Kiến trúc hiện đại ngày càng sử dụng nhiều hệ kết cấu và hoàn thiện nhẹ như vách thạch cao, tấm xi măng, hệ khung nhẹ, gỗ công nghiệp và các dạng panel lắp ghép.Những giải pháp này đem lại nhiều lợi ích: giảm tải trọng công trình, thi công nhanh, dễ thay đổi công năng và phù hợp với xu hướng xây dựng công nghiệp hóa.

Nhưng về mặt nhiệt học, vật liệu nhẹ thường có một hạn chế đáng chú ý: khả năng tích trữ nhiệt thấp hơn các cấu kiện có khối lượng lớn như bê tông hoặc tường xây đặc.Khi khả năng tích nhiệt thấp, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không gian có thể phản ứng nhanh hơn trước tác động của bức xạ mặt trời, nhiệt ngoài trời và tải nhiệt bên trong.

Một hướng nghiên cứu đang được quan tâm là bổ sung khả năng lưu trữ nhiệt cho cấu kiện nhẹ bằng Phase Change Materials – PCM, hay vật liệu thay đổi pha.Thay vì làm bức tường dày và nặng hơn, PCM tìm cách tăng khả năng tích trữ năng lượng nhiệt ngay trong một lớp vật liệu tương đối mỏng.Đây có thể xem là một dạng “khối lượng nhiệt chức năng” dành cho kiến trúc nhẹ.

1. Vật liệu thay đổi pha PCM là gì?

PCM là nhóm vật liệu có khả năng hấp thụ và giải phóng một lượng nhiệt đáng kể trong quá trình chuyển đổi trạng thái vật chất.Trong ứng dụng công trình, phổ biến nhất là quá trình:rắn → lỏng → rắn

Khi nhiệt độ đạt tới vùng chuyển pha được thiết kế, vật liệu bắt đầu hấp thụ năng lượng để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.Khi môi trường nguội xuống, quá trình diễn ra theo chiều ngược lại: PCM đông đặc và giải phóng lượng nhiệt đã tích trữ.

Khả năng này cho phép PCM đóng vai trò như một bộ đệm nhiệt giữa môi trường và không gian sử dụng.Các nghiên cứu tổng quan gần đây xem PCM là một trong những hướng đáng chú ý để tăng khả năng tích trữ nhiệt cho tường, mái, trần và sàn mà không cần tăng mạnh khối lượng cấu kiện.

2. Điểm khác biệt nằm ở “ẩn nhiệt”

Các vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông, gạch hoặc đá chủ yếu tích trữ năng lượng thông qua nhiệt hiện – sensible heat.

Hiểu đơn giản:Vật liệu hấp thụ nhiệt → nhiệt độ của chính vật liệu tăng lên.

Năng lượng tích trữ có thể mô tả gần đúng bằng: Q = m × cp × ΔT

Trong đó:

Q là lượng nhiệt tích trữ
m là khối lượng vật liệu
cp là nhiệt dung riêng
ΔT là mức thay đổi nhiệt độ

PCM có thêm một cơ chế quan trọng: ẩn nhiệt – latent heat.

Trong vùng chuyển pha:Qlatent = m × Δhf

Trong đó Δhf là ẩn nhiệt chuyển pha của vật liệu.

Điểm đáng chú ý là trong quá trình chuyển pha, PCM có thể hấp thụ một lượng năng lượng tương đối lớn trong khi nhiệt độ vật liệu chỉ thay đổi trong một vùng hẹp.

Vì vậy, PCM không đơn thuần là vật liệu cách nhiệt.

Cách nhiệt làm chậm dòng truyền nhiệt.
PCM lưu trữ nhiệt và dịch chuyển thời điểm nhiệt được giải phóng.

Hai cơ chế này khác nhau và trong nhiều cấu hình có thể bổ trợ cho nhau.

3. Một bức tường có PCM hoạt động như thế nào?

Hãy hình dung một lớp PCM được bố trí trong mặt trong của vách.

