Đang tải... (xem toàn văn)
THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN CHO NHÀ CAO TẦNG BẰNG HIỆU ỨNG BERNOULLI: ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC GIẾNG TRỜI LÊN PHÂN BỐ ÁP SUẤT BÊN DƯỚI MÁI
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 135 THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN CHO NHÀ CAO TẦNG BẰNG HIỆU ỨNG BERNOULLI: ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC GIẾNG TRỜI LÊN PHÂN BỐ ÁP SUẤT BÊN DƯỚI MÁI VENTILATION OF BUILDINGS BASED ON BERNOULLI-ROOF: EFFECTS OF LIGHTWELLSIZE ON PRESSURE DISTRIBUTION ON THE ROOF SURFACE Nguyễn Quốc Ý Trường Đại học Bách khoa Tp HCM; nguyenquocy@hcmut.edu.vn Tóm tắt - Chúng tơi nghiên cứu thực nghiệm giải pháp dùng mái nhà để tăng cường hiệu ứng thơng gió tự nhiên giếng trời Mái nhà có biên dạng tạo hiệu ứng Bernoulli để tăng cường áp suất âm bên mái góp phần hút dịng khí lưu thơng qua giếng trời Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng kích thước giếng trời lên phân bố áp suất bề mặt mái Thực nghiệm tiến hành mơ hình nhà với giếng trời có dạng hình trụ trịn mái trịn hầm gió hở Áp suất đo nhiều điểm bề mặt mái vận tốc gió, đường kính giếng trời, chiều cao mái thay đổi Kết cho thấy việc tăng kích thước giếng trời làm tăng áp suất bề mặt mái làm giảm hiệu thơng gió tự nhiên giếng trời Ảnh hưởng lớn chiều cao mái nhỏ Abstract - We have conducted experimental studies on using Bernoulliroof to induce natural ventilation of buildings with lightwells The roof has a specific shape which enhances negative pressure below it This negative pressure contributes to inducing airflow through the lightwell This study focuses on effects of lightwell size on pressure distribution on the lower surface of the roof Experiments were conducted in an open wind tunnel with small-scaled models of buildings having lightwells and Bernoulli-roofs Pressure was measured at many points on the lower surface of the roof under variations of wind speed, lightwell size, and roof height The results show that as the size of the lightwell increases, pressure on the surface of the roof increases; as a result, effectiveness of the roof is less This effect is stronger when the roof height is less Từ khóa - thơng gió tự nhiên; giếng trời; nhà cao tầng; mái nhà; áp suất âm Key words - natural ventilation; lightwell, buildings; roof; negative pressure Giới thiệu Thơng gió tự nhiên cho nhà giúp tiết kiệm phần điện tiêu thụ cho quạt điện hay máy điều hồ khơng khí Có nhiều giải pháp thơng gió tự nhiên: dựa phân bố áp suất khơng khí xung quanh cơng trình gió hay dựa vào chênh lệch nhiệt độ bên bên ngồi cơng trình; sử dụng giải pháp kiến trúc với cửa lấy gió gió hay sử dụng thiết bị thơng gió dựa hiệu ứng tự nhiên, cầu thơng gió… Trong trường hợp sử dụng giải pháp kiến trúc, yếu tố định chiều di chuyển dịng khí xun qua