Cầu nhiệt thường xảy ra khi một bộ phận của tòa nhà có độ dẫn nhiệt cao hơn các vật liệu xung quanh nó, do đó đóng vai trò như một cầu nối truyền nhiệt nhưng hiện tượng này cũng có thể xảy ra do hình dạng của tòa nhà. Cầu nhiệt có thể được xác định trong các tòa nhà hiện có bằng cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại thụ động, một công nghệ phát hiện dấu hiệu nhiệt và khả năng rò rỉ nhiệt.

Cầu nhiêt là hiện tượng làm gián đoạn lớp cách nhiệt của tòa nhà và cho phép truyền nhiệt qua lớp vỏ tòa nhà

Hiện tượng cầu nhiệt xảy ra ở đâu?

Có nhiều nơi mà hiện tượng cầu nhiệt có thể xảy ra trong phạm vi lớp vỏ của tòa nhà, trong đó phổ biến nhất là:

+ Cửa sổ: cửa sổ và cửa ra vào thường có khả năng cách nhiệt kém hơn so với các bức tường xung quanh, đặc biệt là khi nói đến khung và khung cửa, dẫn đến hiện tượng bắc cầu nhiệt xung quanh các cạnh của chúng.

+ Các hệ thống khung: đặc biệt đối với các ngôi nhà, hệ thống khung có tỷ lệ lớn hiện tượng cầu nhiệt trong tòa nhà, vì các đinh tán và dầm có thể là gỗ, kim loại hoặc bê tông làm gián đoạn lớp cách nhiệt và tạo điều kiện truyền nhiệt.

+ Các tiện ích phần cứng: các tiện ích phần cứng như dây điện, ống dẫn và đường ống nước thường xuyên đi qua lớp cách nhiệt và có thể hoạt động như cầu nối nhiệt.

+ Ban công và lan can: vì các chốt nối ban công và lan can xuyên qua lớp vỏ tòa nhà nên chúng có thể đóng vai trò là cầu nối nhiệt nếu chi tiết cố định không được cách nhiệt đầy đủ.

+ Chốt và dây buộc (Fasteners and ties): mặc dù chúng không tạo ra hiện tượng cầu nhiệt lớn nhưng các ốc vít và dây buộc bằng kim loại trong lớp vỏ của tòa nhà thường có số lượng lớn có thể làm giảm đáng kể giá trị R (giá trị cách nhiệt).

Xét trên mọi khía cạnh, cầu nhiệt có thể xảy ra ở bất cứ đâu nếu công trình thiết kế kém hoặc lớp cách nhiệt được lắp đặt không đúng cách.

Các dạng cầu nhiệt

Có hai dạng cầu nhiệt cơ bản – cầu nhiệt vật liệu (Material Thermal Bridges) và cầu nhiệt hình học (Geometric thermal bridges) gây thất thoát năng lượng theo những cách khác nhau.

Cầu nhiệt vật liệu (Material Thermal Bridges)

Cầu nhiệt vật liệu xảy ra tại bất kỳ điểm nào mà vật liệu, khe hở hoặc một số thành phần cấu trúc làm gián đoạn lớp cách nhiệt. Vật liệu hoặc khe hở này dẫn nhiệt tốt hơn vật liệu cách nhiệt, cho phép truyền nhiệt dễ dàng giữa bên ngoài và bên trong. 

Cầu nhiệt vật liệu như các đinh tán và khung xà trên tường này tạo thành những cầu nối nhiệt theo nghĩa đen giữa bên trong và bên ngoài, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền nhiệt qua lớp vỏ của tòa nhà.

Đinh tán trên tường (Wall studs) là một ví dụ phổ biến của cầu nhiệt vật liệu. Mặc dù chúng là những thành phần cấu trúc quan trọng nhưng các đinh tán trên tường bằng gỗ và kim loại làm gián đoạn tính liên tục của lớp cách nhiệt, tạo ra các đường truyền nhiệt trực tiếp. Tương tự, bất kỳ khoảng trống nào giữa các tấm hoặc tấm cách nhiệt sẽ trở thành cầu nối nhiệt. Hiện tượng cầu nhiệt vật liệu có thể được ngăn ngừa thông qua các giải pháp thiết kế chiến lược trong giai đoạn lập kế hoạch của dự án.

