Cửa sổ

Cửa sổ và đặc tính của kính

Mô tả giải pháp

Thiết kế bố trí cửa (cửa sổ, cửa mái, v.v…) đòi hỏi sự chú ý đặc biệt bởi sự đa dạng của các bộ phận công trình hiện có và một số vai trò  quan trọng của cửa sổ.

Có lẽ yếu tố nhiệt là quan trọng nhất do chúng nhận bức xạ mặt trời. Điều này thường có lợi vào mùa đông và bất lợi vào mùa hè. Ngoài ra, mặc dù có nhiều cải tiến đáng kể, cửa kính vẫn thường có giá trị R thấp nhất (hệ số U cao nhất) trong tất cả các bộ phận của lớp vỏ công trình. Cửa sổ và cửa mái đồng thời cũng thu nhận ánh sáng ban ngày cho các công trình và thường cung cấp thông gió theo mong muốn.

Đặc tính của kính

Những đặc tính tốt của kính rất quan trọng bởi chúng kiểm soát lượng ánh sáng ban ngày, chất lượng ánh sáng và lượng nhiệt hấp thụ từ mặt trời vào trong công trình cùng với các yếu tố khác. Những đặc tính này quyết định rất lớn đến tiện nghi nhiệt và tiện nghi thị giác trong một không gian.

Cửa là bất kỳ một lỗ mở nào trên lớp vỏ công trình. Khi lỗ mở đó được phủ bằng một bề mặt mờ hoặc trong suốt (như là cửa sổ hay giếng trời) thì nó được gọi là cửa kính.

Ba trong số các đặc tính quan trọng nhất của vật liệu, lớp phủ và kết cấu xây dựng  tạo nên cửa sổ, giếng trời, tấm xuyên sáng hay các sản phẩm khác được sử dụng để lấy sáng vào công trình bao gồm:

 Độ dẫn nhiệt (trị số U)

 Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC)

 Hệ số xuyên sáng (Tvis)

Các giá trị phù hợp cho những đặc tính kính thay đổi theo khí hậu, kích cỡ và vị trí của ô cửa . Không có loại kính nào là tốt nhất để sử dụng. Không phải là hiếm khi công trình sử dụng 3, 4 hoặc thậm chí là 5 loại kính có lỗ kích thước khác nhau và tại các chiều cao khác nhau của công trình.

Độ dẫn nhiệt (U)

Đối với các bộ phận vỏ công trình không trong suốt, dòng nhiệt cảm biến do chênh lệch nhiệt độ đi qua cửa sổ và giếng trời là một hàm theo hệ số U. Nó đo lường khả năng cách nhiệt của kính tốt như thế nào hay nói cách khác là kính cách nhiệt kém ra sao.

Hệ số U đo lường độ dẫn nhiệt, tốc độ truyền nhiệt trên mỗi đơn vị diện tích, trên mỗi đơn vị nhiệt độ chênh lệch giữa bên nhiệt độ nóng hơn và bên nhiệt độ lạnh hơn. Theo đơn vị SI là W/(m²K) , theo hệ Anh là BTU/(h°F ft²). Điều quan trọng là phải biết loại đơn vị đang sử dụng. Giá trị R là 1/U.

Hệ số U hoặc được đo cho kính (“trung tâm kính”) hoặc cho toàn bộ kết cấu cửa sổ (bao gồm khung và thanh giằng).

Có sự khác biệt đáng kể trong tốc độ dòng nhiệt giữa trung tâm kính, ngoài rìa kính và phần khung của cửa, vì vậy hệ số U của toàn bộ kết cấu cửa sổ là giá trị thường được nhắc đến nhất.  Hội đồng Xếp hạng Sắp xếp Cửa sổ Quốc gia (NFRC) là một cơ quan đáng tin cậy về vấn đề này.

Kích thước khoảng không khí giữa các lớp kính, lớp phủ trên kính, khí gas giữa các lớp kính và kết cấu khung tất cả đều ảnh hưởng đến hệ số U.

Ở vùng khí hậu lạnh, giá trị U thấp thường là đặc tính quan trọng nhất của cửa sổ và một quy tắc theo kinh nghiệm là phải tìm các cửa sổ có giá trị U nhỏ hơn hoặc bằng 0,35 (đơn vị Anh). Ở vùng khí hậu ấm hơn, giá trị U thấp thường ít quan trọng hơn hệ số thu nhiệt từ mặt trời vì sự hấp thu trực tiếp bức xạ mặt trời quan trọng hơn sự dẫn nhiệt qua cửa sổ.

 Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời(SHGC)

Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời(SHGC) đo lường lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời truyền vào trong công trình là bao nhiêu, so với phần bị phản xạ trở ra. Nhiệt từ mặt trời là bức xạ sóng dài (ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng khác không thấy được).

 Đặc tính nhiệt này nhìn chung dựa trên hiệu suất của toàn bộ khối kính chứ không chỉ là kính. Hệ số SHGC phụ thuộc vào loại kính và số lớp kính cũng như màu sắc kính, lớp phủ phản xạ, và phần che của cửa sổ hoặc khung giếng trời.

 Hệ số SHGC là một số vô thứ nguyên giữa 0 và 1. Về mặt lý thuyết, SHGC có thể dao động từ 0 đến 1; trong đó, 1 thể hiện không có sự kháng lại nào (tất cả nhiệt từ mặt trời sẽ đi xuyên qua) và 0 thể hiện sự kháng lại hoàn toàn (không có bất kỳ lượng nhiệt nào đi vào bên trong). Giá trị SHGC của một sản phẩm thực tế thông thường là từ 0.9 đến 0.2.

Việc chọn đúng hệ số SHGC phụ thuộc vào kích thước và vị trí ô cửa cũng như khí hậu và các yếu tố thiết kế khác. Hệ số SHGC cực kỳ quan trọng đối với khí hậu nắng nóng (nơi mà làm mát là vấn đề về nhiệt nổi trội), và bạn thường phải sử dụng kính có hệ số SHGC thấp (dưới 0.4). Các công trình ở khí hậu lạnh thường phải có hệ số SHGC cao hơn để cho phép sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời thụ động và nhằm giảm phụ tải sưởi ấm.

Hệ số SHGC đối với kính không tráng, không phủ màu thông thường có thể là 0.9  trong khi giá trị của nó có thể thấp đến 0.25 hay thậm chí 0.15 đối với một số loại kính đặc biệt. Đối với kính lọc quang phổ, hệ số SHGC có thể độc lập với sự truyền ánh sáng nhìn thấy. Tỉ số giữa ánh sáng và nhiệt hấp thụ mặt trời được sử dụng để đo lường hiệu quả của kính lọc quang phổ và là hệ số xuyên sáng được chia cho hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời.

Truyền nhiệt và phát xạ từ cửa sổ

Hệ số xuyên sáng(VT)

Nhiệm vụ của cửa sổ là đóng vai trò làm nơi để ánh sáng truyền qua. Phần trăm ánh sáng nhìn thấy đi qua một cửa sổ hay bộ kính khác được gọi là hệ số xuyênsáng (Tvis hoặc VLT). Một bức tường mờ sẽ có Tvis là 0%, trong khi một lỗ trống sẽ là 100%; nhiều kính không phủ màu và vật liệu nhựa có Tvis là 90% hoặc hơn. Tvis không đo lường ánh sáng sóng ngắn như UV hay ánh sáng sóng dài như hồng ngoại – mà chỉ là ánh sáng nhìn thấy được.

Nhiều ánh sáng quá cũng không tốt bởi nó có thể gây ra chói và quá nóng. Phủ màu, nấu chảy và tráng có thể được chọn để sản xuất ra bất kỳ Tvis nào; giá trị thông thường là 30 – 80%.

Tvis bị ảnh hưởng bởi màu của kính (kính trong có Tvis cao nhất) cũng như bởi các lớp phủ và số lượng kính. Tvis có thể chỉ phản ánh riêng phần kính của một bộ kính hoặc  cả kính và khung.

Việc biểu diễn phù hợp sẽ phụ thuộc vào mỗi đặc thù phân tích; trong bất kỳ trường hợp nào, các giá trị không thể so sánh được không nên được so sánh. Tất cả các giá trị Tvis đã được NFRC chứng nhận thì có thể so sánh trực tiếp.

Đặc tính thích nghi

Một số hệ thống kính cải tiến có thể thay đổi hệ sốxuyên sáng, hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời, và các đặc tính khác.

