KIẾN TRÚC HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

(kienviet.net) Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, ô nhiễm và cạn kiệt các nguồn năng lượng hoá thạch hiện nay, kiến trúc cần thay đổi để thức ứng với điều kiện mới, mà hai yêu cầu cơ bản là bền vững về mặt sinh thái và thân thiện với môi trường. Bài viết đầu tiên trong loạt bài về Kiến trúc hiệu quả năng lượng xin giới thiệu với các bạn một số định nghĩa, thuật ngữ và tổng quan về kiến trúc hiệu quả năng lượng.

“Form follows function” (Hình thức theo đuổi công năng) đã và tiếp tục là “kim chỉ nam” cho mọi kiến trúc sư hành nghề, và là một bài học vỡ lòng được giảng dạy trong các trường đào tạo ngành kiến trúc. Tuy nhiên ngày nay, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và các nguồn tài nguyên dần trở nên cạn kiệt, những yêu cầu bổ sung cũng được đặt ra đối với kiến trúc để thích ứng với những điều kiện mới, mà hai trong số những yêu cầu đó là bền vững về mặt sinh thái và thân thiện với môi trường. Hiệu quả về năng lượng (tiết kiệm năng lượng) là một điểm cốt lõi trong cả hai yêu cầu nói trên, bởi vì sử dụng năng lượng là một nhu cầu thiết yếu hàng ngày, nếu không muốn nói là hàng giờ, trong cuộc sống của con người và góp phần đảm bảo sự tiện nghi sinh khí hậu cho người sử dụng. Hơn nữa, cũng chính việc sản xuất và sử dụng năng lượng cho đến thời điểm hiện nay tại nhiều quốc gia trên thế giới là nguyên nhân trực tiếp gây ra tình trạng mất cân bằng sinh thái, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng môi trường và chất lượng cuộc sống của con người. Đã đến lúc cần phải có sự thay đổi căn bản trong quan niệm thiết kế kiến trúc, khi tính hiệu quả về năng lượng sẽ quyết định cả hình thức lẫn công năng của công trình, nhằm đảm bảo sự tiện nghi bên trong công trình cũng như chất lượng môi trường bên ngoài. Phương châm thiết kế mới nên là “both form and function follow energy”.

Hiệu quả năng lượng, kiến trúc hiệu quả năng lượng và các thuật ngữ khác có liên quan

Hiệu quả năng lượng, hay còn gọi là sử dụng năng lượng có hiệu quả, được đặt ra như một mục tiêu cần phấn đấu đạt được, là việc giảm lượng năng lượng cần thiết để sản xuất một sản phẩm hoặc cung ứng một dịch vụ nào đó mà sản phẩm cũng như dịch vụ này vẫn đạt tiêu chuẩn chất lượng sử dụng tương đương. Việc cải thiện hiệu quả năng lượng có thể đạt được bằng cách áp dụng một công nghệ mới, hoặc cải tiến một quy trình sản xuất, hoặc sử dụng các phương pháp được chấp nhận rộng rãi để giảm sự tổn thất năng lượng [1]. Một ví dụ đơn giản và gần gũi mà ai cũng có thể dễ dàng hình dung là tận dụng ánh sáng tự nhiên (không tiêu thụ năng lượng) sẽ giảm thiểu việc sử dụng ánh sáng nhân tạo được cung cấp bởi các loại đèn điện (có tiêu thụ năng lượng). Cũng là đèn điện, với cùng cường độ chiếu sáng, một đèn huỳnh quang hoặc đèn đi-ốt phát quang (LED) tại thời điểm năm 2016 với công nghệ sản xuất mới nhất chỉ tiêu thụ 1/10 năng lượng so với một đèn sợi đốt truyền thống, có nghĩa là tiết kiệm đến 90% năng lượng [2].

Lĩnh vực áp dụng “hiệu quả năng lượng” trong thực tế rất rộng, mà xây dựng là một trong số đó. Kiến trúc hiệu quả năng lượng (energy-efficient architecture) được hiểu một cách ngắn gọn mà đầy đủ ý nghĩa là “quá trình tạo lập các không gian chức năng và vận hành các không gian chức năng đó có áp dụng đồng bộ các giải pháp giảm tiêu thụ năng lượng, từ năng lượng biểu hiện (tức là năng lượng cần thiết cho các hoạt động khai thác và chế biến vật liệu xây dựng, sản xuất cấu kiện xây dựng, vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện đó vào vị trí được chỉ định trên công trường) đến năng lượng vận hành (có nghĩa là năng lượng tiêu thụ cho các hoạt động của công trình khi công trình đó được đưa vào sử dụng, chẳng hạn như chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, chạy các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất) kéo dài suốt vòng đời của công trình [3].

