Năng lượng vận hành các công trình xây dựng

Thứ hai, 28/08/2006 00:00

Một công trình tiêu hao năng lượng theo nhiều cách. Năng lượng hoạt động là năng lượng được sử dụng cho việc vận hành toà nhà, ví dụ như: sưởi ấm, làm mát, thắp sáng... là hình thức năng lượng thu hút được sự chú ý nhiều nhất của các nhà nghiên cứu và các kiến trúc sư. Những lợi ích của lớp cách nhiệt, của thiết kế phù hợp với thiên nhiên, sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp hay gián tiếp, hướng nhà và thông gió đã được nghiên cứu kỹ càng. Tuy nhiên, bài viết này chỉ tập trung vào những vấn đề liên quan đến năng lượng, cụ thể hơn là tính hiệu quả của việc tiêu thụ chất đốt và sử dụng các vật liệu để vươn tới việc giảm tiêu dùng gas và điện.

Thực tế, các công trình đã tiêu thụ năng lượng từ việc sản xuất các vật liệu xây dựng và các yếu tố cấu thành, trong quá trình xây dựng, bảo trì và thải rác của nó, đây là năng lượng tự thân. Quan điểm phổ biến cho rằng năng lượng tự thân của một công trình là nhỏ hơn so với năng lượng hoạt động trong suốt quá trình vận hành công trình đó. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây chứng tỏ năng lượng tự thân bên trong kết cấu của công trình năng lượng cần thiết để chiết lọc và xử lý nguyên liệu thô trở thành các bộ phận cấu thành của công trình cũng như năng lượng sử dụng cho việc xây dựng công trình là nhiều hơn đáng kể so với ý nghĩ ban đầu. Treloar đã chỉ ra rằng với tầng cao trung bình, các toà nhà thương mại kết cấu hệ khung bê tông ứng lực ở Melbourne có giá trị năng lượng tự thân lớn hơn năng lượng hoạt động tiêu thụ trong 40 năm.
Thêm vào đó, khi việc tiêu thụ năng lượng hoạt động được cải thiện, năng lượng tự thân đang ngày càng trở nên đáng chú ý hơn. Nếu các chiến lược hướng tới các mục tiêu hạ thấp năng lượng hoạt động thực hiện được, năng lượng tự thân sẽ trở thành nguồn tiêu thụ năng lượng lớn hơn trong quá trình vận hành của công trình và do đó sẽ có những tác động lên môi trường đáng kể hơn.
Trước đây, vấn đề về năng lượng tự thân đã được đề cập với cảm nhận chủ quan thiếu sự tìm hiểu khám phá thực tế về mối quan hệ giữa các vấn đề sâu xa và sự phức tạp của quá trình thiết kế công trình. Mục tiêu đầu tiên của bài viết này là để làm rõ tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu, việc xây dựng và những vấn đề liên quan đến năng lượng tự thân bởi vì chúng liên quan mật thiết đến sự phát triển bền vững. Tiếp theo là để chứng tỏ tính tự nhiên đa chiều của việc thiết kế bền vững vì môi trường. Các công trình không thể chỉ đánh giá bởi một tiêu chuẩn mà không xét đến các tiêu chuẩn khác. Chúng cần được xem xét trên quan điểm chú trọng đến tự nhiên, trong đó bao trùm các khía cạnh môi trường, kinh tế, xã hội và kiến trúc.
Để làm rõ vấn đề, một công trình được thiết kế bởi kiến trúc sư người Australia Glenn Murcut nằm ở vùng Adelaide Hills sẽ được chọn làm trường hợp nghiên cứu thực tiễn. Là mọt kiến trúc sư, mục tiêu chính của Murcut là sáng tạo ra kiến trúc của nơi chốn, tuy nhiên ông cũng rất nổi tiếng như một nhà thiết kế quan tâm tới môi trường. Khẩu hiệu Hãy chạm trái đất nhẹ nhàng thường xuyên được trích dẫn của ông đã trở thành một câu cửa miệng của các nhà thiết kế vì môi trường ở Australia. Mục đích của bài viết này không phải là để đánh giá thiết kế của Murcut, tuy nhiên công trình của ông được lựa chọn bởi vì đây là một ví dụ điển hình liên quan đến những vấn đề phức tạp và thường gây tranh cãi chung quanh kiến trúc sư, sự bền vững hệ sinh thái và vật liệu xây dựng. Khảo sát thiết kế của Murcutt và vật liệu xây dựng của công trình dựa trên việc nghiên cứu tại công trình, rà soá bản vẽ và chỉ giới hạn cho kết cấu bao che của công trình. Quá trình khảo sát sẽ cung cấp kiểm chứng về những ưu và nhược điểm của các vật liệu được sử dụng trong quá trình thiết kế, đánh giá về mức độ tiêu hao năng lượng tự thân, khả năng sử dụng các biện pháp thi công thay thế. Các tác động lên khí hậu và nhu cầu bảo vệ công trình, tiềm năng cho việc tái sử dụng hay chế tạo các vật liệu và phạm vi mà cảnh quan chung quanh có thể bị thay đổi đều cần được cân nhắc. Tóm lại, những đánh giá chất lượng được thực hiện cần quan tâm đến tác động lên môi trường của quá trình xử lý và lựa chọn vật liệu thô, việc sử dụng nguồn tài nguyên, tuổi thọ công trình, độ bền và khả năng tái chế của vật liệu.
Trước hết, cần phải tìm hiểu rõ hơn các vấn đề về năng lượng tự thân: Năng lượng tự thân của một loại vật liệu xây dựng chính là tiêu chuẩn đánh giá tác động lên môi trường của vật liệu đó và liên quan tới tổng mức năng lượng cần thiết để sản xuất một vật liệu hay sản phẩm của công trình, bao gồm tập hợp của các loại vật liệu thô. Việc đo lường năng lượng tự thân cũng là phương pháp tương đối trực tiếp và có số liệu cụ thể cho việc đánh giá môi trường.
Năng lượng tự thân liên quan trực tiếp tới các loại khí thải hiệu ứng nhà kính như CO2 mặc dầu chưa hoàn hảo nhưng là một biện pháp đơn giản và thuận tiện đánh giá các tác động môi trường - tác động lên hệ sinh thái của các chất đốt khác nhau cũng khác nhau. Tính toán năng lượng tự thân cho phép một nhà nghiên cứu tính toán đến tác động trên phạm vi toàn cầu chứ không phải chỉ ở một địa phương của bất kỳ loại nguyên liệu hoặc sản phẩm nào.
Hiện nay không tồn tại một tiêu chuẩn quốc tế được công nhận nào cho việc tính toán năng lượng tự thân. Rất nhiều biện pháp đánh giá năng lượng tự thân như phân tích thống kê, phân tích đầu vào - đầu ra, phân tích quá trình xử lý. Trong đó, Lawson đưa ra yêu cầu của quá trình xử lý năng lượng như là một nền tảng cho việc so sánh các vật liệu. PER là một biện pháp đo lường lượng năng lượng đầu vào của yếu tố cấu thành vâth liệu, bao gồm các ước tính cho việc chế tạo và xử lý nguyên liệu thô, việc vận chuyển giữa các công đoạn sản xuất và năng lượng tiêu thụ trong quy trình sản xuất thực tế. Các số liệu về năng lượng tự thân được sử dụng trong nghiên cứu của Lawson là tổng kết của lượng tiêu thụ năng lượng phân phối cho những thành phần chính của quá trình sản xuất, và được chuyển đổi thành một đơn vị phổ biến. Để tính toán tổng mức năng lượng tự thân, công trình được bóc dỡ thành những vật liệu cấu thành. Mỗi vật liệu đã được chuyển đổi thành các đơn vị qua đó năng lượng tự thân được thể hiện rõ ràng MJ/kg, sau đó được nhân lên với lượng năng lượng được xác định và cuối cùng là tổng hợp lại.

