Thiết kế Nhà thụ động: Giải pháp hướng tới xây dựng bền vững

Nhà thụ động là gì?

Nhà thụ động - tiêu chuẩn lần đầu tiên được tiên phong bởi Tiến sĩ Wolfgang Feist vào những năm 1980 ở Đức. Ông là người đặt nền tảng cho việc tạo ra các tòa nhà tiết kiệm năng lượng cao thông qua năm nguyên tắc cơ bản: cách nhiệt; cửa sổ hiệu quả cao; thông gió thu hồi nhiệt; độ kín khí; và thiết kế miễn phí cầu nhiệt. Ngày nay, khái niệm này đã phát triển thành một trong những tiêu chuẩn xây dựng khắt khe nhất trên thế giới, đưa ra lộ trình cắt giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính và đạt được mức phát thải ròng bằng 0.

Trong kiến trúc, thuật ngữ “nhà thụ động” dùng để chỉ một bộ tiêu chuẩn và nguyên tắc xây dựng tự nguyện nhằm tìm cách tối đa hóa việc sử dụng các chiến lược xây dựng thụ động để vừa giảm mức sử dụng năng lượng của cấu trúc vừa mang lại môi trường trong nhà thoải mái quanh năm.

Thiết kế nhà thụ động thường sử dụng ít năng lượng hơn 80% so với các nhà thông thường để sưởi ấm và làm mát. Nguyên tắc thiết kế này áp dụng cho bất kỳ loại công trình nào, từ trường học, bệnh viện đến trung tâm cộng đồng. Nói một cách đơn giản, nhà thụ động được thiết kế để tối ưu hóa sức khỏe và phúc lợi của những người bên trong, đồng thời tiêu thụ rất ít năng lượng.

Khác với các phương pháp xây dựng bền vững, được đánh giá cao khác như LEED, nhà thụ động là một tiêu chuẩn dựa trên hiệu suất, trực tiếp giải quyết vấn đề sử dụng năng lượng. Nó tạo ra các mức hiệu suất có thể kiểm tra được của các bức tường bên ngoài của cấu trúc và do đó mức năng lượng có thể định lượng và kiểm chứng được.

Phius (Viện Nhà thụ động Hoa Kỳ) được coi là một trong những đóng góp nổi bật của phong trào nhà thụ động. Họ đang tìm cách thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu quả năng lượng thông qua phương pháp chứng nhận. Phius nổi bật nhờ tích hợp các nguyên tắc xây dựng thụ động với khả năng tối ưu hóa chi phí và đặc thù khí hậu. Nhờ vậy, các tòa nhà thể hiện sự cân bằng giữa tiết kiệm chi phí, hiệu quả sử dụng năng lượng và khả năng phục hồi môi trường, thúc đẩy môi trường bên trong thoải mái và lành mạnh.

So với các chứng nhận xây dựng bền vững khác, Phius đưa ra các biện pháp cụ thể cho các tòa nhà thụ động, chẳng hạn như độ kín khí và tiện nghi nhiệt. Nhưng khía cạnh nổi bật nhất của Phius là nhấn mạnh vào quan niệm về các tòa nhà giảm nhu cầu năng lượng ngay từ những bước thiết kế ban đầu nhằm tạo nền tảng vững chắc để đạt được trạng thái năng lượng bằng không. Điều này giúp các dự án có thể tiết kiệm năng lượng nhiều hơn từ 40% đến 60% so với các tòa nhà thông thường và tiết kiệm được chi phí ban đầu.

Phius cũng ưu tiên khả năng thích ứng và khả năng phục hồi nhằm đảm bảo rằng các cấu trúc của các công trình có thể giữ nhiệt độ bên trong luôn thoải mái, ngay cả khi mất điện cũng như các hiện tượng khí hậu khắc nghiệt. Như vậy, khả năng phục hồi vốn có này làm giảm sự phụ thuộc vào mạng lưới điện, cải thiện tính bền vững của các tòa nhà trước những thách thức do biến đổi khí hậu gây ra.

