CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.2. MỘT SỐ NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ NHẰM KHAI THÁC HIỆU QUẢ THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN CHO NHÀ Ở CAO TẦNG TẠI CÁC ĐÔ THỊ DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ
3.2.6. Giải pháp cửa cho căn hộ
Cửa trong công trình kiến trúc có chức năng giao thông, lấy sáng tự nhiên, TGTN, hiệu quả thẩm mỹ cho nội thất và ngoại thất công trình, … Trong thiết kế TGTN cho công trình, cửa có vai trò quan trọng đến đặc điểm dòng không khí vào phòng, trường gió trong phòng, lưu lượng TG, vận tốc gió vào và vận tốc gió ra.
Thiết kế cửa cho căn hộ cần xác định: số lượng và vị trí đặt cửa, hướng cửa, diện tích cửa, hình thức đóng mở, …
Cửa mặt ngoài căn hộ
Cửa mặt ngoài của căn hộ bao gồm cửa sổ và cửa đi (ra ban công). Các cửa này có chức năng đón gió vào và gió ra (trong trường hợp TG một mặt).
a. Cửa sổ
Cửa sổ trong NOCT có một số đặc điểm sau: hình thức đóng mở là cửa đẩy (có rãnh theo phương ngang hoặc phương đứng) hoặc cửa xoay (góc xoay có thể điều chỉnh và có chốt cố định cánh cửa); mở 1 cánh hoặc nhiều cánh; vị trí mở cửa theo yêu cầu sử dụng hoặc ý tưởng thiết kế.
- Đối tượng nghiên cứu: CC 12 tầng; MBTĐH có dạng hành lang giữa - mở; sử dụng căn hộ loại II; kích thước cửa sổ và các vị trí lấy giá trị vận tốc - xem Hình 3.42.
- Nghiên cứu được thực hiện trong các trường hợp:
+ 3 trường hợp góc gió đến α: 45°, 90° và 135°.
+ 4 trường hợp cửa đẩy, mở 2 cánh trên mặt bằng: 1 và 2; 2 và 3; 3 và 4; 1 và 4 (chiều cao khoảng mở: 1.125 mm; vị trí mở trên mặt cắt: 5, 6 và 7).
+ 4 trường hợp cửa đẩy, mở 2 cánh trên mặt mặt cắt: 5 và 6; 6 và 7; 7 và 8;
5 và 8 (chiều rộng khoảng mở: 600 mm; vị trí mở trên mặt bằng là 2 và 3).
+ 6 trường hợp thay đổi góc xoay của cửa sổ: 15°, 30°, 45°, 60°, 75° và 90°
(chiều rộng cánh: 600 mm tại vị trí mở 2 và 3; chiều cao cánh: 750 mm tại vị trí mở 5 và 6)
Như vậy, có 32 mô phỏng được thực hiện độc lập để thu kết quả.
Ghi chú: + 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 và 8 tương ứng các vị trí mở cửa;
+ X1X2 và X3X4: Vị trí lấy giá trị vận tốc gió trên mặt bằng (ở cao độ 1.1 m so với sàn nhà);
+ Y1Y2 và Y3Y4: Vị trí lấy giá trị vận tốc gió trên mặt cắt;
Hình 3.42: Các vị trí mở và góc xoay của cánh cửa sổ theo phương ngang (mặt bằng) và phương đứng (mặt cắt): a. Mặt đứng cửa sổ; b. Mặt bằng cửa sổ; c. Mặt cắt cửa sổ
và góc nghiên β của cánh cửa so với tiếp tuyến của mặt cửa - Chọn vận tốc gió ở cao độ 10m là 3m/s - xem bảng PL 1.2 (Phụ lục 1) - Các tiêu chí đánh giá:
+ Trường gió trên mặt bằng phòng ngủ (cao độ 1.1 m so với sàn nhà).
+ Giá trị vận tốc trung bình VTB và vận tốc cực đại VMax trên mặt bằng (tại các vị trí X1X2 và X3X4) và mặt cắt (tại các vị trí Y1Y2 và Y3Y4).
- Thực hiện mô phỏng
+ Số lượng mô phỏng được thực hiện: 32.
+ Thời gian trung bình để thực hiện 1 mô phỏng là 4.5 giờ.
