Kiến trúc nhiệt đới cần kiểm soát nắng, thông gió và tính đúng hiệu suất điện mặt trời thay vì áp dụng máy móc nguyên lý từ khí hậu ôn đới. Bài viết dưới đây của Kiến trúc 3TA phân tích những yếu tố cốt lõi để tận dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.
Hướng nhà và cách che nắng trong khí hậu nhiệt đới
Kiến trúc ở các nước ôn đới ưu tiên hướng đón nắng để giữ ấm vào mùa đông, còn kiến trúc nhiệt đới đối mặt với bài toán ngược lại gần như quanh năm, che chắn bớt nắng gắt thay vì tìm cách đón thêm.
Vì sao hướng Tây và Đông khó che nắng
Tài liệu kinh điển về kiến trúc nhiệt đới của Koenigsberger, Manual of Tropical Housing and Building, chỉ ra hướng Tây và hướng Đông là hai hướng khó kiểm soát nắng nhất trong khí hậu nhiệt đới, vì góc nắng buổi sáng sớm và buổi chiều muộn ở hai hướng này rất thấp, khó che chắn bằng mái đua hay ô văng ngang thông thường, và nắng chiều hướng Tây còn trùng với thời điểm nhiệt độ không khí cao nhất trong ngày, khiến sức nóng cộng dồn gay gắt hơn. Đây là điểm khác biệt so với kiến trúc ôn đới, nơi hướng Nam bán cầu Bắc được ưu tiên để tối đa hóa lượng nắng đón vào mùa đông cho mục đích sưởi ấm, còn ở khí hậu nhiệt đới mục tiêu chuyển sang hạn chế nhiệt hấp thụ gần như quanh năm.
Với nhà phố có mặt tiền bắt buộc quay hướng Tây theo hình dạng lô đất, cách xử lý thực tế là tập trung vào lam đứng cho mặt tường hướng Tây thay vì lam ngang, vì lam đứng cản được góc nắng xiên thấp hiệu quả hơn lam ngang vốn chỉ phát huy tác dụng tốt với góc nắng cao gần đứng bóng, trong khi việc xoay lại hướng nhà thường khó thực hiện do lô đất đã cố định từ trước. Cây xanh leo giàn hoặc cây thân gỗ cao che bớt mặt tường hướng Tây cũng là giải pháp bổ sung hiệu quả, đặc biệt cho tầng thấp của công trình nơi bóng cây có thể che phủ trực tiếp.
Tính lam và mái đua theo góc nắng
Cách tính lam chắn nắng và mái đua theo góc bóng nắng, gọi là phương pháp shadow angle trong tài liệu thiết kế thụ động nhiệt đới, được hệ thống hóa trong các catalogue thiết kế che nắng của UN-Habitat, dựa trên vĩ độ địa lý và hướng mặt tường cụ thể để tính độ dài mái đua hoặc khoảng cách lam cần thiết để che hết nắng vào giờ cao điểm nhiệt trong ngày. Kiến trúc sư có thể tính độ sâu mái đua hoặc góc lam dựa trên góc nắng cao nhất trong ngày ở vĩ độ công trình, khác nhau đáng kể giữa miền Bắc và miền Nam Việt Nam do chênh lệch vĩ độ từ khoảng 8 đến 23 độ Bắc.
Với công trình ở TP.HCM và các tỉnh phía Nam có vĩ độ thấp gần xích đạo hơn, góc nắng giữa trưa gần như thẳng đứng quanh năm, nên mái đua ngang phát huy hiệu quả tốt cho mặt tường hướng Nam và Bắc, còn công trình ở Hà Nội và các tỉnh phía Bắc có vĩ độ cao hơn, góc nắng mùa đông thấp hơn đáng kể, cần tính lại độ sâu mái đua để vẫn đón đủ ánh sáng tự nhiên vào mùa lạnh thay vì che kín quanh năm như công trình miền Nam. Hướng nhà và che nắng đã xử lý theo đúng logic khí hậu nhiệt đới, còn vật liệu xây dựng bên trong công trình cũng cần cân nhắc riêng về khả năng hấp thụ và tỏa nhiệt.
