Nhà Thụ động - giải pháp cho giai đoạn khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường

Theo Modscape, trong các giải pháp về "cuộc sống bền vững" trên toàn cầu hiện nay, một ý tưởng mang tên "Nhà thụ động" đã phát triển trong vài thập kỉ qua và hứa hẹn tạo nên sự khác biệt vượt trội về lâu dài. 

Thiết kế thụ động đáp ứng phù hợp với điều kiện khí hậu tại địa phương để duy trì một nhiệt độ thoải mái trong ngôi nhà cũng như đảm bảo yếu tố thẩm mĩ. Nó tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời và gió để cung cấp cho ngôi nhà, làm mát, thông gió và chiếu sáng.

Thông qua thiết kế thụ động, việc sử dụng năng lượng giảm đáng kể, dao động nhiệt độ ít hơn và chất lượng không khí trong nhà được cải thiện. Thông thường, khoảng 40% năng lượng gia đình được sử dụng để sưởi ấm và làm mát (con số này có thể nhiều hơn ở một số vùng khí hậu khắc nghiệt). Và điều này có thể được cắt giảm gần như bằng 0 trong nhà ở kiểu mới thông qua thiết kế phù hợp với khí hậu.

Nhà thụ động đầu tiên trên thế giới tại thành phố Darmstadt (Đức). Ảnh: PHI, 2016

Chỉ tốn khoản chi phí khá nhỏ để có thể kết hợp thiết kế thụ động vào một tòa nhà mới. Các công cụ mô phỏng có thể cung cấp trợ giúp quan trọng trong việc đánh giá và tối đa hóa tác động của các quyết định thiết kế. 

Trong các tòa nhà hiện tại, một số tính năng thiết kế thụ động có thể được kết hợp trong những lần nâng cấp sau, và có thể thay đổi bố cục các căn phòng để cải thiện hướng và tiếp cận với nguồn năng lượng mặt trời. Nhưng lợi ích chắc chắn là lớn nhất khi các nguyên tắc thiết kế thụ động được tích hợp vào toàn bộ thiết kế.

Với những thay đổi đáng kể đối với khí hậu trong những năm tới, những ngôi nhà mới phải phù hợp với khí hậu nhất có thể. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi nói rằng những thiết kế thụ động là "tương lai của những tòa nhà".

Khám phá Thiết kế thụ động

Năm 1988, hai người đàn ông - Giáo sư Bo Adamson của Đại học Lund và Tiến sĩ Wolfgang Feist của Viện nhà ở và Môi trường, đã có một tầm nhìn mới. Tầm nhìn của họ là tạo ra một ngôi nhà mang lại sự thoải mái, giá cả phải chăng, chất lượng không khí, hệ thống thông gió tuyệt vời với hiệu suất đáng tin cậy, mà không ảnh hưởng gì đến thiết kế. Hành trình khám phá của họ đã thay đổi bộ mặt của sự phát triển và kiến trúc ít tốn năng lượng, và các nguyên tắc mà họ khám phá ra (được gọi là tiêu chuẩn Nhà thụ động) mang lại lợi ích to lớn cho cả con người và trái đất ngày nay. 

Nguyên lý nhà thụ động dựa trên bốn trụ cột: cách nhiệt lớp vỏ ngoài, hệ thống thông gió cơ khí hiệu năng cao, kết cấu kín hơi và khai thác năng lượng tái tạo.

Khu nhà ở thụ động đầu tiên bao gồm một dãy gồm bốn ngôi nhà bậc thang được xây dựng tại Darmstadt, Đức bởi công ty kiến trúc Bott, Ridder và Westermeyer. Họ trở thành những ngôi nhà có nhiều người sinh sống đầu tiên đạt được mức tiêu thụ năng lượng để sưởi ấm kỉ lục dưới 12kWh/m² - chỉ bằng 10% của một ngôi nhà tiêu chuẩn tại thời điểm đó. Định nghĩa của Nhà thụ động tập trung nhấn mạnh vào các tòa nhà đòi hỏi nhu cầu năng lượng sưới ấm hoặc làm mát cực kì nhỏ.

Ngày nay, tiêu chuẩn Nhà thụ động đã trở thành một hiện tượng trên toàn thế giới. Hiện tại có hơn 50 nghìn tòa nhà được chứng nhận theo tiêu chuẩn Nhà thụ động, với hàng ngàn phát triển ít tốn năng lượng hơn lấy cảm hứng từ mô hình. 

Nhưng thiết kế thụ động không phải là một khái niệm mới. Nguyên tắc thiết kế thụ động đã được áp dụng từ thời cổ đại - rất lâu trước khi nó được đặt tên mà chúng ta sử dụng ngày nay. Nhà ở truyền thống ở miền Nam Trung Quốc và Hy Lạp cổ đại được cho là xem xét các yếu tố như hướng mặt trời, khối nhiệt và thông gió. 

