3.1. Vi khí hậu trong công trình kiến trúc
Khí hậu chung của mỗi vùng chịu tác động của các nhân tố vĩ mô nh− mặt trời, vĩ độ, địa hình, trạng thái bề mặt trái đất, trạng thái khí quyển v.v… gọi là “đại khí hậu”. Vi khí hậu là khí hậu ở một phạm vi nhỏ nh− khí hậu trong phòng, trong công trình, khí hậu trong xóm, trong tiểu khu v.v... Ngoài các tác động của các nhân tố vĩ mô, vi khí hậu còn chịu tác động chủ yếu của các điều kiện biên do con ng−ời tạo nên, nh−: nhà cửa, giải pháp bố trí quy hoạch kiến trúc, cây cối, ao hồ, sân bãi, kết cấu ngăn che, cũng nh− các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con ng−ờị
Xuất phát từ sự tác động của vi khí hậu đến con ng−ời và công trình, vi khí hậu đ−ợc đặc tr−ng bởi 4 yếu tố chính: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tốc độ chuyển động của không khí và bức xạ của môi tr−ờng (do mặt trời, do khí quyển và do nhiệt độ bề mặt của các kết cấu xung quanh)
Nhiệt độ không khí có ảnh h−ởng lớn nhất đối với cảm giác nóng lạnh của con ng−ờị Tăng cao nhiệt độ trong mùa lạnh sẽ đảm bảo điều kiện ấm áp cho con ng−ời, hạ thấp nhiệt độ trong mùa nóng sẽ làm cho ng−ời ta cảm thấy mát mẻ dễ chịụ Biên độ dao động nhiệt độ không khí trong ngày là một chỉ tiêu có quan hệ đến điều kiện vệ sinh đối với con ng−ờị Dao động nhiệt độ càng lớn, cơ thể con ng−ời càng phải điều tiết nhiều, nên càng mệt mỏi và dễ sinh ốm đaụ
Độ ẩm cũng liên quan khá lớn điều kiện nóng lạng của con ng−ờị Về muà lạnh, độ ẩm càng cao, cơ thể bị mất nhiệt ra môi tr−ờng chung quanh càng nhanh, do đó càng cảm thấy lạnh. Về mùa nóng độ ẩm càng cao, mồ hôi càng khó bốc hơi toả nhiệt, con ng−ời cảm thấy oi bức.
Tốc độ gió có liên quan tới tốc độ bốc hơi toả nhiệt của mồ hôi, cũng nh− đẩy mạnh quá trình trao đổi nhiệt giữa con ng−ời và môi tr−ờng xung quanh bằng đối l−ụ Gió càng lớn cơ thể thoát nhiệt càng nhanh, do đó gây cảm giác mát mẻ trong mùa nóng và cảm giác rét buốt trong mùa lạnh.
Ngoài l−ợng bức xạ của mặt trời và khí quyển, con ng−ời còn trao đổi nhiệt bức xạ với các bề mặt kết cấu và đồ vật xung quanh. Khi nhiệt độ bề mặt cao hơn nhiệt độ mặt da ng−ời, cơ thể sẽ nhận thêm l−ợng nhiệt bức xạ của các bề mặt đó. Khi nhiệt độ mặt da lớn hơn thì ng−ợc lại, cơ thể sẽ bức xạ nhiệt l−ợng tới các bề mặt xung quanh. Nhiệt độ bề mặt kết cấu có thể tăng thêm cảm giác nóng bức trong mùa nóng và giá lạnh trong mùa lạnh của con ng−ờị
Cần chú ý là các động tác của các yếu tố vi khí hậu lên cơ thể con ng−ời có tính chất tổng hợp, đồng thời và quan hệ hữu cơ với nhaụ
3.2. Tác động của các yếu tố vi khí hậu đến cảm giác nhiệt của con ng−ờị ng−ờị
Nhiệt độ bản thân con ng−ời (thân nhiệt) th−ờng 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 d−ới sự chi phối của hệ thần kinh, nhiệt năng không ngừng đ−ợc sản sinh ra trong cơ thể và không ngừng đ−ợc toả ra ngoàị
Con ng−ời trao đổi nhiệt với môi tr−ờng xung quanh d−ới các dạng chủ yếu
sau: bức xạ, đối l−u, bốc hơi, mồ hôi và hô hấp. L−ợng nhiệt trao đổi đó phụ thuộc vào
nhiều yếu tố nh−: quần áo mặc, t− thế con ng−ời (ngồi, nằm, đứng) và điều kiện vi khí hậu của môi tr−ờng. Điều kiện cần thiết để có đ−ợc sự thoải mái ( tiện nghi nhiệt ) là: M ± Rd ± Cv ± Cd – E = 0; (3.1) trong đó
M – (Metabolism) L−ợng nhiệt do cơ thể sinh ra tính theo W/m2của diện tích bề mặt cơ thể;
Cv – l−ợng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi tr−ờng xung quanh bằng đối l−u, W/m2 ;
Rd – l−ợng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với môi tr−ờng xung quanh bằng bức xạ, W/m2 ;
Cd – l−ợng nhiệt trao đổi giữa cơ thể với bàn ghế bằng dẫn nhiệt, W/m2 ; E – l−ợng nhiệt mất đi do bốc hơi của cơ thể, W/m2 ;
Các đại l−ợng trong công thức trên đ−ợc tính cho một đơn vị diện tích cơ thể ng−ờị Diện tích mặt da của cơ thể ng−ời hay còn gọi là hệ số Du Bois đ−ợc tính theo công thức:
AD = 0,202.mb0,425H0,725, m2 (3.2) mb – trọng l−ợng ng−ời (kg);
H – chiều cao ng−ời (m);
thông th−ờng AD =1,7 m2 – 1,8m2.
