Khi con người trở thành năng lượng sưởi ấm các tòa nhà

• Chermaine Lee
• BBC Future

một giờ trước

Mặt tiền màu trắng sữa của tòa nhà bảy tầng ở góc đường này hài hòa với các tòa nhà xung quanh trên Đường Beaubourg, trung tâm Paris.

Khu vực này nổi tiếng với nhiều công trình dễ biết hơn – chỉ cách đó vài bước đi bộ là Trung tâm Pompidou, bảo tàng đương đại và là tuyên ngôn kiến trúc xa hoa của Thế kỷ 20.

Để so sánh, tòa nhà ở số hai Đường Beaubourg này trông có vẻ khiêm tốn, nhưng có lẽ nó còn khác thường hơn ở thiết kế, mặc dù nhìn bên ngoài bạn sẽ không hề biết nó. Kể từ năm 2015, tòa nhà được sưởi ấm bởi thân nhiệt con người vốn đông đúc tấp nập ở một ga tàu điện ngầm gần đó.

Nhiệt độ không khí bên trong hầm ga tàu điện ngầm cao hơn ngoài trời khoảng 10 độ C. Ông Genevieve Littot, chiến lược gia về khí hậu và năng lượng thuộc công ty xây dựng nhà ở xã hội Paris Habitat, vốn thiết kế hệ thống khai thác nhiệt, cho biết lượng nhiệt này chủ yếu phát ra từ cơ thể con người di chuyển xung quanh nhà ga và nhiệt lượng tỏa ra từ các toa tàu.

“Một cầu thang nối tầng hầm của tòa nhà với ga tàu điện ngầm,” Littot nói. “Hệ thống sẽ lấy hơi ấm từ ga tàu điện ngầm qua lối đi hiện thời, và khi khí ấm đi qua bộ trao đổi nhiệt, nó sẽ tạo ra nước nóng, và nước nóng sẽ được dùng để sưởi ấm không gian.”

Nhiệt lượng thải ra này cung cấp tới 35% lượng nhiệt cần thiết cho 20 căn hộ của tòa nhà Beaubourg và một cơ sở thương mại ở tầng dưới. Littot cho biết thêm rằng nó giúp giảm thiểu hơn nữa khí thải carbon bằng cách sử dụng hệ thống sưởi chung của cả quận, vốn hiệu quả hơn so với sưởi từng tòa nhà riêng rẽ.

Dự án Paris không phải là độc nhất vô nhị trong lĩnh vực này. Các dự án sáng tạo khác với các thiết kế tiết kiệm năng lượng đang xuất hiện trên khắp thế giới để giảm thiểu phát thải carbon.

Các tòa nhà và công trình xây dựng chiếm hơn 1/3 lượng năng lượng sử dụng tuyến cuối của thế giới và xả ra gần 40% khí thải carbon liên quan tới việc sử dụng năng lượng. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), hiện tại chỉ có 1/10 năng lượng dùng sưởi ấm được lấy từ các nguồn tái tạo.

Do đó, tiềm năng giảm phát thải từ hệ thống sưởi là rất lớn – đặc biệt nếu xét rằng một nửa tổng mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới là để sưởi ấm nhà ở và các công trình khác.

Nhưng cho đến nay, chuyển động hướng tới năng lượng tái tạo vẫn còn chậm chạp; IEA dự đoán thị phần công nghệ sưởi ấm sạch sẽ tăng gấp đôi cho đến năm 2030 thì mới có 50% cơ hội giữ cho khí hậu toàn cầu tăng dưới 1,5 độ C.

Mục tiêu kế tiếp: hệ thống sưởi sạch

Tất nhiên, một trong những nguồn nhiệt phổ biến nhất bên trong các tòa nhà là cơ thể con người. Và ở những tòa nhà, ít nhất là trong thời gian bình thường, mọi người tụ tập đông đảo là có tiềm năng tốt nhất trong việc tận dụng hiệu quả không khí ngột ngạt, được sưởi ấm của con người. Nhất là các ga tàu điện nhộn nhịp đã chứng tỏ là nơi ưa chuộng để thử nghiệm việc khai thác thân nhiệt con người.

