Thiết kế công trình xanh đạt hiệu quả năng lượng

Giảm thiểu lãng phí năng lượng và nâng cao hiệu quả năng lượng không đồng nghĩa với việc sử dụng năng lượng ít đi, mà năng lượng phải được sử dụng hiệu quả hơn. 

Xây dựng xanh có hàm nghĩa thiết kế các tòa nhà tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường, trong đó có sự kết hợp giữa quản lý năng lượng thông minh hơn với xây dựng bền vững. Sau đây là một tổng quan ngắn về các quy trình đang được sử dụng trong thiết kế của các công trình xanh.

Tạo nên những công trình tiết kiệm tài nguyên và thân thiện với môi trường

Ở châu Âu và Hoa Kỳ, khu vực dân cư và các trường Đại học, cao đẳng sẽ là những bộ phận đóng góp nhiều nhất và trực tiếp nhất trong sự nghiệp tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, ở Pháp, theo số liệu của Bộ Sinh thái, Năng lượng và Phát triển bền vững công bố tháng 2 năm 2013, hai bộ phận nêu trên chiếm đến 44% tổng lượng điện năng tiêu thụ trong toàn bộ nền kinh tế.

Có hai lựa chọn khả thi trong việc giảm thiểu lãng phí điện năng. Thứ nhất là cải tạo các công trình xây dựng hiện có theo hướng hiệu quả năng lượng. Ở Pháp, việc này được hỗ trợ bởi chương trình hoá đơn "Grenelle I" được thực hiện từ năm 2009. Trong đó, nhà nước luật hoá hàng loạt các cam kết tăng cường hiệu quả năng lượng, sau một chuỗi các cuộc hội đàm chính trị giữa các hiệp hội, viện chính sách, công ty và đảng phái chính trị). 

Thứ hai là xây dựng mới các công trình bền vững. Một trong những ví dụ điển hình cho giải pháp cải tạo là Toà nhà liên bang Edith Green-Wendell Wyatt ở Portland, Mỹ được cải tạo bởi công ty SERA Architects. Kết cấu của công trình này đã được cải tạo lại để tạo ra một mặt tiền nhằm nâng cao hiệu suất tiết kiệm năng lượng, với mái được gắn các tấm pin quang điện và một hệ thống thu nước mưa được lắp đặt thêm, nhờ đó cải thiện hiệu quả về năng lượng và môi trường, tăng cường tính chất của một công trình "xanh".

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) định nghĩa rằng công trình xanh, hay xây dựng xanh hoặc xây dựng bền vững, là  "việc thực hành tạo ra các kết cấu và sử dụng các quy trình có trách nhiệm với môi trường và đạt hiệu quả về tài nguyên trong suốt vòng đời của một công trình xây dựng" trong suốt các khâu xây dựng, vận hành, cải tạo, phá huỷ.

Xây dựng xanh chủ yếu nhằm mục đích tích hợp hiệu quả năng lượng vào quá trình xây dựng, cụ thể là giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao khả năng tự hấp thu và tạo ra năng lượng của tòa nhà.

Giảm tiêu thụ năng lượng nhờ thiết kế thông minh và sử dụng các vật liệu phù hợp

Một hệ thống cách nhiệt tốt sẽ giảm thiểu sự mất nhiệt và là cách đơn giản nhất để tiết kiệm năng lượng. Quán tính nhiệt có thể đạt được bằng cách sử dụng tấm trần giả, bông khoáng hoặc tấm cách nhiệt bằng gai dầu cũng như các cửa sổ kính hai lớp, từ đó giảm thiểu tác động của biến đổi nhiệt độ bên ngoài.

Hiện tượng cầu nhiệt, còn gọi là cầu lạnh, thường gây rò rỉ nhiệt trong các lớp vật liệu cách nhiệt, có thể tránh được bằng cách đặt ở vị trí cách nhiệt bên ngoài một "lớp vỏ cách điện" được làm từ gạch và polystyrene. Ngoài ra, một bộ trao đổi nhiệt mặt đất có thể được sử dụng để sưởi ấm hoặc làm mát không khí bằng cách sử dụng quán tính nhiệt của trái đất. Một ví dụ về thiết kế thông minh đến từ Loreto Bay Mexico, một trong những đô thị phát triển bền vững lớn nhất Bắc Mỹ. Tại đây, người ta sử dụng một kỹ thuật cách nhiệt đặc biệt như sau: tường gạch sẽ được gia cố bằng dây thép và trát vữa, sau đó sẽ được áp chặt vào một bức tường khác bằng chất bọt polystyrene tái chế.

Cách nhiệt là một cách rất hiệu quả để tránh tổn thất năng lượng, nhưng nó chỉ là một trong nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cần được xem xét để tìm ra phương thức thích hợp nhất cho các loại hình xây dựng, vị trí và sử dụng cụ thể.

