bởi Allyson Wendt

Ngày nay, khó có thể cầm một tờ tạp chí hay bật tivi mà không nghe thấy điều gì đó về biến đổi khí hậu. Vấn đề này cuối cùng dường như đã thu hút sự chú ý trong nhận thức chung của toàn quốc. Phần lớn trọng tâm của việc giảm phát thải khí nhà kính tập trung đúng vào cách chúng ta thiết kế và xây dựng các tòa nhà. Thật vậy, Thử thách 2030, được Viện Kiến trúc sư Hoa Kỳ, Hội đồng Công trình Xanh Hoa Kỳ và các tổ chức khác thông qua, kêu gọi các tòa nhà thương mại và dân dụng đang được xây dựng hiện nay sử dụng một nửa lượng nhiên liệu hóa thạch so với mức trung bình của các tòa nhà hiện có và tăng dần hiệu suất để các tòa nhà mới đạt mức trung hòa carbon vào năm 2030 (xem EBN Tập 16, Số 6 ).

Mục tiêu này cực kỳ quan trọng. Nhưng vẫn chưa đủ. Nếu chúng ta, với tư cách là một xã hội, muốn đạt được mức giảm phát thải khí nhà kính mà các nhà khoa học khí hậu cho rằng cần thiết để ngăn chặn biến đổi khí hậu thảm khốc, thì chúng ta cũng cần giải quyết vấn đề về kho nhà hiện có, bao gồm cả nhà ở. Thách thức 2030 kêu gọi cải tạo kho nhà hiện có có diện tích bằng với các tòa nhà mới xây và đạt được mức giảm 50% tương đương trong việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Để đạt được mục tiêu này với các tòa nhà dân cư, cần phải cải tạo năng lượng tiên tiến cho khoảng 1,5 triệu ngôi nhà hiện có mỗi năm—trong khi hiện nay, chỉ có nhiều nhất vài nghìn ngôi nhà cải tạo năng lượng mỗi năm đạt được mục tiêu như vậy, và có lẽ còn ít hơn nhiều. Bài viết này xem xét thách thức của các ngôi nhà hiện có và tiềm năng giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng (và phát thải khí nhà kính) của các tòa nhà này thông qua các cuộc cải tạo lớn.

Quy mô của thách thức

Theo Cục Thống kê Dân số Hoa Kỳ, Hoa Kỳ có 124 triệu đơn vị nhà ở. Trong số đó, khoảng 85 triệu là nhà ở gia đình đơn lẻ được xây dựng tại chỗ, 8,6 triệu là nhà lắp ghép hoặc nhà di động, và phần còn lại là nhà ở trong các tòa nhà dành cho nhiều gia đình. Nếu tính cả nhà ở gia đình đơn lẻ, nhà ở chung cư tối đa bốn căn (tương tự nhà ở gia đình đơn lẻ về thiết kế và công năng), nhà lắp ghép và nhà di động, thì cả nước hiện có khoảng 103 triệu ngôi nhà, và đây chính là những loại nhà mà chúng tôi sẽ tập trung phân tích trong bài viết này.

Độ tuổi trung bình của tất cả các đơn vị nhà ở tại Hoa Kỳ (bao gồm cả nhà chung cư) là 34 năm (xây dựng vào năm 1973), nghĩa là 50% cũ hơn và 50% mới hơn; 77% được xây dựng vào năm 1950 hoặc sau đó.

Năm 2004, các tòa nhà dân cư tại Hoa Kỳ đã sử dụng 21,1 quads (22 triệu terajoule) năng lượng, hay 21% tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp của quốc gia và 36% tổng mức tiêu thụ điện. ( Năng lượng sơ cấp là năng lượng chứa trong hoặc được sử dụng để sản xuất nhiên liệu và điện mà chúng ta tiêu thụ; nó bao gồm nhiên liệu mà các công ty tiện ích sử dụng để tạo ra điện chứ không phải chính điện.) Trên cơ sở mỗi hộ gia đình tại Hoa Kỳ, tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp năm 2004 là 185 triệu Btu (195 gigajoule) và tổng mức tiêu thụ năng lượng phân phối là 101 triệu Btu (107 gigajoule). Trong khu vực dân cư, những người sử dụng năng lượng sơ cấp lớn nhất được thể hiện trong bảng dưới đây. Ở các khu vực khác nhau của đất nước, sự phân chia này giữa các mục đích sử dụng năng lượng cuối cùng khá khác nhau; ví dụ, tỷ trọng làm mát không gian ở miền Nam cao hơn đáng kể so với các khu vực còn lại của đất nước.

