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 chuẩn được lấy ở độ cao 10 m và ở dạng địa hình thoáng).
- : Hệ số ảnh hưởng theo độ cao của vận tốc gió.
- và : Các hằng số phụ thuộc dạng địa hình. - : Độ cao (m).
Bảng 3. 2. Bảng chọn các thông số a và b theo dạng địa hình
Dạng địa
hình Mô tả Chiều cao
gradient Zg (m)
Giật 3 giây Thời gian lấy trung bình 10 phút
b a b a
Dạng I Khu vực mặt nước thoáng
(biển, hồ với rất ít vật cản) 250 1,13 0,05 1,22 0,1 Dạng II vật cản cao đến 10 m. Khu vực Khu vực thoáng (địa hình có ít
nông thôn với ít nhà thấp tầng
350 1 0,08 1 0,15
Dạng III
Rừng/Khu vực ngoại ô với một số ít nhau cao dưới 35 m (có chủ yếu các vật cản từ 3 m đến
5 m)
450 0,876 0,11 0,8 0,2
Dạng IV Khu vực đô thị (có nhiều công trình cao từ 10 m đến 50 m) 500 0,78 0,14 0,66 0,24 Dạng V trung bình và các nhà cao trên Thành phố (có nhiều nhà cao
50 m)
550 0,71 0,17 0,54 0,29
Dạng VI Trung tâm thành phố (tập trung nhiều nhà cao tầng cùng với các công trình khác)
650 0,61 0,19 0,38 0,36
Chọn thời điểm khảo sát là tháng 12 vì trong khoảng thời gian này, tại thành phố Hồ Chí Minh tốc độ gió thấp nhất trong năm [6]. Theo [7], vận tốc gió cho công trình tại thời điểm tháng 12 trong năm là 2,5 (m/s). Công trình đang nghiên cứu nằm ở khu vực đô thị (có nhiều công trình cao từ 10 m đến 50 m) - thuộc dạng địa hình IV. Dựa vào bảng 1, ta chọn a = 0,24 và b = 0,66. Thay a, b, V0vào công thức (3.1), ta được kết quả trong bảng sau:
Bảng 3. 3. Bảng phân bố vận tốc gió của công trình chung cư Tầng Độ cao z (m) Vận tốc (m/s) Tầng Hầm 1,2 0,992 Tầng Trệt 3,8 1,308 Tầng 1 6,8 1,504 Tầng 2 9,8 1,642 Tầng 3 12,8 1,751 Tầng 4 15,8 1,841 Tầng 5 18,8 1,92 Tầng 6 21,8 1,989 Tầng 7 24,8 2,052 Tầng 8 27,8 2,109 Tầng 9 30,8 2,161 Tầng 10 33,8 2,21 Tầng 11 36,8 2,256 Tầng kỹ thuật 41,1 2,316
3.1.2.5. Tính toán bức xạ nhiệt cho bề mặt tường đón nắng vào ban ngày
Cường độ bức xạ nhiệt của bề mặt tường được xác định theo công thức của định luật Stefan – Boltzman. Theo [8], nhiệt độ trung bình tháng 12 của Tp. HCM là 27 0C.
( ) 4 4 2 0 333 0.85 5.67 592.62 / 100 100 T E=εC ⎛⎜ ⎞⎟ = × ×⎛⎜ ⎞⎟ = W m ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Trong đó: - E : Cường độ bức xạ nhiệt ( W/m2 ) - 0,85: Hệ số phát xạ của bê tông
- 5,67 ⁄ : Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
3.1.2.6. Tính toán tỏa nhiệt đối lưu cho các thiết bị trong căn hộ F1. Đối với nhà bếp:
- Kích thước tính toán: L = 3,15 m.
- Nhiệt độ trung bình trên bề mặt bếp: tw=53 0C. - Nhiệt độ trung bình của không khí: 27oC. - Nhiệt độ xác định: 0,5 323 300 400C.
