Ánh sáng nhiệt đới cần được thể hiện trong tiêu chuẩn và thiết kế chiếu sáng kiến trúc ở Việt Nam

4

Từ vài chục năm nay, nếu như vấn đề cây xanh, không gian xanh đã được thể hiện trong một số dự án xây dựng nước ta, thì chiếu sáng sử dụng tối đa ánh sáng tự nhiên (ASTN) dường như chưa được quan tâm đúng mức. Thậm chí Tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên hiện hành còn có sai sót lớn. Bên cạnh đó một số nhận thức cơ bản về nội dung này cũng chưa thống nhất, ảnh hưởng đến kiến thức cung cấp cho người thiết kế ngay khi ngồi trên ghế trường đại học.

Bài báo giới thiệu một vài nghiên cứu cơ bản về ánh sáng, tiêu chuẩn và áp dụng, đồng thời dẫn ra các ví dụ giải pháp thiết kế sử dụng ASTN có sáng tạo và hiệu quả rất đáng tham khảo trong kiến trúc thế giới.

I. Ánh sáng tự nhiên – nguồn tài nguyên vô giá

Ánh sáng tự nhiên có chất lượng cao hơn so với các nguồn sáng nhân tạo do luôn cung cấp ánh sáng trắng, phù hợp với cảm nhận của mắt người, hiệu suất sáng cao, không tốn năng lượng, không gây ô nhiễm môi trường và không tốn tiền (xem Bảng 1).

Bảng 1. So sánh chất lượng của các nguồn sáng

Do trực xạ của mặt trời có cường độ lớn, rất chói chang, dễ gây hiện tượng loá, có ảnh hưởng xấu đến tiện nghi thị giác, lại mang theo nhiều nhiệt và rất không ổn định (trong vài giây có thể thay đổi hàng chục ngàn lux) nên Tổ chức Chiếu sáng quốc tế CIE khuyến nghị chỉ dùng ánh sáng tán xạ của bầu trời đầy mây trong chiếu sáng. Ánh sáng tán xạ phụ thuộc lớn vào tình trạng mây của bầu trời. Trong ba dạng Bầu trời cơ bản là Bầu trời sáng (clear sky), Bầu trời ít mây (partly cloudy sky) và Bầu trời đầy mây (overcast sky), Tổ chức chiếu sáng quốc tế (CIE) khuyến nghị chỉ dùng Bầu trời đầy mây trong thiết kế chiếu sáng tự nhiên (Hình 1). Gần đây CIE có bổ sung thêm 15 dạng phân bố độ chói của Bầu trời (CIE S011/E:2003) do ảnh hưởng của vị trí mặt trời trên bầu trời phụ thuộc tình hình lượng mây và độ mây. Tuy nhiên, hai mô hình phân bố độ chói của Bầu trời đầy mây truyền thống (traditional overcast sky) và Bầu trời chói đều (Sky of uniform luminance) vẫn được khuyến nghị áp dụng do sự phân bố Độ chói của bầu trời theo quy luật đơn giản nhất (Hình 2).

Hình 1. Mô hình Bầu trời đầy mây được khuyến nghị sử dụng trong thiết kế chiếu sáng
Hình 2. Mô hình phân bố độ chói của Bầu trời đầy mây và Bầu trời chói đều (phải)

Tiềm năng ánh sáng tự nhiên được đánh giá theo Đô rọi ngang ngoài nhà do toàn bầu trời khuếch tán tạo ra. Giá trị cực đại của nó tại các nước khác nhau không khác nhau nhiều, khoảng 35 – 40 ngàn lux. Hình 3 cho ví dụ Độ rọi ngang khuếch tán ngoài nhà của các thành phố Hà Nội, Hồ Chí Minh và Paris (Việt Nam chưa đo ánh sáng, biểu đồ trên hình là được chuyển đổi từ các giá trị bức xạ năm 1991 [1]).