- Kết quả mô phỏng:
+ Trường gió trên mặt bằng phòng ngủ, vận tốc VTB và VMax trên bề mặt cửa sổ (vị trí X1X2 và X3X4) được thể hiện ở Bảng 3.24 và Bảng 3.25. Kết quả cho thấy: trường gió và giá trị vận tốc gió thay đổi phụ thuộc vào đặc điểm căn hộ, vị trí căn hộ, góc gió đến, vị trí cửa thoát gió, vị trí mở cửa trên mặt bằng, … Giá trị vận tốc gió trung bình trong các trường hợp 1-2, 2-3 và 3-4 ở các trường hợp góc
gió đến là tương đương và đều cao hơn vận tốc gió trung bình trong trường hợp 1-4. Giá trị vận tốc cực đại trong các trường hợp có sự chênh lệch không nhiều.
Khi bố trí cửa phân tán, như trường hợp 1-4, sẽ cho trường gió đều, vận tốc gió trung bình thấp. Vì vậy, đối với NOCT, ở các độ cao lớn và vận tốc gió lớn, nên sử dụng giải pháp bố trí cửa trên mặt bằng là phân tán.
Bảng 3.24: Trường gió trong các trường hợp cửa sổ đẩy, mở 2 cánh trên mặt bằng
α Vị trí mở cửa
1 và 2 2 và 3 3 và 4 1 và 4
45°
90°
135°
Bảng 3.25: Giá trị vận tốc gió VTB và VMax trên bề mặt cửa sổ trong các trường hợp cửa đẩy, mở 2 cánh trên mặt bằng
α
Các giá trị vận tốc (m/s)
Vị trí mở cửa
1 và 2 2 và 3 3 và 4 1 và 4
45° VTB 0.90 0.97 1.00 0.75
VMax 1.23 1.35 1.44 1.27
90° VTB 1.02 1.07 1.14 1.01
VMax 1.52 1.53 1.67 1.45
135° VTB 1.24 0.97 0.91 0.87
VMax 1.69 1.32 1.44 1.46
+ Trường gió trên mặt cắt phòng ngủ, vận tốc VTB và VMax trên bề mặt cửa sổ (vị trí Y1Y2 và Y3Y4) được thể hiện ở Bảng 3.26 và Bảng 3.27. Kết quả cho thấy: các giá trị về vận tốc gió trung bình và vận tốc gió cực đại trong các trường hợp nghiên cứu là tương đương. Theo kết quả trường gió trên mặt cắt, khi thiết kế NOCT nên chọn ở vị trí thấp (vị trí 5 và 6) để có hiệu quả đối với người sử dụng trong phòng và chọn cách bố trí phân tán (vị trí 5 và 8) để tạo trường gió đều cho phòng.
Bảng 3.26: Trường gió trong các trường hợp cửa sổ đẩy, mở 2 cánh trên mặt cắt
α Vị trí mở cửa trên mặt cắt
5 và 6 6 và 7 7 và 8 5 và 8
90°
Bảng 3.27: Giá trị vận tốc gió VTB và VMax trên bề mặt cửa sổ trong các trường hợp cửa đẩy, mở 2 cánh trên mặt cắt
STT Các giá trị vận tốc (m/s)
Vị trí mở cửa trên mặt cắt
5 và 6 6 và 7 7 và 8 5 và 8
1 VTB 1.31 1.40 1.42 1.39
2 VMax 1.78 1.85 1.88 1.90
+ Trường gió trên mặt cắt phòng ngủ, vận tốc VTB và VMax trên bề mặt cửa sổ (vị trí Y1Y2) trong các trường hợp góc xoay β được thể hiện ở Bảng 3.28 và Bảng 3.29. Các kết quả cho thấy, khi thiết kế NOCT góc xoay của cánh cửa nên chọn từ 45° đến 75°; nên lấy giá trị là thấp nhất có thể (45°). Khi thiết kế cần lưu ý khả năng chịu tải trọng gió của cánh cửa và tay chống, đặc biệt là các cửa nằm ở các tầng cao có vận tốc gió ngoài nhà lớn.
Bảng 3.28: Trường gió trên mặt cắt phòng ngủ trong các trường hợp góc xoay β Trường
gió
Góc xoay β của cánh cửa
15° 30° 45°
Mặt cắtMặt bằng
Trường gió
Góc xoay β của cánh cửa
60° 75° 90°
Mặt cắtMặt bằng
Bảng 3.29: Giá trị vận tốc gió VTB và VMax trong các trường hợp góc xoay β STT Các giá trị vận tốc
(m/s)
Góc xoay β của cánh cửa trên mặt cắt
15° 30° 45° 60° 75° 90°
1 VTB 0.79 1.33 1.50 1.48 1.46 1.38
2 VMax 1.07 1.74 1.90 1.96 1.97 1.79
b. Cửa đi
Cửa đi ra ban công thường được thiết kế dạng cửa đẩy, mở 1 hoặc 2 cánh, với các vị trí mở ở biên hoặc giữa - xem Hình 3.43.
