Một ngôi nhà có thể trồng rất nhiều cây nhưng vẫn nóng, thiếu gió, phụ thuộc vào điều hòa và tiêu thụ lượng điện lớn. Ngược lại, một công trình có hình thức tiết chế vẫn có thể vận hành hiệu quả nếu được định hướng đúng, kiểm soát bức xạ mặt trời, tổ chức thông gió hợp lý và lựa chọn lớp vỏ bao che phù hợp.

Nền tảng kỹ thuật đứng phía sau cách tiếp cận này được gọi là Kiến trúc Sinh khí hậu, tiếng Anh là Bioclimatic Architecture.

Đây không phải một phong cách trang trí. Đó là phương pháp thiết kế công trình dựa trên mối quan hệ giữa khí hậu, địa điểm, kiến trúc và trạng thái tiện nghi của con người.

Kiến trúc sinh khí hậu là gì?

Kiến trúc sinh khí hậu là phương pháp tổ chức công trình nhằm khai thác những điều kiện tự nhiên có lợi và hạn chế những tác động bất lợi của khí hậu địa phương.

Các yếu tố thường được nghiên cứu gồm:

Quỹ đạo mặt trời.
Hướng và vận tốc gió.
Nhiệt độ và độ ẩm.
Lượng mưa.
Địa hình và thảm thực vật.
Mật độ công trình xung quanh.
Mức độ ô nhiễm, tiếng ồn và bức xạ nhiệt đô thị.

Mục tiêu không phải là loại bỏ hoàn toàn các hệ thống kỹ thuật, mà là giảm tải cho công trình trước khi sử dụng thiết bị cơ điện.

Cách tiếp cận thụ động như định hướng công trình, che nắng, thông gió và sử dụng vật liệu phù hợp có thể làm giảm nhu cầu làm mát bằng năng lượng. Đây cũng là định hướng được UNEP nhấn mạnh trong các chiến lược làm mát bền vững: ưu tiên giải pháp thụ động trước, sau đó mới bổ sung các hệ thống làm mát hiệu suất cao.

Theo quan điểm của Kiến Trúc KINH BAN, trình tự đúng của một công trình xanh nên là:

Giảm nhiệt xâm nhập → tổ chức lưu thông không khí → tối ưu ánh sáng tự nhiên → sử dụng thiết bị hiệu suất cao → bổ sung năng lượng tái tạo khi phù hợp.

Nếu công trình chưa giải quyết tốt ba bước đầu tiên mà đã vội lắp đặt nhiều thiết bị công nghệ, đó mới chỉ là “bù năng lượng”, chưa phải thiết kế xanh từ gốc.

Một ngôi nhà phố hiện đại tại Việt Nam

Khí hậu không phải dữ liệu tham khảo, mà là đầu bài thiết kế

Kiến trúc sinh khí hậu không được hình thành từ cảm tính.

Trước khi phát triển mặt bằng hoặc hình khối, kiến trúc sư cần đọc được “hồ sơ khí hậu” của địa điểm xây dựng.

Hai lô đất có cùng diện tích nhưng nằm ở hai vị trí khác nhau có thể cần hai phương án hoàn toàn khác nhau. Một khu đất ven biển có gió mạnh và không khí chứa muối không thể được xử lý giống một nhà phố nằm sâu trong khu đô thị dày đặc. Một ngôi nhà tại Đà Lạt cũng không thể áp dụng nguyên xi chiến lược làm mát của nhà ở tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Thiết kế vì vậy phải bắt đầu từ dữ liệu cụ thể, không phải từ một bộ công thức sao chép.

Hai bản đồ quan trọng: mặt trời và gió

1. Biểu đồ đường đi mặt trời

Biểu đồ đường đi mặt trời cho biết vị trí tương đối của mặt trời theo giờ, mùa và tọa độ địa lý.

Từ dữ liệu này, kiến trúc sư có thể đánh giá:

Mặt đứng nào nhận bức xạ mạnh.
Khoảng thời gian công trình bị nắng chiếu trực tiếp.
Độ sâu cần thiết của mái đua.
Góc nghiêng và mật độ của hệ lam.
Vị trí phù hợp cho cửa kính, ban công và khoảng đệm.
Khu vực có nguy cơ tích nhiệt vào buổi chiều.

