Làm mát nội thất – Thách thức mới của kiến trúc tương lai

Cơ thể con người có thể tự sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ cơ thể ngay cả khi trời lạnh, máy móc khi hoạt động cũng sản sinh ra nguồn nhiệt năng đáng kể. Nhưng điều ngược lại có dễ dàng như vậy? Cơ thể con người có thể tự hạ nhiệt khi trời nóng? Nhà cửa, máy móc có thể tự làm mát được không? Kiến trúc cũng cần đi tìm câu trả lời cho hệ thống làm mát theo chiến lược phát triển bền vững.

Theo thống kê của Liên hợp quốc, tính từ năm 2000, con người đã phải hứng chịu hơn 7000 hiện tượng thời tiết cực đoan. Chỉ trong năm 2020, cháy rừng hoành hành khắp Australia và bờ biển phía Tây của Mỹ; Siberia lập biểu đồ nhiệt độ cao kỷ lục, đạt 100 độ F (gần 38 độ C) mặc dù đây là nơi lạnh cực độ nơi cực Bắc. Trên toàn cầu, thế giới đã ghi nhận tháng 9 năm 2020 là tháng 9 nóng nhất nhân loại từng trải qua. Khi những tác động của cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu ngày càng kéo theo những hậu quả nghiêm trọng thì đặc quyền của ngành xây dựng – lĩnh vực hiện đang chịu trách nhiệm về 39% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu cần thực hiện phần việc của mình bằng cách cam kết thay đổi toàn diện và sâu rộng chiến lược phát triển bền vững.

Một trong những khía cạnh đầy thách thức này là đáp ứng được nhu cầu làm mát theo cách thân thiện với môi trường. Làm mát tự nhiên khó hơn nhiều so với hệ thống sưởi bởi bất kỳ dạng năng lượng nào đều có thể biến thành nhiệt năng, cơ thể và máy móc khi hoạt động cũng hiển nhiên tạo ra nhiệt, ngay cả khi hệ thống sưởi không hoạt động. Nhưng việc làm mát thì không như vậy. Sự nóng lên toàn cầu và những hiệu ứng làm nóng hữu hình của nó ngày càng làm trầm trọng hơn thực tế này, làm tăng nhu cầu về các hệ thống làm mát nhân tạo vốn đã đang quá tải. Như hiện tại, nhiều hệ thống làm mát cần lượng lớn điện năng và phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch để hoạt động. Những tòa nhà cần tìm ra cách đáp ứng nhu cầu làm mát ngày càng tăng đồng thời làm giảm những tác động không bền vững này.

Nhìn chung, các giải pháp làm mát được chia thành hai loại: làm mát thụ động và chủ động. Làm mát thụ động đề cập đến các chiến lược điều chỉnh mức tăng và tản nhiệt với mức tiêu thụ năng lượng ít hơn hoặc bằng không. Các chiến lược này thường được thực hiện thông qua các hiệu ứng môi trường tự nhiên và các thiết kế kiến trúc thụ động hơn là các hệ thống cơ khí chủ động.

Trong quá trình làm mát thụ động, các KTS có thể sử dụng các kỹ thuật ngăn ngừa hoặc kỹ thuật tản nhiệt để ngăn chặn sự tăng nhiệt thông qua thiết kế hoặc cách nhiệt tại địa điểm hay tòa nhà. Cách khác, có thể làm mát nhờ cơ chế tản nhiệt khi nhiệt đã tích tụ thông qua hệ thống thông gió, làm mát bay hơi hoặc các lựa chọn tương tự khác.

Để thiết kế hiệu quả một ngôi nhà thụ động, các nhà thiết kế phải xét đến một ma trận phức tạp từ những yếu tố có liên quan lẫn nhau, từ hướng nhà cho đến vị trí cửa sổ hay khả năng che nắng bên ngoài. Ngôi nhà thụ động đầu tiên trên thế giới, Darmstadt-Kranichstein tại Đức là một ví dụ hữu ích, minh chứng cho hệ thống làm mát tự động.