- Đối tượng nghiên cứu: CC 12 tầng: MBTĐH có dạng hành lang giữa - mở; sử dụng căn hộ loại II; kích thước cửa đi và các vị trí lấy giá trị vận tốc - xem Hình 3.43.
Ghi chú: + 1, 2, 3 và 4 tương ứng các vị trí mở cửa;
+ X5X6 và X7X8: vị trí lấy giá trị vận tốc gió trên mặt bằng (ở cao độ 1.1 m so với sàn nhà);
Hình 3.43: Các vị trí mở của cửa đi trong nghiên cứu
a. Mặt đứng cửa đi; b. Mở cửa tại 2 cánh liền nhau; c. Mở 2 cánh tách rời.
- Nghiên cứu được thực hiện trong các trường hợp:
+ 3 trường hợp góc gió đến α: 45°, 90° và 135°.
+ 4 trường hợp cửa mở 2 cánh: 1 và 2; 2 và 3; 3 và 4; 1 và 4.
+ 4 trường hợp cửa mở 1 cánh: 1; 2; 3 và 4.
Như vậy, có 24 mô phỏng được thực hiện độc lập để thu kết quả.
- Chọn vận tốc gió ở cao độ 10m là 3m/s - xem bảng PL 1.2 (Phụ lục 1) - Các tiêu chí đánh giá:
+ Trường gió trên mặt bằng phòng khách (cao độ 1.1 m so với sàn nhà).
+ Giá trị vận tốc trung bình VTB và cực đại VMax trên đoạn X5X6 và X7X7. - Thực hiện mô phỏng: số lượng mô phỏng được thực hiện: 24; Thời gian trung bình để thực hiện 1 mô phỏng là 4.5 giờ.
- Kết quả mô phỏng
+ Trường gió trên mặt bằng phòng khách và các giá trị vận tốc trong hợp cửa đi mở 2 cánh được thể hiện trong Bảng 3.30 và Bảng 3.31. Kết quả cho thấy: đặc điểm trường gió phụ thuộc vào góc gió đến và vị trí mở cửa; trong các trường hợp bố trí cửa tập trung ở giữa (vị trí 2 và 3) và phân tán (vị trí 1 và 4); phòng khách sẽ có trường gió đều; VTB trên đoạn X5X6 và X7X8 trong các trường hợp gió đến là tương đương; VMax trên đoạn X5X6 và X7X8 trong các trường hợp phụ thuộc vào vị trí cửa so với hướng gió thổi đến; khi mở cửa ở vị trí 1 và 4 sẽ có vận tốc cực đại (hoặc tương đương) thổi vào nhà.
+ Trường gió trên mặt bằng phòng khách và các giá trị vận tốc trong hợp cửa đi mở 1 cánh được thể hiện trong Bảng 3.32 và Bảng 3.33. Kết quả cho thấy: đặc điểm trường gió phụ thuộc vào góc gió đến và vị trí mở cửa; trong các trường hợp bố trí cửa, trường gió trong phòng khách gần như tương đồng; việc lựa chọn vị trí mở sẽ phụ thuộc vảo việc bố trí vật dụng nội thất và đường giao thông trong phòng;
VTB trên đoạn X5X6 và X7X8 trong các trường hợp gió đến là tương đương. VTB
trên đoạn X5X6 và X7X8 trong các trường hợp phụ thuộc vào vị trí cửa so với hướng gió thổi đến. Trong các trường hợp nghiên cứu, khi mở cửa ở vị trí 1 và 4 sẽ có vận tốc cực đại thổi vào nhà.
Đề xuất giải pháp bố trí cửa đi trong NOCT:
- Mở 1 cánh: bố trí ở vị trí biên của phòng.
- Mở nhiều cánh: tập trung vào vị trí giữa hoặc phân tán đều về 2 biên của cửa.
