[Đảo nhiệt đô thị] Chiến lược giảm thiểu tác động của Trung Quốc (Bài 2)

TMO - Trong phần này, các nghiên cứu gần đây ở Trung Quốc đã được xem xét một cách có hệ thống, phản ánh các chiến lược khả thi nhằm giảm thiểu hiệu ứng của hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI). Mục tiêu chính của các chiến lược khác nhau là giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu nhiệt độ môi trường đô thị.

Xanh hóa đô thị

Như ở tài liệu [1] chúng tôi đã trình bầy: Xanh hóa đô thị là biện pháp hết sức quan trọng để làm mát đô thị bằng giải pháp tự nhiên, bền vững và ngăn ngừa sự hình thành UHI.  Cây xanh có tác dụng che nắng tạo bóng mát, hấp thụ BXMT, giảm sự chói chang lóa mắt, giảm nhiệt độ không khí xung quanh, giảm nhiệt độ mặt đất dưới bóng cây, hiệu quả là giảm hiệu quả của UHI và giảm chi phí năng lượng cho các máy ĐHKK trong mùa nóng.   Cây xanh có tác dụng hấp phụ bụi khói và một số hóa chất độc hại ô nhiễm môi trường không khí, giảm bớt tiếng ồn. Trong thời gian ban ngày cây xanh hấp thụ khí CO2, hấp thụ nhiệt BXMT và hút nước ở dưới mắt đất để tiến hành lục diệp hóa, nhả ra khí O2 rất quý giá đối với thở hít không khí của con người theo các phản ứng sau đây:

6 CO2 + 5 H2O + 674 calo = C6H10O5 + 6 O2,    (1)

6 CO2 + 6 H2O + 674 calo = C6H12O5 + 6 O2.    (2)

Do đó ban ngày cây xanh hút nhiệt BXMT, hút nước và hấp thụ khí CO2 và xả ra khí O2, còn ban đêm thì ngược lại, cây xanh sẽ nhả nhiệt và khí CO2, nhưng rất may mắn là quá trình nhả khí CO2 và nhiệt của cây xanh vào ban đêm là rất yếu và không đáng kể. Như vậy quá trình lục diệp hóa của cây xanh sẽ làm tăng lượng khí O2 trong không khí xung quanh (tăng khoảng 20%) và giảm bớt nồng độ khí CO2 trong không khí xung quanh. Do đó để ứng phó với hiệu ứng UHI trước hết là phải đảm bảo tỷ lệ diện tích cây xanh tối thiểu trong đô thị theo quy định pháp luật của quốc gia. Phủ xanh đô thị có thể làm sạch không khí, điều hòa nhiệt độ, điều hòa khí hậu địa phương và cải thiện hệ sinh thái của thành phố. Ngày càng có nhiều nghiên cứu đánh giá các biện pháp xanh hóa đô thị tiềm năng để giảm thiểu hậu quả về sức khỏe con người khi nhiệt độ đô thị tăng nhanh. Những nghiên cứu này cung cấp bằng chứng cho thấy việc phủ xanh đô thị như không gian cây xanh đô thị (UGS), mái cây xanh (GR) và bao phủ cây xanh ở các mặt đứng công trình (VG) có thể đóng vai trò làm mát môi trườn xung quanh ít nhất là tại địa điểm chúng tồn tại.

Không gian cây xanh đô thị (UGS)

Không gian cây xanh đô thị (UGS) bao gồm công viên, vườn hoa đô thị, cây xanh đường phố, không gian xanh trong khuôn viên các nơi cư trú, các nơi làm việc và các công trình công cộng…, chúng được coi là biện pháp thích hợp để giảm nhiệt độ không khí xung quanh, giảm thiểu ô nhiễm không khí, mang lại sự thoải mái cho những người cư ngụ gần đó và giảm mức tiêu thụ năng lượng làm mát vào mùa hè.  UGS có thể hình thành hiệu ứng đảo làm mát đô thị (UCI) bằng cách quy hoạch cảnh quan hiệu quả, điều này có tác dụng tốt trong việc giảm bớt UHI. Tân và cộng sự, 2015, phát hiện ra rằng các công viên nhỏ trồng nhiều cây xanh và không gian xanh làm giảm đáng kể nhiệt độ không khí và hình thành khu mát mẻ trong ranh giới công viên. Hiệu ứng làm mát của công viên mở rộng ra ngoài ranh giới của chúng và mức độ này bị ảnh hưởng bởi đặc điểm của khu vực xung quanh công viên.

Việc làm mát công viên có thể vượt ra ngoài biên giới công viên gần 1,4 km trong nghiên cứu của Yan et al, 2018. Chang và cộng sự, 2014, nhận thấy rằng quy mô công viên càng lớn thì hiệu ứng làm mát khu vực càng mạnh. Hơn nữa, một số nghiên cứu đã khám phá những lợi ích tiềm năng của UGS trong việc tiết kiệm năng lượng làm mát ở khu vực thành thị. Các nghiên cứu ở Hồng Kông cho thấy có thể tiết kiệm ít nhất 1900 kWh năng lượng mỗi ngày vào mùa hè khi độ bao phủ UGS đạt khoảng 30%. Các nghiên cứu ở Nam Kinh chỉ ra rằng trong thời gian mùa hè nóng nực vào ban ngày, có thể tiết kiệm được 1,3 × 104 kWh năng lượng khi xem xét lợi ích làm mát của UGS.  Zhang và cộng sự [5], nhận thấy rằng hiệu ứng làm mát của UGS ở Bắc Kinh có thể tiết kiệm 60% mức tiêu thụ năng lượng làm mát ròng và nó có mối tương quan chặt chẽ với các loại cấu trúc khu vực của thành phố.

