BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
------------------

Phạm Thị Hải Hà

GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC THỤ ĐỘNG THEO PHƯƠNG
PHÁP TÍNH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LỚP VỎ BAO
CHE NHÀ CHUNG CƯ CAO TẦNG TẠI HÀ NỘI
Chuyên ngành: Kiến trúc
Mã số: 62 58 01 02
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS.TS Nguyễn Quốc Thông

2. GS.TS Phạm Đình Việt

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - NĂM 2018


i

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng.
Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều
kiện của Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch,
Bộ môn Kiến trúc môi trường và Bộ môn Kiến trúc dân dụng, Trường Đại học Xây
dựng. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Quốc Thông và GS.TS


x
xv

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài luận án

1

2. Mục đích nghiên cứu

2

3. Mục tiêu nghiên cứu

3

4. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

3

5. Nội dung nghiên cứu

3

6. Phương pháp tiếp cận

4

7. Phương pháp nghiên cứu

11

1.1.3. Chỉ số đánh giá hiệu quả năng lượng của lớp vỏ công trình – trị số

12

OTTV
1.2. Tình hình xây dựng công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới và ở

13


iii
Việt Nam
1.2.1. Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng trên thế giới.

13

1.2.2. Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng ở một số nước

15

trong khu vực
1.2.3. Tình hình phát triển công trình hiệu quả năng lượng tại Việt Nam

22

1.3. Thực trạng xây dựng chung cư cao tầng theo hướng hiệu quả năng

24


39

2.2. Cơ sở khí hậu của Hà Nội

41

2.3. Cơ sở lý thuyết

46

2.3.1. Lý thuyết thiết kế kiến trúc chung cư cao tầng

46

2.3.2. Cơ sở tiện nghi môi trường kiến trúc trong nhà ở

49

2.3.3. Các nguyên lý thiết kế kiến trúc thụ động phù hợp với khí hậu Hà

57

Nội
2.3.4. Các phương pháp tính tổng lượng nhiệt BXMT chiếu qua cửa kính

71

có KCCN vào nhà
2.4. Cơ sở thực tiễn


quả năng lượng
3.2. Đề xuất khái niệm và nghiên cứu phương pháp tính toán hệ số hiệu quả

91

năng lượng lớp vỏ bao che
3.2.1. Đề xuất khái niệm về hệ số hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che

91

3.2.2. Nghiên cứu phương pháp tính hệ số hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao

93

che (Khqnl) của nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội
3.3. Các giải pháp kiến trúc thụ động trên cơ sở kết quả tính toán hệ số hiệu

119

quả năng lượng lớp vỏ bao che
3.3.1. Lựa chọn hướng và hình dạng nhà bảo đảm chế độ thông gió tự

121

nhiên đạt hiệu quả cao nhất
3.3.2. Tổ chức kiến trúc mặt đứng hiệu quả năng lượng

124


143


v

NHỮNG CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

147

LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

149

PHỤ LỤC
Phụ lục 2.1. Cường độ tán xạ, tổng xạ trên mặt ngang và trực xạ trên

PHỤ LỤC - 1

mặt đứng trung bình biến thiên trong ngày đặc trưng của từng tháng
mùa nóng ở Hà Nội (số liệu quan trắc thực tế từ 1996 - 2005)
Phụ lục 2.2. Phương pháp tính các hệ số Kcn và Kbt đối với KCCN

PHỤ LỤC - 9

nằm ngang liên tục, thẳng đứng liên tục và hình hộp của Phạm Ngọc
Đăng
Phụ lục 3.1. Chi tiết tính toán thử nghiệm đối với chung cư 17T10.

PHỤ LỤC - 16

BXMT

Bức xạ mặt trời

B

Bắc

CET

Nhiệt độ hiệu quả hiệu chỉnh

ĐHKK

Điều hòa không khí

Đ

Đông

ĐN

Đông Nam

ĐB

Đông Bắc

HVAC


PMV

Chỉ số biểu quyết dự báo trung bình

TP

Thành phố

T

Tây

TN

Tây Nam

TB

Tây Bắc

VKH

Vi khí hậu

UNDP

Chương trình phát triển của Liên Hiệp Quốc

USAID



Hệ số tổng truyền nhiệt – W/m2.K

t

Nhiệt độ không khí - oC

φ

Độ ẩm tương đối - %

v

Tốc độ gió - m/s

Io

Cường độ bức xạ tổng cộng của mặt trời – W/m2

Sđ

Cường độ trực xạ của mặt trời chiếu trên mặt đứng – W/m2

Sng

Cường độ trực xạ của mặt trời chiếu trên mặt ngang – W/m2

Dđ

Cường độ tán xạ của bầu trời chiếu trên mặt đứng – W/m2


Diện tích cửa kính - m2

Ft,m

Diện tích tường, mái - m2

Qt,m

Lượng nhiệt trung bình ngày truyền qua tường hay mái - W

Qcs

Lượng nhiệt truyền qua cửa kính - W


viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sử dụng điện trong công trình xây dựng

