Mô hình nhà thụ động áp dụng cho nhà ở thấp tầng trong đô thị tại Việt Nam

Mô hình khởi thủy của nhà thụ động (ở CHLB Đức năm 1991) chính là nhà ở thấp tầng (dạng ghép khối bốn căn hai tầng rưỡi). Thực tiễn phát triển nhà thụ động gần 30 năm qua trên thế giới cho thấy biệt thự từ 2 đến 3 tầng và nhà liền kề (hoặc nhà ở nhiều hộ gia đình) từ 2 đến 5 tầng vẫn là các loại hình nhà thụ động phổ biến nhất căn cứ trên hai lý do cơ bản: 1. Quyết định lựa chọn mô hình dễ dàng, miễn là chủ nhà có nguyện vọng và đủ điều kiện tài chính; 2. Quy mô thích hợp, thuận lợi cho việc thi công trong điều kiện sẵn có mẫu thiết kế, các cấu kiện cùng vật liệu đi kèm được tiêu chuẩn hóa để chọn lựa, trang thiết bị kỹ thuật cũng được cung ứng nhanh chóng. Tất cả đều được lập thành “quy trình” và “công nghệ” – từ khâu thiết kế, xây lắp cho đến vận hành và bảo dưỡng trong suốt vòng đời của công trình.

Tại Việt Nam, khi tiết kiệm và hiệu quả năng lượng trong xây dựng là yêu cầu bắt buộc (trong tương lai gần), thì nhà thụ động hứa hẹn sẽ chiếm một thị phần đáng kể do những ưu điểm nổi bật. Vấn đề còn lại chỉ là thời gian, khi nhận thức về môi trường và chất lượng tiện nghi ở của cộng đồng có sự chuyển biến đáng kể và giá thành hạ (dưới tác động của yếu tố công nghiệp hóa) trong khi thu nhập bình quân đầu người tăng lên, cộng với chính sách hỗ trợ tích cực của nhà nước khiến khả năng chi trả không còn là một rào cản quá lớn đối với người dân. Như đã có dịp trình bày và bàn luận (xem bài “Nhà thụ động – Từ mô hình lý thuyết của Đức đến ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam” số tháng 01/2019), quy hoạch hợp lý và thiết kế tối ưu trong mọi trường hợp luôn là giải pháp then chốt và công cụ hữu hiệu để công trình đạt mức “thụ động về năng lượng” – một tiêu chuẩn cao song không phải quá xa tầm với. Nhà ở thấp tầng đô thị trong điều kiện của Việt Nam chính là địa chỉ ứng dụng khả thi nhất của mô hình “nhà thụ động”.

Theo Viện Nhà ở Thụ động Darmstadt bốn nguyên lý cơ bản của nhà thụ động, gồm:

1. Hướng công trình tối ưu;
2. Hình dạng công trình tối ưu;
3. Sơ đồ bố trí mặt bằng tối ưu;
4. Kết cấu bao che tối ưu.

Về bản chất, nguyên lý số 1 thể hiện rõ yếu tố quy hoạch, trong khi nguyên lý số 4 thiên về giải pháp kỹ thuật (với vật liệu chế tạo đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là lớp hoàn thiện ngoài cùng và lớp cách nhiệt ở giữa hệ vỏ bao che), còn hai nguyên lý số 2 và số 3 thuộc phạm vi kiến trúc.

Quy hoạch hợp lý

Hệ thống đường giao thông là yếu tố định hình không gian và có ảnh hưởng lớn đến bộ mặt kiến trúc của mọi đô thị. Hướng của mỗi trục đường phụ thuộc vào một số điều kiện như địa chất, địa hình, cảnh quan, công trình có sẵn và cả định hướng quy hoạch của chính quyền thành phố. Trong thực tế, các đường phố và ngõ trong đô thị rất đa dạng về hướng. Được xây dựng bám theo đường, thông thường mặt tiền song song hoặc gần như song song với trục đường, khiến cho các công trình cũng đa dạng về hướng. Có nhiều nhà bất lợi về hướng khi quay về phía Tây, Tây Bắc và Tây Nam bên cạnh những nhà được lợi về hướng. Bài viết này đề cập đến cả hai trường hợp.

