Vat lý xây dựng

Khoa học VLXD tuy là môn khoa học ứng dụng mới mẻ nhưng thực chất đã hình thành qua quá trình lâu dài cùng với sự phát triển của ngành kiến trúc tạo những thành tựu về nghệ thuật và kỹ t

ThS Nguyễn Thị Quỳnh Chi

Bài giảng

VẬT LÝ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP, 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý xây dựng (VLXD) là môn học cơ sở của ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình Môn học giúp SV có cơ sở học tốt các môn thuộc chuyên ngành

Khoa học VLXD tuy là môn khoa học ứng dụng mới mẻ nhưng thực chất

đã hình thành qua quá trình lâu dài cùng với sự phát triển của ngành kiến trúc tạo những thành tựu về nghệ thuật và kỹ thuật kiến trúc, xây dựng sáng tạo môi trường vi khí hậu, âm thanh và ánh sáng v v…của các nhà kiến trúc lớn biểu hiện qua các công trình kiến trúc hoàn mỹ được xây dựng trong 20 thế kỷ qua, chứng tỏ khi sáng tạo ra một công trình kiến trúc những kiến trúc sư không thể tách rời các vấn đề VLXD và các vấn đề nghệ thuật, kỹ thuật xây dựng khác

Tuy nhiên đầu thế kỷ 20 với quy mô xây dựng nhà ở, công trình công cộng và nhà công nghiệp ngày càng lớn VLXD mới trở thành môn khoa học riêng biệt bao gồm nhiều môn kết hợp chặt chẽ với nhau trong quá trình sáng tạo kiến trúc

Bài giảng VLXD này được biên theo khung chương trình của Trường Đại học Lâm nghiệp đã được duyệt năm 2013 gồm 11 chương và 3 phần chính: khí hậu, nhiệt kiến trúc và con người; môi trường âm thanh (âm học xây dựng); môi

trường quang học (chiếu sáng trong kiến trúc) dùng để giảng dạy cho sinh viên đào tạo theo tín chỉ của ngành kỹ thuật xây dựng công trình

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp trong bộ môn Vật lý, Khoa Cơ điện và công trình Tuy nhiên, do thời gian và khả năng có hạn nên không thể tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các bạn đọc và các đồng nghiệp bộ môn

Thư góp ý xin gửi về Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS Nguyễn Văn Muôn, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã có sự giúp đỡ quý báu!

Tác giả

MỞ ĐẦU

Bài giảng VLXD cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các hiện tượng vật lý xảy ra bên trong và bên ngoài công trình Trên cơ sở nắm vững kiến thức này, sinh viên biết cách điều chỉnh các thông số vật lý đó (bằng các giải pháp kiến trúc và quy hoạch) nhằm tạo điều kiện tiện nghi cho con người sử dụng trong công trình ấy Bài giảng VLXD gồm 3 phần:

- Khí hậu, nhiệt kiến trúc và con người, khí hậu và sự tác động qua lại của khí hậu tới hình thái kiến trúc công trình, vi khí hậu trong công trình kiến trúc, điều kiện tiện nghi vi khí hậu của con người, ứng dụng của bài toán kỹ thuật để thiết kế định hướng các giải pháp kiến trúc, chống nóng cho nhà trong điều kiện khí hậu nóng ẩm và chống nồm

- Môi trường âm thanh (âm học xây dựng): các khái niệm cơ bản về âm thanh, đặc tính hút âm của vật liệu và kết cấu, thiết kế âm học phòng khán giả, thiết kế cách âm cho các kết cấu phân cách

- Môi trường quang học (chiếu sáng trong kiến trúc): một số khái niệm cơ bản về ánh sáng về khả năng nhìn và tiện nghi nhìn thấy của mắt, khí hậu ánh sáng và các nguồn sáng tự nhiên, thiết kế và tính toán chiếu sáng tự nhiên, thiết

kế và tính toán chiếu sáng điện

PHẦN I KHÍ HẬU, NHIỆT KIẾN TRÚC VÀ CON NGƯỜI

Chương 1 KHÍ HẬU NGOÀI NHÀ VÀ VI KHÍ HẬU TRONG CÔNG TRÌNH

KIẾN TRÚC 1.1 Khái quát khí hậu

Những nhân tố khí hậu trong lĩnh vực vật lý xây dựng cần xét đến là: Mặt trời, bức xạ mặt trời; không khí bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí; gió, mưa Mỗi nhân tố đều có ảnh hưởng đến sự hình thành đặc điểm kiến trúc và đòi hỏi những kiến thức kiến trúc, xây dựng thích hợp

Một công trình kiến trúc, xây dựng có chất lượng tốt phải thỏa mãn yêu cầu sử dụng và phù hợp với điều kiện khí hậu nơi xây dựng

1.1.1 Mặt trời và chuyển động biểu kiến của mặt trời

a Mặt trời

Mặt trời là một khối không khí nóng khổng lồ, có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000K, liên tục phát năng lượng nhiệt ra xung quanh dưới dạng tia bức xạ và truyền đi bốn phương dưới dạng sóng điện từ Trái đất chúng ta chỉ nhận được khoảng 1/2.200.000.000 tổng lượng bức xạ mặt trời Sở dĩ mặt trời có nguồn năng lượng lớn như vậy là vì ở đó có quá trình phản ứng nhiệt hạch liên tục từ nguyên tử hyđrô biến thành nguyên tử hêli

Trong thái dương hệ, mặt trời là hệ đứng yên Trái đất quay xung quanh mặt trời một năm được một vòng và nó tự quay quanh mình nó một vòng trong một ngày đêm

Hình 1-1 Quy luật chuyển động của trái đất quay xung quanh mặt trời

Trục tự quay của trái đất làm với mặt phẳng của quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời một góc nghiêng là 66o33’ Vì vậy mà góc của tia mặt trời chiếu xuống mỗi điểm trên bề mặt trái đất luôn thay đổi trong năm, tạo thành hiện

tượng ngày đêm dài ngắn khác nhau, cũng như tạo thành bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông

Trên hình 1-1, khi trái đất ở vị trí A thì tia chiếu của mặt trời làm với mặt phẳng xích đạo một góc về phía bắc  = 90o – 66o33’ = 23o27’ về phía bắc,  gọi

là xích vĩ (hoặc góc xích vĩ - declination) Trong ngày này (21/6) vào giữa trưa ở Bắc Bán cầu mặt trời ở vị trí cao nhất, ban ngày dài nhất, ta gọi là ngày Hạ chí, còn ở Nam Bán cầu thì lại là ngày Đông chí

Khi trái đất ở vị trí B, tia mặt trời chiếu song song với mặt phẳng xích đạo ( = 0), đêm ngày dài bằng nhau, ta gọi là ngày Thu phân (23/9)

Khi trái đất ở vị trí C, tia mặt trời chiếu lệch về phía nam mặt phẳng xích đạo một góc  = -23o27’, trong ngày này, ở Bắc Bán cầu năng lượng bức xạ chiếu trên đơn vị diện tích bề mặt sẽ nhỏ nhất và đêm dài, ngày ngắn, đó là ngày Đông chí (22/12), ở Nam Bán cầu, ngược lại, là ngày Hạ chí