Biểu đồ Hình 3 cho thấy ưu thế của ánh sáng Việt Nam thể hiện:

Hình 3. Biểu đồ phân bố độ rọi ngang khuếch tán của Hà Nội (a), TP HCM (b) và Paris
(số ghi trên biểu đồ tương ứng với các tháng trong năm)

– Ánh sáng Việt Nam phân bố khá đều các mùa trong năm, từ sáng sớm (6-7h) đến chiều tối (17-18h) đã đạt 4 – 5 klux, khác với Paris những tháng mùa đông phải 8, 9h mới đạt được các giá trị này;

– Giá trị cực đại của các tháng trong năm trong phạm vi 25 – 35 klux, chênh lệch ít hơn so với các nước vĩ độ cao;

– Càng về các địa phương phía Nam (gần xích đạo) ánh sáng càng đồng đều giữa các tháng. Trong khi đó các nước vĩ độ cao, ví dụ, Paris, tháng 12, đến 9h mặt trời mới đạt 5.000 lux và lúc 12h chỉ đạt khoảng 10.000 lux.

II. Ưu thế ánh sáng Việt Nam phải được thể hiện trong Tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên

a. Cơ sở khoa học để đánh giá và tiêu chuẩn ánh sáng tự nhiên

Yêu cầu ánh sáng để làm các công việc thể hiện qua Độ rọi yêu cầu (Eyc , lux) và độ lớn của nó phụ thuộc kích thước vật cần nhìn rõ. Ví dụ, để đọc sách, Độ rọi yêu cầu trong các tiêu chuẩn chiếu sáng các nước là 300 – 400 lux, tương ứng với kích thước chi tiết cần phân biệt là 0,3 – 0,5 mm. Nhưng ánh sáng tự nhiên trong phòng thay đổi theo ánh sáng ngoài nhà, khác với ánh sáng nhân tạo gần như cố định với một hệ thống đèn đã thiết kế. Tuy nhiên, khi một phòng với các cửa lấy ánh sáng đã có, tỷ số giữa Độ rọi tại 1 điểm trên mặt phẳng làm việc trong phòng và Độ rọi ngang ngoài nhà lại luôn giữ cố định. Giá trị này được gọi là Hệ số độ rọi tự nhiên (Daylight Factor = DF), và ở nước ta được ký hiệu là e (%). Vậy:

eM = EM / EM . 100% (1)

Trong đó: eM ¬ – Hệ số độ rọi tự nhiên tại điểm M, %;

eM – Độ rọi tại điểm M trên mặt phẳng làm việc trong phòng, lux;

EM – Độ rọi ngang ngoài nhà tại cùng thời điểm, lux;

Lưu ý rằng Hệ số độ rọi tự nhiên tại các điểm khác nhau trong phòng tuy không thay đổi trong ngày, nhưng khác nhau, do Độ rọi điểm (EM) khác nhau khi En như nhau (tại cùng thời điểm). Vì vậy, Tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên quy định theo giá trị Hệ số độ rọi tự nhiên yêu cầu (eyc,% ) tương ứng với thời điểm khi Độ rọi trung bình của toàn phòng (hoặc tại một điểm giữa phòng) đạt được ngang Độ rọi nhân tạo yêu cầu (Eyc). Khi đó Độ rọi ngang ngoài nhà được gọi là Độ rọi giới hạn ngoài nhà (Engh) – Độ rọi bắt đầu sử dụng ánh sáng tự nhiên (buổi sáng) và ngừng sử dụng ánh sáng tự nhiên (buổi chiều).

Vậy Hệ số độ rọi tự nhiên yêu cầu (eyc,%) xác định theo công thức:
eyc = Eyc / Engh . 100% (2)

Cần lưu ý rằng, giá trị eyc (%) chỉ có ý nghĩa với một giá trị Engh được chọn tương ứng. Nói khác đi, nếu không quy định giá trị Engh của ánh sáng ngoài nhà thì Tiêu chuẩn CSTN (theo eyc) không còn ý nghĩa gì nữa. Rất tiếc khi làm Tiêu chuẩn có người đã hiểu sai điều này!.