10

Bảng 1.2. Phân tích một số mẫu căn hộ 2, 3 phòng ngủ trong các chung cư

29

cao tầng tại một số khu đô thị mới của Hà Nội
Bảng 2.1. Dữ liệu khí hậu của Hà Nội theo Quy chuẩn 02: 2009/BXD

41


58

nhau quay về hướng Bắc – Nam cho Hà Nội
Bảng 2.9. Hiệu quả của KCCN làm giảm % tổng năng lượng tiêu thụ của

69

công trình và giảm thiểu % năng lượng tiêu thụ làm lạnh của hệ
thống ĐHKK
Bảng 3.1. Tổng BXMT (Io, W/m2) chiếu tới mặt nhà, trung bình từ 6h đến

95

18h của 5 tháng mùa nóng ở Hà Nội
Bảng 3.2. Các đường phân giới phân chia bề mặt cửa kính thành 9 phạm vi
khác nhau
Bảng 3.3. Hình thù diện tích phần kính cửa sổ bị chiếu nắng hay được che

100

râm bởi KCCN ngang hữu hạn có thể xảy ra 9 trường hợp khác

102

nhau

103

101


134

Bảng 3.11. Tìm nhiệt trở yêu cầu đối với tường hướng Tây Nam

135

Bảng 3.12. Biến thiên nhiệt trở và nhiệt trở yêu cầu theo chiều dày kết cấu

135

Bảng 3.13. Các ví dụ cấu tạo tường và mái cách nhiệt tốt

136


x
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 0.0. Khái niệm kiến trúc thụ động

xvi

Hình 01. Phương pháp luận nghiên cứu của luận án

7

Hình 02. Sơ đồ cấu trúc chi tiết của luận án

8


28

Hình 1.9. Khu đô thị Royal City, Nguyễn Trãi

28

Hình 1.10. Mặt đứng hướng Tây của chung cư Imperia Garden – Trung hòa

28

Nhân chính
Hình 1.11. Mặt đứng toàn kính của chung cư Keagnam Hanoi Landmark

28

Tower, Mỹ Đình
Hình 1.12. Nhà chung cư cao tầng Dolphin Plaza – Mỹ Đình

29

Hình 1.13. Tổ hợp nhà chung cư cao tầng Mulberry lane – Mỗ Lao

30

Hình 1.14. Tổ hợp căn hộ Ecolife Capitol – Tố Hữu, Nam Từ Liêm

31

Hình 2.1. Biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời tại Hà Nội


46


xi
Hình 2.6. Chung cư Copenhagen’s Malleable Sky village - Rodovre

47

Hình 2.7. Chung cư Interlace, Singapore

47

Hình 2.8. Sơ đồ quan hệ chức năng cơ bản trong căn hộ

48

Hình 2.9. Vùng tiện nghi đề xuất cho người Việt Nam trên biểu đồ nhiệt ẩm

52

Hình 2.10: Dải nhiệt độ tổng hợp tiện nghi kiến nghị cho Hà Nội

52

Hình 2.11. Phân bố t-φ của Hà Nội

53

Hình 2.12. Biểu đồ sinh khí hậu xây dựng Việt Nam

58

Hình 2.18. So sánh chỉ số tiêu hao năng lượng giữa các loại hình khối nhà

60

cao tầng
Hình 2.19. Phân tích thông gió theo các phương án hình dạng và hướng công

61

trình tại độ cao 1,5m trên tổng mặt bằng
Hình 2.20. Sơ đồ phân vùng không gian sử dụng trong căn hộ

61

Hình 2.21a. Thông gió do áp lực khí động

62

Hình 2.21b. Thông gió do áp lực nhiệt

62

Hình 2.22. Nhu cầu năng lượng và tải làm mát giờ cao điểm phụ thuộc hệ số

64

hấp thụ nhiệt bức xạ của bề mặt ngoài nhà
Hình 2.23. Hiệu quả cách nhiệt khác nhau (nhiệt trở R khác nhau) khi sắp xếp


73

định hệ số “Kcn” đối với KCCN là tấm ngang liên tục
Hình 2.27b. Sơ đồ xác định diện tích mặt cửa kính bị nắng chiếu, dùng để xác

