TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Khai thác thông gió tự nhiên (TGTN) trong công trình hướng đến tiện nghi cho người sử dụng là giải pháp đã được nhiều dân tộc trên thế giới áp dụng phổ biến từ hàng ngàn năm nay Tùy theo đặc điểm tự nhiên của các vùng miền, họ đã có những giải pháp thiết kế khác nhau để khai thác TGTN, như: lựa chọn vị trí xây dựng, hướng nhà, bố trí không gian chức năng, cấu tạo cửa đi - cửa sổ, tháp đón gió, … Tuy nhiên, các công trình kiến trúc này thường là các công trình nhà ở dân gian và các giải pháp trên chỉ là những kinh nghiệm được đúc kết qua nhiều thế hệ. Đến thế kỷ XVIII, khi nền sản xuất công nghiệp ra đời và phát triển - đánh dấu bằng sự xuất hiện của máy hơi nước - thì thông gió (TG) mới trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và trở thành một ngành chuyên môn riêng biệt.
Qua quá trình phát triển, hệ thống lý thuyết cơ bản về thông gió nói chung và TGTN trong kiến trúc, đã được hình thành TGTN, với việc sử dụng nguồn lực tự nhiên (năng lượng gió), là một trong những giải pháp cơ bản nhất để hướng đến hạn chế sử dụng các nguồn năng lượng, thân thiện môi trường và sự phát triển bền vững cho công trình kiến trúc Hiện nay, các nghiên cứu chuyên sâu về TGTN chủ yếu là: đề xuất các mô hình nghiên cứu TGTN, các công cụ tính toán TGTN, kỹ thuật TGTN, các hướng dẫn thiết kế TGTN, định hướng khai thác TGTN cho một số loại hình kiến trúc,
Các nghiên cứu về TGTN trong kiến trúc tập trung vào một số vấn đề sau:
- Khả năng áp dụng TGTN và các trường hợp ứng dụng các nguyên tắc TGTN cho công trình thực tế tại các vùng khí hậu khác nhau, … [19], [37]
- Sử dụng TGTN để đảm bảo tiện nghi nhiệt, giảm tiêu thụ năng lượng cho công trình [35];
- Đề xuất các giải pháp thiết kế nhằm cải thiện hiệu quả TGTN, một số nguyên tắc về mặt lý thuyết chung, chiến lược TGTN cho công trình [8], [34], [44],
- Đánh giá các phương án thiết kế đã có của các dự án thực tế để đề xuất các phương án thiết kế tối ưu [23].
- Nghiên cứu về sự chuyển động của gió ở những loại địa hình, địa vật khác nhau [9]
- Nghiên cứu về trường gió trên tổng mặt bằng công trình [6], [7], [9], [11]; [19]
TÍNH CẤP THIẾT
Trong bối cảnh thế giới đang phải đối diện với khủng hoảng năng lượng, cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm môi trường, … đặc biệt là hiện tượng biến đổi khí hậu, định hướng phát triển bền vững nói chung và phát triển kiến trúc bền vững (KTBV) nói riêng đã trở thành quốc sách hàng đầu của nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Có nhiều giải pháp để hướng đến sự bền vững cho kiến trúc Và, khai thác TGTN cho công trình là một trong những giải pháp cơ bản và hiệu quả nhất.
Trường trung học - bao gồm trường trung học cơ sở (THCS) và trung học phổ thông - là một loại hình kiến trúc công cộng phổ biến (cứ 1000 dân cần 55 đến 70 chỗ cho học sinh trung học cơ sở và 45 đến 60 chỗ cho học sinh trung học phổ thông). Theo Tiêu chuẩn TCVN 8794:2011 Trường trung học - Yêu cầu thiết kế, đây là công trình cần “triệt để tận dụng TGTN”.
Hiệu quả TGTN trong các Trường trung học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: vị trí xây dựng, điều kiện khí hậu, giải pháp thiết kế quy hoạch, giải pháp thiết kế kiến trúc, … Tại các đô thị lớn - như thành phố Đà Nẵng - hiệu quả TGTN trong các Trường trung học còn bị ảnh hưởng bởi mật độ xây dựng lớn, chiều cao tầng của các công trình lân cận lớn, tỷ lệ diện tích của cây xanh thấp, hiện tượng đảo nhiệt, … Thiết kế TGTN hiệu quả trong các Trường trung học sẽ tạo ra các không gian tiện nghi, thân thiện cho học sinh và giáo viên, hạn chế tối đa việc sử dụng các thiết bị làm mát, mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao, hạn chế ảnh hưởng đến môi trường và hướng đến KTBV.
Hiện nay, theo tổng hợp của tác giả, chưa có nghiên cứu nào (đã được công bố) về các giải pháp thiết kế quy hoạch và thiết kế kiến trúc nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS.
Vì vậy, nghiên cứu “Giải pháp thiết kế quy hoạch và kiến trúc hướng đến hiệu quả thông gió tự nhiên cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng” là vấn đề cần thiết, vừa có ý nghĩa lý luận vừa có ý nghĩa thực tiễn cao trong thiết kếTrường THCS theo định hướng phát triển KTBV ở Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Xác định các cơ sở khoa học cho thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng.
- Đề xuất một số giải pháp thiết kế quy hoạch và kiến trúc nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng.
CÁCH TIẾP CẬN
Tổng hợp và phân tích các tài liệu liên quan, nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn vấn đề thiết kế TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng.
Từ đó, lựa chọn và sử dụng các phương pháp nghiên cứu phù hợp để giải quyết các vấn đề đặt ra.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp phân tích - tổng hợp.
- Phương pháp mô hình hóa
- Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics).
ĐỐI TƯỢNG
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về: kiến trúc bền vững, TG, TGTN trong công trình, kiến trúc trường THCS, giải pháp thiết kế thiết kế TGTN trong các Trường THCS.
- Các cơ sở khoa học cho thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng.
- Đề xuất một số giải pháp thiết kế quy hoạch và kiến trúc nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng.
BỐ CỤC CỦA BÁO CÁO TỔNG KẾT
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và giới hạn nghiên cứu, Báo cáo có cấu trúc như sau:
Chương I: Tổng quan về xu thế phát triển kiến trúc bền vững và thông gió tự nhiên trong các Trường trung học cơ sở tại Đà Nẵng
Chương II: Các cơ sở khoa học cho thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường trung học cơ sở tại thành phố Đà Nẵng
Chương III: Đề xuất một số giải pháp thiết kế quy hoạch và kiến trúc nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho loại hình kiến trúc Trường trung học cơ sở tại thành phố Đà Nẵng
Phần kết luận và kiến nghị
TỔNG QUAN VỀ XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA KIẾN TRÚC BỀN VỮNG VÀ THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG CÁC TRƯỜNG TRUNG HỌC CƠ SỞ TẠI ĐÀ NẴNG
Xu hướng phát triển Kiến trúc bền vững trên thế giới và Việt Nam
Xây dựng - đặc biệt là xây dựng phát triển tại các đô thị - là ngành sử dụng nhiều tài nguyên và tiêu tốn nhiều năng lượng trong suốt chu trình tồn tại của một công trình. Phát triển bền vững trong ngành xây dựng có ảnh hưởng rất lớn đến mục tiêu phát triển bền vững của quốc gia Chính vì vậy, phát triển kiến trúc xây dựng theo hướng bền vững là một xu thế tất yếu của nền kiến trúc thế giới nói chung và kiến trúc Việt Nam nói riêng.
Từ cuối thế kỷ XX, trên thế giới xuất hiện nhiều xu hướng kiến trúc có liên quan đến môi trường, sinh thái, như:
- Kiến trúc sinh thái (Ecologic Architecture)
- Kiến trúc môi trường (Environmental Architecture)
- Kiến trúc xanh (Green Building)
- Kiến trúc bền vững (Sustainable Architecture)
- Kiến trúc có hiệu quả năng lượng (Energy - Efficient Building) [9]
Các thuật ngữ trên có nội hàm đan xen, lồng ghép vào nhau và sự phân biệt không rõ ràng Theo Brian Edwards, giáo sư danh dự của Trường nghệ thuật Edinburgh, KTBV bao hàm các nội hàm của 4 xu hướng kiến trúc còn lại, xem Hình 1.1.
E1: Năng lượng (Energy) E2: Môi trường (Environment) E3: Sinh thái (Ecology)
S2: Bền vững (Sustainable) Hình 1.1: Khái niệm KTBV của Brian Edwards [9]
Cùng với thuật ngữ KTBV, chúng ta còn thường gặp thuật ngữ Kiến trúc xanh.Kiến trúc xanh là thiết kế kiến trúc nhằm góp phần tạo ra các Công trình xây dựng xanh Công trình xanh là những công trình hướng đến sự tăng cường hiệu quả sử dụng các nguồn tài nguyên (năng lượng, nước và vật liệu), giảm những tác động của công trình xây dựng đến sức khỏe con người và môi trường trong suốt vòng đời của công trình, từ chọn vị trí xây dựng, thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và phá hủy công trình.
Khái niệm “Xanh” ở đây có ý nghĩa là sự bền vững về môi trường, bền vững của hệ sinh thái, bền vững về tài nguyên, về năng lượng và về môi trường sống bên trong cũng như bên ngoài công trình của con người Như vậy, Kiến trúc xanh cũng chính là KTBV.
