nghiên cứu các điều kiện tiện nghi và đánh giá tối ưu trong phòng học

Nhóm sử dụng phần mềm thống kê MiniTab để phân tích và đánh giá các số liệu thu thập được để xác định yếu tố nào gây ảnh hưởng nhiều nhất đến trường nhiệt độ và nồng độ CO2 bên trong phò

TỔNG QUAN

Giới thiệu đề tài

Trong xã hội hiện đại, hơn 70% số lượng người trên toàn cầu có xu hướng dành thời gian cho các không gian trong nhà như nhà ở và văn phòng; do đó, cần có các phương pháp sưởi ấm hoặc làm lạnh một cách thoải mái, thân thiện với môi trường và quan trọng hơn hết là tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, một số nhà khoa học cho rằng nghiên cứu về phân tích sử dụng năng lượng cho môi trường nhằm đảm bảo độ tiện nghi khó có thể thực hiện một cách tối ưu được [1]

Trong quá trình đánh giá chỉ số tiện nghi trong không gian điều hòa, cụ thể tại không gian phòng học A303 tầng 3 khu A trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, các thông số và tiêu chí cần quan tâm hàng đầu trong thực nghiệm của nhóm bao gồm: trường nhiệt độ (chỉ số VATD) và nồng độ CO2 trong không khí Quan trọng hơn hết, các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ môi trường hay thời tiết và thời gian thực hiện đo đạc, chỉ số bức xạ ngoài trời trong ngày đều có ảnh hưởng rất lớn đến những chỉ số trường nhiệt độ và nồng độ CO2 trong không gian điều hòa

Trên thế giới đã có rất nhiều tổ chức, cơ quan uy tín của các chuyên gia ban hành những tiêu chuẩn, giới hạn mức tối đa cho phép về nồng độ CO2 được duy trình không gian cần điều hòa Các tiêu chuẩn và quy định được thiết lập nhằm mục đích mang lại sự thiết kế tối ưu, an toàn cho hệ thống điều hòa không khí cho các dự án tại trường học, building, khách sạn… mang lại cảm giác tiện nghi và an toàn về sức khỏe cho người sử dụng Tại Mỹ, tiêu chuẩn ASHRAE 62-2001 về giới hạn các chỉ số nồng độ các chất độc hại tồn tại trong không khí có điều hòa Tiêu chuẩn chỉ rõ, độ chênh lệch nồng độ CO2 tồn tại không gian tòa nhà cao tầng so với không khí không được vượt quá 700 ppm Giả sử nồng độ CO2 trong không khí bên ngoài trời là 400 ppm thì nồng độ CO2 trong không gian điều hòa phải duy trì ở mức dưới

1100 ppm Và trong không gian lớp học thì nồng độ CO2 trong không khí được xem là lý tưởng khi đạt từ khoảng 400-1000 ppm [2] Tại Việt Nam, TCVN 5687: 2010 về thông gió –

2 ĐHKK – Tiêu chuẩn thiết kế, tại phụ lục D quy định về giới hạn nồng độ cho phép của hóa chất và bụi trong không khí vùng làm việc, trong đó nồng độ khí Carbon dioxide trong 1 ca làm việc (8 giờ) chỉ được tiếp xúc dưới 900 ppm và nếu tiếp xúc trong 15 phút và không quá

4 lần tiếp xúc thì nồng độ không được vượt quá 1800 ppm trong 1 ca làm việc (8 giờ) [3] Đánh giá sự tiện nghi về nhiệt dựa vào tiêu chuẩn ASHRAE Standard 55-2020 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, theo tiêu chuẩn thì sự chênh lệch nhiệt độ tại vị trí ngang đầu và mắt cá chân không được hơn 3 o C [20]

Bên cạnh đó những quy chuẩn về độ tiện nghi nhiệt theo giá trị nhiệt độ cũng được khuyến cáo Với TCVN 5687-2010, nhiệt độ cài đặt được thiết kế của không khí bên trong nhà nhằm đảm bảo tiện nghi nhiệt sẽ phụ thuộc vào trạng thái lao động, thông thường tại lớp học trạng thái lao động là nghĩ ngơi tĩnh tại do đó khoảng nhiệt độ khuyến cáo mang lại cảm giác không căng thẳng về nhiệt sẽ giao động từ 25-28 o C với tốc độ gió từ 0.5-0.6 m/s (vào mùa hè) và từ đó tính toán được lượng nhiệt chuyển hóa bên trong cơ thể (metabolism) từ đó sẽ tính toán được chỉ số gánh nặng nhiệt HSI, và nếu chỉ số HSI này giao động trong khoảng từ 0-10 thì cảm giác nhiệt ở mức bình thường, không hoặc ít có căng thẳng về nhiệt [3]

Lí do chọn đề tài

Theo những nghiên cứu từ các nhà khoa học, sự thoải mái về nhiệt có liên quan mật thiết đến sức khỏe tinh thần và năng suất của mỗi con người [4] Trong một số lớp học được thực hiện khảo sát tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúng em nhận thấy sự phân bố tiện nghi về nhiệt là không đồng đều Có những phòng học mang lại cảm giác rất căng thẳng về nhiệt và ngược lại có những phòng học lại không đạt đủ tiêu chuẩn về tiện nghi nhiệt Điều đó có tác động rất lớn đến hiệu suất học tập cũng như sức khỏe của các sinh viên trong không gian điều hòa