Khi nhiệt độ tăng

Khi nhiệt độ của PCM tiến đến vùng chuyển pha:

PCM bắt đầu nóng chảy và hấp thụ nhiệt.

Một phần năng lượng đáng lẽ làm nhiệt độ bề mặt hoặc không gian tăng nhanh sẽ được chuyển sang quá trình thay đổi pha.

Nhờ đó, PCM có thể:

làm giảm biên độ dao động nhiệt;
trì hoãn thời điểm xuất hiện đỉnh nhiệt;
giảm tải nhiệt tức thời trong một số điều kiện;
kéo dài thời gian không gian duy trì trong vùng nhiệt độ dễ chịu.

Khi nhiệt độ giảm

PCM cần giải phóng năng lượng đã tích trữ và trở lại trạng thái rắn.

Đây là giai đoạn thường được gọi là tái sinh nhiệt – thermal regeneration.

Nếu chu trình này hoàn thành, vật liệu có thể tiếp tục hấp thụ nhiệt trong chu kỳ tiếp theo.

Nếu PCM không giải phóng đủ nhiệt và vẫn ở trạng thái lỏng, dung lượng hấp thụ nhiệt của ngày tiếp theo sẽ giảm đáng kể.

Đó chính là một trong những vấn đề quan trọng nhất khi ứng dụng PCM trong thực tế.

Chu trình hoạt động của PCMInfographic gồm hai trạng thái:

Ban ngày: nhiệt tăng → PCM hấp thụ nhiệt → rắn chuyển sang lỏng.

Ban đêm: nhiệt giảm → PCM giải phóng nhiệt → lỏng chuyển về rắn. — Nguyên lý hấp thụ và giải phóng ẩn nhiệt của vật liệu PCM.

4. PCM gồm những loại nào?

Không có một loại PCM duy nhất phù hợp với mọi công trình.

Các hệ PCM thường được chia thành một số nhóm chính.

PCM hữu cơ

Điển hình là paraffin, một số acid béo và hợp chất hữu cơ khác.

Ưu điểm thường gặp:

tính ổn định chu kỳ tương đối tốt;
ít xảy ra hiện tượng quá lạnh ở một số hệ;
có thể lựa chọn nhiều vùng nhiệt độ chuyển pha.

Hạn chế:

độ dẫn nhiệt thường không cao;
một số loại có tính cháy;
cần hệ đóng gói và kiểm soát an toàn phù hợp.

PCM vô cơ

Một nhóm phổ biến là các loại muối ngậm nước.

Ưu điểm có thể bao gồm:

mật độ tích trữ nhiệt cao;
độ dẫn nhiệt có thể tốt hơn một số PCM hữu cơ;
giá vật liệu cơ bản có thể cạnh tranh.

Tuy nhiên, tùy hệ vật liệu có thể xuất hiện:

phân tầng pha;
quá lạnh;
ăn mòn;
suy giảm hiệu suất sau nhiều chu kỳ.

PCM eutectic

Đây là hỗn hợp của hai hoặc nhiều thành phần được phối hợp để tạo ra vùng chuyển pha mong muốn.

Điều này mở ra khả năng thiết kế vật liệu theo yêu cầu nhiệt độ cụ thể của công trình.

Các nghiên cứu hiện nay không chỉ tập trung vào lựa chọn loại PCM mà còn nghiên cứu khả năng cải thiện dẫn nhiệt, độ bền chu kỳ, khả năng chống rò rỉ, an toàn cháy và tác động vòng đời.

5. Làm sao đưa một vật liệu có thể nóng chảy vào bên trong bức tường?

Nếu PCM chuyển từ rắn sang lỏng mà được đưa trực tiếp vào cấu kiện, nguy cơ rò rỉ là điều hiển nhiên.

Vì vậy, công nghệ đóng gói giữ vai trò rất quan trọng.