Theo [5], “Kiến trúc xanh là một tập hợp các giải pháp thiết kế kỹ thuật kiến trúc sáng tạo, thân thiện với thiên nhiên và môi trường, sử dụng hiệu quả tài nguyên - năng lượng, nguồn nước, vật liệu, và năng lượng tái tạo, bảo tồn cảnh quan và sinh thái tự nhiên, tạo điều kiện sống tốt nhất cho con người”. Để hướng đến Công trình xây dựng xanh, các giải pháp thiết kế kiến trúc cần đạt được các mục tiêu sau:
- Thích ứng với đặc điểm tự nhiên và khí hậu (tận dụng tối đa các điều kiện thuận lợi và hạn chế tối đa điều kiện bất lợi) nhằm tạo ra môi trường sống đáp ứng được các yêu cầu tiện nghi của con người.
- Tạo ra các công trình thân thiện với môi trường sinh thái tự nhiên.
- Sử dụng hạn chế, có hiệu quả các nguồn tài nguyên và năng lượng Ưu tiên tái sử dụng các nguồn tài nguyên, năng lượng sạch.
- Hạn chế, dự báo và tiên liệu được ảnh hưởng của các loại chất thải từ công trình Góp phần bảo tồn cảnh quan và sinh thái tự nhiên.
Các mục tiêu trên cần được tính đến trong suốt chu trình tồn tại (vòng đời) của công trình xây dựng, gồm 4 giai đoạn:
- Giai đoạn chuẩn bị xây dựng (sản xuất vật liệu xây dựng, trang thiết bị, …)
- Giai đoạn xây dựng (thi công xây dựng, lắp đặt trang thiết bị, …)
- Giai đoạn sử dụng (theo tuổi thọ của công trình)
- Giai đoạn thu hồi (tháo dỡ công trình)
Một số công trình kiến trúc bền vững trên thế giới, xem hình 1.2.
Như vậy, KTBV - một tên gọi khác là Kiến trúc xanh - là kiến trúc hướng đến tính thích ứng và nhạy cảm với môi trường, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên, năng lượng, thân thiện và góp phần bảo tồn môi trường sinh thái trong suốt vòng đời của công trình xây dựng.
Hình 1.2 The Crystal (Anh); Đại học công nghệ Nanyang (Singapore) [Sưu tầm]
1.1.2 Xu hướng phát triển kiến trúc bền vững trên thế giới
Bối cảnh nhân loại phải đối diện với những thách thức có tính toàn cầu, đã đặt ra cho kiến trúc phải giải quyết đồng thời các vấn đề như: sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên, tiết kiệm năng lượng, tránh gây ô nhiễm môi trường, ứng phó với hiện tượng biến đổi khí hậu, Và, việc lựa chọn định hướng phát triển bền vững cho xây dựng là xu hướng tất yếu của kiến trúc Thế giới nói chung và kiến trúc Việt Nam nói riêng. Ở một số quốc gia phát triển, hệ thống lý luận về thiết kế KTBV và thực tiễn xây dựng đã phát triển và đạt được nhiều thành tựu Từ những năm 90 của thế kỷ XX, các nước đã xây dựng các hệ thống, phương pháp hay công cụ để đánh giá các công trình xanh, như: BREEAM của Anh (1990), LEED của Mỹ (1995), CASBEE của Nhật Bản
(2001), GREEN STAR của Úc (2003), GREEN MARK của Singapore (2005), GBI (Green Building Index) của Malaysia (2008), GBL (Green Building Label) của Trung Quốc, …
1.1.3 Xu hướng phát triển kiến trúc bền vững tại Việt Nam a Kiến trúc bền vững trong các công trình kiến trúc truyền thống
Văn hóa Việt Nam thuộc loại văn hóa gốc nông nghiệp điển hình, cuộc sống con người phụ thuộc rất nhiều vào tự nhiên Chính vì thế, trong cách ứng xử với môi trường tự nhiên, cha ông ta luôn có ý thức tôn trọng và ước mong sống hài hòa với tự nhiên [13].
Quan niệm và cách ứng xử này được thể hiện rất rõ qua các đặc trưng cơ bản của kiến trúc truyền thống Việt Nam, đó là: kiến trúc được thiết kế hài hòa, thích ứng và thân thiện với môi trường; các công trình kiến trúc là một yếu tố hữu cơ của cảnh quan tự nhiên, hòa quyện vào tự nhiên thành một thể thống nhất; tận dụng các yếu tố có lợi và hạn chế các yếu tố bất lợi của tự nhiên để tạo ra môi trường tiện nghi nhất cho con người; … Đây cũng chính là những nguyên tắc cơ bản của khái niệm KTBV hiện nay. Như vậy, KTBV đã được hình thành và phát triển từ hàng ngàn năm trong kiến trúc truyền thống Việt Nam.
Trong kiến trúc nhà ở truyền thống Việt Nam, từ xa xưa, cha ông ta đã đúc kết được nhiều kinh nghiệm như: “Lấy vợ hiền hòa, làm nhà hướng Nam”, “trước trồng cau, sau trồng chuối”, sử dụng phên dậu để che nắng, hiên nhà làm không gian chuyển tiếp, khai thác các yếu tố cây xanh mặt nước để cải thiện vi khí hậu trong nhà, … [18]. b Thực trạng và xu hướng phát triển kiến trúc bền vững tại Việt Nam
Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề phát triển bền vững và sự nhạy cảm của môi trường Việt Nam đối với các thách thức toàn cầu, chính phủ Việt Nam luôn tích cực tham gia và thực hiện đúng các cam kết và tuyên bố của các Hội nghị thượng đỉnh thế giới về PTBV Theo Quyết định số 153/2004/QĐ-TTg ngày 17 tháng 8 năm
2004, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành “Định hướng chiến lược PTBV ở Việt Nam” (Chương trình Nghị sự 21 của Việt Nam).
Trong lĩnh vực xây dựng, các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng đã ban hành nhiều văn bản pháp quy, triển khai các hoạt động hướng đến PTBV, như:
- Chính phủ ban hành Nghị định số 136/2020/NĐ-CP về “Phát triển bền vững”.
- Chính phủ ban hành Nghị định số 102/2003/NĐ-CP về việc “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” (trong đó - ở chương III - nêu vấn đề sử dụng năng lượng trong các tòa nhà).
- Bộ Xây dựng ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09: 2017/BXD
“Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả”.
- Bộ Xây dựng đã ban hành “Chương trình hành động của ngành xây dựng ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng” vào năm 2011; giao cho Hội môi trường xây dựng Việt Nam (VACEE) “Xây dựng chiến lược quốc gia về phát triển công trình xanh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” [5].
Thông gió tự nhiên trong công trình
1.2.1 Thông gió trong công trình a Đặc tính lý hóa của môi trường không khí
Không khí trong bầu khí quyển là một hỗn hợp cơ học của nhiều chất khí mà chủ yếu là khí Nitơ (N2 - chiếm 78,08% thể tích), Oxi (O2 - chiếm 20,95% thể tích) và một ít hơi nước Ngoài ra, trong không khí còn chứa một lượng nhỏ các chất khí khác, như cacbonic CO2, các khí trơ (Acgon, Nêon, Hêli, Kripton, Xênon, Ôzon, …).
Trong thực tế, do sinh hoạt, quá trình sản xuất của con người hoặc do thiên tai (núi lửa, bão cát, cháy rừng, …) trong thành phần không khí có thể có các vi trùng, chất khí độc hại, bụi, [3]
- Các thông số vật lý của không khí ẩm:
Không khí ẩm là hỗn hợp không khí hoàn toàn khô và hơi nước.
+ Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước tính bằng gam (hoặc kg) chứa trong 1m 3 không khí ẩm.
Ký hiệu: D; đơn vị: g/m 3 hoặc kg/m 3
+ Độ ẩm tương đối (hay mức độ no hơi nước) của không khí là tỷ số của Độ ẩm tuyệt đối D và Độ ẩm tuyệt đối bão hòa Dbh ở cùng nhiệt độ.
+ Dung ẩm là lượng hơi nước tính bằng gam trong một khối không khí ẩm có trọng lượng phần khô là 1kg.
Ký hiệu: d; đơn vị: g/kg k.k.khô
+ Trọng lượng đơn vị của không khí ẩm là trọng lượng không khí (bao gồm phần khô và hơi nước) trên một đơn vị thể tích.
Ký hiệu: γ, đơn vị: kg/m 3
+ Trọng lượng phần khô trong 1m 3 không khí ẩm.
Ký hiệu: gkhô; đơn vị: kg/m3 k.k.ẩm
+ Nhiệt dung (Entanpi) của không khí ẩm là lượng nhiệt chứa trong một khối không khí ẩm có trọng lượng phần khô là 1kg.
Ký hiệu: I; đơn vị: kcal/ kg k.k.khô
[3], [11] b Các khái niệm về thông gió trong công trình
TG trong công trình là lĩnh vực khoa học kỹ thuật có liên quan đến nhiều ngành, như: kiến trúc, xây dựng, nhiệt kỹ thuật, thủy khí động lực, vệ sinh và an toàn lao động, cơ khí chế tạo, …
TG trong công trình có chức năng làm cho môi trường không khí bên trong công trình - với các thông số về: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động của không khí, thành phần không khí, … - đáp ứng được yêu cầu về tiện nghi của người sử dụng.
