Trong kỹ thuật điều hòa không khí người ta thường gặp các quá trình hòa trộn 2 dòng không khí ở các trạng thái khác nhau để đạt được một trạng thái cần thiết.Quá trình này gọi là quá trình hoà trộn.
Giả sử hòa trộn một lượng không khí ở trạng thái A(IA,dA) có khối lượng phần khô là LA với một lượng không khí ở trạng thái B(IB,dB) có khối lượng phần khô là LB và thu được một lượng không khí ở trạng thái C(IA,dA) có khối lượng phần khô là LC. Ta xác định các thông số của trạng thái hoà trộn C.
Hình 2.6. Quá trình hòa trộn hai dòng không khí
Khi đó các phương trình:
- Cân bằng khối lượng:LC = LA +LB (2.11)
- Cân bằng ẩm:d LC C =d LA A+d LB B (2.12)
- Cân bằng nhiệt:I LC C =I LA A+I LB B (2.13)
Trạng thái tại C được xác định:
A B C A B C C L L I I I L L = + (2.14) A B C A B C C L L d d d L L = + (2.15)
2.3. Lý thuyết truyền nhiệt[2] 2.3.1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng
Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng được xác định theo công thức (2.16). Trong đó: q là mật độ dòng nhiệt; λi là hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i; δi là bề dày lớp thứ i;
1
t là nhiệt độ trong cùng của lớp thứ nhất (0C); tn+1là nhiệt độ ngoài cùng của lớp thứ n (0C). 2 1 1 1 , / n n i i i t t q W m δ λ + = − = ∑ (2.16)
2.3.2. Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng
Khi tính toán nhiệt lượng truyền trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu thường sử dụng công thức Newton.
( w f ), / 2
q=α t −t W m (2.17)
Trong đó
- q – Mật độ dòng nhiệt (W/m2)
- α– Hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt (W/m2oC)
- tw – Nhiệt độ trung bình trên bề mặt vật rắn (0C) - tf – Nhiệt độ trung bình của chất lỏng (0C)
Hệ số tỏa nhiệt thường được tính theo công thức thực nghiệm. Từ lý thuyết đồng dạng đã phân tích trong điều kiện trao đổi nhiệt ổn định, phương trình tiêu chuẩn có dạng sau: (Re, ,Pr) Nu = f Gr (2.18) Trong đó: - L Nu α λ =
– Tiêu chuẩn Nusselt - Re
L
ω ϑ =
– Tiêu chuẩn Reynolds - Pr a
ϑ =
– Tiêu chuẩn Prandtl - 3 2 g L t Gr β ϑ Δ =
– Tiêu chuẩn Grashof
Đối với bài toán đối lưu tự nhiên trong không gian rộng tiêu chuẩn Nusselt được xác định như sau:
( .Pr)n
Nu C Gr= (2.19)
Bảng 2.2. Bảng chọn các trị số C và n cho bài toán đối lưu tự nhiên trong không gian rộng . Pr C n < 0.001 0,5 0 0,001 – 500 1,18 1/8 500 – 2.107 0,54 1/4 2.107 – 1013 0,135 1/3
2.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ
Cường độ bức xạ nhiệt được xác định theo định luật Stefan – Boltzman:
4 2 0 , / 100 T E=εC ⎛⎜ ⎞⎟ W m ⎝ ⎠ (2.20) Trong đó: - E – Cường độ bức xạ nhiệt (W/m2)
- ε – Hệ số phát xạ của vật liệu chịu bức xạ
- 2 4
0 5,67 /
C = W m K – Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối - T – Nhiệt độ trung bình của bề mặt chịu bức xạ nhiệt (0K)
2.4. Lý thuyết về chỉ số đánh giá mức độ thoải mái của con người trong phòng (ADPI) [5] (ADPI) [5]
2.4.1. Giới thiệu
ADPI được sử dụng như một thước đo để đánh giá hiệu suất của một hệ thống phân phối không khí trong một phòng hay một khu vực. Giá trị của nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và vận tốc dòng không khí trong phòng.
ADPI được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm của các phép đo được thực hiện trong một không gian bị chiếm dụng, nơi nhiệt độ dự thảo hiệu dụng (EDT) nằm trong khoảng từ -1,5 đến + 1K, với vận tốc không khí nhỏ hơn 0,35 m/s (Nguyên tắc cơ bản ASHRAE, 2001).
ADPI 100% ngụ ý các phép đo được thực hiện tại tất cả các điểm lấy mẫu trong vùng không gian đang xét phù hợp với các tiêu chí đã cho ở trên và do đó điều kiện nhiệt trong không gian đó được mong đợi ở mức chấp nhận được. Hầu hết các hệ thống phân phối không khí được thiết kế để đạt được ADPI từ 80% trở lên (Nguyên tắc cơ bản ASHRAE, 2001).
