Khối thể tích tổng thể

Mô tả giải pháp

Khối thể tích tổng thể được quyết định bởi hình dạng và kích cỡ tổng thể của công trình. Liệu công trình sẽ cao hay thấp, dài hay ngắn, có nhiều lỗ rỗng hay là một khối đặc?

Khổi thể tích tổng thể hợp lý sẽ sử dụng hình dạng và kích cỡ của công trình để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ càng nhiều càng tốt đồng thời tận dụng tối đa năng lượng từ mặt trời hay năng lượng gió

Trong hình dưới đây, bạn có thể thấy một vài chiến lượng khối thể tích tổng thế: Công trình hình chữ O ở giữa, một khối công trình ở bên phải với khối thể tích nhô ra phố, và tòa nhà rộng bên phải với mái vòm. Rất nhiều thiết kế được lựa chọn vì vấn đề thẩm mỹ, nhưng chiến lược khối thể tích tổng thể rất quan trọng cho hiệu quả năng lượng.

                                       

Đối với nhiều loại công trình, khối tích tổng thể (massing – từ này sẽ được dùng như 1 từ viết tắt cho các nội dung về sau) là một trong những yếu tố quan trọng trong đối với tiện nghi nhiệt thụ động và sử dụng chiếu sáng tự nhiên, nhưng các yếu tố này thường không được tính tới sau khi hình khối  tổng thế được thiết kế xong.

Băt đầu chiến lược thiết kế thụ động cùng với thiết kế hình khối công trình là bước rất quan trọng, làm như vậy để diện tích bề mặt tiếp xúc với ánh nắng mặt trời vào những thời điểm khác nhau trong ngày, chiều cao và chiều rộng công trình đều có thể được tối ưu hóa cho tiện nghi thụ động.

Trong hình dưới đây, “Phương án 2” có diện tích tương tự như “Phương án 1” nhưng năng lượng sử dụng ít hơn một nửa, bởi vì thiết kế hình khối tổng thể tốt hơn.

                                 

Massing thành công cũng có thể tận dụng lợi thế của các điều kiện thiên nhiên khác, chẳng hạn như lưu trữ nước mưa, có thể giúp xây dựng cải thiện sức sống cho hệ sinh thái xung quanh, cho xã hội và kinh tế cộng đồng.

Ví dụ, nó có thể kết nối các không gian xã hội với cuộc sống đường phố, hoặc tránh che khuất vùng đất hoang dã gần đó, hoặc có thể chỉ hướng giao thông ra khỏi khu vực sinh thái nhạy cảm.

Quyết định massing phụ thuộc vào chi tiết cụ thể của khu đất và các mục tiêu dự án. Công cụ BIM có thể cung cấp thiết kế với phân tích năng lượng ban đầu để kiểm tra các phương án massing khác nhau.

Phân tích này có thể được tính tới cùng với các đặc tính của khu đất như dạng đất tự nhiên, các tòa nhà xung quanh, hoặc tác động của thực vật đến hiệu suất của thiết kế.

Các đặc tính đó có thể tính đến như yếu tố che nắng hay làm thay đổi hướng gió, vì vậy chúng đặc biệt quan trọng đối với tiện nghi nhiệt và chiếu sáng ban ngày. Các đặc tính này cũng có thể ảnh hưởng đến tiện nghi âm thanh, thu nước mưa và các yếu tố đem lại hiệu quả khác.

Massing cho sự tiện nghi thị giác

Trong khi điều kiện hiện trạng khu đất luôn luôn cụ thể, có một số chiến lược chung cho sử dụng Massing để tối đa hóa năng lượng chiếu sáng ban ngày và tiện nghi.

Rất khó để có ánh sáng ban ngày phù hợp và khó kiểm soát ánh sáng chói từ cửa sổ hướng Tây và hướng Đông.

Tuy nhiên, đối với mặt của tòa nhà nhận ánh nắng mặt trời trực tiếp (phía bên kia của đường xích đạo) thường dễ che chắn bằng cách sử dụng ô văng hoặc cửa chớp và mặt đứng của tòa nhà đối diện có ít hoặc không có ánh sáng chói.

