Case study 7.1: Thiết kế che nắng tối đa

Tải trọng cực đại xác định kích thước thiết bị cơ khí, cũng như lựa chọn hệ thống cơ khí. Chọn tỷ lệ kính, định hướng và che nắng phù hợp cho tất cả các mặt đứng có thể được thông báo bởi các mục tiêu tải cao điểm. Quá trình thiết kế che nắng cần phải cân bằng độ tăng nhiệt, ánh sáng ban ngày và độ chói.

Loại dự án: tòa văn phòng 18 tầng (hoàn thành, 1974)

Địa điểm: Portland, Oregon

Công ty thiết kế/ mô phỏng : SERA Architects and Cutler-Anderson

Architects with Stantec Engineering

Tổng quan

The Edith Green–Wendell Wyatt (EGWW) Federal Building, tòa tháp văn phòng 18 tầng, 512.000 m2 nằm ở trung tâm thành phố Portland, cần một sự cải tạo lớn vào năm 1996, khi General Services Administration (GSA) thực hiện một nghiên cứu toàn diện để phân tích kiến trúc và thiếu hụt hệ thống kỹ thuật. Năm 2003, SERA đã được thuê, cùng với Cutler-Anderson Architects, để thiết kế sửa chữa và thay đổi như là một phần của chương trình thiết kế xuất sắc.

Năm 2009, dự án đã được đưa vào hoạt động trở lại bởi American Recovery and Reinvestment Act (ARRA). Một phân tích lợi ích chi phí cho thấy những thay đổi của thị trường trong cả chi phí xây dựng và không gian cho thuê gần đó, điều này làm cho nó hoàn toàn kinh tế hơn khi bỏ trống tòa nhà trong quá trình cải tạo. Đây là một thay đổi trò chơi cho dự án, tạo cơ hội để đạt được tiết kiệm năng lượng sâu.

Hình 1: Tải cực đại cho một mặt tiền phía Tây Nam được áp dụng cho tòa nhà này vào ngày 15 tháng 3 do các góc chiếu của mặt trời. Biểu đồ cho thấy cần thiết phải giảm tải tối đa để cung cấp tất cả hệ thống làm mát cơ học bằng cách sử dụng các tấm bức xạ mặt trời.

Nhà tài trợ ARRA yêu cầu dự án phải đáp ứng các yêu cầu bảo tồn năng lượng và nước quan trọng của Đạo luật Energy Independence and Security Act (EISA). Kết quả dự án được chứng nhận LEED Platinum và được dự đoán sẽ sử dụng năng lượng ít hơn 60% - 65% so với một tòa nhà văn phòng thông thường. Dự án vượt quá yêu cầu EISA và được dự kiến là một trong những tòa nhà văn phòng sử dụng năng lượng thấp nhất tại Hoa Kỳ.

Mọi hệ thống tòa nhà sẽ được cải thiện trong nỗ lực thiết kế lại, bao gồm một vỏ bao công trình tiết kiệm năng lượng mới; hệ thống cơ khí hiệu quả năng lượng, điện và điện thoại/dữ liệu viễn thông mới; một vách bình phong chịu được sức nổ; nâng cấp bên trong tòa nhà và cấu trúc địa chấn. Bây giờ nó đã hoàn thành, Tòa nhà Liên bang EGWW là mô hình GSA của quốc gia, để cải thiện hiệu quả năng lượng.

Mô phỏng

Để đảm bảo các mục tiêu của EISA sẽ được đáp ứng, nhóm dự án đã thực hiện nghiên cứu kỹ thuật sâu rộng và mô hình hóa sớm các chiến lược từ che nắng bên ngoài và ánh sáng ban ngày, đến sự thoải mái về nhiệt, đến hành vi của người cư ngụ. Kết hợp sưởi ấm và làm mát bức xạ đã được tìm thấy là một trong những chiến lược hiệu quả hàng đầu về tiết kiệm năng lượng thông qua một mô hình năng lượng của Stantec Engineers.

Mặc dù các hệ thống bức xạ rất hiệu quả, nhưng chúng không thể được duy trì sự thoải mái nếu chúng xử lý tải làm mát cực đại trên 20-30 Btu/h/ft2 của diện tích sàn. Trong khi eQuest được sử dụng để ước tính tải năng lượng hàng năm, Stantec Engineering đã sử dụng phần mềm IES Virtual Environment V5.9 để ước tính tải tối đa cho mỗi mặt đứng. Mô hình IES đã xác định lượng điều khiển năng lượng mặt trời cần thiết để giảm tải làm mát đến mức làm mát bức xạ có thể đảm bảo sự thoải mái. Sau khi mô hình năng lượng được thiết lập trong IES, mô-đun của Suncast đã được sử dụng để tính toán năng lượng mặt trời và mô-đun Apache đã được sử dụng để phân tích nhiệt.