Hiệu ứng làm mát của UGS chủ yếu được xác định bởi các loài thực vật, mật độ tán, kích thước và hình dạng của UGS. Hiệu quả giảm nhẹ đối với hiệu ứng UHI của các loại UGS khác nhau đã được Xiao et al, 2018, phát hiện ra rằng so với UGS lớn, UGS nhỏ không những không có tác dụng làm mát và tạo ẩm mà còn có hiện tượng giữ nhiệt trong một số trường hợp. Cường độ đảo mát đô thị (UCI) của các loại đất xanh khác nhau được xếp hạng là đất xanh hình nêm > đất xanh xuyên tâm > đất xanh điểm chấm > đất xanh dải dài.

Mái nhà xanh (GR)

GR, còn được gọi là mái nhà sinh thái, mái nhà sống và vườn trên mái, có tiềm năng lớn ảnh hưởng đến môi trường đô thị xung quanh, vì mái nhà chiếm gần 20–25% diện tích bề mặt của thành phố. Ở Trung Quốc, nơi phần lớn các tòa nhà ở một số thành phố lớn như Bắc Kinh, Thượng Hải, Trùng Khánh và Hồng Kông, tập trung rất đông đúc, việc triển khai GR có thể có tiềm năng tăng độ che phủ cây xanh đô thị, tiết kiệm năng lượng, giảm tiếng ồn và ô nhiễm không khí. Mặc dù GR tăng mức đầu tư ban đầu so với mái nhà truyền thống nhưng chúng giảm thiểu hiệu ứng UHI ở khu vực thành thị vì thảm thực vật xanh có thể làm thay đổi đáng kể giá trị suất phản chiếu và giảm truyền nhiệt đến các tòa nhà.

Một bài kiểm tra độ nhạy của He et al, 2017, chỉ ra rằng có thể đạt được hiệu suất nhiệt tốt hơn trong cả mùa hè và mùa đông bằng cách tăng độ dày của chất nền hoặc sử dụng GR trên các tòa nhà không cách nhiệt. Sử dụng ba nghiên cứu trường hợp, Tam et al [6] nhận thấy rằng GR có thể giảm nhiệt độ trong nhà ở tầng trên cùng tới 3,4 °C, hiệu ứng làm mát của GR mạnh nhất vào mùa hè và yếu nhất vào mùa đông đối với khu vực Thượng Hải. Tác động của GR đến UHI phụ thuộc vào độ phản bức xạ mặt trời, sự thoát hơi nước của thực vật, mật độ tán lá của thực vật... Cao và cộng sự, 2019, phát hiện ra rằng những cây có tốc độ thoát hơi nước cao hơn có tác dụng làm mát tốt hơn.

Ngoài ra, GR được phân loại thành mái nhà xanh có lớp nền đất sâu (IGR) và mái nhà xanh rộng lớn (EGR) dựa trên độ sâu của lớp nền [7]. Độ sâu nền của IGR thường lớn hơn 20 cm và có thể hỗ trợ các cộng đồng thực vật đa dạng chiếm ưu thế bởi cây cối hoặc các loài thân gỗ khác, trong khi EGR thường có lớp đất tương đối nông và nhẹ hơn IGR. Một nghiên cứu ở Hồng Kông cho thấy rằng việc lắp đặt EGR và IGR với 60% diện tích xanh trong cộng đồng có thể làm giảm nhiệt độ không khí gần đó khoảng 0,65 °C và 1,45 °C, đồng thời năng lượng tiết kiệm hàng năm ước tính là 3,4 × 107 kWh và tương ứng là 7,6 × 107 kWh [7].

Tuy nhiên, xem xét nhu cầu tải nặng, bảo trì thường xuyên và tỷ lệ lợi ích-chi phí, EGR hấp dẫn hơn so với IGR. Bành và cộng sự [7], nhận thấy rằng IGR phức tạp hơn không nhất thiết mang lại hiệu quả làm mát tốt hơn EGR. Các nghiên cứu gần đây về GR ở Trung Quốc đã xác định được ưu điểm của GR trong việc tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng môi trường nhiệt. Kokogiannakis và cộng sự, 2014, đã nghiên cứu hiệu suất nhiệt của GR trên tám thành phố lớn của Trung Quốc và kết quả của họ cho thấy tất cả các loại IGR có thể giảm tải nhiệt và lạnh so với tấm lợp không cách nhiệt truyền thống. Một nghiên cứu áp dụng GR ở Bắc Kinh cho thấy nhiệt độ tối đa trong nhà giảm khoảng 7,0°C vào mùa làm mát và nhiệt độ tối thiểu trong nhà tăng khoảng 6,0°C vào mùa sưởi ấm. Gao và cộng sự [8], nhận thấy rằng việc sử dụng GR có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng của phòng máy lạnh xuống 0,106 kWh/m2 ở Trùng Khánh và tỷ lệ tiết kiệm điện trung bình là 25,0%.

