Làm thế nào để công trình kiến trúc trở thành một thực thể thân thiện với môi trường, dễ dàng thích ứng được với sự biến đổi của thời tiết theo thời gian trong ngày và theo mùa trong năm. Với vai trò là “không gian chuyển tiếp” giữa bên trong và bên ngoài, mặt đứng kiến trúc đã và đang được khai thác để tích hợp các công nghệ truyền thống và công nghệ hiện đại, biến chúng trở thành một lớp vỏ bao che thông minh, tận dụng được những ưu thế và hạn chế được những bất lợi của điều kiện khí hậu ở mức độ cao nhất.
Tòa nhà Al Bahar, Arab Saudi với màn chắn nắng động lực
Khái niệm mặt đứng thông minh
Mặt đứng thông minh (intelligent/smart facades) trong công trình kiến trúc là loại mặt đứng có thể tự biến đổi để thích ứng với sự thay đổi của điều kiện thời tiết và khí hậu, nhằm tiết kiệm năng lượng và thỏa mãn nhu cầu về tiện nghi của người sử dụng. Nó cũng có thể được định nghĩa là loại mặt đứng có thể tự điều chỉnh cho phù hợp với môi trường. Nhờ đó, nó có thể đối phó với những tình huống mới và giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình tương tác với môi trường xung quanh.
Mặt đứng thông minh được kỳ vọng sẽ thực hiện được 3 mục tiêu chính:
- Ứng phó với môi trường biến đổi.
- Xử lý tốt những mâu thuẫn môi trường trái ngược nhau.
- Thỏa mãn các nhu cầu của người sử dụng.
Các yếu tố môi trường thường xuyên biến đổi và có tác động tới công trình kiến trúc và người sử dụng là:
- Nhiệt:Bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí;
- Ánh sáng:Ánh sáng tự nhiên, ánh sáng chói, nắng, ánh sáng nhân tạo;
- Nước:Mưa, độ ẩm không khí, ngưng tụ hơi nước;
- Không khí:Gió, thông gió;
- Âm thanh:Âm thanh mong muốn/không mong muốn;
- Tầm nhìn:Nhìn từ trong ra và nhìn từ ngoài vào;
- Tình trạng ô nhiễm:Ô nhiễm môi trường không khí (khói, bụi, khí gas…), ô nhiễm tiếng ồn.
Trong số đó, những yếu tố khí hậu, đặc biệt là nắng, gió, ánh sáng và nhiệt độ có biên độ dao động mạnh nhất, ảnh hưởng lớn đến chất lượng môi trường bên trong nhà, buộc con người phải có những điều chỉnh để đảm bảo đạt được các chỉ số môi trường mong muốn. Cho đến nay, giải pháp phổ biến nhất là sử dụng thiết bị điều hòa không khí để làm mát hay sưởi ấm khi nhiệt độ lên quá cao hoặc xuống quá thấp, và chiếu sáng nhân tạo nếu ánh sáng tự nhiên bên trong không đảm bảo. Tuy nhiên, đây là những giải pháp rất thiếu bền vững bởi tiêu tốn điện năng quá lớn, từ đó gia tăng phát thải CO2 – là nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và nước biển dâng.
Giải pháp mặt đứng thông minh
Trong thực tế, những nghiên cứu và đề xuất đầu tiên về mặt đứng thông minh (nhằm khắc phục những hạn chế của mặt đứng cố định) đã bắt đầu từ những năm 80 của thế kỷ trước, nhưng chúng ít được áp dụng bởi giá thành đắt đỏ. Tuy nhiên, trong khoảng hai chục năm trở lại đây, do những ưu điểm nổi bật, mặt đứng thông minh ngày càng được phát triển mạnh mẽ, trở nên đa dạng hơn về loại hình và giải pháp đề xuất.
Một trong những giải pháp mặt đứng thông minh được áp dụng khá phổ biến là loại có cấu trúc vỏ 2 lớp, có thể được tích hợp với hệ thống chắn nắng, hệ thống điều khiển chiếu sáng tự nhiên và hệ thống thông gió. Lớp bên trong thường là vách kính cố định với các ô cửa sổ có thể mở được khi cần, còn lớp bên ngoài là lớp vỏ động (hệ thống lam chắn nắng hoặc màn chắn nắng động lực), có thể đóng mở linh hoạt để chắn nắng và lấy ánh sáng tự nhiên tùy thuộc góc chiếu của mặt trời. Được điều khiển tự động nhờ các cảm biến ánh sáng, lớp vỏ này đóng vai trò như một bộ lọc, điều chỉnh, cải thiện gió và ánh sáng trước khi dẫn vào không gian bên trong: Tùy thuộc vào vùng khí hậu, vào thời điểm trong năm và vào hướng của công trình mà lớp vỏ thông minh này có thể để ánh sáng tự nhiên chiếu sâu vào không gian bên trong; có thể bẫy nhiệt để sưởi ấm và tích trữ khối nhiệt; hay cản bớt ánh nắng mặt trời trực tiếp để hạn chế bức xạ nhiệt trong khi vẫn khai thác nguồn sáng tự nhiên một cách tích cực… Cũng thông qua lớp vỏ này, không khí có thể được lọc bụi, làm mát và bổ sung ô xy trước khi được cấp vào bên trong nhà theo cách mà người thiết kế mong muốn.
