Khí hậu và Vi khí hậu trong vật lý kiến trúc

Vật lý kiến trúc Chương 1 Khí hậu và Vi khí hậu

Trang 1/21

Chương I

Khí hậu, vi khí hậu kiến trúc vμ con người

Phần I: kháI quát khí hậu

* Các yếu tố khí hậu liên quan đến công trình kiến trúc:

I.1 Mặt trời và chuyển động biểu kiến của mặt trời:

Trái đất ngày 22/6 - Hạ Chí

Mô hình bầu trời biểu kiến

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

(PP’ là trục của mặt quỹ đạo chuyển động của trái đất) (tr17, sách Các giải pháp kiến trúc khí hậu Việt nam của P Gs.TS.Phạm Đức Nguyên).

- Mặt hoàng đạo (tất cả vị trí của Mặt trời trong một năm) nghiêng với Mặt phẳng xích

đạo hay (XDBT-xích đạo bầu trời) một góc δ - xích độ(góc lệch của mặt trời) Giao

+ Ngày Đông chí : δ= -23,50 – quỹ đạo mặt trời dịch chuyển về phía Nam

+ Ngày Hạ chí : δ=+23,50 - quỹ đạo mặt trời dịch chuyển về phía Bắc

mặt phẳng chân trời là ban ngày và khi xuống thấp dưới chân trời là ban đêm

Bầu trời biểu kiến(hình không gian và hình chiếu đứng)

(tr18, sách Các giải pháp kiến trúc khí hậu Việt nam của P Gs.TS.Phạm Đức Nguyên)

* Hai Cách xác định vị trí mặt trời:

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”

Cách xác định vị trí của mặt trời

(tr20, sách Các giải pháp kiến trúc khí hậu Việt nam của P Gs.TS.Phạm Đức Nguyên)

a Cách 1: Dùng công thức tính toán:

A sin (I.2)

cosVh

cos

sinVsinh

Ví dụ lúc 14 giờ 20’

o o

'60

'2015

=

Từ các công thức trên, có thể suy ra công thức để tính độ dài của ngày, góc phương

vị của mặt trời lúc mọc và lặn, cũng như độ cao của mặt trời lúc 12 giờ trưa như sau:

- Góc phương vị của mặt trời khi mọc (hay lặn) khi đó h€ = 0, từ công thức (I.3a):

sin-hsin

δ

ệ Giờ mặt trời mọc hay lặn: h = 0 -> Cos Z = - tgV tgδ

b Cách 2: Dùng biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời:

* Nguyên tắc xây dựng biểu đồ:

Trang 4/21

Phương pháp dựng biểu đồ quỹ đạo chuyền động biểu kiến của mặt trời

(tr20,22, sách Các giải pháp kiến trúc khí hậu Việt nam của P Gs.TS.Phạm Đức Nguyên)

Trang 5/21

Biểu đồ quỹ đạo chuyền động biểu kiến của mặt trời tại Hà Nội, vĩ độ V=21 0 B ,

có thể áp dụng cho: Hà tây, Hoà Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Quảng Ninh, Bắc Ninh, Bắc Giang Vĩnh Phúc, Sơn La, Hải Phòng, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình (trích phụ lục 1, tr293, sách Nhiệt và khí hậu kiến trúc của Gs.TSKH.Phạm Ngọc Đăng)

Trang 6/21

I.2 Bức xạ mặt trời:

Sơ đồ bức xạ nhiệt của mặt trời chiếu xuống mặt đất

Cường độ nhiệt bức xạ mặt trời tác dụng lên bề mặt công trình kiến trúc được biểu thị

thông qua tổng lượng bức xạ mặt trời (I) chiếu xuống đến mặt đất gồm 2 thành phần: trực xạ (S) do tia nắng trực tiếp chiếu tới và tán xạ (D) do bầu trời khuyếch tán tới:

I = S + D (kCal/m2.h) (I.6)

*Chú ý:

Để tính được các thành phần S và D phải dựa vào:

- S⊥: Trực xạ chiếu lên mặt phẳng vuông góc với tia nắng mặt trời

Số liệu tính toán của cường độ tổng xạ (I) ở Hà nội trong mùa nóng

(hàng trên là kcal/m 2 h, hàng dưới W/m 2 )

Trên các mặt phẳng thẳng đứng ở các hướng

Đại lượng

Trên mặt nằm ngang

Nam Đông

hoặc tây

Đông Nam hoặc Tây Nam

Đông Bắc hoặc Tây Bắc

đại (giờ)

