Biến đổi khí hậu, tiện nghi sinh học và năng lương tiêu thụ: Những thách thức của thiết kế trong thế kỷ 21

Đối với kiểu khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, mục tiêu chính của thiết kế là hướng đến các công trình có thể vận hành tự do (free running) trong một phần của mùa nóng, có thể là công trình thông gió tự nhiên hoàn toàn hoặc một phần (có hệ thống làm mát cơ khí vận hành khi cần thiết). Báo cáo này giới thiệu những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu về tiện nghi sinh học của con người cũng như các cách tiếp cận Kiến trúc tiết kiệm năng lượng bằng các công cụ và giải pháp tích hợp, trong đó chú ý đến các ứng dụng mang tính thực tiễn cao. Đồng thời, bài viết cũng đưa ra các ví dụ điển hình trong việc tích hợp các công cụ và giải pháp vào trong quá trình thiết kế các công trình kiến trúc có tính thẩm mỹ cao và sử dụng hiệu quả năng lượng.

 Con gấu cái Bắc Cực gầy trơ xương do băng tan nhanh ở vùng cực. Ảnh: Kerstin Langenberger  (nguồn:metro.co.uk- ngày 24/9/2015)
Con gấu cái Bắc Cực gầy trơ xương do băng tan nhanh ở vùng cực. Ảnh: Kerstin Langenberger
(nguồn:metro.co.uk- ngày 24/9/2015)

Bối cảnh của biến đổi khí hậu ở Việt Nam và các tác động đến môi trường xây dựng

Cách đây ít ngày, nhiều trang web công bố bức ảnh của Kerstin Langenberger chụp một con gấu Bắc cực gầy trơ xương (Hình 1) do không kiếm đủ thức ăn (có thể do biến đổi khí hậu) khiến cộng đồng quốc tế lại dậy sóng về vấn đề biến đổi khí hậu (BĐKH).

Ở Việt Nam, tác động của BĐKH cũng đã được ghi nhận ở nhiều nơi qua nhiều hiện tượng thiên nhiên bất thường. Những diễn biến bất thường của thời tiết, khí hậu trong nhiều năm gần  đây dường như có liên quan đến sự biến đổi của các hệ thống hoàn lưu khí quyển, đại dương trên qui mô lớn và sự thay đổi trong hoạt động của gió mùa trong khu vực. Bão, áp thấp nhiệt đới có xu hướng dịch chuyển về phía Nam, có cường độ mạnh hơn và quĩ đạo phức tạp, khó dự báo hơn. Hạn hán, lũ lụt xảy ra bất thường. Các đợt nắng nóng có xu hướng gia tăng cả về cường độ, tần suất và độ dài mỗi đợt. Số ngày rét đậm, rét hại giảm đi nhưng mức  độ khắc nghiệt và sự kéo dài của mỗi đợt có dấu hiệu gia tăng. Nói chung, BĐKH làm gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan, tác động mạnh mẽ đến con người và hệ sinh thái, nhất là các thành phần dễ bị tổn thương [1].

BĐKH đã tác động mạnh mẽ đến mọi mặt của môi trường xây dựng trên các khía cạnh: Không khí nóng hơn, ngập lụt, ảnh hưởng nguồn nước, sức khỏe cư dân, đa dạng sinh học, giao thông, tài chính và lối sống của cư dân. Thách thức đặt ra cho các nhà thiết kế công trình là làm sao giảm nhẹ các tác động song song với việc cắt giảm phát thải khí nhà kính từ việc xây dựng và vận hành các công trình kiến trúc.

Khí hậu và tiện nghi sinh học trong kiến trúc 

1. Những thay đổi về cách thức sử dụng Khí hậu trong thiết kế công trình

BĐKH đã tạo ra những biến động đáng kể về khí hậu cũng như các tác động đến công trình xây dựng. Công trình xây dựng vừa là một phần tác nhân của BĐKH thông qua việc phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính, vừa là “nạn nhân” của BĐKH. Thách thức đặt ra cho các nhà thiết kế kiến trúc là làm sao phải giảm mạnh năng lượng tiêu thụ trong công trình, đồng thời với việc đảm bảo tiện nghi sinh học cho con người.