Hiệu quả năng lượng của công trình khi vận hành được đo bằng chỉ số tiêu thụ năng lượng (kWh) theo đơn vị diện tích sàn xây dựng công trình (1 m2) trong một năm (kWh/m2a) (*). Một số chuyên gia cho rằng cần đưa vào năng lượng biểu hiện (embodied energy) – như đã giải nghĩa ở trên – thì mới đầy đủ nhưng việc tính toán này khá phức tạp. Một số chuyên gia khác cũng nêu quan điểm là năng lượng ẩn này còn được thể hiện trong vật liệu và cấu kiện xây dựng khi công trình hết thời hạn sử dụng bị phá dỡ, được tái sử dụng trong công trình xây mới sau đó hoặc được đốt bỏ để sinh nhiệt rồi chuyển hóa thành năng lượng. Trong khi các chuyên gia chưa thống nhất cũng như tìm ra cách thức tính gộp, cách đo hiệu quả năng lượng (*) vẫn được sử dụng phổ biến.

Có nhiều khái niệm liên quan đến vấn đề năng lượng và hiệu quả năng lượng trong công trình: Năng lượng tái tạo (renewable/regenerative energy), công trình có mức sử dụng năng lượng thấp (low-energy buiding), công trình tiết kiệm năng lượng (energy-saving building), công trình thụ động năng lượng mặt trời (passive solar building), công trình chủ động năng lượng mặt trời (active solar building), công trình trung hòa năng lượng (zero-energy building) và công trình phụ trội năng lượng (plus-energy building).

Năng lượng tái tạo là năng lượng được khai thác từ các nguồn có khả năng sớm phục hồi hoặc tồn tại với trữ lượng lớn gần như vô tận trong tự nhiên so với quy mô sử dụng của con người, bao gồm các loại hình sau: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước, sóng biển và thủy triều, năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh học [4].

Công trình có mức sử dụng năng lượng thấp – như tên gọi đã cho thấy – là công trình có mức sử dụng năng lượng cho việc sưởi ấm và/hoặc làm mát thấp hơn so với các công trình tương tự đã từng hoặc đang được xây dựng, với trị số dao động trong khoảng 55 đến 70 kWh/m2a, tùy thuộc thể loại tính chất sử dụng và đặc điểm của công trình. Ví dụ như tại CHLB Đức, nơi phát triển rất mạnh thể loại công trình có mức sử dụng năng lượng thấp, trị số mức trần 70 kWh/m2a áp dụng cho nhà ở liền kề hoặc nhà ở kiểu chung cư nhiều tầng, trong khi đối với nhà đơn lẻ kiểu biệt thự hoặc nhà nông thôn có sân vườn được quy định là 55 kWh/m2a [5]. Tuy nhiên, theo thời gian, yêu cầu bảo vệ môi trường trở nên nghiêm ngặt hơn thì mức tiết kiệm năng lượng cao hơn được đề xuất. Theo đó, tại CHLB Đức và Thụy Sỹ, giá trị 30 kWh/m2a cho sưởi ấm đã được áp dụng cho các công trình xây mới từ năm 2012 trở lại đây. Nếu chỉ số này đạt mức dưới 20 kWh/m2a thì công trình được coi là đạt mức sử dụng năng lượng cực thấp (ultra low-energy).

Công trình tiết kiệm năng lượng được hiểu là công trình có mức độ tiện nghi cao hơn với lượng năng lượng tiêu thụ thấp hơn, trong khi công trình có mức sử dụng năng lượng thấp được xem là công trình có mức độ tiện nghi lớn hơn với mức năng lượng tiêu thụ tương đương. Điều đó có nghĩa là yêu cầu (hoặc tiêu chuẩn) đối với công trình tiết kiệm năng lượng cao hơn so với công trình có mức sử dụng năng lượng thấp và được lý giải như sau: công trình tiết kiệm năng lượng được thiết kế nhỏ gọn đủ để sử dụng, không có các diện tích hay khối tích thừa. Trong công trình tiết kiệm năng lượng, việc sử dụng năng lượng sạch (hay còn gọi là năng lượng tái tạo) sẽ khiến công trình công trình tự chủ hơn về năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng được cung cấp từ việc đốt cháy một số nhiên liệu hóa thạch như than đá hoặc dầu lửa và do đó sẽ tiết kiệm được nhiều hơn nếu tính gộp năng lượng biểu hiện vào năng lượng cung cấp đến công trình. Một điểm khác biệt nữa giúp phân biệt hai khái niệm là công trình có mức sử dụng năng lượng thấp nếu có hệ thống sưởi ấm và làm mát được thiết kế cũng như vận hành tối ưu thì có thể đạt đến mức độ công trình tiết kiệm năng lượng [6].