Nghiên cứu được thực hiện bởi Tang et al, 2019, ở Thượng Hải cho thấy mức tiêu thụ năng lượng làm mát giảm 14,7% thông qua việc sử dụng GR. Li và cộng sự, 2019, nhận thấy rằng các tòa nhà có GR và VG ở Ninh Ba đã giảm 8,8% tải làm mát và giảm 1,85% tải sưởi ấm. Ngoài ra, chỉ số diện tích lá (LAI) là một yếu tố quan trọng trong hiệu ứng làm mát. Zeng và cộng sự, 2017, nhận thấy rằng ở các thành phố thiên về làm mát (Trùng Khánh và Quảng Châu), GR có thể cải thiện sự thoải mái trong nhà tốt hơn so với mái nhà mát mẻ và việc tăng LAI có thể dẫn đến giảm mức tiêu thụ năng lượng làm mát hàng năm. Ngoài ra, sự kết hợp giữa GR và thông gió ban đêm được sử dụng rộng rãi trong làm mát mùa hè như một công nghệ tiết kiệm năng lượng thụ động. Giang và cộng sự, 2017, phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa GR và thông gió ban đêm có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng làm mát tới 24,6% trong tháng 6, đặc biệt là ở Bắc Kinh. Ran và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng hiệu quả làm mát của sự kết hợp giữa GR và thông gió ban đêm trở nên rõ ràng hơn trong cách cải thiện khả năng cách nhiệt tường bên ngoài của các tòa nhà.

Cây xanh trên mắt đứng (VG)

Gần đây, VG, còn được gọi là “hệ thống phủ xanh thẳng đứng” (VGS), “vườn thẳng đứng”, “bức tường xanh” và “bức tường sinh học”, ngày càng trở nên phổ biến trong việc phủ xanh đô thị vì quy mô nhỏ, giá trị thẩm mỹ cao và có khả năng giảm thiểu UHI tốt. Những tác động này có thể mang lại kết quả tốt hơn nữa là mang lại sức khỏe tâm lý và giảm tiếng ồn, bảo vệ lớp vỏ tòa nhà và cung cấp đa dạng sinh học. Dựa trên đặc điểm xây dựng của chúng, mặt tiền xanh và mặt tường xanh là cách phân loại được sử dụng rộng rãi nhất cho VGS. Mặt tiền xanh có thể được chia thành ba hệ thống khác nhau: mặt tiền xanh truyền thống (mặt tiền xanh trực tiếp, DGF), mặt tiền xanh hai lớp (DSGF) và hệ thống tường sinh học (LWS). LWS có thể được phân thành hai nhóm: hệ thống tường sống liên tục và hệ thống tường sinh học mô-đun.

VG của lớp vỏ tòa nhà có thể giảm nhiệt độ tường để tiết kiệm năng lượng thông qua việc ngăn chặn BXMT, cách nhiệt do thảm thực vật, làm mát do sự thoát hơi nước và hoạt động như một tấm chắn gió.  Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của VGS đối với việc giảm nhiệt độ đô thị. Yin và cộng sự, 2017, nhận thấy rằng DGF có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ bề mặt của mặt tiền tòa nhà lên tới 4,67 ° C và hiệu quả làm mát của DGF là rõ ràng nhất vào buổi trưa. Zhang và cộng sự [9], phát hiện ra rằng VGF có thể giảm nhiệt độ vận hành xuống 3,6 °C do che bóng cây và làm mát thoát hơi nước ở một thành phố nhiệt đới (Quảng Châu, tỉnh Quảng Đông). Nghiên cứu được thực hiện tại Hồng Kông bởi Dahanayake et al, 2017, cho thấy VGS có thể giảm nhiệt độ bề mặt tường bên ngoài lên tới 26°C vào những ngày hè nóng bức.

Cheng và cộng sự, 2010, nhận thấy rằng lớp vỏ tòa nhà có mặt tiền xanh làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của điều hòa không khí và hiệu quả làm mát có liên quan chặt chẽ đến diện tích che phủ của cây và độ ẩm trong môi trường trồng trọt. Pan và cộng sự, 2016, nhận thấy rằng VGS lắp trên tường có thể tiết kiệm 16% tổng điện năng tiêu thụ. Một nghiên cứu áp dụng DSGF cho các tòa nhà dân cư cao tầng cho thấy VGS có thể giảm 2651 × 106 kWh điện và 2200 × 106 kg phát thải khí carbon dioxide mỗi năm (Wong và Baldwin, 2016). Chen và cộng sự, 2010, đã thực hiện ba loạt thí nghiệm LWS và phát hiện ra rằng LWS có tác dụng làm mát đáng kể đến nhiệt độ bề mặt tường và nhiệt độ trong nhà, đồng thời làm tăng sự truyền nhiệt bức xạ giữa tường và LWS hoặc làm giảm sự truyền nhiệt đối lưu giữa tường và lớp không khí có thể cải thiện hiệu quả làm mát của LWS. Ngoài ra, He và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng so với các bức tường thông thường, LWS có hiệu suất cách nhiệt tốt hơn và khả năng làm mát không khí cục bộ.

