Nhà thụ động (Passive house) – Từ mô hình lý thuyết của Đức đến ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam

1. Mô hình nhà ở hiệu quả năng lượng khởi nguồn từ Đức

Hình 1: Nhà thụ động đầu tiên trên thế giới tại thành phố Darmstadt (Đức)
(Nguồn: PHI, 2016)

Đức là quốc gia dẫn đầu thế giới về khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật môi trường nói riêng, trong đó có công nghệ năng lượng, chú trọng đặc biệt đến ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống, đem lại hiệu quả cao và những lợi ích thiết thực cho cộng đồng. Ngay từ năm 1991, chỉ một năm sau ngày nước Đức thống nhất, ngôi nhà thụ động đầu tiên trên thế giới (dịch từ thuật ngữ tiếng Đức là Passivhaus) đã được hoàn thành ở thành phố Darmstadt thuộc tiểu bang Hessen miền Trung nước Đức, gồm bốn căn nhà cao 2,5 tầng (3 tầng phía trước và 2 tầng phía sau, mái dốc) với tổng diện tích sàn 156 m2/căn kiểu khối ghép, được thiết kế và thi công bởi GS.TS Wolfgang Feist và cộng sự (Hình 1). Tính năng đặc biệt của ngôi nhà: Năng lượng tiêu thụ cho việc sưởi ấm chỉ ở mức 15 kWh/m2 năm, bằng 1/5 so với các ngôi nhà tiết kiệm năng lượng khác tại Đức, đã thực sự gây tiếng vang và mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp xây dựng, không chỉ ở Đức mà còn cho toàn Liên minh Châu Âu và phát huy ảnh hưởng tầm quốc tế. Năm 1996, GS.TS Wolfgang Feist và cộng sự đã quyết định thành lập Viện Nhà ở Thụ động (Passivhaus Institut – PHI) tại thành phố Darmstadt, chuyên nghiên cứu một cách có hệ thống về công trình hiệu quả năng lượng và phát triển một công cụ gọi tắt là PHPP (Passivhaus Projektierungspaket trong tiếng Đức và Passive House Planning Package trong tiếng Anh, tạm dịch: Gói Hướng dẫn thiết kế Nhà thụ động) với tính năng: Hỗ trợ thiết kế – tính toán các thông số đầu ra có liên quan đến hiệu quả năng lượng (như năng lượng sưởi ấm, năng lượng làm mát, nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo cần thiết và lượng thực tế khai thác được, … tính theo năm dựa trên những thông số cơ bản đầu vào như hướng nhà, diện tích sàn, diện tích cửa sổ – cửa đi, các dữ kiện về khí hậu của từng khu vực, các cấu kiện xây dựng,…). Phiên bản mới nhất đang được sử dụng là PHPP-9. Ngoài ra, PHI còn là đơn vị tư vấn thiết kế và kiểm định năng lượng công trình (có đội ngũ chuyên gia riêng), trao chứng chỉ cũng như gắn biển “Nhà Thụ động” cho các hồ sơ. Tính đến năm 2014, theo số liệu thống kê của Hiệp hội Nhà Thụ động Quốc tế (IPHA), đã có hơn 50.000 công trình khắp thế giới đạt tiêu chuẩn và được cấp chứng nhận “Nhà Thụ động”. Trong đó, nước Đức – quê hương của mô hình này – đã chiếm một nửa (IPHA, 2015). So với nhà thụ động thế hệ thứ nhất những năm 1990, nhà thụ động thế hệ thứ ba ngày nay đã đạt hiệu năng cao hơn gần gấp đôi: Năng lượng cho việc sưởi ấm và làm mát giảm xuống chỉ còn 8 kWh/m2 năm (PHI, 2018).