Nghiên cứu trường hợp cụ thể

Những nguyên tắc thiết kế tiêu hao năng lượng thấp và vì hệ sinh thái đã được hướng dẫn trong các thiết kế của Glenn Murcult. Trong quá trình xây dựng và hoạt động, các công trình của ông đã được thiết kế để tiêu thụ năng lượng tới mức tối thiểu, tự tạo ra bóng mát, thồn thoáng và làm mát, các công trình thực hiện chức năng mà không cần điều hoà không khí và có lẽ không cần bất cứ máy móc để sưởi ấm nào khác ngoài lò sưởi. Ý thức về sự giản đơn và kết quả của chủ nghĩa tối giản của Murcult đã thể hiện qua cách lựa chọn vật liệu của ông. Murcult đã từng biết đến như một người rất có ý thức quan tâm đến nguồn vật liệu mà ông sử dụng, điều kiện mà chúng được khai thác và khả năng tự tái tạo của chúng. Nhờ đó, công trình của ông là những ví dụ điển hình của thiết kế quan tâm sâu sắc tới môi trường, phương pháp thi công, vật liệu, chi tiết và các tác động của các yếu tố lên chất lượng của không gian. Môi trường khí hậu trong công trình được điều chỉnh từng giờ và kết quả chỉ ra rằng thiết kế đã tạo ra một không gian sống tiện nghi.
Công trình được nghiên cứu căn bản có kết cấu đơn giản - một nhà nghỉ dựng theo trục Đông Tây. Ngôi nhà bao gồm một phòng khách mở và rộng rãi ở trung tâm, dọc theo hai bên sườn ở phần cuối nhà là các không gian riêng tư phòng ngủ, phòng nghe nhạc, phòng tắm giặt với một gara ở góc cuối hướng Tây. Bề mặt kính bao phủ mặt nhà phía Bắc tạo ra tầm nhìn tuyệt đẹp, mùa hè được che nắng bởi các tấm mái. Điều cốt yếu là có một phòng rộng, mặt bằng mở cho phép những cơn gió có thể lưu thông tự do. Các cửa sổ chạy dọc theo kết cấu cung cấp rất nhiều ánh sáng tự nhiên và loại trử nhu cầu chiếu sáng nhân tạo vào ban ngày.
Tất cả các cửa sổ và cửa ra vào ở mặt ngoài có thêm hệ thống tấm trượt gỗ che nắng có khung thép. Hệ thống cửa trượt kính, rèm che, tấm chắn nắng rất phức tạp, nhưng cho phép người sử dụng có thể điều khiển dễ dàng việc che nắng, thông thoáng, làm mát hay giữ ấm không khí. Chúng cũng tạo ra một không gian có chất lượng thú vị cho ngôi nhà.
Mặc dầu, hệ thống bao che của Murcult sử dụng các vật liệu và công nghệ rất thông thường, nhưng sự lựa chọn các vật liệu thể hiện độ phức tạp và dựa vào các tiêu chuẩn thường xuyên gây tranh cãi chung quanh các ưu và nhược điểm của vật liệu và sản phẩm trong công trình xây dựng.
Những vật liệu sau đây đã được sử dụng trong hệ khung của ngôi nhà Adelaide Hills:
a. Các sản phẩm từ đá vôi - bê tông, vữa và xi măng, tấm thạch cao
b. Kim loại - thép, nhôm và kẽm
c. Các sản phẩm hoá dầu - nhựa và sơn
d. Gạch xây và lát
e. Các sản phẩm từ gỗ - gỗ cứng và gỗ mêm thu hoạch từ rừng trồng
f. Các sản phẩm gỗ tổng hợp - gỗ dán
g. Kính
h. Chất cách ly

Thép