Công trình thụ động năng lượng mặt trời (passive solar building, ngắn gọn hơn là passive building) – hoặc nhà thụ động (passive house) là thuật ngữ được dùng phổ biến hơn trong các sách chuyên ngành về năng lượng công trình – là công trình đáp ứng được nhu cầu sưởi ấm bằng cách sử dụng chủ yếu bức xạ mặt trời chiếu vào công trình và tận thu lượng nhiệt được sinh ra bên trong công trình cho mục đích này. Theo đó, các cấu kiện sàn, tường, trần, cửa đi, cửa sổ, … tức là các thành phần của lớp vỏ bao che bên ngoài cũng như kết cấu ngăn chia bên trong công trình được chế tạo sao cho giúp việc thu, trữ và phân phối năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt trong công trình vào mùa đông (để sưởi ấm) và ngăn cản nhiệt bên ngoài vào mùa hè (để làm mát) được thuận lợi. Về lý thuyết, thiết kế thụ động sẽ không cần thiết phải sử dụng hệ thống sưởi ấm/làm mát bằng cơ khí hoặc chạy điện, tuy nhiên trong thực tế những hệ thống này vẫn được lắp đặt để đề phòng các trường hợp thời tiết cực đoan (quá nóng hoặc quá lạnh kéo dài), giúp điều chỉnh môi trường vi khí hậu trong nhà gần với khoảng tiện nghi trên biểu đồ sinh khí hậu. Mức tiêu thụ năng lượng cho việc sưởi ấm hoặc làm mát trong công trình thụ động do vậy sẽ được giảm thiểu, không cần đến các giải pháp sưởi ấm truyền thống trong đa số thời gian trong năm, và giá trị tối đa cho phép là 15 kWh/m2a được áp dụng một cách nghiêm ngặt [7].

Công trình chủ động về năng lượng mặt trời (active solar building), trái lại, sử dụng năng lượng cho việc sưởi ấm ở dạng nhiệt bằng cách hấp thụ ánh sáng mặt trời qua thiết bị thu (collector) đấu nối với bộ phận chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng, làm luồng không khí mát hoặc luồng nước lạnh (được dùng phổ biến hơn) chạy qua nóng lên đến nhiệt độ cần thiết rồi sẽ theo các đường ống ngầm dưới sàn, trong tường và trên trần tỏa đi khắp công trình, phục vụ cho việc sưởi ấm. Nếu chưa sử dụng ngay, năng lượng nhiệt được lưu trong một thiết bị trữ để tiến hành sưởi ấm sau đó theo nhu cầu thực tế. Trong trường hợp nhu cầu tăng cao vượt quá khả năng cung ứng của hệ thống chính, hệ thống phụ trợ hoặc thiết bị phát dự phòng sẽ được khởi động. Đối với nhu cầu sử dụng nước ấm (khoảng 45oC), hệ thống cung cấp cũng hoạt động trên nguyên lý tương tự [8].

Công trình trung hòa năng lượng là công trình có tổng mức năng lượng sử dụng bằng không, có nghĩa là lượng năng lượng mà bản thân công trình sản sinh ra trong một năm từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió đúng bằng tổng năng lượng được tiêu thụ bên trong công trình cho tất cả các mục đích sử dụng (sưởi ấm , làm mát, chiếu sáng, bơm nước, chạy các thiết bị điện tử, …) trong cùng khoảng thời gian, có nghĩa là vừa đủ đáp ứng nhu cầu và không phụ thuộc vào nguồn cấp từ bên ngoài, nhất là các hệ thống phân phối tiếp nhận năng lượng từ những trạm phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, góp phần tích cực làm giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường tự nhiên [9].

Công trình phụ trội năng lượng là cấp độ phát triển cao hơn và thực sự hiệu quả hơn công trình trung hòa năng lượng, khi công trình sản sinh ra một lượng năng lượng từ các nguồn tái tạo nhiều hơn so với nhu cầu tiêu thụ trong cùng khoảng thời gian (thông thường được tính theo năm). Nguồn năng lượng dư có thể được tích trữ cho bản thân công trình phòng trường hợp xảy ra sự cố ngoài dự kiến ảnh hưởng đến việc tự cung cấp năng lượng hoặc được chuyển vào mạng điện chung của khu vực để điều tiết năng lượng giữa các công trình với nhau, theo đó công trình dư thừa năng lượng sẽ bù đắp một phần cho công trình thiếu hụt năng lượng [10].