73

định hệ số “Kcn” đối với KCCN là tấm đứng liên tục
Hình 2.28. Sơ đồ mảng trời bị tấm che nắng nằm ngang liên tục che khuất

74

không thể chiếu tán xạ xuống mặt cửa kính
Hình 2.29. Ví dụ phần mềm tính toán vẽ bóng đổ của KCCN của Trần Ngọc

76

Chấn
Hình 2.30a: Góc che của KCCN thẳng đứng

77

Hình 2.30b: Góc che của KCCN nằm ngang

77

Hình 2.31. Phương pháp tính toán tính toán nhiệt BXMT chiếu vào nhà đi

78


84

Hình 2.39. Sự biến đổi hình thức thẩm mỹ kiến trúc nhà chung cư cao tầng

85

nhờ công nghệ thi công tiên tiến và sự phát triển của kính và hợp
kim
Hình 2.40: Cân bằng gần đối xứng theo trục dọc - Chung cư Newton Suites
(Singapore)

87


xiii
Hình 2.41. Nhịp điệu theo chiều ngang và đứng - Chung cư The Met
(Thailand)
Hình 2.42: Chung cư Edificio Pueyrredón 1101 ở thành phố Rosario

87

Hình 2.43: Chung cư Borisovskaya

88

Hình 3.1. Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thiết kế công trình hiệu quả năng

90



114

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN
nằm ngang liên tục với 10 kích thước đua ra (Lng/H,) khác nhau
Hình 3.6b. Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

114

6,7,8 theo 8 hướng nhà của KCCN nằm ngang liên tục với 10 kích
thước đua ra (Lng/H)
Hình 3.7a. Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (Khqnl.mn) trung bình

115

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN
thẳng đứng liên tục với 10 kích thước đua ra (Lđ/B) khác nhau
Hình 3.7b. Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

115

6, 7, 8 theo 8 hướng nhà của KCCN thẳng đứng liên tục với 10 kích
thước đua ra (Lđ/B)
Hình 3.8a. Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng (Khqnl.mn) trung bình

116

của 5 tháng mùa nóng của Hà Nội theo 8 hướng nhà của KCCN
hình hộp với 10 kích thước đua ra (Lng/H, Lđ/B) khác nhau
Hình 3.8b. Biến thiên của các hệ số hiệu quả năng lượng trung bình của tháng

123

Hình 3.13. Minh họa giải pháp mặt bằng có lõi sinh thái

124

Hình 3.14. Minh họa giải pháp mặt bằng mở

124

Hình 3.15: Chung cư Unité d'habitation với KCCN đứng, lôgia, tấm che nắng

125

hỗn hợp
Hình 3.16: KCCN là ban công, vách đứng, khối nhà nhô ra

126

Hình 3.17. KCCN là các tấm đứng, là kết cấu ngang phân vị tầng

126

Hình 3.18a. KCCN ngang và góc che đứng α

126

Hình 3.18b. KCCN đứng và góc che ngang β

126


131

Hình 3.26. Lam che nắng linh hoạt

131

Hình 3.27. Kiểu lớp vỏ ”double skin”

131

Hình 3.28. Tấm đứng che nắng linh hoạt

131

Hình 3.29. Minh họa hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

137


xv
GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN
 Nhà chung cư là nhà ở có từ hai tầng trở lên, có lối đi, cầu thang và hệ thống
công trình hạ tầng sử dụng chung cho các hộ gia đình, cá nhân, tổ chức.
 Chung cư cao tầng là nhà chung cư có chiều cao từ 9 đến 40 tầng.
 Tiện nghi nhiệt: là điều kiện của cảm giác thể hiện sự thỏa mãn với môi trường
nhiệt và được quyết định bởi đánh giá chủ quan của con người.
 Lớp vỏ bao che hay còn gọi là kết cấu bao che, bao gồm cửa đi, cửa sổ, tường,
mái, cửa mái, ... trong suốt hoặc không trong suốt, tạo thành các không gian khép
kín bên trong công trình.

