(Luận văn) phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong không gian căn hộ bằng chương trình phân tích số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN PHAN VI KHA PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN TRONG KHƠNG GIAN CĂN HỘ BẰNG lu an CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH SỐ va n LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Nguyên Long An– 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHAN VI KHA PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN TRONG KHƠNG GIAN CĂN HỘ BẰNG lu CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH SỐ an va n LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Nguyên Long An– 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi.Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố tạp chí khoa học cơng trình khác Các thơng tin số liệu luận văn có nguồn gốc ghi rõ ràng./ Tác giả Phan Vi Kha lu an va n ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề cương luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận nhiều giúp đỡ tập thể cá nhân Tơi xin tỏ lịng biết ơn đến Thầy PGS.TS.Trương Tích Thiện, Thầy tận tình hướng dẫn giúp tơi hệ thống hóa lại kiến thức, than khám phá thêm nhiều điều trình nghiên cứu luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cơ Phịng Sau đại học Quan hệ Quốc tế trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An tạo điều kiện giúp đỡ trình học nghiên cứu khóa học Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong Q Thầy Cô dẫn thêm để bổ sung kiến thức hồn thiện thân lu an Xin trân trọng cảm ơn! va n Tác giả Phan Vi Kha iii TĨM TẮT Khơng khí mơi trường mà người phải sống, làm việc nghỉ ngơi Để đảm bảo sức khoẻ nâng cao hiệu suất làm việc người cần có hệ thống thơng gió tốt Trong đó, phương pháp thơng gió tự nhiên vừa có khả cung cấp chất lượng khơng khí tốt nhà thoải mái nhiệt, đồng thời giảm chi phí cho việc sử dụng lượng đáng kể trở thành chiến lược bền vững quan trọng việc thiết kế xây dựng thu hút quan tâm nhà đầu tư Ba phương pháp sử dụng nghiên cứu thơng gió tự nhiên: thực nghiệm, lý thuyết t tính tốn động lực học lưu chất (CFD) Phương pháp thực nghiệm địi hỏi phải phải có chi phí cao, phương pháp giải tích địi hỏi mơ hình phải đơn giản để thỏa mãn điều kiện phương trình chủ đạo.CFD đóng vai trị quan trọng, ứng dụng rộng rãi lĩnh vực phân tích dịng lưu chất Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp CFD để phân tích q trình lu an thơng gió tự nhiên hộ Ngồi điều kiện gió, điều kiện nhiệt độ va xét đến tốn.Chất lượng q trình thơng gió tự nhiên đánh giá n thông qua tiêu chuẩn APDI iv ABSTRACT Air is an environment in which people always live, work and rest To ensure the health and improve the performance of people, a good ventilation system is needed In particular, the natural ventilation method has the ability to provide good indoor air quality and heat comfort, while reducing the cost of using energy quite significantly has become one of the wars Strategic sustainability and important in construction design and attract the attention of investors Three methods can be used in the study of natural ventilation: experimental, theory and computational fluid dynamics (CFD) Experimental methods