Khả năng ứng dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong chung cư sinh thái tại TP HCM

Việc sử dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong xây dựng nhà ở cao tầng sẽ trở thành xu hướng tất yếu cho sự phát triển bền vững của TP. HCM nói riêng và các đô thị lớn ở Việt Nam nói chung. Bài báo đưa ra khả năng ứng dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong xây dựng nhà chung cư cao tầng sinh thái, phù hợp với điều kiện môi trường, khí hậu và kinh tế, xã hội tại TP.HCM. Các giải pháp đưa ra sẽ trở thành cơ sở cho các nhà thiết kế tham khảo và các nhà quản lý hoạch định chính sách phát triển đô thị trong tương lai.

Hiện nay TP. HCM là đô thị lớn nhất cả nước với quy mô đô thị ngày càng mở rộng và dân số ngày một tăng (8.426.300 người, tính đến năm 2016) [5]. Nhà chung cư cao tầng là một loại hình nhà ở đáp ứng được các yêu cầu của cư dân TP.HCM, vừa tiết kiệm diện tích đất xây dựng, vừa phục vụ được số đông người dân, lại có thể đem lại môi trường sống thoải mái và tiện nghi.

Ngành xây dựng vốn là một trong những ngành gây ô nhiễm môi trường và tiêu tốn nhiều năng lượng nhất, kể cả trong quá trình thi công xây dựng đến vận hành công trình sau này. Để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của thành phố, chúng ta cần phải sử dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong thiết kế xây dựng nhà chung cư cao tầng, góp phần giảm thiểu lượng ô nhiễm phát thải ra môi trường và tiết kiệm năng lượng từ quá trình xây dựng, vận hành đến sử dụng lâu dài về sau. Tham khảo nhiều nước trên thế giới đã xây dựng tòa nhà, công trình kiến trúc sinh thái, kiến trúc xanh để tiết kiệm năng lượng thì chi phí có thể tăng từ 10 – 30% nhưng có thể mang đến mức tiết kiệm năng lượng khoảng 20-26%, chi phí bảo trì ít hơn 13% và lượng khí phát thải nhà kính ít hơn 30%. [7]

Việc tìm ra các nguồn năng lượng thông minh thay thế cho nguồn năng lượng tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt, giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành công trình, cũng như các vật liệu xanh sử dụng trong quá trình thiết kế xây dựng công trình, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành xây dựng, góp phần đáng kể cho công cuộc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trong tương lai. Các nước phát triển trên thế giới đã ứng dụng từ rất lâu các công nghệ này trong thiết kế xây dựng nhà cao tầng, mang lại những hiệu quả đáng kể trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. Vì thế, chúng ta cần có những giải pháp và quy định cụ thể để có thể áp dụng những công nghệ tiên tiến này tại Việt Nam.

Một số khái niệm cơ bản

1. Kiến trúc bền vững: Kiến trúc bền vững là nghiên cứu và thực hành kiến trúc nhằm góp phần bảo đảm sự phát triển bền vững của các đô thị trên cơ sở hạn chế tối đa các tác động xấu của công tác quy hoạch, giao thông, kiến trúc, xây dựng và vận hành công trình, cùng các hoạt động văn hoá, xã hội, dịch vụ do kiến trúc đem lại, nhằm giữ được sự cân bằng ổn định và phát triển bền vững của đa dạng sinh thái đô thị, trong đó con người được sống khoẻ mạnh, ăn, ở, làm việc, học tập, vui chơi giải trí, đi lại trong một môi trường vệ sinh và tiện nghi, trong quan hệ gia đình và xã hội lành mạnh, an toàn và tốt đẹp.[1]

Kiến trúc bền vững là tổng hoà của các xu hướng kiến trúc:

  • Kiến trúc môi trường;
  • Kiến trúc sinh thái;
  • Kiến trúc có hiệu quả năng lượng;
  • Kiến trúc thích ứng;
  • Kiến trúc khí hậu;

2. Kiến trúc sinh thái: Khái niệm Kiến trúc sinh thái có thể hiểu theo “Tuyên ngôn” của KTS. Ken Yeang (Malaysia): “Thiết kế sinh thái là những nghiên cứu đầy đủ, toàn diện, bao gồm việc sử dụng có cân nhắc nguồn năng lượng và vật liệu trong suốt tuổi thọ của hệ thống thiết kế, và qua thiết kế để giảm ảnh hưởng của quá trình sử dụng công trình đối với môi trường tự nhiên, hoặc hoà làm một với môi trường tự nhiên”[2].