Về tác động đến hiện tượng nóng lên toàn cầu, tổng lượng khí thải nhà kính liên quan đến việc sử dụng năng lượng dân dụng tại Hoa Kỳ vào năm 2005 đạt 330 triệu tấn carbon tương đương. Con số này chiếm 20,5% tổng lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ và gần bằng tổng lượng khí thải carbon của Nhật Bản, nền kinh tế đứng thứ hai sau Hoa Kỳ nhưng lượng khí thải carbon lại đứng thứ tư – kém xa Trung Quốc (hiện đứng đầu), Hoa Kỳ và Nga. Điều thú vị là, trong số lượng khí thải carbon dioxide từ các tòa nhà dân dụng, 70% đến từ việc sử dụng điện và chỉ 30% đến từ việc đốt trực tiếp nhiên liệu hóa thạch.

Có thể đạt được điều gì?

Các mục đích sử dụng năng lượng dân dụng chính ở Hoa Kỳ (2004)

Tổng số có thể không bằng 100% do làm tròn và tính phức tạp của việc thu thập dữ liệu.

Nguồn: Sổ dữ liệu năng lượng tòa nhà năm 2006, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, tháng 9 năm 2006

Tiến sĩ nghiên cứu khí hậu James Hansen của NASA đã lập luận trong lời khai trước Hạ viện Hoa Kỳ vào tháng 4 năm 2007 rằng mức carbon dioxide trong khí quyển mà tại đó biến đổi khí hậu thảm khốc sẽ xảy ra có thể là khoảng 450 phần triệu (ppm) và có thể thấp hơn. (Mức CO2 hiện tại là khoảng 385 ppm, tăng từ khoảng 315 ppm vào năm 1958.) Mặc dù Hansen không đưa ra bất kỳ sự giảm cụ thể nào về lượng khí thải carbon cần thiết để ổn định mức carbon dioxide trong lời khai đó, nhưng ở nơi khác, ông đã gợi ý rằng cần phải giảm từ 60% đến 80%. Một số tổ chức khoa học và môi trường nổi tiếng, bao gồm Liên minh các nhà khoa học quan tâm, đã kêu gọi giảm 80% lượng khí thải nhà kính của Hoa Kỳ vào năm 2050. Cả California và New Jersey đều đã thông qua mục tiêu đó làm mục tiêu của tiểu bang và luật gần đây được thông qua tại Thượng viện và Hạ viện Hoa Kỳ đặt ra mục tiêu như vậy.

Trong bản dự thảo báo cáo dự kiến công bố vào tháng 10 năm 2007, Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) của Liên Hợp Quốc đã nhận thấy những cơ hội đáng kể để giảm thiểu phát thải carbon ở cả các tòa nhà mới và hiện hữu. Theo IPCC, 30% mức tăng trưởng khí thải toàn cầu dự kiến liên quan đến các tòa nhà trước năm 2030 có thể được tránh bằng lợi ích kinh tế. Báo cáo cũng nhận thấy rằng, mặc dù các tòa nhà mới mang lại cơ hội tiết kiệm năng lượng cao nhất cho mỗi tòa nhà, nhưng nhìn chung, các tòa nhà hiện hữu lại mang đến cơ hội tiết kiệm năng lượng lớn hơn.

Theo một nghiên cứu năm 1998 được chuẩn bị cho Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, khoảng 290.000 tòa nhà bị phá dỡ mỗi năm, trong đó 245.000 là nhà ở (chiếm khoảng 0,2% tổng số nhà ở). Nếu tất cả những ngôi nhà bị phá dỡ này được thay thế bằng những ngôi nhà mới, trung hòa carbon và nếu hiệu suất năng lượng của những ngôi nhà hiện có không được cải thiện, thì tốc độ thay đổi nhà ở này (0,2% mỗi năm) sẽ chỉ đạt được mức giảm khoảng 6% tổng lượng khí thải carbon dân dụng vào năm 2030 (10% vào năm 2050) – thấp hơn nhiều so với mức mà các nhà khoa học khí hậu yêu cầu.

