Tùy theo đặc điểm tự nhiên của các vùng miền, họ đã có nhữnggiải pháp thiết kế khác nhau để khai thác TGTN, như: lựa chọn vị trí xây dựng, hướngnhà, bố trí không gian chức năng, cấu tạo
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 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 kiến trúc nhà ở tại đô thị,
… Một số nghiên cứu về vùng quẩn gió sau các khối nhà - được thực hiện trên các mô hình ống khí động, các nghiên cứu này không chú ý đến yếu tố thay đổi về vận tốc gió theo chiều cao.
Kỹ thuật về thông gió trong công trình được các nhà khoa học Việt Nam bắt đầu nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ XX Các tài liệu được các tác giả trong nước xuất bản chủ yếu là hệ thống hóa các lý thuyết về thông gió do các nhà khoa học Phương Tây (như: Nga, Đức, Mỹ, Pháp, …) công bố hoặc nghiên cứu đề xuất một số vấn đề liên quan mang tính đặc thù của kiến trúc - khí hậu Việt Nam.
Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu có liên quan đến TGTN trong công trình được các nhà khoa học Việt Nam công bố Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào (đã được công bố) về “Nghiên cứu xác định vùng quẩn gió sau các công trình trong thiết kế thông gió tự nhiên cho công trình kiến trúc”.
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 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 thông gió tự nhiên cho công trình là một trong những giải pháp cơ bản và hiệu quả nhất.
Trong thiết kế quy hoạch kiến trúc theo hướng khai thác hiệu quả thông gió tự nhiên cho công trình, việc xác định vùng quẩn gió sau các khối nhà có vai trò rất quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp thiết kế Ví dụ như: xác định vị trí các khối nhà; xác định khoảng cách giữa các khối nhà; kích thước các khối nhà; giải pháp thiết kế kiến trúc cho công trình nằm trong vùng quẩn gió; … Đã có một số nghiên cứu về vùng quẩn gió sau các khối nhà Các nghiên cứu này được thực hiện trên các mô hình ống khí động, không chú ý đến yếu tố thay đổi về vận tốc gió theo chiều cao (với các công trình cao tầng, sự thay đổi về vận tốc gió theo chiều cao là đáng kể), các kết quả chưa đầy đủ các trường hợp kích thước phù hợp của một công trình kiến trúc và góc đến của gió.
Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu xác định vùng quẩn gió sau các công trình trong thiết kế thông gió tự nhiên cho công trình kiến trúc” là rất cần thiết, vừa có ý nghĩa lý luận vừa có ý nghĩa thực tiễn cao trong thiết kế thông gió tự nhiên cho công trình theo định hướng phát triển kiến trúc bền vững ở Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Xây dựng cơ sở dữ liệu về kích thước vùng quẩn gió sau các khối công trình kiến trúc.
- Xây dựng công cụ tính toán chiều rộng vùng quẩn gió sau các khối công trình kiến trúc.
CÁCH TIẾP CẬN
Tổng hợp các tài liệu, số liệu liên quan và sử dung các phương pháp nghiên cứu phù hợp để giải quyết vấn đề.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp phân tích - tổng hợp.
- Phương pháp mô hình hóa
- Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics).
ĐỐI TƯỢNG
Vùng quẩn gió phía sau công trình được TGTN.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về: phát triển kiến trúc bền vững, thông gió tự nhiên và vùng quẩn gió sau công trình kiến trúc.
- Các nội dung nghiên cứu về: Lựa chọn mô hình và phương pháp nghiên cứu và phần mềm mô phỏng; Xác định đối tượng và các trường hợp nghiên cứu; Xác định sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao; Mô phỏng trên máy tính.
- Xác định chiều rộng và xây dựng công cụ tính toán chiều rộng vùng quẩn gió sau các khối công trình kiến trúc.
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 phát triển kiến trúc bền vững, thông gió tự nhiên và vùng quẩn gió sau công trình kiến trúc
Chương II: Nghiên cứu kích thước vùng quẩn gió sau các khối công trình kiến trúc Chương III: Xác định kích thước và xây dựng công cụ tính toán chiều rộng vùng quẩn gió sau các khối công trình kiến trúc Phần kết luận và kiến nghị
TỔNG QUAN VỀ PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC BỀN VỮNG, THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN VÀ VÙNG QUẨN GIÓ SAU CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
Xu hướng phát triển Kiến trúc bền vững trên thế giới và Việt Nam
1.1.1 Phát triển bền vững a Bối cảnh
Từ giữa thế kỷ XX, nhân loại đã phải phải đối diện với nhiều thách thức, như: khủng hoảng năng lượng, cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm môi trường, … và đặc biệt là hiện tượng biến đổi khí hậu Đây thật sự là những đe dọa có tính toàn cầu cho môi trường sinh thái trên trái đất, sự phát triển của các quốc gia, thậm chí là ảnh hưởng đến sự sinh tồn của các thế hệ tương lai.
