Mặt tiền full kính hướng Tây . Đẹp hiện đại hay “tự sát” năng lượng?
Mặt tiền kính lớn mang lại một ngôn ngữ kiến trúc rất hấp dẫn: hiện đại, nhẹ, mở rộng tầm nhìn và đưa ánh sáng tự nhiên sâu vào không gian.Nhưng với khí hậu nóng ẩm như Việt Nam, đặc biệt khi công trình quay về hướng Tây, một mặt tiền gần như phủ toàn bộ bằng kính có thể tạo ra bài toán nhiệt rất khó xử lý.
Vấn đề không nằm ở việc “kính tốt hay kính xấu”.Vấn đề nằm ở chỗ kiến trúc sư có kiểm soát được bức xạ mặt trời, diện tích kính, hệ số truyền nhiệt, hệ số thu nhiệt mặt trời và cấu trúc che nắng của lớp vỏ công trình hay không.
Một mặt tiền kính được tính toán đúng có thể vừa đẹp vừa tiết kiệm năng lượng.Ngược lại, một mặt tiền kính được thiết kế chủ yếu bằng cảm tính thẩm mỹ có thể khiến hệ thống điều hòa phải liên tục xử lý lượng nhiệt mà chính kiến trúc đã đưa vào công trình.Đó mới là bản chất của câu chuyện.
Vì sao mặt tiền kính hướng Tây đặc biệt khó xử lý?
Trong ngày, vị trí của mặt trời liên tục thay đổi.Vào buổi chiều, mặt trời dịch dần về phía Tây và góc chiếu lên mặt đứng có thể trở nên rất bất lợi đối với các công trình có diện tích kính lớn.
Đối với mặt tiền hướng Tây, vấn đề đáng chú ý không đơn thuần là “nắng nóng”, mà là góc tới của bức xạ mặt trời lên bề mặt kính.
Các tài liệu về thiết kế thụ động chỉ ra rằng kính hướng Đông và Tây khó che nắng hơn những hướng có mặt trời ở góc cao, bởi nắng sáng và nắng chiều thường đến với góc thấp. Vì vậy, các mái đua ngang đơn thuần có thể không đủ hiệu quả.
Đặc biệt vào cuối buổi chiều, mặt đứng phía Tây có thể nhận bức xạ mạnh trong khi nhiệt độ môi trường ngoài trời và nhiệt tích lũy của công trình đã ở mức cao.
Ba yếu tố xảy ra đồng thời:
Bức xạ mặt trời chiếu vào kính
Nhiệt truyền qua lớp vỏ công trình
Nhiệt đã tích lũy trong vật liệu từ nhiều giờ trước
Kết quả là tải lạnh của không gian phía Tây có thể tăng mạnh nếu mặt tiền không được kiểm soát ngay từ giai đoạn thiết kế.
Bản chất vật lý của nhiệt đi qua mặt kính
Để hiểu vấn đề, có thể sử dụng một mô hình nhiệt đơn giản:Q≈U×A×ΔT+SHGC×A×IQ \approx U \times A \times \Delta T + SHGC \times A \times I
Trong đó:Q là nhiệt truyền vào không gian.
A là diện tích kính.
U-factor là hệ số truyền nhiệt của hệ cửa kính.
ΔT là chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài công trình.
SHGC là hệ số thu nhiệt mặt trời.
I là cường độ bức xạ mặt trời tác động lên bề mặt.
Đây là mô hình đơn giản hóa. Trong mô phỏng năng lượng thực tế còn phải xét đến khung kính, góc tới của bức xạ, bóng đổ, nhiệt dung vật liệu, thời gian, thông gió, tải sử dụng và nhiều yếu tố khác.
Nhưng công thức này cho thấy một vấn đề rất quan trọng:
Diện tích kính càng lớn, tổng nhiệt truyền vào càng lớn
Ngay cả khi sử dụng một loại kính tương đối tốt, nếu toàn bộ mặt tiền được biến thành kính mà thiếu che nắng bên ngoài, tổng tải nhiệt vẫn có thể rất đáng kể.
Đây là lý do không nên đánh giá một công trình chỉ bằng câu hỏi:“Có dùng kính Low-E không?”
Câu hỏi đúng hơn phải là:
Bao nhiêu mét vuông kính?
Kính nằm ở hướng nào?
SHGC bao nhiêu?
U-factor bao nhiêu?
Có thiết bị che nắng bên ngoài không?
Tỷ lệ kính trên tường – Window-to-Wall Ratio – là bao nhiêu?