Trường nhiệt độ, chất lượng không khí là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến vùng tiện nghi trong không gian cần điều hòa Bên cạnh trường nhiệt độ thì chất lượng không khí trong phòng học là một trong những vấn đề được đặt ra hàng đầu, bởi thế giới vừa trải qua sự bùng nổ của đại dịch COVID-19 trong 2 năm qua, do đó các vấn đề về nồng độ bụi, các hạt lơ lửng trong không khí như VOCs hay khí CO2 được các nhà khoa học cho là có ảnh hưởng trong sự khuếch tán các mầm bệnh cũng như tác động đến quá trình hô hấp hay các

3 bệnh lí liên quan đến hô hấp Bên cạnh đó, các chỉ số về nhiệt độ, nồng độ CO2 cũng bị chi phối bởi các điều kiện vi khí hậu bên ngoài Vậy nên, nhận thức được tầm quan trọng của tiện nghi nhiệt có ảnh hưởng to lớn đến hiệu suất làm việc và sức khỏe của con người, nhóm chúng em đã quyết định nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu các điều kiện tiện nghi và đánh giá tối ưu trong phòng học”.[4]

Mục đích nghiên cứu

Bên cạnh điều chỉnh nhiệt độ cài đặt, thì chất lượng không khí cũng có ảnh hưởng to lớn đến tiện nghi trong không gian điều hòa Nồng độ CO2 và nhiệt độ không khí trong lớp học bị ảnh hưởng rất nhiều với nhiệt độ và điều kiện vi khí hậu bên ngoài Ta có những biện pháp tối ưu trường nhiệt độ và tiết kiệm năng lượng cũng như duy trì nồng độ chất lượng không khí ở mức lí tưởng nhằm đảm bảo sức khỏe và hiệu quả học tập của sinh viên trong phòng học.

Phương pháp nghiên cứu

➢ Phương pháp ANOVA (phân tích phương sai)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu và tính toán tải

Tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hầu hết các không gian đều sử dụng và lắp đặt các hệ thống điều hòa nhằm mang lại cảm giác thoải mái về nhiệt và tăng hiệu suất giảng dạy, học tập Tuy nhiên, sau sự bùng nổ của đại dịch COVID-19, những hệ thống điều hòa không khí đã trở thành một trong những tác nhân của sự lây lan về bệnh viêm phổi cấp và vô cùng nguy hiểm khi nồng độ các chất khí, bụi có trong không khí bao trùm các lớp học vượt qua các tiêu chuẩn do bộ xây dựng ban hành cho các lớp học Nhóm đã thống nhất chọn ra một trong những căn phòng sử dụng điều hòa hầu như toàn bộ cho các tiết học trên trường nhằm thực hiện đo đạc và lấy số liệu về trường nhiệt độ, nồng độ CO2 tồn tại trong không gian điều hòa và mối quan hệ giữa điều kiện vi khí hậu và tiện nghi nhiệt bên trong không gian điều hòa Đó là phòng học A303, tại khu A được trang bị 2 dàn lạnh Casette với công suất 8.5 kW mỗi máy

2.1.1.2 Tính toán tải a) Giới thiệu về công trình Đối tượng: Phòng học A303 Địa điểm: Khu A trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Vì đây là phòng học thông thường, không yêu cầu hệ thống ĐHKK có độ chính xác cao, nên chọn hệ thống điều hòa không khí cấp III với:

Nhiệt độ: tN = 34.6 o C (Bảng 1.9, trang 20, [6]) Độ ẩm: φN = 55%

Tra đồ thị t-d ta có: IN = 84.5 kj/kg, dN = 19 g/kgkkk

Tra đồ thị t-d ta có: IT = 59 kj/kg, dT = 12.8 g/kgkkk b) Phương pháp tính toán

Theo phương pháp tính tải lạnh Carrier thì năng suất lạnh Q0 được xác định bằng tính riêng tổng nhiệt hiện thừa Qht và nhiệt ẩn thừa Qât của mọi nguồn nhiệt toả và thẩm thấu tác động vào không gian điều hoà Công thức Q0:

Hình 2.1 Sơ đồ tính các nguồn nhiệt hiện và nhiệt ẩn chính [6]

Tính toán các nguồn nhiệt hiện – nhiệt ẩn

❖ Nhiệt hiện bức xạ qua kính Q 11

Nhiệt hiện bức xạ qua kính Q11 được xác định theo công thức:

Q 11 = n t × Q ′ 11 , W (2.2) Với nt: Hệ số tác dụng tức thời

Q ′ 11 : Lượng nhiệt bức xạ tức thời qua kính, W

F: Diện tích bề mặt kính cửa sổ có khung thép, m 2

R T : Nhiệt bức xạ mặt trời qua cửa kính vào trong phòng, W/m 2 e: Hệ số hiệu chỉnh kể đến các ảnh hưởng, xác tính theo công thức:

- ε c : Hệ số ảnh hưởng của độ cao theo mực nước biển, xác tính theo công thức: ε c = 1 + H

1000× 0.023 (2.5) Độ cao so với mực nước biển ở Thành phố Hồ Chí Minh là 40 m ε c = 1+ 40

Vì vậy ta chọn ε c = 1 để thuận tiện cho việc tính toán

- ε ds : Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ chênh giữa nhiệt độ đọng sương của không khí quan sát so với nhiệt độ đọng sương của không khí ở trên mặt nước biển là 20 o C, xác tính theo công thức: ε ds = 1 −(t s − 20)

Tra đồ thị I-d tại tN = 34.6 o C và φN = 55% ta được ts = 24.1 o C, ta được: ε ds = 1 −(24.1 − 20)

- ε mm : Hệ số ảnh hưởng của mây mù, ta chọn ε mm = 1 để lượng bức xạ qua kính là lớn nhất

- ε kh : Hệ số ảnh hưởng của khung, phòng đang sử dụng khung kim loại nên ε kh = 1.17

