ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 117 ĐỀ XUẤT TƯƠNG QUAN KÍCH THƯỚC CỦA PHỊNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN CHO CĂN HỘ CHUNG CƯ CAO TẦNG PROPOSAL OF THE RELATION OF THE DIMENSIONS OF THE ROOM TO ENHANCE THE NATURAL VENTILATION EFFICIENCY FOR APARTMENTS IN HIGH-RISE APARTMENT BULDINGS Phan Tiến Vinh Trường Cao đẳng Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng; ptvinh@dct.udn.vn Tóm tắt - Chung cư cao tầng loại hình nhà phổ biến đô thị giới Thiết kế khai thác hiệu thơng gió tự nhiên cho chung cư cao tầng giải pháp hướng đến tiết kiệm lượng, tạo môi trường thân thiện phát triển bền vững cho cơng trình kiến trúc Bài báo vào nghiên cứu tương quan kích thước chiều rộng chiều sâu phịng có hình dạng chữ nhật (trong hộ chung cư cao tầng) nhằm tạo hiệu thơng gió tự nhiên tốt Kết nghiên cứu rằng, kích thước chiều sâu phòng từ 1,0 đến 1,5 lần chiều rộng phịng hiệu thơng gió tự nhiên (vận tốc gió vào, vận tốc gió phân bố phịng, trường gió) tốt Kết đóng góp cho lý thuyết thiết kế thơng gió tự nhiên cho chung cư cao tầng nhà thiết kế áp dụng cho dự án chung cư cao tầng thực tế Abstract - High-rise apartment buildings are a common housing type in urban areas in the world Designing and effective exploiting natural ventilation in high-rise apartment buildings is a basic solution towards saving energy, creating a friendly environment and a sustainable development for architecture This article focuses on studying the relation of two dimensions of a rectangular room (a common room’ configuration in apartment buildings) to create the best natural ventilation efficiency The results show that when the room depth is equal to 1.0 to 1.5 times the room width, the natural ventilation efficiency (wind velocity, distribution of wind velocity in the room, wind field) is the best The result is a contribution to the theory of natural ventilation designing in highrise apartment buildings and can be applied to actual high-rise apartment projects by designers Từ khóa - chung cư cao tầng; kiến trúc bền vững; kích thước phịng; vận tốc gió; trường gió Key words - high-rise apartment building; sustainable architecture; dimension of room; wind velocity; wind field Đặt vấn đề Ngày nay, bối cảnh nhân loại đối diện với thách thức biến đổi khí hậu xu hướng phát triển bền vững trở thành quốc sách hàng đầu nhiều quốc gia giới, nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế kiến trúc theo hướng bền vững vấn đề có tính cấp thiết có ý nghĩa lớn mặt lý luận kiến trúc Một giải pháp thiết kế thụ động nhằm hướng đến kiến trúc bền vững, thích ứng thân thiện với môi trường tự nhiên, tạo môi trường tiện nghi thân thiện cho người, tiết kiệm lượng, thiết kế thơng gió tự nhiên (TGTN) cho cơng trình kiến trúc Chung cư cao tầng (CCCT) loại hình nhà phát triển mạnh đô thị lớn giới Ở Việt Nam, CCCT xuất đô thị lớn với phát triển đô thị, phát triển kinh tế xã hội, gia tăng nhu cầu nhà đô thị, yêu cầu tiện nghi ở, … Trong thập niên đầu kỷ XXI, chứng kiến phát triển mạnh mẽ số lượng khu thị mới, với nhiều CCCT đầu tư xây dựng Theo [1], nhà chung cư loại hình trọng phát triển thị Việt Nam Cụ thể, tỷ lệ nhà chung cư dự án phát triển nhà đô thị đến năm 2020 quy định từ 60% đến 90% cho đô thị loại I loại đặc biệt Như vậy, nhà chung cư nói chung, có CCCT, có xu hướng phát triển mạnh thời gian đến đô thị Việt Nam, đặc biệt đô thị lớn Hiện nay, vấn