Tiết kiệm năng lượng trong các tòa nhà và chất lượng không khí trong nhà: vấn đề khó xử

1. Giới thiệu

Giá dầu mỏ tăng cao trong suốt thập niên 70, năm 2008 và mới đây là khủng hoảng dầu mỏ tiếp theo khủng hoảng tài chính đã buộc các nhà quản lý phải tăng cường cách nhiệt cho những tòa nhà và hạn chế trao đổi không khí với môi trường bên ngoài. Các rủi ro chủ yếu của các nhà máy điện hạt nhân đều do lỗi của con người gây ra (Tchernobyl) hoặc do thiên tai (địa chấn, động đất), đã buộc ngày càng nhiều người chuyển sang sử dụng nguyên lý sinh thái học về phát triển bền vững, năng lượng xanh và năng lượng tái tạo. Thách thức trong kiến trúc xây dựng chính là sự gia tăng hiệu suất nhiệt bằng cách giảm thông gió và thích nghi với phong cách sống mới: vui vẻ, thời thượng và hài hòa hay còn gọi là “Phong- Thủy”. Tại Thụy Sỹ, trong 10 năm đã có 13.000 tòa nhà được cấp chứng nhận MINERGIE^® , một nhãn hiệu dành cho các tòa nhà có hiệu suất tiêu thụ năng lượng thấp.

Mục tiêu của MINERGIE^®  là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng bên trong các tòa nhà và sử dụng các năng lượng tái tạo nhưng vẫn cải thiện được chất lượng cuộc sống của những người sống và làm việc trong các toàn nhà đó. Minergie-P^® (nhà thụ động) và Minergie-Eco^®(nhà thiết kế sinh thái) là những tiêu chuẩn bổ sung có thêm các yêu cầu liên quan đến năng lượng và sinh học. Điều được thừa nhận một cách rộng rãi là nhiều bệnh liên quan đến hô hấp hoặc thậm chí là các bệnh ung thư đều có một nguyên nhân bắt nguồn từ môi trường. Tại Thụy Sỹ, một ưu tiên đặc biệt dành cho: (i)16 trạm thuộc mạng lưới quốc gia quan trắc các chất gây ô nhiễm trong không khí và (ii) nghiên cứu thống kê về ô nhiễm không khí và các bệnh về phổi ở người trưởng thành (SAPALDIA, Ackkermann-Liebrich et al., 2005). Các kết quả cho thấy ô nhiễm ngoài trời đã giảm trong 10 năm qua. Trong 20 năm trở lại đây, bệnh hen suyễn đã tăng gấp đôi và hiện nay ảnh hưởng tới khoảng từ 10 đến 12% trẻ em tại Pháp. Tại Hoa Kỳ, ung thư nhi khoa (bạch cầu và u não) tăng khoảng 30-40% trong vòng 25 năm, ung thư tinh hoàn chiếm 70% (Triển vọng sức khỏe môi trường , 1998). Thế thì làm thế nào để giải thích được sự gia tăng của các loại bệnh tật và kéo theo đó là chi phí y tế nếu ô nhiễm môi trường bên ngoài đã giảm trong 10 năm qua? Ô nhiễm trong nhà có thể xem là nguyên nhân dẫn đến tình trạng này không? Không khí trong nhà tập trung rất nhiều các chất độc hại mà con người phải tiếp xúc, trong số đó có những chất khi xuất hiện người ta còn không biết quy định nồng độ bao nhiêu là có thể chấp nhận được hoặc nguyên nhân nó gây ra ô nhiễm không khí trong nhà là gì. Các nghiên cứu quy mô lớn về chất lượng không khí trong nhà tại nơi ở và nơi làm việc cho thấy cùng dạng chất gây ô nhiễm được tìm thấy trong không khí ngoài nhà nhưng thường ở nồng độ cao hơn mức cho phép rất nhiều ở trong nhà và quy định của luật môi trường về kiểm soát không khí bên ngoài lại không thể áp dụng được. Các chất gây ô nhiễm trong nhà có nhiều nguồn phát sinh; có thể do hệ thống thông gió chưa phù hợp, nhiệt độ và độ ẩm chưa thích hợp, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như formaldehyde, các tác nhân sinh học, phóng xạ radon, thuốc trừ sâu, các sản phẩm cháy, khí đất (soil gas), các phần tử lơ lửng và khói thuốc lá môi trường (ETS).