Hình 2: Nguyên lý nhà thụ động dựa trên bốn trụ cột: cách nhiệt lớp vỏ ngoài, hệ thống thông gió cơ khí hiệu năng cao, kết cấu kín hơi và khai thác năng lượng tái tạo
(Nguồn: PHI, 2016)
Ghi chú: Thermische Solaranlage (optional) – Thiết bị thu nhiệt mặt trời (tùy chọn); Passivhausfenster (Dreifachverglasung oder Kastenfenster) – Cửa sổ trong nhà thụ động (lắp 3 lớp kính hoặc cửa dạng khung hộp); Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung – Thiết bị thông gió với tính năng thu hồi nhiệt; Erdwärmetauscher – Máy trao đổi địa nhiệt; Sehr gute Wärmedämmung – Lớp cách nhiệt rất hiệu quả; Zuluft – Khí cấp (khí tươi); Abluft – Khí xả (khí bẩn)

Tính ưu việt của nhà thụ động được thể hiện trên nhiều khía cạnh:

  • Tạo lập và duy trì mức độ tiện nghi nhiệt cao cho người sử dụng;
  • Hoàn toàn chủ động cung cấp lượng khí sạch cho tất cả các phòng trong mọi điều kiện, mọi thời điểm trong năm;
  • Không gây tác động tiêu cực đến môi trường;
  • Năng lượng và chi phí sưởi ấm và/hoặc làm mát rất thấp;
  • Điều chỉnh các thông số tiện nghi nhiệt dễ dàng, loại trừ phần lớn các tác nhân không mong muốn như hơi ẩm, nấm mốc, bụi, vi sinh vật gây hại, … (PHI, 2015).
Hình 3a (trên) và 3b: Nghiên cứu của các nhà khoa học Đức về tỷ lệ diện tích vỏ bao che/Khối tích (A/V) đối với hiệu quả năng lượng trong công trình
(Nguồn: Detlef Glücklich, 2005)

Để đạt được chất lượng như vậy, bốn điều kiện bắt buộc phải được đáp ứng:

  1. Toàn bộ lớp vỏ bao che phải được cách nhiệt rất tốt;
  2. Hệ thống lọc và cấp khí tươi hiệu năng cao được lắp đặt;
  3. Công trình đảm bảo độ kín hơi, ngăn chặn các tác động không mong muốn xâm nhập vào không gian bên trong như bức xạ và hơi nóng (mùa hè), không khí lạnh (mùa đông) và các tác nhân gây ô nhiễm từ các phương tiện giao thông lưu hành và những hoạt động sinh hoạt, sản xuất hàng ngày;
  4. Các thiết bị năng lượng tiên tiến, được chứng thực “hiệu quả năng lượng”, từ thiết bị lớn như điều hòa không khí, máy giặt, tủ lạnh, cho đến thiết bị nhỏ như đèn bàn làm việc (Hình 2) (PHI, 2016).

Trước hết, cần khẳng định nhà ở thụ động là công trình công nghệ cao (high-tech), đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu lớn, nhưng lại có nguyên lý hoạt động khá đơn giản: cần đạt tính tối ưu về thiết kế, thể hiện qua bốn nguyên lý:

  1. Hướng công trình tối ưu;
  2. Hình dạng công trình tối ưu;
  3. Sơ đồ bố trí mặt bằng tối ưu;
  4. Kết cấu bao che tối ưu;
  5. Và, được xem là khía cạnh thứ năm – cũng không kém phần quan trọng – là ý thức của người sử dụng. Nếu năm khía cạnh nói trên không được đảm bảo thì sự hỗ trợ của kỹ thuật và công nghệ sẽ khó phát huy tác dụng