Tận dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên là một cách khác để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng dùng cho việc sưởi ấm và chiếu sáng. Các công trình xây dựng có thể được thiết kế theo cách cho phép tối ưu hóa ánh sáng mặt trời thông qua việc cài đặt các cửa sổ thu nhiệt hiệu quả khi đón ánh sáng mặt trời cũng như các vật liệu thấm nhiệt khác. Những phương thức xây dựng tận dụng năng lượng thụ động nêu trên rất hữu hiệu trong việc giảm thiểu năng lượng dùng cho sưởi ấm.

Một công trình như vậy chỉ sử dụng từ 15 kWh/m² một năm cho việc sưởi ấm và 120 kWh/m² một năm cho tất cả các nhu cầu. Trung tâm Luật tại Đại học Baltimore, được thiết kế bởi Behnisch Architekten và Ayers Saint Gross, là một ví dụ tuyệt vời của thiết kế năng lượng thụ động trong đó nhu cầu về ánh sáng nhân tạo đã được giảm thiểu bằng cách sử dụng cửa sổ rộng cho phép tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên. Các cửa sổ được trang bị mành tự động nhằm ngăn chặn ánh sáng mặt trời thâm nhập vào.

Thiết kế các công trình sử dụng nhiệt hiệu quả

Xây dựng xanh cũng gắn liền với những phương thức thiết kế chủ động nhằm tạo ra những công trình sử dụng nhiệt hiệu quả. Tiền đề của điều này là việc làm cho các công trình xây dựng có thể tự tạo ra năng lượng phục vụ cho nhu cầu tự thân.

Pin quang điện và công nghệ nhiệt, được sử dụng để tạo ra điện và nhiệt, đã có những bước nhảy vọt trong mười năm qua và ngày nay các công nghệ này được lắp đặt trên mái nhà, ở khoảng không gian bên cạnh toà nhà hay thậm chí hiệu quả hơn cả là ở một mặt của toà nhà, điều này giúp tạo ra nhiều năng lượng hơn bao giờ hết. Công viên Bushwick ở New York, được thiết kế bởi Kiss + Architects Cathcart, hiện đang sở hữu một cơ sở bảo dưỡng với mái nhà năng lượng xanh, có công suất điện mặt trời lên đến 66,15 kW, tương đương với một nửa nguồn năng lượng của công trình này.

Máy bơm nhiệt mặt đất và trên không cũng là những phương tiện có thể tự tạo ra nhiệt, trong khi tua-bin gió đang trở thành một nguồn điện năng bổ sung quan trọng. Việc trung tâm sáng tạo Rexel trong khuôn viên Vườn Sáng tạo BRE tại Watford, Anh, được trang bị những thiết bị hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo, đã thể hiện rõ lợi ích của việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến nêu trên vào “đời sống thực”.

Mục tiêu lâu dài của xây dựng xanh là tạo ra các tòa nhà energy-plus (năng lượng cộng), một thuật ngữ được sử dụng trong thiết kế xây dựng để mô tả một công trình sản xuất nhiều năng lượng hơn lượng điện năng mà nó sử dụng. Các vùng ngoại ô Vauban và Rieselfeld của thành phố Freiburg im Breisgau, Đức đang đi đầu trong việc ứng dụng năng lượng bền vững vào xây dựng trên quy mô thành phố. Hiện đã có khoảng 50 căn nhà energy-plus ở đây.

Tại Pháp, trên cơ sở dự đoán các quy định năng lượng trong tương lai, tổ chức phi chính phủ ‘Effinergie’ đã đưa ra tiêu chuẩn cho các tòa nhà BEPOS đáp ứng yêu cầu lượng điện năng tiêu thụ từ các nguồn sơ cấp không tái tạo thấp hơn lượng điện năng tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo. Còn ở Mỹ, Hội đồng Công trình Xanh Mỹ đã đưa ra chứng nhận LEED (Leadership in Energy and Environment Design) cho những công trình đi đầu về thiết kế thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Những cải tiến trong việc chứng nhận và các tiêu chuẩn môi trường trong xây dựng đã phản ánh sự thay đổi trong thái độ của mọi người đối với vấn đề tiết kiệm năng lượng và khát vọng vươn tới một lối sống khoẻ mạnh hơn. Theo lời Boone Hellmann, kiến trúc sư tại Đại học California ở San Diego: “Trong thập niên 1960 – 1970, con người đã tiêu thụ một khối lượng tài nguyên khổng lồ để thoả mãn nhu cầu của mình, trong khi những toà nhà lại là những không gian hoàn toàn đóng kín. Ngày nay, chúng ta đang phấn đấu để có thể cân bằng giữa cuộc sống trong nhà và đời sống bên ngoài – nếu có đủ ánh sáng từ môi trường xung quanh, bạn không cần đến ánh sáng nhân tạo nữa. Đó là một hệ thống cùng có lợi; bạn có thể thưởng thức các yếu tố ngoài trời và sử dụng ít năng lượng hơn.”

Anh Tuấn (Theo Electrical Efficiency)