CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHAI THÁC THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG NHÀ Ở CAO TẦNG HƯỚNG ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG - PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG
1.6. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống lý thuyết cơ bản về TG nói chung, TGTN trong kiến trúc, đã được hình thành và phát triển. TGTN, với việc sử dụng nguồn lực tự nhiên (năng lượng gió, sức đẩy nổi của không khí), là một trong những giải pháp cơ bản nhất để hướng đến hạn chế sử dụng các nguồn năng lượng, thân thiện môi trường và sự PTBV cho công trình kiến trúc.
Đến thế kỷ XVIII, TG mới trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và trở thành một ngành chuyên môn riêng biệt. Kỹ thuật về TG trong công trình được các nhà khoa học Việt Nam bắt đầu nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ XX. Nội dung tài liệu được các tác giả trong nước xuất bản chủ yếu là hệ thống hóa các lý thuyết về TG do các nhà khoa học Phương Tây (như: Nga, Đức, Mỹ, Pháp, …) công bố hoặc nghiên cứu đề xuất một số vấn đề liên quan mang tính đặc thù của kiến trúc - khí hậu Việt Nam.
1.6.1. Trên các bài báo khoa học, các đề tài nghiên cứu khoa học và các tham luận hội thảo khoa học
Các nghiên cứu về TGTN đã được công bố tập trung vào các nội dung sau:
Lý thuyết cơ bản về thông gió tự nhiên
- Đặc điểm và các ảnh hưởng của gió đến công trình, tác dụng của TGTN đối với vi khí hậu trong nhà (nhiệt độ, TNN, TKNL, …), …
- Các hình thức TGTN trong công trình, các công thức tính toán lưu lượng TG, phương pháp tính toán TGTN, … [6], [13], [18], [22], [41].
Các mô hình trong nghiên cứu thông gió tự nhiên
- Các mô hình trong nghiên cứu TGTN và đánh giá so sánh các mô hình này: Mô hình phân tích; Mô hình kinh nghiệm; Mô hình thí nghiệm (mô hình thí nghiệm tỷ lệ nhỏ và mô hình thí nghiệm tỷ lệ thực); Mô hình đa vùng; Mô hình vùng; Mô hình lưới;
Mô hình Computational Fluid Dynamics (CFD); …
- Sử dụng các cách tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu TGTN cho các loại hình công trình kiến trúc.
- Thiết lập các phương pháp đánh giá TGTN cho công trình, như: kết hợp mô hình CFD với mô hình kết hợp nhiệt và dòng khí, CFD với mô hình thí nghiệm trên tỷ lệ thực, mô hình CFD với thực nghiệm trên ống khí động, …
- Các phần mềm sử dụng trong nghiên cứu TGTN theo các mô hình: AIOLOS (mô hình lưới); Fluent 5.5, CFX-4 (mô hình CFD); …
[13], [41], [45], [49], [50], [52], [58], [61], [64], [92].
Các giải pháp thiết kế và tiêu chuẩn của thông gió tự nhiên
- Giải pháp về quy hoạch: lựa chọn địa điểm xây dựng, vị trí, hướng, hình dạng công trình, điều kiện địa hình cảnh quan, …
- Giải pháp thiết kế kiến trúc công trình nhằm khai thác TGTN trong công trình:
hình dáng của VBC công trình, mái; chức năng và vị trí của các không gian chức năng;
vị trí và kích thước các cửa TG, TG với sân trong, sử dụng không gian thông tầng để TG; tháp gió; TG cho gác mái; …
- Các chiến lược TGTN (TG ban ngày, TG ban đêm, TG ngày và đêm) ứng với các điều kiện địa lý, khí hậu khác nhau (như: khí hậu nóng ẩm của Singapore, Malaysia,…)
- Các giải pháp kỹ thuật cho TGTN: Kỹ thuật TG trong kiến trúc truyền thống (sử dụng tháp gió - wind towers, chụp gió - wind catchers, hệ thống dẫn và làm mát không khí trong lòng đất, …); các thiết bị hay công nghệ vận hành nhằm tăng cường TGTN cho công trình ở những điều kiện khí hậu cụ thể (tuabin TG đỉnh mái, các công nghệ điều khiển trong quá trình vận hành khai thác TGTN trong công trình, kết hợp TGTN và hệ thống điều hòa không khí tùy theo từng thời điểm trong năm, hệ thống vận hành - điều khiển TGTN sử dụng các cảm biến về: nhiệt độ, CO2, chất lượng không khí, hướng và tốc độ gió, mưa, bảo vệ cửa sổ, chống bức xạ, độ ẩm, …; sử dụng mô hình nhiệt mặt trời (The Solar thermal model); hình khối dạng rỗ (có các khoảng rỗng cho không khí đi qua); …
- Các tiêu chuẩn về thiết kế TGTN trong công trình của các quốc gia.