Khai thác các yếu tố tự nhiên để TG cho công trình hướng đến tiện nghi cho người sử dụng đã được nhiều dân tộc trên thế giới áp dụng phổ biến từ hàng ngàn năm nay Nhưng đến thế kỷ XVIII, khi nền sản xuất công nghiệp ra đời và phát triển - đánh dấu bằng sự xuất hiện của máy hơi nước - thì TG mới trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và trở thành một ngành chuyên môn riêng biệt Một số nhà khoa học có nhiều cống hiến và đặt nền tảng cho lĩnh vực chuyên môn TG phải kể đến: N A Lovou, A A Xablukov (người đầu tiên chế tạo ra quạt máy vào thế kỷ 19); I I Flavisky (người đầu tiên nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số môi trường không khí đến cảm giác nhiệt của con người); A K Pavlosky; V M Traplin; A N. Xeliverstov; A V Nhesterenko; G Kraft; K Petsold; V Keys; A Missenare; J. Barton; … [3]
Như vậy, TG trong công trình là lĩnh vực khoa học kỹ thuật nghiên cứu về sự chuyển động của không khí bên trong công trình hay sự trao đổi không khí giữa bên trong và bên ngoài công trình nhằm đáp ứng các yêu cầu về tiện nghi cho người sử dụng.
Hệ thống TG trong công trình gồm 2 loại:
- Hệ thống TGTN: là hệ thống TG dựa vào các nguồn lực tự nhiên như: áp lực gió hoặc sức đẩy nổi của không khí.
- Hệ thống TG nhân tạo (TG cơ khí): là hệ thống TG dựa vào các thiết bị nhân tạo như: quạt hút, quạt thổi, thiết bị lọc bụi, thiết bị sấy - làm mát không khí, …
Hai hệ thống TG trên đều có những ưu điểm, nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau Trong các công trình kiến trúc, tùy theo đặc điểm, tính chất và yêu cầu cụ thể để chọn một trong hai hệ thống hoặc kết hợp cả hai hệ thống trên.
1.2.2 Thông gió tự nhiên trong công trình a Khái niệm
TGTN là hiện tượng chuyển động của khối không khí trong công trình dưới tác dụng của các lực tự nhiên như áp lực của gió hoặc sức đẩy nổi của không khí. b Gió và sự biến thiên vận tốc gió theo chiều cao
Gió là một hiện tượng vật lý có sự thay đổi liên tục và không theo qui luật Đặc điểm ngẫu nhiên đó của gió là do chuyển động rối (turbulence) của các phần tử không khí Ở lớp biên khí quyển, các vật cản trên bề mặt trái đất và các luồng gió do hiệu ứng đẩy nổi của nhiệt tạo nên chuyển động rối Càng lên cao, độ rối càng giảm.
Vận tốc gió tức thời v tại một thời điểm (t) được xác định bằng công thức: v(t) = + v’(t) Trong đó: : giá trị vận tốc trung bình. v’(t) : đại lượng biến thiên của gió [19].
Giá trị vận tốc gió thay đổi theo chiều cao và được xác định theo quy luật hàm logarit hoặc hàm số mũ Độ cao, mà từ đó vận tốc gió không thay đổi, gọi là độ cao Gradient - ký hiệu HG HG phụ thuộc vào đặc điểm của địa hình - xem Hình 1.3.
Vận tốc gió VH tại độ cao H (m) được xác định theo công thức:
H z Trong đó: + VH là vận tốc gió ở cao độ H (m)
+ Vz là vận tốc gió ở cao độ tham chiếu Hz
+ δ: chiều dày lớp biên khí quyển.
+ a: hệ số mũ (được xác định bằng thực nghiệm) [20].
Hình 1.3 Sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao của các dạng địa hình [36] c Đặc điểm luồng gió xung quanh công trình:
Khi thổi đến công trình, gió sẽ bị phân tán tại các cạnh của của công trình tạo nên các vùng đón gió có áp lực dương (+), vùng quẩn gió có áp lực âm (-) Hình 1.4 thể hiện đặc điểm luồng gió khi thổi đến một công trình có dạng khối hộp chữ nhật.
Hình 1.4 Đặc điểm luồng gió khi thổi đến công trình [20] d Các hình thức thông gió tự nhiên
- TG nhờ áp lực khí động (wind driven ventilation)
TG nhờ áp lực khí động: chuyển động của khối không khí được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa mặt đón gió (áp lực +) và mặt khuất gió (áp lực -) Khi gió thổi đến công trình sẽ tạo ra áp lực gió dương (+) trên mặt đón gió và áp lực gió âm (-) trên mặt khuất gió của công trình Nếu trên các bề mặt có khoảng mở (cửa, khe hở, …), theo nguyên lý cân bằng áp suất, gió sẽ đi xuyên qua (Xem hình 1.5a)
- TG nhờ chênh lệch nhiệt độ (stack ventilation)
TG nhờ chênh lệch nhiệt độ: chuyển động của khối không khí được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài công trình; không khí ở nơi có nhiệt độ cao (+) sẽ chuyển động lên cao và không khí ở nơi có nhiệt độ thấp (-) hơn tràn vào chiếm chỗ (Xem hình 1.5b) a TG nhờ áp lực khí động b TG nhờ chênh lệch nhiệt độ Hình 1.5 Các hình thức thông gió tự nhiên e Mục đích của việc tổ chức thông gió tự nhiên
Trường trung học cơ sở
Hệ thống giáo dục quốc dân ở Việt Nam là hệ thống giáo dục mở, liên thông gồm giáo dục chính quy và giáo dục thường xuyên Trong đó, cấp học, trình độ đào tạo của hệ thống giáo dục quốc dân bao gồm:
- Giáo dục mầm non gồm giáo dục nhà trẻ và giáo dục mẫu giáo;
- Giáo dục phổ thông gồm giáo dục tiểu học, giáo dục THCS và giáo dục trung học phổ thông;
- Giáo dục nghề nghiệp đào tạo trình độ sơ cấp, trình độ trung cấp, trình độ cao đẳng và các chương trình đào tạo nghề nghiệp khác;
- Giáo dục đại học đào tạo trình độ đại học, trình độ thạc sĩ và trình độ tiến sĩ. [12]
Theo Điều 28 Luật giáo dục, “Giáo dục trung học cơ sở được thực hiện trong 04 năm học, từ lớp sáu đến hết lớp chín Học sinh vào học lớp sáu phải hoàn thành chương trình tiểu học Tuổi của học sinh vào học lớp sáu là 11 tuổi và được tính theo năm” [12]
Như vậy, kiến trúc Trường THCS là loại hình kiến trúc công cộng, có chức năng phục vụ hoạt động giảng dạy, học tập, sinh hoạt của giáo viện và học sinh từ lớp sáu đến hết lớp chín.
Hình 1.6 Phương án thiết kế Trường THCS Trưng Vương (thành phố Đà Nẵng) [St]
Tổng quan về đầu tư, thiết kế xây dựng và tổ chức thông gió tại các trường
Giáo dục là luôn là lĩnh vực được thành phố Đà Nẵng quan tâm, không ngừng đầu tư, tạo điều kiện phát triển nhằm từng bước thực hiện Nghị quyết số 29-NQ/TW của Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, hướng đến chất lượng, phát triển giáo dục theo chiều sâu.
Nhằm tăng cường cơ sở vật chất, bảo đảm chất lượng các hoạt động GD&ĐT những năm tiếp theo, UBND thành phố đã phê duyệt đề án Xây dựng, nâng cấp, mở rộng trường học giai đoạn 2021-2025 trên địa bàn thành phố, với mạng lưới 452 đơn vị, trường học, 339.315 học sinh Trong đó, có 238 trường mầm non, mẫu giáo; 109 trường tiểu học; 64 trường THCS; 38 trường trung học phổ thông và phổ thông liên cấp; 3 trung tâm giáo dục thường xuyên thành phố [4]
Các trường THCS tại thành phố Đà Nẵng đều được quan tâm đầu tư xây dựng cơ sở vật chất, số phòng học và các phòng chức năng trong trường - về cơ bản - đáp ứng được quy mô học sinh hiện nay của các Trường. a Trường THCS Nguyễn Huệ b Trường THCS Ngô Thì
Nhậm Hình 1.7 Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng [St]
TG trong các trường THCS chủ yếu là TGTN, với một số giải pháp TG bằng áp lực khí động qua các loại cửa sổ, cửa đi, các không gian đa năng (là các khoảng trống ở các tầng), … Các khảo sát sơ bộ tại các Trường THCS tại Đà Nẵng - đối tượng khảo sát là giáo viên và sinh viên - cho thấy, các giải pháp thiết kế TGTN chưa đảm báo yêu cầu về tiện nghi nhiệt cho người sử dụng, nhất là vào các tháng 4 và tháng 5 Hiệu quả TGTN trong các Trường THCS còn bị ảnh hưởng bởi mật độ xây dựng lớn, chiều cao tầng của các công trình lân cận lớn, tỷ lệ diện tích của cây xanh thấp, hiện tượng đảo nhiệt, … Vì vậy, phòng học của nhiều trường THCS tại thành phố Đà Nẵng (đặc biệt là các trường nằm trong trung tâm thành phố, nơi diện tích khu đất xây dựng không lớn, mật độ xây dựng cao, …) đã tổ chức TG bằng giải pháp nhân tạo, đó là sử dụng điều hòa không khí.
