VẬT LÝ KIẾN TRÚC - Phần 1: Môi Trường Nhiệt Ẩm pdf

Từ phương trình trên dựng đồ trạng thái không khí ẩmtrên cùng là đường bão hòa cho biết dung ẩm lớn nhất mà không khí có thể chứa được tại một nhiệt độ xác định, lượng dung ẩm này được g

PHẦN 1 MễI TRƯỜNG NHIỆT ẨM

Nhiệt năng là thuộc tính nội phân tử của vật chất Các dạng năng lượng khác

là cơ năng, hoá năng và điện năng Những dạng này có thể chuyển thành nhiệt năng

Ví dụ :

Ma sát ( cơ năng ) sinh ra nhiệt năng

Dòng điện trong tụ điện sinh ra nhiệt

Sự cháy biến hoá năng trong vật chất thành nhiệt

Nhiệt năng thường đóng vai trò trung gian trong việc tạo thành các dạng năng lượng khác Ví dụ : Điện năng được sản xuất nhờ đốt than, nhiệt năng do mặt trời cung cấp cũng là gốc của các dạng năng lượng hoá thạch trên trái đất như than, dầu chính là những rừng nguyên thuỷ sinh ra dưới ánh nắng mặt trời

2 Nhiệt độ (Temperature)

Nhiệt độ không giống như nhiệt lượng, một ngọn lửa nhỏ sẽ có nhiệt độ cao hơn

là một chậu nước sôi, song nước lại chứa nhiều nhiệt lượng hơn ngọn lửa

Có thể coi nhiệt độ là một thuộc tính của một vật quyết định sự tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt của vật đó đối với môi trường xung quanh

Nhiệt độ không tuyệt đối (F): (Do G.D Fahrenheit người phát minh ra nhiệt kế

và thuỷ ngân nêu ra vào đầu thế kỉ 18)

C

329

=

Như vậy 1BTU là nhiệt lượng cần thiết để tăng 1 pound nước lên 1 độ F

3 Nhiệt dung

Nhiệt dung (Heat Capacity ) hay còn gọi là tỷ nhiệt

Các vật liệu khác nhau có cùng 1 khối lượng có thể giữ 1 nhiệt lượng khác nhau Để tăng nước và dầu lên 1 khoảng nhiệt độ nào đấy thì nước cần nhiệt lượng hơn Như vậy nước có nhiệt dung hay tỉ nhiệt lớn hơn dầu

Nhiệt dung riêng (C) của một khối vật liệu là nhiệt lượng cần thiết để tăng 1kg vật liệu lên 1°C (1°K)

Đơn vị J/kg.K (hoặc J/kg.°C)

Tỉ nhiệt của nước cao hơn nhiều chất khác Do đó nước chính là môi trường tốt

để giữ nhiệt Nhiệt độ trên trái đất ổn định là nhờ nhiệt lượng khổng lồ trong các đại dương và chính những vùng nước bao quanh các đảo, thí dụ như xứ đảo Anh Quốc sẽ

điều hoà nhiệt độ để tránh các trạng thái cực đoan Những thiết bị trao đổi nhiệt như các ống dẫn nhiệt, nồi hơi đều dùng nước làm môi trường trung gian

Vật liệu Nhiệt dung riêng, J/kg K

Chú thích: Các giá trị sẽ khác nhau tùy loại vật liệu xây dựng (Nguồn: McMullan)

4 Nhiệt hiển và nhiệt ẩn

Để hiểu rõ đại đa số các chất biến đổi như thế nào, tốt nhất ta xem xét quá trình chuyển trạng thái của nước Hình1.1 cho thấy tác dụng cấp nhiệt liên tục cho 1 khối nước đá

Hình 1.1: Các pha của chất lỏng

Phụt khí Hoá hơi

Nhiệt hiển (Sensible Heat)

Khi vật chất tồn tại ở dạng nước đá, nước, phụt khí thì nhiệt độ tăng đều trong khi cấp nhiệt Nhiệt lượng này gọi là “nhiệt hiển” ( sensible heat) vì sự thay đổi của

nó được hiển thị trông thấy bằng sự tăng nhiệt độ trên nhiệt kế

Nhiệt hiển là nhiệt năng hấp thụ hoặc thải ra trong quá trình thay đổi nhiệt độ của vật chất

Nhiệt hiển H = m.c.∆θ

Trong đó :

H = Lượng nhiệt hiển (J)

m = Khối lượng vật chất (kg)

c = Tỉ nhiệt của chất ( J/kg.K)

∆θ= θ2 – θ1 = Sự thay đổi nhiệt độ (°C)

Ví dụ : Một lò nhiệt chứa những khối gạch có kíck thước 800 x 500 x 220 mm Khối bê tông có tỉ trọng 2400kg/m3 và tỉ nhiệt 3300J/kg.K Bỏ qua sự mất nhiệt, tính nhiệt lượng cần thiết để tăng khối bê tông này từ 15°C lên 35°C

Giải : V = 0,8.0,5.0,22 = 0,088m3

M = 2400.0,088 = 211,1kg

H = 211,2.3300 (35 – 15) = 13939200J = 13,94MJ

Nhiệt ẩn (Latent heat )

Khi vật chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác thì nhiệt độ không thay đổi, mặc dù vẫn cung cấp nhiệt Lượng nhiệt này gọi là “nhiệt ẩn” vì nó không cảm thấy được, tức là sự thay đổi của nó không được hiển thị trông thấy bằng sự tăng nhiệt độ trên nhiệt kế

Nhiệt ẩn là nhiệt năng hấp thụ hoặc thải khi vật chất thay đổi trạng thái mà không thay đổi nhiệt độ

Có 2 tên gọi của nhiệt ẩn :

Nhiệt ẩn hoá hơi (Latent heat of vaporisation)

Nhiệt ẩn hóa lỏng (Latent heat of fusion)

Chất lỏng có thể hoá hơi mà không cần cấp nhiệt bằng cách bay hơi(evaporation) chẳng hạn Nhiệt ẩn dùng cho quá trình bay hơi này được lấy từ môi trường xung quanh và tạo thành hiệu ứng làm lạnh hết sức quan trọng

Nhiệt ẩn : H = m.l

H : Lượng nhiệt ẩn (J)

m : Khối lượng vật chất

l : nhiệt ẩn riêng của sự thay đổi pha (J/kg)

Nhiệt ẩn riêng ( Specific latent heat) là số đo lượng nhiệt thu hoặc thải của chất để thay đổi trạng thái

Đơn vị J/kg

Một số nhiệt ẩn riêng :

nhiệt ẩn riêng của nước đá 335.000J/kg = 335 kJ/kg

nhiệt ẩn riêng của khí hơi (Steam) 2.260.000J/kg = 2.260 kJ/kg

5 Enthalpy

Là tổng nhiệt lượng (nhiệt hiển + nhiệt ẩn) chứa trong khối vật chất so với nhiệt độ 0°C Enthalpy còn có thể gọi là “nhiệt hàm”

Đại đa số các chất đều nở vì nhiệt và co vì lạnh Nên sự co dãn tự nhiên của cơ thể là có hạn thì sẽ xuất hiện sự cưỡng bức Các chất khác nhau đều dãn nở khác nhau và hệ số nở nhiệt dài là phép đo sự thay đổi tương đối về độ dài Sự dãn nở bề mặt (diện tích) và nở khối có thể đoán nhận qua sự dãn nở dài

Sự dãn nở của nước sẽ là mối nguy hại cho công trình xây dựng hoặc các chi tiết máy và mối nối công trình nếu không giám sát kĩ Nước mưa sẽ đóng băng và dãn nở làm mất các liên kết trong kết cấu xây dựng

*Khí :

Khí dãn nở gấp hàng trăm lần chất lỏng Sự dãn nở này không thể nhận thấy

được nếu đựng khí trong các container bởi vì áp suất sẽ tăng lên Nếu khí dãn nở trong

điều kiện áp suất cố định thì hệ số nở thể tích sẽ là 1/273 cho mỗi độ (oC) kể từ 0 oC

7.Khí và hơi :

Khí : là 1 trong 3 trạng thái của vật chất Theo lí thuyết nhiệt động thì các

phân tử khí luôn chuyển động

) A ( Diệntích

) F ( Lực )

P (

Định luật Boyle P.V =cons tant hoặc P1.V = P2.V2 (t = const)

Định luật Charle V =constant ìT ( P = const)

Định luật áp suất P = const x T (V = const)

Luật tổng quát :

2

2 2 1

1 1

T

V P T

V P hoặc t

tan cons T

V P

=

Ghi chú : Nhiệt độ tính theo °K

Định luật Dalton về áp suất riêng

Nếu 1 hỗn hợp các khí khác nhau có áp suất riêng thì sẽ có đặc điểm sau :

áp suất riêng của mỗi thành phần khí không phụ thuộc vào áp suất của các thành phần khí khác

Tổng áp suất của hỗn hợp = tổng áp suất các thành phần khí

Nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn : (dùng để so sánh các khí khác nhau)

Nhiệt độ tiêu chuẩn = 0°C = 273°K

áp suất tiêu chuẩn = 101,3kPa = 766mmHg (1 atmosphere)

Hơi là 1 thể vật chất ở trạng thái khí, nó bị hoá lỏng bằng cách nén mà không thay đổi nhiệt độ

Nhiệt độ tới hạn của 1 chất là nhiệt độ mà nếu lớn hơn nhiệt độ ấy trạng thái hơi sẽ không tồn tại Hay cũng có thể nói rằng đó là nhiệt độ kể từ đó trở lên một chất khí không thể hóa lỏng khi đơn thuần bị nén

Bảng 1.1 đưa ra một số nhiệt độ tới hạn của một số chất có liên quan tới sưởi và làm lạnh Như vậy khí phụt của tuabin (steam) sẽ là hơi ở 100 oC nhưng tại 500 oC thì

là khí

Bảng 1.1: Nhiệt độ tới hạn 1 số chất

Chất Nhiệt độ tới hạn ( oC) Oxigen (O2)

Không khí CO2 Hamonia (NH3) Nước (H2O)

-119 -141

Dioxide Carbon ( CO2) và các khí khác 1%

Khí quyển là một tập hợp các khí có trên bề mặt Trái đất Ngoài không khí ra khí quyển còn chứa một vài phần trăm hơi nước và chứa cả các chất ô nhiễm

