Lý do chọn đề tài
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và khoa học của các quốc gia, bao gồm cả Việt Nam Tuy nhiên, nguồn năng lượng truyền thống như than đá và dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt, trong khi các nguồn năng lượng khác như thủy điện, nhiệt điện và điện hạt nhân có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường Do đó, bên cạnh việc phát triển nguồn năng lượng mới, các quốc gia và mỗi cá nhân cần tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng và sử dụng các nguồn năng lượng xanh một cách hiệu quả.
Ánh sáng mặt trời (ASTN) là nguồn năng lượng gần như vô hạn, được coi là nguồn sáng tốt nhất cho việc hiển thị màu sắc và phản ứng thị giác của con người Nó không chỉ cung cấp nhiệt lượng giúp sưởi ấm, diệt khuẩn và giảm độ ẩm có hại cho sức khỏe, mà còn đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc hiện đại Việc sử dụng ánh sáng tự nhiên tạo ra môi trường sống trong lành và tăng cường yếu tố trực quan cho cư dân Hơn nữa, ASTN còn cải thiện khả năng làm việc của con người, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.
“Daylighting in Wisconsin” [1] - xuất bản tháng 06 năm 1997 - được viết bởi Scott
Nghiên cứu chỉ ra rằng ánh sáng tự nhiên được ưa chuộng hơn ánh sáng nhân tạo, vì nó mang lại lợi ích cho sức khỏe và hiệu suất làm việc Những người làm việc trong môi trường có ánh sáng tự nhiên thường khỏe mạnh và làm việc hiệu quả hơn Tương tự, học sinh học trong điều kiện ánh sáng tự nhiên có điểm thi cao hơn, và doanh số bán hàng tại các cửa hàng bán lẻ cũng tăng cao hơn vào ban ngày.
Trong thời gian gần đây, Việt Nam đã chứng kiến sự gia tăng trong việc khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng Tuy nhiên, phương pháp chiếu sáng tự nhiên bằng ánh sáng mặt trời (Daylighting) vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ.
14 kể Điều này vô tình đã bỏ qua một tiềm năng tiết kiệm năng lượng rất lớn mà Daylighting mang lại
Trong luận văn này, tác giả mong muốn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về Daylighting thông qua việc xây dựng một chiến lược cụ thể và phù hợp.
Việt Nam cung cấp cho các nhà thiết kế và chủ đầu tư cơ hội tiếp cận phương pháp xây dựng tiết kiệm năng lượng Luận văn khi được bảo vệ thành công sẽ trở thành cẩm nang hữu ích cho những ai mong muốn thiết kế và xây dựng tòa nhà với tiêu chí xanh, sạch và thân thiện với môi trường.
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Daylighting là một khái niệm quan trọng trong kiến trúc, bắt nguồn từ việc người La Mã xây dựng đền Oculus, nơi họ đã phát hiện ra cách mở khoảng không trên trần nhà để thu ánh sáng tự nhiên Từ "Oculus" trong tiếng Latin có nghĩa là "con mắt", tượng trưng cho việc cửa sổ trên trần nhà như một con mắt chiếu sáng cho không gian bên trong Thuật ngữ "cửa sổ trần" (skylight) cũng được phát triển từ ý tưởng này, nhấn mạnh vai trò của ánh sáng tự nhiên trong kiến trúc.
Cửa sổ trần ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào sự phát triển trong công nghệ sản xuất thủy tinh Không chỉ nâng cao giá trị thẩm mỹ cho không gian, cửa sổ trần còn giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng chiếu sáng, làm cho kiểu kiến trúc này trở nên hấp dẫn hơn.
15 vẫn được áp dụng rộng rãi trong các công trình hiện đại ngày nay
Hình 1.2 Hệ thống Skylight tại Star Ferry Pier- Hong Kong
Yếu tố tiết kiệm năng lượng đã thúc đẩy các nhà thiết kế phát triển nhiều thiết bị daylighting hiện đại, phù hợp với đa dạng điều kiện khí hậu và vị trí địa lý Một số thiết bị phổ biến bao gồm ống ánh sáng (solar tube) và kệ ánh sáng (light shelf).
The Solartube system at the Potsdamer Platz train station in Berlin effectively captures sunlight from the surface and channels it down into the underground levels.
Hình 1.4 Một mô hình kệ ánh sáng (light shelf)
Chỉ đưa ánh sáng tự nhiên vào tòa nhà một cách thụ động không đủ để tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng, vì mức độ ánh sáng tự nhiên thay đổi theo múi giờ và mùa trong năm Do đó, chiến lược chiếu sáng tự nhiên (Daylighting strategy) đã được phát triển với mục tiêu tiết kiệm năng lượng, bao gồm hai khía cạnh quan trọng.
- Thiết kế kiến trúc và nội thất cho phép ánh sáng bên ngoài vào tòa nhà và giúp nó xâm nhập vào không gian bên trong
- Điều khiển làm giảm việc sử dụng đèn điện khi ánh sáng ban ngày có sẵn
Các nhà thiết kế không chỉ đơn thuần đưa ánh sáng tự nhiên (ASTN) vào không gian, mà còn điều chỉnh hệ thống chiếu sáng trong nhà một cách linh hoạt để phù hợp với lượng ASTN hiện có Điều này nhằm đảm bảo luôn đạt yêu cầu về độ rọi và bảo vệ sức khỏe của người làm việc trong tòa nhà.
