BM: Làm mát ngôi nhà mà không cần máy điều hòa?

Friday, September 6, 2019

Làm mát ngôi nhà mà không cần máy điều hòa?

Thiết kế hấp dẫn của Viện Hàn Lâm Khoa Học California được xây dựng để thúc đẩy việc lưu thông không khí mát trong tòa nhà.

Khi nhiệt độ mùa hè toàn cầu tăng lên, nhiều tòa nhà đang lắp đặt máy điều hòa không khí (ĐHKK) tốn năng lượng - một sự đóng góp chính cho biến đổi khí hậu. Nhưng có cách nào làm mát tòa nhà mà không dùng máy ĐHKK không?

Thoạt nhìn, quang cảnh có thể bị nhầm lẫn với các ụ đất mấp mô của Hobbiton, ngay phía dưới ụ là cánh cửa tròn mở ra trước sườn đồi xanh tươi. Nhưng các cánh cửa được làm bằng kính, và bên trong cửa không phải là những tổ ấm cúng cho các chú lùn trong truyện mà là một loạt các cánh tay thép cơ khí lớn và đòn bẩy giữ một số cánh cửa hé mở.

Những đồi đất này là một phần của mái nhà của Viện Hàn Lâm Khoa Học California ở San Francisco, Mỹ. Mái nhà xanh nhấp nhô là một trong một loạt các kỹ thuật và thiết kế làm cho học viện này trở thành một trong những không gian thông gió thụ động lớn nhất ở Mỹ. Nghĩa là ngay cả ở cao điểm mùa hè, phần lớn tòa nhà này vẫn dựa vào hoạt động thông minh của các yếu tố thiên nhiên để giữ mát, không có máy ĐHKK.

Mái nhà như thế này là một cách mà các kiến trúc sư, kỹ sư và nhà thiết kế đang suy nghĩ lại về các tòa nhà để tìm cách giữ cho chúng được mát mà không cần máy điều hòa. Thách thức này ngày càng trở nên cấp bách; năm qua là một năm nữa nóng thiêu đốt, với các sóng nhiệt thổi qua Úc, Nam Á, Bắc Mỹ và Châu Âu. Để đối phó với sóng nhiệt, ngày càng thường xuyên hơn do biến đổi khí hậu, số lượng các máy ĐHKK dự kiến sẽ tăng gấp 3 lần trên toàn thế giới vào 2050. Cũng như làm tiêu hao một lượng điện khổng lồ, các máy ĐHKK có chứa chất làm đông lạnh là khí mạnh nhất gây ra hiệu ứng nhà kính ở tất cả các nước trên trái đất.

Nhưng có những lựa chọn thay thế, và rất nhiều. Từ các thiết kế tòa nhà cổ đã được thử nghiệm hơn 7.000 năm, cho đến các công nghệ tiên tiến tại Viện Hàn Lâm Khoa Học California, ta có thể tạo ra các tòa nhà luôn mát mẻ mà hầu như không cần đến năng lượng.

Tại học viện này, mái vòm trồng cỏ chuyển hướng luồng không khí tự nhiên bên trong tòa nhà. Khi gió thổi qua, một bên đồi (mái vòm) có áp suất âm, giúp hút không khí qua các cửa sổ mái (được điều khiển tự động) để vào tòa nhà. Việc mái nhà được bao phủ bởi thảm thực vật cũng giúp hạ nhiệt độ trong không gian bên dưới, cũng như cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã bên trên.

Điều hòa không khí thông thường thải ra khí nhà kính vào khí quyển, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu.

"Chúng tôi bắt đầu với quan điểm là ta có thể đi xa đến đâu trong thiết kế nhà với giả định là ta sẽ không có mày ĐHKK," Alitorair McGregor, lãnh đạo toàn cầu về kỹ thuật cơ khí tại Arup, cơ quan thiết kế tòa nhà cho biết, nói. Nhưng hiếm khi kiểm soát được hoàn toàn khí hậu toàn bộ tòa nhà theo cách tiếp cận đó, ông nói thêm. Có thể có những hạn chế do có một đường cao tốc ồn ào bên cạnh một tòa nhà, nên không thể mở cửa được. Hoặc tòa nhà có thể có rất nhiều thiết bị nóng hoặc những người có nhu cầu đặc biệt, chẳng hạn như trong bệnh viện. Nhưng ít nhất điều đó có nghĩa là máy ĐHKK, cùng với chi phí và khí thải của nó, được giảm đến mức tối thiểu.

Viện Hàn Lâm Khoa Học California là một đỉnh cao trong thiết kế thụ động (không cần vận hành). Nhưng nó cũng là một dự án trị giá gần nửa tỷ đô la với quyền tiếp cận với một số kỹ sư và kiến trúc sư giỏi nhất trong việc phát triển bền vững. Thế còn về các tòa nhà hàng ngày bình thường hơn, mà hầu hết chúng ta dành phần lớn thời gian trong đó - việc làm mát thụ động có thể chống nóng được không?

