Tiết kiệm năng lượng, hiệu quả năng lượng
Tiết kiệm luôn luôn là cần thiết, là một phong cách sống của nhiều người, ngay cả một vài tỷ phú cũng có cách sống này. Tiết kiệm ngược với hoang phí, nhất là khi cuộc sống còn khó khăn, nhiều thiếu thốn.
Trong kháng chiến chống thực dân Pháp, Bác Hồ đã nêu khẩu hiệu “cần, kiệm (tiết kiệm), liêm, chính” và tự mình gương mẫu thực hiện, mỗi sáng Bác lấy một nắm gạo bỏ vào hũ gạo tiết kiệm, gọi là “hũ gạo kháng chiến”. Hiện nay, do nước ta còn thiếu điện nghiêm trọng, nên Sở điện lực một số thành phố có chủ trương luân phiên cắt điện các khu vực dân cư, chấp nhận “chịu khổ” thiếu điện một vài lần mỗi tháng. Tiết kiệm năng lượng có thể coi là “quốc sách” hiện nay của nước ta. Như vậy khái niệm tiết kiệm hàm chứa nội dung giảm bớt cả những chi dùng cần thiết.
Đôi khi việc tiết kiệm được đưa cả vào các tiêu chuẩn quy phạm. Ví dụ ở Mỹ trước đây người ta quy định nhiệt độ trong nhà mùa đông là 220C. ở nhiệt độ này, người dân chỉ cần ăn mặc nhẹ nhàng trong nhà, nên sinh hoạt rất thoải mái. Đến giai đoạn khủng hoảng năng lượng những năm 70 (TK 20), để tiết kiệm điện, người ta đã quy định hạ thấp nhiệt độ trong nhà tới 20OC, nghĩa là khi nhiệt độ thấp hơn giá trị này mới cần cấp nhiệt sưởi ấm. Người dân chấp nhận mặc ấm hơn một chút, tiết kiệm nhưng không ảnh hưởng gì tới sức khoẻ. Còn Chính phủ Trung Quốc đã ra thông báo hôm 3/6/2007 rằng tại các nơi công cộng trên toàn quốc, các máy điều hoà nhiệt độ không được đặt thấp hơn 260C về mùa hè và cao hơn 200C về mùa đông.
Tiêu chuẩn chiếu sáng của Việt Nam cho đến nay vẫn quy định hai giá trị độ rọi (lux) trong nhà: khi dùng đèn huỳnh quang, ví dụ cho lớp học là 200 lux (TCXD 16 : 1986), còn khi dùng đèn nung sáng là 100 lux. Trong ví dụ này, tiết kiệm làm ảnh hưởng đến chất lượng công việc, chắc chắn làm tăng phế phẩm (đối với xưởng sản xuất), có thể gây ra các bệnh về mắt cho học sinh. Vì vậy, tiết kiệm ở đây là không hợp lý (trong ví dụ này, ta chưa bàn đến một nhận thức sai về vật lý và sinh lý của ánh sáng!) .
Hiệu quả năng lượng là sử dụng năng lượng cho công việc một cách có hiệu quả, hợp lý, chứ không phải là cắt giảm tuỳ tiện. Ví dụ, sử dụng bóng đèn compact thay cho bóng đèn nung sáng hay bóng halogene là có hiệu quả năng lượng vì khi cùng bức xạ một lượng ánh sáng như nhau, nó tiêu thụ năng lượng ít hơn gấp 5 lần. Nhưng để chiếu sáng quầy hàng thì bóng đèn halogene lại hiệu quả hơn do nó đưa được ánh sáng vào đúng nơi cần chiếu. Tương tự như vậy, vỏ đèn tuy làm giảm bớt một lượng ánh sáng (không cho thoát khỏi đèn), nhưng lại hiệu quả hơn do nó đưa được ánh sáng vào vùng cần chiếu và không gây loá mắt người sử dụng. Trong chiếu sáng đường phố, nó còn không gây ô nhiễm ánh sáng đô thị, khi một phần khá lớn ánh sáng sẽ thoát lên bầu trời.
