Vậy phải hiểu chức năng của môi trường kiến trúc là gì? Phải chăng chúng tạo điều kiện cung cấp đồ ăn thức uống, tiện nghi, sức khoẻ cho con người và cả chất lượng cuộc sống, bao gồm cả đầy tính biến động và tính cộng đồng? Nếu không, những môi trường kiến trúc của chúng ta sẽ trở thành trung tâm nghèo nàn của khí hậu bị sa sút.
Chúng ta cần phát triển, chứng minh và triển khai nhanh chóng môi trường kiến trúc bền vững vào thực tiễn, trên bình diện toàn cầu. Môi trường kiến trúc phải có khả năng đáp ứng về động học thời tiết và khí hậu, sử dụng tối đa nguồn lực tự nhiên bằng cách làm hồi phục. Chúng ta cần phải tạo ra những môi trường kiến trúc để cải thiện những gì hiện có chứ không phải là gây hại cho chúng.
Không một chuyên môn riêng biệt nào có thể làm cho môi trường bền vững được. Những nhà lãnh đạo tiến bộ về môi trường phải tạo môi trường bền vững từ đạo đức học, kinh tế học, khoa học, công nghệ và cả chính sách đối với cộng đồng. Sự tiến bộ phụ thuộc vào sự kết hợp thành công giữa các hệ thống chính trị, xã hội, kỹ thuật và cá nhân.
Nước Mỹ đã sử dụng một lượng năng lượng khổng lồ để điều hành nền công nghiệp và thương nghiệp cũng như để duy trì lối sống của họ. Hiện nay, nước Mỹ có 4% dân số thế giới nhưng tiêu thụ 23,6% nguồn năng lượng không tái tạo được của thế giới. Ngoài Mỹ ra, các nước có nền kinh tế mới nổi như Trung Quốc và Ấn Độ phát thải ra một lượng ô nhiễm khổng lồ do tiêu thụ năng lượng. Cứ đà này, đến năm 2050 lượng khí thải điôxit cacbon ở Trung Quốc, Ấn Độ và Mỹ có thể tăng lên gần 7 lần. Khoảng 70% sản lượng điện ở Mỹ, trong đó 40% tổng năng lượng sơ cấp là dùng cho xây dựng. Bao gồm sản xuất, vận chuyển vật liệu xây dựng, thành phẩm và các hệ thống; lượng này lên đến hơn 50% năng lượng sơ cấp và gần 90% là tiêu thụ năng lượng điện. Trong số 70% năng lượng điện của Mỹ tiêu thụ cho những công trình có điều hoà thì hơn 50% sản xuất từ than, chúng góp vào đến 2 lần lượng khí thải nhiều hơn các nhà máy chạy bằng đốt ga. Như vậy, sẽ thải ra 4,5 ngàn tỷ pao điôxit cacbon mỗi năm. Do đó, tác động môi trường bên ngoài của tiêu thụ năng lượng là vô cùng lớn, ảnh hưởng nhiều đến hô hấp con người, đến khả năng sống của các hệ tự nhiên và thành tựu kinh tế của chúng ta.
Thực tế thiết kế và xây dựng hiện nay đem lại những công trình tĩnh và được điều hoà khí hậu theo phương pháp tập trung và có quy mô lớn. Các công trình thương nghiệp thì không đáp ứng yêu cầu khí hậu, các mặt nhà dày đặc những trang trí và kết cấu bao che không tạo điều kiện thông gió tự nhiên, người ta đã bỏ quên, thậm chí mâu thuẫn với khí hậu và chủ yếu dùng ánh sáng nhân tạo. Chúng bị nung nóng quá mức về mùa hè và thường nhảy vọt bất ngờ gây tổn thất lớn về tải trọng làm lạnh.
Để có thể phát triển được công trình xây dựng bền vững, vỏ bao che công trình, các bề mặt và mái phải "động" hơn, phải quen với các màng sống, chúng thu hút mặt trời, nước, không khí và tái tạo đất. Một quan niệm như vậy sẽ cung cấp ánh sáng ban ngày, thông gió tự nhiên, sưởi và làm mái thụ động cũng như sản sinh năng lượng (nhiệt mặt trời, điện quang và gió). Bước đầu, điều này có thể mang đến những hiệu quả bền vững và là phương tiện, sẽ giúp sử dụng hạn chế các nguồn lực không tái tạo được trong những quá trình của môi trường kiến trúc.