Cầu nhiệt hình học (Geometric Thermal Bridges)

Cầu nhiệt hình học không giống cầu nhiệt vật liệu, có thể xuất hiện ở bất cứ nơi nào có hai hoặc ba mặt phẳng khác nhau gặp nhau, và xảy ra khi bề mặt phát nhiệt lớn hơn bề mặt hấp thụ nhiệt. Cầu nhiệt hình học xuất hiện khi bản thân lớp vỏ tạo điều kiện tăng/thất thoát nhiệt ở các vị trí cụ thể. Đây thường là những vị trí có bề mặt hấp thụ nhiệt nhỏ hơn bề mặt tỏa nhiệt, làm cho diện tích tiêu hao nhiệt bên ngoài lớn hơn nhiều so với diện tích của bề mặt bên trong.

Các đinh tán tường bằng gỗ trong ngôi nhà này là dạng cầu nhiệt lặp lại

Cầu nhiệt hình học đặc biệt phức tạp ở chỗ chúng hoàn toàn không thể tránh khỏi, mặc dù chúng có thể được giữ ở mức tối thiểu nếu tòa nhà có thiết kế tương đối đơn giản. Những nơi phổ biến xuất hiện cầu nhiệt hình học bao gồm các góc tường bên ngoài, xung quanh các cửa sổ và cửa ra vào, các điểm nối mái hiên và các điểm nối giữa các bức tường bên ngoài và tầng trệt.

Phân loại cầu nhiệt

Ngoài cầu nhiệt vật liệu và hình học, còn có ba loại cầu nhiệt chính: lặp lại, tuyến tính (không lặp lại) và điểm.

Cầu nhiệt lặp lại (repeating thermal bridges)

Đúng như tên gọi, cầu nhiệt lặp lại là những khoảng trống được bố trí đều đặn, phân bổ đều khắp một phần của lớp vỏ tòa nhà. Tác động của việc lặp lại hiện tượng cầu nhiệt có liên quan tới hệ số truyền nhiệt U của các bộ phận công trình. Đinh tường bằng gỗ và thanh giằng thép trong cụm tường cách nhiệt là hai trong số những dạng cầu nhiệt lặp lại phổ biến nhất.

Các tấm SIP có khả năng cách nhiệt liên tục hoặc gần như liên tục và tạo ra rất ít cơ hội cho cầu nhiệt.

Cầu nhiệt tuyến tính (Không lặp lại) - Linear (Non-Repeating)

Mặt khác, cầu nhiệt tuyến tính hoặc không lặp lại không tuân theo một khuôn mẫu cố định nào mà thay vào đó xảy ra ở bất cứ nơi nào có điểm nối giữa các thành phần cấu trúc. Nhiệt lượng bị mất từ các cầu nhiệt không lặp lại được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp Ψ và được tính bằng công thức nâng cao. Các ví dụ phổ biến của cầu nhiệt tuyến tính bao gồm các khoảng trống trong lớp cách nhiệt nơi tường tiếp giáp với sàn, các thanh ngang phía trên cửa ra vào và cửa sổ, mái hiên, góc và ban công.

ICF không có cầu nhiệt và cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt tuyệt vời, giúp giảm đáng kể nhu cầu sưởi ấm và làm mát cơ học.

Cầu nhiệt điểm (Point thermal bridge)

Cầu nhiệt điểm do các lỗ xuyên qua lớp vỏ tòa nhà như cột và dầm, ốc vít cách nhiệt, giá đỡ cho mái che và mái hiên… Việc các cầu nhiệt tuyến tính được lắp đặt sau khi lớp cách nhiệt đã được lắp đặt là điều cực kỳ phổ biến do tay nghề kém của những người lắp đặt hệ thống ống nước, hệ thống điện,…

Các vấn đề của hiện tượng cầu nhiệt

Mặc dù các vấn đề về cầu nhiệt là không thể tránh khỏi ở một mức độ nào đó, nhưng chúng đã trở nên quá phổ biến trong nhiều dự án phát triển hiện đại và là một điểm yếu trong toàn ngành xây dựng.

Chất thải năng lượng

Có thể dự đoán được, nhược điểm lớn nhất của cầu nhiệt là chúng làm thất thoát đáng kể năng lượng sưởi ấm và làm mát; nghiên cứu cho thấy cầu nhiệt có thể chiếm tới 30% lượng nhiệt thất thoát của tòa nhà. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà còn làm tăng lượng khí thải nhà kính của tòa nhà. 