Trong bối cảnh đó - cùng với việc đảm bảo sự phát triển của đất nước - các quốc gia trên thế giới cần phải có những suy nghĩ và sớm có hành động chung để cứu trái đất, đảm bảo cho sự sinh tồn và phát triển của các thế hệ tương lai. b Các khái niệm về phát triển bền vững
Những nội hàm của phát triển bền vững xuất hiện từ rất sớm cùng với sự phát triển của nền văn minh nhân loại Nhưng đến những thập niên đầu của thế kỷ XX, các nội hàm này mới phát triển và trở thành những hành động cụ thể hay các trào lưu của các tổ chức trong xã hội Tiên phong cho các trào lưu này là các tổ chức hoạt động vì môi trường ở Tây Âu và Bắc Mỹ.
Thuật ngữ “Phát triển bền vững” (PTBV) lần đầu tiên xuất hiện trong “Chiến lược bảo tồn thế giới” do Hiệp hội bảo tồn thiên nhiên và tài nguyên thiên nhiên thế giới (IUCN) phối hợp với Chương trình môi trường Liên hiệp quốc (UNEP) và Quỹ bảo vệ động vật hoang dã thế giới (WWF) xuất bản vào năm 1980 Theo báo cáo này,
“Để sự phát triển là bền vững, ngoài yếu tố kinh tế, phải tính đến các yếu tố xã hội và yếu tố sinh thái”, trong đó nhấn mạnh đến góc độ bền vững về sinh thái “một trong những vấn đề tiên quyết cho sự PTBV là bảo tồn các nguồn tài nguyên cho sự sống”
Khái niệm PTBV chính thức được công bố trong Báo cáo Brundtland của Ủy ban Môi trường và Phát triển thế giới WCED vào năm 1987 (còn gọi là Báo cáo “Our common future”) Báo cáo này đã đưa ra một định nghĩa rõ ràng về PTBV, như sau:
“PTBV là sự phát triển đáp ứng các nhu cầu của hiện tại mà không làm tổn hại đến khả năng đáp ứng nhu cầu của các thế hệ tương lai” Theo đó, PTBV phải đảm bảo hiệu quả của phát triển kinh tế, công bằng xã hội và bảo vệ - bảo tồn môi trường Đây là định nghĩa về PTBV được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây.
Năm 1992, tại Hội nghị về Môi trường và phát triển của Liên hiệp quốc (UNCED) được tổ chức tại Rio de Janeiro - Bazil, khái niệm về PTBV lại được nhắc đến và nhấn mạnh đến tầm quan trọng của sự cân bằng của 3 yếu tố:
- Môi trường: bảo vệ hệ sinh thái và đa dạng sinh học, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên, chống hiện tượng ô nhiễm môi trường, …
- Xã hội: chống đói nghèo, công bằng xã hội, chất lượng cuộc sống, sức khỏe cộng đồng, …
- Kinh tế: sử dụng hiệu quả và kinh tế các nguồn tài nguyên, …
Tại Hội nghị này, đại diện của hơn 178 quốc gia và tổ chức phi chính phủ tham dự đã thông qua các văn bản quan trọng, như: Tuyên bố Rio về môi trường và phát triển (gọi tắc là Tuyên bố Rio) với 27 nguyên tắc đảm bảo cho sự PTBV trên thế giới; Chương trình nghị sự 21 (Agenda 21); [38] … Chương trình nghị sự 21 về PTBV đã thật sự trở thành chiến lược phát triển của toàn cầu trong thế kỷ XXI.
Tại Hội nghị thượng đỉnh thế giới về PTBV tại Johannesburg, Nam Phi (còn gọi là Hội nghị Rio+10 hay Hội nghị Johannesburg) năm 2002, các nước và tổ chức phi chính phủ tham dự đã tổng kết 10 năm thực hiện Tuyên bố Rio và Chương trình nghị sự 21 cũng như xác định các mục tiêu ưu tiên tiếp tục thực hiện trong thời gian đến. Tại Hội nghị Johannesburg 2002, các quốc gia tham dự đã đưa ra quyết sách liên quan tới các vấn đề về nước, năng lượng, sức khỏe, nông nghiệp và sự đa dạng sinh thái; đồng thời cam kết thực hiện các chiến lược về PTBV tại mỗi nước trước năm 2005. Năm 2012, Hội nghị thượng đỉnh thế giới về PTBV tại Rio de Janeiro - Bazil (còn gọi là Hội nghị Rio + 20) đã thông qua bản Tuyên bố “Tương lai mà chúng ta muốn có” (“The Future We want”) và những cam kết hành động để hướng đến sự
PTBV, với sự đồng thuận của 193 nước thành viên của Liên Hiệp Quốc Tuyên bố gồm các nội dung như: thiết lập các mục tiêu PTBV; sử dụng khái niệm kinh tế xanh như là một công cụ để đạt được sự PTBV; thúc đẩy Chương trình môi trường của LiênHiệp Quốc và thiết lập các diễn đàn mới cho PTBV; xúc tiến đánh giá các báo cáo về hợp tác bền vững; thực hiện các bước tăng trưởng Tổng sản phẩm quốc nội GDP; đẩy mạnh các chiến lược phát triển tài chính bền vững; chú trọng đến sự bình đẳng giới;nhận thức về tầm quan trọng của các cam kết tự nguyện, hướng đến PTBV; … [39].