Trường hợp 1: Nhà được lợi về hướng, tức là trường hợp được đánh giá là “thuận lợi” cho đến “lý tưởng” về năng lượng, tiện nghi nhiệt có thể được đảm bảo phần lớn hoặc hoàn toàn bằng các giải pháp tự nhiên. Giải pháp kỹ thuật khi đó chỉ mang tính chất hỗ trợ trong những tình huống thời tiết cực đoan (quá nóng, quá lạnh) hoặc mức độ ô nhiễm không khí vượt cảnh báo nguy hiểm. Giải pháp quy hoạch lúc này khá đơn giản và quen thuộc: Nhà quay mặt ra đường, trục nhà vuông góc với trục đường, lối tiếp cận từ mặt đứng chính (mặt phía trước) và áp dụng cho cả biệt thự lẫn nhà liền kề (Hình 1a và Hình 1b). Với nhà mặt phố (cả nhà liền kề lẫn biệt thự) có mặt cắt đường tương đối rộng, yêu cầu về khoảng không gian thông thoáng phía trước nhà (không bị công trình khác che chắn trong phạm vi góc 45o về hai phía so với trục chính của nhà) dễ dàng được đáp ứng trên những tuyến phố không có đột biến về độ cao của công trình (Hình 1c). Nếu có nhà cao tầng hiện diện trong khu vực lân cận thì phải xét cụ thể từng trường hợp, kiểm tra (chiều cao, khoảng cách và hướng) để kết luận xem liệu công trình đó có nằm ở vị trí bất lợi được khuyến cáo hay không (Hình 1d). Còn trong trường hợp những đường phố nhỏ, và đặc biệt trong các ngõ/ngách, yêu cầu không bị công trình đối diện án ngữ trong phạm vi góc 45o về hai bên trục chính của nhà không hoặc khó có thể được đáp ứng, với mức độ “bị che chắn” hay còn gọi là “sấp bóng” từ thấp (chỉ tầng dưới cùng) đến cao (toàn bộ mặt đứng nhà), sẽ áp dụng một số biện pháp hạn chế bất lợi như điều chỉnh khoảng lùi (nếu có thể) và kiểm soát chặt chẽ độ cao công trình trên nền tảng quy hoạch có hiệu quả năng lượng. Những trường hợp này việc áp dụng mô hình nhà thụ động dẫu ít nhiều hạn chế vẫn thực hiện được (Hình 1e).

Trường hợp 2: Nhà bất lợi về hướng. Khi đó, mức độ can thiệp của các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo tiện nghi vi khí hậu cho người sử dụng sẽ cao hơn nếu không có sự điều chỉnh hướng nhà. Khả năng điều chỉnh hướng nhà – bằng cách xoay công trình đi một góc – chỉ có thể thực hiện được đối với biệt thự đơn lập tọa lạc giữa một khu đất đủ rộng (Hình 2a). Với nhà liền kề, việc xoay hướng từng nhà là rất khó (Hình 2b). Việc chỉnh hướng nhà thực sự có ý nghĩa và tầm quan trọng lớn vì liên quan trực tiếp đến tính hiệu quả năng lượng, chỉ có giải pháp – cần được tiến hành ngay từ đầu – là xoay hướng tất cả các nhà trong cùng một dãy (Hình 2c). Lúc đó, thay vì có một bề mặt “phẳng nhẵn”, tuyến phố sẽ có dạng “răng cưa” hay “giật cấp”, có thể không dễ dàng được chấp nhận với quan điểm thiết kế đô thị thông thường tại một số khu vực có yêu cầu cao về thiết kế đô thị. Tuy nhiên, giải pháp bổ sung, dung hòa có thể được chấp nhận là: Thiết kế hệ thống lô-gia, “khỏa lấp” một phần không gian “giật cấp” phát sinh và “mềm hóa” vẻ “gai góc” của dãy nhà mặt phố sau khi xoay hướng trên – Quan điểm này tạm gọi là “kiến trúc vị năng lượng”.