cơng trình lưu lượng thơng gió chênh lệch áp suất phần đón gió phần khuất gió cơng trình Chênh lệch áp suất tạo nhờ hiệu ứng Bernoulli dịng khí di chuyển kết cấu cơng trình Nếu bỏ qua ảnh hưởng trọng lực, hiệu ứng Bernoulli cho mối quan hệ áp suất tĩnh p vận tốc dịng khí: 𝑝 + 𝜌𝑉 /2 = ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố (1) Trong 𝜌 khối lượng riêng khơng khí Theo đó, diện tích dịng khí bị co hẹp, vận tốc dịng khí tăng áp suất tĩnh giảm [1] Khi V đủ lớn, p đạt giá trị âm (nhỏ áp suất khí quyển) Một số nghiên cứu dùng mái nhà để tạo hiệu ứng Bernoulli [2, 3, 4] Hooff cộng [2] nghiên cứu giải pháp dùng mái nhà để tạo hiệu ứng áp suất âm đỉnh mái nhà cao tầng có mặt cắt vng với mái vng thực nghiệm tính tốn số Trong nghiên cứu họ, khơng có lỗ thơng gió đỉnh nhà Phân bố áp suất bên mái nhà khảo sát theo vận tốc hướng gió bên ngồi với ba kiểu bố trí mái: khơng có van hướng dịng, có van hướng dịng, có 36 van hướng dòng Kết cho thấy việc sử dụng mái nhà làm giảm hệ số áp suất mái đến bốn lần so với khơng có mái Nghiên cứu sau nhóm [3] cho thấy chiều rộng nhà mái tăng lên, áp suất bên mái giảm Haw cộng [4] đo đạc đánh giá đặc tính thơng gió mái nhà cao tầng có biên dạng Bernoulli lam thơng gió bố trí xung quanh Kết họ cho thấy mái nhà cải thiện khả thơng gió tự nhiên tồ nhà lên đến tám lần Các nghiên cứu đó, Hooff cộng [2, 3], cho thấy việc sử dụng mái nhà có thiết kế biên dạng hợp lý tạo hiệu ứng thơng gió tự nhiên hiệu Tuy nhiên, Hooff cộng [2, 3] chưa khảo sát ảnh hưởng hình dạng chiều cao mái nhà lên áp suất mái Bên cạnh đó, có thêm giếng trời, khơng gian bên mái mở rộng ra, nên phân bố áp suất bên mái bị ảnh hưởng,như miêu tả Hình Khi đó, tương tác gió phần khơng khí bên giếng trời trở nên phức tạp hiệu tạo áp suất âm mái bị ảnh hưởng Đó ảnh hưởng mà chúng tơi muốn khảo sát để bổ sung vào kết Hooff cộng nhằm có kiến thức sâu giải pháp thơng gió Trong nghiên cứu trước [5], khảo sát giải pháp dùng mái nhà để tạo áp suất âm đỉnh nhà, tương tự Hooff cộng [2], với nhiều kiểu nhà mái để chọn kiểu nhà mái phù hợp cho mục đích Các thí nghiệm thực với hai kiểu nhà: mặt cắt vuông, mặt cắt trịn hai kiểu mái: vng tròn với 04 kiểu kết hợp nhà – mái Kết cho thấy kiểu nhà trụ tròn – mái tròn cho áp suất âm đỉnh nhà tốt Chiều cao tối ưu mái nhà đỉnh nhà tìm từ thí nghiệm 2% đến 4% kích thước nhà Trong nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng giếng trời lên áp suất mặt mái nhà Áp suất nhỏ khả hút khơng khí lưu thơng qua Nguyễn Quốc Ý 136 giếng trời tốt Để tập trung vào ảnh hưởng kích thước giếng, chúng tơi xét trường hợp chưa có dịng khí lưu thơng bên giếng, Hình 1b a) b) c) Hình Mơ tả dịng khí mái đỉnh nhà: a) khơng có giếng trời, b) có giếng trời – khơng có dịng khí bên giếng, c) có giếng trời – có dịng khí bên giếng Dựa kết nghiên cứu trước [5], lựa chọn mơ hình nhà mái có