Khí quyển gây ra một áp suất trên mặt đất phụ thuộc vào mật độ trung bình

và chiều cao của cột khí quyển áp suất tác động theo các hướng và biến đổi theo vĩ độ

và điều kiện thời tiết địa phương Trên mực nước biển nó có giá trị bằng 101,3 kPa và

-Đại lượng dung ẩm (moisture content), d có đơn vị là g/kgkkk tính bằng lượng hơi ẩm tính bằng kg hoặc g đối với 1 kg không khí khô, kg/kgkkk (kkk đọc là không khí khô )

Vì áp suất hơi ẩm tỉ lệ thuận tuyến tính với độ ẩm tuyệt đối nên hai thang sẽ

vẽ song song với nhau:

d = 622

e B

e

ư

0

(1.5) hoặc ngược lại

d

B d e

+

=622 0 (1.6) trong đó B0 là áp suất khí quyển hay còn gọi là gọi là khí áp, được lấy bằng 101,325 kPa đối với “ khí quyển tiêu chuẩn”; e- áp suất hơi ẩm, kPa; d- dung ẩm, g/kg kkk

Độ ẩm tuyệt đối bão hòa:

Không khí không thể chứa hơi nước bao nhiêu tùy ý được, mà tại một nhiệt độ cho trước, không khí chỉ có thể chứa được một lượng hơi nước tối đa nhất định mà thôi, ta gọi là không khí ở trạng thái bão hòa ( Saturaion)

Tại trạng thái này cả 3 đại lương f,e và d đều có giá trị cực đại và được gọi là Độ ẩm tuyệt đối bão hòa và được ký hiệu bằng các chữ hoa là F,E và D

Độ ẩm tương đối tốt nhất nên đo bằng ẩm kế quay tay bầu khô và bầu ướt hoặc bằng

ẩm kế cánh quạt ( Hình 1.2.) Đó là dụng cụ gồm 2 nhiệt kế Một nhiệt kế có bầu được bọc trong một miếng gạc bông thấm ướt trong một lọ nước giống như một cái bấc đèn dầu hỏa Đem quay tròn ( hoặc cánh quạt quay ) để tạo ra một sự bay hơi lớn nhất, nhiệt kế này sẽ chỉ một nhiệt độ gọi là nhiệt độ ướt (tƯ) Nhiệt kế kia sẽ đo nhiệt độ trong không khí hay còn gọi là nhiệt độ khô (tK) Chênh lệch tK - tƯ phụ thuộc vào mức hạ thấp của nhiệt kế ướt và nó cho biết độ ẩm của không khí Sự bay hơi của cái bấc

có tác dụng làm lạnh, do đó nhiệt kế ướt sẽ giảm Lượng bay hơi tỉ lệ nghịch với độ

ẩm Khi không khí ở trạng thái bão hòa thì không bay hơi được, không bị lạnh đi, thành thử tK = tƯ Nếu độ ẩm càng thấp thì sự bay hơi xảy ra càng mạnh, làm lạnh càng nhiều và nhiệt độ ướt càng giảm

II Biểu đồ trạng thái không khí ẩm (Psychrometric Chart)

Không khí là hỗn hợp của oxygen và nitrogen, song khí quyển xung quanh ta luôn ẩm vì có chứa một lượng hơi nước

Mối liên hệ giữa nhiệt độ khô t, dung ẩm d và Enthalpy (H) của không khí ẩm được xác định bằng công thức sau:

Thí dụ, (Hình 1.3) nếu đo được DBT=29 oC và WBT=23 oC và

hai đường này sẽ cắt nhau trên đường cong

AH đúng bằng 15 g/kg

Enthalpy (H) là nhiệt lượng của không khí lấy đối với 0 oC và độ ẩm bằng 0 Nó

được đo bằng kJ/kg, tức là nhiệt lượng của 1 kg không khí

hiển (HS) cần thiết để tăng nhiệt độ khô ( xấp xỉ 1,005 kJ/kg.K) và nhiệt ẩn, ( HL) là lượng nhiệt cần để làm cho nước bay hơi tạo thành dung ẩm của không khí Bởi vì những đường Enthalpy=constant trùng với các đường WBT ( thật r

toàn trùng hẳn ), nên để tránh lẫn lộn, chúng được đánh dấu bằng những thang kép phía ở khác, nằm ngoài vùng biểu đồ và được vẽ bằng những đoạn thẳng ( Hình 1

H =0,24 +(597,3+0,43 ).khi H tính theo kcal/kg.kkk, hoặc

d t t

H =1,005 +(2500+1,88.).khi H tính theo kJ/kg.kkktrong đó: 0,24 kcal/kg.oC=1,005 kJ/kg.oC là tỷ nhiệt của không khí khô; 597,3 kcal/kg =2500 kJ/kg là nhiệt ẩn hóa hơi

nhiệt độ, oC Nếu chọn d theo g/kg kkk thì phải đổi ra kg tức là chia cho 1000 )

Từ phương trình trên dựng

đồ trạng thái không khí ẩmtrên cùng là đường bão hòa cho biết dung ẩm lớn nhất mà không khí có thể chứa được tại một nhiệt độ xác định, lượng dung ẩm này

được gọi là độ ẩm tuyệt đối bão hòa, ký hiệu là

D Mỗi tung độ có thể chia nhỏ và đường cong

nối các điểm này là đường độ ẩm tương đối tính theo %, tức là tỉ số phần trăm của độ ẩm bão hòa

Ví dụ, ( dựa theo Hình 1

một biểu đồ t-d) tại 25 oC độ ẩm tuyệt đối bão hòa bằng 20g/kg Chia đôi tung độ này ta sẽ

được 10 g/kg đó là một nửa của độ ẩm tuyệt đối bão hòa hay ϕ=50%

Nếu e=2 kPa, d=(622 x 2)/(101,325 12,5 g/kg ( xem hình 1.3 )

Độ dốc của đường tƯ trên biểu đồ nhiệt ẩm trùng với nhiệt độ khô ở trên đường bão hòa Khi tiến hành đo, giao điểm của đường DBT

và WBT được đánh dấu trên biểu đồ; nó sẽ

được xem như là một điểm trạng thái, điểm này cho biết cả hai giá trị RH ( nội suy giữa các đường cong RH) và giá trị AH ( đọc ở trên trục tung ở bên phải )

) nếu đo được DBT=29 oC và WBT=23 oC và hai đường này sẽ cắt nhau trên đường cong ϕ = 60%, còn trên trục tung sẽ đọc được

Enthalpy (H) là nhiệt lượng của không khí lấy đối với 0 oC và độ ẩm bằng 0 Nó

được đo bằng kJ/kg, tức là nhiệt lượng của 1 kg không khí Nó có 2 thành phần: nhiệt hiển (HS) cần thiết để tăng nhiệt độ khô ( xấp xỉ 1,005 kJ/kg.K) và nhiệt ẩn, ( HL) là lượng nhiệt cần để làm cho nước bay hơi tạo thành dung ẩm của không khí Bởi vì những đường Enthalpy=constant trùng với các đường WBT ( thật r

toàn trùng hẳn ), nên để tránh lẫn lộn, chúng được đánh dấu bằng những thang kép phía ở khác, nằm ngoài vùng biểu đồ và được vẽ bằng những đoạn thẳng ( Hình 1

Hình 1.2 Nguyên lí ẩm kế

cánh quạt ( Asman) và ẩm kế

(1.2) khi H tính theo kcal/kg.kkk, hoặc

(1.3) kJ/kg.kkk

cal/kg.oC=1,005 kJ/kg.oC là tỷ nhiệt của không khí khô; 597,3 kcal/kg =2500 kJ/kg là nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở 0oC, t-

Nếu chọn d theo g/kg kkk thì phải đổi ra kg tức là chia cho 1000 )

Từ phương trình trên dựng được biểu

đồ trạng thái không khí ẩm (Hình 1.3) Đường trên cùng là đường bão hòa cho biết dung ẩm lớn nhất mà không khí có thể chứa được tại một nhiệt độ xác định, lượng dung ẩm này

được gọi là độ ẩm tuyệt đối bão hòa, ký hiệu là

ia nhỏ và đường cong nối các điểm này là đường độ ẩm tương đối

số phần trăm của độ ẩm

Ví dụ, ( dựa theo Hình 1.3 vẽ đầy đủ

C độ ẩm tuyệt đối bão hòa bằng 20g/kg Chia đôi tung độ này ta sẽ

/kg đó là một nửa của độ ẩm tuyệt đối

Nếu e=2 kPa, d=(622 x 2)/(101,325 - 2)=

) trên biểu đồ nhiệt ẩm trùng với nhiệt độ khô ở trên đường bão hòa Khi tiến hành đo, giao điểm của đường DBT

và WBT được đánh dấu trên biểu đồ; nó sẽ

được xem như là một điểm trạng thái, điểm này cho biết cả hai giá trị RH ( nội suy giữa các đường cong RH) và giá trị AH ( đọc ở trên

) nếu đo được DBT=29 oC và WBT=23 oC và đem đánh dấu,

= 60%, còn trên trục tung sẽ đọc được

Enthalpy (H) là nhiệt lượng của không khí lấy đối với 0 oC và độ ẩm bằng 0 Nó

Nó có 2 thành phần: nhiệt hiển (HS) cần thiết để tăng nhiệt độ khô ( xấp xỉ 1,005 kJ/kg.K) và nhiệt ẩn, ( HL) là lượng nhiệt cần để làm cho nước bay hơi tạo thành dung ẩm của không khí Bởi vì những đường Enthalpy=constant trùng với các đường WBT ( thật ra là không hoàn toàn trùng hẳn ), nên để tránh lẫn lộn, chúng được đánh dấu bằng những thang kép phía ở khác, nằm ngoài vùng biểu đồ và được vẽ bằng những đoạn thẳng ( Hình 1.3 )

Nếu Enthalpy là một đoạn thẳng chéo kể từ điểm 0

thì thành phần nằm ngang chính là H

Thể tích riêng v của không khí ở trạng thái bất kỳ được biểu diễn trên biểu đồ

bằng một tập hợp những đường dốc ( Hình 1

tích của không khí lấy đối với 1 kg

là m3/kgd.a Đó cũng chính là nghịch đảo của tỉ trọng, kg d.a./m

Hình 1.3 Biểu đồ trạng thái nhiệt ẩm của không khí

1.3.Các quá trình nhiệt ẩm:

Trạng thái của không khí được xác định bằng một điểm trên biểu đồ nhiệt ẩm Nếu biết 2 thông số bất kỳ trong 6 thông số ( DBT, DWT, AH, RH, H và

toàn có thể dựa vào biểu đồ xác định được các thông số còn lại Các quá trình nhiệt

ẩm, tức là các quá trình thay đổi trạng thái không khí, được biểu diễn bằng sự dịch chuyển của điểm trạng thái trên biểu đồ

Nếu Enthalpy là một đoạn thẳng chéo kể từ điểm 0 oC và RH=0 tới điểm trạng

thì thành phần nằm ngang chính là HS và đứng là HL

của không khí ở trạng thái bất kỳ được biểu diễn trên biểu đồ bằng một tập hợp những đường dốc ( Hình 1.3 ) Đại lượng này được tính bằng thể tích của không khí lấy đối với 1 kg không khí khô ( tại áp suất chuẩn), có thứ nguyên /kgd.a Đó cũng chính là nghịch đảo của tỉ trọng, kg d.a./m3

Biểu đồ trạng thái nhiệt ẩm của không khí

1.3.Các quá trình nhiệt ẩm:

Trạng thái của không khí được xác định bằng một điểm trên biểu đồ nhiệt ẩm Nếu biết 2 thông số bất kỳ trong 6 thông số ( DBT, DWT, AH, RH, H và

toàn có thể dựa vào biểu đồ xác định được các thông số còn lại Các quá trình nhiệt

quá trình thay đổi trạng thái không khí, được biểu diễn bằng sự dịch chuyển của điểm trạng thái trên biểu đồ

C và RH=0 tới điểm trạng thái,

của không khí ở trạng thái bất kỳ được biểu diễn trên biểu đồ

) Đại lượng này được tính bằng thể không khí khô ( tại áp suất chuẩn), có thứ nguyên

Biểu đồ trạng thái nhiệt ẩm của không khí

Trạng thái của không khí được xác định bằng một điểm trên biểu đồ nhiệt ẩm

Nếu biết 2 thông số bất kỳ trong 6 thông số ( DBT, DWT, AH, RH, H và v) thì hoàn

toàn có thể dựa vào biểu đồ xác định được các thông số còn lại Các quá trình nhiệt

quá trình thay đổi trạng thái không khí, được biểu diễn bằng sự dịch

Quá trình sưởi và làm mát

diễn bằng sự dịch chuyển điểm trạng thái theo chiều ngang sang phải Trong khi DBT tăng thì dung ẩm không thay đổi, còn độ ẩm tương đối giảm

Quá trình làm lạnh sẽ giảm DBT, điểm trạng thái sẽ dịch chuyển theo chiều ngang

về bên trái Quá trình này làm tăng RH, nhưng AH không thay đổi

Quá trình làm mát khử ẩm

làm lạnh tiếp tục dịch chuyển điểm trạng thái về phía bên trái đạt đến đường bão hòa thì sẽ bắt đầu xảy ra quá trình ngưng tụ

Tại giao điểm của đường ngang với đường bão hòa có thể đọc được

điểm sương ( Dew Point Temperature

trên nó là khoảng 20,5 oC Tại điểm này, RH sẽ bằng 100% Nếu không khí tiếp tục

được làm lạnh xuống dưới điểm này thì sẽ bắt đầu xảy ra sự ngưng tụ ẩm, sương mù bắt đầu xuất hiện Dưới điểm sương, điểm trạng thái sẽ đi dọc đường bão hòa và độ

ẩm tuyệt đối giảm theo đường thẳng đứng và sẽ xảy ra ngưng tụ

Tiếp tục ví dụ trên, không khí ở 29 oC có dung ẩm 15,2 g/kg ( RH= 60%) có

điểm sương tại 20,5 oC, nếu nó tiếp tục được làm lạnh xuống 15 oC thì tại điểm này (

đã bão hòa) AH sẽ bằng 10,5 g/kg, như vậy sự chênh lệch 15,2

lượng hơi ẩm được ngưng tụ dưới dạng chất lỏng ( Hình 1.10 )

Làm mát bốc hơi: Phun ẩm( Evaporative Cooli

trình bay hơi ẩm vào một khối lượng không khí theo một quá trình đoạn nhiệt nếu không có sự bổ sung hoặc mất nhiệt lượng Quá trình này làm giảm DBT nhưng lại

Hình 1.9 Làm mát và sưởi

Sự di chuyển của điểm trạng thái

Hình 1.11 Làm mát bốc hơi

Quá trình sưởi và làm mát (Heating and Cooling) : Quá trình sưởi được biểu

diễn bằng sự dịch chuyển điểm trạng thái theo chiều ngang sang phải Trong khi DBT tăng thì dung ẩm không thay đổi, còn độ ẩm tương đối giảm

Quá trình làm lạnh sẽ giảm DBT, điểm trạng thái sẽ dịch chuyển theo chiều ngang

về bên trái Quá trình này làm tăng RH, nhưng AH không thay đổi

Quá trình làm mát khử ẩm - làm lạnh khô( Dehumdification):

c dịch chuyển điểm trạng thái về phía bên trái đạt đến đường bão hòa thì sẽ bắt đầu xảy ra quá trình ngưng tụ

Tại giao điểm của đường ngang với đường bão hòa có thể đọc được

Dew Point Temperature- DPT ) ứng với AH cho trước Trong ví

trên nó là khoảng 20,5 oC Tại điểm này, RH sẽ bằng 100% Nếu không khí tiếp tục

được làm lạnh xuống dưới điểm này thì sẽ bắt đầu xảy ra sự ngưng tụ ẩm, sương mù bắt đầu xuất hiện Dưới điểm sương, điểm trạng thái sẽ đi dọc đường bão hòa và độ uyệt đối giảm theo đường thẳng đứng và sẽ xảy ra ngưng tụ

Tiếp tục ví dụ trên, không khí ở 29 oC có dung ẩm 15,2 g/kg ( RH= 60%) có

oC, nếu nó tiếp tục được làm lạnh xuống 15 oC thì tại điểm này (

đã bão hòa) AH sẽ bằng 10,5 g/kg, như vậy sự chênh lệch 15,2-10,5=4,7 g/kg chính là lượng hơi ẩm được ngưng tụ dưới dạng chất lỏng ( Hình 1.10 )

Làm mát bốc hơi: Phun ẩm( Evaporative Cooling: Humidification

trình bay hơi ẩm vào một khối lượng không khí theo một quá trình đoạn nhiệt nếu không có sự bổ sung hoặc mất nhiệt lượng Quá trình này làm giảm DBT nhưng lại

Sự di chuyển của điểm trạng thái

Hình 1.11 Làm mát bốc hơi Hình 1.12 Khử ẩm đoạn nhiệt

Quá trình sưởi được biểu diễn bằng sự dịch chuyển điểm trạng thái theo chiều ngang sang phải Trong khi DBT tăng thì dung ẩm không thay đổi, còn độ ẩm tương đối giảm xuống ( Hình 1.9 ) Quá trình làm lạnh sẽ giảm DBT, điểm trạng thái sẽ dịch chuyển theo chiều ngang

về bên trái Quá trình này làm tăng RH, nhưng AH không thay đổi

làm lạnh khô( Dehumdification): Nếu quá trình

c dịch chuyển điểm trạng thái về phía bên trái đạt đến đường bão hòa

Tại giao điểm của đường ngang với đường bão hòa có thể đọc được nhiệt độ

DPT ) ứng với AH cho trước Trong ví dụ nói trên nó là khoảng 20,5 oC Tại điểm này, RH sẽ bằng 100% Nếu không khí tiếp tục

được làm lạnh xuống dưới điểm này thì sẽ bắt đầu xảy ra sự ngưng tụ ẩm, sương mù bắt đầu xuất hiện Dưới điểm sương, điểm trạng thái sẽ đi dọc đường bão hòa và độ uyệt đối giảm theo đường thẳng đứng và sẽ xảy ra ngưng tụ

Tiếp tục ví dụ trên, không khí ở 29 oC có dung ẩm 15,2 g/kg ( RH= 60%) có

oC, nếu nó tiếp tục được làm lạnh xuống 15 oC thì tại điểm này (

Quá trình khử ẩm đoạn nhiệt ( Adiabatic Dehumidification) xảy ra khi không

khí đi qua một số hóa chất hấp thụ ( chất rắn, như silicagel, hoặc chất lỏng như phun glycol – glycol spray), quá trình này khử bớt một số lượng ẩm ( bằng cách hấp thụ hoặc bám dính- adsorption) Quá trình này sẽ tỏa nhiệt, thành thử DBT sẽ tăng, trong khi độ ẩm ( cả AH lẫn RH) lại giảm đi (Hình 1.12)

Hình 1.13 Quá trình trộn khí Quá trình trộn khí ( Mixing process ): Nếu có hai dòng khí với lưu lượng khối

•

A

m và m , nhiệt độ khô t•B A và tB , Enthalpy HA và HB trộn vào với nhau thì, dựa vào hình vẽ (Hình 1.13) và áp dụng quy tắc tam giác đồng dạng, có thể dễ dàng tìm được các biểu thức sau:

C B A B B A

m• + • = • + • (1-7)

C B A B A B

B B A A C

m m

t m t m

B B A A C

m m

H m H m

Để xác định tC HC và cả dC nữa cũng có thể dùng cách sau: trên biểu đồ t-d nối 2

điểm trạng thái bằng một đường thẳng, sau đó chia đoạn thẳng theo tỷ lệ nghịch với

•

A

m và m , tức là điểm C nằm trên đường thẳng AB chia AB thành 2 đoạn tỉ lệ •B

nghịch với khối lượng không khí khô của 2 trạng thái A và B, tức là:

A

B

m

m CB

CA

•

•

= (1.11)