Hướng công trình là yếu tố đầu tiên cần xem xét. Nhà thụ động được xem là “chuẩn hướng” khi có trục chính nhà theo đúng hướng Bắc – Nam, trong đó mặt chính nhà quay về hướng Nam với các ô cửa kính lớn để lấy ánh sáng và tận dụng nhiệt của mặt trời mùa lạnh để sưởi ấm. Trên hướng Bắc, công trình cũng có các ô cửa nhưng diện tích nhỏ hơn. Còn trên hai hướng Đông – Tây, nhất là hướng Tây, nên hạn chế mở cửa để tránh bức xạ nhiệt. Góc lệch của trục chính công trình so với trục Bắc – Nam được khuyến nghị trong phạm vi 10o về hai phía để đảm bảo hiệu quả cao trên 90% về năng lượng tiêu thụ (theo kết quả nghiên cứu của Viện Khí hậu, Môi trường và Năng lượng Wuppertal của Đức thì ở các quốc gia thuộc bán cầu Bắc cứ lệch khỏi hướng Nam thêm 10o thì hiệu năng của công trình sẽ giảm khoảng 7%) và trong phạm vi 45o về mỗi phía ở mặt hướng Nam không nên có vật thể chắn ánh sáng như cây bóng mát hoặc công trình khác từ hai tầng trở lên (www.baunetzwissen.de). Đối với các quốc gia ở bán cầu Nam thì ngược lại, hướng Bắc sẽ thay thế hướng Nam trong việc định mốc chuẩn hướng cho công trình xây dựng. Tuy nhiên, đối với các công trình trong đô thị, nhất là nhà ở dạng liền kề trong điều kiện diện tích lô đất hạn chế và mật độ xây dựng cao, việc chọn hướng tối ưu cho mặt đứng chính của công trình không phải lúc nào cũng được như mong muốn. Thực tế cho thấy việc chuẩn hướng chỉ áp dụng cho các tuyến đường và ngõ có trục chạy theo hướng Đông – Tây và chỉ trên dưới một nửa số công trình trên tuyến phố hoặc ngõ đó (một mặt phố hoặc một mặt ngõ) được hưởng lợi thế.
Hình dạng công trình cũng rất quan trọng khi xem xét lựa chọn các phương án thiết kế theo tiêu chí hiệu quả năng lượng. Cùng một khối tích, diện tích mặt ngoài của các hình khối khác nhau sẽ thay đổi, mà diện tích mặt ngoài lại tỷ lệ thuận với sự trao đổi nhiệt độ giữa công trình và môi trường xung quanh (hay còn gọi là tổn thất nhiệt – Wärmeverlust trong tiếng Đức hoặc heat loss trong tiếng Anh). Chính vì vậy, tỷ lệ A/V (Außenwand/Volumen – Mặt tường ngoài/Khối tích) được các nhà khoa học Đức đề xuất để so sánh tính hiệu quả về năng lượng của các hình dạng công trình khác nhau trong quá trình tìm ý tưởng thiết kế, từ đó chọn ra phương án thích hợp hoặc nếu có thể là phương án tối ưu. Một hình bán cầu có bán kính r = 4,5 m được lấy làm chuẩn, với A/V = 1. Kết quả của việc thay đổi hình khối khi giữ nguyên thể tích được thể hiện qua Hình 3a, với các hình dạng được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về trị số A/V. Ngoài ra, cùng một số lượng đơn vị tổ hợp, trị số A/V sẽ biến đổi tùy thuộc cách thức sắp xếp được trình bày trên Hình 3b. Chẳng hạn như khối hộp chữ nhật với các kích thước R x D x C = 10 m x 20 m x 5 m sẽ có A/V = 0,7 nếu đứng một mình. Khi ghép bốn khối với nhau theo bốn kiểu: Xoay bốn cạnh tạo lõi rỗng ở giữa (sân trong), dàn hàng 4 x 1, chồng khối 2 x 2 và chồng khối 2 x 2 gập góc chữ L sẽ cho kết quả A/V tương ứng là 0,55 – 0,55 – 0,45 – 0,4. Càng ghép nhiều khối với nhau, tỷ lệ A/V càng giảm. Với 12 khối xếp chồng kiểu 3 x 4, trị số A/V chỉ còn 0,27 (Detlef Glücklich, 2005). Do vậy, các chuyên gia năng lượng luôn khuyến khích giải pháp ghép khối, giảm thiểu diện tích tường ngoài nếu không có yêu cầu gì đặc biệt về kiến trúc, hướng tới tính hiệu quả năng lượng cho công trình.

