Các giải pháp cân bằng năng lượng trong công trình hiện nay?

Giải pháp thiết kế và triển khai hệ thống hiệu quả nhằm cân bằng năng lượng trong công trình, giúp cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm thiểu lãng phí, đảm bảo không gian sống và làm việc luôn thoải mái và bền vững. Hãy cùng VSDC tìm hiểu về cân bằng năng lượng trong công trình.

Nội dung

Cân bằng năng lượng trong công trình (Net Zero Energy Buildings) là gì?

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (U.S DOE), công trı̀nh cân bằng năng lượng được định nghĩa là ̣một công trình sử dụng năng lượng hiệu quả tối ưu, trong đó trên cơ sở năng lượng nguồn, lượng năng lượng cung cấp thực tế cho công trình hàng năm nhỏ hơn hoặc bằng lượng năng lượng tái tạo sản xuất tại chỗ.
Can Bang Nang Luong Trong Cong Trinh

Tại sao trong thiết kế công trình cần phải đáp ứng cân bằng năng lượng?

Để thiết kế các tòa nhà có thể sử dụng và vận hành hiệu quả, nhà đầu tư cần đặt ra các mục tiêu bền vững đồng thời hiệu quả về chi phí cụ thể ngay từ đầu, sau đó vạch một lộ trình thiết kế hợp lý. Việc tìm cách tối ưu hóa thiết kế sẽ giúp giảm sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, vật liệu…) và đảm bảo tiện nghi sống cho người sử dụng công trình, nhưng với mức đầu tư tối thiểu.
 
Thông thường, giảm sử dụng năng lượng mang lại tác động môi trường lớn nhất trong các giải pháp bền vững cho công trình, do đó Net Zero Energy là chủ đề thiết kế ngày càng phổ biến, là mục tiêu phấn đấu cho các công trình trên khắp thế giới.

Thiết kế công trình cân bằng năng lượng

Nguyên tắc chính để thiết kế công trình cân bằng về năng lượng trước hết là giảm nhu cầu năng lượng càng nhiều càng tốt và sau đó chọn các nguồn năng lượng tốt, Dưới đây là một trình tự thiết kế ví dụ: 

  1. Giảm tối đa tải năng lượng
  2. Tối ưu hóa thiết kế với chiến lược thụ động (passive design): giúp giảm tối đa tải nhiệt lên hệ thống kỹ thuật công trình bằng lớp vỏ cách nhiệt hay tận dụng không gian thông gió tự nhiên, giảm tải chiếu sáng lên hệ thống đèn bằng chiếu sáng tự nhiên…
  3. Tối ưu hóa thiết kế cho các chiến lược chủ động (active design): sử dụng hệ thống kỹ thuật (HVAC, chiếu sáng, bơm…) có hiệu suất cao tiêu tốn ít năng lượng, phù hợp nhất với công suất yêu cầu của tòa nhà.
  4. Thu hồi tận dụng năng lượng thải ra (recovery energy): như xem xét sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt…
  5. Tạo ra năng lượng tại chỗ: (renewable energy system)
  6. Mua năng lượng/carbon bù đắp

Giải pháp năng lượng tái tạo tại chỗ và giải pháp tiết kiệm năng lượng

Giải pháp năng lượng tái tạo tại chỗ

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió ngày càng trở nên quan trọng trong việc xây dựng các công trình bền vững tại Việt Nam. Công việc xây dựng hợp lý và khai thác năng lượng mặt trời có thể được phát triển tại nhiều vị trí trong công trình, ngoài việc lắp đặt trên mái nhà. Đối với các công trình có diện tích đất hạn chế hoặc cao tầng, diện tích gắn pin mặt trời trên nóc tòa nhà có thể không đủ. Tuy nhiên, chúng ta có thể tận dụng nhiều cấu trúc khác như mái che, giàn, và thậm chí cả cửa sổ mở bật để gắn pin năng lượng mặt trời. Những hình thức tích hợp này không chỉ tối ưu hóa khai thác năng lượng mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ hợp lý trong quá trình thiết kế.

Ngoài năng lượng mặt trời, việc tích hợp năng lượng gió vào các công trình cũng là một tiềm năng lớn chưa được khai thác thác nhiều tại Việt Nam. Với khí hậu nhiệt đới gió mùa và đường bờ biển dài, Việt Nam sở hữu một tiềm năng gió đáng kể, đặc biệt tại khu vực miền Trung và các vùng có địa hình cao. Dù vậy, tiềm năng gió này phân bố không đồng đều và việc khai thác phụ thuộc vào đặc điểm địa lý từng khu vực.