                                                 

                                                                               

          Ánh sáng ban ngày hữu ích (mũi tên thẳng) và ánh sáng chói không mong  muốn (mũi tên răng cưa) trên các mặt khác nhau của tòa nhà.

Vì vậy, nói chung các tòa nhà nằm trên trục Đông-Tây có chiếu sáng ban ngày và tiện nghi thị giác tốt hơn.

                                      

                                                                                                                

                       Massing tốt hơn và xấu hơn cho chiếu sáng ban ngày

Bằng cách sử dụng giếng trời, các tòa nhà một tầng có thể dễ dàng đạt được chiếu sáng tốt trong cả ngày dù chúng rộng thế nào.

Tuy nhiên, các tòa nhà một tầng thường không sử dụng đất một cách tối ưu. Để chiếu sáng ban ngày tốt, các tòa nhà lớn hơn và cao hơn nên mỏng hơn để tối đa hóa tiềm năng chiếu sáng từ cửa sổ bên.Việc này đồng thời tạo nhiều hướng nhìn khác nhau.

Các tòa nhà lớn có thể nhận được nhiều ánh sáng vào không gian hơn bằng cách tạo sân trung trong, hoặc bớt đi theo hình thức tòa nhà . Tăng chiều cao của mỗi tầng để các cửa sổ cao hơn, giúp kéo ánh sáng vào tòa nhà nhiều hơn nữa.

Cắt khoét ở chân tòa nhà có thể cung cấp ánh sáng tốt.

                                                  

                                                                          Massing cho Tiện nghi nhiệt

Giống như việc thiết kế massing có quan tâm tới chiếu sáng tự nhiên, thông thường thiết kế hình khối tổng thể tòa nhà dài theo hướng trục đông-tây cho tiện nghi nhiệt tốt hơn vì tận dụng lợi thế mặt trời không chiếu vào các mặt phía Bắc và ít ở mặt phía Nam.

Trường hợp này không giống như chiếu sáng ban ngày, các tòa nhà mỏng hơn có thể không tốt hơn, nó phụ thuộc vào khí hậu và kế hoạch vận hành của dự án.

Thông gió tự nhiên

Tòa nhà mỏng làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt. Điều này sẽ làm cho việc sử dụng thông gió tự nhiên làm mát thụ động dễ dàng. Ngược lại, một mặt bằng sàn sâu sẽ làm cho không khí thông gió tự nhiên khó khăn , đặc biệt là khi đi vào lõi của việc tòa nhà và có thể yêu cầu thông gió cơ khí.

Nhà cao tầng cũng làm tăng hiệu quả của hệ thống thông gió tự nhiên, bởi vì tốc độ gió cao hơn ở những độ cao lớn hơn.

Điều này cải thiện không chỉ thông gió chéo mà còn thông gió đối lưu từ dưới lên.

                                                  

 Nhà cao tầng thường sẽ tốt hơn với hệ thống thông gió tự nhiên, công trình ở vĩ độ thấp hơn sẽ ít tiếp xúc với ánh nắng mặt trời hơn

Làm thế nào để có được hiệu quả thông gió tự nhiên trong tòa nhà của bạn ? Dưới đây là một số quy tắc chính cho hai kịch bản mà các cửa sổ đang đối mặt với hướng gió chính:

Với các không gian các cửa sổ trên chỉ có một bên, thông gió tự nhiên sẽ không đi xa hơn hai lần chiều cao từ sàn đến trần nhà.

Với các không gian với các cửa sổ trên các cạnh đối diện , giới hạn hiệu quả thông gió tự nhiên sẽ ít hơn năm lần so với chiều cao từ sàn đến trần nhà.

Khi lập quy hoạch đô thị, đặc biệt trong vùng khí hậu mà thời gian nóng chiếm ưu thế, các tòa nhà tăng dần chiều cao sẽ giảm thiểu những cơn gió tốc độ cao ở cao độ của người đi bộ và có thể làm ảnh hưởng tiện nghi nhiệt. Sự khác biệt chiều cao giữa các tòa nhà lân cận không được vượt quá 100%.

Năng lượng bức xạ măt trời và truyền nhiệt

Trong khi các tòa nhà mỏng và cao có thể nâng cao hiệu quả thông gió tự nhiên để làm mát các tòa nhà, nó cũng sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với truyền nhiệt thông qua vỏ tòa nhà.