Hình 4 – Nhà thụ động Bella Bella ở Vancouver, British Columbia (Canada)

Yếu tố tiếp theo, sau khi công trình đã xác định được hướng và hình khối được lựa chọn, sẽ là sơ đồ bố trí mặt bằng. Trên các hướng thuận lợi (được ánh nắng buổi sáng sưởi ấm, đón gió mát, thoáng đãng và có điểm nhìn đẹp – thay đổi tùy điều kiện thực tế tại địa điểm xây dựng), nên bố trí các không gian chức năng chính, các không gian chức năng phụ sẽ án ngữ các hướng bất lợi (bị ảnh hưởng bởi gió nóng/lạnh, bức xạ nhiệt buổi chiều, …) (phương án A) sẽ tốt hơn nhiều so với trường hợp ngược lại (phương án B). Phương án A cho thấy tác dụng “kép” khi các không gian quan trọng trong công trình (yêu cầu cao về tiện nghi nhiệt, tập trung đông người và thời gian sử dụng lâu) không chỉ tận dụng các yếu tố khí hậu và cảnh quan thuận lợi mà còn được bảo vệ khỏi những tác động bất lợi của khí hậu tại cùng thời điểm và địa điểm do được các không gian phụ trợ “che chắn”. Thông gió và chiếu sáng tự nhiên, ngoại trừ trong một số trường hợp thời tiết cực đoan, luôn chất lượng hơn thông gió và chiếu sáng nhân tạo, đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt ý nghĩa đối với việc sưởi ấm và làm mát cho công trình

Khi ba yếu tố đầu tiên được đảm bảo, kết cấu bao che (tường bao và mái) sẽ đóng vai trò quyết định khi công trình vận hành, với thời gian kéo dài nhiều năm theo vòng đời được thiết kế. Nói một cách hình ảnh, nếu công trình được ví như một cơ thể sống thì kết cấu bao che chính là bộ da. “Bộ da” đó có tác dụng cân bằng nhiệt giữa công trình với môi trường xung quanh, điều tiết lượng nhiệt truyền qua khi có sự tương tác giữa không gian bên trong và môi trường bên ngoài. Yêu cầu đặt ra đối với kết cấu bao che (lớp vỏ) của công trình là bền chắc, không bị biến dạng khi nhiệt độ thay đổi, kín khít nhằm tránh hiện tượng thẩm thấu của khí nóng (mùa hè) hoặc hơi lạnh (mùa đông), và ngăn ngừa khả năng nước gây ngấm dột. Ở các nước xứ lạnh, kết cấu bao che còn được mở rộng đối với sàn của tầng trệt hoặc tầng hầm, bởi vì sự thẩm thấu nhiệt cũng diễn ra trên diện tiếp xúc của sàn nhà và nền đất, mà tỷ lệ này lại khá cao trong các công trình thấp tầng. Các kết cấu bao che như mái, tường ngoài, sàn, … thường được cách nhiệt bằng các loại vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ dạng xơ, sợi với độ xốp thay đổi tùy theo phương thức chế tạo với độ dày thông thường dao động 10 – 30 cm. Nhìn chung, hệ số truyền nhiệt qua các kết cấu có xử lý cách nhiệt đều yêu cầu dưới 0,5 W/m2K. Riêng đối với cửa đi và cửa sổ, kính một hoặc hai khoảng chân không (hai hoặc ba lớp kính đặt song song) được sử dụng rộng rãi với hệ số truyền nhiệt phổ biến – mức trung bình – tương ứng là 1,5 W/m2K và 0,7 W/m2K. Thông số kỹ thuật này được ghi rõ theo từng catalogue sản phẩm và có thể dao động trên biên độ tương đối rộng (1,1 – 1,8 W/m2K với kính hai lớp và 0,5 – 0,9 W/m2K với kính ba lớp tùy theo hãng cung cấp và công nghệ chế tạo). Bên cạnh đó, các vị trí đặc biệt như góc nhà, khuôn cửa, … – nơi hiện tượng thẩm thấu nhiệt rất dễ xảy ra – đòi hỏi xử lý riêng để đảm bảo độ kín khít. Đối với các nước nhiệt đới, việc cách nhiệt cho kết cấu bao che trong mùa hè cũng được đặt ra như một yêu cầu bắt buộc dù sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà không lớn bằng ở các nước xứ lạnh trong mùa đông.