Khối nhiệt trong khí hậu nóng ẩm
Tường và sàn dày bằng bê tông hay gạch đặc có khả năng hấp thụ nhiệt ban ngày và tỏa chậm lại vào ban đêm, một nguyên lý gọi là khối nhiệt trong thiết kế thụ động, nhưng hiệu quả thực tế của nguyên lý này thay đổi đáng kể tùy loại khí hậu.
Nhà truyền thống cần ưu tiên vật liệu nhẹ
Ở khí hậu nóng khô có chênh lệch nhiệt độ ngày đêm lớn, khối nhiệt lớn hấp thụ nhiệt ban ngày rồi tỏa ra ban đêm khi trời đã mát cho hiệu quả giảm nhiệt rõ rệt, nhưng ở khí hậu nóng ẩm như phần lớn Việt Nam, chênh lệch nhiệt độ ngày đêm thường nhỏ, khiến nhiệt hấp thụ ban ngày khó tỏa hết vào ban đêm và có thể kéo dài cảm giác nóng bức thay vì làm nhà mát hơn. Đây cũng là lý do kiến trúc nhà sàn truyền thống ở Đông Nam Á, bao gồm nhiều vùng tại Việt Nam, ưu tiên vật liệu nhẹ như gỗ và tre kết hợp sàn nâng cao thông gió bên dưới, thay vì tường xây dày đặc, vì thông gió liên tục phù hợp hơn khối nhiệt lớn trong điều kiện độ ẩm cao quanh năm.
Với nhà phố hiện đại xây bằng bê tông cốt thép có khối nhiệt lớn sẵn trong kết cấu, không cần cố tình giảm khối nhiệt này, nhưng cần đảm bảo thông gió tự nhiên đủ mạnh vào ban đêm, ví dụ qua cửa sổ đối lưu hai hướng hoặc giếng trời hút nhiệt, để nhiệt tích trong tường và sàn có đường thoát ra ngoài thay vì tích tụ lại bên trong nhà.
Khi nào tường dày giúp giảm nhiệt
Một số nghiên cứu gần đây về thiết kế thụ động ở khí hậu nóng ẩm ghi nhận khối nhiệt lớn vẫn có thể giảm nhiệt độ đỉnh trong ngày khoảng 2,5 – 5°C so với công trình vật liệu nhẹ, nhưng chỉ khi kết hợp đồng thời với che nắng tốt cho toàn bộ bề mặt tường và thông gió ban đêm hiệu quả, còn nếu thiếu một trong hai yếu tố này, khối nhiệt lớn có thể giữ nhiệt lâu hơn trong nhà thay vì giảm nhiệt như kỳ vọng. Khối nhiệt cần được đặt trong tổng thể cùng với che nắng và thông gió để đạt hiệu quả thực tế, hơn là dùng riêng lẻ như một giải pháp độc lập cho khí hậu nóng ẩm.
Với công trình cải tạo đã có sẵn tường dày nhưng thiếu thông gió tốt, ưu tiên đầu tiên nên là mở thêm đường thông gió tự nhiên và bổ sung che nắng cho mặt tường hướng nắng gắt, trước khi tính đến việc gia tăng thêm khối nhiệt cho công trình, vì khối nhiệt bổ sung mà thiếu hai yếu tố còn lại thường không tạo được lợi ích rõ rệt. Khối nhiệt đã có nguyên tắc áp dụng rõ ràng cho khí hậu nóng ẩm, còn hệ thống pin quang điện áp mái, phần tạo ra điện năng trực tiếp từ ánh nắng, lại cần tính toán hiệu suất theo một cách khác.
Hiệu suất thực tế của điện mặt trời áp mái
Tấm pin quang điện chuyển ánh nắng thành điện năng, nhưng lượng điện thực tế sản xuất ra còn phụ thuộc vào góc nghiêng lắp đặt và nhiệt độ vận hành thực tế, hai yếu tố ít được nhắc đến trong quảng cáo công suất danh định của tấm pin.