Trường hợp của Forever House, một dự án hiện đại hóa tọa lạc tại Quận Westchester, New York là minh họa cho việc áp dụng thực tế các nguyên tắc Phius. Kiến trúc sư Christina Griffin đã chứng minh khả năng tồn tại của cuộc sống bền vững thông qua thiết kế bằng cách biến một ngôi nhà nhỏ kiểu nông thôn năm 1905 thành nguyên mẫu nhà ở tiết kiệm năng lượng, không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đáp ứng tiêu chuẩn Phius+ Source Zero.

Lợi ích của việc xây dựng theo tiêu chuẩn Nhà thụ động

Hiệu quả năng lượng và giảm chi phí vận hành

Các cấu trúc được xây dựng theo tiêu chuẩn nhà thụ động, về bản chất, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng nhất có thể. Hầu hết các tòa nhà được chứng nhận nhà thụ động chỉ sử dụng 10 đến 25% năng lượng so với các tòa nhà được xây dựng theo tiêu chuẩn thông thường cho nhu cầu sưởi ấm và làm mát.

Theo một nghiên cứu của Energy Saving Trust cho thấy các tòa nhà thụ động ở Anh có thể tiết kiệm năng lượng tới 90% so với các tòa nhà truyền thống. Hiệu quả sử dụng năng lượng được cải thiện này không chỉ tốt cho môi trường mà còn giúp giảm đáng kể chi phí vận hành suốt đời cho chủ sở hữu tòa nhà, cho phép họ có khả năng tiết kiệm khoản chi phí lớn mỗi năm trên hóa đơn tiền điện. Mặc dù chi phí ban đầu để xây dựng một ngôi nhà thụ động có thể cao hơn so với tòa nhà truyền thống nhưng việc tiết kiệm năng lượng lâu dài sẽ bù đắp được nhiều hơn.

Cải thiện chất lượng không khí trong nhà

Một trong những điểm nổi bật của thiết kế nhà thụ động là việc triển khai hệ thống thông gió hiệu quả cao, khi kết hợp với khả năng bịt kín không khí vượt trội, sẽ cải thiện đáng kể chất lượng không khí tổng thể môi trường trong nhà. Những yếu tố này giúp đảm bảo rằng các tòa nhà sẽ cung cấp đủ không khí lưu thông, duy trì độ ẩm ổn định và giảm thiểu sự xâm nhập của bụi bẩn, phấn hoa, bào tử nấm mốc hoặc vi khuẩn có thể gây ra các loại bệnh về đường hô hấp.

Bảo vệ môi trường

Vì các tiêu chuẩn nhà thụ động nhằm giảm đáng kể mức sử dụng điện của công trình và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng được tạo ra thông qua việc đốt nhiên liệu hóa thạch nên chúng cũng giúp ngăn chặn một lượng đáng kể khí thải GHG vào khí quyển.

Kết hợp với độ bền và tuổi thọ vượt trội, cấu trúc của các tòa nhà thụ động có tác động môi trường nhỏ hơn nhiều so với các tòa nhà được xây dựng theo tiêu chuẩn thông thường. Theo đó, Chính phủ Anh đã đặt mục tiêu khử cacbon trong nguồn cung nhà ở của đất nước vào năm 2050. Thiết kế nhà thụ động được coi là một phần quan trọng để đạt được mục tiêu này vì nó có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính của các tòa nhà.

Môi trường trong nhà thoải mái

Thiết kế theo tiêu chuẩn nhà thụ động còn có thêm lợi ích là tạo ra một môi trường trong nhà thoải mái, điều chỉnh nhiệt độ, luồng không khí và độ ẩm một cách tự nhiên và hiệu quả trong suốt cả năm mà không cần đến hệ thống cơ khí. Trong một cuộc khảo sát với những người sở hữu nhà thụ động ở Anh, hơn 80% cho biết mức độ thoải mái trong nhà của họ được cải thiện và 60% cho biết chất lượng không khí trong nhà được cải thiện.

Khả năng cách nhiệt và kín khí vượt trội của những ngôi nhà được chứng nhận nhà thụ động không chỉ đảm bảo sự thoải mái về nhiệt mà còn giúp cải thiện khả năng kiểm soát tiếng ồn, tạo ra môi trường trong nhà yên tĩnh hơn và ít bị xao lãng hơn.