Bài tập: Một dòng khí ẩm có lưu lượng 30 m3/min ( 30 m3 trong 1 phút), nhiệt

độ khô DBT=15 oC và nhiệt độ ướt WBT= 12 oC được hòa trộn với một dòng khí ẩm khác có lưu lượng 12 m3/min, nhiệt độ khô DBT=35 oC và nhiệt độ ướt WBT= 27 oC Hãy xác định các thông số nhiệt ẩm của hỗn hợp khí bằng cách áp dụng biểu đồ t-d

Giải: Tra trên biểu đồ t-d tìm thấy không khí ở trạng thái A có: tK,A=15 oC,

tƯ,A=12 oC, RH=70%, dA=7,5 g/kg , HA=34 kJ/kg, vA=0,825 m3/kg d.a; không khí ở trạng thái B có tK,B=35 oC, tƯ,B=27 oC, RH=54%, dB=19,5 g/kg , HB=86 kJ/kg, vB=0,900 m3/kg d.a

Khối lượng không khí khô của trạng thái A bằng:

35.3333,1315.3636,36

=+

+

=

3333,133636,36

5,19.3333,135,7.3636,36

a kgd

86.3333,1334.3636,36

=+

+

=Trên biểu đồ t-d điểm trạng thái C sẽ nằm gần đường RH=72 %, do đó ϕC=73 %

Chương I1

Khí hậu

I Mặt trời và bức xạ mặt trời

1 Trái đất quay quanh Mặt trời

Mặt trời là một khối không khí nóng khổng lồ, có nhiệt độ bề mặt khoảng

6000oK, liên tục phát năng lượng nhiệt ra xung quanh dưới dạng tia bức xạ và truyền

đi bốn phương dưới dạng sóng điện từ Trái đất chúng ta chỉ nhận được khoảng 1/2.200.000.000 tổng lượng bức xạ mặt trời Sở dĩ mặt trời có nguồn năng lượng lớn như vậy là vì ở đó có quá trình phản ứng nhiệt hạch liên tục từ nguyên tử hyđrô biến thành nguyên tử hêli

Trong thái dương hệ, mặt trời là hệ đứng yên Trái đất quay xung quanh mặt trời một năm được một vòng và nó tự quay quanh mình nó một vòng trong một ngày

Đông chí

Hình 2.1 Quy luật chuyển động của trái đất quay xung quanh mặt trời

Khi trái đất ở vị trí B, tia mặt trời chiếu song song với mặt phẳng xích đạo (δ = 0), đêm ngày dài bằng nhau, ta gọi là ngày Thu phân (23/IX)

Khi trái đất ở vị trí C, tia mặt trời chiếu lệch về phía nam mặt phẳng xích đạo một góc δ = -23o27’, trong ngày này, ở Bắc Bán cầu năng lượng bức xạ chiếu trên đơn

vị diện tích bề mặt sẽ nhỏ nhất và đêm dài, ngày ngắn, đó là ngày Đông chí (22/XII), ở Nam Bán cầu, ngược lại, là ngày Hạ chí

Khi trái đất ở vị trí D, tia mặt trời lại chiếu song song với mặt phẳng xích đạo, (δ = 0), ngày đêm dài bằng nhau, đó là ngày Xuân phân (21/III) Trong các ngày khác trong năm góc giữa tia chiếu của bức xạ mặt trời và mặt phẳng xích đạo thay đổi từ δ

= 23o27’ đến – 23o27’

2 Chuyển động biểu kiến của mặt trời

Theo định luật chuyển động tương đối, chúng ta có thể xem như trong một ngày đêm, mặt trời quay một vòng tròn quanh trái đất

Đứng ở điểm A trên mặt đất có vĩ độ ϕ quan sát mặt trời chuyển động, ta thấy như sau (hình 1.2): trong một ngày mặt trời chuyển động trên một vòng tròn phẳng, khi mặt trời ở trên mặt phẳng chân trời là ban ngày và khi xuống thấp dưới chân trời

~22/6 Hạ Chí

~22/6

Đông Chí

~22/3 và 23/9 Xuân, Thu phân

~22/6 Hạ Chí

~22/6

Đông Chí

~22/3 và 23/9 Xuân, Thu phân

A

B

C

D

Hình 2.2- Hình chiếu của quỹ đạo biểu kiến trên mặt phẳng chân trời

Trên hình 2.2 : 3 đường chuyển động biểu kiến của mặt trời trong ngày Hạ chí ngày Xuân phân, Thu phân và ngày đông chí

Ta coi mặt trời chuyển động đều trong một ngày đêm và như vậy cứ một giờ mặt trời đi được một cung bằng

= Vào ngày Xuân phân (21/III) và Thu phân (23/IX), mặt trời mọc ở đúng hướng

Đông và lúc 6 giờ sáng (giờ trung bình mặt trời) và vào lúc 18 giờ chiều thì lặn ở đúng hướng Tây Trong các ngày khác, mặt phẳng chuyển động của mặt trời dịch chuyển dần về phía Bắc (từ 21III đến 23/IX), hoặc về Nam (từ 23/IX đến 21/III) Tại các địa

điểm ở Bắc Bán cầu thì từ 21/III đến 23/IX ngày dài hơn đêm, từ 23/IX đến 21/III,

đêm dài hơn ngày Tại các điểm ở Nam Bán cầu thì ngược lại Tại các điểm trên đường xích đạo ngày và đêm luôn luôn bằng nhau và bằng 12 giờ ở Bắc cực và Nam cực, trong một năm có 6 tháng ngày liền và 6 tháng đêm liền

Vị trí của mặt trời trên bầu trời vào một thời điển bất kì được xác định bằng hai toạ độ cầu là góc độ cao “h” và góc phương vị “A” (hình 2.3)

Hình 2.3 Tọa độ mặt trời từ vị trí quan sát

Từ các công thức quan hệ trong tam giác cầu “vĩ độ ϕ, xích vĩ δ và góc thời gian Z” có thể tính được hai toạ độ đó bằng các công thức sau:

Sinh
= sinδ.sinϕ + cosδ.cosϕ.cosZ (2.1)

Θ

h cos

sinZ cos δ

A sin (2.2)

hay

ϕ

δ ϕ

cos h cos

h
– góc độ cao mặt trời (góc giữa tia mặt trời với mặt phẳng chân trời);

ϕ - vĩ độ của địa điểm quan sát;

A
– góc phương vị của mặt trời (góc hợp bởi hình chiếu của tia mặt trời xuống mặt phẳng chân trời với phương Nam chọn làm gốc có A
=0o);

Z – góc giờ, tính như sau: lúc 12 giờ (giờ trung bình mặt trời) thì Z = 0, cứ trước hay sau đó một giờ lấy Z = 15o Ví dụ lúc 14 giờ 20’

o o

3

1 15

sin '

- Góc phương vị của mặt trời khi mọc (hay lặn): từ công thức (1.3a), cho h = 0,

ta có:

ϕ

δ

cos sin

- Giờ mặt trời mọc hay lặn: từ công thức tính giờ trung bình của mặt trời, khi

đã biết độ cao mặt trời là

ϕ δ

ϕ δ

cos cos

sin - h

cos Z = , cho h
= 0 ta sẽ đ−ợc công thức tính giờ mặt trời mọc hay lặn

Hình 2.4- Biểu đồ quỹ đạo chuyền động biểu kiến của mặt trời ( biểu đồ mặt trời)

tại Hà Nội

Bảng 2.1: Tọa độ mặt trời (h

Giờ

Xuân, Thu phân h

Hình 2.5- Quỹ đạo biểu kiến của mặt trời tại hai vòng bắc cực và nam cực

Tại những địa phương nằm gần các vòng bắc cực hay nam cực ( như Peterburg chẳng hạn ), ban ngày mùa đông rất ngắn thậm chí bằng 0 giờ, còn ban ngày mùa hè rất dài có thể tới 24 giờ Tại những địa phương này, những ngày gần hạ chí thường gọi là những đêm trắng.( Hình 2.5) Khác với Hà Nội, tại những địa phương này mặt trời không bao giờ đi qua đỉnh đầu, vì vậy trong các công trình xây dựng có thể lấy ánh sáng bằng các cửa kiểu giếng trời mà không bị nắng chiếu vào nhà

St-3.Bức xạ mặt trời

Quang phổ bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất có bước sóng λ = 0,17

đến 4àm, với năng lượng bức xạ tập trung trong khoảng bước sóng từ 0,4

đến 1àm (1àm = 10-6m) trong đó 50% năng lượng bức xạ nằm trong vùng tia nhìn thấy (ánh sáng) (λ = 0,38 ≈ 0,76àm), 43% nằm trong phần hồng ngoại (λ > 0,76àm) và 7% trong phần

tử ngoại (λ < 0,38àm)

ở ngoài khí quyển, bức xạ mặt trời cực đại ở bước sóng λ = 0,47àm (nằm giữa màu xanh biếc và màu da cam) Quang phổ bức xạ ở gần mặt đất được giới hạn trong phạm vi bước sóng λ = 0,29 ≈ 4,0àm và cực đại ở bước sóng λ = 0,56àm (màu da cam)

Hình 2.6- Bức xạ mặt trời trực tiếp khuếch

tán và tổng cộng

Năng lượng bức xạ mặt trời được đo bằng đơn vị calo hay Watt Số nhiệt lượng

mà một đơn vị bề mặt thẳng góc với tia mặt trời nhận được trong một đơn vị thời gian gọi là cường độ bức xạ mặt trời (đo bằng W/m2 hay calo/cm2.phút)

Bức xạ mật trời xuyên qua tầng khí quyển sẽ bị hấp thụ một phần do các hạt nước, bụi, khói, khí CO2, ôzôn, và các phần tử không khí, một phần bị mây phản xạ và phần lớn còn lại sẽ chiếu xuống mặt đất

Sau khi hấp thụ bức xạ mặt trời, khí quyển nóng lên và trở thành vật bức xạ phát nhiệt xuống mặt đất, lượng nhiệt này cùng với phần bức xạ mặt trời bị khí quyển khuyếch tán chiếu xuống trái đất, gọi là bức xạ khuyếch tán (tán xạ)

Do đó tổng lượng bức xạ mặt trời (J) chiếu xuống đến mặt đất gồm 2 thành phần: trực xạ (S) và tán xạ (D)