[13], [18], [22], [41], [47], [55], [58], [59], [61], [70], [80], [81], [82], [96], [103], [105].
Ứng dụng thông gió tự nhiên tại các loại hình kiến trúc nhà ở
- Khả năng áp dụng TGTN và các trường hợp ứng dụng các nguyên tắc TGTN cho công trình thực tế tại các vùng khí hậu khác nhau. Cụ thể: nhà ở đơn lẻ (tại Bồ Đào
Nha, Bỉ, Pháp), nhà CC thấp tầng tại Ý, Ấn Độ, …; nhà ở vùng nông thôn tại Trung Quốc; nhà ở đơn lẻ tại Thái Lan; … [41], [75], [88], [101].
- Sử dụng TGTN để đảm bảo TNN, giảm tiêu thụ năng lượng cho các loại hình nhà ở đơn lẻ tại Brazil [82], nhà cao tầng (có mặt đứng 2 lớp) ở Đức [74].
- Đề xuất các giải pháp thiết kế TGTN: đề xuất chiến lược và một số giải pháp thiết kế TGTN nhằm cải thiện hiệu quả TGTN cho CC thấp tầng; chiến lược TGTN cho công trình nhà ở thấp tầng tại Hy Lạp; đề xuất các giải pháp sử dụng sân trong để cải thiện TGTN cho nhà liên kế, biệt thự; hệ thống lám mát thụ động cho các CC tại Bắc Kinh và Thượng Hải; tối ưu hóa thiết kế mặt đứng cho nhà ở được TGTN tại Singapore;
… [35], [56], [76], [80], [90], [95], [97].
- Đánh giá các phương án thiết kế đã có của các dự án nhà ở thực tế để đề xuất các phương án thiết kế chi tiết tối ưu. [13]
- Đề xuất các giải pháp thiết kế nhằm tăng cường TGTN cho NOCT: ống TG ở Bangkok [77], ở Singapore [78], …; khoảng thông tầng lấy sáng (Light wells) [69], chiến lược thiết kế nhằm tối ưu hóa TGTN cho NOCT tại Chongqing (Trung Quốc) [107], đưa ra một số nguyên tắc về mặt lý thuyết chung cho việc thiết kế đáp ứng yêu cầu NOCT trong điều kiện khí hậu thành phố Hồ Chí Minh [16]; …
1.6.2. Các luận án Tiến sĩ
- TS. Nguyễn Anh Tuấn bảo vệ Luận án tiến sĩ “Nhà ở bền vững ở Việt Nam: các chiến lược thiết kế thích ứng khí hậu nhằm tối ưu hóa tiện nghi nhiệt” tại trường Đại học Liege (Bỉ) vào năm 2013 [92]. Nội dung chính của Luận án gồm: (1) Phát triển mô hình TNN cho người Việt sống trong các công trình được TGTN; (2) Phát triển một công cụ đơn giản dùng để phân tích khí hậu trong thiết kế; (3) Phân tích hiệu năng nhiệt và TNN cho các trường hợp nghiên cứu là 3 loại hình nhà ở phổ biến (nhà liên kế, biệt thự và CC) ở 3 thành phố lớn của Việt Nam (Hà Nội, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh); (4) Đề xuất các chiến lược thiết kế thích ứng khí hậu nhằm cải thiện TNN (trong đó có trình bày một số chiến lược thiết kế nhằm tăng cường làm mát công trình bằng TGTN); (5) Đề xuất các chiến lược thiết kế thích ứng khí hậu nhằm tối ưu hóa TNN.