May thay, đã có tiềm năng lớn lao để cải tiến đột xuất về môi trường kiến trúc từ việc nhất thể hoá các hệ thống. Một cơ hội lớn nằm trong quan niệm nhất thể hoá dồng thời cải tiến có liên quan đến sức khoẻ, hạnh phúc, khả năng làm việc của con người trong môi trường đó.
Dưới đây xin trình bày 4 quan niệm chính và các biện pháp có liên quan đến việc tiến hành những cải biến mạnh mẽ về năng lượng và hiệu quả môi trường của các công trình thương nghiệp, đồng thời làm tăng sức khoẻ và hiệu quả tổ chức của người sử dụng.
I. Các quan niệm chiến lược về môi trường kiến trúc bền vững
1. Vỏ bao che động học
Các vỏ bao che động học làm biến đổi khí hậu bên ngoài bên ngoài và các điều kiện khí hậu có liên quan đến nhu cầu về lợi ích của người sử dụng, gồm có: chất lượng nhiệt, ánh sáng, âm thanh và không khí mà vẫn bảo tồn được các nguồn không tái tạo.
Các công trình cần phải được đóng lại bởi những màng sống, có phản ứng với điều kiện khí hậu và thời tiết bên ngoài để tạo ra những trạng thái mong muốn. Điều đó có nghĩa là thu nhận được ánh sáng ban nàgy, sưởi và làm lạnh chủ động/bị động, thông gió tự nhiên và nước mưa. Nó sẽ tạo ra cảnh quan hoặc khôi phục cảnh quan. Để có thể thực hiện hiệu quả về năng lượng và môi trường, nhiều hệ thống điều hào khống khí kiểu hỗn hợp được sáng tạo thêm và được chấp nhận tại châu Âu. Các hệ thống kiểu hỗn hợp bao gồm cửa sổ và lỗ cửa được vận hành được ở mặt chính công trình thông gió, khử ẩm làm khô, các hệ thống (nhiệt) mặt trời chủ động/bị động, các khu vực cơ động và các bộ phận không cần điều hoà không khí của công trình. Người sống trong nhà có các hệ thống tái tuần hoàn không khí, đảm bảo yêu cầu tiện nghi nhiệt. Do đó các màng sống khi kết hợp với hệ thống xây dựng nhiều kiểu dạng sẽ làm tăng sức khoẻ và năng suất, đồng thời tiết kiệm được vô số năng lượng. Các hệ thống kiểu dạng hỗn hợp hầu như có thể hoàn vốn trăm phần trăm. Các hệ thống kiểu dạng hỗn hợp vừa thích hợp với cơ cấu mới và cơ cấu đã thiết lập, gồm những công trình thấp tầng và số tầng trung bình tại các vùng khí hậu ôn hoà và lạnh. Các công trình này được hưởng chi phí hạ về sưởi, thông gió và điều hoà không khí.
2. Công trình kiến trúc được xem như nhà hát
Các công trình kiến trúc có những yêu cầu về tổ chức cần được đáp ứng như nhà hát có sử dụng dàn diễn kết hợp với mọi dịch vụ, tạo nên bởi các bộ phận đầu ra đóng- mở linh hoạt để thực hiện thông gió, điện, liên lạc, kiểm soát và các hệ thống dữ liệu. Hệ thống linh hoạt này hạn chế được lãng phí và đơn giản hoá các quá trình bố trí lại kiểu hình phòng ốc. Công trình kiến trúc là một sàn diễn của của nhà hát, tiếp cận bởi các đầu đóng mở linh hoạt đối với các dịch vụ của công trình như nước, không khí, điện và truyền thông (dữ liệu, tiếng, radiô và thiết bị điều khiển). Phía trên sàn diễn phải có "bộ thiết bị điều chính sàn diễn" cho phép thay đổi yêu cầu theo vị trí và mật độ của người ở trong nhà và thiết bị. Hệ thống này cho phép thay đổi số lượng vách bao che cần thiết với mọi quy mô.
Một kết cấu hạ tầng mới và cơ động có thể làm thay đổi cả vị trí lẫn mật độ người, thiết bị và các dịch vụ cũng như số lượng vách bao quanh họ, cho phép các không gian tái định hình một cách dễ dàng nhanh chóng mà không tốn kém. Cách tiếp cận này còn mang lại tiện lợi hơn đối với nội thất kiến trúc bởi cho phép nhân viên lựa chọn những vị trí làm việc đáp ững phong cách và yêu cầu của mình. Điều này được thực hiện bằng cách tăng lần sử dụng không gian làm việc và các môi trường làm việc phải đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng.