J = S + D (2.6)

b Trực xạ

Trực xạ là bức xạ mặt trời do các tia nắng xuyên qua khí quyển chiếu trực tiếp xuống mặt đất sinh ra Khi xuyên qua khí quyển một phần năng lượng của tia bức xạ mặt trời bị khuyếch tán và hút mất, nên cường độ của nó giảm đi Sở dĩ có hiện tượng này là vì khí quyển thường không trong suốt Đặc trưng cho tính chất đó của khí quyển người ta dùng hệ số trong suốt p Không khí càng ẩm, trời càng âm u thì hệ số

p càng nhỏ ở đồng bằng Bắc bộ vào mùa xuân (tháng II – IV) có p ~ 0,6 [22], mùa

Đông (tháng XI năm trước đến tháng I năm sau) có p = 0,75, còn vào mùa Hè và mùa Thu trị số p xấp xỉ bằng 0,7 Hệ số trong suốt của khí quyển ở miền núi, trung du lớn hơn ở vùng đồng bằng Bầu trời thị trấn Sa Pa có p = 0,8 ở các thành phố công nghiệp, do không khí có nhiều bụi khói nên hệ số p thường nhỏ hơn ở nông thôn

Gọi S⊥ là trực xạ chiếu lên mặt phẳng thẳng góc với tia mặt trời Trị số S⊥ phụ thuộc góc cao mặt trời và độ trong suốt của khí quyển có thể tính theo công thức hoặc lấy theo số liệu đo tại Trạm Khí tượng:

Trực xạ chiếu lên các mặt phẳng bất kỳ bao giờ cũng bằng trị số S⊥ nhân với cosin của góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng ấy và hướng của tia nắng

Sθ i = S⊥ cos(θi) (2.9) trong đó θi - là góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng và hướng của tia nắng Trường hợp tổng quát tính cho mặt phẳng nghiêng một góc β so với mặt ngang, dựa theo các công thức giải tam giác cầu dễ dàng tìm được cos(θi) là :

cos(θi) = cos h
.cos(A
- a) sinβ + sin h
.cosβ (2.10) β- góc nghiêng của mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng ngang

Sđg=S⊥ cos h
.cos(A
- a) (2.12) Mặt tường hướng Nam có a = 0 nên:

Sn =S⊥ cos h
.cos A
(2.13) Mặt tường hướng Bắc có a = 180o nên:

Mặt tường hướng Đông có a = 90o nên:

Sđ= S⊥ cos h
.sin A
(2.15) Mặt tường hướng Tây có a = 270o nên:

St = S⊥ cos h

.sin A

Trong khi tính toán theo công thức (2.12) cần chú ý rằng khi (A O - a) >

90 O ,thì giá trị cos (A O - a) sẽ âm, do đó thành phần trực xạ lúc này sẽ mang giá trị âm, Trong trường hợp này phải coi trực xạ bằng zero vì tia nắng mặt trời không chiếu vào mặt tường mà chiếu vào phía sau

c.Tán xạ

Tán xạ (bức xạ khuếch tán) chính là bức xạ từ bầu trời chiếu xuống Trong điều kiện có mây, tán xạ thường tăng lên rất nhiều so với khi trời quang mây Cường độ tán xạ khi trời có mây phụ thuộc lượng mây và dạng mây (mây tầng thấp, mây tầng trung, mây tầng cao) ở nước ta, khí hậu ẩm ướt, tán xạ lớn hơn ở các nước nóng khô

Tán xạ trên mặt phẳng nghiêng làm với mặt phẳng ngang một góc β được xác

định gần đúng như sau:

2

)cos1

N

n , cos , Q

Q

S

52029

n- tổng số giờ nắng trong tháng, giờ

N – tổng số giờ nắng khả dĩ trong ngày, giờ

15

2 ar cos( tg tg )

=Trong thực hành tính toán có thể lấy tổng số giờ nắng trong tháng theo các tài liệu khí hậu (QCXDVN 02 : 2008/BXD- Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng) Dưới đây là giá trị tính toán ttổng xạ theo công thức (2.18 )cho Hà Nội, Đà Nẵng và Sài Gòn

Bảng Bức xạ tổng xạ tính toán cho Hà Nội

L = Θ (2.20) Hướng đổ sẽ đối diện với phương vị của mặt trời, tức là nằm trên cạnh thứ hai của góc (180o+A

)

II Các yếu tố khí hậu khác

1 Gió:

Là sự vận động của không khí từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp nghiã là

từ nơi nhiệt độ thấp đến nơi nhiệt độ cao Như vậy bản chất của gió là: Gió thổi từ nơi

áp suất cao đến nơi áp suất thấp và gió thổi từ nơi nhiệt độ thấp đến nơi nhiệt độ cao

Có thể giải thích bản chất nói trên của gió dựa theo công thức tính mật độ không khí:

h

Đông a=90o

Nam a=0

P

P’

T

Tây a=270o

Bắc a=180o

o t

+ Gió mùa: Thổi theo mùa, có tính chất toàn cầu

Mùa đông: Gió thổi từ : - Bắc bán cầu xuống

- Lục địa ra biển

Mùa hè: Gió thổi từ: - Nam bán cầu lên

- Biển vào lục địa

+ Gió địa phương: Thổi trong những ngày thời tiết ổn định theo ngày và

đêm, do ảnh hưởng của địa hình, bao gồm:

- Gió núi và thung lũng:

Ngày: Gió thổi từ thung lũng lên đỉnh núi.( vì đỉnh núi bị mặt trời đốt nóng hơn dưới thung lũng )

Đêm: Gió thổi từ đỉnh núi xuống ( vì bề mặt đỉnh núi cao nguội nhanh hơn dưới thung lũng )

Hình 2.10- Mô tả Gió núi và thung

Đêm: Gió thổi từ đất liền ra biển.( vì mặt biển giữ nóng lâu hơn đất liền làm khí nóng bốc lên kéo khi lạnh từ đất liền ra)

- Gió phơn nóng khô: Xảy ra khi gió vượt núi cao không khí bị giãn nở lạnh

đoạn nhiệt, nhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt độ điểm sương khiến hơi nước ngưng tụ thành mưa mất nước ( Độ ẩm tuyệt đối e giảm) Càng lên cao càng mưa nhiều Sang sườn bên không khí bị nén nóng lên ( độ ẩm tuyệt đối bão hòa E tăng) khiến

a) Hoa gió biểu thị đơn thuần tần suất

b) Hoa gió biểu thị cả tần suất và tốc độ Trong đó, độ dài của tia biểu thị tần suất hướng gió (1mm = 2%)

-Cơn dông:

Là cơn gió lớn, thổi đột ngột trong thời gian rất ngắn Khi có dông thường kèm theo mưa rào, gió giật, sét, vòi rồng, mưa đá Sức gió trong vòi rồng rất mạnh có khi tới 400km/h Thống kê lượng dông bão bằng ngày ngày dông/năm hoặc mùa

1,71 2,97 9,81

36,21

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Bac

Dong Bac

Dong

Dong Nam Tay Nam

Tay Tay Bac

13

Hình: 2.14 Hoa gió biểu thị cả tần suất và tốc độ

Thang gió Beaufort :

Thang đo này được sĩ quan hải quân người Ailen là Sir Francis Beaufort nêu ra khoảng năm 1805 Mặc dù là kém chính xác nhưng lại được dùng rấ rộng r;i trong thực tế

Chuyển động của gió thấy được trong khói

2 5 / 9 / 6 Phe phẩy 0,2 Sóng lăn tăn Cảm thấy gió trên da

trần Tiếng lá xào xạc

3 9 / 17 / 11 Gió nhẹ 0,6 Sóng lăn tăn lớn Lá và cọng nhỏ chuyển động theo gió

4 13 / 24 / 15 Gió vừa phải 1 Sóng nhỏ

Bụi và giấy rời bay lên Những cành cây nhỏ chuyển động

5 19 / 35 / 22 Gió mạnh 2

Sóng dài vừa phải (1,2 m) Có một chút bọt và bụi nước

Cây nhỏ đu đưa

6 24 / 44 / 27 Gió rất mạnh 3 Sóng lớn với chỏm bọt và bụi nước Cành lớn chuyển động Sử dụng ô khó khăn

7 30 / 56 / 35 Gió to 4 Biển cuộn sóng và bọt

bắt đầu có vệt

Cây to chuyển động Phải có sự gắng sức khi

đi ngược gió

8 37 / 68 / 42 Gió khá to 5,5

Sóng cao vừa phải với ngọn sóng gẫy tạo ra nhiều bụi Các vệt bọt nước

Cành nhỏ gẫy khỏi cây

9 44 / 81 / 50 Gió rất to 7

Sóng cao (2,75 m) với nhiều bọt hơn Ngọn sóng bắt đầu cuộn lại

Nhiều bụi nước

Một số công trình xây dựng bị hư hại nhỏ

15%

10 52 / 96 / 60 Gió bão 9

Sóng rất cao Mặt biển trắng xóa và xô mạnh vào bờ Tầm nhìn bị giảm

Cây bật gốc Một số công trình xây dựng hư hại vừa phải

11 60 / 111 / 69 Gió bão dữ dội 11,5 Sóng cực cao Nhiều công trình xây dựng hư hỏng

12 64 / 118 / 73 và cao hơn Gió bão cực mạnh 14+

Các con sóng khổng lồ

Không gian bị bao phủ bởi bọt và bụi nước

Biển hoàn toàn trắng với các bụi nước Nhìn gần cũng không rõ

Nhiều công trình hư hỏng nặng

Thang đo sức gió Beaufort được sử dụng để phục vụ cho công tác dự báo thời tiết

Ngày nay, thang Beaufort được nới thêm 4 cấp để ấn định bão có sức gió trên

117 km/h dựa theo thang bão Saffir-Simpson vẫn được dùng để ấn định cấp bão ở #ại Tây Dương

- Cấp 13 có sức gió 118-153 km/h (tương đương với cấp 1 của thang bão Simpson),

- Cấp 14 có sức gió 154-177 km/h (tương đương với cấp 2 của thang bão Saffir-Simpson),

- Cấp 15 có sức gió 178-209 km/h (tương đương với cấp 3 của thang bão Saffir-Simpson),

Saffir Và cấp 16 có sức gió 210Saffir 249 km/h (tương đương với cấp 4 của thang bão Saffir-Simpson)

