Friday, December 3, 2010

Kiến trúc Vi khí hậu

KIẾN TRÚC VI KHÍ HẬU

Thật ra đây cũng chẳng phải là khái niệm mới mà nó đã xuất hiện khá lâu vào những năm đầu 19.... Nói đến Kiến trúc Vi Khí Hậu, thì trước hết phải nói đến Kiến trúc Khí Hậu.
Theo cá nhân tôi, con người tồn tại và phát triển cho đến ngày hôm nay là quá trình thích nghi với môi trường thiên nhiên, là sự phản hồi đối với những biến động của môi trường khí hậu. Vì thế, Kiến trúc Khí Hậu hình thành nhằm nghiên cứu mối quan hệ giữa Môi trường thiên nhiên, cuộc sống con người và hình thức kiến trúc nhằm tạo ra điều kiện tiện nghi về mặt khí hậu cho điều kiện sống của con người, tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ thiên nhiên, bảo vệ môi trường.
Tuy nhiên mỗi vùng, do có những đặc điểm riêng về mặt địa hình, cảnh quan... mà hình thành một "vi khí hậu" riêng cho mỗi vùng đó, cho dù nó có thể nằm trong một vùng khí hậu rộng lớn. Chẳng hạn, Việt Nam thuộc vùng khí hậu Nhiệt Đới, nhưng do nằm trải dài và tiếp giáp với biển Đông mà chịu ảnh hưởng của gió mùa. Hay bản thân các vùng của Việt Nam cũng có vi khí hậu riêng biệt. Vì vậy mà ta thường thấy khí hậu của VN được chia làm 2 miền hoặc 3 miền (Khí Hậu miền Bắc, miền Trung và miền Nam). Và từ các vùng vi khí hậu đó có thể chia nhỏ ra nữa, đó là vi khí hậu của các tỉnh tuỳ thuộc vào đặc điểm riêng của các tỉnh. Ngay chính bản thân một vùng đất nhỏ nhưng một chung cư, một quần thể kiến trúc cũng có vi khí hậu riêng cho bản thân nó. Môi trương trong một căn hộ, một ngôi nhà cũng là vi khí hậu của căn hộ hay ngôi nhà đó. Lấy ví dụ, thời tiết bên ngoài nóng nhiệt độ cao, nhưng trong nhà bật điều hoà thì khí hậu hay các chỉ số khí hậu trong nhà khác hẳn bên ngoài dù ngôi nhà nằm trong khu vực khí hậu ngoài nhà.
Đối với kiến trúc sư, thì một trong những mục đích cuối cùng của họ là cố gắng tạo ra môi trường vi khí hậu của công trình đạt được tiện nghi sử dụng hay còn gọi là điều kiện tiện nghi. Có 4 dạng điều kiện tiện nghi đó là tiện nghi nhiệt, tiện nghi về âm thanh, tiện nghi ánh sáng, và chất lượng không khí (Fig. 1)!

Figure 1: Các loại điều kiện tiện nghi


Trong các yếu tố trên thì tiện nghi nhiệt đóng vai trò hàng đầu. Và để đạt được tiện nghi nhiệt là phải tạo ra sự cân bằng thu nhiệt (đối lưu, dẫn nhiệt, bức xạ, trao đổi chất, etc) và toả nhiệt (bay hơi, bức xạ, đối lưu, và dẫn nhiệt) của người sử dụng (fig. 2).

Figure 2: Cân bằng nhiệt trên cơ thể người


Sự trao đổi nhiệt đó được diễn ra qua các dạng khác nhau như đối lưu, dẫn nhiệt, bay hơi, etc (fig. 3).

Figure 3: Trao đổi nhiệt giữa cơ thể người và môi trường xung quanh


Có 6 yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt đó là nhiệt độ môi trường, nhiệt độ bức xạ, độ ẩm, tốc độ gió, áo quần, và khả năng thích nghi cũng như đặc trưng cơ địa của từng cá nhân. Trong 6 yếu tố trên, 4 yếu tố đầu là đối tượng mà kiến trúc sư có thể tác động nghiên cứu để làm biến đổi các yếu tố đó (fig. 4):

Figure 4: Các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt


Muốn vậy, đòi hỏi người thiết kế cần hiểu rõ các yếu tố tự nhiên, môi trường xung quanh công trình mình thiết kế để đưa ra giải pháp thích hợp nhằm tạo ra điều kiện tiện nghi. Mà những yếu tố tự nhiên ấy chính chuyển động mặt trời, địa hình, và hoàn lưu khí quyển (fig.5).