khả tạo áp suất âm hiệu nhất: nhà dạng trụ trịn mái trịn Mơ hình giếng trời có dạng trụ tròn Thực nghiệm tiến hành với ba kích thước giếng trời ba chiều cao mái vận tốc gió thay đổi Áp suất đo mái phân tích ảnh hưởng yếu tố Mơ tả thí nghiệm Thí nghiệm thực với hầm gió hở PTN Cơ lưu chất Vật lý kiến trúc ĐH Bách Khoa Tp HCM Phương thức thí nghiệm tương tự nghiên cứu trước [5] Tham khảo thí nghiệm Hooff cộng [2], khảo sát nhà có kích thước chiều ngang 20m chiều cao 50m Mơ hình thu nhỏ nhà có tỉ lệ 1:100 Như vậy, mơ hình nhà hình trụ trịn có đường kính D 200mm chiều cao H 500mm Mái nhà có hình trịn có đường kính Dm 200mm, với đường kính nhà, bề dày lớn Tm 35mm với mặt phẳng mặt có dạng hai nửa biên dạng cánh máy bay NACA 0021 ghép lại (Hình 2) Mơ hình mái nhà tương tự nghiên cứu trước chúng tơi [5], có kích thước lớn Mái nhà treo phía nhà với hệ thống dịch chuyển theo ba phương quay theo hai phương đứng ngang Hệ thống giúp thay đổi độ cao h mái đỉnh nhà, 5mm, 10mm 25mm, điều chỉnh để đảm bảo mặt phẳng mái nằm ngang Mơ hình giếng trời bên mơ hình nhà có dạng hình trụ trịn với đường kính d 18mm, 38mm 83mm đồng trục với mơ hình nhà Mơ hình giếng trời xun suốt chiều cao nhà Mặc dù thực tế, giếng trời giúp thơng gió tự nhiên xun qua cơng trình, nghiên cứu này, chúng tơi chưa khảo sát việc thơng gió tự nhiên qua giếng trời mà tập trung vào ảnh hưởng kích thước giếng trời lên phân bố áp suất mái nhà Do đó, để tránh ảnh hưởng dịng khí lưu thơng từ bên mơ hình nhà qua đầu giếng trời, để đầu giếng trời hở đầu bịt kín khơng bố trí cửa lấy gió đón gió bề mặt mơ hình nhà giếng trời Mơ hình thí nghiệm Hình bố trí đầu hầm gió có tiết diện hình vng với kích thước 1m × 1m Với kích thước đầu hầm gió 1m × 1m = 1m2, với tỉ lệ thu nhỏ mơ hình nhà 1:100, diện tích chắn dịng mơ hình nhà (D×H=0,2m × 0,5m = 0,1m2) 10% diện tích đầu nên bỏ qua ảnh hưởng chắn dịng [1] Hình Mơ hình thí nghiệm 1: Hướng gió, 2: Ống Pi-tơ, 3: Mơ hình nhà, 4: Mơ hình mái, 5: Ống đo áp Áp suất bề mặt mái nhà áp suất tĩnh dịng khí đo cảm biến áp suất Pace Scientific (Mỹ) Độ phân giải cảm biến 0,0006 inch nước (tương đương 0,15 Pa) Các giá trị áp suất tương ứng với vận tốc gió thấp đo thí nghiệm vào khoảng 0,5 Pa, gấp ba lần so với độ phân giải Các cảm biến kết nối với máy tính Tổng cộng có 05 vị trí đo áp suất bề mặt mái nhà: 01 vị trí điểm thấp mái nhà (trùng với trục giếng trời) 04 vị trí hướng 0o, 90o, 180o 270o so với hướng gió, Hình Các lỗ đo áp suất bề mặt mái có đường kính 0,5mm, có trục vng góc với mặt mái vị trí đo, sau mở rộng đến đường kính 3,2mm (bằng với đường kính ống đo áp kèm theo thiết bị) 200mm Gió 100mm Hình Các vị trí đo áp suất bề mặt mơ hình mái (hình chiếu bằng) Áp suất tĩnh dịng khí đo ống Pi-tơ vị trí cách trước mơ hình nhà 300mm cao đỉnh mơ hình nhà 200mm Ở vị trí này, dịng khí cho chưa bị ảnh hưởng mơ hình nhà Số