Mục đích cao nhất của Kiến trúc sinh thái là giảm chất tải đối với môi trường trong cả quá trình từ thi công, sử dụng đến loại bỏ nhằm bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và không gây ô nhiễm đối với môi trường.

3. Chung cư sinh thái: Một vấn đề bức xúc hiện nay là các nhà cao tầng đang là kiểu kiến trúc tập trung tiêu hao nhiều năng lượng và không ngừng sản sinh phế thải và ô nhiễm. Sự xuất hiện của Kiến trúc sinh thái nói chung và việc ứng dụng các nguyên tắc của Kiến trúc sinh thái trong thiết kế nhà cao tầng chính là lối thoát để bảo vệ môi trường trong quá trình đô thị hoá, đáp ứng được nhu cầu phát triển của hiện tại mà không ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng các nhu cầu của các thế hệ mai sau.

4. Năng lượng thông minh: Năng lượng thông minh, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) với các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất.[8]

5. Vật liệu xanh: Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định nghĩa là các vật liệu được sản xuất và sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi trường. Tiêu chí đánh giá có thể là: Tổng năng lượng tiêu tốn trong quá trình khai thác, vận chuyển, xây dựng, sử dụng và phá dỡ; tổng lượng chất thải và các chất gây ô nhiễm phát ra trong các quá trình trên. Như vậy, một vật liệu được coi là vật liệu xanh khi tiêu tốn năng lượng thấp và ít gây ô nhiễm cho môi trường. Nói cách khác, việc sử dụng vật liệu xây dựng xanh là cách để hướng tới các giải pháp xây dựng bền vững [4].

Kinh nghiệm thế giới về ứng dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong thiết kế công trình

1. Một số công trình điển hình sử dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trên thế giới

– Tòa nhà cánh chuồn chuồn- Nam Rooselvelt, thành phố New York [9]

Công trình này nằm ở góc phía Nam Rooselvelt, thành phố New York. Tòa tháp thực sự là “1 công trình sống” có khả năng tự cung cấp nước, năng lượng, đồng thời là 1 mô hình trang trại tại đô thị. “Cánh chuồn chuồn” có 132 tầng này cao 600m, tạo môi trường sống thích nghi cho 28 loại thực vật, động vật khác nhau, tại đây người ta có thể tổ chức canh tác và chăn nuôi, từ đó sản xuất ra các sản phẩm từ rau quả, lúa gạo, thịt và sữa.

Mô hình canh tác nông nghiệp này còn có khả năng tái sử dụng rác thải bằng các phương pháp hóa sinh, sử dụng năng lượng 1 cách thông minh từ các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái sinh.

Công trình 2 lớp này bên trong được thiết kế mô phỏng theo kiến trúc của tổ ong, tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời bằng cách tích lũy, giữ nhiệt vào mùa đông. Mùa hè, gió trời và cây cối trồng trong nhà cũng giúp làm mát không khí rất hiệu quả.

– Trang trại trong lòng đô thị – Harvest Green Tower [10]

Harvest Green Tower vừa giành Giải thưởng lớn tại cuộc thi tại Vancouvers “Thách thức 2030”.

Harvest Green Tower là một khối nhà cao tầng với nhiều phòng lắp ráp với nhau. Các khoảng không gian được bố trí cho việc trồng cây nông nghiệp như hoa quả, lúa mì, ngũ cốc, nuôi gia súc, gia cầm để cung cấp lương thực cho người dân.
Nước mưa tầng trên cùng sẽ được tận dụng cung cấp cho các loại cây trồng ở các khu vườn trong tòa nhà.

Năng lượng mặt trời và turbin gió sẽ cung cấp năng lượng cho tòa tháp này. Các loại động vật, thực vật sẽ được bố trí theo từng tầng. Tòa nhà sinh thái này còn là nơi lý tưởng cho các sinh viên, các nhà khoa học nghiên cứu về sự phát triển của sinh vật.

2. Một số công trình sử dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh đã được xây dựng tại TP.HCM

– Dự án Diamond Lotus Riverside

Dự án Diamond Lotus Riverside được xây dựng tại Quận 8, TP.HCM, theo tiêu chuẩn “Leed” Mỹ .[11]

Diamond Lotus Riverside hướng tới việc xây dựng hệ sinh thái xanh từ khâu thiết kế cho tới việc sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường, tạo ra các không gian sống thân thiện môi trường, nhưng vẫn đảm bảo được sự tiện nghi và tính riêng tư trong từng căn hộ.