Vì lý do đó, trong Quy chuẩn Việt Nam về sử dụng năng lượng trong xây dựng (QCXDVN 09:2005) đã dùng khái niệm “sử dụng năng lượng có hiệu quả”, mà không dùng khái niệm tiết kiệm năng lượng, tuy rằng trong khái niệm năng lượng hiệu quả có hàm chứa tiết kiệm.
Vì sao cần sử dụng năng lượng có hiệu quả ?
Trên bề mặt trái đất, ngoài loài người và các sinh vật sống khác (kể cả động vật và thực vật) còn có đất đá (thạch quyển), đại dương và sông hồ (thuỷ quyển) và bầu không khí (khí quyển), tạo thành một hệ sinh thái (ecosystem) khổng lồ gọi là sinh quyển (biosphere). Một khu nhà ở, một xóm làng, một khu nghỉ dưỡng, một đô thị … cũng là một hệ sinh thái, có quy mô lớn nhỏ khác nhau, trong đó tồn tại các quần thể sinh vật và môi trường vô sinh trong quan hệ tương tác hai chiều. Trong điều kiện tự nhiên hệ sinh thái thường đạt được trạng thái cân bằng tương đối (cân bằng động), nghĩa là các thành phần của hệ có những thay đổi nhưng nằm trong giới hạn cho phép, nên cấu trúc của toàn hệ không bị thay đổi. Đó là trạng thái cân bằng sinh thái. Ngược lại, do hoạt động của con người các yếu tố sinh thái có thể thay đổi vượt quá giới hạn cho phép, khi đó xẩy ra ô nhiễm.
Loài người trên trái đất, đạt được cuộc sống văn minh, tiến bộ như ngày hôm nay là nhờ có sự cân bằng sinh thái. Nhiệt độ trung bình năm của bề mặt trái đất trong nhiều thiên niên kỷ qua ổn định khoảng 180C, các tia tử ngoại có hại đối với sự sống của sinh vật (UV-B và UV-C) bị hấp thụ chủ yếu trong tầng ôzôn của khí quyển không tới được mặt đất, bảo đảm duy trì sự tồn tại của hệ sinh thái trái đất. Nhưng quá trình đô thị hoá với các tiến bộ vượt bậc của công nghệ, với cuộc sống văn minh và tiện nghi cao của con người hiện nay lại gây ra ô nhiễm nghiêm trọng và đang đe doạ cuộc sống trên trái đất, mà Hiến chương Bắc Kinh của Hội Kiến trúc sư quốc tế gọi là “sự trả thù của thiên nhiên” (6/1999).
Sự phát thải tăng lên của khí nhà kính (greenhouse gases), trong đó sự phát thải khí CO2 từ việc đốt các nhiên liệu hoá thạch, làm cho mật độ của nó trong khí quyển đã và sẽ tăng lên nhiều lần là nguyên nhân chủ yếu gây ra biến đổi khí hậu (Climate Change). Theo báo cáo 11/2000 của ông Robert T. Watson – Chủ tịch Ban liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu thì “nhiệt độ của bề mặt Trái đất trong thế kỷ này ấm hơn bất kỳ thế kỷ nào trong 1000 năm qua: Trái đất đã ấm lên 0,4 – 0,8 oC trong một thế kỷ, hai thập niên cuối trở thành nóng nhất thế kỷ, hình thái mưa đang thay đổi, mực nước biển dâng cao, các sông băng đang tan dần trên khắp thế giới.... Dự báo vào năm 2100, nhiệt độ bề mặt trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 6oC, và mực nước biển dâng cao từ 15 đến 95 cm”. ý thức được biến đổi khí hậu gây hậu quả tiềm tàng đối với các lĩnh vực kinh tế – xã hội, các hệ sinh thái và sức khoẻ con người ở quy mô khu vực và toàn cầu, nên 180 nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đã ký tên tham gia vào “Công ước khung của Liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu”.
Quan tâm lớn thứ hai của thế giới trong lĩnh vực môi trường là “Bảo vệ tầng ôzôn” (ozone layer protection). Công ước Vienna và Nghị định thư Montreal (Việt Nam gia nhập năm 1994) về vấn đề này nhằm kiểm soát và hạn chế sản xuất và sử dụng các chất phá huỷ tầng ôzôn (ozone depleting substances), trong đó công nghệ sản xuất mỹ phẩm, làm lạnh và sử dụng điều hoà không khí đóng góp phần chủ yếu (tỷ lệ này ở Việt Nam theo thứ tự là 48,80%, 28,96% và 14,45%).
