Sự gia tăng mối quan tâm toàn cầu về phát triển bền vững và hiệu quả sử dụng năng lượng
Cách thức khai thác, sản xuất và tiêu thụ của con người hiện nay đã vượt quá 30% khả năng của trái đất trong việc tái tạo nguồn cung và hấp thu các chất thải. Tiêu thụ năng lượng tính trên đầu người đã tăng gấp đôi từ năm 1960 đến năm 2000. So với giai đoạn 1950 – 1990, trong vòng 10 năm từ 1990 -2000 các thảm họa thiên nhiên như lũ lụt, bão… đã tăng 40%. Riêng trong năm 2004, chúng ta thải vào bầu khí quyển 28 tỷ tấn khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Ô nhiễm và sự biến đổi khí hậu toàn cầu trong gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng, thách thức sự phát triển bền vững của hệ sinh thái trái đất và đe dọa các thế hệ tương lai [1].
Đứng trước những thách thức đó, khái niệm phát triển bền vững lần đầu tiên được đưa ra trong báo cáo ‘Our common future’ của Bruntdland năm 1987. Sau đó, Hội nghị thượng đỉnh Trái đất về môi trường và phát triển tại Rio de Janeiro năm 1992 đã chính thức thông qua định nghĩa ‘phát triển bền vững’ và thông qua chương trình nghị sự Agenda 21 nhằm định hướng các chiến lược hướng tới phát triển bền vững.
Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học công trình đã chỉ ra rằng sự vận hành các công trình xây dựng ngốn khoảng 1/3 tổng mức tiêu thụ năng lượng của con người (Theo Bộ xây dựng, con số này ở Việt Nam năm 2010 vào khoảng 20 -24%), do đó là nguồn phát thải khí nhà kính lớn và tác động mạnh mẽ đến môi trường và hệ sinh thái. Những con số nói trên là động lực thúc đẩy giới KTS và Kỹ sư công trình thay đổi tư duy thiết kế nhằm đạt hiệu quả năng lượng cao hơn và giảm thiểu tác động bất lợi của công trình lên môi trường và hệ sinh thái. Bắt đầu vào những năm 90, Kiến trúc xanh ra đời như một sự hưởng ứng của giới thiết kế công trình với xu hướng chung. Công cụ đánh giá công trình xanh (Green building rating tool) và Gắn nhãn công trình xanh (Green building labeling) là những bước cụ thể hóa và lượng hóa chất lượng các ‘giải pháp xanh’, giúp cho khái niệm Kiến trúc xanh nhanh chóng trở thành một trào lưu mới mang tính quốc tế và có sức lan tỏa mạnh mẽ. So với các khái niệm kiến trúc sinh thái, kiến trúc sinh khí hậu, kiến trúc môi trường, kiến trúc hiệu quả năng lượng… kiến trúc xanh – qua các tiêu chí của các công cụ đánh giá – cụ thể hơn, dễ hình dung hơn và có tính bao quát hơn cả, nên có tính thực tiễn cao và hứa hẹn một hướng đi bền vững. Tuy nhiên đi kèm với đó là những yêu cầu phức tạp và chi tiết, đòi hỏi người thiết kế nhiều kỹ năng hơn.
Có thể nói, từ khi khởi xướng bởi BREEAM, tiêu chuẩn xanh đầu tiên trên thế giới của Anh vào năm 1990 cho đến nay, hầu hết các nước phát triển đều đã có tiêu chuẩn xanh của riêng mình. Việc công cụ LOTUS của Việt Nam ra đời vào cuối năm 2011 tuy khá muộn nhưng đó là một hệ quả tất yếu của trào lưu chung. Vì chỉ là một công cụ đánh giá, hay nôm na là «tiêu chí đánh giá công trình xanh», LOTUS không giúp KTS Việt Nam trong việc thiết kế xanh hơn mà thay vào đó đặt ra những yêu cầu khắt khe mà giới thiết kế công trình ở Việt Nam phải đáp ứng nếu muốn xanh hóa tác phẩm của mình. LOTUS chỉ rõ rằng thiết kế công trình xanh không đơn giản như nhiều KTS vẫn nghĩ và từ lúc này trở đi, chúng ta mới có công trình xanh đúng nghĩa theo tiêu chí Việt.