Để giải quyết thách thức kép này, công tác dự báo là hết sức quan trọng. Trước đây, khí hậu của một địa phương thường được đánh giá và vận dụng vào trong thiết kế bằng các giá trị khí tượng lịch sử trung bình. Cách tiếp cận này đã được Victor Olgyay lần đầu tiên giới thiệu vào năm 1953 [2] và được sử dụng rộng rãi trong các giáo trình Kiến trúc sinh khí hậu, kiến trúc khí hậu.

a1106_tckt_02
Hình 2: Khí hậu Luân Đôn tại 3 lát cắt thời gian theo kịch bản biến đổi khí hậu UKCIP02 phát thải trung bình caocho thấy tần suất xuất hiện các giá trị nhiệt độ cao ngày càng lớn (nguồn: [3])

Ngày nay, khí hậu được dùng để đánh giá hiệu quả năng lượng của công trình và hệ thống HVAC đi cùng. Ở khía cạnh này, phương pháp tiếp cận hiệu quả nhất là sử dụng các chương trình mô phỏng trên máy tính. Các chương trình thường phải có khả năng dự đoán năng lượng tiêu dùng của công trình trong trọn một năm và chi tiết đến từng giờ.

Để giảm bớt những ảnh hưởng của biến trình tự nhiên của thời tiết, Tổ chức Khí tượng Thế giới WMO định nghĩa khí hậu là quy luật diễn biến của thời tiết trong một khoảng thời gian 30 năm, trong khi các nhà thiết kế, KTS sử dụng dữ liệu thời tiết của một năm duy nhất cho mô phỏng. Do đó, điều quan trọng là năm được chọn phải tiêu biểu cho thời tiết trong một số năm (thường phải 20 năm trở lên). Một năm như vậy thường được gọi là Năm tham chiếu điển hình (Test reference year). Các phương pháp sử dụng để lựa chọn TRY là không giống nhau giữa các quốc gia (xem ví dụ CIBSE 2002 [4]); Tuy nhiên, mục tiêu là như nhau: Xây dựng một tập hợp gồm thời tiết của 12 tháng là tiêu biểu của thời tiết trong quá khứ (thường là 20 năm). Điều này có nghĩa rằng một Năm tham chiếu điển hình TRY dường như không bao gồm các dạng thời tiết cực đoan và do đó, chỉ thích hợp để dự báo tiêu thụ năng lượng, nhưng không phù hợp với việc đánh giá hiệu quả hoạt động của các công trình trong điều kiện khắc nghiệt. Để khắc phục điều này cần một năm có chứa các thời kỳ nơi có nhiệt độ cao hơn so với trung bình. Hiện nay, nhiều nước đã có những cách khắc phục bằng cách sử dụng các Năm tham chiếu điển hình với thời tiết mùa hè rất nóng DSY (Design summer year – đặc trưng cho hiện tượng BĐKH). 

Đối với các thiết kế cần sự bền vững lâu dài, điều quan trọng là phải dự đoán được công trình sẽ hoạt động như thế nào trong suốt vòng đời của nó. Để làm điều này cần thiết phải có các dữ liệu khí hậu đại diện cho tương lai. Do đó, TRY cần thiết phải tính đến BĐKH bằng cách vi biến (morph) tiến trình BĐKH vào trong dữ liệu thời tiết bằng máy tính, sử dụng các kịch bản phát thải khác nhau ở các quốc gia. Ví dụ ở Việt Nam có kịch bản BĐKH do Bộ tài Nguyên Môi trường thực hiện năm 2009 ứng với 3 kịch bản phát thải: cao, trung bình và thấp (xem ví dụ Hình 2).