Có lẽ vì những lý do đó mà nhà Vật lý thiên văn Cambridg, GS vũ trụ học Martin Rees đánh giá nguy cơ gây diệt vong Trái đất do biến đổi khí hậu là 60%.
Năng lượng sử dụng trong công trình xây dựng, phải tính từ khi sản xuất vật liệu, cấu kiện xây dựng, đến thi công lắp đặt để hoàn thành xây dựng công trình, kể cả lúc sửa chữa, phá bỏ, và năng lượng để vận hành, khai thác trong suốt cuộc đời công trình. Từ số liệu điện năng tiêu thụ năm 2001 ở Việt Nam, tính được tổng năng lượng dùng trong công trình xây dựng chiếm khoảng 60% tổng năng lượng tiêu thụ của quốc gia.
Hiến chương Bắc Kinh của Hội Kiến trúc sư quốc tế cảnh báo “TK 20 xây dựng đồng hành với huỷ hoại”môi trường sống!
Làm thế nào để xây dựng công trình có hiệu quả năng lượng ?
Các công trình xây dựng phải sử dụng năng lượng, do đó liên quan đến ô nhiễm môi trường, xẩy ra trong nhiều giai đoạn:
1/ Giai đoạn khai thác, chế tạo các vật liệu và kết cấu.
2/ Giai đoạn thiết kế và thi công xây dựng công trình.
3/ Giai đoạn vận hành khai thác công trình. Đây là giai đoạn dài nhất, có thể kéo dài từ 30 – 50 năm đến một vài trăm năm.
4/ Giai đoạn sửa chữa hoặc phá dỡ, có thể thu hồi sử dụng lại một phần vật liệu, cấu kiện.
Chúng tôi chỉ xin phác hoạ sơ lược một vài nội dung đã được nghiên cứu.
Giai đoạn khai thác vật liệu, chế tạo cấu kiện
Ai cũng biết vật liệu khai thác càng khó khăn, càng qua nhiều giai đoạn tinh chế thì càng phải chi phí nhiều năng lượng. Để thuận tiện đánh giá, người ta đề xuất khái niệm “năng lượng tự thân/ Process Energy Requirement” tính theo MJ/kg vật liệu. Ví dụ, vữa là 2; gạch đất nung là 2,5; gỗ sấy khô- 2; thép nhẹ -34; nhôm, thuộc loại lớn nhất - 170 v.v. Nói chung xây dựng công trình càng sử dụng nhiều vật liệu có năng lượng tự thân lớn thì càng tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, ngài Norman Foster, một KTS bậc nhất thế giới hiện nay, lại cho rằng, nhôm có tính bền vững tốt hơn, do nó có thể sử dụng 10 năm không cần bảo dưỡng, trong khi nhiều vật liệu có năng lượng tự thân thấp, nhưng phải sửa chữa, bảo dưỡng thường xuyên. Như vậy vấn đề đặt ra phải cân nhắc cả hai chiều.
Những năm 90 (TK 20) ở Berlin, người ta đã xây dựng nhiều nhà bằng đất sét (hạn chế tối đa bê tông cốt thép) và cho rằng không những chúng thân thiện với môi trường hơn mà sức khoẻ con người cũng tốt hơn khi sống trong đó.
Nhưng hình như trong tiêu chí năng lượng tự thân còn chưa kể đến các loại ô nhiễm khác, như bụi, khói, các khí độc hại thải ra khi chế tạo chúng.