Tòa nhà Hội đồng mới (CH2) thành phố Melbourne, Australia
Hoạt động của lớp vỏ thông minh loại này được thực hiện nhờ các cảm biến được bố trí tại các vị trí cần thiết trên mặt đứng. Dữ liệu từ các cảm biến này sẽ được truyền đến trung tâm điều khiển để xử lý, từ đó sẽ kích hoạt các hệ thống điều khiển cơ học trên mặt đứng để nó thích ứng với môi trường thay đổi. Ví dụ các lá chớp sẽ quay và được điều chỉnh về vị trí phù hợp, màn chắn nắng hay nắp thông gió được mở ra hay đóng lại phụ thuộc vào các thông số khác nhau như cường độ, hướng và góc chiếu của mặt trời…
Nhìn chung, mặt đứng kiểu này đảm bảo chắn nắng rất hiệu quả cho công trình, hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời, cho phép chống ồn, chống mưa hắt… nhưng vẫn đảm bảo khả năng chiếu sáng tự nhiên cần thiết. Nhờ vậy tiết kiệm đáng kể năng lượng sử dụng, đặc biệt là chi phí điều hòa không khí và chiếu sáng nhân tạo cho công trình, trong khi vẫn tạo ra môi trường sống tối ưu. Những công trình đáng chú ý với giải pháp mặt đứng thông minh 2 lớp là: Cao ốc Al Bahar ở Arab Saudi, Tòa nhà Hội đồng mới (CH2) của thành phố Melbourne, hay Thư viện Surry Hills ở Sydney, Australia…
Thư viện Surry Hills, Sydney, Australia với hệ thống lam chắn nắng động
Đối với các công trình kiến trúc mà điểm nhấn của chiến lược thiết kế mặt đứng thông minh là giữ mức độ mất nhiệt thấp và tránh hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời không mong muốn, người ta có thể sử dụng loại kính có thể thay đổi cường độ của mặt trời và ánh sáng truyền qua, tùy theo nhu cầu của người sử dụng và điều kiện công trình nhờ lớp phim dán trên bề mặt kính. Những loại phim tốt nhất để kiểm soát tính năng nhiệt và chiếu sáng của lớp vỏ bao che công trình có lẽ là: thermochromatic, photochromatic và electrochromatic. Trong đó, phim thermochromatic được kích hoạt bởi nhiệt năng, phim photochromatic được kích hoạt bởi hạt photon (quang tử), còn phim electrochromatic được kích hoạt bởi phản ứng hóa học tạo ra điện năng.
Trong số những loại mặt đứng chủ động nêu trên, loại sử dụng phim electrochromatic có nhiều tiềm năng nhất. Tùy thuộc vào hiệu điện thế tạo thành mà có sự biến đổi về màu sắc hay độ trong của nó. Khi điện bị ngắt, màu sắc và độ trong của phim sẽ được duy trì cho đến khi hiệu điện thế mới được thiết lập.
Tùy thuộc vào những thay đổi của bức xạ mặt trời, kính photochromatic sẽ thay đổi khả năng truyền ánh sáng, giảm cả chiếu sáng và truyền bức xạ mặt trời trực tiếp, trong khi vẫn nâng cao khả năng cách nhiệt. Còn vật liệuthermochromatic có thể được sử dụng cho mặt đứng kính và khiến nó trở nên mờ đi khi nhiệt độ tăng cao, bằng cách đó sẽ hạn chế hấp thu nhiệt.
Trạng thái truyền ánh sáng qua kính electrochromatic.
Bên cạnh những loại kính đang dần tìm được chỗ đứng trong thực tế, những thử nghiệm mới trong thời gian gần đây đã tạo ra một số vật liệu mới rất hứa hẹn cho mặt đứng thông minh. Chẳng hạn, các nhà khoa học Đức đã sáng chế ra một màn chắn phản ứng nhiệt được làm từ những chất liệu vải có hình dạng giống như những bông hoa. Mỗi thành phần này lại chứa một bộ truyền động được chế tạo từ hợp kim niken – titan có khả năng ghi nhớ hình dạng tích hợp và khôi phục hình dạng đó sau khi bị nhiệt độ cao làm biến dạng. Khi những dây hợp kim bị nóng lên dưới ánh mặt trời, chúng sẽ tự động bung mở các thành phần làm từ vải để che phủ mặt tiền tránh hấp thụ quang năng. Ngược lại, khi mặt trời lặn hay biến mất, những đoá hoa này sẽ tự động đóng lại và mặt tiền lại quay lại trạng thái trong suốt. Bằng cách đó, người sử dụng được cung cấp lượng ánh sáng, bóng mát lý tưởng và tiết kiệm đáng kể năng lượng làm mát cho các không gian bên trong.
Trong công trình Media-TIC ở Barcelona, Tây Ban Nha người ta sử dụng một lớp vỏ bao che bơm hơi mờ làm từ một loại chất dẻo có gốc flo là Ethylene Tetrafluoroethylene (ETFE). Lớp vỏ bao che này giữ lớp màng chứa đầy hỗn hợp ni tơ và dầu. Khi mặt trời chiếu gay gắt, lớp màng này bị mờ đi cản trở nhiệt và ánh sáng truyền qua, giúp giảm tới 85% bức xạ nhiệt. Vào mùa đông, lớp màng ở trạng thái trong suốt cho phép nhiệt và ánh sáng truyền qua để sưởi ấm không gian bên trong.
Công trình Media-TIC, Barcelona, Tây Ban Nha
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và giải pháp mặt đứng thông minh cùng những ưu thế vượt trội của chúng về khả năng tiết kiệm năng lượng và tạo ra môi trường sống tối ưu đã và đang định hình một xu hướng sáng tác kiến trúc mới. Công trình kiến trúc sẽ ngày càng giống hơn với cơ thể sinh vật khi có thể tự biến đổi và ứng xử một cách linh hoạt với môi trường xung quanh. Còn hình thức của lớp vỏ bao che công trình sẽ ngày càng trở nên lệ thuộc hơn vào những giải pháp công nghệ.