Đôi khi điều này là tốt, đôi khi không.

Ở vùng khí hậu lạnh, thiết kế massing có xu hướng làm giảm thiểu tỷ lệ diện tích bề mặt (gần giống một khối lập phương hoặc bán cầu) để có thể tránh mất nhiệt không mong muốn.

Nhiệt mặt trời có nhiều thuận lợi, nhiều diện tích bề mặt được chiếu nắng sẽ giúp cung cấp thêm nhiệt một cách thụ động. Mặt bên của tòa nhà có ánh nắng mặt trời có thể tăng lên và giảm đi diện tích bề mặt tại các hướng khác của tòa nhà.

Ở vùng khí hậu nóng, các tòa nhà mỏng với bề mặt lớn nhất tiếp xúc với ánh nắng mặt trời sẽ làm cho tòa nhà nhận nhiệt mặt trời theo cách không mong muốn. Các thiết bị che nắng và cửa sổ tốt có thể được sử dụng để giảm bức xạ trong khi vẫn cho phép thông gió tự nhiên.

Tòa nhà cao cũng có thể làm giảm hấp thụ nhiệt không mong muốn ở vùng khí hậu nóng, ở các vùng có vĩ độ thấp, ấm áp, nhiệt của mặt trời tấn công mạnh mẽ hơn trên mái so với trên bề mặt những bức tường ngoài và tòa nhà cao tầng thường có ít diện tích mái.

Điều quan trọng là phải nhớ rằng nhiệt của mặt trời không đến từ mọi hướng giống như ánh sáng ban ngày. Bức tường đối diện với ánh nắng mặt trời nhận nhiều ánh sáng và nhiệt nhất.

Cửa sổ hướng ra khỏi đường đi của ánh nắng mặt trời vẫn có thể nhận được một lượng lớn ánh sáng khuếch tán, nhưng không tăng nhiệt (và có thể có sự mất nhiệt quá mức).

Cửa sổ hướng về phía đông được sưởi ấm vào buổi sáng khi nó thường được ưa thích vì nó giúp phá vỡ cái lạnh của đêm, nhưng cửa sổ phía tây sẽ làm nóng vào buổi chiều khi không gian nói chung là đã ấm áp.

                                        

Thiết kế khối tích tổng thể có quan tâm tới sức nóng mặt trời (màu cam) có thể cho các kết quả khác so với khi thiết kế massing cho chiếu sáng ban ngày (màu vàng).

Xây dựng chương trình

Thiết kế massing hợp lý phụ thuộc vào kế hoạch vận hành của tòa nhà.

Các tòa nhà dân cư thưa thớt với rất ít hoạt động hoặc các thiết bị, chẳng hạn như nhiều căn nhà bên trong, dạng tòa nhà này có ít nhiệt thừa sinh ra bên trong công trình.

Ở vùng khí hậu lạnh, họ thường thiết kế mặt bằng sàn nhỏ gọn để tránh mất nhiệt ra bên ngoài. Điều này giảm thiểu tỷ lệ diện tích bề mặt, làm giảm sự mất nhiệt do gió và làm mát bức xạ.

Mặt khác, các tòa nhà dân cư đông đúc với các nhiều các hoạt động và các thiết bị sử dụng năng lượng cao tạo ra rất nhiều nhiệt, gây ra tải làm mát từ bên trong cao.

Vì vậy, ngay cả ở vùng khí hậu lạnh, có thể sẽ thuận lợi cho các tòa nhà như vậy nếu thiết kế mặt bằng sàn mỏng hơn, để được làm mát thụ động hoặc không cần sử dụng thiết bị.

Thiết kế massing tinh tế có thể đi xa hơn nữa để tối ưu hóa nhiệt hấp thụ hoặc tối ưu hóa làm mát. Ví dụ :

Mái nhà có thể nghiêng góc thích hợp để nhận nhiệt sưởi ấm tối ưu từ ánh nắng mặt trời.

Ô văng có thể phần đổ bóng tới các bộ phận khác của cùng một tòa nhà.

Thiết kế hình dạng cong theo khí động học có thể làm giảm sự mất nhiệt từ thẩm thấu không khí.

