BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
------------------NGUYỄN VĂN TÙNG

GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO
HƯỚNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC

TP. HỒ CHÍ MINH - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
------------------NGUYỄN VĂN TÙNG

GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO
HƯỚNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành

:

KIẾN TRÚC

Mã số

:

8580101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIẾN TRÚC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. KTS. LÊ THỊ HỒNG NA

TP. HỒ CHÍ MINH – 2020


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................5
I. PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
2. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài...................................................3
3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................5
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................5
5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................6
II. PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HIỆU QUẢ
NĂNG LƯỢNG .........................................................................................................8
1.1.


Khái niệm và phân loại cao ốc văn phịng .................................................8

1.2.

Khái niệm và phân loại mặt đứng thích ứng ..........................................11

1.3.

Tổng quan hiệu quả năng lượng ..............................................................16

1.3.1.

Khái niệm, lợi ích và giải pháp hiệu quả năng lượng ...........................16

1.3.2.

Xu hướng thiết kế hiệu quả năng lượng trên Thế giới..........................20

1.3.3.

Xu hướng thiết kế HQNL ở Việt Nam và TP.Hồ Chí Minh ................21

1.4.

Tổng quan quá trình hình thành và phát triển kiến trúc COVP ..........23

1.4.1.

Kiến trúc cao ốc văn phòng trên Thế giới ............................................23


1.4.2.

Kiến trúc cao ốc văn phòng tại Việt Nam và TP.Hồ Chí Minh ............26

1.5.

Thực trạng hình thức kiến trúc cao ốc văn phòng tại TP.HCM ...........29

1.5.1.

Đặc điểm mặt đứng kiến trúc COVP ....................................................29

1.5.2.

Đặc điểm phân bố cơng trình COVP ....................................................31

1.5.3.

Phân loại cơng trình kiến trúc COVP ...................................................32

Kết luận Chương I ...............................................................................................33
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KIẾN
TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HQNL.....34
2.1. Cơ sở pháp lý .................................................................................................34
2.2. Cơ sở lý thuyết...............................................................................................37
2.2.1. Nguyên lý thiết kế kiến trúc HQNL trong COVP ....................................37
2.2.2. Nguyên lý thiết kế MĐTU theo hướng HQNL ........................................45


2.2.3. Nguyên lý cấu tạo MĐTU ......................................................................48

2.3. Cơ sở thực tiễn ..............................................................................................49
2.3.1. Điều kiện tự nhiên ....................................................................................49
2.3.2. Điều kiện kinh tế - văn hóa - xã hội .........................................................51
2.3.3. Điều kiện về công nghệ-kỹ thuật..............................................................55
2.4. Bài học kinh nghiệm .....................................................................................56
2.4.1. Bài học kinh nghiệm trong nước ..............................................................56
2.4.2. Bài học kinh nghiệm trên thế giới ............................................................58
Kết luận Chương II..............................................................................................60
CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỚC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HIỆU QUẢ
NĂNG LƯỢNG .......................................................................................................61
3.1. Xây dựng cơ cấu phân loại MĐTU theo hướng HQNL ............................61
3.1.1. MĐTU kiểm soát chiếu sáng tự nhiên hướng đến HQNL .......................62
3.1.2. MĐTU chức năng tái tạo nguồn năng lượng hướng đến HQNL .............63
3.1.3. MĐTU thơng gió tự nhiên hướng đến HQNL..........................................64
3.1.4. MĐTU kiểm soát hiệu suất nhiệt hướng đến HQNL ...............................64
3.2. Đề xuất pháp kiến trúc MĐTU trong COVP tại TP.HCM theo hướng
HQNL ....................................................................................................................65
3.2.1. Giải pháp MĐTU nâng cao hiệu quả thơng gió tự nhiên .........................65
3.2.2. Giải pháp MĐTU cân bằng chiếu sáng tự nhiên ......................................70
3.2.3. Giải pháp MĐTU tái tạo nguồn năng lượng ............................................72
3.3. Đề xuất giải pháp MĐTU trong COVP theo hướng cải thiện chất lượng
âm thanh ...............................................................................................................76
Kết luận Chương III ............................................................................................78
III. PHẦN KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .................................................................79
1. Kết luận .............................................................................................................79
2. Kiến nghị ...........................................................................................................80
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................1



DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MĐTU

: Mặt đứng thích ứng

BĐKH

: Biến đổi khí hậu

HQNL

: Hiệu quả năng lượng

NLTT

: Năng lượng tái tạo

TCĐG

: Tiêu chuẩn đánh giá

CTX

: Cơng trình Xanh

COVP

: Cao ốc văn phòng

VBC


: Vỏ bao che

GS

: Giáo sư

KTBV

: Kiến trúc bền vững

PTBV

: Phát triển bền vững

KTS

: Kiến trúc sư

CTCC

: Công trình cơng cộng

TP.HCM

: Thành Phố Hồ Chí Minh

TS

: Tiến sĩ


KT

: Kiến trúc

PGS

: Phó giáo sư

TTNL

: Tiêu thụ năng lượng

TKTĐ

: Thiết kế thụ động

TKCĐ

: Thiết kế chủ động

NZEBs

: Cơng trình trung hịa năng lượng

ĐKTN

: Điều kiện tự nhiên

IEA


: Cơ quan năng lượng quốc tế

PCCC

: Phòng cháy chữu cháy

HVAC

: Hệ thống đều hòa khơng khí

BXMT

: Bức xạ mặt trời

NLMT

: Năng lượng mặt trời


1

I. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là bài toán cấp thiết được đặt ra cho toàn xã hội nói chung
và thiết kế kiến trúc nói riêng, mang tiền đề cho bối cảnh xây dựng bền vững sinh
thái và bảo vệ môi trường [1]. Hiệu quả năng lượng (HQNL) là điểm mang tính mấu
chốt cho cả hai yếu tố nói trên. HQNL trong kiến trúc, hay còn gọi là sử dụng năng
lượng (SDNL) hiệu quả được đặt ra theo quan điểm về mục tiêu là việc giảm thiểu
năng lượng tiêu thụ trong quá trình vận hành và sử dụng công trình. Việc giảm thiểu

năng lượng sử dụng có thể đạt được bằng khả năng áp dụng các cơng nghệ mới trong
thiết kế, tính tốn năng lượng sử dụng thông qua mô phỏng.
Trên toàn cầu, lĩnh vực xây dựng chiếm nhiều hơn bất kỳ lĩnh vực nào khác vào
khoảng 42 %. Việc con người dành rất nhiều thời gian trong các cao ốc văn phòng
(COVP) tạo ra nhu cầu về sử dụng điện năng phục vụ cho quá trình làm việc được
tăng cao. Thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) [2], ước tính rằng trên
tồn cầu năm 2018, tổng mức tiêu thụ điện cuối cùng trên thế giới đạt 22 315 TWh,
cao hơn 4,0% so với năm 2017. Số liệu cũng cho thấy rằng mức độ tiêu thụ năng
lượng của các cao ốc và các tòa nhà chiếm khoảng 40% ở hầu hết các quốc gia. Cũng
theo số liệu của IEA, trong bối cảnh đại dịch bùng phát nhu cầu về SDNL tái tạo vẫn
tăng mạnh trong khi SDNL từ các nhiên liệu khác (khoáng sản, đầu mỏ…) đồng loạt
giảm. Trong năm 2020, nhu cầu SDNL tái tạo tăng 45% lên đến 280GW và cũng là
mức tăng cao nhất so với năm 1999 [3].
Với tốc độ đơ thị hóa ngày càng cao cùng với nhu cầu sử dụng điện trong bối cảnh
đại dịch toàn cầu ở các nước đang phát triển, số lượng các cao ốc ở các khu vực đô
thị sẽ tăng lên, dẫn đến nhu cầu về điện và các dạng năng lượng khác thường được
sử dụng trong các COVP ngày càng nhiều. Từ những nhu cầu cấu thiết về sử dụng
các COVP, việc nâng cao các chất lượng và HQNL trong các công trình COVP đang
được quan tâm rất lớn.