– Dự án Flora Fuji của Nam Long Group [6]

Mới đây, tổ chức IFC (thuộc Worldbank) đã trao những Chứng chỉ EDGE (Excellence in Design for Greater Efficiencies) cho dự án căn hộ Flora Fuji của Nam Long Group và hai đối tác Nhật Bản Hankyu Realty và Nishitetsu. [6]

Theo EDGE, Flora Fuji đạt được mức tiết kiệm 25% đối với năng lượng, 29% đối với nước và 25% đối với vật liệu. Cụ thể hơn, khách hàng khi sinh sống trong các căn hộ của dự án này sẽ giảm được các chi phí cho máy lạnh, quạt, chiếu sáng, nước sinh hoạt do thiết kế tường, mái, hệ thống thông gió, đèn điện, cửa sổ, thiết bị vệ sinh… đều đã được tính toán giảm thiểu ít nhất 20% mức tiêu thụ năng lượng. [6]

Một số giải pháp sử dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong thiết kế xây dựng chung cư sinh thái tại TP. HCM

1. Khai thác đặc điểm tự nhiên, khí hậu TP.HCM, ứng dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong xây dựng chung cư sinh thái
TP HCM nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo. Đặc điểm chung của khí hậu-thời tiết TPHCM là nhiệt độ cao đều trong năm và có hai mùa mưa – khô. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Những đặc trưng khí hậu TP HCM như sau: [12]

  • Lượng bức xạ dồi dào. Số giờ nắng trung bình/tháng 160-270 giờ. Nhiệt độ không khí trung bình 27 oC;
  • Lượng mưa cao, bình quân/năm 1.949 mm;
  • Về gió, TP HCM chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính và chủ yếu là gió mùa Tây – Tây Nam và Bắc – Ðông Bắc. Gió Tây -Tây

Nam từ Ấn Ðộ Dương thổi vào trong mùa mưa. Gió Bắc- Ðông Bắc từ biển Đông thổi vào trong mùa khô. Ngoài ra có gió tín phong, hướng Nam – Ðông Nam. Về cơ bản TPHCM thuộc vùng không có gió bão.

Với đặc điểm khí hậu như trên, TP.HCM hoàn toàn có thể áp dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh trong xây dựng nhà cao tầng sinh thái hoặc chung cư sinh thái trên địa bàn thành phố, tận dụng nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên tại khu vực. Đây là mô hình thích hợp cho khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, giúp tận dụng tối đa thông gió tự nhiên, chiếu sáng tự nhiên và tạo môi trường vi khí hậu tiện nghi, nâng cao chất lượng cuộc sống của các cư dân trong chung cư sinh thái.

2. Sử dụng năng lượng thông minh

Với nguyên tắc lấy con người làm trung tâm, nâng cao tối đa hiệu suất sử dụng năng lượng và vật liệu cũng như giảm ô nhiễm môi trường trong quá trình xây dựng, khai thác và sử dụng công trình,nhà chọc trời màu xanh là kiến trúc của tương lai. Về sử dụng nguồn năng lượng, lấy việc tận dụng các nhân tố tự nhiên làm chính; thông gió tự nhiên và chiếu sáng tự nhiên.

– Thông gió tự nhiên: Sử dụng bản đồ hoa gió hàng ngày chúng ta có thể xác định hình thức mặt bằng tầng nhà và tường ngoài của công trình sao cho có lợi về phương diện thông gió tự nhiên và có hiệu quả hạ thấp nhiệt độ. Thông gió tự nhiên phù hợp với thiết kế phát triển bền vững ,bởi giảm thiểu được yêu cầu thông gió cơ giới và điều hòa không khí, tiết kiệm nguồn năng lượng quan trọng không tái sinh được. TP.HCM nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm với hai hướng gió chính và chủ yếu là gió mùa Tây – Tây Nam và Bắc – Ðông Bắc thổi vào hai mùa trong năm, là khu vực lý tưởng để áp dụng thông gió tự nhiên cho công trình. Cần sử dụng hoa gió để có giải pháp bố trí hướng nhà và thiết kế mặt bằng tầng nhà cho hợp lý.

– Ánh sáng tự nhiên: Theo thống kê về sử dụng năng lượng trong nhà cao tầng văn phòng trên thế giới, năng lượng để chiếu sáng trung bình chiếm khoảng 13% tổng năng lượng. Sử dụng ánh sáng tự nhiên không những có ý nghĩa lớn về năng lượng, mà còn đạt được tiện nghi môi trường ánh sáng tốt hơn so với ánh sáng nhân tạo. TP.HCM có số giờ nắng trung bình/tháng tới 160-270 giờ, là khu vực hợp lý để áp dụng các giải pháp chiếu sáng tự nhiên trong công trình.