Bối cảnh ra đời của kiến trúc hiệu quả năng lượng

Kiến trúc hiệu quả năng lượng là sự lựa chọn tất yếu, khi:

• Dân số thế giới gia tăng nhanh chóng và các đô thị ngày càng trở nên đông đúc, khiến tổng năng lượng sử dụng cũng tăng theo;
• Con người trong cuộc sống văn minh hậu công nghiệp ngày càng sử dụng nhiều thiết bị tiêu thụ năng lượng thay thế cho các cách thức quen thuộc được thực hiện bằng thủ công hoặc với những dụng cụ đơn giản như trước kia, chẳng hạn như máy giặt thay thế hình thức giặt tay, máy sấy quần áo thay vì phơi ngoài trời, máy cắt bánh mỳ và máy pha cà phê thay cho dùng dao cắt bánh hoặc tự tay pha chế, lò vi sóng hâm nóng thức ăn để tủ lạnh thay cho dùng nồi đảo lại thức ăn trên bếp ga, … khiến tổng năng lượng tiêu thụ theo thời gian gia tăng nhanh hơn tốc độ phát triển dân số cùng kỳ;
• Biến đổi khí hậu ngày càng tác động sâu sắc, hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra thường xuyên hơn, kéo dài hơn và khắc nghiệt hơn (nắng nóng trên 40oC hoặc trời lạnh dưới -20oC), khiến nhu cầu làm mát và sưởi ấm tăng đột biến;
• Giá điện được sản xuất theo phương pháp nhiệt điện đang leo thang khi chi phí khai thác than đá và dầu mỏ tăng cao. Các vỉa than và túi dầu ở tầng trên và tầng giữa lớp vỏ Trái Đất nhiều nơi đã cạn kiệt, phải khoan sâu hơn mới chạm các vỉa than mới hoặc dùng bơm công suất lớn hơn mới hút được dầu ở tầng dưới, trong khi thủy điện trở nên không ổn định do chế độ thủy văn thay đổi thất thường dưới tác động của biến đổi khí hậu;
• Khi cuộc sống trở nên hiện đại hơn, con người có xu hướng ỷ lại vào công nghệ, quá phụ thuộc vào thiết bị mà bỏ qua hoặc coi nhẹ yếu tố tự nhiên có lợi. Đa số người dân lựa chọn giải pháp đóng kín không gian ở và làm việc, bật điều hòa không khí hoặc máy sưởi liên tục để duy trì môi trường tiện nghi nhiệt – một giải pháp không thật sự hiệu quả bởi vì giải pháp nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn giải pháp tự nhiên, không những thế còn phát thải nhiều carbon vào bầu khí quyển. Hậu quả là biến đổi khí hậu càng mạnh mẽ, sự khắc nghiệt của thời tiết càng gia tăng và con người gần như bị kẹt trong một vòng luẩn quẩn xem chừng rất khó tháo gỡ.

Những hình ảnh sau ở Ấn Độ và Trung Quốc có thể đã quá quen thuộc với nhiều người dân trong các đô thị tại Việt Nam, vì họ cũng đang sống trong khung cảnh tương tự.

Những lợi ích của kiến trúc hiệu quả năng lượng

Kiến trúc hiệu quả năng lượng đem lại nhiều lợi ích thiết thực. Về môi trường, kiến trúc hiệu quả năng lượng giảm đáng kể lượng phát thải carbon vào bầu khí quyển, qua đó góp phần giảm nhẹ tác động của biến đổi khí hậu đến cuộc sống của con người, đồng thời hạn chế gây ô nhiễm. Về chất lượng vi khí hậu, kiến trúc hiệu quả năng lượng đảm bảo sự tiện nghi trong nhà mà sử dụng ít năng lượng hơn, hoặc với cùng lượng điện năng tiêu thụ nhưng đạt mức tiện nghi cao hơn. Ngoài ra, đối với loại hình kiến trúc hiệu quả năng lượng thiên về công nghệ cao, việc chọn lọc kỹ lưỡng các kết cấu và vật liệu được sản xuất theo quy trình chuẩn với sự tư vấn của chuyên gia cùng kỹ thuật thi công hiện đại sẽ làm công trình có thời hạn sử dụng lâu hơn, bền chắc hơn, do vậy tính kinh tế sẽ cao hơn, và khi công trình hết thời hạn sử dụng, các vật liệu và cấu kiện nói trên vẫn có thể được tái sử dụng hoặc tái chế. Trong trường hợp kiến trúc hiệu quả năng lượng theo hướng công nghệ thấp, tức là kế thừa và phát huy kinh nghiệm dân gian truyền thống, các vật liệu được sử dụng là có nguồn gốc hữu cơ tự nhiên như gỗ, tre, lá, đất, rơm rạ, … có độ bền không cao nhưng lại rất thân thiện với môi trường, hết thời hạn sử dụng sẽ dễ dàng bị phân hủy trở về với thiên nhiên hoặc biến thành chất mùn làm tăng độ màu cho đất.

