Một số xu hướng thiết kế lớp vỏ công trình tiết kiệm năng lượng

Theo nhiều định nghĩa, lớp vỏ công trình là một hệ thống lớp vỏ ngoài của công trình, có những chức năng tương tự như hoạt động của lớp da của con người, có vai trò điều hòa nhiệt độ, độ ẩm, tiện nghi nhiệt… góp phần tạo vi khí hậu phù hợp cho môi trường bên trong công trình, đồng thời tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả nhất.

Một trong những chức năng chính của công trình là bảo vệ người ở trước những điều kiện khắc nghiệt của khí hậu, điều hòa môi trường giữa bên trong và bên ngoài. Những điều kiện về khí hậu khác nhau tạo ra những ngữ cảnh khác nhau về môi trường ở từng vị trí địa lý. Chính điều này góp phần tạo nên yếu tố bản địa cho từng vùng miền, địa phương. Do đó, công trình phải đảm bảo điều kiện vi khí hậu trong nhà bởi các giải pháp thiết kế lồng ghép giữa kiến trúc, kỹ thuật, môi trường, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng cho chiếu sáng, làm mát, thông gió… Lớp vỏ công trình đóng vai trò rất quan trọng.

Trong vài thập kỷ trước, lớp vỏ công trình đơn giản chỉ bao gồm những tấm chắn nắng có thể đóng mở thủ công hoặc tự động nhằm cải thiện chất lượng che nắng, chiếu sáng và thông gió cho bên trong công trình, hoặc được bổ sung bởi các giải pháp thiết kế thụ động sử dụng năng lượng mặt trời. Hiện nay, lớp vỏ công trình ngày càng phức tạp hơn bao gồm nhiều lớp với nhiều chức năng và tích hợp các hệ thống kỹ thuật khác (như hệ thống điều khiển tòa nhà) nhằm giảm thiểu sử dụng năng lượng cho công trình.

Hiện nay trên thế giới có một số xu hướng thiết kế lớp vỏ công trình hiệu quả năng lượng như sau:

Lớp vỏ bao phủ cây xanh

Những đô thị nén với mật độ dân cư cao, chật chội, cần rất nhiều những khoảng cây xanh. Tuy nhiên, việc cải tạo hay mở rộng đô thị cần một khối lượng tài chính khổng lồ. Các giải pháp phủ xanh đường phố, nóc nhà và lớp vỏ bên ngoài của công trình cũng là một xu hướng cải thiện môi trường sống và tăng diện tích cây xanh hiệu quả. Lớp vỏ công trình phủ cây xanh giảm hiện tượng đảo nhiệt đô thị, giảm thiểu sự hình thành các cơn bão do chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực trong đô thị, làm mát cho công trình. Đây là xu hướng lớp vỏ công trình hướng đến tự nhiên, sử dụng kinh phí, công nghệ thấp, cần lựa chọn loại cây xanh phù hợp với ý đồ kiến trúc của công trình hoặc quy hoạch thiết kế đô thị. Các giải pháp bảo trì lớp vỏ cây xanh nhằm đảm bảo chức năng, thẩm mỹ kiến trúc cũng là một vấn đề cần lưu ý.

Lớp vỏ tích hợp công nghệ môi trường

Lớp vỏ công trình đơn thuần kết hợp một, hoặc vài công nghệ, nhưng không có sự kết nối với các hệ thống khác của tòa nhà. Lớp vỏ công trình có thể tạo ra năng lượng, thu nước mưa, hấp thụ khí CO2. Một số ví dụ như:

• Công trình nhà ở tại Albstadt (Đức) sử dụng những tấm pin năng lượng mặt trời gắn vào những tấm chắn nắng ở lớp vỏ công trình.

• Công trình nhà ở tương tự ở Thụy Sĩ dùng lăng kính để phản xạ ánh sáng mặt trời và vật liệu PCM để lưu trữ năng lượng.
• Trung tâm EVA ở Hà Lan là một ví dụ về lớp vỏ công trình hấp thụ khí CO2 và xử lý nước. Lớp vỏ kép dạng kín của công trình này gồm hệ thống xử lý nước thải, hệ thống thu hồi nhiệt, thu năng lượng mặt trời và vườn treo dạng nhà kính trên nóc tòa nhà.
• Dự án Bảo tàng Giáo dục biến đổi khí hậu cho trẻ em ở Hà Nội có lớp vỏ bao gồm rất nhiều những tua bin gió nhỏ, tạo ra điện năng sử dụng cho công trình. Thiết kế công trình đã được đưa vào sổ tay hướng dẫn tính toán thiết kế năng lượng cho các vùng khí hậu ở Việt Nam của Tổ chức Transsolar.