2

Thiết kế công trình HQNL mang lại những lợi ích lớn trong vận hành các COVP ở
Việt Nam và trên thế giới. Thiết kế HQNL giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các
công trình thông thường thậm chí có thể gia tăng lên đến mức zero năng lượng (tổng
năng lượng tiêu thụ trong thời gian 1 năm cân bằng với tổng năng lượng năng lượng
sản sinh trong cùng thời gian).Có thể gọi đây là dạng cơng trình địi hỏi năng lượng
cực nhỏ, đủ để cân bằng mức năng lượng sinh ra do các thiết bị tái tạo năng lượng
[4][5]. Đồng thời công trình HQNL giúp giảm thiểu lượng Các bon (CO2) và các tác

động đến môi trường để thích ứng tốt với tự nhiên. Theo ước tính tổng lượng phát
thải carbon và tiêu thụ năng lượng của thế giới đã tăng lần lượt 34% và 31% trong
giai đoạn 2000-2013 [6]. Thiết kế công trình HQNL được đề xuất dưới hai giải pháp
chính là thiết kế thụ động (TKTĐ) và thiết kế chủ động (TKCĐ). Trong lĩnh vực thiết
kế kiến trúc, TKTĐ được quan tâm trước tiên theo sau đó là TKCĐ. Thuật ngữ này
chỉ các giải pháp thiết kế dựa trên các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên bao
gồm kiểm sốt nguồn nhiệt thụ động, thơng gió tự nhiên, kiểm sốt nhiệt bằng lớp vỏ
bao che (VBC), sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời (BXMT) … TKTĐ được ứng dụng
rộng rãi trong các công trình kiến trúc hướng đến HQNL trong đó có các COVP [7].
Bối cảnh thiết kế tác động đến HQNL trong các tòa nhà đang dần được quan tâm một
cách bài bản. Một trong những phương pháp TKTĐ giúp cải thiện HQNL và tính
kinh tế của các COVP đó là sử dụng MĐTU [8][9]. Phương pháp này có khả năng
thay đổi hành vi ứng xử với tự nhiên bằng việc biến đổi hình thức theo thời gian thực
(động năng). Vỏ bao che của MĐTU có thể tương tác với tự nhiên hoặc người sử
dụng để tạo ra sự tối ưu về thơng gió tự nhiên (TGTN) hoặc cân bằng về chiếu sáng
tự nhiên.
Với các cơ sở về nhu cầu sử dụng HQNL thông qua TKTĐ đã minh chứng cho việc
thiết kế MĐTU trong các COVP là rất thiết thực. Phương pháp thiết kế này được
quan tâm và đi vào ứng dụng và thiết kế trong các cơng trình lớn và các COVP. Nhiều
COVP đã được hiệu suất sử dụng HQNL thông qua đảm bảo các hệ thống đánh giá
(HTĐG) cơng trình xanh (CTX) như như LEED, LOTUS, BREEAM…


3

Các COVP đang được các doanh nghiệp trong và ngoài nước quan tâm và thu hút đầu
tư. Tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và TP.HCM, các COVP phát triển mạnh mẽ
dưới mật độ ngày càng gia tăng [10]. Trong khoảng 35 năm trở lại đây, chính sách
mở cửa đã thúc đẩy các công trình COVP phát triển theo hướng hiện đại hóa. Ngày
càng nhiều những COVP sử dụng mặt đứng bằng kính. Điều này được lý giải bởi khả

năng xun sáng đem lại góc nhìn rộng ra cảnh quan xung quanh và mang đến sự
hiện đại cho cơng trình. Tuy nhiên, việc sử dụng kính sẽ dẫn đến những hệ quả nặng
về phát sinh chi phí sử dụng trong cơng tác vận hành cơng trình. Chính vì thế cần có
những giải pháp giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong các COVP hiện nay.
Do vậy, đề tài nghiên cứu “GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HIỆU QUẢ
NĂNG LƯỢNG” là hoàn toàn cấp thiết trong giai đoạn hiện đại hóa và biến đổi khí
hậu ngày nay. Đề tài chú trọng về việc đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp
MĐTU trong các công trình COVP tại TP.HCM. Thông qua luận văn, giải pháp kiến
trúc MĐTU được đưa ra dựa trên những cơ sở khoa học trong thiết kế mặt đứng theo
hướng HQNL.
2. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Sự quan tâm đến các công trình kiến trúc HQNL được ứng dụng ở các công trình KT
tại TP.HCM nói chung và các cơng trình cơng cộng (CTCC) nói riêng đã dấy lên
những câu hỏi về tiêu chuẩn và tiêu chí đánh giá chung. Trong luận văn cao học
(LVCH) “Kiến trúc hiệu quả năng lượng-Energy Efficient Architecture” của tác
giả Nguyễn Lê Minh Quân (2019) đã đưa ra các tiêu chí đánh giá về khả năng ứng
dụng của các công trình kiến trúc HQNL vào các CTCC trong TP.HCM. Luận văn là
cơ sở để có cái nhìn tổng quát về kiến trúc HQNL thông qua những tiêu chí đánh giá,
làm tiền đề cơ sở khoa học cho NCKH về MĐTU trong các COVP tại TP.HCM.
Năm 2019, Wei Feng cơng bố trên tạp chí Renewable and Sustainable Energy
Reviews bài báo có tên “A review of net zero energy buildings in hot and humid
climates: Experience learned from 34 case study buildings”. Đây là là một bài
nghiên cứu tổng quan về sử dụng NLHQ và giảm thiểu nhu cầu sử dụng năng lượng


4

trong các tịa nhà để hướng đến cơng trình có mức SDNL trung bình cả năm bằng 0
(NZEBs). Nghiên cứu mang đến những tiêu chí quan trọng để các công trình SDNL

