÀ NÔI:
Mặt trời &
Gió (nóng / lạnh)
Có tính hướng rõ rệt

gh

Gió Đà Nẵng 6,7,8

h o a g iã ®µ n ½n g t h ¸ n g 6,7,
T P HỒ CHÍ MINH:
Mặt trời có tính hướng.
Gió mát: đa hướng


 Hai phương pháp tiếp cận kiến trúc
vào khí hậu Việt Nam
(1) Kiến trúc đóng kín, tạo môi trường VKH nhân tạo để:
- Chống lạnh: Sưởi ấm (ít) , chống mất nhiệt
- Chống nóng: Giảm nhiệt mặt trời, ĐHKK
Nhà văn phòng, khách sạn, Thương mại, Khách sạn, Nhà Công
cộng…
(Một phần không gian, Một phần thời gian)
(2) Kiến trúc mở, hở, thoáng để đón nhận tự nhiên
( Gió mát từ biển & Ánh sáng):
- Nhà ở (Gia đình, Chung cư);
- Trường học: PTTH, ĐH;
- Khách sạn biển….


II- Cách tiếp cận thứ nhất: nhà đóng kín,
để sưởi ấm / ĐHKK
1- Tiêu chí: Tuân thủ nghiêm ngặt QCVN 09:2013/BXD. Quy định:

• Giá trị Uo (hệ số tổng truyền nhiệt của tường ngoài): Uo ≤ 1,8 W/m2.K;

• Giá trị Uo (hệ số tổng truyền nhiệt của mái bằng): Uo ≤ 1,0 W/m2.K;
• Giá trị OTTVT (Chỉ số truyền nhiệt tổng của tường): OTTVT ≤ 60 W/ m2;
• Giá trị OTTVT (Chỉ số truyền nhiệt tổng của mái): OTTVM ≤ 25 W/ m2;
• Giá trị SHGC – Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của kính (có xét hiệu quả che nắng).
WWR, %


SHGC yêu cầu
theo QCVN
09:2013/BXD
WWR –
Tỷ lệ DT
Cửa sổ /
Tường

8 hướng chính
B

ĐB hoặc TB

Đ hoặc T

ĐN hoặc TN

N

20

0,90

0,84

0,80

0,87

0,90

30

0,64

0,62

0,58

0,63

0,70

40

0,50

0,48

0,46

0,49

0,56

50

0,40

0,39

0,38

0,40

0,45

60

0,33

0,33

0,32

0,34

0,39

70

0,27

0,28

0,27

0,29

0,33

80

0,23

0,24

0,23

0,25

0,28

90

0,20

0,21

0,20

0,21

0,25

100

0,17

0,19

0,18

0,19

0,22


Solar Control Low-e - Pilkington Eclipse Advantage™ , Japan
Lớp phủ nhiệt phân, phát xạ thấp

Màu sắc

Kính đơn, có lớp phủ
nhiệt phân phát xạ
thấp (Eclipse
Chiều Advantage) ở mặt 2
dày,
mm
U

SHGC

Kính hai lớp, có lớp
phủ nhiệt phân phát
xạ thấp (Eclipse
Advantage) ở mặt 2,
Kính nổi sáng phía
trong
SHGC

Kính hai lớp, có lớp phủ
nhiệt phân phát xạ thấp
(Eclipse Advantage) ở
mặt 2 , lớp phủ low-E
(Energy Advantage) ở
mặt 4

Clear
Grey
Bronze
BlueGreen

6-8
6-8
6-8
6-8

3.7
3.7
3.7
3.7

0.6 – 0.62
0.37-0.42
0.41-0.46
0.42-0.46

U
Argon-Air
1.6-1.9
1.6-1.9
1.6-1.9
1.6-1.9

0.53-0.55
0.28-0.34
0.33-0.38
0.34-0.38

U
Argon-Air
1.4-1.6
1.4-1.6
1.4-1.6
1.4-1.6

SHGC

0.48-0.51
0.25-0.30
0.29-0.34
0.30-0.35

EverGreen

6-8

3.7

0.34-0.37

1.6-1.9

0.25-0.29

1.4-1.6

0.23-0.26

ArcticBlue

6-8

3.7

0.33-0.37

1.6-1.9

0.25-0.29

1.4-1.6

0.22-0.26

 Để giảm mạnh SHGC cần công nghệ cao và kinh phí lớn hơn so với giảm U!
(Kính thường 1 lớp có: U = 5 – 6 W/m2.K ; SHGC ~ 0.8)


Giải thích:
1.
U, W/m2K
Giá trị U (U-value) cho biết lượng nhiệt đơn vị đi qua vỏ nhà (vào hoặc ra);
So sánh: Nhiệt truyền qua kính thường dày 6mm gấp 3 lần qua tường gạch
250mm, gấp 2 lần qua tường gạch 140 mm, gấp 1,4 lần qua tường BTCT
100 mm.
2- Giá trị OTTV (W/m2)
OTTV (Overall Thermal Transfer Value) - giá trị trung bình của U theo các diện
tích vật liệu / kết cấu khác nhau của vỏ nhà, có xét đến nhiệt độ nâng cao
do bức xạ mặt trời chiếu lên kết cấu  che nắng rất quan trọng .
3. Giá trị SHGC (Solar heat gain co-efficient) - hệ số nhận nhiệt mặt trời của kính
SHGC = (τ + αU / ho)
trong đó: τ – Hệ số xuyên BXMT của kính;
α - Hệ số hấp thụ BXMT của kính;
ho - hệ số trao đổi nhiệt mặt ngoài của cửa kính (do đối lưu và bức
xạ).
 Đối với khí hậu nóng, SHGC càng nhỏ càng có lợi, đặc biệt đối với hướng
chịu BXMT chiếu lên cửa sổ với giá trị cao.