Khi trái đất ở vị trí D, tia mặt trời lại chiếu song song với mặt phẳng xích đạo, ( = 0), ngày đêm dài bằng nhau, đó là ngày Xuân phân (21/3) Trong các ngày khác trong năm góc giữa tia chiếu của bức xạ mặt trời và mặt phẳng xích đạo thay đổi từ  = 23o27’ đến - 23o27’

b Chuyển động biểu kiến của mặt trời

Khi giải các bài toán kiến trúc - khí hậu, chúng ta cần tính đến giá trị của Bức xạ mặt trời (BXMT) trực tiếp hoặc tổng cộng chiếu tới các bề mặt của kết cấu công trình Cường độ của BXMT thay đổi phụ thuộc vào vị trí của bề mặt khảo sát so với tia nắng mặt trời như: các tường bao quanh (mặt đứng), mái nhà (mặt ngang) Hoặc xét cùng một vị trí thì ở các thời điểm khác nhau trong ngày

vị trí của mặt trời thay đổi do vậy BXMT cũng khác nhau Để xác định vị trí của mặt trời chúng ta cần nghiên cứu “Chuyển động biểu kiến của mặt trời”

Theo định luật chuyển động tương đối, chúng ta có thể xem như trong một ngày đêm, mặt trời quay một vòng tròn quanh trái đất

Đứng ở điểm A trên mặt đất có vĩ độ φ (vĩ độ của địa điểm quan sát) quan sát mặt trời chuyển động (hình 1-2) trong một ngày mặt trời chuyển động trên một vòng tròn phẳng, khi mặt trời ở trên mặt phẳng chân trời là ban ngày và khi xuống thấp dưới chân trời là ban đêm

Hình 1-2 Hình chiếu của quỹ đạo biểu kiến trên mặt phẳng chân trời

Trên hình 1-2 có 3 đường chuyển động biểu kiến của mặt trời trong ngày

Hạ chí, ngày Xuân phân, Thu phân và ngày Đông chí

Ta coi mặt trời chuyển động đều trong một ngày đêm và như vậy cứ một

giờ mặt trời đi được một cung bằng

24giê

360 o

= 15o trên vòng vận động của nó Giờ này gọi là giờ trung bình của mặt trời (gọi tắt là giờ mặt trời)

Giờ mặt trời không trùng với giờ hành chính thường dùng hàng ngày Ví

dụ ở nước ta, lấy giờ trung bình mặt trời ở kinh tuyến 105o Đông (kinh tuyến qua Hà Nội là 105o45’) làm giờ hành chính chung cho cả nước Như vậy giờ hành chính ở nước ta sớm hơn giờ hành chính ở Anh (kinh tuyến Greenwich) là

Vào ngày Xuân phân (21/3) và Thu phân (23/9), mặt trời mọc ở đúng hướng Đông và lúc 6 giờ sáng (giờ trung bình mặt trời) và vào lúc 18 giờ chiều thì lặn ở đúng hướng Tây Trong các ngày khác, mặt phẳng chuyển động của mặt trời dịch chuyển dần về phía Bắc (từ 21/3 đến 23/9), hoặc về Nam (từ 23/9 đến 21/3) Tại các địa điểm ở Bắc Bán cầu thì từ 21/3 đến 23/9 ngày dài hơn đêm, từ 23/9 đến 21/3, đêm dài hơn ngày Tại các điểm ở Nam Bán cầu thì ngược lại Tại các điểm trên đường xích đạo ngày và đêm luôn luôn bằng nhau

và bằng 12 giờ Ở Bắc cực và Nam cực, trong một năm có 6 tháng ngày liền và

6 tháng đêm liền

Hai cách xác định vị trí mặt trời

Vị trí của mặt trời trên bầu trời vào một thời điểm bất kì được xác định bằng hai toạ độ cầu là góc độ cao “ho” và góc phương vị “Ao” (hình 1-3)

Hình 1-3 Tọa độ mặt trời từ vị trí quan sát

sin

Hay







coscos

sin-sinh0

0 0

sincos

h

A  (1.1)

ho - góc độ cao mặt trời (góc giữa tia mặt trời với mặt phẳng chân trời)

φ - vĩ độ của địa điểm quan sát

Ao - góc phương vị của mặt trời (góc hợp bởi hình chiếu của tia mặt trời xuống mặt phẳng chân trời với phương Nam chọn làm gốc có Ao= 0o);

Z - góc giờ, tính như sau: lúc 12 giờ (giờ trung bình mặt trời) thì Z = 0, cứ trước hay sau đó một giờ lấy Z = 15o Ví dụ lúc 14 giờ 20’:

o o

3

115

góc xích vĩ  tính theo công thức:

365

)284

.(

360sin'27

Hình 1-4 Phương pháp dựng biểu đồ quỹ đạo chuyển động biểu kiến của mặt trời

Từ các công thức trên, có thể suy ra công thức để tính độ dài của ngày, góc phương vị của mặt trời lúc mọc và lặn, cũng như độ cao của mặt trời lúc 12 giờ trưa như sau:

- Góc phương vị của mặt trời khi mọc (hay lặn), từ công thức (1.1), cho h0 = 0,

- Độ cao mặt trời lúc 12 giờ trưa: từ công thức (1.1), cho cosZ = 0, ta có:

h0 = 90o - φ +  Giờ mặt trời mọc hay lặn: từ công thức tính giờ trung bình của mặt trời, khi đã biết độ cao mặt trời là

sin-

cosZ  , cho h0 = 0 ta sẽ được công thức tính giờ mặt trời mọc hay lặn

cos Z = - tgφtg

Cách 2: dùng biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời

Để giải quyết các bài toán về che nắng, chiếu nắng, xác định bóng đổv.v… người ta biểu diễn đường đi của mặt trời qua các ngày tháng trong năm trên một biểu đồ gọi là biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời Nguyên tắc biểu diễn là chiếu vị trí của mặt trời lên mặt phẳng chân trời của địa phương (hình 1-4)

Tại những địa phương nằm gần các vòng bắc cực hay nam cực (như Peterburg chẳng hạn), ban ngày mùa đông rất ngắn thậm chí bằng 0 giờ, còn ban ngày mùa hè rất dài có thể tới 24 giờ Tại những địa phương này, những ngày gần hạ chí thường gọi là những đêm trắng Khác với Hà Nội, tại những địa phương này mặt trời không bao giờ đi qua đỉnh đầu, vì vậy trong các công trình xây dựng có thể lấy ánh sáng bằng các cửa kiểu giếng trời mà không bị nắng chiếu vào nhà

Ở ngoài khí quyển, bức xạ mặt trời cực đại ở bước sóng  = 0,47 m (nằm giữa màu xanh biếc và màu da cam) Quang phổ bức xạ ở gần mặt đất

Hình 1-5 Bức xạ mặt trời trực tiếp

khuếch tán và tổng cộng

được giới hạn trong phạm vi bước sóng  = 0,29 - 4,0 m và cực đại ở bước sóng  = 0,56 m (màu da cam)