Các loại cây khác nhau có những đặc điểm khác nhau bao gồm loài, LAI, cường độ, độ dày tán lá..., trong đó LAI (độ dày tán lá) được coi là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của VGS. Dahanayake và cộng sự, 2017, nhận thấy rằng VGS có thể giảm nhiệt độ bề mặt tường bên ngoài tối đa xuống 12°C khi LAI tăng từ 1 lên 5. Ngoài ra, nhiệt độ bề mặt tối đa của tường có VGS giảm 6,3°C so với tường trần. Hướng nhà, khí hậu và thời tiết đóng góp đáng kể vào hiệu suất nhiệt của VGS. Pan và cộng sự, 2018 nhận thấy rằng nhiệt độ không khí của phòng thử nghiệm có VGS thấp hơn 3,6 °C so với nhiệt độ không khí không có VGS và VGS ở mặt tiền quay về hướng Tây cho thấy hiệu suất làm mát tốt nhất, giúp giảm nhiệt độ tường lớn nhất (6,1 °C ).

Yang và cộng sự, 2018, đã điều tra hiệu quả làm mát của DSGF ở Thượng Hải, kết quả cho thấy hiệu quả làm mát của mặt tiền VGS hướng về phía Nam là tốt hơn và nhiệt độ không khí trong nhà giảm trung bình 1,2 °C. Bằng cách phân tích DSGF và mặt tiền xây lộ thiên ban đầu, người ta phát hiện ra rằng nhiệt độ không khí giảm tối đa trong một vòng tròn hàng ngày là 5,5°C. Hơn nữa, Xing và cộng sự, 2019, nhận thấy rằng vào mùa đông, DSGF có thể tăng nhiệt độ không khí trong nhà lên 1,0–3,0 °C vào ban đêm và có thể đạt được tỷ lệ tiết kiệm 18,0% mức tiêu thụ năng lượng sưởi ấm.

Hình thái đô thị

Quy hoạch đô thị quyết định hình thái đô thị và ảnh hưởng đến khí hậu đô thị, ngược lại, khí hậu đô thị có thể được điều chỉnh và cải thiện thông qua quy hoạch đô thị để đáp ứng nhu cầu của người dân. Quy hoạch đô thị và thiết kế đô thị có ý nghĩa môi trường thực tế nhằm giảm thiểu hiệu ứng UHI của một số khu vực đô thị bằng cách điều chỉnh hoặc tối ưu hóa hình thái đô thị. Quy mô đô thị, hình dạng hình học đô thị và độ che phủ của thảm thực vật là những yếu tố hình thái đô thị cơ bản nhất ảnh hưởng đến môi trường nhiệt đô thị. Từ quan điểm giảm thiểu hiệu ứng UHI, quy hoạch phát triển các thành phố nhỏ, thành phố có quy mô vừa phái và các thành phố lớn đa trung tâm, đa hướng phát triển là phù hợp hơn. Nên quy hoạch phát triển đa phương các thành phố theo chiều trải dải, phù hợp với mạng lưới thủy văn, có tính đến tăng cường các khu vực xanh với nhiều loài thực vật khác nhau. Định hướng các công trình chính song song hoặc hơi xiên (không quá 15 độ) với hướng gió thuận lợi đang thịnh hành.   Sắp xếp các cụm tòa nhà theo bố cục tuyến tính, có hiệu quả làm mát đô thị hơn bố cục theo kiểu chữ “U” hay chữ “口”.

Các nghiên cứu gần đây đã phân tích tác động của các thông số hình thái đô thị đến hiệu ứng UHI ở Tru củang Quốc. Hu và cộng sự, 2016, nhận thấy mật độ đô thị là yếu tố quyết định ảnh hưởng đến cường độ UHI, mật độ đô thị càng cao thì cường độ UHI càng cao. Ngoài ra, trái ngược với hình thái rời rạc, hình thái nhỏ gọn có giá trị mật độ xây dựng trung bình có thể có lợi hơn cho việc giảm hiệu ứng UHI. Wei và cộng sự, 2016, đã điều tra tác động của các thông số hình thái đô thị (chẳng hạn như mật độ xây dựng, tỷ lệ diện tích sàn, tỷ lệ che phủ cây xanh và tầng cao của tòa nhà) đối với vi khí hậu đô thị và phát hiện ra rằng tỷ lệ mật độ bao phủ xây dựng 25% là lựa chọn tốt nhất để giảm thiểu tác dụng UHI.

Lin và cộng sự, 2017, báo cáo tỷ lệ diện tích sàn, mật độ xây dựng và tỷ lệ che phủ cây xanh cao hơn có thể giúp giảm UHII ban ngày trong môi trường đô thị mật độ cao cao tầng. Tông và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng vị trí gần các tòa nhà cao tầng dễ được che chắn hơn và giúp làm mát môi trường vào ban ngày. Ngược lại, vào ban đêm, nhiệt độ không khí có xu hướng tích tụ ở các hẻm phố hẹp với các tòa nhà cao tầng, giúp làm trầm trọng thêm hiệu ứng UHI. Kết quả nghiên cứu của Chu và cộng sự, 2017, cho thấy mật độ xây dựng có ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ UHI, tiếp theo là tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ cây xanh. Tương tự, Xu và cộng sự, 2018, xác nhận rằng tỷ lệ che phủ màu xanh lá cây có thể giải thích khoảng 50% khả năng biến đổi của UHI. Yue và cộng sự, 2019, nhận thấy rằng UHI có mối tương quan đáng kể với cấu hình đô thị ở hai khía cạnh. Thứ nhất, nếu tổng diện tích xây dựng không đổi thì diện tích xây dựng càng nhỏ thì càng phân tán và UHI càng yếu.

