Những phương án che nắng và kiểm soát lượng chiếu sáng từ mặt trời

KHÁI QUÁT CHUNG

Có nhiều lí do khác nhau cho nhu cầu kiểm soát lượng ánh nắng mặt trời – điều này được thể hiện rõ trong các công trình kiến trúc. Vào những ngày hè, thời tiết nóng nực do lượng ánh nắng mặt trời chiếu cao khiến lượng tiêu thụ năng lượng cho việc làm mát tăng; còn vào những ngày đông hay khí hậu ôn đới, mặt trời chiếu vào khi đặt cửa sổ hướng nam có thể tạo ra lượng nhiệt mặt trời thụ động, và trong hầu hết việc kiểm soát thời tiết và phân tán ánh sáng tự nhiên sẽ làm cải thiện sự chiếu sáng ban ngày.

Xem thêm: Hướng dẫn thi công mái lam che nắng gỗ nhựa Composite

Những phương án được lên kế hoạch chi tiết, tỉ mỉ, chính xác về việc kiểm soát lượng chiếu sáng và che sáng có thể làm giảm đáng kể lượng nhiệt hấp thụ của những tòa nhà cao tầng, yêu cầu làm mát và tăng lượng chiếu sáng tự nhiên ở bên trong tòa nhà. Phụ thuộc vào số lượng và vị trí bố trí cửa sổ, sự tiêu thụ năng lượng cho việc làm mát hàng năm giảm khoảng 5% – 15%. Những phương án che nắng và kiểm soát ánh sáng mặt trời có thể làm dịu tầm nhìn bằng cách kiểm soát độ chiếu sáng và độ phản chiếu. Điều này làm tăng sự hài lòng và hiệu suất. Những phương án che nắng là cách thiết kế mặt tiền để phân biệt bên ngoài giữa các tòa nhà với nhau.

MÔ TẢ

Việc thực hiện các biện pháp che nắng và kiểm soát độ chiếu sáng là một khía cạnh quan trọng trong những kế hoạch thiết kế tòa nhà với mục tiêu sử dụng hiệu quả năng lượng. Đặc biệt đối với những tòa nhà muốn tận dụng lượng nhiệt hấp thụ hay ánh sáng chiếu ban ngày thường cần phụ thuộc vào những phương án được thiết kế tốt nhất với mục tiêu che nắng và kiểm soát mặt trời.

Trong suốt mùa lạnh, rèm cửa bên ngoài là cách tốt nhất để ngăn sự tăng nhiệt độ mặt trời không mong muốn ở những không gian cần điều hòa nhiệt. Bóng râm có thể do yếu tố cảnh quan tự nhiên hoặc do yếu tố ngôi nhà như mái hiên hay lưới che. Một vài phương án che nắng có chức năng như gương phản xạ gọi là kệ ánh sáng, chúng dùng để phản chiếu ánh sáng ban ngày vào sâu bên trong tòa nhà.

Thiết kế của những phương án che nắng đem lại hiệu quả cần phụ thuộc vào hướng mặt trời chiếu sáng cụ thể của mặt tiền tòa nhà. Ví dụ, những phần nhô ra đơn giản được cố định khi xây đem lại hiệu quả đối với việc che nắng cho cửa sổ hướng nam vào mùa hè khi góc chiếu mặt trời cao. Tuy nhiên, với cùng phương án nhưng lại không đem lại hiệu quả trong việc ngăn mặt trời xuống thấp vào buổi chiều chiếu cửa sổ hướng tây trong suốt khoảng thời gian bức xạ nhiệt vào mùa hè.

Những phương án che nắng ngoài trời đặc biệt đem lại hiệu quả đối với nhưng tòa nhà có sử dụng kính trong. Tuy nhiên, việc lắp đặt kính đem lại hiệu quả cao khi hệ số bóng râm rất thấp. Khi có được hệ số bóng râm thấp thì các sản phẩm kính dùng cho các tòa nhà sẽ làm giảm nhu cầu cần che nắng.