Năng lượng bức xạ mặt trời được đo bằng đơn vị Calo hay Watt Số nhiệt lượng mà một đơn vị bề mặt thẳng góc với tia mặt trời nhận được trong một đơn

vị thời gian gọi là cường độ bức xạ mặt trời (đo bằng W/m2 hay Calo/cm2.phút)

Bức xạ mặt trời xuyên qua tầng khí quyển sẽ bị hấp thụ một phần do các hạt nước, bụi, khói, khí CO2, ôzôn, các phần tử không khí, một phần bị mây phản xạ và phần lớn còn lại sẽ chiếu xuống mặt đất gọi là trực xạ S

Sau khi hấp thụ bức xạ mặt trời, khí quyển nóng lên và trở thành vật bức

xạ phát nhiệt xuống mặt đất, lượng nhiệt này cùng với phần bức xạ mặt trời bị khí quyển khuếch tán chiếu xuống trái đất, gọi là bức xạ khuếch tán (tán xạ) gọi

có hiện tượng này là vì khí quyển thường không trong suốt, đặc trưng cho tính chất đó của khí quyển người ta dùng hệ số trong suốt p Không khí càng ẩm, trời càng âm u thì hệ số p càng nhỏ Ở đồng bằng Bắc bộ vào mùa xuân (tháng 2 – 4)

có p ~ 0,6; mùa Đông (tháng 11 năm trước đến tháng 1 năm sau) có p = 0,75; còn vào mùa Hè và mùa Thu trị số p xấp xỉ bằng 0,7 Hệ số trong suốt của khí quyển ở miền núi, trung du lớn hơn ở vùng đồng bằng Bầu trời thị trấn Sa Pa có

p = 0,8 Ở các thành phố công nghiệp, do không khí có nhiều bụi khói nên hệ số

p thường nhỏ hơn ở nông thôn

Gọi S là trực xạ chiếu lên mặt phẳng thẳng góc với tia mặt trời Trị số S

phụ thuộc góc cao mặt trời và độ trong suốt của khí quyển có thể tính theo công thức hoặc lấy theo số liệu đo tại Trạm khí tượng

Trực xạ chiếu lên các mặt phẳng bất kỳ bao giờ cũng bằng trị số S nhân với cosin của góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng ấy và hướng của tia nắng

Si = S cos(i)

trong đó i - là góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng và hướng của tia nắng

Trường hợp tổng quát tính cho mặt phẳng nghiêng một góc  so với mặt ngang, dựa theo các công thức giải tam giác cầu dễ dàng tìm được cosi là :

cosi = cos h0.cos(A0 - a) sin + sin h0.cos (1.3)

- góc nghiêng của mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng ngang

h0- góc độ cao mặt trời

A0 - góc phương vị mặt trời

a – góc hợp bởi pháp tuyến của mặt tường và hướng Nam hay có thể gọi

là góc phương vị của pháp tuyến tường

Khi =0 thì ta có trực xạ trên mặt nằm ngang:

S dg  cosh0cos( 0 ) (1.5)

Mặt tường hướng Nam có a = 0 nên:

Sn =S cos h0.cos A0 (1.6) Mặt tường hướng Bắc có a = 180o nên:

Sb= S cos h0 cos A0 (1.7)

Mặt tường hướng Đông có a = 90o nên:

Sđ= S cos h0.sin Ao (1.8) Mặt tường hướng Tây có a = 270o nên:

St = S cos h0.sin A0 (1.9) Trong khi tính toán theo công thức (1.5) cần chú ý rằng khi (A0 - a) > 90O, thì giá trị cos (A0 - a) sẽ âm, do đó thành phần trực xạ lúc này sẽ mang giá trị

âm, trong trường hợp này phải coi trực xạ bằng 0 vì tia nắng mặt trời không chiếu vào mặt tường mà chiếu vào phía sau

Tán xạ

Tán xạ (bức xạ khuếch tán) chính là bức xạ từ bầu trời chiếu xuống Trong điều kiện có mây, tán xạ thường tăng lên rất nhiều so với khi trời quang mây Cường độ tán xạ khi trời có mây phụ thuộc lượng mây và dạng mây (mây tầng thấp, mây tầng trung, mây tầng cao) Ở nước ta, khí hậu ẩm ướt, tán xạ lớn hơn ở các nước nóng khô

Tán xạ trên mặt phẳng nghiêng làm với mặt phẳng ngang một góc  được xác định gần đúng như sau:

) cos 1

Thay =900 nhận được giá trị tán xạ trên mặt đứng bằng 1/2 tán xạ trên mặt ngang

Tính tổng xạ

Hầu hết các công trình nghiên cứu trên thế giới đều dựa trên cơ sở sử dụng các hằng số của phương trình hồi quy giữa bức xạ tổng cộng ngày trung bình tháng với tỉ số tương đối của tổng số giờ nắng trong ngày trung bình tháng trên tổng số giờ nắng trung bình ngày khả dĩ để xác định lượng bức xạ tổng cộng ngày trung bình tháng Dạng cơ bản của phương trình này là phương trình hồi quy tuyến tính của Angstrom

N

n Q

Q

S

52 , 0 cos 29 ,

Trong bảng 1-2, số giờ nắng được lấy từ TCVN-4088-85

Qs=36 MJ/m2.ngày là bức xạ trực tiếp (hoặc gọi là bức xạ tổng cộng) trung bình ngày trên mặt ngang ở ngoài tầng khí quyển

 - vĩ độ địa lý

n - tổng số giờ nắng trong tháng (giờ)

N - tổng số giờ nắng khả dĩ trong ngày (giờ)

15

) cos(

.

2 ar tgtg

(1.12) Trong thực hành tính toán có thể lấy tổng số giờ nắng trong tháng theo các tài liệu khí hậu (QCXDVN 02: 2008/BXD- Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng) bảng 1-2 là giá trị tính toán tổng xạ theo công thức (1.11) cho thành phố Hà Nội

Bóng đổ của công trình kiến trúc

Hình 1-6 Mô tả bóng đổ của cọc trên mặt bằng

Vẽ bóng đổ của công trình lên trên các mặt phẳng là bài toán thường gặp của các nhà thiết kế công trình Để đơn giản, trong phần này sẽ nêu phương pháp vẽ bóng đổ trên mặt đất bằng cách áp dụng phương pháp bóng cọc Về thực chất, việc vẽ bóng đổ công trình chính là việc vẽ bóng đổ của các đỉnh cọc rồi nối lại

Cọc có chiều cao H= PP’, bóng cọc là L=P’T, dựa treo hình vẽ ta có:

) ( ctg h0H

Bắc a=1800

180+ A 0

A 0

Hướng đổ

bóng

1.1.3 Các thông số vật lý của không khí và biểu đồ không khí ẩm

1.1.3.1 Các thông số vật lý của không khí

Môi trường sống của chúng ta hiện nay chính là không khí ẩm nó bao gồm không khí khô và hơi nước (KKẩm = KKkhô + Hơi nước)