Đàn hồi và bền bỉ

Do được lập kế hoạch cẩn thận, kiểm tra nghiêm ngặt và sử dụng vật liệu chất lượng, các tòa nhà được thiết kế theo tiêu chuẩn nhà thụ động sẽ bền hơn và có khả năng phục hồi trước điều kiện thời tiết khắc nghiệt so với các tòa nhà được xây dựng thông thường. Điều này giúp tiết kiệm chi phí lâu dài khi bảo trì và sửa chữa, đồng thời giảm lượng chất thải xây dựng được đưa đến các bãi chôn lấp trong suốt vòng đời của tòa nhà.

Một số công trình điểm hình về Nhà thụ động

Nhà thụ động Acton

Ẩn mình trong một khu đất trống hẻo lánh trong rừng Massachusetts, Ngôi nhà thụ động Acton được chứng nhận theo cả tiêu chuẩn PHIUS và Source-Zero. Đây là không gian ở đơn giản nhưng hiệu quả, tự sản xuất toàn bộ năng lượng thông qua tấm pin mặt trời trên mái nhà.

Được thiết kế bởi công ty kiến trúc ZeroEnergy Design có trụ sở tại Boston, Ngôi nhà thụ động Acton sử dụng vật liệu cách nhiệt cellulose dày đặc được bọc trong ván sợi gỗ (cả hai đều có hàm lượng carbon rất thấp) để giúp giữ năng lượng nhiệt trong những tháng mùa đông lạnh giá.

Sự kết hợp giữa thiết kế với khả năng cách nhiệt cao; khả năng bịt kín không khí nghiêm ngặt giúp giảm yêu cầu điều hòa xuống chỉ còn một phần nhỏ so với một ngôi nhà thông thường. Bên cạnh đó, tòa nhà còn được sử dụng một máy bơm nhiệt có kích thước phù hợp để duy trì sự thoải mái về nhiệt quanh năm. Với các tấm pin mặt trời trên mái, ngôi nhà được dự đoán sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn mức nó sử dụng trong suốt một năm.

Để giảm thiểu tác động môi trường tổng thể của ngôi nhà, ZeroEnergy Design đã chọn xây dựng Ngôi nhà thụ động Acton chủ yếu từ gỗ và xi măng sợi, giảm lượng bê tông cần thiết cho công trình. Cả hai sản phẩm đều có thể được ủ phân hoặc tái chế sau khi hết thời gian hoạt động, giảm thiểu lượng rác thải chôn lấp.

Khu nhà ở sinh viên Gilles Hall của Đại học Monash là tòa nhà quy mô lớn đầu tiên đạt được chứng nhận Nhà thụ động ở Úc và là ví dụ lớn nhất về phương pháp thiết kế ở Nam bán cầu. Đây cũng là một trong những dự án gỗ ghép nhiều lớp (CLT) lớn nhất của Úc.

Nằm trên Bán đảo Mornington của Victoria, nơi đây có 150 căn hộ studio trên sáu tầng, cùng với các khu vực chung được thiết kế để khơi dậy ý thức cộng đồng. Dự án được Kiến trúc sư Jackson Clements Burrows thiết kế với mong muốn ra một “ngôi làng” trên đỉnh đồi giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng, khuyến khích tính cộng đồng và phản ánh cảnh quan bản địa xung quanh.

Nhà thụ động Kamakura được xây dựng ở Kamakura, gần Tokyo, Nhật Bản và được thiết kế bởi Miwa Mori của Key Architects. Ngôi nhà thụ động Kamakura là kết quả thành công của thử thách thiết kế với khí hậu ở Nhật Bản - nơi có khí hậu cận nhiệt đới cực kỳ thách thức về cả sự dao động nhiệt độ và độ ẩm hàng năm. Bên cạnh đó, những thách thức khác mà dự án này phải đối mặt hàng ngày còn là về mối mọt cũng như động đất….

