Cây xanh và mặt nước trong kiến trúc. Hệ thống điều hòa vi khí hậu tự nhiên

Trong nhiều công trình hiện đại, cây xanh và mặt nước thường được đưa vào thiết kế với mục tiêu dễ nhận thấy nhất: tạo cảnh quan đẹp hơn.Một khoảng sân có cây sẽ mềm mại hơn.Một hồ nước phản chiếu ánh sáng làm không gian trở nên sinh động hơn.Nhưng dưới góc nhìn của vật lý kiến trúc, sinh thái đô thị và thiết kế vi khí hậu, giá trị của cây xanh và mặt nước lớn hơn rất nhiều so với chức năng trang trí.Khi được đặt đúng vị trí và tổ chức đúng cấu trúc, chúng có thể tham gia vào quá trình:

• giảm bức xạ mặt trời tác động lên công trình;
• làm giảm nhiệt độ bề mặt;
• hỗ trợ điều hòa nhiệt độ không khí;
• thay đổi tốc độ và hướng chuyển động của gió;
• hỗ trợ giữ lại một phần bụi trong không khí;
• giảm độ chói và cải thiện tiện nghi thị giác;
• tạo môi trường nhiệt dễ chịu hơn cho con người.

Nói cách khác, cây xanh và mặt nước có thể được xem như một phần của hệ thống hạ tầng vi khí hậu tự nhiên của công trình.Vấn đề không nằm ở việc công trình có bao nhiêu cây hay có một hồ nước lớn đến đâu.Quan trọng hơn là:Cây ở đâu? Nước ở đâu? Gió đi từ đâu tới? Mặt trời chiếu vào đâu? Và con người thực sự sử dụng không gian đó như thế nào?

1. Vi khí hậu là gì và tại sao kiến trúc cần quan tâm?

Vi khí hậu là điều kiện khí hậu hình thành trong một phạm vi tương đối nhỏ như sân trong, khu vườn, hiên nhà, khoảng đệm, lối đi hoặc vùng không gian xung quanh một công trình.Trong cùng một khu đất, hai vị trí cách nhau chỉ vài mét vẫn có thể có cảm giác nhiệt rất khác nhau.Một vị trí nằm dưới tán cây có thể dễ chịu.Trong khi vài mét bên cạnh, bề mặt bê tông hoặc đá đang tiếp xúc trực tiếp với nắng có thể tích nhiệt rất mạnh.Sự khác biệt này hình thành bởi nhiều yếu tố:

• bức xạ mặt trời;
• nhiệt độ không khí;
• nhiệt độ bề mặt;
• độ ẩm;
• tốc độ gió;
• vật liệu;
• mật độ cây xanh;
• hình thái công trình;
• diện tích và vị trí mặt nước.

Vì vậy, thiết kế kiến trúc thích ứng khí hậu không nên chỉ cố gắng “chống nóng” bằng máy điều hòa.Một chiến lược tốt hơn là giảm lượng nhiệt đi vào môi trường sống ngay từ bên ngoài công trình.Cây xanh và mặt nước là hai công cụ tự nhiên rất quan trọng trong chiến lược đó.

2. Cây xanh không chỉ tạo bóng mát

Khả năng làm mát của cây xanh hình thành đồng thời qua nhiều cơ chế.Hai cơ chế quan trọng nhất là:che chắn bức xạ mặt trời và thoát hơi nước.Các tổng quan nghiên cứu về không gian xanh đô thị đều ghi nhận vai trò của bóng râm, quá trình thoát hơi nước, đặc tính thực vật và cấu trúc không gian đối với hiệu quả làm mát.

2.1. Tán cây là một lớp kiểm soát bức xạ

Một bề mặt bê tông, đá hoặc kính nhận trực tiếp bức xạ mặt trời có thể nóng lên đáng kể rồi tiếp tục truyền nhiệt cho môi trường xung quanh.Khi phía trước bề mặt đó có một lớp cây xanh phù hợp, một phần năng lượng mặt trời được:

• phản xạ;
• hấp thụ bởi lá;
• sử dụng cho các quá trình sinh học;
• ngăn không cho chiếu trực tiếp xuống nền hoặc mặt đứng.