Kiến trúc đóng kín xuất hiện trong khí hậu lạnh ở Âu / Mỹ:
thiết kế hợp khối, nhà có tường dày và cửa sổ ít, nhỏ, với nhiều

lớp kính (giảm OTTV và SHGC)
 Giảm tổn thất nhiệt của hệ thống sưởi trong mùa lạnh.
 Chấp nhận thiếu ánh sáng trong mùa đông, khi mặt trời chỉ
xuất hiện từ 8,9 giờ sáng và 3,4 giờ chiều đã lặn.

Nhà ở Thụy Sỹ


2- Chỉ dẫn thiết kế kiến trúc nhà ĐHKK:
(1) Ưu tiên hướng giảm BXMT chiếu lên vỏ nhà, ví dụ nhà hướng bắc / nam;
(2) Hình dạng nhà có lợi khi giảm diện tích tường và cửa sổ các hướng có
BXMT lớn
 Nhà có mặt bằng dạng hình vuông, hình tròn hoặc gần các hình này
không mang lại hiệu quả năng lượng tốt.
 Các hướng bất lợi ở Việt Nam theo thứ tự là: tây, đông, tây bắc, tây nam;
(3) Sử dụng kính hợp lý theo hướng cửa sổ, phù hợp với cường độ và thời
gian BXMT chiếu lên cửa sổ hướng đó.
(4) Cửa sổ được thiết kế che nắng hợp lý và hiệu quả, giá trị SHGC của kính
không còn quan trọng, mà chỉ cần quan tâm giá trị U – liên quan đến truyền
nhiệt qua kính
 Che nắng hiệu quả: Không cần sử dụng các loại kính đắt tiền (Low-E);
(5) Các không gian chuyển tiếp kín (giữa trong và ngoài nhà) giữ vai trò lớp
cách nhiệt bổ sung, giảm tổn thất năng lượng trong các không gian chính sử
dụng ĐHKK.


•

•

Mùa nóng, cần ĐHKK, khi U, OTTV & SHGC lớn, lượng nhiệt mặt trời vào nhà sẽ
lớn theo, khi đó hệ thống ĐHKK phải hoạt động mạnh hơn, tốn nhiều năng
lượng hơn, (làm “tăng tải trọng lạnh” );
Mùa lạnh, cần sưởi ấm, U & OTTV lớn làm tăng mất nhiệt của hệ thống sưởi.

0,2% đến 5%

/

10% đến 20%

/

70% đến 85%.

Tỷ lệ tham gia vào giá trị OTTV của các loại vật liệu, két câu khác nhau:
 phần nhiệt xuyên qua cửa kính đóng góp tỷ lệ lớn phần nhiệt vào phòng,
 vai trò che nắng có thể giảm đáng kể giá trị OTTV.


Cửa kính có vai trò quyết định trong tổng lượng nhiệt
vào phòng (OTTV).
Công nghệ hiện đại sản xuất các loại kính mới, như kính có lớp
Low-E có thể giảm đáng kể giá trị U và SHGC

Kính Low-E

&

Khả năng giảm giá trị U

Lưu ý: giảm SHGC khó / ít / đắt tiền hơn so với giảm U.
(Giá Kính Low-E Pilkington, Japan: 1,2 ~ 1,4 triệu VNĐ/ m2)


ST Diamond,
Malaysia

Hình viên kim cương,
bọc kính 4 mặt:

•

Dạng vát nghiêng giảm được BXMT vùng xích đạo
trên hai mặt bắc và nam  dùng loại kính thường.

• Hai mặt đông và tây lắp kính Low-E để giảm SHGC
• Giải pháp khác: tổ chức giếng trời giữa nhà lấy ánh
sáng tự nhiên + Pin MT
 Giảm 1/3 năng lượng tiêu thụ, còn 65kWh/m2.năm),


So sánh 3 tòa tháp cùng có vỏ nhà bọc kính- Hợp lý: có / không ? Swiss Re Tower, London:
vùng lạnh với giải pháp 6
“giếng trời hở” thông gió
& lấy ánh sáng  HQNL.

Al Bahar Abu Dhabi
(UAE, vùng nóng khô)
với cấu tạo che nắng 3

mặt (trừ bắc)  HQNL.

Tháp liên cơ quan Đà Nẵng
(vùng nóng ẩm, phải)
 không HQNL!