Ngày 25 tháng 9 năm 2015, Hội nghị thượng đỉnh thế giới về PTBV của Liên Hiệp Quốc được tổ chức tại New York với sự tham gia của các đoàn đại diện cho 193 nước Hội nghị đã thông qua Văn kiện “Chuyển đổi thế giới của chúng ta: Chương trình nghị sự PTBV đến năm 2030” (“Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development”) bao gồm 17 mục tiêu và 169 tiêu chí, nhằm đạt được ba thành tựu là: chấm dứt nghèo đói; đấu tranh với tình trạng bất bình đẳng và không luật pháp; giải quyết tình trạng biến đổi khí hậu Một lần nữa, khái niệm PTBV tiếp tục được khẳng định ở sự tích hợp và cân bằng của 3 yếu tố: kinh tế, xã hội và môi trường [40].
Như vậy, PTBV là sự phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu của hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu của thế hệ tương lai PTBV phải đảm bảo sự cân bằng của ba yếu tố: Xã hội - Môi trường - Kinh tế.
Kiến trúc bền vững (KTBV) là kiến trúc quan tâm đến sự nhạy cảm của môi trường sinh thái, hướng đến sự hạn chế tối đa những tác động tiêu cực của công trình kiến trúc đến môi trường bằng việc sử dụng hợp lý và hiệu quả các không gian chức năng, tài nguyên thiên nhiên (vật liệu xây dựng, nước, …), năng lượng, KTBV sử dụng cách tiếp cận có kiểm soát đối với tài nguyên, năng lượng và bảo tồn môi trường sinh thái trong toàn bộ vòng đời của một công trình kiến trúc.
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 có hiệu quả năng lượng (Energy - Efficient Building)
- Kiến trúc bền vững (Sustainable Architecture)
- Kiến trúc xanh (Green Building) [18]
Cùng với thuật ngữ KTBV, chúng ta còn thường gặp thuật ngữ Kiến trúc xanh. Kiến trúc xanh (KTX) 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 - như: năng lượng, nước và vật liệu – đồng thời 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”.
Thông gió tự nhiên
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, [6]
- Một số thông số vật lý của không khí ẩm:
Không khí ẩm là hỗn hợp không khí hoàn toàn khô và hơi nước.
+ Trọng lượng phần khô trong 1m 3 không khí ẩm. Đơn vị: kg/m 3 k.k.ẩm
+ 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. Đơn vị: kg/m 3
+ Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước tính bằng gam (hoặc kg) chứa trong 1m 3 không khí ẩm. 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. Đơn vị: %
+ Dung ẩm là lượng hơi nước tính bằng gam trong một khối không khí ẩm có trọng lượng phần khô là 1kg. Đơn vị: g/kg k.k.khô
[6], [22] b Các khái niệm về thông gió trong công trình
Thông gió (TG) trong công trình là lĩnh vực khoa học kỹ thuật có liên quan đến nhiều ngành, như: thủy khí động lực; kỹ thuật nhiệt; vệ sinh và an toàn lao động; cơ khí chế tạo; … và kiến trúc - xây dựng.
Chức năng của TG trong công trình là tạo nên môi trường không khí bên trong công trình (với các thông số về: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc độ của không khí, chất lượng không khí, … - có tính thích dụng, tạo sự tiện nghi cho 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;
TG trong công trình kiến trúc là lĩnh vực khoa học kỹ thuật nghiên cứu về sự chuyển động của khối 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 được phân thành 2 loại:
- Hệ thống TGTN: là hệ thống TG dựa vào các nguồn lực tự nhiên như: áp lực khí động hoặc do sự chênh lệch về nhiệt độ của các khối không khí bên trong công trình.
- Hệ thống TG nhân tạo (TG cơ khí): là hệ thống TG sử dụng các thiết bị nhân tạo (như: quạt hút, quạt thổi, thiết bị lọc bụi, máy điều hòa không khí, …).
1.2.2 Thông gió tự nhiên trong công trình a Khái niệm
TGTN trong công trình 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.
- 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 1.8a)
- 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 1.8b) a TG nhờ áp lực khí động b TG nhờ chênh lệch nhiệt độ Hình 1.8 Các hình thức thông gió tự nhiên c Vai trò của thiết kế thông gió tự nhiên trong công trình
- Tăng vận tốc của khối không khí trong nhà, nhằm tạo tiện nghi nhiệt trong công trình bằng cách tăng cường trao đổi nhiệt bằng đối lưu, bốc hơi mồ hôi, …;
- Tăng diện tích vùng có vận tốc gió khác không trong các phòng chức năng;
- Tăng trao đổi không khí giữa trong và ngoài công trình;
- Tạo môi trường tiện nghi nhiệt, thân thiện, đáp ứng nhu cầu sử dụng cho con người.
- Hạn chế dùng cho các thiết bị TG, làm mát, làm sạch không khí, hướng đến tiết kiệm năng lượng;
Vùng quẩn gió
1.3.1 Gió và sự biến thiên vận tốc gió theo chiều cao
Gió là một hiện tượng vật lý phức tạp, 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.
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 1.9.
Vận tốc gió VH tại độ cao H (m) được xác định theo công thức:
Trong đó: + VH là vận tốc gió ở cao độ H (m)
+ V z là vận tốc gió ở cao độ tham chiếu H z + δ: chiều dày lớp biên khí quyển.
