Nghiên cứu thiết kế nhà cao tầng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

Phát triển bền vững là xu thế tất yếu trong tiến trình phát triển của xã hội loài người. Tại Hội nghị thượng đỉnh thế giới năm 1992 ở Rio de Janerio, các nhà hoạt động về kinh tế, xã hội, môi trường cùng với các nhà chính trị đó thống nhất về quan điểm phát triển bền vững, coi đó là trách nhiệm chung của các quốc gia, của toàn nhân loại và đồng thuận thông qua tuyên bố Rio gồm 27 nguyên tắc cơ bản về Phát triển bền vững và Chương trình Nghị sự 21, xác định các hành động cho sự phát triển bền vững của toàn thế giới trong thế kỷ thứ 21.

Đại hội Đảng lần thứ IX đó thông qua mục tiêu chiến lược 10 năm  (2001-2010) mà nội dung tập trung vào những nhân tố phát triển bền vững. Để thực hiện mục tiêu phát triển bền vững như Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc đó đề ra và thực hiện cam kết quốc tế về phát triển bền vững, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Định hướng Chiến lược Phát triển bền vững ở Việt Nam” (Chương trình nghị sự 21 của Việt Nam).

Trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng, nhà cao tầng đang dần trở nên phổ biến tại các đô thị trên thế giới và đặc biệt là tại đô thị chật hẹp, dân số cao như Việt Nam nhằm tiết kiệm quỹ đất đô thị cho các mục đích công cộng như vui chơi giải trí, công viên cây xanh,... cũng như tập trung, giảm hệ thống hệ thống hạ tầng, giao thông vận tải, mạng lưới dịch vụ dẫn đến giảm mức tiêu hao năng lượng.

Tuy nhiên, nhà cao tầng là kiểu kiến trúc tập trung tiêu hao nhiều năng lượng và không ngừng sản sinh phế thải và ô nhiễm. Với tốc độ tăng trưởng xây dựng bình quân 15%/năm, số toà nhà cao tầng, trung tâm thương mại, siêu thị mới sẽ tăng thêm rất nhiều và tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các toà nhà chiếm từ 35 - 40% tổng năng lượng tiêu dùng song năng lượng sử dụng trong các toà nhà, công trình cao tầng là rất lớn nhưng tản mạn, không hiệu quả và không kiểm soát được. Thêm vào đó, hầu hết công trình cao tầng được thiết kế theo phong cách nước ngoài, không phù hợp với điều kiện khí hậu tự nhiên ở Việt Nam gây lãng phí nghiêm trọng năng lượng trong quá trình sử dụng công trình.  

Biến đổi khí hậu, phá huỷ tầng ozon, cạn kiệt tài nguyên năng lượng đang là mối quan tâm của các nhà khoa học và thách thức với toàn thế giới. Tại các nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam) vấn đề càng trở nên nghiêm trọng do sự yếu kém cả về mặt nhận thức và các yếu tố kinh tế – kỹ thuật.

Nhà cao tầng là sản phẩm của khoa học và công nghệ, từ thiết kế, xây dựng cho đến vận hành công trình, từ hệ thống móng, kết cấu, kỹ thuật chống động đất và gió bão, đến điện và chiếu dáng, an toàn và phòng chống cháy, cấp nước, cấp khí đốt và điều hoà nhiệt độ. Chính vì thế, việc sử dụng nhiều năng lượng trong nhà cao tầng là nhận định hoàn toàn có căn cứ và cơ sở. Tuy nhiên, năng lượng và ô nhiễm quan hệ với nhau theo luật đồng biến, còn nhiệt và các chất độc hại được truyền, thải và rò rỉ từ trong công trình ra môi trường xung quanh.

