Thiết kế cảnh quan không gian mở và giảm nhiệt đô thị – Trường hợp nghiên cứu tại TP Hà Tĩnh

Tóm tắt

Khảo sát và mô phỏng vi khí hậu tại các không gian mở điển hình trên địa bàn thành phố Hà Tĩnh được thực hiện vào các ngày nắng, nóng và quang mây từ tháng 5 đến tháng 8 của năm 2020 và 2021. Kết quả thu được cho thấy, giải pháp bổ sung bóng râm bằng cây bóng mát cho hiệu quả cao nhất. Bằng cách này, chỉ số Physiological Equivalent Temperature (PET) trung bình có thể giảm đi đáng kể, nhưng quan trọng hơn, trên toàn phạm vi của không gian mở, số lượng các vị trí có mức độ tiện nghi nhiệt cao được tăng lên rất nhiều, và do đó phục vụ tốt hơn các hoạt động của con người và làm cho địa điểm trở nên hấp dẫn hơn.

Từ khóa: tiện nghi vi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, thông gió tự nhiên, che nắng, hiệu quả năng lượng, kiến trúc nhiệt đới Việt Nam, nhà văn phòng cao tầng, kính low-E,

1. Dẫn luận

Các không gian mở như vườn hoa, công viên, tiểu công viên … có ý nghĩa quan trọng đối với đô thị bởi đây là nơi dành cho người dân và du khách giao tiếp, sinh hoạt cộng đồng hoặc đơn giản chỉ là nghỉ ngơi để tận hưởng bầu không khí thoáng mát giữa lòng thành phố ngột ngạt. Các công viên, vườn hoa còn tạo nên điểm nhấn về cảnh quan, làm cho đô thị đẹp và hấp dẫn hơn. Ngoài những tác dụng kể trên, các không gian mở trong đô thị còn có thể làm giảm nền nhiệt trong những thời điểm nắng nóng, và qua đó nâng cao chất lượng khí hậu cục bộ (vi khí hậu).

Nhiều nghiên cứu tại các vùng khí hậu khác nhau trên thế giới đã chỉ ra khả năng giảm nhiệt đô thị của không gian mở phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm cảnh quan của không gian đó. Cụ thể, yếu tố có vai trò quyết định bao gồm tỉ lệ che phủ của cây xanh, vật liệu bề mặt và diện tích của không gian. ….

Tại các đô thị của Việt Nam, công tác quy hoạch mới chỉ quan tâm tới chỉ tiêu diện tích và mật độ không gian xanh trong đô thị, nhưng lại chưa có những chỉ dẫn thiết kế cảnh quan cho những không gian này. Trên thực tế, số lượng các không gian mở như công viên, tiểu công viên, vườn hoa … là không nhỏ và còn đang tăng lên tại nhiều nơi. Ví dụ, tại Hà Nội có 63 công viên, vườn hoa, năm 2022 sẽ cải tạo nâng cấp 45 công viên, vườn hoa (13 công viên và 32 vườn hoa). Hay như Hải Phòng năm 2021 đã xây dựng 21 công viên, đến năm 2022 tiếp tục xây dựng 50 công viên. Ở Hà Tĩnh là một đô thị mới 15 năm tuổi, hiện có 1 công viên trung tâm và 05 tiểu công viên ở các phường với quy mô khác nhau tùy thuộc vào quỹ đất hiện có và mức đầu tư, tài trợ. Nếu được thiết kế phù hợp, hệ thống các không gian này sẽ có đóng góp tích cực trong việc giảm nắng nóng đô thị. Mặc dù các lý thuyết về kiến trúc cảnh quan hay kiến trúc khí hậu đều khẳng định lợi ích giảm nhiệt của cây xanh, mặt nước nhưng vẫn cần có những nghiên cứu định lượng (bằng đo thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính) để so sánh hiệu quả làm mát củva các yếu tố cảnh quan đã nêu, từ đó làm chỉ dẫn để có phương án thiết kế đạt hiệu quả giảm nhiệt cao nhất.

Trong khuôn khổ của dự án nghiên cứu “Hình thái đơn vị ở thích ứng khí hậu – Trường hợp nghiên cứu Thành phố Hà Tĩnh”, NCS. Ngô Hoàng Ngọc Dũng – Trường Đại học Leuven, Vương quốc Bỉ và Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Việt Nam cùng cộng sự đã tiến hành quan trắc môi trường nhiệt tại một số không gian công cộng tiêu biểu cũng như mô phỏng vi khí hậu theo các kịch bản thiết kế cảnh quan cho một tiểu công viên tại thành phố Hà Tĩnh vào các năm 2020 và 2021. Bài báo này sẽ giới thiệu và phân tích một số kết quả quan trắc và mô phỏng nêu trên để đưa ra những đánh giá rõ ràng hơn về ảnh hưởng của thiết kế cảnh quan tới vi khí hậu đô thị.