2.4.2. Cách xác định chỉ số ADPI
(tx tc) (8 Vx 0.15)
θ = − − − (2.21)
Trong đó:
- θ– Nhiệt độ dự thảo hiệu dụng (EDT) (oK) - tx– Nhiệt độ tại điểm lấy mẫu (oK)
- tc– Nhiệt độ trung bình của dòng không khí (oK) - Vx– Vận tốc tại điểm lấy mẫu (m/s)
2.5. Computational Fluid Dynamics – CFD [3] 2.5.1. Giới thiệu 2.5.1. Giới thiệu
CFD – Computational Fluid Dynamics – là lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá trình trong môi trường đang xét, đặc tính sức bền của môi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động lực học hoặc khí động lực học, đặc tính lực, hoặc đặc tính lực moment và tương tác của các môi trường với nhau, ... tùy thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể ứng dụng được.
Những khía cạnh vật lý của bất kỳ dòng lưu chất nào đều được kiểm soát bởi ba nguyên lý cơ bản sau:
- Bảo toàn khối lượng.
- F = ma (định luật 2 Newton). - Bảo toàn năng lượng.
riêng. Tính toán động lực học lưu chất là thuật thay thế những phương trình đạo hàm riêng chủ đạo của dòng lưu chất bằng số và đưa những số này vào không gian và hoặc thời gian để nhận được sự mô tả số cuối cùng của trường dòng chảy đầy đủ cần quan tâm.
2.5.2. Phương pháp mô hình hóa dòng lưu chất
Với một lưu chất liên tục ta có thể chọn 1 trong 2 mô hình sau để mô hình hóa dòng lưu chất.
A. Thể tích kiểm soát hữu hạn (theo quan điểm Euler)
Xét một trường dòng tổng quát như được thể hiện bởi những đường dòng trong hình 3.1. Ta hãy tưởng tượng một thể tích khép kín vẽ trong một khu vực hữu hạn của dòng. Thể tích này xác định một thể tích kiểm soát V và một bề mặt kiểm soát S, xác định bề mặt khép kín bao quanh thể tích. Thể tích kiểm soát này có thể cố định trong không gian với lưu chất chuyển động vòng qua nó, như hình 2.7a. Tương tự, thể tích kiểm soát có thể chuyển động cùng với lưu chất, sao cho những hạt lưu chất cùng nhau luôn ở trong nó, như hình 2.7b .
Hình 2.7.Thể tích kiểm soát hữu hạn
Trong mọi trường hợp, thể tích kiểm soát là một vùng đủ lớn, hữu hạn của dòng. Những nguyên lý vật lý cơ bản được áp dụng cho lưu chất nằm trong thể tích kiểm soát, và với lưu chất cắt qua bề mặt kiểm soát (nếu thể tích kiểm soát cố định trong không gian). Bởi vậy, thay vì xem xét toàn bộ trường dòng một lúc, với mô hình thể tích kiểm soát chúng ta giới hạn sự chú ý chỉ với lưu chất trong vùng hữu hạn của chính thể tích đó. Những phương trình dòng lưu chất mà chúng ta nhận được trực tiếp
do việc áp dụng những nguyên lý vật lý cơ bản cho một thể tích kiểm soát hữu hạn có dạng tích phân.Những dạng tích phân này của những phương trình chủ đạo có thể thao tác gián tiếp để nhận được những phương trình đạo hàm riêng.
B. Phần tử lưu chất vô cùng bé (theo quan điểm Lagrange)
Xét một trường dòng tổng quát như được thể hiện bởi những đường dòng trong hình 3.2. Ta hãy tưởng tượng một phần tử lưu chất vô cùng bé trong dòng, với một thể tích vi phân dV. Phần tử lưu chất là vô cùng bé theo khái niệm phép tính vi phân; tuy nhiên là đủ lớn để chứa một số khổng lồ những phần tử để có thể nhìn nhận như một môi trường liên tục. Phần tử lưu chất có thể cố định trong không gian với lưu chất chuyển động vòng qua nó, như hình 2.8a. Tương tự, nó có thể chuyển động dọc theo dòng chảy với vận tốc vector thể tích bằng vận tốc dòng tại mỗi điểm như hình 2.8b.