Lợi ích của công trình xanh đem lại là không phải bàn cãi dù chi phí đầu tư ban đầu có cao hơn. Lấy ví dụ, công trình xanh Dockland ở Hamburg (hình 1) với mức tiêu thụ năng lượng chỉ khoảng một nửa so với văn phòng bình thường.
Hình 1: Dockland, Hamburg, Đức (Thiết kế: BRT Architects và D&S Advanced Building Technologies)
Trong nhiều lĩnh vực khác nhau việc sử dụng máy tính điện tử để mô phỏng và giải quyết các tình huống, vấn đề hay thách thức nan giải đang ngày càng phổ biến. Trong thiết kế kiến trúc nói riêng, máy tính điện tử giúp các KTS phác thảo, vẽ triển khai kỹ thuật, mô phỏng lại môi trường vật liệu, ánh sáng thực (kỹ thuật render ảnh trên các phần mềm 3Ds-Max, Revit…), sự tiêu dùng năng lượng và trao đổi nhiệt của công trình, môi trường âm thanh và các môi trường vật lý công trình xây dựng khác. Sự tham gia của công nghệ thông tin trong thiết kế kiến trúc đã diễn ra qua ba giai đoạn bao gồm [2]:
Mô phỏng đã và sẽ đóng vai trò chủ đạo trong nghiên cứu về công trình. Đến giữa năm 2016 đã có khoảng 500 phần mềm mô phỏng – tính toán liên quan đến công trình đã được ghi nhận trên thế giới [3].
Phương pháp đánh giá hiệu năng công trình xanh bằng phần mềm mô phỏng năng lượng
KTS không phải và không thể là người duy nhất giúp « xanh hóa » công trình, nhưng là người có vai trò quan trọng nhất. Trong việc thiết kế, xây dựng công trình và vận hành công trình, khâu thiết kế cũng là khâu quyết định liệu một công trình có thể được công nhận là «Công trình xanh» hay không.
Hình 3 cho thấy sự tham gia của BPS vào quá trình đánh giá công trình xanh. Sơ đồ này cho thấy rõ vai trò của công cụ BPS trong việc giúp KTS định hướng giải pháp thiết kế và có cơ sở để tin rằng giải pháp đưa ra đáp ứng yêu cầu của Tiêu chuẩn xanh. Sơ đồ này cũng chỉ rõ công cụ BPS giúp KTS xác định các phương án cải tạo tối ưu nhằm «xanh hóa» công trình đã xây dựng và cần cấp chứng chỉ. Có thể nói rằng không có các công cụ BPS, việc thiết kế công trình xanh là cực kỳ khó khăn.
Hình 3: Các bước chính trong việc thiết kế và kiểm soát hiệu năng công trình đáp ứng các tiêu chuẩn xanh bằng các công cụ BPS
Trên thế giới hiện nay đang tồn tại 2 xu hướng đánh giá công trình xanh: (1) đánh giá dựa trên các tiêu chí (criteria-based assessment) như LEED, BREEAM, GBTool, HQE, LOTUS… và (2) đánh giá dựa trên vòng đời công trình (Life Cycle Assessment – LCA) như BEES (Mỹ – 2004), BEAT (Đan Mạch – 2005); EcoQuantum (Hà Lan – 2002) và KCL Eco (Phần Lan – 2005)… Mỗi xu hướng có các phương pháp thiết kế và các công cụ hỗ trợ phù hợp.
Với xu hướng thứ nhất, các nhà thiết kế thường sử dụng các công cụ mô phỏng hiệu năng của công trình (Building Performance Simulation – BPS) để đánh giá chính xác khả năng của từng giải pháp và lựa chọn giải pháp đáp ứng tiêu chuẩn xanh có tính định lượng ngay từ khâu thiết kế. Các công cụ này thường liên kết chặt chẽ với các công cụ thiết kế trên máy tính (CAD) và có thể tạm chia thành các nhóm phần mềm mô phỏng hiệu năng sau:
Các bước chính để thực hiện Mô phỏng hiệu năng của một công trình gồm có :
Các bước cơ bản tuy đơn giản, nhưng trên thực tế việc sử dụng lại không dễ dàng vì nó đòi hỏi người sử dụng nhiều kiến thức cơ bản và chuyên sâu về khoa học công trình.
Hình 4, 5, 6, 7 và 8 giới thiệu một số kết quả nghiên cứu với sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng. Với những tính năng như vậy, người thiết kế có thể thay đổi các tham số thiết kế để đạt được hiệu quả tốt và kiểm soát hoàn toàn thiết kế của mình.
Hình 4: Nghiên cứu hiệu quả che nắng ở nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội (14h; ngày 11 tháng Bảy) [4]
Hình 5: Nghiên cứu chuyển động gió (vận tốc và áp lực) trong và ngoài nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội với sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng khí động CFD [4]
Hình 6: Kết quả mô phỏng nhiệt độ trong nhà 120 Bùi Thị Xuân – Hà Nội trong suốt 1 năm bởi công cụ BPS [4]
Hình 7: Mô phỏng hiệu năng nhiệt trong công trình London Olympic Velodrome 2012 [5]
Hình 8: Kết quả mô phỏng chiếu sáng và chiếu nắng bằng phần mềm Radiance, Ecotect (nguồn: [6])
Hiện nay có khoảng vài trăm công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS tool) ở các mức độ chính xác và phức tạp khác nhau. Nhiều phần mềm được cung cấp miễn phí. VGBC giới thiệu gói phần mềm VE (Virtual environment) của IES như một giải pháp cho LOTUS. VE có ưu điểm là có giao diện người dùng khá thân thiện, tuy nhiên có một số tính năng còn hạn chế và đặc biệt giá thành rất đắt. Bài viết này giới thiệu phần mềm miễn phí EnergyPlus (hoặc Openstudio – một biến thể) của Bộ Năng lượng Mỹ phát triển, tuy hơi khó dùng và đòi hỏi nhiều kiến thức hơn nhưng có tính năng gần như tốt nhất và đầy đủ nhất hiện nay. EnergyPlus đáp ứng hầu hết các yêu cầu liên quan đến mô phỏng của LOTUS.
Một ứng dụng cực kỳ quan trọng nữa của BPS, đó là tối ưu hóa thiết kế nhằm đạt hiệu quả tối đa thông qua mô phỏng (simulation-based optimization). Cách làm này là sự kết hợp giữa một thuật toán tối ưu hóa (optimization algorithm) và một công cụ BPS. Để dễ hình dung, lấy ví dụ khi thiết kế một công trình, người KTS phải quyết định hàng trăm tham số của công trình, ví dụ: kích thước, hướng, diện tích cửa sổ trên mặt đứng, cấu tạo tường… sao cho đạt hiệu quả tối đa một hoặc nhiều mục tiêu (giá thành, tiện nghi, năng lượng tiêu thụ…). Mỗi tham số lại có hàng chục lựa chọn, ví dụ với tham số hướng có các lựa chọn: Bắc, Nam, Đông, Tây… Sẽ có một ma trận tham số tạo ra hàng tỷ giải pháp khả thi và người KTS phải quyết định ra giải pháp tốt nhất trong số đó. Tối ưu hóa thiết kế nhằm tìm ra giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu trong số hàng tỷ giải pháp khả thi. Mô hình đã tối ưu hóa thường có hiệu năng tốt hơn mô hình cơ sở từ 25% đến 50%, tùy theo mục tiêu cần tối ưu. Tối ưu hóa thông qua mô phỏng là một phương pháp được quan tâm hiện nay, giúp công trình đáp ứng nhiều yêu cầu ngặt nghèo của các tiêu chuẩn xanh như LOTUS mà các phương pháp thông thường không đáp ứng.
