Cách nhiệt cho tòa nhà

Nội dung text: Cách nhiệt cho tòa nhà

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG CÁCH NHIỆT CHO TÒA NHÀ ThS. NGUYỄN SƠN LÂM, TS. PHẠM ĐỨC HẠNH Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu nguyên lý cách giảm nhu cầu năng lượng của hệ thống sưởi ấm và nhiệt, các yếu tố liên quan đến lựa chọn cách nhiệt làm mát. Hiểu theo nghĩa hẹp thì đó là việc sử dụng cho tòa nhà (hiệu suất nhiệt, hiệu suất vòng đời, an các vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp để hạn toàn phòng cháy ), thiết kế cách nhiệt và các chế sự truyền nhiệt qua vỏ kết cấu bao che tòa nhà phương thức cách nhiệt cho tòa nhà cùng các hướng hoặc tăng mức độ phản quang. Cách nhiệt cho tòa dẫn cách nhiệt cho vỏ kết cấu bao che tòa nhà bao nhà liên quan đến một loạt các thiết kế và giải pháp kỹ gồm: Tường, mái. thuật để giải quyết các phương thức chính của quá trình truyền nhiệt như: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ 1. Lời nói đầu nhiệt [3]. Theo kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Việc cách nhiệt có thể thực hiện cho bề mặt bên thế giới trong các tòa nhà thấp tầng không được cách trong hoặc bên ngoài của kết cấu tường bao che của nhiệt thì lượng nhiệt truyền qua tường chiếm 15-25%, tòa nhà. Đối với những tòa nhà đã được xây dựng từ 25-35% qua cửa kính; 10-20% qua sàn; 25-35% qua trước, các loại vật liệu cứng dạng tấm là lựa chọn mái và 5-25% do rò lọt khí [2]. Ở Việt Nam đối với các thích hợp có thể sử dụng để cách nhiệt cho toàn bộ tòa nhà cao tầng thì lượng nhiệt truyền qua tường 10- ngôi nhà từ móng đến mái. 45%; 45-80% qua cửa kính; 1-5% qua mái; 1-10% qua sàn và 5-18% do rò lọt [1]. 2. Nguyên lý cách nhiệt Việc cách nhiệt cho các tòa nhà là giải pháp hữu Một tòa nhà nếu không được thiết kế cách nhiệt hiệu để góp phần đạt được sự thoải mái tiện nghi thì sẽ dẫn đến bị mất nhiệt đáng kể trong mùa đông nhiệt cho người sinh sống, làm việc, nghỉ ngơi cũng và gia tăng nhiệt vào mùa hè. Quá trình mất nhiệt từ như tiết kiệm năng lượng cho sưởi ấm điều hòa thông trong tòa nhà ra môi trường và nhận nhiệt từ môi gió, thông qua đó giảm phát thải khí nhà kính và ứng trường vào trong tòa nhà được giới thiệu mô phỏng phó với biến đổi khí hậu. Việc thi công cách nhiệt cho trong hình 1 [4]. mái, tường giúp giảm được 15-25% năng lượng Cách nhiệt là giải pháp ngăn ngừa tổn thất nhiệt tiêu thụ cho sưởi ấm hoặc làm mát. Hiệu quả cách hoặc nhận nhiệt với việc tạo ra rào cản nhiệt giữa các nhiệt cũng phụ thuộc vào một số các yếu tố sau: loại mặt kết cấu bao che có sự chênh lệch nhiệt độ. Rào vật liệu cách nhiệt, chiều dày, nhà sản xuất, chất cản ngăn cản dòng nhiệt truyền vào tòa nhà có thể lượng thi công . được chế tạo từ vật liệu cách nhiệt dạng khối hoặc Cách nhiệt sẽ giúp làm giảm sự tổn thất nhiệt vật liệu cách nhiệt phản xạ hoặc kết hợp cả hai, thực hoặc thu nhận nhiệt không mong muốn và qua đó làm hiện theo các cách thức khác nhau. Hình 1. Mô hình mất nhiệt vào mùa đông và thu nhiệt vào mùa hè của tòa nhà Thuật ngữ “vật liệu cách nhiệt” dùng để chỉ các vật như: Xenlulo, bông thủy tinh, bông khoáng, xốp liệu hoặc tổ hợp vật liệu có khả năng ngăn cản dòng polystyrene, polyurethane, sợi gỗ, sợi thực vật (lanh, nhiệt truyền từ môi trường bên ngoài vào trong tòa nhà bông, nút chai, ), sợi bông tái chế, rơm thực vật, hoặc ngược lại. Một số vật liệu được sử dụng chất xơ động vật (lông cừu). Khi các vật liệu này 36 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG được thiết kế lắp đặt trên mái, trần, tường và sàn của hoặc giá trị nhiệt trở thiết kế khi tiếp xúc với độ ẩm. một tòa nhà sẽ làm giảm dòng nhiệt truyền từ môi Một số sản phẩm cách nhiệt không thấm nước hoặc trường bên ngoài vào tòa nhà vào mùa hè, đi ra môi khi tiếp xúc với độ ẩm, sẽ không giữ nước hay có thể trường bên ngoài vào mùa đông và đồng thời giảm làm cho nước thoát ra được ưu tiên sử dụng. thiểu được nhu cầu năng lượng sử dụng cho sưởi ấm 3.5 Kiểm soát rò lọt khí và làm mát tòa nhà. Mặc dù trần nhà và tường có thể được cách nhiệt bằng vật liệu cách nhiệt nhưng sự Rò lọt khí thường xảy ra ở những khu vực của mất nhiệt vẫn có thể xảy ra vào mùa đông và nhận một tòa nhà chưa được đóng kín hay cách nhiệt phù nhiệt vào mùa hè nếu diện tích kính không được che hợp, chẳng hạn như: Các vị trí xung quanh cửa sổ, chắn đủ lớn hoặc xảy ra qua các lỗ mở thông tường cửa ra vào, lò sưởi, đường ống dẫn của hệ thống cố định và khe nứt xung quanh cửa đi và cửa sổ. sưởi ấm điều hòa thông gió . Để kiểm soát rò lọt khí có thể bịt chỗ hở bằng các giải pháp thích hợp như: Lớp màn che phủ thích hợp phía bên trong cửa sổ Gắn các nẹp, lắp gioăng hoặc xảm keo vào các khe (chẳng hạn như rèm cửa) có vai trò rất quan trọng hở xung quanh cửa ra vào, cửa sổ và các kẽ hở khác. khi kết hợp với vật liệu cách nhiệt để ngăn cản quá trình truyền nhiệt bằng bức xạ vào trong tòa nhà. Do 3.6 Phân tích vòng đời vậy khuyến nghị phải sử dụng kết hợp vật liệu cách Phân tích vòng đời là đánh giá tác động môi nhiệt với hệ thống che chắn nắng thích hợp cho cửa trường liên quan tới một sản phẩm thông qua việc sổ, tường kính. Nếu không có hệ thống che chắn kiểm tra các đặc tính môi trường của sản phẩm trong nắng thì nhiệt bức xạ mặt trời sẽ xâm nhập vào tòa nhiều giai đoạn gồm: Trước khi sản xuất; sản xuất; nhà qua cửa sổ làm tăng nhiệt độ môi trường bên trong phân phối/đóng gói; sử dụng; tái sử dụng; bảo quản và gây khó chịu về cảm giác nhiệt cho con người và quản lý chất thải. Khi đánh giá từng giai đoạn này, sống và làm việc trong môi trường đó. đánh giá vòng đời chỉ rõ các thuộc tính có lợi về môi 3. Yếu tố lựa chọn vật liệu cách nhiệt cho tòa nhà trường [5]. Trước khi quyết định lựa chọn vật liệu cách nhiệt 4. Thiết kế cách nhiệt cho tòa nhà cho tòa nhà thì cần xem xét các yếu tố sau đây: Việc thực hiện cách nhiệt cho một tòa nhà như 3.1 Hiệu suất nhiệt – Giá trị nhiệt trở R thế nào là đủ phụ thuộc vào thiết kế tòa nhà, vùng khí hậu đặc thù, chi phí năng lượng, ngân sách và những Khi sử dụng cách nhiệt cho tòa nhà, điều quan ưu tiên của chủ đầu tư. Vùng khí hậu trong khu vực trọng là xác định giá trị nhiệt trở đã được qui định sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến các yêu cầu khác theo Quy chuẩn Xây dựng Quốc gia. Hiệu suất nhiệt nhau. Trong trường hợp đã ban hành quy chuẩn xây và nhiệt trở của các vật liệu cách nhiệt là các tính chất dựng thì quy chuẩn sẽ qui định rõ các giới hạn tối rất quan trọng cần phải được xem xét. thiểu về cách nhiệt cần phải đạt được cho vùng khí 3.2 Hiệu suất vòng đời hậu cụ thể. Trong trường hợp chưa có quy chuẩn kỹ thuật thì có thể tham chiếu các giá trị quy định trong Hiệu suất vòng đới vật liệu cách nhiệt cần phải các quy chuẩn của các nước có điều kiện khí hậu được xét đến. Bởi vì để đảm bảo tiết kiệm năng tương đồng. Việc cách nhiệt cho tòa nhà vượt quá cả lượng theo thiết kế cho tòa nhà, điều quan trọng là qui định trong quy chuẩn cũng thường được kiến nghị lớp cách nhiệt không bị hư hỏng hoặc lún xẹp theo thực hiện trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay với thời gian đáp ứng tuổi thọ công trình. xu hướng nhiệt độ sẽ tăng cao trong tương lai gần. 3.3 An toàn phòng cháy Việc thiết kế cách nhiệt cho một tòa nhà cần phải Vật liệu cách nhiệt phải là loại không gây cháy, khi được dựa trên việc xem xét cẩn thận các phương kiểm tra theo các tiêu chuẩn hiện hành và có thể thức truyền năng lượng và hướng truyền nhiệt cũng được đặt trong tất cả các loại nhà hoặc các vật liệu như cường độ truyền nhiệt. Điều này có thể thay đổi được xếp vào loại dễ cháy theo các tiêu chuẩn hiện ngay trong ngày và theo mùa. Điều quan trọng là để hành, phải được kiểm tra và phân loại theo qui định chọn được một thiết kế phù hợp, sự kết hợp chính để sử dụng và ứng dụng cho phù hợp. xác và đầy đủ giữa việc sử dụng vật liệu cách nhiệt và 3.4 Độ ẩm kỹ thuật xây dựng sẽ đáp ứng phù hợp với tình hình cụ thể của riêng từng tòa nhà. Vật liệu cách nhiệt sẽ mất hiệu quả cách nhiệt Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 37
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Để xác định xem cần phải thực hiện bổ sung cách Nếu có sử dụng hệ thống điều hòa không khí nhiệt đến mức nào, việc đầu tiên cần phải xác định rõ trong vùng khí hậu nóng ẩm như ở Việt Nam, thì cần các hệ số về cách nhiệt đã được thực hiện (hệ số phải làm đảm bảo rằng vỏ kết cấu bao che tòa nhà nhiệt trở tổng và truyền nhiệt tổng U) cho tòa nhà hiện càng kín khít càng tốt để hạn chế việc thẩm thấu khí hữu và các vị trí đã thực hiện việc cách nhiệt đó. Việc vào ra tòa nhà gây mất nhiệt. Quá trình khử ẩm của này sẽ phải được thực hiện bởi các cơ quan tổ chức không khí bên ngoài xâm nhập vào tòa nhà có thể gây với các cá nhân có trình độ chuyên môn về kiểm toán lãng phí một lượng năng lượng đáng kể. năng lượng, tập trung vào việc đánh giá khả năng 5. Phương thức cách nhiệt cho tòa nhà cách nhiệt của tòa nhà đến mức độ nào như là một phần công việc của công tác kiểm toán năng lượng Có hai phương thức cách nhiệt cho tòa nhà: toàn bộ tòa nhà. Ví dụ tại Hoa Kỳ, một ước tính sơ bộ - Cách nhiệt dạng khối; ban đầu của nhu cầu cách nhiệt cho tòa nhà ở Hoa Kỳ có thể được xác định bởi Bộ Năng lượng Mỹ phối - Cách nhiệt phản xạ ngăn bức xạ mặt trời. hợp với các cơ quan chuyên môn trong lĩnh vực hiệu 5.1 Cách nhiệt đối với phương thức truyền nhiệt quả năng lượng [4]. Tại Nga, với giá khí đốt tương đối do dẫn nhiệt và đối lưu rẻ nên việc cách nhiệt cho tòa nhà để tránh tổn thất Cách nhiệt dạng khối chủ yếu nhằm chống lại nhiệt vẫn chưa được quan tâm một cách đúng mức hoặc làm chậm lại sự truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và và đầy đủ. Điều này dẫn đến việc sử dụng không hiệu đối lưu, dựa vào các túi không khí bị giữ hoặc chất quả và lãng phí năng lượng trong các tòa nhà. Các dẫn điện thấp trong kết cấu của nó. Nhiệt trở của nó tòa nhà tại Nga thường được vận hành ở một trong về cơ bản là giống nhau bất kể hướng của dòng nhiệt hai tình trạng sau: Thường xuyên tiêu thụ lên đến hơn chạy qua. Với vật liệu cách nhiệt dạng khối, giá trị 50% nhiệt năng và nước nóng hơn mức cần nhiệt trở R được quy định đối với một độ dày nhất thiết. 