KIỂM SOÁT LƯỢNG NHIỆT VÀ ĐỘ CHIẾU SÁNG CẦN XEM XÉT ĐẾN VÔ VÀN CÁC YẾU TỐ HỢP THÀNH CỦA TÒA NHÀ, TRONG ĐÓ BAO GỒM

• Đặc điểm quang cảnh như cây xanh hay hàng rào
• Yếu tố ngoại cảnh như mái che
• Mặt phản chiếu nằm ngang hay còn gọi là kệ ánh sáng
• Kính có hệ số bóng râm thấp
• Thiết bị kiểm soát độ chiếu sáng bên trong nhà như rèm cửa hay cửa chớp

Những phương án tạo bóng râm ngoài trời cố định như mái che là thường thiết thực nhất đối với những tòa nhà thương mại nhỏ. Độ dài tối ưu của mái che phụ thuộc vào kích thước của cửa sổ và tầm quan trọng tương đối giữa việc làm mát và làm nóng trong tòa nhà.

Vào mùa hè, mặt trời ở xa xích đạo nhất vào ngày hạ chí (tức ngày 21/6), nhưng nhiệt độ và độ ẩm cao nhất thường xảy ra vào tháng 8. Cần nhớ rằng: kích thước của mái che phải che được hết khoảng chiếu sáng khi đặt cửa sổ hướng nam vào tháng 8 – điều này cũng sẽ tạo khoảng râm ở vị trí cửa sổ váo tháng 4 khi có một lượng nhiệt đáng kể.

Để lên một kế hoạch, phương án che nắng thích hợp cần phải biết vị trí mặt trời trong suốt mùa lạnh. Vị trí của mặt trời thể hiện ở khía cạnh độ cao và góc phương vị.

• Độ cao ở đây là góc mặt trời trên đường chân trời, đạt độ cao nhất trong ngày tại thời điểm mặt trời lên thiên đỉnh.
• Góc phương vị hay góc định hướng là góc giữa hướng phía nam và bóng đổ bởi một thanh dọc trên Trái đất.
• Một nguồn thông tin dễ tiếp cận về hướng, góc mặt trời và biểu đồ đường mặt trời tại “Architectural Graphic Standards”, tái bản lần thứ 12, của John Wiley & Sons

Phương án che nắng có thể gây ra tác động đáng kể đến bề ngoài của tòa nhà. Tác động này có thể là tích cực hay tiêu cực. Bước đầu trong quá trình thiết kế, phương án che nắng được xem xét sao cho bắt mắt và phù hợp, hài hòa với tổng thể kiến trúc của bản thiết kế.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHE NẮNG

Căn cứ vào sự đa dạng của các kiểu thiết kế tòa nhà và sự phong phú của các kiểu thời tiết, khí hậu, sẽ rất khó để xem xét một các tổng quát về bản thiết kế phương án tạo bóng râm. Tuy nhiên, những phương án thiết kế sau đây có thể áp dụng chung trong nhiều trường hợp