+ a: hệ số mũ (được xác định bằng thực nghiệm) [3].
Hình 1.9 Sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao của các dạng địa hình [25] 1.3.2 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 1.10 thể hiện đặc điểm luồng gió khi thổi đến một công trình có dạng khối hộp chữ nhật.
Hình 1.10: Đặc điểm luồng gió khi thổi đến công trình [3]
1.3.3 Khái niệm vùng quẩn gió
Vùng quẩn gió sau công trình (Zone of recirculating flow) là không gian ngay phía sau công trình kiến trúc (theo hướng gió đến) - vùng có vận tốc gió trung bình thấp và độ rối của dòng không khí cao Vùng này có kích thước là L (xem Hình 1.10).
Tổng quan về các nghiên cứu vùng quẩn gió sau các công trình kiến trúc
Trong thiết kế theo hướng khai thác hiệu quả TGTN cho các không gian chức năng trên tổng mặt bằng hay không gian chức năng trong công trình kiến trúc, việc xác định kích thước vùng quẩn gió sau các khối nhà là cơ sở quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp Cụ thể như: xác định vị trí các khối nhà; xác định khoảng cách giữa các khối nhà; kích thước các khối nhà; giải pháp hướng dòng không khí trên tổng mặt bằng; giải pháp thiết kế kiến trúc cho công trình nằm trong vùng quẩn gió; … Đồng thời, việc xác định sơ bộ kích thước vùng quẩn gió sau các công trình dựa trên kích thước của công trình một cách nhanh chóng sẽ tiết kiệm thời g ian cho người thiết kế.
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã thực hiện một số nghiên cứu về vùng quẩn gió sau các khối nhà Các nghiên cứu này đều được thực hiện trên các mô hình ống khí động Các nghiên cứu và kết quả thu được còn một số hạn chế sau:
- Trong các thí nghiệm, chưa tạo được và bỏ qua sự thay đổi của vận tốc gió theo chiều cao Đối với các công trình kiến trúc cao tầng, công trình có chiều cao lớn, sự thay đổi về vận tốc gió theo chiều cao là đáng kể.
- Các kết quả chưa đầy đủ các trường hợp kích thước của các công trình và góc của gió khi đến công trình.
NGHIÊN CỨU KÍCH THƯỚC VÙNG QUẨN GIÓ SAU CÁC KHỐI CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
Lựa chọn mô hình và phương pháp nghiên cứu và phần mềm mô phỏng
2.1.1 Các mô hình trong nghiên cứu thông gió tự nhiên
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 Do tính chất phức tạp của hiện tượng TGTN, nhiều mô hình tính toán TG khác nhau đã được các nhà khoa học đề xuất, nghiên cứu và 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. 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.
[1], [8] 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 [8]
* 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 [8] d Mô hình lưới (Network models)
Mô hình lưới TG của một một công trình được biểu diễn bằng một mạng lưới (network) gồm các nút (nodes), mỗi nút thể hiện một phòng trong nhà hoặc môi trường ngoài nhà Sự tương tác giữa các vùng khác nhau được thể hiện bằng các đường dẫn (flow path) nối các nút tương ứng Như vậy, các phòng trong công trình được thể hiện bằng các nút và cửa thông được thể hiện bằng các đường dẫn tương tác với môi trường bên ngoài được thể hiện bằng đường dẫn nối nút bên trong và nút bên ngoài. Tất cả các nút đều được gán một giá trị áp suất.
Lưu lượng TG qua công trình phụ thuộc sự khác nhau về áp lực giữa hai bên lỗ
Xác định đối tượng và các trường hợp nghiên cứu
2.2.1 Đối tượng nghiên cứu a Hình khối công trình
Các công trình kiến trúc trong thực tế có hình khối, kích thước rất đa dạng và phong phú Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn đối tượng nghiên cứu là các công trình kiến trúc có khối hộp chữ nhật - là khối có tính đại diện cao nhất. b Kích thước công trình
Khối hộp chữ nhật có các kích thước là rộng (x), dài (y) và cao (z) Trong đó, mặt chính của công trình nằm theo phương chiều dài (y).
Các khối chữ nhật được cấu thành từ các khối lập phương cơ sở có kích thước cạnh là a Và a được chọn là kích thước chiều rộng (x) của công trình.
- Kích thước x = a trong công trình thông thường có giá trị tùy theo quy mô, tính chất công trình và ý tưởng thiết kế của kiến trúc sư.
- Trong nghiên cứu này, tác giả chọn a = 26m, là chiều cao a tương đương 8 tầng của công trình (với chiều cao mỗi tầng từ 3,2m đến 3,3m). c Kích thước vùng quẩn gió sau công trình
- Chọn α (°) là góc gió thổi đến bề mặt công trình α là góc (trên mặt phẳng song song mặt đất) được tạo bởi hướng gió thổi đến và tiếp tuyến bề mặt của mặt đứng công trình.
- Chiều rộng vùng quẩn gió sau công trình là L (m) - xem Hình 2.3.