Để đạt được mục tiêu giảm phát thải carbon do Hansen và những người khác kêu gọi, chúng ta cần giải quyết mạnh mẽ các tòa nhà hiện có, bao gồm cả nhà ở. Trong báo cáo năm 2005 của Trung tâm Pew về Biến đổi Khí hậu Toàn cầu, Hướng tới Môi trường Xây dựng Thân thiện với Khí hậu , Marilyn Brown, Frank Southworth và Therese Stovall, thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, cho rằng với các tòa nhà dân cư mới, mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm từ 60% đến 70% vào năm 2020 so với thông lệ thông thường. Với các tòa nhà hiện có, việc đạt được các mục tiêu giảm năng lượng tương tự hiếm khi khả thi, nhưng điểm khởi đầu thường tệ hơn, vì vậy mục tiêu hợp lý là giảm mức sử dụng năng lượng từ một nửa đến hai phần ba (mức tiết kiệm lớn hơn chỉ có thể đạt được với những ngôi nhà ban đầu có hiệu suất rất kém). Đạt được mức giảm như vậy có thể vừa khó khăn vừa tốn kém, nhưng vẫn có thể thực hiện được—và nó sẽ giảm tải đủ để, với khả năng tiếp xúc với ánh nắng mặt trời tốt, các tấm pin mặt trời trên mái nhà (quang điện và nhiệt mặt trời) có thể cho phép những ngôi nhà như vậy đạt được hiệu suất năng lượng ròng bằng không.

Đạt được mục tiêu giảm ba lần mức sử dụng năng lượng

Việc thực hiện một thách thức lớn như vậy nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng trong một ngôi nhà hiện hữu đòi hỏi những nỗ lực đáng kể ở nhiều cấp độ. Việc cắt giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống hai phần ba hoặc hơn đòi hỏi phải giải quyết các vấn đề về thiết bị sưởi ấm, làm mát và đun nước nóng, cũng như hệ thống chiếu sáng, thiết bị gia dụng và thiết bị điện tử (bao gồm cả thiết bị giải trí và máy tính). Tuy nhiên, chúng ta không thể đạt được mục tiêu này nếu không giải quyết phần vỏ bao che của tòa nhà: móng, tường, cửa sổ và mái nhà (hoặc sàn gác mái). Chúng ta sẽ bắt đầu từ đó.

Việc nâng cấp lớp vỏ nhà phụ thuộc rất nhiều vào khí hậu. Ở những vùng khí hậu lạnh, nơi sưởi ấm chiếm ưu thế trong việc sử dụng năng lượng, việc bắt đầu bằng các biện pháp giảm tải nhiệt là hợp lý: bịt kín không khí, tăng cường cách nhiệt và cải thiện hiệu suất năng lượng của cửa sổ. Theo chuyên gia năng lượng xây dựng Ambrose Spencer, “việc cải tạo lớp siêu cách nhiệt ở vùng Đông Bắc có thể giảm một nửa tải nhiệt”. Ở những vùng khí hậu ấm hơn, nơi điều hòa không khí chiếm một phần đáng kể trong tổng mức sử dụng năng lượng, việc giảm tải làm mát quan trọng hơn theo tỷ lệ, với các biện pháp kiểm soát năng lượng mặt trời và bịt kín không khí là những chiến lược chính. Tuy nhiên, trong bất kỳ điều kiện khí hậu nào, việc làm chặt ngôi nhà bằng vật liệu cách nhiệt và bịt kín không khí có thể khiến độ ẩm bên trong nhà tăng lên, vì vậy việc chú ý đến cấu hình hơi của các cụm tường và mái là cực kỳ quan trọng.

Chi phí cho những cải tạo như vậy là một trở ngại – tốn hàng chục nghìn đô la cho mỗi ngôi nhà. Như Bruce Harley, giám đốc kỹ thuật của Conservation Services Group, đã nói với EBN , “Tôi sẽ rất khó tìm được một ngôi nhà nào mà bạn có thể thực hiện [một cải tạo năng lượng lớn] với giá dưới 50.000 đô la.” Các chuyên gia khác mà EBN đã trao đổi, bao gồm cả nhà thầu xây dựng John Abrams, đều đồng ý. Với ước tính 50.000 đô la cho mỗi lần cải tạo, việc đạt được Mục tiêu 2030 trong ngắn hạn là cải tạo 1,5 triệu ngôi nhà mỗi năm tại Hoa Kỳ sẽ tốn 75 tỷ đô la mỗi năm.