- ε m : Hệ số kính phụ thuộc vào màu sắc và kiểu loại kính; hiện tại phòng sử dụng loại kính trong, phẳng, dày 6mm, tra bảng 4.3 (trang 131, [6]), ta có các thông số sau:

▪ Hệ số hấp thụ của kính: α k = 0.15,

▪ Hệ số phản xạ của kính: ρ k = 0.08,

▪ Hệ số xuyên qua của kính: τ k = 0.77,

- ε r : Hệ số mặt trời kể đến ảnh hưởng của kính khác kính cơ bản và không màn che, ε r = 1 và R T được thay bằng nhiệt bức xạ vào phòng khác kính cơ bản R K (Trang 124, [6]), từ đó ta tính được hệ số hiệu chỉnh e như sau: e = 1 × 0.95 × 1 × 1.17 × 0.94 × 1 = 1.044

Thành phố Hồ Chí Minh có vĩ độ 10 o Bắc từ đó tra bảng 4.2 (trang 131, [6]), kết hợp với công thức trên ta được:

Bảng 2.1 Lượng bức xạ mặt trời lớn nhất R Tmax vào phòng

* Tính cho phòng học ở tầng 3:

Phòng ở tầng 3 chịu bức xạ mặt trời lớn nhất ở hướng tây, ta có R T = 517 W/m 2

Lượng nhiệt bức xạ tức thời qua kính theo hướng tây:

Q 11 ′ = F × R T × e = 9.042 × 517 × 1.044 = 4880.4 (W) Mật độ (khối lượng riêng) trên diện tích trung bình gs được xác định theo công thức: g s =(G ′ + 0,5G ′′ )

G ′ : Khối lượng tường có mặt ngoài tiếp xúc trực tiếp với bức xạ mặt trời và của sàn tiếp xúc với mặt đất, kg

G ′′ : Khối lượng của tường có mặt ngoài không tiếp xúc trực tiếp với bức xạ mặt trời và của sàn không nằm trên mặt đất, kg

Ta tra bảng 4.11 (trang 143, [6]) ta xác định được khối lượng đơn vị tường là 1800 (kg/ m 3 ), tường dày là 200 mm và diện tích tường có mặt ngoài tiếp xúc với bức xạ mặt trời là 41.91 m 2 Vậy khối lượng tường có mặt ngoài tiếp xúc với bức xạ mặt trời:

Ta tra bảng 4.11 (trang 143, [6]) ta xác định được khối lượng đơn vị của sàn bê tông cốt thép là 2400 (kg/m 3 ), sàn bê tông của phòng học dày 300 mm và có diện tích là 98.89 m 2 Khối lượng đơn vị tường là 1800 (kg/m 3 ), tường dày 200 mm và có diện tích là 66.93 m 2 Vậy khối lượng tường không tiếp xúc với bức xạ mặt trời:

98.89 = 634.4 (kg/m 2 ) Với giá trị g s = 634.4 (kg/m 2 ), ta tra bảng 4.6 (trang 135, [6]), ta xác định được các hệ số tác dụng tức thời n t = 0.51

Vậy nhiệt bức xạ qua kính theo tây ta có:

❖ Nhiệt hiện truyền qua mái bằng bức xạ và do Δt: Q 21

Do phía trên phòng học là mái nên nhiệt hiện truyền qua mái được tính theo công thức:

Q 21 : Dòng nhiệt đi vào không gian cần điều hòa do sự tích nhiệt của các kết cấu mái và do độ chênh lệch nhiệt độ của không khí giữa bên ngoài và bên trong, W

F: Diện tích mái chịu bức xạ mặt trời, m 2 k: Hệ số truyền nhiệt qua mái, phụ thuộc vào kết cấu vật liệu làm mái, W/m 2 K Tra bảng 4.9 và 4.15 (Trang 140 và 145, [6]) Δt td : Độ chênh lệch nhiệt độ tương đương,℃

+ Đối với mái phía trên là sân thượng, tiếp xúc trực tiếp với không gian ngoài:

Trong đó: ε s = 0.52: Hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của bề mặt mái với nhôm không đánh bóng, ta tra bảng 4.10 (Trang 141, [6])

R T = 789 (W/m 2 ): Lượng bức xạ mặt trời xâm nhập qua mái, tra bảng 4.2 (Trang 131, [6])

0.88 = 896.6 (W/m 2 ) α N = 20 (W/m 2 K): Hệ số tỏa nhiệt phía ngoài nền khi tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài (Trang 142, [6])

20 = 31.91 °C Dựa vào bảng 4.9 (Trang 140, [6]), ta được k = 2.67 (W/m 2 K)

* Tính cho phòng học ở tầng 3

Diện tích mái tiếp xúc không gian ngoài trời: F = 98,89 (m 2 )

❖ Nhiệt hiện truyền qua vách Q 22

Nhiệt truyền qua vách Q22 gồm 2 thành phần:

- Do chênh lệch nhiệt độ giữa ngoài trời và trong nhà Δt = t N − t T

- Do bức xạ mặt trời vào tường, tuy nhiên phần nhiệt này được coi bằng không tính toán Nhiệt truyền qua vách cũng được tính theo biểu thức ở trang 142 tài liệu [6]:

Q 22t : Nhiệt hiện truyền qua tường, W

Q 22c : Nhiệt hiện truyền qua cửa ra vào, W

Q 22k : Nhiệt hiện truyền qua kính cửa sổ, W k i : Hệ số truyền nhiệt của tường, cửa ra vào và kính của sổ, W/m 2 K

F i : Diện tích của tường, cửa ra vào và kính cửa sổ, m 2

∆t: Chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên ngoài và bên trong không gian điều hoà, o C