Hình 2.3: Các thông số kích thước của mô hình nghiên cứu vùng quẩn gió a Mặt bằng công trình; b Mặt cắt công trình
2.2.2 Các trường hợp nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện trong các trường hợp thay đổi về kích thước công trình (x, y và z) và giá trị góc gió đến (α):
- Kích thước công trình: giữ kích thước x = a không đổi, thay đổi các giá trị của y và z Cụ thể là: y = a, 2a, 3a, 4a và 5a; z = a, 2a, 3a, 4a và 5a (chiều cao 5a tương đương với chiều cao 40 tầng) Số mô phỏng cần thực hiện cho các trường hợp thay đổi kích thước công trình (khi vẫn giữ α = 90°) là: 25.
- Thay đổi góc gió đến α (bằng 22.5°, 45° và 67.5°) cho 6 trường hợp kích thước (y = a, z = 5a; y = 5a, z = a; y = 2a, z = 2a; y = 2a, z = 4a; y = 4a, z = 2a; y = 4a, z 4a) Số mô phỏng cần thực hiện cho các trường hợp thay đổi góc gió đến là: 18.
Như vậy, có 43 mô phỏng được thực hiện độc lập để lấy kết quả làm cơ sở dữ liệu cho việc xây dựng công cụ xác định sơ bộ chiều rộng vùng quẩn gió sau công trình.
Xác định sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao
Sử dụng công thức (1) ở mục 1.3.1 để xác định giá trị vận tốc gió.
- Vz là vận tốc gió ở cao độ tham chiếu Hz (thường lấy 10m) ở trạm quan trắc khí tượng (địa hình loại 3), nơi có chiều dày lớp biên khí quyển δz = 270m và hệ số mũ az
= 0,14 Trong điều kiện trung tâm các đô thị (địa hình loại 2), thì δ = 370m và a = 0.22 [3].
- Chọn vận tốc gió Vz ở cao độ Hz m là 5m/s.
Giá trị vận tốc gió biến thiên theo chiều cao tại các trung tâm đô thị - được tính theo công thức (1) - xem Bảng 2.1.
Bảng 2 1: Giá vận tốc gió theo chiều cao H (m) - Trường hợp Vz = 5m/s
Mô phỏng trên máy tính
- Dựng mô hình 3D của đối tượng nghiên cứu trên phần mềm AutoCad 2017. Trong nghiên cứu này, xây dựng 43 mô hình tương ứng với 43 trườngtru7o7ngthay đổi kích thước và hướng gió thổi đến công trình.
- Kích thước của mô hình khối không khí (vùng mô phỏng) lần lượt được lấy tối thiểu bằng 5 lần chiều ngang và 3 lần chiều cao tương ứng của công trình cần nghiên cứu.
- Thiết lập mô hình nghiên cứu trên Autodesk CFD 2019 từ mô hình 3D nêu trên.
2.4.2 Thiết lập các tham số
- 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, … Giá trị vận tốc gió biến thiên theo chiều cao được lấy theo kết quả ở mục 2.3 (xem chi tiết tại Bảng 2 1).
+ 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 (Turbulence 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) [18] Theo các nghiên cứu [11, 27, 28], 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 thông gió tự nhiên trong công trình Và, kết quả nghiên cứu [32] đã chỉ ra rằng, phần mềm AutoDesk CFD cho kết quả có độ tin cậy cao khi sử dụng mô hình rối RNG k-ε.
- Chọn giải pháp lưới: 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 choCycles to run Lựa chọn này cho phép thực hiện 3 lần tự động điều chỉnh lưới cho phù hợp.
- 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 8.00 GB.
- Số lượng mô phỏng được thực hiện: 43.
- Thời gian trung bình để thực hiện 1 mô phỏng là 0.75 giờ.
XÁC ĐỊNH CHIỀU RỘNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ TÍNH TOÁN CHIỀU RỘNG VÙNG QUẨN GIÓ SAU CÁC KHỐI CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC 32 3.1 Xác định chiều rộng vùng quẩn gió sau các công trình kiến trúc
Kết quả mô phỏng
a Các trường hợp thay đổi kích thước công trình và cố định góc đến α = 90°
Kết quả mô phỏng trường gió của 25 trường hợp (giữ kích thước x = a không đổi, thay đổi các giá trị của y và z Cụ thể là: y = a, 2a, 3a, 4a và 5a; z = a, 2a, 3a, 4a và 5a) được thể hiện tại Bảng 3.1, Bảng 3.2, Bảng 3.3, Bảng 3.4 và Bảng 3.5.
Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt (khi khi α = 90°) chiều rộng y = a trong các trường hợp thay đổi kích thước z
Bảng 3.2: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt (khi khi α = 90°) chiều rộng y = 2a trong các trường hợp thay đổi kích thước z
Bảng 3.3: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt (khi khi α = 90°) chiều rộng y = 3a trong các trường hợp thay đổi kích thước z
Bảng 3.4: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt (khi khi α = 90°) chiều rộng y = 4a trong các trường hợp thay đổi kích thước z
Bảng 3.5: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt (khi khi α = 90°) chiều rộng y = 5a trong các trường hợp thay đổi kích thước z
5a b Các trường hợp thay đổi kích thước công trình và góc đến α
Kết quả mô phỏng trường gió của 18 trường hợp:
- Kích thước: giữ kích thước x = a không đổi, thay đổi các giá trị của y và z Cụ thể là 6 trường hợp kích thước sau: (y = 2a, z = 2a); (y = 2a, z = 4a); (y = 4a, z = 2a); (y
- Góc đến α trong 3 trường hợp: 22.5°, 45°, 67.5°.