Thép cường độ cao là một trong những thành phần đáng kể nhất đối với tổng năng lwongj tự thân của các công trình. Murcutt sử dụng thép chủ yếu cho các tấm mái và hệ kết cấu. Thép cũng được sử dụng cho bể chứa nước mưa, được ứng lực trong các tấm sàn và cho các chi tiết kiến trúc. Murcutt đã lựa chọn khung thép nặng cho tất cả các cửa ra vào ở phía ngoài và ray trượt thép cho hệ chắn nắng ngoài trời. Mặc dầu ray trượt thép gây tốn nhiều năng lượng nhưng không đòi hỏi phải bảo trì. Đây là một kinh nghiệm đã được rút ra từ một dự án khác của Murcutt, nơi gỗ đã được sử dụng với cùng một mục đích thay vì thép.
Việc sử dụng các tấm mài bằng thép gây ra tác động nghiêm trọng tới môi trường và cũng tạo thêm một lượng đáng kể năng lượng tự thân cho công trình. Tuy nhiên, thép lại là vật liệu xây dựng có độ bền cao và đa năng, khả năng tái sử dụng cao thép kết cấu, thépmái và thép của hệ thống chứa nước mưa có thể tháo dỡ mà không bị hỏng hóc và có thể dễ dàng tái chế thành những sản phẩm thép chất lượng cao. Và thông qua việc ngày càng nhiều khả năng tái chế các vật liệu và có thêm các khả năng tái chế các vật liệu và có thêm các năng lượng bền vững, thì cũng là cơ hội để thép có thể được sản xuất và sử dụng bền vững. Giá trị PER của thép nhẹ là 34MJ/kg. Việc tái chế thép tiêu hao khoảng 30% năng lượng của sản phẩm ban đầu.
Khía cạnh quan trọng nhất của một tấm mái về tác động lên môi trường là độ bền và khả năng tái sử dụng của nó. Độ bền có liên quan đến cả môi trường và tính kinh tế. Một sản phẩm có tuổi thọ cao có thể giảm bớt chi phí sản xuất, hạn chế rác thải, ít phải bảo trì, khả năng tái sử dụng cao. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, tăng độ bền cũng tỷ lệ thuận với tăng thêm những tác động lên môi trường. Hệ mái thép rõ ràng là bền chắc, với tuổi thọ phục vụ khoảng 25-30 năm. và khôgn cần bất cứ sự bảo trì nào trong suốt quá trình hoạt động của công trình. Và nó cũng có khả năng tuyệt vời cho việc tái sử dụng hay tái chế. Ngoài ra, hợp kim kẽm bọc thép thông thường cũng đã từng được sử dụng chế tạo các tấm mái che. Các lớp mạ kẽm kết hợp với thép trong quá trình sản xuất tạo ra khả năng chống ăn mòn cho các tấm mái, kéo dài tuổi thọ của sản phẩm. Đáng tiếc, tính chất tự nhiên của các lớp mạ kẽm là khi đưa vào sử dụng sẽ ăn mòn lớp thép bên dưới.
Thép không gỉ là một sự lựa chọn hợp lý cho các sản phẩm mái - mặc dầu giá thành của nó cao hơn. Thép không gỉ được sản xuất từ thép tái chế tiêu hao 11MJ/kg, và bản thân thép không gỉ cũng có thể được tái chế. Thép không gỉ bền hơn thép nhẹ và có năng lượng tự thân thấp hơn nhiều, tuy nhiên vấn đề tồn tại là lượng kim độc hại thải ra trong quá trình sản xuất bởi vì việc sử dụng các kim loại nặng trong công đoạn hợp kim. Nếu thép không gỉ là được nhập khẩu, tạo thêm hao tổn năng lượng vận chuyển, tuy nhiên, một số thép không gỉ cũng được sản xuất ở Australia. Gạch ngói cũng được gợi ý như một giải pháp vì môi trường cho phần mái. Gạch đất nung rất bền và tác động tới môi trường rất thấp khi sản xuất. Năng lượng tự thân của mái ngói là thấp hơn đáng kể so với mái bằng thép. Tuy nhiên, hệ thống mái ngói lại tốn nhiều hệ khung đỡ hơn hệ mái thép và dẫn đến tăng thêm việc sử dụng gỗ. Việc thay thế các viên gạch bị xuống cấp, hỏng cũng là vấn đề phải tính toán.