Thỏa mãn cả bốn điều kiện nói trên, công trình vẫn chưa được coi là hiệu quả năng lượng nếu người sử dụng không có ý thức tiết kiệm và lựa chọn chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống trang thiết bị kỹ thuật, chẳng hạn như đóng kín cửa khi bật điều hòa không khí, tắt thiết bị khi không sử dụng hoặc không thực sự cần thiết, chọn giá trị cận trên thay vì cận dưới trong khoảng nhiệt độ của điều hòa không khí được các chuyên gia khuyến cáo thiết lập tương ứng với mỗi điều kiện khí hậu và từng trạng thái thời tiết, …

Hình 5 – Nhà thụ động tại St. Peter, Minnesota (Hoa Kỳ)

Gọi là “thụ động”, nhưng công trình lại “chủ động” trong việc khai thác năng lượng mặt trời (mọi nơi) và một số nguồn năng lượng sạch khác năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, … tùy theo tiềm năng của từng khu vực nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc năng lượng vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ mà việc khai thác ngày một khó khăn, chi phí gia tăng, tàn phá thiên nhiên và việc sử dụng gây ô nhiễm môi trường. Trên một nền tảng “tối ưu” có sẵn (về hướng, về hình khối, về cấu trúc mặt bằng, về cấu tạo lớp vỏ và về ý thức sử dụng như đã trình bày), khai thác năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng mặt trời, càng có ý nghĩa về sinh thái và môi trường. Kinh nghiệm của Đức cho thấy, với số giờ nắng trong năm chừng 2.000 giờ, cường độ bức xạ mặt trời mức trung bình khoảng 1.200 kWh/m2 năm, một mô-đun tấm pin mặt trời diện tích 11 m2 với góc nghiêng thích hợp quay về hướng chính nam có thể sản sinh một lượng điện năng là 1.000 kWh/năm (Detlef Glücklich, 2005). Với một ngôi nhà thụ động điển hình 2 tầng hướng chính Nam, tổng mức năng lượng sử dụng là 80 kWh/m2năm (tiêu chuẩn khống chế là 95 kWh/m2năm theo Viện Nhà ở Thụ động Darmstadt), diện tích sàn 50 m2/tầng, diện tích mái (dốc 45o về hai phía) sẽ là 70 m2, phần mái quay về hướng Nam rộng 35 m2 đủ để đặt 3 mô-đun tấm pin, có thể đáp ứng 37,5% nhu cầu điện năng tiêu thụ. Nếu mái dốc một chiều, diện tích mái hữu dụng tăng gấp đôi, tỷ lệ đóng góp của điện mặt trời cũng sẽ tăng tương ứng, 75%.

THÔNG TIN CÔNG TRÌNH

Hình 6: Đại sứ quán Cộng hòa Áo tại Jakarta (Indonesia)
(Nguồn: https://www.bmeia.gv.at/en/austrian-embassy-jakarta/)
  • Địa điểm: Menteng , Jakarta, Indonesia
  • Đơn vị thiết kế: POS Architekten GmbH
  • Năm hoàn thành: 2011
  • Tính chất công trình: Xây mới
  • Tổng diện tích sàn: 1.100 m2
  • Chiều cao: 2 tầng
  • Các không gian chức năng chính: Khối văn phòng, khối phòng họp, hội trường nhỏ, khối kỹ thuật
  • Đạt chứng nhận Passive House của Liên minh Châu Âu
  • Là công trình thụ động đầu tiên ở Jakarta.

Các đặc tính thụ động về năng lượng của công trình

  • Kết hợp công nghệ năng lượng hiện đại của EU với vật liệu và kỹ thuật xây dựng truyền thống của Indonesia
  • Hướng cửa sổ: Bắc – Nam
  • Kết cấu chắn nắng bằng nan gỗ kết hợp mái đua rộng để chắn bức xạ mặt trời của xứ nhiệt đới
  • Toàn bộ lớp vỏ công trình được cách nhiệt bằng bông khoáng
  • Độ kín khí (airtightness) được đảm bảo và thi công kỹ lưỡng để ngăn hơi ẩm và hơi nóng
  • Làm mát bằng nước
  • Duy trì nhiệt độ 25oC và độ ẩm 60% quanh năm
  • Một phần điện năng (22%) được cung cấp từ 96 m2 tấm pin năng lượng mặt trời trên mái
  • Mức tiêu thụ năng lượng: bằng 1/6 so với các công trình cùng loại xây theo kiểu thông thường
  • Giảm mức phát thải CO2 (13 tấn CO2/năm so với 86 tấn CO2/năm của các công trình tương đương tại địa phương).