Hình 2.8. Phần tử lưu chất vô cùng bé
Thay vì xét toàn dòng tại một lúc, những nguyên lý vật lý cơ bản chỉ ứng dụng cho chính phần tử lưu chất. Ứng dụng này trực tiếp dẫn tới những phương trình cơ bản ở dạng phương trình đạo hàm riêng
2.5.3. Những phương trình chủ đạo của CFD [4]
Hệ phương trình Navier – Stokes dưới dạng tích phân: - Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục):
. . V dV S u n ds t ρ ρ ∂ = − ∂ ∫ ∫ r (2.22)
Trong đó, vế trái của phương trình là tỉ lệ thay đổi của khối lượng, vế phải của phương trình là khối lượng dòng chảy đi vào chu vi qua lớp biên S
- Phương trình bảo toàn động lượng được phát biểu như phương trình (2.23). Vế trái của phương trình là tỉ lệ thay đổi động lượng. Đại lượng đầu tiên của vế phải là động lượng dòng chảy đi vào CV qua lớp, đai lượng kế tiếp là tổng áp lực dòng chảy, đai lượng kế tiếp là lực cản sinh ra do độ nhớt, đại lượng cuối cùng là tổng các lực bản thân. . . . 2 . . V udV S uu n dS S n dS S D ndS V f dV t ρ ρ ρ μ ρ ∂ = − − + + ∂ ∫ ∫ r ∫ r ∫ r ∫ (2.23)
- Phương trình bảo toàn năng lượng được phát biểu theo công thức (2.24). Trong đó, vế trái là tỉ lệ thay đổi năng lượng (nội năng+ Động năng), vế phải lần lượt là: Năng lượng dòng chảy đi vào CV qua lớp biên S; Năng lượng của áp lực dòng chảy và độ nhớt; Năng lượng nhiệt của lưu chất; Năng lượng của tổng các lực bản thân. 2 2 1 1 . . . . 2 2 V e u dV S e u u n dS STun dS SnqdS V fu dV t ρ ρ ρ ∂ ⎛ + ⎞ = − ⎛ + ⎞ + − + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∂ ∫ ⎝ ⎠ ∫ ⎝ ⎠ r ∫ r ∫ ∫ (2.24)
2.5.4. Áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn vào bài toán CFD[4]
- Bước 1: Tạo lưới, thay miền khảo sát bằng hệ thống rời rạc hữu hạn các điểm, gọi là nút lưới và các phần tử khối rời rạc nhất định bao quanh các nút lưới, gọi là thể tích kiểm soát.
- Bước 2: Tích phân các phương trình đặc trưng cho dòng lưu chất trên thể tích kiểm soát để có được các phương trình rời rạc các điểm nút.
- Bước 3: Rời rạc hóa phương trình tích phân bằng cách thay thế các biểu thức vi phân của phương trình tích phân bằng các tỉ sai phân tương ứng (biến đổi các phương trình tích phân thành hệ các phương trình đại số).
- Bước 4: Rời rạc hóa các điều kiện biên, xấp xỉ bằng các phương trình sai phân đối với các nút lưới gần biên hay ở ngay trên biên. Tập hợp các phương trình sai phân và các điều kiện biên đã được rời rạc hóa cho ta 1 hệ phương trình đại số, gọi là lược đồ sai phân.
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN CHO CĂN HỘ CHUNG CƯ
Chương trình tính toán số được sử dụng trong luận văn là chương trình ANSYS, module CFX.Đây là một chương trình tính toán động lực học lưu chất(CFD) hiệu năng cao đã được áp dụng để giải các bài toán dòng chảy đa dạng trong hơn 20 năm qua.
- Điểm mạnh của ANSYS CFX là công nghệ bộ giải cao cấp của nó - mấu chốt để đạt được các lời giải tin cậy và chính xác, nhanh chóng và mạnh mẽ. Bộ giải hiện đại, giải song song tốt là nền tảng cho sự lựa chọn phong phú các mô hình vật lý cho phép mô tả gần như tất cả các hiện tượng liên quan đến dòng chất lỏng. Bộ giải và nhiều mô hình vật lý của nó được gói trong một giao diện đồ họa (GUI) và môi trường người dùng hiện đại, trực quan và linh hoạt, với các khả năng mở rộng cho tùy biến và tự động hóa dùng các file ghi lệnh thực thi (session), ngôn ngữ script và ngôn ngữ biểu thức mạnh mẽ.
- Nhưng ANSYS CFX còn nhiều hơn chỉ là một phần mềm CFD mạnh mẽ. CFX được tích hợp trong nền tảng ANSYS Workbench, cung cấp các kết nối hai chiều cao cấp cho tất cả các hệ thống CAD chính, các công cụ tạo và hiệu chỉnh hình học mạnh mẽ với ANSYS DesignModeler, các công nghệ chia lưới cao cấp trong ANSYS Meshing, và dễ dàng kéo và thả truyền dữ liệu và các kết quả để chia sẽ giữa các ứng dụng.