Nước

Một trong những hình thức làm mát thụ động đơn giản nhất là sử dụng sự thay đổi nhiệt độ trong không khí khi nước bay hơi. Nước đòi hỏi năng lượng để chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi, và nó lấy năng lượng đó từ không khí dưới dạng nhiệt.

"Việc làm mát do bốc hơi là một hiện tượng tự nhiên," Ana Tejero González, một kỹ sư tại Đại học Valladolid ở miền bắc Tây Ban Nh, nói. "Chúng ta có thể thấy rất nhiều ví dụ trong tự nhiên, nơi điều này xảy ra." Nó có thể làm mát một bề mặt cũng như một cơ thể, như da khi bạn toát mồ hôi, hoặc cái lưỡi con chó khi nó thở hổn hển.

Ở vùng González, thuộc Tây Ban Nha, một cái bình truyền thống gọi là botijo sử dụng nguyên tắc này. Botijo là một cái bình lớn làm từ đất sét xốp và được sử dụng để đựng nước hoặc rượu, mà những người nông dân mang ra cánh đồng. Một lượng nhỏ đồ uống bay hơi qua lỗ nhỏ trên thành bình đất sét, giữ cho chất lỏng bên trong mát lạnh ngay cả dưới ánh mặt trời nóng của Tây Ban Nha.

Trong kiến trúc, việc sử dụng làm mát qua bay hơi có từ thời Ai Cập cổ đại và La Mã. Nhưng một số ví dụ phức tạp hơn là ở kiến trúc Ả Rập và một cấu trúc được gọi là mashrabiya. Một mashrabiya là một tấm trang trí bằng gỗ chạm khắc công phu, được đặt ở bên ngoài hoặc bên trong một tòa nhà. Ngoài việc tạo bóng mát, vào mùa hè mashrabiya sẽ là nơi để những bình đất nung xốp - như botijo - chứa đầy nước. Những bình này sẽ giúp làm mát căn phòng khi một làn gió thổi qua mashrabiya và qua các bình nước.

Nhưng thậm chí còn có những cách đơn giản hơn để sử dụng việc làm mát qua bay hơi trong tòa nhà hoặc không gian bên ngoài. Một nơi chứa nước trong sân - một cái ao, đài phun nước hoặc những dòng nước chảy qua khu không gian đó - tất cả đều làm cùng công việc làm mát đó. Và bên trong, đặt một bình nước bằng đất gần cửa sổ hoặc vị trí có gió thổi có thể giúp làm mát nơi này.

Đất

Các bình botijo hỗ trợ làm mát do bay hơi bằng cách cho phép nước thấm qua các vách bằng đất sét của nó.

Nếu các khu vực ôn đới hiện tại của miền bắc địa cầu được trang bị để đối phó với nhiệt độ thường xuyên cực cao thì cần học hỏi cách làm nhà, cả cổ đại và hiện đại, ở phía nam địa cầu, Manit Rastogi nói, đối tác sáng lập của công ty kiến trúc Morphogenesis, có trụ sở tại Ấn Độ. "Phần này của thế giới luôn bị nóng," Rastogi nói. Hệ thống làm mát thụ động là vấn đề cần thiết trong hàng ngàn năm. "Hầu hết các kiến trúc mà chúng tôi đã thực hiện theo truyền thống ở đây là những ví dụ phi thường về việc đạt được điều kiện mát mẻ mà không cần phương tiện cơ học."

Ngay cả ở vùng khí hậu nóng và khô vẫn có thể có được nhiệt độ mát mẻ. Tại Jaipur, thủ phủ của bang Rajasthan, miền bắc Ấn Độ, nhiệt độ ban ngày thường xuyên lên tới 40C trong những tháng mùa hè. Nhưng chỉ dưới mặt đất vài mét, nhiệt độ của đất trong khu vực vẫn ở mức dịu mát 25C, ngay cả với cái nóng mùa hè khốc liệt nhất.

Giải pháp là đào xuống, Rastogi nói, ông đã thiết kế Học Viện Thời Trang Pearl ở Jaipur sử dụng nguyên tắc này. Rastogi và các đồng nghiệp đã sử dụng một 'giếng bậc thang' truyền thống của Ấn Độ, hoặc baoli, ở một sân trong rợp bóng của học viện. Các bờ dốc bậc thang bằng đá xám dẫn thẳng xuống mép một hồ nước mưa lớn, tĩnh lặng và nước thải được xử lý của tòa nhà. Hồ nước, được làm mát bởi nhiệt độ dưới mặt đất, hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể của sân, giữ cho không khí mát mẻ. "Đào vào trong đất là rất, rất hiệu quả," Rastogi nói.

