Trái đất đang đối mặt với một thực tế không thể tránh khỏi. Biến đổi khí hậu đang làm tăng cường độ của các đợt nắng nóng và tăng tần suất của nhiệt độ cực đoan trên toàn cầu. Kết quả là, các kiến trúc sư, nhà thiết kế nội thất và chuyên gia xây dựng phải đối mặt với thách thức lớn trong việc tạo ra không gian thoải mái và dễ sống cho khí hậu nóng.
Việc giải quyết được thách thức này rất quan trọng đối với sức khỏe và sự an toàn của mọi người. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các chiến lược thiết kế kiến trúc có thể được thực hiện để giải quyết thách thức đó. Chúng tôi sẽ đề cập đến mọi thứ từ các kỹ thuật cơ bản đến các công nghệ mới nhất.
Bây giờ, hãy bắt đầu một hành trình để hiểu cách thiết kế những không gian mang lại sự thoải mái về nhiệt độ trong các khu vực có khí hậu nóng trong khi vẫn đảm bảo được tính bền vững và thân thiện với môi trường.
Chiến lược thiết kế thụ động để làm mát trong khí hậu nóng
Thiết kế thụ động tận dụng các yếu tố tự nhiên để điều chỉnh nhiệt độ nội thất của một tòa nhà. Cách tiếp cận này làm giảm nhu cầu sử dụng hệ thống điều hòa không khí cơ học và tiêu thụ năng lượng liên quan của chúng. Một số chiến lược phổ biến nhất bao gồm:
Hướng và thiết kế của tòa nhà
Hướng của tòa nhà là một trong những chiến lược hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất để kiểm soát nhiệt độ trong nhà. Trong khí hậu nóng, các tòa nhà nên được định hướng theo cách để giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời. Lý tưởng nhất là các mặt tiền lớn nên hướng về phía bắc và phía nam, giảm thiểu thu nhiệt trực tiếp từ mặt trời trong những phần nóng nhất của ngày. Hướng tòa nhà phù hợp có thể giảm thiểu thu nhiệt từ mặt trời trong giờ cao điểm.
Một nghiên cứu do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thực hiện cho thấy hướng đúng cách có thể giảm tiêu thụ năng lượng để làm mát tới 20-30%. Ngoài ra, Tổ chức Năng lượng và Tài nguyên Quốc tế (OIER) chỉ ra rằng chiến lược này có thể giảm nhu cầu làm mát khoảng 30%. Những con số này nhấn mạnh tầm quan trọng của định hướng trong thiết kế kiến trúc để tối đa hóa hiệu suất năng lượng và tăng cường sự thoải mái nhiệt trong các tòa nhà nằm trong khí hậu nóng.
Hơn nữa, thiết kế mái dốc và mái hiên có thể cung cấp bóng râm bổ sung, ngăn chặn bức xạ mặt trời trực tiếp xâm nhập vào bên trong. Thiết kế sân trong và giàn che cũng là những yếu tố thiết kế hiệu quả để tạo ra các khu vực mát mẻ hơn. Các hình dạng nhỏ gọn và kéo dài sẽ ít tiếp xúc với ánh nắng hơn, trong khi các hình dạng phức tạp với mái hiên nhô ra có thể tạo ra các khu vực có bóng râm và thúc đẩy thông gió tự nhiên.
Thông gió tự nhiên
Thông gió tự nhiên sử dụng các luồng không khí để làm mới không khí trong nhà và giảm nhiệt độ. Bố trí hợp lý các cửa sổ, cửa ra vào và lỗ thông gió cùng với thiết kế các ống khói thông gió có thể giúp cải thiện hiệu quả thông gió tự nhiên.
Thông gió chéo
Thông gió chéo là một kỹ thuật thụ động quan trọng để làm mát nội thất và đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ. Thiết kế cửa sổ và cửa ra vào ở hai bên đối diện của một không gian cho phép không khí lưu thông vào và ra. Sự lưu thông liên tục này giúp giữ nhiệt độ trong nhà thấp hơn. Hơn nữa, việc kết hợp các lưới thông gió ở mái nhà và cửa sổ cao cho phép không khí nóng, ứ đọng thoát ra và được thay thế bằng không khí mát hơn từ bên ngoài.