Hình 3: Các cách dự đoán nhiệt độ tiên nghi trong nhà theo nhiệt độ trung bình hàng tháng ngoài trời (của ASHRAE - trái) và (của tác giả dành cho khu vực Đông Nam Á – phải) (nguồn: [5] và tác giả)
Hình 3: Các cách dự đoán nhiệt độ tiên nghi trong nhà theo nhiệt độ trung bình hàng tháng ngoài trời (của ASHRAE – trái) và (của tác giả dành cho khu vực Đông Nam Á – phải) (nguồn: [5] và tác giả)

a1106_tckt_04

2. Những thay đổi trong quan niệm về tiện nghi sinh học và các cách tiếp cận mới nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng:

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng khi con người ít có cơ hội kiểm soát điều kiện môi trường sinh hoạt, tiện nghi nhiệt chỉ có thể đạt được trong một phạm vi nhiệt độ rất hẹp. Lý thuyết khởi xướng bởi cố Giáo sư người Đan Mạch – Povl OleFanger [4]- thường được vận dụng trong trường hợp này để xác định điều kiện tiện nghi và thiết lập chế độ làm mát công trình – thường quanh ngưỡng 25 ºC.

Thiết kế công trình tiết kiệm năng lượng lại có xu hướng thoát khỏi các điều kiện cố định và thường cho phép người sử dụng có nhiều cơ hội kiểm soát môi trường trong công trình. Ví dụ một tòa nhà vận hành theo chế độ hỗn hợp sẽ hoạt động theo kiểu thông gió tự nhiên cho đến khi nào thấy cần thiết phải vận hành máy lạnh. Trong những công trình như vậy, nếu người ta có các “cơ hội thích nghi” họ sẽ cảm thấy tiện nghi trên một phạm vi rộng lớn hơn nhiều. Nhiệt độ mà con người cảm thấy tiện nghi thường cao hơn đáng kể (thường từ 2 đến 3 ºC) so với tiêu chuẩn mà Fanger đã đề xuất trước đó. Tiêu chuẩn của ASHRAE 55 dành cho công trình thông gió tự nhiên là một ví dụ [5], theo đó nhiệt độ mà con người cảm thấy tiện nghi tăng nếu nhiệt độ trung bình ngoài trời tăng (xem Hình 3).

a1106_tckt_05
Hình 4: Dải nhiệt độ tổng hợp tiện nghi kiến nghị cho Hà Nội và TP HCM (nguồn: tác giả)

a1106_tckt_06

Trong một nghiên cứu gần đây[6], tác giả phát hiện rằng phần lớn người Đông Nam Á cảm thấy hoàn toàn thoải mái ở 27.9 ºC, cao hơn 2 ºC so với lý thuyết của Fanger đề xuất. Mối quan hệ được biểu diễn qua biểu thức . Ví dụ, Hà Nội có nhiệt độ trung bình tháng Ba là 20°C, theo công thức trên, nhiệt độ tổng hợp tiện nghi tương ứng cho người Hà Nội trong tháng Ba là 25.7°C.

Hình 4 biểu diễn dải nhiệt độ tiện nghị kiến nghi cho Hà Nội và TP HCM. Nhiệt độ trung bình tháng (trung bình của trung bình cực đại và trung bình cực tiểu) lấy từ Quy chuẩn Việt Nam QCVN 02: 2009/BXD. Độ rộng của dải tiện nghi thay đổi từ 5.0°C đến 3.2°C khi nhiệt độ trung bình tháng thay đổi từ 16.5°C đến 29.1°C (Nhiệt độ trung bình càng cao, bề rộng của dải tiện nghi càng thu hẹp). Qua đó có thể thấy trong mùa nóng, công trình có thể được làm mát ở gần 29 °C cùng với các cơ hội thích nghi cho con người. Việc các công trình sử dụng điều hoà thiết lập chế độ làm mát 23 – 24°C mà bỏ qua các cơ hội thích nghi của người sử dụng là một sự lãng phí năng lượng và gây bất tiện nghi.