require high costs, analytical methods require a simple model to satisfy the conditions of the dominant equation CFD is a popular method, widely used in the field of fluid flow analysis In this thesis, the author uses the CFD method to analyze the natural ventilation process in an lu apartment In addition to wind conditions, temperature conditions are also considered in an the problem The quality of the natural ventilation process is assessed through APDI va standard n v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN   1  LỜI CẢM ƠN   ii  TÓM TẮT   iii  ABSTRACT   iv  MỤC LỤC  . v  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT   vii  DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH   vii  DANH MỤC BẢNG BIỂU   viii  DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ   ix  CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI  . 1  1.1 Tính cần thiết đề tài 1.2 Các giải pháp thiết kế 1.2 Mục tiêu nghiên cứu lu 1.2.1 Mục tiêu chung an 1.2.2 Mục tiêu cụ thể va n 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Câu hỏi nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Tổng quan cơng trình nghiên cứu trước 1.7.1 Các nghiên cứu nước: 1.7.2 Các nghiên cứu nước CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT   6  2.1 Lý thuyết thơng gió tự nhiên 2.1.1 Khái niệm [1] 2.1.2 Phân loại thơng gió tự nhiên [1] 2.2 Lý thuyết khơng khí [1] 11 2.2.1 Khơng khí ẩm 11 2.2.2 Các thông số khơng khí ẩm 12 2.2.3 Q trình hịa trộn dịng khơng khí [2] 13 2.3 Lý thuyết truyền nhiệt [2] 14 vi 2.3.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng 14 2.3.2 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên không gian rộng 15 2.3.2.Trao đổi nhiệt xạ 16 2.4 Lý thuyết số đánh giá mức độ thoải mái người phòng (ADPI) [5] 16 2.4.1 Giới thiệu 16 2.4.2 Cách xác định số ADPI 17 2.5 Computational Fluid Dynamics – CFD [3] 17 2.5.1 Giới thiệu 17 2.5.2 Phương pháp mơ hình hóa dịng lưu chất 18 2.5.3 Những phương trình chủ đạo CFD [4] 20 2.5.4 Áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn vào tốn CFD [4] 20 CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIÓ TỰ NHIÊN CHO CĂN HỘ   CHUNG CƯ 22 3.1 Mơ hình hộ chung cư SGC Nguyễn Văn Luông 22 lu an 3.1.1 Thông tin hộ 22 va 3.1.2 Tính tốn thơng số điều kiện biên cho mơ hình 24 n 3.1.3 Tính tốn mơ thơng gió tự nhiên cho mơ hình 30 3.1.4 Kết mô 34 3.1.5 Đánh giá hiệu thơng gió 38 3.1.6 Kết luận 41 3.2 Mơ hình hộ cải tiến 41 3.2.1 Mơ hình hóa 41 3.2.2 Điều kiện biên 43 3.2.3 Kết mô 44 3.2.4 Đánh giá hiệu thơng gió 49 3.2.5 So sánh kết mơ hình cải tiến mơ hình ban đầu 51 CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  53  4.1 Kết luận 53 4.2 Hướng phát triển 53 4.3 Kiến nghị 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO   55  vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ VN Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam PP PTHH Phương pháp phần tử hữu hạn PP TTHH Phương pháp thể tích hữu hạn DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH lu an TỪ VIẾT TẮT CFD Computational Fluid Dynamics ANSYS Analysis System FEM Finite element method FVM Finite volume method va STT VIẾT ĐẦY ĐỦ n viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thành phần chất khơng khí khơ 11  Bảng 