Một sai lầm phổ biến là áp dụng máy móc những kết luận như “hướng Nam luôn tốt” hoặc “hướng Bắc luôn mát”.

Trên thực tế, hiệu quả của từng hướng còn phụ thuộc vào vĩ độ, mùa, địa hình, bóng đổ của công trình lân cận và cách sử dụng không gian. Đặc biệt, mặt đứng hướng Đông và Tây thường khó che nắng hơn vì góc mặt trời thấp vào buổi sáng và buổi chiều.

Các hướng dẫn thiết kế thụ động cũng nhấn mạnh việc xử lý định hướng ngay từ giai đoạn quy hoạch mặt bằng, hạn chế diện tích kính không được bảo vệ ở những mặt đứng chịu nắng mạnh và tích hợp giải pháp che nắng vào lớp vỏ kiến trúc.

2. Hoa gió và điều kiện vi khí hậu

Hoa gió thể hiện tần suất, hướng và vận tốc gió trong một khoảng thời gian nhất định.

Tuy nhiên, dữ liệu khí tượng cấp thành phố chưa đủ để quyết định chính xác vị trí cửa cho một ngôi nhà.

Luồng gió khi đi vào khu đất có thể bị thay đổi bởi:

Nhà cao tầng lân cận.
Tường rào.
Hẻm hẹp.
Cây lớn.
Địa hình.
Mái nhà và ban công.
Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị.

Do đó, thiết kế sinh khí hậu cần phân tích đồng thời gió khu vực và gió tại công trình.

Ở những dự án phức tạp, việc mô phỏng chiếu nắng, mô phỏng năng lượng hoặc mô phỏng động lực học chất lưu có thể giúp kiểm tra phương án trước khi thi công. Mục đích của mô phỏng không phải tạo ra những hình ảnh kỹ thuật đẹp mắt, mà để trả lời các câu hỏi rất thực tế: gió có thật sự đi qua khu vực sử dụng hay không, vùng nào bị tích nhiệt và lớp che nắng hoạt động hiệu quả vào thời điểm nào.

Bốn nhóm giải pháp sinh khí hậu phù hợp với Việt Nam

Việt Nam có nhiều vùng khí hậu khác nhau, nhưng phần lớn đô thị lớn chịu đặc trưng nóng ẩm, lượng mưa cao và bức xạ mặt trời đáng kể.

Vì vậy, giải pháp thiết kế thường phải đồng thời xử lý nhiệt, độ ẩm, mưa tạt và chất lượng không khí.

1. Kiểm soát bức xạ trước khi xử lý nhiệt bên trong

Trong khí hậu nóng, giải pháp hiệu quả không phải là chờ nhiệt đi vào phòng rồi mới làm lạnh. Cách tốt hơn là ngăn phần lớn nhiệt lượng ngay tại lớp ngoài công trình.

Những giải pháp thường được sử dụng gồm:

Mái đua và ban công sâu.
Lam chắn nắng đứng hoặc ngang.
Hành lang ngoài.
Mặt đứng hai lớp.
Tường hoặc mái có lớp cách nhiệt.
Bề mặt mái có khả năng phản xạ nhiệt phù hợp.
Khoảng không thông gió dưới mái.
Cây bóng mát được bố trí đúng vị trí.

Hình thức che nắng phải được tính theo hướng và góc chiếu. Lam ngang có thể hiệu quả với nắng góc cao nhưng không phải lúc nào cũng xử lý tốt nắng xiên góc thấp. Với mặt đứng Đông hoặc Tây, giải pháp thường cần chiều sâu lớn hơn, lam đứng, lớp đệm hoặc sự kết hợp của nhiều lớp bảo vệ.

Điểm quan trọng là che nắng phải được xem là một bộ phận kiến trúc ngay từ đầu, không phải phụ kiện gắn thêm sau khi ngôi nhà đã bị nóng.

2. Thông gió xuyên phòng

Thông gió xuyên phòng được hình thành khi không khí đi vào qua một phía và thoát ra ở một phía khác của không gian.