Hình 5: Tần suất sử dụng của các giải pháp thiết kế thụ động ở Việt Nam (nguồn: tác giả)
Hình 5: Tần suất sử dụng của các giải pháp thiết kế thụ động ở Việt Nam (nguồn: tác giả)

Những chiến lược và cách tiếp cận trong thiết kế thích ứng với BĐKH

Mục tiêu chính của thiết kế kiến trúc là nhằm tạo ra môi trường tiện nghi cho hoạt động của con người, chống lại các tác động bất lợi của thời tiết. Ngày nay công trình kiến trúc vừa phải thích ứng với các BĐKH, vừa phải góp phần hạn chế BĐKH thông qua việc cắt giảm năng lượng tiêu thụ. Để đáp ứng các yêu cầu đó, dựa trên các kết quả trước đây, chúng tôi đã nghiên cứu và đề xuất 22 chiến lược thiết kế thụ động cho công trình trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Thiết kế thụ động (passive design) là một thuật ngữ dùng phổ biến trong thiết kế kiến trúc ở các nước phương Tây, để chỉ các giải pháp thiết kế (thông qua giải pháp quy hoạch, kiến trúc, cấu tạo, sử dụng vật liệu…) phù hợp với điều kiện tự nhiên và khí hậu của địa điểm xây dựng, nhằm đảm bảo tối đa tiện nghi trong công trình và sự vận hành của nó, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng năng lượng. Các giải pháp thiết kế thụ động hoàn toàn dựa vào các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên như gió, mặt trời và các yếu tố thiên nhiên như cây xanh, mặt nước, đất. Các nghiên cứu của tác giả cho thấy chỉ riêng các giải pháp thiết kế thích ứng với khí hậu (một phần của thiết kế thụ động) cũng đã có thể giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong công trình tới 15% đến 30%, tùy thuộc vào vùng khí hậu [7]. Các lợi ích mà thiết kế thụ động mang lại bao gồm:

– Đảm bảo tiện nghi sử dụng mà không dùng năng lượng hóa thạch;

– Tạo ra môi trường sống gần gũi với thiên nhiên, tránh các bệnh do phòng đóng kín chạy điều hòa (sick building syndrome);

– Tạo ra các loại hình kiến trúc mang sắc thái địa phương do phản ánh điều kiện tự nhiên và khí hậu của từng vùng;

– Bảo vệ môi trường và tài nguyên, chống BĐKH.

Do đó, thiết kế thụ động là giải pháp đáp ứng nhiều tiêu chí của phát triển bền vững, cần được khuyến khích và nhân rộng trong giới KTS.Hai mươi hai (22) chiến lược thiết kế thụ động được đề xuất bao gồm:

– Cách nhiệt cho vỏ bao che, 

– Giảm hấp thụ bức xạ mặt trời,

– Sử dụng khối nhiệt trong nhà và thông gió đêm,

– Sử dụng vỏ bao che mỏng nhẹ, cách nhiệt tốt,

– Kiểm soát thời gian trễ của dòng nhiệt qua kết cấu,

– Thông gió tự nhiên,

– Tạo gió cục bộ và thông gió cưỡng bức bằng quạt,

– Làm mát bằng bay hơi trực tiếp,

– Làm mát bằng bay hơi gián tiếp,

– Nhà âm trong lòng đất hoặc nhà mái đất,

– Thông gió qua ống trao đổi nhiệt dưới đất,

– Trữ nhiệt mặt trời bằng tường Trombe,

– Vách kính hướng về xích đạo,

– Phòng Mặt trời (Sunroom),

– Bơm địa nhiệt (geothermal heat pump),

– Xanh hóa không gian xung quanh công trình,

– Chiếu sáng tự nhiên trực tiếp,

– Chiếu sáng tự nhiên gián tiếp,

– Chống chống đọng sương trên bề mặt kết cấu,

– Chống ngập lụt,

– Chống bão và gió lốc,

– Che mưa, thu gom và tổ chức thoát nước mưa.

Hình 6: Con đường tiến tới kiến trúc zero năng lượng (nguồn: tác giả)
Hình 6: Con đường tiến tới kiến trúc zero năng lượng (nguồn: tác giả)

Trong một nghiên cứu công phu trên tập hợp một số ngôi nhà ở dân gian Việt Nam [8]chúng tôi đã phát hiện ra các chiến lược ưu tiên mà cha ông chúng ta đã ứng dụng trong công trình như giới thiệu trongHình 5.