Trong phân tích của Passipedia, “The Passive House Resource”, mỗi điều kiện làm mát thụ động và ảnh hưởng của chúng đến nhiệt độ phòng trung bình đều được nghiên cứu tỉ mỉ, chi tiết. Chỉ đơn giản bằng cách nghiêng cửa sổ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho luồng không khí vào ngôi nhà, “khí hậu trong nhà tuyệt vời sẽ chiếm ưu thế” và thậm chí có thể điều chỉnh nhiệt độ thành công hơn hệ thống thông gió cơ học – tùy thuộc vào bối cảnh.

Tương tự như vậy, ban công hoặc phần nhô ra trên mái nhà (mái hiên) có thể làm giảm đáng kể tần suất xảy ra hiện tượng quá tải nhiệt. Như chính Passipedia thừa nhận, mỗi đánh giá này cần phụ thuộc nhiều vào khí hậu, thời gian trong năm và các chi tiết của từng hệ thống hoặc yếu tố kiến trúc. Ví dụ như phần nhô ra quá lớn có thể làm tăng nhu cầu sưởi hàng năm, ngay cả khi chúng giúp lượng nhiệt bớt tập trung vào nhà chính.

Tuy nhiên không phải lúc nào cũng áp dụng duy nhất một lý thuyết đó vào thực tiễn. Vào mỗi thời điểm khác nhau trong năm, đôi khí giải pháp này vô hình chung làm tăng nhu cầu sưởi ấm. Do vậy, trong thiết kế của Insover Multi-Comfort House đã phác thảo nên một loạt nguyên tắc thiết kế hữu ích. Để làm mát đặc biệt, cần chú ý đến 5 yếu tố:

Thiết kế tòa nhà nhỏ gọn và tìm kiếm hướng nhà thuận lợi

Có lớp cách nhiệt và lớp vỏ ngoài kín

Cửa sổ tiết kiệm năng lượng kết hợp kính để kiểm soát năng lượng mặt trời và che nắng bên ngoài

Hệ thống thông gió thu hồi nhiệt

Thông gió tự nhiên vào ban đêm

Đồng thời, thiết kế này cũng đề cập đến các chất tải nhiệt bên trong ngôi nhà như thiết bị gia dụng, hệ thống sưởi, hệ thống nước sinh hoạt, thiết bị xử lý không khí và hơn thế nữa, tất cả cần được cách nhiệt thích hợp để giữ được độ mát như: cách điện bên ngoài phải đạt được giá trị U trung bình 0,15-0,45 W / (m ^ 2K); cửa sổ nên có hệ số thu nhiệt mặt trời dưới 40%…

Các KTS cũng có thể kết hợp các giải pháp thụ động với các hệ thống cơ học chủ động, sử dụng hệ thống sau bổ sung cho hệ thống trước khi cần thiết và vẫn giảm sử dụng năng lượng và khí thải. Khi bản thân các hệ thống cơ khí này có ý thức về môi trường thì hiệu quả sẽ tăng lên. Một trong những ví dụ điển hình là nền tảng làm mát mới Oacis, một công nghệ bán dẫn truyền năng lượng mà không cần dùng đến chất làm lạnh có hại cho môi trường (tiêu chuẩn hiện hành trong hệ thống HVAC). Mặc dù sản phẩm vẫn còn mới nhưng nó có khả năng biến đổi khả năng làm mát chủ động và thay thế tiêu chuẩn của điều hòa không khí không bền vững.

Khi nhiệt độ toàn cầu tiếp tục tăng và những hiện tượng cực đoan càng làm nổi bật vấn đề này thì việc làm mát chủ động, làm mát thụ động và ý thức môi trường càng quan trọng. Chúng vừa nhằm đối phó với những tác động tiêu cực, vừa giảm thiểu các điều kiện phát sinh. Sự cần thiết kép này khiến việc cải tổ các tiêu chuẩn làm mát công nghiệp trở thành một trong những thách thức khó khăn với KTS hiện nay. Với những chiến lược, giải pháp và sản phẩm mới, các nhà thiết kế có thể bắt đầu giải quyết và mở đường cho cuộc cách mạng ngành theo cách tiếp cận làm mát kiến trúc trong tương lai.