Thụy Điển đã trở nên nổi tiếng với việc thu thập thân nhiệt tại nhà ga Trung tâm Stockholm đông đúc – khoảng 250.000 lượt hành khách sử dụng nhà ga đó mỗi ngày trước dịch Covid-19. Nhiệt lượng đó được dùng để sưởi ấm tòa nhà 17 tầng có tên Kungsbrohuset ở gần đó, giúp giảm tiêu thụ năng lượng của tòa nhà tới 10%.

“Chúng tôi đưa vào nước biển để làm mát hệ thống thông gió ở tòa nhà Kungsbrohuset và Ga Trung tâm Stockholm,” ông Roger Björk, quản lý kỹ thuật của Folksam, công ty sở hữu Kungsbrohuset, cho biết. “Khi nước quay trở lại, nó khá là nóng [do được làm ấm bằng thân nhiệt]. Sau đó, chúng tôi tái chế nước để tạo ra nhiệt lượng cho hệ thống sưởi ấm chung.”

Hệ thống sưởi chung sử dụng một số nguồn bền vững khác ngoài thân nhiệt, bao gồm địa nhiệt, đốt sinh khối còn lẫn lộn – gỗ, rơm rạ thải ra, phế phẩm lâm nghiệp… – và nhiệt lượng dôi ra từ các cơ sở công nghiệp. Sau đó, nhiệt lượng đó được phân phối đến nhà ở và các tòa nhà khắp đất nước qua các đường ống ngầm.

Ulla Janson, giảng viên cao cấp tại Khoa Xây dựng thuộc Đại học Lund, cho biết hệ thống sưởi chung là một cách lợi hại để sưởi ấm các tòa nhà. Một nửa nhu cầu sưởi ấm của Thụy Điển trong khu dân cư trong năm 2017 chủ yếu được đáp ứng bằng máy bơm nhiệt và tận dụng nhiệt thải trong hệ thống sưởi chung.

Chính cuộc khủng hoảng năng lượng thời thập niên 1970 – khi chiến tranh ở Trung Đông nổ ra khiến các nước sản xuất dầu Ả Rập áp đặt lệnh cấm xuất dầu sang Mỹ và Hà Lan, làm cho giá dầu tăng vọt – đã thúc đẩy Thụy Điển phải sáng tạo, Janson cho biết. “Hệ thống sưởi chung nằm trong cách làm của Thụy Điển là sự can thiệp mạnh mẽ của nhà nước, nơi hệ thống sưởi này trở nên một phần tự nhiên trong việc xây dựng thành phố.”

Các nhà ga xe điện không phải là không gian công cộng duy nhất tận dụng sự hiện diện của đông đảo con người để sưởi ấm. Một trung tâm thương mại đi tiên phong ở Minnesota của Mỹ cũng dựa một phần vào thân nhiệt con người để sưởi ấm tòa nhà. Thương xá Mall of America không có hệ thống sưởi trung tâm kể từ khi nó khai trương vào năm 1991 – một quyết định táo bạo nếu tính đến mức nhiệt thấp điển hình trong tháng Giêng ở bang này là -15,5 độ C.

Thay vào đó, thương xá này hấp thụ đủ nhiệt lượng từ hơi ấm cơ thể của trung bình hơn 109.000 khách đến thăm hàng ngày, hơn 8 ha cửa kính tiếp nhận ánh sáng trời và sức nóng từ hàng nghìn bóng đèn và các chi tiết cố định để duy trì nhiệt độ dễ chịu trong suốt mùa đông.

“Vào một ngày thì thường có thể có từ 8.000 đến 12.000 nhân viên trong tòa nhà,” ông Dan Jasper, phó chủ tịch truyền thông của Mall of America, cho biết. “Nhiều người bắt đầu vào làm từ sáng sớm, nên cho đến khi hầu hết nhân viên bước vào tòa nhà, trong khoảng từ 6 đến 8 giờ sáng, thương xá đã được sưởi ấm đến mức nhiệt độ dễ chịu.”