2. Nhận diện các chất gây ô nhiễm

Các chất gây ô nhiễm trong nhà có nhiều nguồn phát sinh: do hệ thống thông gió chưa phù hợp, nhiệt độ và độ ẩm chưa thích hợp, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như formaldehyde, các tác nhân sinh học, phóng xạ radon, thuốc trừ sâu, các sản phẩm cháy, khí đất (soil gas), các phần tử lơ lửng và Khói thuốc lá Môi trường (ETS). Những ảnh hưởng tới sức khỏe từ các chất gây ô nhiễm kể trên rất khác nhau và có thể bao trùm từ triệu chứng khó chịu, dị ứng, các bệnh về hô hấp cho tới ung thư. Trong số các chất gây ô nhiễm, khói thuốc môi trường có thể xem như đóng vai trò quan trọng nhất cả về ảnh hưởng đến sức khỏe lẫn các phương pháp kiểm soát kỹ thuật hoặc thông gió. Để tiến hành quan trắc ô nhiễm trong nhà, một số chất đánh dấu ETS có thể sử dụng như: cacrbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), các phân tử hô hấp (RSP), chất ngưng tụ, nicotin, các hydro cacbon thơn mạch vòng (PAHs), nitrosamines… Nhiều trong số các chất đánh dấu này có trong khói, các quá trình cháy, nấu ăn, lò sưởi, các hoạt động của con người hoặc sự ô nhiễm nói chung. CO₂ là một sản phẩm phụ của quá trình cháy hữu cơ, không khí được con người thở ra và ETS. Việc gia tăng nồng độ CO₂ thường được xem như một chỉ số ô nhiễm trong nhà, đặc biệt là do các hoạt động của con người và hệ thống cung cấp không khí sạch không phù hợp gây ra. Trong quá trình xây dựng và cải tạo, nhiều hóa chất được sử dụng và các sản phẩm phụ của chúng được thải vào không khí trong nhà trong nhiều tháng: sàn nhà quét nhựa đường, nhựa than đá, các loại sơn 2 thành phần, khói có chứa PAH’s, aerosols và hơi isocyanates từ các sản phẩm polyurethane, bụi xi măng, bụi gỗ, các chất bám dính, gỗ than bánh, mẩu ván… Những người sống trong các toàn nhà lâu năm có thể bị phơi nhiễm với viêm da tiếp xúc hoặc tiêu hóa các kim loại nặng như Hg, Pb, Cd. Các hóa chất bảo quản và các sản phẩm làm sạch được sử dụng rộng rãi trong nhà: Polychlored Biphenyls (PCB), thuốc trừ sâu, các chất sử lý và bảo quản gỗ (Lindane, chlophenols, creosote), nước Javel, … Các nguy cơ sinh học khác như  bọ nhậy, vi khuẩn, vi trùng, chất gây dị ứng, vi khuẩn Legionella gây bệnh viêm phổi hoặc các yếu tố vật lý (bụi, amiang, radon, điện từ trường, tiếng ồn, nhiệt độ và độ ẩm) đều thường xuyên xuất hiện trong môi trường trong nhà.

3. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích

Các kỹ thuật lấy mẫu hiện đại (chủ động hoặc bị động), các công cụ phân tích (Sắc ký khí, Sắc ký lỏng hiệu năng cao hay còn gọi là HPLC) kết hợp với các đầu dò đặc biệt (khối phổ hay còn gọi là MS) được các vệ sinh viên công nghiệp sử dụng để đánh giá mức phơi nhiễm với các chất gây ô nhiễm và cuối cùng đưa ra chẩn đoán và các đánh giá rủi ro môi trường trong nhà. Nhiệm vụ này phức tạp hơn nhiều so với việc đánh giá rủi ro nghề nghiệp vì các giá trị ngưỡng hoặc giá trị hướng dẫn của chất lượng không khí trong nhà thấp hơn so với các mức phơi nhiễm nghề nghiệp (OEL). Bảng 1 đưa ra ví dụ về mức độc hại khác nhau, các giới hạn nghề nghiệp và trị số hướng dẫn (GV) đối với không khí trong nhà của formaldehyde.

Bảng 1: Các mức độc hại khác nhau và các quy định về Formaldehyde (H₂C=O) như là chất gây ung thư ở người, nhóm 1 được tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế công nhận năm 2004.

Vì formaldehyde là một chất gây ung thư đối với con người và nó có thể hiện diện trong các bảng gỗ ép, nên phải cố gắng giảm thiểu nồng độ của nó trong không khí trong nhà càng thấp càng tốt, nhất là có sự hiện diện của trẻ em. Trị số hướng dẫn của Thụy Sỹ đối với formaldehyde là 0.1 ppm cần phải xem xét lại vì nó là chất gây ung thư và cũng cao khi so sánh với quy định của các quốc gia khác và quy định quốc tế.

1. Ví dụ 1: Ô nhiễm trong nhà do ETS

Mặc dù ban đầu ô nhiễm không khí bên ngoài được công luận cho là nguyên nhân gây ra những ảnh hưởng tới sức khỏe, thì hiện tại ô nhiễm không khí trong nhà lại gây ảnh hưởng lớn nhất với sức khỏe trẻ em (Etzel RA, 2007).  Tổ chức Y tế thế giới ước tính gánh nặng bệnh tật toàn cầu do ô nhiễm không khí trong nhà gây ra lớn hơn rất nhiều so với gánh nặng do ô nhiễm không khí bên ngoài (WHO, 2002). Thành phần hóa học của khói thuốc lá rất phức tạp, với hơn 4.000 sản phẩm được xác định và khoảng 30-60 chất gây ung thư như benzene, vinylm chloride, formaldehyde, PAHs, nitrosamines…Tỷ lệ giữa lượng hóa chất có trong dòng khói chính (MS) mà người hút thuốt hít vào so với lượng hóa chất có trong dòng khói phụ (SS) mà người khác hít vào (trong đó có cả người không hút thuốc sống với người hút thuốc) có thể giao động từ 1-100. Bảng 2 đưa ra ví dụ về các mức chất gây ung thư nitrosamine trong MS và SS của một số nhãn hiệu thuốc lá tại Thụy Sỹ.

Bảng 2: Các mức chất gây ung thư nitrosamine có trong MS và SS của một số thương hiệu thuốc lá tại Thụy Sỹ (Huỳnh Công Khanh 1993, 2004).

Không có mối quan hệ nào giữa sức mạnh của thương hiệu thuốc lá và lượng  chất gây ung thư nitrosamines phát tán vào môi trường xung quanh thông qua dòng khói phụ SS. Hình 1 cho thấy sự phân rã nồng độ của một số sản phẩm hóa chất do  07 điếu thuốc tạo ra trong một buồng thí nghiệm kín 10 m³ không có hệ thống thông gió. Động lực học phân rã của ETS, CO và nitrosamines như NNN, NNK đều là “bán lôgarit” và tất cả các chất gây ô nhiễm hóa học đều lưu lại trong không khí hơn 24 giờ nếu không có sự can thiệp của hệ thống thông gió. Điều này có nghĩa là ETS có trong không khí trong nhà là nguồn ô nhiễm chính và các kỹ sư thông gió cần phải tìm mọi biện pháp để loại bỏ ETS trong không khí trong nhà như: cấm hút thuốc trong nhà, quan trắc lượng không khí trao đổi mỗi giờ, cấm sử dụng không khí tuần hoàn do kích thước phân tử của ETS (dải kích thước nano, rất khó loại bỏ bằng phin lọc; có quá nhiều chất gây ô nhiễm thuộc dạng bán bay hơi)

Hình 1: Sự phân rã nồng độ của CO, ETS, NNN và NNK trong buồng thí nghiệm không được thông gió (10m³), trục tung có đơn vị là mg/m³ đối với ETS và CO, μg/m³ đối với NNN và NNK, trục hoành có đơn vị là thời gian tính theo giờ.