CÁC CƠ SỞ KHOA HỌC CHO THIẾT KẾ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TGTN CHO LOẠI HÌNH KIẾN TRÚC TRƯỜNG TRUNG HỌC CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
Cơ sở về lý luận
2.1.1 Một số mô hình tính toán (nghiên cứu) thông gió tự nhiên phổ biến
Các quá trình vật lý liên quan đến TGTN rất phức tạp và việc giải thích vai trò của các quá trình này đến hiệu quả của TG là nhiệm vụ rất khó khăn Hiện nay đã có nhiều công cụ hay mô hình tính toán TG khác nhau được nghiên cứu phát triển. a Mô hình phân tích (Analytical models)
Mô hình phân tích được dựa trên các phương trình cơ bản của cơ lưu chất và truyền nhiệt, như: các phương trình bảo toàn về khối lượng, năng lượng, mômen và các thành phần hóa học Mô hình này cần sự đơn giản hóa các điều kiện biên về hình học và nhiệt của dòng lưu chất để đạt được kết quả Các phương trình cuối cùng đạt được trong từng trường hợp có thể không áp dụng được cho các trường hợp khác nếu không được bổ sung, hiệu chỉnh Tuy nhiên, phương pháp luận và kết quả gần đúng có thể tương tự trong các trường hợp khác.
Mặc dù các kết quả có độ chính xác chưa cao hoặc không cung cấp nhiều thông tin, ngày nay, mô hình phân tích vẫn được sử dụng rộng rãi do các đặc điểm của nó là: đơn giản, không cần sử dụng máy tính và phù hợp với việc phân tích định tính [21] b Mô hình kinh nghiệm (Empirical models)
Tương tự như mô hình phân tích, mô hình kinh nghiệm dựa trên các phương trình bảo toàn về khối lượng, năng lượng và các thành phần hóa học Trong nhiều trường hợp, dữ liệu của đo đạc thực nghiệm và ưu điểm của phương pháp mô phỏng trên máy tính cũng được sử dụng trong nghiên cứu mô hình kinh nghiệm để xác định các hệ số trong các trường hợp cụ thể.
Những mô hình kinh nghiệm đơn giản thường dùng các công thức đơn giản để tính toán lưu lượng TG hoặc vận tốc trung bình của không khí trong công trình có hình dạng đơn giản và được giả định là 1 vùng (single zone), bỏ qua các vách ngăn bên trong Các biểu thức dựa vào các thông số của dòng khí, như: sự khác nhau về nhiệt độ, vận tốc gió và biên độ giao động để tính toán lưu lượng dòng khí hoặc vận tốc không khí trong một công trình Mô hình này có ưu điểm là tính toán nhanh nhưng chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp nhất định Có 2 nhóm phương pháp tính toán cơ bản cho mô hình kinh nghiệm:
* Nhóm phương pháp tính toán lưu lượng luồng khí trong các công trình được TGTN:
- Phương pháp theo tiêu chuẩn Anh (The British Standards method) đề xuất công thức tính toán thẩm thấu không khí và TG trong trường hợp TG một mặt và TG xuyên phòng.
- Phương pháp của Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ (The ASHRAE method)
- Phương pháp De Gidds và Phaff
* Nhóm phương pháp đánh giá vận tốc không khí bên trong của các công trình được TGTN:
- Phương pháp dựa vào dữ liệu bảng
- Phương pháp luận CSBT (Centre Scientifique et Technique du Batiment)
Những ứng dụng của mô hình kinh nghiệm đã chứng minh đây là một công cụ có hiệu quả, kinh tế của các nhà thiết kế và kỹ sư trong việc thiết kế TG cho công trình. Sau một vài thập niên phát triển, theo các thống kê trong thời gian gần đây, mô hình này ít được sử dụng và ít đóng góp cho các tài liệu nghiên cứu chuyên sâu.
[19], [21] c Mô hình thí nghiệm (Experimental models)
* Mô hình thí nghiệm tỷ lệ nhỏ (Small-scale experimental models)
Mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thu nhỏ sử dụng các kỹ thuật đo đạc trên các mô hình công trình thu nhỏ để dự đoán hay đánh giá TG trong công trình Mô hình này cho phép thu được kết quả về hiệu quả TG thực bằng các đo đạc trực tiếp các đại lượng về nhiệt của dòng khí trên mô hình thu nhỏ nếu các dòng khí trong mô hình tương tự với thực tế. Để đạt được sự tương đương của dòng không khí giữa mô hình thí nghiệm thu nhỏ và công trình thực, các tham số không thứ nguyên quan trọng của dòng không khí trong mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thu nhỏ (như: số Reynolds, số Grashof, số Prandtl,
…) và công trình thực phải như nhau Khi truyền nhiệt trong các phòng được TG, rất khó để cho các số Reynolds và số Grashof giống nhau Một giải pháp được sử dụng, đó là dùng các chất lỏng có độ đặc khác nhau (như: nước hoặc Freon) để mô phỏng sức đẩy nổi của nhiệt.
Mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thu nhỏ rất hiệu quả và kinh tế trong nghiên cứu
TG trong công trình Theo nghiên cứu tổng quan Qingyan Chen, mô hình này chủ yếu được sử dụng để đánh giá lại các kết quả thu được nhờ các mô hình phân tích, mô hình kinh nghiệm và mô hình số [21]
* Mô hình thí nghiệm tỷ lệ thực (Full-scale experimental models)
Mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu
TG công trình Cũng như mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thu nhỏ, mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực chủ yếu sử dụng các dữ liệu thu được để kiểm chứng mức độ chính xác của các mô hình số, đặc biệt là mô hình CFD.
Mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực có thể chia thành 2 loại:
- Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm (Laboratory experiment): sử dụng một khoang (chamber) và môi trường trong đó để giả định một phòng hay một công trình một tầng có nhiều phòng Các điều kiện biên về nhiệt của dòng khí có thể được chủ động điều chỉnh Trong các nghiên cứu có liên quan đến điều kiện gió ngoài nhà thì khoang này được đặt trong một ống khí động (wind tunnel) Giải pháp dùng ống khí động là giải pháp cần kinh phí thực hiện rất lớn.
- Đo đạc trên thực địa (In-situ mearusement): Đối với những công trình có quy mô lớn, nhiều tầng thì rất khó để tạo ra mô hình tỉ lệ thực cho nghiên cứu Giải pháp ở đây là đo đạc, quan trắc trên một công trình đang tồn tại - có những đặc điểm tương đồng với công trình cần thiết kế - để đưa ra các kết luận về hiệu quả TG Giải pháp này tồn tại một số hạn chế sau: rất khó kiểm soát các điều kiện biên cho thí nghiệm, thường xảy ra hiện tượng nhiễu loạn trong quá trình thí nghiệm đo đạc, kết quả đo đạc của công trình này có thể không áp dụng được cho các công trình tương tự gần đó, … Những năm vừa qua, mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực được sử dụng trong rất nhiều nghiên cứu Các ứng dụng gần đây cho thấy, mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực đã mang lại các kết quả gần với thực tế trong công trình nhất Tuy nhiên, đây là mô hình tốn nhiều kinh phí và tốn thời gian thực hiện.
Xu hướng hiện nay thường sử dụng mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực để có các dữ liệu dùng để đánh giá các mô hình số (như mô hình CFD), sau đó sử dụng các kết quả đánh giá trên mô hình số để đưa ra các dự báo về hiệu quả TG và thiết kế hệ thống
TG Trong 2 loại mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực, đo đạc trên thực địa được sử dụng phổ biến hơn [21] d Mô hình đa vùng (Multizone models)
Mô hình đa vùng chủ yếu được sử dụng để dự đoán tốc độ thay đổi không khí và sự phân bố các luồng không khí trong các công trình (có hay không sử dụng hệ thống
TG cơ khí) Ngoài ra, mô hình này còn được sử dụng để tính toán hiệu quả TG, nhu cầu năng lượng, trao đổi chất ô nhiễm, khói bụi, …
Cơ sở về thực tiễn
2.2.1 Vị trí địa lý và đặc điểm khí hậu của thành phố Đà Nẵng a Vị trí địa lý Đà Nẵng nằm ở vị trí trung độ của đất nước, có vị trí trọng yếu cả về kinh tế - xã hội và quốc phòng - an ninh, là đầu mối giao thông quan trọng về đường bộ, đường sắt, đường biển và đường hàng không, cửa ngõ chính ra Biển Đông của các tỉnh miền Trung, Tây Nguyên và các nước tiểu vùng Mê Kông.
- Tọa độ địa lý: từ 15°15' đến 16°40' Bắc và từ 107°17' đến 108°20' Đông.
+ Phía Bắc: tiếp giáp với tỉnh Thừa Thiên Huế.
+ Phía Đông: tiếp giáp với Biển Đông.