3. Các chiến lược về năng lượng
Với việc nhất thể hoá bảo tồn năng lượng bằng các công nghệ năng lượng tái tạo và năng lượng phân bố, các công trình xây dựng có thể trở thành thiết bị sản sinh năng lượng. Công trình xây dựng thực hiện chức năng của các nhà máy điện, sản ra năng lượng nhiều hơn là lấy đi của chúng, năng lượng không tái tạo được.
Xây dựng theo kinh nghiệm về nơi làm việc thông minh của của trường Đại học Carnegie Mellon, thì phòng thí nghiệm "sống" và "ở" của trung tâm thực hiện và dự báo xây dựng, nơi nghiên cứu thực hiện những sản phẩm xây dựng sáng tạo mới được nhất thể hoá trong một cơ quan làm việc thực và hiện nay việc thiết kế xây dựng "công trình được xem là nhà máy điện"/ dự án sáng chế của Trường đại học - Nơi làm việc thông minh mở đường cho những sáng tạo về xây dựng khi thiết kế cho người sử dụng: tiện nghi, sức khoẻ, năng suất, hiệu quả tổ chức, công nghệ thích hợp cũng như hiệu quả môi trường xuyên suốt chu trình sống của vật liệu, thành phần, hệ thống... Trung tâm cũng phát triển các kỹ thuật tiên tiến và các khái niệm mới về công nghệ thông tin. Việc nghiên cứu cũng báo hiệu những công nghệ và hệ thống xây dựng sẽ sản sinh nhiều năng lượng hơn chứ không phải chỉ là nơi tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo. Nguyên tắc cơ bản là hiệu quả cao nhất về bảo tồn năng lượng thông qua việc kết hợp sưởi, làm lạnh và tạo năng lượng bằng cách sử dụng bộ làm lạnh hấp thụ nhiệt mặt trời và các kỹ thuật sưởi và địa nhiệt tiên tiến. Công trình được xem như nhà máy điện nêu rõ những nhu cầu của quốc gia và quốc tế về hiệu quả năng lượng, chất lượng năng lượng, đảm bảo việc thực hiện môi trường tin cậy, an toàn.
4. Các nguồn năng lượng tái tạo khác sẽ thay thế các nguồn không tái tạo
Các công nghệ tiên tiến, nhất thể hoá, nhạy cảm, khởi động và kiểm soát được cũng như có khả năng tương tác trong hệ thống là yêu cầu tối ưu để vận hành thành công các hệ thống nhất thể hoá của công trình xây dựng đã nói trên. Một sơ đồ năng lượng "dâng lên và thác đổ" được kết hợp trong việc sản sinh năng lượng, sưởi, thông gío và điều hoà không khí cho công trình và các công nghệ chiếu sáng đã được vạch ra. Trong "chiến lược dâng lên" việc đóng mở cửa, tạo bóng râm và hình khối công trình xây dựng được sắp xếp sao cho giảm tới mức tối thiểu tải trọng chiếu sáng, làm lạnh, sưởi và tăng tới mức tối đa số tháng không cần làm lạnh nhân tạo hay sưởi. Khi đưa các chiến lược bị động vào, chẳng hạn thông gió trực xuyên, thông gió kiểu ống khói, thông gió có trợ giúp của quạt và thông gió ban đêm. Làm lạnh bị động cũng thực hiện làm lạnh khử ẩm khi các mức ẩm vượt quá vùng tiện nghi nhiệt. Năng lượng địa nhiệt kích hoạt trong khối công trình để làm lạnh và sưởi. Khi nhiệt độ ngoài nhà hoặc tải trọng nhiệt trong nhà vượt quá khả năng của các hệ thống thì công trình sử dụng nhiệt mặt trời hoặc loại bỏ nhiệt từ việc sản sinh năng lượng bởi các hệ thống làm lạnh hấp thụ. Chỉ sử dụng hệ thống làm lạnh trung tâm khi các hệ thống khác tỏ ra bất lực.
Bổ sung vào chiến lược năng lượng "dâng lên" là chiến lược "thác đổ", được thiết kế nhằm sử dụng tối đa các nguồn không tái tạo. Trong việc sản sinh năng lượng cho công trình, việc thải bỏ nhiệt từ pin nhiệt, nhà máy điện diezel sinh học hoặc tuabin gaz có thể cải biến thành hơi nước để chạy tuabin. Trong hệ thống "thác đổ" việc thải bỏ nhiệt thực hiện bằng cách vận hành các hệ thống khử ẩm, làm lạnh hấp thụ. Nhiệt thải bỏ có thể sử dụng cho sưởi trong nhà hay đun nước nóng. Cuối cùng, các nguồn nhiên liệu sinh học và tái tạo khác sẽ thay thế các nguồn không tái tạo được, như gaz tự nhiên.