2.2 Bảng chọn trị số C n cho tốn đối lưu tự nhiên khơng gian rộng 16  Bảng 3.1 Bảng thống kê nhiệt độ lượng mưa trung bình thành phố Hồ Chí Minh25  Bảng 3.2 Bảng chọn thông số a b theo dạng địa hình 27  Bảng 3.3 Bảng phân bố vận tốc gió cơng trình chung cư 28  Bảng 3.4 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi sáng 39  Bảng 3.5 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi chiều 39  lu an Bảng 3.6 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy va mẫu trường hợp buổi tối 40  n Bảng 3.7 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi sáng – mơ hình 49  Bảng 3.8 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi chiều – mơ hình 50  Bảng 3.9 Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi tối – mơ hình 51  42 Hình 18 Mơ hình tính tốn cho tốn mơ hình ANSYS CFX lu Mơ hình thể tích hữu hạn: Mơ hình chia lưới theo phương pháp Hex - Relevance Center: Fine - Max Face Size: 9.10-2 m n Relevance: 100 va - an Dominant Method với thông số: Đánh giá chất lượng lưới: Mơ hình chia lưới bao gồm loại phần tử Hexahedron (Hex 8), Tetrahedron (Tet4), Wedge (Wed6), Pyramid (Pyr5) Mơ hình có 188505 phần tử 189522 nút Chỉ số Skewness (Average) mơ hình lưới 0,16476 (Excellent) 43 Hình 19 Mơ hình chia lưới cho tốn mơ hình 3.2.2 Điều kiện biên Các điều kiện biên giữ điều kiện biên toán lu an va n Hình 20 Điều kiện biên cho trường hợp buổi sáng – mơ hình 44 Hình 21 Điều kiện biên cho trường hợp buổi chiều – mô hình lu an va n Hình 22 Điều kiện biên cho trường hợp buổi tối – mơ hình 3.2.3 Kết mô A Kết vận tốc gió hộ Vào ban ngày, buổi sáng buổi chiều vận tốc gió lớn (hình 3.23 hình 3.24) Vận tốc gió trung bình mơ hình có giảm so với mơ hình gốc.Vận tốc gió cửa giảm rõ rệt (vùng khoanh đỏ hình 3.24) Vào buổi tối, mức độ thơng thống khí hộ tăng lên nhiều, phòng ngủ thứ (vùng khoanh đỏ hình 5.32) Vận tốc trung bình khơng 45 khí khơng q lớn (< m/s) tạo thoải mái cho hộ không bị ngợp (hình 3.25) Hình 23 Kết phân bố vận tốc gió trường hợp buổi sáng – mơ hình lu an va n Hình 24 Kết phân bố vận tốc gió trường hợp buổi chiều – mơ hình 46 Hình 25 Kết phân bố vận tốc gió trường hợp buổi tối – mơ hình lu an va n Hình 26 sánh kết phân bố vận tốc mơ hình gốc (bên trái) mơ hình (bên phải) B Kết nhiệt độ hộ Dựa vào hình 3.27,kết phân bố nhiệt độ cho thấy nhiệt độ khu vực bếp giảm đáng kể buổi sáng buổi chiều Có thể thấy hiệu máy hút khói 47 tốt giúp giảm nguồn tỏa nhiệt cục bếp, giảm nguy cháy nổ hỏa hoạn đồng thời làm giảm mùi khó chịu hộ Vào buổi tối, kết phân bố nhiệt độ khơng có thay đổi đáng kể so với mơ hình gốc.Nhiệt độ mức ổn định khoảng 270C nhiệt độ mức độ phù hợp với điều kiện khí hậu lu Hình 27 Kết phân bố nhiệt độ trường hợp buổi sáng – mơ hình an va n Hình 28 Kết phân bố nhiệt độ trường hợp buổi chiều – mơ hình 48 Hình 29 Kết phân bố nhiệt độ trường hợp buổi tối – mơ hình lu an va n Hình 30 So sánh kết phân bố nhiệt độ mơ hình gốc (bên trái) mơ hình (bên phải) 49 3.2.4 Đánh giá hiệu thơng gió Khảo sát 10 điểm mẫu thuộc mơ hình hộ với điểm phịng hộ hình 3.31 lu an Hình 31 Tọa độ điểm lấy mẫu mơ hình va A Trường hợp buổi sáng n Dựa vào kết bảng 3.7, vào buổi sáng có 80% số điểm khảo sát đạt tiêu chuẩn mức độ thoải mái So với kết mơ hình gốc (10%) kết cải thiện