Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu tiềm năng tăng khả năng cách nhiệt của thiết kế vườn đứng.

Điều chỉnh nhiệt độ và tính năng cách nhiệt

Tường xanh tạo ra vi khí hậu cụ thể của mình, hoàn toàn khác với điều kiện xung quanh. Điều này sẽ có hiệu lực trên cả hai: xung quanh tòa nhà và ở các lớp. Tùy thuộc vào chiều cao, hướng và vị trí của các tòa nhà xung quanh, mặt tiền chịu một sự biến động nhiệt lớn (nóng vào ban ngày và mát mẻ vào ban đêm), với việc tiếp xúc liên tục với ánh sáng mặt trời và gió.

Khí hậu này có thể so sánh với khí hậu khô cằn hoặc núi cao và chỉ thích hợp với một số loại thực vật cụ thể. Bề mặt cứng của bê tông và kính làm tăng dòng chảy của nước mưa vào hệ thống thoát nước. Cây giữ nước trên bề mặt lá của chúng lâu hơn vật liệu xây dựng và các quy trình thoát hơi nước và bay hơi của lá cây bổ sung nước vào không khí. Quá trình này đem lại một bầu không khí dễ chịu hơn trong khu vực đô thị.

Giữa mặt tiền và các lớp màu xanh lá cây thẳng đứng dày đặc (cả loại cắm rễ vào đất và loại không cắm rễ vào đất) có một lớp không khí tĩnh. Lớp không khí tĩnh nàycó tác dụng cách nhiệt. Do đó mặt tiền xanh có vai trò như một lớp cách nhiệt thứ hai cho công trình.

Ngoài ra các thảm thực vật  còn ngăn ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp lên mặt tiền công trình, đảm bảo cho nhiệt độ trong nhà thấp hơn bên ngoài. Vào mùa đông, hệ thống này làm việc  theo chiều ngược lại và bức xạ nhiệt của các bức tường bên ngoài bị ngăn bởi thảm thực vật xanh. Ngoài ra, những tán lá dày đặc sẽ làm giảm tốc độ gió dọc theo mặt tiền và do đó cũng giúp những bức tường luôn mát.

Kết quả là khi nhiệt độ không khí bên trong cứ giảm 0,5 C sẽ làm giảm việc sử dụng điện cho điều hòa không khí lên đến 8%. Tường xanh và mái sẽ làm giảm nhiệt độ không khí cục bộ theo hai cách khác nhau. Đầu tiên là bề mặt phủ xanh hấp thụ năng lượng nhiệt từ mặt trời ít hơn (bề mặt mặt tiền và mái nhà truyền thống sẽ đốt nóng không khí xung quanh).

Thứ hai, tường xanh và mái nhà sẽ làm mát không khí thông qua sự bốc hơi của nước (đối với sự bay hơi của 1 kg nước, 2,5 MJ năng lượng là cần thiết); quá trình này còn được gọi là bốc hơi nước.

Trái: Cây Parthenocissus cắm rễ vào đất và leo lên các mặt tiền ở Delft mùa hè năm 2009. Phải: chụp cùng mặt tiền bằng máy ảnh hồng ngoại (FLIR) nhiệt độ không khí môi trường xung quanh là 21 độ.

Hầu hết các bức xạ mặt trời được hấp thụ bằng bê tông, vật liệu nhựa đường hoặc xây được tái bức xạ nhiệt thành sức nóng. Bề mặt xanh với thảm thực vật để ngăn các bức xạ có thể làm giảm sự nóng lên của bề mặt cứng, đặc biệt là ở khu vực đô thị đông đúc.

Cứ 100% năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu lên lá cây thì có 5-30% bị phản xạ, 5-20% được sử dụng cho quang hợp, 10-50% được chuyển thành nhiệt, 20-40% được sử dụng cho bốc hơi nước và 5-30% được truyền thông qua lá. Trong khu vực đô thị, tác động của sự thoát hơi nước và bóng cây sẽ làm giảm đáng kể lượng nhiệt có thể được tái bức xạ bởi mặt tiền công trình và các bề mặt cứng khác.