Tòa nhà Chestnut Commons 14 tầng được thiết kế theo tiêu chuẩn Nhà thụ động và về cơ bản không có hiện tượng cầu nhiệt.

Cầu nhiệt cũng làm giảm giá trị R tổng thể của một bộ phận tòa nhà, dẫn đến ước tính hiệu suất không chính xác nếu hiện tượng này không được tính đến trong kịch bản mô hình hóa năng lượng.

Sự ngưng tụ hơi ẩm

Cầu nhiệt cũng có thể tạo điều kiện cho sự ngưng tụ hơi ẩm trong những tháng lạnh, dẫn đến hư hỏng cấu trúc do độ ẩm, nấm mốc phát triển. Điều này xảy ra khi không khí ấm, ẩm bên trong gặp bề mặt lạnh của cầu nhiệt, khiến hơi ẩm xung quanh ngưng tụ thành chất lỏng. Hiện tượng này có thể xảy ra cả ở mặt trong của tường và bên trong cụm tường, sau này gây ra mối đe dọa cho tính toàn vẹn của lớp cách nhiệt dẫn đến hiệu suất cách nhiệt kém hơn và làm thất thoát năng lượng. Trong trường hợp nhiệt độ cực thấp, sự ngưng tụ này thậm chí có thể dẫn đến hư hỏng do sương giá.

Giảm sự thoải mái

Cầu nhiệt cũng có thể khiến các điểm nóng hoặc lạnh hình thành ở khu vực xung quanh, làm giảm mức độ thoải mái chung của cư dân trong tòa nhà. Việc giảm bớt sự thoải mái có thể làm giảm năng suất và cuối cùng làm giảm chất lượng môi trường bên trong tòa nhà.

Cách ngăn ngừa hiện tượng cầu nhiệt

Có các chiến lược để ngăn ngừa hiện tượng cầu nhiệt trong thiết kế cuối cùng của dự án.

Lắp đặt lớp cách nhiệt liên tục 

Cách hiệu quả nhất để ngăn ngừa hiện tượng cầu nhiệt là lắp đặt lớp cách nhiệt liên tục. Nói chung, cách nhiệt liên tục chính xác như tên gọi của nó, cách nhiệt liên tục trên tất cả các bộ phận kết cấu và không có cầu nhiệt ngoại trừ cầu nhiệt gây ra bởi ốc vít và các lỗ hở. Để đạt hiệu quả tối đa, nên ưu tiên các vật liệu có giá trị R (giá trị cách nhiệt) cao như len đá, polystyrene ép đùn và giãn nở, polyurethane. Ở những khu vực không thể hoặc không thể thực hiện cách nhiệt liên tục, việc bọc lớp cách nhiệt được lựa chọn có thể là phù hợp. 

Các tấm cách nhiệt kết cấu (SIP)

Tấm cách nhiệt kết cấu (SIP) là một loại tấm composite nhẹ, hiệu suất cao được sử dụng trong các dự án xây dựng dân dụng và nhẹ để xây tường, sàn, mái và thậm chí cả hệ thống móng. SIP bao gồm hai lớp vỏ bọc (thường là tấm ván định hướng hoặc OSB) được kẹp xung quanh lõi xốp cách nhiệt và có thể hoạt động như một dạng cách nhiệt liên tục hoặc gần như liên tục. 

Tất nhiên, điều này không có nghĩa là các tấm SIP không xảy ra hiện tượng cầu nhiệt. Ví dụ, cầu nhiệt có thể xuất hiện ở các đường nối giữa các tấm riêng lẻ, được tạo hình từ gỗ xẻ. Tuy nhiên, có sẵn các lựa chọn vật liệu khác, các tấm composite và gỗ cách nhiệt là lý tưởng cho các dự án muốn giảm hiện tượng cầu nhiệt.

Những cải tiến của các tấm ván định hướng OSB và công nghệ chế tạo sẵn đã cho phép các nhà sản xuất SIP tạo ra các tấm SIP lớn hơn giúp tạo nên lớp vỏ bọc tòa nhà chặt chẽ hơn hạn chế hiện tượng cầu nhiệt.