+ Phía Tây và Nam: tiếp với tỉnh Quảng Nam. b Địa hình Địa hình thành phố Đà Nẵng đa dạng, bị chia cắt mạnh, hướng dốc từ Tây - Bắc xuống Đông - Nam, có thể chia thành 3 dạng địa hình chính:
- Địa hình núi cao: Phân bố ở phía Tây và Tây Bắc của thành phố (Hoà Bắc, Hoà Liên, Hoà Ninh, Hòa Phú), có độ cao trung bình từ 500 – 1.000m, gồm nhiều dãy núi nối tiếp nhau đâm ra biển, đây là vùng địa hình có độ chia cắt mạnh, một số thung lũng xen kẽ với núi cao như Bà Nà (1.487m), Hoi Mít (1.292m), Núi Mân (1.712m).
- Địa hình đồi gò: Phân bố ở phía Tây, Tây Bắc thành phố, gồm các xã Hoà Liên, Hoà Sơn, Hoà Nhơn, Hoà Phong và một phần các xã Hoà Khương, Hoà Ninh của huyện Hoà Vang Đây là khu vực chuyển tiếp giữa núi cao và đồng bằng, đặc trưng của vùng này là dạng đồi bát úp, bạc màu, các loại đá biến chất, thường trơ sỏi đá, có độ cao trung bình từ 50 - 100m, ở đây có nhiều đồi lượn sóng, mức độ chia cắt ít, độ dốc thay đổi từ 30 – 80m.
- Địa hình đồng bằng: Phân bố chủ yếu ở phía Đông thành phố, dọc theo các con sông lớn: Sông Yên, sông Tuý Loan, sông Cẩm Lệ, sông Vĩnh Điện, sông Cu Đê, sông Hàn và dọc theo biển Địa hình đồng bằng bị chia cắt nhiều và nhỏ, hẹp, có nhiều hướng dốc, dọc theo bờ biển Đây là vùng địa hình tương đối thấp, tập trung dân cư, nhiều cơ sở nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, quân sự và các khu chức năng của Thành phố.
Khí hậu của Đà Nẵng khắc nghiệt, mùa mưa và mùa khô phân biệt rõ rệt và đến muộn hơn các tỉnh phía Bắc 2 tháng Mùa khô hạn kéo dài trong 6 tháng gây nên tình trạng hạn hán nghiêm trọng, mức nước các dòng sông xuống thấp, nước mặn xâm nhập sâu vào các dòng sông, ảnh hưởng lớn đến vị trí lấy nước cấp cho Thành phố.
- Do vị trí địa lý và đặc điểm địa hình Thành phố, phía Bắc có đèo Hải Vân chắn nên Đà Nẵng ít chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, chế độ nhiệt ít chênh lệch giữa mùa hè và mùa Đông, ở mức khoảng 3-5°C.
+ Nhiệt độ trung bình năm : 25,6°C
+ Nhiệt độ cao nhất trung bình : 29°C
+ Nhiệt độ thấp nhất trung bình : 22,7°C
+ Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối : 40,9°C
+ Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối : 10,2°C
- Biên độ dao động nhiệt giữa các ngày và các tháng liên tiếp trong năm khoảng 3-5°C.
+ Độ ẩm không khí trung bình năm : 82%
+ Độ ẩm không khí cao nhất trung bình : 90%
+ Độ ẩm không khí thấp nhất trung bình : 75%
+ Độ ẩm không khí thấp nhất tuyệt đối : 10%
+ Lượng mưa trung bình năm : 2.066mm
+ Lượng mưa năm lớn nhất (1964) : 3.307mm
+ Lượng mưa năm nhỏ nhất (1974) : 1.400mm
+ Lượng mưa ngày lớn nhất : 332mm
+ Số ngày mưa trung bình năm : 144 ngày
+ Số ngày mưa trung bình nhiều nhất / tháng : 22 ngày
+ Số giờ nắng trung bình : 2.158 giờ/năm
+ Số giờ nắng trung bình nhiều nhất : 248 giờ/tháng
+ Số giờ nắng trung bình ít nhất : 120 giờ/tháng
+ Lượng bốc hơi trung bình : 2.107mm/năm
+ Lượng bốc hơi trung bình nhiều nhất : 241mm/năm
+ Lượng bốc hơi trung bình thấp nhất : 119mm/năm
+ Trung bình lưu lượng toàn thể : 5,3
+ Trung bình lưu lượng hạ tầng : 3,3
Hình 2.1: Tần suất trung bình của gió theo các hướng của từng tháng tại Đà Nẵng
(nguồn số liệu [1]) a Tần suất trung bình (%) b Vận tốc trung bình (m/s) Hình 2.2: Tần suất trung bình và vận tốc trung bình của gió theo các hướng của từng tháng tại Đà Nẵng (nguồn số liệu [1])
2.2.2 Tiềm năng khai thác thông gió tự nhiên cho các loại hình công trình kiến trúc tại Đà Nẵng
Tiềm năng khai thác TGTN trong công trình kiến trúc được đánh giá thông qua thời gian - tính theo số giờ - trong năm có thể sử dụng TGTN để đạt được các nhu cầu tiện nghi nhiệt và nhu cầu về TG trong công trình của người sử dụng Số giờ này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu ngoài nhà, đó là: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió, tình trạng về thành phần không khí, tiếng ồn, … và mô hình tiện nghi nhiệt được lựa chọn tính toán.
Trong một nghiên cứu về tiềm năng khai thác TGTN cho chung cư cao tầng [16] tác giả đã sử dụng dữ liệu thời tiết của 8.760 giờ trong năm [28], mô hình TNN thích ứng và biểu đồ tiện nghi SKH để xác định kết quả về số giờ tiện nghi từng tháng của Đà Nẵng Kết quả về số giờ tiện nghi, số giờ cần thông gió để đạt tiện nghi trong từng tháng và năm của Đà Nẵng được thể hiện ở hình 2.3 và tổng hợp ở bảng 2.1.
Theo bảng 2.1, tại Đà Nẵng, số giờ trong năm đạt điều kiện tiện nghi là 3.207 giờ và số giờ cần thông gió làm mát để đạt điều kiện tiện nghi là 1.917 giờ [16] Như vậy, tổng thời gian trong năm ở Đà Nẵng có thể sử dụng TGTN để đạt điều kiện tiện nghi có thể lên đến 5.124 giờ - tương đương 58.5% thời gian trong năm [16]. a Tháng 1 b Tháng 2 c Tháng 3 d Tháng 4 e Tháng 5 f Tháng 6 g Tháng 7 h Tháng 8 i Tháng 9 j Tháng 10 k Tháng 11 l Tháng 12
Hình 2.3: Biểu đồ tiện nghi sinh khí hậu của Đà Nẵng theo tháng [16].
.Bảng 2.1: Số liệu về số giờ tiện nghi theo tháng và năm của Đà Nẵng [16]
T Nội dung Tháng Cả năm
1 Số giờ trong vùng tiện nghi (TN) 352 309 401 256 185 145 158 181 205 305 370 340 3.207
Số giờ cần thông gió để tiện nghi
3 Tổng số giờ tiện nghi (TN + TG) 360 317 530 456 453 388 392 407 468 543 456 354 5124
Kết quả này cho thấy tiềm năng khai thác TGTN cho công trình kiến trúc nói chung và công trình kiến trúc Trường THCS nói riêng là rất lớn Đây là cơ sở quan trọng để đề xuất các phương án khai thác TGTN cho loại hình công trình kiến trúc này.