Vi bao – Microencapsulation

PCM được chứa trong những lớp vỏ cực nhỏ.

Các vi nang sau đó có thể được tích hợp vào:

thạch cao;
vữa;
panel;
composite;
lớp phủ;
một số loại vật liệu hoàn thiện.

Ưu điểm là PCM được phân bố tương đối đồng đều trong vật liệu nền và có diện tích trao đổi nhiệt lớn.

Đóng gói kích thước lớn – Macroencapsulation

PCM được chứa trong:

túi;
cassette;
ống;
panel;
module riêng biệt.

Các module này sau đó được bố trí trong tường, trần, sàn hoặc hệ kỹ thuật.

Cách làm này thuận lợi hơn cho việc kiểm soát lượng PCM, thay thế hoặc bảo trì.

Cả hai phương pháp đều đang được nghiên cứu và ứng dụng tùy theo loại vật liệu, cấu tạo công trình và yêu cầu vận hành.

6. Ứng dụng PCM trong vách ngăn nhẹ

Đây là một trong những hướng ứng dụng đáng quan tâm nhất.

Một vách nhẹ thông thường có thể gồm: tấm hoàn thiện
→ khung xương
→ lớp cách âm hoặc cách nhiệt
→ tấm hoàn thiện phía còn lại.

PCM có thể được bổ sung dưới nhiều hình thức.

Tấm thạch cao tích hợp PCM

Các hạt PCM vi bao được tích hợp vào vật liệu nền của tấm hoặc lớp phủ.

Mục tiêu là tăng khả năng tích trữ nhiệt mà không phải tăng quá nhiều chiều dày và trọng lượng vách.

Panel PCM đặt trong khoang vách

PCM dạng cassette hoặc túi được bố trí giữa hệ khung.

Cấu tạo có thể kết hợp đồng thời với:

bông khoáng;
vật liệu cách âm;
lớp cách nhiệt;
màng kiểm soát hơi ẩm.

Ở đây cần phân biệt rõ:bông khoáng chủ yếu kiểm soát truyền nhiệt và âm thanh; PCM chủ yếu tích trữ và giải phóng năng lượng nhiệt.

Chúng có thể làm việc cùng nhau nhưng không thay thế chức năng của nhau.

So sánh tường nhẹ thông thường và tường có PCMHai mặt cắt đặt cạnh nhau.

Vách thông thường có biên độ nhiệt lớn hơn.

Vách PCM thể hiện đường nhiệt độ phẳng hơn và đỉnh nhiệt xuất hiện trễ hơn. — So sánh khả năng kiểm soát nhiệt của vách nhẹ thông thường và vách tích hợp PCM.

7. PCM không chỉ nằm trong tường

Một tư duy thú vị hơn là coi toàn bộ bề mặt nội thất như một hệ thống quản lý nhiệt phân tán.

PCM có thể được nghiên cứu để tích hợp vào:

Trần

Trần thường có diện tích lớn và tiếp xúc trực tiếp với không khí trong phòng, vì vậy có tiềm năng trao đổi nhiệt đáng kể.

Sàn

Một số nghiên cứu tích hợp PCM vào các lớp sàn nhằm dịch chuyển tải nhiệt và hỗ trợ kiểm soát nhiệt độ bề mặt.

Panel trang trí

Panel tường, vách tiêu âm hoặc module trang trí có thể được thiết kế thêm lõi lưu trữ nhiệt.

Hệ tủ và đồ nội thất

Về nguyên lý, các bề mặt đồ nội thất có diện tích đủ lớn cũng có thể trở thành vị trí tích hợp PCM.

Tuy nhiên, khác với tường và trần, việc đưa PCM vào đồ nội thất cần được đánh giá cẩn thận hơn về:

khả năng truyền nhiệt tới PCM;
tải trọng;
an toàn cháy;
khả năng sửa chữa;
tuổi thọ vật liệu;
chi phí;
khả năng tái chế.