Kỹ thuật này có thể được tăng cường bằng cách sử dụng các bộ thông gió thu hồi năng lượng (ERV) và hệ thống quản lý không khí thông minh. Những thiết bị này tự động theo dõi và điều chỉnh chất lượng không khí và nhiệt độ, do đó tối đa hóa hiệu suất năng lượng.
Hiện nay, các công nghệ mới như cảm biến luồng không khí và hệ thống điều khiển tự động có thể tự động điều chỉnh các khe hở để phản ứng với điều kiện thay đổi. Thêm vào đó, phần mềm mô phỏng năng lượng giúp chúng ta mô hình hóa và dự đoán cách tòa nhà sẽ phản ứng với nhiệt độ. Những tiến bộ này làm cho việc thiết kế hệ thống thông gió hiệu quả trở nên dễ dàng hơn.
Sử dụng vật liệu đục lỗ
Chúng ta cũng nên xem xét việc sử dụng các vật liệu đục lỗ. Kim loại đục lỗ, gỗ đã qua xử lý, bê tông đục lỗ và lưới gốm (brise-soleil) thường được ứng dụng cả về trang trí và công năng sử dụng nhờ vào các đặc tính nhiệt và thẩm mỹ của chúng. Những vật liệu này cải thiện đáng kể hiệu quả thông gió của tòa nhà mà không làm giảm sự riêng tư hay an ninh.
Chúng cho phép không khí lưu thông trong khi lọc ánh sáng mặt trời, bảo vệ chống lại bức xạ mặt trời trực tiếp. Kết quả là giúp giảm tải nhiệt, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho mặt tiền và lớp phủ bên ngoài. Chúng cũng có thể đóng vai trò như màn thông gió hoặc lan can, cải thiện lưu thông không khí và duy trì thông gió bên trong trong khi tạo ra các vách ngăn thị giác
Các cấu trúc đục lỗ có thể làm giảm đáng kể tải nhiệt so với các bề mặt rắn. Trên thực tế, một nghiên cứu được công bố bởi Hiệp hội các Kỹ sư Nhiệt lạnh và Điều hòa không khí Hoa Kỳ (ASHRAE) báo cáo rằng các mặt tiền có brise-soleil có thể giảm thu nhiệt từ mặt trời tới 50% trong khí hậu nóng, so với các mặt tiền không có bảo vệ mặt trời.
Hơn nữa, kết hợp vật liệu đục lỗ với các kỹ thuật thụ động khác, chẳng hạn như thông gió chéo và vật liệu phản xạ cao, có thể làm giảm sự phụ thuộc vào các hệ thống điều hòa không khí. Những kết hợp này rất hiệu quả, với việc giảm tiêu thụ năng lượng làm mát tới 30%. Do đó, những chiến lược này không chỉ nâng cao hiệu suất năng lượng mà còn đóng góp vào tính bền vững của tòa nhà.
Kỹ thuật cách nhiệt và hệ thống thảm thực vật
Cách nhiệt hiệu quả trong tường, mái và sàn là điều cần thiết để ngăn nhiệt vào tòa nhà. Các vật liệu cách nhiệt có khả năng chống nhiệt cao và độ dẫn nhiệt thấp là hiệu quả nhất trong việc giữ cho không gian mát mẻ trong khí hậu nóng.
Các vật liệu bao gồm bông khoáng, polystyrene mở rộng (EPS) và sợi tự nhiên giúp giảm truyền nhiệt qua tường và mái nhà. Việc sử dụng những vật liệu này tạo ra sự khác biệt đáng kể về nhiệt độ trong nhà.