Kết quả quan trọng không chỉ là nhiệt độ không khí giảm.Đáng chú ý hơn là nhiệt độ bề mặt và lượng bức xạ mà cơ thể con người phải tiếp nhận có thể giảm đáng kể.Đó là lý do một khoảng sân có bóng cây thường tạo cảm giác dễ chịu hơn nhiều so với một khoảng sân lát đá hoàn toàn, ngay cả khi nhiệt độ không khí đo được giữa hai vị trí không chênh lệch quá lớn.

3. Chỉ số diện tích lá  LAI có ý nghĩa gì?

Trong nghiên cứu thực vật và vi khí hậu, một thông số thường được sử dụng là Leaf Area Index – LAI, hay chỉ số diện tích lá.Có thể hiểu đơn giản, LAI phản ánh tương quan giữa tổng diện tích bề mặt lá và diện tích mặt đất bên dưới.Một tán cây dày và nhiều lớp thường có khả năng che chắn bức xạ cao hơn một tán cây thưa.

Các nghiên cứu tổng hợp về đặc tính cây đô thị cũng cho thấy LAI có mối liên hệ tích cực với một số cơ chế làm mát, bao gồm giảm nhiệt độ bề mặt và cải thiện điều kiện nhiệt dưới tán cây.Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa:LAI càng lớn thì công trình càng tốt.Nếu cây quá dày và được bố trí không hợp lý, thảm thực vật có thể làm giảm vận tốc gió hoặc hạn chế khả năng phát tán chất ô nhiễm.Vì vậy, thiết kế vi khí hậu luôn là bài toán cân bằng giữa:

bóng râm – thông gió – độ ẩm – hình thái không gian.

4. Thoát hơi nước: cơ chế làm mát tự nhiên của thực vật

Một trong những cơ chế quan trọng nhất giúp thảm thực vật làm mát môi trường là evapotranspiration – thoát hơi nước.Nước được cây hút từ đất, vận chuyển qua hệ thống mạch và một phần thoát ra khí quyển qua lá.Khi nước chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi, quá trình này cần năng lượng.

Một phần năng lượng nhiệt từ môi trường vì thế được sử dụng cho quá trình chuyển pha của nước thay vì tiếp tục làm nóng bề mặt và không khí.Đây là một trong những nguyên nhân khiến khu vực có hệ thực vật phát triển thường tạo môi trường nhiệt khác biệt so với những khu vực sử dụng phần lớn bề mặt cứng.Tuy nhiên, hiệu quả này không cố định.Nó còn phụ thuộc vào:

• loài cây;
• diện tích lá;
• lượng nước trong đất;
• độ ẩm không khí;
• nhiệt độ;
• tốc độ gió;
• mùa trong năm;
• thời điểm trong ngày.

Do đó, cây xanh không nên được xem như một “máy điều hòa” có công suất cố định.Chúng là một hệ thống sinh học phản ứng liên tục với điều kiện môi trường.

5. Cây xanh có thực sự lọc bụi và làm sạch không khí?

Câu trả lời là:Có khả năng hỗ trợ, nhưng không nên tuyệt đối hóa.Bề mặt lá, cành và các bộ phận khác của thực vật có thể giữ lại một phần bụi và các hạt lơ lửng thông qua quá trình lắng đọng.Hiệu quả phụ thuộc nhiều vào:

• hình dạng lá;
• độ nhám bề mặt;
• cấu trúc tán;
• mật độ cây;
• loại chất ô nhiễm;
• tốc độ gió;
• vị trí nguồn phát thải.

Các nghiên cứu tổng quan xác nhận thực vật đô thị có thể thúc đẩy sự lắng đọng và lưu giữ một phần chất ô nhiễm dạng hạt.Nhưng có một nghịch lý quan trọng.Nếu cây lớn được bố trí quá dày trong những tuyến đường hẹp có nhiều phương tiện giao thông, chúng có thể làm giảm khả năng trao đổi không khí.Khi đó, chất ô nhiễm từ xe cộ có thể bị giữ lại lâu hơn gần mặt đường thay vì nhanh chóng phân tán.