Vì vậy đây vẫn là hướng phát triển cần được đánh giá theo từng sản phẩm thay vì coi là giải pháp phổ quát.

8. PCM thực sự có thể giảm nhiệt độ phòng bao nhiêu?

Không có một con số chung cho mọi công trình.

Đây là điểm cần đặc biệt thận trọng khi đọc các tài liệu quảng bá PCM.

Kết quả phụ thuộc vào:

loại PCM;
nhiệt độ chuyển pha;
lượng PCM;
chiều dày;
vị trí trong cấu tạo;
hướng công trình;
bức xạ mặt trời;
khí hậu;
thông gió;
tải nhiệt bên trong;
lịch sử dụng không gian;
chế độ vận hành điều hòa.

Một tổng quan nghiên cứu năm 2025 về hơn 200 nghiên cứu PCM trong công trình ghi nhận một số trường hợp có thể giảm đáng kể nhiệt độ đỉnh và nhu cầu HVAC, nhưng biên độ kết quả giữa các cấu hình rất lớn. Điều đó cho thấy hiệu quả PCM phải được đánh giá theo từng công trình thay vì lấy một tỷ lệ tiết kiệm cố định để áp dụng chung.

Một nghiên cứu trong điều kiện khí hậu nóng ẩm cũng ghi nhận khả năng giảm nhiệt độ đỉnh đáng kể khi lựa chọn đúng nhiệt độ chuyển pha và kết hợp chiến lược tái sinh phù hợp; đồng thời nghiên cứu này cho thấy việc PCM không đông đặc hoàn toàn vào ban đêm có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống.

Vì vậy câu hỏi đúng không phải là: PCM tiết kiệm được bao nhiêu phần trăm điện?

Mà nên là:Trong cấu hình công trình, khí hậu và chế độ vận hành này, PCM có hoàn thành được chu trình tích nhiệt – xả nhiệt hay không?

9. Nhiệt độ chuyển pha quan trọng hơn việc đơn thuần tăng lượng PCM

PCM chỉ phát huy tốt khả năng tích trữ ẩn nhiệt khi nhiệt độ làm việc đi qua vùng chuyển pha của vật liệu.

Nếu điểm nóng chảy quá thấp, PCM có thể luôn ở trạng thái lỏng.

Nếu điểm nóng chảy quá cao, nó có thể hiếm khi được kích hoạt.

Trong cả hai trường hợp, lợi thế của ẩn nhiệt không được khai thác hiệu quả.

Do đó, lựa chọn PCM cần dựa trên:

dữ liệu khí hậu địa phương;
nhiệt độ vận hành thực tế;
nhiệt độ bề mặt cấu kiện;
lịch sử dụng không gian;
nhiệt độ cài đặt điều hòa;
chiến lược thông gió;
tải nhiệt trong phòng.

Không nên mặc định rằng mọi công trình ở miền Nam Việt Nam đều cần PCM chuyển pha ở cùng một mức nhiệt độ.

10. Bài toán đặc biệt của khí hậu nóng ẩm

Đây là điểm đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam.

Ở một số vùng khí hậu có biên độ nhiệt ngày – đêm lớn, không khí ban đêm đủ mát để hỗ trợ PCM giải phóng nhiệt và đông đặc trở lại.

Nhưng trong khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ ban đêm có thể vẫn tương đối cao.

Biên độ nhiệt ngày – đêm nhỏ khiến quá trình tái sinh PCM trở nên khó khăn hơn.

Một nghiên cứu tổng quan về PCM kết hợp thông gió theo các vùng khí hậu thậm chí cho thấy hiệu quả PCM phụ thuộc rất mạnh vào loại khí hậu và vị trí lớp PCM trong cấu tạo.

Vì vậy, không nên mặc định rằng chỉ cần mở cửa thông gió ban đêm là PCM sẽ được tái sinh hoàn toàn.