Trong bất kỳ điều kiện khí hậu nào, việc cải tạo lớn cho lớp vỏ ngoài sẽ dễ dàng nhất—và tiết kiệm chi phí nhất—khi các công trình cải tạo lớn khác diễn ra cùng lúc. Harley cho biết: “Nếu ai đó đang có kế hoạch thay thế lớp ốp tường, thì đó chính là lúc nên bổ sung thêm một, hai hoặc ba inch lớp cách nhiệt bằng bọt”. Việc bổ sung lớp cách nhiệt cho bên ngoài ngôi nhà cũng cho phép người ở trong nhà vẫn có thể sống trong nhà trong khi công việc đang được thực hiện, điều này có thể giúp giảm chi phí. Việc bịt kín không khí, cũng giúp cải thiện hiệu suất, có thể được thực hiện đồng thời. Spencer cho rằng đây là một trong những cách dễ dàng hơn để cải thiện những ngôi nhà hiện có. Ông nói: “Mỗi khi thay thế lớp ốp tường, tôi muốn thấy lớp cách nhiệt bên ngoài được bổ sung thêm”.

Đáp ứng nhu cầu năng lượng bằng năng lượng tái tạo

Nếu tải năng lượng đã được giảm đủ, hoặc nếu ngôi nhà nằm ở vùng khí hậu nắng gắt, việc đáp ứng các tải này bằng hệ thống năng lượng tái tạo có thể đạt được hiệu suất năng lượng ròng bằng không. Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, hệ thống nước nóng bằng năng lượng mặt trời và hệ thống điện quang điện (PV) thường là những lựa chọn khả thi nhất cho nhà ở, và những ngôi nhà thực sự không tiêu thụ năng lượng ròng thường yêu cầu kết hợp các hệ thống này.

Spencer và những người khác lập luận rằng hệ thống năng lượng tái tạo chỉ nên được xem xét sau khi đã giải quyết được vấn đề vỏ bao che của tòa nhà. “Nếu bạn có cơ hội xử lý vấn đề vỏ bao che mà lại chi tiền cho hệ thống quang điện thay thế”, ông nói với EBN , “thì bạn đã khiến việc cải thiện tòa nhà sau này trở nên gần như bất khả thi”. Tuy nhiên, nếu tải năng lượng được giảm xuống đủ thấp, thì hệ thống năng lượng tái tạo có thể là giải pháp tài chính hợp lý.

Thỉnh thoảng, kinh tế học hướng đến việc đầu tư vào năng lượng tái tạo thay vì giảm nhu cầu. Eric Doub, một người xây dựng nhà tiết kiệm năng lượng ở Boulder, Colorado, đang thực hiện cải tạo năng lượng ròng bằng không và sắp hoàn thành. Theo Doub, “chúng tôi không phải đi xa để lắp đặt siêu cách nhiệt cho ngôi nhà này”, điều đó có nghĩa là có thể đầu tư nhiều tiền hơn vào các nguồn năng lượng tái tạo. Doub đã lắp đặt thêm hệ thống nhiệt mặt trời ống chân không trị giá 30.000 đô la và hệ thống PV 6,5 kW có giá 25.000 đô la sau khi hoàn tiền. Để so sánh, việc cải thiện lớp vỏ bọc của ngôi nhà có giá 15.000 đô la. Mặc dù Doub thừa nhận rằng “hệ thống PV sẽ không thể trung hòa về chi phí với chi phí điện hiện tại”, nhưng mong muốn của khách hàng của ông là có thể đáp ứng mọi nhu cầu năng lượng của họ, bao gồm cả nhu cầu cho một chiếc ô tô điện cắm điện khi có sẵn, bằng năng lượng tái tạo đã khiến hệ thống PV trở nên đáng giá.

Nghiên cứu điển hình: Ngôi nhà Pettit Four-Square, Massachusetts

Khi Betsy Pettit, AIA, của Công ty Tư vấn Khoa học Xây dựng, mua nhà cho con gái, bà muốn tạo điều kiện thuận lợi cho việc sinh hoạt. “Tôi muốn xây một ngôi nhà không phải lo lắng về hóa đơn tiền điện và ít phải bảo trì”, bà nói. Pettit cũng nhìn thấy cơ hội sử dụng dự án cải tạo này làm mẫu cho những ngôi nhà khác: ngôi nhà rộng 2.000 ft² ( 190 m² ) , được xây dựng vào khoảng năm 1916 và tọa lạc gần Boston, theo mô hình “bốn ô vuông” phổ biến được ưa chuộng bởi các nhà lắp ghép Sears Roebuck, vì vậy nhiều kỹ thuật mà Pettit sử dụng có thể được sao chép trong các ngôi nhà tương tự trên khắp Hoa Kỳ.