Cốp pha bê tông cách nhiệt (Insulated concrete forms - ICF)

Cốp pha bê tông cách nhiệt (ICF) cũng có khả năng cách nhiệt liên tục và giảm đáng kể lượng cầu nhiệt trong một dự án. Chắc chắn, sản xuất nhanh và lắp đặt tương đối đơn giản, ICF được tạo ra bằng cách đổ bê tông vào các khuôn xốp polystyrene cách nhiệt. Sau khi bê tông đông kết, các ván khuôn sẽ được giữ nguyên tại chỗ thay vì phải tháo ra, giúp cải thiện chất lượng cách nhiệt của tường so với các bức tường khung gỗ truyền thống, miễn là phần chân bên dưới cũng được cách nhiệt, ICF hầu như không có cầu nhiệt.

Rào cản nhiệt & Vật liệu có độ dẫn điện thấp

Giải pháp cuối cùng, khả năng cầu nhiệt có thể được giảm thiểu thông qua sử dụng các rào cản nhiệt hoặc các thành phần vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp tự nhiên. Giải pháp này về mặt kỹ thuật bao gồm cách nhiệt liên tục và sử dụng các vật liệu giúp ngăn chặn thất thoát nhiệt.

Khung cửa sổ và tường rèm là một ví dụ điển hình về các khu vực dễ xảy ra cầu nhiệt, đặc biệt là những bộ phận được làm từ vật liệu dẫn điện cao như nhôm. Đó là lý do tại sao các nhà sản xuất khung nhôm bắt đầu đưa công nghệ rào cản nhiệt vào thiết kế của họ để ngăn chặn sự truyền nhiệt không mong muốn và lãng phí năng lượng. Trong ngành công nghiệp khung nhôm, một trong hai phương pháp thường được sử dụng để tạo ra các rào cản nhiệt là: hệ thống thermal pour and debridge (P&D system – hệ thống rào cản nhiệt này được sử dụng rộng rãi ở khu vực Bắc Mỹ) và thanh chống nhiệt polyamide struts. 

Mặt khác, thanh chống nhiệt polyamide (Polyamide struts) có thể được sử dụng để thay thế tấm chịu lực nhôm trong khung tường rèm truyền thống. Do thành phần polyamit có giá trị truyền nhiệt thấp hơn đáng kể so với nhôm, mang lại hiệu suất về cấu trúc và nhiệt giúp tăng hiệu suất tổng thể và giảm hệ số U lên tới 20%.

Cầu nhiệt & chứng nhận nhà thụ động

Mặc dù có nhiều hệ thống xếp hạng công trình xanh nhấn mạnh đến hiệu quả sử dụng năng lượng và cải thiện chất lượng môi trường trong nhà, nhưng rất ít hệ thống đánh giá có tiêu chí loại bỏ hiện tượng cầu nhiệt như các tổ chức chứng nhận công trình thụ động. Cả Viện Passivhaus (PHI) và Phius đều xác định rõ ràng việc giảm hiện tượng cầu nhiệt là một phần không thể thiếu trong chứng nhận nhà thụ động, trong đó Viện PHI tiến xa hơn khi biến thiết kế không có hiện tượng cầu nhiệt trở thành một trong năm nguyên tắc thiết kế cốt lõi.

Có thể giảm hiện tượng cầu nhiệt xuống mức mà chúng có tác động không đáng kể đến mức tiêu thụ năng lượng của dự án. Theo Viện PHI, giá trị Ψ từ 0,01 W/mK trở xuống được coi là không có cầu nhiệt về mặt kỹ thuật.

Hiệp hội nhà thụ động quốc tế (iPHA - The International Passive House Association) có danh mục Passipedia bao gồm toàn bộ các bài viết, các tài liệu khoa học mới nhất liên quan đến nhà thụ động. Trên Passipedia, thông tin và kiến thức cơ bản về Nhà thụ động có sẵn cho tất cả mọi người xem, trong khi các thành viên của Hiệp hội Nhà thụ động quốc tế (iPHA) được tiếp cận đặc biệt với các kiến thức chuyên sâu hơn. Trên Passipedia có các tài liệu khác nhau dành riêng nói về hiện tượng cầu nhiệt và các cách để đạt mục tiêu thiết kế công trình không xảy ra hiện tượng cầu nhiệt. 

https://gbdmagazine.com/thermal-bridging/

ND: Mai Anh