Gạch xây và gạch ngói

Ngôi nhà được xây dựng chắc chắn bằng gạch lỗ, sau đó được trát kín và sơn phủ bề mặt. Việc sử dụng những viên gạch lỗ tạo thành một bức tường dày bảo đảm cách nhiệt tốt, nhưng tốn kém nguyên liệu thi công cho một m2 khi so sánh với các phương pháp xây dựng khác. Tuy nhiên, cần phải nhớ rằng năng lượng tự thân chỉ là một thước đo tác động lên môi trường. Quá trình sản xuất của gạch nung được công nhận là có những tác động tối thiểu lên môi trường, không cần bất cứ một sự bảo trì và tuổi thọ của sản phẩm cao. Thêm vào đó, gạch nung được lấy tại ngay địa phương, giúp giảm đáng kể hao phí năng lượng vận chuyển.
Tất cả các sản phẩm gạch đều là những vật liệu có khối tích lớn, độ đặc chắc cao, được khai thác từ nguồn nguyên liệu không thể hồi phục lại. Nhưng ngược lại, một khi được xây dựng, chúng cấn rất ít công sức bảo trì. Độ bền, độ chắc khoẻ, và độ trơ của gạch làm chúng trở thành vật liệu xây dựng hữu ích và có thể tái sử dụng nếu còn ở nguyên hình dáng ban đầu. Bởi vì có khối tích lớn, nếu phải vận chuyển đĩa, hao tốn cho việc vận chuyển là đáng kể nhưng gạch đất nung và gạch ngói là vật liệu có giá trị năng lượng tự thân rất thấp PER 2,5 MJ/kg.
Ngoài ra còn các vật liệu khác dùng để xây dựng tường: vữa xây là nhân tố kết dính, lanh tô thép, giắng tường gạch, và lớp chống thấm mái. Xi măng đã từng được sử dụng để kết dính trong xây dựng. Giá trị PER của vữa xây và trát là khác nhau phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, nhưng phổ biến là 2MJ/kg. Việc sử dụng xi măng cũng đồng nghĩa với việc phải tốn rất nhiều công sức để làm sạch những viên gạch phục vụ cho việc tái sử dụng. Theo O’Brien và Soebarto vôi nguyên chất là một vật liệu thay thế cho vữa với những lợi thế về tác động lên môi trường trong quá trình sản xuất. Vôi nguyên chất còn có những ưu điểm khác là mềm hơn và độ giòn thấp hơn, ít tạo ra các vết nứt và dẽ dàng bóc dỡ khỏi gạch. Bề mặt được trát phẳng và sơn phủ thi công đơn giản, và chỉ cần sơn và bảo trì định kỳ.
Murcult đã không sử dụng biện pháp thi công tường đất như ý ban đầu. Tường đất nện có thể giảm đi khoảng một nửa tác động của năng lượng tự thân. Nhưng những chi phí cho công trình xây dựng bằng đất gây tốn kém hơn rất nhiều so với xây bằng gạch nung đã khiến cho biện pháp này kém khả thi. Khi mà một quyết định sử dụng một vật liệu vì môi trường được đưa ra cân nhắc về mặt chi phí cũng được xem xét lại.
Biện pháp thi công tường nhẹ cũng đưa ra hao phí năng lượng tự thân thấp hơn, tuy nhiên biện pháp này lại không phù hợp với điều kiện khí hậu của địa phương. Rất nhiều thiết kế của Murcutt có kết cấu nhẹ, được xây dựng với khung sắt và vách bao phủ bởi vì giải pháp này tiêu hao ít năng lượng hơn gạch lỗ trên đơn vị mét vuông.
Mặc dầu sàn gara được để trần, phần sàn còn lại của ngôi nhà được hoàn thiện với gạch gốm lát trên một lớp vữa lót dày 40mm. Độ dày của lớp lót này để giữ lớp nhiệt lưới sàn. Thêm vào đó, những bức tường ở khu vực ẩm ướt cũng được ốp gạch tới sát mép trần góp phần tăng tính thẩm mỹ cho công trình. Gạch gốm là một sự lựa chọn tốt cho bề mặt sàn bởi vì chúng có độ bền tốt, thậm chí cho cả vùng chịu sự vận chuyển qua lại nhiều. Chất lượng của viên gạch phụ thuộc vào nhiệt độ nung, bởi vậy độ bền chắc của vật liệu tỷ lệ thuận với lượng năng lượng để sản xuất.
Thảm có nhiều nhược điểm có liên quan đến năng lượng tự thân, do kém bền và thường xuyên phải giữ gìn làm sạch. Ưu điểm của thảm là có thể cách âm và cách nhiệt cho tấm sàn bê tông. Một biện pháp khác để Murcutt cân nhắc là chỉ làm phẳng nhẵn sàn bê tông như ở một dự án khác của chính ông, nhà của Wilson ở bang New South Wales. Bê tông được làm nhẵn và sơn màu có năng lượng tự thân thấp và tạo ra một bề mặt hoàn thiện hoàn hảo.