Một số biện pháp để tăng cường sử dụng ánh sáng tự nhiên:

  • Giảm chiều sâu của phòng trên mặt bằng;
  • Sử dụng ánh sáng phản xạ từ trần, kết cấu che nắng;
  • Sử dụng kính phản xạ hoặc khúc xạ ánh sáng vào sâu trong phòng;
  • Bố trí hợp lý nội thất, vị trí làm việc, lối đi.

– Sử dụng năng lượng mặt trời: Với lượng bức xạ dồi dào tại TP.HCM (trung bình khoảng 140 Kcal/cm2/năm [14]), việc sử dụng năng lượng mặt trời đang trở thành xu thế tất yếu, đã và đang được ứng dụng rộng rãi tại đây. Có hai phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời là phương pháp chủ động và phương pháp bị động. Phương pháp chủ động phải sử dụng bơm hoặc quạt để vận chuyển nhiệt, còn phương pháp bị động sự vận chuyển nhiệt xẩy ra theo cơ chế tự nhiên.

Phương pháp bị động thường hay sử dụng một buồng mặt trời với sự lưu thông của nước hoặc không khí để lấy nhiệt cấp nước nóng sinh hoạt. Ngày nay, kỹ thuật pin quang điện, biến năng lượng mặt trời thành điện năng, cũng đã phát triển đến mức trở thành thương phẩm nhưng giá thành còn khá cao so với mặt bằng mức sống của người dân hiện nay.

3. Giải pháp kiến trúc động, linh hoạt

– Các tầng tự xoay quanh trục: Những yếu tố khí hậu như mặt trời, gió là những yếu tố thay đổi theo giờ trong ngày và theo mùa trong năm, đặc biệt khu vực TP.HCM với hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô. Để công trình kiến trúc đáp ứng được những thay đổi trên của khí hậu và cả những thay đổi bất ngờ của thời tiết, cần có những giải pháp kiến trúc biến đổi linh hoạt, có thể chuyển động để thích ứng với điều kiện khí hậu hiện thời. Có thể đưa ra một số giải pháp như sau:

– Mỗi tầng nhà có thể chuyển động, quay 3600 quanh trục mà không ảnh hưởng đến nhau. Các tầng nhà quay theo hướng có thể đón được nhiều gió nhất và tránh được bức xạ mặt trời. Do đó, không có căn hộ nào bị hướng bất lợi hoàn toàn;

– Các căn hộ trong toà nhà có thể xoay tròn đủ 3600 quanh một trục dựa vào lực của tua – bin gió tạo năng lượng được lắp đặt giữa các tầng. Hệ thống này cũng phát điện giúp công trình không cần đến nguồn năng lượng bên ngoài, thậm chí có thể cung cấp điện vào mạng lưới chung. Năng lượng sử dụng trong công trình hoàn toàn là năng lượng tự nhiên.

– Mỗi tầng sẽ được xây dựng như một môđun trong nhà máy, sau đó được lắp ghép vào lõi trung tâm, giúp xây dựng đạt hiệu quả hơn.

– Mặt đứng chuyển động nhờ gió: Với lượng gió dồi dào và thay đổi theo mùa tại TP.HCM, có thể thiết kế công trình với lớp vỏ sử dụng vật liệu là những tấm kim loại nhẹ có thể chuyển động linh hoạt theo chuyển động của luồng gió. Khi gió thổi, những tấm kim loại này sẽ thay đổi chiều hướng theo luồng gió để điều chỉnh lượng gió thổi vào nhà sao cho hợp lý. Nhờ đó điều kiện vi khí hậu trong nhà luôn đạt yêu cầu nhờ được thông thoáng hợp lý.

Sự chuyển động của những tấm kim loại này trên mặt đứng cũng giúp tạo hiệu quả bất ngờ, ấn tượng cho mặt đứng công trình.

– Giải pháp kết cấu che nắng linh hoạt: Kết cấu che nắng này là những những tấm mành, liếp sử dụng vật liệu hiện đại như nhôm, kẽm, thép không rỉ được đặt tại các bề mặt cần che nắng, có thể di động được, có thể điều chỉnh mức độ đóng mở, góc nhìn để có thể ngăn cản ánh sáng trực tiếp vào công trình nhưng không cản gió, đảm bảo thông thoáng bên trong. Sự điều chỉnh mức độ đóng mở tự động cảm ứng theo sự thay đổi của mặt trời, phụ thuộc vào cường độ của bức xạ mặt trời để có độ đóng mở khác nhau. Khi có gió bão các kết cấu này được đóng lại không gây ảnh hưởng đến con người trong nhà.