Bảng 3.1. L−ợng nhiệt do quá trình sinh lý trong cơ thể ng−ời sinh ra (M)
Dạng hoạt động W/m2 Met Kcal/h
Ngủ 40 0,7 62 Nằm 46 0,8 71 Ngồi nghỉ 58,2 1,0 90 Đứng nghỉ 70 1,2 108 Bếp núc 94 – 115 1,6– 2,0 146-178 Thợ may 105 1,8 163
Sửa chữa điện, đồ gia dụng 154,6 2,66 239
Ngồi đọc sách tại công sở 55 1,0 85
Đánh máy tại văn phòng 65 1,1 101
Đứng sắp xếp tài liệu 80 1,4 124
Đứng, thỉnh thoảng đi lại 123 2,1 190
Nhấc vật nặng, đóng gói 120 2,1 186
Lái xe tải 185 3,2 286
Hình 3.1: Sự trao đổi nhiệt giữa cơ thể với môi tr−ờng
Khiêu vũ Thể thao/huấn luyện Đánh bóng chuyền Đi bộ, 9 m/s Đi bộ, 1,2 m/s Đi bộ, 1,8 m/s Chạy, 2,37 m/s Xuống thang Lên cầu thang
Các l−ợng nhiệt trao đổi giữa con ng−ời và môi tr−ờng tính nh− sau:
1)L−ợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể ng−ời với môi tr−ờng xung quanh đ−ợc thể hiện bằng công thức:
16 , 2 R q = R t - Nhiệt độ bức xạ, oC 35 – nhiệt độ mặt da ng−ời, oC
Nhiệt độ tR th−ờng gọi là nhiệt độ bức xạ trung bình trong phòng, có thể xác định theo công thức: ∑ ∑ = i i R F F t τ
Nhiệt độ tR còn có thể xác định từ nhiệt độ đo bằng nhiệt kế cầu đen nh− sau:
Fi và τi – diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng: tcđ – nhiệt độ cầu đen;
ta – nhiệt độ không khí trong phòng v – vận tốc gió trong phòng ;
Nhiệt độ cầu đen đ−ợc xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng, đ−ờng kính khoảng 10 – 15cm, 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 đốị Cầu đen đ−ợc 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 đ−ợc sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh h−ởng của bức xạ phát xạ hoặc nhận đ−ợc. Nếu n
lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc đ−ợc sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí. Nếu bức xạ nhận đ−ợc thì số đọc đ−ợc sẽ cao hơn nhiệt độ không khí.
2)L−ợng nhiệt trao đổi bằng đối l−u giữa cơ th
140 – 255 2,4 – 4 ,4 174 – 235 3,0 – 4 ,0 174 – 235 3,0 – 4 ,0 210 – 270 3,6 – 4 ,0 115 2,0 150 2,6 220 3,8 366 6,29 233 4,0 707 12,1
Các l−ợng nhiệt trao đổi giữa con ng−ời và môi tr−ờng tính nh− sau:
L−ợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể ng−ời với môi tr−ờng xung quanh đ−ợc thể hiện bằng công thức:
) 35 ( 16 , −tR , Kcal/h (3.3) Nhiệt độ bức xạ, oC nhiệt độ mặt da ng−ời, oC th−ờng gọi là nhiệt độ bức xạ trung bình trong phòng, có thể xác định theo
(3.4)
H
Hình 3.2 : Nhiệt kế cầu đen còn có thể xác định từ nhiệt độ đo bằng nhiệt kế cầu đen nh− sau:
tR = tcđ + 2,35 v(tcđ - ta) (3.5)
diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng: nhiệt độ cầu đen; 0C
nhiệt độ không khí trong phòng ; 0C vận tốc gió trong phòng ;m/sec
Nhiệt độ cầu đen đ−ợc xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng, 15cm, 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 đốị Cầu đen đ−ợc treo ở vị trí cần xét trong phòng. Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở 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 đ−ợc sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh h−ởng của bức xạ phát xạ hoặc nhận đ−ợc. Nếu nhiệt độ không khí nóng, nh−ng mặt t−ờng đối diện lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc đ−ợc sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí. Nếu bức xạ nhận đ−ợc thì số đọc đ−ợc sẽ cao hơn nhiệt độ không khí.