một các hiệu quả. Nghiên cứu khảo sát trên 34 cơng trình tiêu biểu tại các vùng khí
hậu nóng ẩm và đề ra các chiến lược cho các tòa nhà HQNL tại những vùng khí hậu
nóng ẩm.
HQNL được thể hiện qua nhiều hình thức thiết kế bao gồm thiết kế MĐTU. Có nhiều
dạng MĐTU phục vụ cho nhiều định hướng thiết kế khác nhau và tựu trung là giải
quyết các vấn đề HQNL và tính kinh tế trong xây dựng và vận hành. Trong bài báo
khoa học “Adaptive biomimetic facades: Enhancing energy efficiency of highly
glazed buildings” của nhóm tác giả Sheikh, Wajiha Tariq Asghar và Quratulain
(2019) đã chứng minh được tính ứng dụng của MĐTU trong thiết kế các COVP sử
dụng kính ở các nước nóng ẩm. Để phát triển MĐTU, nhóm tác giả của bài báo đã
nên ra những khám phá từ tự nhiên “chúng tôi khám phá và bắt chước các đặc tính
vật lý, sinh lý và thích nghi của cây Oxalis oregana1 - một chiếc lá có khả năng tự
nhiên theo dõi đường đi của mặt trời và thay đổi góc vị trí của nó cho phù hợp”.
Nhóm tác giả giới thiệu một MĐTU giúp giảm nhiệt lượng mặt trời và do đó tiêu thụ
năng lượng của tòa nhà được cải thiện đồng thời giảm thiểu sự thoải mái về thị giác
(tức là mức độ chiếu sáng trong nhà và tầm nhìn ra môi trường bên ngoài) của người
sử dụng.
COVP tại TP.HCM có những xu hướng phát triển về hình thức khác nhau theo từng
giai đoạn. Từ sau năm 1990 các COVP đã hình thành và nhận diện một cách rõ rệt,
một trong số những hình thức mà các COVP hướng tới đó là KTBV và TKNL. Luận
văn “Hình thức cao ốc văn phòng tại TP.HCM từ giai đoan 1990 đến nay” của
tác giả Lê Quốc Thắng (2019) đã đề cập khái quát đến các hình thức COVP mang xu
hướng kiến trúc phát triển bền vững (PTBV).
LVCH “Vỏ bao che cao ốc văn phòng tại TP.HCM” của tác giả Nguyễn Việt An
(2010) đã nêu ra tầm nhìn về vấn đề sử dụng HQNL thơng qua lớp vỏ bao che sử

1

Oxalis oregana là một loài thực vật có hoa trong họ Chua me đất. Loài này được Nutt. mô tả khoa học đầu
tiên năm 1838



5

dung tấm pin quang điện tích hợp. Khái niệm “Vỏ bao che-Building Envelope” được
tác giả đề cập tới trong luận văn là khái niệm chung cho các loại hình thiết kế bao
bọc tòa nhà bao gồm các thành phần bao che công trình như tường, mái… MĐTU
cũng là một thành phần của vỏ bao che. Tác giả Việt An đề ra vấn đề được quan tâm
rất lớn trong các tòa nhà văn phịng tại TP.HCM đó là vấn đề HQNL. Hiện tượng lớp
VBC sử dụng vật liệu kính lấy sáng để mang lại yếu tố thẩm mỹ cho công trình đã
tạo ra hiện tượng sinh nhiệt trong phòng dẫn tiến tiêu tốn lượng điện năng tiêu thụ để
làm mát. Tuy rằng việc sử dụng các tấm kính lấy sáng có trang bị thêm khả năng
giảm thiểu bức xạ nhưng chưa hiệu quả về khả năng sử dụng năng lượng tự nhiên.
Từ những nghiên cứu đã được tác giả nêu ra trong luận văn cho thấy tác nhân ảnh
hưởng bởi tự nhiên là rất lớn đối với nhu cầu sử dụng của cơng trình. Bên cạnh đó,
việc quan tâm đến lớp vỏ bao che của các tòa nhà văn phòng tại TP.HCM nhằm giảm
thiểu tiêu thụ năng lượng là vấn đề chung cho tiện nghi sử dụng và giảm tác nhân
BĐKH.
Qua việc tìm hiều các nghiên cứu về HQNL trong các COVP tại TPHCM của trên
thế giới và Việt Nam. Có thể thấy được rằng tầm nhìn chiến lược trong tương lai về
HQNL trong thiết kế và vận hành các COVP tại TP.HCM là rất lớn. Các nghiên cứu
đã đưa ra những khái niệm và tổng quan mang tính sơ lược. Từ những khái niệm và
tổng quan trên đã tạo cơ sở và tiền đề cho luận văn “Giải pháp Mặt đứng thích ứng
trong Cao ốc Văn phòng tại TP.HCM theo hướng Hiệu quả Năng lượng” đi vào
nghiên cứu chi tiết. Điều này thể hiện đây là một đề tài không có sự trùng lặp, mang
tính khách quan và thể hiện được sự cấp thiết của nó. Các nghiên cứu lên quan đến
đề tài gồm những ưu và khuyết điểm cũng được học viên trình bày trong Bảng 1.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đề xuất các giải pháp mặt đứng thích ứng trong cao
ốc văn phòng tại TP.HCM theo hướng hiệu quả năng lượng.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là kiến trúc mặt đứng thích ứng trong COVP tại TP.HCM


6

Giới hạn về không gian: đề tài tập trung nghiên cứu mặt đứng kiến trúc trong các
COVP tại khu vực TP.HCM.
Giới hạn về thời gian: nghiên cứu khảo sát các COVP từ giai đoạn 1990 cho đến hiện
nay, các giải pháp định hướng thiết kế đề xuất áp dụng cho đến năm 2040.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp khảo sát điền dã: khảo sát điều tra một số cơng trình COVP đã xây
dựng tại khu vực trung tâm TP.HCM. Nhằm phát hiện các quy luật, trình độ phát
triển, đặc điểm về mặt định tính và định lượng của các COVP tại TP.HCM. Hai loại
điều tra (i) Điều tra cơ bản; (ii) Điều tra xã hội học;
Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm: nghiên cứu xem xét lại những thành
quả của hoạt động của tổ chức không gian và thiết kế sinh thái. Từ đó rút ra những
kết luận áp dụng cho thực tiễn và khoa học;
Phương pháp thống kê và so sánh: tổng hợp các kết quả của phương pháp khảo sát
điền dã và so sánh với những đối tượng có tính chất tương ứng để đưa ra nhận định,
đánh giá một cách khách quan nhất;
Phương pháp chuyên gia: sử dụng những kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên
gia có trình độ cao trong lĩnh vực thiết kế cơng trình cao tầng (cao ốc văn phịng) và
tư vấn cơng trình xanh. Theo đó, bảng câu hỏi được gửi đến hoặc phỏng vấn trực tiếp
các chuyên gia;
Phương pháp sơ đồ hóa: Sử dụng những ký tự (ký hiệu) cho việc hệ thống các khảo
sát điều tra. Các sơ đồ sẽ được so sánh một cách khách quan để tìm ra quy luật vận
động phát triển;
Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết: thu thập tài liệu liên quan đến đề tài
nghiên cứu, hệ thống các cơ sở khoa học phục vụ cho yêu cầu đề xuất các giải pháp

tổ chức không gian trong các COVP tại TP.HCM.


7

II. PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU


8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG
TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HIỆU QUẢ
NĂNG LƯỢNG
1.1.

Khái niệm và phân loại cao ốc văn phòng

COVP gắn liền với vấn đề dân số trong đô thị. Tính đến năm 2007, theo báo cáo dự
đoán của IEA, hơn một nửa dân số thế giới thường sinh sống và làm việc tập trung
tại các khu đô thị và theo dự kiến sẽ tăng lên 70% vào năm 2050 [11]. Từ những dữ
liệu trên, quá trình di cư đô thị và gia tăng dân số đô thị đã thúc đẩy nhu cầu xây dựng
tại các thành phố lớn. Để giải quyết vấn đề mật độ dân số so với diện tích đơ thị, các
cơng trình cao ốc được đề xuất như một giải pháp quan trọng giải quyết mật độ dân
số. Trong bối cảnh hiện nay, nhiều thành phố và quốc gia đều có rất nhiều những tịa
nhà cao tầng hay các tòa nhà chọc trời để phục vụ cho nhu cầu dân số và việc làm tại
cách thành phố lớn.
Do đó, COVP hay các tịa nhà chọc trời là giải pháp giải quyết mật độ dân số và nhu
cầu việc làm ngày càng gia tăng trong các đô thị, các thành phố lớn hay các siêu đô
thị, nơi mà vốn đã có mật độ dân số dày đặc. Khái niệm COVP là một loại hình cao
ốc có chức năng hoạt động văn phòng bên trong và phải nằm ở trung tâm thành phố