Nguồn: https://www.indesignlive.sg/articles/the-austrian-embassy-jakarta và http://www.pos-architecture.com/projects/jakarta/

2. Nhà thụ động “phiên bản Việt Nam”

Ban đầu, nhà thụ động được phát triển như một loại hình công trình sử dụng năng lượng hiệu quả cho các nước xứ lạnh ở Tây – Trung Âu và Bắc Mỹ, nơi sưởi ấm là nhu cầu chủ đạo và cũng là hoạt động tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong phần lớn các công trình dân dụng. Ví dụ như ở Hoa Kỳ, năng lượng sưởi ấm phòng (space heating) chiếm 45%, nếu tính thêm nhu cầu đun nước nóng mùa đông (water heating) thì năng lượng cho việc sưởi chiếm đến 63% tổng năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình, theo số liệu thống kê năm 2011 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (www.energy.gov). Nhưng trong thực tế, phạm vi phân bố của nhà thụ động rộng hơn nhiều. Người dân ở các vùng khí hậu khác cũng có nguyện vọng sống, làm việc, học tập, nghỉ ngơi, trong các công trình có mức tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể so với các loại hình tiết kiệm năng lượng thông thường, mà chỉ có kiểu nhà thụ động mới đáp ứng tốt tiêu chí này. Nguyên tắc ban đầu vì thế đã được điều chỉnh để có thể vận dụng linh hoạt, thể hiện ở cụm từ “mức tiêu thụ năng lượng cho việc sưởi ấm và/hoặc làm mát không vượt quá 15 kWh/m2năm”.

Việt Nam là quốc gia nằm hoàn toàn trong vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, với chiến lược thiết kế công trình quen thuộc là “thoáng, mở, tận dụng thông gió và chiếu sáng tự nhiên”. Tuy nhiên, trong bối cảnh các thành phố lớn với mật độ xây dựng và tỷ lệ bê tông hóa, tôn hóa và kính hóa rất cao, hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” đặc biệt rõ, cộng thêm ô nhiễm môi trường từ các hoạt động kinh doanh thường xuyên sôi động và phương tiện giao thông vận tải lưu thông dày đặc trên đường, thì việc mở rộng cửa tận dụng nói trên đồng nghĩa với đón nhận cả các tác động không mong muốn (tiếng ồn, khí thải, bụi, khói, …), ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí trong nhà và sức khỏe của người dân. Đối với các ngôi nhà, căn hộ quay về hướng Tây, Tây Bắc và Tây Nam còn chịu thêm bức xạ mặt trời buổi chiều. Vì vậy, đảm bảo tiện nghi nhiệt cho nhà ở, và cả công trình công cộng đô thị trong điều kiện bất lợi như trên đặt ra như một yêu cầu cấp thiết. Điểm mấu chốt của vấn đề là tác động thuận lợi và bất lợi xảy ra đồng thời, vì vậy lớp vỏ công trình cần là bộ lọc khí hậu. Đối chiếu với bốn điều kiện bắt buộc, thì ba điều kiện số 1, 2 và 3 của nhà thụ động – như đã trình bày ở trên – đáp ứng được và do vậy nhà thụ động là mô hình cần được nghiên cứu để áp dụng trong thực tiễn phát triển của các đô thị lớn tại Việt Nam, trước hết cho Hà Nội và Sài Gòn.