Giai đoạn thiết kế công trình
Một công trình xây dựng trước hết phải đáp ứng tốt nhất công năng sử dụng và tạo ra trong nó một môi trường sống hoặc làm việc tốt nhất, thuận lợi nhất, sau đó mới đến thẩm mỹ kiến trúc đô thị. Nếu chỉ chú trọng vế thứ hai mà bỏ qua vế thứ nhất thì công trình đó sẽ thiếu “tính nhân văn”. Tiếc thay, phần lớn công trình xây dựng trên đất nước ta lại xem nhẹ, thậm chí bỏ qua nhiều nội dung quan trọng này. Nhưng từ góc nhìn hiệu quả năng lượng thì cách đánh giá này vẫn còn chưa đủ. Theo quan điểm năng lượng, môi trường sống/làm việc trong nhà tốt nhất là “môi trường tự nhiên”, nghĩa là vỏ công trình phải là “bộ lọc” tự nhiên tốt nhất, lợi dụng tối đa mặt thuận lợi, giảm bớt hoặc cải tạo mặt bất lợi của tự nhiên. Dù cho ngày nay công nghệ hiện đại đem lại nhiều tính năng ưu việt, thì môi trường nhân tạo vẫn chưa đem lại điều tốt nhất cho sức khoẻ con người, lại tiêu tốn một năng lượng điện quá lớn. Hãy tưởng tượng, nếu một đêm hè, toàn bộ một triệu ngôi nhà và các căn hộ trong thành phố (khoảng 4-5 triệu dân) đều bật máy điều hoà nhiệt độ: - năng lượng điện tiêu thụ ? - khí nóng từ máy ĐHNĐ toả ra làm tăng nhiệt độ không khí môi trường đô thị? – năng lượng và các hoá chất sử dụng để chế tạo ra chúng v.v.
Kiến trúc cần thân thiện với môi trường, thích ứng với khí hậu, giảm thiểu sức ép lên hệ sinh thái đô thị: đó là nội dung nghiên cứu và thực hành của kiến trúc xanh, kiến trúc môi trường, kiến trúc sinh thái, kiến trúc bền vững.
Xin nêu một ví dụ. Khí hậu nhiệt đới của nước ta do có độ ẩm không khí cao nên mùa nóng con người luôn cảm thấy oi bức do lượng nhiệt thừa bên trong cơ thể (nhiệt sinh lý/ metabolism) khó thoát ra ngoài. Khi đó rất cần có gió, để làm tăng bay hơi trên mặt da mà thải nhiệt. Gió vùng này thường thổi từ biển tới nên vừa mát, vừa trong lành. Khi có gió thổi tới với vận tốc 0,5 – 1m/s, ta có cảm giác như nhiệt độ giảm bớt được 2 – 30C. Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu coi “thông gió tự nhiên xuyên phòng” là “chiến lược thiết kế kiến trúc – khí hậu số 1” của khí hậu này. Nhưng nếu thiết kế các nhà cao tầng với các căn hộ bố trí đậm đặc chung quanh một cái lõi (sảnh và thang máy) như hiện nay thì không bao giờ đạt được điều này. Một giải pháp rất hữu hiệu là tạo ra một giếng trời thông gió, mà người Nhật gọi là “lõi sinh thái/ ecologic core” của toà nhà, nhưng rất ít được áp dụng ở nước ta. Phải chăng vì nó sẽ tốn nhiều đất hơn, trái với quan niệm “ tấc đất tấc vàng” ?!
Khi thiết kế công trình để đạt được hiệu quả năng lượng còn phải hạn chế đến mức cho phép “năng lượng trung bình truyền qua tường và mái vào nhà” (ví dụ QCXDVN 09:2005 quy định trị số này là OTTV tường bằng 58-76 W/m2 cho nhà văn phòng & khách sạn cao tầng, tuỳ thuộc vùng khí hậu). Nhờ đó, nếu nhà sử dụng ĐHNĐ thì ít nhất cũng giảm bớt phần năng lượng để khử lượng nhiệt thừa này. Người thiết kế khi đó phải tính toán sao cho các mặt nhà theo hướng có lợi nhất để giảm được bức xạ mặt trời chiếu tới, tỷ lệ giữa diện tích tường đặc và kính, chọn vật liệu cho chúng để nhận nhiệt ít nhất hoặc áp dụng các biện pháp che nắng mặt trời v.v.