Ngoài ra, việc kết hợp cây xanh xung quanh tòa nhà tạo ra bóng râm và hiệu ứng làm mát, giảm nhiệt độ môi trường và cải thiện chất lượng không khí. Mái nhà xanh cũng có thể đóng vai trò như cách nhiệt tự nhiên. Ngoài việc cung cấp bóng râm, cây trồng trên mái nhà hấp thụ nhiệt, hạ nhiệt độ bề mặt và tăng cường sự thoải mái nhiệt bên trong tòa nhà. Những loại cây rụng lá đặc biệt hiệu quả vì chúng cung cấp bóng râm vào mùa hè trong khi cho phép ánh sáng mặt trời chiếu vào trong mùa đông.
Chiến lược thiết kế chủ động để làm mát trong khí hậu nóng
Trong khí hậu cực nóng, các chiến lược thiết kế thụ động có thể không đủ để duy trì nhiệt độ thoải mái bên trong. Có thể cần phải thực hiện các hệ thống làm mát chủ động trong những trường hợp này.
Một giải pháp phổ biến là sử dụng các hệ thống làm mát cơ học để bổ sung cho các chiến lược thụ động khi cần thiết. Hệ thống điều hòa không khí, sử dụng chất làm lạnh để làm mát không khí trong nhà, là một ví dụ. Mặc dù hiệu quả, nhưng các hệ thống này tiêu thụ rất nhiều năng lượng và có thể có tác động đáng kể đến môi trường.
Do đó, tốt nhất là luôn chọn thiết bị có hiệu suất cao và sử dụng một cách có trách nhiệm. Hệ thống làm mát bay hơi là một lựa chọn khác. Những hệ thống này làm mát không khí bằng cách bay hơi, tạo ra hiệu ứng sảng khoái mà không cần chất làm lạnh. Kết quả là, máy làm mát bay hơi tiết kiệm năng lượng hơn các hệ thống điều hòa không khí truyền thống và hoạt động tốt nhất trong khí hậu khô. Một giải pháp khác là hệ thống làm mát địa nhiệt, sử dụng nhiệt độ không đổi của mặt đất để làm mát hoặc làm nóng một tòa nhà. Mặc dù các hệ thống này bền vững và hiệu quả, nhưng việc lắp đặt ban đầu có thể khá tốn kém.
Chọn vật liệu phù hợp
Chọn vật liệu phù hợp cho xây dựng trong khí hậu nóng là điều cần thiết để tạo ra không gian mát mẻ và thoải mái. Điều quan trọng là chọn các vật liệu có tính phản xạ mặt trời, độ phát xạ cao và độ dẫn nhiệt thấp. Ví dụ, sử dụng vật liệu phản xạ trên mái nhà và mặt tiền giúp phản chiếu bức xạ mặt trời, giữ cho nội thất mát hơn. Sơn phản quang, gạch màu sáng và mái nhà bằng kim loại là những lựa chọn phổ biến vì chúng phản chiếu nhiều ánh sáng mặt trời hơn và hấp thụ ít nhiệt hơn.
Mặt khác, các vật liệu có khối nhiệt cao, chẳng hạn như gạch, có thể hấp thụ và lưu trữ nhiệt trong ngày và giải phóng dần vào ban đêm. Điều này giúp duy trì nhiệt độ trong nhà ổn định hơn và ngăn chặn nhiệt độ tăng đột biến trong ngày. Tương tự, các vật liệu tự nhiên như gỗ và tre không chỉ đẹp về mặt thẩm mỹ mà còn mang lại lợi ích về nhiệt. Chúng thường hấp thụ nhiệt ít hơn vật liệu tổng hợp và có thể được sử dụng trong ốp tường, sàn nhà và đồ nội thất.
Giải pháp công nghệ tiên tiến
Tích hợp các giải pháp công nghệ tiên tiến là rất quan trọng để nâng cao sự thoải mái nhiệt và hiệu suất năng lượng. Một số kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay bao gồm:
Hệ thống tự động hóa gia đình
Những hệ thống này có thể giảm thiểu đáng kể việc làm nóng bên trong ngay cả khi một tòa nhà có hướng không tốt và thiếu thông gió tự nhiên. Chúng cung cấp một giải pháp hiệu quả và bền vững để kiểm soát nhiệt bằng cách quản lý hiệu quả ánh sáng, thông gió và điều hòa không khí.