Theo thuật ngữ của ASHRAE, đây là hình thức thông gió tự nhiên có cửa cấp và cửa thoát nằm ở các phía đối diện hoặc khác nhau của khu vực được thông gió. Dòng khí chủ yếu được thúc đẩy bởi chênh lệch áp suất gió trên các mặt đứng.

Để thông gió xuyên phòng hoạt động tốt, cần xem xét:

Hướng gió thực tế.
Vị trí và kích thước cửa vào.
Vị trí cửa thoát.
Độ sâu của phòng.
Các vách ngăn cản luồng khí.
Khả năng điều chỉnh cửa theo thời tiết.
Mức độ an toàn và riêng tư.

Cửa lớn không đồng nghĩa chắc chắn có gió tốt. Nếu cửa vào và cửa thoát bố trí sai vị trí, dòng khí có thể chỉ đi qua một góc nhỏ rồi thoát ra ngoài, trong khi khu vực giường ngủ hoặc bàn làm việc vẫn bí.

Thông gió tự nhiên giúp trao đổi không khí và tăng chuyển động của không khí quanh cơ thể. Nhờ đó, người sử dụng có thể cảm thấy dễ chịu hơn ngay cả khi nhiệt độ không khí không giảm đáng kể.

Đây là điểm cần diễn đạt chính xác: gió thường làm giảm nhiệt độ cảm nhận nhiều hơn là trực tiếp làm giảm nhiệt độ không khí trong phòng.

Trong điều kiện ngoài trời quá nóng, độ ẩm rất cao, ô nhiễm, tiếng ồn hoặc không có gió, thông gió tự nhiên có thể không đủ để duy trì tiện nghi. Hướng dẫn của WBDG cũng lưu ý rằng tại khí hậu nóng ẩm, công trình có thể vẫn cần làm mát cơ khí; giải pháp phù hợp thường là thiết kế mở kết hợp thông gió tự nhiên với hệ thống cơ điện khi cần thiết.

Vì vậy, KINH BAN không xem điều hòa là “đối thủ” của kiến trúc xanh. Vấn đề nằm ở chỗ công trình có phụ thuộc vào điều hòa ngay cả trong những thời điểm thời tiết dễ chịu hay không.

3. Thông gió nhờ chênh lệch nhiệt

Không khí nóng có xu hướng chuyển động lên cao. Khi công trình có cửa lấy gió thấp và cửa thoát khí cao, sự chênh lệch nhiệt độ và cao độ có thể hình thành dòng đối lưu.

Nguyên lý này có thể được khai thác thông qua:

Giếng trời có cửa thoát khí.
Khoảng thông tầng.
Cầu thang mở.
Mái thông gió.
Cửa chớp cao.
Khe thoát nhiệt tại đỉnh công trình.

Tuy nhiên, giếng trời không mặc nhiên là giải pháp làm mát.

Một giếng trời bị phủ kính kín, không có đường thoát khí và nhận nắng trực tiếp có thể trở thành buồng tích nhiệt. Khí nóng bị giữ lại, truyền sang các phòng xung quanh và khiến điều hòa phải hoạt động nhiều hơn.

Do đó, giếng trời sinh khí hậu phải được thiết kế như một hệ thống hoàn chỉnh gồm lấy sáng, che mưa, che nắng, lấy gió, thoát khí và kiểm soát an toàn.

4. Khoảng đệm và lớp vỏ nhiều tầng

Hàng hiên trong kiến trúc truyền thống Việt Nam là một ví dụ điển hình của khoảng đệm khí hậu.

Không gian này không hoàn toàn thuộc bên trong, cũng không hoàn toàn thuộc bên ngoài. Nó tạo vùng chuyển tiếp giúp giảm nắng, hạn chế mưa tạt và làm dịu thay đổi nhiệt độ trước khi tác động đến phòng ở.

Trong kiến trúc hiện đại, khoảng đệm có thể là:

Logia sâu.
Hành lang ngoài.
Sân trong có bóng râm.
Ban công.
Lớp mặt đứng thứ hai.
Vườn bán ngoài trời.
Khoảng lùi giữa lam và vách kính.

Lớp vỏ “biết thở” thường được tạo nên từ gạch thông gió, lam, lưới kim loại, cửa chớp hoặc kết cấu hai lớp. Nó vừa lọc bớt bức xạ, vừa cho phép ánh sáng và không khí đi qua có kiểm soát.