(nơi có mật độ dân số cao). Một COVP phải đạt tối thiểu 20 tầng trở lên. Một COVP
có nhiều doanh nghiệp thuê lại từng vị trí trên mỗi sàn trong một cao ốc và thường
thuê những diện tích được tính theo mét vng trên sàn [12][13][14].
Các hình thức nhà cao tầng và các cao ốc đều có chung tính chất là một khối cơng
trình khép kín về cả hai mặt hình khối lẫn chức năng bao gồm tường sàn, trần, mái
và cửa sổ. Giao thông bên trong các cao ốc phụ thuộc chính vào hình thức di chuyển
theo trục đứng như thang máy hay thang bộ. Các COVP là cao ốc có mục đích kinh
doanh, tại mỗi tầng được chia ra để hoạt động kinh doanh riêng lẻ, thường để cho
thuê hoặc bán các không gian được chia nhỏ bên trong. Các COVP thường là những
tịa nhà có chất lượng sử dụng và tiện nghi cao, hệ thống HVAC và PCCC đầy đủ.
Thường những COVP tập trung tại trung tâm thành phố nơi có mật độ sử dụng cao.


9

Khơng phải tất cả các cao ốc đều có chức năng là văn phịng thương mại dịch vụ mà
cịn có thêm nhiều chức năng sử dụng khác tùy thuộc vào tính chất an ninh và vấn đề
phịng cháy chữa cháy đặc thù của mỗi loại hình dịch vụ. Trong chương 1 của cuốn
sách High-Rise Security and Life Safety đã chỉ ra rằng có nhiều loại chức năng khác
nhau của các cao ốc [15]. Trong đó, các loại hình sử dụng có thể được liệt kê gồm
các Cao ốc văn phịng (Office Building): là tịa nhà có cấu trúc để tiến hành kinh
doanh thường được chia làm các văn phòng riêng lẻ tại các tầng để cung cấp không
gian cho thuê hoặc bán. Tòa nhà khách sạn-dịch vụ (Hotel Building), là tòa nhà chỉ
cung cấp các cơ sở hạ tầng dành cho chức năng ở và lưu trú trong tòa nhà. Ngồi ra,
có những khách sạn có những khu ở dạng cư xá với chức năng ở lâu dài. Loại hình
cao tầng khác đó là Cư xá và Chung cư (Residential and Apartment Duildings) loại
hình này cung cấp cho người cư trú chỗ ở ổn định và lâu dài. Các cư dân có các tiện
nghi sử dụng đầy đủ như nhà tắm và bếp độc lập cho mỗi căn hộ. Loại hình cuối cùng
trong chức năng sử dụng của các tịa nhà cao ốc là Tòa nhà hỗn hợp (Mixed-use
Building), loại hình này là sự kết hợp của nhiều chức năng như văn phịng, căn hộ

khách sạn và nhà ở.
Trong tồn bộ luận văn, loại hình dịch vụ mà khái niệm COVP mà luận văn này
hướng tới là các COVP có chức năng văn phòng thuần túy và hỗn hợp. Về cơ bản có
thể chia ra 2 cách phân loại COVP, bao gồm phân loại theo chiều cao tầng và phân
loại theo kết cấu. Theo F.R.Khan-chuyên gia thiết kế cao ốc ở Hoa Kỳ, cao ốc hay
nhà cao tầng là loại hình kiến trúc mà ở đó độ cao ảnh hưởng rất lớn đến bố cục, cách
thiết kế và nhu cầu sử dụng, cách thi công và tạo ra bộ mặt đặc trưng của cơng trình
cao ốc. Ủy Ban nhà cao tầng Quốc tế tại hội nghị quốc tế lần thứ 4 về nhà cao tầng
(11/1990): phân loại nhà cao tầng theo chiều cao và số tầng bao gồm 4 loại chính.
Loại I từ 9 đến 16 tầng (chiều cao nhà H<50m), loại II từ 17 đến 22 tầng (chiều cao
H=50-70m), loại III từ 22 đến 40 tầng (chiều cao H=75-100m) và loại IV là Siêu cao
tầng >40 tầng (chiều cao nhà H>100m). Tòa nhà trên 60 tầng được gọi là tháp (Tower)
hay nhà siêu cao tầng (Super High-Rise Building).


10

Vấn đề phân loại COVP được liệt kê theo Kết cấu, bao gồm 5 kiểu hình kết cấu
chính được liệt kê như sau (Hình 1.16):
Hệ thống kết cấu khung giằng (braced-frame structural system): là hình thức kết cấu
được sử dụng ở các tịa nhà có chiều cao từ thấp đến trung bình. Kết cấu khung giằng
bao gồm các khung đứng cơ bản bằng thép để chịu lực thẳng đứng và các giằng chéo
để củng cố khả năng chịu lực ngang.
Hệ thống kết cấu khung cứng (Rigid-frame structural system) là hệ thống kết cấu mà
tại đó dầm và cột được xây dựng nguyên khối để chịu được các momen do tải trọng
tác động. Hệ thống khung cứng phù hợp hơn cho các tịa nhà bê tơng cốt thép và có
thể xây dựng những tịa COVP bằng hệ thống khung này. Ngồi ra hệ thống khung
cứng cịn có thể chịu tải cho momen uốn và lực cắt. Tòa nhà COVP Buji Kalifa cũng
sử dụng hệ thống kết cấu này.
Hệ thống kết cấu khung tường (Wall-Frame System) là hệ thống kép bao gồm tường

và một hệ khung tương tác theo chiều ngang để tạo 1 hệ khung cứng hơn. Các bức
tường thường chắc chắn và đặt ở những vị trí như thang máy hay giếng thang hoặc ở
giữa tòa nhà.
Hệ thống kết cấu tường cắt (Shear Wall System). Hệ thống này thường được xây dựng
tại lõi của tịa nhà vì hệ thống này có khả năng chịu tải từ trọng lực và tải trọng bên
tốt (lateral loads). Tải trọng bên là tải trọng trực tiếp tác dụng song song với mặt đất;
nghĩa là, chúng là lực ngang tác dụng lên kết cấu. Chúng khác với tải trọng lực, ví dụ
là lực thẳng đứng, lực hướng xuống ví dụ như tải trong gió, tải trọng địa chấn, nước
và áp suất đất
Hệ thống cấu trúc Core và Outtrigger là cấu trúc được thiết kế để cải thiện độ cứng
bằng cách kết nối lõi hoặc cột với các cột gần đó. Về cơ bản hệ thống này hoạt động
bằng cách kết nối các hệ thống kết cấu lại với nhau. Loại hệ thống kết cấu này thực
tế được sử dụng cho các tòa nhà lên đến 70 tầng và các tòa nhà cao hơn vì hiệu quả
chống chịu lực cao hơn.
Trong bối cảnh của luận văn, các kiểu hình mặt đứng của COVP cũng cần được quan
tâm và phân loại. Trong nghiên cứu của Edward Halaw, các mặt đứng COVP cũng


11

được phân loại theo hiệu năng sử dụng và theo đó được chia ra làm 7 loại chính.
Các loại mặt ng ny bao gm: Mt tin bng ỏ (Stone faỗade), Mt ng bng
kim loi, Mt ng bng kớnh (Glazing faỗade), Mt ng trng cõy xanh (Vegetated
faỗade), Mt ng nng lng mt tri (Solar faỗade), Mt ng cú vt liu thay đổi
theo chu kỳ (Phase change material) và cuối cùng là Mt ng ng hc (Kinetic
faỗade) [16]. Cu trỳc phõn loi COVP theo kiểu hình mặt đứng này giúp COVP có
những thay đổi về hiệu suất khác nhau và được trình bày trong Bảng 2.
1.2.