Nghiên cứu về thảm thực vật đô thị vì thế nhấn mạnh rằng khả năng lắng đọng chất ô nhiễm và khả năng thông gió phải được xem xét đồng thời.Đây là khác biệt rất lớn giữa:“trồng nhiều cây”và“thiết kế cây xanh đúng”.

6. Mặt nước tác động đến vi khí hậu như thế nào?

Nếu cây xanh chủ yếu tác động thông qua bóng râm và thoát hơi nước, mặt nước tham gia điều hòa vi khí hậu thông qua một hệ cơ chế khác.Trong đó có:

• nhiệt dung của nước;
• bay hơi;
• trao đổi nhiệt đối lưu;
• trao đổi bức xạ;
• tương tác giữa mặt nước và dòng khí.

Nước có nhiệt dung riêng lớn nên nhiệt độ của khối nước thường thay đổi chậm hơn nhiều bề mặt xây dựng thông thường.Điều này có thể giúp giảm sự biến động nhiệt trong một số điều kiện.Đồng thời, nước bay hơi cũng tiêu thụ năng lượng và có khả năng làm mát lớp không khí phía trên mặt nước.

7. Mặt nước không phải lúc nào cũng làm mát

Đây là một điểm rất dễ bị hiểu sai trong kiến trúc.Một hồ nước không tự động tạo ra môi trường mát.Tác động nhiệt của mặt nước phụ thuộc vào:

• diện tích mặt nước;
• chiều sâu;
• nhiệt độ nước;
• tốc độ gió;
• độ ẩm không khí;
• khí hậu địa phương;
• hình thái công trình xung quanh;
• thời điểm trong ngày.

Một tổng quan hệ thống năm 2024 về không gian mặt nước đô thị cho thấy tác động làm mát ban ngày khá rõ, với mức giảm nhiệt trung bình khoảng 2,6°C trong các nghiên cứu được tổng hợp.Tuy nhiên vào ban đêm mùa hè, một số trường hợp lại ghi nhận hiệu ứng giữ nhiệt hoặc làm ấm nhẹ khu vực xung quanh.Nguyên nhân nằm ở chính đặc tính từng được xem là ưu điểm của nước:nước hấp thụ và giải phóng nhiệt chậm.Vì vậy, tư duy:“Cứ làm hồ nước là công trình sẽ mát”là chưa đủ cơ sở khoa học.

8. Không tồn tại một “bán kính làm mát” cố định cho mọi hồ nước

Một số tài liệu phổ thông thường đưa ra những con số như:“mặt nước làm mát trong bán kính 10 m”,

“20 m”,hoặc một khoảng cách cố định nào đó.Về phương diện khoa học, không nên sử dụng những con số này như một quy luật thiết kế chung.Các nghiên cứu cho thấy phạm vi tác động nhiệt của mặt nước thay đổi rất lớn theo:

• kích thước;
• hình dạng;
• cấu trúc đô thị;
• khí hậu;
• hướng gió;
• tỷ lệ mặt nước;
• phương pháp đo.

Ở quy mô đô thị lớn, một số nghiên cứu thậm chí ghi nhận ảnh hưởng nhiệt của các thủy vực lớn kéo dài hàng trăm mét.Điều đó cho thấy vấn đề quan trọng không phải là tìm một “con số thần kỳ”.Điều kiến trúc sư cần hiểu là:Nước chỉ phát huy tác dụng khi nó tương tác đúng với gió, bóng râm, địa hình và cấu trúc của không gian xung quanh.

9. Khi cây xanh và mặt nước được kết hợp

Giá trị lớn nhất xuất hiện khi hai thành phần này không được thiết kế độc lập.Hãy hình dung một luồng gió đi qua:mặt nước → vùng cây xanh → khoảng sân có bóng râm → không gian bán ngoài trời → cửa lấy gió của công trình.