“Hầu hết những ngôi nhà 100 năm tuổi đều cần thay thế toàn bộ hệ thống,” Pettit nói, “và ngôi nhà này đã không được sửa chữa kể từ năm 1916.” Khoản cải tạo trị giá 300.000 đô la bao gồm việc mở rộng không gian sống (tầng hầm và gác mái đã hoàn thiện) và nâng cấp các không gian hiện có cũng như bổ sung vật liệu cách nhiệt cho toàn bộ ngôi nhà, cửa sổ mới, mái mới, lò hơi và máy nước nóng mới, cùng hệ thống thông gió mới. Việc cải tạo đã tăng không gian sống lên 80%—lên 3.600 ft² ( 330 m² ) .

Công việc bắt đầu từ tầng hầm, nơi Pettit lắp đặt thảm thoát nước và một lớp cách nhiệt xốp cứng polystyrene ép đùn (XPS) trên tấm sàn hiện có, sau đó là một tấm bê tông cốt thép mới. Bốn inch (10 cm) bọt polyurethane mật độ cao được phun lên tường tầng hầm, sau đó phủ bằng tấm thạch cao không tráng giấy để tạo thành tầng hầm hoàn thiện.

Ở các tầng trên, tấm ốp nhôm được lột xuống lớp vỏ ván hiện có và vật liệu cách nhiệt cellulose được thổi vào các khoang tường không cách nhiệt. Pettit đã chọn thổi vật liệu cách nhiệt từ bên ngoài vào, vừa để bảo tồn đường viền và thạch cao lịch sử bên trong vừa để con gái bà có thể sống trong nhà trong khi công việc đang được thực hiện. Vì bà đang làm việc với một nhà thầu đáng tin cậy, bà nói với EBN , nên bà không cảm thấy cần phải thực hiện phân tích nhiệt để đảm bảo rằng các bức tường được cách nhiệt đúng cách—nhưng đó có thể là một bước hữu ích với vật liệu cách nhiệt thổi vào và nhiều nhà thầu cách nhiệt cung cấp dịch vụ này. Ở gác mái, 4” (10 cm) polyurethane mật độ cao đã được phun vào các xà nhà lộ ra và được phủ bằng tấm thạch cao. Trên các bức tường bên ngoài, Pettit đã thêm một lớp màng bọc thoát nước và hai lớp vật liệu cách nhiệt cứng polyisocyanurate phủ giấy bạc dày 2” (5 cm) so le, được phủ bằng ván gỗ tuyết tùng. Trên mái nhà, các tấm lợp cũ được tháo dỡ và lắp đặt lớp cách nhiệt polyiso có cùng độ dày như trên tường, sau đó là lớp ván ép và lợp mái (không có khoảng trống). Pettit đã ngăn ngừa vấn đề ẩm ướt bằng cách lắp đặt một lớp chắn không khí liên tục để hạn chế rò rỉ không khí và một mặt phẳng thoát nước liên tục trên tường ngoài.

Đối với cửa sổ, Pettit đã chọn cửa sổ kính hai lớp, chứa khí argon, có độ phát xạ thấp (low-e) từ Andersen. Pettit giữ nguyên phần viền hiện có ở bên trong, mở rộng bệ cửa sổ bên ngoài xung quanh lớp cách nhiệt bổ sung và bảo vệ cụm cửa sổ khỏi độ ẩm bằng tấm kim loại chớp và giấy gói nhà. Keo bọt nở ngăn không khí rò rỉ xung quanh chu vi của cửa sổ. Pettit cho biết: “Chúng tôi đã không chọn cửa sổ tốt nhất”, vì kính chỉ chiếm khoảng 12% diện tích bề mặt của ngôi nhà và cô cảm thấy rằng sự góp phần của nó vào việc mất nhiệt không đảm bảo chi phí nâng cấp hiệu suất hơn nữa. Mặc dù Pettit đã chọn cửa sổ Andersen vì cô có thể đặt hàng theo kích thước tùy chỉnh, nhưng cô nói với EBN rằng cô “không hài lòng với chúng như tôi nên hài lòng với mức giá đó”. Nếu đưa ra quyết định tương tự một lần nữa, cô cho biết có lẽ cô sẽ ưu tiên mua những cửa sổ có hiệu suất năng lượng tốt hơn.