Tùy dự án có thể phải nghiên cứu thêm:

thông gió ban đêm có kiểm soát;
thông gió cơ khí;
xả nhiệt bằng HVAC;
kết hợp bề mặt bức xạ;
hệ PCM chủ động;
chiến lược điều khiển theo nhiệt độ.

Một nghiên cứu mới trong điều kiện nóng ẩm cũng cho thấy kết hợp thông gió ban đêm và điều hòa theo chiến lược điều khiển phù hợp có thể hỗ trợ quá trình xả nhiệt của hệ sàn PCM khi nhiệt độ ban đêm cao.

Các phương pháp tích hợp PCMMinh họa ba giải pháp:

PCM vi bao trong tấm thạch cao
PCM dạng cassette trong khoang vách
PCM tích hợp panel trần. — Các phương pháp tích hợp PCM vào tường, trần và vật liệu hoàn thiện.

11. PCM không thay thế cách nhiệt, che nắng hay thiết kế sinh khí hậu

Đây có lẽ là nguyên tắc quan trọng nhất.

Một ngôi nhà hấp thụ quá nhiều bức xạ mặt trời qua mái và kính sẽ không trở thành công trình tiết kiệm năng lượng chỉ vì thêm PCM vào tường.

PCM nên được xem là một lớp trong hệ thống thiết kế nhiệt tổng thể.

Thứ tự ưu tiên hợp lý thường bắt đầu từ: giảm nhiệt xâm nhập
→ kiểm soát bức xạ mặt trời
→ cách nhiệt phù hợp
→ tổ chức thông gió
→ tối ưu diện tích kính
→ giảm tải nhiệt bên trong
→ tận dụng khối lượng nhiệt
→ bổ sung công nghệ lưu trữ nhiệt khi cần thiết.

PCM có thể giúp công trình dịch chuyển và làm phẳng tải nhiệt, nhưng không làm mất đi lượng nhiệt mà công trình liên tục tiếp nhận.

12. PCM và tiện nghi nhiệt: không chỉ nhìn vào nhiệt độ không khí

Mục tiêu cuối cùng của kiến trúc không phải làm cho cảm biến nhiệt độ hiển thị một con số đẹp.

Mục tiêu là con người cảm thấy dễ chịu.

Theo ANSI/ASHRAE Standard 55, tiện nghi nhiệt liên quan đến nhiều yếu tố, bao gồm:

nhiệt độ không khí;
nhiệt độ bức xạ;
độ ẩm;
tốc độ không khí;
mức độ hoạt động;
quần áo của người sử dụng.

Tiêu chuẩn cũng phân biệt các phương pháp đánh giá khác nhau đối với không gian điều hòa và không gian thích ứng tự nhiên.

Vì vậy, khi đánh giá PCM, không nên chỉ hỏi nhiệt độ không khí giảm bao nhiêu độ.

Cần xem xét cả:

nhiệt độ vận hành, nhiệt độ bề mặt, thời gian nằm trong vùng tiện nghi và mức giảm tải HVAC.

13. Những giới hạn chưa thể bỏ qua

PCM là công nghệ nhiều tiềm năng nhưng chưa phải vật liệu hoàn hảo.

Các nghiên cứu hiện nay vẫn tiếp tục giải quyết nhiều vấn đề.

Độ dẫn nhiệt thấp

Đặc biệt ở nhiều PCM hữu cơ, nhiệt truyền vào và ra khỏi vật liệu tương đối chậm.

Nếu truyền nhiệt không đủ nhanh, một phần PCM có thể không tham gia đầy đủ vào chu trình.

Không hoàn thành chu trình nóng chảy – đông đặc

Đây là vấn đề quan trọng trong khí hậu nóng hoặc các công trình hoạt động liên tục.

Rò rỉ

PCM dạng rắn – lỏng cần hệ đóng gói đáng tin cậy.

Suy giảm sau nhiều chu kỳ

Vật liệu cần được đánh giá không chỉ sau vài ngày mà qua số lượng chu kỳ nhiệt lớn.