• Các cửa sổ tinh thể lỏngthay đổi từ trong đến mờ hay tối khi một điện áp được áp dụng bằng một hệ thống điều khiển, nâng cao sự riêng biệt nhưng không làm thay đổi sự hấp thu nhiệt từ mặt trời của chúng.
• Lớp phủ nhiệt sắcchuyển từ sáng sang tối ở nhiệt độ cao (thông thường khi bị chiếu bởi ánh sáng trực tiếp), làm giảm Tvis và SHGC.
• Lớp phủ đổi màuchuyển từ sáng sang tối khi bị chiếu sáng; nhiều loại mắt kính sử dụng đặc tính này.
• Lớp phủ điện sắcthay đổi từ sáng sang tối khi một điện áp được áp dụng bởi một hệ thống điều khiển, cũng làm giảm thiểu hệ số Tvis và SHGC.

   

                 Màng LCD được mở hoặc tắt nhằm cung cấp các lớp phủ rõ hay phân tán.

Một số biến quan trọng khác cần xem xét với cửa sổ hay những ô cửa khác là hệ số thâm nhập,  góc phân bố ánh sáng, sự ngưng tụ và âm học.

Sự xâm nhập là không khí rò rỉ qua khung của một bộ kính. Việc làm chặt bộ kính có thể tăng giá trị U hiệu quả lên 10% hoặc hơn.  Hệ số rò rỉ tiêu chuẩn là 0.3 CFM/ft2 (0.0015 m/s) trong khi bộ kính chặt có thể thấp xuống 0.02 (0.0001) hay ngay cả 0.01 CFM/ft2 (0.00005 m/s).

Góc phân bố ánh sáng là hướng ánh sáng được truyền vào trong công trình. Cửa sổ thông thường cho phép ánh sáng đi thắng, trong khi các bộ kính cải tiến có thể phản xạ lại ánh sáng theo các góc khác nhau, hay truyền phân tán khắp phòng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với giếng trời.

Sự ngưng tụ có thể xuất hiện trong các bộ kính khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn từ bên trong ra bên ngoài. Ngoài việc khó nhìn, nó có thể gây ra nấm móc không có lợi cho chất lượng không khí trong nhà. Các bộ kính tốt kiểm soát được sự ngưng tụ.

Tiêu âm rất có ích vì kính thông thường truyền âm nhiều hơn tường. Tiếng ồn có thể là vấn đề đối với công trình ở các khu vực ồn ào. Một số bộ kính có sự tiêu âm tốt hơn các loại khác, đặc biệt các kết cấu kính nhiều lớp mà khung của chúng sử dụng độ dày kính khác nhau và các lớp vật liệu khác nhau.

Cách bố trí và diện tích ô cửa

Mô tả giải pháp

“Ô cửa” đề cập đến bất cứ nguồn ánh sáng tự nhiên nào, gồm có cửa sổ, giếng trời, các lỗ mở và bất cứ bề mặt trong suốt hoặc mờ khác.

Cách bố trí và diện tích ô cửa rất quan trọng bởi vì việc sử dụng khéo léo cửa sổ và giếng trời có thể mang lại tiện nghi nhiệt và thị giác thụ động, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.

Cách bố trí và diện tích kính có thể đo đạc bằng các mô hình 3D hay bản vẽ 2D và quan trọng đối với tiện nghi nhiệt và thị giác.

Diện tích ô cửa

Chiếu sáng mặt bên

Ô cửa lớn hơn không hẳn là tốt hơn. Chúng có thể gây ra tổn thất nhiệt hay hấp thu nhiệt quá lớn hoặc quá sáng và chói.

Lưa chọn kích thước ô cửa hợp lý (“kích thước hợp lý”) là yếu tố quyết định.

Một trong những thước đo ô cửa là tỉ số Cửa sổ và Tường (WWR):

 

Tỉ số diện tích cửa sổ – tường = Diện tích thực của kính / Tổng diện tích tường

Trong đó, “diện tích thực của kính” chỉ tính phần trong suốt của cửa sổ, không tính song cửa hay khung cửa (thường thì diện tích thực của kính chiếm khoảng 80% tổng diện tích cửa sổ), và “tổng diện tích tường” tính theo chiều cao tường mặt ngoài . Một nguyên tắc chung cho thấy rõ tỉ số cửa sổ và tường nên thấp hơn hoặc bằng 40% để bảo đảm cách nhiệt cho vùng khí hậu lạnh, mặc dù ngày càng có nhiều cửa sổ cải tiến có giá trị R lớn hơn (giá trị U thấp hơn) cho phép tỉ số lớn hơn.

Ở những vùng khí hậu ấm, tỉ số lớn hơn vẫn chấp nhận được ngay cả cửa sổ không được cách nhiệt tốt, miễn là cửa sổ được che chắn tốt để tránh nhiệt mặt trời.