đáng kể đạt mức độ thoải mái theo tiêu chuẩn (hình 5.35) Bảng Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi sáng – mơ hình Tọa độ Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) Đánh giá (0.5;0.5;2) 300.706 0.182 0.45 Đạt (-0.5;2;3) 300.811 0.187 0.515 Đạt (-2.5;0.5;2.5) 301.666 0.321 0.298 Đạt (-2.5;2;2.5) 301.018 0.278 -0.006 Đạt (-2;0.5;0.5) 303.723 0.235 3.043 Không Đạt 50 (-1.5;2;-0.7) 302.521 0.338 1.017 Không Đạt (-3;2;-2.5) 301.446 0.341 -0.082 Đạt (-2.5;1;-2.5) 301.433 0.275 0.433 Đạt (1;1.5;-3.5) 300.604 0.167 0.468 Đạt (2;0.5;-1.5) 300.726 0.236 0.038 Đạt B Trường hợp buổi chiều Vào buổi chiều, 100% số điểm khảo sát đạt tiêu chuẩn mức độ thoải mái (bảng 3.8) Kết cải thiện mức độ thoải mái theo tiêu chuẩn so với mơ hình gốc (50%) Bảng Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi chiều – mơ hình Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) lu Tọa độ an 0.179 -0.073 Đạt (-0.5;2;3) 300.153 0.186 -0.135 Đạt (-2.5;0.5;2.5) 300.149 0.337 -1.347 Đạt (-2.5;2;2.5) 300.15 0.181 -0.098 Đạt (-2;0.5;0.5) 300.148 0.235 -0.532 Đạt (-1.5;2;-0.7) 300.15 0.342 -1.386 Đạt (-3;2;-2.5) 300.151 0.341 -1.377 Đạt (-2.5;1;-2.5) 300.149 0.27 -0.811 Đạt (1;1.5;-3.5) 300.151 0.174 -0.041 Đạt 300.151 (2;0.5;-1.5) C Trường hợp buổi tối 0.24 -0.569 Đạt n 300.159 va (0.5;0.5;2) Đánh giá Bảng 3.9 thể vào buổi tối có 80% số điểm khảo sát đạt tiêu chuẩn mức độ thoải mái Kết có giảm so với mơ hình gốc (90%) đảm bảo nằm vùng đạt mức độ thoải mái theo tiêu chuẩn 51 Bảng Bảng thống kê đánh giá giá trị vận tốc nhiệt độ điểm lấy mẫu trường hợp buổi tối – mơ hình Tọa độ Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) Đánh giá 300.186 0.292 -0.95 Đạt (-0.5;2;3) 300.108 0.095 0.548 Đạt (-2.5;0.5;2.5) 300.739 0.193 0.395 Đạt (-2.5;2;2.5) 300.403 0.078 0.979 Đạt (-2;0.5;0.5) 300.198 0.237 -0.498 Đạt (-1.5;2;-0.7) 300.27 0.31 -1.01 Đạt (-3;2;-2.5) 300.174 0.179 -0.058 Đạt (-2.5;1;-2.5) 300.2 0.148 0.216 Đạt (1;1.5;-3.5) 300.181 0.508 -2.683 Không Đạt (2;0.5;-1.5) 300.355 0.039 1.243 Không Đạt lu (0.5;0.5;2) an va n 3.2.5 So sánh kết mô hình cải tiến mơ hình ban đầu Dựa vào kết hình 3.32, nhận thấy đa số điểm mơ hình vận tốc giảm xuống mức 0,35m/s – mức đạt chuẩn vận tốc theo tiêu chuẩn thoải mái So sánh với mơ hình gốc kết cải thiện đáng kể Hình 32 So sánh kết vận tốc điểm lấy mẫu mơ hình gốc (bên trái) mơ hình (bên phải) 52 Hình 33 So sánh kết EDT điểm lấy mẫu mơ hình gốc (bên trái) mơ hình (bên phải) Về phần nhiệt độ phác thảo hiệu dụng (EDT), kết cho thấy đa số giá trị nằm vùng đạt chuẩn ( ).So sánh với mơ hình gốc kết cải thiện đáng kể lu an va n 53 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Đa số tòa nhà cao tầng thường độ cao lớn nên tốc độ gió cao nên hệ thống thơng gió khí thường áp dụng.Mặc dù hệ thống khí cung cấp nhiệt độ độ ẩm chấp nhận phần lớn hệ thống nhà chúng không đảm bảo môi trường nhà tốt.Theo nghiên cứu Seppanen, phổ biến Hội chứng Sick Building (SBS Building Syndrome - Sick Building Syndrome) (SBS) tịa nhà thơng khí khí thường cao khoảng 30% đến 200% so với tịa nhà thơng gió tự nhiên.Ngồi ra, lượng vấn đề lựa chọn thơng gió tự nhiên thơng gió khí Dựa nghiên cứu liên quan, hệ thống thơng gió tự nhiên giúp để giảm khoảng 40% lượng tiêu thụ lượng tịa nhà dân cư so với thơng gió khí Do đó, thơng gió lu tự nhiên có nhiều ưu điểm phù hợp với địa hình Việt Nam an Trong luận văn thực được: va Nghiên cứu lý thuyết dịng chảy luồng khí khơng gian nhân tạo - Tìm hiểu tiêu chuẩn đánh giá lưới hình học mơ hình - Tìm hiểu phương pháp đánh giá mức độ tiên nghi nhiệt người - Xây dựng mơ hình mơ dịng khí chuyển động dịng khí n - hộ chung cư cao tầng - Ứng dụng phần mềm ANSYS CFX để mô luồng khí phân bố khơng gian hộ - Dựa kết mô phỏng, học viên đề xuất mơ hình cải tiến cho kết thơng gió hiệu 4.2 Hướng phát triển - Với việc khảo sát đa dạng cho trường hợp tải khác nhau, phát triển mơ hình thơng gió tự nhiên tự động mơ hình hộ thông minh để cải thiện hiệu lượng cho cơng trình 54 - Phân tích thơng gió tự nhiên hộ có xét đến ảnh hưởng nguồn nhiệt nhiệt tỏa từ bếp, thiết bị gia dụng nhiệt xạ từ mơi trường bên ngồi 4.3 Kiến nghị - Việc kiểm sốt lưới phần tử q trình chia lưới mơ việc đánh giá chất lượng lưới cần quan tâm, yếu tố quan trọng định khả hội tụ tính xác kết - Với mơ hình lớn, phức tạp, cần áp dụng giải thuật song song để giảm thời gian tính tốn tiết kiệm tài ngun máy tính - Bài tốn thơng gió tự nhiên nên thực để đánh giá tính hiệu thiết kế kiến trúc sư, qua cung cấp sở trực quan giúp kiến trúc sư tối ưu thiết kế lu an va n 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] P C Chính, Giáo trình điều hịa khơng khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1986 [2] H Đ Tín and B Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật truyền nhiệt, Nhà xuất đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2015 [3] N T Tấn, "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics – CFD) toán kỹ thuật," 2012 [4] "wikipedia.org," [Online] Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A0nh_ph%E1%BB%91_H%E1%BB%9 3_Ch%C3%AD_Minh [5] T T Trung and K Q Hoa, "Đánh giá Profile vận tốc gió theo tiêu chuẩn số nước," Nhà xuất xây dựng , 2011 lu [6] N T N Thu, V Hà and N N Giả, Kiến trúc hướng dòng thơng gió tự nhiên, an Nhà xuất xây dựng Hà Nội, 2012 va [7] TCVN 5687–2010, "Tiêu chuẩn thiết kế thơng gió điều hịa khơng khí," Nhà n xuất xây dựng, 2010 [8] TCVN 2737–1995, "Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng tác động," Nhà xuất xây dựng, 1995 Tài liệu tiếng nước [9] E.Rusly, M.Airah and S.Gagliardini, "The truth about the Air Diffusion Performance Index (ADPI)," no TROX Australia, pp 48-49, 2014 [10] C James Atkinson Natural ventilation for infection control in health- care settings WHO [11] Robert N Meroney CFD Prediction of Airflow in Buildings for Natural Ventilation 11th Americas conference on Wind Engineering, 2009 [12] Md Atiqur Rahman, Narahari G A Analysis of Lecturing Room using computational Fluid Dynamics Natural and Forced Ventilation International Journal of Engineering Research & Technology, 2014 56 [13] X Zheng Thermal Comfort Research in a Naturally – Ventilated high – rise residential building Master Thesis, 2015 [14] Ansys CFX Software Theory, Appendix A, ANSYS Inc and ANSYS Europe, Ltd Are UL registered ISO 9001:2000 Companies [15] Ansys Coupled-Field Analysis Guide, ANSYS Release 10.0 (2005), ANSYS Inc and ANSYS Europe, Ltd Are UL registered ISO 9001:2000 Companies lu an va n