Từ nhiệt độ xác định tra bảng thông số vật lý của không khí khô tại trang 411 sách bài tập Nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền nhiệt để xác định các thông số nhiệt vật lý:
- Hệ số dẫn nhiệt của không khí khô tại 40oC:λ=2, 76.10−2(W m C/ .o )
- Độ nhớt động học của không khí khô tại 40oC:ϑ =16, 69.10 (−6 m2 / )s
- Giá trị tiêu chuẩn Prantl của không khí khô tại 40oC:Pr = 0,699 - Hệ số giãn nỡ nhiệt của không khí khô tại 40oC: 1 1 ( )
1/ 313 O m K T β = =
- Xác định tiêu chuẩn Grashof:
∆ 9,81. . 3,15 . 53 27
16,69. 10 9,144. 10
Xác định tiêu chuẩn Nusselt:
. 9,144. 10 . 0,699 6,391. 10
Với 2. 10 . 10 tra bảng 2.2 suy ra các giá trị C = 0.135 và n = 1/3:
. Pr 0,135. 6,391. 10 539,7573 . 539,7573.2,76. 10
3,15 4,73 ⁄
Mật độ dòng nhiệt (Heat Flux) của nhà bếp:
F2. Đối với tủ lạnh
Mật độ dòng nhiệt (Heat Flux) của tủ lạnh, thực hiện tính toán tương tự như bếp, ta được kết quả sau:
4,06. 43 27 64,92 /
3.1.3. Tính toán mô phỏng thông gió tự nhiên cho mô hình 3.1.3.1. Mô hình hóa bài toán 3.1.3.1. Mô hình hóa bài toán
Mô hình CAD của căn hộ được xây dựng trong SOLIDWORKS, sau đó được đọc vào chương trìnhANSYS CFX.Mô hình căn hộ được thể hiện trên hình
Hình 3. 5. Mô hình tính toán cho bài toán trong ANSYS CFX
Mô hình thể tích hữu hạn: Mô hình được chia lưới theo phương pháp Hex Dominant Method với các thông số:
- Relevance: 100
- Relevance Center: Fine - Max Face Size: 8.10-2 m
Mô hình chia lưới bao gồm các loại phần tử Hexahedron (Hex 8), Tetrahedron (Tet4), Wedge (Wed6), Pyramid (Pyr5):
- Số phần tử: 260322. - Số Node: 259509.
- Skewness (Average): 0.14541 (Excellen).
Đánh giá sơ bộ chất lượng lưới: với các bài toán CFD, để kết quả tính toán có thể hội tụ thì chỉ số Skewness trung bình cần phải nhỏ hơn 0.25 (hình 3.7). Với kết quả thống kê chỉ số Skewness ở trên thì chất lượng lưới của mô hình là rất tốt.
Hình 3. 6. Mô hình lưới của căn hộ
Hình 3. 7. Đánh giá chất lượng lưới thông qua chỉ số Skewness
3.1.3.2. Điều kiện biên A1. Trường hợp buổi sáng:
Điều kiện biên về dòng không khí vào (Inlet – màu xanh lá cây) với - Vận tốc vào: 1,5 m/s (Vận tốc tại tầng 1 của tòa nhà).
- Nhiệt độ không khí: 270C (Nhiệt độ trung bình tháng 12).
Điều kiện biên về bức xạ nhiệt (Wall – màu đỏ): - Nhiệt độ bề mặt bên trong tường chịu bức xạ: 300C - Cường độ bức xạ nhiệt: 592,62 W/m2.
Điều kiện biên cho bếp (Wall – màu hồng): Bếp tỏa nhiệt đối lưu với mật độ dòng nhiệt (Heat Flux): qb = 122,96 W/m2.
Điều kiện biên cho tủ lạnh (Wall – màu cam): Tủ lạnh tỏa nhiệt đối lưu với mật độ dòng nhiệt (Heat Flux): qt = 64,92 W/m2.
Hình 3. 8. Điều kiện biên cho trường hợp buổi sáng
A2. Trường hợp buổi chiều
Điều kiện biên về dòng không khí vào (Inlet – màu xanh lá cây): - Vận tốc vào: 1,5 m/s (Vận tốc tại tầng 1 của tòa nhà)
- Nhiệt độ không khí: 27oC (Nhiệt độ trung bình tháng 12)
Điều kiện biên về dòng không khí tại cửa ra (Opening – màu vàng): Áp Lực tĩnh trung bình tại các cửa ra: 0 Pa.
Điều kiện biên cho bếp (Wall – màu hồng): Bếp tỏa nhiệt đối lưu với mật độ dòng nhiệt (Heat Flux): qb = 122,96 W/m2.
Điều kiện biên cho tủ lạnh (Wall – màu cam): Tủ lạnh tỏa nhiệt đối lưu với mật độ dòng nhiệt (Heat Flux): q = 64,92 W/m2.