Một thước đo khác cần được chú ý nhằm lựa chọn kính phù hợp từ cửa sổ bên là tỉ số cửa sổ và sàn (WFR).

Nguyên tắc tính ngưỡng chiếu sáng mặt bên đó là tỉ số cửa sổ và sàn, nhân cho hệ số truyền ánh sáng thấy được (VLT hay Tvis) của cửa sổ, nên là:    0.15 < VLT x WFR < 0.18

Các tỉ số cửa sổ và tường khác nhau và độ chiếu sáng tương ứng

Chiếu sáng trần

 Lấy sáng qua ô cửa trần mang lại nhiều ánh sáng hơn so với chiếu sáng qua ô cửa mặt bên, do đó cần ít diện tích hơn. Tương tự với tỉ số diện tích cửa sổ – tường, ở đây sử dụng tỉ số diện tích giếng trời – mái (SRR), là tỷ lệ diện tích thực của kính chia cho tổng diện tích mái. Nguyên tắc chung đó là SRR phải nằm trong khoảng 3% – 6%.

Giếng trời hình ống đòi hỏi tỉ số SRR thấp hơn nhiều so với giếng trời truyền thống, chỉ xấp xỉ 1% – 2%.

Có thể dùng công thức đơn giản sau dể tính một giếng trời hình chữ nhật:

Diện tích của một giếng trời = (Chiều cao sàn đến trần x 1.5)2xSRR

Cách lựa chọn kích thước phù hợp. Trước tiên lấy SRR bằng 5% và hiệu chỉnh dựa vào khí hậu và công năng công trình. Ví dụ với trần cao 12’ và tỉ số giếng trời và mái là 5%, kích thước phù hợp của giếng trời sẽ xấp xỉ: (12 x 1.5)2 x 5% = 16.2 ft2.  Do đó, nên sử dụng giếng trời kích thước 4’x4’ hay 8’x2’ để phân bố ánh sáng tốt.

Tuy nhiên, diện tích ô cửa không phải là tất cả. Kích thước ô cửa phù hợp phụ thuộc vào vị trí của nó trong công trình, hướng của công trình và những đặc tính của kính.

Vị trí ô cửa trong chiếu sáng tự nhiên

Vị trí ô cửa rất quan trọng. Như đã đề cập ở phần hướng công trình, cửa sổ và các lỗ mở xoay về phía đường đi của mặt trời nhận được nhiều ánh sáng trực tiếp hơn so với khi nó xoay về hướng khác. Tuy nhiên, chiếu sáng tự nhiên nhiều không hẳn đã tốt hơn. Quá nhiều ánh sáng vào phòng có thể gây chói và nóng. Xem thêm đo đạc ánh sáng trong thiết kế chiếu sáng.

Phân bố ánh sáng đồng đều rất quan trọng để chiếu sáng tự nhiên được tốt, vì vậy các ô cửa cần được phân bố đồng đều. Các ô cửa bố trí theo dãy liên tục thì thậm chí tốt hơn và các ô cửa bố trí trên nhiều mặt thường là tốt nhất. Ngược lại, phòng có thể có các “điểm nóng” cả về nhiệt độ và độ sáng. Thường điều này được kết hợp với dãy cửa sổ nằm ngang được lắp trên cao (nhằm tránh chói và ánh sáng phản xạ từ trần), hay cửa sổ được bốtrí theo hướng dọc cách đều nhau đạt đủ chiều cao của phòng.

Cửa sổ phân bố đồng đều ở 2 tường sẽ cung cấp ánh sáng phân phối tốt

Chiếu sáng mặt bên

Ánh sáng từ các ô cửa mặt bên giống như cửa sổ chỉ có thể chiếu sáng vào trong phòng ở một mức độ nào đó. Đó là lý do vì sao mặt bằng sàn nông được đề xuất nhằm lấy sáng tự nhiên cho các tòa nhà cao tầng.

Một nguyên tắc cơ bản đối với hầu hết các vĩ độ đó là ánh sáng tự nhiên chiếu vào phòng một khoảng gấp 2.5 lần chiều cao mép trên của cửa sổ.