F t : Diện tích bề mặt tường, m 2

∆t: Độ chênh lệch nhiệt độ, ℃ k t : Hệ số truyền nhiệt qua tường, W/m 2 K Được xác định theo công thức: k t = 1

Trong đó: α N = 20 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía ngoài tường khi tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài; α N = 10 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía ngoài tường khi tiếp xúc gián tiếp với không khí bên ngoài; α T = 10 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía trong nhà; δ i : Độ dày lớp vật liệu thứ i của cấu trúc tường (m) Ta có: δ V = 0.01 m; δ g = 0.18 m λ i : Hệ số dẫn nhiệt lớp vật liệu thứ i của cấu trúc tường W/mK Theo bảng 4.11 (Trang

Trường hợp tiếp xúc trực tiếp với lớp không khí bên ngoài: k = 1

Trường hợp tiếp xúc gián tiếp với không khí bên ngoài: k t = 1

* Tính cho phòng học ở tầng 3 Độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà: ∆t = t N − t T = 34.6 − 26 = 8.6 ℃

- Tường 200 mm tiếp xúc trực tiếp ngoài trời với diện tích tường là 41.91 m 2

Nhiệt truyền qua cửa ra vào Q 22c và kính cửa sổ Q 22k

Vì cửa ra vào và cửa sổ có vật liệu làm giống nhau là kính trong suốt và dày 6 mm nên ta tính nhiệt truyền qua cửa ra vào và cửa số theo công thức như sau:

F: Diện tích kính của cửa sổ và cửa ra vào, m 2

∆t: Hiệu nhiệt độ giữa bên trong và ngoài nhà, o C k: Hệ số truyền nhiệt qua cửa kính, W/m 2 K

* Tính toán cho phòng học tại tầng 3:

- Độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà: Δt = t N – t T = 34.6 − 26 = 8.6 0 C

- Diện tích của cửa ra vào là 27 m 2

- Kính đặt đứng, cấu tạo 1 lớp nên ta tra bảng 4.13 (trang 144, [6]), từ đó suy ra được hệ số truyền nhiệt k qua kính vào mùa hè là 5.89 W/m 2 K

Vậy nhiệt truyền qua cửa ra vào và kính cửa sổ của phòng học là:

Nhiệt truyền qua nền cũng được tính theo công thức như sau:

Trong đó: k: Hệ số truyền nhiệt qua nền, W/m 2 K Với k tra bảng 4.15 (Trang 145, [6])

F n : Diện tích nền, m 2 Δt = t N – t T : Hiệu nhiệt độ bên trong và bên ngoài phòng, ℃

* Tính cho phòng học ở tầng 3

Vì sàn bê tông dày 300 mm, có lớp vữa ở trên 25 mm, tra bảng 4.15 (Trang 145, [6]), ta có k = 2.18 W/m 2 K

Sàn được đặt trên phòng không điều hòa nên ta có:

Nhiệt hiện truyền qua nền: Q 23 = 2.18 × 98.89 × 4.3 = 927 (W)

❖ Nhiệt hiện toả ra do thiết bị

Nhiệt hiện toả ra do đèn chiếu sáng Q 31

Tất cả không gian trong phòng đều cần đến nguồn chiếu sáng bằng các loại đèn điện, có hai loại thường được sử dụng là đèn huỳnh quang và đèn sợi tóc Nguồn nhiệt toả ra thì các thiết bị này cũng góp phần làm cho phòng nóng lên Vì vậy khí tính toán tải lại ta cần xác định các nguồn nhiệt này Cách tính đơn giản là chỉ cần tính tổng công suất của mỗi bóng đèn, nên

Q31 có thể được xác định theo công thức như sau:

N: Tổng công suất ghi trên bóng đèn, W

Vì đây là loại đèn Led Panel dạng tấm 600 x 600 mm của hãng MPE, ta tra thông số kỹ thuật có được N = 40W

Tổng số lượng đèn có trong phòng học: 12 cái

Vậy nhiệt tỏa ra do đèn chiếu sáng:

Nhiệt hiện toả ra do thiết bị Q 32

N i : Công suất điện ghi trên dụng cụ, W

Vậy lượng nhiệt toả ra của một tivi vào phòng học là 120 (W)

❖ Nhiệt hiện và ẩn do con người tỏa ra Q 4h và Q 4â

Nhiệt hiện do người tỏa ra chủ yếu là đối lưu và bức xạ, được xác định theo công thức như sau:

Trong đó: q h : Nhiệt hiện tỏa ra từ 1 người, W/người n: Số người trong khu vực điều hoà

Nhiệt ẩn do người tỏa ra được xác định theo công thức (trang 148, [6]) như sau:

Q 4â = n × q â , W (2.19) q â : Nhiệt ẩn tỏa ra từ 1 người, W/người n: Số người ở trong khu vực điều hòa

Tra bảng 4.18 (trang 149, tài liệu [6]), ta xác định được phòng là phòng học, có nhiệt độ cài đặt là 26 o C và mức độ hoạt động là ngồi và hoạt động nhẹ Nên từ đó ta xác định được nhiệt hiện và nhiệt ẩn cho người ở trong phòng lần lượt là q h = 60 Wvà q a = 60 W

Vậy nhiệt tỏa ra do người là: Q 4 = Q 4h + Q 4â = 1980 + 1980 = 3960 W

❖ Nhiệt hiện và ẩn do gió tươi mang vào Q N

Phòng học không có hệ thống cấp gió tươi sơ bộ và cũng không có thông gió bằng quạt nên Q N = 0