đề khai thác TGTN cho hộ CCCT chưa quan tâm mức trình thiết kế vận hành khai thác Giải pháp phổ biến để làm mát cho hộ sử dụng điều hịa khơng khí Giải pháp có nhược điểm sau: tiêu thụ nhiều lượng, gây nhiễm môi trường tự nhiên, gây số bệnh cho cư dân, mơi trường vi khí hậu hộ khơng thân thiện, … Trong phịng có dạng hình chữ nhật (hình dạng phổ biến thiết kế chung cư), kích thước bề ngang a chiều sâu b, tương quan kích thước K phịng tỷ số b a, K = b/a Giá trị K có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu chiếu sáng tự nhiên, tiện nghi nhiệt, thẩm mỹ kiến trúc, tính thích dụng, … hiệu TGTN Các nghiên cứu công bố TGTN cho phịng chức cơng trình kiến trúc nói chung tập trung vào lý thuyết chung mối liên hệ vị trí cửa mặt bằng; vị trí cửa mặt cắt; sử dụng hình thức lam, vách ngăn, … hiệu TGTN phòng [2, 3, 4, 5]; khả áp dụng TGTN trường hợp ứng dụng ngun tắc TGTN cho cơng trình thực tế vùng khí hậu khác nhau; giải pháp thiết kế chiến lược TGTN cho công trình nói chung [6, 7, 8, 9, 10]; … Và nay, chưa có nghiên cứu đề xuất tương quan kích thước K hợp lý cho phịng hộ CCCT nhằm khai thác hiệu TGTN Vì vậy, nghiên cứu tương quan kích thước phịng hợp lý nhằm khai thác hiệu TGTN cho hộ CCCT vấn đề đặt cho nhà nghiên cứu nhà thiết kế Đề xuất tương quan kích thước phịng hợp lý thiết kế CCCT hướng đến khai thác hiệu TGTN 2.1 Hiệu TGTN hộ CCCT Hiệu TGTN hộ phụ thuộc vào số yếu tố sau: hình khối cơng trình; giải pháp bố cục Phan Tiến Vinh 118 tổng mặt bằng; hình thức mặt tầng điển hình; vận tốc hướng gió thổi đến bề mặt hộ; giải pháp thiết kế hộ; đặc điểm loại cửa phòng; … Trong hộ, phòng (phịng khách phịng ngủ) có u cầu bắt buộc phải chiếu sáng tự nhiên TGTN Hiệu TGTN hộ đánh giá thông qua hiệu TGTN phòng Với phịng có cửa đón gió vào (trường hợp phổ biến), hiệu TGTN phụ thuộc: diện tích mở cửa cho gió vào gió ra, vị trí cửa (trên mặt mặt cắt), tương quan kích thước K phịng, giải pháp bố trí nội thất, giải pháp vận hành (đóng mở cửa), … Trong báo này, nghiên cứu đề xuất tương quan kích thước K phịng nhằm khai thác hiệu TGTN cho hộ 2.2 Đối tượng trường hợp nghiên cứu - Theo TCXDVN 323:2004 “Nhà cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế”, nhà cao tầng loại nhà hộ có chiều cao từ tầng đến 40 tầng Tác giả chọn ngẫu nhiên chung cư 12 tầng để tiến hành nghiên cứu Một số đặc điểm chung cư: chiều cao tầng 3.900 mm; chiều cao tầng điển hình 3.200 mm; cao độ tầng 1.050 mm; có mặt tầng điển hình (MBTĐH) theo hình thức hành lang (đây hình thức MBTĐH phổ biến CCCT; đồng thời, với hình thức MBTĐH này, tác giả tiến hành nghiên cứu cho hai trường hợp thơng gió xun phịng thơng gió mặt), xem Hình Hình Mặt tầng điển hình chung cư vị trí hộ - Phịng chọn để nghiên cứu Phịng ngủ hộ điển hình đặt tầng 10 Mặt hộ quay hướng chung cư Hình dạng, thành phần phòng chức hộ loại cửa phịng Hình 2a Một số tham số kích thước: + α: góc tạo đường thẳng tiếp tuyến mặt nhà hướng gió thổi đến (Hình 2b); + a, b: kích thước theo phương ngang phương dọc Phòng ngủ Để tiến hành nghiên cứu, chọn a = 3,8 m b = K x a (Hình 2b); + O vị trí điểm khảo sát OA = x (m); + Cửa phòng ngủ: 0,8 m x 2,2 m Cửa phòng vệ sinh: 0,6 m x 2,0 m Cửa sổ phòng ngủ: 1,6 m x 1,5 m (trong phần mở cửa để lấy gió, tối đa mở 0,8 m x 0,9 m) - Một số điều kiện cho trường hợp nghiên cứu: khối CCCT đứng độc lập hoàn toàn; mở cửa hộ nghiên cứu, hộ khác đóng cửa hồn tồn; mở cửa không gian công cộng (hành