Giải pháp kiến trúc nào giúp giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị?

Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị là gì?

Hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” – urban heat island (UHI), được định nghĩa là hiện tượng mà tại cùng thời điểm, nhiệt độ trung bình ở khu vực phát triển đô thị với nhiều công trình nhân tạo cao hơn ở khu vực công viên và nông thôn có môi trường tự nhiên xung quanh (EPA, 2008a). Hiện tượng tăng nhiệt độ cục bộ này tạo nên một khu vực trung tâm như một “ốc đảo” có nhiệt độ cao hơn các nơi khác nên được gọi là “đảo nhiệt đô thị”.

Về cốt lõi, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị mô tả hiện tượng các khu vực đô thị hóa trải qua nhiệt độ cao hơn các khu vực nông thôn xa xôi, cả vào ban ngày và ban đêm.

Về mặt kỹ thuật, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị là do có quá nhiều bề mặt tối màu hấp thụ và giải phóng một phần lớn năng lượng nhiệt của mặt trời, kết hợp với việc thiếu không gian xanh.

Điều gì gây ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị?

Đảo nhiệt đô thị được gây ra bởi nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm:

Vật liệu đô thị

Cảnh quan thành phố đô thị truyền thống có sự tập trung cao độ của vật liệu xây dựng có màu tối (nhựa đường, thép, gạch, v.v.) và các thành phần không phản chiếu nhưng hấp thụ năng lượng mặt trời suốt cả ngày và dần dần tái phát ra năng lượng nói trên vào ban đêm.

Thiếu cảnh quan thiên nhiên

Đảo nhiệt đô thị phần lớn là do thiếu cảnh quan thực vật tự nhiên có thể giúp điều hòa nhiệt độ bằng cách tạo bóng mát, thoát nước từ lá cây hoặc làm bốc hơi nước bề mặt từ hồ, ao, sông, suối và các vùng nước khác.

Nhiệt thải

Nhiệt thải được tạo ra do các hoạt động của con người như hoạt động của phương tiện, máy điều hòa không khí và các tòa nhà nói chung cũng góp phần gây ra nhiệt thải này.

Hình học đô thị

Cách các tòa nhà được sắp xếp và bố trí trong thành phố cũng có thể dẫn đến hiện tượng đảo nhiệt đô thị, vì chúng ảnh hưởng đến luồng gió và quyết định lượng vật liệu đô thị hấp thụ và tái phát năng lượng mặt trời; Ví dụ, các thành phố có nhiều tòa nhà cao tầng và đường phố chật hẹp tạo ra các “hẻm núi đô thị” cản gió và hạn chế khả năng giải phóng nhiệt hiệu quả của các tòa nhà.

Thời tiết địa phương

Các kiểu thời tiết ở địa phương cũng ảnh hưởng đến việc tạo ra các đảo nhiệt đô thị; điều kiện thời tiết trong lành, yên tĩnh khuyến khích nhiệt độ cực cao bằng cách tối đa hóa sự hấp thụ năng lượng mặt trời và giảm thiểu lượng nhiệt có thể bị mang đi, trong khi gió mạnh và bầu trời u ám giúp ngăn cản sự hình thành đảo nhiệt.

Biến đổi khí hậu

Theo Báo cáo đánh giá lần thứ sáu của IPCC từ năm 2022, mặc dù bản thân biến đổi khí hậu không phải là nguyên nhân trực tiếp gây ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, nhưng nó làm tăng mức độ nghiêm trọng của nó. Các hiện tượng nắng nóng cực độ như sóng nhiệt đang gia tăng cả về mức độ nghiêm trọng và tần suất xung quanh toàn cầu do biến đổi khí hậu do con người gây ra, làm trầm trọng thêm các điều kiện của đảo nhiệt đô thị hiện tại và khiến hàng triệu người có nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến nhiệt cao hơn.

Ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

Tăng cường sử dụng năng lượng

Điều hòa không khí thường được sử dụng để giữ cho các tòa nhà mát mẻ. Tuy nhiên, điều hòa không khí tiêu thụ rất nhiều điện và tạo ra nhiều nhiệt hơn trong quá trình làm mát một khu vực. Khi nhiệt độ tăng lên, nhu cầu về điều hòa không khí cũng tăng theo, đặc biệt khi hầu hết các tòa nhà không được thiết kế để tự thông gió thụ động.