Nhìn chung, Pettit hài lòng với kết quả: ngôi nhà hoạt động tốt (tải năng lượng giảm hai phần ba: từ 360 triệu Btu xuống còn 120 triệu Btu mỗi năm) và thoải mái. Mặc dù ban đầu Pettit có kế hoạch lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời để đạt được mức năng lượng ròng bằng không, nhưng cô vẫn chưa thực hiện. Phân tích chi phí của dự án, Pettit ước tính rằng chi phí cách nhiệt bổ sung khoảng 10 đô la/ft 2 (100 đô la/m 2 ) cho vật liệu và 10 đô la/ft 2 (100 đô la/m 2 ) cho nhân công, hoặc 10%–15% tổng chi phí dự án. Vì ngôi nhà dù sao cũng cần được cải tạo lớn và việc cải thiện năng lượng có thể được thực hiện như một phần của công việc đó, Pettit cảm thấy rằng chi phí cho việc cách nhiệt bổ sung là hợp lý. Tuy nhiên, cô cảnh báo rằng “đối với một người không phải làm bất kỳ công việc nào khác, đó sẽ là một câu chuyện khác.”

Nghiên cứu điển hình: Khách sạn Raritan Inn, New Jersey

Bill Asdal của Asdal Builders tại Chester, New Jersey, đã mua một bất động sản rộng 24 mẫu Anh (10 ha) ở California gần đó, vì biết rằng hai tòa nhà 100 năm tuổi (nhà trọ và nhà tranh) trên khu đất này sẽ cần được cải tạo toàn diện. Cả hai ngôi nhà đều chưa có người ở trong ít nhất mười năm và cả hai đều có một số hư hỏng về kết cấu. Vì việc cải tạo sẽ rất tốn kém, nên việc chuyển sang cải tạo năng lượng ròng bằng không dường như khả thi. Trung tâm Nghiên cứu của Hiệp hội Xây dựng Nhà Quốc gia đã bày tỏ sự quan tâm đến một trong những tòa nhà, ngôi nhà tranh, cho một nghiên cứu điển hình cho chương trình Chiến lược Hiệu quả Năng lượng trong Cải tạo của mình. (Một số nhà sản xuất đã quyên góp vật liệu và chuyên môn, nhưng theo Asdal, điều này không ảnh hưởng đến các quyết định của ông về vật liệu hoặc công nghệ.)

Sau khi sửa chữa một số hư hỏng về kết cấu ở nền móng của các tòa nhà, Asdal bắt đầu công việc cách nhiệt. Anh ấy đã phá bỏ tấm tường bên trong và thêm cellulose thổi vào các bức tường. Anh ấy đã lột bỏ lớp ốp tường hiện có trước khi thêm lớp vỏ bọc và giấy gói nhà và phủ lên trên bằng lớp ốp tường vinyl cách nhiệt có lớp xốp R-4. Công việc này đã nâng tổng giá trị cách nhiệt của cụm tường lên mức R-22. Tuy nhiên, chỉ thêm lớp cách nhiệt thôi là chưa đủ: như Asdal chỉ ra, “điều kỳ diệu không phải lúc nào cũng nằm ở giá trị R, mà nằm ở độ kín của ngôi nhà”. Do đó, đội của Asdal đã sử dụng các kỹ thuật bịt kín không khí khắp nhà, trét kín các ô cửa sổ, tạo bọt xung quanh các lỗ xuyên qua sàn và tường, và dán cả tấm tường và lớp vỏ bọc bên ngoài vào khung.

Asdal đã thêm một phòng vào ngôi nhà nhỏ và sử dụng kết cấu tấm cách nhiệt (SIP). Anh đã hợp tác với Techbuilt tại Cleveland, Ohio để thiết kế phần mở rộng bằng cách sử dụng các tấm xốp polystyrene giãn nở (EPS) với giá đỡ bằng thép. Techbuilt đã tạo ra các tấm panel và làm việc với Asdal cùng đội ngũ của anh để lắp ráp phần mở rộng trong vòng chưa đầy sáu giờ. Các tấm tường dày 7” (20 cm) đạt giá trị cách nhiệt R-38, và các tấm lợp mái dày 12” (30 cm) đạt giá trị R-50. Cả hai ngôi nhà đều được lắp đặt máy bơm nhiệt mặt đất, sử dụng nguồn nhiệt từ một vòng ống ngang duy nhất được lắp đặt trên khu đất.