Góc nghiêng tối ưu cho tấm pin
Nguyên tắc kỹ thuật phổ biến trong ngành năng lượng mặt trời là đặt góc nghiêng tấm pin gần bằng vĩ độ địa lý của vị trí lắp đặt để đạt sản lượng điện trung bình cao nhất trong cả năm, một quy tắc gần đúng chứ chưa phải công thức chính xác tuyệt đối, vì góc nghiêng cho hiệu suất cao nhất trên thực tế theo các công cụ mô phỏng chuyên dụng thường thấp hơn vĩ độ vài độ, và với vị trí gần xích đạo, tấm pin đặt gần như phẳng lại cho hiệu quả tốt hơn góc nghiêng theo đúng vĩ độ. Việt Nam trải dài từ khoảng vĩ độ 8 đến 23 độ Bắc, nên góc nghiêng phù hợp cho một hệ thống ở TP.HCM khác biệt đáng kể so với một hệ thống lắp tại Hà Nội, và mỗi công trình cần tính riêng theo vĩ độ cụ thể của mình thay vì áp dụng chung một góc nghiêng cho toàn quốc.
Ngoài yếu tố vĩ độ, góc mái sẵn có của công trình, hướng thoát nước mưa và khoảng cách với bụi bẩn tích tụ trên bề mặt cũng ảnh hưởng đến quyết định góc lắp đặt thực tế, nên đơn vị thi công điện mặt trời thường điều chỉnh góc nghiêng lý thuyết theo điều kiện mái thực tế của từng công trình thay vì áp dụng cứng nhắc con số tính theo vĩ độ.
Nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất tấm pin
Công suất danh định ghi trên tấm pin được đo ở điều kiện chuẩn với nhiệt độ tế bào quang điện khoảng 25°C, trong khi nhiệt độ bề mặt tấm pin lắp ngoài trời tại Việt Nam vào ngày nắng gắt có thể lên đến 50 – 65°C do nhiệt độ không khí 30 – 37°C cộng thêm nhiệt hấp thụ trực tiếp từ ánh nắng, khiến hiệu suất thực tế giảm theo hệ số nhiệt độ mà nhà sản xuất công bố, thường khoảng 0,3 – 0,5% cho mỗi độ C tăng thêm so với mức chuẩn. Cộng dồn lại, sản lượng điện thực tế vào những ngày nắng nóng gay gắt có thể thấp hơn công suất danh định khoảng 10 – 20%, một mức chênh lệch cần tính đến khi ước lượng sản lượng điện cả hệ thống thay vì chỉ nhân đơn giản công suất tấm pin với số giờ nắng trong ngày.
Với gia đình lắp điện mặt trời áp mái tại khu vực miền Nam có nhiệt độ trung bình cao hơn miền Bắc quanh năm, nên trao đổi kỹ với đơn vị thi công về mức hiệu suất thực tế dự kiến sau khi trừ hao hệ số nhiệt độ, thay vì chỉ dựa vào con số công suất lắp đặt để ước tính sản lượng điện và thời gian hoàn vốn, vì ước tính quá lạc quan dựa trên công suất danh định có thể kéo dài thời gian hoàn vốn thực tế hơn dự kiến ban đầu. Hướng nhà và che nắng xử lý đúng theo khí hậu nhiệt đới, khối nhiệt kết hợp thông gió hợp lý, và hệ thống pin quang điện tính đúng hiệu suất thực tế, ba khía cạnh này cùng nhau quyết định một công trình tận dụng năng lượng mặt trời hiệu quả đến đâu, hơn là làm theo công thức chung chung áp dụng cho mọi khí hậu.
Bài viết trên đây đã hướng dẫn bạn cách tận dụng năng lượng mặt trời để làm sao mang đến những lợi ích thiết thực nhất cho ngôi nhà của mình. Hy vọng rằng, những nội dung được cung cấp trong bài viết hữu ích đối với bạn.
Không gian bạn hình dung, xứng đáng bắt đầu bằng một bản vẽ thật
Trước khi là một công trình, mỗi dự án của 3TA đều bắt đầu từ một cuộc trò chuyện về cách bạn muốn sống. Để lại thông tin, kiến trúc sư sẽ liên hệ trong vòng 24 giờ, không ràng buộc.