1. Sử dụng mái che cố định đối với kính hướng nam để điều khiển trực tiếp chum tia bức xạ mặt trời. Sự bức xạ gián tiếp (bị khuếch tán) có thể kiểm soát bằng các phương án khác như sử dụng kính làm giảm sự phát tán, hấp thụ nhiệt lượng chậm và làm chậm quá trình truyền tải nhiệt nhưng vẫn đảm bảo độ sáng trong căn phòng.
2. Đối với qui mô lớn nhất có thể, cần giới hạn số lượng kính lắp đặt hướng đông và tây vì sẽ khó che nắng hơn kính hướng nam. Xem xét việc sử dụng kiến trúc cảnh trúc để che nắng đối với hướng chiếu sáng đông và tây.
3. Sẽ không cần phải lo che nắng hướng bắc ở vĩ tuyến Hoa Kỳ lục địa vì ở đây nhận được ít năng lượng mặt trời trực tiếp. Ở vùng nhiệt đới, không cần quan tâm đến qui tắc may rủi vì hướng bắc của tòa nhà nhận nhiều lượng nhiệt trực tiếp từ mặt trời hơn.  Tương tự đối với vùng nhiệt đới cần xem xét việc che mái nhà ngay cả khi không có giống trời vì mái nhà là một nơi truyền nhiệt vào bên trong ngôi nhà.
4. Việc che nắng có ánh hưởng đến sự chiếu sáng ban ngày. Ví dụ, kệ ánh sáng phản chiếu ánh sáng tự nhiên vào sâu bên trong phòng trong khi phía dưới của sổ vẫn tạo được bóng râm.
5. Đừng kì vọng những phương án che nắng bên trong như rèm cửa hay mái hắt dọc có thể làm giảm nhiệt nhiều vì cường độ bức xạ mặt trời đã xâm nhập vào phòng. Tuy nhiên, những phương án bên trong nhà này có thể kiểm soát độ chiếu sáng và giúp làm dịu (không bị chói) hay tăng tầm nhìn ở những nơi làm việc.
6. Nghiên cứu về góc mặt trời. Sự hiểu biết về góc chiếu của mặt trời là vô cùng cần thiết đối với nhiều khía cạnh khác nhau của việc thiết kế bao gồm xác định hướng cơ bản của tòa nhà, lựa chọn phương án che nắng phù hợp, và vị trí đặt bảng quang điện tích hợp hay bộ thu nhiệt.
7. Cẩn thận xem xét độ lâu dài của các phương án che nắng. Qua thời gian, những phương án che nắng có thể thực hiện sẽ yêu cầu chi phí đáng kể cho việc bảo dưỡng và sửa chữa.
8. Khi dựa vảo yếu tố kiến trúc cảnh quang để tạo bóng râm, cần đảm bảo xem xét đến chi phí bảo dưỡng duy trì.
9. Kế hoạch che nắng có thể phát huy tốt đối với nơi này nhưng lại không thích hợp với hướng hay vị trí khác nên cần cẩn thận xem xét khi áp dụng những phương án che nắng từ dự án này sang dự án khác.

CÁC TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN

Trong những năm gần đây, có sự gia tăng đáng kể những phương án che nắng được sử dụng trong các tòa nhà. Nhiều sản phẩm che nắng có thể điều chỉnh được như mái hiên di động, tấm chắn sáng, màn sáo, cửa chớp hay ô văng. Trong khi chúng vẫn phát huy tác dụng thì tính thiết thực của chúng bị giới hạn bởi thao tác kĩ thuật, máu móc. Độ bền và vấn đề bảo dưỡng cũng là những điều gây bận tâm.

Cần có chuyên gia A&E để xác định hoàn toàn tất cả các loại kính. Họ sẽ chỉ rõ được hệ số truyền nhiệt, hệ số bóng râm và tỉ lệ truyền sáng của kính trong hệ thống vị trí bố trí cửa sổ trong nhà. Hệ số bóng râm của kính tỷ lệ năng lượng mặt trời xâm nhập vào không gian bên trong tòa nhà thông qua hệ thống cửa sổ, cửa đi bởi bức xạ mặt trời. Chính vì vậy hệ số bóng râm càng thấp thì lượng nhiệt hấp thụ không mong muốn càng giảm. Hệ số truyền sáng xác định lượng ánh sáng tự nhiên chiếu vào trong phòng.

Khi thiết kế phương án che nắng, cần đánh giá tất cả quá trình vận hành, bảo dưỡng và vấn đề an toàn. Ở một vài vị trí, những mối nguy hiểm như tôt chim hay động đất có thể làm giảm tính khả thi của các phương án che nắng ngoài trời. Nhu cầu bảo dưỡng và vệ sinh, đặc biệt đối với các phương án có thể thực hiện, được xem như là nhân tố trong bất kì phân tích nào về chi phí vòng đời (chi phí phát sinh trong suốt tuổi thọ dự kiến của sản phẩm)

ỨNG DỤNG

Những kiểu mô hình tòa nhà điển hình có thể có lợi từ việc áp dụng những phương án che nắng như

• Doanh trại và các dự án nhà ở dành cho nhiều gia đình, đặc biệt đối với khí hậu nóng hoặc ấm.
• Văn phòng, tòa nhà quản lý và các kiến trúc yêu cầu độ chiếu sáng ban ngày.
• Hầu hết các kiến trúc ở vùng nắng nóng.