Bảng 3.30: Trường gió trên mặt bằng trong trường hợp vị trí cửa đi mở 2 cánh
α Vị trí mở cửa
1 và 2 2 và 3 3 và 4 1 và 4
45°
90°
135°
Bảng 3.31: Giá trị vận tốc gió VTB và VMax trong các trường hợp cửa đi mở 2 cánh α Các giá trị vận tốc
(m/s)
Vị trí mở cửa
1 và 2 2 và 3 3 và 4 1 và 4
45° VTB 1.06 1.15 1.25 1.03
VMax 1.33 1.44 1.69 1.68
90° VTB 1.67 1.62 1.64 1.63
VMax 1.96 2.00 2.06 2.26
135° VTB 1.01 0.95 0.87 0.84
VMax 1.31 1.25 1.11 1.33
Bảng 3.32: Trường gió trên mặt bằng trong trường hợp vị trí cửa đi mở 1 cánh
α Vị trí mở cửa
1 2 3 4
45°
90°
135°
Bảng 3.33: Giá trị vận tốc gió VTB và VMax trong các trường hợp cửa đi mở 1 cánh α Các giá trị vận tốc
(m/s)
Vị trí mở cửa
1 2 3 4
45° VTB 0.95 1.08 1.15 1.19
VMax 1.36 1.48 1.60 1.71
90° VTB 1.81 1.49 1.54 1.68
VMax 2.36 2.09 2.15 2.44
135° VTB 0.93 0.94 0.87 0.83
VMax 1.35 1.34 1.21 1.16
c. Diện tích cửa lấy gió
Trong trường hợp TG xuyên phòng, với giả định dòng không khí không nén, lưu lượng TG do áp lực khí động được xác định bằng công thức: G = Ai 𝑣 (9)
Trong đó: + 𝑣: là vận tốc gió vào trung bình trên bề mặt cửa (m/s).
+ Ai: là diện tích của cửa được mở để đón gió (m2) [91]
Khi G không đổi, theo công thức (9) sự biến thiên của 𝑣 tỷ lệ nghịch với sự biến thiên của Ai. 𝑣 biến thiên khi vận tốc gió Vv (tại các điểm trên bề mặt cửa) biến thiên.
Đối với NOCT, vận tốc gió Vv biến thiên theo quy luật hàm mũ và độ chênh lệch giá trị Vv giữa các tầng là khá lớn. Vì vậy trong thiết kế cửa cần có sự thay đổi Ai - cụ thể là diện tích phần cửa lấy gió - theo sự thay đổi chiều cao công trình.
Ai phụ thuộc vào một số yếu tố như: yêu cầu chiếu sáng tự nhiên, che nắng, chống ồn, ý tưởng thiết kế hình khối kiến trúc công trình. Ai thay đổi diện tích theo từng nhóm tầng - đề xuất là mỗi nhóm gồm 5 tầng (xấp xỉ 16m). Như vậy với nhà cao 40 tầng sẽ có 8 lần thay đổi diện tích cửa ở các nhóm tầng N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7 và N8. Vị trí, chiều cao và vận tốc trung bình ở các nhóm tầng - xem Bảng 3.34.
Diện tích cửa của các nhóm tầng N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7 và N8 lầnlượt là A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7 và A8. Lấy diện tích A1 làm cơ sở, diện tích tương đối (so với A1) của các nhóm tầng tiếp theo được tổng hợp trong Bảng 3.35.
Bảng 3.34: Vận tốc gió trung bình trên từng nhóm tầng- vận tốc tham chiếu là 3m/s
STT Nhóm tầng N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
1
Vị trí tầng:
(Tn: Tầng thứ n)
T1
đến T5
T6
đến T10
T11
đến T15
T16
đến T20
T21
đến T25
T26
đến T30
T31
đến T35
T36
đến T40
2 Chiều cao (m)
0 m đến 20 m
21 m đến 36 m
37 m đến 52 m
53 m đến 68 m
69 m đến 84 m
85 m đến 100 m
101 m đến 116 m
117 m đến 132 m 3 VTB (m/s) 2.05 2.69 2.98 3.19 3.36 3.50 3.63 3.74
Bảng 3.35: Diện tích cửa lấy gió - so với A1 -của các nhóm tầng trong NOCT
STT Nhóm tầng N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
1 Ký hiệu diện tích A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
2 Vận tốc gió trung bình tương
đối so với vận tốc của N1 100% 131% 145% 155% 164% 171% 177% 182%
3 Diện tích cửa tương đối so
với S1 100 % 76% 69% 64% 61% 59% 57% 55%
Cửa bên trong căn hộ
Cửa bên trong căn hộ gồm cửa đi và cửa sổ, có chức năng là cửa thoát gió hoặc cửa đón gió vào (đối với các phòng chức năng không được TG trực tiếp).
a. Vị trí cửa:
Vị trí và kích thước các cửa bên trong căn hộ phụ thuộc yêu cầu thiết kế.