Do đặc điểm chịu lực, tổ chức không gian kiến trúc thường theo kiểu hợp khối, bố cục chặt, đặc. Điều này thường gây khó khăn cho việc tổ chức thông gió tự nhiên tới tận mỗi không gian bên trong, và chính vì vậy trong phần lớn công trình, giải pháp ĐHNĐ gần như là bắt buộc và duy nhất;

Các tường bên có diện tích rất lớn, gấp hàng trăm lần diện tích mái, lại quay về mọi hướng và không được cây xanh và các công trình bên cạnh che chắn, sẽ là nguồn thu nhận BXMT rất đáng kể, đặc biệt trong khí hậu nhiệt đới. Nếu phòng thông gió tự nhiên tốt, một phần nhiệt BXMT sẽ được thải ra ngoài, nhưng vẫn nóng bức do cơ thể chúng ta phải trao đổi nhiệt bằng bức xạ với các bề mặt có nhiệt độ cao. Ngược lại nếu ta đóng kín cửa để chạy ĐHNĐ, thì tải trọng lạnh sẽ rất lớn;

Khái niệm nhà cao tầng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả còn được gọi là nhà cao tầng sinh thái được sử đụng để mô tả “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)” - Ken Yeang.

Trào lưu kiến trúc xanh (green-building) hay kiến trúc sinh thái (eco-architecture) đang ngày một lớn mạnh trên thế giới. Đặc điểm chính của trào lưu này là gắn bó và sử dụng triệt để năng lượng tự nhiên phục vụ cho công trình, hay nói cách khác là tạo lập những công trình kiến trúc cộng sinh với thiên nhiên. Đi đầu trong trào lưu này là KTS. Ken Yeang của Malaysia, Richard Meier hay Frank Loy Wright của Mỹ,... với các công trình kiến trúc lấy thiên nhiên làm điểm tựa, sử dụng tối đa các nguồn năng lượng thiên nhiên như nắng, gió, độ ẩm,... để điều hòa vi khí hậu cho công trình.

Tuy nhiên, trước khi lý thuyết này ra đời, người dân tại các quốc gia có nền khí hậu rõ ràng như Ôn đới hay Hoang mạc Nhiệt đới đã xây dựng cho mình những ngôi nhà với những đặc điểm chống chọi lại thiên nhiên hà khắc là băng giá của vùng Ôn đới hay nắng gió của Nhiệt đới, những đặc điểm này đã được phát huy trong kiến trúc hiện đại với tất cả sự tiện nghi và màu sắc và cá tính của kiến trúc truyền thống địa phương.

Để tiết kiệm đáng kể nguồn nhiên liệu hữu cơ có thể sử dụng các nguồn năng lượng không truyền thống. Các nước tiên tiến đã sử dụng cho nhu cầu sưởi ấm và cung cấp nước nóng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, nhiệt của đất có thế năng thấp v.v. ở Châu Âu đã từ lâu đã bắt đầu thiết kế và xây dựng các ngôi nhà thụ động hay còn gọi là nhà với múc độ sử dụng năng lượng thấp. Cụ thể tại Đức từ năm 1985 – 1996 Volfgan Faist là tác giả của các ngôi nhà thụ động, được xây dựng trong những năm 90 của thế kỷ XX. Đến nay các ngôi nhà như vậy đã được xây dựng hơn 2000 cái.

Đây là một cao ốc xanh với các turbine chạy bằng năng lượng gió lắp trên đỉnh sẽ cung cấp năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà trong nhiều thời điểm của năm. Mặt ngoài của công trình được thiết kế đặc biệt để giảm sức nóng từ ánh mặt trời xuyên của các cửa sổ vào mùa hè.        

Trước đó vào năm 1971 tại Đan Mạch đã xây dựng theo thiết kế của giáo sư Kotxgart các ngôi nhà sử dụng năng lượng bằng không, ở đó để phục vụ cho mục đích này đã sử dụng hệ thống pin mặt trời và bơm địa nhiệt

Tại Thuỵ Sỹ theo thiết kế của tiến sỹ Enni đã xây dựng các ngôi nhà có hệ thống pin mặt trời và các panen điện quang, chúng được thoả mãn không những về nhu cầu nhiệt, mà còn về nhu cầu về điện.