Thiết kế Kamakura đóng vai trò là một dự án thí điểm, thử nghiệm việc áp dụng tiêu chuẩn nhà thụ động ở một quốc gia có điều kiện khí hậu bất lợi, nền tảng kiến trúc bảo thủ và các yêu cầu xây dựng cụ thể.

Dự án này đã giành được Giải nhì trong Giải thưởng Kiến trúc Nhà thụ động Quốc tế năm 2010 nhờ hình thức đơn giản và cách sử dụng thông minh diện tích đất trong nhà và ngoài trời. Chỗ ngủ được bố trí ở tầng trệt, còn phòng khách và ăn uống ở tầng trên tận dụng tối đa ánh sáng ban ngày tự nhiên và tầm nhìn ra thung lũng nhiều cây cối gần đó. Một cầu thang kim loại rời rạc kết nối không gian sống với sân thượng khép kín. Nhờ vậy, dự án tận dụng tối đa mặt bằng và là hình mẫu cho sự gọn nhẹ mà không ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống.

Về mặt hình thức và thẩm mỹ, ngôi nhà trông giống như một chiếc thùng gỗ cao, được ốp bằng gỗ tuyết tùng than và có nhiều lỗ được đục ở tầng trên cùng để tận dụng tối đa tầm nhìn từ trên cao. Thiết kế hiện đại mang đến sự tương phản tuyệt vời với kiến trúc khu phố truyền thống là  minh họa cho việc những ngôi nhà thụ động có thể phù hợp với mọi bối cảnh và mọi khí hậu.

Nằm trên Đại lộ 470 Columbus của thành phố New York, Charlotte ở Upper West Side là một trong những khu chung cư phức hợp đầu tiên ở New York được xây dựng theo tiêu chuẩn nhà thụ động. Được thiết kế bởi BKSK Architects cho Tập đoàn Roe, khu phát triển bán lẻ và nhà ở hỗn hợp Charlotte của khu Upper West Side có thể được nhận ra ngay lập tức nhờ các cửa sổ hướng ra đường. Mỗi cửa sổ đều có kính ba lớp và khung chịu nhiệt. Những bức tường gạch ấn tượng của chung cư có khả năng cách nhiệt cao để đảm bảo sự thoải mái về nhiệt quanh năm.

Mỗi căn hộ trong khu phức hợp đều nhận được không khí trong lành được lọc tách biệt khỏi hệ thống HVAC, được cung cấp bởi Zehnder ERV do Thụy Sĩ thiết kế, tạo điều kiện trao đổi không khí với bên ngoài. Mỗi ERV được trang bị bộ lọc MERV 13 mang lại hiệu quả lọc gấp 30 lần so với bộ lọc sợi thủy tinh tiêu chuẩn và loại bỏ mọi thứ từ phấn hoa, bụi đến vi khuẩn và khói thuốc lá, mang lại cho tòa nhà chất lượng không khí trong nhà cực cao. Đặc biệt, Charlotte ở Upper West Side đã đưa hệ thống thông gió của mình lên một tầm cao mới bằng cách trở thành một trong những tòa nhà chung cư đầu tiên ở New York sử dụng năng lượng tia cực tím C (UVC) trong toàn bộ hệ thống thông gió cơ học để chiếu xạ vi trùng và vi rút, làm giảm đáng kể lượng khí thải sự lây lan của các rủi ro sức khỏe do không khí gây ra.

Khi thế giới đang vật lộn với sự cấp bách của biến đổi khí hậu và nhu cầu giảm tiêu thụ năng lượng, các tòa nhà thụ động được coi là ngọn hải đăng chỉ lối cho ngành kiến trúc, xây dựng hiện nay. Các nguyên tắc thiết kế sáng tạo và hiệu quả sử dụng năng lượng đặc biệt của nó giúp mở ra con đường hướng tới xây dựng bền vững và quản lý môi trường có trách nhiệm. Mặc dù việc chuyển đổi sang xây dựng thụ động có thể yêu cầu đầu tư ban đầu cao nhưng lợi ích lâu dài khiến nó trở thành một nỗ lực đáng giá cho sự xanh của hành tinh. Do đó, ngày càng nhiều công ty coi thiết kế thụ động như một tầm nhìn hấp dẫn mới về tương lai.