Định hướng kiến trúc “off-grid“ – sống ngoài lưới điện

Không ít người đang phải sống chật chội tại các thành phố lớn hẳn cũng có một lần mơ ước được rời bỏ mọi thứ và sống trong một căn nhà biệt lập giữa những rừng cây xanh ngút ngàn hoặc những bãi biển hoang sơ, nhất là trong bối cảnh dịch bệnh và giãn cách xã hội kéo dài như hiện nay.

Xu hướng sống xanh, “bỏ phố về làng” cũng theo đó mà càng trở nên phổ biến, đặc biệt ở thế hệ trẻ – thế hệ không chấp nhận việc dành gần như toàn bộ cuộc đời của mình bám víu lấy thành phố chật chội. Nhưng nếu rời bỏ hệ thống cung cấp tài nguyên sẵn có, con người sẽ tồn tại như thế nào? Sẽ thế nào nếu một ngày, bạn thức dậy trong một căn nhà giữa rừng núi hoang vu hoặc một hòn đảo hoang, không điện, không nước máy? 

Trên thực tế, ý tưởng lãng mạn này phải đối mặt với nhiều thách thức, bởi rất ít ai có thể sẵn sàng từ bỏ những tiện nghi vốn có của cuộc sống hiện đại để sống không có điện, nước, gas, thậm chí không thể sạc điện thoại. Vậy đâu là giải pháp hiện thực hóa ý tưởng sống biệt lập này và kiến trúc sẽ đóng vai trò như thế nào để giúp con người tận hưởng trọn vẹn cuộc sống trong ngôi nhà nằm ngoài lưới điện và các dịch vụ cung cấp sẵn tài nguyên?

Sống biệt lập ngoài lưới điện yêu cầu một vòng tròn sinh thái trong tiêu thụ và sản xuất nguồn tài nguyên sống (nước, điện, thực phẩm) của căn nhà, nghĩa là hai yếu tố này phải luôn luôn cân bằng với nhau. Nói cách khác, nếu ngôi nhà tiêu thụ nhiều hơn những gì sản xuất được, sẽ không có bất cứ nguồn tài nguyên nào khác có thể cung cấp cho phần bị thiếu. Đồng thời, nếu sản xuất rơi vào trạng thái dư thừa, nghĩa là con người đang sử dụng không đúng mức và tài nguyên bị lãng phí. Trong điều kiện không có cơ sở hạ tầng cung cấp tài nguyên sống hàng ngày, một ngôi nhà với hệ thống tự cung tự cấp phải đảm bảo cung cấp tài nguyên ở mức vừa đủ cho nhu cầu của con người. 

Tìm nguồn nước sạch

So với điện, nước là yếu tố quan trọng hơn với sự tồn tại của con người. Để sống biệt lập giữa rừng hoặc một hòn đảo hoang vu, việc làm cần thiết đầu tiên là tìm ra ít nhất một trong ba nguồn nước an toàn: Khu vực nguồn nước (hồ hoặc đầu nguồn), giếng hoặc nơi chứa nước mưa. Nước từ giếng hoặc bể nước mưa nên được lọc trước khi sử dụng. Bên cạnh đó, để lấy nước từ nguồn nước ngầm hoặc cho chạy hệ thống lọc nước, năng lượng điện lại trở thành yếu tố quan trọng đáng kể. 

Xây dựng hệ thống sản xuất điện năng

Để xây dựng hệ thống điện tự túc cho một ngôi nhà nằm ngoài lưới điện, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng tái tạo cơ bản, sẵn có và cần thiết. Trong điều kiện thiên nhiên thuận lợi, một hệ thống điện gió là sự lựa chọn tối ưu, tuy rằng chi phí tương đối cao. Hệ thống điện gió này bao gồm một tua-bin chuyển hóa năng lượng gió thành năng lượng điện, các viên pin dự trữ điện năng khi không có gió. Bên cạnh đó, máy phát điện cũng là một trong những thiết bị quan trọng của hệ thống, có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện một chiều trong các viên pin thành dòng điện xoay chiều phù hợp với hệ thống thiết bị của ngôi nhà và có công suất lên tới 100kW. 