Kết quả mô phỏng trường gió của 18 trường hợp thay đổi kích thước công trình và góc gió đến α được thể hiện tại Bảng 3.6.
Bảng 3.6: Kết quả mô phỏng trường gió sau công trình trên mặt bằng và mặt cắt trong một số trường hợp thay đổi kích thước công trình (y và z) và góc gió đến α α°
Dữ liệu về chiều rộng vùng quẩn gió
a Các trường hợp thay đổi kích thước công trình và cố định góc đến α = 90°
Chiều rộng vùng quẩn gió L, khi α = 90°, trong các trường hợp kích thước công trình được tổng hợp tại Bảng 3.7 và Hình 3.1.
Bảng 3.7: Kích thước L (đơn vị a) trong các trường hợp thay đổi giá trị của y và z Chiều rộng (y)
Hình 3.1: Biểu đồ về sự biến thiên của L khi thay đổi giá trị của y và z
Các kết quả cho thấy, L tỷ lệ thuận với y và z. b Các trường hợp thay đổi kích thước công trình và góc đến α
- Chiều rộng vùng quẩn gió L khi thay đổi góc gió đến α (°) được tổng hợp tại Bảng 3.8 và Hình 3.2
Bảng 3.8: Kích thước L (đơn vị a) trong các trường hợp thay đổi góc gió đến α (°) α°
Hình 3.2: Biểu đồ về sự biến thiên của L khi thay đổi thay đổi góc gió đến α (°) c Chiều rộng vùng quẩn gió L trong các trường hợp thay đổi giá trị góc gió đến α (°) so với giá trị L trong trường hợp α = 90°
- Giá trị tương đối (đơn vị %) của chiều rộng vùng quẩn gió L trong các trường hợp thay đổi giá trị góc gió đến α (°) so với giá trị L trong trường hợp α = 90° được tổng hợp tại Bảng 3.9.
Bảng 3.9: Kích thước tương đối L (đơn vị %) trong các trường hợp thay đổi α (°) so với trường hợp α = 90° α°
Giá trị cực đại (Max) 0.0% 40.2% 65.4% 93.6% 100.0%
Giá trị cực tiểu (Min) 0.0% 37.4% 60.8% 88.3% 100.0% Chênh lệch giữa Max và Min 0.0% 2.8% 4.6% 5.3% 0.0%
Sự biến thiên của giá trị L khi thay đổi góc đến α trong các trường hợp nghiên cứu cho kết quả tương đương - với độ chênh lệch giữa giá trị cực đại và cực tiểu dưới
5.3%.Giá trị tương đối của L trong các trường hợp α = 0°, 22.5°, 45°, 67.5° và 90° so với trường hợp α = 90° lần lượt là 0%, 38.5%, 63.6% 90.9% và 100%.
Xây dựng công cụ tính toán chiều rộng vùng quẩn gió sau các công trình kiến trúc 47 KẾT LUẬN
Dựa vào cơ sở dữ liệu là các kết quả mô phỏng được thể hiện trong Bảng 3.7 và Bảng 3.9, sử dụng Microsoft Excel 2016 để tạo công cụ tính toán chiều rộng vùng quẩn gió L sau các công trình.
- Giá trị đầu vào: kích thước công trình (x, y, z) và giá trị của góc gió thổi tới α.
- Các hàm - trong Excel - được sử dụng để tính toán theo các bước sau:
+ Xác định tương quan kích thước của y và z so với x.
+ Nội suy giá trị L trong trường hợp α = 90° tương ứng với tương quan kích thước của công trình - Theo số liệu của Bảng 3.7.
+ Xác định độ giảm của L trong trường hợp α - như số liệu của Bảng 3.9.
- Kết quả đầu ra: giá trị L (m).
Giao diện của Công cụ tính toán vùng quẩn gió L sau các công trình - xem Hình
Hình 3.3 thể hiện kết quả chiều rộng L của vùng quẩn gió sau công trình trong trường hợp: công trình có kích thước chiều rộng (28m), chiều dài (42m), chiều cao
- tương đương 17 tầng) và góc gió đến công trình α = 75°.
Hình 3.3: Giao diện của Công cụ tính toán vùng quẩn gió L sau các công trình
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 toàn cầu, định hướng phát triển bền vững nói chung và phát triển kiến trúc bền vững 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 thông gió tự nhiên (TGTN) cho công trình là một trong những giải pháp cơ bản, hiệu quả và tiết kiệm nhất.