Khái niệm và phân loại mặt đứng thích ứng


Trong bối cảnh xây dựng và thiết kế kiến trúc hiện nay, việc thiết kế theo hướng
HQNL phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó VBC của tịa nhà cũng là một trong
những yếu tố tác động đến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng (TTNL) trong công trình
[9],[17],[18]. VBC của tòa nhà là tất cả các yếu tố của lớp vỏ bên ngồi nhằm duy
trì mơi trường trong nhà khô ráo, được sưởi ấm hoặc làm mát và tạo điều kiện sử
dụng tiện nghi. Trong các tòa nhà, VBC được đặt ở mặt tiếp xúc giữa hai lớp không
gian là bên trong và bên ngoài. Thiết kế MĐTU cũng là một phần trong thiết kế VBC
của các khối công trình kiến trúc góp phần khơng nhỏ vào trong các tác động ảnh
hưởng đến công trình, hướng đến những giá trị bền vững và trung lập với năng lượng
(energy-neutral buildings).
MĐTU trong thiết kế kiến trúc là khái niệm được kết hợp bởi nhiều thuật ngữ như
động học (kinetic), động lực học (dynamic) … như được trình bày trong Hình 1.1
MĐTU được hiểu là một hệ thống thích ứng đa chức năng (multifunctional highly
adaptive systems), là hệ thống ngăn cách giữa bên trong và bên ngồi cơng trình,
mặt đứng này có khả năng thay đổi các tính năng, chức năng hoặc hành vi của chính
nó để đáp ứng các u cầu về hiệu suất sử dụng, với mục đích cải thiện HQNL của
cơng trình [9],[17]. Theo đó, MĐTU cần mang đến khả năng thích ứng cho điều kiện
mơi trường bên trong hoặc bên ngồi các cơng trình. Điều này giúp duy trì hoặc gia
tăng các chức năng của MĐTU trong vỏ bao che của tòa nhà như các điều kiện về
nhiệt, điều kiện khơng khí, nước mưa, bức xạ mặt trời, tiếng ồn, trọng lượng, tính ổn
định và thẩm mỹ.


12

Khả năng thích ứng của MĐTU với các điều kiện về mơi trường cho phép kiểm sốt
các thành phần như trao đổi nhiệt bức xạ (isulation), khối lượng bức xạ nhiệt (thermal
mass), thơng gió tự nhiên (natural ventilation), hấp thụ năng lượng (energy
harvesting), điều kiện chiếu sáng tự nhiên (natural daylighting), che nắng (solar

shading) và kiểm soát độ ẩm (humidity controller). Do đó, MĐTU cịn góp mặt trong
các vấn đề về giải quyết ô nhiễm tiếng ồn trong đô thị và đời sống [9][17][18]. Các
tính chất đặc trưng cấu thành nên hệ thống các đặc điểm của MĐTU được trình bày
trong Hình 1.1. Nhìn chung MĐTU tạo cơ hội giảm thiểu năng lượng sử dụng và phát
thải Cacbon Dioxit (CO2) trong các tòa nhà và đặc biệt là các COVP tại những nước
phát triển và đang phát triển. Bởi tính phức tạp và những thách thức mang lại từ vận
hành MĐTU mà vào năm 2014 một dự án có tên Cost Action TU-1403 vn hanh bi
Adaptive Faỗade Network c ra đời tại Châu Âu [19]. Dự án này có mục đích chia
sẻ các nội dung nghiên cứu về công nghệ MĐTU.
Q trình tổng hợp thơng tin về đặc điểm mơi trường cho thấy khơng hồn tồn có
duy nhất một kiểu hình hay cấu trúc chuyển động của MĐTU là phù hợp cho tất cả
vị trí và loại hình cơng trình xác định nào. Mỗi đặc điểm khu vực hay hình thức mặt
đứng sẽ có những kiểu hình và cấu trúc MĐTU khác nhau. Có thể kể đến các loại
MĐTU được phân loại thành nhóm tính chất như:
Mặt đứng vật liệu kớnh thớch ng (Adaptive Glazing Faỗade)[17], l loi mt ng sử
dụng các biến thể vật liệu và hình dáng kính khác nhau để phù hợp với điều kiện thời
tiết.Các đại lượng thay đổi được xác định dựa trên những thông số đặc tính về kính
như Tvis, giá trị G và giá trị U.
Mặt đứng có vật liệu thay đổi theo chu kỳ (Phase Change Material Facade)[20]. Đây
là loại vật liệu từ mặt đứng có chức năng lưu trữ nhiệt năng từ ban ngày và giải phóng
vào ban đêm giúp sưởi ấm tại những vùng có nhiệt độ thấp, đặc biệt là vật liệu này
có khả năng chuyển mức tiêu thụ điện năng từ cao xuống thấp và giảm nhu cầu sử
dụng điện.
Mặt đứng thích ứng năng lượng mặt trời (Adaptive Solar Faỗade)[21], l dng mt
ng thụng minh theo dng modular có tính động năng và linh hoạt. Dạng mặt dứng


13

này phụ thuộc vào quỹ đạo di chuyển của mặt trời để che chắn chắn cho phù hợp.

Dạng mặt đứng này giúp cân bằng chiếu sáng tự nhiên và giảm thiểu năng lượng tiêu
thụ từ tác động làm nóng của BXMT.
Mặt đứng thích ứng chiếu sáng ban ngày (Adaptive Daylighting System) [22], là hệ
thống thu ánh ban ngày bằng những thiết bị thu và khúc xạ ánh sáng để tự động điều
chỉnh ánh sáng xung quanh. Hệ thống thích ứng chiếu sáng ban ngày này mang lại
khả năng tiết kiệm 20-40% mức TTNL trong cơng trình. Hệ thống này cần có hệ
thống vận hành và điều khiển tốt.
Các kiểu hình MĐTU rất đa dạng bởi vì mỗi KTS đều tạo ra những hướng giải pháp
mới để nâng cao chất lượng và hiệu quả của MĐTU. Trên thực tế, khảo sát của học
viên thông qua các tổng hợp về các kiểu hình MĐTU cũng tham khảo từ nhiều nguồn
đánh giá trong và ngoài nước. Từ các công bố khoa học trên thế giới về hệ thống phân
loại MĐTU, học viên đã tổng hợp những tiêu chí phân loại từ những nghiên cứu trước
đó và được liệt kê trong Bảng 3. Trong đó, trình bày những tổng hợp chi tiết về cấu
trúc phân loại các kiểu hình MĐTU bao gồm nguyên lý hoạt động, cơ chế phân loại
theo cấu trúc chức năng và mục đích mà các MĐTU này hướng đến. Tuy nhiên, mỗi
giai đoạn phát triển kéo theo những kiểu hình MĐTU khác nhau giải quyết những
vấn đề mang tính tổng quát thì trong Bảng 3 chưa trình bày đầy đủ.
Trong các tổng hợp về phân loại kiểu hình MĐTU, có thể kể đến MĐTU phân loại
theo nguyên lý hoạt động được liệt kê đầy đủ trong nghiên cứu của Amir Tabadkani
[18]. Nghiên cứu này trình bày 10 kiểu hình MĐTU hiện hữu trong các công trình
thực tế và và công trình nghiên cứu trên thế giới được tổng hợp trong Bảng 4. Các
kiểu hình MĐTU có này bao gồm những nội dung và ý nghĩa như sau:
Mặt đứng chủ động (Active faỗade) l loi hỡnh s dng cỏc cụng ngh chủ động
được tích hợp vào bên trong hệ thống VBC của tịa nhà và khơng sử dụng các hệ
thống điện tử tinh vi. Hệ thống chủ động cho phép khả năng tự điều chỉnh (SelfAdjust) các tham số bên trong và ngoài nhà để làm giảm TTNL trong cơng trình mà
không cần dùng đến những tương tác của con người. Tuy nhiên, mặt đứng chủ động
khơng có tính năng để hướng các tiện nghi bên trong nhà. Loại hình MĐTU này có