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

chứa trong 1 kg không khí khô VD: nếu trong 1,018 kg không khí khô có 18g

hơi nước => k.k đó có d = 18 (g/kg k.k.khô) Ở trạng thái bão hoà ký hiệu: D

b Áp suất hơi nước: (vapour pressure) hay là áp suất phần hơi nước trong không

khí, ký hiệu e (mmHg) hay Pa hoặc (N/m2), 1mmHg = 1,333.102 N/m2 Ở trạng

thái bão hoà ký hiệu: E

c Độ ẩm không khí:

+ Độ ẩm tuyệt đối (absolute humidity): ký hiệu f (g/m3): là số gam hơi nước chứa trong 1 m3 không khí Ở trạng thái bão hoà ký hiệu: F

+ Độ ẩm tương đối (relative humidity): ký hiệu φ(%), tỷ số giữa độ ẩm

của không khí ở trạng thái khảo sát so với trạng thái bão hoà hơi nước của

không khí đó (ở cùng một nhiệt độ): φ = f/ F*100% = d/D*100% = e/E*100%

d Nhiệt độ

* Quy đổi nhiệt độ:

] 32 ) ( [ 5

9 ) (

] 32 ) ( [ 9

5 ) (

273 ) ( ) (

0 0

0 0

F t C t

K C

t K T

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

+ Nhiệt độ khô (t k , 0 C): nhiệt độ của không khí được đo bằng nhiệt kế

thuỷ ngân thông thường (bầu thuỷ ngân để khô)

+ Nhiệt độ ướt (t ư , 0 C): nhiệt độ của không khí được đo bằng nhiệt kế

thuỷ ngân với bầu thuỷ ngân được bọc bông hay vải luôn ẩm ướt

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

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

* Tại tS : e = E( tS ) hoặc φ(tS) = 100% (tại đây tk = tư )

* Hiện tượng trong thực tế: Mùa Đông có hiện tượng sương mù vào

tháng 3, 6 (chuyển Đông => Hè) do t 0 kk ≤ t S; hiện tượng đổ mồ hôi nền nhà do

t 0

kk bề mặt nền nhà ≤ t S

Hình 1-7 Nhiệt kế khô ướt

Khả năng chứa hơi nước cực đại của một khối không khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nó Nhiệt độ càng cao không khí càng chứa được nhiều hơi nước

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

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

chứa trong một đơn vị khối lượng không khí, so với lượng nhiệt của không khí khô ở 0oC Gồm hai thành phần:

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

độ của phần không khí khô

H S = 1,005*tK (kJ/kg.k.k.khô)

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

+ Nhiệt ẩn: ký hiệu H l là lượng nhiệt do sự có mặt của hơi nước

trong không khí Đó là lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi toàn bộ lượng hơi

ẩm trong không khí (nhiệt ẩm bay hơi)

H l = d*h l (kJ/kg.k.k.khô)

Trong đó: hl - nhiệt dung riêng của hơi nước ở nhiệt độ không khí khô + Do vậy:

H = H S + H l = 1,005*tK + d*h l (kJ/kg.k.k.khô)

g Trọng lượng riêng của không khí: γk

Trọng lượng riêng của không khí là trọng lượng tính bằng kg của 1m3không khí Trọng lượng riêng của không khí khô phụ thuộc vào áp suất khí

quyển và nhiệt độ của không khí Ứng với áp suất khí quyển là Pkq = 760 mmHg và nhiệt độ không khí tK = 00C thì khối lượng riêng của không khí khô

γ0 = 1,293 kg/m3

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

) / ( 273 1

293 , 1

273 1

3 0

t t

khô t

- t: nhiệt độ của không khí t0C;

Trọng lượng riêng của không khí ẩm (trong kk có chứa hơi nước):

) / ( 176 ,



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

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

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

Trọng lượng của không khí khô có trong 1m3 không khí ẩm:

) / ( 465

- t: nhiệt độ của không khí (0C);

- Pkq: áp suất khí quyển = 760 mmHg;

h biểu đồ không khí ẩm, biểu đồ t – d

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

thể biểu diễn trên một biểu đồ không khí ẩm (Psychrometric Chart) hay còn gọi

là biểu đồ nhiệt - ẩm, biểu đồ t - d

Hình 1-8 Biểu đồ nhiệt – ẩm, biểu đồ t - d

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

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

(biểu đồ nhiệt - ẩm) tại điểm đó cho biết các giá trị: tk, tư, d, φ, e, V Nếu biết

hai giá trị bất kỳ trong sáu giá trị trên thì hoàn toàn có thể xác định được các giá

trị còn lại

Quá trình hút ẩm đặc biệt Giảm t k , giữ cố định d

Giảm t k , dung ẩm d Tăng ẩm đoạn nhiệt

Giảm ẩm đoạn nhiệt Giảm ẩm ngưng tụ

Hình 1-9 Quá trình trộn khí

*Quá trình trộn khí

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

mB là khối lượng không khí khô ở trạng thái B

Dựa vào hình vẽ 1-9, áp dụng quy tắc tam giác đồng dạng có thể tìm được các biểu thức sau:

C B A B B A

m m

H m H m H

m m

d m d m d

Có thể giải thích bản chất nói trên của gió dựa theo công thức tính mật độ không khí:

1 273

t

o t



 



(kg/m3) (1.17) Trong đó:

Phân loại gió:

- Lục địa ra biển

* Mùa hè

Gió thổi từ:

- Nam bán cầu lên

- Biển vào lục địa

* Gió địa phương: thổi trong những ngày thời tiết ổn định theo ngày và

đêm do ảnh hưởng của địa hình, bao gồm:

- Gió núi và thung lũng:

Ngày: gió thổi từ thung lũng lên đỉnh núi (vì đỉnh núi bị mặt trời đốt nóng

hơn dưới thung lũng)

Đêm: Gió thổi từ đỉnh núi xuống (vì bề mặt đỉnh núi cao nguội nhanh hơn

dưới thung lũng)

- Gió biển:

Ngày: Gió thổi từ biển vào đất liền (vì đất liền bị mặt trời đốt nóng nhanh

hơn làm khí nóng bốc lên kéo khí lạnh từ biển vào)

Đêm: Gió thổi từ đất liền ra biển (vì mặt biển giữ nóng lâu hơn đất liền

làm khí nóng bốc lên kéo khí lạnh từ đất liền ra)

Hình 1-10 Mô tả gió núi và thung lũng

Hình 1-11 Mô tả gió biển

Hình 1-12 Mô tả gió phơn

* Gió phơn nóng khô: xảy ra khi gió vượt núi cao không khí bị giãn nở lạnh đoạn nhiệt, nhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt độ điểm sương khiến hơi nước ngưng tụ thành mưa mất nước (độ ẩm tuyệt đối e giảm) Càng lên cao càng mưa nhiều Sang sườn bên không khí bị nén nóng lên (độ ẩm tuyệt đối bão hòa E tăng) khiến  giảm nhỏ trở thành gió nóng khô Ở nước ta tại dãy Trường Sơn miền Trung Bộ có gió phơn Trên thế giới tại dãy núi Alpes (Anpơ -Bắc ý); dãy núi Cascade (Capcadơ-Nga) có gió này