2. Phương pháp

Thời điểm khảo sát và mô phỏng vi khí hậu tại các không gian mở điển hình trên địa bàn thành phố Hà Tĩnh là vào các ngày nắng, nóng và quang mây từ tháng 5 đến tháng 8 của năm 2020 và 2021. Đây là khoảng thời gian có điều kiện rất thích hợp cho các nghiên cứu về nhiệt đô thị. Quá trình quan trắc và mô phỏng được miêu tả dưới đây.

2.1. Quan trắc

Hai địa điểm được lựa chọn để quan trắc môi trường vi khí hậu là (1) Quảng trường trung tâm và (2) Công viên Bồng Sơn. Tại địa điểm (1), vị trí đo (số 1) nằm ở giữa quảng trường trên nền lát đá, bị nắng trong suốt thời gian khảo sát. Tại địa điểm (2) có 02 vị trí khảo sát, một vị trí (số 2) nằm trên cỏ và không được che nắng, vị trí còn lại (số 3) nằm trên bề mặt cỏ, dưới tán cây và được che nắng trong toàn bộ thời gian đo. Ảnh chụp một thời điểm của quá trình quan trắc được trình bày ở hình 1.

Các thông số vi khí hậu được theo dõi bao gồm: nhiệt độ không khí (Ta), độ ẩm không khí tương đối (RH), nhiệt độ cầu đen (Tg), tốc độ gió (Ws) bằng các thiết bị đo được giới thiệu trong bảng 1, với khoảng đo (time interval) là 2 phút. Quá trình quan trắc được bắt đầu từ 7 giờ đến 18 giờ, vào ngày 12/5/2021.

Để đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt ngoài trời (Outdoor Thermal Comfort, OTC) tại các địa điểm khảo sát, kết quả quan trắc của các thông số vi khí hậu sẽ được dùng để tính hai chỉ số: Nhiệt độ bức xạ trung bình (Mean radiant temperature, Tmrt ) và Nhiệt độ sinh lý tương đương (Physiological Equivalent Temperature, PET [1]) bằng công cụ HoneyBee trên phần mềm Rhino3D Grasshopper. PET được sử dụng phổ biến trên thế giới để đánh giá tiện nghi nhiệt ngoài trời (OTC). Mặc dù PET ban đầu được đề xuất sử dụng cho khu vực châu Âu nhưng tới nay, thang đánh giá tiện nghi nhiệt theo chỉ số này đã được điều chỉnh để áp dụng cho vùng nhiệt đới nóng ẩm Singapore [2][3] và cận nhiệt đới Đài Loan [4]. Do chưa có một thang đánh giá riêng cho các vùng khí hậu tại Việt Nam nói chung và Hà Tĩnh nói riêng, nên nghiên cứu này sử dụng thang đánh giá tiện nghi nhiệt đã được xây dựng cho Singapore (bảng 2) vì có nhiều điểm tương đồng trong khí hậu.

2.2. Mô phỏng

Trong nghiên cứu này, phần mềm mô phỏng vi khí hậu đô thị ENVI-Met [5] được sử dụng. Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá vi khí hậu của các phương án thiết kế cảnh quan không gian mở trong một nhóm nhà ở thấp tầng sẽ được xây dựng tại Hà Tĩnh, từ đó xác định được phương án mang lại hiệu quả giảm nhiệt cao nhất. Nghiên cứu [6] cho thấy ENVI-Met là phần mềm có độ tin cậy cao, và phù hợp cho các nghiên cứu về khí hậu đô thị tại Hà Tĩnh và Việt Nam.

Khu vực nghiên cứu là một nhóm nhà ở cao 4 tầng (14m) nằm trong khu đô thị mới đường Hàm Nghi kéo dài được quy hoạch và sẽ được triển khai xây dựng trong khoảng 5 năm tới. Vị trí xây dựng và mô tả đơn giản đặc điểm không gian kiến trúc cảnh quan của nhóm nhà ở được trình bày trong hình 1. Theo quy hoạch của địa phương, không gian mở nằm giữa nhóm nhà có các cây cao 15m nằm dọc biên, và bề mặt của toàn bộ không gian là thảm cỏ.

Để so sánh ảnh hưởng của các giải pháp kiến trúc cảnh quan tới vi khí hậu, tác giả đưa ra thêm 3 phương án, và được mô tả trong bảng 3. Các thông số được dùng để đánh giá chất lượng vi khí hậu là Nhiệt độ không khí và PET. Mô phỏng được thực hiện cho ngày 31/8/2020.