12 12 8 hay 16 9 hay 15 8 hay 16 8 và

16

• Trị số tính toán của bức xạ mặt trời (Hệ số bảo đảm K bđ ):

Hệ số bảo đảm Kbđ là hệ số xét đến tính bền vững của công trình dưới tác động của các yếu tố khí hậu (bức xạ, nhiệt, ẩm, gió) Công trình yêu cầu chất lượng sử dụng càng cao thì hệ số bảo

đảm thiết kế càng lớn Hệ số bảo đảm của công trình chính là hệ số bảo đảm của các yếu tố khí hậu cần đạt được khi thiết kế

Bảng hệ số bảo đảm vi khí hậu trong nhà dân dụng vào mùa nóng

Đặc tính sử dụng công trình Hệ số bảo đảm Kbđ

Nhà có yêu cầu vệ sinh cao ≈ 1,0

Nhà thường xuyên có người ở, hay chế độ nhiệt ẩm ổn định 0,9

Nhà có người sử dụng trong một khoảng thời gian trong

Trang 8/21

a Dung ẩm của không khí: ký hiệu d (g/kg k.k.khô) đo bằng số gam hơi nước chứa trong 1

kg không khí khô VD: nếu trong 1,018 kg không khí ẩm có 18g hơi nước => k.k đó có d = 18

(g/kg k.k.khô) ở trạng thái bão hoà ký hiệu: D

b áp suất hơi nước: (vapour pressure) hay là áp suất phần hơi nước trong không khí, ký hiệu e

(mmHg) hay Pa(N/m2), 1mmHg = 1,333*102 N/m2 ở trạng thái bão hoà ký hiệu: E

c Độ ẩm không khí:

+ Độ ẩm tuyệt đối (absolute humidity): ký hiệu f (g/m3): là số gam hơi nước chứa trong 1m3

không khí ở trạng thái bão hoà ký hiệu: F

+ Độ ẩm tương đối (relative humidity): ký hiệu φ (%), tỷ số giữa độ ẩm của không khí ở trạng thái khảo sát so với trạng thái bão hoà hơi nước của không khí đó (ở cùng một nhiệt độ):

φ = f/ F*100% = d/D*100% = e/E*100%

d Nhiệt độ:

* Quy đổi nhiệt độ:

0 C = (1.8 0 C + 32) 0 F 0

F = {( 0 F – 32)/1.8} 0 C

0 K = 0 C + 273

• Thiết bị đo nhiệt độ (nhiệt kế khô ướt-Asman):

+ Nhiệt độ khô- dry temperature (t k , 0 C): nhiệt độ của kk được đo

bằng nhiệt kế thuỷ ngân thông thường(bầu thuỷ ngân để khô)

+ Nhiệt độ ướt – wet-bult temperature (t ư , 0 C): nhiệt độ của kk

được đo bằng nhiệt kế thuỷ ngân với bầu thuỷ ngân được bọc bông hay

vải luôn ẩm ướt

Nhiệt kế khô ướt

+ Nhiệt độ điểm sương (t S , 0 C): Là nhiệt độ tại đó hơi nước có trong không khí đạt tới trạng

thái bão hoà (hơi nước dư trong không khí đọng thành từng hạt nước nhỏ như hạt sương) mà dung ẩm d = const (không đổi)

* Tại tS : e = E(tS) hoặc φ(tS) = 100% (tại đây t k = t ư )

* Hiện tượng trong thực tế: Mùa Đông có HT sương mù tháng 3, 6(chuyển Đông => Hè) do

Trang 9/21

Nhiệt độ và độ ẩm trung bình trong ngày

Nhiệt độ cực đại và

độ ẩm cực tiểu tương ứng

Nhiệt độ cực tiểu và

độ ẩm cực đại tương ứng

tn,tb (0C) Φn,tb (%) tnmax

(0C) Φnmin

(%)

tnmin (0C) Φnmax

e Thể tích riêng của không khí (specific volume): ký hiệu V(m3/kg)

f Nhiệt dung hay Enthaphy của không khí: ký hiệu H(kJ/kg), là lượng nhiệt chứa trong một

đơn vị khối lượng không khí, so với lượng nhiệt của không khí khô ở 00C Gồm hai thành phần:

+ Nhiệt hiện (sensible heat): ký hiệu H S là lượng nhiệt làm tăng nhiệt độ của phần

không khí khô

H S = 1,005*tK ; (kJ/kg.k.k.khô)

Trong đó : 1,005 kJ/kg - nhiệt dung riêng của không khí khô

+ Nhiệt ẩn (latent heat): ký hiệu H l là lượng nhiệt do sự có mặt của hơi nước trong

không khí Đó là lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơI toàn bộ lượng hơi ẩm trong không khí (nhiệt ẩm bay hơi)

Trọng lượng riêng của không khí khô ở nhiệt độ t0C được xác địng theo công thức sau:

273 1

293 , 1 273

t. = γ , ư 0 , 176

- e: áp suất riêng của hơi nước có trong không khí, mmHg

Trang 10/21

- T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí – T = t + 273, 0K

Như vậy, trọng lượng riêng của không khí ẩm (không khí thông thường) nhỏ hơn trọng lượng riêng của không khí khô

- t – nhiệt độ của không khí (0C)

- Pkq - áp suất khí quyển =760 mmHg

h Biểu đồ không khí ẩm, biểu đồ t - d:

Tất cả các đại lượng vật lý của một trạng thái môi trường không khí có thể biểu diễn trên một

biểu đồ không khí ẩm (Psychrometric Chart) hay còn gọi là biểu đồ nhiệt – ẩm, biểu đồ t - d

Biểu đồ nhiệt – ẩm, biểu đồ t - d

i Phân tích các sự biến đổi trạng thái không khí theo biểu đồ t - d:

- Trạng thái của không khí được xác định bằng một điểm trên Biểu đồ t-d (biểu đồ nhiệt

- ẩm) tại điểm đó cho biết các giá trị: tK, tư, d, φ, e, V Nếu biết hai giá trị bất kỳ trong sáu giá trị trên thì hoàn toàn có thể xác định được các giá trị còn lại

Trang 11/21

Giảm ẩm ngưng tụ đưa môi trường

*Quá trình trộn khí:

Không khí ở trạng thái A (điểm A ) có nhiệt độ khô bằng tA , dung ẩm dA, khối lượng không khí khô là mA, không khí ở trạng thái B (điểm B ) có nhiệt độ khô bằng tB , dung ẩm dB, khối lượng không khí khô là mB Nếu đem hòa trộn hai khối khí này sẽ có được hỗn hợp khí ở trạng thái C Điểm C nằm trên đường thẳng AB chia AB thành 2 đoạn tỉ lệ nghịch với khối lượng không khí khô của 2 trạng thái A và B, tức là:

A

B

m

m CB

CA =

B B A A C

m m

t m t m t

B B A A C

m m

H m H m H

B B A A C

m m

d m d m d

+

+

= . .

I.4 Đặc điểm khí hậu Việt Nam:

- Nước ta thuộc loại khí hậu nhiệt đới ẩm - gió mùa, với sự tác động của nhiều loại gió khác nhau:

+ Gió mùa: Mùa hè lục địa nóng nên gió thổi từ đại dương vào lục địa theo hướng Tây Nam, Mùa Đông thổi ngược lại từ lục địa ra đại dương theo hướng Đông Bắc

+ Gió Phơn:

Hình 18 Hiệu ứng Phơn (Foehn) + Gió Bridơ: gió thổi ven bờ đại dương, ven biển, các hồ lớn: ban ngày thổi từ biển vào, ban

đêm thổi từ đất liền ra

+ Gió núi - thung lũng: vùng núi cao ban ngày nhiệt độ đỉnh núi cao hơn thung lũng gió thổi từ thung lũng lên đỉnh núi, ban đêm nhiệt độ đỉnh núi hạ thấp do mất nhiệt nhanh hơn thung lũng nên gió thổi từ đỉnh núi xuống

- Hướng, vận tốc và tần xuất gió:

Trang 13/21

Biểu thị hoa gió

- Do lãnh thổ kéo dài 15 vĩ tuyến: từ 8030’ Bắc (Cà Mau) đến 23022’ Bắc (Đồng văn), khí hậu

VN có thể chia làm hai miền Bắc và Nam có ranh giới đèo Hải Vân (vĩ độ 160 B)

1.Vùng khí hậu phía Bắc:

- Khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa có mùa đông lạnh

- Không có khí hậu bốn mùa theo mặt trời, chỉ có hai mùa theo mùa gió là Mùa Đông lạnh mưa