Khi thiết kế cửa bên trong căn hộ cần chú ý:
- Vị trí tương đối của cửa thoát gió so với cửa gió vào có tác dụng tạo nên trường gió trong phòng (hướng dòng không khí khi đi xuyên qua phòng) và ảnh hưởng đến vận tốc gió trong phòng.
- Khi dòng không khí xuyên suốt thì vận tốc dòng không khí sẽ cao hơn trong trường hợp dòng không khí phải chuyển động quanh co.
- Trường gió trong phòng trong một số trường hợp vị trí cửa gió vào và gió ra thông dụng - xem Hình 3.44 và Bảng 3.36.
Ghi chú:
- Kích thước phòng: 4 m x 4 m; cao 3.6m;
tường dày 200mm;
- Kích thước cửa: 800mm x 2200mm;
- V1 và V2: Cửa đón gió vào đặt ở vị trí số 1 và số 2 của phòng;
- R1, R2,…, R9: Cửa cho gió thoát ra đặt ở vị trí số 1, 2, …, 9 của phòng.
Hình 3.44: Vị trí của các cửa gió vào phòng và các cửa gió ra khỏi phòng Bảng 3.36: Trường gió trong phòng trong các trường hợp vị trí tương đối của cửa gió
vào và gió ra
Vị trí cửa Vào 1 - Ra 1 Vào 1 - Ra 2 Vào 1 - Ra 3 Trường
gió
Vị trí cửa Vào 1 - Ra 4 Vào 1 - Ra 5 Vào 1 - Ra 6 Trường
gió
Vị trí cửa Vào 1 - Ra 7 Vào 1 - Ra 8 Vào 1 - Ra 9 Trường
gió
Vị trí cửa Vào 2 - Ra 1 Vào 2 - Ra 2 Vào 2 - Ra 3 Trường
gió
Vị trí cửa Vào 2 - Ra 4 Vào 2 - Ra 5
Trường gió
b. Diện tích cửa:
Diện tích của cửa ảnh hưởng đến lưu lượng TG trong phòng, vận tốc dòng không khí xuyên qua phòng. Trong thiết kế, diện tích cửa thoát gió được tính toán để điều tiết trường gió và vận tốc gió trong phòng:
- Với diện tích cửa gió vào không đổi, để trường gió trong phòng rộng cần tăng diện tích cửa ra.
- Để vận tốc gió xuyên phòng lớn cần giảm diện tích cửa gió ra.
c. Định hướng thiết kế một số loại cửa trong căn hộ:
- Cửa chính (ra vào căn hộ) có vai trò tạo sự ngăn cách giữa không gian công cộng trong CC (hành lang, sảnh tầng, …) với không gian riêng tư của căn hộ. Trong trường hợp căn hộ không có cửa sổ mở ra giếng trời hoặc hành lang, cửa chính là cửa có ảnh hưởng quyết định đến giải pháp TG cho căn hộ là TG một mặt (khi đóng cửa) hay TG xuyên phòng (khi mở cửa). Vì vậy, cửa chính nên có cấu tạo 2 lớp, gồm: lớp thứ nhất - cửa thoáng (bằng lá sách, khung hoa sắt, …) và lớp thứ hai - kín (bằng pano gỗ, thép, kính, …). Các lớp cửa được đóng mở một cách linh hoạt theo mục đích sử dụng để tạo sự TG xuyên phòng cho căn hộ.
- Các cửa sổ hướng ra giếng trời hoặc ra hành lang là cửa có vai trò thoát gió ra khi giải pháp TG trong phòng là do áp lực khí động hoặc do chênh lệch nhiệt độ. Các cửa này nên có cấu tạo 2 lớp như cửa chính để linh hoạt trong sử dụng và khai thác hiệu quả TGTN cho căn hộ.
- Các cửa trên các vách ngăn giữa các phòng cần bố trí hợp lý để đón gió vào, điều tiết trường gió và vận tốc gió trong phòng, … dựa vào các kết quả nghiên cứu được thể hiện ở mục 3.2.6.1 và 3.2.6.2.