Thứ hai, UHI cũng có thể được giảm bớt bằng các mảng đất cây xanh. Tông và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng việc tăng số lượng tòa nhà và thu hẹp chiều rộng mặt đường có thể làm tăng nhiệt độ trung bình và tối thiểu hàng ngày và nhiệt độ trung bình ban đêm vào mùa hè. Vào mùa đông, nhiệt độ trung bình hàng ngày, tối thiểu hàng ngày và trung bình ban đêm cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số hình thái đô thị. Cụ thể, chúng tăng lên khi số lượng tòa nhà tăng lên và chiều rộng đường phố bị thu hẹp. Ngoài ra, việc tăng tỷ lệ ô xanh góp phần giảm nhiệt độ trung bình tối thiểu hàng ngày và trung bình vào ban đêm. Quách và cộng sự, 2016, nhận thấy rằng dạng đô thị với các tòa nhà có chiều cao trung bình và mật độ thấp có nhiều khả năng gây ra những thay đổi nhiệt độ mặt đất (LST) hơn so với các mảng tòa nhà cao tầng và mật độ cao.

Hơn nữa, mật độ xây dựng có tác động lớn hơn đến LST so với chiều cao tòa nhà. Sự kết hợp giữa giá trị mật độ xây dựng trung bình với diện tích thảm thực vật tương đối lớn giúp tạo ra môi trường mát mẻ hơn, trong khi giá trị mật độ xây dựng lớn nhất và nhỏ nhất tạo ra LST cao nhất. Hoàng và cộng sự, 2019, nhận thấy rằng thành phần và cấu hình của tòa nhà có liên quan chặt chẽ với LST, sự phân bố rải rác giúp giảm thiểu LST và LST cao nhất thường xuất hiện ở các khu thương mại và công nghiệp, điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Yue et al, 2019.  Ngoài ra, Yin và cộng sự, 2018, cũng xác nhận rằng các yếu tố hình thức đô thị có tác động đáng kể đến LST và việc phân tích mối quan hệ giữa hình thức đô thị và hiệu ứng UHI dựa trên đơn vị quản lý chương trình quy định là hữu ích để thúc đẩy các biện pháp giảm thiểu tương ứng trong thực tế.

Vật liệu bề mặt xây dựng hấp thụ BXMT nhỏ

Hiệu ứng UHI có liên quan nhiều đến hình thái đô thị và vật liệu bề mặt xây dựng đô thị. Hình thái đô thị một khi đã hình thành thì khó có thể thay đổi vì tính lâu dài của nó. Ngược lại, việc sử dụng vật liệu sáng màu, hấp thụ ít nhiệt BXMT có thể được áp dụng ở khu vực thành thị để giảm thiểu tác động quá nhiệt của UHI đối với vi khí hậu đô thị.

Mái mát và lớp phủ mát trên bề mặt mái tòa nhà

Mái mát được định nghĩa là mái nhà có độ phản xạ mặt trời cao và độ phát nhiệt cao. Gao và cộng sự [10] phát hiện ra rằng mái nhà có lớp phủ màu trắng ở tỉnh Trùng Khánh và Quảng Đông có thể giảm nhiệt độ bề mặt tương ứng khoảng 20°C và 17°C. Do đó, thay thế mái nhà màu xám (độ phản xạ ≤ 0,2) bằng mái màu trắng (độ phản xạ ≥ 0,6) có thể tiết kiệm chi phí năng lượng ở các thành phố có mùa hè nóng bức như Trùng Khánh, Thượng Hải, Vũ Hán và Quảng Châu. So với các vật liệu truyền thống, Han et al, 2014, phát hiện ra rằng lớp phủ mát áp dụng cho mái nhà có thể đạt được chênh lệch nhiệt độ trong nhà nhỏ hơn 4,5 °C. Lu và cộng sự, 2016, đã giới thiệu một mái mát mới kết hợp với vật liệu thay đổi pha và vật liệu mát, đồng thời người ta đã chứng minh rằng mái mát mới có tác dụng tốt trong việc cách nhiệt và giảm nhiệt độ đỉnh, như đã được xác nhận qua thử nghiệm  tạihiện trường.

Ngoài ra, như một biện pháp quan trọng để giảm bớt hiệu ứng UHI, mái nhà mát được khuyến nghị trong các tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh có liên quan của Trung Quốc. Bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt phản xạ khuếch tán truyền thống được phản xạ nhiều lần trong hẻm đô thị, làm tăng sự hấp thụ BXMT của các tòa nhà đô thị và làm trầm trọng thêm hiệu ứng UHI. Việc áp dụng vật liệu phản chiếu trên các lớp phủ hoặc khối kiến trúc có khả năng giảm lượng nhiệt hấp thụ từ bề mặt đô thị và giảm thiểu hiệu ứng UHI. Mạnh và cộng sự, 2016, phát hiện ra rằng nhiệt độ cao nhất của không khí trong nhà và bề mặt tường bên trong đã giảm lần lư t lên tới 8 °C và 10 °C do lớp phủ kết cấu mái nhà là vật liệu phản chiếu mạnh BXMT và nhiệt độ cao nhất của bề mặt tường bên ngoài mái giảm tới 25°C.