Sự lan tỏa của kiến trúc hiệu quả năng lượng trên thế giới

Do những lợi ích to lớn đã được chứng thực và khẳng định qua thực tế, kiến trúc hiệu quả năng lượng cùng kiến trúc xanh và kiến trúc bền vững đã trở thành một trào lưu thiết kế ngày càng phát huy tầm ảnh hưởng sâu rộng trên thế giới ngày nay. Các quốc gia tiên tiến tập trung phát triển kiến trúc hiệu quả năng lượng công nghệ cao trong khi kiến trúc hiệu quả năng lượng công nghệ thấp là sự lựa chọn phù hợp hơn đối với những quốc gia còn gặp nhiều khó khăn về kinh tế, tài chính và khoa học kỹ thuật.

CHLB Đức là quốc gia luôn dẫn đầu thế giới về công nghệ tiết kiệm năng lượng ứng dụng trong xây dựng. Vauban với 5.700 cư dân thuộc thành phố Freiburg – tiểu bang Baden Württemberg là khu ở đầu tiên tại CHLB Đức có toàn bộ nhà ở và công trình công cộng trong khu vực được thiết kế xây mới hoặc cải tạo đạt tiêu chuẩn nhà ở thụ động (passive house) hoặc nhà ở có mức năng lượng tiêu thụ siêu thấp (ultra low-energy house), đặc biệt có 60 căn nhà trong giai đoạn phát triển sau thừa hưởng thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất trong lĩnh vực công nghệ năng lượng đã được thẩm định và công nhận là phụ trội năng lượng (plus-energy house), tức là loại hình nhà ở tiên tiến nhất về năng lượng hiện nay. Thêm 40 căn nhà thể loại này sẽ tiếp tục được triển khai xây dựng trên phần đất dự trữ phát triển còn lại. Đồng thời Vauban Freiburg cũng được xem là một dự án mẫu mực trên thế giới về khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo vì mục đích dân sinh, khi 100% năng lượng được cung cấp từ các tấm pin năng lượng mặt trời lắp đặt trên các mái nhà [11]. Đây còn là một ví dụ hiếm hoi về khu ở không xe hơi trên thế giới.

Tuy nhiên, không phải là tất cả các thử nghiệm đều thành công. Nếu như tòa tháp Gherkin ở London (Anh Quốc) – một thiết kế nổi tiếng của KTS. Norman Foster và Cộng sự – được đánh giá cao bởi thiết kế đơn giản song đầy sáng tạo, thông minh và hiệu quả với mặt bằng tròn xoay có sáu khoảng thông tầng phân chia các không gian văn phòng thành sáu cụm nhỏ xoay dần từ dưới lên trên, tạo hiệu ứng thông gió ống khói từ ngoài vào trong và từ dưới lên trên theo trục xiên, kết hợp với lớp vỏ kính 2 lớp có khả năng đóng mở linh hoạt nên tận dụng được thông gió và chiếu sáng tự nhiên, giúp công trình tiết kiệm 50% năng lượng so với các công trình tương tự về quy mô và tính chất sử dụng [12] thì trung tâm hành chính thành phố Đà Nẵng – một tòa tháp với chi phí đầu tư xây dựng gần 100 triệu đô-la Mỹ [13] được thiết kế theo phong cách kiến trúc hiện đại, có ý tưởng tạo hình mang tính biểu tượng rõ ràng, được coi là một điểm nhấn của trung tâm thành phố Đà Nẵng lại không thành công trên phương diện thiết kế kiến trúc sinh khí hậu và tiết kiệm năng lượng, khi đóng kín toàn bộ không gian bên trong bằng lớp vật liệu kính bọc ngoài thay vì tạo các diện mở để đón gió biển, khiến tiện nghi nhiệt bên trong công trình phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống điều hòa không khí vận hành rất tốn kém song hiệu quả làm mát lại không cao, khiến các đơn vị và cá nhân sau gần hai năm làm việc trong tòa tháp phải chuyển ra ngoài vì không chịu nổi không khí nóng bức và ngột ngạt. Đây là một bài học đắt giá cho việc thiếu cân nhắc và bỏ qua các yếu tố tự nhiên có lợi mà một thiết kế thông minh không thể không tận dụng.