Điều kiện số 1: Toàn bộ lớp vỏ bao che phải được cách nhiệt rất tốt

Lớp vỏ bao che chủ yếu gồm mái và tường ngoài, trong một số trường hợp sẽ tính thêm phần sàn tầng một (hoặc sàn tầng hầm). Về nguyên tắc, có thể áp dụng nhiều giải pháp cách nhiệt cho lớp vỏ công trình, chẳng hạn như phủ xanh mái và tường, phun sương, thiết kế khe thoáng gió giữa hai lớp tường hoặc hai lớp mái, tạo bóng đổ tự thân hoặc tận dụng bóng đổ của công trình lân cận, … Tuy nhiên, trong điều kiện đảo nhiệt đô thị (nhiệt độ không khí ngoài trời có thể lên đến 45oC, và còn có xu thế tăng cao hơn trong những năm tới dưới tác động của hiện tượng Trái Đất ấm lên), chèn vật liệu cách nhiệt vào giữa hai lớp tường ngoài, hai lớp mái và hai lớp sàn vẫn luôn là giải pháp chủ động, hiệu quả cao và chắc chắn. Vật liệu cách nhiệt phổ biến nhất là các loại xơ, sợi tự nhiên như rơm rạ, xơ dừa, … rất sẵn có ở Việt Nam, dễ thu gom, giá thành rẻ, công nghệ chế tạo đơn giản (tết thành thảm nhiều lớp rồi ép lên nhau tạo thành tấm có kích thước và độ dày tùy ý). Sau mỗi vụ gặt, nông dân vẫn hay đốt rơm rạ ngoài đồng, gây ô nhiễm khói bụi cho thành phố. Nếu lượng rơm rạ này được thu gom và sử dụng để chế tạo các tấm vật liệu cách nhiệt cho công trình, thì lợi ích đem lại sẽ rất lớn và thực sự có ý nghĩa nhiều mặt.

Ví dụ như với tường ngoài, kết cấu thông thường như sau:

  • Vữa trát bên trong: 15 mm;
  • Gạch đặc (tường đôi): 220 mm;
  • Vữa trát bên ngoài: 15 mm;
  • Tổng chiều dày kết cấu tường: 250 mm.
  • Hệ số truyền nhiệt qua kết cấu (U) theo công thức tính toán sẽ là 1,92 W/m2K (khá cao).

Nếu có thêm lớp cách nhiệt bằng rơm ép (hệ số λ = 0,09 W/mK) dày 100 mm chèn vào giữa hai lớp gạch xây, thì chiều dày của kết cấu bao che là 350 mm, hệ số U sẽ còn 0,61 W/m2K, tương đương với một cửa sổ kính 3 lớp (2 lớp chân không), tức là khá hiệu quả. Thay rơm bằng bông khoáng (hệ số λ = 0,04 W/mK) với cùng chiều dày 100 mm thì trị số U tương ứng sẽ là 0,33 W/m2K (rất hiệu quả) (Nguyễn Quang Minh, 2014). Tất nhiên, nếu tăng độ dày của lớp vật liệu cách nhiệt thì hệ số U sẽ được cải thiện, song lại làm giảm diện tích sử dụng, nên cần cân nhắc trong điều kiện diện tích sử dụng không quá rộng như nhà liền kề mặt phố có mặt bằng tầng dưới 40 m2 (4 m x 10 m) hoặc căn hộ chung cư có diện tích nhỏ hơn 70 m2.

Điều kiện số 2: Hệ thống lọc và cấp khí tươi hiệu năng cao được lắp đặt

Không khí bị ô nhiễm nặng, khí trời cấp cho công trình bắt buộc phải được lọc sạch bụi, khử chất ô nhiễm và diệt khuẩn, cấp cho công trình theo một hệ thống đường ống được thiết kế riêng trên nguyên tắc miệng thu khí đầu vào và miệng xả khí đầu ra ở hai hướng khác nhau để tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Tần suất cấp khí (n lần/giờ) phụ thuộc vào khối tích công trình, số lượng người sử dụng và tính chất hoạt động. Hệ thống ống dẫn cần được bảo ôn kỹ bằng vật liệu cách nhiệt (vải bọc hoặc băng dán kỹ thuật) được sản xuất và kiểm định theo tiêu chuẩn, áp dụng cho suốt chiều dài đoạn ống nhằm giảm thiểu tổn thất nhiệt, đặc biệt ở các điểm đầu/cuối và phần đấu nối. Ngoài ra, việc lau rửa các màng lọc phải được tiến hành định kỳ để đảm bảo chất lượng không khí cấp.