Thực tế, cách tốt nhất để tránh phải bị ô nhiễm của ETS trong không khí trong nhà là cấm hút thuốc bên trong toà nhà.

1. Ví dụ 2: Chất lượng không khí sau khi cấm hút thuốc

Do ETS là một trong những nguyên nhân thường xuyên gây ra những phàn nàn về chất lượng không khí trong nhà cũng như tỉ lệ tử vong cao do hút thuốc lá thụ động, tháng 6 năm 2004 Đại học Geneva đã ra quyết định cấm hút thuốc bên trong khuôn viên tòa nhà “Uni-Mail”, toàn nhà lớn nhất của Đại học khoa học con người Thụy Sỹ, và lệnh cấm này chính thức được áp dụng từ tháng 10 năm 2004. Báo cáo này trình bày (Huynh CK, 2009) kết quả liên quan tới chất lượng không khí trong nhà của toàn nhà “Uni-Mail” trước và sau khi áp dụng lệnh cấm sử dụng nicotine; bụi lơ lửng, khí ngưng tụ và nồng độ PAH trong không khí là những chất đánh dấu được sử dụng để tiến hành đánh giá sự phơi nhiễm thuốc lá thụ động đối với những người không hút thuốc bên trong toàn nhà. Hình 2 minh họa mật độ bằng sơ đồ hình hộp của 3 yếu tố trước và sau khi cấm hút thuốc với tất cả 7 vị trí lấy mẫu: bụi, khí ngưng tụ và nicotine trong không khí  tính theo đơn vị μg/m³. Trước khi có lệnh cấm, mức nồng độ các hạt hô hấp (RSP) tăng cao, trung bình khoảng 320 μg/m³vào ban ngày, với đỉnh điểm là 1000 μg/m³, so với nồng độ hạt của không khí môi trường xung quanh vào khoảng từ 22 đến 30 μg/m³. Mức nicotine đóng vai trò quan trọng nhất (trung bình 5,53 μg/m³, dải từ 1,5 đến 17,9 μg/m³).  Khi lệnh cấm hút thuốc được áp dụng (bắt đầu từ ngày 18/10/2004), đã có sự cải thiện đáng kể về nồng độ các chất gây ô nhiễm. So sánh với trước khi áp dụng lệnh cấm, đối với bụi, nồng độ giảm xuống 3 lần (trung bình: 130 μg/m³, trải từ: 40 đến 160 μg/m³), nicotine giảm 10 lần (trung bình: 0.53 μg/m³, trải từ 0 đến 1.69 μg/m³). Nồng độ RSP trong không khí bên ngoài là 22 μg/m³ hoặc thấp hơn 10 lần so với ô nhiễm trong nhà. Nicotine được xem là chất đánh dấu tốt nhất cho ETS, không có sự can thiệp, độc lập về vị trí hoặc theo mùa.