Bên cạnh đó lớp thực vật xanh cũng sẽ làm giảm lượng ánh sáng tia cực tím chiếu vào vật liệu xây dựng. Vì ánh sáng tia cực tím phá hoại vật liệu xây dựng  và đặc tính cơ học của lớp phủ, sơn, nhựa, vv nên thực vật cũng sẽ có tác dụng lên vào các khía cạnh độ bền. Đây là một tác dụng phụ có lợi, tạo một hiệu quả chi phí ảnh hưởng tốt đến chi phí bảo trì tòa nhà. Lớp phủ xanh càng dày thì hiệu quả càng cao.

Vai trò của vật liệu cách nhiệt và lớp không khí tĩnh là để làm chậm tốc độ truyền nhiệt giữa bên trong và bên ngoài của một tòa nhà, đó là một chức năng của sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài. Vật liệu cách nhiệt giúp giảm thiểu các tác động tạo ra bởi sự khác biệt nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài.

Trong điều kiện mùa đông vật liệu cách nhiệt làm giảm tốc độ truyền nhiệt từ trong ra bên ngoài. Trong điều kiện mùa hè thì ngược lại, nó chậmlàm giảm tốc độ truyền nhiệt từ bên ngoài vào bên trong công trình. Phủ xanh bề mặt công trình có tác dụng có lợi trên các tính chất cách nhiệt của các tòa nhà thông qua điều chỉnh nhiệt độ bên ngoài. Giá trị cách nhiệt của bề mặt phủ xanh theo chiều dọc có thể được tăng lên bằng nhiều cách :

• Bẫy một lớp không khí bên trong tán lá cây, bề mặt tòa nhà được làm mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông.
• Bằng cách phủ thảm thực vật lên bề mặt công trình, cái nóng mùa hè bị ngăn không cho tác động lên công trình, và vào mùa đông thì nhiệt bên trong bị ngăn chặn thoát ra ngoài, phản xạ hoặc hấp thụ.
• Do gió làm giảm hiệu quả năng lượng của một tòa nhà tới 50%, lớp phủ xanh sẽ hoạt động như một bộ đệm, ngăn gió không di chuyển dọc theo bề mặt công trình.

• Lớp vật liệu	1/λ	(m2K/W)
  1/α bên trong	0.13	0.13	0.13
  2 cm thạch cao	0.02	0.02	0.02
  36 cm tường gạch xây (1600 kg/m3)	0.56	0.56	0.56
  2 cm thạch cao	0.02	0.02	0.02
  1/ α	0.04	–	–
  1/α bên ngoài	–	0.13	–
  4 cm đệm không khí (α=0.1)	–	–	0.40
  Σ1/λ	0.77	0.86	1.13
  k (m2K/W)	1.30	1.16	0.88
  Năng lượng tiết kiệm %	0	11	32

  Bảng 1: Giả định về sự cải thiện của một mặt tiền màu xanh lá cây trên các giá trị cách nhiệt theo Minke năm 1982.

  Cây xanh trên các bức tường bên ngoài còn được gọi là mặt tiền xanh được thảo luận trong nhiều nghiên cứu. Vào đầu thập niên tám mươi Krusche và cộng sự đã ước tính sự truyền nhiệt của một thảm thực vật 160 mm ở mức 2,9 Wm-2K-1 vào năm 1982. Ngoài ra Minke và cộng sự đề xuất một số ý tưởng để giảm hệ số truyền nhiệt bên ngoài cũng vào năm 1982.

  Bằng cách giảm tốc độ gió dọc theo mặt tiền màu xanh lá cây họ cho rằng hệ số bên ngoài của truyền nhiệt của 25,0 Wm-2K-1 có thể được giảm xuống còn 7,8 Wm-2K-1 (bảng 1) là giống như các hệ số bên trong. Đo đạc thực địa truyền nhiệt trên một bức tường phủ xanh và một bức tường trống bởi Köhler  năm 1987 (xem bảng 2 với một trong các phép đo) cho thấy nhiệt độ ở bề mặt tường phủ xanh thấp hơn từ 2-6 ° C so với các bức tường trống.