                                         

                            

                                     Chiếu sáng mặt bên chỉ đưa ánh sáng vào phòng tối đa một khoảng nào đó

Cửa sổ xoay về hướng tránh đường mặt trời thay vì hướng xích đạo sẽ tạo ra độ chiếu sáng đồng đều nhất, mặc dù không phải là sáng nhất. Cửa sổ hướng Đông và Tây có thể cho ánh sáng rất sáng vào buổi sáng hay tối nhưng lại thiếu sáng nhiều thời điểm khác trong ngày, và rất dễ bị chói. Cửa sổ hướng về đường mặt trời nhận được ánh sáng sáng nhất; chúng cũng có thể bị chói nhưng độ chói dễ dàng kiểm soát hơn so với tường hướng Đông và Tây.

Cửa sổ ở các mặt khác nhau mang lại lượng ánh sáng tự nhiên có ích cũng khác nhau (mũi tên thẳng) và gây chói (mũi tên răng cưa).

Ở vùng vĩ độ trung bình và vùng gần với xích đạo, giếng trời sẽ tạo ra độ chiếu sáng ổn định và sáng nhất, nhưng ở những vĩ độ gần cực sẽ ít sáng hơn và ít ổn định hơn.

Chiếu sáng trần

Ô cửa cao hơn thường hiệu quả hơn trong việc mang lại ánh sáng đi sâu hơn vào trong phòng. Thường là kính ở mái.

Giếng trời không chỉ là loại ô cửa để lấy sáng qua mái. Các chiến lược thiết kế “chiếu sáng mái” bao gồm cửa mái, kiểu nghiêng và các kiểu răng cưa hay dạng chụp khác. Mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm của riêng nó về mặt chi phí xây dựng và cách chúng mang ánh sáng vào trong phòng vào các thời điểm khác nhau trong ngày và trong năm.

                                      

                                                                                Các loại chiếu sáng trần

Ánh sáng trần thường sáng hơn ánh sáng mặt bên tính trên mỗi đơn vị diện tích, với cùng đặc tính của kính.

Một ước tính tương đối đối với vùng có vĩ độ ôn hòa thì dạng cửa mái dọc có thể mang được gấp đôi ánh sáng vào phòng so với loại cửa sổ quan sát, loại cửa mái có góc nghiêng có thể mang vào phòng gấp 3 hay nhiều hơn phụ thuộc vào góc nghiêng và một giếng trời ngang mang ánh sáng vào phòng gấp 5 lần so với cửa sổ quan sát.

Các tấm chắn thường được sử dụng trong thiết kế chiếu sáng trần nhằm hướng ánh sáng có ích vào phòng, và vát mép các lỗ mở có thể giúp ánh sáng lan tỏa rộng hơn vào phòng.

          

                                        Hai loại vát mép lỗ mở

Ô cửa chiếu sáng và Cửa sổ quan sát

Thiết kế chiếu sáng tự nhiên tốt cần xem xét tách biệt giữa ô cửa chiếu sáng với cửa sổ quan sát, ngay cả khi một loại cửa sổ như nhau được sử dụng cho cả hai trường hợp.

Cửa sổ chiếu sáng tự nhiên có kích thước tối ưu, vị trí lắp đặt và tính chất kính khác với cửa sổ quan sát.  Cửa sổ sử dụng cho cả 2 chức năng thường làm giảm hiệu suất.

Các ô cửa chiếu sáng tự nhiên tốt nhất nên bố trí càng cao càng tốt trên tường hay trần nhằm đưa ánh sáng vào sâu hơn trong phòng.

Tuy nhiên, cửa sổ quan sát phải phù hợp với tầm mắt người sử dụng ở cả 2 trạng thái đứng và ngồi. Cửa sổ quan sát thường có xu hướng rộng trong khi cửa sổ lấy sáng tự nhiên có thể nhỏ hơn.

Đối với cửa sổ lấy sáng tự nhiên cần khuyếch tán ánh sáng đồng đều thì cửa sổ quan sát cần có tầm nhìn rõ. Việc này giúp tránh chói cho cửa sổ quan sát. Thường thì mái hắt và/hay tấm phản xạ ánh sáng được đặt giữa cửa sổ lấy sáng tự nhiên và cửa sổ quan sát nhằm tạo bóng che cho cửa sổ quan sát đồng thời khuyếch tán và phản xạ ánh sáng từ cửa sổ lấy sáng tự nhiên. Cửa sổ quan sát cũng có thể được phủ màu nhiều hơn so với cửa sổ lấy sáng tự nhiên nhằm tránh chói.

                                                                         

                                                                               Cửa sổ lấy sáng tự nhiên và cửa sổ quan sát