Phân tích công thức (2) khi nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn chiếu sáng, có thể rút ra:

(1) Thời điểm đạt giá trị Engh có liên quan trực tiếp đến thời gian sử dụng ánh sáng tự nhiên của mỗi quốc gia, do đó cũng liên quan với thời gian sử dụng năng lượng điện.

– Giá trị Engh càng lớn, thời gian sử dụng ánh sáng tự nhiên (ASTN) các mùa trong năm càng ít, sử dụng đèn điện càng nhiều.

– Ngược lại, giá trị Engh càng nhỏ, thời gian sử dụng ASTN càng nhiều, càng giảm được thời gian sử dụng ánh sáng điện.

Vì vậy, khi xây dựng Tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên (TCCSTN), nhiều nước yêu cầu quy định giá trị Engh sao cho số giờ sử dụng

ASTN đạt được trên 85% số giờ làm việc ban ngày mỗi năm.
(2) Giá trị eyc không chỉ có quan hệ với Engh, mà còn liên quan đến việc tổ chức cửa chiếu sáng các phòng:

– Để đạt được Độ rọi yêu cầu làm việc (Eyc), nếu chọn Engh lớn, giá trị tiêu chuẩn eyc chỉ cần nhỏ, tương ứng khi đó cửa lấy ánh sáng chỉ cần diện tích nhỏ;

– Ngược lại, nếu chọn Engh nhỏ, giá trị tiêu chuẩn eyc phải lớn, tương ứng khi đó cửa lấy ánh sáng cần diện tích lớn hơn.

Tại các nước có vĩ độ cao, vấn đề chống mất nhiệt sưởi ấm mùa đông rất coi trọng, mà cửa sổ là bộ phận làm mất nhiệt sưởi ấm lớn nhất. Vì vậy trước đây nhà cửa thường không mở cửa sổ lớn. Ngày nay, với công nghệ kính hiện đại (ví dụ kính Low-E) đã có thể mở cửa lớn hơn nhiều.

(3) Vì những “cân nhắc” đó, phần lớn các nước châu Âu (Anh, Pháp, Nga, Bỉ, Nhật, …) và CIE khuyến nghị chọn Engh = 5.000 lux. Riêng CHLB Đức từ những năm 1960 đến nay đã chọn Engh = 3.000 lux. Chúng tôi chưa thấy nước nào chọn giá trị Engh lớn hơn 5.000 lux, và tiêu chuẩn chiếu sáng CHLB Đức có giá trị Engh thấp nhất thế giới, tương ứng có số giờ sử dụng ánh sáng tự nhiên dài nhất, đặc biệt những ngày mùa đông.

b. Xem xét lại TCCSTN của Việt Nam và đề xuất mới

TCXD 29:1991 quy định giá trị Hệ số độ rọi tự nhiên yêu cầu (HSĐRTN, eyc) như Bảng 1.

Bảng 2. Tiêu chuẩn HSĐRTN, eyc (%) (trích TCXD 29:1991)

Lưu ý rằng, báo cáo xây dựng tiêu chuẩn khi đó không cung cấp một giá trị Độ rọi giới hạn ngoài nhà (Engh) cụ thể nào.

Dễ dàng nhận thấy các giá trị HSĐRTN yêu cầu trong Bảng 1 đều khá nhỏ, tương ứng với diện tích cửa chiếu sáng rất nhỏ, nghĩa là độ rọi giới hạn ngoài nhà tương ứng sẽ rất lớn! Điều này hoàn toàn trái ngược với các phân tích ở trên, rất bất lợi cho việc sử dụng ánh sáng tự nhiên ở nước ta. Kiến trúc Việt Nam nói chung cần mở rộng cửa để đón không chỉ ánh sáng tự nhiên, mà cả không khí tự nhiên thuận lợi của miền nhiệt đới gần biển.

Khi tìm hiểu nguyên nhân đề xuất Bảng 1, những người làm Tiêu chuẩn lúc đó đã cho rằng: “Do Việt Nam có thuận lợi về ánh sáng hơn Liên xô (cũ), nên đã lấy Tiêu chuẩn HSĐRTN yêu cầu của họ và giảm đi 70% cho VIệt Nam”.