Thiết kế tối ưu

Thiết kế tối ưu thể hiện trước hết ở cách bố trí không gian bên trong của ngôi nhà sao cho có lợi về năng lượng mà vẫn đảm bảo thuận tiện cho người sử dụng. “Có lợi về năng lượng” cần được hiểu là công trình tận dụng được các điều kiện tiện nghi tự nhiên sẵn có của khu vực xây dựng như nắng ấm, gió mát và cảnh quan đẹp (ít nhiều có liên quan đến tiện nghi nhiệt bởi vì yếu tố cây xanh và mặt nước – nếu có – sẽ góp phần hạ nền nhiệt độ mùa hè oi bức, đặc biệt trong các thành phố lớn vốn có mật độ xây dựng dày đặc và tỷ lệ bê tông hóa cũng như tôn hóa cao nên thường xuyên phải chịu tác động của hiện tượng đảo nhiệt đô thị). Về nguyên tắc, những phòng chức năng chính trong nhà ở như phòng khách, phòng ăn và bếp (có hoặc không liên thông với phòng khách), phòng sinh hoạt chung, phòng ngủ và phòng làm việc (có hoặc không được kết hợp với phòng ngủ) là các không gian đòi hỏi cao về mức độ tiện nghi, có tần suất sử dụng lớn, là nơi con người dành nhiều thời gian trong ngày để sinh hoạt và làm việc, cần được bố trí trên hướng tối ưu (thông thường từ hướng Đông đến hướng Nam). Trên những hướng này, không gian chức năng đón nhận ánh sáng đầy đủ và thông gió tự nhiên tốt, đảm bảo chất lượng tiện nghi nhiệt mà không cần đến (hoặc không phụ thuộc nhiều vào) các giải pháp nhân tạo tiêu tốn năng lượng. Có thể thấy rằng thiết kế tối ưu đạt được tiêu chí “một công đôi việc”.

Khi hướng có lợi được ưu tiên cho những không gian chính, không gian phụ trợ sẽ án ngữ các hướng còn lại. Nhà xe, khu vệ sinh, kho, cầu thang, … giả sử có chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao, nắng gắt và gió nóng cũng không tác động lớn đến sinh hoạt hàng ngày và hơn nữa còn góp phần che chắn, bảo vệ các phòng chính khỏi những tác động bất lợi nói trên, tức là có tác dụng “kép”. Như vậy, việc phân định rạch ròi không gian chính – phụ cũng như hướng có lợi – bất lợi và cách ghép đôi (không gian chính về hướng có lợi và không gian phụ cho các hướng còn lại) về nguyên tắc là hoàn toàn có thể thực hiện được, không có điểm gì mâu thuẫn với các nguyên lý thiết kế thông dụng đã được tổng kết và thực hiện từ trước đến nay.

Tương tự như trên bình diện quy hoạch, ở cấp độ thiết kế công trình có hai trường hợp cần xem xét. Trước hết, và là trường hợp đơn giản dễ giải quyết, khi hướng có lợi về năng lượng (và tiện nghi nhiệt) trùng với hướng tiếp cận chính của ngôi nhà, các phòng chính sẽ tập trung về phía mặt tiền, được hưởng “phép lợi thế” bởi vì phía trước nhà là khoảng lưu không (đường phố + sân vườn), không bị che chắn bởi công trình đối diện (hoặc nếu có thì ở mức độ thấp), do đó đón nhận đầy đủ ánh sáng và gió mát. Những tác động tiêu cực như tiếng ồn, khói bụi, … của giao thông đường phố, lượng nhiệt phát sinh từ các phương tiện lưu hành và từ bề mặt xung quanh được kiểm soát bởi lớp vỏ bao che được cách nhiệt theo tiêu chuẩn và đáp ứng độ kín hơi và được tăng cường bởi một số kết cấu/cấu trúc/vật thể được tích hợp vào giải pháp thiết kế mặt đứng theo hướng linh hoạt, chẳng hạn xen cấy không gian đệm, lắp đặt lam chắn và rèm…