lang, sảnh chính, …) - Nghiên cứu thực trường hợp: + trường hợp hướng gió thổi đến, tương ứng giá trị α 45°, 90° 135° + trường hợp hình thức thơng gió là: thơng gió xun phịng (khi cửa cửa vệ sinh phịng ngủ mở ra) thơng gió mặt (khi cửa cửa vệ sinh phịng ngủ đóng lại) + trường hợp K (giá trị K tương ứng 0,5, 1,0, 1,5 2,0) Như vậy, có 24 mơ thực độc lập để thu kết b a Hình a Mặt hộ; b Kích thước hộ - Vị trí khảo sát: Đoạn thẳng AB, điểm khảo sát O (AO = x) 2.3 Các tiêu chí đánh giá đại lượng tính tốn - Tiêu chí đánh giá hiệu TGTN hộ: + Vận tốc gió điểm nằm đoạn thẳng AB (theo chiều dọc phịng ngủ - Hình 2b) mặt phẳng cao độ 1,1 m so với sàn nhà + Trường gió mặt phẳng cao độ 1,1 m phịng ngủ - Đại lượng tính tốn: xác định giá trị K để hiệu TGTN phòng tốt 2.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu TGTN Hiện nay, nhiều phương pháp nghiên cứu TGTN cơng trình nghiên cứu phát triển Các phương pháp nghiên cứu TGTN chủ yếu sử dụng mơ hình như: Mơ hình phân tích (Analytical models); Mơ hình kinh nghiệm (Empirical models); Mơ hình thí nghiệm (Experimental models); Mơ hình đa vùng (Multizone models); Mơ hình vùng (Zonal models); Mơ hình lưới (Network models); Mơ hình CFD (Computational Fluid Dynamics models); … Các mơ hình có ưu điểm hạn chế định Trong đó, mơ hình CFD mơ hình sử dụng phổ biến nghiên cứu thiết kế thơng gió Theo kết thống kê Qingyan Chen, 70% công bố nghiên cứu TGTN cho cơng trình có sử dụng mơ hình CFD [11] Trong phạm vi nghiên cứu báo, tác giả sử dụng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) phần mềm Autodesk CFD 2017 Các kết bàn luận 3.1 Thiết lập mơ hình, chọn điều kiện biên, chọn mơ hình rối, chọn giải pháp lưới cho mơ cấu hình máy tính thực mơ 3.1.1 Thiết lập mơ hình nghiên cứu CFD - Dựng mơ hình 3D đối tượng (là chung cư 12 tầng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN – chọn Mục 2.2) nghiên cứu phần mềm AutoCad 2017 (của hãng Autodesk) Kích thước mơ hình khối khơng khí (vùng mơ phỏng) lấy tối thiểu lần chiều ngang lần chiều cao tương ứng cơng trình cần nghiên cứu - Tạo mơ hình nghiên cứu Autodesk CFD 2017 từ mơ hình 3D nêu - Gán thuộc tính vật liệu cho đối tượng mơ hình nghiên cứu 3.1.2 Gán điều kiện biên cho khối khơng khí - Chọn hướng gió thổi đến trường hợp α (α = 45°, 90° 135°): vận tốc tham chiếu cao độ 10 m m/s Vận tốc gió có thay đổi theo chiều cao biểu diễn pro-fin vận tốc gió theo hàm số mũ sau: 119 Căn vào kết giá trị vận tốc gió vào phòng, trường hợp nghiên cứu, giá trị K đề xuất Bảng Vz Z Trong đó: Vr Z r + Vz, Vr vận tốc gió cao độ Z vận tốc gió cao độ tham chiếu Zr + δ hệ số mũ phụ thuộc vào độ gồ ghề mặt đất, độ ổn định khí cao độ xét δ xác định thực nghiệm Trong điều kiện khí ổn định, giá trị δ = 0,143 [12] - Xác định mặt gió gán Static Gage Pressure có giá trị áp suất - Các mặt cịn lại khối khơng khí (trừ mặt tiếp xúc với mặt đất) gán định dạng Slip/Symmetry 3.1.3 Chọn mơ hình rối (Turb.model) Chọn mơ hình rối RNG k-ε (RNG k-ε mơ hình rối hiệu chỉnh từ mơ hình rối k-ε tiêu chuẩn phương pháp Renormalization Group - RNG) [13] 3.1.4 Chọn giải pháp lưới - Trong phương pháp CFD, miền nghiên cứu chia thành phần tử (elements), góc phần tử nút (node) Các nút phần tử tạo thành lưới (mesh) Lựa chọn giải pháp lưới tự động (autosize) Sự độc lập lưới kết mô đảm bảo thông qua thiết lập Adaptive mesh - Kích hoạt tính kiểm tra độc lập giải pháp lưới chọn giá trị cho Cycles to run Lựa