Hình 5: Một ví dụ quá trình tối ưu hóa 2 mục tiêu Giá thành xây dựng (construction cost) và bất tiện nghi nhiệt (PPD) – kết quả đạt được sau gần 13000 mô phỏng liên tục
Với xu hướng thứ hai: đánh giá dựa trên vòng đời công trình (Life Cycle Assessment – LCA), phương pháp này luôn xem xét đánh giá một thiết kế hay quy hoạch thông qua những tác động của nó đối với môi trường (phát thải Carbon, năng lượng xám…) trong suốt vòng đời của nó, từ khâu khai thác chế tạo vật liệu, xây dựng, vận hành cho đến khâu phá dỡ và xử lý phế thải công trình; do đó là một bước nâng cao của xu hướng thứ nhất và có một phần dựa trên các công cụ BPS. Cách đánh giá dài hạn này cho ra những thiết kế có trách nhiệm cao nhất với môi trường và các nguồn tài nguyên. Công trình càng «xanh», ảnh hưởng suốt vòng đời của công trình đối với môi trường càng nhỏ. Cách thức tiến hành đánh giá đã được tiêu chuẩn hóa bởi nhóm tiêu chuẩn ISO 14040 và cũng đã có một số công cụ phát triển để hỗ trợ phương pháp này như BEES, ATHENA® Environmental Impact Estimator… Nhìn chung, đây là hướng tiếp cận đầy hứa hẹn của tương lai, nhưng hiện tại ứng dụng thường ở mức nghiên cứu học thuật.
Công trình xanh và thách thức đối với giới KTS Việt Nam
Thiết kế kiến trúc ngày nay phải gắn liền với các ràng buộc với môi trường và phát triển bền vững và do đó phải thay đổi để đáp ứng yêu cầu mới. Các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình đã mở ra một kỷ nguyên mới trong khoa học thiết kế và đã trở thành công cụ hữu hiệu trong vòng 20 năm trở lại đây. Mô phỏng hiệu năng công trình không phải là một môn học thông thường mà là một ngành học, với nhiều kỹ năng phức tạp và cao cấp, giúp người thiết kế kiểm soát toàn diện tác phẩm của mình.
Việc các công cụ đánh giá công trình xanh như LEED, LOTUS ra đời trong khi đội ngũ thiết kế nước nhà chưa sẵn sàng đã chỉ ra sự tụt hậu trong công nghệ thiết kế. Có thể nói, trong tương lai gần, hồ sơ thiết kế các công trình quy mô lớn sẽ phải trải qua khâu kiểm toán năng lượng và đánh giá tác động môi trường ngặt nghèo như các nước đã làm và KTS phải là người chủ trì công việc này. Rõ ràng ngay từ lúc này, KTS cần được trang bị các kỹ năng phân tích, mô phỏng hiệu năng công trình thông qua sự hỗ trợ của máy tính hoặc ít nhất có thể phối hợp với chuyên gia cùng thực hiện công việc này. Trước mắt, chúng ta cần sớm đưa khoa học mô phỏng công trình vào trong đào tạo KTS bậc đại học hoặc cao học để giúp KTS Việt Nam bắt kịp trình độ đồng nghiệp quốc tế. Mối quan hệ giữa kiến trúc và môi trường cũng cần được làm rõ trong đào tạo và thực tiễn xây dựng nhằm xây dựng ý thức trách nhiệm với môi trường của KTS.
