Khuynh hướng tích hợp kiến trúc – năng lượng

Trong mấy năm gần đây, khuynh hướng thiết kế kiến trúc nghiêng mạnh về phía sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng. Trong nhiều trường hợp, xu hướng mới này đạt đến trình độ tích hợp giữa kết cấu kiến trúc với khai thác năng lượng, dựa trên những thành tựu nhanh chóng của hai lĩnh vực riêng lẻ.

Gió và Mặt trời là hai nguồn năng lượng tích hợp phổ biến nhất. Các turbine gió trở thành bộ phận thiết yếu của công trình kiến trúc, đặc biệt đối với các ngôi nhà cao tầng. Ở Dubai, Dynamic Architecture, thiết kế 58 turbine trục đứng đặt nằm kín đáo ở góc hứng gió. Công suất turbine đạt mức 0,3 MW, khi tốc độ gió lên đến 4 mét mỗi giây, và khi lượng điện dư dùng cho khoảng 200 căn hộ bên trong cao ốc thì được bán vào lưới, mỗi năm thu về trên dưới 7 triệu USD. Ngày 3/5 vừa qua, Trung tâm thương mại quốc tế ở Bahrain cũng vừa khánh thành tháp đôi, cung cấp từ 11 đến 15 % lượng điện sử dụng cho toàn hệ thống. Tốc độ gió là thông số kỹ thuật chính cho việc thiết kế lắp đặt turbine lớn hay nhỏ. Ở các thành phố duyên hải nước ta, tốc độ gió trung bình thường lên đến 6,5 hay 7 mết mỗi giây.

Việc tích hợp năng lượng mặt trời vào kết cấu công trình cho thấy tốc độ phát triển nhanh nhất, do nguồn năng lượng này quanh năm có sẵn ở khắp nơi, và do giá thành cấu trúc quang điện đang hạ xuống thấp, cả với loại đơn tinh thể Silicon và loại màng mỏng phủ trên mặt kính. Ngày nay các nhà xây dựng dễ dàng đặt mua các tấm Sun Slate lợp mái tích thu điện năng sử dụng cho cả ngôi nhà, gắn các viên gạch Solarbrick đủ màu lên tường, lên đường hay nơi mặt sân để tử chiếu sáng và làm đẹp mặt ngoài công trình, hay phủ lên các hành lang những lớp sơn nghệ thuật OLED để trang trí và thắp sáng lối đi bên trong.

Thành tựu của công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED góp phần đáng kể vào khuynh hướng tích hợp kiến trúc năng lượng. Phát triển mạnh từ năm 2002, loại đèn diod phát sáng có tuổi thọ rất cao và sức chịu đựng tốt cả trong điều kiện rung động mạnh và mưa gió ẩm ướt. Do được tạo thành bởi các chùm sáng đơn sắc, các đèn LED được thiết kế chế tạo để phát ra các luồng ánh sáng rất đẹp, từ màu lạnh lớn hơn 41.000K đến màu nóng nhỏ hơn 30.000K, với hiệu suất lên đến 150 lurmen mỗi Watt so với 60 của bóng huỳnh quang. Điều quan trọng nhất là các LED cũng như OLED đều đáp ứng được thắp sáng bởi dòng một chiều ở hiệu thế thấp, tức bằng loại nguồn cơ bản của các pin mặt trời. Trên thực tế, các loại Solarbrick hiện nay chính là tích hợp của tế bào quang điện làm nguồn vĩnh cửu thắp sáng đèn LED của mỗi viên gạch.

Trong kỹ thuật tích hợp kiến trúc năng lượng mặt trời, gọi tắt là BIPV, các tế bào quang điện hay pin mặt trời làm thành bộ phận của vật liệu xây dựng tạo thành bộ da, tức mặt ngoài công trình từ sân, mái, tường đến các cửa kính. Chúng hấp thu trực tiếp tia nắng mặt trời, biến thành điện năng, kết nối vào nhau, tích trữ trong bình acquy để sử dụng như dòng một chiều (DC), hay qua bộ chuyển dòng để dùng như dòng điện xoay chiều (AC). Tại tổng hành dinh Endesa ở Madrid (Tây Ban Nha), các tấm kính quang điện kết thành mái nhà khổng lồ 4600 m2 đang cung cấp 30 % điện năng nhu cầu hoạt động của toàn bộ chỉ huy. Ở toàn án Los Angeles (Mỹ), người ta sắp xếp để bức tường hứng nắng phía nam tích điện cho cả hệ thống, tạo nên dấu ấn công trình thân thiệt môi trường, cả bên trong lẫn bên ngoài. Thiết kế này nhận được giải thưởng Kiến trúc Tương lai MIPIM của năm 2003.

Hiện nay Châu Âu là nơi có nhiều công trình tích hợp theo kiểu BIPV nhất, trong khi Hoa Kỳ, các nước vùng vịnh và nhiều công trình xây dựng dọc theo duyên hải hay trên hải đảo ưa chuộng hơn với kiểu tích hợp kiến trúc - điện gió. Người ta nghĩ đến việc lắp đặt đồng hồ mạng (net-metering) để một công trình kiến trúc có thể vừa là khách mua vừa là người bán năng lượng thông qua hệ thống lưới điện. Ở toà nhà duyên dáng của Viện hàn lâm Mont-Cenis tại Đức, lượng điện tích hợp lớn gấp đôi nhu cầu sử dụng, vào khoảng 700.000 KW giờ mỗi năm. Kiến trúc này tạo nên khuôn mẫu cho một kĩ thuật xây dựng mới, một nét mỹ quan mới, và một quan niệm mới của con người đối với môi trường, với thiên nhiên.