Công nghệ daylighting đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, nhưng tại Việt Nam, việc áp dụng vẫn còn hạn chế và chủ yếu mang tính hình thức Các nhà thiết kế chưa thực sự quan tâm đến việc tính toán cụ thể về tiềm năng tiết kiệm năng lượng và chi phí điện, dẫn đến việc đầu tư lớn nhưng hiệu quả không cao.
Với những lý do đó, đề tài mang tên “XÂY DỰNG CHIẾN LƯỢC CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN CHO CÁC CAO ỐC TẠI VIỆT NAM” được thực hiện với mục
17 tiêu xây dựng “chiến lược Daylighting” tiết kiệm năng lượng phù hợp với các tiêu chuẩn xây dựng và điều kiện khí hậu tại Việt Nam
1.2.2 Những tiến bộ khoa học mới đạt được Ý tưởng về tiết kiệm năng lượng điện bằng việc chiếu sáng tự nhiên đã xuất hiện từ lâu đời Nhưng không chỉ dừng lại ở đó, cùng với sự bùng nổ của công nghệ máy tính Các nhà phát minh đã góp phần đẩy công nghệ Daylighting lên một bước tiến mới
Tại diễn đàn năng lượng quốc tế Casa Clima – Italia năm 2013, hai nhà nghiên cứu Anton Harfmann và Jason Heikenfeld từ Đại học Cincinnati đã giới thiệu nghiên cứu đột phá về công nghệ chiếu sáng nội thất Họ đã phát triển sản phẩm Smartlight, kết hợp giữa hiệu quả và thẩm mỹ, nhằm cải thiện việc phân phối ánh sáng mặt trời trong các tòa nhà Bài giới thiệu về Smartlight đã thu hút sự chú ý lớn từ các chuyên gia trong lĩnh vực chiếu sáng Với hệ thống chiếu sáng không cần dây điện hay bóng đèn, Smartlight hứa hẹn mang lại không gian sống sáng tự nhiên, tự động điều chỉnh ánh sáng khi có người bước vào, mở ra viễn cảnh tươi đẹp cho các tòa nhà tương lai.
Mục đích của luận văn
Xây dựng chiến lược chiếu sáng tự nhiên cho các cao ốc tại Việt Nam là cần thiết để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn xây dựng và phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng tự nhiên trong không gian sống và làm việc.
Nhiệm vụ và giới hạn luận văn
- Tìm hiểu tổng quan về công nghệ Daylighting trên thế giới
Công nghệ Daylighting mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với chiếu sáng bằng bóng đèn nhân tạo, như tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng ánh sáng tự nhiên Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả tại Việt Nam, công nghệ này cần vượt qua một số thách thức, bao gồm điều kiện khí hậu và thiết kế kiến trúc phù hợp Việc tìm hiểu các lý thuyết liên quan sẽ giúp hiểu rõ hơn về những lợi ích cũng như khó khăn trong quá trình triển khai công nghệ Daylighting.
- Xây dựng giải thuật thiết kế Daylighting phù hợp với các cao ốc tại Việt Nam
- Tính toán thiết kế mẫu một cao ốc tại TPHCM theo hướng Daylighting
- Từ các số liệu tính toán có được sẽ rút ra các kết quả tiết kiệm điện có tính tổng quát khi áp dụng công nghệ Daylighting
- Các bước trên được gọi chung với tên gọi “Chiến lược chiếu sáng tự nhiên cho các cao ốc tại Việt Nam”
1.4.2 Giới hạn của luận văn
Bài viết này không đề cập đến các công nghệ liên quan đến năng lượng mặt trời như quang năng và nhiệt năng Ngoài ra, việc hướng dẫn thiết kế hệ thống chiếu sáng cho văn phòng hoặc tòa nhà cũng không nằm trong mục tiêu của luận văn này.
Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo tính khả thi của đề tài, cần xác định chính xác đối tượng nghiên cứu và tìm hiểu lý thuyết về chiếu sáng, cũng như các tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên cho công trình công nghiệp và dân dụng.
- Tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài, phân tích ưu nhược điểm để tận dụng được ưu điểm và khắc phục những nhược điểm
Thu thập tài liệu, sách báo và các văn bản khoa học từ cả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu Dựa trên các số liệu đã thu thập, tiến hành đánh giá, phân tích và tổng hợp để phát triển công nghệ tối ưu nhất, phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam.
- Kiểm tra, đánh giá, so sánh kết quả nghiên cứu và đưa ra kết luận
Một số định nghĩa
Ánh sáng ban ngày (daylight) là sự kết hợp của ánh sáng khuếch tán từ bầu trời và ánh sáng mặt trời [2]
Chiếu sáng tự nhiên (Daylighting) là phương pháp sử dụng ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng không gian, nhằm thay thế hoặc bổ sung cho ánh sáng nhân tạo.
Độ rọi tổng cộng ngoài nhà gồm 2 thành phần [e] :
Độ rọi trực tiếp từ bầu trời có giá trị cao nhưng biến đổi liên tục trong suốt cả ngày Các tia nắng mặt trời chiếu trực tiếp có thể gây chói mắt, làm giảm sự thoải mái và tăng nhiệt độ trong phòng Do đó, trong tính toán chiếu sáng tự nhiên, yếu tố này thường không được xem xét.