So với năng lượng gió, năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến hơn. Theo Tổ chức năng lượng điện mặt trời độc lập toàn cầu (GOGLA), điện mặt trời độc lập đã phát triển vượt bậc trong thập kỷ gần đây, trở thành thị trường sôi nổi với 1,75 tỷ USD/năm và duy trì lâu dài mức tăng trưởng vững mạnh, phục vụ 420 triệu người dùng. Nguồn năng lượng này có thể phục vụ một lượng lớn dân số, cung cấp đủ năng lượng cho hệ thống lọc nước, kho lạnh hoặc quá trình sản xuất thực phẩm. 

Hệ thống quang điện biệt lập cũng bao gồm nhiều thiết bị. Đầu tiên, một dãy các tấm quang năng sẽ thu năng lượng từ tia mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng điện. Nguồn điện này sẽ đi đến một bộ điều khiển có tác dụng kéo dài tuổi thọ của những viên pin dự trữ năng lượng và đảm bảo chúng luôn nhận được đủ năng lượng để hoạt động. Cả pin và tấm điện quang học đều được kết nối với một máy phát điện để chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện hai chiều phục vụ cho các thiết bị trong nhà.

Điện gió và điện mặt trời đều là những hệ thống điện biệt lập đủ khả năng cung cấp năng lượng vững bền cho một ngôi nhà. Tuy nhiên, cho dù sử dụng hệ thống nào, điều quan trọng là phải đảm bảo đủ diện tích xây dựng, giúp chúng dễ dàng kết nối và duy trì hoạt động hiệu quả. 

Thu gom và xử lý rác, chất thải 

Một trong những điều cần quan tâm khác cho cuộc sống biệt lập là vấn đề liên quan đến rác thải. Rác thải hữu cơ có thể làm phân bón và rác tái chế phải được đưa đến những nơi thích hợp để tiếp tục sử dụng. Không có hệ thống thu và xử lý rác thải của thành phố, người sống trong một hệ thống biệt lập ngoài tự nhiên sẽ phải đối mặt với một lượng rác và chất thải khổng lồ. Làm thế nào để xử lý chất thải là vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là để ngăn ngừa nguy cơ gây ô nhiễm cho nguồn nước đang là nguồn sống của ngôi nhà.

Sự lựa chọn phổ biến nhất để xử lý nước thải ở những nơi biệt lập là bể tự hoại. Quá trình vận hành của bể tự hoại rất đơn giản: Nước thải đi vào hố, chất thải rắn sẽ lắng xuống, một lớp vỏ sẽ hình thành trên bề mặt và nước thải sẽ ở lại giữa các lớp, sau đó chảy đến bồn rửa. Vi khuẩn sống bên trong bể phốt sẽ tiêu hóa phần hữu cơ, giúp loại bỏ chất rắn và loại bỏ hầu hết mùi hôi. Nước thải từ từ rò rỉ ra lớp đất sỏi bên dưới. Mặc dù có thể thực hiện phương pháp xử lý sơ cấp này nhưng hiệu quả của bể tự hoại thấp và hạn chế, có thể gây ô nhiễm đất và phát sinh mùi khó chịu. Ngoài ra, bể tự hoại yêu cầu hút định kỳ và rất khó thực hiện ở những vùng sâu vùng xa.

Một giải pháp khả thi để xử lý  nước thải từ hố đó là sử dụng một hệ thống sinh thái tự nhiên và không cần nhiều công nghệ phức tạp, gọi là hệ thống vùng rễ. Trong hệ thống này, quá trình lọc được thực hiện bởi đá và rễ thực vật. Rễ cây sẽ lấy các chất dinh dưỡng từ nước thải và trả lại nước sạch cho đất. Nước thải, sau khi được lọc bởi bể tự hoại, sẽ đi theo đường dẫn của bể, đi qua lớp đá và cát, trở lại không khí dưới dạng hơi nước sạch và bắt đầu quay trở lại vòng tuần hoàn của nước. 