- Đại lượng biểu thị gió: tốc độ v(m/s) và tần suất (%) Tần suất là tỉ lệ %

số lần xuất hiện gió trên mỗi hướng so với tổng số lần đo Quy luật gió ở mỗi địa phương được đo đạc, thống kê, biểu thị bằng hoa gió Có 2 loại hoa gió (hình 1-13) và (hình 1-14)

a Hoa gió biểu thị đơn thuần tần suất

b Hoa gió biểu thị cả tần suất và tốc độ Trong đó, độ dài của tia biểu thị tần suất hướng gió (1 mm = 2%)

- Cơn dông

Là cơn gió lớn, thổi đột ngột trong thời gian rất ngắn Khi có dông thường kèm theo mưa rào, gió giật, sét, vòi rồng, mưa đá Sức gió trong vòi rồng rất mạnh có khi tới 400km/h Thống kê lượng dông bão bằng ngày: ngày dông/năm hoặc mùa

- Bão

Là gió xoáy khổng lồ gây biến động mạnh về thời tiết Thường bắt nguồn

từ biển Thống kê lượng bão bằng số cơn bão/ năm

Hình 1-13 Hoa gió biểu thị tần xuất cả năm tại Hà Nội

11,85

7,34 1,71 2,97 9,81

36,21

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Bac

Dong Bac

Dong

Dong Nam

Nam Tay Nam

Tay Tay Bac

13

Thang gió Beaufort

Thang đo này được sĩ quan hải quân người Ailen là Sir Francis Beaufort nêu ra khoảng năm 1805 Mặc dù là kém chính xác nhưng lại được dùng rất rộng rãi trong thực tế

Thang đo sức gió Beaufort được sử dụng để phục vụ cho công tác dự báo thời tiết

Ngày nay, thang Beaufort được nới thêm 4 cấp để ấn định bão có sức gió trên 117 km/h dựa theo thang bão Saffir-Simpson vẫn được dùng để ấn định cấp bão ở Đại Tây Dương

- Cấp 13 có sức gió 118-153 km/h (tương đương với cấp 1 của thang bão Simpson)

- Cấp 14 có sức gió 154-177 km/h (tương đương với cấp 2 của thang bão Saffir-Simpson)

- Cấp 15 có sức gió 178-209 km/h (tương đương với cấp 3 của thang bão Saffir-Simpson)

- Cấp 16 có sức gió 210-249 km/h (tương đương với cấp 4 của thang bão Saffir-Simpson)

Saffir-Hình 1-14 Hoa gió biểu thị cả tần suất và tốc độ

Tại Việt Nam, hầu như không có bão mạnh đến mức cần sử dụng thang bão Saffir-Simpson (lí do là các cơn bão mạnh trên cấp 12 hầu như đều xuất phát từ ngoài đại dương, sau khi vượt qua Philipin để đổ bộ vào Việt Nam thì sức gió đã suy giảm rất nhiều) nên người ta chỉ cần sử dụng thang sức gió Beaufort để mô tả sức mạnh của chúng là đủ Gió xoáy có cấp Beaufort từ 6 đến

7 trên một diện rộng gọi là áp thấp nhiệt đới Gió xoáy từ cấp 8 trở lên trên một

15%

diện rộng, có thể kèm theo mưa lớn gọi chung là bão Tuy nhiên, điều này đã không còn đúng trong thời gian gần đây, điển hình là các cơn bão Chanchu và bão Xangsane trong năm 2006 Mặc dù bão Chanchu không đi vào vùng bờ biển Việt Nam, nhưng với cấp 4 theo thang bão Saffir-Simpson nó đã làm nhiều tàu thuyền bị đánh chìm và nhiều ngư dân Việt Nam bị chết trên biển Đông Trong

dự báo bão cho cơn bão Xangsane, lần đầu tiên người ta đã sử dụng cấp 13 và trên cấp 13

Bảng 1-3 Các cấp gió

km/h

3 Số giờ nắng

Được biểu thị bằng tổng số giờ nắng trong cả năm hoặc trong từng tháng

Bảng 1-4 Số liệu khí tượng Hà Nội

(Tổng số giờ nắng tháng và cả năm, giờ; Lượng mưa trung bình tháng và năm, mm; Độ ẩm tương đối trung bình tháng và năm, %)

giờ 85 54 47 93 189 160 195 184 178 186 148 121 1646 Mưa,

mm 18 25 46 84 192 240 296 310 258 125 47 20 1661

1.2 Đặc điểm khí hậu Việt Nam và phân vùng khí hậu

1.2.1 Đặc điểm khí hậu Việt Nam

Khí hậu là nhân tố trọng yếu của môi trường, có tác động đến toàn bộ hệ sinh thái của vùng Với tính chất chung là nhiệt đới ẩm, gió mùa, khí hậu nước

ta được chia thành 2 vùng rõ rệt, vùng khí hậu phía Bắc và vùng khí hậu phía Nam, có ranh giới là 16 vĩ bắc, chạy ngang đèo Hải Vân Sự khác biệt cơ bản giữa 2 vùng khí hậu này là ở chỗ: miền khí hậu phía Bắc có mùa đông lạnh, nhiệt độ trung bình năm dưới 24C Vùng khí hậu phía Nam không có mùa đông, nhiệt độ trung bình năm từ 24C đến 28C Tại các khu vực đồng bằng có mùa mưa kéo dài 6 tháng (từ tháng 5 tới tháng 10) và mùa khô 6 tháng (từ tháng

11 đến tháng 4) Ở cả 2 vùng số giờ nắng trung bình năm từ 1400 đến 2800 giờ Tổng xạ trung bình năm 86–169 Kcal/cm2 Độ ẩm không khí quanh năm từ 77% đến 78% Ở vùng khí hậu phía Bắc, mùa Đông có mưa phùn, độ ẩm tương đối của không khí cao Cuối năm có gió nồm, độ ẩm tương đối rất lớn (đến 95%), có lúc bão hoà

Một số vùng đông Trường Sơn có gió khô nóng thổi từ hướng Tây, mỗi năm kéo dài chừng 1 tháng, đưa nhiệt độ không khí lên tới trên 35 và độ ẩm tương đối xuống dưới 55%

Lượng mưa ở nước ta khá lớn, trung bình từ 1100 mm đến 4800 mm Thời gian mưa trong năm kéo dài từ 67 đến 223 ngày, tập trung vào 1 số tháng nhất định Cường độ mưa lớn, liên tục đã gây lên nhièu trận lũ lụt Vùng ven

biển Khánh Hoà trở ra (vĩ tuyến 12 Bắc) có nhiều bão lớn kèm mưa to, nước biển dâng cao, thường có sóng thần

1.2.2 Phân vùng khí hậu xây dựng

Phân vùng khí hậu Xây dựng Việt Nam (theo đề nghị mới)

Dưới góc độ ngành xây dựng, lãnh thổ Việt Nam cũng được chia làm 2 vùng khí hậu là vùng khí hậu xây dựng phía Bắc và vùng khí hậu xây dựng phía Nam