Các thiết kế dựa vào việc bắt các nguồn nhiệt ngẫu nhiên đã được đưa vào thử nghiệm khi nhu cầu nhiệt của các tòa nhà trở nên chính xác hơn.

Chẳng hạn, bệnh viện là thách thức lớn trong việc điều chỉnh nhiệt vì ở đó có nhiều người đi lại và nhiều thiết bị thâm dụng năng lượng sinh nhiệt, nhưng nó cần được phân phối chính xác để đảm bảo nhiệt độ an toàn và thoải mái liên tục, đặc biệt là đối với các bệnh nhân dễ tổn thương.

Tuy nhiên, một bệnh viện sáu tầng ở Frankfurt, Đức, Bệnh viện Klinikum Frankfurt Hoechst, đã áp dụng cách tiếp cận này.

Hơn 1.000 cửa sổ lắp kính ba lớp đã được lắp đặt trong tòa nhà, bệnh viện đầu tiên có thiết kế như vậy. Mức tiêu thụ năng lượng trong bệnh viện, vốn có khoảng 1.000 giường, cao hơn từ ba đến bốn lần so với một tòa nhà dân cư có quy mô tương đương, do nhu cầu năng lượng cao hơn từ các thiết bị chuyên dụng của bệnh viện.

Các phòng bệnh phải được duy trì ở nhiệt độ 22 độ C – điều này có thể được là nhờ vào cải thiện cách nhiệt. Do các cửa sổ kính ba lớp ngăn không khí lạnh bên ngoài xâm nhập vào tòa nhà, nó làm giảm nhu cầu năng lượng cần thiết để làm nóng tòa nhà. Bệnh viện cũng sử dụng hệ thống thông gió làm nóng trước không khí trước khi nó được thổi vào phòng để duy trì nhiệt độ trong nhà và ngăn mùi khó chịu.

Những ngôi nhà ấm cúng

Mặc dù các công trình lớn, tấp nập như bệnh viện hay ga xe điện được lợi với sự hiện diện của nhiều cơ thể người để sưởi ấm, nhưng những ngôi nhà riêng lẻ chỉ với vài người cư ngụ cũng có thể được lợi từ thân nhiệt.

Thiết kế làm ấm từ thân nhiệt đã có từ nhiều thập kỷ trước. Kiến trúc sư người Đức Wolfgang Feist đã xây dựng căn nhà đầu tiên vào năm 1990 với thiết kế mà ông gọi là thiết kế ‘nhà thụ động’, nhằm tìm cách làm giảm triệt để thất thoát nhiệt.

“Vào cuối thập niên 1970, chúng tôi đã nhận ra rằng hơn một phần ba năng lượng tiêu thụ ở châu Âu được sử dụng chỉ để sưởi các tòa nhà. Tại khoa vật lý nơi tôi đang nghiên cứu, chúng tôi biết rất rõ rằng cách nhiệt tốt hơn có thể tiết kiệm phần lớn số năng lượng đó,” Feist nói.

Các tòa nhà có thiết kế như vậy đặt trọng tâm nhiều vào cách nhiệt, bao gồm lớp vỏ kín gió, kính hai lớp hoặc kính ba lớp, hệ thống thông gió thu hồi nhiệt và tránh cái gọi là ‘cầu nhiệt’. Cầu nhiệt là khu vực trong vỏ tòa nhà có khả năng dẫn nhiệt cao hơn các vật liệu xung quanh và có thể để hơi ấm thoát ra khỏi nhà.

Bằng cách giữ lại càng nhiều hơi ấm bên trong càng tốt, chúng ta có thể làm giảm nhu cầu sưởi ấm trong tòa nhà, vốn lúc đó có thể được đáp ứng qua các nguồn ‘thụ động’, chẳng hạn như bức xạ mặt trời và nhiệt lượng từ những người và các thiết bị kỹ thuật bên trong tòa nhà.