Tại Việt Nam, do hầu như không có bão mạnh đến mức cần sử dụng thang bão Saffir-Simpson (lí do là các cơn bão mạnh trên cấp 12 hầu như đều xuất phát từ ngoài

đại dương, sau khi vượt qua Philipin để đổ bộ vào Việt Nam thì sức gió đã suy giảm rất nhiều), nên người ta chỉ cần sử dụng thang sức gió Beaufort để mô tả sức mạnh của chúng là đủ Gió xoáy có cấp Beaufort từ 6 đến 7 trên một diện rộng gọi là áp thấp nhiệt đới Gió xoáy từ cấp 8 trở lên trên một diện rộng, có thể kèm theo mưa lớn gọi chung là bão Tuy nhiên, điều này đã không còn đúng trong thời gian gần đây, điển hình là các cơn bão Chanchu và bão Xangsane trong năm 2006 Mặc dù bão Chanchu không đi vào vùng bờ biển Việt Nam, nhưng với cấp 4 theo thang bão Saffir-Simpson

nó đã làm nhiều tàu thuyền bị đánh chìm và nhiều ngư dân Việt Nam bị chết trên biển Đông Trong dự báo bão cho cơn bão Xangsane, lần đầu tiên người ta đã sử dụng cấp 13 và trên cấp 13

2 Mưa

Là lượng nước ngưng kết dưới trạng thái lỏng hoặc rắn rơi xuống mặt đất( mưa

đá, mưa rào, mưa phùn…)

Đánh giá lượng mưa rơi bằng chiều dày lớp nước (mm) tạo trên mặt phẳng mưa rơi: Lượng mưa mm/năm, tháng, mùa, ngày, trận, 15 phút Còn thống kê bằng: số ngày mưa/năm, mùa, tháng

3.Số giờ nắng:

Được biểu thị bằng tổng số giờ nắng trong cả năm hoặc trong từng tháng

( Tổng số giờ nắng tháng và cả năm, giờ; Lượng mưa trung bình tháng và năm, mm;

2.3 Đặc điểm khí hậu Việt Nam

Khí hậu là nhân tố trọng yếu của môi trường, có tác động đến toàn bộ hệ sinh thái của vùng Với tính chất chung là nhiệt đới ẩm, gió mùa, khí hậu nước ta được chia thành 2 vùng rõ rệt, vùng khí hậu phía Bắc và vùng khí hậu phía Nam, có ranh giới là 16° vĩ bắc, chạy ngang đèo Hải Vân Sự khác biệt cơ bản giữa 2 vùng khí hậu này là ở chỗ; Miền khí hậu phía Bắc có mùa đông lạnh, nhiệt độ trung bình năm dưới 24°C Vùng khí hậu phía Nam không có mùa đông, nhiệt độ trung bình năm từ 24°C

đến 28°C Tại các khu vực đồng bằng có mùa mưa kéo dài 6 tháng ( từ tháng 5 tới tháng 10) và mùa khô 6 tháng ( từ tháng 11 đến tháng 4) ở cả 2 vùng số giờ nắng trung bình năm từ 1400 đến 2800 giờ Tổng xạ trung bình năm 86 – 169 Kcal/cm2 Độ

ẩm không khí quanh năm từ 77% đến 78% ở vùng khí hậu phía Bắc, mùa Đông có mưa phùn, độ ẩm tương đối của không khí cao Cuối năm có gió nồm, độ ẩm tương đối rất lớn ( đến 95%), có lúc bão hoà

Một số vùng đông Trường Sơn có gió khô nóng thổi từ hướng Tây, mỗi năm kéo dài chừng 1 tháng, đưa nhiệt độ không khí lên tới trên 35° và độ ẩm tương đối xuống dưới 55%

Lượng mưa ở nước ta khá lớn, trung bình từ 1100mm đến 4800mm Thời gian mưa trong năm kéo dài từ 67 đến 223 ngày, tập chung vào 1 số tháng nhất định Cường độ mưa lớn, liên tục đã gây lên nhièu trận lũ lụt Vùng ven biển Khánh Hoà trở ra ( vĩ tuyến 12° Bắc) có nhiều bão lớn kèm mưa to, nước biển dâng cao, thường có sóng thần

Phân vùng khí hậu Xây dựng Việt Nam ( theo đề nghị mới)

Dưới góc độ ngành xây dựng, lãnh thổ Việt Nam cũng được chia làm 2 vùng khí hậu là vùng khí hậu xây dựng phía Bắc và vùng khí hậu xây dựng phía Nam

Vùng khí hậu xây dựng phía Bắc (I) tính từ đèo Hải Vân trở ra Bắc và miền khí hậu xây dựng phía Nam (II) tính từ đèo Hải Vân trở vào Nam

Đặc điểm của các vùng khí hậu xây dựng này được miêu tả dưới đây:

1 Vùng khí hậu phía Bắc: ( Bao gồm 4 tiểu vùng)

1 Tiểu vùng khí hậu núi Tây Bắc và Trường Sơn:

Bao gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Điện Biên phía tây dãy Hoàng Liên Sơn thuộc các tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Hoà Bình

Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống tới dưới 0°C ở phía Bắc và dưới 5°C ởi phía Nam Tại khu vực núi cao phía Bắc có khả năng xuất hiện băng giá, mưa tuyết

Chịu ảnh hưởng của thời tiết khô nóng, ở các thung lũng thấp, nhiệt độ cao nhất có thể trên 40°C Vùng Tây Bắc không chịu ảnh hưởng của biển, khí hậu mang nhiều tính chất lục địa, biên độ nhiệt độ ngày lớn Trừ 1 số khu vực thấp ở phía Bắc

và phần đuôi phía Nam, tại vùng này chú ý chống lạnh ngang chống nóng Thời kỳ cần sưởi: 60 – 90 ngày

Trên phần lớn vùng này, hàng năm có một mùa khô kéo dài gần trùng với thời kì lạnh Không có thời kì mưa phùn, lạnh ẩm hoặc nồm ẩm

Mưa có cường độ lớn và phân bố không đều

Vùng này ít chịu ảnh hưởng của gió bão nhưng vận tốc gió mạnh có thể trên 40m/s, với thời gian tồn tại ngắn ( do ảnh hưởng của các trận lốc, vòi rồng)

2 Tiểu vùng khí hậu núi Đông Bắc và Việt Bắc:

Bao gồm các tỉnh Cao Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang, Tuyên Quang, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Phú Thọ, phần phía đông dãy núi Hoàng Liên Sơn thuộc các tỉnh Lào Cai, Bắc Giang, Quảng Ninh

Đây là vùng có mùa đông lạnh nhất nước ta

Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống dưới 0°C, có khả năng xuất hiện băng giá, ở núi cao có thể mưa tuyết Mùa hè, nóng ít hơn so với đồng bằng nhưng ở các thung lũng thấp nhiệt độ cao nhất có thể đạt trên 40°C

Trong vùng này, yêu cầu chống lạnh cao hơn chống nóng Thời kì cần sưởi có thể kéo dài trên 120 ngày, nhất là về ban đêm và ở phần trên cùng của các vùng núi cao

Mưa nhiều, cường độ mưa khá lớn Mùa ẩm, mùa khô không đồng nhất trong vùng

Bão có ảnh hưởng trực tiếp tới toàn vùng Mạnh nhất là ở ven biển, vận tốc gió mạnh có thể trên 40km/s

4 Tiểu vùng khu IV cũ ( Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế)

.2 Vùng khí hậu phía Nam ( 3 tiểu vùng)

Bao gồm toàn bộ phần lãnh thổ phía Nam đèo Hải Vân

Khí hậu cơ bản là nhiệt đới, gió mùa, không có mùa đông lạnh

Riêng phía Bắc của miền còn chịu ảnh hưởng 1 phần của các đợt gió mùa Đông Bắc mạnh, ở đồng bằng quanh năm chỉ có 1 mùa nóng Nhiệt độ trung bình năm lớn hơn 24°C Trừ vùng núi, miền này không có yêu cầu chống lạnh, chỉ cần chống nóng

Miền khí hậu phía Nam được chia làm 2 tiểu vùng khí hậu:

Khí Hậu cơ bản là nhiệt đới, gió mùa, không có mùa đông lạnh( trừ phần phía Bắc còn có mùa đông hơi lạnh)

Nhiệt độ thấp nhất nói chung không dưới 10°C Nhiệt độ cao nhất vượt 40°C ở phía Bắc và đạt 35 - 40°C ở phía Nam Do ảnh hưởng của biển, biên độ nhiệt độ ngày cũng như năm đều nhỏ Trong vùng không cần chống lạnh

3 Tiểu vùng khí hậu Tây Nguyên

Bao gồm toàn bộ phần núi cao trên 100m của nửa phần phía Nam, thuộc các tỉnh Gia Lai, Kon Tum, Đắc Lắc, Lâm Đồng

Khí hậu vùng núi, nhiệt đới

Mùa đông chịu ảnh hưởng chút ít của gió mùa Đông Bắc ở phần Bắc Mức độ lạnh phụ thuộc độ cao địa hình Trên vùng núi cao, ít lạnh, nhiệt độ các tháng đông cao hơn vùng Tây Bắc từ 4 đến 5°C Nhiệt độ thấp nhất trên vành đai núi cao từ 0

đến 5°C, ở các vùng khác trên 5°C

Chương iii

Tiện nghi nhiệt

3.1 Vi khí hậu trong công trình kiến trúc

Khí hậu chung của mỗi vùng chịu tác động của các nhân tố vĩ mô như mặt trời,

vĩ độ, địa hình, trạng thái bề mặt trái đất, trạng thái khí quyển v.v… gọi là “đại khí hậu” Vi khí hậu là khí hậu ở một phạm vi nhỏ như khí hậu trong phòng, trong công trình, khí hậu trong xóm, trong tiểu khu v.v Ngoài các tác động của các nhân tố vĩ mô, vi khí hậu còn chịu tác động chủ yếu của các điều kiện biên do con người tạo nên, như: nhà cửa, giải pháp bố trí quy hoạch kiến trúc, cây cối, ao hồ, sân bãi, kết cấu ngăn che, cũng như các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người

Xuất phát từ sự tác động của vi khí hậu đến con người và công trình, vi khí hậu

được đặc trưng bởi 4 yếu tố chính: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tốc độ chuyển