chọn cho phép thực lần tự động điều chỉnh lưới cho phù hợp 3.1.5 Cấu hình máy tính thực mô - Mô thực máy tính để bàn: Processor Intel ® Xeron (R) CPU E3-1220 v5 @ 3.00GHz; 64 - bit Operating System; RAM 8.00 GB - Thời gian trung bình để thực mô 3.2 Kết đề xuất 3.2.1 Giá trị vận tốc gió vào cửa phịng Với điều kiện khảo sát vận tốc gió m/s (ở cao độ tham chiếu 10 m), kết mô rằng, giá trị vận tốc gió điểm cửa vào (vị trí A, cao độ 1,1 m so với sàn nhà) 24 trường hợp mơ có vận tốc nhỏ 1,1 m/s (Hình 3) Hình Vận tốc gió vào phịng ngủ (tại vị trí A) trường hợp nghiên cứu Bảng Giá trị K (đề xuất) trường hợp nghiên cứu Trường hợp khảo sát STT Đề xuất K Thơng gió xun phịng, α = 45° 1,0 – 2,0 Thơng gió xun phịng, α = 90° 1,0 – 2,0 Thơng gió xun phịng, α = 135° 0,5 – 1,0 Thơng gió mặt, α = 45° 1,0 – 2,0 Thơng gió mặt, α = 90° 1,0 – 2,0 Thơng gió mặt, α = 135° 0,5 – 1,5 Như vậy, theo kết Hình đề xuất giá trị K Bảng 1, giá trị K nên chọn từ 1,0 đến 1,5 3.2.2 Kết trường gió phịng Bảng Trường gió phòng ngủ trường hợp nghiên cứu STT K α = 45° Thơng gió xun phịng 0,5 1,0 1,5 2,0 α = 90° α = 135° Phan Tiến Vinh 120 Thơng gió mặt 0,5 1,0 1,5 2,0 Đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 hợp lý 1,5 b Thơng gió xun phịng, α = 90° (Hình 6) Hình Trường hợp thơng gió xun phòng, α = 90° Đề xuất giá trị K từ 0,5 đến 1,5 hợp lý 1,0 c Thơng gió xun phịng, α = 135° (Hình 7) 3.2.3 Kết giá trị vận tốc gió trung bình điểm nằm đoạn thẳng AB (Hình 4) Hình Trường hợp thơng gió xun phịng, α = 135° Đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 hợp lý 1,0 d Thơng gió mặt, α = 45° (Hình 8) Hình Giá trị vận tốc gió trung bình (tại vị trí AB) cho trường hợp nghiên cứu Kết Hình cho thấy, giá trị vận tốc gió trung bình tỷ lệ nghịch với giá trị K Vì vậy, nên chọn K có giá trị nhỏ 3.2.4 Kết giá trị vận tốc dọc theo chiều sâu phòng (đoạn thẳng AB) cho trường hợp nghiên cứu Kết thể Hình 5, 6, 7, 8, 9, 10 Các đề xuất giá trị K dựa độ lớn vận tốc điểm khảo sát trường gió phịng (Bảng 2) a Thơng gió xun phịng, α = 45° (Hình 5) Hình Trường hợp thơng gió mặt, α = 45° Đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 hợp lý 1,0 e Thơng gió mặt, α = 90° (Hình 9) Hình Trường hợp thơng gió mặt, α = 90° Hình Trường hợp thơng gió xuyên phòng, α = 45° Đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 hợp lý 1,0 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN f Thông gió mặt, α = 135° (Hình 10) Hình 10 Trường hợp thơng gió mặt, α = 135° Đề xuất giá trị K từ 0,5 đến 1,5 hợp lý 1,0 Tóm lại, vào trường gió phịng tổng hợp đề xuất nêu (ở mục 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3 3.2.4) để đạt hiệu TGTN cao cho phòng, giá trị K nên chọn từ 1,0 đến 1,5 3.3 Bàn luận Các trình vật lý liên quan đến TGTN phức tạp việc giải thích vai trị q trình đến hiệu TGTN cơng trình địi hỏi kiến thức chun sâu thơng gió Đây thực vấn đề khó khăn hầu hết nhà thiết kế Trong trình thiết kế, nhà thiết kế thường đưa đánh giá, phân tích, tính tốn thơng gió theo kinh nghiệm hay mang tính định tính Do đó, việc đưa kết có tính trực quan hiệu TGTN cơng trình kiến trúc định lượng cụ thể có ý nghĩa mặt lý luận thực tiễn Kết nghiên cứu nêu báo thể trực quan, với số liệu chi tiết giá trị vận tốc gió, vec-tơ vận tốc gió điểm trường gió phòng 24 trường hợp nghiên cứu Đồng thời, báo đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 cho thiết kế phòng CCCT nhằm tạo hiệu TGTN tốt