3.1. Mô hình căn hộ chung cư SGC Nguyễn Văn Luông 3.1.1. Thông tin căn hộ 3.1.1. Thông tin căn hộ
Chọn mô hình là căn hộ nằm tại vị trí tầng 1 của chung cư. Căn hộ nằm ở phía đông của toà nhà là mặt đón gió và đón nắng. Vị trí của căn hộ thể hiện ở hình 3.1. Mô hình chung cư được thể hiện trong các hình 3.2 và 3.3.
Hình 3.1Mặt bằng điển hình tầng 1 và mặt bằng của căn hộ
Hình 3.3. Mặt bên và mặt cắt bên của công trình
3.1.2. Tính toán các thông số điều kiện biên cho mô hình 3.1.2.1. Khí Hậu 3.1.2.1. Khí Hậu
Nằm trong vùng nhiệt đới xavan, cũng như một số tỉnh Nam bộ khác, thành phố Hồ Chí Minh không có bốn mùa: xuân, hạ, thu, đông, nhiệt độ cao đều và mưa quanh năm (mùa khô ít mưa). Trong năm Thành phố Hồ Chí Minh có 2 mùa là biến thể của mùa hè: mùa mưa và mùa khô rõ rệt.Mùa mưa được bắt đầu từ tháng 5 tới tháng 11 (khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ cao mưa nhiều), còn mùa khô từ tháng 12 tới tháng 4 năm sau (khí hậu khô, nhiệt độ cao và mưa ít).
3.1.2.2. Nhiệt độ
Trung bình, Thành phố Hồ Chí Minh có 160 tới 270 giờ nắng một tháng, nhiệt độ trung bình 27 °C, cao nhất lên tới 40 °C, thấp nhất xuống 13,8 °C. Hàng năm, thành phố có 330 ngày nhiệt độ trung bình 25 tới 28 °C.
Bảng 3. 1Bảng thống kê nhiệt độ và lượng mưa trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh Tháng Nhiệt độ trung bình nhỏ nhất (°C) Nhiệt độ trung bình lớn nhất (°C) Tổng lượng mưa trung bình (mm) Số ngày mưa trung bình (ngày) 1 21,1 31,6 13,8 2,4 2 22,5 32,9 4,1 1,0 3 24,4 33,9 10,5 1,9 4 25,8 34,6 50,4 5,4 5 25,2 34,0 218,4 17,8 6 24,6 32,4 311,7 19,0 7 24,3 32,0 293,7 22,9 8 24,3 31,8 269,8 22,4 9 24,4 31,3 327,1 23,1 10 23,9 31,2 266,7 20,9 11 22,8 31,0 116,5 12,1 12 21,4 30,8 48,3 6,7 3.1.2.3. Gió
Thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính và chủ yếu là gió mùa Tây - Tây Nam và Bắc - Ðông Bắc. Gió Tây -Tây Nam từ Ấn Ðộ Dương thổi vào trong mùa mưa, khoảng từ tháng 6 đến tháng 10, tốc độ trung bình 3,6m/s và gió thổi mạnh nhất vào tháng 8, tốc độ trung bình 4,5 m/s. Gió Bắc- Ðông Bắc từ biển Đông thổi vào trong mùa khô, khoảng từ tháng 11 đến tháng 2, tốc độ trung bình 2,4 m/s. Ngoài ra có gió tín phong, hướng Nam - Ðông Nam, khoảng từ tháng 3 đến tháng 5 tốc độ trung bình 3,7 m/s. Về cơ bản TPHCM thuộc vùng không có gió bão. Hướng gió và giá trị vận tốc gió trung bình được thể hiện trên biểu đồ hoa gió. Như hình 5.6 là biểu đồ hoa gió tháng 12 tại thành phố Hồ Chí Minh với hướng gió chính là Bắc Đông Bắc và vận tốc gió trung bình là 5,6mph tương ứng 2,5m/s.
Hình 3. 4. Biểu đồ hoa gió tháng 12 khảo sát tại thành phố HCM
3.1.2.4. Tính toán vận tốc gió cho công trình
Hàm tính vận tốc gió theo địa hình tính theo TCVN 2737:1995 [8]: ( ) 0 ( ) 0 10 a z V z =V E z =V b⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (3.1) Trong đó:
- V0: Vận tốc gió cơ bản trung bình (Vận tốc gió trung bình cơ bản trong các tiêu