Liệu các chiến lược thiết kế thụ động có thực sự giảm lượng khí thải carbon hiệu quả không?

Kiến trúc không nên tách rời khỏi môi trường, và các nguyên tắc thiết kế hợp lý luôn hướng đến việc tối ưu hóa hiệu suất sinh khí hậu của một tòa nhà. Khi hiện đại hóa và tiến bộ công nghệ phát triển, chúng ta đã có khả năng điều chỉnh hiệu suất này một cách nhân tạo, phần nào tách biệt tòa nhà khỏi môi trường tự nhiên của nó. Tuy nhiên, cuộc khủng hoảng môi trường hiện nay đã nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết phải xem xét lại và thúc đẩy cái mà chúng ta hiện gọi là "thiết kế thụ động". Về bản chất, thiết kế thụ động phù hợp với kiến trúc sinh khí hậu, tận dụng các điều kiện tự nhiên để điều chỉnh nhiệt độ và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà. Đảm bảo sự thoải mái về môi trường là một yếu tố quan trọng trong hiệu quả tổng thể của một tòa nhà, và xét đến tính cấp thiết của tính bền vững và tái tạo môi trường, câu hỏi then chốt mà lĩnh vực kiến trúc và các bên liên quan đang phải đối mặt là: Liệu thiết kế thụ động có thể giảm thiểu hiệu quả lượng khí thải carbon của con người hay không?

Thiết kế thụ động là một phương pháp tiếp cận dựa trên việc khai thác các điều kiện tự nhiên để giảm nhu cầu kiểm soát khí hậu nhân tạo hoặc cơ học. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa bố cục, vật liệu, không gian mở và hướng của tòa nhà để tận dụng tối đa các yếu tố tự nhiên, từ đó nâng cao sự thoải mái cho môi trường. Việc áp dụng các chiến lược này giúp từng tòa nhà thân thiện hơn với môi trường và giảm đáng kể tổng mức tiêu thụ năng lượng khi được áp dụng rộng rãi.

Nguyên tắc cơ bản của thiết kế thụ động bao gồm việc lựa chọn các khoảng hở cho phép ánh sáng mặt trời chiếu vào trong những tháng lạnh và thông gió trong điều kiện khí hậu nóng. Cần lưu ý rằng ngành xây dựng được xếp vào nhóm ngành đóng góp đáng kể vào lượng khí thải CO2, với việc sản xuất nguyên liệu thô chiếm một phần đáng kể trong lượng khí thải này. Khái niệm "dấu chân carbon" đo lường lượng khí thải được tạo ra trong suốt vòng đời của bất kỳ thực thể nào, dù là sinh vật sống hay vật thể vô tri, góp phần gây ra tác động môi trường lên hành tinh của chúng ta.

Ngành xây dựng phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu sản xuất và chế biến, gây ra tác động đáng kể đến môi trường, thường không mang lại lợi ích tương xứng. Các lĩnh vực kiến thức liên quan đến ngành này cần phát triển các kỹ thuật và vật liệu thân thiện với môi trường hơn. Các chiến lược như sử dụng vật liệu đúc sẵn, tái sử dụng vật liệu thải và tìm nguồn tài nguyên địa phương nên là một phần không thể thiếu trong nỗ lực giảm thiểu tác động môi trường lên hành tinh của chúng ta.

Thiết kế thụ động có tác động tích cực đến môi trường bằng cách giảm nhu cầu sử dụng các hệ thống HVAC chủ động, vốn phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên hữu hạn, không tái tạo. Đáng chú ý, hệ thống sưởi ấm và điện chiếm khoảng 19% lượng khí thải nhà kính gián tiếp . Do đó, việc áp dụng các nguyên tắc thiết kế thụ động có thể giảm đáng kể tỷ lệ phát thải này. Khi chúng ta giảm sự phụ thuộc vào điện và hệ thống sưởi ấm môi trường, chúng ta sẽ giảm bớt gánh nặng cho các hệ thống này. Kết quả là, việc giảm nhu cầu này dẫn đến việc sử dụng ít nhiên liệu hóa thạch hơn, nguồn năng lượng chính để sản xuất và cung cấp các dịch vụ này.