Đây sở lý luận quan cho nhà thiết kế đề xuất tương quan kích thước phịng (hệ số K) hợp lý nhằm đạt hiệu TGTN, hướng đến tiết kiệm lượng kiến trúc bền vững cho CCCT Các kết thu phương pháp CFD (sử dụng phần mềm Autodesk CFD 2017) số điều kiện biên định nên chưa thể bao quát tất trường hợp thiết kế thực tế Vì vậy, cần tiếp tục thực nghiên cứu với điều kiện biên mở rộng, tiến hành quan trắc thực tế cơng trình để so sánh kết mô cân chỉnh mơ hình, nghiên cứu thêm số mẫu thiết kế hộ đặc thù khác 121 Kết luận CCCT loại hình nhà phổ biến có xu hướng phát triển mạnh đô thị giới Việt Nam Khai thác TGTN nhằm tiết kiệm lượng, thân thiện với môi trường tự nhiên cho loại hình CCCT giải pháp hiệu góp phần vào phát triển bền vững kiến trúc nói riêng định hướng phát triển bền vững nói chung Việt Nam Tương quan kích thước phịng (K) có ảnh hưởng đến hiệu TGTN phòng Nghiên cứu đề xuất giá trị K từ 1,0 đến 1,5 để hiệu TGTN phòng tốt Các kết nghiên cứu báo đóng góp cho lý luận thiết kế TGTN cho loại hình CCCT, nhằm tạo khơng gian nói chung phịng nói riêng TGTN tốt, tiết kiệm lượng, thân thiện với môi trường hướng đến bền vững kiến trúc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thủ tướng Chính phủ, Quyết định số 2127/QĐ-TTg ngày 30/11/2011 việc “Phê duyệt Chiến lược phát triển Nhà quốc gia đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030”, Hà Nội, 2011 [2] Francis Allard, Natural ventilation in buildings: A design handbook, James & James (Science Publishers) Ltd., London, 2002 [3] Phạm Ngọc Đăng, Nguyễn Việt Anh, Phạm Thị Hải Hà, Nguyễn Văn Mn, Các giải pháp thiết kế cơng trình xanh Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2014 [4] Phạm Đức Nguyên, Kiến trúc sinh khí hậu: Thiết kế sinh khí hậu kiến trúc Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2012 [5] Nguyễn Tăng Thu Nguyệt, Việt Hà, Nguyễn Ngọc Giả, Kiến trúc hướng dịng thơng gió tự nhiên, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2014 [6] Leon Glicksman & Juintow Lin (Dịch giả: Trần Phú Thành), Thiết kế nhà đô thị bền vững Trung Quốc - Các nguyên tắc chủ đạo nghiên cứu điển hình giảm sử dụng lượng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014 [7] Ulrike Passe, Francine Battaglia, Designing spaces for Natural ventilation: An Architect’s Guide, Routledge Publishers, New York & London, 2015 [8] M Santamouris, A Sfakianaki, K Pavlou, “On the efficiency of night ventilation techniques applied to residential buildings”, Energy and Buildings, Volume 42, 2010, pp 1309-1313 [9] F M Silveira, L C Labaki, “Use of natural ventilation in reducing building energy consumption in single-family housing in Brazil”, IEEE, DOI: 10.1109/REDEC.2012.6416709, 2012 [10] Chalermwat Tantasavasdi, Jelena Srebric, Qingyan Chen, “Natural ventilation design for houses in Thailand”, Energy and Buildings, Volume 33, 2001, pp 815-824 [11] Qingyan Chen, “Ventilation performance prediction for buildings: A method overview and recent applications”, Building and Environment, Volume 44, Elsevier, 2009 pp 848-858 [12] Nguyễn Anh Tuấn, Bài giảng: Nhiệt khí hậu kiến trúc, Khoa Kiến trúc – Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2013 [13] A Stamou, I Katsiris, “Verification of a CFD model for indoor airflow and heat transfer”, Building and Environment, Volume 41, Elsevier, 2006, pp 1171-1181 (BBT nhận bài: 11/9/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 10/10/2017)