Tận dụng hiệu ứng ống khói mặt trời để làm mát nhà cửa tự nhiên không dùng điện

Ống khói mặt trời là một hệ thống thông gió tự nhiên với cấu trúc ống đứng nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời. Khi các bức tường ống khói được làm nóng, nhiệt độ không khí bên trong cũng tăng lên, khiến khí nóng tự động bốc lên và thoát ra ngoài qua phần đỉnh ống khói trên mái nhà. Quá trình này tạo sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và ngoài khiến không khí mát từ các cửa sổ, khe hở nằm ở tầng thấp hơn của ngôi nhà được hút vào, góp phần làm giảm nhiệt độ bên trong mà không cần thiết bị điện.

Hệ thống vận hành dựa trên hiệu ứng ống khói (stack effect), một nguyên tắc cơ bản trong kiến trúc thụ động. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng ống khói mặt trời không trực tiếp làm lạnh không khí mà loại bỏ khí nóng tích tụ trong nhà, từ đó không khí mát từ các khu vực râm mát như sân trong, tầng hầm hoặc mặt ngoài ít chịu tác động của ánh nắng có thể tràn vào tạo cảm giác dễ chịu hơn.

Khái niệm ống khói mặt trời không mới mà đã được ứng dụng hàng trăm năm trước. Các tháp gió hay badgir của Ba Tư cổ đại là ví dụ điển hình, tận dụng gió tự nhiên để thoát khí nóng và làm mát nhà ở.

Khi gió không thổi, tháp vẫn duy trì sự lưu thông không khí nhờ sự nóng lên tự nhiên của thân tháp, tương tự nguyên lý của ống khói mặt trời hiện đại.

Bên cạnh đó, các hệ thống thông gió tương tự cũng được áp dụng rộng rãi tại Bắc Phi và vùng Địa Trung Hải. Tại Tây Ban Nha, sân trong, giếng trời, tiền sảnh và tháp thông gió từng được sử dụng nhằm loại bỏ khí nóng và đưa khí mát vào nhà, giúp cải thiện đáng kể độ thoải mái khi thời tiết nóng bức. Các kiến trúc sư còn đánh giá sân trong truyền thống Địa Trung Hải có chức năng khí hậu tương đương với tháp gió Ba Tư.

Nhiều ống khói mặt trời hiện nay thường được sơn màu đen hoặc phủ vật liệu hấp thụ nhiệt cao. Mục đích không phải để trang trí mà để tăng khả năng thu nhiệt từ ánh nắng, khiến thân ống nóng lên nhiều hơn và tăng tốc độ không khí nóng bốc lên. Nhờ đó, luồng không khí bên trong nhà được làm mới hiệu quả hơn.

Minh chứng nổi bật cho hiệu quả của mẫu thiết kế này là toà nhà Manitoba Hydro Place tại Winnipeg, Canada, do KPMB Architects thiết kế. Tòa nhà có một ống khói mặt trời khổng lồ như một phần của hệ thống điều hòa thụ động, giúp giảm khoảng 70% lượng năng lượng tiêu thụ so với các công trình thông thường.