Nhận xét:
•Các ví dụ minh họa cho thấy giải pháp kiến trúc,
như hướng nhà, hình dạng nhà, tổ chức không
gian, che trực xạ… là rất quan trọng;
•Không nên phụ thuộc vào vật liệu kính, có thể
gây tốn kém kinh phí mà vẫn không tránh hoàn
toàn được hậu quả xấu!!!
Để có HQNL: Nhà (không gian) ĐHKK
Ưu tiên giảm BXMT
(liên quan đến OTTV, SHGC)
Khi mở cửa: các giá trị OTTV, U, SHGC
không còn ý nghĩa !!!


III- Cách tiếp cận thứ hai: nhà mở, hở, thoáng
để đón nhận tự nhiên
Nhà TGTN: vỏ nhà “mở” để đón gió mát, nhưng gió luôn đổi hướng, vận tốc và có
thời gian lặng gió  Dùng phối hợp quạt để tạo vận tốc gió .
 Là thói quen lâu đời của người Việt Nam.

1- Tiêu chí đánh giá
Các tiêu chí U, OTTV, SHGC là không còn ý nghĩa: Dù OTTV lớn, nhiệt mặt trời vào
nhà nhiều, nhưng được gió đưa ra khỏi nhà,

Các tiêu chí kiến nghị:
(1) Không gian trong nhà không bị nắng chiếu (BXMT trực tiếp)
 gây nung nóng các bề mặt, chiếu lên người làm xấu vi khí hậu phòng,
 làm mất tiện nghi môi trường ánh sáng (lóa)
(2) Kiểm soát nhiệt độ bề mặt nội thất: Các bề mặt ngoài bị nung nóng  nâng cao
nhiệt độ bề mặt nội thất  trao đổi bức xạ  mất tiện nghi vi khí hậu.
cần giá trị max & “thời gian trễ” trong những giờ hoạt động chính của nội thất.
Ví dụ, nhiệt độ mặt trong nhà không được vượt quá nhiệt độ không khí bên
ngoài từ 3 đến 5oC trong mùa nóng.
(3) TGTN xuyên phòng: đạt vận tốc từ 0,5 đến 1,5 m/s (hoặc tối đa đến 2m/s).
(4) Kiểm soát thông gió tự nhiên trong các không gian, kể cả các không gian hở (sân,
vườn) và nửa hở (hiên, ban công), đặc biệt đối với nhà cao tầng, siêu cao tầng.


2. Chỉ dẫn thiết kế
(1) Kiến trúc hòa nhập vào thiên nhiên- Khoa nông nghiệp ĐH Cần
Thơ: các nhà học ẩn hiện trong thảm cỏ, vườn cây, hồ nước, được kết
nối bằng các hành lang có mái che, rất thích hợp với vùng nhiệt đới
nắng lắm, mưa nhiều. trái với phong cách hợp khối, cô đặc, đóng kín
của kiến trúc xứ lạnh và cả xứ nóng khô.

Khoa nông
nghiệp
ĐH Cần Thơ
1996,
thiết kế
KUME
SEKKEI

Khu nhà ở xanh
Pungol,
Singapore:
Đường đi dạo + thể
dục + sinh hoạt cộng
đồng kết nối
12 tòa nhà


(2) Ưu tiên hướng nhà có lợi đón gió mát mùa nóng.
-Miền khí hậu phía bắc: hướng nhà có lợi là nam và đông nam, tuy nhiên hướng
nam có lợi hơn vì giảm được BXMT chiếu lên tường bắc (so với tường tây bắc khi
chọn hướng đông nam).
-Đối với lãnh thổ vùng nam bộ: hướng gió mát có nhiều hơn (đa hướng), và với
vùng ven biển hướng gió mát lại từ biển vào (hướng đông).
“Nhà ĐHKK ưu tiên hướng giảm BXMT,
 Nhà TGTN ưu tiên hướng gió mát”;
Lối sống Việt: Gió tự nhiên + Gió quạt  Giảm oi bức khi nóng ẩm.
Gió có v= 0,5 – 1,0 m/s tương đương với hạ nhiệt độ 2 – 3 oC,
khi v= 1,0 – 1,5 m/s tương đương với hạ thấp nhiệt độ 3 – 4oC.

Mặt bằng
một chung cư
ở Hà Nội

MBF Tower,
Malaysia


(3) Thiết kế che nắng hiệu quả cho cửa sổ, theo vị trí mặt

trời. - Không hạn chế sử dụng kính trên vỏ nhà. Quan trọng
là cửa và tường kính phải được che nắng có hiệu quả.
- Cửa kính che nắng hiệu quả  không cần dùng các loại
kính có giá trị SHGC thấp, tốn kinh phí.
Che nắng / mặt nhà không phơi nắng
 Phong cách kiến trúc nhiệt đới

Kết câu đứng, di động thích hợp
cho các hướng T, Đ, TB, TN, ĐB, ĐN.

Kết cấu hộp, che nắng,
lấy ánh sáng:
thích hợp hướng bắc