ít và Mùa hè nóng mưa nhiều; có một thời gian chuyển tiếp ngắn (T4 và T10-11)

- Khí hậu không ổn định, diễn biến phức tạp

- Chịu tác động gió phơn tây nam (tồn tại dải ven biển phía Đông Trường Sơn)

2 Vùng khí hậu phía Nam: Khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình

- Nhiệt độ cao và ổn định ít thay đổi t0

tb =26 - 270C

Trang 14/21

- Một năm phân hai mùa theo m−a ẩm: mùa khô trùng mùa đông độ ẩm 85%, mùa m−a trùng mùa hè độ ẩm 75%

- Khí hậu ít biến động

3 Phân vùng khí hậu xây dung:

Phân vùng khí hậu Việt Nam

Trang 15/21

Phần iI: vi khí hậu kiến trúc vμ con người II.1 Vi khí hậu (VKH) trong phòng:

- Khí hậu ngoài nhà do khí hậu của một vùng tác động lên công trình kiến trúc

- Khí hậu ngoài nhà (bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm, gió, mưa…)tác động lên công trình thông qua các kết cáu bao che bên ngoài (mái tường, cửa đI, cửa sổ, nền) và tạo nên môi trường VKH trong nhà hay trong phòng

Khí hậu ngoài nhà và VKH trong phòng

- Con người sống trong nhà sẽ có cảm giác nhiệt khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố:

+ 4 yếu tố khí hậu: tK, φ%, tốc độ gió υg(m/s), ti - nhiệt độ của các bề mặt trong phòng

+ 1 yếu tố sinh lý : sự tự sản nhiệt của cơ thể người M (kCal/h)

Trong đó: - AtK : biên độ dao động nhiệt độ, 0C

- tKmax : nhiệt độ cực đại của k.k trong phòng, 0C

- tKtb : nhiệt độ trung bình của k.k trong phòng, 0C

2 Độ ẩm không khí trong phòng φ, %

- Được xác định theo dung ẩm, độ ẩm tương đối hay chênh lệch tK và tư

3 Vận tốc chuyển động của không khí trong phòng hay vận tốc gió υ g , m/s

- Cũng giống như nhiệt độ, độ ẩm vận tốc k.k không đều => xét trị số trung bình

S

S t t

Trang 16/21

Trong đó: ti : nhiệt độ trung bình của bề mặt diện tích Si, 0C

- Trong thực nghiệm người ta hay dùng nhiệt kế cầu đen để đánh giá nhiệt độ các bề mặt trong phòng => xác định được trị số nhiệt độ bức xạ trong phòng:

Nhiệt kế cầu đen

*** 4 yếu tố của VKH đồng thời tác động lên con người => có cảm giác nóng lạnh khác nhau Khi có cảm giác dễ chịu gọi là đạt được điều kiện tiện nghi VKH (hay tiện nghi nhiệt)

II.2 Sự trao đổi nhiệt của cơ thể người với môi trường

1 Sự trao sản nhiệt của cơ thể người:

- Con người lao động => sản nhiệt M, kCal/h (metabolism)

- M Є tính chất lao động, đặc điểm sinh lý cơ thể, lứa tuổi

Trang 17/21

(Với trẻ em nhân hệ số 0,8)

- Sự sản nhiệt Є tốc độ thải nhiệt ra môi trường(mất nhiệt do lạnh nhiều thì phải sản nhiệt nhiều)

2 Sự trao đổi nhiệt của cơ thể với môi trường:

- Các dạng trao đổi nhiệt: đối lưu, bức xạ, dẫn nhiệt, toát mồ hôi…

- Lượng nhiệt trao đổi Є vào: quần áo mặc, tư thế con người và điều kiện vi khí hậu

- Điều kiện có được sự thoải mái (tiện nghi nhiệt):

Q H = Q L

- QH :Lượng nhiệt do cơ thể sinh ra M kCal/h

- QL :Lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh

a Lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu (ký hiệu qđ):

) 35 ( 87 ,

- a: hệ số phản bức xạ của mặt da hay quần áo

Da Trắng Vàng Đen ấn độ Đen Châu

Trong đó: e - áp lực riêng của hơi nước chứa trong k.k (mmHg)

f Lượng nhiệt mất hay hấp thụ theo đường hô hấp (ký hiệu q hh ):

q hh = 0,24 * G K (36,5 – t K ) kCal/h

Trong đó: GK – lượng k.k hô hấp trong một giờ của người (kg/h)