Nhu cầu điện tăng lên không chỉ dẫn đến chi phí vận hành cao hơn mà còn có thể làm quá tải lưới điện thành phố và khiến các khu vực thành thị bị mất điện trong thời gian cao điểm, làm tăng đáng kể nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến nhiệt. Điều này đã buộc nhiều nhà cung cấp dịch vụ tiện ích ở các đảo nhiệt đô thị phải tiến hành cắt điện luân phiên hoặc cắt giảm điện năng tạm thời để tránh mất điện toàn bộ và lâu dài.

Hầu hết các khu vực đô thị tạo ra phần lớn năng lượng bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Nhu cầu điện ngày càng tăng này góp phần làm tăng nhiệt độ toàn cầu và làm xấu đi hiệu ứng đảo nhiệt đô thị.

Chất lượng không khí kém hơn

Một trong những tác động bị bỏ qua nhất của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị là ảnh hưởng của nó đến chất lượng không khí ngoài trời và ô nhiễm không khí. Nhiệt độ cực cao khiến các chất ô nhiễm như carbon monoxide, nitơ dioxide và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tích tụ trong đêm ở nồng độ cao, làm xấu đi quá trình sản xuất ozone trên mặt đất - một hợp chất vô cơ được coi là chất gây ô nhiễm vào ngày hôm sau.

Tiếp xúc với ozone ở mức độ cao có thể gây ho, khó thở, đau đầu và có dịch ở ngực, nếu tiếp xúc lâu dài sẽ làm tăng nguy cơ phát triển bệnh hen suyễn và các tình trạng hô hấp khác.

Ngoài ra, các nhà máy điện được yêu cầu phải làm việc nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu điện, dẫn đến phát thải khí nhà kính nhiều hơn, làm giảm chất lượng không khí ở các thành phố. Chất lượng không khí kém cũng có thể gây ra các vấn đề về hô hấp do các hạt bụi mịn, gây mưa axit có hại và đẩy nhanh quá trình hình thành tầng ozone trên mặt đất. Không khí xấu có thể gây ra nhiều vấn đề có hại cho các thành phố.

Tăng tình trạng các bệnh liên quan đến nhiệt

Khi nhiệt độ của không gian đô thị tăng lên, nguy cơ đột quỵ, chuột rút, kiệt sức, khó thở và thậm chí tử vong liên quan đến nhiệt cũng tăng theo. Trong năm 2022, tình trạng nắng nóng cực độ nguy hiểm ở Mỹ đã khiến 1.700 người chết vì các biến chứng liên quan đến nhiệt.

Giảm sức khỏe hệ sinh thái

Đảo nhiệt đô thị cũng có tác động tiêu cực đến sức khỏe hệ sinh thái, đặc biệt là khi nói đến sức khỏe của các vùng nước gần đó. Mái nhà nóng và bề mặt lát gạch nhanh chóng truyền nhiệt dư thừa sang nước mưa, sau đó thoát vào cống thoát nước trước khi đổ ra hồ, ao, suối và sông.

Nước mưa ấm lên này làm cho nhiệt độ môi trường xung quanh các vùng nước đô thị tăng lên trong một khung thời gian tương đối ngắn. Sự biến động nhiệt độ nhanh như vậy đặc biệt gây căng thẳng cho các sinh vật dưới nước và có thể gây sốc, thậm chí làm cá chết hàng loạt, dẫn đến giảm đa dạng sinh học của hệ sinh thái.

Những thay đổi nhiệt độ nhỏ do UHI gây ra cũng có thể có tác động tàn phá đến đời sống thủy sinh. Nó có thể đẩy nhanh sự phát triển và sinh sản của vi khuẩn, tảo và các loài khác gây tử vong cho cá và các sinh vật thủy sinh khác. Hệ sinh thái không cân bằng có thể gây ra những tác động xấu đến chất lượng nước.