động của không khí và bức xạ của môi trường (do mặt trời, do khí quyển và do nhiệt

độ bề mặt của các kết cấu xung quanh)

Nhiệt độ không khí có ảnh hưởng lớn nhất đối với cảm giác nóng lạnh của con người Tăng cao nhiệt độ trong mùa lạnh sẽ đảm bảo điều kiện ấm áp cho con người, hạ thấp nhiệt độ trong mùa nóng sẽ làm cho người ta cảm thấy mát mẻ dễ chịu Biên

độ dao động nhiệt độ không khí trong ngày là một chỉ tiêu có quan hệ đến điều kiện

vệ sinh đối với con người Dao động nhiệt độ càng lớn, cơ thể con người càng phải điều tiết nhiều, nên càng mệt mỏi và dễ sinh ốm đau

Độ ẩm cũng liên quan khá lớn điều kiện nóng lạng của con người Về muà lạnh,

độ ẩm càng cao, cơ thể bị mất nhiệt ra môi trường chung quanh càng nhanh, do đó càng cảm thấy lạnh Về mùa nóng độ ẩm càng cao, mồ hôi càng khó bốc hơi toả nhiệt, con người cảm thấy oi bức

Tốc độ gió có liên quan tới tốc độ bốc hơi toả nhiệt của mồ hôi, cũng như đẩy mạnh quá trình trao đổi nhiệt giữa con người và môi trường xung quanh bằng đối lưu Gió càng lớn cơ thể thoát nhiệt càng nhanh, do đó gây cảm giác mát mẻ trong mùa nóng và cảm giác rét buốt trong mùa lạnh

Ngoài lượng bức xạ của mặt trời và khí quyển, con người còn trao đổi nhiệt bức xạ với các bề mặt kết cấu và đồ vật xung quanh Khi nhiệt độ bề mặt cao hơn nhiệt độ mặt da người, cơ thể sẽ nhận thêm lượng nhiệt bức xạ của các bề mặt đó Khi nhiệt độ mặt da lớn hơn thì ngược lại, cơ thể sẽ bức xạ nhiệt lượng tới các bề mặt xung quanh Nhiệt độ bề mặt kết cấu có thể tăng thêm cảm giác nóng bức trong mùa nóng và giá lạnh trong mùa lạnh của con người

Cần chú ý là các động tác của các yếu tố vi khí hậu lên cơ thể con người có tính chất tổng hợp, đồng thời và quan hệ hữu cơ với nhau

3.2 Tác động của các yếu tố vi khí hậu đến cảm giác nhiệt của con người

Nhiệt độ bản thân con người (thân nhiệt) thường giữ một trị số không đổi từ 36,5oC đến 37,5oC, trung bình là 37oC Sở dĩ thân nhiệt cố định là do các bộ phận chức năng điều hoà nhiệt dưới sự chi phối của hệ thần kinh, nhiệt năng không ngừng được sản sinh ra trong cơ thể và không ngừng được toả ra ngoài

Con người trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh dưới các dạng chủ yếu sau: bức xạ, đối lưu, bốc hơi, mồ hôi và hô hấp Lượng nhiệt trao đổi đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: quần áo mặc, tư thế con người (ngồi, nằm, đứng) và điều kiện vi khí hậu của môi trường Điều kiện cần thiết để

có được sự thoải mái ( tiện nghi nhiệt ) là:

M ± Rd ± Cv ± Cd – E = 0; (3.1)

trong đó

M – (Metabolism) Lượng nhiệt do cơ thể sinh ra tính theo W/m2của diện tích bề mặt cơ thể;

Cv – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi trường xung quanh bằng đối lưu, W/m2 ;

Rd – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi trường xung quanh bằng bức xạ, W/m2 ;

Cd – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với bàn ghế bằng dẫn nhiệt, W/m2 ;

E – lượng nhiệt mất đi do bốc hơi của cơ thể, W/m2 ;

Các đại lượng trong công thức trên được tính cho một đơn vị diện tích cơ thể người Diện tích mặt da của cơ thể người hay còn gọi là hệ số Du Bois được tính theo công thức:

AD = 0,202.mb0,425H0,725, m2 (3.2)

mb – trọng lượng người (kg);

H – chiều cao người (m);

thông thường AD =1,7 m2 – 1,8m2

Bảng 3.1 Lượng nhiệt do quá trình sinh lý trong cơ thể người sinh ra (M)

Hình 3.1: Sự trao đổi nhiệt giữa cơ

thể với môi trường

Các lượng nhiệt trao đổi giữa con người và môi trường tính như sau:

1)Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể người với môi trường xung quanh được thể hiện bằng công thức:

16,2

Nhiệt độ tR thường gọi là nhiệt độ bức xạ

trung bình trong phòng, có thể xác định theo

F

F

t τ

Nhiệt độ tR còn có thể xác định từ nhiệt độ đo bằng nhiệt kế cầu đen như sau:

Fi và τi – diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng:

tcđ – nhiệt độ cầu đen;

ta – nhiệt độ không khí trong phòng

v – vận tốc gió trong phòng ;

Nhiệt độ cầu đen được xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng,

đường kính khoảng 10 – 15cm, mặt ngoài quét đen (bằng muội khói đèn) sao cho hệ số bức xạ bề mặt xấp xỉ bằng hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Cầu đen được treo ở vị trí cần xét trong phòng Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở chính tâm quả cầu, để đo nhiệt độ không khí ở trong cầu đen, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ cầu đen Nó có một quán tính cỡ chừng 15 phút, tuy nhiên sau khoảng thời gian này, số đọc được sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh hưởng của bức xạ phát xạ hoặc nhận được Nếu n

lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc được sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí Nếu bức xạ nhận được thì số đọc được sẽ cao hơn nhiệt độ không khí

Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể người với môi trường xung quanh được thể hiện bằng công thức:

)35(16, ưt R , Kcal/h

(3.3) Nhiệt độ bức xạ, oC

tR = tcđ + 2,35 v(tcđ - ta) (3.5)

diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng:

nhiệt độ cầu đen; 0C

nhiệt độ không khí trong phòng ; 0C

vận tốc gió trong phòng ;m/sec

Nhiệt độ cầu đen được xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng,

15cm, mặt ngoài quét đen (bằng muội khói đèn) sao cho hệ số bức xạ bề mặt xấp xỉ bằng hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Cầu đen được treo ở vị trí cần xét trong phòng Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở

để đo nhiệt độ không khí ở trong cầu đen, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ cầu đen Nó có một quán tính cỡ chừng 15 phút, tuy nhiên sau khoảng thời gian này, số đọc được sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh hưởng của bức xạ phát xạ hoặc nhận được Nếu nhiệt độ không khí nóng, nhưng mặt tường đối diện lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc được sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí Nếu bức xạ nhận được thì số đọc được sẽ cao hơn nhiệt độ không khí

217-395 269-364 325-418

Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể người với môi trường xung

: Nhiệt kế cầu đen còn có thể xác định từ nhiệt độ đo bằng nhiệt kế cầu đen như sau:

) (3.5) diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng:

Nhiệt độ cầu đen được xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng,

15cm, mặt ngoài quét đen (bằng muội khói đèn) sao cho hệ số bức xạ bề mặt xấp xỉ bằng hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Cầu đen được treo ở vị trí cần xét trong phòng Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở

để đo nhiệt độ không khí ở trong cầu đen, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ cầu đen Nó có một quán tính cỡ chừng 15 phút, tuy nhiên sau khoảng thời gian này, số đọc được sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh hưởng của bức xạ

hiệt độ không khí nóng, nhưng mặt tường đối diện lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc được sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí Nếu bức xạ nhận được thì số đọc được sẽ cao hơn nhiệt độ không khí

) t ( v ,

K =887 5 35ư , Kcal/h (3.6)

K

t – Nhiệt độ không khí, oC

v – Tốc độ gió của không khí trong phòng, (m/s )

Nếu qK dương, gió có tác dụng giúp người toả nhiệt, ngược lại, gió sẽ làm tăng nhiệt đối lưu truyền vào người

3) Lượng nhiệt tỏa đi bằng bốc hơi mồ hôi được thể hiện bằng công thức

v 1 , 29

e – áp suất hơi nước, mmHg

E = 42 – áp suất hơi nước bão hòa trên mặt da, mmHg

3.3.Đánh giá tiện nghi Vi khí hậu

Chỉ tiêu nhiệt độ hiệu quả ( Effective Temperature)

Nhiệt độ hiệu quả ( Effective Temperature) là một chỉ số môi trường tổng hợp

về một con số các tác động của nhiệt độ khô, nhiệt độ ướt, độ ẩm và tốc độ gió tới cảm giác nóng lạnh mà cơ thể người cảm thấy Nhiệt độ hiệu quả được định nghĩa là nhiệt

độ mà tại đó không khí với độ ảm bão hòa và không chuyển động gây ra cho người mặc quần áo bình thường ngồi trong nhà một cảm giác tiện nghi giống như ở trong

điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió thực tế

Nhiệt độ hiệu quả dùng để đánh giá tiện nghi nhiệt của cơ thể người được tính theo hai phương pháp:

a/Bằng công thức Webb:

thq = 0 , 5 .( tK + tU ) ư 1 , 94 . v (3.8)

trong đó tK là nhiệt độ khô, tƯ là nhiệt độ ướt, v- tốc độ gió, m/sec

b/ Bằng toán đồ nhiệt độ hiệu quả:Dựa trên công thức Webb có thể dựng

được toán đồ như hình và gọi là toán đồ nhiệt độ hiệu quả Vùng tiện nghi nằm trong khoảng 20oC< thq<27oC ( hình 3.3)

Ví dụ: Cho tk=32oC, ϕ=80%, v=5 m/s, tìm thq

Dùng biểu đồ t-d tra được tƯ=29 oC, dóng đường thẳng nối tk với tƯ, giao điểm của đường này với đường tốc độ gió v=5 m/s sẽ gặp đường thq=26oC Đáp số :

thq=26oC Như vậy cảm giác nhiệt là dễ chịu

Khi sử dụng toán đồ này có thể thay nhiệt độ không khí bằng nhiệt độ bức xạ khi tR>tK