An toàn cháy

Đặc biệt với một số PCM hữu cơ.

Chi phí

Hiệu quả kỹ thuật chưa chắc đồng nghĩa với hiệu quả kinh tế.

Tác động vòng đời

Một vật liệu giúp giảm điện vận hành nhưng nếu có tuổi thọ thấp, khó tái chế hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng để sản xuất thì hiệu quả môi trường tổng thể cần được đánh giá lại.

Các tổng quan gần đây cũng xác định độ bền, an toàn cháy, khả năng hoàn thành chu trình, chi phí và đánh giá vòng đời là những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu trước khi PCM được triển khai rộng rãi.

14. Góc nhìn thiết kế: đừng hỏi “có nên dùng PCM không?” quá sớm

Khi đứng trước một công nghệ mới, chúng ta thường bắt đầu bằng câu hỏi:Có nên dùng hay không?

Trong thiết kế công trình, câu hỏi đó thường đến quá sớm.

Nên bắt đầu bằng những câu hỏi khác:Công trình đang gặp vấn đề nhiệt gì?

Nhiệt đến từ đâu?

Xuất hiện vào thời điểm nào?

Mức nhiệt ban đêm có đủ thấp để tái sinh PCM không?

Công trình sử dụng điều hòa theo lịch nào?

PCM được đặt ở đâu để trao đổi nhiệt hiệu quả?

Có giải pháp thụ động đơn giản hơn trước khi bổ sung PCM hay không?

Và cuối cùng:Lợi ích năng lượng trong suốt vòng đời có đủ lớn để bù lại chi phí và độ phức tạp của hệ thống không?

Đó mới là cách tiếp cận phù hợp đối với vật liệu công nghệ.

PCM có thể là một lớp “pin nhiệt” trong kiến trúc tương lai

Sự phát triển của kiến trúc nhẹ tạo ra nhu cầu mới: làm thế nào để một cấu kiện mỏng vẫn có khả năng kiểm soát nhiệt tốt? PCM đưa ra một câu trả lời thú vị.Thay vì chỉ tăng chiều dày hay khối lượng vật liệu, chúng ta có thể lưu trữ năng lượng thông qua quá trình thay đổi pha.Nhưng giá trị của PCM không nằm ở việc gọi nó là “vật liệu thông minh”.Giá trị thật sự nằm ở việc:chọn đúng nhiệt độ chuyển pha, đặt đúng vị trí, tạo được chu trình nạp – xả nhiệt và phối hợp đúng với kiến trúc của công trình.Khi đó, PCM có thể trở thành một phần của hệ thống quản lý nhiệt thụ động, giúp công trình giảm dao động nhiệt và giảm phụ thuộc vào hệ thống cơ điện trong những điều kiện phù hợp.

PCM trong khí hậu nóng ẩmSơ đồ nhiệt độ ngoài trời ngày và đêm cùng đường nhiệt độ chuyển pha PCM, thể hiện trường hợp nhiệt độ ban đêm không xuống đủ thấp để PCM đông đặc hoàn toàn. — Khả năng tái sinh PCM trong điều kiện khí hậu nóng ẩm.

Tại Kiến Trúc KINH BAN, chúng tôi nhìn PCM như một công cụ trong hệ sinh thái kiến trúc sinh khí hậu, không phải một giải pháp độc lập.Trước khi bổ sung công nghệ, công trình vẫn cần giải quyết những nền tảng cơ bản như hướng nắng, che nắng, cách nhiệt, tổ chức thông gió, lựa chọn vật liệu và kiểm soát tải nhiệt.Công nghệ chỉ thực sự có giá trị khi nó giải quyết được một vấn đề cụ thể của công trình.Kiến Trúc KINH BAN theo đuổi cách tiếp cận: hiểu khí hậu – hiểu vật liệu – hiểu con người – rồi mới lựa chọn công nghệ.

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