Vùng khí hậu xây dựng phía Bắc (I) tính từ đèo Hải Vân trở ra Bắc và miền khí hậu xây dựng phía Nam (II) tính từ đèo Hải Vân trở vào Nam

Đặc điểm của các vùng khí hậu xây dựng này được miêu tả dưới đây:

1.2.2.1 Phân vùng khí hậu phía Bắc (bao gồm 4 tiểu vùng)

1 Tiểu vùng khí hậu núi Tây Bắc và Trường Sơn

Bao gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Điện Biên, phía tây dãy Hoàng Liên Sơn thuộc các tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Hoà Bình

Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống tới dưới 0C ở phía Bắc và dưới 5C ở phía Nam Tại khu vực núi cao phía Bắc có khả năng xuất hiện băng giá, mưa tuyết

Chịu ảnh hưởng của thời tiết khô nóng, ở các thung lũng thấp, nhiệt độ cao nhất có thể trên 40C Vùng Tây Bắc không chịu ảnh hưởng của biển, khí hậu mang nhiều tính chất lục địa, biên độ nhiệt độ ngày đêm lớn Trừ 1 số khu vực thấp ở phía Bắc và phần đuôi phía Nam, tại vùng này chú ý chống lạnh ngang chống nóng Thời kỳ cần sưởi: 60 – 90 ngày

Trên phần lớn vùng này, hàng năm có một mùa khô kéo dài gần trùng với thời kì lạnh Không có thời kì mưa phùn, lạnh ẩm hoặc nồm ẩm

Mưa có cường độ lớn và phân bố không đều

Vùng này ít chịu ảnh hưởng của gió bão nhưng vận tốc gió mạnh có thể trên 40m/s, với thời gian tồn tại ngắn (do ảnh hưởng của các trận lốc, vòi rồng)

2 Tiểu vùng khí hậu núi Đông Bắc và Việt Bắc

Bao gồm các tỉnh Cao Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang, Tuyên Quang, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Phú Thọ, phần phía đông dãy núi Hoàng Liên Sơn thuộc các tỉnh Lào Cai, Bắc Giang, Quảng Ninh

Đây là vùng có mùa đông lạnh nhất nước ta

Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống dưới 0C, có khả năng xuất hiện băng giá, ở núi cao có thể mưa tuyết Mùa hè, nóng ít hơn so với đồng bằng nhưng ở các thung lũng thấp nhiệt độ cao nhất có thể đạt trên 40C

Trong vùng này, yêu cầu chống lạnh cao hơn chống nóng Thời kì cần sưởi có thể kéo dài trên 120 ngày, nhất là về ban đêm và ở phần trên cùng của các vùng núi cao

3 Tiểu vùng khí hậu đồng bằng Bắc Bộ

Bao gồm toàn bộ đồng bằng và trung du nửa phần phía Bắc, thuộc các tỉnh Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Hà Tây, Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên,

Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình

Biên độ nhiệt độ, độ ẩm thấp hơn so với 2 vùng A1, A2 Nhiệt độ thấp nhất ít có khả năng xuống dưới 00C ở phía Bắc và 50C ở phía Nam

Nhiệt độ cao nhất có thể đạt tới 400C Riêng phía Nam, từ Thanh Hoá trở

ra có thể đạt tới 42 - 430C do ảnh hưởng trực tiếp của thời tiết khô nóng Trong vùng, chống nóng là quan trọng nhưng cũng cần che chắn gió lạnh mùa đông

Mưa nhiều, cường độ mưa khá lớn Mùa ẩm, mùa khô không đồng nhất trong vùng

Bão có ảnh hưởng trực tiếp tới toàn vùng Mạnh nhất là ở ven biển, vận tốc gió mạnh có thể trên 40km/s

4 Tiểu vùng khu IV cũ (Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế)

1.2.2.2 Vùng khí hậu phía Nam (3 tiểu vùng)

Bao gồm toàn bộ phần lãnh thổ phía Nam đèo Hải Vân

Khí hậu cơ bản là nhiệt đới, gió mùa, không có mùa đông lạnh

Riêng phía Bắc của miền còn chịu ảnh hưởng 1 phần của các đợt gió mùa Đông Bắc mạnh, ở đồng bằng quanh năm chỉ có 1 mùa nóng Nhiệt độ trung bình năm lớn hơn 24C Trừ vùng núi, miền này không có yêu cầu chống lạnh, chỉ cần chống nóng

Miền khí hậu phía Nam được chia làm 2 tiểu vùng khí hậu:

Vùng 1 Tiểu vùng Nam Bộ

Hàng năm chỉ có 2 mùa khô và ẩm, tương phản nhau rõ rệt, phù hợp với 2 mùa gió và không đồng nhất trong vùng Cường độ mưa khá lớn ở Nam Bộ, gồm các tỉnh: Bà Rịa Vũng Tàu, An Giang, Đồng Nai, Bình Dương, Bình

Phước, Tây Ninh, Thành Phố Hồ Chí Minh, Vĩnh Long, Trà Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng, Kiên Giang, Bạc Liêu và Cà Mau

Vùng 2 Tiểu vùng khí hậu Duyên Hải và Nam Trung Bộ

Bao gồm toàn bộ vùng đồng bằng và đồi núi thấp dưới 100m, thuộc tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Ninh Thuận,

Khí Hậu cơ bản là nhiệt đới, gió mùa, không có mùa đông lạnh (trừ phần phía Bắc còn có mùa đông hơi lạnh)

Nhiệt độ thấp nhất nói chung không dưới 10C Nhiệt độ cao nhất vượt

40C ở phía Bắc và đạt 35 - 40C ở phía Nam Do ảnh hưởng của biển, biên độ nhiệt độ ngày cũng như năm đều nhỏ Trong vùng không cần chống lạnh

3 Tiểu vùng khí hậu Tây Nguyên

Bao gồm toàn bộ phần núi cao trên 100m của nửa phần phía Nam, thuộc các tỉnh Gia Lai, Kon Tum, Đắc Lắc, Lâm Đồng

Khí hậu vùng núi, nhiệt đới

Mùa đông chịu ảnh hưởng chút ít của gió mùa Đông Bắc ở phần Bắc Mức độ lạnh phụ thuộc độ cao địa hình Trên vùng núi cao, ít lạnh, nhiệt độ các tháng đông cao hơn vùng Tây Bắc từ 4 đến 5C Nhiệt độ thấp nhất trên vành đai núi cao từ 0 đến 5C, ở các vùng khác trên 5C

1.3 Vi khí hậu và con người

1.3.1 Vi khí hậu (VKH) trong phòng

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

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

Hình 1-15 Khí hậu ngoài nhà và VKH trong phòng

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

+ 4 yếu tố khí hậu: nhiệt độ không khí trong phòng t k, độ ẩm φ%, tốc độ gió vg(m/s), t i nhiệt độ của các bề mặt trong phòng

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

1.3.1.1 Nhiệt độ không khí trong phòng t K , 0 C

- Nhiệt độ không khí (k.k) trong phòng không giống nhau ở các vị trí khác nhau nên cần dùng trị số trung bình tại các điểm khác nhau