Tuy nhiên, một lớp vỏ mở phải được đánh giá cùng các vấn đề khác như mưa tạt, côn trùng, bảo trì, ăn mòn, an toàn cháy, tiếng ồn, bụi mịn và sự riêng tư.

Kiến trúc tốt không lựa chọn một lợi ích rồi bỏ quên năm rủi ro còn lại.

Kiến trúc sư KINH BAN đang phân tích mô hình nhà trên bàn làm việc. Màn hình hiển thị biểu đồ đường đi mặt trời, hoa gió và các vùng bức xạ trên mặt đứng. Các khu vực được đánh dấu gồm “Nắng chiều”, “Hướng gió chủ đạo”, “Vùng cần che nắng” và “Cửa thoát khí”. — Kiến trúc sư phân tích biểu đồ mặt trời và hoa gió trước khi thiết kế.

Ánh sáng tự nhiên phải đi cùng kiểm soát chói và nhiệt

Lấy sáng tự nhiên có thể làm giảm thời gian sử dụng đèn và tạo mối liên hệ tốt hơn giữa con người với môi trường bên ngoài.

Nhưng đưa thật nhiều kính vào công trình chưa chắc tạo ra chất lượng ánh sáng tốt.

Một không gian có thể rất sáng nhưng đồng thời bị:

Chói trên màn hình.
Nóng cục bộ gần cửa kính.
Tương phản sáng tối quá mạnh.
Phai màu vật liệu nội thất.
Tăng tải điều hòa.
Mất riêng tư.

Thiết kế ánh sáng tự nhiên vì vậy phải kiểm soát cả lượng sáng, hướng sáng, độ sâu chiếu sáng và bức xạ đi kèm.

Các giải pháp có thể gồm mái hắt, lam phản xạ ánh sáng, rèm ngoài, cửa sổ cao, bề mặt nội thất có độ phản xạ phù hợp và cách tổ chức không gian theo thời gian sử dụng.

WBDG cũng lưu ý rằng cửa sổ và giải pháp lấy sáng cần được xem xét đồng thời với thông gió, tầm nhìn, chói sáng và vùng nhiệt nóng gần bề mặt kính.

Vật liệu trong kiến trúc sinh khí hậu

Không có một vật liệu nào tự thân phù hợp với mọi vùng khí hậu.

Hiệu quả của vật liệu phụ thuộc vào vị trí sử dụng, cấu tạo lớp vỏ và cách công trình vận hành.

Một số tiêu chí cần đánh giá gồm:

Hệ số truyền nhiệt.
Khả năng tích nhiệt.
Độ trễ truyền nhiệt.
Khả năng phản xạ bức xạ.
Độ bền trong môi trường ẩm.
Khả năng chống thấm.
Phát thải chất hữu cơ bay hơi.
Tuổi thọ và khả năng bảo trì.
Nguồn gốc vật liệu.
Khả năng tái sử dụng hoặc tái chế.

Ví dụ, vật liệu có khối lượng nhiệt lớn có thể hữu ích tại nơi có chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm rõ rệt. Nhưng trong môi trường nóng ẩm, nếu khối vật liệu liên tục hấp thụ nhiệt mà không có cơ chế xả nhiệt ban đêm, nó có thể giữ nóng lâu hơn mong muốn.

Tương tự, kính hiệu suất cao có thể hỗ trợ giảm nhiệt truyền qua, nhưng không thay thế được hoàn toàn che nắng bên ngoài. Xử lý bức xạ trước khi nó xuyên qua kính thường hiệu quả hơn việc chỉ dựa vào thông số của kính.

Kiến trúc sinh khí hậu không đồng nghĩa với loại bỏ công nghệ

Một quan niệm cực đoan cho rằng công trình sinh khí hậu phải hoàn toàn không sử dụng điều hòa.

Điều này không thực tế với nhiều loại công trình tại đô thị Việt Nam.

Nhà ở gần đường lớn có thể không thể mở cửa liên tục vì bụi và tiếng ồn. Văn phòng có mật độ người cao cần kiểm soát không khí tươi. Những ngày nắng nóng cực đoan hoặc độ ẩm cao kéo dài có thể vượt khỏi vùng tiện nghi mà giải pháp thụ động đơn thuần có thể đáp ứng.