14


thể kể đến các cơng trình đặc trưng như Bảo tàng trẻ em ở Pittsburgh. Mặt đứng này
có hàng ngàn các tấm Aluminum với sự tác động từ gió làm rung chuyển các tấm
Aluminum này tạo ra cảnh quan quan sát mới lạ từ bên ngồi. Hai cơng trình tiêu biểu
cho loại hình MĐTU này được trình bày trong Hình 1.2.
Mt ng th ng (Passive faỗade) bt ngun t nguyờn tắc thiết kế của hình thức
thiết kế thụ động để phản ứng với các điều kiện tự nhiên. Mặt đứng thụ động giống
như một lớp bảo vệ cho tòa nhà khỏi những điều kiện thời tiết khác nhau. Các dạng
mặt đứng hai lớp và các hình thái của loại mặt đứng này được xếp vào chung cho loại
hình mặt đứng thụ động. Các kiểu hình của mặt đứng 2 lớp có thể kể đến như tường
Tromble, các lớp đệm hay lớp đục dùng để hấp thụ nhiệt mặt trời tạo đối lưu tự nhiên
cho khơng khí. Về mặt ngun lý đối lưu tự nhiên trong một bức tường 2 lớp thường
được gọi là “Ống khói nhiệt-Solar chimney”. Trong một số nghiên cứu của học viên
về loại hình mặt đứng thụ động trong việc nâng cao hiệu quả thơng gió tự nhiên
(TGTN) cũng được đề xuất nghiên cứu [23][24][25]. Kiểu hình mặt đứng thụ động
là kết quả quá trình thiết kế thụ động, các đặc tính về nhiệt tạo ra chức năng thích
ứng của loại mặt đứng này. Ví dụ điển hình cho loại mặt đứng này có thể kể đến Thư
viện Morvaian tại Brno (Cộng hòa Czech) với cấu kiện mặt đứng 2 lớp trên nhiều
tầng của tịa nhà (Hình 1.3) [26].
Mặt đứng Phỏng sinh học (Biomimetic hay Bio-Inspired Facades) là hình dạng lấy
cảm hứng từ tự nhiên có thể kể đến như thực vật hoặc bộ da động vật khi nó phản
ứng với tự nhiên. Các hình thức phản ứng với tự nhiên có tính chất bất định, thường
được gọi là hệ thống thích ứng phi quy ước tức là những quy cách bất định khi phản
ứng với tự nhiên. Các phản ứng trong Mặt đứng thích ứng phỏng sinh học thường
được chia làm hai cách bao gồm phản ứng phụ thuộc vào vấn đề và phản ứng phụ
thuộc vào giải pháp. Phản ứng “phụ thuộc vấn đề” được hiểu như cách sao chép cách
tiếp cận Top-Down, phản ứng này vay mượn hành vi ứng xử nguyên mẫu từ các quan
sát đối với tự nhiên như các phản ứng với ánh sáng hoặc mặt trời (Hình 1.4). Phản
ứng cịn lại trong Mặt đứng phỏng sinh học là phản ứng “phụ thuộc giải pháp”. Phản
ứng này sao chép cách tiếp cận Botton-Up tức quan sát những phản ứng sinh học của



15

tự nhiên để tích hợp vào các kỹ thuật về sử dụng kính trong VBC của tịa nhà. Tiêu
biểu cho loại hình phản ứng “Phụ thuộc giải pháp” là cơng trình BIQ Houses đặt tại
Đức (Hình 1.4) [27].
Mặt đứng động học (Kinetic Facade), thuộc phạm mặt đứng trù mang tính chất cơ
khí phức tạp với những nguyên lý chuyển động như chuyển vị (Displacing), trượt,
mở rộng, biến đổi hay gấp. Các nguyên lý chuyển động này được nhúng vào trong
các cấu trúc động học như thu vào và mở rộng (Retractable), động lực hay chủn
đổi. Mội số cơng trình tiêu biểu cho MĐ này được trình bày trong Hình 1.5.
Mặt ng thụng minh (Intelligent faỗade), l loi hỡnh mt ng có khả năng phản
hồi đến những chức năng ban đầu của sự nhận thức, logic và hành động đồng thời
học và phản hồi tại cùng thời điểm. Có thể hiểu Mặt đứng thông minh là dạng tối ưu
các giao thức chủn động thơng qua mơ hình dự đốn của máy móc mà khơng cần
đến sự can thiệp của con người. Mặt đứng này thường kết hợp với mơ hình tự động
hóa của tịa nhà như hệ thống thích ứng HVAC, VBC, các bộ truyền động và biểu
hiện qua các thiết bị như thiết bị che nắng, rèm và các vật liệu thơng minh. Điển hình
của loại MĐTU này là tịa nhà GSW tại Berlin của Đức (Hình 1.6).
Mặt đứng tương tác người sử dụng (Interactive hoặc Media facades) là loại hình kết
hợp với các giao thức tương tác người dùng thơng qua các thiết bị cảm biến, các chíp
vi xử lí hoặc các hệ thống giám sát tự động của tịa nhà. Loại hình này mang lại tính
tương tác cao tuy nhiên không can thiệp vào xử lý vấn đề tiện nghi nhiệt trong và
ngồi tịa nhà (Hình 1.7).
Mặt đứng di ng (Movable faỗade) cp n kha nng di chuyển và thay đổi vị trí
của mặt đứng theo điều kiện tự nhiên cụ thể và vị trí mặt trời để thu năng lượng thông
qua các tấm pin quang điện. Vì lý do đó, loại mặt đứng này cũng hướng đến vấn đề
tiện nghi sử dụng và cả HQNL bên trong cụng trỡnh (Hỡnh 1.8).
Mt ng phan ng (Reponsive Faỗade) là sự kết hợp của Mặt đứng thông minh và

Mặt đứng tương tác người dùng. Loại Mặt đứng này có chức năng và hiệu suất giống
với mặt đứng thông minh như khả năng nhận diện theo thời gian thực, sử dụng thêm
các vật liệu thông minh, kết hợp với các cấu kiện chuyển động và hoạt động theo chỉ


16

thị của người dùng hoặc tự động. Đồng thời, mặt đứng này cũng sử dụng nguyên lý
của mặt đứng tương tác giúp mặt đứng này học tập để tự động điều chỉnh. Khác biệt
lớn nhất đến từ khả năng tương tác với người dùng, vì lý do đó loại hình này bị giới
hạn bởi các đặc tính vật liệu và cơ học trong ch̉n động. Cơng trình tiêu biểu cho
loại hình mặt đứng này là Kiefer Techic Showroom đặt tại Úc (Hình 1.9).
1.3.