Bê tông

Ngôi nhà được xây dựng trên một tấm sàn bê tông cốt thép dày 170 mm, bên dưới lớp bê tông cốt thép là một lớp cát cứng được lèn chặt, làm phẳng. Ngay phía trên lớp cát là lớp chống thấm. Tổng năng lượng tự thân của tấm sàn chiếm khoảng 25% của toàn bộ ngôi nhà.
Rõ ràng việc sử dụng sàn bê tông gây ra tác động lớn. Không chỉ tiêu hao nhiều năng lượng và vật liệu, nó cũng không phủ hợp với khẩu hiệu: Hãy chạm trái đất nhẹ nhàng. Tuy nhiên, Murcult cũng giải thích thêm rằng: Hãy chạm trái đất nhẹ nhàng không chỉ đơn giản có nghĩa là xây dựng bằng kết cấu nhẹ với chỉ 5 hoặc 5 cột cắm xuống đất.
Nó có ý nghĩa hơn thế... Nó có nghĩa là bạn phải bắt đầu hiểu về môi trường, cảnh quan... Bạn phải đặt công trình cho phù hợp với nguồn gốc nước, hệ sinh thái động thực vật, với côn trùng...
Việc tận dụng mặt đất trong vùng khí hậu ôn đới để tận dụng hơi ấm mặt trời sẽ làm tăng nhiệt lượng trong công trình. Kết cấu nhẹ, mặc dầu tác động lên môi trường thấp, nhưng hoàn toàn không phù hợp với điều kiện tự nhiên của địa phương, sẽ gây ra hao tổn rất lớn để điều hoà không khí và cũng đòi hỏi thêm một lượng lớn vật liệu cách nhiệt chất lượng cao. Tích thích hợp của vật liệu xây dựng hay biện pháp thi công phải luôn được xem xét trong mối liên quan đến vị trí xây dựng.
Thêm vào đó, tác động lên môi trường của các yếu tố cấu thành công trình khác nhau phụ thuộc vào kỹ thuật thi công được lựa chọn. Việc sử dụng biện pháp đổ bê tông toàn khối tại chỗ sẽ tạo ra độ chắc khoẻ cho tấm sàn, có thể giảm số lượng thép tăng cường cần thiết và độ dày của tấm sàn - nhờ đó tiết kiệm bê tông nhưng cũng hiển nhiên là không thể tái sử dụng.
Mặc dầu sàn bê tông cốt thép bảo đảm cách nhiệt, nó lại gây nhiều trở ngại cho việc phá dỡ. Hầu như các tấm sàn thường bị để nguyên hoặc đập vỡ nhỏ tại vị trí công trường, sau đó chôn xuống các hố đất.