Điều kiện số 3: Công trình đảm bảo độ kín hơi, ngăn chặn các tác động không mong muốn xâm nhập vào không gian bên trong

Độ kín hơi có nghĩa là khi cần thiết, các ô cửa được đóng chặt để hạn chế sự thẩm thấu nhiệt, khói bụi, tiếng ồn, … từ môi trường xung quanh vào các không gian chức năng trong một công trình. Các khung cửa cần có gioăng cao su bo viền. Những vị trí như góc, cạnh, khe của kết cấu cần được thường xuyên kiểm tra và vết nứt nếu có sẽ được trám kín. Việc đóng kín các kết cấu bao che cần được hiểu đúng và thực hiện linh hoạt. Khi độ ô nhiễm giảm, không hoặc ít bị ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt (thông thường sáng sớm và/hoặc tối muộn), thì công trình vẫn nên mở thoáng để trao đổi không khí với bên ngoài. Cửa kính có khả năng lấy ánh sáng và ngăn cản nhiệt luôn là cấu kiện không thể thiếu trong nhà thụ động, đi kèm với kết cấu chắn bức xạ mặt trời có khả năng điều chỉnh (thanh/tấm chớp lật/xoay/trượt) cho phù hợp với điều kiện thực tế được sử dụng phổ biến.

Lời kết

Công trình hiệu quả năng lượng nói chung và nhà thụ động nói riêng, với tính ưu việt của mình, sẽ là nhu cầu tất yếu và sự lựa chọn cho kiến trúc đô thị trong tương lai gần, khi thiết kế bền vững với tiêu chí sử dụng hiệu quả năng lượng trở thành quy định bắt buộc (thay vì mang tính khuyến khích như hiện nay) và chất lượng môi trường suy giảm rõ rệt là mặt trái của quá trình phát triển đô thị nhanh hơn mức độ kiểm soát dẫn đến hành động mạnh mẽ phải thay đổi. Nhà thụ động là thể loại công trình có những yêu cầu khắt khe và đòi hỏi chi phí ban đầu tương đối lớn, nhưng khi đặt lợi ích của môi trường và sức khỏe của cộng đồng lên trên, thì đây là sự đầu tư thực sự đáng giá, và càng bắt đầu thực hiện sớm bao nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu. So với nước Đức, Việt Nam có điều kiện thuận lợi do cả hai thông số cho việc sử dụng năng lượng mặt trời (số giờ nắng trong năm và cường độ bức xạ) cao gấp rưỡi đến gấp đôi. Khi nhận chuyển giao công nghệ xây dựng hiệu quả năng lượng trong xu thế hợp tác toàn cầu và tận dụng lợi thế cũng như tiềm năng vốn có, Việt Nam hoàn toàn có thể phát triển mô hình nhà ở thụ động thích hợp với điều kiện riêng về tự nhiên – kinh tế – xã hội cho hàng triệu người có nhu cầu và mong muốn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Viện Nhà Thụ động Darmstadt – PHI (2015), Das Passivhaus – Aktiv für mehr Behaglichkeit, Brochüre und Leitfaden và https://passiv.de/de/02_informationen/
  2. Hiệp Hội Nhà Thụ động Quốc tế (IPHA) (2015): https://passivehouse-international.org/index.php? page_id=286
  3. Trang Thông tin Kiến thức Xây dựng CHLB Đức: https://www.baunetzwissen.de/solar/fachwissen/planungsgrundlagen/waermegewinne-durch-die-gebaeudeorientierung-165600
  4. Detlef Glücklich (2005), Ökologisches Bauen – von Grundlagen zu Gesamtkonzepten, DVA Verlag, München, trang 59-63
  5. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ: https://www.energy.gov/eere/why-energy-efficiency-upgrades
  6. Nguyễn Quang Minh (2014), Passivhäuser in Darmstadt und in Hanoi – Ein Vergleich, Báo cáo thực tập Khoa học tại Viện Nhà Thụ động Darmstadt dưới sự hướng dẫn của GS. TS. Wolfgang Feist theo chương trình Thực tập Khoa học dành cho cán bộ nghiên cứu của Cơ quan Trao đổi Hàn lâm Đức (DAAD)

TS. KTS Nguyễn Quang Minh – Khoa Kiến trúc và Quy hoạch (Đại học Xây dựng)

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 01-2019)