Độ rọi khuếch tán của bầu trời thay đổi theo lượng mây nhưng ổn định theo mùa Việc sử dụng hợp lý ánh sáng khuếch tán giúp tạo ra môi trường ánh sáng tiện nghi cho không gian làm việc và sinh hoạt, do đó, nó được coi là yếu tố quan trọng trong tính toán chiếu sáng tự nhiên.
Chiến lược Daylighting (Daylighting strategy)
Chiến lược Daylighting với mục tiêu tiết kiệm năng lượng có hai khía cạnh quan trọng: [1]
- Thiết kế kiến trúc và nội thất cho phép ánh sáng bên ngoài vào tòa nhà và giúp nó xâm nhập vào không gian bên trong
- Điều khiển làm giảm việc sử dụng đèn điện khi ánh sáng ban ngày có sẵn
Điều khiển ánh sáng là quá trình sử dụng cảm biến để phát hiện mức độ ánh sáng trong phòng, từ đó tự động điều chỉnh độ sáng của đèn điện cho phù hợp Ở mức độ cơ bản, các công cụ kiểm soát ánh sáng chỉ thực hiện chức năng bật và tắt tất cả đèn.
Hệ thống chiếu sáng thông minh có khả năng điều chỉnh độ sáng của đèn điện theo mức độ ánh sáng môi trường xung quanh Ở mức độ cơ bản, hệ thống cho phép bật và tắt một số đèn, trong khi ở mức độ tinh vi hơn, đèn được điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa ánh sáng Một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh bao gồm cảm biến quang, bộ điều khiển, dimmer, thiết bị cảm ứng và hệ thống che nắng, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả năng lượng.
Cảm biến quang đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển quang điện, giúp phát hiện sự hiện diện, đủ hoặc thiếu của ánh sáng tự nhiên (ASTN) Chúng gửi tín hiệu đến bộ điều khiển để điều chỉnh ánh sáng phù hợp Tuy nhiên, việc chỉ sử dụng một cảm biến duy nhất và không đặt đúng vị trí có thể gây ra vấn đề khi không gian nội thất bị che khuất bởi các tòa nhà hoặc cây cối.
Bộ điều khiển là thiết bị được lắp đặt tại đầu mạch, thường là bảng phân phối, và sử dụng thuật toán để xử lý tín hiệu từ cảm biến quang, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu lệnh điều khiển.
Bộ phận dimmer và switching đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh ánh sáng Dimmer điều chỉnh lượng ánh sáng bằng cách kiểm soát điện năng cung cấp cho đèn, trong khi switching chỉ đơn giản là bật tắt đèn, điều này có thể làm giảm tuổi thọ bóng đèn và gây khó chịu cho người sử dụng Do đó, việc sử dụng dimmer được khuyến khích hơn vì nó ít ảnh hưởng đến mắt người cư ngụ Bên cạnh đó, việc trang bị các bộ phận điều khiển bằng tay sẽ giúp người dùng dễ dàng tự kiểm soát ánh sáng theo nhu cầu của mình.
Thiết bị cảm ứng có khả năng tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng trong văn phòng, khi nhiều công nhân viên thường ra khỏi chỗ làm từ 30% đến 70% thời gian Việc lắp đặt cảm biến tự động tắt đèn khi không có người trong phòng giúp tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, một nhược điểm của hệ thống này là có thể tắt đèn ở những khu vực nhất định, ngay cả khi vẫn có người làm việc ở những khu vực khác trong cùng một căn phòng.
Hệ thống che nắng là giải pháp hiệu quả để kiểm soát ánh sáng và bảo vệ sự riêng tư cho cư dân Khi được điều khiển bằng tay, các hệ thống này thường hoàn toàn khép kín, như màn cửa hay các lá chớp của cửa sổ, giúp tạo ra không gian thoải mái và dễ chịu.
Hệ thống che nắng tự động, điều khiển qua một công tắc trung tâm, cho phép mở, nghiêng hoặc đóng tất cả các thiết bị che nắng cùng lúc, giúp tối ưu hóa lợi ích từ Daylighting.
Low-emissivity (low-e) là lớp tráng kính cửa lấy sáng để giảm bức xạ mặt trời xâm nhập vào tòa nhà mà không làm giảm năng lượng mặt trời.
Ưu điểm của công nghệ Daylighting
2.2.1 Hạn chế ô nhiễm môi trường
Việc áp dụng công nghệ Daylighting trong các cao ốc giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào ánh sáng nhân tạo, được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để nâng cao hiệu suất năng lượng Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí tiêu thụ năng lượng mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường.
Theo báo cáo của Omer được nghiên cứu bởi Hội đồng Năng lượng Thế giới (WEC), nhu cầu năng lượng toàn cầu trong năm 2020 dự kiến sẽ tăng từ 50% đến 80% so với năm 1990 Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế đã dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu ước tính đạt 53 tỷ kWh vào năm 2020 Tuy nhiên, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng này có thể gây hại cho sức khỏe con người do các khí thải ô nhiễm.
Hệ thống chiếu sáng nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải khí CO, CO2, SO2 và NOx, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu Việc giảm thiểu lượng khí thải carbon dioxide từ các nguồn sáng này là cần thiết để hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường.