U-factor và SHGC: hai thông số không nên nhầm lẫn
U-factor
U-factor phản ánh khả năng truyền nhiệt do chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của hệ cửa kính.Đơn vị thường sử dụng:W/m².K.U càng thấp thì khả năng cách nhiệt càng tốt.Việc tăng số lớp kính, sử dụng Low-E, khí trơ trong khoang kính và khung có cầu cách nhiệt đều có thể góp phần làm giảm U-factor.Nhưng trong điều kiện mặt tiền chịu bức xạ mặt trời mạnh, chỉ quan tâm đến U-factor là chưa đủ.
SHGC
SHGC – Solar Heat Gain Coefficient – cho biết tỷ lệ năng lượng mặt trời đi qua hệ cửa kính và trở thành nhiệt trong không gian.
Giá trị SHGC nằm trong khoảng từ 0 đến 1.
Ví dụ:SHGC = 0,70 nghĩa là phần nhiệt mặt trời đi vào tương đối lớn.
SHGC = 0,25 nghĩa là hệ kính chỉ cho một phần nhỏ hơn đáng kể năng lượng mặt trời đi vào.
Trong khí hậu có nhu cầu làm mát cao, kính có SHGC thấp thường có lợi hơn đối với những mặt đứng chịu bức xạ mạnh. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng lưu ý rằng các sản phẩm có SHGC thấp được thiết kế cho những vùng khí hậu nóng và tải làm mát cao.
Điều cần lưu ý là SHGC thực tế còn thay đổi theo góc tới của ánh sáng mặt trời. Vì vậy, cùng một loại kính nhưng hiệu quả nhiệt ở hướng Tây, hướng Đông hay một hướng khác có thể không giống nhau.
Có phải kính tạo ra “hiệu ứng nhà kính” trong phòng?
Có một phần đúng, nhưng cần hiểu chính xác hơn.Bức xạ mặt trời đi qua kính sẽ được sàn, tường, đồ nội thất và các bề mặt trong phòng hấp thụ.Các bề mặt này nóng lên rồi truyền nhiệt trở lại môi trường bằng đối lưu và bức xạ sóng dài.
Nếu lượng nhiệt đi vào lớn hơn khả năng thoát nhiệt của không gian, nhiệt sẽ tích lũy và nhiệt độ vận hành trong phòng tăng lên.Vì vậy, không nên diễn giải đơn giản rằng:“Ánh sáng đi vào nhưng kính khóa toàn bộ nhiệt lại bên trong.”
Cơ chế thực tế là sự tương tác giữa:bức xạ mặt trời,
truyền nhiệt qua kính,
bức xạ nhiệt giữa các bề mặt,
thông gió,
khả năng tích nhiệt của vật liệu,
và hệ thống điều hòa.
Đây chính là lý do vật lý kiến trúc cần nhìn công trình như một hệ thống nhiệt, chứ không phải tập hợp những vật liệu riêng lẻ.
Kính thường, kính Low-E và kính hộp khác nhau thế nào?
Không thể gán một U-factor hoặc SHGC cố định cho toàn bộ một nhóm kính.
Thông số thay đổi theo:độ dày kính,
loại coating,
vị trí coating,
số lớp kính,
khoảng cách khoang khí,
loại khí,
khung,
spacer,
màu kính,
và cấu tạo toàn hệ cửa.
Do đó, bảng sau chỉ nên được xem như định hướng nguyên lý chứ không thay thế datasheet của nhà sản xuất.
| Hệ kính | Đặc điểm nhiệt | Khả năng ứng dụng hướng Tây |
|---|---|---|
| Kính đơn trong | U-factor tương đối cao, SHGC thường cao | Không thuận lợi với mặt tiền kính lớn nếu thiếu che nắng |
| Kính màu hoặc kính kiểm soát mặt trời | Giảm một phần năng lượng mặt trời nhưng có thể giảm ánh sáng nhìn thấy | Cần cân bằng giữa SHGC, độ truyền sáng và chói |
| Kính Low-E kiểm soát mặt trời | Có thể giảm truyền nhiệt và giảm solar gain tùy loại coating | Phù hợp hơn cho khí hậu tải lạnh cao |
| Kính hộp Low-E | Cải thiện đáng kể khả năng cách nhiệt; SHGC phụ thuộc coating được lựa chọn | Hiệu quả tốt khi kết hợp thiết kế che nắng |
| Kính hiệu suất cao kết hợp che nắng ngoài | Kiểm soát cả vật liệu và bức xạ trước khi ánh nắng đến kính | Thường là hướng tiếp cận hiệu quả hơn cho mặt đứng Tây |
Kính Low-E không phải một sản phẩm duy nhất.Có Low-E cho phép thu nhiệt mặt trời cao, Low-E trung bình và Low-E kiểm soát solar gain thấp.Vì vậy ghi trên bản vẽ đơn giản:“Kính Low-E”vẫn chưa đủ để xác định hiệu suất nhiệt của mặt tiền.