❖ Nhiệt hiện và ẩn do gió lọt Q 5h và Q 5â

Không gian điều hòa được làm kín để chủ động kiểm soát được lượng gió tươi cấp cho phòng nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn có hiện tượng rò lọt không khí qua khe cửa sổ, cửa ra vào và khi mở cửa do người ra vào Hiện tượng này xảy ra càng mạng khi chênh lệch nhiệt độ trong nhà và ngoài trời càng lớn Nhiệt hiện và ẩn do gió lọt được xác định theo công thức (trang 151, [6]) như sau:

V: thể tích phòng (m 3 ) ξ: hệ số kinh nghiệm, tra bảng 4.20 trang 151 tài liệu [6] ta xác định được ξ = 0.7

Q 5â = 0.84 ×ξ×V×(d N − d T ) = 0.84 × 0,7 × 337,7 × (19 − 12.8) = 1231.11 (W) Vậy nhiệt tỏa do gió lọt là: Q 5 = Q 5h + Q 5â = 792.85 + 1231.1 = 2023.96 (W)

Ngoài các nguồn nhiệt đã nêu trên, các nguồn nhiệt khác ảnh hưởng đến phụ tải lạnh có thể là:

- Nhiệt hiện và ẩn toả từ các thiết bị trao đổi nhiệt, các đường ống dẫn môi chất nóng và lạnh đi qua các phòng điều hoà

- Nhiệt toả ra từ quạt và nhiệt tổn thất qua đường ống gió vào làm cho không khí lạnh bên trong nóng lên nếu có…

- Nhiệt hiện và ẩn tỏa từ bán thành phẩm

Tuy nhiên, các tổn thất nhiệt trong các trường hợp trên là nhỏ nên ta có thể bỏ qua, do đó

Bảng 2.2 Kết quả tính toán nhiệt của phòng (W)

2.1.1.3 Thiết lập sơ đồ điều hòa không khí

Cơ sở thực nghiệm

2.2.1 Giới thiệu về phương pháp thực nghiệm [16]

- Về định nghĩa: thực nghiệm là một phương pháp thu thập thông tin được thực hiện bởi những quan sát trong điều kiện gây biến đổi đối tượng khảo sát và môi trường xung quanh đối tượng khảo sát một cách có chủ định Phương pháp thực nghiệm được áp dụng phổ biến không chỉ trong nghiên cứu tự nhiên, kỹ thuật, y học, mà cả trong xã hội và các lĩnh vực nghiên cứu khác [16]

- Về tính chất: Các thực nghiệm đều cần phải có sự tương tác giữa người thực hiện và đối tượng nghiên cứu nhằm đạt được kết quả theo mong đợi Tuy nhiên tham số là yếu tố không thể bị tác động bởi nghiên cứu

2.2.2 Phân loại nghiên cứu thực nghiệm

➢ Phân loại theo nơi thực hiện [16]

- Thực nghiệm tại quần thể xã hội

- Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

- Thực nghiệm tại hiện trường khảo sát

➢ Phân loại theo mục đích quan sát [16]

- Thực nghiệm kiểm tra: Để kiểm chứng các giả thuyết

- Thực nghiệm thăm dò: Xác định vấn đề và xây dựng giả thuyết

- Thực nghiệm đối nghịch: Tiến hành với hai đối tượng giống nhau mà đối lập nhau về điều kiện Quan sát kết quả của các phương thức ảnh hưởng đến thông số của đối tượng nghiên cứu

- Thực nghiệm song hành (song song): Tiến hành với các đối tượng khác nhau mà giống nhau về điều kiện được kiểm soát Nhằm kết luận sự ảnh hưởng của thực nghiệm trên các đối tượng khác

- Thực nghiệm so sánh (đối chứng): Tiến hành trên hai đối tượng hoàn toàn khác nhau Nhằm tìm chỗ khác biệt giữa các phương pháp, giữa các hậu quả so với đối chứng khi có một đối tượng được chọn làm đối chứng

2.2.3 Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm [16]

- Phương pháp thử và sai: bắt đầu phương pháp bằng việc thử, kết quả cho ra là sai thì ta thử lại cho đến khi nào đạt được kết quả hoàn toàn đúng hoặc hoàn toàn sai so với giả thuyết thực nghiệm

- Phương pháp Heuristic: Ở phương pháp thử và sai, người thực hiện thường phải tốn nhiều chi phí, thời gian và hiệu quả thấp Chính vì lí do đó, Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp mới đó chính là phương pháp Heuristic Heuristic thực chất là 1 phương pháp thực nghiệm theo chương trình được định sẵn từ trước và người ta tìm cách giảm bớt các điều kiện ban đầu của thực nghiệm:

+ Chia thực nghiệm thành các bước với số lượng nhất định, Chỉ có 1 điều kiện là được đưa ra ở từng thực nghiệm Kết quả là, các nhiệm vụ sẽ giảm dần các điều kiện ràng buộc hơn

+ Xem xét bổ sung điều kiện cho từng bước thí nghiệm Điều này làm cho công việc thử nghiệm trở nên rõ ràng và ít lộn xộn hơn

- Thực nghiệm trên mô hình: đây là phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu xã hội Thực nghiệm này được sử dụng phổ biến và đối với mô hình nhỏ Mục đích của thực nghiệm này là tránh rủi ro và dễ thực hiện

- Phương pháp phân tích phương sai ANOVA (Analysis Of Variance): Đây là công cụ để xem xét sự ảnh hưởng của một hoặc nhiều nguyên nhân tác động đến kết quả của một yếu tố

- Phương pháp Taguchi: Mục đích là điều chỉnh các thông số đến mức tối ưu để quá trình hoặc sản phẩm ổn định ở mức chất lượng tốt nhất

Phương pháp thực nghiệm có tính chủ động, đột phá cao trong việc cải tiến thực tế và các sự phát triển của khoa học đều được đặt nền móng từ những thực nghiệm