Theo nghiên cứu của Lancashire và các cộng sự trong cuốn sách “Lighting: the way to building efficiency Consulting-specifying engineer” (1996), mỗi kWh năng lượng tiết kiệm giúp ngăn chặn sự phát thải 1,5 lb (680,39 g) khí carbon dioxide, 0,20 oz (5,67 g) lưu huỳnh dioxit và 0,08 oz (2,27 g) nitơ oxit Việc áp dụng kỹ thuật Daylighting có thể giảm lượng khí thải CO2 hàng năm lên đến 192 triệu tấn vào năm 2000, với dự đoán sẽ giảm 223 triệu tấn carbon dioxide vào năm 2010.
Sử dụng kỹ thuật daylighting không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần giảm hiệu ứng nhà kính cho trái đất, một mục tiêu quan trọng mà các nhà thiết kế luôn hướng tới.
Tại Mỹ, điện năng cho chiếu sáng chiếm khoảng 25-40% tổng mức tiêu thụ năng lượng điện của các cao ốc thương mại Công nghệ Daylighting có thể là giải pháp hiệu quả thay thế cho điện chiếu sáng, giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng bóng đèn nhân tạo thông qua cảm biến và bộ điều khiển Tại Wisconsin, điện chiếu sáng là một trong những hạng mục tiêu thụ điện năng lớn nhất, ước tính chiếm 10-15% tổng điện năng sử dụng trong các tòa nhà, với chi phí lên tới khoảng 350 triệu đô la mỗi năm cho doanh nghiệp.
Tại Hong Kong, điện chiếu sáng trong các tòa nhà văn phòng chiếm từ 20% đến 30% tổng trọng tải điện Tuy nhiên, chiến lược Daylighting chưa được áp dụng phổ biến trong các tòa nhà văn phòng, giống như tình hình ở Mỹ GS.TS Jean-Louis Scartezzini đã thực hiện các tính toán chi tiết về khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống daylighting, dựa trên các điều kiện ánh sáng mặt trời theo từng tháng trong năm.
Hình 2.1 Tính toán tiết kiệm năng lượng theo từng tháng trong một năm
Theo tính toán này, ông đã đưa ra kết luận rằng hệ thống daylighting có thể tiết kiệm đến 30% năng lượng sử dụng cho chiếu sáng
2.2.3 Hiệu quả kinh tế của chiến lược Daylighting
Tiết kiệm năng lượng không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn giúp giảm chi phí điện cho chiếu sáng Theo nghiên cứu của Scott Pigg, cả công trình xây dựng mới và cải tạo đều có thể tiết kiệm tới 2% chi phí điện hàng năm Với không gian có chu vi 0,5 ft và chiều cao 1 ft (tương đương chu vi 1,5 m và chiều cao hơn 3 m), nếu áp dụng con số này cho toàn bộ tòa nhà, chúng ta sẽ thấy một khoản tiết kiệm đáng kể.
2.2.4 Đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng tòa nhà Đối với sức khỏe của con người, ASTN giúp ngăn ngừa thiếu hụt vitamin D, tăng cường hệ thống miễn dịch, giúp xương chắc khỏe, cải thiện giấc ngủ, cải thiện tâm trạng v.v… Không những vậy, đây còn là nguồn sáng tốt nhất trong việc hiển thị màu sắc và phản ứng thị giác của con người Mặt khác, nhiệt lượng từ ASTN có tác dụng sưởi ấm, diệt khuẩn và làm giảm độ ẩm thấp có hại cho sức khỏe
Daylighting không chỉ mang lại ánh sáng tự nhiên mà còn bảo vệ thị giác cho người làm việc trong tòa nhà Khi làm việc trong môi trường ánh sáng nhân tạo, người lao động thường quên điều chỉnh đèn để đảm bảo đủ ánh sáng, dẫn đến nguy cơ tổn hại cho thị giác Với sự thay đổi ánh sáng tự nhiên theo thời gian trong ngày, việc tự động điều chỉnh đèn sẽ giúp bảo vệ sức khỏe cho nhân viên, đồng thời nâng cao khả năng tập trung vào công việc.
Một số trong những lợi ích khác của ASTN như:
- Kích thích hiệu quả với các hệ thống sinh học của con người
- Có thể nhìn ngoài trời, kích thích sự năng động của con người
- Tăng năng suất làm việc người sử dụng
Một cuộc thu thập các trường hợp nghiên cứu vào năm 1994 của viện Rocky Mountain (RMI) - một tổ chức ở Mỹ dành cho nghiên cứu, xuất bản, tư vấn, và
Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ daylighting trong các tòa nhà không chỉ nâng cao năng suất làm việc của nhân viên mà còn giảm tỷ lệ nghỉ việc Cụ thể, các cửa hàng bán lẻ áp dụng daylighting đã ghi nhận doanh số bán hàng tăng hơn 15% Hơn nữa, một nghiên cứu tại North Carolina cho thấy sinh viên học trong môi trường có daylighting thường đạt điểm thi cao hơn.
Daylighting không chỉ cải thiện ánh sáng tự nhiên trong các tòa nhà thương mại mà còn nâng cao hình ảnh thương hiệu của công ty Việc tích hợp Daylighting giúp tòa nhà trở nên thân thiện với môi trường, thể hiện công nghệ tiên tiến và sự quan tâm đến nhân viên Những yếu tố này không chỉ tăng giá trị thương hiệu mà còn mang lại những lợi ích vô hình cho doanh nghiệp.