Nếu hướng gió, khoảng cách và độ mở được tính toán hợp lý, dòng không khí này có thể đi qua một chuỗi môi trường có điều kiện nhiệt khác nhau trước khi tiếp cận công trình.Đây chính là cách tiếp cận blue–green infrastructure – hạ tầng xanh và mặt nước – đang ngày càng được quan tâm trong thiết kế đô thị thích ứng khí hậu.WHO cũng nhìn nhận không gian xanh, mặt nước và hình thái đô thị là những thành phần có thể tham gia chiến lược giảm phơi nhiễm nhiệt trong thành phố.

10. Nguyên tắc 1: Đặt cây và nước theo hướng gió

Một hồ nước đẹp nhưng nằm ở cuối hướng gió có thể đóng góp rất ít cho khu vực cần làm mát.Ngược lại, nếu khu vực xanh và mặt nước được bố trí tại phía đón gió của không gian sinh hoạt, luồng khí có cơ hội tương tác với môi trường này trước khi đi vào công trình.Có thể tổ chức theo chuỗi:Gió chủ đạo
→ mặt nước
→ cây thấp
→ cây trung tầng
→ khoảng sân
→ hiên
→ không gian nội thất.

Tuy nhiên, không nên tạo một “bức tường cây” quá đặc phía trước hướng gió.Mục tiêu là điều tiết luồng khí chứ không chặn luồng khí.

11. Nguyên tắc 2: Tạo cấu trúc thực vật đa tầng

Một hệ cây xanh hiệu quả thường không chỉ có một loại cây.Có thể hình thành nhiều tầng:

• cây thân gỗ tạo bóng;
• cây trung tầng;
• cây bụi;
• thảm cỏ hoặc cây phủ đất;
• hệ thực vật ven nước.

Mỗi tầng thực vật thực hiện một chức năng khác nhau.Tán cây cao kiểm soát bức xạ.Tầng giữa tổ chức trường gió và tạo riêng tư.Tầng thấp giúp giảm diện tích bề mặt đất bị phơi trực tiếp dưới mặt trời.Nhưng mật độ từng tầng vẫn phải được điều chỉnh để duy trì khả năng thông gió.

12. Nguyên tắc 3: Đừng để mặt nước nằm dưới nắng hoàn toàn

Một hồ nước phơi trực tiếp dưới nắng trong nhiều giờ sẽ hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể.Trong nhiều trường hợp, giải pháp hiệu quả hơn là tạo sự phối hợp giữa:mặt nước + bóng cây + khoảng mở đón gió.

Cây giúp giảm bức xạ trực tiếp xuống một phần mặt nước.Gió giúp tăng trao đổi nhiệt và quá trình bay hơi.Mặt nước hỗ trợ điều tiết trường nhiệt.Ba yếu tố này bổ sung cho nhau.

13. Nguyên tắc 4: Thiết kế khoảng đệm trước khi đưa không khí vào nhà

Trong kiến trúc nhiệt đới, không nhất thiết để không khí ngoài trời đi trực tiếp vào phòng.Một chiến lược tốt là tạo chuỗi không gian chuyển tiếp:vườn → sân → hiên → hành lang → nội thất.Các vùng chuyển tiếp này có thể kết hợp:

• bóng râm;
• cây xanh;
• mặt nước;
• mái hiên;
• lam;
• vật liệu ít hấp thụ nhiệt;
• cửa lấy gió.

Khi đó, kiến trúc không còn là một khối hộp phải liên tục chống lại khí hậu.Nó trở thành một hệ thống trung gian điều tiết khí hậu trước khi con người tiếp xúc với nó.

14. Nguyên tắc 5: Thiết kế theo tiện nghi nhiệt của con người, không chỉ theo nhiệt độ

Một không gian dễ chịu không được quyết định bởi nhiệt độ không khí duy nhất.Cảm giác nhiệt của con người còn chịu ảnh hưởng bởi:

• độ ẩm;
• tốc độ gió;
• nhiệt độ bức xạ trung bình;
• mức vận động;
• trang phục;
• nhiệt độ bề mặt xung quanh.