Do một số tải làm mát cực đại sẽ được xử lý bởi hệ thống không khí bên ngoài chuyên dụng cung cấp mã thông gió tối thiểu ở 55°F, nên tổng tiêu chí tải làm mát tối đa cho không gian được đặt ở mức 35 Btu/h/ft2 của diện tích sàn, dựa trên mô hình năng lượng. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhóm thiết kế có độ cao mặt trời yêu cầu che nắng và cái nào không. Mỗi mặt đứng đã được thử nghiệm với một điều kiện đỉnh duy nhất; ví dụ cho thấy một khu vực hướng về phía tây nam, nơi tải trọng cực đại xảy ra vào ngày 15 tháng 3 do các góc mặt trời thấp.

Bước tiếp theo là xác định phần trăm thời gian mà mặt đứng phía tây, nam và đông sẽ cần ở trong che nắng trong giờ làm mát cao điểm. Độ sâu của thiết bị che nắng ngang, cố định được sử dụng như một biến số, kiểm tra 6” tăng từ 18” lên đến 36”. Kết quả cho thấy 24” là độ sâu tối thiểu cung cấp che nắng theo yêu cầu của hệ thống làm mát bức xạ.

Hình 2: Nghiên cứu che nắng mặt đứng thử nghiệm các phương án với (1) chỉ che nắng ngang, (2) gờ tản nhiệt dọc và ngang với phần tử ngang là kệ sáng và (3) gờ tản nhiệt dọc và ngang với gương phản xạ ngang. Mỗi tùy chọn đã được thử nghiệm với 3 lựa chọn tỷ lệ kính (4). Số màu cam cho thấy tỷ lệ phần trăm của kính được che nắng trong mỗi tùy chọn.

Hình 3: Các nghiên cứu về ánh sáng ban ngày thử nghiệm 9 phương án che nắng giống như Hình 2. Số màu cam lớn cho thấy hệ số ánh sáng ban ngày trung bình trong vùng chu vi 16’, và số nhỏ hiển thị tỷ lệ tương phản trên khu vực này.

Hình 4: Bản vẽ và phối cảnh của các chiến lược che nắng được đề xuất. Source: Courtesy of Jim Cutler.

Thêm che nắng làm giảm lượng ánh sáng ban ngày có thể giúp tăng cường sử dụng năng lượng chiếu sáng, tăng tải tối đa. Vì nhiều biến số cần được kiểm tra đồng thời tỷ lệ phần trăm kính, ánh sáng ban ngày và che nắng cực đại, một quy trình lặp được sử dụng.

Ba chiến lược che nắng khác nhau được mô hình hóa để chiếu sáng ban ngày và che nắng tại University of Oregon Energy Studies in Buildings Laboratory:

• Một chế độ che nắng ngang;

• Một hệ thống có gờ tản nhiệt dọc và ngang với phần tử nằm ngang làm kệ sáng;

• Một hệ thống với các che nắng dọc và ngang với phần tử nằm ngang làm gương phản xạ ngưỡng.

Mỗi chiến lược che nắng được mô hình hóa với tỷ lệ phần trăm kính 41%, 47% và 57% ở mặt đứng phía Đông Nam và Tây Nam. Mặt đứng phía tây bắc đòi hỏi một chiến lược che nắng khác do mặt trời góc thấp và được mô hình hóa trong một quy trình lặp, riêng biệt. Những nghiên cứu này đã giúp thuyết phục nhóm nghiên cứu rằng họ có thể đạt được các mục tiêu tải trọng cao nhất với độ sáng 41% và độ sâu che nắng hợp lý.

Sau khi thiết lập các thông số cơ bản cho che nắng bên ngoài, SERA Architects, đã làm việc song song với nhà thiết kế dự án, Cutler Anderson Architects, trao đổi các bản phác thảo và phân tích qua lại cho đến khi các mục tiêu chiếu sáng và che nắng của dự án được hình thành.

Một trong những lựa chọn đầu tiên được đề xuất là một phiên bản đường chéo của chiến lược che nắng ban đầu được hiển thị trong mô hình vật lý. Mặc dù phương án này đã được tìm thấy để đáp ứng các tiêu chí che nắng, nhưng nó đã được suy nghĩ lại vì lý do ngân sách. Làm việc qua lại thông qua phát triển thiết kế với đầu vào từ nhà sản xuất tường rèm, một phiên bản hiệu quả về chi phí của thiết kế đã xuất hiện trong đó các thành phần dọc của che nắng được đề xuất là các ống thẳng đứng, đạt được các tiêu chí về che nắng so với vị trí của chúng so với nhau. Thiết kế sửa đổi này đã được thử nghiệm bằng phương pháp tính toán bằng tay và máy tính để đảm bảo các tiêu chí che nắng được đáp ứng.

Nghiên cứu bổ sung

Các biến thể bổ sung cho các che nắng đã được thử nghiệm trong suốt quá trình thiết kế bằng nhiều chương trình phần mềm khác nhau, bao gồm Revit, Ecotect, Radiance và eQuest. Tính toán tay cuối cùng đã được sử dụng để xác nhận kết quả của máy tính và mô hình vật lý.