Mặc dù nó có thể là một giải pháp hấp dẫn, nhưng việc đào một cái giếng khổng lồ bên trong khu đất của bạn là không cần thiết để sử dụng hiện tượng này. Các hệ thống sưởi ấm và làm mát từ nhiệt độ ít nhiều ổn định quanh năm của đất được sử dụng bằng cách bơm chất lỏng qua các đường ống chôn xuống đất bên ngoài nhà. Nhiệt độ của chất lỏng hạ thấp bằng nhiệt độ đất và sau đó được bơm trở lại vào bên trong nhà, qua các đường ống đặt dưới sàn nhà để làm mát. Các hệ thống này có thể được sử dụng cho cả việc sưởi ấm tòa nhà vào mùa đông và làm mát nhà vào mùa hè. Việc áp dụng toàn cầu để sưởi ấm còn chậm, nhưng phương pháp này ngày càng được ưa thích trong việc làm mát, đặc biệt là ở các thành phố phía bắc Trung cộng vào mùa hè.

Ngoài các giếng bậc thang, Học Viện Thời Trang Pearl ở Jaipur còn sử dụng một vài thủ thuật khác để giữ được nhiệt độ thấp. Nhìn từ bên ngoài, tòa nhà có hình chữ nhật đơn giản, trông có vẻ không thanh lịch lắm nhưng có lợi ích là tối đa hóa không gian bên trong cho diện tích bề mặt bên ngoài, vì mỗi m2 tiếp xúc với mặt trời đều hấp thụ nhiệt. Tòa nhà được bao bọc bởi một 'jaali', tức các rèm đá đục lỗ, như lớp da bên ngoài, và đặt cách các bức tường bên ngoài khoảng 1,2 m, nó giúp che bóng cho tòa nhà và làm giảm nhiệt độ. "Có rất nhiều chiến lược loại này, là tiếp xúc với thiên nhiên và hiểu cách thức hoạt động của nó," Rastogi nói. "Hãy hiểu hiện trường nơi ở và cách làm đặc trưng này thì công việc sẽ dễ dàng hơn rất nhiều."

Kết quả là bên trong học viện nhiệt độ là 29C ngay cả trong những tháng nóng nhất, khi nhiệt độ bên ngoài thường xuyên hơn 40C. Điều này cho phép máy ĐHKK chỉ sử dụng rất ít, những khi cần thiết.

Gió

Tại thành phố Jaipur, Ấn Độ, nhiệt độ mùa hè lên tới 40C và cao hơn.

Thành phố Yazd ở Iran được biết đến với cái tên "thành phố hứng gió". Những tháp hứng gió với các cửa sổ vòm không kính được xây trên mái bằng của nhà, nó hướng về phía gió thường thổi nhất. Trong nhiều thế kỷ, những tòa tháp này hứng gió và đưa nó xuống nơi ở, ở trong nhà, chia nó theo các kênh bởi một loạt các tấm hướng gió trong tháp. Mái vòm của tháp hứng gió giúp cho sự lưu thông không khí ngay cả khi không có gió thổi mạnh. Đôi khi không khí thổi trên các bể nước, hoặc thậm chí là một bể chứa sâu trong một buồng hình vòm, để làm mát thêm.

Các tháp hứng gió ở Yazd nằm trong số những tháp đa dạng và sáng tạo nhất ở Trung Đông, theo nghiên cứu của Mahnaz Mahmoudi Zarandi, giáo sư trợ lý về kiến trúc tại Đại học Hồi giáo Azaz Qazvin ở Tehran. Một phân tích về tháp hứng gió ở Yazd cho thấy các mô hình hiệu quả nhất đã làm nhiệt độ không khí trong nhà từ 40C giảm xuống 29.3C.

Trong các tòa nhà bình thường, không may mắn có được tháp hứng gió thì vẫn còn những lựa chọn khác, McGregor ở Arup nói. Việc có các cửa sổ mở về các mặt khác nhau của tòa nhà có thể làm gió thổi qua nó. "Bạn đôi khi thấy hiệu ứng đó nhiều quá và bạn gần như bị gió hú thổi qua," McGregor nói, "Ví dụ, một phòng rộng trong nhà có lỗ mở ở phía trên và một cánh cửa ở phía dưới. Nhưng bằng cách thay đổi độ mở, bạn có thể kiểm soát được luồng không khí đi qua tòa nhà.

Rừng bê tông

Việc suy nghĩ về quy mô của các tòa nhà riêng lẻ, cho dù được thiết kế thông minh, chỉ có thể giảm nhiệt xuống như hiện nay. Nhưng việc hiểu được cách mà các tòa nhà tương tác với phần còn lại của cảnh quan đô thị có thể làm giảm nhiệt độ xuống nhiều hơn nữa.

