Mái nhà kết hợp pin mặt trời và cây xanh tạo hiệu ứng khó tin

Dân số thành phố ngày càng tăng và không gian ngày càng thu hẹp đang thúc đẩy việc áp dụng kiến trúc mái nhà và tường được bao phủ bởi cây xanh. Cùng với việc thúc đẩy đa dạng sinh học, mái nhà xanh có thể đóng một vai trò có giá trị bất ngờ khác bằng cách tăng sản lượng điện từ các tấm pin mặt trời.

Khi các tấm pin mặt trời nóng lên trên 25°C, hiệu suất của chúng sẽ giảm rõ rệt. Nghiên cứu của 5 nhà khoa học: Peter Irga - Giảng viên về ô nhiễm không khí và tiếng ồn, Trường Kỹ thuật xây dựng và môi trường, Đại học Công nghệ Sydney; Eamonn Wooster - Nghiên cứu viên sau tiến sĩ, Viện Gulbali, Đại học Charles Sturt; Fraser R Torpy - Giám đốc Nhóm Nghiên cứu chất lượng môi trường và thực vật, Đại học Công nghệ Sydney; Jack Rojahn - Nghiên cứu sinh tiến sĩ, Viện Sinh thái ứng dụng, Đại học Canberra; Robert Fleck - Nhà nghiên cứu, Trường Khoa học đời sống, Đại học Công nghệ Sydney, cho thấy mái nhà xanh có thể giúp giải quyết vấn đề nhiệt làm giảm sản lượng của các tấm pin mặt trời.

Nghiên cứu của họ đã so sánh hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà xanh và hệ thống tương đương trên mái nhà thông thường. Họ đã đo lường tác động đến đa dạng sinh học và sản lượng năng lượng mặt trời, cũng như cách thực vật đối phó với việc lắp đặt các tấm pin phía trên chúng.

Mái nhà xanh hóa ra hỗ trợ đa dạng sinh học hơn nhiều, như người ta có thể mong đợi. Bằng cách giảm nhiệt độ tối đa trung bình khoảng 8°C, nó đã tăng khả năng sản xuất năng lượng mặt trời lên tới 107% trong thời kỳ cao điểm. Ở chiều ngược lại, thảm thực vật lại phát triển mạnh mẽ nhờ được các panel pin mặt trời hấp thụ bớt nhiệt.

Việc nghiên cứu này đã được hoàn tất như thế nào?

Nhiều nghiên cứu đã thử nghiệm một mái nhà được chia thành phần “mái xanh” và “mái không xanh” để đo lường sự khác biệt do thảm thực vật gây ra. Một vấn đề với những nghiên cứu kiểu như vậy là “sự nhiễu loạn không gian” - tác động của hai không gian lân cận ảnh hưởng lẫn nhau. Ví dụ, phần mái xanh mát hơn có thể điều tiết nhiệt độ của phần không xanh bên cạnh nó khiến sự so sánh thiếu chính xác.

Trong các nghiên cứu sử dụng các tòa nhà riêng biệt, thì lại có một vấn đề khác nảy sinh. Các tòa nhà cách nhau quá xa hoặc quá khác nhau về kết cấu khiến đầu vào không tương đương và việc so sánh kết quả cũng không chính xác.

Hai tòa nhà trong nghiên cứu này có cùng chiều cao, kích thước cũng như hình dạng và nằm cạnh nhau trong khu thương mại trung tâm Sydney. Điểm khác biệt duy nhất là tòa nhà Daramu có mái xanh còn tòa nhà Quốc tế thì không.

Họ đã chọn sự kết hợp giữa các loại cỏ bản địa và phi bản địa cũng như các loại cây không phải thân gỗ, những loại cỏ sẽ ra hoa vào tất cả các mùa để thu hút đa dạng các loài động vật.

Mái nhà xanh và mái nhà thông thường có cùng diện tích, khoảng 1.860 mét vuông, với khoảng một phần ba được bao phủ bởi các tấm pin mặt trời. Thảm thực vật bao phủ khoảng 78% mái nhà xanh và tính ra thì các tấm pin mặt trời bao phủ 40% diện tích trồng cây này.