Lớp vỏ công trình thích ứng khí hậu

Lớp vỏ công trình thích ứng khí hậu tận dụng tối đa thông gió tự nhiên, cũng khai thác tối đa khả năng thông gió cơ khí, nhằm tạo ra điều kiện vi khí hậu trong nhà tốt hơn trong khi giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, lớp vỏ công trình loại này có những hạn chế nhất định. Các điều kiện khí hậu tự nhiên thay đổi từng phút, từ ngày cho đến đêm, mùa này sang mùa khác. Do đó, để đạt hiệu quả tốt nhất cần những hệ thống thông minh hơn cho lớp vỏ công trình.

Lớp vỏ công trình có khả năng cách nhiệt cũng đã được phát triển qua nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, với những tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhờ các công nghệ tích hợp, lớp vỏ công trình kết nối toàn bộ hệ thống môi trường trong và ngoài nhà, có thể được điều khiển hoặc tự động hoàn toàn tùy theo nhu cầu sử dụng. Lớp vỏ bao gồm rất nhiều kết nối đến hệ thống chức năng của công trình bao gồm hệ thống điều khiển khí hậu, an ninh nhằm tối ưu hóa các yếu tố như: Tiện nghi nhiệt (độ ẩm, nhiệt độ và độ sạch của không khí), tiện nghi chiếu sáng, tiếng ồn…

Hầu hết các thiết kế lớp vỏ công trình theo hướng thích ứng khí hậu tại các nước phát triển hiện nay dựa trên những dữ liệu môi trường số, được mô phỏng trên những phần mềm thiết kế môi trường cho kiến trúc, những hình dạng khác thường của công trình như xoắn hoặc gấp một phần dựa trên kết quả tính toán của phần mềm. Ngoài hình dạng, vật liệu lớp ngoài cũng dựa trên kết quả tính toán trong từng yêu cầu về môi trường cụ thể. Vật liệu được sử dụng cho lớp vỏ công trình phải đảm bảo thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau hơn là chỉ có chức năng đơn thuần như bao che và kết nối với các kết cấu khác.

Lồng ghép các hệ thống thích ứng khí hậu, thiết kế kiểm soát khí hậu và thông gió tự nhiên luôn được ưu tiên trong trong thiết kế của các KTS, theo đó, hình khối, mặt ngoài của công trình được thiết kế thích ứng che nắng, tạo bóng râm, kiểm soát chiếu sáng và thông gió tự nhiên hơn là những hình dạng vuông, phẳng thông thường. Kết quả là hình khối công trình sẽ theo dạng xoắn, uốn cong hoặc gấp nếp. Lớp vỏ kép có mặt ngoài là những tấm pin năng lượng mặt trời cũng được sử dụng ở các nước nhiệt đới, tuy nhiên lớp vỏ này có khả năng điều khiển chiếu sáng, thông gió tự nhiên, phụ thuộc vào từng vị trí địa lý cụ thể. Hệ thống bao gồm những tấm chắn nắng có thể tự động di chuyển tùy thuộc vào các thời điểm khác nhau trong ngày, dựa trên những tính toán của máy tính sao cho chiếu sáng và thông gió tự nhiên vào bên trong công trình đạt hiệu quả tối ưu nhất.

Có thể thấy những hình dạng và cấu trúc lớp vỏ công trình khác thường hiện nay của một số công trình trên thế giới không hẳn hoàn toàn là ý tưởng táo bạo của KTS mà là sản phẩm kết hợp giữa sự sáng tạo của KTS và công nghệ thiết kế môi trường cho lĩnh vực kiến trúc. Lựa chọn giải pháp lớp vỏ công trình phù hợp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Tài chính, nhu cầu, văn hóa… Khi đó, KTS sẽ là người đưa ra ý tưởng đầu tiên và cũng là người quyết định cuối cùng dựa trên cơ sở những tính toán về môi trường.

ThS.KTS Lê Vũ Cường

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 08-2016)