53% của tất cả các khí carbon dioxide (CO 2) định và tỷ trọng của vật liệu ở một nhiệt độ nhất định. lượng khí thải ở Nga thải ra là do việc sưởi ấm và sản Lớp cách nhiệt càng dày thì giá trị nhiệt trở R của vật xuất điện năng cung cấp cho các tòa nhà [2]. liệu càng lớn và do đó hệ truyền nhiệt tổng (giá trị U – Trong điều kiện mùa hè, năng lượng nhiệt bức xạ value) cũng nhỏ đi tương ứng (hình 2). mặt trời có cường độ lớn nhất. Bức xạ mặt trời có thể thâm nhập trực tiếp các tòa nhà thông qua các cửa sổ hoặc nó có thể làm nóng vỏ kết cấu tường bao che lên đến một nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh, tăng cường truyền nhiệt thông qua vỏ kết cấu bao che. Các giá trị của hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời (SGHC) của loại kính tiêu chuẩn có thể đạt được trong khoảng 78-85% [6]. Việc thu nhận năng lượng bức xạ mặt trời có thể giảm bằng hệ thống chắn nắng cho tòa nhà. Việc kết hợp sử dụng mầu sơn với phổ chọn lọc và lớp phủ Hình 2. Mối quan hệ giữa chiều dày lớp cách nhiệt phản xạ nhiệt và nhiều loại vật liệu cách nhiệt có thể và giá trị U-value giảm SHGC khoảng 10% [7]. Các lớp rào cản ngăn 5.2 Cách nhiệt bằng rào cản bức xạ nhiệt bức xạ mặt trời có hiệu quả cao cho không gian tầng áp mái ở vùng khí hậu nóng. Các lớp rào cản ngăn Rào cản bức xạ nhiệt kết hợp với các khe không bức xạ mặt trời có hiệu quả hơn trong vùng khí hậu khí sẽ giúp giảm lượng nhiệt bức xạ xâm nhập vào nóng so với vùng khí hạu lạnh. Đối với dòng nhiệt đi tòa nhà. Một số rào cản bức xạ có quang phổ ưu tiên theo phương từ trên xuống (ví dụ truyền nhiệt qua chọn lọc sẽ làm giảm lượng bức xạ hồng ngoại so với mái) quá trình truyền nhiệt bằng đối lưu tương đối yếu các bước sóng khác. Ví dụ: kính bức xạ thấp (low-e) và truyền nhiệt bằng bức xạ chiếm tỉ trọng lớn hơn. của các cửa sổ sẽ truyền ánh sáng và sóng ngắn Khi đó các lớp rào cản ngăn bức xạ mặt trời cần phải năng lượng tia hồng ngoại vào một tòa nhà nhưng hoạt động hiệu quả khi tiếp xúc trực tiếp với các khe phản xạ lại bức xạ tia hồng ngoại bước sóng dài không khí. được tạo ra bởi trang trí nội thất. Tương tự như vậy, sơn phản xạ nhiệt có thể phản xạ nhiệt nhiều hơn đối 38 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG với thành phần hồng ngoại so với thành phần ánh hè được cải thiện, giảm được các ảnh hưởng của cầu sáng nhìn thấy của phổ bức xạ mặt trời [8]. nhiệt và chi phí hợp lý trong trường hợp cần phải cải tạo để nâng cấp cả ngoại thất tòa nhà. Do vậy mà chi 5.3 Cách nhiệt cho kết cấu bao che tòa nhà phí của vật liệu cách nhiệt chỉ chiếm tỉ trọng nhỏ so Khả năng tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà có thể với toàn bộ chi phí cải tạo ngoại thất tòa nhà. đạt được thông qua việc cách nhiệt cho mặt ngoài - Việc cách nhiệt bổ sung có thể kết hợp luôn với tường. Có hai giải pháp cách nhiệt cho tường bao việc cải tạo thay thế hoặc nâng cấp cửa sổ. Để giảm che: Cách nhiệt được thực hiện cho mặt ngoài của tác động của cầu nhiệt gần cửa sổ thì vị trí lý tưởng tường bao che, đây là cách hay sử dụng nhất. Trong của cửa sổ là càng gần lớp cách nhiệt càng tốt. trường hợp mặt ngoài tường cần được bảo vệ nguyên trạng ban đầu thì sẽ thực hiện cách nhiệt cho Hệ thống cách nhiệt phức hợp: Trong hệ thống mặt trong của tường bao che. này các tấm cách nhiệt có thể được dán bằng keo dán hoặc gá lắp vào tường bằng hệ vít gắn vào kết Việc tiết kiệm năng lượng cho sưởi ấm và làm cấu tòa nhà (xem hình 3). mát có thể được tính toán dựa vào việc cải thiện mức truyền nhiệt (giá trị U được tính toán trên cơ sở hệ số Lớp trát vữa hoàn thiện dẫn nhiệt, xem bảng 1). Cách nhiệt ngoài cho phép Bông thủy tinh giảm tổn thất nhiệt bổ sung do các cầu nhiệt gây ra. Khung thép Việc giảm tổn thất nhiệt sẽ làm tăng sự cân bằng nhiệt độ của tòa nhà [9]. Ngoài ra thì nhiệt độ bề mặt Lớp phủ cách cao hơn và đồng đều hơn cũng giúp làm giảm khả nhiệt năng phát triển của nấm mốc trên bề mặt tường. Bảng 1. Hệ số dẫn nhiệt và khả năng chống cháy Liên kết của một vài loại vật liệu cách nhiệt [6] với tường A1 - A2: Không cháy, B1: Khó cháy, B2: Dễ cháy Tường Loại vật liệu cách  (W/m.K) Cấp gạch nhiệt chống cháy Xốp EPS 0,03-0,04 B1 Hình 3. Các nhiệt cho mặt ngoài tường bằng Bông khoáng 0,035-0,04 A1/A2 hệ thống phức hợp Khi thực hiện cách nhiệt cho tường thì có thể giữ Tấm gỗ sợi 0,09 B1 nguyên lớp vữa trát ban đầu mà không cần phải đục Polyurethane 0,025-0,03 B1 tẩy nếu lớp vữa này còn đủ khả năng bám dính vào kết cấu tường. Trong trường hợp bề mặt tường không Cellulose 0,045 B1/B2 được phẳng thì cần phải thi công làm cho mặt tường Sợi len, sơ dừa, sợi 0,04-0,045 B2 phẳng để có thể áp khít các tấm cách nhiệt lên bề mặt lanh tường cần cách nhiệt. Xốp EPS (Expanded polystyren) và bông khoáng là hai chủng loại vật liệu Điều này cũng đưa đến khả năng giảm tổn thất thông dụng nhất trên thị trường hiện nay. Bông nhiệt do thông gió vì nhiệt độ bề mặt cao hơn sẽ cho khoáng là vật liệu không cháy và giúp cải thiện đặc phép độ ẩm cao hơn do vậy mà tốc độ trao đổi không trưng âm học của tường và giảm nguy cơ liên quan khí thấp hơn vẫn đáp ứng yêu cầu tiện nghi. Việc đến việc hình thành hơi ẩm. Tại các điểm nối cửa sổ hoàn thiện mặt ngoài cũng như cách nhiệt bổ sung sẽ thì có thể phủ lớp cách nhiệt lên trên phần khung cửa. bảo vệ kết cấu chịu tải trước tác động của thời tiết và Việc lắp đặt các lam chắn nắng, mái che, đèn chiếu góp phần làm tăng tuổi thọ của kết cấu [10]. sáng hoặc thiết bị khác (điều hòa ) cần phải đưa ngay vào trong giai đoạn thiết kế cải tạo cách nhiệt. Phương pháp cách nhiệt ngoài cho tường có các ưu điểm sau: Cách nhiệt bằng các tấm vật liệu với khe thông - Đặc trưng nhiệt của kết cấu tường bao che được gió: Khe thông gió kết hợp với lớp cách nhiệt rất phù bảo tồn do đó đặc trưng nhiệt của tòa nhà vào mùa hợp cho cả hai mùa đông và hè, với khe thông gió thì hơi ẩm có thể thoát ra khỏi vật liệu vào mùa đông Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 39
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG cũng như không khí nóng thoát ra vào mùa hè (hình bề mặt ngoài của tường. Chiều dày của lớp cách 4.a). Tuy nhiên dạng cách nhiệt này đòi hỏi chi phí nhiệt có thể được lựa chọn theo cách sau: Tăng chiều tương đối cao. Các vật liệu dạng tấm có thể sử dụng dày của lớp cách nhiệt sẽ làm tăng nhiệt trở của nó, bao gồm: Tấm fibro xi măng, tấm tôn lợp, đá ốp và như vậy làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng do đó giảm gạch ốp ceramic. Loại kết cấu gá đỡ lớp vật liệu cách được năng lượng nhiệt truyền đến bề mặt tường của nhiệt sẽ phụ thuộc vào loại vật liệu được lựa chọn tòa nhà cần cải tạo. Việc cách nhiệt có thể thực hiện (thông thường hay sử dụng các khung gỗ hoặc thanh bằng việc lắp đặt hệ thống kính có khả năng thay đổi kim loại). mức độ truyền nhiệt qua nó căn cứ vào tải trọng nhiệt (dạng kính hướng quang hoặc kính nhiệt). Một giải pháp khác có thể áp dụng để tránh việc thu nhận nhiệt trong mùa hè là sử dụng các hệ thống che nắng hoặc các khe thông gió cho kết cấu tường bao che. Tường gạch 5.4 Cách nhiệt cho mái dốc Trong trường hợp mái của tòa nhà đã xuống cấp Lớp cách nhiệt và có nhu cầu phải cải tạo thay thế mới hoặc khả năng chống thấm của mái và kết cấu mái chưa đáp E. Bên ngoài; I. Bên trong ứng được yêu cầu thì có thể tiến hành cách nhiệt cho 4.a mái từ phía ngoài. Trong các trường hợp còn lại có thể thực hiện việc cách nhiệt cho mái từ bên trong sẽ Lớp cách nhiệt thuận lợi hơn. Việc thực hiện cách nhiệt cho mái từ phía ngoài có ưu điểm là không gây ảnh hưởng đến nội thất bên trong của tòa nhà. Các lớp cách nhiệt bổ sung sẽ góp phần kéo dài tuổi thọ của các kết cấu Mặt tường Mặt tường phía ngoài nhà phía trong nhà chịu tải và cải thiện tốt hơn đặc tính âm học của tòa nhà. Tuy nhiên chi phí cho việc thực hiện cách nhiệt từ phía ngoài kết cấu sẽ cao hơn so với chi phí thực hiện cách nhiệt từ phía trong. Có thể tiến hành cách nhiệt ngay trên các rui mè của mái với các tấm cách 4.b nhiệt (ví dụ: xốp EPS hoặc XPS, vật liệu túi khí .). Hình 4. a) Tấm vật liệu với khe thông gió Trong trường hợp này thì không cần sử dụng giá đỡ b) Cách nhiệt tường có khe rổng vật liệu cách nhiệt và có thể tránh được hiệu ứng cầu Trong các tòa nhà hiện hữu các khe rỗng thường nhiệt. Ngoài ra có thể sử dụng vật liệu cách nhiệt ở được xây dựng trong tường nhưng chưa đảm bảo độ dạng bông sợi (ví dụ: bông khoáng, bông thủy tinh ) cách nhiệt theo yêu cầu, do đó có thể tăng khả năng để phủ vào giữa các thanh rui mè (hình 5) cách nhiệt của nó bằng việc phủ đầy các khe rỗng của tường bằng vật liệu cách nhiệt thích hợp (ví dụ: vật liệu cách nhiệt dạng hạt, celulo ) [11]. Giải pháp cách nhiệt này không làm thay đổi ngoại thất của tòa nhà Lớp cách nhiệt (hình 4.b). Dạng cách nhiệt này có thể được bổ sung thêm với hệ thống cách nhiệt phức hợp cho phía bên trong hoặc phía bên ngoài của tường trong các điều kiện vùng khí hậu cực đoan. Việc kiểm tra kỹ càng các khe trống trong tường cần phải được tiến hành trước khi phủ đầy các khe trống để kiểm tra đảm bảo sẽ Hình 5. Cách nhiệt cho mái dốc từ phía ngoài không hình thành các cầu nhiệt sau khi cải tạo. 5.5 Cách nhiệt cho mái bằng Cách nhiệt trong suốt: Dạng cách nhiệt trong suốt Giải pháp cải tạo cách nhiệt cho mái bằng phụ có cấu trúc lỗ hổng hoặc dạng hạt được chế tạo từ thuộc vào loại mái và tình trạng của mái tại thời điểm polycarbonate, aerogel, PMMA cho phép truyền qua cần cải tạo. Việc cải tạo mái xét từ khía cạnh bảo tồn một phần nhất định lượng bức xạ mặt trời chiếu lên năng lượng luôn luôn là cần thiết. Bởi vì nó sẽ giúp bề mặt kết cấu. Năng lượng nhiệt được hấp thụ trên 40 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG làm giảm năng lượng tiêu thụ cũng như bảo vệ tăng cũng như mái bằng bê tông. Vật liệu cách nhiệt có thể tuổi thọ cho kết cấu mái. Tuy nhiên việc cải tạo cũng sử dụng bao gồm: Xốp EXP dày 3cm, polyurethan dày đòi hỏi một khoản chi phí lớn cho trường hợp cần cải 3cm, bông khoáng dày 5cm, bông thủy tinh dày 5cm. tạo cả các lớp chống thấm. Việc cách nhiệt cho tòa nhà hiện hữu ở các đô thị Việc trồng lớp thảm thực vật trên mái cũng là một Việt Nam có thể thực hiện cho bề mặt ngoài của giải pháp có nhiều ưu điểm. Nó sẽ giúp giảm được tường bao che nếu tòa nhà không có yêu cầu liên đáng kể lượng nhiệt truyền qua mái vào tòa nhà trong quan đến việc bảo tồn hình dạng bên ngoài của tòa điều kiện mùa hè. Hình 6 giới thiệu cấu tạo kết cấu nhà (ví dụ các tòa nhà thuộc diện bảo tồn di sản văn hóa ) hoặc có đủ không gian ranh giới với các tòa cách nhiệt cho mái bằng. Trong kết cấu này, lớp cách nhà bên cạnh. Trong trường hợp ngược lại nếu cần nhiệt được đặt dưới lớp vật liệu ngăn nước. phải bảo tồn mặt ngoài của công trình hoặc công trình Lớp ngăn nước tiếp giáp với các công trình khác bị giới hạn về ranh giới thì có thể thực hiện cải tạo cách nhiệt cho mặt trong của tường bao che. Đối với mái bằng hoặc mái Lớp cách nhiệt dốc thì có thể thực hiện giải pháp cách nhiệt bổ sung bằng vật liệu cách nhiệt như xốp EPS, bông khoáng . với cấu tạo kết cấu đã nêu ở trên. Lớp ngăn ẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO Mái bê tông [1]. Viện KHCN Xây dựng (2015), Đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cải tạo Lớp trần nâng cao đặc tính trở nhiệt cho vỏ kết cấu bao che của các toà nhà hiện hữu ở đô thị nhằm sử Hình 6. Cách nhiệt cho mái bằng dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng ở Việt 6. Kết luận Nam”, Mã số BĐKH 52. Ở Việt Nam tiêu thụ năng lượng điện trong lĩnh [2]. World Business Council for Sustainable vực xây dựng chiếm hơn 35% theo số liệu của Tập Development (WBCSD). (2009). Research đoàn tài chính quốc tế (IFC-Việt Nam) – Ngân hàng Report 8-2009, Energy Efficiency In Buildings – Thế giới (WB) 4/2013. Để tiết kiệm năng lượng điện Transforming market. ngoài các giải pháp chủ động liên quan đến thiết kế, [3]. BSD-011. (2010). Thermal Controll in Buildings. vận hành các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà như: [4]. Your Home Technical Manual. (2011) - 1.6a Điều hòa thông gió, chiếu sáng, cấp nước nóng, Insulation Overview. thang máy .thì giải pháp về cải tạo cách nhiệt cho tường bao che cũng đem lại hiệu quả cao trong việc [5]. Allianz company. (2014). “Globalissues/energy - giảm mức nhiệt truyền qua vỏ kết cấu bao che dẫn efficiency/greenbuildings”. đến giảm năng lượng tiêu thụ bởi hệ thống điều hòa [6]. US Department of Energy. (2013). Energy Savers. thông gió để khử bỏ lượng nhiệt thừa trong tòa nhà. [7]. “Insulating and heating your home efficiently”. Kinh nghiệm áp dụng các giải pháp cách nhiệt đã nêu (2010). Directgov - Environment and greener living. trên tại các nước trên thế giới cho thấy những dự án [8]. Richarz C, Schulz C and Zeitler F. (2007). “Energy- cải tạo cách nhiệt cho tòa nhà giúp giảm chi phí năng Efficiency Upgrades”, Edition DETAIL, Birkhaeuser. lượng điện khoảng 10-15% và thời gian hoàn vốn đầu [9]. Zöld A. (1999). “Energy conscious architecture tư trong khoảng từ 3-5 năm [2]. (Energiatudatos építészet - in Hungarian)”, Đối với các tòa nhà hiện hữu ở Việt Nam thì Műszaki Könyvkiadó, Budapest. lượng nhiệt truyền qua vỏ kết cấu bao che tương đối [10]. Hauser G, Höttges K, Otto F and Stiegel H. lớn (ví dụ: qua tường 10-45% ). Lý do là các tòa nhà (2001). Energieeinsparuing im Gebäudebestand. hiện hữu có hệ vỏ kết cấu bao che (ví dụ: tường đơn Gesellschaft für Rationelle Energieverwendung. 