2.2.3 Thực trạng xây dựng công trình Trường trung học cơ sở tại Đà Nẵng a Thống kê số liệu về tên và địa điểm xây dựng của các trường THCS
Danh sách các Trường THCS xếp theo các quận tại thành phố Đà Nẵng - xem Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Danh sách các Trường THCS theo các quận tại thành phố Đà Nẵng
STT Tên trường Quận Ghi chú
1 Trường THCS Tây Sơn Hải Châu
2 Trường THCS Trần Hưng Đạo Hải Châu
3 Trường THCS Lý Thường Kiệt Hải Châu
4 Trường THCS Sào Nam Hải Châu
5 Trường THCS Kim Đồng Hải Châu
6 Trường THCS Trưng Vương Hải Châu
7 Trường THCS Nguyễn Huệ Hải Châu
8 Trường THCS Lê Thánh Tôn Hải Châu
9 Trường THCS Lê Hồng Phong Hải Châu
10 Trường THCS Hồ Nghinh Hải Châu
11 Trường Sky-Line (Bậc THCS) Hải Châu
STT Tên trường Quận Ghi chú
12 Trường TH-THCS Đức trí Hải Châu
13 Trường THCS Huỳnh Thúc Kháng Thanh Khê
14 Trường THCS Hoàng Diệu Thanh Khê
15 Trường THCS Đỗ Đăng Tuyển Thanh Khê
16 Trường THCS Nguyễn Đình Chiểu Thanh Khê
17 Trường THCS Nguyễn Thị Minh Khai Thanh Khê
18 Trường THCS Chu Văn An Thanh Khê
19 Trường THCS Nguyễn Duy Hiệu Thanh Khê
20 Trường THCS Nguyễn Trãi Thanh Khê
21 Trường THCS Lê Thị Hồng Gấm Thanh Khê
22 Trường THCS Phan Đình Phùng Thanh Khê
23 Trường THCS Nguyễn Chơn Thanh Khê
24 Trường THCS Nguyễn Văn Cừ Sơn Trà
25 Trường THCS Cao Thắng Sơn Trà
26 Trường THCS Phan Bội Châu Sơn Trà
27 Trường THCS Lê Độ Sơn Trà
28 Trường THCS Nguyễn Chí Thanh Sơn Trà
29 Trường THCS Phạm Ngọc Thạch Sơn Trà
30 Trường THCS Lý Tự Trọng Sơn Trà
31 Trường THCS Hoàng Sa Sơn Trà
32 Trường THCS Ngô Quyền Sơn Trà
33 Trường TH, THCS, THPT Quốc tế Hoa Kỳ APU Ngũ Hành Sơn
34 Trường THCS Huỳnh Bá Chánh Ngũ Hành Sơn
35 Trường THCS Nguyễn Bỉnh Khiêm Ngũ Hành Sơn
36 Trường THCS Trần Đại Nghĩa Ngũ Hành Sơn
37 Trường THCS Lê Lợi Ngũ Hành Sơn
38 Trường TH, THCS FPT Đà Nẵng Ngũ Hành Sơn
39 Trường THCS Nguyễn Bỉnh Khiêm Liên Chiểu
40 Trường THCS Ngô Thì Nhậm Liên Chiểu
STT Tên trường Quận Ghi chú
41 Trường THCS Lương Thế Vinh Liên Chiểu
42 Trường THCS Nguyễn Lương Bằng Liên Chiểu
43 Trường THCS Lê Anh Xuân Liên Chiểu
44 Trường THCS Nguyễn Thái Bình Liên Chiểu
45 Trường THCS Đàm Quang Trung Liên Chiểu
46 Trường THCS Nguyễn Thiện Thuật Cẩm Lệ
47 Trường THCS Nguyễn Văn Linh Cẩm Lệ
48 Trường THCS Đặng Thai Mai Cẩm Lệ
49 Trường THCS Nguyễn Thị Định Cẩm Lệ
50 Trường THCS Nguyễn Công Trứ Cẩm Lệ
51 Trường THCS và THPT Nguyễn Khuyến Cẩm Lệ
52 Trường THCS Trần Quý Cáp Cẩm Lệ
53 Trường THCS & THPT Hiển Nhân Cẩm Lệ
54 Trường THCS Nguyễn Phú Hường Hòa Vang
55 Trường THCS Nguyễn Hồng Ánh Hòa Vang
56 Trường THCS Trần Quốc Tuấn Hòa Vang
57 Trường THCS Ông Ích Đường Hòa Vang
58 Trường THCS Phạm Văn Đồng Hòa Vang
59 Trường THCS Trần Quang Khải Hòa Vang
60 Trường THCS Nguyễn Viết Xuân Hòa Vang
61 Trường THCS Nguyễn Bá Phát Hòa Vang
62 Trường THCS Nguyễn Tri Phương Hòa Vang
63 Trường THCS Nguyễn Văn Linh Hòa Vang
64 Trường THCS Đỗ Thúc Tịnh Hòa Vang b Phân loại theo phân kỳ đầu tư xây dựng
Phân kỳ đầu tư xây dựng của các công trình kiến trúc Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng thường có 3 loại:
- Thiết kế và xây dựng mới đồng bộ một lần Ví dụ: Trường THCS Trưng Vương(Quận Hải Châu).
- Thiết kế mới đồng bộ - xây dựng được phân làm nhiều giai đoạn Ví dụ: Trường THCS Ngô Thì Nhậm (Quận Liên Chiểu), Trường THCS Nguyễn Thái Bình (Quận Liên Chiểu),
- Thiết kế cải tạo các công trình Trường học cũ đã xuống cấp hay không còn đảm bảo về quy mô Ví dụ: Trường THCS Lê Hồng Phong (Quận Hải Châu), Trường THCS Lê Anh Xuân (Quận Liên Chiểu),
Trong đề tài này, tác giả chọn đối tượng nghiên cứu là các công trình loại 1 và 2 nên trên.
Cơ sở về pháp lý
a Văn bản pháp quy về phát triển bền vững ở Việt Nam
- Quyết định số 153/2004/QĐ-TTg, ngày 17 tháng 8 năm 2004 của Thủ tướng Chính phủ, về việc ban hành “Định hướng chiến lược PTBV ở Việt Nam (Chương trình Nghị sự 21 của Việt Nam)”.
- Quyết định số 432/QĐ-TTg, ngày 12 tháng 4 năm 2012 của Thủ tướng Chính phủ, về việc “Phê duyệt Chiến lược PTBV Việt Nam, giai đoạn 2011-2020”.
- Quyết định số 681/QĐ-TTg ngày 04/6/2019 của Thủ tướng Chính phủ, về việc ban hành “Lộ trình thực hiện các mục tiêu phát triển bền vững Việt Nam đến năm 2030”.
- Nghị quyết số 136/NQ-CP ngày 25/9/2020 của Chính phủ, về phát triển bền vững. b Văn bản pháp quy về thiết kế kiến trúc hướng đến hiệu quả năng lượng trong công trình ở Việt Nam
- Luật số 50/2010/QH12, ngày 17 tháng 6 năm 2010 của Quốc hội, về “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”.
- Nghị định số 21/2011/NĐ-CP, ngày 29 tháng 3 năm 2011 của Chính phủ, về
“Quy định chi tiết và biện pháp thi hành Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”.
- Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg, ngày 14 tháng 4 năm 2006 của Thủ tướngChính phủ, về việc “Phê duyệt Chương trình mục tiêu quốc gia về Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, giai đoạn 2006 - 2015”.
- Quyết định số 1427/2012/QĐ-TTg, ngày 2 tháng 10 năm 2012 của Thủ tướng Chính phủ, về việc “Phê duyệt Chương trình mục tiêu quốc gia về Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2012 - 2015”.
- Quyết định số 1393/2012/QĐ-TTg, ngày 25 tháng 9 năm 2012 của Thủ tướng Chính phủ, về việc “Phê duyệt Chiến lược quốc gia về Tăng trưởng xanh”.
- Thông tư số 15/2017/TT-BXD, ngày 28 tháng 12 năm 2017 của Bộ xây dựng, về việc ban hành QCVN 09:2017/BXD về “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả”. c Các Quy chuẩn và Tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến trường THCS tại Việt Nam
Thiết kế kiến trúc nói chung và thiết kế TGTN nói riêng cho trường THCS tuân thủ nguyên lý thiết kế kiến trúc công trình công cộng, nguyên lý thiết kế kiến trúc trường học, các Quy chuẩn quốc gia và Tiêu chuẩn quốc gia hiện hành về loại hình công trình kiến trúc trường THCS.
Một số Quy chuẩn quốc gia và Tiêu chuẩn quốc gia hiện hành:
- Quy chuẩn 01:2021/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Quy hoạch xây dựng.
- Quy chuẩn 02:2021/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng.
- Quy chuẩn 10:2014/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Xây dựng công trình đảm bảo người khuyết tật tiếp cận sử dụng.
- Quy chuẩn 06:2021/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về An toàn cháy cho nhà và công trình.
- Tiêu chuẩn TCVN 8794:2011 Trường trung học - Yêu cầu thiết kế.
- Tiêu chuẩn TCVN 5687:2010 Thông gió - Điều hòa không khí Tiêu chuẩn thiết kế.
ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ QUY HOẠCH VÀ KIẾN TRÚC NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TGTN CHO LOẠI HÌNH KIẾN TRÚC TRƯỜNG TRUNG HỌC CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
Chiến lược thông gió tự nhiên cho công trình kiến trúc trường trung học cơ sở tại thành phố Đà Nẵng
sở tại thành phố Đà Nẵng
3.1.1 Các chiến lược thông gió làm mát cơ bản
Chiến lược TG làm mát có vai trò quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp thiết kế kiến trúc nhằm nâng cao hiệu quả TGTN cho công trình Các chiến lược TG cơ bản, gồm:
- TG ban ngày (daytime - only ventilation).
- TG ban đêm (nighttime - only ventilation).
- TG cả ngày (full - day ventilation).
Việc lựa chọn chiến lược TG phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm khí hậu tại địa điểm xây dựng (nhiệt độ, độ ẩm, biên độ nhiệt độ giữa ngày và đêm, …) và đặc điểm về thời gian sử dụng công trình.
3.1.2 Cơ sở đề xuất chiến lược thông gió cho công trình kiến trúc trường trung học cơ sở ở thành phố Đà Nẵng
- Thành phố Đà Nẵng trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, nhiệt độ cao và ít biến động Là thành phố có đặc điểm cảnh quan tự nhiên phong phú, với: sông, núi biển và rừng ngay trong lòng thành phố Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 12, mùa khô từ tháng 1 đến tháng 7 Thỉnh thoảng có những đợt rét mùa đông, nhưng không đậm và không kéo dài.
- Biên độ nhiệt độ giữa ngày và đêm của các tháng không lớn, trung bình từ 5.0°C (vào tháng 12) đến 8.7°C (vào tháng 7).
Bảng 3.1: Biên độ ngày của nhiệt độ không khí trung bình tháng và năm (°C) của thành phố Đà Nẵng [1].