Cần yêu cầu ít nhất các thông số:U-factor
SHGC
Visible Transmittance – VT
cấu tạo kính
và hiệu suất của toàn hệ cửa.
DOE cũng khuyến nghị đánh giá thông số của toàn bộ hệ cửa thay vì chỉ nhìn giá trị tại phần trung tâm tấm kính.
Sai lầm phổ biến: dùng kính tốt để chữa một hình khối chưa tốt
Đây là vấn đề đáng suy nghĩ trong thiết kế hiện đại.Một mặt tiền được phủ gần như toàn bộ bằng kính hướng Tây tạo ra tải bức xạ rất lớn.
Sau đó người thiết kế cố giải quyết bằng:kính Low-E đắt hơn,
kính hộp,
film chống nóng,
rèm,
máy lạnh lớn hơn.
Về kỹ thuật, những giải pháp này có tác dụng.Nhưng về logic thiết kế thụ động, chúng đang xử lý hậu quả của một quyết định kiến trúc đã được đưa ra trước đó.Một nguyên tắc hiệu quả hơn là:giảm nhiệt trước khi nhiệt chạm vào lớp kính.
Các hướng dẫn thiết kế thụ động cũng nhấn mạnh rằng che nắng cho kính có thể có tác động rất lớn đến tiện nghi nhiệt; đối với hướng Đông và Tây, các giải pháp che nắng đứng hoặc điều chỉnh được đặc biệt hữu ích vì góc nắng thấp.
4 lớp phòng vệ cho mặt tiền kính hướng Tây
Lớp 1: Kiểm soát tỷ lệ kính ngay từ thiết kế
Không phải vị trí nào có view cũng cần làm kính từ sàn đến trần.
Có thể phân tích chức năng từng khu vực để quyết định:
khu vực nào cần tầm nhìn,
khu vực nào cần ánh sáng,
khu vực nào có thể dùng tường đặc,
và khu vực nào thực sự cần kính toàn chiều cao.
Giảm diện tích kính không đồng nghĩa với làm công trình kém hiện đại.
Ngược lại, một tỷ lệ đặc – rỗng hợp lý thường giúp mặt đứng có chiều sâu kiến trúc hơn.
Lớp 2: Che nắng bên ngoài trước khi nâng cấp kính
Đây là một trong những nguyên tắc quan trọng nhất.Nếu tia nắng đã đi xuyên qua kính rồi mới dùng rèm bên trong để cản, phần lớn năng lượng đã vào bên trong lớp vỏ công trình.Che nắng ngoài giúp chặn bức xạ trước đó.
Đối với nắng Tây có góc thấp, giải pháp có thể bao gồm:lam đứng,
lam xoay,
screen bên ngoài,
loggia,
ban công sâu kết hợp màn đứng,
pergola,
lớp façade thứ hai,
hoặc cây xanh tạo bóng.
NREL từng nhấn mạnh việc che nắng mặt đứng phía Tây có vai trò quan trọng trong giảm tải lạnh cực đại.
Một chi tiết rất quan trọng:không có chiều sâu ban công “chuẩn” như 1,2 m hay 2 m cho mọi công trình.
Kích thước phải được xác định từ:vĩ độ,
hướng thực tế của mặt đứng,
chiều cao cửa,
thời điểm cần che nắng,
và quỹ đạo mặt trời.
Một mái đua rất sâu vẫn có thể để nắng chiều góc thấp lọt sâu vào nhà.
Lớp 3: Lựa chọn kính bằng thông số, không bằng tên thương mại
Sau khi hình học mặt đứng đã hợp lý, kính trở thành lớp phòng vệ tiếp theo.Trong điều kiện tải lạnh chiếm ưu thế, cần xem xét đồng thời:SHGC thấp để giảm solar gain,
U-factor phù hợp để hạn chế truyền nhiệt,
VT đủ để duy trì daylight,
độ phản xạ để tránh gây chói cho khu vực xung quanh,
màu sắc kính,
và yêu cầu tiện nghi thị giác.
Kính có SHGC rất thấp nhưng VT quá thấp có thể khiến không gian tối hơn và phải tăng chiếu sáng nhân tạo.Ngược lại, kính quá trong có thể mang lại daylight tốt nhưng solar gain lớn.Thiết kế tốt nằm ở sự cân bằng.
Lớp 4: Mặt đứng hai lớp – Double Skin Facade có phải lời giải tối ưu?
Double Skin Facade thường gồm một lớp vỏ ngoài, một khoang không khí và lớp mặt đứng phía trong.Khi được thiết kế đúng, khoang này có thể hỗ trợ:che nắng,
thông gió,
kiểm soát nhiệt,
cách âm,
và bảo vệ lớp vỏ phía trong.
Sự chênh lệch nhiệt độ trong khoang cũng có thể tạo dòng khí nổi do lực nổi nhiệt.