Figure 5: Biểu đồ chuyển động mặt trời (ST)


Để tạo ra điều kiện tiện nghi nhiệt thì các nhà nghiên cứu đã đưa ra biểu đồ tiện nghi nhiệt của từng vùng. Biểu đồ đó thể hiện được những vùng tiện nghi, quá nóng, quá lạnh, khô, ẩm dựa vào các yếu tố của khí hậu từng khu vực như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ, etc.
Có thể nói thế này cho dể hiểu, đó là các nhà nghiên cứu làm khảo sát đối với người dân ở Việt Nam và tìm ra được điều kiện tiện nghi của con người Việt Nam sẽ nằm trong giới hạn nào đó của nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, etc. Sau khi có được kết quả đó, đo các yếu tố trên hàng năm để biết được trong năm, vào tháng nào thì khí hậu của Việt Nam sẽ có những chỉ số nằm trong điều kiện tiện nghi của con người, tháng nào thì sẽ quá lạnh, quá nòng, quá ẩm, hay quá khô, etc. Từ đó mà có những phương pháp thích hợp khi thiết kế công trình bằng các giải pháp như che nắng, thông gió, điều hoà, màu sắc, vật liệu, etc.
Mục đích cuối cùng là đem lại tiện nghi cho người sử dụng. Còn che nắng, thông gió, điều hoà, màu sắc, etc chỉ là giải pháp để đạt được điều đó (fig. 6).

Figure 6: Thông gió tự nhiên trong quy hoạch (ST)


Tuy nhiên đâu đơn giản như thế!
Yêu cầu đặt ra là phải giảm chi phí tổi thiểu từ thiết kế, xây dựng, chí phí sử dụng. Trong thiết kế bền vững thì các nhà nghiên cứu nhận thấy (ở đây tôi đề cập một khía cạnh nhỏ) là có nhiều chi phí, tiêu hao năng lượng mà có thể giảm bớt được mà thay vào đó tận dụng nguồn năng lượng vô tận có từ thiên nhiên. Chẳng hạn khi thiết kế nhà, Kts thiết kế nhà có hình thức đẹp, sử dụng điều hoà, thông gió,... nhưng nếu lúc nào cũng sử dụng thì rất tiêu hao năng lượng sử dụng. Và trong thiết kế bền vững thì cần phải tìm cách quay vòng, tái sử dụng lại nhưng năng lượng thất thoát, hoặc sử dụng năng lượng vô tận tự nhiên. Khi đó một trong những giải pháp đề ra là nghiên cứu vi khí hậu của môi trường xung quanh công trình đó. Từ đó nhận biết được các khoảng thời gian trong năm hay tháng, ngày ở đó sẽ có đặc trưng khí hậu gì. Dựa vào đó mà đưa ra giải pháp thích hợp như đã nói ở trên. Một trong những giải pháp là thông gió, thì có thông gió cơ khí, thông gió tự nhiên. Nếu lúc nào cũng thông gió cơ khí thì tốn năng lượng, nhưng nếu biết thời điểm nào có thể tận dụng thông gió tự nhiên kết hợp với thông gió cơ khí để tạo ra Hybrid Ventilation thì vừa tiết kiệm năng lượng đồng thời vẫn đem lại tiện nghi cho người sử dụng.
Lấy ví dụ cụ thể về thông gió trong một gia đình. Theo lẽ thường, người sử dụng đi làm cả ngày, tối về sinh hoạt và ngủ thì họ bậc điều hoà nhiệt độ cho mát trước khi ngủ. Nhưng giả sử lúc chiều họ về, mở cửa sổ cửa đi ở phòng ngủ để tạo ra thông gió tự nhiên trước, thông gió tự nhiên sẽ làm giảm nhiệt độ hấp thu có được từ ban ngày trong phòng ngủ. Khi đó đến tối trước khi đi ngủ thì nhiệt độ trong phòng đã giảm tương đối đáng kể. Muốn vậy thì phải nghiên cứu vi khí hậu, biết được khoảng thời gian nào cần thông gió tự nhiên và thời gian nào không (fig. 7&8).
Ví dụ chung như Việt nam có khí hậu nóng ẩm. Đối với khí hậu nóng ẩm thì có hai vấn đề cần giải quyết: đó là thông gió và che nắng. Nếu trường hợp công trình có được hai giải pháp ấy thì rất tốt! Nhưng trường hợp công trình đó có hướng xấu, nếu che nắng thì mất thông gió hoặc ngược lại. Muốn vậy phải hiểu về vi khí hậu để biết được yêu cầu nào quan trọng hơn