- Độ ẩm tương đối lại rất cao, trung bình của các tháng đạt từ 75.8% đến 85.4%.
Bảng 3.2: Độ ẩm tương đối của không khí trung bình tháng và năm (%) của thành phố Đà Nẵng [1].
- Các công trình trường THCS đều được thiết kế TGTN, các thiết bị TG trong phòng thường là quạt trần hoặc quạt treo tường Thời gian sử dụng công trình trường học - thời gian có người ở trong công trình – từ 6h đến 18h hàng ngày.
- Công trình được TGTN có độ chênh lệch nhiệt độ giữa trong và ngoài nhà không lớn Vì vậy, TGTN nhờ áp lực nhiệt gần như không đáng kể và TGTN nhờ áp lực khí động đóng vai trò chủ đạo.
3.1.3 Đề xuất chiến lược thiết kế TG cho trường THCS tại Đà Nẵng
Với đặc điểm khí hậu có độ ẩm tương đối của các tháng trong năm đều cao, giải pháp TGTN có thể được áp dụng để cung cấp không khí sạch, làm giảm độ ẩm (tránh ẩm mốc) cho môi trường trong công trình.
Theo kết quả nghiên cứu [16], nhiệt độ trung bình của tháng ở thành phố Đà Nẵng thường thấp hơn nhiệt độ tiện nghi Riêng các tháng 5, 6, 7 và 8, nhiệt độ trung bình ngoài nhà cao hơn nhiệt độ tiện nghi Đây là các tháng cần tổ chức TG để tăng cường làm mát bằng đối lưu và bay hơi mồ hôi Đồng thời, cần kết hợp với TG cơ khí (như: quạt) để tạo tiện nghi cho giáo viên và học sinh Tuy nhiên, tháng 6 7 và 8 là các tháng hè Nhu cầu TGTN làm mát tập trung chủ yếu vào tháng 5.
Do biên độ nhiệt độ giữa ngày và đêm nhỏ, hiệu quả TG làm mát bằng chiến lược TG ban ngày và chiến lược TG ban đêm ở thành phố Đà Nẵng là tương đương. Thời gian sử dụng công trình - ứng với nhu cầu về thời gian sử dụng TGTN để làm mát - là 12 giờ trong ngày, cụ thể là: từ 6h đến 18h hàng ngày.
Vì vậy, chiến lược TG trong thiết kế được đề xuất cho loại hình công trình trường THCS ở thành phố Đà Nẵng là: TG ban ngày.
Một số giải pháp thiết kế quy hoạch trường trung học cơ sở hướng đến hiệu quả thông gió tự nhiên cho công trình
3.2.1 Lựa chọn hướng gió đến tối ưu cho hiệu quả thông gió tự nhiên
Hướng gió thổi đến bề mặt công trình có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả TGTN cho công trình Hướng gió thổi đến được xác định bằng góc α (là góc được tạo bởi đường thẳng tiếp tuyến mặt nhà và hướng gió thổi đến) Khi α = 90°, hướng gió thổi đến vuông góc với mặt nhà.
Hiệu quả TGTN trong công trình (các loại hình công trình kiến trúc nói chung) sẽ cao khi hướng gió đến có α = 75° [7].
Trong điều kiện khí hậu của Đà Nẵng, hướng gió đến tối ưu (trường hợp nghiên cứu là chung cư cao tầng) được đề xuất là 67.5° đến 78.75° [17]. Đối với loại hình kiến trúc trường THCS - thường sử dụng giải pháp thông gió xuyên phòng - đề xuất chọn α = 75° với sai số ±5°.
3.2.2 Chọn hướng cho các khối lớp học
Trường THCS bao gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối phục vụ học tập;
- Khối hành chính quản trị;
- Khu sân chơi, bãi tập;
- Khu vệ sinh và khu để xe;
- Khối phục vụ sinh hoạt [2]
Trong đó, khối phòng học là khối có chức năng chính, đặc trưng của loại hình công trình Trường THCS Vì vậy đây là khối chức năng được tập trung, ưu tiên nghiên cứu khi đề xuất các giải pháp thiết kế tổng mặt bằng, mặt bằng, vấn đề vật lý kiến trúc, hình khối không gian kiến trúc, …
Theo [2], “Khối phòng học cần được đặt ở vị trí ưu tiên: trực tiếp nhận ánh sáng tự nhiên; đón gió mát về mùa hè, tránh gió lùa và hạn chế gió lạnh về mùa Đông; có biện pháp tránh mưa hắt, tránh bức xạ mặt trời hướng Tây; …”.
Khi thiết kế chọn hướng cho Trường THCS, cần đáp ứng cả hai yếu tố là: tránh bức xạ mặt trời và hiệu quả TGTN cho công trình. a Đề xuất hướng nhà nhằm hạn chế ảnh hưởng của bức xạ mặt trời
Từ số liệu của [1], giá trị của cường độ trực xạ và cường độ tán xạ trung bình trong năm trên mặt đứng 8 hướng của của công trình tại Đà Nẵng được thể hiện ở Hình 3.1. a: Cường độ trực xạ (W/m2/ngày) trên mặt đứng 8 hướng tại Đà Nẵng b: Tổng cường độ trực xạ và tán xạ (W/ m2/ngày) trên mặt đứng 8 hướng tại Đà Nẵng Hình 3.1: Bức xạ mặt trời (W/m 2 /ngày) trên mặt đứng 8 hướng tại Đà Nẵng
Khi lựa chọn hướng nhà, cần hướng đến cường độ trực xạ và cường độ tán xạ trên cả 2 mặt đứng chính của khối lớp học có giá trị thấp nhất Chú ý hạn chế cường độ trực xạ vào buổi chiều Theo hình 3.1, trực xạ và tán xạ của hướng Tây Nam lớn hơn nhiều so với hướng Tây Bắc.
Như vậy, để hạn chế ảnh hưởng của bức xạ mặt trời (tổng trực xạ và tán xạ), hướng chính của khối lớp học trong trường THCS tại Đà Nẵng nên chọn hướng chính Nam hoặc lệch về phía Nam Đông Nam và Nam Tây Nam. b Đề xuất hướng nhà nhằm khai thác hiệu quả TGTN cho công trình
Căn cứ theo tần suất trung bình của gió theo các hướng của từng tháng và trong năm tại Đà Nẵng (Hình 2.1 và 2.2), hướng gió chủ đạo ở Đà Nẵng là gió Đông và gió Bắc Trong các tháng 3, tháng 4 và tháng 5 - là các tháng cần TGTN để làm mát và tạo TNN cho giáo viên và học sinh (đặc biệt là tháng 5, tháng có nhiệt độ trung bình cao hơn nhiệt độ tiện nghi) - gió chủ đạo là gió Đông.
Vì vậy, hướng nhà đề xuất cho Trường THCS tại thành phố Đà Nẵng nhằm khai thác hiệu quả TGTN là: Hướng Bắc và hướng Đông.
Căn cứ theo các phân tích tại mục 3.2.2.a, 3.2.2.b và 3.2.1 - để khai thác hiệu quảTGTN cho trường THCS tại Đà Nẵng - hai mặt của khối phòng học (được TG xuyên phòng) của công trình nên được thiết kế có hướng là: Bắc Tây Bắc - Bắc - Bắc Đông Bắc và Nam Tây Nam - Nam - Nam Đông Nam.
Các khối chức năng khác trong trường THCS, nếu điều kiện thiết kế cho phép cần hướng đến các tiêu chí như khối phòng học nêu trên.
3.2.3 Xác định vùng gió quẩn sau các khối nhà
Vị trí và kích thước các vùng quẩn gió sau các khối nhà có ảnh hướng rất lớn đến tiện nghi thông gió cho các khu chức năng trên tổng mặt bằng, khoảng cách và kích thước các khối nhà, các mảng đặc rỗng của khối nhà, … Vì vậy, trong thiết kế quy hoạch mặt bằng công trình, cần xác định kích thước các vùng quẩn gió sau các khối công trình, hạn chế đặt các khối nhà nằm hoàn toàn trong vùng quẩn gió, …
Kích thước các vùng quẩn gió sau các khối nhà theo hướng gió thổi đến, hình dáng, kích thước khối nhà và được xác định theo các tài liệu [7], [9] và [11].
3.2.4 Một số nguyên tắc chung trong thiết kế TMB trường trung học cơ sở
- Giải pháp thiết kế TMB chung của công trình cần khai thác có hiệu quả và có tính thích ứng với các đặc điểm tự nhiên: khí hậu (mưa, nắng, gió, …), địa hình (ven sông, ven biển, ao hồ, núi đồi, …) Trong đó, cần nghiên cứu kỹ các đặc điểm của gió tại vị trí xây dựng, như: tần suất trung bình, vận tốc trung bình, … theo các tháng trong năm.
- Giải pháp thiết kế TMB chung của công trình cần phải hài hòa với cảnh quan kiến trúc tại vị trí xây dựng Đặc điểm quy hoạch kiến trúc, cảnh quan kiến trúc và các công trình kiến trúc lân cận sẽ là cơ sở quan trọng để đưa ra giải pháp thiết kế hợp lý cho TGTN.