Những địa chỉ cần thiết
Các đơn vị có nhu cầu về mô phỏng hiệu năng công trình cần có những mối liên hệ chặt chẽ hơn với các tổ chức nghề nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Xây dựng xanh. Đây là các tổ chức có đủ khả năng hỗ trợ các doanh nghiệp cũng như cung cấp các thông tin, làm trung gian liên hệ trong những vấn đề chuyên sâu liên quan đến thiết kế công trình có hiệu năng cao:
– Hội KTS Việt Nam, VGBC, USGBC…
– Các chuyên gia của Viện nghiện cứu, trường Đại học: Đại học Bách khoa TPHCM, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Xây dựng Hà Nội, Đại học Kiến trúc Hà Nội…
– Các chuyên gia của chương trình năng lượng sạch Việt Nam – VCEP
– Các nhà tư vấn xanh, ví dụ: Green Consult Asia, GreenViet, Artelia…
– Các chuyên gia tư vấn LEED AP, LOTUS AP…
Một vài ví dụ về cách thức kết hợp giữa thiết kế và tư vấn công nghệ xanh
Trung tâm Thương mại Big C Nha Trang được chứng chỉ công trình xanh LOTUS bạc nhờ sự phối hợp giữa đơn vị tự vấn Kiến trúc và một nhà thầu tư vấn công nghệ xanh (GreenViet). Nhà máy DBW Long An được chứng chỉ công trình xanh LOTUS nhờ sự phối hợp giữa đơn vị tự vấn Kiến trúc và một nhà thầu tư vấn công nghệ xanh (Green Consult Asia). Trường mầm non British International School EYFS đang theo đuổi chứng chỉ LOTUS với sự hỗ trợ của Artelia Vietnam [7].
Hiện nay, số lượng các chuyên gia tư vấn công nghệ xanh chuyên nghiệp, các nhà thầu tư vấn công nghệ xanh chưa có nhiều. Với nhu cầu xã hội ngày càng tăng trong thời gian sắp tới, hy vọng điều này sẽ được cải thiện, tạo tiền đề vững chắc cho kiến trúc hiệu quả năng lượng, kiến trúc xanh bùng nổ ở nước ta.
TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn, Khoa Kiến trúc, Đại học Bách khoa Đà Nẵng
(Tài liệu bài giảng Khóa học Kiến trúc xanh Việt Nam do Viện Kiến trúc phối hợp với tổ chức
quốc tế Hanns Seidel Foundation của CHLB Đức (HSF) tổ chức).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Ngọc Đăng (2012), Khung chiến lược quốc gia về phát triển xây dựng xanh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030, Tài liệu hội thảo “Phát triển công trình xây dựng bền vững” tại Đà Nẵng, Bộ xây dựng.
[2] Lê Thanh Hòa (2014), Đề xuất các giải pháp ứng dụng mô phỏng hiệu năng công trình (BPS) trong đào tạo kiến trúc tại Đà Nẵng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ – Đại học Đà Nẵng, số 3, trang 15-20.
[3] http://www.buildingenergysoftwaretools.com/ [Truy cập 23/9/2016]
[4] Nguyen, A.T., Tran, Q.B., Tran, D.Q. and Reiter, S., 2011. An investigation on climate responsive design strategies of vernacular housing in Vietnam. Building and Environment, 46(10), pp.2088-2106.
[5] Nguyễn Anh Tuấn (2015), Công trình xanh London 2012 Velodrome đã được thiết kế như thế nào? Tạp chí Kiến trúc, số: 237, trang: 89-94.
[6] Nguyễn Anh Tuấn, Lê Thanh Hòa, Phan Tiến Vinh (2015). Ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đổi mới đào tạo kiến trúc theo hướng bền vững. Tạp chí Kiến trúc. Số: 246-07-2015. Trang: 66-70.
[7] Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thị Thục Linh (2016) KTS với xu hướng thiết kế kiến trúc hiệu quả năng lượng. Tạp chí kiến trúc. Số: 255-07/2016. Trang: 30.
Nguồn: Vienkientruc.vn