Để xác định loài nào hiện diện trên mái nhà, họ đã sử dụng camera cảm biến chuyển động và lấy mẫu để truy vết DNA. Họ đã ghi lại những thay đổi trong thảm thực vật xanh trên mái nhà để thống kê mức độ che nắng của các tấm pin mặt trời ảnh hưởng đến cây trồng như thế nào.

Các tấm pin ảnh hưởng đến cây trồng như thế nào?

Ở những khu vực trống trải, các nhà nghiên cứu quan sát thấy những thay đổi rất ít về độ che phủ của thảm thực vật trong thời gian nghiên cứu.

Ở những khu vực xung quanh các tấm pin mặt trời, thực vật phát triển rất nhanh. Cụ thể, thảm thực vật thay đổi nhiều nhất ở các khu vực ngay bên dưới và xung quanh các tấm pin mặt trời. Hoa hồng Aptenia cordifolia là cây chiếm ưu thế hơn cả. Mặc dù được trồng với mật độ tương đối thấp, loài này vẫn chiếm phần lớn không gian bên dưới và xung quanh các tấm pin mặt trời.

Điều này thật đáng ngạc nhiên: người ta không ngờ rằng thực vật lại thích những khu vực có bóng râm dưới các tấm pin hơn là những khu vực thoáng đãng. Điều này cho thấy việc che nắng bằng các tấm pin mặt trời sẽ không cản trở sự phát triển của vườn cây trên mái.

Các tác động đa dạng sinh học là gì?

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng khảo sát DNA môi trường (eDNA) để so sánh đa dạng sinh học trên mái nhà xanh và mái nhà thông thường. Các mẫu nước chảy tràn được thu thập từ cả hai mái nhà và được xử lý tại chỗ bằng thiết bị lấy mẫu eDNA để phát hiện DNA của các loài trên mái nhà.

Các khảo sát eDNA đã phát hiện ra nhiều loài khác nhau. Chúng gồm một số loài (chẳng hạn như tảo và nấm) vốn không dễ phát hiện bằng các phương pháp khảo sát khác. Kết quả xác nhận sự hiện diện của các loài chim được camera ghi lại nhưng cũng cho thấy cả các loài chim đến thăm khác không bị camera phát hiện.

Nhìn chung, mái nhà xanh thu hút số lượng loài chim nhiều gấp 4 lần, số lượng động vật chân đốt như côn trùng, nhện và động vật nhiều chân gấp 7 lần và số lượng ốc sên nhiều gấp đôi so với mái nhà thông thường. Sự đa dạng của các vi sinh vật như tảo và nấm của mái nhà xanh cao hơn gấp nhiều lần.

Ngạc nhiên hơn, mái nhà xanh đã thu hút các loài vốn ít hiện diện trong thành phố như ong sọc xanh (Amegilla cingulata) và bọ khiên kim loại (Scutiphora pedicellata).

Mái nhà xanh đã thay đổi nhiệt độ như thế nào?

Mái nhà xanh giúp giảm nhiệt độ lên tới 9,63°C đối với bề mặt các tấm pin mặt trời và 6,93°C đối với bề mặt mái nhà. Việc giảm trung bình 8°C nhiệt độ trên mái nhà xanh sẽ giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng điều hòa bên trong tòa nhà.

Việc giảm nhiệt độ này cũng làm tăng sản lượng tối đa của các tấm pin mặt trời lên từ 21 - 107%, tùy theo tháng. Phần mềm hiệu suất cho thấy trung bình một mái nhà xanh cỡ lớn ở trung tâm Sydney có thể sản xuất thêm 4,5% điện năng ở bất kỳ mức ánh sáng nào.

Những kết quả này cho thấy ta không cần băn khoăn giữa việc lựa chọn giữa mái nhà xanh hay mái nhà năng lượng mặt trời. Có thể kết hợp chúng để tận dụng nhiều lợi ích của mái nhà xanh - mặt trời.