Vỉa hè và mặt đường mát mẻ

Bề mặt và vỉa hè mặt đường đã làm thay đổi tính chất nhiệt ban đầu của mặt đất tự nhiên và khi nhiệt độ bề mặt vỉa hè và đường tăng lên thì nhiệt độ không khí gần vỉa hè và đường cũng tăng lên, gây ra hiệu ứng UHI. Điều quan trọng là cần phải giảm nhiệt độ bề mặt vỉa hè và mặt đường bằng cách sử dụng mặt vỉa hè và đường loại mát thay cho mặt vỉa hè và đường truyền thống để giảm hiệu ứng UHI…Các phương pháp có liên quan đến tạo ra mặt vỉa hè và mặt đường lạnh là mặt vỉa hè và đường phản xạ BXMT, mặt đường bay hơi nước và mặt đường khai thác nhiệt. Albedo là một chỉ số quan trọng đối với độ phản xạ bức xạ của bề mặt vỉa hè và mặt đường, có tương quan nghịch với nhiệt độ bề mặt vỉa hè và mặt đường.

Tuy nhiên, việc sử dụng mặt vỉa nè và đường phản chiếu để giảm thiểu UHI trên các đường phố được bao quanh bởi các tòa nhà cao tầng là không hiệu quả so với đường phố mở với bầu trời. Hơn nữa, Qin và cộng sự, 2015, khuyến nghị nên sử dụn mặt vỉa nè và mặt đường phản chiếu khi tỷ lệ khung hình các hẻm đô thị nhỏ hơn 1,0. Giang và cộng sự, 2019, đã thiết kế một lớp phủ phản chiếu năng lượng mặt trời để làm mát mặt vỉa nè và mặt đường nhựa, và kết quả thực nghiệm cho thấy mức giảm nhiệt độ bề mặt mặt vỉa nè và mặt đường là khoảng 8,5 °C đến 9,5 °C. Chen và cộng sự, 2019, nhận thấy rằng nhiệt độ bề mặt cao nhất của mặt đường bê tông mát có thể thấp hơn 13°C so với mặt đường bê tông thông thường.

Là một loại mặt đường mát tiềm năng khác, mặt vỉa nè và mặt đường thấm nước có nhiều lợi ích về môi trường so vơi mặt vỉa nè và mặt đường không thấm nước truyền thống. Tốc độ bay hơi là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát bay hơi của mặt vỉa nè và mặt đường thấm nước. Lưu và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng mặt vỉa nè và mặt đường thấm nước tăng cường bốc hơi có đóng góp lớn vào việc giảm thiểu UHI, với mức làm mát tối đa là 9,4 ° C so với mặt vỉa nè và mặt đường thấm truyền thống. Ngoài ra, mặt vỉa nè và mặt đường mát mẻ có thể làm giảm nhiệt tỏa ra từ mặt vỉa nè và đường và cải thiện sự thoải mái cho người đi bộ và người dân sống gần đó bằng cách giảm khả năng lưu trữ nhiệt. Du và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng chiến lược làm mát mặt đường nhựa bằng cách giảm khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời của mặt đường nhựa và tăng tốc giải phóng nhiệt đến lớp nền có thể làm giảm nhiệt độ bề mặt và bên trong lần lượt là 3,5 ° C và 6,4 ° C. Giang và cộng sự, 2018, đã thiết kế một hệ thống máy phát nhiệt điện trên đường, có thể chuyển đổi hoặc truyền nhiệt mặt đường thành điện năn, làm hạ nhiệt độ bề mặt xuống 8–9 °C trong mùa hè.

Các mặt nước trong đô thị

Các mặt nước trong đô thị là một trong những thành phần chính của khu vực đô thị, với khả năng chịu nhiệt cao và độ dẫn nhiệt thấp, có thể giảm thiểu hiệu ứng UHI một cách hiệu quả.  Hiệu ứng làm mát của các vùng nước đô thị, được coi là dịch vụ điều tiết hệ sinh thái quan trọng, có nhiều lợi thế tiềm năng, như giảm tiêu thụ năng lượng, cải thiện sự thoải mái về nhiệt cho người đi bộ trong môi trường ngoài trời và tạo ra các khu vực mát trong đô thị. Các vùng nước đô thị chủ yếu bao gồm sông ngòi, kênh rạch và ao hồ chứa nước, tạo thành các khu vực mát đô thị. 

Yang và cộng sự, 2016, chỉ ra rằng sông hồ ở Bạc Châu, Trung Quốc là nguồn làm mát đô thị chính vào mùa hè. Vương và cộng sự, 2014, nhận thấy rằng vùng đất ngập nước có tác dụng điều tiết nhiệt độ tốt và đô thị càng gần vùng đất ngập nước thì khả năng điều chỉnh nhiệt độ càng có ý nghĩa. Xue và cộng sự, 2019, chỉ ra rằng chỉ số khả năng làm mát trung bình hóa của vùng đất ngập nước ở thành phố Trường Xuân gấp 42,3 lần so với vùng đất đô thị thông thường và giá trị làm mát trung bình của vùng đất ngập nước có dòng chảy kết nối với các vùng nước bề mặt khác cao gấp 6 lần so với vùng đất ngập nước bị cô lập. Trong số đó, hiệu quả làm mát của sông rõ ràng cao hơn so với các loại đất ngập nước cố định.