Những thách thức của Dayighting
Mặc dù Daylighting mang lại tiềm năng lớn, nhưng hiện tại, số lượng tòa nhà áp dụng công nghệ này vẫn còn hạn chế Scott Pig và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng có nhiều "rào cản thị trường" ngăn cản nhà đầu tư tiếp cận công nghệ này, thường là do những định kiến tồn tại trong ngành.
Thiếu nhận thức và hiểu biết về Daylighting:
Daylighting là việc tận dụng ánh sáng tự nhiên trong các công trình xây dựng, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng môi trường sống Mặc dù nhiều tòa nhà được xây dựng với thiết kế mở, nhưng vẫn cần chú trọng đến việc kiểm soát và tiết kiệm ánh sáng để đạt hiệu quả tối ưu.
Cho rằng các tòa nhà xây dựng daylighting thì chi phí đắt hơn:
Các nhà thiết kế đang phải đối mặt với áp lực cạnh tranh lớn, buộc họ phải duy trì chi phí thiết kế và xây dựng ở mức thấp Điều này đã cản trở họ trong việc khám phá và áp dụng công nghệ mới.
Thiếu kiến thức về điều khiển (kiểm soát) ánh sáng:
Hầu hết mọi người đều nhận thấy sự biến đổi của ánh sáng ban ngày theo thời gian trong ngày, mùa và điều kiện thời tiết, dẫn đến mối quan tâm về chi phí cho các hệ thống điều khiển ánh sáng.
Công nghệ điều khiển ánh sáng chưa phổ biến, dẫn đến chi phí đầu tư và bảo trì cao Khi xảy ra sự cố, chi phí sửa chữa và bảo dưỡng cũng tăng theo, gây lo ngại cho người sử dụng.
2.3.2 Những khó khăn thực sự
Không chỉ vấp phải những định kiến, công nghệ Daylighting hiện tại vẫn còn tồn tại những nhược điểm:
Bóng che từ các tòa nhà lân cận là một vấn đề quan trọng tại những khu vực đông dân cư như Hongkong, nơi các tòa nhà có chiều cao khác nhau thường làm giảm ánh sáng ban ngày vào bên trong, đặc biệt là các phòng ở tầng thấp Môi trường bên ngoài ảnh hưởng lớn đến việc sử dụng thiết kế Daylighting, do đó, khi thiết kế công trình, cần xem xét các yếu tố này để đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng tối ưu.
Tăng nhiệt lượng của tòa nhà:
Công nghệ Daylighting từ ASTN giúp giảm tiêu thụ năng lượng điện từ bóng đèn nhân tạo, nhưng đồng thời cũng làm tăng nhiệt lượng trong tòa nhà Điều này có thể là lợi thế hoặc bất lợi tùy thuộc vào vị trí địa lý Ở các nước có khí hậu ôn đới hoặc hàn đới, việc tăng nhiệt lượng là có lợi, giúp tòa nhà ấm hơn và giảm nhu cầu sưởi ấm Ngược lại, ở các quốc gia xích đạo, điều này có thể khiến tòa nhà nóng hơn và cần tăng cường làm mát Do đó, thiết kế chiếu sáng từ cửa sổ trần (Skylighting, top-lighting) cần được tính toán cẩn thận, đặc biệt trong các tòa nhà ở vùng khí hậu nóng và ẩm ướt.
Vị trí đặt cảm biến:
Gần đây, một số dự án Daylighting đã không cho thấy sự tiết kiệm năng lượng rõ rệt cho đến khi các nhà nghiên cứu tiến hành điều chỉnh và đánh giá lại hiệu quả của chúng.
Các bộ điều khiển ánh sáng rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng Đối với cảm biến trong nhà, thiết kế nội thất cần phù hợp với bố trí ánh sáng để đảm bảo hiệu quả hoạt động Trong khi đó, cảm biến ngoài trời cần được lắp đặt ở vị trí không bị cản trở để đo lường chính xác độ rọi từ bầu trời.
Tình hình chiếu sáng tự nhiên tại Việt Nam
2.4.1 Giới thiệu tiêu chuẩn TCXD 29:1991
Từ năm 1991, Bộ Xây dựng Việt Nam đã ban hành TCXD 29:1991 về chiếu sáng tự nhiên trong công trình dân dụng, thay thế cho tiêu chuẩn TCN 29:1968 Tiêu chuẩn này áp dụng cho việc thiết kế mới hoặc cải tạo chiếu sáng tự nhiên trong nhà ở và công trình công cộng, đồng thời yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn và quy phạm hiện hành liên quan Tuy nhiên, TCXD 29:1991 không áp dụng cho thiết kế chiếu sáng tự nhiên trong các công trình công nghiệp, nông nghiệp, thể thao, cũng như những công trình dân dụng có yêu cầu đặc biệt như nhà ga, sân bay, chuồng trại và kho tàng.
Chiếu sáng tự nhiên trong nhà ở và nhà công cộng được chia ra như sau:
- Chiếu sáng hỗn hợp (bao gồm chiếu sáng trên và chiếu sáng bên)
Trong các công trình nhà ở và nhà công cộng, việc đảm bảo chiếu sáng tự nhiên là rất quan trọng để hỗ trợ hoạt động của con người và các phương tiện vận chuyển Hệ số độ rọi ánh sáng tự nhiên (hệ số ĐRASTN) được sử dụng để đo lường ánh sáng tự nhiên tại một điểm trong phòng, và mỗi hộ gia đình sẽ có yêu cầu riêng về hệ số ĐRASTN này.