Khu vực nghiên cứu là một nhóm nhà ở cao 4 tầng (14m) nằm trong khu đô thị mới đường Hàm Nghi kéo dài được quy hoạch và sẽ được triển khai xây dựng trong khoảng 5 năm tới. Vị trí xây dựng và mô tả đơn giản đặc điểm không gian kiến trúc cảnh quan của nhóm nhà ở được trình bày trong hình 1. Theo quy hoạch của địa phương, không gian mở nằm giữa nhóm nhà có các cây cao 15m nằm dọc biên, và bề mặt của toàn bộ không gian là thảm cỏ.

3. Phân tích kết quả

3.1. Quan trắc vi khí hậu

Kết quả theo dõi các thông số vi khí hậu gồm Nhiệt độ không khí và PET tại các điểm đo vào ngày 12/05/2021 được thể hiện trên các đồ thị ở hình 2 và 3.

Có thể thấy từ các đồ thị hình 2 và 3 rằng cảnh quan và bề mặt tại các không gian mở trong đô thị có ảnh hưởng rõ rệt tới vi khí hậu cục bộ. Trong đó, địa điểm công viên Bồng Sơn, nơi có tỉ lệ bề mặt cỏ chiếm tới 80%, và mặt nước là 65% có nhiệt độ không khí thấp hơn từ 0.5 đến gần 2oC so với quảng trường Thành Sen, nơi có tới hơn 60% bề mặt được lát đá và rất ít cây bóng mát. Bề mặt cỏ và mặt nước phát huy tác dụng mạnh mẽ nhất vào khoảng thời gian từ 9 đến gần 20 giờ.

Đối với chỉ số Nhiệt độ sinh lý tương đương PET – chỉ số quan trọng nhất để đánh giá tiện nghi nhiệt, ảnh hưởng của cảnh quan kiến trúc lại càng rõ nét hơn. Cụ thể, tác dụng giảm nhiệt của cây bóng mát là lớn nhất. Tại điểm đo công viên có cây che bóng, nhiệt độ PET luôn thấp hơn hai điểm đo còn lại (không được che nắng) từ 1.5 đến gần 6oC. Mặc dù điểm đo ở công viên nằm ngoài tán cây có nhiệt độ không khí gần tương đương với điểm đo dưới bóng cây, nhưng giá trị PET tại điểm bị nắng vẫn cao hơn nhiều (lên tới gần 5oC, lúc 8g30) giá trị PET tại điểm được cây che bóng. Điều này được lý giải bởi (1) PET tương quan tỉ lệ thuận cao nhất với Bức xạ mặt trời (BXMT) và (2) khả năng ngăn BXMT của cây bóng mát tốt hơn mặt nước và thảm cỏ rất nhiều.

Trong bốn trường hợp nghiên cứu, trường hợp 3 với tỉ lệ mặt nước đạt khoảng 80% không gian mở mang lại nhiệt độ không khí (Ta) tại ngay không gian đó và dãy nhà lân cận (nằm ở cuối hướng gió) thấp hơn ba phương án còn lại từ 0.5 đến 1oC. So sánh sự phân bố nhiệt độ không khí theo không gian ở các phương án 1, 2 và 4, cũng có thể thấy tác dụng làm giảm nhiệt độ không khí của mặt nước vào giờ nóng ban ngày tốt hơn cả cây bóng mát, và tốt hơn rất nhiều thảm cỏ không có cây. Nguyên nhân đến từ khả năng bay hơi mạnh của mặt nước có diện tích lớn trong điều kiện thời tiết nóng khô (ở Hà Tĩnh), làm tăng nhiệt ẩn và giảm nhiệt hiện trong không khí, dẫn đến sự giảm nhiệt độ khá rõ nét. Trong khi đó, lượng bay hơi nước từ các lá cây và thảm cỏ thấp hơn, dẫn đến nhiệt độ không khí giảm ít hơn.

Tuy nhiên, tác động của cảnh quan tới OTC, cụ thể là tới giá trị PET giữa các phương án lại có sự khác biệt với nhiệt độ không khí. Trong khi mặt nước (Phương án 3) có thể làm giảm nhiệt độ tốt hơn cây bóng mát thì khả năng nâng cao tiện nghi nhiệt lại kém hơn đáng kể việc sử dụng bóng cây (Phương án 2). Nguyên nhân là bóng cây có thể ngăn phần lớn Bức xạ Mặt trời – BXMT trực tiếp (trực xạ) chiếu tới bề mặt, trong khi mặt nước lại không có khả năng này, mà BXMT là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất tới PET hay OTC.