Sau khi cách nhiệt hoàn toàn các ngôi nhà, bước tiếp theo của Asdal là giới thiệu một số hệ thống năng lượng tái tạo để đạt được hiệu suất năng lượng tại chỗ không phát thải ròng (xem EBN Tập 14, Số 10 để biết thêm về định nghĩa năng lượng không phát thải ròng). Trong ngôi nhà nhỏ, một bộ thu nhiệt mặt trời làm nóng nước nóng sinh hoạt sau đó được đưa qua máy nước nóng không có bình chứa và cung cấp cho các thiết bị. Trong nhà trọ, một bộ khử quá nhiệt (một tính năng tiết kiệm năng lượng tùy chọn trên nhiều máy bơm nhiệt) chiết xuất nhiệt thải từ chu trình làm mát máy bơm nhiệt để làm nóng nước trước. Asdal cũng đã lắp đặt một hệ thống PV 14,2 kW; các tấm pin được chia thành mái nhà nhỏ, mái nhà để xe và mái chuồng. Vì hệ thống PV tại chỗ tạo ra nhiều điện hơn nhu cầu của các ngôi nhà nên Asdal đã nhận lại 232 đô la từ công ty tiện ích vào năm 2006, ngoài các khoản tiền từ công ty tiện ích được cung cấp để thay thế các khoản hoàn tiền của chính phủ cho hệ thống PV (mà New Jersey không còn cung cấp nữa).

Theo Asdal, cả hai tòa nhà đều “hiệu suất vượt trội, xét trên nhiều phương diện”. Ông cho biết, mức tiết kiệm năng lượng lớn hơn dự kiến, và sự quan tâm của công chúng đối với dự án vẫn tiếp tục tăng. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng việc cải tạo toàn diện như vậy có thể không hiệu quả với mọi dự án: “người tiêu dùng và nhà thầu không nên động đến năng lượng tái tạo” cho đến khi họ thay đổi hành vi của người sử dụng và thực hiện công việc chống chịu thời tiết toàn diện, ông nói. Bất chấp những thách thức của việc cải tạo toàn diện như vậy, Asdal vẫn hy vọng vào tiềm năng cải tạo đạt mức phát thải ròng bằng không. Ông nói: “Nếu chúng ta có thể tiến hành cải tạo toàn diện nhiều ngôi nhà này, chúng ta có thể tránh được một số rào cản của việc xây dựng mới”. “Tôi coi đây là hình thức tái chế tối ưu.”

Nghiên cứu điển hình: Nhà gỗ Austin năm 1926

Vào tháng 2 năm 2007, một đoàn làm phim của chương trình truyền hình This Old House đã bắt đầu xây dựng một ngôi nhà gỗ nhỏ xây từ năm 1926 tại Austin, Texas. Chủ nhà muốn mở rộng ngôi nhà rộng 1.500 ft² ( 140 m² ) để có thêm không gian cho gia đình đang ngày càng đông đúc của mình, và họ muốn cải tạo theo hướng xanh. Kiến trúc sư David Webber, AIA, của Webber + Studio tại Austin, Texas, đã thiết kế phần mở rộng tầng hai, thêm hai phòng ngủ và chỉ cao 6 ft (2 m) so với đường mái. Với những cải tạo lớn như vậy, việc cải thiện hiệu suất năng lượng của ngôi nhà khá dễ dàng.

Việc xây thêm tầng hai đã tạo cơ hội cho thợ xây Bill Moore lắp thêm lớp cách nhiệt polyurethane phun kín dày 7,5 inch (20 cm) giữa các xà nhà trên gác mái. Moore quyết định cách nhiệt toàn bộ gác mái, bao gồm cả phần chưa hoàn thiện sẽ chứa thiết bị điều hòa không khí. Ông cũng lắp thêm TechShield, một sản phẩm sàn mái chắn bức xạ nhiệt của LP Building Products, để giữ cho gác mái luôn mát mẻ. Mặc dù việc xây thêm này mang lại cơ hội cải thiện kết cấu bao che tốt nhất, Moore cũng đã lắp thêm lớp cách nhiệt cellulose dạng khô vào các hốc tường hiện có ở tầng một.