- Nhiệt độ cũng thay đổi trong ngày, thể hiện sự thay đổi thông qua biên

độ dao động nhiệt độ: tb

K K

A biên độ dao động nhiệt độ, 0C;

- t Kmax : nhiệt độ cực đại của k.k trong phòng, 0C;

- t K tb: nhiệt độ trung bình của k.k trong phòng, 0C

S

S t t

(1.18) Trong đó: ti là nhiệt độ trung bình của bề mặt diện tích Si (0C)

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

) (

8 ,

cđ

t    (1.19)

Trong đó: t cđ - nhiệt độ cầu đen (0C);

tK - nhiệt độ không khí trong phòng (0C);

vg - vận tốc gió trong phòng m/s

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

1.3.2 Sự trao đổi nhiệt của cơ thể người với môi trường

Nhiệt độ bản thân con người (thân nhiệt) thường giữ một trị số không đổi

từ 36,5oC đến 37,5oC, trung bình là 37oC Sở dĩ thân nhiệt cố định là do các bộ

phận chức năng điều hoà nhiệt dưới sự chi phối của hệ thần kinh, nhiệt năng không ngừng được sản sinh ra trong cơ thể và không ngừng được toả ra ngoài

Hình 1.17 Sự trao đổi nhiệt giữa cơ thể với môi trường

Con người trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh dưới các dạng chủ yếu sau: bức xạ, đối lưu, bốc hơi, mồ hôi và hô hấp Lượng nhiệt trao đổi đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: quần áo mặc, tư thế con người (ngồi, nằm, đứng) và điều kiện vi khí hậu của môi trường Điều kiện cần thiết để có được sự thoải mái (tiện nghi nhiệt) là:

M  Rd  Cv  Cd – E = 0 (1.20) trong đó:

M – (Metabolism) lượng nhiệt do cơ thể sinh ra tính theo W/m2 của diện tích bề mặt cơ thể;

Cv – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi trường xung quanh bằng đối lưu, W/m2;

Rd – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi trường xung quanh bằng bức

xạ, W/m2;

Cd – lượng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với bàn ghế bằng dẫn nhiệt, W/m2;

E – lượng nhiệt mất đi do bốc hơi của cơ thể, W/m2

Các đại lượng trong công thức trên được tính cho một đơn vị diện tích cơ thể người Diện tích mặt da của cơ thể người hay còn gọi là hệ số Du Bois được tính theo công thức:

* Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể người với môi trường xung quanh được thể hiện bằng công thức:

) 35 ( 16 ,

Fi và i – diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng;

tcđ – nhiệt độ cầu đen 0C;

ta – nhiệt độ không khí trong phòng 0C;

v – vận tốc gió trong phòng m/s

Bảng 1- 6 Lượng nhiệt do quá trình sinh lý trong cơ thể người sinh ra (M)

Nhiệt độ cầu đen được xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng, đường kính khoảng 10 – 15 cm, mặt ngoài quét đen (bằng muội khói đèn) sao cho hệ số bức xạ bề mặt xấp xỉ bằng hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Cầu đen được treo ở vị trí cần xét trong phòng Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở chính tâm quả cầu, để đo nhiệt độ không khí ở trong cầu đen, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ cầu đen Nó có một quán tính cỡ chừng 15 phút, tuy nhiên sau khoảng thời gian này, số đọc được sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh hưởng của bức xạ phát xạ hoặc nhận được Nếu nhiệt độ không khí nóng, nhưng mặt tường đối diện lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu

và do đó số đọc được sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí Nếu bức xạ nhận được thì

số đọc được sẽ cao hơn nhiệt độ không khí

* Lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu giữa cơ thể người với môi trường xung quanh được thể hiện bằng công thức:

) 35 ( 87 ,

v – tốc độ gió của không khí trong phòng (m/s )

Nếu qK dương, gió có tác dụng giúp người toả nhiệt, ngược lại, gió sẽ làm tăng nhiệt đối lưu truyền vào người

* Lượng nhiệt tỏa đi bằng bốc hơi mồ hôi được thể hiện bằng công thức:

) 42 ( 1 ,

29 v0,8 e

q mh   Kcal/h (1.25)

e - áp suất hơi nước (mmHg);

E = 42 - áp suất hơi nước bão hòa trên mặt da (mmHg)

1.3.3 Đánh giá tiện nghi vi khí hậu

Chỉ tiêu nhiệt độ hiệu quả ( Effective Temperature)

Nhiệt độ hiệu quả (Effective Temperature) là một chỉ số môi trường tổng hợp về một con số các tác động của nhiệt độ khô, nhiệt độ ướt, độ ẩm và tốc độ gió tới cảm giác nóng lạnh mà cơ thể người cảm thấy Nhiệt độ hiệu quả được định nghĩa là nhiệt độ mà tại đó không khí với độ ẩm bão hòa và không chuyển động gây ra cho người mặc quần áo bình thường ngồi trong nhà một cảm giác tiện nghi giống như ở trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió thực tế

Nhiệt độ hiệu quả dùng để đánh giá tiện nghi nhiệt của cơ thể người được tính theo hai phương pháp:

a Bằng công thức Webb

v t

t

t hq  0 , 5 (K U)  1 , 94 (1.26)

trong đó: thq là nhiệt độ hiệu quả, tK là nhiệt độ khô, tU là nhiệt độ ướt, v tốc độ gió, m/s

b Bằng toán đồ nhiệt độ hiệu quả

Dựa trên công thức Webb có thể dựng được toán đồ như hình1-18 và gọi là toán đồ nhiệt độ hiệu quả Vùng tiện nghi nằm trong khoảng:

20oC< thq<27oC

Ví dụ: Cho tk=32oC, =80%, v=5 m/s, tìm thq

Dùng biểu đồ t-d (toán đồ nhiệt độ hiệu quả) tra được tU = 29oC, dóng đường thẳng nối tk với tU, giao điểm của đường này với đường tốc độ gió v=5 m/s

sẽ gặp đường thq = 26oC Đáp số: thq = 26oC Như vậy cảm giác nhiệt là dễ chịu

Khi sử dụng toán đồ này có thể thay nhiệt độ không khí bằng nhiệt độ bức

xạ khi tR>tK

Giá trị nhiệt độ hiệu quả tìm được bằng cách thay nhiệt độ không khí bằng nhiệt độ cầu đen sẽ được gọi là nhiệt độ hiệu quả đã hiệu chỉnh (Corrected Effective Temperature- CET)

Hình 1-18 Toán đồ nhiệt độ hiệu quả (dùng cho người mặc quần áo bình thường)

Chương 2 TRUYỀN NHIỆT ỔN ĐỊNH VÀ THIẾT KẾ CÁCH NHIỆT MÀU LẠNH 2.1 Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

* Đặc điểm: Nhiệt năng (q) truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt

độ thấp Chẳng hạn, nhiệt độ giữa không khí trong nhà và ngoài nhà khác nhau,

sẽ phát sinh hiện tượng truyền nhiệt qua các kết cấu ngăn che nhà (như tường, mái nhà, cửa sổ ) Về mùa lạnh nếu cửa đóng kín, nhiệt độ không khí bên ngoài thấp hơn nhiệt độ không khí trong nhà, do đó nhiệt sẽ truyền từ trong ra ngoài, làm cho nhiệt độ không khí trong nhà hạ xuống và phòng bị tổn thất nhiệt