Đây là việc làm “ngược với kiến thức thông thường” !

Phân tích trong mục (2.1) cho thấy giá trị Độ rọi giới hạn ngoài nhà (Engh) rất quan trọng khi làm Tiêu chuẩn CSTN vì liên quan đến hai nội dung quan trọng đã nêu trên:

– Số giờ sử dụng ánh sáng tự nhiên (nhiều hay ít), do đó liên quan đến sự tiêu thụ năng lượng điện, đến môi trường và kinh tế mỗi công trình;

– Diện tích mở cửa chiếu sáng, nghĩa là liên quan đến thiết kế kiến trúc các công trình.

Chúng tôi đã nghiên cứu để xác định giá trị Engh khi xây dựng Tiêu chuẩn chiếu sáng tự nhiên Việt Nam. Dưới đây xin dẫn các nội dung quan trọng nhất (xem [2]).

(1) Giá trị Độ rọi giới hạn và thời gian sử dụng ASTN Việt Nam
Dựa trên kết quả tính toán Độ rọi ngang ngoài nhà (En) tại 20 thành phố Việt Nam (đã dẫn ví dụ 2 thành phố trong Hình 3), chúng tôi đã tính toán số giờ sử dụng ASTN của 20 thành phố Việt Nam khi chọn các giá trị Engh = 3.000, 4.000 và 5.000 lux. Kết quả giới thiệu 5 thành phố làm ví dụ và tính trung bình số giờ sử dụng ASTN của 20 thành phố trong Bảng 3.

Bảng 3. Số giờ sử dụng ASTN (theo h và %) của 5 địa phương Việt Nam theo Engh và chênh lệch AZ (h) so với khi Engh= 5.000 lux

Kết quả phân tích cho thấy:

– Các địa phương miền Bắc và miền Trung (đến Đà Nẵng) số giờ sử dụng ASTN theo các giá trị Engh = 3.000, 4.000 và 5.000 lux giảm dần rõ rệt. Ngược lại các địa phương miền nam có số giờ sử dụng ASTN ít thay đổi hơn.

– Tổng số giờ ban ngày sử dụng ASTN trung bình của 20 địa phương khi

Engh = 3.000 lux là 91,6% số giờ ban ngày / năm;

Engh = 4.000 lux là 87,9% số giờ ban ngày / năm;

Engh = 5.000 lux là 86% số giờ ban ngày / năm, nhưng một số địa phương miền bắc dưới 85%.

(2) Về diện tích mở cửa lấy ánh sáng

Áp dụng công thức gần đúng xác định tỷ lệ giữa diện tích cửa chiếu sáng và diện tích sàn của GS. H.G. Fruhling (xem thêm [2]) theo ba giá trị Engh tương ứng với yêu cầu độ rọi trong phòng là 400 lux (phòng thiết kế) và 300 lux (lớp học) cho kết quả trong Bảng 4.

Bảng 4. Tỷ lệ diện tích cửa sổ theo Egh và Eyc (lux)

Kết quả Bảng 3 cho thấy khả năng mở cửa lấy ánh sáng khi Egh = 4.000 lux là phù hợp nhất trong các thiết kế kiến trúc ở Việt Nam. Với Engh= 3.000 lux, trong nhiều trường hợp cũng có thể đáp ứng, còn với Engh= 5.000 lux có thể là quá nhỏ để đáp ứng chiếu sáng và thông gió tự nhiên.

Ví dụ một lớp học kích thước 8 x 6 x 3 m (dài, rộng, cao), diện tích sàn 48 m2. Trên 2 cạnh dài của phòng có thể mở cửa băng dài 6 + 4 = 10m (không tính cửa ra / vào), cao 2,0m.

Tỷ lệ: Diện tích cửa sổ / Diện tích sàn = 20 / 48 = 41,7%
Từ những kết quả phân tích nói trên, chúng tôi đã kiến nghị chọn giá trị độ rọi giới hạn ngoài nhà Engh= 4.000 lux trong TCCSTN Việt Nam.