Trong những năm gần đây, trong giới nghiên cứu đang đẩy mạnh các kỹ thuật nhằm biến công trình kiến trúc thành những đối tượng không sử dụng năng lượng có nguồn gốc hóa thạch (than, dầu, khí đốt…) và do đó không phát thải khí nhà kính gây BĐKH. Đó là những ngôi nhà zero năng lượng. Năng lượng được tạo ra tại chỗ thông qua một sự kết hợp giữa công nghệ sản xuất năng lượng mặt trời và gió, trong khi giảm thiểu việc sử dụng năng lượng công trình do sử dụng công nghệ HVAC, chiếu sáng có hiệu quả cao. Hầu hết các tòa zero-năng lượng sử dụng lưới điện để lưu trữ năng lượng, nhưng một số độc lập với lưới điện. Mục tiêu công trình zero-năng lượng đang dần thực tế hơn khi các chi phí cho công nghệ khai thác năng lượng tái sinh giảm và chi phí nhiên liệu hóa thạch truyền thống tăng. Hình 6 giới thiệu một cách tiếp cận điển hình có tính khả thi nhằm đạt mục tiêu công trình zero năng lượng.

 

Những ví dụ trong việc tích hợp các giải pháp thiết kế tiên tiến vào công trình

Trường Mầm non Thế giới Xanh Pou Chen, Việt Nam[9]

Hình 7: Toàn cảnh công trình từ trên cao (ảnh: VGBC)
Hình 7: Toàn cảnh công trình từ trên cao (ảnh: VGBC)

Các KTS của Võ Trọng Nghĩa Architects đã tạo một ngôi trường mẫu giáo với các không gian đầy hấp dẫn, nhưng kiến trúc vẫn đáp ứng hoàn hảo với các tiêu chí của xây dựng bền vững (Hình 7). Các nguyên tắc thiết kế thụ động đã được áp dụng triệt để, bao gồm mái trồng cây xanh hạn chế bức xạ, lam che nắng, thông gió và chiếu sáng tự nhiên. Bên cạnh đó, công trình còn sử dụng vật liệu tái chế, tái sử dụng nước, sử dụng bình nước nóng năng lượng mặt trời và các giải pháp bền vững khác. Công trình đã được trao chứng nhận Lotus bạc.

Các chỉ số hiệu năng chính của công trình gồm: Giảm sử dụng 40% năng lượng; Giảm sử dụng 40% nước thông qua các thiết bị tiết kiệm nước; 70% diện tích tổng mặt bằng có thảm thực vật; 100% diện tích sử dụng có tầm nhìn ra bên ngoài; 90% diện tích sử dụng được thông gió tự nhiên; 100% nhu cầu tưới tiêu sử dụng nước tái chế; 80% diện tích sử dụng được chiếu sáng tự nhiên.

Tree House ở Singapore

Hình 8: Toàn cảnh Tree House (nguồn: Tạp chí SouthEast Asia Building, tháng 9+10/2014)
Hình 8: Toàn cảnh Tree House (nguồn: Tạp chí SouthEast Asia Building, tháng 9+10/2014)

Tree House ở Singapore vừa mới xác lập một kỷ lục thế giới mới với khu vườn thẳng đứng lớn nhất thế giới. Bức tường màu xanh lá cây của tòa nhà với diện tích 2289m2 được dựng bằng khung thép mạ kẽm với cây leo là hoa Cát đằng và hoa Móng bò và được thiết kế để có thể dễ dàng bảo trì (xem Hình 8)