Vùng đệm nội thất có thể được đặt ở phía tây của tòa nhà để bảo vệ phòng khách và các khu vực làm việc khỏi ánh nắng mặt trời nóng vào buổi chiều ( ví dụ cầu thang , nhà vệ sinh , hành lang vào , vv)

Cho dù thiết kế Massing của bạn là đơn giản hay phức tạp, bạn nên mô phỏng mô hình năng lượng cơ bản (đơn giản) cho nhiều tùy chọn khác nhau.

                                       

                          Tòa nhà mỏng hơn sẽ mất nhiều nhiệt hơn ra bên ngoài.

                                          

Hướng nhà

Mô tả giải pháp

Hướng đơn giản là những gì la bàn hướng theo mặt nhà. Liệu nó có phải đối diện trực tiếp phía nam? Hay là 80° đông- đông bắc?

Cùng với thiết kế hình khối tổng thể (massing), xác định hướng là bước quan trọng nhất trong việc đảm bảo tiện nghi nhiệt thụ động cho tòa nhà.

Cũng như tiện nghi thị giác, việc định hướng cần được quyết định sớm cùng với lựa chọn massing trong quá trình thiết kế, bởi một yếu tố không thể tối ưu hóa mà không có yếu tố kia.

Việc định hướng được đo bằng góc phương vị của một mặt so với hướng bắc.

Định hướng thành công sẽ giúp giảm thiểu tải năng lượng và tối đa hóa năng lượng từ mặt trời và gió.

Xác định hướng thành công cũng có thể tận dụng lợi thế của điều kiện khu đất, chẳng hạn như thu nước mưa nhờ gió thịnh hành.

Việc này thậm chí có thể làm cho công trình giúp cải thiện sức khỏe cộng đồng xã hội, kinh tế, chỉ bằng cách đơn giản là định hướng sân trong hoặc dạng không gian xã hội khác kết nối với cuộc sống đường phố.

                                      

                                                       Các hướng nhà khác nhau

                                        

                                       Một định hướng của tòa nhà được đo bằng góc phương vị.

Định hướng cho tiện nghi thị giác

Đối với thiết kế massing để đạt tiện nghi thị giác, các tòa nhà thường nên quay hướng Đông-Tây hơn là Bắc-Nam. Hướng này cho phép bạn luôn khai thác ánh sáng ban ngày và kiểm soát được ánh sáng chói ở các mặt của tòa nhà.

Nó cũng cho phép bạn giảm thiểu ánh sáng chói vào lúc mặt trời mọc hoặc lặn.

                                                   

                                      Hướng # 1 là xấu nhất cho chiếu sáng ban ngày, # 3 là tốt, và # 2 là tốt nhất.

Nếu toà nhà có cắt khoét để tối đa hóa chiếu sáng ban ngày, hướng của các cắt khoét ra cũng nên được lựa chọn để tối đa tường phía bắc và nam.

Với thiết kế Massing tốt, các vị trí cắt như vậy cũng có thể tạo ra bóng đổ của chính nó nhằm loại bỏ ánh sáng chói.

Định hướng tốt để đạt tiện nghi nhiệt: Nhận nhiệt từ mặt trời

Các mặt khác nhau của tòa nhà sẽ nhận lượng nhiệt khác nhau từ mặt trời.

Giống như với thiết kế hình khối tổng thể, thiết kế hướng nhà cho tiện nghi nhiệt cũng tương tự như thiết kế hướng nhà cho chiếu sáng ban ngày, có một số trường hợp ngoại lệ như sau:

Đầu tiên, lượng ánh sáng mặt trời tối ưu cho chiếu sáng ban ngày thường không phải là tối ưu đối với việc nhận nhiệt từ mặt trời.