Phương án hợp lý hơn là vận hành hỗn hợp:

Mở tự nhiên khi điều kiện ngoài trời phù hợp.
Dùng quạt để tăng chuyển động không khí.
Sử dụng điều hòa theo vùng thay vì làm lạnh toàn bộ công trình.
Kiểm soát độ ẩm khi cần.
Kết hợp cảm biến và hệ thống điều khiển phù hợp.
Hạn chế thất thoát năng lượng khi điều hòa hoạt động.

Các nghiên cứu mô phỏng cũng cho thấy chiến lược kết hợp thông gió tự nhiên với điều hòa có thể cải thiện hiệu quả năng lượng mà vẫn duy trì tiện nghi trong nhiều điều kiện sử dụng.

Kiến trúc xanh không phủ nhận kỹ thuật hiện đại. Nó đặt kỹ thuật đúng vị trí: hỗ trợ kiến trúc, không sửa chữa những sai lầm cơ bản của kiến trúc.

Công trình xanh phải chứng minh bằng hiệu quả vận hành

Infographic chia đôi. Bên trái là mặt bằng có cửa vào và cửa thoát bố trí hợp lý, luồng gió đi qua giường ngủ, khu sinh hoạt và thoát ra ngoài. Bên phải có hai cửa nhưng đặt gần nhau, luồng gió đi tắt ở một góc, phần lớn căn phòng vẫn bí. Dùng mũi tên xanh thể hiện gió và vùng đỏ nhạt thể hiện nơi tích nhiệt. — So sánh bố trí thông gió xuyên phòng đúng và sai.

Theo Kiến Trúc KINH BAN,https://kientruckinhban.vn/thu-vien/kien-truc-xanh giá trị của kiến trúc sinh khí hậu không nằm ở số lượng cây được đưa lên mặt đứng hay những thuật ngữ xanh xuất hiện trong hồ sơ giới thiệu.

Giá trị phải được thể hiện qua cách công trình vận hành:

Không gian có giảm nắng nóng hay không?
Không khí có lưu thông đến vùng con người sử dụng hay không?
Ánh sáng có đủ nhưng không gây chói hay không?
Độ ẩm và nguy cơ nấm mốc có được kiểm soát hay không?
Người sử dụng có thể giảm thời gian bật điều hòa hay không?
Giải pháp có dễ vệ sinh và bảo trì sau nhiều năm hay không?
Vật liệu có phù hợp với điều kiện địa phương hay chỉ đẹp khi mới hoàn thiện?

KINH BAN theo đuổi một cách hiểu rõ ràng:Cây xanh là một thành phần của kiến trúc xanh. Nhưng tư duy khí hậu mới là nền móng của kiến trúc xanh.

Một công trình tốt không chống lại thiên nhiên bằng năng lượng vô hạn. Nó quan sát, lựa chọn, điều tiết và cộng tác với các điều kiện tự nhiên.

Đó cũng là lý do quá trình thiết kế cần bắt đầu từ địa điểm, con người và dữ liệu vận hành, thay vì bắt đầu bằng một hình thức có sẵn

Kiến trúc sinh khí hậu không phải trào lưu mới, mà là sự trở lại với nguyên tắc căn bản của nghề kiến trúc: xây dựng một nơi ở phù hợp với khí hậu và con người.

Trong bối cảnh nhiệt độ đô thị gia tăng, nhu cầu làm mát ngày càng lớn và chi phí năng lượng trở thành gánh nặng dài hạn, thiết kế thụ động không còn là lựa chọn mang tính trang trí. Nó là một lớp hạ tầng quan trọng của chất lượng sống.

Một công trình sinh khí hậu tốt không nhất thiết gây ấn tượng bằng hình thức phô trương.

Nó được nhận ra vào một buổi trưa nắng khi căn nhà vẫn dễ chịu; vào một ngày mưa khi không gian vẫn thông thoáng; và sau nhiều năm sử dụng khi năng lượng, vật liệu và sức khỏe của người ở vẫn được bảo vệ.

Đó là kiến trúc xanh từ gốc.