* Căn cứ vào bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt, người ta phân

thành 3 phương thức truyền nhiệt: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt

bằng đối lưu, truyền nhiệt bằng bức xạ

2.1.1 Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt

- Dẫn nhiệt là quá trình truyền động năng của các phân tử, nguyên tử, điện tử tự do khi chúng tiếp xúc nhau

- Nhiệt lượng truyền bằng dẫn nhiệt tính theo định luật Furiê:

“Nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với gradian nhiệt độ’’

) / (Kcal m2h x

t k q

Gradian nhiệt độ theo phương x;

- k: Kcal/m.h.0C là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (xem phụ lục 5) k phụ thuộc:

• Tính chất vật liệu (Bê tông cốt thép kb = 1,33; nước knước= 0,5; không khí tự do kkk= 0,025…);

• Tỷ trọng của vật liệu:  nhỏ thì k nhỏ; cùng  nếu lỗ rỗng to thì k lớn (q đối lưu);

• Độ ẩm vật liệu: W lớn thì k lớn;

• Cấu trúc vật liệu: vật liệu có cấu trúc đẳng hướng (tre, gỗ)

R (Kcal/m2.h) nhiệt trở của vách

Hình 2-1 Truyền nhiệt qua kết cấu

2.1.1.2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp

Trong truyền nhiệt ổn định

q q q

q1  2  3  (2.3)

Theo công thức (2.2) ta có:

) ( 1 2

(2.6)

Giải hệ 4 phương trình từ (2.3) đến (2.6) bằng phương pháp thay thế ta được:

3 3 2 2 1 1

2

1 ) (

k

d k

d k d

k d q

2.1.2 Truyền nhiệt bằng đối lưu

- Truyền nhiệt đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng

+ Trong lớp chảy rối các phần tử chuyển động tự do Nhiệt được truyền đi bằng sự dịch chuyển vị trí của các phần tử no nhiệt

- Tính nhiệt truyền đối lưu: Theo định luật Niutơn – Risman

Hình 2-2 Truyền nhiệt đối lưu

- Phụ thuộc vị trí: hđ mặt bằng> hđ tường > hđ dưới trần;

- Phụ thuộc trạng thái: h đ (nhẵn) > h đ (sù sì);

- h đ thường xác định theo thực nghiệm

2.1.3 Truyền nhiệt bằng bức xạ

Bức xạ là quá trình truyền nhiệt năng bằng sóng điện từ

Nhiệt truyền từ mặt trời tới trái đất qua một khoảng không gian không thể xảy ra đối lưu và dẫn nhiệt Quá trình bức xạ là nguyên nhân gây ra sự truyền nhiệt trong không gian và cũng là nguyên nhân của nhiều hiện tượng rất quan trọng trên trái đất

Bức xạ nhiệt xuất hiện khi năng lượng nhiệt của các nguyên tử bề mặt vật liệu phát ra sóng điện từ trong dải hồng ngoại

Hình 2-3 Cơ chế truyền nhiệt bức xạ

Quá trình bức xạ phụ thuộc vào tính chất bề mặt và nhiệt độ của vật liệu

Bề mặt thô có diện tích lớn và hấp thụ bức xạ mạnh hơn bề mặt nhẵn Bề mặt màu đen, hấp thụ phần lớn ánh sáng, cũng hấp thụ phần lớn nhiệt Vật liệu hấp thụ bức xạ mạnh thì cũng phát xạ mạnh Nói chung có quy luật là như sau:

Sự bức xạ nhiệt của vật tăng theo nhiệt độ Mỗi vật đều đồng thời bức xạ

và hấp thụ nhiệt ra xung quanh Theo lí thuyết (Thuyết trao đổi của Prevot) thì

sự cân bằng giữa 2 quá trình này sẽ được xác định cho dù của vật thể tăng, giảm hoặc giữ nguyên như cũ

Bước sóng của bức xạ phát ra từ vật thể phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể Mọi vật thể khi ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều không ngừng bức xạ năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ

- Tính nhiệt truyền bằng bức xạ theo định luật Stêfan - Bônzman:

C- hệ số bức xạ nhiệt của bề mặt vật thể (kCal/m2.h.0K4)

(vật đen tuyệt đối (black body) lấy bằng 5,67 W/m 2 K 4 hoặc 4,88 Kcal/m 2 h K 4 )

- Nếu hai vật gần nhau thì cũng xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt với nhau

và phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ trên bề mặt hai vật

+ Diện tích và vị trí tương hỗ giữa các bề mặt

Trường hợp bề mặt nhiệt song song với nhau:

) ( 1 2

 b

q (Kcal/m2.h) (2.11) Trong đó: 1,2nhiệt độ trên hai bề mặt 0C;

hb: hệ số trao đổi nhiệt hai bề mặt, Kcal/m2.h.0C

Nếu 2 vật truyền nhiệt cho nhau bất kỳ:

2 1

4 2 4 1 1 2

100 100

4 1 4 2 2 1

1 

 , 21- hệ số góc bức xạ trung bình giữa 2 vật 1 và 2 Về mặt năng lượng 12chính là tỉ số giữa phần nhiệt do mặt 1 truyền đến mặt 2 so với toàn

bộ nhiệt lượng mà vật 1 phát ra xung quanh;

C’- hệ số bức xạ tương đương giữa 2 vật phụ thuộc vào hệ số bức xạ của 2 mặt và vị trí tương đối của 2 mặt đó Nếu 2 mặt song song thì giá trị C’ được tính theo công thức sau:

o 2

C

1 '

 được gọi là hệ số hấp thụ bức xạ của vật, hệ số này phụ thuộc vào

độ đen của bề mặt: bề mặt càng đen càng hấp thụ mạnh (đương nhiên phát xạ càng mạnh), bề mặt càng trắng thì ngược lại

Xác định nhiệt trở của kết cấu, có 3 trường hợp điển hình sau:

a Kết cấu nhiều lớp vật liệu

Nhiệt trở được xác định theo công thức:

n

n n

d d

d d R R

R R

1 2

b Kết cấu có nhiều lớp và có lớp không khí kín

Trong không khí kín nhiệt được truyền theo cả 3 phương thức dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Tổng nhiệt lượng truyền qua tầng không khí kín là:

q=qdn + qdl + qbx Dưới sự chênh lệch nhiệt độ nhất định, khi chiều dày tầng không khí tăng lên thì qdn giảm, qdl tăng vì không khí chuyển động dễ hơn, qbx không thay đổi mấy Nhiệt trở được xác định như trên, nếu có lớp không khí kín thì nhiệt trở của riêng lớp không khí kín này được xác định theo bảng dưới đây:

n

n kkk n

kkk

d R

d d d R R

R R R

1 2

Hướng truyền nhiệt

R (m 2 KW)

R(m 2 h.

K/kCal)

R (m 2 K/W)

R(m 2 h.

K/kCal)

R (m 2 K/W)

R(m 2 h K/kCal)