Ngược lại, nếu hướng có lợi về năng lượng (và tiện nghi nhiệt) không trùng với hướng tiếp cận chính của ngôi nhà, sẽ có hai lựa chọn: Hoặc các phòng chức năng chính vẫn được bố trí trên mặt đứng chính, tức là chấp nhận hướng bất lợi, khi đó sẽ phải tăng cường các cấu trúc với cấu tạo lớp và vật liệu bề mặt phù hợp, có tác dụng che chắn và bảo vệ như đã đề cập đến ở trên, kết hợp với một số giải pháp kỹ thuật đơn giản song hiệu quả như phun sương làm mát hay xanh hóa mặt đứng; hoặc để các phòng phụ trợ thay thế vị trí, đưa những không gian chức năng chính sang bên cạnh và/hoặc phía sau (tùy trường hợp). Với biệt thự có khuôn viên rộng hoặc nhà liền kề có diện tích khu đất đủ lớn, việc hoán đổi vị trí không gian chính – phụ này nhằm đảm bảo tiện nghi nhiệt và hiệu quả năng lượng hầu như không gặp phải trở ngại gì lớn. Vấn đề thẩm mỹ, khi không gian phụ quay về phía mặt đứng chính có thể được giải quyết bởi một số thủ pháp trang trí – tạo hình. Khi lô đất với diện tích khá hạn chế nhưng chủ nhà vẫn muốn hoán vị để đổi lấy tiện nghi nhiệt và hiệu quả năng lượng – đây chính là trường hợp phức tạp hơn cả, chỉ có cách xen cấy không gian trống (giải pháp thiết kế sân trong/giếng trời) vào ranh giới phân định hai khối chính – phụ trong nhà hoặc chuyển không gian trống đó về phía sau (giải pháp thiết kế sân sau). Tùy thuộc vào tình hình thực tế như vị trí và kích thước/tỷ lệ của khu đất cũng như bối cảnh xung quanh, chủ nhà cần trao đổi và làm việc với KTS cùng chuyên gia tư vấn năng lượng để chọn phương án tốt nhất có thể.

Ví dụ minh họa

Nhà thụ động Meerbusch (thuộc tiểu bang Nordrhein-Westfalen, Đức)

• Đơn vị thiết kế: Sommerbaustatik GmbH Erkelenz
• Đơn vị thi công: Sommerbaustatik GmbH Erkelenz
• Đơn vị tư vấn năng lượng: Ingenieurbüro Kunkel Zwickau
• Năm hoàn thành: 2007

Loại hình nhà: Nhà ở gia đình đơn lập

• Hướng nhà: Tây – Tây Nam
• Chiều cao: 1,5 tầng (một tầng hầm, tầng trệt và tầng áp mái)
• Diện tích sàn: 223m2 trong đó diện tích có sưởi 99m2 và không sưởi 124 m2
• Số nhân khẩu: 4 người
• Tỷ lệ diện tích tường ngoài/thể tích (A/V): 0,6 m-1
• Độ kín hơi (tiêu chuẩn): 0,6 h-1(qua phép đo Blower door test)
• Nhu cầu năng lượng sưởi ấm: 15,1 kWh/m2năm
• Nhu cầu năng lượng sử dụng: 79,7 kWh/m2 năm (tổng số)
• Trị số U của các cấu kiện: Nền 0,17 W/m2K (dày 45 cm, với lớp cách nhiệt 20 cm)
• Tường ngoài 0,12 W/m2K (dày 56 cm, với lớp cách nhiệt 36 cm)
• Mái 0,1 W/m2K (dày 43 cm, với lớp cách nhiệt 40 cm)
• Cửa kính 0,71 W/m2K (ba lớp kính 7 mm/lớp với hai khoảng chân không 2 cm/khoảng xen kẽ).
• Nhà thụ động Niederzier (cũng thuộc tiểu bang Nordrhein-Westfalen, Đức)
• Đơn vị thiết kế: Sommerbaustatik GmbH Erkelenz
• Đơn vị thi công: Sommerbaustatik GmbH Erkelenz
• Đơn vị tư vấn năng lượng: Ingenieurbüro Kunkel Zwickau
• Năm hoàn thành: 2007