Tích hợp hệ thống tự động hóa gia đình cho phép kiểm soát khí hậu trong nhà chính xác thông qua cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng đồng thời duy trì môi trường thoải mái.
Năng lượng tái tạo
Một chiến lược rất hiệu quả và bền vững để duy trì sự thoải mái nhiệt trong khí hậu nóng là sử dụng năng lượng xanh, đặc biệt là năng lượng mặt trời quang điện, để điều khiển các hệ thống làm mát. Kỹ thuật này có thể làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng không tái tạo tới 50%, làm giảm đáng kể tiêu thụ điện năng từ lưới điện.
Ngoài ra, nó góp phần giảm lượng khí thải nhà kính tới 30%, đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu.
Mặt tiền sinh khí hậu
Bioclimatic façades – Mặt tiền này có các yếu tố điều chỉnh hoặc hệ thống điều khiển năng lượng mặt trời để điều chỉnh lượng ánh sáng và nhiệt vào tòa nhà. Ví dụ, kính điện sắc có thể thay đổi các thuộc tính truyền ánh sáng và nhiệt của nó theo dòng điện. Nó có thể tối hơn trong những giờ nóng nhất và trở nên trong suốt khi ánh sáng mặt trời ít cường độ hơn. Kính thông minh này cho phép bạn kiểm soát lượng ánh sáng và nhiệt vào tòa nhà, nâng cao hiệu suất năng lượng và sự thoải mái nhiệt.
Dự án thành công
Khu dân cư ở Dubai, Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất
Nổi tiếng với các công trình xây dựng sáng tạo và sang trọng trong sa mạc, Dubai phải đối mặt với thách thức giữ cho nội thất thoải mái giữa nhiệt độ cực cao có thể vượt quá 50°C vào mùa hè. Một ví dụ đáng chú ý về việc giải quyết thách thức này là khu dân cư Masdar City, được thiết kế bởi công ty kiến trúc nổi tiếng Foster + Partners.
Thiết kế của khu phức hợp được lên kế hoạch chiến lược để giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời bằng cách tận dụng bóng râm do các cấu trúc và yếu tố xung quanh cung cấp. Các con phố hẹp và sân trong tạo ra vi khí hậu mát hơn và tạo điều kiện cho thông gió tự nhiên.
Kính thông minh
Masdar City sử dụng kính thông minh điều chỉnh độ mờ để kiểm soát lượng ánh sáng và nhiệt vào tòa nhà. Nhờ đó, công nghệ này giảm nhu cầu sử dụng điều hòa không khí. Ngoài ra, khu phức hợp còn bao gồm các hệ thống làm mát nước tuần hoàn nước lạnh qua các đường ống trong tường và trần nhà, hấp thụ nhiệt và cung cấp nhiệt độ dễ chịu.
Mái nhà xanh
Mái nhà xanh được phủ bằng cây xanh để giúp điều chỉnh nhiệt độ và cải thiện chất lượng không khí. Chiến lược này cung cấp cách nhiệt và giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Mái nhà xanh làm giảm truyền nhiệt và tạo ra không gian mát hơn trên các tầng trên cùng.
Vật liệu phản xạ
Sử dụng vật liệu phản xạ trên mặt tiền và mái nhà giúp giữ cho tòa nhà mát mẻ bằng cách phản chiếu bức xạ mặt trời. Tích hợp công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ và hệ thống tự động hóa, cho phép kiểm soát chính xác khí hậu trong nhà bằng cách tự động điều chỉnh rèm cửa, cửa sổ và hệ thống làm mát dựa trên điều kiện môi trường.