Figure 7: Biến thiên nhiệt độ ban ngày dưới ảnh hưởng gió mùa (ST)


Figure 8: Biến thiên nhiệt độ ban đêm dưới ảnh hưởng gió mùa (ST)

Concept of sustainable design (Khái niệm thiết kế bền vững)
(Sustainability is a process, sustainable development is the product – Source: Brian Edwards, Sustainable housing: Principle & Practice, 2000).

Figure 9: Biểu đồ phát triển bền vững


Trong Kiến trúc Vi Khí Hậu, thì công trình được thiết kế có liên hệ chặc chẻ với khí hậu môi trường bên ngoài công trình. Khi khí hậu xung quanh mát mẻ, chất lượng và tiện nghi thì sẽ dể dàng tạo ra môi trương khí hậu trong công trình tiện nghi, mát mẽ và chất lượng phù hợp với tiện nghi người sử dụng.
Môi trường bên ngoài được biết là nguồn năng lượng vô tận mà con người cần phải cố gắng tận dụng và điều khiển để phục vụ cho những mục đích của họ. Trong kiến trúc, việc sử dụng năng lượng tự nhiên luôn được khuyến khích bởi nó đem lại nhiều mặt tích cực như tạo môi trường tiện nghi (bằng thông gió tự nhiên, điều hoà không khí tự nhiên, etc) hoặc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, chuyển đổi năng lượng tự nhiên thành những dạng năng lượng khác tuỳ thuộc vào mục đích của con người. Vì vậy ý nghĩa của nó rất quan trọng, đó chính là tính bền vững (fig. 10).

Figure 10: Giảm thiểu tài nguyên mới bằng cách sử vỏ bia Heniken (Glenn Murcutt)


Vậy thế nào là thiết kế bền vững?
Một điều nhận thấy là môi trường ngày nay đang bị ô nhiễm mà nguyên nhân là do sự phát triển của đô thị, các toà nhà, cao ốc, sự thay thế những mảng xanh bằng những công trình kiến trúc, trong khi con người đang ngày càng sử dụng nhiều năng lượng để đem lại tiện nghi sống cho mình, etc. Chính vì thế, mà nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra các chiến lược môi trường vi khí hậu, hay nói cách khác là thiết kế bền vững.
Thiết kế bền vững được biết tới như là các chiến lược được dùng để tận dụng tối đa năng lượng tự nhiên nhưng vẫn đảm bảo môi trường trong lành và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ càng nhiều càng tốt (The sustainable design is known as the strategies that are used for maximize the use of natural resources but much protect environment and minimize the consumption of energy as much as possible)

Trong kiến trúc, kiến trúc bền vững đề cập đến bền vững sinh thái, môi trường và xã hội nhân văn. Đó là một trong những nội dụng mà kiến trúc môi trường và vi khí hậu nghiên cứu (Bioclimatic architecture is the plan design or building design that is the most suitable for the condition of microclimate. By different architectural methods, it can use as more as possible the advantage conditions of natural climate and it can reduce the use of artificial equipments for creating the most comfortable, qualitative environment in building. Environmental architecture has bigger significance than bioclimatic architecture because it mentions the interaction between architecture and environment that consist of climate, lighting, acoustics, quality of atmosphere).

Trong thiết kế công trình, thiết kế bền vững thể hiện trong ba lĩnh vực: Economy resources (energy conservation, water conservation, and material conservation), Life cycle design (Pre-building phase, building phase, and post-building phase) and Human design (Preservation of natural conditions, urban design site planning, and design for human comfort). Trong 3 lĩnh vực trên thì nhiệm vụ của kiến trúc sư, nhà nghiên cứu là tìm ra các phương pháp và chiến lược của thiết kế bền vững để có thể thoả mãn những mục đích khác nhau của loài người.