Tại Liên Bang Nga  đang thực hiện chương trình thiết kế thực nghiệm và xây dựng ở Matxcơva các ngôi nhà với nhu cầu năng lượng thấp. Nói riêng trong năm 2001 tại thành phố Nhiculin đã xây dựng thực nghiệm ngôi nhà 16 tầng, ở trong đó nguồn nhiệt để cấp nước nóng là các bơm nhiệt đất và các hệ thống thu hồi nhiệt không khí đã qua sử dụng. Nhu cầu nhiệt chung của các ngôi nhà này so với các seri nhà cũ giảm tới 42%. ở Matxcơva với mục đích đưa vào áp dụng các kinh nghiệm tiên tiến của thế giới trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng và sáng tạo ra các ngôi nhà với các giải pháp không gian kiến trúc hiện đại từ năm 2001 đã đưa vào áp dụng Tiêu chuẩn xây dựng thành phố Matxcơva về nhà cao tầng (cao trên 75 m). Hiện nay đã gần đưa vào sử dụng ngôi nhà Liên bang cao 340 m, nếu tính cả phần ngọn – 440m, là ngôi nhà sẽ cao nhất Châu Âu.

Trong lĩnh vực nhà cao tầng, vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả đã được các nhà nghiên cứu đề cập đến rất nhiều, song thực tế là trên thế giới, những công trình như Menara Menisiaga của Ken Yeang tại Malaysia hay Aurora tại Sydney mới chỉ mang tính ví dụ. Tại sao lại có thực tế này xảy ra trong khi tình trạng khan hiếm tài nguyên và phát triển bền vững đang trong tình trạng báo động toàn cầu. Một trong những nguyên nhân là yếu tố kinh tế, các giải pháp xây dựng tòa nhà cao tầng được đưa ra nhằm tiết kiệm năng lượng thường có chi phí quá đắt đỏ, nhiều khi các chi phí này thường cao hơn rất nhiều lần so với việc xây dựng những tòa nhà thông thường.

Tiết kiệm năng lượng, Sử dụng năng lượng hiệu quả không chỉ được xem xét khi thiết kế và thi công cấu trúc – không gian công trình, mà còn được quan tâm khi điều hành, sử dụng công trình, khái niệm Tòa nhà thông minh thể hiện rõ ý tưởng này, hệ thống tự điều khiển, cảm biến giúp cho tòa nhà luôn trong trạng thái tiêu thụ năng lượng cân bằng, tiết kiệm và hiệu quả.

Đề tài hợp tác nghiên cứu với Trường Đại học Xây dựng quốc gia Matxcơva - Liên Bang Nga, đất nước nằm trải dài trên phần phía Bắc của Lục địa Á - Âu, là quốc gia có nền khoa học kỹ thuật phát triển xếp vào hàng đứng đầu trên thế giới. Tại hội nghị Bộ trưởng Tài nguyên và Nhiên liệu các nước Asian gần đây, Nga khẳng định sẽ giúp đỡ các nước này ngăn chặn nạn đói năng lượng đang dần trở nên báo động do sự thiếu thốn về tài nguyên và đặc biệt là sự lãng phí năng lượng tại các nước này.

Thêm vào đó, với chiều dày hợp tác trong nhiều năm qua, hệ thống khoa học Việt Nam đã chịu ảnh hưởng khá sâu rộng của nền khoa học Xô Viết cả về cơ sở lý thuyết cũng như điều kiện thực hành và nhân lực. Đặc biệt trong lĩnh vực Kiến trúc - xây dựng, dấu ấn nước Nga xa xôi đã để lại trên toàn lãnh thổ Việt Nam với thế mạnh của Chủ nghĩa Công năng nhấn mạnh vào sự hợp lý và có nghĩa, loại bỏ các yếu tố thừa thãi, vô lý của công trình kiến trúc.

Tài liệu tham khảo:

1. Đánh giá chất lượng thiết kế nhà chung cư cao tầng để bảo đảm phát triển bền vững - PGS.TS. Phạm  Đức Nguyên - Báo cáo tại hội thảo “Kiểm định chất lượng nhà chung cư cao tầng” do Cục Giám định Nhà nước tổ chức tại Hà Nội tháng 6/2004.

2. Kiến trúc, năng lượng và Môi trường - PGS.TS. Ngô Thám, ThS. Nguyễn Văn Điền, GS.TS. Nguyễn Hữu Dũng, PGS.TS. Nguyễn Khắc Sinh – Nhà Xuất bản Xây dựng 2007

Chủ nhiệm đề tài: TS. KTS. Nguyễn Đình Toàn

Đơn vị thực hiện: Trung tâm Đào tạo & HTQT

(Nguồn: vienkientruc.kientrucvietnam.org.vn)