Trích dẫn của nhà triết học Hy Lạp Socrates cho rằng, "Bây giờ, giả sử một ngôi nhà có một góc là phía Nam, ánh nắng mặt trời trong mùa đông sẽ sẽ bị cản trở bởi mái hiên, nhưng vào mùa hè, khi mặt trời đi qua một đường thẳng ngay trên đầu chúng ta, mái nhà sẽ tạo một bóng râm dễ chịu".

Nhà thụ động tại TP.HCM do kiến trúc sư Võ Trọng Nghĩa và VTN Architects thực hiện. Ảnh: VTN Architects

So với nhiều nơi trên thế giới, Việt Nam có điều kiện thuận lợi do cả hai thông số cho việc sử dụng năng lượng mặt trời (số giờ nắng trong năm và cường độ bức xạ) cao gấp rưỡi đến gấp đôi. Khi nhận chuyển giao công nghệ xây dựng hiệu quả năng lượng trong xu thế hợp tác toàn cầu và tận dụng lợi thế cũng như tiềm năng vốn có, Việt Nam hoàn toàn có thể phát triển mô hình nhà ở thụ động thích hợp với điều kiện riêng về tự nhiên – kinh tế – xã hội cho hàng triệu người có nhu cầu và mong muốn.

Nguyên tắc thiết kế thụ động

Vị trí

"Nhà của bạn sẽ được đặt ở đâu?" là câu hỏi quyết định rất lớn đến thiết kế thụ động của nhà bạn, vì bạn cần lưu ý đến khí hậu của khu vực đó. Ở Úc, mỗi vùng trong 8 vùng khí hậu chính đều có những đặc điểm khí hậu riêng, quyết định các thiết kế của riêng họ. Bước đầu tiên là xác định vùng khí hậu và hiểu biết về các nguyên lí hoạt động của nguồn nhiệt để bạn có thể đưa ra quyết định thiết kế sáng suốt. 

Sự định hướng

Định hướng đề cập đến vị trí bạn đặt một ngôi nhà để có thể tận dụng tối đa các tính chất của khí hậu như mặt trời và gió mát. Ví dụ, trong tất cả các vùng khí hậu nhiệt đới, khu vực sinh sống của Úc sẽ lí tưởng khi nhà hướng về phía Bắc để tiếp xúc được tối đa với ánh nắng mặt trời vào mùa đông, trong khi nhận được bóng mát vào mùa hè. Tính toán sự thay đổi theo mùa trong đường đi của mặt trời, cũng như hướng và loại gió, sẽ giúp cho một ngôi nhà thoải mái hơn và cũng ít tốn kém hơn khi duy trì. 

Sự che phủ

Độ che phủ đúng đắn của ngôi nhà và không gian ngoài trời rất quan trọng trong thiết kế thụ động để giúp giảm nhiệt độ mùa hè, cải thiện sự thoải mái và tiết kiệm năng lượng. Thông qua việc sử dụng mái hiên, cửa chớp, dàn dây leo và cây cối, bạn có thể ngăn chặn tới 90% nhiệt lượng trực tiếp được tạo ra từ mặt trời.

Văn phòng theo mô hình Nhà Thụ động ABC No Rio, New York. Nguồn: Kiến trúc sư Paul A. Castrucci

Bố trí công trình

Trong thiết kế thụ động, các phòng và không gian ngoài trời nên được bố trí để tối đa hóa sự thoải mái trong quá trình sử dụng. Nói chung, điều này có nghĩa là các khu vực sinh hoạt chính (như phòng sinh hoạt, ăn uống và phòng gia đình) nên hướng về phía bắc và có ánh nắng mặt trời cả ngày. Chúng có thể yêu cầu việc che nắng theo phương ngang để tránh nóng vào mùa hè, nhưng điều này đảm bảo thu được năng lượng mặt trời tốt trong mùa đông. 

Đối với nhà bếp và khu vực ăn uống, phòng quay mặt về hướng đông là lí tưởng. Điều này cung cấp ánh sáng buổi sáng tốt, tăng năng lượng mặt trời vào buổi sáng và buổi chiều mát mẻ trong thời gian chuẩn bị bữa ăn. Phòng ngủ cũng nên hướng về phía đông, làm cho giấc ngủ mùa hè trở nên thoải mái hơn. Các phòng hướng về phía tây có ánh sáng ban ngày tốt, nhưng có thể quá nóng trong suốt cả năm. Các phòng hướng về phía nam thường không phù hợp với không gian có thể ở được vì chúng có ít hoặc không tăng nhiệt và cung cấp ánh sáng tự nhiên kém.