110 và 220 gạch đặc đất sét nung, tường đơn gạch [11]. Osztroluczky M and Medgyasszay P. (2001), rỗng đất sét nung 110) chưa đáp ứng được các yêu “Energy conscious construction and cầu về kỹ thuật nhiệt hiệu quả năng lượng quy định refurbishment (Energiatudatos építés és felújítás trong QCVN 09/2013/BXD. Do đó để đáp ứng yêu cầu - in Hungarian)”, Labor5. quy định trong QCVN 09/2013/BXD, các tòa nhà hiện hữu có vỏ bao che cần áp dụng các giải pháp cách Ngày nhận bài: 30/10/2015. nhiệt bổ sung cho hệ tường gạch đặc đất sét nung Ngày nhận bài sửa lần cuối: 09/11/2015. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 41
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THÔNG SỐ NĂNG LƯỢNG ĐỂ XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH GIÁ TRỊ TRUYỀN NHIỆT TỔNG CHO VIỆT NAM TS. HOÀNG MINH ĐỨC Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Giá trị truyền nhiệt tổng được nhiều nước cập đến giá trị truyền nhiệt tổng nhưng đã không trình trên thế giới, nhất là các nước Đông Nam Á sử dụng bày phương pháp tính toán. như một tiêu chí đánh giá lớp vỏ công trình trên góc Để góp phần phát triển một công cụ hữu hiệu độ sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Tuy trong đánh giá lớp vỏ công trình từ góc độ sử dụng nhiên, ở Việt Nam việc xác định giá trị truyền nhiệt tiết kiệm và hiệu quả năng lượng, việc xây dựng tổng còn gặp một số trở ngại. Bài báo này tập trung phương pháp tính toán OTTV cho các công trình xây nghiên cứu, đề xuất hướng xây dựng công thức tính dựng ở Việt Nam là cần thiết và có tính thời sự cao. giá trị truyền nhiệt tổng cho Việt Nam dựa trên Bài báo trình bày hiện trạng tại Việt Nam, các kinh phương pháp phân tích thông số năng lượng. nghiệm trên thế giới và đề xuất phương pháp phân 1. Mở đầu tích thông số năng lượng để xác định OTTV qua lớp vỏ công trình xây dựng ở nước ta dựa trên kinh Khái niệm giá trị truyền nhiệt tổng (OTTV) được nghiệm thế giới và phù hợp với điều kiện đặc thù ở Hiệp hội kỹ sư Nhiệt - Lạnh - Điều hòa không khí Hoa Việt Nam. Kỳ (ASHRAE) phát triển và đề xuất sử dụng như một chỉ tiêu đánh giá chung cho lớp vỏ bao che xét trên 2. Các quy định tại Việt Nam khía cạnh tiết kiệm năng lượng. Giá trị truyền nhiệt Giá trị truyền nhiệt tổng lớn nhất cho phép được tổng đã được đưa vào tiêu chuẩn ASHRAE 90.A- quy định trong QCXDVN 09:2005 đối với tường và 1980 và được sử dụng rộng rãi không những ở Hoa mái cho nhóm công trình văn phòng cao tầng, khách Kỳ mà còn ở nhiều nước trên thế giới và đặc biệt là ở sạn và nhóm các công trình xây dựng khác trong các các nước Đông Nam Á. vùng khí hậu khác nhau của Việt Nam. Khi đó, OTTV Tại Việt Nam, OTTV lần đầu tiên được quy định qua tường được tính theo công thức: áp dụng để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng n trong các tòa nhà vào năm 2005 trong Quy chuẩn xây  Ai OTTV i OTTV i 1 (1) dựng Việt Nam QCXDVN 09:2005 "Các công trình W n  A xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả". Quy i 1 i chuẩn này cũng trình bày công thức tính toán OTTV. trong đó: Tuy nhiên, do một số nguyên nhân, việc sử dụng giá A là diện tích mặt tường thứ i, m2; trị truyền nhiệt tổng trong thực tế còn gặp nhiều trở i ngại. Năm 2014, bản soát xét QCVN 09:2013/BXD OTTV là giá trị truyền nhiệt tổng qua tường thứ i, i "Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây W/m2. dựng sử dụng năng lượng hiệu quả", mặc dù vẫn đề Giá trị truyền nhiệt tổng qua mỗi mặt tường được tính theo công thức: OTTVi (TDeq DT) CF Ac Uw (1 WWRi ) DT Uw (1 WWRi ) (2) SFi CFi SHGC XSi WWRi DT Uf WWRi Lp (1 Rc Kd ) Atp/Axw trong đó: TDeq là chênh lệch nhiệt độ tương đương giữa Ac là hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của bề mặt bên trong và bên ngoài, ºC; tường; DT là chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên Uw là hệ số truyền nhiệt qua tường đặc, W/m².ºC; ngoài nhà (theo điều kiện thiết kế), ºC; WWR là tỷ lệ diện tích cửa sổ trên diện tích i U là hệ số truyền nhiệt qua cửa sổ W/m².ºC; tường; f 42 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
8. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 2 SHGC là hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của hệ Lp là mật độ công suất chiếu sáng lắp đặt W/m ; thống cửa sổ; RC là tỷ lệ diện tích sàn được chiếu nắng trên SFi là giá trị trung bình theo giờ của năng lượng tổng diện tích sàn; bức xạ mặt trời chiếu lên cửa sổ hướng thứ i, W/m²; 2 Atp là tổng diện tích mặt sàn được chiếu nắng, m ; CF là hệ số hiệu chỉnh đối với hướng thứ i (tra bảng); i 2 Axw là tổng diện tích tường ngoài, m ; XSi là hệ số tính đến tác dụng của thiết bị che nắng bên ngoài; Kd là hệ số giảm mật độ công suất chiếu sáng. Đối với mái đặc không có cửa trời, giá trị truyền nhiệt tổng được tính theo công thức: OTTV A c Ur (TDeqr DT) Ur DT (3) Còn đối với mái có cửa trời công thức tính có dạng: OTTV A c Ur (TDeqr DT) (1 SRR) Ur DT (1 SRR) (4) SFh SCs SRR Us DT SRR trong đó: OTTV. Quy chuẩn này cho phép thiết kế cửa sổ với r kính có hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời thích hợp để A là hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời của phần mái c thay thế cho việc xác định OTTV cho tường. Do đó, đặc; trên thực tế việc tính toán OTTV hầu như không được U là hệ số truyền nhiệt của cấu kiện mái, thực hiện. r W/m².ºC; 3. Kinh nghiệm thế giới SRR là tỷ lệ diện tích cửa trời trên diện tích mái; Về cơ bản, giá trị OTTV cho biết mức độ truyền SFh là giá trị trung bình theo giờ của năng lượng nhiệt trung bình từ môi trường bên ngoài qua lớp vỏ bức xạ mặt trời chiếu lên mái, được xác định theo vào trong công trình. Giá trị OTTV càng cao cho thấy bảng, W/m². mức độ tăng nhiệt bên trong công trình càng cao. Đối Có thể thấy rằng, việc tính toán OTTV theo hướng với các tòa nhà được điều hòa không khí cơ học, theo dẫn của QCXDVN 09:2005 là khá phức tạp, đòi hỏi tiêu chí làm mát, giá trị OTTV tổng được quy định nhiều thông số khác nhau. Mặt khác, bản thân việc phải nhỏ hơn một giá trị lớn nhất cho phép. Việc quy xác định các thông số cũng còn tồn tại nhiều điểm định giá trị OTTV lớn nhất bắt buộc phải áp dụng các chưa hợp lý, cần được hướng dẫn rõ ràng, chính xác biện pháp cải thiện khả năng cách nhiệt của lớp vỏ hơn. bao che nhằm giảm tải làm mát của hệ thống điều hòa. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng, giá trị OTTV chỉ Bên cạnh đó, cần chú ý rằng, truyền nhiệt qua kết cho thấy tính năng của lớp vỏ dùng để so sánh mà cấu vỏ bao che là quá trình động, liên quan đến rất không cho biết tổng năng lượng cần thiểt để điều hòa nhiều yếu tố khác nhau và phụ thuộc vào thời gian. hoặc thiết kế vỏ công trình gần với tối ưu hay chưa. Các công thức trên có thể phục vụ tốt cho việc xác định giá trị truyền nhiệt qua lớp vỏ khi các hệ số phục Giá trị truyền nhiệt tổng, theo ASHRAE 80.A - vụ tính toán được thiết lập đầy đủ, chính xác và phù 1980, bao gồm tổng giá trị truyền nhiệt qua các bức hợp với điều kiện Việt Nam. Tuy nhiên, việc tính toán tường và truyền nhiệt qua mái. Theo đó, giá trị truyền lại quá phức tạp và có thể là chưa phù hợp để cho ta nhiệt qua tường được tính toán bằng tổng của giá trị một đánh giá chung nhìn từ khía cạnh sử dụng năng truyền nhiệt qua tường đặc (phần không trong suốt), lượng tiết kiệm và hiệu quả trong công trình. giá trị truyền nhiệt qua cửa kính (phần trong suốt) và giá trị truyền nhiệt do bức xạ mặt trời [1]. Bản soát xét quy chuẩn trên vào năm 2013 là QCVN 09:2013/BXD đã có một số thay đổi trong quy Qw Qf Qs OTTV (5) định về OTTV. Quy chuẩn vẫn giới hạn OTTV tối đa A cho mái và cho tường nhưng không phân biệt đặc trong đó: điểm công trình cũng như vùng khí hậu. Tuy nhiên, phiên bản này lại không hướng dẫn cách tính toán Qw là giá trị nhiệt truyền qua phần tường đặc, W; Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 43
9. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Q là giá trị nhiệt truyền qua phần cửa kính (trong Q TD U A (7) f f f f suốt), W; Qs SC SF A f (8) Q là giá trị nhiệt truyền do bức xạ mặt trời, W; s trong đó: 2 A là tổng diện tích tường, m . 