- Đáp ứng được ý đồ tổ chức không gian chức năng và không gian kiến trúc của công trình, đáp ứng được nhu cầu về công năng sử dụng, tiện nghi và hiệu quả thẩm mỹ cho người sử dụng.
Sử dụng AutoDesk CFD trong thiết kế thông gió cho công trình trường trung học cơ sở
3.4.1 Giới thiệu phần mềm AutoDesk CFD
Phần mềm Autodesk CFD được phát triển bởi Hãng Autodesk Đây là công cụ mô phỏng nhiệt và động lực lưu chất trên máy tính Phần mềm này có vai trò rất quan trọng trong các ngành liên quan đến lưu chất, giúp người thiết kế hiểu rõ các quá trình của lưu chất trong giai đoạn nghiên cứu phát triển sản phẩm Giúp cho kỹ sư đưa ra quyết định tối ưu về thiết kế trước khi xây dựng công trình hay sản xuất ra các sản phẩm, như: đánh giá được hiệu quả sử dụng năng lượng và các rủi ro (nếu có) của các sản phẩm trước khi thử nghiệm và sản xuất, là công cụ có vai trò quan trọng đối với người thiết kế trong quá trình sáng tạo nên các tính năng ưu việt mới cho sản phẩm, … Đối với các công trình kiến trúc, Autodesk CFD cho phép mô phỏng và phân tích hiện tượng TG bên trong công trình, giữa bên trong - bên ngoài và bên ngoài công trình.
Hình 3.5 Biểu tượng và giao diện của phần mềm Autodesk CFD.
Hiện nay, phần mềm Autodesk CFD đã có các phiên bản đầu tiên từ năm 2012 và liên tục hàng năm đều có các phiên bản cập nhật mới Trong nghiên cứu và thiết kế xây dựng công trình, Autodesk CFD thường được ứng dụng phổ biến trong các trường hợp sau: TG cơ khí (mô phỏng luồng không khí trong các không gian được điều khiển bằng các hệ thống mạng lưới các miệng thổi, miệng hút, quạt, …); tải trọng gió tác động lên công trình; TGTN (mô phỏng các luồng không khí bên trong một phòng, một công trình hoặc bên trong và bên ngoài công trình) [47], [48].
Phần mềm Autodesk CFD có một số ưu điểm sau:
- Giao diện thân thiện, thuận lợi cho người dùng trong quá trình nhập thông số đầu vào.
- Thuận lợi trong việc trao đổi dữ liệu với các phần mềm đồ họa khác hay các phần mềm mô phỏng hiệu năng khác. trình.
- Cho kết quả tương đối đầy đủ và trực quan về các đại lượng TG trong công
3.4.2 Đánh giá độ tin cậy của phần mềm AutoDesk CFD Để có thể áp dụng rộng rãi, độ tin cậy của các kết quả mô phỏng có được từ phần mềm Autodesk CFD, phần mềm này cần được đánh giá bằng phương pháp so sánh và phân tích với: kết quả trên mô hình thực theo tỷ lệ thực; kết quả trên mô hình thực theo tỷ lệ thu nhỏ; kết quả mô phỏng từ các phần mềm khác; … Trong đó, phương pháp so sánh với thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ (với kết quả có sự tiệm cận với kết quả thu được trên mô hình theo tỷ lệ thực) là phương pháp đang được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu TG hiện nay. a Giới thiệu về kết quả thí nghiệm trên ống khí động
Thí nghiệm trên ống khí động (Wind tunnel) được thực hiện tại Đại học Cardiff (Xứ Wales, Vương quốc Anh) bởi nhóm tác giả, gồm: Yi Jiang và cộng sự [25].
- Thiết bị và đối tượng thí nghiệm
+ Ống khí động có kích thước 2 m x 2 m và cao 1 m Bề mặt trong ống khí động được thiết kế để mô phỏng lớp không khí ở phần thấp trong một đô thị Vận tốc gió tối đa trong ống là 12 m/s.
+ Thiết bị đo vận tốc gió bên trong và ngoài công trình là máy laser Doppler của Dantec (có sai số là ± 0.05m/s).
+ Mô hình công trình có dạng khối lập phương, với kích thước các cạnh là H, chọn H = 250mm Chiều dày tường 6mm, kích thước cửa mở ở mặt đón gió và khuất gió là 84mm x 125 mm (xem Hình 3.6) Thí nghiệm được thực hiện với hướng gió thổi đến vuông góc với mặt phẳng đặt cửa.
Hình 3.6 Kích thước mô hình dùng trong thí nghiệm
Hình 3.7 Vị trí lấy kết quả trong thí nghiệm
- Quan trắc các kết quả
+ Vận tốc gió được ghi nhận tại các vị trí trên mặt cắt đi qua chính giữa (giữa cửa gió vào và gió ra) của mô hình, tại 10 đường thẳng đứng (trên mỗi đường thẳng, lấy kết quả ở 18 điểm có độ cao từ 25 mm đến 250 mm) - xem Hình 3.7. + Kết quả của thí nghiệm - xem Hình 3.10. b Kết quả mô phỏng bằng phần mềm AutoDesk CFD
- Xây dựng mô hình mô phỏng
+ Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm AutoCad 2017: Mô hình công trình: có kích thước như mô hình dùng trong thí nghiệm trên ống khí động (hình 3.6). Kích thước vùng nghiên cứu (khối không khí quanh mô hình) là 7H x 7H, cao 3H.
+ Từ mô hình 3D trên phần mềm AutoCad 2017 chuyển sang mô hình trên phần mềm AutoDesk CFD 2017.
- Thiết lập các tham số cho mô hình - Thực hiện mô phỏng
+ Gán các điều kiện biên cho mô hình (Boundary conditions): Chọn mặt phẳng trên mô hình để gán các thông số đầu vào của gió: đơn vị vận tốc, hướng gió, giá trị vận tốc, … Vào lựa chọn Piecewise Linear (trong Velocity Curve) để gán các giá trị vận tốc biến thiên theo chiều cao với các số liệu về vận tốc gió thu được tại vị trí -3H trong nghiên cứu của Yi Jiang (Hình 3.7) Xác định mặt gió ra cho mô hình (đối diện với mặt gió vào): chọn điều kiện biên là Static Gage Pressure, với giá trị áp suất là 0 Các mặt còn lại của khối không khí được gán định dạng là Slip/Symmetry.
+ Chọn mô hình rối (Turb.model): chọn mô hình rối là RNG k-ε (RNG k-ε là mô hình rối được hiệu chỉnh từ mô hình rối k-ε tiêu chuẩn bằng phương pháp Renormalization Group - RNG) [29] Mô hình rối RNG k-ε được đánh giá là cho kết quả gần đúng nhất với các số liệu thí nghiệm và là mô hình thích hợp trong nghiên cứu TGTN (bằng áp lực khí động) trong công trình [22], [39], [41].
+ Chọn giải pháp lưới: trong phương pháp CFD, miền nghiên cứu được chia thành các phần tử (elements), góc của các phần tử là các nút (node) Các nút và các phần tử tạo thành lưới (mesh) Lựa chọn giải pháp lưới là tự động - Autosize.
Sự độc lập của lưới đối với kết quả mô phỏng được đảm bảo thông qua thiết lập -Enablen Adaptation Kích hoạt tính năng kiểm tra tính độc lập của giải pháp lưới với kết quả mô phỏng và chọn giá trị 3 cho Cycles to run Lựa chọn này cho phép thực hiện 3 lần tự động điều chỉnh lưới cho phù hợp Cụ thể là: số nút và số phần tử ban đầu và qua 3 lần tự điều chỉnh lần lượt là 14.699 - 35.480 - 51.361 - 56.718 và 60.668 - 157.237 - 233.858 -259.174.
- Các mô phỏng được thực hiện trên máy tính có cấu hình như sau: Processor Intel (R) Xeon (R) CPU E3-1220 v5 @ 3.00GHz; 64 - bit Operating System; RAM 8.1 GB.
- Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Autodesk CFD 2017
+ Vận tốc gió được ghi nhận tại các vị trí tương tự như trong thí nghiệm trên ống khí động, cụ thể là trên mặt cắt đi qua chính giữa (giữa cửa gió vào và gió ra) của mô hình, tại 10 đường thẳng đứng (trên mỗi đường thẳng, lấy kết quả ở 18 điểm có độ cao từ 25 mm đến 250 mm) - như Hình 3.7.
+ Kết quả trường gió trên mặt bằng và mặt cắt qua mô hình nghiên cứu - xem Hình 3.8. a Trường gió trên mặt bằng b Trường gió trên mặt cắt
Hình 3.8 Kết quả trường gió trong mô phỏng bằng AutoDesk CFD 2017
- Các kết quả về giá trị vận tốc tại các điểm khảo sát được ghi lại để so sánh với kết quả thu được trong thí nghiệm trên ống khí động. c So sánh các kết quả
- Kết quả trường gió trên mặt cắt mô hình của thí nghiệm trên ống khí động và mô phỏng trên phần mềm AutoDesk CFD 2017 được thể hiện trong Hình 3.9. a Thí nghiệm trên ống khí động [25] b Mô phỏng trên AutoDesk CFD 2017 Hình 3.9 Trường gió trên mặt cắt mô hình của thí nghiệm trên ống khí động và mô phỏng trên phần mềm AutoDesk CFD 2017