Hình 2: Hiển thị nồng độ bằng sơ đồ hình hộp của 3 yếu tố trước và sau khi cấm hút thuốc đối với tất cả 7 vị trí lấy mẫu: bụi, khí ngưng tụ và nicotine trong không khí  tính theo đơn vị μg/m³. Chỉ có nicotine cho thấy số liệu chứng cứ thống kê hai mẫu với p = 0,009

1. Ví dụ 3: Ô nhiễm trong nhà do chất diệt vi sinh (biocides)

Từ năm 1995, những vấn đề về mùi lưu lại dai dẳng đã được quan sát thấy tại một căn hộ sau khi di chuyển từ Mỹ tới Geneva; trước đây căn hộ này không gặp vấn đề gì về mùi. Đồ đạc nội thất được chuyển đến bằng đường biển có mùi không thể chịu nổi. Đã có một số can thiệp từ phòng thí nghiệm để xác định chất gây ô nhiễm nhưng đều không đem lại kết quả. Rất nhiều biện pháp xử lý và can thiệp đã được áp dụng nhằm loại bỏ mùi như: thông gió, lắp đặt hệ thống làm sạch không khí (loại bỏ mùi hoặc phủ mùi thơm lên), xử lý ion hóa, tạo ion âm… Sau khi tiến hành ion hóa liên tục 15 ngày đêm, theo ý kiến của chủ nhà, tình trạng trở nên xấu đi vì xuất hiện một số triệu chứng như: kích ứng mắt, đau đầu và nguyên nhân của nguồn ô nhiễm bổ sung là khí O₃, một sản phẩm phụ của quá trình tạo ion âm trong xử lý. Cuối cùng, thông qua việc lấy mẫu không khí bằng các kỹ thuật vệ sinh nghề nghiệp đặc thù, chúng tôi đã phát hiện ra rất nhiều chất gây ô nhiễm trong không khí trong nhà: formaldehyde (116 ± 14 μg/m³), naphthalene (32.7 μg/m³), 1,4-dichloro-benzene (15.3 μg/m³), phenol (40 μg/m³). Ngoài ra, nguồn gây ô nhiễm được xác định xuất phát từ chất chống nhậy xịt lên đồ đạc khi vận chuyển bằng tàu thủy.

2. Ví dụ 4: Ô nhiễm bên trong một nhà thờ

Một giáo xứ tại Geneva quyết định cắt giảm chi phí tiêu thụ năng lượng tại nhà thờ sau cuộc khủng hoảng năng lượng lần thứ hai cuối thập kỷ 70. Nhà thờ này có từ thời trung cổ đã được sửa lại vào năm 1930; Lần trùng tu cuối cùng vào năm 1980, để lại nguyên trạng hệ thống thông gió vận hành theo nguyên lý thông gió tự nhiên. Năm 1985, nhà thờ được lắp các tấm cửa kính cố định, tất cả các cửa còn lại mở trên mái vòm đều bị đóng lại. Sau lần trùng tu cuối, người giám sát giáo xứ phát hiện thấy các bề mặt bên trong gian chính của giáo đường nhanh chóng bị bao phủ bởi bụi sẫm màu, phải làm vệ sinh sau 3 năm thay vì  từ 10-12 năm một lần như trước kia (Hình 2, Huỳnh Công Khanh, 1991).

Hình 3: Bụi sẫm màu bám trên về mặt bên trong gian chính của giáo đường

Nhà thờ có diện tích khá lớn với ba con phố chính bao quanh và khoảng 50.000 ô tô đi qua mỗi ngày. Ý kiến của các chuyên gia ngoại thất đã được tham vấn để xác định phạm vi ô nhiễm gây ra do giao thông. Điều tra của chúng tôi cho thấy, hầu hết bụi được tìm thấy bên trong nhà thờ thực ra có thể là bồ hóng do việc đốt hương trầm và nến. Hương trầm dường như là nguồn phát sinh chính của PAHs. Với hệ thống thông gió cơ học và các loại đèn giả nến thắp sáng bằng dầu thì xem ra đã có hướng giải quyết. Tóm lại, việc thông gió  một công trình mang tính lịch sử là vấn đề rất phức tạp. Các nhà xây dựng hiện đại có nhiều cách tiếp cận khác nhau dưới góc độ tiện nghi và kinh tế, hơn hẳn những nhà xây dựng thời cổ đại. Để phục vụ mục đích tiết kiệm năng lượng (không có hệ thống thông gió), nhiều câu hỏi đặt ra là liệu hương trầm và nến có xứng đáng với những chi phí đắt đỏ để định kỳ làm sạch nhà thờ. Dĩ nhiên, những hậu quả của sự ô nhiễm có thể không lường trước được. Vấn đề ô nhiễm nhà thờ này đã trở nên nổi tiếng trong vùng và chúng tôi cho rằng đây không phải là trường hợp duy nhất; các tình huống tương tự có thể cũng đã gặp phải.