Các tấm che nắng này có thể kết hợp trở thành những tấm pin mặt trời, thu năng lượng mặt trời, biến đổi thành các nguồn năng lượng khác cung cấp cho các hoạt động của tòa nhà và hoạt động của chính hệ thống. Nguồn năng lượng mặt trời cũng có thể được cung cấp dựa vào những tấn pin mặt trời lớn thu năng lượng đặt trên mái nhà.

Các tấm che nắng này cũng có thể kết hợp tạo thành các tấm hút hơi ẩm trong không khí. Trên bề mặt tấm che nắng gắn các mao mạch có khả năng hút hơi ẩm trong không khí, nhất là vào những ngày độ ẩm trong không khí cao, giúp làm không khí khô thoáng hơn, tạo tiện nghi vi khí hậu trong nhà. Lượng nước thu được này được biến đổi để sử dụng cho công trình.

Các kết cấu che nắng động thường được đặt ở lôgia. Lôgia là nơi hóng mát, che chắn nắng, chỗ phơi quần áo và là nơi có thể trồng cây để cải tạo vi khí hậu bên trong căn hộ. Lôgia cần có chiều sâu tối thiểu là 1,8m đến 3m. Trong đó 0,9m dùng để đặt các kết cấu che nắng, chống gió bão và để trồng cây. Không gian còn lại giành cho sinh hoạt và phơi quần áo.

4. Sử dụng vật liệu xanh

Trong nhà cao tầng, tường ngoài là bộ phận chịu tác dụng của bức xạ mặt trời lớn nhất. Việc sử dụng kính cho nhà trong điều kiện khí hậu tại TP.HCM trái ngược hẳn với quan điểm của các nước Châu Âu, do thành phố thuộc khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm với lượng bức xạ mặt trời rất cao. Không nên quá lạm dụng kính cho tường nhà. Dễ gây hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm phòng bị nung nóng. Diện tích dùng kính trên mặt nhà không nên vượt quá 20-35%, tuỳ thuộc loại công trình. Cần phải sử dụng các vật liệu cách nhiệt trên mặt đứng công trình, kết hợp với các giải pháp che nắng. Khi đó có thể sử dụng nhiều kính hơn, làm tăng ánh sáng và tầm nhìn . Nhưng có một điều cần lưu ý, là đừng bao giờ sử dụng kính 1 lớp cho nhà cao tầng. Cần phải sử dụng kính 2 lớp và kính màu, kính phản quang để giảm lượng bức xạ mặt trời chiếu vào nhà.

Kết luận

Sự xuất hiện của kiến trúc sinh thái và ứng dụng các nguồn năng lượng thông minh, vật liệu xanh trong xây dựng nhà chung cư cao tầng chính là lối thoát để bảo vệ môi trường trong quá trình đô thị hoá nhanh tại TP.HCM, đảm bảo sự phát triển của đô thị đáp ứng được nhu cầu của hiện tại mà không ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu của các thế hệ mai sau. TP.HCM đang có những bước đi đầu tiên trong việc xây dựng các khu chung cư sinh thái, song rất cần sự quan tâm để có những công trình và khu đô thị đạt chuẩn chất lượng.

Khi thiết kế nhà chung cư cao tầng sinh thái tại TP.HCM, chúng ta cần quan tâm tới việc ứng dụng vật liệu xanh và năng lượng thông minh trong thiết kế và vận hành công trình phù hợp với điều kiện khí hậu với hai mùa rõ rệt và lượng bức xạ mặt trời dồi dào tại đây. Chúng ta cần hệ thống hóa các giải pháp, đưa ra nguyên tắc thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế trong việc ứng dụng năng lượng thông minh và vật liệu xanh khi xây dựng nhà chung cư cao tầng tại TP.HCM. Đặc biệt cần đưa ra thành bộ tiêu chuẩn thiết kế về sử dụng năng lượng và vật liệu trong nhà chung cư cao tầng để các nhà thiết kế có thể áp dụng, cũng như làm cơ sở cho các nhà quản lý và đầu tư tham khảo khi quyết định xây dựng các công trình chung cư cao tầng sinh thái.

ThS. KTS. Hoàng Hải Yến

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 08-2018)