Ví dụ:

Hai khoảng sân đều có nhiệt độ không khí 31°C.Nhưng một nơi có bóng cây, gió nhẹ và ít bề mặt nóng bao quanh.Nơi còn lại lát đá hoàn toàn và tiếp xúc trực tiếp với nắng.Cảm giác nhiệt của con người tại hai nơi có thể khác nhau rất lớn.Do đó, mục tiêu của kiến trúc vi khí hậu không đơn giản là:“giảm bao nhiêu độ C?”Mục tiêu cuối cùng phải là:“con người cảm thấy như thế nào trong không gian đó?”

15. Không phải càng nhiều cây và nước càng tốt

Thiết kế sinh thái không phải là bài toán cộng số lượng.Một công trình có rất nhiều cây nhưng:

• chắn hết gió;
• tăng độ ẩm tại vị trí không phù hợp;
• thiếu ánh sáng;
• khó bảo trì;
• rễ phá kết cấu;
• lá làm tắc hệ thống thoát nước;

thì chưa thể gọi là kiến trúc xanh tốt.

Tương tự, mặt nước có thể kéo theo những vấn đề:

• tiêu thụ nước;
• rêu tảo;
• muỗi;
• chống thấm;
• lọc tuần hoàn;
• bảo trì;
• an toàn trẻ em;
• độ ẩm cục bộ.

Do đó, mọi giải pháp thiên nhiên đều phải được đánh giá trong toàn bộ vòng đời công trình.

16. Từ “trang trí cảnh quan” đến “hạ tầng vi khí hậu”

Có lẽ thay đổi quan trọng nhất trong tư duy kiến trúc xanh là thay đổi cách chúng ta nhìn thiên nhiên.Thay vì hỏi:“Khoảng này trồng cây gì cho đẹp?”có thể hỏi:

“Khoảng này đang nhận bao nhiêu bức xạ?”

“Gió mùa nào đi qua đây?”

“Cây này tạo bóng vào thời điểm nào?”

“Không khí sau khi đi qua khu vườn sẽ đi đâu?”

“Mặt nước này đang thực hiện nhiệm vụ vi khí hậu gì?”

Khi đó, cây xanh và mặt nước không còn được thêm vào công trình ở giai đoạn cuối.Chúng trở thành một phần của cấu trúc kiến trúc ngay từ khi hình thành mặt bằng.

17. Kiến trúc tốt không chống lại thiên nhiên

Trong nhiều thế kỷ trước khi máy điều hòa xuất hiện, kiến trúc đã phải giải quyết khí hậu bằng:

• hướng nhà;
• mái;
• hiên;
• sân trong;
• cây xanh;
• mặt nước;
• thông gió;
• vật liệu.

Công nghệ hiện đại đem lại nhiều công cụ mới.Nhưng điều đó không có nghĩa các nguyên lý tự nhiên đã mất giá trị.Ngược lại, trong bối cảnh đô thị ngày càng nóng lên và nhu cầu năng lượng cho điều hòa ngày càng lớn, những nguyên lý này trở nên đáng nghiên cứu hơn bao giờ hết.Câu hỏi của kiến trúc tương lai có lẽ không phải:Làm thế nào để công trình cách ly hoàn toàn khỏi khí hậu?Mà là:Làm thế nào để kiến trúc hợp tác với khí hậu trước khi phải dùng năng lượng để chống lại nó?

Tại Kiến Trúc KINH BAN,https://kientruckinhban.vn/thu-vien/tu-duy-kien-truc cây xanh và mặt nước không được xem đơn thuần là những yếu tố trang trí cảnh quan.Chúng tôi tiếp cận chúng như những thành phần có thể tham gia vào hệ thống vi khí hậu của công trình, cùng với hướng nắng, hướng gió, hình thái kiến trúc, vật liệu, thông gió và điều kiện sử dụng thực tế.Triết lý của KINH BAN là nghiên cứu điều kiện tự nhiên trước, tổ chức kiến trúc phù hợp sau, rồi mới sử dụng các hệ thống cơ điện để hoàn thiện mức tiện nghi cần thiết.Bởi một công trình xanh không bắt đầu bằng việc đặt thật nhiều cây vào bản vẽ.Nó bắt đầu từ việc hiểu cách ánh sáng, nhiệt, gió, nước, vật liệu và con người tương tác với nhau trong suốt vòng đời của công trình.