Hình 3. 9. Điều kiện biên cho trường hợp buổi chiều
A3. Trường hợp buổi tối
Điều kiện biên về dòng không khí vào (Inlet – màu xanh lá cây): - Vận tốc vào: 1,5 m/s (Vận tốc tại tầng 1 của tòa nhà)
- Nhiệt độ không khí: 27oC (Nhiệt độ trung bình tháng 12)
Điều kiện biên về dòng không khí tại cửa ra (Opening – màu vàng): Áp Lực tĩnh trung bình tại các cửa ra: 0 Pa.
Điều kiện biên cho tủ lạnh (Wall – màu cam): Tủ lạnh tỏa nhiệt đối lưu với mật độ dòng nhiệt (Heat Flux): qt = 64,92 W/m2.
Hình 3. 10. Điều kiện biên cho trường hợp buổi tối
3.1.4. Kết quả mô phỏng
3.1.4.1. Kết quả về vận tốc gió trong căn hộ
Vào ban ngày, cả buổi sáng và buổi chiều vận tốc gió khá lớn, vận tốc trung bình khoảng 1.5 m/s, không khí có thể đi hết các phòng trong ngôi nhà như trên hình 3.11 và hình 3.12. Vận tốc gió khá lớn gây áp lực lớn lên khe thông gió ở cửa ra làm vận tốc ở cửa ra tăng cao. Với những vấn đề trên sẽ gây ra sự khó chịu cho cư dân sống trong căn hộ, vì vậy cần phải có giải pháp khắc phục.
Vào buổi tối, vận tốc gió giảm xuống khá nhiều do đóng hết các cửa lớn, vận tốc trung bình dưới 1m/s (3.13). Không khí cũng có thể đi qua hết các phòng của ngôi nhà. Nhìn chung vận tốc gió vào buổi tối của căn hộ đạt yêu cầu, gió không quá lớn cũng không quá nhỏ tạo sự thoải mái cho cư dân trong phòng.
Hình 3. 11. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi sáng
Hình 3. 13. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi tối
3.1.4.2. Kết quả về nhiệt độ
Vào buổi sáng, nhiệt độ căn hộ khá cao do có bức xạ mặt trời, nhiệt độ trung bình của căn hộ khoảng 300C (3030K). Một vài khu vực trong nhà có nhiệt độ khá cao nhu khu vực bếp, khu vực nhà vệ sinh, khu vực tiếp xúc bức xạ mặt trời, … Những khu vực trên cần có biện pháp khắc phục để giảm nhiệt độ tạo sự thoải mái cho cư dân trong căn hộ (hình 3.14).
Vào buổi chiều, nhiệt độ giảm hơn so với buổi sáng do không có bức xạ mặt trời, nhiệt độ trung bình của căn hộ khoảng 280C khá mát mẻ. Các phòng trong căn hộ phân bố nhiệt khá đều và không quá chênh lệch (hình 3.15).
Vào buổi tối, nhiệt độ tiếp tục giảm do loại bỏ bớt các nguồn tỏa nhiệt từ bếp và bức xạ mặt trời. Nhiệt độ trung bình của căn hộ khoảng 270C, là nhiệt độ mát mẻ và thoải mái cho cư dân sống trong căn hộ. Phân bố nhiệt trong căn hộ cũng khá đồng đều và thoải mái (hình 3.16).
Hình 3. 14. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi sáng
Hình 3. 16. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi tối
3.1.5. Đánh giá hiệu quả thông gió
Để đánh giá hiệu quả thông gió theo tiêu chuẩn APDI, ta khảo sát 10 điểm mẫu bất kì thuộc mô hình căn hộ với mỗi phòng trong căn hộ chọn 2 điểm như hình 3.17.
Hình 3. 17. Tọa độ các điểm lấy mẫu của bài toán
Lấy các kết quả về vận tốc và nhiệt độ tại 10 điểm mẫu trên. Sau đó tiến hành tính toán chỉ số ADPI và đánh giá kết quả và so sánh với tiêu chuẩn về sự thoải mái
0.35 /
1,5 1
3.1.5.1. Trường hợp buổi sáng
Dựa vào bảng 3.4 nhận thấy rằng vào buổi sáng chỉ có 10% số điểm khảo sát là đạt tiêu chuẩn về mức độ thoải mái. Nguyên nhân chính gây nên kết quả nhiều điểm mẫu không đạt là do nhiệt độ có chênh lệch khá cao so với nhiệt độ trung bình của không khí (270C). Vì vậy cần phải có những giải pháp khắc phục vấn đề trên.
