4 chiến lược thiết kế thụ động để tiết kiệm năng lượng cho công trình

Gần 40% năng lượng sản xuất ở Hoa Kỳ được sử dụng cho các hoạt động xây dựng. Vai trò gần như trung tâm của các tòa nhà trong kịch bản năng lượng và khí hậu toàn cầu khiến các kiến trúc sư, kỹ sư và chủ sở hữu tòa nhà phải có hành động thích hợp. Các bên liên quan này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon của tòa nhà thông qua các quyết định thiết kế chiến lược.

Thông thường, hệ thống sưởi ấm, làm mát, thông gió và chiếu sáng được thiết kế chủ động, sử dụng các quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Bên cạnh đó, có thể sử dụng các biện pháp thụ động giúp duy trì tiện nghi nhiệt trong nhà bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý và nhiệt vốn có của lớp vỏ công trình và môi trường xung quanh.

Một tòa nhà được thiết kế và vận hành tốt sẽ sử dụng các biện pháp thụ động ở lớp vỏ bao che để giảm thiểu tải nhiệt trước tiên. Sau đó, nó sử dụng các chế độ sưởi ấm, làm mát, thông gió và chiếu sáng chủ động để tiết kiệm năng lượng. Bài viết này nêu bật 4 chiến lược thiết kế thụ động dành cho lớp vỏ bao che để khử cacbon cho các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà.

Vi khí hậu công trình chịu tác động bởi thảm thực vật, tính chất của đất, mặt nước, bóng râm công trình… Đối với khu vực ấm áp, nên tối ưu hóa vi khí hậu thông qua lựa chọn cảnh quan thích hợp. Cảnh quan có thể bao gồm khu vực không trải nhựa, bê tông, gạch, với thảm thực vật và mặt nước để giữ độ ẩm và tạo bóng mát. Nhóm thiết kế có thể tăng cường vi khí hậu bằng cách quan sát các luồng không khí theo mùa, các đường biểu kiến của mặt trời và sắp xếp thảm thực vật một cách thích hợp. Ví dụ, các tòa nhà nằm ở vùng khí hậu ấm áp của Bắc bán cầu nên trồng những cây to dọc theo mặt tiền phía Nam để giảm tác động của ánh nắng mặt trời không mong muốn vào buổi chiều. Đối với vùng khí hậu mát mẻ, vi khí hậu có thể tạo điều kiện cho sự xuất hiện của bức xạ mặt trời trên lớp vỏ công trình; tuy nhiên, nó không hiệu quả như ở vùng khí hậu ấm áp. Tuy nhiên, nhóm thiết kế có thể sử dụng khối nhiệt (thermal mass) để tạo ra hơi ấm bức xạ trong những giờ nhất định trong ngày.

Chiến lược vi khí hậu sẽ bị hạn chế trong những khu vực đô thị đông đúc. Ngoài ra, phương pháp vi khí hậu đòi hỏi phải duy trì, bảo dưỡng thường xuyên như tưới cây, tỉa cây, vệ sinh hồ nước. Với phương pháp thụ động dựa vào vi khí hậu, điều quan trọng là phải tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong khu vực về các loài thực vật địa phương trước khi thiết kế cảnh quan. Ví dụ, trồng cây cọ trong khí hậu nóng ẩm không ổn định có thể dẫn đến sự phá hoại của côn trùng. 

Nhìn chung, các biện pháp thụ động dựa trên vi khí hậu có thể khử cacbon cho tòa nhà bằng cách giúp giảm nhu cầu làm mát chủ động.

Dựa trên khí hậu và vi khí hậu khu vực, hướng có thể được tối ưu hóa để tạo điều kiện thuận lợi cho ánh sáng mặt trời cũng như thông gió tự nhiên tương ứng. Nhóm thiết kế có thể phân tích biểu đồ đường đi của mặt trời theo mùa và hàng năm và biểu đồ gió để xác định hướng tối ưu của tòa nhà. Theo nguyên tắc chung, thiết kế nên ưu tiên giảm thiểu ảnh hưởng của nắng mùa hè và tối đa hóa ảnh hưởng của nắng mùa đông. Vào mùa hè, công trình nên được ưu tiên tăng luồng không khí trong nhà vào buổi sáng và buổi tối, trong khi vào mùa đông, có thể xem xét thông gió công trình vào buổi chiều.