4. Kết luận

Thiết kế cảnh quan của tiêu công viên / không gian mở của khu ở có ảnh hưởng rất rõ rệt đến vi khí hậu cục bộ, tuy nhiên, hiện nay các phương án thiết kế cảnh quan cho những không gian này ở chưa được chú trọng, và vì thế có hiệu quả làm mát rất thấp.

Nghiên cứu đã thử nghiệm hiệu quả vi khí hậu của các giải pháp thiết kế kiến trúc cảnh quan tại các khu vực khác nhau và cho cùng một không gian mở của nhóm nhà ở thấp tầng tại Hà Tĩnh (Việt Nam). Kết quả quan trắc và mô phỏng cho thấy, giải pháp bổ sung bóng râm bằng cây bóng mát cho hiệu quả cao nhất. Bằng cách này, chỉ số PET trung bình có thể giảm đi đáng kể, nhưng quan trọng hơn, trên toàn phạm vi của không gian mở, số lượng các vị trí có mức độ tiện nghi nhiệt cao được tăng lên rất nhiều, và do đó phục vụ tốt hơn các hoạt động của con người và làm cho địa điểm trở nên hấp dẫn hơn.

Chỉ số PET phụ thuộc mạnh nhất vào Bức xạ mặt trời. Tại những vị trí ít được che nắng, chỉ số PET sẽ bị tăng lên đáng kể, dù vị trí đó có thể nằm sát mặt nước hoặc được thảm cỏ che phủ. Vì vậy, để nâng cao tiện nghi vi khí hậu hay chính là giảm PET, cần vận dụng việc tăng bóng đổ bằng việc bố trí thêm cây xanh hoặc kết cấu che nắng trong toàn bộ khu vực của sân, nhất là những vị trí có nhiều hoạt động của con người được diễn ra.

Phương án thiết kế cảnh quan hiện nay mới chỉ dự kiến trồng cây bóng mát ở chu vi của không gian mở, và có hiệu quả làm mát rất kém. Giải pháp chỉ dùng bề mặt cỏ hoặc mặt nước sẽ không thể làm giảm BXMT, và do đó không thể nâng cao chất lượng vi khí hậu. Luôn cần kết hợp cỏ, hoặc mặt nước với bóng mát của cây xanh hoặc các công trình kiến trúc lớn, nhỏ.

Cách bố trí không gian mở dạng tập trung tại khu dân cư thấp tầng như hiện nay chưa phải là phương án tạo ra chất lượng vi khí hậu cao nhất, vì không có hiệu quả làm mát rộng cho toàn khu ở. Vì vậy cần có các nghiên cứu tiếp theo về giải pháp bố trí, mật độ và vật liệu xây dựng công trình và bề mặt, qua đó có thể phát triển một hướng dẫn toàn diện về thiết kế đô thị nhằm thích ứng với khí hậu đô thị đang ngày càng trở nên khắc nghiệt.

ThS. KTS. Ngô Hoàng Ngọc Dũng
Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Trường Đại học Xây dựng
ThS. Biện Văn Quyền; TS. Lê Danh Minh
Khoa Sư phạm, Trường Đại học Hà Tĩnh
Hoàng Anh Đức
Sinh viên lớp 63KDF, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Trường Đại học Xây dựng

Tài liệu tham khảo

[1] P. Hoppe, “The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment.,” Int. J. Biometeorol., vol. 43, no. 2, pp. 71–75, 1999.

[2] W. Yang, N. H. Wong, and S. K. Jusuf, “Thermal comfort in outdoor urban spaces in Singapore,” Build. Environ., vol. 59, pp. 426–435, 2013, doi: 10.1016/j.buildenv.2012.09.008.

[3] W. Yang, N. H. Wong, and G. Zhang, “A comparative analysis of human thermal conditions in outdoor urban spaces in the summer season in Singapore and Changsha, China,” Int. J. Biometeorol., vol. 57, no. 6, pp. 895–907, 2013, doi: 10.1007/s00484-012-0616-9.

[4] T. P. Lin and A. Matzarakis, “Tourism climate and thermal comfort in Sun Moon Lake, Taiwan,” Int. J. Biometeorol., vol. 52, no. 4, pp. 281–290, 2008, doi: 10.1007/s00484-007-0122-7.

[5] ENVI_met GmbH, “ENVI_Met – Decoding urban nature.” https://www.envi-met.com/.

[6] N. Hoang et al., “Simulation of outdoor thermal conditions of sub-urban neighbourhood typology in Ha Tinh, Viet Nam Faculty of Engineering Technology, KU Leuven, Ghent, Belgium Faculty of Architecture and Planning, NUCE, Ha Noi, Viet Nam Abstract Key Innovations,” 2020.