Khi đó:

– Thời gian sử dụng ASTN trung bình tại 20 địa phương Việt Nam là 87,9% số giờ ban ngày / năm, đồng thời không có địa phương nào dưới 85% giờ / năm.

– Khí hậu Việt Nam cho phép và mong muốn đón không khí tự nhiên phần lớn thời gian trong năm, đặc biệt các phòng không có điều kiện sử dụng hệ thống điều hòa không khí.

– Độ rọi ánh sáng lúc giữa trưa sẽ tăng lên khoảng 7,5 lần, có thể gây chói chang, căng thẳng cho một số vị trí trong phòng. Tuy nhiên việc này có thể giảm bớt dễ dàng khi dùng rèm cửa, cây xanh…

III. Các giải pháp thiết kế chiếu sáng tự nhiên cần được quan tâm

Đối với các nhà ga hàng không, nhà thi đấu thể thao, nhà công nghiệp một tầng, … vấn đề tổ chức cửa mái / cửa trời để lấy ánh sáng trực tiếp từ bầu trời rất thuận lợi, nên đã được áp dụng phổ biến trong thiết kế các công trình trên thế giới và Việt Nam. Trên hình 4 dẫn một vài ví dụ thành công cả về chiếu sáng và thẩm mỹ trong các ga hàng không tại Nhật Bản và Singapore.

Hình 5. Gương Mặt trời Bartenbach LichtlaborAustria (trái) & Bảo tàng quốc gia Moshe Safdie, Canada, Ottawa, Ontario (phải)

Tuy nhiên, để đưa ánh sáng tự nhiên tới các phòng nằm trong lòng đất, sau ý tưởng dùng cáp quang dẫn ánh sáng (fibre optic remote daylighting system) có từ năm 1930, nhiều nước đã áp dụng thành công “Gương mặt trời / Mirror Heliostats” hoặc “Ống dẫn ánh sáng / Light pipes” ví dụ trong các thiết kế tại Austria và Canada (Hình 5).

Các ống dẫn ánh sáng (Light pipes) đã được nghiên cứu, phát triển và áp dụng thành công trong khoảng 30 năm gần đây. Trung tâm thăm dò hàng không vũ trụ Nhật Bản Tsukuba được coi là Tòa nhà đầu tiên trên thế giới có tất cả các không gian văn phòng được chiếu sáng tự nhiên nhờ ống dẫn ánh sáng. Những ngày trời sáng, đạt được độ rọi 500 lx, không cần ánh sáng nhân tạo. Tiêu thụ năng lượng cho ánh sáng giảm 65% (Hình 6).

Tòa nhà văn phòng cao tầng Water Front building ở Kuala Lumpur, Malaysia (Ken Yeang, 1996) được thiết kế hệ thống 4 ống dẫn ánh sáng dài 24m cho khu làm việc văn phòng phía Đông ở mỗi tầng (Hình 7 [3]). Công việc thử nghiệm thiết kế đã được tiến hành tại QUT (Qeensland University of Technology).

Hình 6. Trung tâm thăm dò hàng không vũ trụ Nhật Bản Tsukuba
với ống dẫn ánh sáng cung cấp cho hệ đèn mặt trời (Sun Luminaires)
Hình 7. Tòa nhà Water Front building ở Kuala Lumpur

Để đưa ánh sáng vào các ống dẫn người ta sử dụng Laser cut panel (LCP – phát minh của Edmonds, 1993). Các LCP có thể điều chỉnh theo ý muốn phần ánh sáng phản xạ (tới các đèn mặt trời 1 phía trước) và phần xuyên qua để tới các đèn phía sau 2,3,4,5 của phần không gian 12m phía Tây (Hình 8). Phần không gian 8m còn lại phía đông lấy ánh sáng từ cửa sổ có các tấm phản xạ ánh sáng.

Hình 8. Ống dẫn ánh sáng (trên) và hoạt động của Laser cut panel (dưới)

Kết quả không gian làm việc đạt được độ rọi từ 200 đến 300 lux trong khoảng thời gian từ 12h đến 16h hàng ngày.