Bên cạnh đó công trình phải có nhiều giờ sử dụng ánh sáng tự nhiên - ánh sáng khuếch tán chứ không phải các tia nắng chói chang của mặt trời - và kiểm soát được chiếu sáng nhân tạo, sử dụng thiết bị chiếu sáng tiến bộ, để cùng cho một lượng ánh sáng mà tiêu thụ ít năng lượng. QCXDVN 09:2005 quy định các loại nhà phải đạt được trị số “mật độ công suất chiếu sáng” khoảng từ 10 – 15 W/m2.
Một ví dụ khác, khi thiết kế chiếu sáng một công trình, thay vì thiết kế một “hệ thống chiếu sáng chung /general lighting systems”, đồng đều toàn không gian, ví dụ 500 lux, người ta sử dụng một “hệ thống chiếu sáng nền / ambient lighting systems”, ví dụ 100 – 150 lux, cùng với “hệ thống chiếu sáng làm việc / task lighting systems”, bổ sung thêm 350 – 400 lux, sẽ có hiệu quả năng lượng hơn, bởi vì hệ thống chiếu sáng làm việc có thể đóng mở linh hoạt hơn và nằm trong một không gian thu hẹp.
Hiện nay tại các nước tiên tiến đã phổ biến sử dụng “hệ thống quản lý năng lượng/ energy management systems, viết tắt EMS) cho các toà nhà. Toà nhà Liên bang San Francisco đã tiết kệm được trung bình 20-23% năng lượng nhờ những áp dụng này.
Giai đoạn vận hành công trình cho đến khi phá dỡ
Nhiều chuyên gia cho rằng năng lượng sử dụng, cùng với nó là ô nhiễm, trong giai đoạn này là lớn nhất và do người thuê nhà - chứ không phải chủ đầu tư công trình- gánh chịu. Vì vậy tính kinh tế về năng lượng cần phải được tính toán so sánh cho ít nhất 20 năm vận hành công trình, từ góc nhìn người sử dụng và môi trường đô thị.
Đánh giá toàn bộ hiệu quả năng lượng một toà nhà thật khó chính xác. Một số nhà nghiên cứu Nhật Bản đề xuất sử dụng đại lượng “Vòng đời CO2 của công trình/ Lifecycle CO2”, là tổng lượng CO2 do công trình thải ra do tiêu thụ năng lượng trong suốt cuộc đời của nó. Sáng kiến này cũng đã được chấp nhận và ủng hộ.
Vấn đề đề cập quả thực rất lớn cả trong nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng nên một bài báo nhỏ này chưa thể trình bày đầy đủ. Có nhiều nội dung, tưởng như không liên quan nhưng lại thực sự có ý nghĩa. Ví dụ, khi tổ chức các khu nhà ở cao tầng trong đô thị, cũng là một giải pháp thiết kế đạt được hiệu quả năng lượng, bởi vì khi tập trung công trình, các hệ thống hạ tầng đi kèm sẽ không bị phân tán, giao thông giảm bớt…, nhờ đó giảm năng lượng tiêu thụ. Tương tự như vậy, tuổi thọ một công trình càng lớn, càng có hiệu quả năng lượng. Một thiết bị kích thước càng nhỏ gọn, càng nhẹ, càng giảm được năng lượng vận tải do đó càng có hiệu quả năng lượng, vân vân và vân vân.
Kết luận
Vấn đề xây dựng có hiệu quả năng lượng ở Việt Nam đang đi những bước đầu tiên. Vấn đề quan trọng đặt ra lúc này là khi QCXDVN 09:2005 hết giai đoạn khởi động (cuối năm 2007) thì vấn đề thiết kế, thẩm định, đánh giá, giám sát … sẽ được quản lý chặt chẽ đến mức độ nào? Vấn đề môi trường toàn cầu với hiểm hoạ biến đổi khí hậu đang được tất cả các quốc gia trên thế giới quan tâm đặc biệt khi hoạch định các chiến lược, chính sách, sẽ phải được những Người xây dựng Việt Nam đón nhận và đóng góp thiết thực.
Chúng tôi cho rằng thiết kế và xây dựng các công trình thân thiện với môi trường, có hiệu quả năng lượng là thách thức lớn nhất đối với tài năng sáng tạo của người xây dựng Việt Nam trong thế ký 21.

(Phạm Đúc Nguyên - Tổng hội Xây dựng Việt Nam)