Nhôm

Murcult đã lựa chọn nhôm cho khung cửa sổ. Mặc dầu nhôm chỉ sử dụng cho các khung cửa sổ, nó lại tạo ra một phần đáng kể cho tổng năng lượng tự thân của công trình. Đó là bởi vì giá trị năng lượng tự thân rất cao của nhôm, làm cho nó trở thành vật liệu rất không có lợi cho môi trường.
Ngành công nghiệp sản xuất nhôm ở Australia thải ra 15 triệu tấn bụi và bùn đỏ ăn da hàng năm, và khoảng hơn 200 triệu tấn hiện nay đang bị tích tụ lại. Thêm vào đó, quá trình nấu chảy tạo ra một chất thải độc hại bao gồm chất hoá học Flo và Clo. Mỗi một tấn nhôm được sản xuất tiêu thụ một lượng năng lượng tương đương với việc thải 37 tấn CO2 - gấp 2 lần đối với các sản phẩm sắt và thép. Ngoài ra, quá trình nấu chảy nhôm còn sinh ra nguồn khí thải hỗn hợp Flo, thậm chí độc hại hơn rất nhiều so với CO2 bởi vì chúng lưu lại trong không khí rất lâu.
Cũng như vật liệu, nhôm có những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn và dễ dàng tái chế, nhược điểm như đã phân tích ở trên là tiêu hao nhiều năng lượng để sản xuất. Do tác động nguy hiểm lên môi trường và hao phí năng lượng tự thân lớn, nhôm chỉ nên sử dụng một cxách thật hiệu quả ở những nơi mà những ưu điểm trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và ít cần bảo trì của nó có thể phát huy tối đa.
Giá trị PER 170MJ/kg làm cho nhôm trở thành một trong những vật liệu tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quá trình sản xuất. Đó là bởi vì nhiệt lượng đòi hỏi trong hầu hết các công đoạn của quá trình sản xuất và lượng điện lớn cho quá trình điện phân. TUy nhiên, khả năng tái chế cao của nhôm thường xuyên được trích dẫn bảo vệ việc sử dụng nó trong xây dưng. Một khung cửa nhôm được sản xuất hoàn toàn từ nhôm tái chế sẽ tốn một lượng năng lượng tự thân tương đương với sản xuất từ gỗ.
Độ bền là yếu tố chính để lựa chọn khung cửa. Khung gỗ mềm rõ ràng là có độ bền không đảm bảo trong khi khung nhôm lại thường xuyên được xem là có độ bền cao. Mặc dầu khung cửa sổ và cửa đi bằng gỗ mềm chứng tỏ là có năng lượng tự thân thấp, nhưng phải cân nhắc đến việc phải bảo dưỡng chúng trong suốt sự tồn tại của công trình. Vấn đề này gây ra cả những hao phí tiền bạc và tiêu hao vật liệu mà thường xuyên đòi hỏi tốn nhiều năng lượng trong khi khung cửa sổ nhôm sẽ không cần bất cứ sự bảo dưỡng nào.
Fromonot trích dẫn những lý do mà Murcult lựa chọn khung nhôm ... tạo ra dáng vẻ đẹp. Gỗ là nguồn tài nguyên có thể tái tạo nhưng cần phải cưa xẻ và lắp ráp, phải tốn thêm keo, phụ tùng khác; chúng cũng cần phải bảo dưỡng với sơn và vecni, đây cũng là một sự tốn kém. Ngược lại, nhôm tiêu thụ nhiều năng lượng trong sản xuất nhưng có thể hoàn toàn tái chế và không cần bảo dưỡng.
Năng lượng tự thân của khung cửa sổ nhôm trong thực tế tương đương 8 lần năng lượng tự thân của một khung cửa sổ gỗ tương tự, thậm chí kể cả những hao phí bảo dưỡng. Những khung gỗ cứng, với sự bảo vệ thích hợp trong thiết kế, cũng có thể sử dụng mà không cần sơn hay bảo quản. Sự lựa chọn này có ít tác động đến môi trường nhất, đặc biệt là khi khai thác những cánh rừng trồng được quản lý tốt.