Bộ tiêu chuẩn này sẽ là yếu tố chủ đạo khi xây dựng chiến lược thiết kế Daylighting cho các cao ốc tại Việt Nam
2.4.2 Những vấn đề khi áp dụng công nghệ này vào Việt Nam
Như vậy tại Việt Nam, thuật ngữ “chiếu sáng tự nhiên” đã xuất hiện từ rất lâu,
Bộ tiêu chuẩn hiện hành chỉ yêu cầu có chiếu sáng tự nhiên trong nhà ở và nhà công cộng để đảm bảo hoạt động bình thường của con người và phương tiện, mà chưa chú trọng đến lợi ích tiết kiệm năng lượng mà chiếu sáng tự nhiên mang lại Để thuyết phục mọi người áp dụng công nghệ mới này, cần có các tính toán cụ thể và chính xác, cũng như so sánh rõ ràng về lợi ích và nhấn mạnh các ưu điểm vượt trội của daylighting.
Ngoài ra phải xem xét hai yếu tố:
Việc xây dựng cao ốc tại các khu dân cư đông đúc là một thách thức mà Hongkong đã trải qua, và Việt Nam cũng không ngoại lệ Với dân số đông đúc và sự tập trung của các tòa nhà cao tầng ở các đô thị lớn, nhiều công trình thường bị che khuất bởi các tòa nhà lân cận, dẫn đến việc hạn chế ánh sáng tự nhiên vào bên trong.
Việt Nam có khí hậu nóng ẩm, dẫn đến việc nhiệt lượng trong các tòa nhà có thể gia tăng Do đó, khi thiết kế cao ốc theo hướng Daylighting, cần chú ý đến việc duy trì nhiệt độ thoáng mát và ngăn chặn hiện tượng hiệu ứng nhà kính có thể xảy ra.
Một nghiên cứu của Zain Ahmed cho thấy việc tiết kiệm năng lượng qua các chiến lược Daylighting trong các tòa nhà ở Malaysia có thể đạt tới 10% Việt Nam, với điều kiện thời tiết và khí hậu tương tự như Malaysia, có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng nếu áp dụng các chiến lược phù hợp và riêng biệt cho quốc gia.
Lưu đồ thiết kế mới một tòa nhà Daylighting
Dưới đây là lưu đồ thực hiện khi tham gia thiết kế một tòa nhà theo hướng Daylighting (xây dựng mới):
Thiết kế hệ thống Daylighting
Thiết kế một công trình xây dựng mới
Cải tạo công trình đã xây dựng theo hướng Daylighting
Hình 3.2 Lưu đồ thiết kế Daylighting cho công trình xây dựng mới
(1a) Xác định hệ số ĐRASTN theo TCXD 29 :1991
(2a) Tính toán diện tích và hình thức cửa lấy sáng theo hệ số ĐRASTN:
(3a) Giải quyết 2 vấn đề: -Giữ tòa nhà thông thoáng -Tránh hiệu ứng nhà kính Đạt
(4a)K.tra bóngche tòa nhà lân cận
-Áp dụng các phương pháp
-Kết hợp chiếu sáng trên(nếu đang dùng chiếu sáng bên)
(7a) Tính toán điều khiển Daylighting:
-Tính toán độ roi ASTN trong nhà
-Tính toán đèn chiếu sáng sử dụng vào ban ngày
- Lựa chọn cảm biến điều khiển
(8a) K.tra hiệu quả kinh tế:
- Tiết kiệm hơn CS thường
- Thời gian hoàn vốn thấp
(6a) Kiểm tra lại HSĐRTN Đạt
Để xây dựng một công trình chiếu sáng tự nhiên, cần đảm bảo đạt yêu cầu ĐRASTN theo tiêu chuẩn TCXD 29:1991 Mỗi loại công trình sẽ có yêu cầu khác nhau về hệ số ĐRASTN, do đó, việc xác định hệ số này (e min hoặc e tb) cho công trình thiết kế là rất quan trọng, có thể tra cứu theo bảng 3 trong phụ lục 1 của TCXD 29:1991.
Dựa vào hệ số ĐRASTN đã xác định, ta tiến hành tính toán diện tích cửa lấy sáng cho công trình Việc lựa chọn công thức tính toán sẽ phụ thuộc vào hình thức cửa lấy sáng, bao gồm chiếu sáng trên, chiếu sáng bên hoặc chiếu sáng hỗn hợp.
Mặc dù bước này không được yêu cầu trong TCXD, việc giải quyết những khó khăn còn tồn tại ở chương II là cần thiết Để nâng cao hiệu quả cho cao ốc Daylighting, chúng ta cần tập trung vào việc khắc phục hai vấn đề chính: nhiệt độ và hiệu ứng nhà kính.
Daylighting chỉ phát huy hiệu quả tối ưu khi tòa nhà nhận đủ ánh sáng tự nhiên từ ASTN Tuy nhiên, nếu bị che bóng bởi các vật cản như cây cối hay các tòa nhà xung quanh, hiệu quả này sẽ giảm đáng kể Do đó, việc kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng đến ánh sáng tự nhiên là rất cần thiết để tìm ra giải pháp tối ưu Đây cũng là một thách thức cần được giải quyết trong chương II Nếu tòa nhà gặp quá nhiều vật cản ánh sáng, cần áp dụng bước (5); nếu không, ta sẽ chuyển sang bước tiếp theo.