Tổng quan hiệu quả năng lượng

1.3.1. Khái niệm, lợi ích và giải pháp hiệu quả năng lượng
Cơng trình HQNL là một thành phần không thể thiếu cấu thành nên KTBV, mục đích
là hướng đến tạo lập và xây dựng các cơng trình tiết kiệm năng lượng và thân thiện
với mơi trường. Cơng trình HQNL quan tâm trực tiếp đến vấn đề tiêu thụ nguồn năng
lượng hoặc sử dụng Năng lượng tái tạo (NLTT) để tối ưu hóa chi phí sử dụng cho các
tịa nhà. Có thể nói cơng trình HQNL là cơng trình nhằm hướng đến giải pháp giảm
thiểu tác động của mơi trường (chiếu sáng, thơng gió…) lên tòa nhà để hạn chế tối đa
nhu cầu sử dụng năng lượng [28][29][30]. Nói cách khác, HQNL của một cơng trình
là q trình giảm thiểu TTNL trên mỗi mét vuông sàn sử dụng. Theo ISO tiêu chuẩn
23045:2008 [15]: "Thiết kế và xây dựng một cơng trình xây dựng có HQNL được xác
định trước hết bằng các phương pháp tiếp cận toàn diện và tiến tới sử dụng các giải
pháp thiết kế thụ động nhằm tiết kiệm sử dụng năng lượng trong sự đảm bảo các tiêu
chuẩn chất lượng môi trường trong nhà cao nhất đối với các hệ thống thiết bị có liên
quan, như là các hệ thống sưởi ấm, thơng gió, điều hịa khơng khí (HVAC), hệ thống

chiếu sáng, hệ thống cấp nước nóng và các hệ thống điều khiển liên quan và trong
đó, hệ thống HVAC là cần đáp ứng được những yêu cầu cao nhất”.
Các công trình HQNL mang đến những tiềm lực rất lớn bao gồm lợi ích về kinh tế và
lợi ích cho mơi trường. Về mặt kinh tế giảm thiểu năng lượng đồng nghĩa với: (i)
giảm chi phí sử dụng điện cơng trình, (ii) giảm quy mơ trợ cấp chính phủ và giảm nợ
quốc gia, (iii) giảm tải trọng cho lưới điện quốc gia đồng thời tiết kiệm hàng tỷ đô
cho việc xây dựng các nhà máy điện, (iv) tăng tính ổn định cho các phụ tải lưới điện
quốc gia. Vấn đề môi trường mà sử dụng HQNL cho thấy các mặt tích cực như: (i)
giảm thiểu khí thải nhà kính (GHG) để đáp ứng mục tiêu quốc gia trong việc hạn chế


17

biến đổi khí hậu tồn cầu, (ii) giảm lượng tiêu thụ nước sử dụng trong các nhà máy
điện hơi nước [31].
Hiện nay, để hướng đến HQNL trong ngành công nghiệp xây dựng, nhiều nước trên
thế giới đang hướng đến vận dụng khái niệm cơng trình có mức SDNL hàng năm
bằng 0 hay cịn được gọi là cơng trình trung hịa năng lượng (NZEBs) [32][33].
Khái niệm NZEBs được đề xuất thông qua xúc tiến sử dụng HQNL trong chỉ thị về
hiệu xuất năng lượng trong công trình (EPBD recast) của Ủy ban châu Âu. Khái niệm
NZEB được định nghĩa bởi nhiều quốc gia, luận văn này sử dụng khái niệm về NZEB
được đề xuất bởi bộ năng lượng Hoa Kỳ (U.S. Department of Energy-DOE). Theo
DOE, NZEB được xem là tòa nhà có mức HQNL cực cao, nơi mà có mức năng lượng
thực tế được cung cấp từ chính phủ thấp hơn hoặc bằng với năng lượng tái tạo mà
chính tòa nhà tự sản xuất [33]. Theo Pless và Torcellini, có 4 kiểu hình chính cho tòa
nhà NZEB được trình bày trong Hình 1.10 bao gồm: Loại A và B là sử dụng nguồn
NLTT tại chính tịa nhà. Trong đó Loại A là những thiết bị tái tạo nguồn năng lượng
nằm trực tiếp trên công trình và loại B thì được đặt ở trong khuôn viên công trình.
Loại C và D là sử dụng nguồn NLTT nằm ngoài cơng trình.
Trong các tịa nhà, năng lượng được sử dụng vào các mục đích như sưởi ấm, làm mát,

thơng gió (sử dụng điều hịa khơng khí), nước nóng, chiếu sáng và các thiết bị gia
dụng. Các giải pháp giúp đạt được HQNL tại lĩnh vực xây dựng tập trung hướng đến
giải quyết vấn đề làm mát và sưởi ấm vì đây là hai nguồn năng lượng yêu cầu điện
năng tiêu thụ cao nhất tại các nước Châu Âu và cả trên thế giới [34]. Đề giải quyết
vấn đề làm mát và sưởi ấm, công trình cần duy trì được nhiệt độ ở mức ổn định tại
mọi thời điểm. Giải pháp HQNL hướng đến ổn định nhiệt độ là sử dụng vật liệu thông
minh cho lớp VBC của tịa nhà có thể kể đến như vật liệu cách nhiệt. Nhìn chung, có
rất nhiều cách để hướng đến giải pháp tòa nhà HQNL. Trong luận án tiến sĩ của
P.T.H. Hà [35] đề xuất 3 giải pháp chính: giải pháp kiến trúc thụ động, thiết kế hệ
thống kỹ thuật và cuối cùng là quản lý hành vi SDNL. Hay trong cơng bố của Lê
Qn trên Tạp chí kiến trúc cũng trình bày một số giải pháp như sử dụng tường nhiều
lớp, của sổ cách nhiệt, VBC sử dụng tấm pin quang điện, hay cách nhiệt cho mái


18

[36]. Luận văn này hướng đến 5 hệ thống giải pháp được áp dụng rộng rãi theo thống
kê của W. Feng [33]. Trong đó, 5 nhóm giải pháp bao gồm: thiết kế kiến trúc và VBC,
hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng, hệ thống trang thiết bị và sử dụng các nguồn
NLTT (Hình 1.11). Nghiên cứu của W.Feng cũng cho thấy trong 5 hệ thống giải pháp
đó có những giải pháp được quan tâm trọng yếu như hệ thống VBC cao cấp
(Advanced Envelope), thơng gió tự nhiên và sử dụng pin quang điện trên mái. Các
hệ thống giải pháp HQNL này được trình bày các chức năng cụ thể bao gồm:
Thiết kế Kiến trúc và VBC: có thể kể đến như tối ưu hóa mặt bằng sử dụng, phương
pháp này hướng đến giải pháp bố trí tổng mặt bằng có lợi nhất cho cơng trình nhằm
giảm thiểu các góc ánh sáng bất lợi cho công trình [37]. Phương pháp thứ hai là sử
dụng mái che cho công trình hay rộng hơn là thiết kế vỏ bao che, phương pháp này
giúp giảm thiểu các tác nhân xấu trong vấn đề truyền nhiệt qua vật liệu. Các kiểu hình
MĐTU cũng là một dạng thiết kế trong hạng mục VBC và các thiết bị che chắn. Giải
pháp tối ưu các hình thức VBC được quan tâm rộng rãi trong mảng ngành Kiến trúc