Trong thiết kế theo hướng khai thác hiệu quả TGTN cho các không gian chức năng trên tổng mặt bằng hay không gian chức năng trong công trình kiến trúc, việc xác định kích thước vùng quẩn gió sau các khối nhà là cơ sở quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp Cụ thể như: xác định vị trí các khối nhà; xác định khoảng cách giữa các khối nhà; kích thước các khối nhà; giải pháp hướng dòng không khí trên tổng mặt bằng; giải pháp thiết kế kiến trúc cho công trình nằm trong vùng quẩn gió; … Đồng thời, việc xác định sơ bộ kích thước vùng quẩn gió sau các công trình dựa trên kích thước của công trình một cách nhanh chóng sẽ tiết kiệm thời gian cho người thiết kế. Bằng phương pháp mô phỏng CFD - cụ thể là phần mềm AutoDesk CFD 2019 – đề tài nghiên cứu của nhóm tác giả đã đưa ra bộ dữ liệu về kích thước vùng quẩn gió sau công trình của 43 trường hợp điển hình (về hình khối, kích thước và góc gió thổi đến công trình) Từ bộ dữ liệu này, một Công cụ tính toán sơ bộ chiều rộng vùng quẩn gió L sau công trình được xây dựng bằng phần mềm Microsoft Excel 2016.
Công cụ tính toán sơ bộ chiều rộng vùng quẩn gió L sau công trình với số liệu đầu vào là kích thước công trình (chiều rộng x; chiều dài y; chiều cao z) và giá trị của góc gió thổi tới α Kết quả đầu ra của Công cụ là kích thước chiều rộng vùng quẩn gió
L sau công trình Kết quả có được (chiều rộng L) là cơ sở quan trọng để nhà thiết kế đưa ra các giải pháp thiết kế quy hoạch tổng mặt bằng, thiết kế công trình kiến trúc, như: xác định khoảng cách giữa các khối nhà; kích thước các khối nhà; giải pháp hướng dòng không khí trên tổng mặt bằng; giải pháp thiết kế kiến trúc cho công trình nằm trong vùng quẩn gió; …
Nghiên cứu TGTN nói chung và nghiên cứu đề xuất các công cụ tính toán hỗ trợ cho thiết kế quy hoạch kiến trúc nhằm khai thác hiệu quả TGTN sẽ góp phần hướng đến sự phát triển bền vững cho kiến trúc nói riêng và sự phát triển bền vững nói chung cho Việt Nam.
- Đối với các chuyên gia thiết kế kiến trúc: khuyến khích nghiên cứu và áp dụng các giải pháp thiết kế nhằm khai thác hiệu quả TGTN theo hướng KTBV Đồng thời, trong giai đoạn đề xuất ý tưởng thiết kế, khuyến khích sử dụng Công cụ tính toán sơ bộ chiều rộng vùng quẩn gió L sau công trình mà Đề tài đã đề xuất.
- Đối với các cơ sở đào tạo sinh viên các ngành kiến trúc và xây dựng: Đưa kết quả nghiên cứu của đề tài này thành 1 công cụ hỗ trợ thiết kế cho sinh viên chuyên ngành kiến trúc Bộ dữ liệu về kích thước vùng quẩn gió sau công trình cũng là tài liệu tham khảo cho giảng viên và sinh viên ngành xây dựng và kiến trúc.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT
1 Francis Allard (2002), Natural ventilation in buildings: A design handbook,
James &James (Science Publishers) Ltd., London.
2 Camille Allocca, Qingyan Chen, Leon R Glickman (2003), “Design analysis of single-sided natural ventilation”, Energy and Buildings, Vol 35, pp 785-795.
3 American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers (2009), ASHRAE handbook - Fundamentals, Atlanta GA: ASHRAE
4 Omar S Asfour, Mohamed B Gadi (2008), “Using CFD to investigate ventilation characteristics of vaults as wind-inducing devices in buildings”,
5 M.Z.I Bangalee, S.Y Lin, J.J Miau (2012), “Wind driven natural ventilation through multiple windows of a buildings: A computational approach”, Energy and Buildings, Vol 45, pp 317-325.
6 Trần Ngọc Chấn (2011), Kỹ thuật thông gió, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
7 Quinyan (Yan) Chen (2004), “Using computational tools to factor wind into architectural environment design”, Energy and Buildings, Vol 36, pp 1197- 1209.
8 Qingyan Chen (2009), “Ventilation performance prediction for buildings: A method overview and recent applications”, Building and Environment, volume
9 Phạm Ngọc Đăng (2012), “Khung chiến lược quốc gia về phát triển xây dựng xanh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”, Tài liệu hội thảo “Phát triển công trình xây dựng bền vững” tại Đà Nẵng, Bộ xây dựng
10 Phạm Ngọc Đăng, Phạm Đức Nguyên, Lương Minh (1981), Vật lý xây dựng -
Phần I: Nhiệt và Khí hậu, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
11 G Evola, V Popov (2006), “Computational analysis of wind driven natural ventilation in buildings”, Energy and Buildings, Vol 38.
12 Y Gao, W K Chow (2005), “Numerical studies on air flow around a cube”,
Journal of Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol 93, pp 115-135.
13 Leon Glicksman & Juintow Lin - Dịch giả: Trần Phú Thành (2014), Thiết kế nhà ở đô thị bền vững tại Trung Quốc - Các nguyên tắc chủ đạo và nghiên cứu điển hình về giảm sử dụng năng lượng, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
14 Jian Hang, Yuguo Li (2012), “Macroscopic simulations of turbulent flows through high-rise building arrays using a porous turbulence model”, Building and Environment, Vol 49, pp 41-54.