(5) Áp dụng các phương pháp thu được từ lưu đồ lựa chọn các phương pháp Daylighting bổ sung để thu thêm ASTN cho cao ốc
Sau khi áp dụng các phương pháp bổ sung, cần kiểm tra lại hệ số ĐRASTN theo TCXD 29:1991 Nếu đạt yêu cầu, tiếp tục thực hiện bước tiếp theo; nếu không, quay lại bước xác định diện tích và hình thức cửa lấy sáng.
Để xác định độ rọi ánh sáng tự nhiên (ĐRASTN) trong phòng theo từng giờ và tháng trong năm, chúng ta cần phân tích dữ liệu này Qua đó, chúng ta sẽ biết được lượng độ rọi cần bổ sung từ đèn nhân tạo Từ thông tin về độ rọi bổ sung, ta có thể tính toán được năng lượng tiêu thụ cho việc chiếu sáng.
31 của cao ốc vào ban ngày, dùng để tính toán kinh tế ở bước (8) Trong bước này cũng tiến hành lựa chọn cảm biến điều khiển
Để đánh giá hiệu quả của một cao ốc Daylighting, cần xem xét hai yếu tố chính: thứ nhất, năng lượng tiêu thụ cho chiếu sáng ban ngày phải thấp hơn so với cao ốc không tích hợp Daylighting; thứ hai, thời gian hoàn vốn phải ngắn hơn tuổi thọ của thiết bị Nếu một trong hai yếu tố này không đạt yêu cầu, cần thực hiện lại tính toán từ bước trước đó Nếu cả hai yếu tố đều đạt, quá trình đánh giá coi như hoàn thành.
3.1.2 Các bước thực hiện lưu đồ
3.1.2.1 Bước (1): Xác định hệ số độ rọi ánh sáng tự nhiên (ĐRASTN) theo tiêu chuẩn TCXD 29:1991 Dựa vào bảng 3 phụ lục 1 – TCXD 29: 1991 ta sẽ xác định được yêu cầu về hệ số ĐRASTN cho từng hộ đặc trưng
3.1.2.2 Bước (2): Xác định hình thức và tính toán diện tích và cửa lấy sáng theo TCXD 29:1991 Với mỗi công trình xây dựng, ta xác định hình thức cửa lấy sáng (chiếu sáng trên, chiếu sáng bên) theo bản mẫu thiết kế kiến trúc
Ngoài việc biết trước diện tích sàn xây dựng, chúng ta còn có thể xác định diện tích cửa lấy sáng dựa trên các diện tích sàn và hệ số ĐRASTN được xác định ở bước một.
Khi chiếu sáng bên có thể tính theo công thức sau:
S cs - Diện tích của cửa sổ (m 2 );
Ss - Diện tích của sàn (m 2 ); e Tc - Trị số hệ số Đ.R.S.T.N tiêu chuẩn (%)
K - Hệ số dự trữ xác định theo bảng l – phụ lục 1; ηcs - Chỉ số ánh sáng của cửa sổ xác định theo bảng 5 – phụ lục 1;
32 τ cs - Hệ số xuyên sáng toàn phần của cửa sổ được xác định theo công thức sau:
Hệ số xuyên suốt ánh sáng của các vật liệu được xác định theo các bảng trong phụ lục, bao gồm: τ1 - hệ số xuyên suốt ánh sáng của vật liệu (bảng 6), τ2 - hệ số xuyên suốt ánh sáng ảnh hưởng bởi khuôn cửa (bảng 7), τ3 - hệ số xuyên suốt ánh sáng do kết cấu chịu lực che ánh sáng (bảng 8), τ4 - hệ số xuyên suốt ánh sáng ảnh hưởng bởi các kết cấu che nắng (bảng 9), và τ5 - hệ số xuyên suốt ánh sáng có lưới bảo vệ dưới cửa mái (bằng 0,9) Ngoài ra, r1 là hệ số tăng ánh sáng do phản xạ bên trong phòng và từ mặt đất trước cửa sổ, được xác định theo bảng 10.
Kch - Hệ số tính đến ảnh hưởng của các công trình đối diện, được xác định theo bảng 11
Khi chiếu sáng trên có thể tính như sau:
Scm - Diện tích của cửa mái (phần khoảng trống, m 2 ); r 2 - Hệ số tăng ánh sáng do phản xạ bên trong phòng được xác định theo bảng 12;
Kcm -Hệ số theo loại cửa mái được chọn theo bảng 13- phụ lục 1
3.1.2.3 Bước (3): Vấn đề giữ tòa nhà thông thoáng và loại bỏ hiệu ứng nhà kính Theo số liệu của QCXDVN 02 : 2008/BXD dùng trong xây dựng (xem phụ lục
Nhiệt độ ở các tỉnh thành Việt Nam, đặc biệt là tại thành phố Hồ Chí Minh (trạm Tân Sơn Nhất), có thể đạt tới 40 độ C vào tháng 4 Điều này đặt ra hai thách thức lớn cho các nhà thiết kế hệ thống ánh sáng tự nhiên (daylighting) cần phải giải quyết.