2 Aw là diện tích tường đặc, m ; Các thành phần truyền nhiệt qua tường đặc, qua A là diện tích cửa kính, m2; cửa kính và truyền nhiệt do bức xạ mặt trời được tính f theo các công thức sau: SC là hệ số che chắn đối với cửa sổ; SF là giá trị truyền nhiệt do bức xạ mặt trời, W/m2. Qw TDeq Uw A w (6) Công thức tính OTTV cũng có thể được đơn giản hóa khi sử dụng tỷ lệ diện tích cửa kính trên tổng diện tích tường. Khi đó, công thức tính OTTV có thể được biểu diễn như sau: OTTV TDeq Uw 1 WWR DT Uf WWR SF SC WWR (9) Công thức tính toán OTTV cho thấy, bên cạnh các được sử dụng để kiểm chứng các hệ số, công thức giá trị cố định liên quan đến bản chất vật liệu sử dụng tính toán có được từ phân tích lý thuyết và phân tích và đặc điểm công trình (tỷ lệ diện tích cửa kính trên mô hình mô phỏng. tổng diện tích tường), OTTV phụ thuộc rất nhiều vào Một hướng tiếp cận khác là sử dụng các phần các giá trị liên quan đến đặc điểm vị trí, hướng công mềm mô phỏng để nghiên cứu sự liên quan giữa trình cũng như tiến trình nhiệt trong ngày, tức là các năng lượng tiêu thụ và biến động về truyền nhiệt tổng thông số động. Một cách chặt chẽ thì OTTV là giá trị của công trình, để từ đó xác định các hệ số cho động và thay đổi theo thời gian, tùy thuộc vào điều phương trình phù hợp với từng điều kiện cụ thể của kiện cụ thể của từng công trình. các quốc gia có tính đến đặc thù của từng loại công Việc xác định giá trị thích hợp các hệ số cho từng trình. Kết quả mô phỏng sẽ được đánh giá, kiểm thành phần trong công thức tính OTTV phù hợp với chứng thông qua đo đạc thực tế. Đây là cách tiếp cận điều kiện địa phương và yêu cầu cách nhiệt, tiết kiệm có tính thực tế cao và được nhiều nước áp dụng nhất năng lượng là khá khó khăn. Vấn đề này đang được là các nước Đông Nam Á. xem xét theo hai hướng. Thứ nhất, có thể tiến hành Singapore là quốc gia đi đầu ở khu vực trong việc đo đạc thực nghiệm tiêu thụ năng lượng cho từng áp dụng các tiêu chuẩn về tiết kiệm năng lượng. Ngay công trình với các đặc trưng lớp vỏ bao che khác từ năm 1979 Singapore đã ban hành tiêu chuẩn về sử nhau để tìm mối liên hệ thực tế giữa tiêu thụ năng dụng năng lượng trong các tòa nhà thương mại. lượng và các đặc trưng lớp vỏ. Nghiên cứu theo Trong đó, OTTV được xây dựng trên cơ sở phân tích hướng này đòi hỏi kinh phí lớn và thời gian thực hiện thông số năng lượng nhờ mô hình mô phỏng và được lâu dài, các kết quả có tính xác thực cao nhưng tính xác định theo công thức: đại diện lại bị hạn chế. Cách tiếp cận này thường OTTV TDeq Uw (1 WWR) 5 Uf WWR 130 SC WWR (10) Trong lần chỉnh sửa năm 2000 và sau đó, Singapore đã khuyến cáo sử dụng giá trị truyền nhiệt tổng qua tường (ETTV) và giá trị truyền nhiệt tổng qua mái (RTTV) riêng biệt cho các công trình thương mại. ETTV 12 (1 WWR) Uw 3.4 WWR Uf 211 WWR CF SC (11) RTTV 12.5 (1 SKR) Ur 4.8 SKR Us 485 SKR CF SC (12) trong đó: Trên cơ sở phát triển khái niệm về ETTV, năm 2008 các nghiên cứu đã được mở rộng sang cho SKR là tỷ lệ phần trong suốt trên diện tích mái; công trình nhà ở với đặc thù sử dụng điều hòa không Ur là hệ số truyền nhiệt qua phần mái đặc, khí vào ban đêm là chủ yếu. Giá trị truyền nhiệt tổng W/m².ºC; ở đây được gọi là giá trị truyền nhiệt qua vỏ công U là hệ số truyền nhiệt qua phần mái trong suốt s trình nhà ở (RETV) và được tính theo công thức [2]: (cửa trời), W/m².ºC; CF là hệ số hiệu chỉnh tăng nhiệt do bức xạ mặt trời. 44 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
10. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG RETV 3.4 (1 WWR) Uw 1.3 WWR Uf 58.6 WWR CF SC (13) Cũng theo cách tiếp cận trên, các nước Đông Nam Á khác cũng đã xây dựng hệ số trong công thức tính OTTV cho điều kiện đặc thù của nước mình. Giá trị truyền nhiệt tổng tại Thái Lan được tính toán theo công thức sau: OTTV TDeq Uw (1 WWR) 5 Uf WWR 160 SC WWR (14) Tại Philippines [3], các hệ số của từng bộ phận truyền nhiệt qua tường bao cho có sự thay đổi và công thức tính có dạng: OTTV 12,6 α Uw (1 WWR) 3,4 Uf WWR SF SC WWR (15) trong đó: là hệ số hấp thụ nhiệt của tường. Tại Malaysia [3], thành phần truyền nhiệt qua cửa công trình công cộng như siêu thị, bệnh viện lại làm kính không được tính đến trong giá trị truyền nhiệt việc trong giờ hành chính và kéo dài sang cả ngoài tổng. Do đó, công thức tính có dạng: giờ hành chính. Khi đó, với cùng đặc điểm lớp vỏ công trình hay là cùng đặc điểm về truyền nhiệt OTTV 19,1 α U (1 WWR) 194 SC WWR 16) w nhưng năng lượng cần thiết cho điều hòa không khí ở Tương tự như vậy, tại Indonesia, giá trị truyền mỗi công trình sẽ khác nhau. Vậy nên cần phải xét nhiệt tổng được tính theo công thức sau: OTTV với từng nhóm công trình. Ngoài ra, hệ thống điều hòa không khí trong các công trình văn phòng, OTTV TDeq Uw (1 WWR) SF SC WWR (17) nhà công cộng, bệnh viện thường là tập trung và Các công thức tính toán OTTV trên đây khá đơn được điều khiển bởi bộ phận chuyên trách còn trong giản, tiện dụng. Do đó, có tính ứng dụng cao nên các nhà ở lại là riêng lẻ và điều khiển phân tán. Do đó, ở quy định dễ dàng đi vào thực tế giúp triển khai Việt Nam từ góc độ sử dụng năng lượng tiết kiệm và chương trình đánh giá và cải tạo các công trình theo hiệu quả nên phân nhóm công trình để xây dựng hệ hướng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Với số tính toán OTTV bao gồm 3 nhóm: Văn phòng, nhà vị trí địa lý nằm trong vùng Đông Nam Á, sự tương ở và bệnh viện, công trình công cộng. đồng về điều kiện khí hậu, điều kiện kinh tế - xã hội và trình độ phát triển, Việt Nam hoàn toàn có thể vận Với từng nhóm công trình cần xây dựng mô hình dụng các kinh nghiệm trên vào thực tế nước mình. công trình điển hình của nhóm để tiến hành mô phỏng. Đây là công việc rất quan trọng, đòi hỏi phân 4. Đề xuất áp dụng phương pháp phân tích thông tích, tổng hợp các kết quả khảo sát thực tế với số số năng lượng lượng đủ lớn. Công trình điển hình cần có tính đại Đúc rút kinh nghiệm thiết lập phương pháp tính và diện cao cho nhóm công trình đang xét. Thực tế cho ứng dụng OTTV của các nước như đã nêu trên cho thấy, công trình điển hình ở mỗi nước có sự khác biệt thấy hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp phân đáng kể phụ thuộc vào đặc điểm địa phương. Với tích thông số năng lượng trên mô hình mô phỏng để Singapore [4], công trình văn phòng điển hình dùng xây dựng công thức tính OTTV cho các công trình là trong mô phỏng có 10 tầng, mặt bằng hình vuông diện 2 có triển vọng áp dụng tốt ở Việt Nam phục vụ mục tích 625 m , không có kết cấu che nắng bên ngoài và 2 tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Để công suất chiếu sáng là 20 W/m . Trong khi đó, công thực hiện việc này cần triển khai chương trình nghiên trình văn phòng cỡ lớn điển hình ở Philippine có 10 2 cứu có định hướng rõ ràng và với các bước triển khai tầng với mặt bằng hình chữ nhật diện tích 1565 m , cụ thể. che nắng bên ngoài 1m và công suất chiếu sáng là 17,2 W/m2 [5]. Còn ở Thái Lan [6] công trình văn Trước tiên, do điều kiện vận hành khác nhau nên phòng điển hình có 15 tầng với mặt bằng hình chữ các công trình xây dựng cần được phân loại trên góc nhật, công suất chiếu sáng 18,4 W/m2. Các nghiên độ đặc điểm sử dụng năng lượng. Có thể thấy rằng cứu về vấn đề này chưa được thực hiện đồng bộ ở vào mùa hè, các công trình văn phòng vận hành chủ nước ta, do đó, xây dựng mô hình công trình vẫn là yếu trong giờ hành chính vào ban ngày trong điều vấn đề bỏ ngỏ. Đây là việc làm cần thiết ở Việt Nam kiện chênh lệch nhiệt độ giữa bên ngoài và bên trong trong thời gian tới. lớn hơn so với các công trình nhà ở vận hành chủ yếu ngoài giờ hành chính vào ban đêm. Trong khi đó, các Truyền nhiệt qua lớp vỏ công trình là một quá trình nhiệt động học phức tạp theo thời gian, phụ Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 45
11. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Tiến trình nhiệt Dựa trên mô hình hồi quy sẽ tiến hành lựa chọn dạng bên ngoài, hướng và cường độ bức xạ mặt trời thay và các hệ số của công thức tính. đổi sẽ khiến giá trị truyền nhiệt qua lớp vỏ thay đổi và Và cuối cùng, để khẳng định sự phù hợp của từ đó yêu cầu năng lượng cho việc điều hòa không công thức tính đã xây dựng nhờ phân tích thông số khí cũng thay đổi theo. Cho đến nay, phương pháp năng lượng nhờ mô hình mô phỏng, cần tiến hành tính toán truyền nhiệt và năng lượng tiêu thụ đã được các thí nghiệm, đo đạc thực tế tại công trình để kiểm nghiên cứu và phát triển và đã được chuẩn hóa. Để chứng kết quả tính toán so với các giá trị thực tế. Việc hỗ trợ cho việc tính toán, nhiều phần mềm đã được áp dụng công thức tính thu được bằng mô phỏng phát triển phục vụ cho việc tính toán tự động như cũng cần được thường xuyên đối chiếu, đánh giá. EnergyPlus, DOE-2, eQuest, BLAST, NBSLD, Qua đó, có thể đề xuất điều chỉnh các hệ số hoặc Trong số đó, DOE-2 và eQuest được sử dụng khá thêm, bớt các thành phần trong công thức. Khi đó, lại phổ biến. Các nghiên cứu đã cho thấy kết quả mô tiếp tục một chu kỳ nghiên cứu phân tích thông số phỏng bằng các phần mềm này phù hợp với tính toán năng lượng bằng mô hình mô phỏng mới nhằm dần thủ công theo phương pháp của ASHRAE cũng như hoàn thiện phương pháp tính. đo đạc kiểm chứng thực tế. Sử dụng phần mềm này cho phép đánh giá truyền nhiệt và năng lượng tiêu thụ 5. Kết luận theo từng giờ cụ thể và trung bình theo ngày, tháng Giá trị truyền nhiệt tổng qua lớp vỏ được sử dụng hay năm. Đây là công cụ hữu hiệu để đánh giá ảnh rộng rãi tại nhiều nước để đánh giá công trình từ góc hưởng của sự thay đổi các thông số thiết kế như vật độ sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Tuy liệu tường, hướng tòa nhà, của các kết cấu chắn nhiên, việc ứng dụng ở Việt Nam còn gặp nhiều trở nắng, đến tiêu thụ năng lượng của tòa nhà. Các ngại do chưa thiết lập được phương pháp tính toán nghiên cứu xây dựng công thức tính OTTV ở các thống nhất. nước Đông Nam Á cũng được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm DOE-2. Phân tích kinh nghiệm của các nước trong việc thiết lập công thức tính giá trị truyền nhiệt tổng dựa Để vận hành DOE-2 cần xây dựng được cơ sở dữ trên phân tích thông số năng lượng bằng mô hình mô liệu về thời tiết của khu vực nghiên cứu bao gồm các phỏng cho phép đề xuất hướng xây dựng công thức thông số về nhiệt độ theo giờ (8760 giờ trong một tính giá trị truyền nhiệt tổng cho các nhóm công trình năm), gió, độ ẩm và bức xạ mặt trời. Chi tiết hóa dữ ở Việt Nam. Đây là một nhiệm vụ có tính bức thiết liệu thời tiết sẽ cho phép phân tích tỉ mỉ tiến trình nhiệt cao, cần được thực hiện thông qua các chương trình, của công trình theo từng giờ trong cả năm. đề tài với sự tham gia rộng rãi của đội ngũ chuyên gia Mô phỏng bằng phần mềm tính toán là một công và sự hỗ trợ của các cơ quan chức năng. cụ mạnh để phân tích, đánh giá OTTV trong mối TÀI LIỆU THAM KHẢO tương quan với các thông số khác. Tuy nhiên, việc phân tích cần phải được thực hiện theo một quy trình [1]. Joseph C. Lam, S. C. M. Hui. “A Review of nghiêm ngặt và với các giới hạn nhất định. Tổng kết Building Energy Standards and Implication for kinh nghiệm mô phỏng [7] cho thấy, để phân tích Hong Kong”, Building Research and Information. trước tiên cần xác định rõ mục tiêu tiến hành, lựa Volume 24, Number 3, 1996, pp.131-140. chọn các biến số và khoảng biến thiên. Ở đây có thể [2]. “Building and Construction Authority of đặt mục tiêu là phân tích một thành phần đã có trong Singapore”. (2008). Code on envelope thermal OTTV hoặc đánh giá khả năng bổ sung thêm thành performance for building. phần mới vào công thức tính OTTV. Nếu đặt mục tiêu đánh giá thành phần mới thì cần định dạng công thức [3]. Ministry of Energy, Telecommunications and tính mới. Tiếp theo cần xác định phương pháp phân Posts. (1989). Guideline for Energy Efficiency in tích công trình (theo khu vực được điều hòa, theo Buildings Malaysia. vùng bên ngoài, theo hướng, ). Chạy mô phỏng có [4]. Turiel I., Curtis R., Levine M. “Parametric Energy thể được tiến hành khi thay đổi một thông số hoặc Analysis in Support of Singapore Energy một nhóm thông số tới đầu ra (nhu cầu tiêu thu năng Conservation Standards for Commercial lượng hàng năm, nhu cầu đỉnh, yếu tố kinh tế, ). Buildings”, Proceeding of the ASEAN Conference Việc chạy mô phỏng phải được thực hiện với số on Energy Conservation in Building, Singapore, lượng đủ để có thể xây dựng mô hình hồi quy. 29-31 May 1984. 46 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
12. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG [5]. Department of Energy, Republic of the Philipines. Air-Conditioning in Hot Climates, Lawrence (1993). “Guidelines for energy conserving design Berkeley Laboratory Report LBL-28639, Kuala of building and utility systems”. Lumpur, Malaysia. [6]. Chirarattanon S., Rakwamsuk P., Kaewkiew J. A. [7]. Deringer J.J., Busch J.F. (1992). ASEAN-USAID (1989). “Proposed Building Performance Standard Building Energy Conservation Project. Volume I: for Thailand: An Introduction and Premilinary Energy Standards. Final Report LBL-32380. Assessment of the Potential for Energy Ngày nhận bài: 13/11/2015. Management”. Proceeding of the ASEAN Special Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/11/2015. Sessions of the ASHRAE Far East Conference on Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 47
13. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ CỐT LIỆU ĐẾN TÍNH CHẤT MA SÁT GIỮA BÊ TÔNG VÀ THÀNH ỐNG BƠM THEO THỜI GIAN ThS. VŨ VĂN NHÂN, TS. NGUYỄN THẾ DƯƠNG Trường Đại học Duy Tân Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm đo toán hàm lượng các vật liệu thành phần. Các giá trị đạc thông số bơm của một số cấp phối bê tông bao này thường được chọn chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, gồm độ sụt, thông số ma sát giữa vữa bê tông và sau đó tiến hành các thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu thành ống bơm theo thời gian lưu giữ vữa bê tông chất lượng của hỗn hợp bê tông và bê tông để kiểm cũng như sự thay đổi của hàm lượng cốt liệu lớn và tra, điều chỉnh. Trong hỗn hợp bê tông xi măng, cốt cốt liệu nhỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy tỉ lệ cốt liệu (bao gồm cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ) chiếm đến liệu lớn và cốt liệu nhỏ trong cấp phối bê tông ảnh 80-85% khối lượng, đây cũng là thành phần có tác hưởng rất lớn đến tính công tác và tính dễ hay khó động rất lớn đến tính công tác của hỗn hợp bê tông bơm của bê tông. Thí nghiệm cho thấy tỉ lệ C/(C+Đ) và cường độ của bê tông. Xét về mặt cấu trúc của tối ưu để phục vụ công tác bơm bê tông nằm trong hỗn hợp bê tông, để hỗn hợp bê tông có tính linh khoảng từ 0.45 đến 0.50. Mặt khác, quy luật thay đổi động cao thì các hạt cốt liệu phải dễ dàng trượt lên của các thông số ma sát giữa bê tông với thành ống nhau, tức là giữa các hạt cốt liệu cần phải phải có một bơm không đồng nhất với quy luật thay đổi của độ sụt. lớp màng vữa xi măng có chiều dày nhất định. Nếu giữ nguyên hàm lượng xi măng và tỉ lệ N/X thì khi tỉ lệ 1. Mở đầu cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn trong hỗn hợp thay đổi thì Bơm bê tông là một trong những biện pháp vận chiều dày màng vữa này cũng thay đổi, dẫn đến tính chuyển bê tông từ vị trí tập kết đến vị trí đổ bê tông, là công tác và tính dễ bơm của hỗn hợp cũng thay đổi. một trong những biện pháp được sử dụng phổ biến Cụ thể, nếu hỗn hợp có quá nhiều hàm lượng cốt liệu trên thế giới và ở nước ta. Hầu như các công trình nhỏ sẽ làm tăng tỉ diện tiếp xúc bề mặt của hệ cốt cao tầng, công trình cầu, công trình thủy điện, đều liệu, bề dày màng vữa xi măng bao bọc sẽ mỏng đi, sử dụng biện pháp thi công này. Việc thi công đối với tính linh động của hỗn hợp cũng sẽ giảm đi, hỗn hợp nhà dân tại các thành phố lớn cũng sử dụng bê tông khó bơm hơn. Ngược lại, nếu hỗn hợp có hàm lượng thương phẩm và sử dụng biện pháp bơm. Tuy nhiên, cốt liệu lớn quá lớn, bề dày màng vữa có thể tăng lên trong thực tế, các kỹ sư của các trạm trộn cũng như nhưng ma sát của các hạt cốt liệu lớn khi trượt lên kỹ sư vận hành máy bơm thường ít để ý đến việc tính nhau và ma sát của cốt liệu với thành ống bơm cũng toán thiết kế tối ưu thành phần bê tông để quá trình tăng lên, do vậy tính linh động của hỗn hợp bê tông bơm được diễn ra thuận tiện nhất, an toàn nhất và tiết cũng kém đi và hỗn hợp cũng khó bơm hơn. Như vậy, kiệm năng lượng nhất. Trong quá trình tính toán cấp tỉ lệ cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn cần nằm trong một giới phối phục vụ bơm, người ta thường mới chỉ để ý đến hạn nhất định sao cho các tính công tác và tính dễ thông số độ sụt và thời gian lưu sụt. Tuy nhiên, một bơm của hỗn hợp bê tông đạt được là tốt nhất. Từ đó, số nghiên cứu gần đây ở trong nước [1-3] cũng như có thể thấy rằng, cần thiết phải có những nghiên cứu quốc tế [4-7], các tác giả đã chỉ ra rằng, chỉ riêng cụ thể để đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ này đến tính thông số độ sụt chưa đủ để xác định được một loại bê công tác và tính dễ hay khó bơm của hỗn hợp bê tông dễ bơm hay khó bơm. Ngoài yếu tố độ sụt thì tông, làm cơ sở cho việc lựa chọn tỉ lệ thành phần khi các tính chất tiếp xúc giữa bê tông và thành ống bơm thiết kế cấp phối bê tông bơm. đóng vai trò rất quan trọng. Các tính chất này bao Các nghiên cứu trước đây [1-7] mới chỉ dừng lại ở gồm ngưỡng trượt ban đầu và hằng số nhớt bề mặt. việc đánh giá ảnh hưởng của thể tích hồ xi măng, tỉ lệ Bê tông có ngưỡng trượt ban đầu lớn và hằng số N/X, hàm lượng hạt mịn đến các thông số ma sát của nhớt bề mặt lớn là các bê tông khó bơm, ngược lại là bê tông bơm. Các nghiên cứu trên cũng chưa đề cập bê tông dễ bơm. đến ảnh hưởng của yếu tố thời gian, là một trong Hiện nay, khi thiết kế cấp phối bê tông các nhà những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến các tính chất của cung cấp bê tông thương phẩm thường căn cứ vào bê tông. Trong nghiên cứu này, các tác giả khảo sát các yêu cầu về cường độ và độ sụt để chọn trước các thông số bơm và thông số độ sụt do ảnh hưởng hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/X và tỉ lệ C/(C+Đ) để tính của tỉ lệ cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ có xét đến yếu tố 48 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
14. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG thời gian của một số cấp phối bê tông được sử dụng 2.1 Nguyên lý thí nghiệm trong sản xuất bê tông thương phẩm trên địa bàn Đà Nguyên lý thí nghiệm, trình tự, thao tác thí nghiệm Nẵng. Do tính chất vận chuyển hỗn hợp bê tông và xử lý kết quả được trình bày kỹ trong các tài liệu [2, thương phẩm trong khu vực, các kết quả khảo sát 6]. Ở đây chúng tôi chỉ giới thiệu tóm tắt nguyên lý. Sự được thực hiện cho các mốc thời gian 0 phút, 30 tiếp xúc giữa bê tông và thành ống bơm được mô phút, 60 phút và 90 phút. phỏng lại theo sự tiếp xúc của một ống kim loại quay 2. Thí nghiệm xác định và tính toán thông số bơm đều trong môi trường bê tông. Sự quay của trục được Các tài liệu [1-3, 6] đã trình bày một loại thí nghiệm tạo ra và điều khiển bằng máy khuấy cơ học (hình 1a). mới để xác định các thông số ma sát tiếp xúc giữa bê Máy khuấy có thể ghi lại được tốc độ quay và mô men tông tươi và thành ống bơm. Các thông số này bao xoắn tương ứng. Tốc độ quay thay đổi theo thời gian được điều khiển bằng phần mềm. Bê tông đựng trong gồm (1) ngưỡng trượt ban đầu τ0 là cơ sở tính toán áp lực cần thiết ban đầu của piston để đẩy bê tông thùng chứa có đường kính 30 cm (hình 1b, c). Xi lanh bắt đầu dịch chuyển trong ống và (2) hệ số nhớt bề hình trụ bằng thép có đường kính 106 mm, cao 100 mặt η đặc trưng cho tính chất tiếp xúc bề mặt giữa bê mm (hình 1b). Các thông số của thiết bị được tham tông và thành ống bơm, thể hiện quan hệ giữa lực khảo dựa trên cơ sở các nghiên cứu trong tài liệu [6]. bơm và vận tốc bơm (lưu lượng bơm) khi bê tông đã Để đo đạc và tính toán các thông số ma sát, thí dịch chuyển trong ống. Hai thông số ma sát này bổ nghiệm được tiến hành ở 8 tốc độ quay khác nhau, từ sung thêm cho thông số độ sụt giúp thiết kế thành 12 vòng/phút đến 96 vòng/phút, gồm hai chu kỳ: Chu phần cấp phối cũng như thiết kế bơm bê tông. Các kỳ tăng tốc và chu kỳ giảm tốc. Mục đích của chu kỳ thông số này được gọi là thông số bơm bê tông. tăng tốc nhằm tạo ra lớp vữa giới hạn (lớp bôi trơn), Ứng suất trượt tại mặt tiếp xúc bê tông - thành ống mục đích của chu kỳ giảm tốc để xác định trị số mô khi bê tông dịch chuyển được tính [1-4]: men xoắn phục vụ cho việc tính toán các thông số ma sát của bê tông. Trong chu kỳ tăng tốc, vận tốc quay = +  0  (1) của xi lanh được tăng tuyến tính từ 0 đến 96 trong đó: vòng/phút trong thời gian 3 phút. Trong chu kỳ giảm tốc thì vận tốc quay được lập trình cho giảm dần ở (Pa) là ứng suất trượt tại mặt tiếp xúc; τ các cấp tốc độ khác nhau (96, 84, 72, 60, 48, 36, 24, (Pa) là ngưỡng trượt ở mặt tiếp xúc; 12 vòng/phút). τ0 Mỗi thí nghiệm được thực hiện hai bước. Tại η (Pa.s/m) là hằng số nhớt; bước 1, bê tông được lấp đầy nửa bình chứa sao cho  (m/s) là vận tốc trượt tương đối giữa bê tông và chỉ có mặt dưới của ống trụ được tiếp xúc với bê tông thành ống. (hình 1b). Tại bước 2, bê tông được lấp đến cao độ Trong trường hợp bê tông là dòng chảy đều, nếu mặt trên của ống, đảm bảo toàn bộ thành đứng tiếp xác định được các thông số và thì có thể xác 0  xúc được với bê tông (hình 1c). Do quy luật phân bố định được áp lực bơm và lưu lượng bơm tương ứng. ứng suất tiếp ở mặt đáy bê tông khó xác định nên Trong trường hợp không phải là dòng chảy đều, các trong thí nghiệm này, các thông số tiếp xúc giữa bê thông số này cho biết tính dễ bơm hay khó bơm của tông và thành ống được tính toán theo các giá trị ở bê tông. bước 2 trừ đi các giá trị ở bước 1. Hình 1. Bộ dụng cụ thí nghiệm đo ma sát tiếp xúc giữa bê tông tươi và mặt ống thép (tại phòng thí nghiệm Xây dựng, Đại học Duy Tân). (a) Đầu khuấy cơ-điện. (b) Xi lanh quay và thùng chứa, bê tông được đổ vừa tiếp xúc mặt đáy bình. (c) Bình chứa đầy bê tông và xi lanh quay trong bê tông. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 49
15. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 2.2 Nguyên lý tính toán + Phụ gia Sika Plast 257; Gọi T1 và T2 là các mô men xoắn tương ứng ở các bước 1 và 2 với mỗi tốc độ quay Ω áp đặt vào + Nước sạch. trục. Mô men xoắn tác dụng trên mặt đứng của xi lanh Bảng 1. Các loại cấp phối bê tông là TTT . Từ mô men xoắn tính được ứng suất 2 1 Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tiếp xúc giữa xi lanh và bê tông tươi: Tên cấp tông phối C Đ0.5x1 Đ 1x2 C/(C+Đ) TT  (2) (kg) (kg) (kg) % R(2 Rh ) 2 R2 h C35 633 176.25 998.75 35 trong đó R và h lần lượt là bán kính và chiều cao của C40 722 160.80 911.20 40 xi lanh. C45 799 147.15 833.85 45 Tốc độ tiếp tuyến Vt tại mặt đứng của xi lanh C47 834 141.75 803.25 47 được tính như sau: C48 851 138.90 787.10 48 C50 886 133.50 756.50 50 VRR  2  t (3) C55 973 120.00 680.00 55 trong đó: C60 1064 106.35 602.65 60  là vận tốc góc tính theo rad/s; Thành phần cố định cho 1m3 bê tông gồm có: Xi  là vận tốc góc tính theo vòng/s ( 2  ). măng (X) 450 kg; nước (N) 171 lít, tỉ lệ N/X=0.38; phụ Ngưỡng trượt đơn vị ở mặt tiếp xúc được tính: gia 1.0 lít/100 kg X. Các thành phần còn lại như bảng 1. Các cấp phối được chế tạo đáp ứng các yêu cầu T theo [8]. 8 loại cấp phối có ký hiệu: C35, C40, C45,  0 (4) 0 2 R2 h C47,C48, C50, C55, C60. Hệ số nhớt đơn vị  ở mặt tiếp xúc được tính: Mục tiêu của bài báo là đi khảo sát sự thay đổi của T các thông số ma sát khi thay đổi tỉ lệ cốt liệu lớn và d 2 d 2 R h dT 1 cốt liệu nhỏ trong cấp phối bê tông có xét đến yếu tố  (5) dV d 2 3 thời gian. Do vậy các cấp phối bê tông được điều t d 2  R (2 ) R h chỉnh tỉ lệ C/(C+Đ) thay đổi, nhóm nghiên cứu lựa Lưu ý rằng trong công thức (5), dT/ d chính là độ dốc tức thời của đường quan hệT  xác định từ chọn tỉ lệ C/(C+Đ) hiện đang được sử dụng phổ biến số liệu thực nghiệm. Các phép đo với bê tông thông cho các cấp phối bê tông thương phẩm là từ 45% đến thường cho thấy quan hệ này có thể xấp xỉ tuyến tính. 48% và mở rộng đến tỉ lệ 35% và 60%. Thời gian thí Do vậy dT/ d là độ dốc của đường quan hệ T  . nghiệm đo đạc các thông số ma sát ở các mốc thời Nếu đơn vị của các đại lượng chiều dài là mét, các điểm 0 phút, 30 phút, 60 phút, 90 phút sau khi trộn đại lượng lực là Newton thì đơn vị của hệ số nhớt bề hỗn hợp bê tông. mặt là Pa.s/m. 4. Kết quả thí nghiệm 3. Cấp phối bê tông thí nghiệm Sau khi thực hiện thí nghiệm, kết quả thí nghiệm Vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông thí nghiệm gồm: được tính toán và phân tích một cách nhanh chóng + Xi măng Kim Đỉnh PCB40; nhờ phần mềm “Pumping Parameters Calculation” + Cát vàng, Mdl = 2.9, đảm bảo các yêu cầu theo TCVN 7570-2006; [9]. Tập hợp kết quả thí nghiệm cho 8 cấp phối trên ở các thời điểm thí nghiệm khác nhau được trình bày ở + Đá dăm Dmax = 20mm, đảm bảo các yêu cầu theo TCVN 7570-2006; bảng 2. 50 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
16. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Bảng 2. Kết quả thí nghiệm. Thời gian lưu vữa bê tông Loại BT Thông số bơm 00 phút 30 phút 60 phút 90 phút SN (cm) 18 17 15 10 C35 0 (Pa) 87.89 122.89 78.12 125.80  (Pa.s/m) 391.39 493.05 549.72 804.36 SN (cm) 19 18 15.5 11 C40 0 (Pa) 59.11 84.02 58.96 94.64  (Pa.s/m) 329.08 433.09 505.72 708.41 SN (cm) 20 19 16 12 C45 0 (Pa) 48.17 63.61 46.61 68.89  (Pa.s/m) 321.24 415.51 465.36 620.28 SN (cm) 21 19 17 13 C47 0 (Pa) 42.9 49.28 41.95 54.91  (Pa.s/m) 305.66 367.2 423.48 558.59 SN (cm) 21 19 17 14 C48 0 (Pa) 40.26 44.22 36.74 46.28  (Pa.s/m) 277.77 346.5 415.87 540.4 SN (cm) 19 18 16 13 C50 0 (Pa) 46.42 60.60 45.93 65.07  (Pa.s/m) 322.09 395.23 454.73 594.34 SN (cm) 17 15 12 7 C55 0 (Pa) 50.17 64.74 49.74 78.37  (Pa.s/m) 334.24 418.63 482.17 630.57 SN (cm) 17 15 10 5 C60 0 (Pa) 58.58 69.42 50.33 81.84  (Pa.s/m) 368.17 440.87 497.15 659.03 Nhận xét: mỏng do vậy độ sụt của hỗn hợp bê tông thấp. Đối với Độ sụt của bê tông cao nhất khi tỉ lệ C/(C+Đ) từ bê tông có hàm lượng hạt thô lớn thì tính linh động 45% đến 48%. Độ sụt giảm dần theo thời gian lưu sụt cũng giảm do sự ma sát giữa các cốt liệu lớn với nhau (hình 2a và hình 3a). Sự thay đổi độ sụt của các cấp lớn. Như vậy để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp phối có xu hướng gần như nhau (hình 3a). Mất sụt xảy bê tông bơm theo thời gian thi công cũng nên khống ra rất nghiêm trọng ở thời điểm sau 60 phút đến 90 chế tỉ lệ C/(C+Đ) trong khoảng từ trên 40% đến 50%. phút sau khi chế tạo hỗn hợp bê tông. Hình 2a cho Giá trị ngưỡng trượt 0 có xu hướng tăng ở thời thấy với cấp phối bê tông có tỉ lệ C/(C+Đ) ≤ 40%, độ điểm 30 phút so với ban đầu (khi phụ gia chưa hoạt sụt sau thời điểm 90 phút còn lại khá thấp (SN=10- tác dụng hoàn toàn), sau đó giảm xuống ở thời điểm 11cm). Đối với cấp phối bê tông có tỉ lệ C/(C+Đ) từ 60 phút và tăng trở lại ở thời điểm 90 phút (hình 2b). 55% trở lên thì sự mất mát độ sụt còn lớn hơn. Đến Sự giảm của thông số độ sụt ở thời điểm 60 phút có thời điểm 90 phút, độ sụt chỉ còn lại khoảng 5 - 7cm, nghĩa là bê tông dễ được đẩy đi hơn, cho thấy xu không đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông hướng biến đổi khác với sự biến đổi của thông số độ bơm. Có thể giải thích như sau: Phụ gia siêu dẻo sụt (thông số độ sụt ở thời điểm này giảm so với thời thường chỉ có tác dụng trong khoảng thời gian từ lúc điểm ban đầu cho suy luận là bê tông sẽ khó bơm bắt đầu trộn hỗn hợp bê tông đến thời điểm 60 phút hơn). [10]. Sau thời gian này tác động của phụ gia hầu như không đáng kể dẫn đến độ sụt sẽ giảm đi đáng kể. Mặt Hằng số nhớt bề mặt  có xu hướng tăng theo thời khác, đối với bê tông có tỉ lệ C/(C+Đ), tức là hàm gian lưu vữa (hình 2c). Tốc độ tăng nhanh thể hiện lượng cát cao thì tỉ diện tiếp xúc của cốt liệu lớn dẫn trong thời gian từ 60 đến 90 phút. Có nghĩa là theo thời đến màng hồ xi măng bao bọc xung quanh cốt liệu gian, cùng một áp lực bơm thì bê tông sẽ được bơm Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 51
17. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG với lưu lượng thấp hơn. Xu hướng biến đổi này cũng sụt không phản ánh hết được tính dễ bơm hay khó gần với xu hướng mất độ sụt một cách liên tục theo bơm của bê tông. thời gian. Tuy nhiên, khi xem xét các cấp phối có cùng Thực tế trong quá trình bơm, giá trị  ảnh hưởng một giá trị độ sụt thì giá trị các thông số ma sát lại khác 0 đến áp lực khởi động ban đầu để đẩy bê tông trượt đi. nhau đáng kể. Ví dụ cấp phối C40 và cấp phối C50 có Khi hệ thống đã hoạt động ổn định thì  lại quyết định giá trị độ sụt bằng 19 cm nhưng các giá trị ngưỡng trượt ban đầu và hằng số nhớt bề mặt khác biệt nhau đến lưu lượng bơm khi áp lực bơm không đổi. Do đó, rất lớn. Như vậy có thể thấy rằng chỉ tiêu độ sụt không giá trị này thông thường được quan tâm hơn trong tính phản ánh hoàn toàn được tính chất dễ hay khó bơm toán và sẽ quyết định đến tốc độ thi công hoặc/ và chi của hỗn hợp bê tông. Đây là vấn đề cần lưu tâm khi phí nhiên liệu cho máy bơm. Theo bảng 2 và 3, sự gia  hiện nay các cấp phối bê tông bơm chủ yếu được thiết tăng của giá trị chủ yếu xảy ra ở sau thời điểm 60  kế theo yêu cầu về độ sụt. phút đến 90 phút, độ lớn và mức độ thay đổi của tùy theo loại cấp phối với tỉ lệ C/(C+Đ) khác nhau. Như Quy luật tăng, giảm của các thông số ma sát vậy, có thể thấy rằng với các hỗn hợp bê tông có thời theo thời gian như trên có thể giải thích theo cơ chế tác gian thi công kéo dài sau 60 phút thì tỉ lệ C/(C+Đ) có động của phụ gia: Thời điểm từ 0 phút đến 30 phút, tác tác động chủ yếu dẫn đến sự gia tăng về độ lớn của  .  dụng của phụ gia chưa hoàn toàn nên 0 và tăng Số liệu kết quả thí nghiệm xác định các thông số ma lên; thời điểm từ 30 phút đến 60 phút lúc này phụ gia sát của các loại cấp phối bê tông thể hiện ở bảng 2 và gần như có tác dụng hoàn toàn nên 0 giảm đi đáng kể các hình 3b, 3c cho thấy sự thay đổi đáng kể của các và  tăng chậm hơn; sau thời điểm 60 phút tác dụng thông số ma sát của bê tông khi tỉ lệ C/(C+Đ) thay đổi.  của phụ gia hầu như không còn đáng kể nên 0 và  Các giá trị thông số 0 và đạt giá trị nhỏ nhất ở các tỉ tăng nhanh hơn. Tuy nhiên ngoài yếu tố thời gian, còn lệ 47% và 48%. Khi tăng tỉ lệ này lên dần đến 60% hay có thể kể đến sự bốc hơi nước trong quá trình lưu vữa.  giảm dần xuống đến 35% thì giá trị thông số 0 và Yếu tố này chưa được xem xét trong nghiên cứu này. cũng tăng dần lên và đạt giá trị rất lớn ở các tỉ lệ 40% Vẫn theo các hình 2a, 2b và 2c, chúng ta thấy vị trí và 35%. Điều này chứng tỏ khi hỗn hợp bê tông có quá  cao thấp của các đường0 và là giống nhau giữa nhiều cốt liệu lớn (đá dăm) hoặc quá nhiều cốt liệu nhỏ các loại cấp phối. Tức là đối với một cấp phối thì nếu (cát) thì cũng trở nên khó bơm hơn. Qua các biểu đồ ngưỡng trượt ban đầu lớn thì hằng số nhớt bề mặt (hình 3a, 3b, 3c) cũng có thể thấy rằng tỉ lệ C/(C+Đ) tối cũng lớn. Tuy nhiên, thứ tự các đường độ sụt lại ưu để hỗn hợp bê tông có độ sụt lớn và các thông số không giống với thứ tự các đường thông số ma sát. ma sát nhỏ, bê tông linh động và dễ bơm hơn nằm Điều đó khẳng định thêm lần nữa rằng thông số độ trong khoảng từ 45% đến 50%. Hình 2. Quan hệ giữa các thông số độ sụt, ma sát và thời gian lưu vữa 52 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
18. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 3. Quan hệ giữa các thông số đột sụt và ma sát theo thời gian và theo tỉ lệ C/(C+Đ) 4. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực [1]. Nguyễn Thế Dương, Đỗ Vũ Thảo Quyên, Phan nghiệm về tính chất lưu biến và ma sát của bê tông Đình Thoại, Huỳnh Quốc Minh Đức (2014), “Ảnh thương phẩm phụ thuộc vào thời gian lưu vữa, đồng hưởng của hồ xi măng và tỉ lệ n/x đến tính chất thời đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu lớn và ma sát giữa bê tông và thành ống bơm bằng cốt liệu nhỏ đến các tính chất này. Một số kết luận có thép”, Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, thể rút ra như sau: Bộ Xây dựng, số 08/2014, trang 72-76. [2]. Đỗ Vũ Thảo Quyên, Nguyễn Thế Dương, Huỳnh Đối với hỗn hợp bê tông thí nghiệm, khi thời gian Quốc Minh Đức, Phan Đình Thoại (2014), “Thí lưu sụt kéo dài đến thời điểm 90 phút thì tác động của nghiệm đo các thông số ma sát tiếp xúc bê tông phụ gia siêu dẻo ở hàm lượng 1.0 lít/100 kgX là không và thành ống bơm”. Tạp chí Khoa học Công đáng kể, lúc này yếu tố ảnh hưởng đến tính chất ma nghệ Duy Tân, 11/2014, trang 70-75. sát của bê tông là tỉ lệ giữa cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ [3]. Nguyễn Thế Dương, Ngô Tiến Tùng, Phạm trong cấp phối bê tông. Quang Nhật (2012), "Ma sát và cách xác định Hàm lượng cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ trong cấp ma sát của bê tông tươi trong thành ống bơm", phối bê tông có tác động rất lớn đến tính chất ma sát Tạp chí Khoa học và Công nghệ Duy Tân, số 4. của bê tông bơm. Đối với bê tông sử dụng trong thí [4]. Kaplan, Denis. (2000). Pompage des Bétons, nghiệm thì tỉ lệ C/(C+Đ) nằm trong khoảng từ 45% đến Etudes et recherches des laboratoires des Ponts 50% là phù hợp nhất để đảm bảo tính dễ bơm cũng et Chaussées, vol. 36. ISBN : 2-7208-2010-5. như tính công tác của bê tông. [5]. Chapdelaine, Fédéric. (2007). Étude fondamentale et pratique sur le pompage du Thông số độ sụt không đủ phản ánh hết được tính béton (Nghiên cứu cơ sở và thực nghiệm bơm bê dễ bơm hay khó bơm của hỗn hợp bê tông. Sự tăng tông), Luận văn Tiến sỹ, Faculté des études lên hay giảm xuống của các thông số ma sát phản ánh supérieures de l'Université Laval, Canada. tính dễ hay khó bơm của hỗn hợp bê tông không tuân [6]. T.T. Ngo, E.H. Kadri, R. Bennacer, F. Cussigh, Use theo quy luật tăng, giảm của độ sụt. Do vậy, cần thiết of tribometer to estimate interface friction and bổ sung thí nghiệm đo các thông số ma sát để nghiên concrete boundary layer composition during the fluid cứu, đánh giá tác động của các thành phần cấp phối concrete pumping, Construction and Building bê tông đến tính chất ma sát của bê tông bơm. Từ đó Materials, Volume 24, Issue 7, July 2010, Pages có cơ sở xây dựng chỉ dẫn cụ thể thiết kế cấp phối bê 1253-1261, ISSN 0950-0618, tông bơm, bổ sung cho chỉ dẫn thiết kế hỗn hợp bê tông bơm hiện nay vốn hầu hết mới chỉ dừng lại ở [7]. Dimitri Feys, Kamal H. Khayat, Aurelien Perez- phép đo đột sụt. Schell, Rami Khatib, Prediction of pumping pressure Lời cảm ơn by means of new tribometer for highly-workable concrete, Cement and Concrete Composites, Bài báo này được thực hiện trong khuôn khổ của Volume 57, March 2015, Pages 102-115, ISSN đề tài NCKH cấp trường, mang mã số 3497/QĐ-ĐHDT- 0958-9465, 64 tại Đại học Duy Tân. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 53
19. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG [8]. TCVN 9340:2012, Hỗn hợp bê tông trộn sẵn – [10]. N. Spiratos, M. Page, N. Mailvaganam, V.M. Yêu cầu cơ bản đánh giá chất lượng và nghiệm Malhotra, C. Jolicoeur. Phụ gia siêu dẻo – thu, Tiêu chuẩn Việt Nam. Nguyên lý cơ bản công nghệ và ứng dụng thực [9]. Nguyễn Thế Dương (2015), “Phần mềm Pumping tiễn. Quebec, Canada, 2006, trang 96. Parameters Calculation tính toán thông số ma Ngày nhận bài: 09/11/2015. sát bê tông tươi - thành ống thép". Tạp chí Khoa học Công nghệ Duy Tân (2) 15, 06/2015, trang Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/11/2015. 69-75. 54 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
20. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG CHIẾN LƯỢC GIẢM NHẸ VÀ THÍCH ỨNG TRONG KIẾN TRÚC ỨNG PHÓ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TS.KTS. LÊ CHIẾN THẮNG Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội ThS. NGUYỄN SƠN LÂM Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã bắt đầu cho Các hệ thống tự nhiên thích ứng với hệ sinh thái thấy những hệ lụy trong mọi lĩnh vực, trong đó có lĩnh là một trong những hướng giải pháp giúp các tòa nhà vực xây dựng. Ứng phó BĐKH đã trở thành một trong và công trình tồn tại thân thiện với môi trường sống. những vấn đề quan tâm chính trong thiết kế kiến trúc. Trong thiên nhiên, mọi sinh vật sống trong quá trình Nhiều xu hướng kiến trúc thân thiện với môi trường đã tiến hóa, phải phản ứng với các điều kiện thay đổi mà có những đóng góp tích cực với các chiến lược giảm không làm suy giảm nguồn lực của mình và thay đổi nhẹ và thích ứng khác nhau hướng tới tính bền vững trạng thái cân bằng của hệ sinh thái của bản thân. trong môi trường xây dựng. Bài báo sẽ trình bày các Trong bối cảnh đang phải đối mặt với tốc độ gia tăng chiến lượng giảm nhẹ và thích ứng trong các xu nhanh chóng và cường độ thay đổi lớn hiện nay, thái hướng kiến trúc đó. độ “thích ứng” của môi trường xây dựng bằng nhận thức và ứng xử tạo nên cơ sở lý thuyết cho việc thiết 1. Tổng quan về BĐKH và ảnh hưởng của BĐKH kế xây dựng trong tương lai. Muốn phát triển thịnh trong lĩnh vực xây dựng vượng, con người cần phải học lại cách bắt chước BĐKH đang tác động đáng kể đến các thành các hệ thống trao đổi chất thích ứng có hiệu quả cao phần, khả năng phục hồi hoặc sinh sản của các hệ trong tự nhiên, kết hợp với công nghệ hiện tại và sinh thái tự nhiên và đến hoạt động và quản lý của tương lai để có thể thiết kế “bền vững” nhất. các hệ thống kinh tế - xã hội hoặc đến sức khỏe và 2. Chiến lược giảm nhẹ và thích ứng trong thiết kế phúc lợi của con người. Sự thay đổi trạng thái của khí kiến trúc hậu trung bình trong khoảng thời gian dài (thường vài thập kỷ hoặc dài hơn) có thể gây ra sự biến đổi trên Nguyên nhân của BĐKH chính là do các hoạt quy mô toàn cầu và sự thay đổi trong toàn bộ hệ động sinh hoạt và sản xuất của con người. Phát thải thống khí hậu trái đất. Biến đổi khí hậu có thể do quá từ công trình xây dựng chiếm gần một nửa lượng trình tự nhiên bên trong, các tác động bên ngoài hoặc CO2 trong khí quyển còn tổng năng lượng tiêu thụ cho do các hoạt động của con người (trong khai thác và công trình chiếm tới gần 50% [6]. Nói cách khác, sử sử dụng tự nhiên) làm thay đổi thành phần khí quyển. dụng năng lượng trong công trình là “một nửa nguyên Ảnh hưởng của BĐKH tới nhà và công trình xây dựng nhân” gây ra BĐKH. Để hạn chế tác động tiêu cực dưới nhiều hình thức khác nhau. Mưa axít, bão lốc, của BĐKH, cần phải có sự chung tay của mọi cộng nước biển dâng, phá hủy, ăn mòn, làm hư hỏng các đồng, quốc gia nhằm đưa ra các phương án chung có công trình kiến trúc. thể thực hiện trên phạm vi toàn cầu. Biến đổi khí hậu là do một quá trình lâu dài tác động của con người tạo Để ứng phó với những mối đe dọa và đáp ứng nên, muốn khắc phục được BĐKH cũng phải là một nhu cầu phát triển bền vững, phương pháp tiếp cận quá trình khắc phục lâu dài. mới trong thiết kế và thi công xây dựng là điều kiện bắt buộc, trong đó phải đồng thời giải quyết các yêu Vì vậy, thiết kế và xây dựng nhà và công trình cầu phức tạp của môi trường với các nguồn tài hiện nay đòi hỏi có hiệu quả năng lượng cao, giảm nguyên hữu hạn của trái đất và nhu cầu xã hội và kinh tiêu thụ năng lượng hóa thạch nhằm cố gắng đưa tế đương đại. Khái niệm mới về thiết kế tích hợp với nồng độ CO2 trong khí quyển trở về mức 350 ppm việc sử dụng năng lượng bền vững đã được phát của năm 1990 được xem như một bước “đẩy lùi triển, kết hợp với trách nhiệm với môi trường với BĐKH”. Trong gần 20 năm qua, nhiều nước trên thế chiến lược giảm nhẹ các tác động do con người tạo giới đã đi theo hướng này và đã đạt kết quả cao. Tại ra và thích ứng các điều kiện khí hậu. Mỹ năm 2006 có 5.000 tòa nhà, năm 2010 có 100.000 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 55
21. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG tòa nhà và 1 triệu ngôi nhà ở đơn lẻ được cấp chứng đổi không thể tránh khỏi của khí hậu thông qua việc chỉ Công trình xanh, giảm được trung bình từ 30% hạn chế tối đa xây dựng cơ sở hạ tầng và công trình đến 50% tổng tiêu thụ năng lượng điện và nước sạch. và duy trì hệ sinh thái lành mạnh. Quan trọng hơn, Tại Kuala Lumpur, Malaysia có tòa nhà văn phòng chiến lược thích ứng không làm hỏng những nỗ lực Putrajaya, giảm được khoảng 60% (còn 100 giảm nhẹ để ổn định phát thải khí nhà kính đến mức kWh/m2/năm) và có thể tiếp tục giảm tới 80% năng chấp nhận được. Ủy ban liên Chính phủ về Biến đổi lượng trong thời gian tới. Như vậy việc xây dựng các khí hậu (IPCC 2008) đã định nghĩa bốn loại thích ứng tòa nhà giảm 30 - 50% năng lượng tiêu thụ là hoàn như sau: toàn có thể thực hiện được [2]. Thích ứng chủ động: Thích ứng diễn ra trước Để làm được như vậy, kiến trúc sư cần phải thay khi tác động thực tế BĐKH xảy ra. Thích ứng như vậy đổi phương thức làm việc, phương pháp thiết kế, đề là một biện pháp chặn trước để ngăn chặn hoặc giảm cao thiết kế tích hợp, trong đó kiến trúc sư chỉ là một nhẹ những tác động có thể của BĐKH. Thích ứng phần của một hệ thống trong thiết kế và xây dựng trước sẽ bịt các lỗ hổng trong hệ thống tự nhiên và công trình từ giai đoạn ban đầu tới quá trình phá hủy nhân tạo cũng như gia tăng các chi phí và lợi ích của hoặc tái chế. Công ước khung của Liên hợp quốc về hành động so với không hành động. BĐKH (UNFCCC) sử dụng hai thuật ngữ quan trọng Thích ứng theo hoạch định: Thích ứng là kết là giảm nhẹ và thích ứng. quả của một quyết định chính sách có chủ ý, dựa trên một nhận thức rằng điều kiện đã thay đổi hoặc muốn 2.1 Chiến lược giảm nhẹ thay đổi và hành động đó là cần thiết để trở lại, để Giảm nhẹ là nhằm giảm lượng khí thải để hạn chế duy trì hoặc đạt được một trạng thái mong muốn. sự ấm lên toàn cầu hoặc “tránh mất khả năng kiểm Thích ứng phản ứng: Thích ứng diễn ra sau soát” hay phát triển “thân thiện với khí hậu” bằng cách tác động của BĐKH. giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Giảm nhẹ đóng vai Thích ứng tự phát: Thích ứng mà không tạo ra trò quan trọng trong việc làm chậm tốc độ biến đổi một phản ứng có ý thức đối với khí hậu mà được khởi của khí hậu. Hệ thống khí hậu đã thực sự bị biến đổi động bởi những thay đổi trong các hệ thống sinh thái tự và quá trình này sẽ tiếp tục trong thời gian dài tiếp nhiên hoặc thay đổi trong các hệ thống phúc lợi xã hội [6]. theo, do đó chiến lược giảm nhẹ sẽ phải được thực Việc áp dụng rộng rãi các công nghệ tiên tiến hiện liên tục và lâu dài. trong quá trình thiết kế thích ứng có thể chứng minh Để thực hiện chiến lược giảm nhẹ, cần phải áp hiệu quả giảm mức tiêu thụ và lượng khí thải, đặc biệt dụng nhiều giải pháp như giảm phát thải khí gây hiệu là trong lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên, căn cứ vào ứng nhà kính thông qua giảm mức tiêu hao nguyên kịch bản BĐKH đã được xây dựng, hoạt động giảm nhiên liệu, giảm hoặc thay thế các loại nhiên liệu hóa nhẹ dài hạn cần phải được kết hợp với chiến lược thạch bằng nguồn năng lượng tái tạo, ứng dụng các thích ứng ngắn hạn để bảo đảm sự phát triển bền giải pháp thiết kế và xây dựng mới và cải tạo nhà và vững liên tục. Để thỏa mãn thách thức trong tương công trình nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và lai, cần phải có những kỹ thuật trong công trình để có hiệu quả, phát triển đô thị xanh và công trình xanh, thể thay đổi thích ứng theo các điều kiện thay đổi như chuyển đổi nguyên liệu, nhiên liệu và vật liệu đầu vào nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, mưa Thực tế sự vận hành theo hướng phát thải carbon thấp trong sản xuất vật của tòa nhà thích ứng chỉ đơn giản là mở rộng các ý liệu và xây dựng công trình, ứng dụng công nghệ hiệu tưởng và nguyên tắc phù hợp với các đề xuất của quả để xử lý nước thải, rác thải cho các đô thị và Darwin, đó là khả năng tồn tại phụ thuộc vào khả điểm dân cư, năng thích ứng với sự thay đổi môi trường. Nhìn vào 2.2 Chiến lược thích ứng hệ thống tự nhiên, có thể nhận ra rằng tất cả sinh vật sống đã phát triển các cơ chế thích nghi để giúp Thích ứng là “kiểm soát những gì không thể tránh chống lại điều kiện khí hậu thường xuyên thay đổi được” để phát triển “an toàn cho khí hậu” bằng cách theo từng hoàn cảnh. Các loài có thể thích ứng với giảm nhẹ khả năng làm tổn hại trực tiếp và gián tiếp những thay đổi trong môi trường sẽ tồn tại trong khi tới các cấp độ của BĐKH. Chiến lược thích ứng có các loài không thể thích ứng sẽ sớm bị đào thải. nghĩa là phải có điều chỉnh để thích ứng với sự biến 56 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
22. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 3. Các xu hướng kiến trúc với chiến lược giảm 3.2 Kiến trúc môi trường nhẹ và thích ứng Môi trường là tập hợp tất cả các thành phần của Kiến trúc thân thiện với môi trường đã xuất hiện thế giới vật chất bao quanh, bao gồm các chất vô cơ, từ lâu trong các công trình truyền thống trên thế giới. hữu cơ, khí hậu, có khả năng tác động đến sự tồn tại Nhưng cùng với những vấn đề về năng lượng và khí và phát triển của mỗi sinh vật. Ngoài môi trường thiên nhiên còn có môi trường xã hội, môi trường nhân văn hậu trong thế kỷ 20, nghiên cứu và thực hành thiết kế (tổng thể các mối quan hệ giữa con người, cộng kiến trúc và xã hội đi sâu vào từng khía cạnh cụ thể đồng, thể chế chính trị, kinh tế, xã hội) và cả các môi của môi trường, sinh thái. Nhiều xu hướng kiến trúc trường nhân tạo. Mục tiêu của kiến trúc môi trường là thân thiện với môi trường ra đời, mỗi xu hướng tuy có tạo lập môi trường vệ sinh, lành mạnh thích ứng với mục đích chung nhưng đều có hướng đi riêng theo các loại sinh vật; bảo vệ môi trường sống của con tên gọi của nó. người và sinh vật trong hệ sinh thái và giảm nhẹ, khắc 3.1 Kiến trúc sinh thái phục tình trạng ô nhiễm môi trường. Các nguyên tắc của kiến trúc môi trường bao gồm: Tạo dựng môi Kiến trúc sinh thái bao gồm 3 nhánh chính, đó là trường trong nhà lành mạnh tiện nghi; hiệu quả năng kiến trúc sinh thái công nghệ thấp (low-tech), công lượng; sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường sinh nghệ cao (high-tech) hoặc công nghệ sinh thái (eco- thái; gắn kết hình dạng công trình kiến trúc với địa tech) và chiết trung. Trong đó kiến trúc sinh thái công điểm; môi trường khu vực và khí hậu và thiết kế đạt nghệ thấp là kiến trúc thời kỳ đầu, đơn giản với các hiệu quả, bền vững, dễ dàng tháo dỡ khi hết tuổi thọ giải pháp thiết kế theo điều kiện khí hậu của khu vực. công trình. Kiến trúc sinh thái này sử dụng vật liệu tự nhiên như: 3.3 Kiến trúc sinh khí hậu Đất, đá, gỗ, tranh, tre theo kinh nghiệm xây dựng Kiến trúc sinh khí hậu được James Marston Fitch truyền thống. Ngược lại là kiến trúc sinh thái công đề cập trong bài báo “Mối quan tâm kiến trúc trong nghệ cao được biểu hiện dưới dạng các tổ hợp công thiết kế khí hậu” vào năm 1948. Nhưng anh em Victor trình đa năng kính thép quy mô lớn và các hệ thống và Aladar Olgyay mới được coi là những người tiên kỹ thuật tiên tiến nhằm đạt hiệu quả sử dụng năng phong trong lĩnh vực này khi đưa kiến trúc sinh khí lượng tối đa. Giữa hai trường phái kiến trúc sinh thái hậu thành môn khoa học với cuốn sách “Tiếp cận sinh trên là kiến trúc sinh thái chiết trung, trong đó kết hợp khí hậu vào kiến trúc” năm 1953. công nghệ vật liệu mới và kỹ thuật xây dựng cao Kiến trúc sinh khí hậu quan tâm xem xét đến các nhưng vẫn sử dụng những kinh nghiệm truyền thống điều kiện khí hậu đặc trưng của địa điểm nhằm thiết để ứng xử hài hòa với khí hậu và môi trường [1]. kế những công trình phù hợp với các điều kiện đặc Hệ sinh thái là khái niệm cơ bản làm cơ sở tiếp trưng đó. Do đó, kiến trúc sư phải xem xét các yếu tố cận kiến trúc vào sinh thái. Kiến trúc sinh thái bảo tồn như điều kiện tiện nghi con người (tiện nghi nhiệt, thị sự bền vững của hệ sinh thái tự nhiên, đa dạng sinh giác, ) cũng như các yếu tố khí hậu như nắng, gió, học của khu vực xây dựng, đô thị và lãnh thổ, khôi độ ẩm, nhằm tận dụng tối đa các điều kiện tự nhiên thuận lợi và giảm các điều kiện bất lợi để tạo điều phục các hệ sinh thái bị tổn thương, tài nguyên thiên kiện sống tiện nghi cho con người trong các công nhiên, sinh thái nhân văn. Mặc dù có 3 nhánh cơ bản trình, qua đó giảm sử dụng năng lượng, tiết kiệm kinh với phương pháp thiết kế khác nhau, chiến lược giảm phí đầu tư và vận hành, giảm ô nhiễm môi trường [3]. nhẹ hướng tránh sử dụng năng lượng phi tái tạo, sử dụng vật liệu tái chế và phát thải độc hại thấp. Trong 3.4 Kiến trúc xanh khi đó, chiến lược thích ứng chủ động tạo ra các môi Kiến trúc xanh là xu hướng thiết kế hướng tới việc trường tự nhiên trong công trình và khu vực, bù đắp tạo ra công trình thân thiện với môi trường trong suốt và phục hồi một phần môi trường tự nhiên bị mất đi vòng đời của công trình từ quá trình lựa chọn địa điểm, do quá trình xây dựng tạo nên, tận dụng các điều kiện thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo dưỡng và tháo dỡ. tự nhiên thuận lợi phù hợp với hệ sinh thái và khí hậu Các nguyên tắc thiết kế công trình xanh bao gồm: địa phương. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 57
23. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG - Phân tích khí hậu địa phương và địa điểm xây trao đổi chất và cuộc sống của các sinh vật sống – là dựng: Phân tích địa chất, lựa chọn địa điểm xây phương pháp thiết kế dựa trên sự kết hợp của mọi dựng, các công trình và vật thể bao quanh, khí hậu lĩnh vực chuyên môn liên quan với nhau, các tòa nhà địa phương, hướng tiếp cận và hướng của khu đất, được so sánh với sinh vật sống có khả năng đối phó các yếu tố địa hình, ưu nhược điểm của các nguồn tài với khí hậu và địa hình và tiện nghi mà không cần sử nguyên và các loại hình sinh thái bền vững cùng với dụng các dạng năng lượng phi tái tạo. mối quan hệ về thời gian và cường độ sử dụng. Có nhiều dạng phỏng sinh học như phỏng sinh - Hệ thống kết cấu linh hoạt và thích ứng: Kiểm học cấu trúc (lá sen, vây cá mập, ), vận động (bay, soát các đặc điểm của kết cấu (tạm thời hoặc vĩnh bơi, ), kết cấu (treo, màng, vỏ, ), khí hậu (tổ mối), cửu), khả năng liên kết với các thành phần nội thất, Các dạng phỏng sinh học có những đặc điểm, tiềm kết cấu vỏ bao che công trình, các hệ thống kỹ thuật năng đa dạng cho phép áp dụng ở nhiều hình thức và hiệu quả thẩm mỹ. khác nhau trong lĩnh vực thiết kế xây dựng, nhằm làm - Vật liệu xây dựng xanh: Sản phẩm tiền chế và cho công trình giống như các thực thể tồn tại bền tiêu chuẩn hóa, kết cấu phù hợp, vật liệu hoàn thiện, vững trong tự nhiên [5]. Thông qua đó, công trình sẽ chi phí, thi công, có nguồn gốc thực vật, phương pháp giảm tác động tiêu cực tới khí hậu và hệ sinh thái của trồng trọt (vật liệu tự nhiên), năng lượng biểu hiện, khu vực. thành phần tái chế và tái sử dụng, mức độ độc hại, - Kết cấu lớp vỏ bao che công trình: Hoạt động 3.6 Kiến trúc hiệu quả năng lượng như một bộ lọc năng động và tương tác giữa môi Mục tiêu của kiến trúc hiệu quả năng lượng là làm trường bên trong và bên ngoài để kiểm soát các dòng cho công trình tiêu thụ ít năng lượng có nguồn gốc năng lượng, trực tiếp hoặc gián tiếp. hoá thạch, không phát thải khí CO2 (carbon neutral) - Năng lượng tái tạo: Tích hợp trong cấu trúc của hoặc phát thải rất thấp, khai thác tối đa năng lượng tự tòa nhà có thể khai thác trực tiếp các nguồn năng nhiên, năng lượng tái tạo, năng lượng sinh học trong lượng tại chỗ hoặc trong khu vực tập trung mà không tất cả các quá trình hoạt động của toà nhà thi công gây hoặc gây ít tác động tới môi trường sinh thái. xây dựng, chế tạo cấu kiện, vật liệu đến quá trình vận - Hệ thống HVAC: Cung cấp các điều kiện tiện hành công trình (sưởi ấm, làm mát, chiếu sáng, giao nghi cho người sử dụng về nhiệt, chất lượng không thông, các thiết bị phục vụ cho công việc và sinh khí, sử dụng các kỹ thuật hoàn toàn thụ động, điều sống), quá trình bảo dưỡng cho đến khi cải tạo, phá chỉnh cơ khí hoặc hệ thống lai. dỡ, huỷ bỏ hoặc sử dụng lại một phần công trình [3]. - Sử dụng nước: Hệ thống và chiến lược thu 3.7 Kiến trúc thích ứng nước, lưu trữ, phân phối, sử dụng, tái chế và tái sử dụng nước (nước mưa, nước xám) [6]. Kiến trúc thích ứng phải có tính thích ứng và linh hoạt. Cụ thể là thích ứng với điều kiện khí hậu địa 3.5 Kiến trúc phỏng sinh học phương, thích ứng với quy mô đô thị và hạ tầng kỹ Kiến trúc phỏng sinh nghiên cứu thực tiễn tốt nhất thuật đô thị, thích ứng và linh hoạt với sự phát triển từ thiên nhiên và áp dụng vào thiết kế và quy trình giải công nghệ Kiến trúc thích ứng đề cao tính linh hoạt và quyết các vấn đề của con người dựa trên sự hoàn ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế nhằm đáp ứng thiện kỹ năng sinh tồn của các loài sinh vật trong quá sự thay đổi trong tương lai do sự phát triển của công trình tồn tại lâu dài trên trái đất bằng cách thích ứng nghệ nhanh và đa dạng dẫn tới phương thức làm với môi trường để đảm bảo thức ăn và nơi trú ẩn mà việc, sinh hoạt của con người liên tục thay đổi da không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc tạo ra dạng [4]. Một ví dụ điển hình là hiện nay với sự phát chất gây tổn hại đến hệ sinh thái. Ngược lại với các triển của kỹ thuật số, con người đã thay đổi phương công nghệ của con người, mọi hệ thống và kết cấu tự pháp làm việc và sinh hoạt, mô hình “sống và làm việc nhiên luôn hoạt động thống nhất dựa trên nguồn năng trong cùng một địa điểm” đang hình thành trong nhiều lượng trực tiếp và gián tiếp từ mặt trời để tương tác lĩnh vực và khu vực đô thị, tương phản hoàn toàn với với địa hóa của trái đất để duy trì mọi hệ thống tái tạo phương pháp làm việc và lối sống truyền thống, từ đó sinh học. Công trình "phỏng sinh học" là nơi có sự dẫn tới sự thay đổi trong thiết kế quy hoạch và kiến phối hợp linh hoạt các thành phần góp phần vào sự 58 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015
24. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG trúc truyền thống với sự phân biệt rõ ràng chức năng 4. Kết luận làm việc, ở, thương mại, giải trí, Áp lực phải có những thay đổi căn bản trong 3.8 Ứng dụng chiến lược giảm nhẹ và thích ứng ở phương pháp thiết kế đã dẫn tới sự ra đời nhiều xu Việt Nam hướng thiết kế với những sự quan tâm khác nhau nhưng nói chung đều hướng tới các vấn đề về năng Trong nhiều năm trở lại đây, các xu hướng kiến lượng, môi trường, sinh thái, các nguồn tài nguyên, trúc trên đã được nhiều Kiến trúc sư Việt Nam quan chất và phát thải. Các xu hướng thiết kế trên đều có tâm. Các xu hướng kiến trúc xanh với mối quan tâm các chiến lược thích ứng và giảm nhẹ theo nhiều tới các vấn đề năng lượng và môi trường ở Việt Nam cách với các cấp độ và mối quan tâm khác nhau. Các đang được phát triển và đã đạt được những thành giải pháp thiết kế cũng mang tính chất tổng thể và công bước đầu, dần tiến tới hiện thực hóa các chiến đồng bộ từ quy hoạch đô thị, thiết kế kiến trúc, kết lược và chương trình của Nhà nước nhằm giảm nhẹ cấu, hệ thống kỹ thuật, vật liệu, biện pháp thi công, và thích ứng với BĐKH. Các chiến lược thiết kế đa bảo dưỡng và vận hành. Tuy nhiên, xu hướng kiến dạng được áp dụng, từ các giải pháp sinh thái công trúc nào cũng có những nhược điểm của nó do đó nghệ thấp tới các giải pháp công trình xanh công cần có các chiến lược, chương trình cũng như biện nghệ cao tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng pháp khác ngoài công tác thiết kế. Các chiến lược tái tạo tại chỗ, tái chế chất thải, tái sử dụng giảm nhẹ và thích ứng phải được thực hiện liên tục, nước, Các loại hình công trình xanh cũng phát triển đồng bộ và được hỗ trợ từ mọi mặt trong xã hội mới đa dạng từ dạng nhà ở thấp tầng tới các trung tâm mong đạt được mục tiêu dài hạn trong tương lai, đóng thương mại cao tầng. Tuy nhiên, sự phát triển các góp vào việc ứng phó BĐKH hiện nay. chiến lược giảm nhẹ và thích ứng này mới chỉ đang ở giai đoạn khởi đầu. Trong tương lai, để đạt hiệu quả TÀI LIỆU THAM KHẢO cao hơn, các chiến lược này cần phải được áp dụng [1]. Nguyễn Việt Châu (2011), “Kiến trúc sinh thái – ở cấp đô thị với sự phát triển các đô thị thông minh kiến trúc phát triển bền vững”, Tạp chí Kiến trúc – nơi mà tổng thể đô thị trở thành một cơ thể xanh với Hội Kiến trúc sư Việt Nam. các công trình kiến trúc xanh là những bộ phận không [2]. Phạm Đức Nguyên (2008), “Kiến trúc bền vững – thể tách rời. Để làm được điều đó không chỉ có sự nỗ kiến trúc thế kỷ 21”, Tạp chí Kiến trúc – Hội Kiến lực của các nhà thiết kế xây dựng mà còn của mọi trúc sư Việt Nam. tầng lớp trong xã hội. [3]. Phạm Đức Nguyên (2010), “Kiến trúc sinh khí hậu”, NXB Xây dựng. [4]. Phạm Đức Nguyên, “Biến đổi khí hậu với thiết kế kiến trúc các công trình có hiệu quả năng lượng”. [5]. Petra Gruber. (2011), Biomimetics in architecture. Springer Publishing Company. [6]. Sergio Altomonte. (2008), “Climate Change and Architecture: Mitigation and Adaptation Strategies for a Sustainable Development”, Jounal of Sustainable Development, Vol.1,No.1. Ngày nhận bài: 09/11/2015. Hình 1. Tòa nhà OneUN đạt chứng chỉ Vàng Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/11/2015. (nguồn: VGBC) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 59