Hệ thống sưởi ấm và làm mát có nguồn lòng đất sử dụng nhiệt độ ổn định của đất dưới sâu để điều hòa khí hậu trong nhà.

Tòa nhà chọc trời ở London được gọi là "walkie-talkie" cho ta một bài học tại sao lại không làm như thế. Tòa nhà có một mặt lõm khổng lồ. Mặc dù trông nó kiểu cách lạ lẫm, có một lý do mà các tòa nhà chọc trời lõm vào bên trong là rất không phổ biến. Trước khi tòa nhà hoàn thành, người ta đã phát hiện ra rằng bề mặt lõm rộng lớn sáng bóng của nó hoạt động như một chiếc kính lúp, hội tụ các tia mặt trời vào một khu vực nhỏ. Trọng tâm hội tụ vào một vài mét vỉa hè bên ngoài một tiệm làm tóc và một nhà hàng Việt Nam. Kết quả là nhiệt độ nóng đến mức sơn tan chảy, các bộ phận xe hơi bị phồng rộp và bị vênh, gạch bị hỏng và một tấm thảm chùi chân bốc cháy.

Vấn đề nay đã được khắc phục nhờ vào việc bổ sung các 'brise soleil' vào phút cuối, tức các tấm chặn ánh nắng khổng lồ bằng nhôm. Nhưng nó cho thấy một sự điều chỉnh nhỏ trong thiết kế có thể thay đổi nhiệt độ đến mức nào trong điều kiện đô thị. Ngay cả khi không có kính lúp với kích thước nhà chọc trời gây thiêu đốt vỉa hè, thì vẫn có vấn đề về hiệu ứng đảo nhiệt ở đô thị - nơi mà bê tông xám xỉn hấp thụ nhiệt mặt trời và bức xạ trở lại vào người đi bộ đang nhễ nhại mồ hôi, giống như một chai nước nóng không cần thiết.

Chúng ta có thể nghĩ về hiệu ứng đảo nhiệt là một điều khổ ải cần thiết của mùa hè ở thành phố. Nhưng không gian đô thị có thể được điều chỉnh để giảm bớt nó. Một trong những cách hiệu quả nhất là đưa thảm thực vật vào. Chúng ta đều biết điều này bằng trực giác - đó là sự khác biệt giữa những đại lộ rợp bóng cây của một thành phố như Palma, Majorca và vỉa hè phơi dưới nắng ở New York.

Ở Medellín, Colombia, chính quyền thành phố đang thử nghiệm "hành lang xanh" qua thành phố. Họ đã phát triển 30 hành lang xanh ở những phần màu xám của thành phố, tận dụng những phần mép của 18 con đường và 12 tuyến đường thủy. Những tuyến màu xanh này làm giảm nhiệt độ xuống 2C. Một nghiên cứu của Monica Turner, một nhà sinh thái học tại Đại học Wisconsin-Madison, đã chỉ ra rằng độ che phủ rộng bằng cây thậm chí có thể làm giảm nhiệt độ đô thị tới 5C.

Nhiều thành phố đang thực hiện các bước tương tự. Chính quyền thành phố Milan dự định trồng ba triệu cây trong thành phố vào năm 2030. Melbourne, Australia, cũng đã bắt đầu một chương trình trồng cây để giữ cho thành phố có thể sống được qua các đợt nắng nóng trong tương lai. Và các thành phố mới, chẳng hạn như Thành Phố Rừng Liễu Châu ở Trung cộng có thể được dệt trong cây cối ngay từ đầu.

Kế hoạch thoát hiểm

Cây cối tươi tốt giúp giữ cho các thành phố như Thành Đô, Trung cộng, mát mẻ vào mùa hè.

Tất nhiên, ngay cả trong một tòa nhà được làm mát thụ động ở một thành phố được thiết kế tốt, đôi khi những biện pháp thiết kế này sẽ là không đủ. Trong một bệnh viện có đầy các thiết bị phát ra nhiệt và những người dễ bị tổn thương, sẽ có những yêu cầu làm mát vượt ra ngoài những gì hệ thống thụ động có thể đạt được. "Ở đây, chúng tôi không quan tâm nhiều đến năng lượng - chúng tôi chỉ cần đạt được điều kiện nhiệt độ thích hợp trong nhà," Tejero González của Đại học Valladolid, nói.

Nhưng điểm mấu chốt là điều hòa không khí kiểu thông thường nên là giải pháp cuối cùng, không phải là một cái nạng. Có lẽ điều hứa hẹn nhất về làm mát thụ động, McGregor nói thêm, là nó cung cấp một lối thoát khỏi vòng luẩn quẩn tồi tệ mà chúng ta hiện đang mắc kẹt với điều hòa không khí: sử dụng một công nghệ để giữ mát mà nó thực sự góp phần làm thế giới nóng lên.

Martha Henriques