Bảng 3. 4. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy mẫu trường hợp buổi sáng
3.1.5.2. Trường hợp buổi chiều
Theo như kết quả bảng 3.5, vào buổi chiều có 50% số điểm khảo sát đạt tiêu chuẩn về mức độ thoải mái. So với buổi sáng thì vận tốc vòa buổi chiều hầu như không đổi, kết quả đạt được có sự cải thiện chủ yếu do nhiệt độ giảm hơn buổi sáng vì không có bức xạ nhiệt.
Bảng 3. 5. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy mẫu trường hợp buổi chiều
Tọa độ Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) Đánh giá Tọa độ Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) Đánh giá
(0,5;0,5;2) 301,164 0,483 -1,5 Không Đạt (-0,5;2;3) 300,838 1,196 -7,53 Không Đạt (-2,5;0,5;2,5) 301,889 0,396 -0,079 Không Đạt (-2,5;2;2,5) 302,77 0,269 1,818 Không Đạt (-2;0,5;0,5) 302,844 0,178 2,62 Không Đạt (-1,5;2;-0,7) 302,401 0,232 1,745 Không Đạt (-3;2;-2,5) 301,698 0,138 1,794 Không Đạt (-2,5;1;-2,5) 301,532 0,224 0,94 Đạt (1;1,5;-3,5) 301,059 0,8 -4,141 Không Đạt (2;0,5;-1,5) 300,929 0,793 -4,215 Không Đạt
(0,5;0,5;2) 300,24 0,453 -2,184 Không Đạt (-0,5;2;3) 300,261 1,21 -8,219 Không Đạt (-2,5;0,5;2,5) 300,407 0,393 -1,537 Không Đạt (-2,5;2;2,5) 300,387 0,267 -0,549 Đạt (-2;0,5;0,5) 300,208 0,189 -0,104 Đạt (-1,5;2;-0,7) 300,2 0,241 -0,528 Đạt (-3;2;-2,5) 300,165 0,14 0,245 Đạt (-2,5;1;-2,5) 300,118 0,223 -0,466 Đạt (1;1,5;-3,5) 300,181 0,803 -5,043 Không Đạt (2;0,5;-1,5) 300,193 0,802 -5,023 Không Đạt
3.1.5.3. Trường hợp buổi tối
Dựa theo kết quả bảng 3.6, vào buổi tối có tới 90% số điểm khảo sát đạt tiêu chuẩn về mức độ thoải mái. Kết quả này khá tốt và đạt tiêu chuẩn thoải mái trong phòng.
Bảng 3. 6. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy mẫu trường hợp buổi tối
Tọa độ Nhiệt độ (K) Vận tốc (m/s) (EDT) Đánh giá
(0,5;0,5;2) 300,188 0,292 -0,948 Đạt (-0,5;2;3) 300,202 0,129 0,37 Đạt (-2,5;0,5;2,5) 300,739 0,193 0,395 Đạt (-2,5;2;2,5) 300,403 0,078 0,979 Đạt (-2;0,5;0,5) 300,166 0,226 -0,442 Đạt (-1,5;2;-0,7) 300,27 0,31 -1,01 Đạt (-3;2;-2,5) 300,174 0,179 -0,058 Đạt (-2,5;1;-2,5) 300,2 0,148 0,216 Đạt (1;1,5;-3,5) 299,927 0,092 0,391 Đạt (2;0,5;-1,5) 300,355 0,039 1,243 Không Đạt
3.1.6. Kết luận
Đối với bài toán mô hình thực tế còn nhiều vấn đề cần được khắc phục. Từ các kết quả mô phỏng và tính toán ta đưa ra các biện pháp sau:
- Vào buổi sáng và buổi chiều, vận tốc gió của căn hộ khá lớn là vấn đề cần được giải quyết. Để khắc phục vấn đề này ta có thể đóng bớt các cửa không cần thiết như cửa phòng ngủ. Bố trí thêm 1 khe thông gió ở phía phòng ngủ để giảm bớt vận tốc gió ở cửa ra. Đồng thời làm cho dòng không khí lưu thông tốt hơn. - Về nhiệt độ, nhiệt độ cao chủ yếu vào buổi sáng do có bức xạ mặt trời và sự tỏa