Comfort condition (Điều kiện tiện nghi)
Điều kiện tiện nghi là mục tiêu mà người sử dụng muốn đạt được trong không gian sống của họ. Vì thế mà kiến trúc sư, nhà nghiên cứu cần phải tìm ra giải pháp để tạo ra môi trường tiện nghi cho người sử dụng. Thường thì khi môi trường thay đổi về trạng thái không tiện nghi ví dụ như quá nóng, quá lạnh, ẩm ướt, etc thì con người thường có những phản ứng hành động phản ứng lại sự thay đổi đó để mang lại môi trường tiện nghi cho mình.

Có rất nhiều khái niệm về điều kiện tiện nghi được đưa ra, chẳng hạn, theo Fanger thì tiện nghi nhiệt là “that condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment”, hoặc theo Yaglou: “Comfortable air conditions are those under which a person can maintain a normal balance between production and loss of heat, at normal body temperature and without sweating”, hoặc theo B. Givoni: “as the absence of irritation and discomfort due to heat or cold, or in a positive sense, as a state involving pleasantness”.
Có thể tóm lại rằng, điều kiện tiện nghi được định nghĩa như là trạng thái môi trường mà trong đó người sử dụng có được cảm nhận well-being.

Như đã nói, điều kiện tiện nghi trước đây thường được chia làm 3 loại: Tiện nghi nhiệt, tiện nghi về ánh sáng và môi trường, và tiện nghi về âm thanh. Tuy nhiên sau này nhiều nhà nghiên cứu cho rằng điều kiện tiện nghi còn bao gồm cả về chất lượng không khí:

- Thermal comfort
- Visual comforts with appropriate lighting level and environment
- Acoustical comfort with appropriate reverberation time and privacy level
- Air quality (odor, smell, etc,)
Trong 4 tiện nghi trên thì tiện nghi nhiệt đóng vai trò quan trọng nhất bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự trao đổi nhiệt giữa người và môi trường xung quanh nhằm làm cho thân nhiệt con người luôn xấp xỉ mức 37C.

Factors influencing on comfort condition (Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tiện Nghi Nhiệt)
Ở phần trước cũng đã đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt. Trong 6 yếu tố thì có 4 yếu tố mà kiến trúc có thể thiết kế nghiên cứu tác động làm thây đổi level của 4 yếu tố đó để đem lại điều kiện tiện nghi. 4 yếu tố đó là Gió, Độ ẩm, nhiệt độ không khí, và bức xạ mặt trời (Wind, Humidity, Air Temperature and Radiant Temperature). Thường thì điều kiện tiện nghi có thể đạt được chỉ cần điều khiển 2 hoặc 3 trong các yếu tố trên.
Các yếu tố trên có tương quan mật thiết với 4 trạng thái của tự nhiên là Địa hình, Bề phủ mặt đất và thực vật, Nước, và mật độ đô thị. Có nghĩa là một trong số các trạng thái trên thay đổi thì các yếu tố trên cũng thay đổi. Ví dụ như sự thay đổi thảm thực vật như hình dáng hoặc kiểu loại cây thì có thể điều khiển được cấp độ vận tốc gió và nhiệt độ môi trường.
Chính vì vậy, kiến trúc sư, nhà nghiên cứu muốn tạo ra môi trường tiện nghi thì họ phải thay đổi các trạng thái trên theo hướng có lợi dựa vào 3 chiến lược chính đó là phương pháp: Passive, Active and Hybrid methods. Active methods có nghĩa là chủ động tạo ra điều kiện tiện nghi bằng các máy móc cơ khí như điều hoà nhiệt độ, quạt máy, quạt thông gió, etc. Pasive methods thì sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên như thông gió tự nhiên, điều hoà tự nhiên, cây cối bóng mát, etc. Vì thiên nhiên luôn thay đổi nên người sử dụng luôn bị động và phụ thuộc vào điều kiện tụ nhiên. Cũng vì thế mà kết hợp 2 phương pháp trên để tạo điều kiện tự nhiên đó là Hybrid methods. Dưới đây là một số minh họa.

Figure 11: Các giải pháp kiến trúc đối với công trình ở Khí Hậu Nhiệt đới ẩm (ST)


Figure 12: Dùng các hồ nước bao quanh kết hợp thông gió tự nhiên ở Đền Bahai (ST)

(Còn tiếp)

No comments:

Post a Comment