Sản phẩm từ gỗ xẻ

Những sản phẩm từ gỗ xẻ đã từng được sử dụng trong nhà cho những khung kết cấu mái và rất nhiều các chi tiết kiến trúc. Thêm vào đó, tất cả các cửa sổ bên ngoài và cửa trượt cũng được sản xuất kết hợp với hệ chắn nắng bằng gỗ. Hệ chắn nắng cửa sổ bằng gỗ yêu cầu cao về mặt bảo dưỡng và phải sơn phủ lại khoảng 3 năm một lần.
Tất cả lượng gỗ xẻ trong thiết kế của Murcult đều là gỗ thu hoạch từ rừng trồng. Do đó, quá trình sản xuất gỗ của rừng trồng tính từ lúc bắt đầu nhân giống hàng loạt, trồng và sau đó là chăm bón. Việc thu hoạch bằng máy những cây đã trưởng thành bao gồm đốn cây, cắt tỉa, bốc dỡ và chất lên phương tiện vận chuyển. Công đoạn xử lý tại nhà máy bao gồm xẻ thành tấm, làm khô và cán định hình. Xấp xỉ 75% của tổng lượng năng lượng đồi hỏi cho quá trình sản xuất gỗ là sử dụng cho quá trình xử lý sấy khô. Mặc dù CO2 được thải ra trong quá trình sản xuất sấy khô gỗ ở lò nung, nhưng bản thân quá trình trồng rừng lại được chấp nhận là hoạt động như một bộ máy hấp thụ lượng CO2 thải ra trong quá trình sản xuất.
Vấn đề bền vững đã từng quan tâm chú ý đến ngành công nghiệp gỗ nhiều năm. Bảo đảm rừng bền vững cần có một kế hoạch quản lý rừng trong đó lượng gỗ trồng phải lớn hơn hoặc tương đương với lượng gỗ thu hoạch. Các con sông và dòng suối được bảo vệ khỏi sự suy thoái và không còn đe doạ những cánh rừng nếu việc thu hoạch được giảm thiểu. Wooley cảnh báo rằng trong khi phần lớn các nhà sản xuất gỗ cho rằng sản phẩm của họ là bền vững, thì trong thực tế, tính bền vững là khác nhau. Một vấn đề khác xung quanh việc trồng rừng đó là các cánh rừng trồng thường chỉ giới hạn ở một giống loài và đang bị phê phán là không đảm bảo được tính đa dạng của hệ sinh thái, nền tảng cơ bản của quá trình phát triển bền vững hệ sinh thái.
Sản phẩm gỗ có tác động tối thiểu lên môi trường và có năng lượng tự thân rất thấp. Giá trị PER cho sản phẩm gỗ mềm đã sấy khô là 3,4 MJ/kg. Gỗ cứng cần ít hơn đáng kể việc sấy khô nhân tạo, vì vậy tiêu hao ít năng lượng hơn. Giá trị PER cho sản phẩm gỗ cứng đã sấy khô là 2MJ/kg chỉ 0,5 MJ/kg cho sản phẩm phơi khô tự nhiên.
Trong khi việc sử dụng gỗ là lý tưởng cho môi trường, nhưng cũng có những khó khăn phải tính đến trong việc tái sử dụng gỗ. Mặc dầu tất cả các loại gỗ đều có thể được tái chế thành bột giấy hay ván công nghiệp.
Kết quả: Công trình có lượng năng lượng tự thân là 3,56 GJ/m2. Việc sử dụng thép tái chế, nhôm, tấm thép mái không gỉ, sàn bê tông và tường tạo ra lượng năng lượng tự thân là 1,91 GJ/m2., tổng cộng tiết kiệm được hơn 250 000 MJ và giảm đáng kể tác động lên moi trường. Con số này tương đương với lượng năng lượng trung bình mà một hộ gia dình tiêu thụ trong 7 năm. Còn công trình khi được hoàn thiện vẫn bảo đảm được vẻ đẹp của hình dáng bên ngoài và khả năng cách nhiệt.