  Vào năm 1989, Holm, bằng các phép đo thực địa và máy tính DEROB của mình đã lập mô hình về tiềm năng cải thiện nhiệt của tường phủ xanh. Ngoài ra Eumorfopoulou và cộng sự vào năm 2009 ghi nhận khả năng làm giảm nhiệt độ của bức tường phủ xanh tại vùng khí hậu Địa Trung Hải; hiệu quả là lên đến 10,8 ° C.

  Một nghiên cứu gần đây của Wong và cộng sự năm 2009 trên một bức tường đứng độc lập trong Hortpark (Singapore) với các loại cây xanh cho thấy giảm tối đa 11,6 ° C. Trong công trình nghiên cứu thực hiện bởi Eumorfopoulou và Aravantinos vào năm 1998, họ kết luận rằng một mái nhà trồng cây góp phần vào sự cách nhiệt của một tòa nhà nhưng nó không thể thay thế lớp cách nhiệt. Liệu điều này có áp dụng cho tường xanh hay không?

  Các nghiên cứu trên đều được thực hiện dưới các điều kiện môi trường khác nhau và đều cho thấy tiềm năng thực sự của tường xanh đối với khí hậu. Tuy nhiên các thực nghiệm này không được lặp lại dù các kết quả đều được kiểm chứng là tích cực.

  Nghiên cứu tường phủ xanh tại Berlin mùa hè 1982
  Giai đoạn			Không phủ xanh			Phủ xanh
  		Thông số:	T1	T01	T0	T1p	T01p	T0p
  Tất cả các ngày(n=133)		Tối đa.	20.8	22.2	31.0	21.4	22.2	25.2
  		Tối thiểu.	12.4	13.1	16.7	12.6	14.1	16.3
  		Biên độ	8.4	9.1	14.3	8.8	8.1	8.9
  Ngày nắng(n=64)		Tối đa.	24.1	25.6	36.0	25.1	24.8	28.6
  		Tối thiểu.	13.0	13.8	17.2	14.5	13.1	17.2
  		Biên độ	11.1	12.2	18.8	10.6	11.7	11.4
  Nhiệt độ tối thiểu(n=133)		Tối đa.	6.2	6.1	11.2	7.9	6.8	9.9
  		Tối thiểu.	1.0	1.2	7.0	3.0	0.9	3.8
  		Biên độ	5.2	4.9	4.2	4.9	5.9	5.2
  Nhiệt độ tối đa(n=133)		Tối đa.	35.2	38.7	44.8	34.6	36.0	40.7
  		Tối thiểu.	22.0	22.9	24.8	22.1	21.2	27.6
  		Biên độ	13.2	15.8	20.0	12.5	14.8	13.1
  T1	Nhiệt độ 1 m trước mặt tiền
  T01	Nhiệt độ 10 cm trước mặt tiền
  T0	Nhiệt độ mặt tiền

Nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft nhằm mục đích phân loại những lợi ích nhiệt của mặt tiền phủ xanh hoặc các hệ thống trồng cây được thực hành trong điều kiện giới hạn. Một thử nghiệm thiết lập (Hotbox) được xây dựng nhằm tái tạo các điều kiện biên khác nhau (môi trường) và để xác định tính năng cách nhiệt của các loại cây xanh khác nhau.

Các dữ liệu thu được có thể được sử dụng trong các công cụ kỹ thuật cho các kiến trúc sư, chủ đầu tư, vv để tính toán sử dụng tường xanh như một lớp cách nhiệt bổ sung. Việc sử dụng tường xanh để tăng tính cách nhiệt cho bề mặt công trình cũng là một cách trang trí them cho công trình hiện hữu mà không làm tăng chi phí như các biện pháp cách nhiệt nội ngoại thất truyền thống.

Trái: các thành phần tường xây với cặp nhiệt điện. Phải: thử nghiệm thiết lập được gọi là “Hotbox” điều kiện môi trường mô phỏng

Nguồn: 

“Vertical greened surfaces and the potential to reduce air pollution and the improvement of the insulation value of buildings”

M. Ottelé, MSc. PhD candidate

Delft University of Technology

Faculty of Civil Engineering and Geosciences

Contact: [email protected]

Bài đăng trên e4g.org