Thứ hai, vì nhiệt mặt trời không đến từ mọi hướng giống như ánh sáng của mặt trời, mặt bên kia của nhà không có ánh nắng mặt trời thường không thu được nhiệt (đối với khí hậu ôn đới), mặc dù các mặt đó vẫn có thể nhận được một lượng lớn ánh sáng khuếch tán (trong ánh sáng khuếch tán cũng có năng lượng bức xạ nhiệt, đây là một lượng nhiệt không nhỏ với khí hậu nhiệt đới)

Thứ ba, nhiệt của mặt trời có thể được lưu trữ trong các khối nhiệt (vật thể nặng có khả năng tích nhiệt) nhưng ánh sáng của mặt trời thì không thể. Điều này có thể hữu ích cho tường phía tây, nó sẽ lưu trữ nhiệt để giảm cái lạnh vào ban đêm, việc này tốt cho khí hậu ôn đới nhưng cần tránh với khí hậu nhiệt đới.

Với BIM, bạn có thể định lượng bức xạ mặt trời chiếu vào từng bề mặt tòa nhà và hình dung, hay cụ thể hóa nó bằng cách chia lưới bao phủ lên bề mặt mô hình khi phân tích thiết kế.

Để tối ưu hóa thiết kế của bạn, bạn có thể chọn để phân tích các mức bức xạ mặt trời vào một ngày duy nhất (như hạ chí) hoặc qua nhiều ngày (như tính cho cả năm).

Để hiểu được tải (nóng hay lạnh) tối đa sẽ phải thiết kế, bạn phải biết mức đỉnh của bức xạ mặt trời.

Để biết tổng số năng lượng mặt trời có thể bổ sung trực tiếp vào nhiệt lượng cần để sưởi khi thiết kế thụ động (đối với khí hậu ôn đới), bạn sẽ cần ước lượng bức xạ mặt trời tích lũy trên bề mặt tòa nhà.

Để làm thiết kế chi tiết cho hệ kính và mặt đứng, điều quan trọng là phải hiểu các phân bổ bức xạ mặt trời sẽ có ảnh hưởng đến tòa nhà.

Những hình ảnh sau đây cho thấy bức xạ từ mặt trời tích lũy suốt cả ngày và suốt năm trên năm mặt ngoài của một tòa nhà có hình khối hộp. Trục dọc cho thấy thời gian trong ngày trong khi trục ngang thể hiện thời gian trong năm và màu sắc cho thấy lượng nhiệt nhận được.

                                       

          Bức xạ mặt trời trên các mặt khác nhau của một nhà thông qua thời gian, tại vùng vĩ độ trung bình.

Biểu đồ này cho thấy quá trình tăng nhiệt ở hai bên đông và tây của tòa nhà thay đổi nhanh chóng khi mặt trời di chuyển theo thời gian trong ngày, trong khi mặt đứng phía Bắc và Nam có ít sự thay đổi hơn.

Do đó, các tòa nhà có chiều dài lớn nên đặt dọc theo hướng đông-tây hơn là Bắc-Nam. Định hướng này cho phép bạn luôn làm chủ được sự nhận nhiệt, hoặc luôn tránh nó, vì dọc theo phương dài của tòa nhà nhiệt nhận được ổn định hơn.

Nó cũng cho phép bạn giảm thiểu biến động nhanh chóng của năng lượng bức xạ khi mặt trời mọc hoặc lặn.

Việc nhận nhiệt bức xạ mặt trời ở phía đông có thể được chấp nhận hoặc thậm chí hữu ích, bởi vì nó xảy ra vào buổi sáng sau đêm lạnh, nhưng sức nóng mặt trời ở phía tây thường là hiếm khi có ích vào cuối một ngày khi mà môi trường đã được làm ấm.

Hệ kính và vật liệu khác nhau trên các bề mặt

Lựa chọn vật liệu và hệ kính là một phần của xác định hướng tòa nhà khi thiết kế tiện nghi nhiệt. Chúng giúp tránh được nhiệt năng lượng mặt trời, hoặc – không giống như chiếu sáng ban ngày – có thể lưu trữ nhiệt của mặt trời trong các khối nhiệt.

Hướng cung cấp đủ ánh sáng ban ngày có thể cung cấp quá nhiều nhiệt, hoặc ngược lại.

Mặt đối diện với ánh nắng của tòa nhà phù hợp để thu nhận và lưu trữ nhiệt từ mặt trời qua cửa sổ lớn và các vật liệu có khối nhiệt cao, trong khi mặt kia thì không đón nhận ánh nắng mặt trời.