Thân nhiệt chỉ là một trong nhiều yếu tố của thiết kế nhà thụ động, nhưng nó là yếu tố quan trọng. “Đồng nghiệp của tôi đến từ Đan Mạch từng đùa về điều này như sau: ‘Kênh Thời tiết dự báo rằng cuối tuần sẽ lạnh hơn. Chúng ta có nên rủ một vài người bạn đến cho ấm nhà không?’,” Feist cười.

Viện Ngôi nhà Thụ động, vốn do Feist thành lập, cho rằng các tòa nhà như vậy tiêu thụ ít hơn khoảng 90% năng lượng sưởi ấm so với các tòa nhà xây kiểu thông thường, và ít hơn 75% so với các công trình mới xây dựng điển hình. Feist ước tính rằng chi phí phát sinh cho thiết kế như vậy chiếm tới 8% đối với một ngôi nhà thụ động cho một hộ gia đình.

Kể từ khi nó ra đời vào những năm 1990, nhiều nước đã đón nhận thiết kế nhà thụ động. Viện đã ghi nhận 25.000 đơn vị nhà có chứng nhận đăng ký trên toàn thế giới tính đến tháng 1 năm 2020.

Thiết kế nhà thụ động, Janson nói, không gì khác hơn là cách xây dựng các công trình tiết kiệm năng lượng với khí hậu trong nhà dễ chịu quanh năm.

Thiết kế nhân bản

Mặc dù thân nhiệt là một nguồn năng lượng sáng tạo và bền vững, nó cũng có những hạn chế.

Littot ở Paris Habitat cho biết thách thức lớn nhất đối với các dự án tìm cách lấy nhiệt từ cơ sở hạ tầng như ga xe lửa là cần phải có không gian.

“Loại dự án này đặc biệt phù hợp với một số công trình xây dựng mới gần đoạn mở rộng tuyến tàu điện ngầm, chỗ mà quy hoạch ban đầu có thể tích hợp giải pháp khôi phục tàu điện ngầm ngay từ đầu,” bà nói. Nhưng quy hoạch đón đầu như vậy là rất hiếm và công ty của bà không thể tìm được một cơ hội khả thi nào khác để thực hiện một dự án tương tự ở Pháp.

Ngoài vị trí, thân nhiệt con người không thể là nguồn sưởi ấm duy nhất cho một tòa nhà. “Tôi không nghĩ thân nhiệt sẽ là nguồn nhiệt chính [trong một tòa nhà], mà nó phải được kết hợp với nhiệt từ các thiết bị điện, nấu nướng, tủ lạnh…,” Leon Glicksman, giáo sư về công nghệ xây dựng và kỹ thuật cơ khí tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Boston, Massachusetts, nói.

Thiết kế nhà tiết kiệm năng lượng không phải lúc nào cũng được đánh giá cao, đặc biệt ở những nước chưa có nhận thức xanh chín muồi. “Ngày càng có nhiều người xây nhà theo chuẩn xanh, nhưng không có sự nhất trí chung nào về việc nó tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng. Do đó, sử dụng thiết kế như vậy vẫn còn sự miễn cưỡng,” Glicksman nói.

“Một số người rất tiết kiệm về năng lượng, trong khi những người khác sử dụng rất nhiều. Ngay cả khi chúng ta thiết kế các tòa nhà rất tiết kiệm năng lượng, nếu mọi người không biết cách sử dụng, nó sẽ không hiệu quả.”

Glicksman gợi ý rằng các chính phủ có thể đặt ra các tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng và xây dựng các mô hình demo hiệu quả, giá vừa phải được giám sát để chứng tỏ tính hiệu quả của chúng trong việc tiết kiệm năng lượng.

Bất chấp những trở ngại, Janson cho biết hình thức năng lượng này có tương lai đầy hứa hẹn.

“Thân nhiệt con người có thể không đáp ứng được hết nhu cầu năng lượng để sưởi ấm không gian, nhưng nó là một đóng góp tốt và thường được dùng trong bộ trao đổi nhiệt để làm nóng trước không khí hoặc tái sử dụng trong máy bơm nhiệt,” bà nói.

Bài tiếng Anh đã được đăng trên BBC Future.