Tree House là một tòa nhà chung cư 24 tầng tự hào có khu vườn thẳng đứng lớn nhất thế giới và thiết lập các  công nghệ và cấu trúc bền vững như cửa kính tráng phimchống nhiệt, thang máy hiệu suất cao, đèn LED chiếu sáng không gian chung, cảm biến chuyển động tự động kích hoạt đèn chiếu sáng, thu nước mưa, đồng hồ đo nước cho các nguồn tiêu thụ chính…Các chiến lược thiết kế thụ động chính được sử dụng gồm: các tấm che nắng lớn ở cả hướng Nam và Bắc, thông gió và chiến sáng tự nhiên cho căn hộ, cây xanh giảm hấp thu bức xạ mặt trời và cải thiện vi khí hậu. Khu vườn thẳng đứng có khả năng làm giảm lượng phát thải carbon của công trình bằng cách thanh lọc các chất ô nhiễm và carbon dioxide trong không khí. Người ta ước tính rằng các cư dân của 48 căn hộ chính Tây được cách nhiệt bằng khu vườn chung sẽ được giảm từ 15 đến 30% chi phí làm mát – một khoản tiết kiệm từ khoảng 9,500 – 19,000 US$mỗi năm. Còn tòa nhà có thể tiết kiệm được 2,400,000 kWh điện và 30000 m3 nước mỗi năm.

Kết luận

Từ trước đến nay, giới KTS vẫn quen sử dụng phương pháp thiết kế dựa trên công năng (function-based design method) vốn đã và đang được áp dụng trong đào tạo KTS. BĐKH và các thách thức về môi trường đã và đang thúc đẩy mạnh mẽ các KTS và kỹ sư công trình hướng các thiết kế của mình theo hướng bền vững và hiệu quả năng lượng. Đây là cách tiếp cận dựa trên hiệu năng (performance-based approach). Bài viết giới thiệu những thay đổi chính trong các vấn đề liên quan đến khí hậu và tiện nghi sinh học con người, qua đó đề xuất các chiến lược thiết kế nhằm thích ứng với BĐKH và nâng cao hiệu quả năng lượng công trình. Qua đây, tác giả muốn gởi gắm một thông điệp rõ ràng đối với lối suy nghĩ của giới KTS trong việc hành động có trách nhiệm hơn với môi trường – Đó là vì nền Kiến trúc Việt Nam tiên tiến, góp phần bảo đảm một tương lai bền vững cho các thế hệ tiếp theo.

Tài liệu tham khảo

V. T. Phan and Đ. T. Ngo, “Biến đổi khí hậu ởViệt Nam: Một số kết quả nghiên cứu, thách thức và cơ hội trong hội nhập quốc tế,” Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, vol. 29, no. 2, pp. 42-55, 2013. 

V. Olgyay, Design with climate – Bioclimatic approach to architectural regionalism, New Jersey: Princeton University Press, 1963. 

M. J. Holmes and J. N. Hacker, “Climate change, thermal comfort and energy: Meeting the design challenges of the 21st century,” Energy and Buildings, vol. 39, no. 7, pp. 802-814, 2007. 

P. O. Fanger, Thermal comfort, Copenhagen: Danish Technical Press, 1970.

ASHRAE, ASHRAE standard 55-2004: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, Atlanta GA: ASHRAE, Inc., 2004. 

A. T. Nguyen, M. K. Singh and S. Reiter, “An adaptive thermal comfort model for hot humid South-East Asia,” Building and Environment, vol. 56, pp. 291-300, 2012. 

A. T. Nguyen, S. Reiter and P. Rigo, “A review on simulation-based optimization methods applied to building performance analysis,” Applied Energy, vol. 113, pp. 1043-1058, 2014. 

A. T. Nguyen, Q. B. Tran, D. Q. Tran and S. Reiter, “An investigation on climate responsive design strategies of vernacular housing in Vietnam,” Building and Environment, vol. 46, pp. 2088-2106, 2011. 

VGBC, “Dự án Lotus,” VGBC, 2015. [Online]. Available: http://www.vgbc.org.vn/index.php/du-an-lotus/004-NR-11-NC—Truong-Mam-non-The-gioi-Xanh-Pou-Chen-3. [Accessed 27 9 2015].

TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn 

Khoa Kiến trúc, Đại học Bách khoa Đà Nẵng
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 09 – 2015)