Đối với các nhà làm việc văn phòng và lớp học nằm ở các tầng giữa trong nhà nhiều tầng, ánh sáng thường phân bố rất không đều, càng xa cửa sổ, độ rọi càng giảm đáng kể. Giải pháp khá đơn giản và rất hiệu quả là:

(1) Cửa sổ mở dạng băng tạo sự đồng đều ánh sáng theo chiều dọc phòng;

(2) Thiết kế các tấm phản xạ ánh sáng lên trần, đưa ánh sáng vào sâu theo phương ngang (Hình 9).

Giải pháp (2) đã áp dụng rất phổ biến trong các Nhà văn phòng ở Singapore, Malaysia nhưng chưa được quan tâm ở Việt Nam.

Hình 9. Từ trái sang: a) Hiệu quả bổ sung ánh sáng phản xạ từ trần (đường đứt)
b) Phân tích tấm phản xạ theo các mùa;
c) Cấu tạo áp dụng phổ biến tại Singapore

Năm 2007 – 2008 Viện nghiên cứu thiết kế trường học thực hiện “Dự án nghiên cứu mô hình chiếu sáng bảo đảm tiết kiệm năng lượng trong các trường trung học Việt Nam” (Bộ giáo dục và đào tạo) [4], chúng tôi đã đề xuất mô hình như trên Hình 10:

Hình 10. Giải pháp chiếu sáng tự nhiên lớp học Việt Nam (kiến nghị)

(1) Tường bên hai phía dọc lớp học mở cửa sổ dạng băng, tạo ánh sáng đều theo chiều dọc;

(2) Tường bên phía ngoài có tấm phản xạ ánh sáng lên trần, bổ sung ánh sáng vào giữa phòng. Tấm phản xạ kết hợp che nắng / mưa cho cửa sổ dưới;

(3) Các lớp học tầng trên cùng mở cửa trời, lấy ánh sáng trực tiếp từ bầu trời;

(4) Giữa hai lớp học sử dụng ống dẫn ánh sáng đứng (600 x 4000 mm), phản xạ vào các “máng ánh sáng” tới các “đèn trời” cho phần giữa phòng lớp học hai phía. Dự án chưa có điều kiện sử dụng LCP.
Dự án đã phân tích thực nghiệm ống dẫn ánh sáng trên mô hình tỷ lệ 1/3. Độ rọi giữa phòng được bổ sung khoảng 50 lux thêm vào độ rọi từ ánh sáng cửa bên.

III. Kết luận

Kiến trúc thế kỷ 21 là Kiến trúc xanh, trong đó đòi hỏi năng lượng tiêu thụ của tòa nhà giảm trung bình 30 –50%. Tỷ lệ điểm đánh giá phần năng lượng trong các Tòa nhà xanh (Green Building) là 30 – 40% (riêng Singapore là 60%). Năng lượng tiêu thụ phần chiếu sáng thường chiếm tỷ lệ 15 – 20% năng lượng tiêu thụ của toàn tòa nhà. Vì vậy sử dụng nhiều nhất ánh sáng tự nhiên – như đã nêu trên – là “Chiến lược thiết kế kiến trúc xanh” rất đáng quan tâm. Khi mặt chính công trình ốp toàn kính chất lượng cao chưa chắc đã là giải pháp hiệu quả cho việc lấy ánh sáng ngày. Tòa nhà hành chính Đà Nẵng là một ví dụ: từ 9 – 10h sáng các phòng làm việc đã phải hạ rèm che nắng và dùng ánh sáng điện. Người thiết kế cần vận dụng hiệu quả các giải pháp đã giới thiệu, sáng tạo thêm các giải pháp mới để bổ sung vào “Phong cách kiến trúc nhiệt đới / Tropical architectural Style”: Che nắng (trực xạ) hiệu quả và đón được nhiều ánh sáng bầu trời.

*Phạm Đức Nguyên
Ủy viên Hội đồng kiến trúc xanh, Hội Kiến trúc sư Việt Nam

Theo Tạp chí Kiến trúc