Theo Moore, việc bổ sung thêm một lượng lớn vật liệu cách nhiệt vào ngôi nhà không phù hợp với khí hậu. Ông cho biết, trong khí hậu nóng ẩm của Austin, “cách tiết kiệm chi phí nhất là bịt kín các khe hở không khí, vì điều đó hiệu quả trong việc sưởi ấm và làm mát”. Tương tự, việc thay thế tất cả các cửa sổ kính đơn ban đầu bằng cửa sổ hiệu suất cao cũng không hợp lý về mặt tài chính. Moore cho biết, “không có lợi nhuận nào ở đây đối với các cửa sổ hiệu suất cao” trong các tình huống cải tạo, vì mức tiết kiệm năng lượng không đủ lớn để biện minh cho chi phí thay thế. Ông thừa nhận rằng “sự thoải mái là một vấn đề khác”, nói rằng cửa sổ cách nhiệt giúp ngôi nhà thoải mái hơn vào mùa đông. Ông đã sử dụng cửa sổ kính hai lớp, chứa khí argon, có độ tán xạ thấp của Andersen trong phần mở rộng ở tầng hai.

Moore tập trung vào các phương pháp khác để giảm nhu cầu năng lượng của ngôi nhà, thay thế lò sưởi cũ bằng lò sưởi hiệu suất cao của Trane và lắp đặt thêm máy nước nóng không bình chứa chạy bằng gas với bộ tuần hoàn theo nhu cầu. Hệ thống điều hòa không khí được nâng cấp từ máy SEER 10 lên máy SEER 16, và toàn bộ hệ thống ống gió được đặt trong không gian có điều hòa. Tuy nhiên, tiết kiệm năng lượng lớn nhất cho việc làm mát đến từ hành vi của người sử dụng: theo Moore, chủ nhà thường đợi càng lâu càng tốt mới bật điều hòa, và tận dụng thông gió tự nhiên cùng bóng râm để làm mát ngôi nhà, khiến mức tiêu thụ năng lượng của họ ngay cả trước khi cải tạo cũng thấp hơn so với các ngôi nhà khác trong khu vực.

Theo Moore, một mô phỏng máy tính cho thấy, mặc dù diện tích ngôi nhà tăng 50%, nhưng tải năng lượng đã giảm 10%. Việc giảm giá cho hệ thống PV 2,45 kW, dự kiến sẽ cung cấp 40% nhu cầu năng lượng của ngôi nhà, giúp bù đắp được khoản tăng nhỏ về hiệu quả bằng cách sử dụng nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ.

Suy nghĩ cuối cùng

Việc giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của các ngôi nhà hiện hữu là một ưu tiên quan trọng nếu chúng ta muốn ngăn chặn khí thải nhà kính và hiện tượng nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, đây cũng là một thách thức rất lớn. Việc tiết kiệm 50% năng lượng trong một ngôi nhà hiện hữu không hề dễ dàng như chúng ta tưởng—nhưng hoàn toàn có thể thực hiện được.

Danh sách kiểm tra: Cải tạo năng lượng thấp – Danh sách kiểm tra ưu tiên

Những thách thức lớn nhất là chi phí và lao động lành nghề. Để giải quyết những vấn đề này, bài xã luận của EBN tháng này (xem An Environmental Service Corps for America – Đoàn Dịch vụ Môi trường cho Hoa Kỳ ) trình bày khái niệm về một Đoàn Dịch vụ Môi trường tập trung vào việc cải tạo năng lượng tại nhà cùng với các hoạt động khác như phục hồi sinh thái và kiểm soát các loài xâm lấn. Một chương trình như thế này—dù có vẻ táo bạo và khó xảy ra—sẽ chỉ cung cấp một phần câu trả lời cho việc cải tạo năng lượng trên diện rộng. Chúng ta cũng cần khuyến khích sử dụng các khoản vay thế chấp và vay mua nhà tiết kiệm năng lượng, các khoản vay được trợ cấp lãi suất thấp, các khoản trợ cấp trực tiếp và các ưu đãi thuế dựa trên hiệu suất.

Chi phí cho việc cam kết quốc gia chúng ta thực hiện một chương trình tiên tiến nhằm cải tạo một phần đáng kể quỹ nhà ở quốc gia sẽ rất lớn – hàng trăm tỷ đô la, nếu không muốn nói là hàng nghìn tỷ đô la, trong những thập kỷ tới. Chi phí này sẽ tương đương với số tiền chúng ta đang chi cho Chiến tranh Iraq, nhưng chắc chắn sẽ mang lại lợi nhuận đầu tư cao hơn cho những người đang gánh chịu chi phí. Hy vọng là các nhà lãnh đạo chính trị của chúng ta sẽ thấy được những lợi ích mà khoản đầu tư này mang lại về an ninh năng lượng, bảo vệ trước chi phí năng lượng tăng cao và quản lý môi trường.

– Alex Wilson và Allyson Wendt