liệu áp suất đo với tần số 1Hz trung bình khoảng thời gian 05 phút cho trường hợp Chúng kiểm tra khoảng thời gian đủ dài để khơng ảnh hưởng đến kết trung bình Vận tốc gió thay đổi cách thay đổi tốc độ quay quạt Vận tốc gió đo vị trí đo áp suất tĩnh dịng khí (khi có mơ hình nhà) thực nhiều lần với nhiều tốc độ quạt khác để thiết lập mối liên hệ vận tốc dịng khí tốc độ quay quạt Vận tốc gió thí nghiệm thay đổi từ khoảng 1,5m/s đến khoảng 7,0m/s, tương ứng với số Reynolds tính theo vận tốc gió đường kính mơ hình nhà khoảng từ 2.104 đến 9.104 Số Reynolds khoảng chảy tầng dịng khí, thấp mức chảy rối hồn tồn dịng khí qua tồ nhà thơng thường (khoảng 106 [1]) Hầm gió ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 khơng có khả tạo gió ổn định với vận tốc lớn Kết Bàn luận Áp suất đo qui đổi hệ số áp suất, dạng vô thứ nguyên Hệ số áp suất tính theo giá trị áp suất đo vị trí mặt mái p, áp suất tĩnh𝑝∞ , vận tốc 𝑉∞ dịng khí [6]: p−p∞ đối đối xứng nhau) cho thấy: 1) kết đo có độ tin cậy cao 2) thời gian để tính giá trị đo trung bình (5 phút) đủ h/D=5,0% -1 h/D=12,5% 60000 -1.5 -2 -2.5 -3 a Re 20000 40000 60000 80000 100000 h/D=2,5% -0.5 h/D=5,0% Cp -1 h/D=12,5% -1.5 -2 -2.5 Re 40000 100000 h/D=2,5% (2) 0,5ρV2 ∞ 20000 80000 -0.5 Số Reynolds tính theo vận tốc dịng khí 𝑉∞ , đường kính mơ hình nhà D độ nhớt khơng khí ν: Re = V∞ D/ν (3) Chiều cao h mái so với đỉnh mơ hình nhà đường kính giếng trời d thể dạng vô thứ nguyên h/D d/D Ba tỉ số h/D 2,5%, 5,0% 12,5% Ba tỉ số d/D 9,0%, 19,0% 41,5% 3.1 Phân bố áp suất bên mái Hình cho thấy hệ số áp suất 05 vị trí đo bên mái cho trường hợp thí nghiệm Tất hệ số áp suất âm áp suất bề mặt mái nhỏ áp suất tĩnh dòng khí Điều cho thấy mái tạo hiệu ứng Bernoulli Nhìn chung, tất hệ số áp suất giảm số Reynolds, hay vận tốc gió, tăng lên trừ vị trí số Re 40000 60000 20000 Cp Cp = 137 -3 80000 100000 b Re -0.5 -1 20000 40000 60000 80000 Cp h/D=2,5% -0.5 -1.5 100000 h/D=5,0% -1 -1.5 -2.5 Hình Hệ số áp suất vị trí đo áp cho trường hợp d=83mm (d/D=41,5%) h=10mm (h/D=5,0%) -2 Vị trí số nằm phần khuất gió nên vùng tách dịng phía sau mái thay đổi theo số Reynolds làm thay đổi hệ số áp suất vị trí theo qui luật Hình Vị trí số mặt đón gió, nên có hệ số áp suất lớn Hai vị trí có hệ số áp suất tương đương đối xứng qua vị trí Vị trí có hệ số áp suất gần giá trị hai vị trí Việc kết đo hai vị trí gần trùng (trong trường hợp lý tưởng, hai kết trùng tuyệt 20000 Re 40000 60000 80000 100000 0 -0.5 3.2 Ảnh hưởng chiều cao mái lên phân bố áp suất bên mái Chúng khảo sát ảnh hưởng chiều cao mái lên phân bố áp suất hai dạng: ảnh hưởng lên vị trí số ảnh hưởng lên giá trị áp suất tính trung bình cho vị trí Re 40000 60000 80000 Re 100000 20000 40000 60000 h/D=2,5% -0.5 -0.5 Cp -1 -1.5 -1.5 -1.5 -2 -2.5 a h/D=5,0% h/D=12,5% -1 -2 100000 h/D=2,5% h/D=5,0% h/D=12,5% h/D=12,5% 80000 h/D=2,5% Cp Cp 