2)L−ợng nhiệt trao đổi bằng đối l−u giữa cơ thể ng−ời với môi tr−ờng xung 217-395 269-364 325-418 178 232 341 567 361 1094 Các l−ợng nhiệt trao đổi giữa con ng−ời và môi tr−ờng tính nh− sau:
L−ợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa cơ thể ng−ời với môi tr−ờng xung
: Nhiệt kế cầu đen còn có thể xác định từ nhiệt độ đo bằng nhiệt kế cầu đen nh− sau:
) (3.5)
diện tích và nhiệt độ bề mặt của kết cấu thứ i của phòng:
Nhiệt độ cầu đen đ−ợc xác định bằng cách dùng một quả cầu bằng đồng mỏng, 15cm, 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 đốị Cầu đen đ−ợc treo ở vị trí cần xét trong phòng. Đặt một nhiệt kế vào trong quả cầu sao cho bầu thuỷ ngân ở 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 đ−ợc sẽ cho tổ hợp của nhiệt độ không khí và ảnh h−ởng của bức xạ hiệt độ không khí nóng, nh−ng mặt t−ờng đối diện lạnh thì bức xạ sẽ phát xạ từ quả cầu và do đó số đọc đ−ợc sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí. Nếu bức xạ nhận đ−ợc thì số đọc đ−ợc sẽ cao hơn nhiệt độ không khí.
) t ( v , q , K K =887 05 35− , Kcal/h (3.6) K t – Nhiệt độ không khí, oC
v – Tốc độ gió của không khí trong phòng, (m/s )
Nếu qK d−ơng, gió có tác dụng giúp ng−ời toả nhiệt, ng−ợc lại, gió sẽ làm tăng nhiệt đối l−u truyền vào ng−ờị
3) L−ợng nhiệt tỏa đi bằng bốc hơi mồ hôi đ−ợc thể hiện bằng công thức
(42 e) v . 1 , 29 qmh = 0,8 − ; Kcal/h (3.7) e – áp suất hơi n−ớc, mmHg
E = 42 – áp suất hơi n−ớc bão hòa trên mặt da, mmHg
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 tr−ờng tổng hợp về một con số các tác động của nhiệt độ khô, nhiệt độ −ớt, độ ẩm và tốc độ gió tới cảm giác nóng lạnh mà cơ thể ng−ời cảm thấỵ Nhiệt độ hiệu quả đ−ợc định nghĩa là nhiệt độ mà tại đó không khí với độ ảm bão hòa và không chuyển động gây ra cho ng−ời mặc quần áo bình th−ờng ngồi trong nhà một cảm giác tiện nghi giống nh− 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 ng−ời đ−ợc tính theo hai ph−ơng pháp:
a/Bằng công thức Webb:
thq =0,5.(tK +tU )−1,94. v (3.8) trong đó tK là nhiệt độ khô, tƯ là nhiệt độ −ớt, v- tốc độ gió, m/sec
b/ Bằng toán đồ nhiệt độ hiệu quả:Dựa trên công thức Webb có thể dựng
đ−ợc toán đồ nh− hình và gọi là toán đồ nhiệt độ hiệu quả. Vùng tiện nghi nằm trong khoảng 20oC< thq<27oC ( hình 3.3)
Ví dụ: Cho tk=32oC, ϕ=80%, v=5 m/s, tìm thq
Dùng biểu đồ t-d tra đ−ợc tƯ=29 oC, dóng đ−ờng thẳng nối tk với tƯ, giao điểm của đ−ờng này với đ−ờng tốc độ gió v=5 m/s sẽ gặp đ−ờng thq=26oC. Đáp số : thq=26oC. Nh− vậy cảm giác nhiệt là dễ chịụ
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 đ−ợc bằn cách thay nhiệt độ không khí bằng nhiệt độ cầu đen sẽ đ−ợc gọi là nhiệt độ hiệu quả đã hiệu chỉnh ( Corrected Effective Temperature- CET)
Ch−ơng I V