II. Các biện pháp có liên quan đến việc tiến hành những cải tiến mạnh mẽ về năng lượng và hiệu quả môi trường
1. Sử dụng các bộ cảm biến, thiết bị kiểm tra và công nghệ thông tin
Bộ cảm biến tương lai và các hệ thóng mạng cảm biến phải thực hiện thành công các yếu tố sau đây:
- Các yêu cầu sử dụng và hỗ trợ quyết định tạo điều kiện tiện nghi, sức khoẻ và bối cảnh sản xuất.
- Các yêu cầu tổ chức một cách linh hoạt.
- Đáp ứng công nghệ nhằm đảm bảo đưa công nghệ mới, loại bỏ công nghệ lỗi thời, không có phế liệu.
- Hiệu quả năng lượng và môi trường trong vận hành và bảo trì qua suốt chu trình sống của công trình.
Thiết kế nhất thể hoá chủ yếu dựa trên nhu cầu của con người đối với sức khoẻ, an toàn, môi trường sản xuất; đồng thời với nhu cầu riêng về xã hội đối với các nguồn năng lượng, mức độ tin cậy cũng như nhu cầu về môi trường đối với sức khoẻ và các hệ sinh thái khác nhau. Để phát triển một mô hình mới cho thiết kế nhất thể hoá, hệ thống đo lường mới để đánh giá chính xác hiệu quả chi phí của kịch bản thiết kế phải được lựa chọn để nâng cao sức khoẻ và năng suất trong những công trình chất lượng cao. Trong đó, gồm cả công cụ và chiến lược kiểm tra, có thể được kết hợp vào việc sản sinh các hệ thống tự động kiểm tra công trình sau này. Bởi vậy, trường Đại học Carnegie Mellon, khi cộng tác chặt chẽ với công nghiệp thì phát triển được các hệ thống phổ biến, linh hoạt, tái sử dụng và cảm biến điện tử, kết hợp với các khái niệm tiên tiến có lôgic. Các hệ thống này phải thống nhất với các công nghệ linh hoạt, thích hợp với công nghệ xây dựng, như đã từng thực hiện tại nơi làm việc thông minh. Những hệ thống cảm biến này đòi hỏi quyết định sớm các quá trình thông minh được phân bổ. Khi đó sự biểu hiện về thông minh phân bố là cổng chính đi vào toàn bộ trường của hệ thống cảm biến.
2. Xác định một tầm nhìn về tương lai
Thử tưởng tượng rằng khi đến không gian làm việc của bạn, được biết tất cả dụng cụ thiết bị thích hợp để kiểm tra, tất cả các bộ cảm biến cho đầu vào cũng như tất cả các mức độ kiểm tra theo lệnh của bạn. Thử tưởng tượng có một thiết bị đo trực tuyến thông báo cho bạn biết về năng lượng và tình ổạng môi trường của không gian của bạn hoặc của công trình so với các không gian khác, những tiêu chuẩn quốc tế và tiềm năng mà các thiết bị của bạn có được.
Tầm nhìn hiện được thực hiện với các cấu trúc của công nghệ thông tin và những đổi mới về phần mềm. Mỗi đồ đạc ở không gian làm việc có thể được phục vụ: ánh sáng, phân bố không khí, sưởi, mở mành, mở cửa sổ, máy tính cá nhân, máy in, radiô và khoá. Nơi làm việc thông minh theo đuổi tầm nhìn tương lai này như là một nền thử nghiệm khả năng bền vững của công nghệ thông tin. Những cải biến của nền này được xây dựng quanh cơ cấu chính của của hạ tầng cơ sở cáp và dây hiện có. Mỗi đồ đạc tự nhận dạng và địa chỉ internet thể hiện mức độ kiểm soát phù hợp với từng đối tượng người ở trong nhà. Nền này cũng cung cấp một giao diện đơn giản cho người sử dụng đối với từng đồ đạc hoặc một tập hợp các đồ đạc để tiếp cận tắt- bật, kiểm soát về nhiệt độ, làm giảm ánh sáng theo giờ giấc, tất cả đều được biểu diễn đô thị hoá trên máy tính cá nhân, máy tính xách tay. Ngoài ra, một loạt bộ cảm biến có thể cắm nối mạng để kiểm tra mức độ sáng, nhiệt độ, chất lượng không khí, số người có trong nhà... Những người sử dụng có thể kiểm tra các điều kiện hiện có để cải thiện tình hình hoặc đơn giản là để các bộ cảm ứng trực tiếp với máy kiểm tra. Mỗi phép đo được thực hiện với cảm biến hay máy kiểm tra sự kiện thực tế, được ghi tại mạng phát hiện- dự báo đầu- cuối. Điều này tạo khả năng cho những người quyết định thu thập các dữ liệu quan trọng của từng điều kiện môi trường, kiểm tra các hoạt động cải thiện về năng lượng, hoặc tham gia vào một hệ thống quản lý năng lượng trung tâm nhằm theo đuổi một chiến lược tiết kiệm và bảo tồn năng lượng.