Nhưng cần tránh một quan niệm nguy hiểm:Double Skin Facade không mặc nhiên đồng nghĩa với tiết kiệm năng lượng.
Các nghiên cứu tổng quan cho thấy hiệu quả của DSF phụ thuộc mạnh vào hình học khoang, hướng công trình, tính chất quang học của kính, vị trí thiết bị che nắng, tốc độ thông gió, khí hậu và chế độ vận hành.
Thậm chí, nghiên cứu về DSF cũng cảnh báo nguy cơ quá nhiệt trong khoang façade nếu thông gió và cấu tạo không được thiết kế thích hợp.
Đối với khí hậu nóng ẩm, đây là điểm đặc biệt quan trọng.DSF nên được mô phỏng nhiệt và luồng khí trước khi trở thành một “giải pháp mặc định”.
Cây xanh có thể làm mát mặt tiền kính đến mức nào?
Cây xanh có giá trị rõ ràng đối với kiến trúc.Tán cây có thể tạo bóng.
Lá cây làm giảm bức xạ trực tiếp lên bề mặt.
Quá trình thoát hơi nước có thể góp phần cải thiện vi khí hậu cục bộ.
Nhưng cây xanh không nên được xem như một “máy điều hòa tự nhiên” đủ sức sửa chữa một mặt tiền kính thiết kế sai.
Hiệu quả còn phụ thuộc vào:
loài cây,
mật độ tán,
độ ẩm,
gió,
lượng nước,
khoảng cách với mặt đứng,
và diện tích phủ xanh thực tế.
Vì vậy, kiến trúc xanh nên sử dụng cây xanh như một thành phần của hệ sinh khí hậu, chứ không phải lớp trang trí để hợp thức hóa một công trình nhiều kính.
Muốn làm full kính hướng Tây, nên bắt đầu từ đâu?
Một trình tự thiết kế hợp lý có thể được hiểu như sau:Hướng công trình → quỹ đạo mặt trời → tỷ lệ kính → bóng đổ → thiết bị che nắng → SHGC → U-factor → daylight → tiện nghi nhiệt → tải lạnh → lựa chọn hệ thống HVAC.
Chứ không nên đảo ngược thành:vẽ mặt tiền full kính → chọn Low-E → tăng công suất máy lạnh.
Sự khác biệt giữa hai quy trình chính là sự khác biệt giữa:kiến trúc dựa trên vật lý và kiến trúc xử lý hậu quả bằng thiết bị cơ điện.
Một mặt tiền kính đẹp chưa chắc là một mặt tiền tốt
Kiến trúc không chỉ tồn tại trong khoảnh khắc chụp ảnh công trình.Nó phải hoạt động mỗi ngày trong 10 năm, 20 năm hoặc lâu hơn.Một mặt tiền kính đẹp vào lúc 9 giờ sáng có thể trở thành một không gian khó chịu lúc 4 giờ chiều.
Một façade gây ấn tượng trong phối cảnh có thể khiến chủ nhà phải trả thêm chi phí điện trong suốt vòng đời công trình.Vì vậy, câu hỏi quan trọng không phải:“Mặt tiền full kính có đẹp không?”Mà phải là:“Mặt tiền đó vận hành như thế nào dưới nắng thật, nhiệt thật và khí hậu thật?”Kiến trúc bền vững bắt đầu từ câu hỏi ấy.
Kiến Trúc KINH BAN https://kientruckinhban.vn/thu-vien/kien-truc-xanh không xem kính hướng Tây là vật liệu cần phải loại bỏ.Kính vẫn có giá trị rất lớn về ánh sáng, tầm nhìn và trải nghiệm không gian.Nhưng mỗi mét vuông kính trên mặt đứng đều là một quyết định về năng lượng, tiện nghi và chi phí vận hành trong nhiều năm sau đó.Vì vậy, định hướng của Kiến Trúc KINH BAN là tiếp cận lớp vỏ công trình theo thứ tự:khí hậu → hướng nắng → hình khối → che nắng → vật liệu → thiết bị.Không dùng công nghệ để sửa một quyết định hình khối chưa hợp lý nếu ngay từ kiến trúc đã có thể giải quyết tốt hơn.Đó cũng là tinh thần của kiến trúc xanh mà KINH BAN theo đuổi:Kiến tạo không gian sống bằng khoa học, trách nhiệm và giá trị bền vững.
KIẾN TRÚC KINH BAN
Kiến tạo từ trật tự-Bền vững từ trí tuệ
Điện thoại: 0978.727.986 và 0938.863.401
Website: kientruckinhban.vn
Email: kinhban.com@gmail.com
Địa chỉ: 496 Lý Thái Tổ, phường Vườn Lài, TP.HCM