và kỹ thuật. Các Chuyên gia trong lĩnh vực này hướng đến các thành phần trong VBC
như kích thước cửa kính (WWR), hệ thống mái che, rèm và vật liệu (bao gồm kính
và tường). Ngoài ra nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng năng lượng xanh trên
lớp VBC mang đến những hiệu quả đáng ngạc nhiên như kết hợp các mảng xanh trên
mái, mảng xanh trục thẳng đứng (trên tường) hay các hệ thống vườn treo. Các mảng
xanh này ngoài việc trang trí cũng làm mát không gian bằng quá trình thoát hơi nước
hoặc quang hợp. Cụ thể, tại thời điểm mùa hè các mảng xanh có thể giảm thiểu được
đến 80% lượng nhiệt truyền qua mái đồng thời giảm từ 2.2% đến 16,7% nguồn NLTT
của công trình so với hình thức mái truyền thống [38].
Hệ thống HVAC và thơng gió tự nhiên: Đối với cơng trình sử dụng HQNL hay các
tòa nhà NZEBs đều được cho là sử dụng những trang thiết bị HVAC tối tân và có các
chiến lược HQNL trong thơng gió tịa nhà [33]. Lý do cho việc quan tâm đến các hệ
thống thơng gió bởi vì có rất nhiều những nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng thơng
gió tự nhiên là bài tốn quan trọng giúp giảm thiểu hiệu quả vấn đề TTNL và phát


19

thải CO2 trong các tòa nhà [39][40]. Các giải pháp thơng gió cho cơng trình có thể
kể đến như thơng gió tự nhiên, sử dụng quạt, hay làm mát bức xạ.
Hệ thống chiếu sáng (Lighting): hệ thống này được hiểu như giải pháp tận dụng triệt
để ánh sáng tự nhiên đồng thời hướng đến việc sử dụng chiếu sáng nhân tạo một cách
hiệu quả nhất. Các giải pháp được đề ra cho hạng mục chiếu sáng đều nằm trong việc
điều hướng và xử lí chiếu sáng tự nhiên qua mặt tiền hay một số ít sử dụng thêm các
giải pháp ống năng lượng mặt trời (Solar Tubes) để điều phối ánh sáng vào sâu bên
trong thông qua các đường ống kỹ thuật. Một thiết kế và vận hành thích hợp của hệ
thống điều khiển ánh sáng cùng với các thiết bị che nắng cũng có thể giúp cải thiện
HQNL tại các tòa nhà NZEB và đạt được sự thoải mái về thị giác cho người sử dụng
[41].
Hệ thống quản lý phụ tải ổ cắm và trang thiết bị (Plug Load and Equipment

Management): phụ tải sử dụng từ các thiết bị ổ cắm tương đối ổn định trong mọi điều
kiện thời tiết và ít bị tác động bởi các hệ thống khác của tòa nhà. Theo một số báo
cáo của EIA thì có đến 1/3 nguồn NLTT của tịa nhà được sử dụng cho các thiết bị
phụ tải ổ cắm. Vì lẽ đó, phụ tải ổ cắm được xem như một nguồn năng lượng tác động
trong việc TTNL của tòa nhà. Nhiều định hướng và nhãn đánh giá cũng được tạo ra
cho mục đích chỉ dẫn như của ASHRAE hay các dãn nhẫn năng lượng như Energy
Star. Có 2 cách để quản lý hệ thống này là: sử dụng các thiết bị có nhu cầu tiêu thụ
điện năng thấp và kiểm soát hành vi sử dụng thiết bị [42].
Lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo (Renewable energy systems): các tấm pin
quang điện được xem như một giải pháp phổ biến trong sử dụng nguồn năng lượng
tái tạo thay vì sử dụng điện của lưới điện quốc gia. Các tấm pin quang điện được đề
xuất gắn tại hướng Nam của các tòa nhà COVP để thu được nguồn năng lượng trong
cả ngày. Ngồi ra, nguồn năng lượng gió cũng được sử dụng để tạo ra nguồn NLTT
trong cơng trình tuy nhiên có rất nhiều hạn chế từ hình thức khai thác nguồn năng
lượng này bởi việc vận tốc gió có thể khơng đủ để làm quay các turbin gió [43]. Một
số COVP cũng đã có áp dụng hình thức turbin gió có thể kể đến như Pearl Tower
Building tại Guangzhou (Trung Quốc). Tịa nhà này lắp đặt 4 tourbin gió tại giữa và


20

trên nóc để tận dụng lợi thế chiều cao. Với hình thức này, cơng trình đã tạo ra 288.000
kWh và thậm chí còn vượt lên trên các giải pháp sử dụng pin quang điện (Hình 1.12).
Nhìn chung, vấn đề HQNL là vấn đề chung cho toàn thế giới và là nhiệm vụ cho
nhiều cấp chức năng bao gồm các tổ chức Chính phủ và Phi chính phủ, các tổ chức
thiết kế và xây dựng. Các tổ chức thuộc Chính phủ và Phi chính phủ có thể kể đến
như Cơ quan năng lượng quốc tế IEA, Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia
(NREL) thuộc công ty mẹ là Bộ năng lượng Hoa Kỳ (DOE). Các tổ chức này hướng
đến xây dựng và đẩy mạnh phát triển hệ thống SDNL một cách hiệu quả đối với các
công trình. Những đơn vị thiết kế và xây dựng thì hướng tới 5 hệ thống giải pháp như

được nêu ở phần trên (Hình 1.11). HQNL trong cơng trình mang đến nhiều thử thách
về việc lựa chọn giải pháp phù hợp cho cơng trình. Hiện nay, MĐTU là loại hình
được nhiều Cấp chính quyền và tổ chức đề xuất để hướng đến hạn chế TTNL trong
cơng trình. MĐTU can thiệp vào tất cả 5 hệ thống giải pháp góp phần rất lớn trong
việc sử dụng HQNL.
1.3.2. Xu hướng thiết kế hiệu quả năng lượng trên Thế giới
Giảm thiểu sự phát thải CO2 và TTNL trong xây dựng là hai trong số những thách
thức và sứ mệnh quan trọng trong lĩnh vực xây dựng và thiết kế. Để vận hành các nền
công nghiệp, thế giới có chung một sứ mệnh là giảm thiểu TTNL để hướng đến vấn
đề về PTBV [33]. Với các nhu cầu và sứ mệnh đó, các khảo sát từ IEA chỉ ra được
sự quan tâm rất lớn đến vấn đề TTNL tại các lĩnh vực vận hành tịa nhà và xí nghiệp
công nghiệp. Theo báo cáo của IEA (2016) [44], các thành phố có nhu cầu sử dụng
năng lượng chiếm hai phần ba so với toàn thế giới và cũng là là tác nhân chiếm 70%
lượng phát thải CO2 vào năm 2013 (Hình 1.13). Trên toàn cầu, tính riêng trong lĩnh
vực công trình và xây dựng đã tiêu thụ lên đến 120 EJ (Exajoules-đơn vị đo công
xuất điện với 1 Exajoule=1x1018 Joule) tương đương với khoảng 30-40% NLTT so
với các lĩnh vực khác như công nghiệp vận tải và công nghiệp sản xuất. Các tòa nhà
sử dụng điện rất nhiều cho nhu cầu sinh hoạt cho cả các tòa nhà dùng cho mục đích
thương mại và tòa nhà dân cư. Đứng trên những thách thức đó, việc năng cao HQNL