Trang 18/21

*** Qua sự phân tích các lượng nhiệt trao đổi trên, chúng ta có Phương trình cân bằng nhiệt giữa cơ thể với môi trường:

M ± qđ ± qb + q mt - q mh - q lv ± qdn ± q hh ± Δq= 0 Trong đó: - Δq: lượng nhiệt thừa hay thiếu của người liên quan đến cảm giác nhiệt

- q lv : lượng nhiệt tổn hao cho làm việc cơ học của con người, chiếm khoảng 5-35%

lượng nhiệt sản sinh của ngươid do lao động chân tay và trí óc gây ra

3 Đánh giá chế độ vi khí hậu và công trình:

- Căn cứ 3 chỉ tiêu: t 0 hiệu quả tương đương (t hq 0C), chỉ số Zôilen-Korencốp (ΣH), cường độ

nhiệt Benđinh-Hats (B%)

a Nhiệt độ hiệu quả tương đương (t hq 0 C):

thq = f(tK, φ, V) => chỉ tiêu do hội thông gió Mỹ đưa ra Є 3 biến số: tK, φ, V với tK ≈ tR

• Định nghĩa: t hq là t 0 KK trong điều kiện φ = 100% ; V = 0 m/s mà nó khiến con ngườốic cảm giác nóng lạnh tương đương các môi trường khí hậu có t, φ, V khác nhau trong điều kiện t K

≈ t R , lao động bình thường

• Xác định thq: 2 cách Công thức và Biểu đồ t hq

+ Công thức:

v , ) t t (

,

thq = 0 5 K + Ư ư 1 94

Phạm vi dễ chịu:

- Mùa hè: thq = 17,5 - 26,70C

- Mùa đông: thq = 15,7 - 23,50C

Biểu đồ nhệt độ hiệu quả t hq :

- tK: t0 KK trong phòng - v : tốc độ gió

ΣH

Rất lạnh Lạnh Hơi lạnh

Dễ chịu Hơi nóng Nóng Rất nóng

<7,1 7,1

-

-

-

10 11,1 – 14,9

>19,1

c chỉ số cường độ nhiệt: (B) hay do H.S.Bendinh và T.F.Hats (Mỹ) đề xuất:

%100max

QdlQbx M

%100

< 0

0 - 30%

40 - 60%

≥ 80%

4 Điều kiện tính toán VKH trong phòng và phương hướng giải quyết VKH ở nước ta:

a Điều kiện tiện nghi tổng thể:

Trang 20/21

Khi xét điều kiện này tức là con người đứng ở giữa phòng và chịu tác động đồng thời của 4 yếu

tố vi khí hậu Điều kiện này làm cơ sở thiết kế và kiểm tra giải pháp kết cấu và kiến trúc toàn phòng

Theo đó nhiệt độ bề mặt kết cấu cho phép tính theo công thức sau:

) 5 , 29 ( 1 5 ,

v

v cf

k

ư +

≤

b Điều kiện tiện nghi cục bộ:

Điều kiện này xét đến khi con người sống và làm việc gần mặt kết cấu nóng, lạnh hoặc cạnh lò nung nóng…Điều kiện này dùng làm cơ sở thiết kế hoặc kiểm tra các giải pháp kết cấu cục bộ, như xét khả năng cách nhiệt của từng kết cấu mái nhà, các mặt tường, ta có các công thức xác

định các giá trị nhiệt độ cho phép của các bề mặt như sau:

+ Đối với mặt nóng:

x ng

cf n

cf l

x – khoảng cách vi phân diện tích bề mặt cơ thể người và bề mặt kết cấu

l – kích thước đặc trưng của bề mặt kết cấu, l = F (F – diện tích bề mặt kết cấu)

*Ví Dụ:

Cho một phòng ở sát mái có kích thước R x D x C = 4m x 6m x 4m

Hãy xác định nhiệt độ mặt trần mái tối đa cho phép là bao nhiêu

Giải: Tính vói chiều cao người trung bình 1,6m , ta có: x = 4m-1,6m=2,4m

608,064

4,28,0

, 0

4

≤

Trang 21/21

5 Gi¶i ph¸p thiªt kÕ kiÕn tróc – x©y dung n©ng cao ®iÒu kiÖn tiÖn nghi VKH ë VN:

- HÕt Ch−¬ng I -