Phương pháp khoa học thực nghiệm là một trong những phương pháp mang tính cơ bản và tiền đề của nghiên cứu khoa học

2.2.5 Ưu và nhược điểm thực nghiệm

- Đi sâu vào mối quan hệ bản chất và xác định được các quy luật

- Phát hiện các thành phần và cơ chế

- Thay đổi được các điều kiện ảnh hưởng của những tác động bên ngoài Thay đổi được cấu trúc, bản chất và cơ chế của đối tượng nghiên cứu

- Có thể tự tạo ra các điều kiện, thay vì thụ động chờ đợi hiện tượng xảy ra, người nghiên cứu có thể xem xét tốt hơn các điều kiện này và tác động của chúng lên vật thể

- Các kết quả tương tự có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần, thể hiện tính đều đặn và đảm bảo độ tin cậy của đề tài

- Một đề tài nghiên cứu đòi hỏi phải kiểm tra nhiều yếu tố, nhưng tất cả các thí nghiệm đều chỉ đơn giản là kiểm tra và xác định mối quan hệ giữa hai yếu tố

- Khó thực hiện, đòi hỏi phải có công cụ chuẩn bị và thực hiện lý thuyết phức tạp, đôi khi có trang thiết bị hiện đại, đắt tiền

- Sẽ rất khó để sử dụng phương pháp này nhằm nghiên cứu những tư tưởng, hoạt động cũng như cảm xúc của con người

- Những điều kiện đặc biệt được hình thành trong quá trình thực nghiệm có thể làm gián đoạn hay thay đổi diễn biến tự nhiên của hiện tượng nghiên cứu

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM VÀ THU THẬP SỐ LIỆU

Thiết lập thực nghiệm

Phòng học A303 tọa lạc tại khu A trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Phòng có kích thước: Dài x Rộng x Cao là 10.09 x 9.80 x 3.415 m

- Thiết bị trong phòng gồm có: 12 đèn led panel 600x600 (mm) và 1 tivi

- Phòng trang bị 2 dàn lạnh âm trần cassette của DaiKin có công suất danh định mỗi dàn là 8.5 kW (29000 Btu/h)

Hình 3.1 Kích thước mặt bằng phòng

Hình 3.2 Mô hình 3D phòng học A303 được dựng bằng REVIT

❖ Hai dàn lạnh âm trần cassette của DaiKin có thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy DaiKin [18]

Model Dàn nóng RZFC85DY1

Xuất xứ Thương hiệu DaiKin – xuất xứ Thái Lan

Công suất làm lạnh Định mức (Tối thiểu – Tối đa) kW 8.5 (4.2 -10)

Công suất điện tiêu thụ kW 2.85

❖ Máy đo nồng độ khí CO2 EXTECH CO240

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật máy đo nồng độ khí CO2 [19]

Dải đo nồng độ CO2 0 – 9.999 ppm Độ chính xác ± 75 ppm + 5 %

Dải đo độ ẩm 10 – 90 % RH Độ chính xác độ ẩm ± 5 % RH

Hình 3.3 Thiết bị đo nồng độ CO2 của hãng EXTECH

❖ Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3.4 Cảm biến đo nhiệt độ trong phòng

Nhóm chúng em lựa chọn hộp carton có chiều cao là 0.1 m để lấy nhiệt độ tại cao độ 0.1 m và hộp có chiều cao 0.35 m đặt lên bàn có chiều cao 0.75 m để lấy nhiệt độ tại cao độ 1.1 m

3.1.3 Các yếu tố thực nghiệm

Qua quá trình nghiên cứu và khảo sát thì nhóm em xác định được có 5 yếu tố ảnh hưởng đến giá trị nhiệt độ và nồng độ CO2: Số lượng sinh viên; Mốc thời gian; Tốc độ gió tại miệng gió; Góc thổi; Nhiệt độ cài đặt của phòng

Bảng 3.3 Bảng mô tả các yếu tố

STT Tên yếu tố Kí hiệu Đơn vị Phạm vi

1 Số lượng sinh viên A Người 32 – 64

2 Mốc thời gian B Thời gian 9 – 15

3 Tốc độ gió tại miệng gió C m/s 1 – 3

5 Nhiệt độ cài đặt của phòng E độ C 21 -25

Bảng 3.4 Bảng yếu tố và mức các yếu tố

STT Tên yếu tố Mức độ

3 Tốc độ gió tại miệng gió 1 2 3

5 Nhiệt độ cài đặt của phòng 21 23 25

- Số lượng sinh viên theo TCVN 3981:1985, chúng em chọn là 48 sinh viên [21] Để thí nghiệm được bao quát hơn nên nhóm chọn thêm số lượng sinh viên hơn mức tiêu chuẩn và dưới mức tiêu chuẩn Mục đích của nhóm là xác định giá trị nhiệt độ và nồng độ CO2 sẽ thay đổi như thế nào khi số lượng người thay đổi

- Thời gian chọn vào các mốc giờ là 9h – 12h – 15h Mục đích của nhóm là sự thay đổi bức xạ mặt trời vào các khung giờ sẽ có ảnh hưởng đến giá trị nhiệt độ và nồng độ CO2 như thế nào

- Tốc độ gió tại miệng gió có 3 mức độ: mức 1, mức 2 và mức 3

Hình 3.7 Khảo sát góc thổi của dàn lạnh

- Nhiệt độ cài đặt của phòng: 21 o C, 23 o C, 25 o C

Bởi vì khảo sát của nhóm có 5 yếu tố và mỗi yếu tố có 3 mức độ nên nhóm sử dụng bảng trực giao Taguchi L27 Ấn định các yếu tố và mức độ của từng yếu tố vào bảng trực giao L27