Thông gió chéo là một phương pháp thụ động để điều hòa không khí tự nhiên. Vị trí xây dựng tòa nhà nên xem xét các điều kiện tại chỗ, chẳng hạn như khai thác luồng gió thịnh hành trong những tháng hè nóng nực để tận dụng tối đa kỹ thuật này. Ngoài ra, các lỗ thông gió được bố trí chiến lược gần trần nhà đóng vai trò là lối thoát cho luồng khí nóng tích tụ gần các khu vực phía trên, giúp giảm nhiệt độ trong nhà một cách hiệu quả. Ánh nắng mặt trời, tức là sự tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, hoạt động theo nguyên lý tương tự. Nó bao gồm việc căn chỉnh hướng của tòa nhà với mặt đất để đảm bảo ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào, đặc biệt là trong những mùa lạnh như mùa đông. Điều quan trọng nữa là phải tính đến cách ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến vật liệu xây dựng. Những vật liệu này phải có quán tính nhiệt tương thích với hiệu ứng mong muốn, nghĩa là chúng có thể hấp thụ nhiệt vào ban ngày và giải phóng dần vào ban đêm, hoặc tạo điều kiện cho các quá trình trao đổi nhiệt này.

Bên cạnh các chiến lược sinh khí hậu tập trung vào cách chúng ta sử dụng và chiếm dụng không gian xây dựng, một phần đáng kể lượng khí thải nhà kính có liên quan đến việc sản xuất vật liệu xây dựng. Ví dụ, việc sản xuất xi măng và thép liên quan đến việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Do đó, việc ưu tiên các nỗ lực nghiên cứu và phát triển để tạo ra các giải pháp thay thế bền vững và có thể tái tạo cho các vật liệu như xi măng và thép là vô cùng cấp thiết. Mái nhà xanh là một thành phần thiết yếu của hệ thống xây dựng, hài hòa liền mạch với thiết kế thụ động. Hơn nữa, việc tạo ra vật liệu xây dựng sử dụng chất thải làm nguyên liệu thô chính và đảm bảo khả năng tái chế giúp các vật liệu này tiến gần hơn đến vòng đời tự nhiên, bao gồm cả việc xử lý có trách nhiệm với môi trường.

Những nỗ lực ưu tiên thiết kế thụ động phụ thuộc vào cách tiếp cận của kiến trúc sư, lý tưởng nhất là ngay từ khi bắt đầu dự án. Một minh họa nổi bật là kiến trúc sư người Brazil João Filgueiras Lima, còn được gọi là Lelé. Ông được công nhận vì sử dụng rộng rãi các chiến lược sinh khí hậu, đặc biệt chú trọng đến việc tối ưu hóa thông gió, sử dụng vật liệu tiết kiệm chi phí và thực hiện các biện pháp quản lý chất thải hiệu quả trong quá trình xây dựng và sản xuất. Việc ông sử dụng rộng rãi các phương pháp xây dựng đúc sẵn đã đẩy nhanh quá trình xây dựng trong khi vẫn duy trì môi trường làm việc sạch hơn. Ngoài ra, Lelé đã kết hợp hệ thống thông gió chéo, đôi khi được tạo điều kiện thông qua quạt hút và ống dẫn, như một ứng dụng thiết kế thụ động, nâng cao hiệu quả chi phí lâu dài của các tòa nhà. Đặc biệt trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe, việc tích hợp các hệ thống điều hòa không khí tự nhiên cũng làm giảm nguy cơ lây truyền bệnh tật và nhiễm trùng.