Biến động nhiệt độ lúc bình minh và hoàng hôn, mặt đông có thể có ích từ việc có thêm nhiều cửa sổ hơn để nhận được năng lượng nhiệt mặt trời, trong khi phía tây có thể được tận dụng từ việc thiết kế các cửa sổ nhỏ hơn và thiết kế khối nhiệt cao để hấp thụ nhiệt và phát xạ ra bên ngoài vào qua đêm. Chiến lược đúng đắn cho việc này phụ thuộc vào khí hậu.

                                        

               Nhiều kính hơn về phía đông và khối nhiệt lớn hơn ở phía tây có thể gây ra biến động nhiệt độ từ nhiệt của mặt trời.

Ở vùng khí hậu lạnh, mặt đứng không đối diện với đường biểu kiến của mặt trời thường sẽ được hưởng lợi nhiều hơn từ việc cách nhiệt tốt hơn (dùng ít kính hoặc độ cách nhiệt của kính phải tốt hơn) so với mặt đứng đối diện với mặt trời, trong khi ở vùng khí hậu nóng thì ngược lại.

Kính thế hệ mới có thể tách biệt giữa việc lấy ánh sáng mặt trời và nhiệt hấp thụ từ bức xạ mặt trời. Nó cũng có thể đưa ánh sáng ban ngày vào trong đối với mặt đứng không đối diện với mặt trời, mà không mất quá nhiều nhiệt do thiếu vật liệu cách nhiệt, chủ yếu do dùng nhiều kính (U giá trị thấp).

                                       

Sơ đồ trên cho thấy góc định hướng tối ưu cho một tòa nhà, dựa trên bức xạ mặt trời nhận được trong ba tháng lạnh nhất (màu xanh), ba tháng nóng nhất (màu đỏ), và trong suốt năm qua (màu xanh).

Những hướng thích hợp thường đạt được khi có lượng bức xạ tới trong mùa đông là lớn hơn mùa hè, nơi đường màu xanh mở rộng ra ngoài đường đỏ.

Cách làm này cũng chính là mục đích bảo vệ tối đa khỏi bức xạ mùa hè. Việc xác định hướng tối ưu này cần phải cân bằng, và là sự thỏa hiệp. Theo đó, trong đồ thị ở trên, góc xác định được là kết quả sự thỏa hiệp, góc này không nằm chính xác tại thời điểm có đỉnh của bức xạ vào mùa đông, nhưng hơi xoay về  phía đông để “quay lưng” tránh mặt trời vào buổi chiều nóng trong mùa hè.

Định hướng cho tiện nghi nhiệt : thông gió tự nhiên

Tòa nhà nên được định hướng để tối đa hóa thuận lợi từ những cơn gió nhằm làm mát trong thời tiết nóng và che chắn khỏi những cơn gió không mong muốn trong thời tiết lạnh.

Khi thiết kế, hãy xem xét gió thịnh hành trong khu đất của bạn trong suốt cả năm, sử dụng hoa gió để tận dụng hoặc tránh gió.

                                               

                              Hoa gió, hiển thị số liệu thống kê về tốc độ và hướng gió trong suốt cả năm

Nói chung, định hướng nhà để trục ngắn của nhà cùng hướng với gió thịnh hành sẽ cung cấp mức thông gió tốt nhất, trong khi hướng vuông góc với gió thịnh hành sẽ cho kết quả thông gió thụ động ít nhất.

Các tòa nhà không nhất thiết phải đối mặt trực tiếp với gió để đạt được thông gió xuyên ngang tốt. Không gian bên trong và các thành phần kết cấu có thể được thiết kế để tạo các đường dẫn không khí xuyên qua nhà theo các hướng khác nhau

Ngoài ra, hướng gió thịnh hành theo dữ liệu thời tiết có thể không phải hướng gió thịnh hành thực, hướng thực còn tùy thuộc vào các chướng ngại vật của khu đất, chẳng hạn như cây hoặc các tòa nhà khác

                                                                                       

                                               Hướng nhà để tối đa thông gió thụ động

Đối với công trình có sân và nằm trong vùng khí hậu cần phải làm mát, nên định hướng sân 45 độ so với hướng gió thịnh hành sẽ tối đa hóa gió trong sân và cả thông gió xuyên ngang qua tòa nhà.