Để giải quyết những hạn chế về không gian và an toàn trong khu vực đô thị, tua-bin gió trục đứng đã xuất hiện như một giải pháp khả thi. Những tua-bin này không chỉ tiết kiệm diện tích, dễ dàng lắp đặt trong các khu dân cư, mà còn an toàn hơn so với hệ thống tua bin gió trục ngang truyền thống. Các nghiên cứu tiên tiến về tua-bin gió trục đứng, bao gồm các mô hình mô phỏng chuyển động của đàn cá theo phương pháp Biomimicry, đã mở ra những khả năng mới cho việc tích hợp năng lượng gió vào các yếu tố kiến trúc như lam che nắng, các yếu tố cảnh quan. Vì vậy, các công trình có thể khai thác thác tối ưu cả hai nguồn năng lượng tái tạo này, góp phần tạo nên những công trình xanh, hiệu quả năng lượng và bền vững cho tương lai.

Giải pháp tiết kiệm năng lượng

Để tiết kiệm năng lượng cho công trình, điều đầu tiên phải kể đến là ứng dụng các giải pháp thiết kế thụ động. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng mô hình thông gió tự nhiên để làm mát cho công trình mà không cần đến hệ thống điều hòa. Đặc biệt, đối với các tòa nhà cao tầng, phương pháp Biomimicry – lấy cảm hứng từ cấu trúc tổ mối và hang của loài chó đồng cỏ – là một bước tiến vượt bậc. Cấu trúc này cho phép thông gió và làm mát tự nhiên, giúp giảm thiểu tối đa năng lượng tiêu thụ từ các hệ thống làm mát nhân tạo như máy điều hòa.

Ngoài ra, còn có các giải pháp che nắng và thông gió tiên tiến khác mang tính tương lai, thụ động như dự án “Breathing Skin,” một hệ thống có khả năng điều tiết ánh sáng và gió thụ động mà không tiêu tốn năng lượng. Hoàn toàn mô phỏng cấu trúc tự đóng mở của khí khổng bằng việc ứng dụng sự giãn nở không đều vì nhiệt của hai lớp hợp kim. Hệ thống này hoạt động hiệu quả hơn so với các loại lam che nắng thông thường, hứa hẹn sẽ mở ra những hướng đi mới cho việc tiết kiệm năng lượng trong kiến trúc.

Về ứng dụng Jaali hay hoa gió truyền thống, chúng ta hoàn toàn có thể cải tiến bằng cách thiết kế lại các lõi thông gió để tạo ra ứng dụng nén khí, giúp giảm bớt nhiệt độ bên trong với môi trường bên ngoài. Thêm vào đó, các mảng kính thường gây thất thoát nhiệt, nhưng với công nghệ kính Low-E, vấn đề này có thể được giải quyết hiệu quả. Việc bố trí kính ở các hướng phù hợp cũng góp phần tối ưu hóa công việc Kiểm soát nhiệt độ và ánh sáng, từ đó giảm cầu nhiệt và nâng cao hiệu suất năng lượng.
 
Nguồn tham khảo:
[1] GẠCH THÔNG GIÓ: THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG HIỆU QUẢ TRONG KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI  |  Tác giả: Võ Thị Lệ Thi, Nguyễn Lê Kim Ngọc, Châu Minh Khải và Huỳnh Trọng Phước, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Bách khoa, Trường Đại học Cần Thơ, Tập 59, Số chuyên đề: Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ (2023): 269-278
[2] Công nghệ vật liệu xanh từ giải pháp cách nhiệt môi trường cho công trình nhà ở  |  Tác giả: Tạ Văn Phấn, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy Lợi, Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 13 Số 02 năm 2023
[3] An inclusive vision towards a sustainable interior design for human well-being and health  |  Tác giả: Dr. Aya Lotfy Zakarya Habbak, IDJ-Volume 11-Issue 3- Page 353-371
[4] GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH C N BẰNG NĂNG LƯỢNG Ở MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI VÀ KHUYẾN NGHỊ CHO VIỆT NAM  |  Tác giả: Nguyễn Công Thịnh, Nguyễn Đức Lượng, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2023, 17 (1V): 91–100
[5] Ventilation Survey of Typical Airy Buildings-A Few Case Studies in Hot Dry and Hot Humid Zones of India  |  Tác giả: ISHWAR CHAND* V. K. SHARMA”‘ N. L. V. KRISHAK, *Building and l!:nvironmenr, Vol. 24, No. 3, pp. 229-238, 1989.
[6] Youtube channel: Sustainability Illustrated, 5 amazing biomimicry examples providing real sustainability solutions | Architecture Building Energy