Một lựa chọn khác được sử dụng rộng rãi ở những nơi xa là nhà vệ sinh khô, hoặc nhà vệ sinh phân trộn. Trong trường hợp này, phần chất thải rắn được chuyển hóa thành phân trộn có thể được sử dụng để bón cho cây. Trong các nhà vệ sinh khô truyền thống hơn, mỗi lần sử dụng, thùng chứa phải được phủ bằng mùn cưa để khi đầy có thể cho vào thùng ủ sau đó phân hủy chất hữu cơ bằng vi khuẩn. Trên thị trường đã có những nhà vệ sinh phân trộn hiện đại, không mùi và rất hiệu quả.

Ngoài ra, ta cũng có thể áp dụng nhiều biện pháp để tái chế nước thải. Để làm được như vậy, trước tiên người dùng phải tách nước thải xám ra khỏi nước thải đen – tức là tách phần nước thải ít bẩn hơn ra khỏi phần nước thải đã bị bẩn hoàn toàn. Nước thải bao gồm chất thải từ máy giặt, vòi hoa sen và bồn rửa trong phòng tắm và từ nhà vệ sinh. Thông qua quá trình xử lý vật lý, hóa học hoặc sinh học, loại bỏ hầu hết các tạp chất trong nước xám, loại nước thải đầu tiên này có thể được tái sử dụng cho các mục đích ngoài nước uống, chẳng hạn như tưới tiêu và nước xả nhà vệ sinh. 

Để xử lý vùng nước đen, người dùng có thể sử dụng thiết bị khử mùi sinh học, hoạt động nhờ các vi sinh vật kỵ khí (trong điều kiện thiếu oxy). Bể sinh học bao gồm một buồng kín, trong đó các sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ được pha loãng trong nước thông qua quá trình lên men, phá vỡ nó. Kết quả của quá trình phân hủy sinh học là khí sinh học và phân bón sinh học được tạo ra. Tất nhiên, mỗi giải pháp được trình bày ở đây phải được thiết kế theo nhu cầu và khả năng của từng dự án đồng thời kèm theo các khuyến nghị của các chuyên gia có kinh nghiệm.

Những hệ thống xử lý chất thải phức tạp của một ngôi nhà biệt lập có thể được hiểu rõ thông qua dự án Cabin Voxel. Đây là dự án được phát triển bởi một nhóm bao gồm các sinh viên và chuyên gia là Thạc sĩ về Nhà Sinh thái và Khoa học Sinh học Tiên tiến (MAEBB) của Viện Kiến trúc Cao cấp Catalonia (IAAC). Được thiết kế như một cabin cách biệt với thế giới bên ngoài, ngôi nhà có thể chứa một người ở trong 14 ngày, đáp ứng mọi nhu cầu vật chất trong thời gian sống trong cabin. Hệ thống nước kết hợp thu gom nước mưa, lọc qua thảm thực vật bậc thang, tái chế nước xám và xử lý nước đen trong một hệ thống khí sinh học tự động tạo ra nhiên liệu có thể sử dụng để đun nấu và sưởi ấm, đồng thời sản xuất phân bón hợp vệ sinh. Ngoài ra, nó sản xuất tất cả điện năng thông qua các tấm pin mặt trời và cấu trúc của nó được làm bằng gỗ. 

Tóm lại, trong các công trình xây dựng ngoài lưới điện và tự cung tự cấp, cả người thiết kế và người sử dụng phải ý thức rõ ràng và suy nghĩ cẩn trọng về những tác động đến môi trường. Dự án nhất thiết phải được thiết kế để tối ưu và tiết kiệm năng lượng, tránh lãng phí nguồn tài nguyên. Đối với tiện nghi nhiệt của tòa nhà (sưởi ấm hoặc làm mát), nên tìm kiếm các giải pháp tự nhiên và tái tạo nếu có thể. Người sống trong một ngôi nhà biệt lập cũng cần phải biết tất cả các hệ thống đang chạy và kết nối hoạt động của tòa nhà, bao gồm việc tạo ra năng lượng, tiêu thụ, chu trình của nước và xử lý chất thải. Để sống biệt lập và tồn tại bền vững ngoài tự nhiên, ngôi nhà phải trở thành một hệ sinh thái có khả năng phục hồi và con người phải là một phần quan trọng của sự cân bằng trong hệ thống sinh thái đó./.