Thiết kế thụ động bao gồm: làm mát thụ động; sưởi ấm thụ động và thông gió thụ
động (thông gió tự nhiên). Ngoài ra còn có thiết kế năng lượng mặt trời thụ động
(passive solar design) cũng là một khía cạnh của thiết kế thụ động, tập trung vào tối
đa hóa việc sử dụng năng lượng nhiệt từ bức xạ mặt trời.”
Trang web “Hướng dẫn xây dựng ngôi nhà bền vững - Australia's guide to
environmentally sustainable homes” của Chính phủ Úc [101] đã định nghĩa: “Thiết
kế thụ động là thiết kế tận dụng các điều kiện thuận lợi của khí hậu để duy trì dải
nhiệt độ tiện nghi trong nhà. Thiết kế thụ động làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu sưởi
ấm hay làm mát phụ trợ. Thời gian kinh tế nhất để đạt được thiết kế thụ động tốt là
trong giai đoạn thiết kế đầu tiên.
Các chiến lược thiết kế thụ động là thiết kế phù hợp với khí hậu: chọn hướng
nhà, che nắng, sưởi ấm thụ động, làm mát thụ động; tránh lọt khí; cách nhiệt; khối
nhiệt; chọn vật liệu kính”.
Còn cổng thông tin hàng đầu về xây dựng của Ấn độ Glazette [102] lại đưa ra
khái niệm thiết kế thụ động, thiết kế chủ động, kiến trúc thụ động và kiến trúc chủ
động như ở dưới đây:
“Các kỹ thuật xây dựng sử dụng cả hai tính năng thiết kế chủ động và thiết kế
bị động trong kiến trúc để đảm bảo không gian sống tiện nghi bằng cách sử dụng
các vật liệu chuyên sâu về năng lượng nhằm giảm thiểu sử dụng năng lượng. Thiết
kế chủ động là sử dụng các trang thiết bị trong công trình để thay đổi trạng thái
trong nhà nhằm mục đích tạo ra môi trường nhân tạo thoải mái cho con người bằng


xvii
cách sử dụng năng lượng. Trong khi đó thiết kế thụ động là thiết kế tối đa hiệu quả
năng lượng bằng các giải pháp thiết kế của chính công trình.
Kiến trúc chủ động là các thiết kế của công trình bao gồm các thiết bị cơ khí
chuyển tải năng lượng mặt trời bị hấp thụ từ khu vực này đến khu vực khác của
công trình. Thiết kế chủ động thường sử dụng các thiết bị như hệ thống thông gió,
điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng v.v…

- Chiếu sáng tự nhiên.
- Thiết kế năng lượng mặt trời thụ động.
- Cảnh quan cây xanh, mặt nước.


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài luận án
Theo kịch bản biến đổi khí hậu ở Việt Nam lần thứ 3 do Bộ Tài nguyên và Môi
trường công bố năm 2016 [8], trong thời kỳ 1958 - 2014, nhiệt độ không khí trung
bình năm của cả nước tăng khoảng 0,62oC (khoảng 0,1oC/10 năm). Số ngày nóng (có
Tmax ≥ 35oC) có xu hướng tăng ở hầu hết các địa phương, đặc biệt là ở vùng Đông
Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ và Tây Nguyên, với mức tăng phổ biến là 2 - 3 ngày/10 năm.
Với kịch bản trung bình (kịch bản RCP4.5), dự báo nhiệt độ không khí nước ta đến
cuối thế kỷ 21 sẽ tăng 1,9oC ÷ 2,4oC ở phía Bắc và 1,7oC ÷ 1,9oC ở phía Nam.
Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam, đặc biệt là khí hậu
Hà Nội với đặc trưng mùa nóng có nhiệt độ cao và độ ẩm rất lớn (> 80%), để bảo
đảm vi khí hậu trong nhà đáp ứng yêu cầu tiện nghi nhiệt cần phải sử dụng hệ thống
điều hòa không khí (ĐHKK), mà tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của hệ thống này thường
chiếm tỷ lệ rất lớn trong tổng tiêu thụ năng lượng của công trình. Biến đổi khí hậu
làm cho nhiệt độ tăng lên, mực nước biển dâng cao và gia tăng các hiện tượng khí
hậu cực đoan, số ngày nóng bức trong năm nhiều hơn, cộng thêm tác động của quá
trình đô thị hóa khiến cho cuộc sống ở các thành phố ngày càng ngột ngạt, kết quả là
nhu cầu sử dụng ĐHKK trong các công trình sẽ ngày càng tăng cao để bảo đảm tiện
nghi môi trường trong nhà tại các đô thị của Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng.
Biến đổi khí hậu là do các hoạt động phát triển, chủ yếu là sản xuất và sử dụng
năng lượng phát thải ra nhiều khí nhà kính (GHG) gây ra. Việt Nam đứng thứ 18
trong số các nước đang phát triển với lượng khí thải CO2 (GHG) hàng năm là 122
triệu tấn. Theo thực trạng hiện nay, lượng phát thải khí nhà kính của Việt Nam có thể