Định hướng vị trí của các tòa nhà là một trong những chiến lược thiết kế thụ động hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất được các đội ngũ thiết kế sử dụng trên khắp các vùng khí hậu khác nhau. Một trong số rất ít nhược điểm của biện pháp này là trục tòa nhà được tối ưu hóa không thẳng hàng với hình dạng của khu đất; tuy nhiên, người thiết kế có thể giải quyết thách thức này bằng cách bố cục không gian khéo léo. Trong quá trình tối ưu hóa hướng công trình, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố khí hậu cùng với chức năng công trình bằng các công cụ chuyên dụng và sự hỗ trợ từ các chuyên gia trong lĩnh vực. Nhìn chung, các biện pháp thụ động dựa trên phương hướng có thể khử cacbon cho một tòa nhà bằng cách giảm nhu cầu chiếu sáng, làm mát, sưởi ấm và thông gió chủ động.

Mái là bề mặt trên cùng của một tòa nhà, chịu tác động thường xuyên của ánh sáng mặt trời trong giờ cao điểm ban ngày. Nó là rào cản trực tiếp đối với bức xạ mặt trời và ảnh hưởng đáng kể đến môi trường nhiệt của sàn ngay bên dưới.

Ở những vùng khí hậu ấm áp, người thiết kế có thể thiết kế mái che để ngăn chặn ánh nắng di chuyển sâu vào bên trong. Điều này có thể thực hiện bằng cách dùng phản xạ hoặc giảm lượng nhiệt đi qua vật liệu thông qua sử dụng khối nhiệt (thermal mass) có sẵn của vật liệu. Hệ số phản xạ cao có được nhờ phủ ngoài mái nhà bằng ngói, sơn phản quang hoặc lớp phủ chuyên dụng có khả năng phát xạ cao. Khối lượng nhiệt cao đạt được thông qua vật liệu cách nhiệt, khoang khí hoặc các phương pháp xây dựng khác. Ngoài ra, người thiết kế cũng có thể tạo hiệu ứng làm mát bằng cách che mái nhà bằng bề mặt tạm thời làm bằng vải, thảm thực vật hoặc vật liệu có độ phát xạ cao.

Ở vùng khí hậu mát mẻ, người thiết kế nên ưu tiên hạn chế sự thoát nhiệt trong nhà ra bên ngoài thông qua mái nhà bằng cách sử dụng các đặc tính cách nhiệt của vật liệu. Lớp cách nhiệt tốt nhất nên được đặt ở phía trong nhà ở phần mái. Nhóm thiết kế nên cẩn thận trong việc lựa chọn vật liệu và cấu tạo lớp mái, cần hiểu rõ về các đặc tính cấu trúc, đặc tính nhiệt và tính trơ hóa học của vật liệu. Tấm lợp mái nên được tối ưu hóa qua giá trị U-value (hệ số truyền nhiệt) của nó. Nhìn chung, các biện pháp thụ động đối với mái nhà có thể khử cacbon cho một tòa nhà bằng cách giúp giảm nhu cầu sưởi ấm và làm mát.

Tương tự như mái, mặt dựng là một rào cản tự nhiên đối với bức xạ mặt trời và có vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện thoải mái về tiện nghi nhiệt trong nhà. Nhóm thiết kế có thể sử dụng các chiến lược thụ động để giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời lên mặt dựng và cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng. Có thể sử dụng các công cụ tạo bóng ngang/dọc như mái hắt, mái đua, lam che nắng và tạo bóng râm di động để giải quyết các góc chiếu mặt trời. Ngoài ra, có thể trồng thêm các loài cây leo hoặc trồng trong chậu như cây tử đằng, thường xuân. Chiến lược này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính nhiệt của mặt dựng và hơn nữa là tạo điều kiện làm mát trong mùa hè và sưởi ấm trong mùa đông. 

Tương tự với các biện pháp khác, nhóm thiết kế nên hiểu rằng hiệu quả của mặt dựng được điều chỉnh phụ thuộc đáng kể vào khí hậu và yêu cầu ban đầu của người sử dụng về mức độ bảo trì. Hơn nữa, đội ngũ kỹ sư cũng cần xem xét cẩn thận đến tính toàn vẹn của kết cấu và việc bảo trì khung mặt dựng (ví dụ như mức độ tưới cây thường xuyên hay độ sạch của cửa chớp). Tương tự mái, nhóm thiết kế nên tối ưu hóa mặt dựng qua giá trị U-value. Nhìn chung, các biện pháp thụ động trên mặt dựng có thể khử cacbon cho tòa nhà bằng cách giúp giảm nhu cầu sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng chủ động.