Masdar City tập trung vào tính bền vững và hiệu suất năng lượng lâu dài, với một nhà máy điện mặt trời cung cấp điện cho các tòa nhà. Hệ thống thu nước mưa và tái chế nước xám góp phần bảo tồn tài nguyên, biến khu phức hợp này thành một mô hình đô thị bền vững trong sa mạc.
Thành công của Masdar City như một nơi trú ẩn khỏi nhiệt trong một trong những khí hậu khắc nghiệt nhất trên thế giới đóng vai trò là nguồn cảm hứng cho các dự án khác trong các khu vực nóng. Sự kết hợp của thiết kế sáng tạo, vật liệu hiện đại và công nghệ tiên tiến chứng tỏ rằng có thể tạo ra không gian sống thoải mái, tiện nghi và bền vững ngay cả trong khí hậu khắc nghiệt. Kết quả ấn tượng của Masdar City đã truyền cảm hứng cho các kiến trúc sư và nhà phát triển áp dụng các chiến lược tương tự, thúc đẩy một cách tiếp cận xây dựng nhà ở và khu dân cư bền vững và hiệu quả hơn trên toàn thế giới.
Tòa nhà Bullitt Center ở Seattle, Hoa Kỳ
Bullitt Center ở Seattle được biết đến là một trong những tòa nhà văn phòng bền vững nhất trên thế giới. Được chứng nhận LEED Platinum, tòa nhà sử dụng kết hợp các chiến lược thụ động và chủ động để giảm tiêu thụ năng lượng của nó xuống 90% so với các tòa nhà văn phòng truyền thống.
Hướng và thiết kế của nó tối đa hóa ánh sáng tự nhiên với các cửa sổ lớn được định vị chiến lược để tận dụng tối đa ánh sáng ban ngày. Trong khi đó, mặt tiền của nó được thiết kế để giảm thiểu thu nhiệt, tích hợp rèm cửa tự động và hệ thống che bóng.
Cách nhiệt, hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống sưởi ấm và làm mát hiệu quả
Bullitt Center cũng có cách nhiệt hiệu suất cao trong tường, mái nhà và sàn nhà. Điều này làm giảm truyền nhiệt và duy trì nhiệt độ trong nhà thoải mái quanh năm.
Hơn nữa, tòa nhà được trang bị một hệ thống tấm pin mặt trời trên mái nhà tạo ra nhiều năng lượng hơn tòa nhà tiêu thụ. Điều này không chỉ làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài mà còn làm cho nó trở thành một tòa nhà năng lượng tích cực.
Nó cũng sử dụng một hệ thống bơm nhiệt địa nhiệt cung cấp sưởi ấm và làm mát hiệu quả. Tương tự, các hệ thống thông gió của nó được trang bị bộ thông gió thu hồi nhiệt nâng cao hiệu suất năng lượng.
Nhờ những chiến lược này, Bullitt Center đã đạt được mức giảm tiêu thụ năng lượng 90%. Là một mô hình cho thiết kế xây dựng bền vững, cách tiếp cận toàn diện của nó chứng minh cách thức tích hợp các chiến lược thụ động và chủ động có thể tạo ra một môi trường làm việc thoải mái và tiết kiệm năng lượng.
Thiết kế không gian mát mẻ trong khí hậu nóng là một thách thức đòi hỏi sự kết hợp của các chiến lược thụ động và chủ động. Việc sử dụng cả vật liệu phù hợp và công nghệ tiên tiến không chỉ nhằm nâng cao sự thoải mái của những người bên trong tòa nhà mà còn bảo tồn tài nguyên và giảm thiểu tác động đến môi trường. Do đó, các chuyên gia ngành được kêu gọi dẫn đầu sự thay đổi này bằng cách phát triển các giải pháp sáng tạo và bền vững cho tương lai.
Nguồn tham khảo chính:
Shelter from the heat: how to design cool spaces in hot climates – https://www.thedecorativesurfaces.com/Books: ‘Design with Climate’ by Victor Olgyay, ‘The Passive Solar House’ by James Kachadorian.
Magazines: ArchitecturalDigest or GreenBiz.