20000 -2.5 c Hình Ảnh hưởng h lên hệ số áp suất vị trí a: d=18mm, b: d=38mm, c: d=83mm h/D=5,0% -1 h/D=12,5% Cp -2 -2 b -2.5 c Hình Ảnh hưởng h lên hệ số áp suất trung bình bề mặt mái a: d=18mm, b: d=38mm, c: d=83mm Nguyễn Quốc Ý 138 Kết cho thấy ba trường hợp h, đường kính d giếng trời tăng, hệ số Cp tăng 3.3.2 Giá trị trung bình Hình cho thấy hệ số áp suất trung bình tỉ số đường kính d thay đổi ứng với ba trường hợp h Nhìn chung, hệ số áp suất trung bình bề mặt mái ba trường hợp đường kính d khơng khác biệt nhiều 20000 40000 Re 60000 80000 100000 h/D=2,5%- d/D=9,0% h/D=2,5%-d/D=19,0% h/D=2,5%-d/D=41,5% -0.5 Cp -1 -1.5 -2 -2.5 a Re 20000 40000 60000 80000 100000 h/D=5,0%-d/D=9,0% h/D=5,0%-d/D=19,0% h/D=5,0%-d/D=41,5% -0.5 -1 Cp 3.2.1 Ở vị trí đo áp Hình cho thấy thay đổi hệ số áp suất vị trí chiều cao h thay đổi cho ba trường hợp kích thước giếng trời d So sánh hệ số Cp trường hợp d cho thấy chiều cao h mái giảm, hệ số Cp giảm Điều giải thích h giảm, diện tích dịng khí bên mái giảm, vận tốc dịng khí tăng lên dẫn đến việc giảm áp suất 3.2.2 Giá trị trung bình Hình cho thấy thay đổi hệ số áp suất trung bình bề mặt mái, chiều cao thay đổi cho ba trường hợp kích thước giếng trời Tương tự Hình 5, ứng với trường hợp d, chiều cao h giảm, hệ số Cp giảm Tuy nhiên, khác biệt hệ số Cp hai trường hợp mái thấp (h/d=2,5% 5,0%) không nhiều 3.3 Ảnh hưởng kích thước giếng trời lên phân bố áp suất bên mái Để khảo sát ảnh hưởng kích thước giếng trời, kết Hình Hình thể lại theo ba tỉ số d/D cho trường hợp h/D 3.3.1 Ở vị trí đo áp Hình thể hệ số áp suất vị trí đường kính d thay đổi ứng với ba trường hợp h -1.5 Re 20000 40000 60000 80000 100000 -2 h/D=2,5%- d/D=9,0% -0.5 h/D=2,5%-d/D=19,0% Cp -1 h/D=2,5%-d/D=41,5% -2.5 b -1.5 -2 20000 Re 40000 60000 80000 100000 -2.5 -0.5 -3 Cp a Re 20000 40000 60000 80000 h/D=12,5%-d/D=9,0% h/D=12,5%-d/D=19,0% h/D=12,5%-d/D=41,5% -1 100000 -1.5 h/D=5,0%-d/D=9,0% h/D=5,0%-d/D=19,0% h/D=5,0%-d/D=41,5% -0.5 Cp -1 -2 c -1.5 Hình Ảnh hưởng d lên hệ số áp suất trung bình -2 -2.5 -3 b Re 20000 40000 60000 80000 100000 h/D=12,5%-d/D=9,0% Cp -0.5 h/D=12,5%-d/D=19,0% h/D=12,5%-d/D=41,5% -1 -1.5 -2 c Hình Ảnh hưởng d lên hệ số áp suất vị trí 3.4 Bàn luận Các kết cho thấy: - Khi chiều cao mái giảm, hệ số áp suất mái giảm theo - Khi đường kính giếng trời tăng lên, hệ số áp suất vị trí số tăng hệ số áp suất trung bình bề mặt mái không bị ảnh hưởng - Ảnh hưởng giếng trời lên áp suất vị trí nhiều chiều cao h nhỏ (xem Hình Hình 7) Để thấy rõ ảnh hưởng kích thước giếng trời, giá trị Cp vị trí Hình 7a 7b (tương ứng hai trường hợp h/D 2,5% 5,0%) thể theo tỉ số d/D Hình Để tiện so sánh, chọn Cp ba số Re lớn để thể giá trị Cp khơng phụ thuộc số Re Hình cho thấy giá trị Cp tăng d tăng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 xấp xỉ đường hồi qui tuyến tính: 𝑑 𝐶𝑝 = 0,021 − 2,79 (4) 𝐷 d/D -0.5 Cp -1 -1.5 20 40 60 Cp = 0.021*d/D - 2.79 R² = 0.87 -2 -2.5 139 áp suất vị trí thấp mái, khu vực ảnh hưởng nhiều đến khả thơng gió giếng trời Ảnh hưởng lớn chiều cao mái thấp Việc hệ số áp suất bề mặt mái tăng làm giảm hiệu thơng gió giếng trời Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khuôn khổ đề tài mã số C2014-20-12 Tác giả cám ơn ThS Hà Phương sinh viên Nguyễn Vũ Đức Minh giúp đỡ thực nghiệm -3 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Ảnh hưởng d lên hệ số áp suất vị trí cho hai trường hợp h/D=2,5% 5,0% Vị trí phần thấp mái, nên áp suất xung quanh điểm ảnh hưởng nhiều đến khả thơng gió giếng trời Do hệ số áp suất mái nhỏ khả thơng gió giếng trời tốt [6], việc tăng kích thước giếng trời làm tăng hệ số áp suất nên làm giảm khả thơng gió Kết luận Chúng tơi dùng thực nghiệm để khảo sát phân bố áp suất mái nhà có khả tạo áp suất âm để thơng gió tự nhiên cho nhà cao tầng giếng trời chiều cao mái kích thước giếng trời thay đổi Kết cho thấy việc tăng kích thước giếng trời khơng làm tăng giá trị trung bình hệ số áp suất bề mặt mái, làm tăng hệ số [1] T Lawson, Building aerodynamics, Imperial College Press, 2001 [2] T.van Hooff, B Blocken, L Aanen, B., Bronsema, “A venturishaped roof for wind-induced natural ventilation of buildings: Wind tunnel and CFD evaluation of different design configurations”, Building and Environment, 46, Elsevier, 2011, 1797-1807 [3] T.van Hooff, B Blocken, L Aanen, B., Bronsema, “Numerical analysis of the performance of a venturi-shaped roof for natural ventilation: influence of building width”, Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics, 104-106, 2012, 419-427 [4] L.C Haw, O Saadatian, M.Y Sulaiman, S Mat, K Sopian, “Empirical study of a wind-induced natural ventilation tower under hot and humid climatic conditions”, Energy and Building, Elsevier, 52, 2012, 28-38 [5] Y Q Nguyen, A D Nguyen, “An experimental study on using roof to induce underpressure for natural ventilation of dwellings”, Proceedings of the second international conference on green technology and sustainable development 2014, Oct 30, 2014, Ho Chi Minh City, Vietnam [6] H Awbi, Ventilation of Buildings, Spon Press, 2003 (BBT nhận bài: 05/03/2015, phản biện xong: 09/04/2015) ... 0 -0.5 3.2 Ảnh hưởng chiều cao mái lên phân bố áp suất bên mái Chúng khảo sát ảnh hưởng chiều cao mái lên phân bố áp suất hai dạng: ảnh hưởng lên vị trí số ảnh hưởng lên giá trị áp suất tính trung... 3.1 Phân bố áp suất bên mái Hình cho thấy hệ số áp suất 05 vị trí đo bên mái cho trường hợp thí nghiệm Tất hệ số áp suất âm áp suất bề mặt mái nhỏ áp suất tĩnh dịng khí Điều cho thấy mái tạo hiệu. .. vào ảnh hưởng kích thước giếng trời lên phân bố áp suất mái nhà Do đó, để tránh ảnh hưởng dịng khí lưu thơng từ bên mơ hình nhà qua đầu giếng trời, để đầu giếng trời hở đầu bịt kín khơng bố trí