Làm thế nào để ngăn chặn hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

Dưới đây là một số phương pháp giúp giảm thiểu, đảo ngược và ngăn chặn hiệu ứng đảo nhiệt đô thị:

Đầu tư vào cơ sở hạ tầng xanh

Một cách khác mà các thành phố có thể giúp giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt là đầu tư vào mái nhà xanh, tường sống và mặt tiền xanh hay còn được gọi là cơ sở hạ tầng xanh cho cả công trình xây dựng mới và công trình hiện có.

Những mái nhà xanh

Theo EPA, mái nhà xanh hoặc mái nhà có lớp thực vật sẽ giúp loại bỏ nhiệt từ không khí và có thể mát hơn từ 30 đến 40℉ so với mái nhà thông thường, giảm nhiệt độ môi trường toàn thành phố tới 5℉. Điều này chủ yếu nhờ vào khả năng làm mát không khí một cách tự nhiên của thực vật khi chúng giải phóng hơi ẩm bị giữ lại từ lá - quá trình thoát hơi nước.

Mái nhà xanh cũng giúp điều chỉnh nhiệt độ bên trong một cách thụ động, giảm mức sử dụng điều hòa không khí của tòa nhà tới 75%. Một số thành phố bền vững nhất thế giới như Copenhagen đã nhận ra lợi ích của mái nhà xanh và ban hành các chính sách mái nhà xanh bắt buộc đối với tất cả các tòa nhà mới và hiện có.

Không gian xanh và cây che phủ trên mặt đất

Các không gian xanh trên mặt đất như công viên, vườn và môi trường sống tự nhiên cũng giúp làm mắt không khí thông qua quá trình thoát hơi nước của thực vật. Ngoài ra, trồng cây dọc theo đường và vỉa hè có thêm lợi ích là cung cấp bóng mát tới người đi bộ và bề mặt tòa nhà.

Đối với các thành phố ở vùng khí hậu có nhiệt độ khắc nghiệt, nên trồng cây rụng lá vì cây rụng lá trong mùa đông cho phép các tòa nhà trên đường phố và mặt tiền cửa hàng được hưởng lợi từ năng lượng nhiệt của mặt trời, giảm tải nhiệt.

Mái nhà màu sáng và trắng

Mái bê tông sáng màu và mái trắng có độ phản chiếu cao và khả năng hấp thụ nhiệt thấp, đồng thời có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ bề mặt và nhu cầu làm mát trong nhà. Điển hình như kiến trúc đảo truyền thống của Hy Lạp, khuyến khích mọi người sơn nhà màu trắng. Màu sáng sẽ phản chiếu tia nắng tốt hơn và giữ cho nội thất mát hơn.

Đo sự thay đổi nhiệt độ

Cách tốt nhất để xây dựng chiến lược giúp giảm tác động của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị là đo lường mức độ thay đổi nhiệt độ trong thành phố. Các thành phố bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, chẳng hạn như Zurich, đang sử dụng các công cụ thu thập dữ liệu có độ chính xác cao để hiểu những thay đổi về nhiệt độ và thời tiết đang ảnh hưởng đến các khu vực thành thị. Hệ thống này có thể tạo ra các bản đồ và mô hình chi tiết, đồng thời sử dụng công nghệ AI để tham chiếu chéo dữ liệu với các kiểu thời tiết trong lịch sử để làm nổi bật những thay đổi mạnh mẽ và đáng lo ngại.

Tại Zurich, hệ thống phát hiện ra rằng những ngày nắng nóng và các đợt nắng nóng đang trở nên thường xuyên hơn trong thành phố. Do đó, các nhà quy hoạch đô thị hiện đã cân nhắc nhiều hơn đến việc thích ứng với khí hậu khi phát triển các khu vực mới của thành phố.

Thiết kế với nước

Nước là một trong những cách hiệu quả nhất để làm mát môi trường đô thị. Thiết kế sử dụng nước có thể bao gồm các vùng nước tự nhiên hoặc vùng nước nhân tạo như: đài phun nước, ao, công nghệ làm mát bay hơi đô thị, hệ thống phun sương.... Các thiết kế sử dụng nước ở các khu đô thị là điều cần thiết cho sức khỏe của lớp phủ xanh đô thị.