Loại hình nhà: Nhà ở gia đình đơn lập

• Hướng nhà: Nam – Đông Nam
• Chiều cao: 1 tầng (không có tầng hầm, một tầng trệt và không có tầng áp mái)
• Diện tích sàn: 155m2 trong đó diện tích có sưởi 68m2 và không sưởi 87m2
• Số nhân khẩu: 4 người
• Tỷ lệ diện tích tường ngoài/thể tích (A/V): 0,67 m-1
• Độ kín hơi (tiêu chuẩn): 0,6 h-1(qua phép đo Blower door test)
• Nhu cầu năng lượng sưởi ấm: 14,8 kWh/m2năm
• Nhu cầu năng lượng sử dụng: 77,5 kWh/m2 năm (tổng số)
• Trị số U của các cấu kiện: Nền 0,1 W/m2K (dày 60 cm, với lớp cách nhiệt 40 cm). Tường ngoài 0,09 W/m2K (dày 50 cm, với lớp cách nhiệt 32 cm). Mái 0,08 W/m2K (dày 51 cm, với lớp cách nhiệt 48 cm). Cửa kính 0,71 W/m2K (ba lớp kính 7 mm/lớp với hai khoảng chân không 2 cm/khoảng xen kẽ).

Qua hai ví dụ được chọn lọc kể trên với cùng một tiểu bang với điều kiện khí hậu giống nhau, cùng một đơn vị thiết kế – thi công và tư vấn năng lượng, cùng thời điểm xây dựng, cấu kiện có quy cách và chất lượng tương đương, trang thiết bị như nhau, số nhân khẩu bằng nhau, diện tích và một vài thông số thiết kế không khác biệt quá nhiều, hướng nhà là yếu tố đóng vai trò khá quan trọng trong việc giảm mức độ sử dụng năng lượng. Cụ thể:

• Năng lượng sưởi ấm: Nhà ở tại Niederzier hiệu quả hơn 1,99% so với nhà ở tại Meerbusch
• Năng lượng tổng: Nhà ở tại Niederzier hiệu quả hơn 2,76% so với nhà ở tại Meerbusch.

Với trình độ kỹ thuật rất cao, độ chênh lệch về hiệu quả dù chỉ một vài phần trăm cũng có ý nghĩa không hề nhỏ.

Lời kết

Nhà thụ động là một sản phẩm tổng hợp của thiết kế kiến trúc chuẩn mực, kỹ thuật xây lắp trình độ cao và công nghệ năng lượng tiên tiến, cung cấp không gian ở có chất lượng phải nói là “lý tưởng” cho nhiều người song cũng tương đối “kén địa điểm”. Địa điểm được xem là phù hợp để xây dựng nhà thụ động có hiệu quả thực chất cần hội tụ một số điều kiện nhất định về hướng nhà (theo tư vấn của chuyên gia), diện tích khu đất (đủ lớn), khoảng cách đến các công trình đối diện (không quá gần), chiều cao (đồng đều để tránh nhà cao chắn sáng nhà thấp hơn ngay bên cạnh), … và yếu tố then chốt luôn là bố trí mặt bằng tối ưu với những không gian chức năng chính được ưu tiên cao nhất về hướng có lợi và sự hỗ trợ đắc lực của công nghệ năng lượng cũng như công nghệ vật liệu. Việc nghiên cứu – lập mô hình tổ chức không gian cho nhà ở thụ động ứng với các khu đất có hình dạng, kích thước và điều kiện xung quanh khác nhau tương đối phổ biến trong thực tiễn, trước hết là những trường hợp điển hình để lấy làm hình mẫu, thực sự rất cần thiết và có ý nghĩa quan trọng để nhà ở thụ động nói riêng và nhà ở hiệu quả năng lượng nói chung sớm trở thành hiện thực tại các đô thị của Việt Nam.

TS.KTS NGUYỄN QUANG MINH*

Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Đại học Xây dựng

(Bài đăng trên số 04-2019)

———————————————————————————————

Tài liệu tham khảo

1. Viện Nhà ở Thụ động (Passivhausinstitut) Darmstadt, www.passiv.de

2. Adolf W. Sommer (2009), Passivhäuser – Planung, Konstruktion, Details und Beispiele, Rudolf-Müller Verlag, Köln, S. 197-204