Du và cộng sự, 2017, phát hiện ra rằng các con sông đô thị làm thay đổi luồng không khí xung quanh chúng và UHI gần sông thấp hơn. Bằng việc nghiên cứu ảnh hưởng của ao nhân tạo đến môi trường nhiệt đô thị bằng phương pháp thực nghiệm, Syafii và cộng sự, 2017, nhận thấy rằng môi trường nhiệt có ao sẽ tốt hơn môi trường không có ao, đặc biệt là vào các giờ ban ngày và ao được bố trí với diện tích bề mặt lớn hơn cho thấy hiệu quả làm mát tốt hơn. Xu và cộng sự, 2019, kết luận rằng hiệu ứng làm mát đáng kể hơn ở gần trung tâm của vùng nước, với giá trị tối đa vượt quá 0,8 °C. Hơn nữa, Du và cộng sự, 2019, phát hiện ra rằng đảo mát đô thị (UCI) của các vùng nước có bề mặt rộng mạnh hơn các vùng nước tuyến tính. Ở Thượng Hải, nghiên cứu được thực hiện để giải quyết các vấn đề sau: hiệu ứng đảo làm mát bằng nước (WCI) mạnh đến mức nào và mức độ giảm nhiệt độ. Người ta phát hiện ra rằng các vùng nước có thể làm giảm nhiệt độ môi trường xung quanh xuống 3,32 °C. 

Hơn nữa, hình học, tỷ lệ diện tích cây xanh và bề mặt thấm nước là những yếu tố chính tạo nên hiệu ứng WCI. Đối với một diện tích cố định của vùng nước, hình học đơn giản, tỷ lệ thảm thực vật lớn và tỷ lệ bề mặt không thấm nước nhỏ giúp đạt được hiệu quả WCI tốt. Sun và cộng sự, 2017, đã tiến hành một nghiên cứu định lượng về UCI của 197 vùng nước ở Bắc Kinh và phát hiện ra rằng UCI trung bình của vùng nước là 0,54 °C/100m. Hơn nữa, có ý kiến cho rằng diện tích, hình dạng và vị trí của các vùng nước là các chỉ số quan trọng của UCI ở khu vực thành thị cần được xem xét trong việc định lượng các dịch vụ điều hòa vi khí hậu và giảm thiểu tác động của UHI. Cai và cộng sự, 2018, nhận thấy rằng hiệu ứng làm mát của các vùng nước có thể đạt tới 1 km. Wu và cộng sự, 2018, đã điều tra các trường nhiệt độ xung quanh các hồ chứa và các yếu tố ảnh hưởng ở khu vực đồng bằng sông Châu Giang. Kết quả chỉ ra rằng khoảng cách, loại bề mặt bên dưới và dung tích có ảnh hưởng đáng kể đến trường nhiệt độ xung quanh các hồ chứa. Nhiệt độ và khoảng cách giữa 0–100 m và 0–200 m tính từ ranh giới của các hồ chứa cho thấy mối quan hệ tuyến tính và khi nhiệt độ tăng lên, ảnh hưởng của các hồ chứa đến nhiệt độ sẽ yếu dần khi khoảng cách vượt quá 200 m.

Thông gió đô thị

Thông gió đô thị tận dụng đặc điểm gió để đưa không khí trong lành từ vùng ngoại ô vào thành phố, được cho là một trong những chiến lược giảm thiểu chính nhằm giảm bớt hiệu ứng UHI. Ngoài việc loại bỏ nhiệt, thông gió đô thị còn rất quan trọng để cải thiện chất lượng môi trường sống, loại bỏ ô nhiễm không khí và tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, tại một quận mới của Thâm Quyến, quá trình phát triển đô thị thực tế đã không sử dụng sơ đồ thông gió ban đầu, dẫn đến việc ngăn chặn các kênh gió và tăng cường hiệu ứng UHI. Cho rằng sự gia tăng ô nhiễm khí dung gần bề mặt ở các thành phố của Trung Quốc và sự xuất hiện thường xuyên của khói mù trong thời gian mùa đông ở Trung Quốc, cũng như hiệu ứng UHI có liên quan đến hệ thống thông gió kém ở các thành phố, quy hoạch thông gió đô thị là rất cần thiết. Xu và cộng sự, 2016, đã phân tích sự phân bố không gian của UHI và nguồn mát dựa trên bản đồ phân bố nhiệt độ trung bình hàng ngày của các điều kiện khí tượng điển hình và đưa ra đề xuất quy hoạch các kênh thông gió đô thị để giảm bớt UHI.