Tính bền vững lâu dài là một khái niệm được kiến trúc sư William McDonough, một nhân vật nổi bật trong kiến trúc "từ nôi đến nôi", ủng hộ mạnh mẽ. McDonough kiên định ủng hộ việc bù đắp sinh thái trong các dự án của mình, minh họa cho phương pháp tiếp cận "không phát thải ròng" (net-zero) nhằm giảm thiểu tác động môi trường của các công trình xây dựng mới. Một ví dụ minh họa từ năm 1989 là việc McDonough chiến thắng một cuộc thi ở Ba Lan về một tòa tháp thương mại. Bên cạnh thiết kế tòa nhà, kiến trúc sư còn quy định diện tích cây xanh là 26 km2, một biện pháp nhằm bù đắp năng lượng tiêu thụ trong quá trình xây dựng và vận hành tòa nhà.

Khi kết hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo, thiết kế thụ động cải thiện đáng kể hiệu suất của tòa nhà. Nó giúp công trình tự chủ hơn về mặt năng lượng, và trong trường hợp các biện pháp thụ động đơn thuần không đủ, các nguồn năng lượng sạch hơn có thể bổ sung nhu cầu. Đáng chú ý, theo Liên Hợp Quốc , bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái Đất vượt quá nhu cầu điện năng của con người, cho thấy một cách sống thoải mái và có trách nhiệm hơn với môi trường. Trong suốt vòng đời của một tòa nhà, thiết kế thụ động cũng giảm thiểu nhu cầu bảo trì vì ít phụ thuộc vào điều hòa không khí nhân tạo hơn. Điều này, đến lượt nó, giảm thiểu khả năng gián đoạn cơ sở hạ tầng và hệ thống của tòa nhà, mang lại lợi ích cho cả người sử dụng và nhà thầu xây dựng.

Mặc dù thiết kế thụ động rất có giá trị, nhưng bản thân nó có thể không giải quyết được mọi khía cạnh của một dự án. Mặc dù tập trung đáng kể vào việc tối ưu hóa thiết kế và định hướng mặt tiền, các dự án xây dựng mới thường bị ảnh hưởng bởi các công trình lân cận và các quy định đô thị, có thể đặt ra những hạn chế, tiềm ẩn nguy cơ hạn chế vị trí xây dựng lý tưởng. Ngoài ra, sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu đang gia tăng ảnh hưởng đến hiệu quả của các chiến lược thiết kế thụ động truyền thống. Khi điều kiện khí hậu ngày càng thất thường và bất định, việc chỉ dựa vào thiết kế thụ động không phải lúc nào cũng có thể giải quyết hiệu quả các thách thức về thời tiết khắc nghiệt. Do đó, việc khám phá các phương pháp thiết kế và xây dựng có tính đến các yếu tố môi trường và giảm thiểu tác động của con người lên hành tinh là vô cùng cấp thiết. Điều này bao gồm việc đánh giá các nguồn năng lượng được sử dụng, nâng cao hiệu suất xây dựng và tích hợp tất cả các yếu tố này một cách chặt chẽ trong dự án.

Điều quan trọng là phải nhận thức rằng thiết kế thụ động chỉ là một yếu tố trong một hệ thống rộng lớn hơn, góp phần tạo nên kiến trúc thân thiện với môi trường và tái tạo. Hiểu biết và tận dụng các điều kiện tự nhiên là kiến thức nền tảng cho những người tham gia xây dựng. Việc xem xét các vật liệu được sử dụng trong dự án, cơ sở hạ tầng đô thị hỗ trợ công trình và vị trí của nó trong thành phố cũng quan trọng không kém. Về bản chất, đây là vấn đề quy mô. Các biện pháp riêng lẻ rất quan trọng vì chúng cho thấy sự thay đổi trong cách tiếp cận, nhưng xét đến tác động đáng kể của hoạt động con người đến môi trường, những nỗ lực chung của chúng ta phải tương xứng với quy mô của những thách thức mà chúng ta đang phải đối mặt.