Khối nhiệt

Khối nhiệt là khả năng của vật liệu hấp thụ và lưu trữ năng lượng nhiệt. Rất nhiều năng lượng nhiệt là cần thiết để thay đổi nhiệt độ của các vật liệu mật độ cao như bê tông, gạch và ngói - vật liệu được cho là có khối lượng nhiệt cao. Các vật liệu nhẹ như gỗ có khối lượng nhiệt thấp.

Sử dụng tốt khối lượng nhiệt điều tiết nhiệt độ trong nhà bằng cách lấy trung bình các mức nhiệt độ, vì vậy nó đặc biệt có lợi khi có sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ ngoài trời vào ban ngày và ban đêm. Điều quan trọng cần lưu ý là khối nhiệt không cung cấp một sự thay thế cho việc cách nhiệt. Khối nhiệt lưu trữ và giải phóng nhiệt, trong khi cách nhiệt ngăn nhiệt truyền vào hoặc ra khỏi tòa nhà.

Hệ thống thông gió tự nhiên

Thiết kế thụ động sử dụng các lực tự nhiên của gió và sức nổi để đưa không khí trong lành vào các tòa nhà. Không khí trong lành là cần thiết để loại bỏ mùi hôi, cung cấp oxy cho hô hấp và tăng sự thoải mái về nhiệt. Cách tiếp cận và thiết kế cụ thể của hệ thống thông gió tự nhiên sẽ khác nhau dựa trên loại công trình và khí hậu địa phương, và thông gió phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế kĩ lưỡng của không gian bên trong, cũng như kích thước và vị trí của các lỗ hở trong tòa nhà.

Nhà thụ động tại Trung Quốc. Ảnh: Green Magazine

Thiết kế cửa sổ

Cửa sổ và cửa ra vào mang lại ánh sáng, không khí trong lành và tầm nhìn ra ngoài trời tuyệt vời, nhưng chúng có thể là nguồn tăng nhiệt không mong muốn trong mùa hè và mất nhiệt vào mùa đông. Trên thực tế, cửa sổ có thể là nguyên nhân cho việc mất tới 40% năng lượng sưởi ấm và lên tới 87% mức tăng nhiệt của nhà bạn. Cải thiện hiệu suất nhiệt của cửa sổ và đảm bảo thiết kế cửa sổ thông minh sẽ giảm cả chi phí năng lượng và khí thải nhà kính của bạn. Kích thước, vị trí và hệ thống kính cần được xem xét khi thiết kế cửa sổ thụ động.

Vật liệu cách nhiệt

Cách nhiệt hoạt động như một rào cản đối với dòng nhiệt và rất cần thiết để giữ cho ngôi nhà của bạn ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè. Số lượng và loại vật liệu cách nhiệt nhà bạn yêu cầu sẽ phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và mục tiêu mong muốn của bạn, và bạn sẽ cần ghi nhớ các mùa và sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày. Các quyết định thiết kế khác nhau sẽ có liên quan nếu cách nhiệt là chủ yếu cần thiết để tỏa nhiệt, giữ nhiệt, cung cấp cách âm hoặc giúp loại bỏ các vấn đề độ ẩm.

Cách nhiệt phải hoạt động cùng với các nguyên tắc thiết kế thụ động khác để đạt được kết quả mong muốn. Ví dụ: nếu cách nhiệt được lắp đặt nhưng ngôi nhà không được che chắn đúng cách, nhiệt tích tụ có thể được giữ bằng cách nhiệt, tạo ra "hiệu ứng lò nướng".

Giếng trời

Giếng trời cung cấp nguồn ánh sáng tự nhiên tuyệt vời, một thiết kế không thể thiếu của Nhà thụ động. Nguồn: Skylights Online

Giếng trời có thể là một nguồn ánh sáng tự nhiên tuyệt vời và có thể thu được lượng ánh sáng nhiều gấp ba lần so với cửa sổ thẳng đứng có cùng kích thước, đồng thời cải thiện thông gió tự nhiên. Giếng trời là một lựa chọn tốt khi bạn bị hạn chế bởi kích thước cửa sổ bạn có thể sử dụng hoặc khi quyền riêng tư là một vấn đề. Chúng cũng có thể là một triển vọng về loại hình kiến trúc độc đáo.

Trong tương lai, khi thiết kế bền vững với tiêu chí sử dụng hiệu quả năng lượng trở thành qui định bắt buộc, thay vì mang tính khuyến khích như hiện nay. Chất lượng môi trường suy giảm rõ rệt là mặt trái của quá trình phát triển đô thị nhanh hơn mức độ kiểm soát dẫn đến hành động mạnh mẽ phải thay đổi. Với tính ưu việt của mình, những thiết kế thụ động sẽ là nhu cầu tất yếu và sự lựa chọn cho kiến trúc đô thị trong tương lai gần.