1. Kết luận

Mục đích của nghiên cứu này là chỉ ra những vấn đề khó xử giữa việc áp dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà và chất lượng không khí trong nhà. Liệu có thể điều tra nghiên cứu tính khả thi trong việc đạt được các giá trị RSP thấp, các mức VOCs thấp, không khí trong nhà trong lành tại các công sở hay tòa nhà tư nhân mà không cần đến sự thay đổi lớn nào liên quan quan đến các hệ thống thông gió cơ khí hiện có (sưởi, thông gió và điều hòa) hay không? Câu trả lời là từ không đến có thể tùy thuộc vào việc chúng ta hiểu rõ ra sao về các nguồn gây ô nhiễm trong nhà, định nghĩa chất lượng không khí trong nhà là gì? (không chỉ dựa trên RSP mà còn cả trên ETS và VOCs và các loại hơi khí và mùi khác), tỉ lệ không khí tuần hoàn và tính hiệu quả của các bộ lọc để loại bỏ các chất gây ô nhiễm. Trong một vài trường hợp, ví dụ có ETS hoặc các loại khói thì không thể lọc được chúng bằng bộ lọc có hiệu quả cao (HEPA) vì chúng có kích thước nano; Các chất gây ô nhiễm trong nhà có thể tạo ra những vấn đề liên quan đến chất lượng không khí trong nhà phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ: thông gió không phù hợp, nhiệt độ và độ ẩm chưa thích hợp, có các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, các tác nhân sinh học, radon, các sản phẩm cháy và ETS. Những ảnh hưởng đến sức khỏe từ các chất gây ô nhiễm này là rất khác nhau và có thể trải rộng từ mức khó chịu, gây kích ứng, các bệnh về đường hô hấp cho tới ung thư.

Tài liệu tham khảo:

Ackermann-Liebrich U et al: (2005). “Follow-up of the Swiss Conhort Study on Air Pollution and Lung Diseases in Aldults (SAPALDIA 2) 1991-2003: methods and characterization of participants”, Soz.Paventivment., 50, pp 245-263.

Etzel RA: (2007). “Indoor and Outdoor air pollution: Tobacco smoke, moulds and diseases in infants and children”, Int.J.Hyg.Environ. Health 201, pp611-616.

Huynh CK, Vu Duc T, Guillemin M, Savolainen H and Iselin F: “Impact of thermal proofing of a church on its indoor air quality”. Sci Total Environ 102: pp241-251.

Huynh CK, Vu Duc T, Guillemin M: (1993). “Analyse des introsamines volatiles et specifiques dans la fume de tabac – Teneur dans quelques cigarettes du commerce en Suisse”, Trav Chim Alim Hyg 84, pp281-290.

Huynh CK, Vu Duc T, Guillemin M: (2004). “Pollution de l’air interieur par les nitrosamines cancerigenes emises par la fume de tabac”, CHUV Research day, Environment humaine – EHU-007, pp15-16.

Huynh CK, Farinelle T and Vu Duc T: (2009). “Indoor air quality in a public building following smoking bans”, Swiss Med Wkly 139 (suppl 171): 8S-9S.

World Health Organization: (2002). “World Health Report 2002: Reducing Risk, Promoting Healthy Life”. World Health Organization, Geneva, Switzerland.

http://www.who.int/whr/2002/annex/en/index.html.

Huỳnh Công Khanh

Viện Việc làm và Sức khỏe (IST) Lausanne, Thụy Sỹ

(Nguồn tin: Nilp.vn)