- Giữ tòa nhà luôn thông thoáng với nhiệt độ ở mức chấp nhận được
- Loại bỏ hiện tượng nhà kính có thể phát sinh
Công nghệ daylighting giúp giảm nhiệt độ trong tòa nhà nhờ vào việc ánh sáng ban ngày cung cấp lượng ánh sáng lớn hơn (120-140 lumens/watt) so với ánh sáng nhân tạo, vốn chỉ chuyển đổi 20-25% điện năng thành ánh sáng, phần còn lại trở thành nhiệt Nhờ đó, việc sử dụng daylighting có thể làm giảm đáng kể nhu cầu làm mát trong các tòa nhà Để cải thiện nhiệt độ và sự thông thoáng, cần áp dụng các biện pháp giữ cho tòa nhà luôn thoáng mát.
Việc thiết kế không gian xung quanh tòa nhà rộng rãi giúp tạo ra sự thông thoáng, cho phép gió tự nhiên lưu thông Trồng thêm cây xanh và xây dựng hồ nước ở khu vực trước và sau tòa nhà không chỉ mang lại không khí mát mẻ mà còn giúp hơi nước từ hồ nước được gió đưa vào trong tòa nhà qua các lỗ thông gió và cửa sổ Điều này góp phần ổn định nhiệt độ trong tòa nhà, tạo sự dễ chịu cho người sử dụng.
Tổ chức thông gió cho tòa nhà:
Thiết kế daylighting cho cao ốc thương mại tại TP Hồ Chí Minh là giải pháp hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh không gian hạn chế Việc tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao chất lượng môi trường làm việc.
- Thông gió tự nhiên: Đây là trường hợp đầu tiên phải xét đến khi xây dựng
34 công trình, khi không đạt được yêu cầu ta phải sử dụng hệ thống thông gió cưỡng bức Có nhiều phương pháp để thông gió tự nhiên như:
Lưu đồ cải tạo một tòa nhà theo hướng Daylighting
Hình 3.22 Lưu đồ cải tạo thiết kế theo hướng Daylighting
(3b) Tính toán điều khiển Daylighting:
-Tính toán độ roi ASTN trong nhà
-Tính toán đèn chiếu sáng sử dụng vào ban ngày
- Lựa chọn cảm biến điều khiển
(4b) Kiểm tra hiệu quả kinh tế:
- Tiết kiệm hơn CS thường
- Thời gian hoàn vốn thấp
(1b) Kiểm tra lại HSĐRTN theo TCXD 29:1991
(2b) Nguyên nhân do cửa lấy sáng:
- Điều chỉnh kích thước cửa lấy sáng
- Điều chỉnh vật liệu kính
(2b’) Nguyên nhân do bóng che từ các tòa nhà lân cận:
- Áp dụng thêm các phương pháp Daylighting bổ sung *
- Kết hợp thêm chiếu sáng trên *
Trước tiên, cần kiểm tra hệ số ĐRASTN theo TCXD 29:1991 để xác định xem cao ốc có đạt tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên hay không Nếu đạt, tiếp tục với bước (3b); nếu không, cần tìm hiểu nguyên nhân không đạt, có thể do cửa lấy sáng hoặc bóng che từ các cao ốc lân cận Sau đó, thực hiện điều chỉnh phù hợp theo các bước (2b) và (2b’).
Nếu nguyên nhân không đạt ở bước (1b) là do cửa lấy sáng, cần điều chỉnh kích thước cửa để thu được nhiều ánh sáng hơn Nếu cửa lấy sáng có tỷ lệ thấu sáng quá thấp, nên thay đổi vật liệu kính để cải thiện tình hình.
Nếu nguyên nhân thiếu sáng là do bóng che từ các tòa nhà lân cận, chúng ta cần bổ sung ánh sáng từ trên cao hoặc áp dụng các phương pháp Daylighting khác để cải thiện tình hình.
* Lưu ý: những thay đổi ở bước (2b’) chỉ thực hiên được khi có sự đồng ý của chủ đầu tư
Ở bước này, cần xác định ĐRASTN trong phòng theo từng giờ và tháng trong năm để biết lượng độ rọi cần bổ sung từ đèn nhân tạo Dựa vào độ rọi bổ sung, ta có thể tính toán năng lượng tiêu thụ chiếu sáng của cao ốc vào ban ngày, phục vụ cho việc tính toán kinh tế ở bước tiếp theo Đồng thời, cũng tiến hành lựa chọn cảm biến điều khiển phù hợp.
Để đánh giá hiệu quả của cao ốc Daylighting, cần xem xét hai yếu tố chính: đầu tiên, năng lượng tiêu thụ cho chiếu sáng ban ngày của cao ốc tích hợp Daylighting phải thấp hơn so với cao ốc không tích hợp; thứ hai, thời gian hoàn vốn phải ngắn hơn tuổi thọ của thiết bị Nếu không đạt một trong hai yếu tố này, cần điều chỉnh lại tính toán từ bước trước Nếu đạt yêu cầu, quá trình đánh giá được xem là hoàn thành.
- Cách thực hiên bước (1b) tương tự bước (6a) của lưu đồ thiết kế mới
Để tăng cường ánh sáng tự nhiên, bước 2b yêu cầu điều chỉnh kích thước cửa lấy sáng Nếu cửa hiện tại có tỷ lệ thấu sáng thấp, bạn nên thay thế bằng kính màu sáng hơn hoặc chọn loại kính có tỷ lệ thấu quang cao hơn.
Cách thực hiên bước (2b’) tương tự bước (5a) của lưu đồ thiết kế mới Cách thực hiên bước (3b) tương tự bước (7a) của lưu đồ thiết kế mới
Cách thực hiên bước (4b) tương tự bước (8a) của lưu đồ thiết kế mới