Hơn nữa, vị trí, số lượng và yêu cầu kiểm soát quy hoạch của hành lang thông gió đô thị tại các quận nội thành mới được đề xuất bởi Su et al, 2016, Luo và cộng sự, 2017, đưa ra đề xuất về tối ưu hóa thông gió đô thị từ các khía cạnh định hướng đường, bố trí tòa nhà, bố trí không gian xanh và không gian giải trí mở bằng một nghiên cứu trường hợp ở huyện lỵ Lipu của Quảng Tây. Dựa trên mô hình mở rộng đô thị của thành phố Đại Liên với mật độ cao, dẫn đến xu hướng tốc độ gió giảm hàng năm, Guo et al, 2017, đã đánh giá hiệu suất thông gió tự nhiên của các dạng tòa nhà khác nhau bằng công cụ mô phỏng tính toán động lực chất lỏng. 

Kết quả cho thấy các khu vực đô thị, chẳng hạn như dãy căn hộ dải và các tòa nhà cao tầng có nền tảng lớn, không có lợi cho việc thông gió tự nhiên, trong khi các quy hoạch và biện pháp hợp lý như không gian mở, tạo kênh thông gió, tăng chiều cao tòa nhà một cách thích hợp, giảm diện tích nền tảng lớn thấp tầng, việc áp dụng hình dạng tòa nhà hợp lý và giảm diện tích mặt tiền tòa nhà có tác dụng đáng kể trong việc thúc đẩy thông gió và giảm bớt hiệu ứng UHI. Ngoài ra, chiều cao tòa nhà không đồng đều có hiệu suất thông gió kém hơn so với tòa nhà đồng nhất trong trường hợp có mật độ xây dựng thấp. Qiao và cộng sự, 2017, cho rằng thiết kế đô thị dựa trên hình thái đô thị và chiều cao tòa nhà, xem xét hướng gió và tần số gió, có hiệu quả trong việc tối ưu hóa thông gió và điều hòa môi trường đô thị. Du và cộng sự, 2017, nhận thấy rằng tốc độ gió gần sông cao hơn ở các trung tâm đô thị nơi có mật độ xây dựng dày đặc và đề xuất cần xem xét đầy đủ về cách định hướng phát triển hướng gió từ sông vào nội địa và cách mở rộng vùng ảnh hưởng của các con sông, nhằm tối ưu hóa môi trường nhiệt đô thị. Kết hợp với hướng dẫn kỹ thuật quốc gia “Thông số kỹ thuật trình diễn tính khả thi về khí hậu-Hành lang thông gió đô thị”, Ren và cộng sự, 2018, đề xuất quy hoạch hành lang thông gió ở các thành phố.

GS.TSKH. Phạm Ngọc Đăng

(Phó Chủ tịch Hội Bảo vệ Thiên nhiên và Môi trường Việt Nam

ThS. Trần Thị Minh Nguyệt (Đại học Xây dựng Hà Nội)

[Đảo nhiệt đô thị]: Gia tăng mức tiêu thụ năng lượng (Bài 1)

Tài liệu tham khảo

1. Phạm Ngọc Đăng. Đề xuất các giải pháp ứng phó với đảo nhiệt đô thị để bảo vệ sức khỏe thị dân và thích ứng với biến đổi khí hậu. Tạp chí Môi trường, sổ tháng 12 năm 2024.

2. Liu Tian, Yongcai Li, Jun Lu, and Jue Wang. Review on Urban Heat Island in China: Methods, Its Impact on Buildings Energy Demand and Mitigation Strategies. Sustainability January 2021, 13(2), 762; https://doi.org/10.3390/su13020762

3. Li, X.; Zhou, Y.; Yu, S.; Jia, H.; Li, H.; Li, W. Urban heat island impacts on building energy consumption: A review of approaches and findings. Energy 2019, 174, 407–419. [Google Scholar]

4. Cui, Y.; Yan, D.; Hong, T.; Ma, J. Temporal and spatial characteristics of the urban heat island in Beijing and the impact on building design and energy performance. Energy 2017, 130, 286–297. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Versions]

5. Zhang, B.; Xie, G.; Gao, J.; Yang, Y. The cooling effect of urban green spaces as a contribution to energy-saving and emission-reduction: A case study in Beijing, China. Build. Environ. 2014, 76, 37–43. [Google Scholar] [CrossRef]

6. Tam, V.W.Y.; Wang, J.; Le, K.N. Thermal insulation and cost effectiveness of green-roof systems: An empirical study in Hong Kong. Build. Environ. 2016, 110, 46–54. [Google Scholar] [CrossRef]

7. Peng, L.L.H.; Jim, C.Y. Economic evaluation of green-roof environmental benefits in the context of climate change: The case of Hong Kong. Urban For. Urban Green. 2015, 14, 554–561. [Google Scholar] [CrossRef]

8. Gao, Y.; Shi, D.; Levinson, R.; Guo, R.; Lin, C.; Ge, J. Thermal performance and energy savings of white and sedum-tray garden roof: A case study in a Chongqing office building. Energy Build. 2017, 156, 343–359. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]

9. Zhang, L.; Deng, Z.; Liang, L.; Zhang, Y.; Meng, Q.; Wang, J.; Santamouris, M. Thermal behavior of a vertical green facade and its impact on the indoor and outdoor thermal environment. Energy Build. 2019, 204, 109502. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Xing, Q.; Hao, X.; Lin, Y.; Tan, H.; Yang, K. Experimental investigation on the thermal performance of a vertical greening system with green roof in wet and cold climates during winter. Energy Build. 2019, 183, 105–117. [Google Scholar] [CrossRef]