Kết luận

Bản chất của kiến trúc vì môi trường là không chỉ có một câu trả lời đúng duy nhất cho bất kỳ trường hợp nào, nhưng người thiết kế phải nhận thức được những yếu tố đánh giá khi lựa chọn vật liệu và các yếu tố cấu thành Vale 1991.
Các kiến trúc sư không chỉ quan tâm đến năng lượng tự thân của công trình, ngoài ra còn có các yếu tố khác cần cân nhắc từ vẻ đẹp, công năng, cho tới chi phí và việc đảm bảo nhiệt lượng. Vai trò của người thiết kế là tạo ra một tổng thể hài hoà của các yếu tố đánh giá so sánh.
Quá trình hình thành một công trình bền vững bao gồm rất nhiều yêu cầu và mâu thuẫn. Mỗi một thiết kế có những quan hệ mật thiết với môi trường. Mỗi công trình bao gồm vô số các yếu tố cấu thành được làm từ rất nhiều các vật liệu khác nhau. Trên toàn cầu, chưa có sự thống nhất về cách tính toán năng lượng tự thân và cũng chưa có tiêu chuẩn xác định vật liệu, sản phẩm hay hệ thống xây dựng bền vững. Việc quyết định cái gì là bền vững hay không là một vấn đề phức tạp.
Năng lượng tự thân là một phương pháp đánh giá tác động lên môi trường của công trình. Tuy nhiên, những mối liên quan tới môi trường của việc lựa chọn vật liệu không chỉ giới hạn ở việc tính toán năng lượng tự thân của vật liệu xây dựng, nó bao gồm tác động lên hệ sinh thái của khu địa phương, nhu cầu bảo dưỡng và khả năng tháo dỡ của công trình. Những khía cạnh này còn liên quan đến việc quản lý nguồn tài nguyên và nguyên liệu lâu dài. Một phương pháp để đánh giá và suy xét kỹ càng sẽ luôn luôn cần thiết khi cân nhắc những tác động lên hệ sinh thái của yếu tố này hay yếu tố khác, cả ngắn hạn liên quan tới nguồn tài nguyên và năng lượng tự thân và dài hạn liên quan tới năng lượng hoạt động và khả năng phá dỡ/tái chế.
Quá trình xác định vật liệu bền vững là không có gì khác đối với các sản phẩm xây dựng thông thường. Các vật liệu cần phải được xác định, các thông số phải được thu thập trên cơ sở so sánh các vật liệu khác và sản phẩm cần phải được đánh giá. Tính bền vững cần phải được hiểu không phải là yếu tố duy nhất hay quan trọng nhất khi lựa chọn vật liệu xây dựng. Bài viết này đưa ra một ví dụ về thiết kế với tính tự nhiên đa diện, không chỉ liên quan đến môi trường mà còn cả với những vấn đề về tài chính, công năng và mỹ học. Yếu tố cân nhắc chính trong quá trình đưa ra quyết định là sự phù hợp về công năng. Ví dụ, tuổi thọ hay giá trị cách ly của một vật liệu có năng lượng tự thân cao đôi khi có thể đưa ra để biện hộ cho những tác động lên môi trường trong quá trình sản xuất.
Vật liệu bền vững nên được sử dụng khi lượng vật liệu sử dụng là lớn. Vật liệu có năng lượng tự thân cao nên chỉ được sử dụng khi tính năng đặc biệt của chúng thật sự cần thiết để phát huy hiệu quả. Ví dụ như là nhôm, chỉ nên sử dụng ở nơi trọng lượng nhẹ và tính năng chống ăn mòn không thể đạt được bởi bất cứ vật liệu xây dựng nào khác. Một số vật liệu có năng lượng tự thân thấp có thể thay thế cho các vật liệu xây dựng truyền thống có năng lượng tự thân cao hơn, trong khi vẫn sử dụng thiết kế và kỹ thuật thi công thông thường.
Một biện pháp rõ ràng nhưng thường xuyên bị bỏ qua có thể giảm năng lượng tự thân của vật liệu là tái chế. Bên cạnh việc giảm tiêu hao năng lượng và ô nhiễm, tái sử dụng và tái chế cũng giúp bảo tồn trữ lượng vật liệu và giảm những nguy cơ về rác thải. Những nhà thiết kế công trình cần phải tính đến thiết kế đơn giản cho việc phá dỡ để tạo thuận lợi cho việc tái sử dụng hoặc tái chế vật liệu.
Thực tế, mọi sự phát triển đều tiêu hao nguồn tài nguyên và tác động tới môi trường. Những quan tâm tới công trình bền vững nhằm xây dựng theo cách bảo vệ môi trường tốt nhất. Thật không may hiện nay không có các động cơ tài chính gắn với những thiết kế ít tác động đến môi trường. Rất nhiều lựa chọn bền vững tốn kém hơn rất nhiều so với các phương pháp thông thường, bởi vì thị trường còn quá nhỏ bé. Khi những quyết định được đưa ra sử dụng một vật liệu cụ thể vì những giá trị của môi trường thì thường xuyên dẫn đến những chi phí đắt đỏ. Chỉ khi có kiến thức hiểu biết sâu sắc về các sản phẩm xây dựng thì mới có thể đưa ra một quyết định thông minh và đúng đắn. Một đánh giá cơ bản của tất cả các vật liệu xây dựng, phương pháp thi công, chi phí vận chuyển... là cần thiết. Kiến trúc sư có một vai trò quan trọng trong quá trình tiến tới thiết kế bền vững cho môi trường. Giải quyết những vấn đề trong môi trường xây dựng đi đôi với giải quyết các vấn đề như sự lãng phí tài nguyên thiên nhiên, nạn phá rừng, các khí thải và rác của môi trường.
Cuối cùng, việc lựa chọn vật liệu và phương pháp xây dựng cho một công trình phải là kết quả của sự phân tích cân bằng quá trình hoạt động của công trình với đánh giá về năng lượng tự thân trong quá trình sản xuất của các vật liệu và sản phẩm.

Nguồn tin: T/C Kiến trúc, số 1/2006