Bảng 3.5 Ma trận trực giao L27 theo thực nghiệm

3.1.4 Sơ đồ bố trí vị trí

3.1.4.1 Sơ đồ bố trí chỗ ngồi

❖ Sơ đồ bố trí đối với số lượng 32 người

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí chỗ ngồi cho 32 người

3.1.4.2 Sơ đồ bố trí vị trí cảm biến

❖ Sơ đồ bố trí vị trí đặt cảm biến nhiệt độ

Hình 3.11 Sơ đồ bố trí vị trí đặt cảm biến nhiệt độ

Hình 3.12 Vị trí cảm biến nhiệt độ 1 – 5 và 6 – 10 trong phòng

Hình 3.13 Vị trí cảm biến nhiệt độ 11 – 15 trong phòng

Vị trí đặt và lấy số liệu được thực hiện lần lượt trên hộp carton tại vị trí 1.1 m và 0.1

Hình 3.14 Vị trí đặt cảm biến nhiệt độ lần lượt tại độ cao 1.1 m và 0.1 m

❖ Sơ đồ bố trí vị trí đặt thiết bị đo nồng độ CO2

Hình 3.15 Sơ đồ bố trí vị trí đặt thiết bị đo nồng độ CO2

Thực hiện thực nghiệm và lấy số liệu về nồng độ CO2 được lấy lần lượt tại các điểm và đặt tại vị trí 1 m

Hình 3.16 Vị trí đặt thiết bị đo nồng độ CO2

Thu thập số liệu

Nhóm thực hiện 27 thí nghiệm theo bảng 3.5 vào 3 ngày 5, 6, 7/12/2023 Sau khi thực hiện

27 thí nghiệm nhóm em thu thập được các giá trị nồng độ CO2 và giá trị nhiệt độ tại độ cao 0.1 m và 1.1 m

Bảng 3.6 Dữ liệu nhiệt độ tại vị trí 0.1 m và 1.1 m

Nhiệt độ ( o C) tại độ cao 0.1 m và 1.1 m

Xem thêm dữ liệu thí nghiệm 4 đến thí nghiệm 27 ở phụ lục 1

Bảng 3.7 Dữ liệu nồng độ CO2

Carbon dioxide (ppm) tại độ cao 1 m

1605 1610 1623 1573 1584 1600 1552 1555 1562 Xem thêm dữ liệu về nồng độ CO2 của thí nghiệm 4 đến thí nghiệm 27 ở phụ lục 2

XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ

Xử lí số liệu nhiệt độ

4.1.1 Nhiệt độ trung bình và đánh giá sự tiện nghi theo gradient nhiệt độ (VATD)

4.1.1.1 Tính giá trị nhiệt độ trung bình của 15 điểm khảo sát tại độ cao 0.1 m và 1.1 m

Dựa vào dữ liệu nhiệt độ tại phụ lục 1, tại mỗi điểm ta có 3 giá trị nhiệt độ lần lượt tại độ cao 0.1 m và 1.1 m Nên ta tính giá trị nhiệt độ trung bình theo công thức sau:

T 1,0.1 , T 2,0.1 , T 3,0.1 : Giá trị nhiệt độ được lấy 3 lần tại một điểm ở độ cao 0.1 m (℃)

T 1,1.1 , T 2,1.1 , T 3,1.1 : Giá trị nhiệt độ được lấy 3 lần tại một điểm ở độ cao 1.1 m (℃)

T 0.1 và T 1.1 : Giá trị nhiệt độ trung bình của một điểm tại độ cao 0.1 m và 1.1 m (℃)

Bảng 4.1 Xử lí nhiệt độ trung bình của 15 điểm tại độ cao 0.1 m và 1.1 m

Nhiệt độ trung bình (°C) tại độ cao 0.1 m và 1.1 m

1.1m 25.66667 25.7 25.8 25.5 25.9 Xem thêm tại phụ lục 3

4.1.1.2 Đánh giá tiện nghi nhiệt theo gradient nhiệt độ (VATD)

Sự chênh lệch nhiệt độ bên trong không gian điều hòa là do sự ảnh hưởng của dòng không khí cấp từ dàn lạnh và do tác động của môi trường xung quanh Để kiểm chứng lại về sự chênh lệch nhiệt độ bên trong không gian điều hòa thì ta thông qua gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng VATD (Vertical Air Temperature Difference) bằng cách xác định sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngang đầu và mắt cá chân [20]

VATD = |t đầu − t cổ chân |(℃) (4.3) Trong đó:

VATD: Chênh lệch nhiệt độ không khí theo phương thẳng đứng, (℃) tđầu: Nhiệt độ tại độ cao 1.1 m, (℃) tcổ chân: Nhiệt độ tại độ cao 0.1 m, (℃)

Phương pháp VATD sẽ sử dụng các gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng và sẽ khảo sát nhiệt độ dựa trên 2 cao độ lần lượt là 0.1 m và 1.1 m (0.1 m là khoảng cách từ mặt sàn đến mắt cá chân, 1.1 m là khoảng cách từ sàn đến ngang đầu) Sự chênh lệch nhiệt độ không khí theo phương thẳng đứng sẽ tạo ra sự phân tầng về nhiệt độ ở mắt cá chân và ngang đầu sẽ gây ra cảm khó chịu cho con người về nhiệt Vì vậy, theo tiêu chuẩn ASHRAE 55-2020 về sự chênh lệnh nhiệt độ theo giữa ngang đầu và mắt cá chân cho phép là không được vượt quá 3 o C (5.4 o F) đối với người ngồi, 4 o C (7.2 o F) đối với người đứng [20]