Giá trị nhiệt độ hiệu quả tìm được bằn cách thay nhiệt độ không khí bằng nhiệt

độ cầu đen sẽ được gọi là nhiệt độ hiệu quả đã hiệu chỉnh ( Corrected Effective Temperature- CET)

Hình 3.3: Toán đồ nhiệt độ hiệu quả (dùng cho người mặc quần áo bình thường)

1.Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt:

Là sự truyền nhiệt qua vật chất mà không có hiện tượng thay đổi vị trí các phân tử và chỉ xảy ra với chất rắn

Quá trình dẫn nhiệt là do các điện tử tự do chạy từ nguyên tử này sang nguyên

tử khác gây nên Kim loại dẫn nhiệt tốt, khí và nước dẫn nhiệt kém Những vật liệu rỗng chứa nhiều bọt khí chính là những chất cách nhiệt tốt trong xây dựng

Tương tự như định luật Ôm trong dòng điện không đổi: Cường độ dòng điện

được tính bằng công thức:

R

U U

I = 1ư 2

Cường độ dòng nhiệt ( heat flux, heat transfer rate ) q xác định theo công thức:

R

t t

q 1ư 2

= , W/m2

Hình 4.1 Mô tả truyền nhiệt qua vách phẳng

trong đó t1, t2 là nhiệt độ 2 bề mặt của vách phẳng, R được gọi là nhiệt trở của vách

Nhiệt trở được tính theo công thức:

] C h m / kCal [ , nhiet dan so He

] m [ , day Chieu R

, tro

Cã 3 tr−êng hîp ®iÓn h×nh sau:

1.KÕt cÊu nhiÒu líp vËt liÖu:

ChiÒu dµy

líp kkk

(mm)

H−íng truyÒn nhiÖt Lªn trªn N»m Ngang Xuèng d−íi

m2.K/W m /kCal m 2 .h.K 2.K/W m kCal 2 .h.K/ m2.K/W mkCal 2.h.K/

3.NhiÖt trë cña kÕt cÊu cã mét líp nhiÒu m¶ng vËt liÖu:

H×nh 4.3: Minh ho¹ kÕt cÊu cã mét líp nhiÒu m¶ng vËt liÖu C¸ch tÝnh: Thay h×nh thøc c¶ 3 m¶ng thµnh 1 m¶ng cã chung hÖ sè dÉn nhiÖt b»ng

Nhiệt lượng truyền qua mảng 1 là q1.A1, qua mảng 2 là q2.A2, qua mảng 3 là q3.A3 Tổng nhiệt lượng truyền qua cả tấm là:

q1.A1+q2.A2+q3.A3= qΣ.( A1+ A2+ A3)= qΣ.ΣAi

trong đó q1,q2,q3 là mật độ dòng nhiệt truyền qua mảng 1,2,3 và qΣ là mật độ dòng nhiệt trung bình truyền qua vách

λδ

λλ

λδ

λδ

λ

δ

λ1 tA1 2 tA2 3 tA3 t ( 1A1 2A2 3A3) tb∆t ( A1+A2+A3)

=+

+

∆

=

∆+

+

++

1

3

1 3

2 1

3 3 2 2 1 1

i i

i i i tb

A

A A

A A

A A

λλ

3 2 1

R

A R

A R A

A A A R

tb

tb

++

++

=

=λ

R A

A

R (4.4)

2 Truyền nhiệt bằng đối lưu:

Là sự truyền nhiệt qua vật chất bằng sự dịch chuyển bên trong của các hạt

Đối lưu chỉ xảy ra trong chất khí và lỏng, không xảy ra trong chất rắn

Có 2 loại : Đối lưu tự nhiên và

đối lưu cưỡng bức Đun nước là đối lưu

tự nhiên Làm mát máy ô tô là đối lưu cưỡng bức vì dùng bơm cơ khí để tạo dòng chảy nhanh hơn

Tồn tại 2 trạng thải chuyển

động: chảy tầng và chảy rối Trong lớp chảy tầng, không khí khí chuyển động song song với bề mặt kết cấu, song song với nhau và vuông góc với phương truyền nhiệt Nhiệt độ giảm theo đường hypecbol Lớp chảy tầng rất mỏng

Trong lớp chảy rối, các phần tử khí chuyển động tự do, nhiệt được truyền đi bằng

sự dịch chuyển vị trí của các phần tử nở nhiệt

Cường độ dòng nhiệt được tính theo định luật Newton-Risman

-vị trí bề mặt: đ.ặ à ! đ.ặ ườ" ! đ.ướ# $ầ

-trạng thái bề mặt: đ.ặ % ẵ ! đ ặ &ù &#

3 Truyền nhiệt bằng bức xạ:

Bức xạ là quá trình truyền nhiệt năng bằng sóng điện từ

Nhiệt truyền từ mặt trời tới trái đất qua một khoảng không gian không thể xảy

ra đối lưu và dẫn nhiệt Quá trình bức xạ là nguyên nhân gây ra sự truyền nhiệt trong không gian và cũng là nguyên nhân của nhiều hiện tượng rất quan trọng trên trái đất

Bức xạ nhiệt xuất hiện khi năng lượng nhiệt của các nguyên tử bề mặt vật liệu phát ra sóng điện từ trong dải hồng ngoại

Hình 4.5 Cơ chế truyền nhiệt bức xạ

Qúa trình bức xạ phụ thuộc vào tính chất bề mặt và nhiệt độ của vật liệu Bề mặt thô có diện tích lớn và hấp thụ bức xạ mạnh hơn bề mặt nhẵn Bề mặt màu đen, bởi vì nó hấp thụ phần lớn ánh sáng, cũng hấp thụ phần lớn nhiệt Vật liệu hấp thụ bức xạ mạnh thì cũng phát xạ mạnh Nói chung có quy luật là như sau :

Bề mặt đen có hấp thụ và phát xạ mạnh nhất

Bề mặt sáng bóng hấp thụ và phát xạ kém nhất

Trong thực tế bề mặt đen hay dùng làm các colector mặt trời, bề mặt bóng như lá nhôm dùng để cách nhiệt

Sóng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ cao thì bức xạ sóng ngắn có thể xuyên qua nhiều hơn so với sóng dài Nhiệt độ thấp thì bức xạ sóng dài

Sự bức xạ nhiệt của vật tăng theo nhiệt độ Mỗi vật đều đồng thời bức xạ và hấp thụ nhiệt ra xung quanh Theo lí thuyết ( Thuyết trao đổi của Prevot ) thì sự cân bằng giữa 2 quá trình này sẽ được xác định cho dù của vật thể tăng, giảm hoặc giữ nguyên như cũ)

Bước sóng của bức xạ phát ra từ vật thể phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể Mọi vật thể khi ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều không ngừng bức xạ năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ

- Tính nhiệt truyền bằng bức xạ theo định luật Stêfan - Bônzman:

C- Hệ só bức xạ nhiệt của bề mặt vật thể (kCal/m2.h.oK4)

tuyệt đối ( black body ) lấy bằng 5,67 W/m 2 K 4 hoặc 4,88 Kcal/m 2 h K 4 )

- Nếu hai vật gần nhau thì cũng xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt với nhau và phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ trên bề mặt hai vật

+ Diện tích và vị trí tương hỗ giữa các bề mặt

Nếu 2 vật truyền nhiệt cho nhau:

2 1

4 2 4 1 1 2

4 1 4 2 2 1

C’- Hệ số bức xạ tương đương giữa 2 vật phụ thuộc vào hệ số bức xạ của 2 mặt và vị trí tương đối của 2 mặt đó.Nếu 2 mặt song song thì giá trị C’ được tính theo công thức sau:

o 2

C

1 '

C

++

12 được gọi là hệ số hấp thụ bức xạ của vật, hệ số này phụ thuộc vào độ

đen của bề mặt: bề mặt càng đen càng hấp thụ mạnh (đương nhiên phát xạ càng mạnh), bề mặt càng trắng thì ngược lại

3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Thu nhiệt nhiệt truyền từ không khí trong nhà có nhiệt độ tt đến mặt trong kết cấu có nhiệt độ τt theo hình thức đối lưu và bức xạ nhiệt

  đ   '' , /  Trong đó:

- tb- nhiệt độ bức xạ trong phòng không kể nhiệt độ bề mặt kết cấu, nếu coi tb=tt thì ta có

  đ , /  với  đ ' : hệ số trao đổi nhiệt mặt trong kết cấu

Giai đoạn 3:

Nhiệt truyền từ mặt ngài kết cấu có nhiệt độ τn ra không khí ngoài nhà (tương

tự như giai đoạn 1)

3   , / 

Trong đó   đ ' : hệ số trao đổi nhiệt mặt ngoài kết cấu

Trong điều kiện truyền nhiệt ổn định thì q1=q2=q3=q= const

Giải các phương trình trên bằng phương pháp thế, chuyển vế cộng lại ta được:

   1

  1

 , 

  ;/:

nhiệt trở của bản thân kết cấu

Trong trường hợp tổng quát (khi có cả lớp không khí kín) thì

n 3

3 KK 2 2 1 1 t O

α

1 λ

d R λ

d λ

d α

1

Chú thích : - Khi phòng đóng kín cửa : αt = 6,5 – 7,5 Kcal/m2.h.0C

- Khi phòng mở cửa thông thoáng : α

sự truyền nhiệt “air-to-air” ( từ không khí đến không khí )

Mật độ dòng nhiệt (cường độ nhiệt) truyền từ trong ra ngoài được xác định theo công thức:

7  1

7  , /  Khi đó, nhiệt lượng truyền qua một bề mặt có diện tích F (m2) và trong một khoảng thời gian t (giờ) là:

=  7 > , 

U  1

RA , /2 h oC ,

được gọi là hệ số truyền nhiệt tổng của kết cấu ( U-Value)

Gía trị U (U-Value) đối với tường bao che bên ngoài nhà chung cư, khách sạn và các công trình công cộng khác được quy định cho từng trường hợp cụ thể Theo Quy Chuẩn Việt Nam về tiết kiệm năng lượng, U-Value được quy định như sau cho Hà Nội, Đà Nẵng, và TP Hồ Chí Minh:

Các hướng của mặt

tường Hệ số tổng truyền nhiệt lớn nhất Uo.max ,W/m2.K Tổng nhiệt trở nhỏ nhất Ro.min ,m2.K/W