15 Tomoko Hirano, Shinsuke Kato, Shuzo Murakami, Toshiharu Ikaga, Yasuyuki Shiraishi (2006), “A study on a porous residential building model in hot and humid regions: Part 1-the natural ventilation performance and cooling load reduction effect of the building model”, Building and Environment, Vol 41, pp. 21-32.
16 Đặng Thái Hoàng, Nguyễn Văn Đỉnh, Nguyễn Đình Thi, Đỗ Trọng Chung, Trương Ngọc Lân, Nguyễn Quang Minh, Đặng Liên Phương (2006), Giáo trình lịch sử kiến trúc thế giới, Tập II, Nxb Xây dựng, Hà Nội
17 International Union for Conservation of Nature and Natural Resources IUCN, United Nations Environment Programme UNEP, World Wildlife Fund WWF
(1980), World conservation strategy - Living resource conservation for sustainable development, Switzerland.
18 K.-S Nikas, N Nikolopoulos, A Nikolopoulos (2010), “Numerical study of a naturally cross-ventilated building”, Energy and Buildings, Vol 42.
19 Phạm Đức Nguyên (2012), Kiến trúc sinh khí hậu: Thiết kế Sinh khí hậu trong
Kiến trúc Việt Nam, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
20 Phạm Đức Nguyên (2012), Phát triển Kiến trúc bền vững, Kiến trúc xanh ở
Việt Nam, Nxb Xây dựng, Hà Nội
21 Phạm Đức Nguyên (2012), Kiến trúc sinh khí hậu: Thiết kế Sinh khí hậu trong
Kiến trúc Việt Nam, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
22 Nguyễn Tăng Thu Nguyệt, Việt Hà-Nguyễn Ngọc Giả (2014), Kiến trúc hướng dòng thông gió tự nhiên, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
23 F M Silveira, L C Labaki (2012), “Use of natural ventilation in reducing building energy consumption in single-family housing in Brazil”, IEEE, DOI:10.1109/REDEC.2012.6416709.
24 Praphanpong Somsila, Umphisak Teeboonma, Wirapan Seehanam (2010),
“Investigation of buoyancy air flow inside solar chimney using CFD technique”, IEEE, DOI:10.1109/ESD.2010.5598862.
25 Steve V Szokolay (2004), In troduction to Architectural Science: The Basis of
Sustainable Design, Elsevier Science, Oxford.
26 Trần Ngọc Thêm (1999), Cơ sở văn hóa Việt Nam, Nxb Giáo dục.
27 Yoshihide Tominaga, Ted Stathopoulos (2009), “Numerical simulation of dispersion around an isolated cubic building: Comparision of various type of k- Ɛ models”, Atmospheric Environment, Vol 43.
28 Nguyen Anh Tuan, Sigrid Reiter (2011), “The effect of ceiling configurations on indoor air motion and ventilation flow rates”, Building and Environment, Vol 46.
29 Nguyễn Anh Tuấn (2013), “Phương pháp mới cho đánh giá tiện nghi nhiệt trong công trình thông gió tự nhiên”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà
30 Nguyễn Anh Tuấn, Lê Thị Kim Dung (2014), “Cải thiện thông gió tự nhiên trong nhà ở bằng sân trong”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng,
31 H K Versteeg, W Malalasekera (1995), An introduction to Computational Fluid Dynamics - The finite volume method, Longman Scientific & Technical, England.
32 Phan Tiến Vinh, Trịnh Duy Anh, Nguyễn Anh Tuấn (2022), “Đánh giá độ tin cậy phần mềm Autodesk CFD trong nghiên cứu thông gió tự nhiên trong công trình”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ của Đại học Đà Nẵng, Vol 20, No.
33 Ken Yeang (2011), Thiết kế với thiên nhiên, Nxb Tri thức.
34 Yun Kyu Yi, Ning Feng (2013), “Dynamic integration between building energy simulation (BES) and computational fluid dynamics (CFD) simulation for building exterior surface”, Building Simulation , Vol 6, Issue 3, pp 297-308.
35 Wei You, Menghao Qin , Wowo Ding (2013), “Improving building facade design using integrated simulation of daylighting, thermal performance and natural ventilation”, Building Simulation , Vol 6, Issue 3, pp 269-282.
36 Zhiqiang Zhai, Qingyan (Yan) Chen (2003), “Solution characters of iterative coupling between energy simulation and CFD programs”, Energy and Buildings, Vol 35, pp 493-505.
37 CFD Online (2023), Codes, http://www.cfd-online.com/Wiki/Codes, ngày 3/9/2023.
38 United Nations (2023), Agenda 21 https://sustainabledevelopment.un.org/outcomedocuments/agenda21, ngày 23/8/2023.
39 United Nations (2023), Future We Want - Outcome document, https://sustainabledevelopment.un.org/index.php?menu98, ngày 23/8/2023.
40 United Nations (2023), Transforming our world: the 2030 Agenda for
Sustainable Development, https://sustainabledevelopment.un.org/post2015/transformingourworld, ngày23/8/2023.