Ta đánh giá sự chênh lệnh nhiệt độ giữa 2 độ cao 0.1 m và 1.1 m bằng cách ta đặt cảm biến tại cùng một vị trí nhưng khác nhau về cao độ Tại phòng học A303 ta có 15 cặp điểm để lấy số liệu và tiến hành các thí nghiệm đã được liệt kê theo bảng L27 Ta tiến hành so sánh trường nhiệt độ của các cặp điểm, từ đó xác định được độ chênh nhiệt độ của cặp điểm lớn nhất và đánh giá độ chênh nhiệt độ theo gradient nhiệt độ VATD [20]

Sau khi thu thập số liệu theo các thí nghiệm của bảng L27, ta được các kết quả sau:

Hình 4.1 Đồ thị độ chênh lệch nhiệt độ tại điểm 1-5 của thí nghiệm 1

Kết quả thí nghiệm 1 cho thấy nhiệt độ trong phòng dao động từ 24.7 o C đến 25.9 o C và độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất tại 1 điểm là 0.47 o C Vì vậy thí nghiệm 1 thỏa điều kiện tiện nghi về nhiệt theo chỉ số VATD (dưới 3 o C)

Vậy đối với số lượng người 32 thì 2 dàn lạnh cassette đáp ứng đủ về điều kiện tiện nghi nhiệt cho phòng vào các buổi trong ngày và sẽ cho con người có cảm giác thoải mái về nhiệt

Xử lý số liệu nồng độ CO 2 trong phòng

4.2.1 Nồng độ CO 2 trung bình và đánh giá sự tiện nghi theo tiêu chuẩn Bộ Xây Dựng 4.2.1.1 Tính giá trị nồng độ CO 2 trung bình của 9 điểm khảo sát trong phòng

Dựa vào số liệu nồng độ CO2 đo được từ thiết bị đo chất lượng không khí tại 9 điểm khi thực hiện các thí nghiệm Từ đó ta tính được giá trị trung bình theo công thức sau:

Trong đó: n: Điểm khảo sát thí nghiệm Với (n = 1,2,3, … 9)

H l1 , H l2 , H l3 : Lần lượt là nồng độ CO2 tại điểm n sau 3 lần khảo sát (ppm)

H ntb : Giá trị trung bình nồng độ CO2 tại điểm n (ppm)

Sau khi tiến hành xử lý số liệu ta được bảng giá trị trung bình nồng độ CO2 tại 9 điểm trong phòng lần lượt cho 27 thí nghiệm

Bảng 4.5 Xử lí số liệu nồng độ CO2 tại 9 điểm trong phòng

Các trường hợp còn lại xem thêm tại phụ lục 4

4.2.1.2 Đánh giá tiện nghi thông qua chỉ số nồng độ CO 2 theo tiêu chuẩn Bộ Xây Dựng

Một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá vùng tiện nghi trong không gian điều hòa đó là nồng độ CO2 trong phòng Vì sự gia tăng nồng độ CO2 bên trong không gian điều hòa sẽ mang lại cảm giác mệt mỏi và khó chịu cho con người

Thông qua các yếu tố không thay đổi được và thay đổi được từ đó ta sẽ so sánh sự tương quan của kết quả thu được từ đó đưa ra đánh giá Việc khảo sát thông qua đo nồng độ CO2 của khối khí trong phòng thông qua 9 điểm được đặt trong phòng A303 để tiến hành lấy số liệu và đã được liệt kê theo bảng L27 Ta tiến hành so sánh nồng độ CO2 ở trong phòng với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (dưới 900 ppm) [3] về nồng độ các chất độc hại trong phòng học

Sau khi thu thập số liệu theo các thí nghiệm của bảng L27, ta được các kết quả sau:

Hình 4.87 Đồ thị nồng độ CO2 tại các điểm khảo sát của thí nghiệm 1

Qua thí nghiệm 1, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 1446.67 ppm đến 1653.33 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 60% đến 83.8%

Qua thí nghiệm 2, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 1776,33 ppm đến 1896,67 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 97.4% đến 110.8%

Qua thí nghiệm 3, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 1962 ppm đến 2114 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 118.6% đến 134.9%

Qua thí nghiệm 5, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 3243,33 ppm đến

3584 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 260.4% đến 298.3%

Qua thí nghiệm 6, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 3715 ppm đến 4059 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 321.8% đến 351%

Qua thí nghiệm 7, nồng độ CO2 trong phòng động trong khoảng 1611,67 ppm đến 2116,67 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 79.1% đến 135.2%

Qua thí nghiệm 8, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 2015 ppm đến 2116,67 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 123.9% đến 135.2%

2408 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 142% đến 167.6%

Qua 9 thí nghiệm (từ thí nghiệm 1 đến thí nghiệm 9) với 32 người, ta thấy nồng độ CO2 không đạt tiêu chuẩn của Bộ Xây dựng (900 ppm)

Qua thí nghiệm 10, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 1853.33 ppm đến 2214,33 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 105.9% đến 146%

Qua thí nghiệm 12, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 2612,33 ppm đến 3063,67 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 190.3% 240.4%

Qua thí nghiệm 13, nồng độ CO2 trong phòng dao động trong khoảng 1410 ppm đến 1729,67 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 56.7% đến 92.2%

2170 ppm Nồng độ CO2 cao hơn so với tiêu chuẩn của Bộ Xây Dựng (900 ppm) từ 114.1% đến 141.1%

Tiêu đề	Nghiên Cứu Các Điều Kiện Tiện Nghi Và Đánh Giá Tối Ưu Trong Phòng Học
Tác giả	Võ Quốc Bảo, Nguyễn Quốc Anh, Di Thanh Thư
Người hướng dẫn	TS. Đặng Hùng Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	156
Dung lượng	10,13 MB