3. Thực hiện nối mạng
Thành công quan trọng của các dự án nền thử nghiệm khả năng bền vững của công nghệ thông tin là sự nhất thể hoá các công nghệ đã vận hành riêng rẽ trước đây như thông gió, điều hoà nhiệt, điện, dữ liệu âm thanh và mang lưới radiô. Nối mạng có vi trò trung tâm trong việc quản lý công nghệ nhằm tạo hiệu quả năng lượng. Đó là:
- Khả năng áp dụng các hình thức tái tạo năng lượng.
- Thực hiện những môi trường kiến trúc tiên tiến mà vẫn bảo tồn được các nguồn năng lượng không tái tạo được.
- Khả năng tạo năng lượng điện phân bố mà tận dụng được nhiệt thải.
- Tạo ra những công trình xây dựng có tiện nghi cao cho người sử dụng.
- Đem lại cho người sử dụng sức khoẻ và năng suất làm việc cao.
- Khả năng thích ứng công nghệ.
- Có hiệu quả về năng lượng và môi trường qua suốt chu trình sống của các vật liệu, thành phẩm và hệ thống.
Các hệ thống tiên tiến và nhất thể hoá về cảm biến, kích hoạt và kiểm tra có thể hỗ trợ thực hiện các mức bảo tồn năng lượng mà trứơc nay chưa ngờ tới. Tầm nhìn xoay quanh truyền thông trên internet, hầu như mỗi hoạt động đều có một điểm dữ liệu. Mỗi một dụng cụ thiết bị trong nhà đều có địa chỉ nhằm đáp ứng lâu dài về chức năng và công nghệ của chúng một cách linh hoạt. Cũng có thể sử dụng bản tin thời tiết làm điều kiện tiên quyết thay đổi cho công trình. Nhiều chiến lược khác nhau cần dựa vào các kiểu loại và tốc độ thay đổi môi trường mà đáp ứng. Thời tiết có thể được dự báo đáng tin cậy vài giờ trước đó. Cũng không thiết kế ngôi nhà đầy những người, chỉ làm tăng nhiệt, ẩm và đioxit cacbon. Các bộ cảm ứng của hệ thống âm thanh hay điện, cơ là vô tuyến, có thể triển khai tùy yêu cầu. Chúng có thể tương tác để sản ra một hệ thống tự phục hồi, nếu một bộ cảm biến cho những kết quả khác lạ thì có thể quyết định theo số đông các bộ cảm biến khác. Cần nhấn mạnh rằng nối mạng có vai trò trung tâm trong các công nghệ quản lý để tạo hiệu quả năng lượng. Đưa các đồ đạc dụng cụ có địa chỉ vào mạng sẽ giúp người sử dụng nhận biết mức độ kiểm soát chúng, và có thể làm chỗ dựa để kiểm tra thêm nếu cần, làm môi trường ngày càng phong phú thêm. Có thể đặt giờ để kiểm tra và các bộ cảm biến cao có thể kích hoạt để tăng giảm ánh sáng đáp ứng sự ưa thích cá nhân hoặc việc điều khiển chiến lược về môi trường.
Như vậy, trong việc kết hợp với vỏ động học của công trình và các hệ thống bên trong, công nghệ vận hành các hệ thống năng lượng trong công trình sẽ có hiệu quả về khí hậu, thời tiết, về kiểu mẫu sử dụng cũng như các yêu cầu khác của cá nhân và cộng đồng. Ngày nay, tầm nhìn đã đưa thông minh vào từng cơ cấu vật chất của công trình và tạo điều kiện thực hiện những công nghệ hiện đại.
(Nguồn: Tạp chí Người Xây dựng, số 3/2009)