- TS. Phạm Thị Hải Hà bảo vệ Luận án tiến sĩ “Giải pháp kiến trúc thụ động theo phương pháp tính hiệu quả năng lượng lớp vỏ bao che nhà chung cư cao tầng tại Hà Nội” tại trường Đại học Xây dựng vào năm 2018 [14]. Nội dung chính của Luận án
gồm: (1) Đề xuất khái niệm về hệ số hiệu quả năng lượng kiến trúc lớp VBC; (2) Nghiên cứu phương pháp tính hệ số hiệu quả năng lượng kiến trúc lớp VBC của nhà CC cao tầng tại Hà Nội; (3) Các giải pháp kiến trúc thụ động trên cơ sở tính hệ số hiệu quả năng lượng kiến trúc lớp VBC (trong đó có nêu nội dung về lựa chọn hướng và hình dạng nhà bảo đảm chế độ TGTN hiệu quả cao nhất).
- TS. Abel E. Tablada De La Torre bảo vệ Luận án tiến sĩ “Hình dạng của các công trình nhà ở mới trong trung tâm lịch sử của Havana cổ hướng đến thông gió tự nhiên và tiện nghi nhiệt cho công trình” tại trường Đại học Katholieke Leuven (Bỉ) vào năm 2006 [90]. Nội dung chính của Luận án gồm: (1) Đo đạc các thông số vi khí hậu và khảo sát cảm giác nhiệt của cư dân tại 3 công trình có sân trong ở khu Havana cổ;
(2) Thực hiện mô phỏng - để so sánh - dòng không khí chuyển động và TNN trong công trình bằng các chương trình CFD và Building Energy Simulation; (3) Đề xuất những hướng dẫn thiết kế chung về hình dáng công trình và thiết kế sân trong bên nhằm tăng cường TGTN và TNN bên trong nhà ở tại khu trung tâm lịch sử của Havana cổ hoặc các thành phố có mật độ cao và những điều kiện khí hậu tương tự (khí hậu nóng ẩm) khác.
- TS. Tommy Kleiven bảo vệ Luận án tiến sĩ “Natural Ventilation in Buildings”
tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy vào năm 2003 [67]. Nội dung chính của Luận án: (1) phân tính định tính hiệu quả TGTN ở 3 công trình hiện hữu (là các công trình: cao tầng, nhiều tầng và thấp tầng - tương ứng tại Đức, Đan Mạch và Na Uy) theo các yếu tố: vị trí, môi trường xây dựng; hướng và hình dạng; mặt bằng; mặt cắt;
mặt đứng; vật liệu và đặc điểm giải pháp TG; nội thất; … (2) Nêu lên các yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả TGTN trong công trình và đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả TGTN ở: mặt đứng; mái; mặt bằng và mặt cắt; nội thất.
- TS. Atch Sreshthaputra bảo vệ Luận án tiến sĩ “Building design and operation for improving thermal comfort in naturally ventilated buildings in a hot-humid climate”
tại trường Đại học Texas A&M (Mỹ) vào năm 2003 [84]. Nội dung chính của Luận án gồm: (1) Quan trắc các thông số môi trường tại 2 ngôi chùa (có số tuổi là 100 năm và 5 năm) ở Bangkok, Thái Lan; (2) Sử dụng các chương trình HEATX và DOE-2 để mô phỏng các trường hợp nghiên cứu (ứng với các giải pháp thiết kế và chiến lược TG);
(3) Đề xuất 2 mẫu chùa dùng cho thiết kế các chùa xây mới và cải tạo các chùa hiện
hữu; (4) Đề xuất các hướng dẫn thiết kế mới hay cải tạo và quản lý vận hành các công trình được TGTN ở vùng khí hậu nóng ẩm.
1.6.3. Đánh giá chung về các công trình nghiên cứu có liên quan đề tài Qua quá trình tổng hợp một số tài liệu liên quan, NCS nhận định: chưa có luận án, luận văn, bài báo hoặc báo cáo tham luận ở trong và ngoài nước nghiên cứu về vấn đề
“Khai thác Thông gió tự nhiên trong Nhà ở cao tầng tại các đô thị Duyên hải Nam Trung Bộ hướng đến tiết kiệm năng lượng - phát triển bền vững” như đề tài Luận án.