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
1.3. THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG CÔNG TRÌNH
1.3.2. Thông gió tự nhiên trong công trình
TGTN là hiện tượng chuyển động của khối không khí trong công trình dưới tác dụng của các lực tự nhiên như áp lực của gió hoặc áp lực nhiệt của không khí.
Gió và sự biến thiên vận tốc gió theo chiều cao a. Đặc điểm của gió ở lớp biên khí quyển:
Gió là một hiện tượng vật lý có sự thay đổi liên tục và không theo qui luật. Đặc điểm ngẫu nhiên đó của gió là do chuyển động rối (turbulence) của các phần tử không khí. Ở lớp biên khí quyển, các vật cản trên bề mặt trái đất và các luồng gió do hiệu ứng đẩy nổi của nhiệt tạo nên chuyển động rối. Càng lên cao, độ rối càng giảm.
Vận tốc gió tức thời v tại một thời điểm (t) được xác định bằng công thức:
v(t) = 𝑣 + v’(t) (1) Trong đó: 𝑣 : giá trị vận tốc trung bình.
v’(t) : đại lượng biến thiên của gió [41].
Giá trị vận tốc gió thay đổi theo chiều cao và được xác định theo quy luật hàm logarit hoặc hàm số mũ. Độ cao, mà từ đó vận tốc gió không thay đổi, gọi là độ cao Gradient - ký hiệu HG. HG phụ thuộc vào đặc điểm của địa hình - xem Hình 1.1.
Hình 1.1. Sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao của các dạng địa hình [87]
Vận tốc gió VH tại độ cao H (m) được xác định theo công thức:
az a
z
H z
z
V V H H
(2) Trong đó: + VH là vận tốc gió ở cao độ H (m)
+ Vz là vận tốc gió ở cao độ tham chiếu Hz + δ: chiều dày lớp biên khí quyển.
+ a: hệ số mũ (được xác định bằng thực nghiệm) [44].
(Xem Phụ lục 1)
b. Đặc điểm luồng gió xung quanh công trình:
Khi thổi đến công trình, gió sẽ bị phân tán tại các cạnh của của công trình tạo nên các vùng đón gió có áp lực dương (+), vùng quẩn gió có áp lực âm (-). Hình 1.2 thể hiện đặc điểm luồng gió khi thổi đến một công trình có dạng khối hộp chữ nhật.
Các hình thức thông gió tự nhiên
a. TG nhờ áp lực khí động (wind driven ventilation):
Chuyển động của khối không khí được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa mặt đón gió (áp lực +) và mặt khuất gió (áp lực -). Khi gió thổi đến công trình sẽ tạo ra áp lực gió dương (+) trên mặt đón gió và áp lực gió âm (-) trên mặt khuất gió của công trình. Nếu trên các bề mặt công trình có khoảng mở (cửa, khe hở, …), theo nguyên lý cân bằng áp suất, gió sẽ đi xuyên qua.
Hình 1.2. Đặc điểm luồng gió khi thổi đến công trình [44]
Đặc trưng cho độ lớn áp lực gió (do gió thổi đến gây ra tại các điểm trên bề mặt công trình) là hệ số áp lực gió (wind pressure coefficient) Cp. Cp phụ thuộc vào vị trí của cửa (trên phương đứng và phương ngang của công trình), góc gió đến, tương quan kích thước công trình. Cp được xác định bằng thực nghiệm trên ống khí động hoặc mô phỏng [112].
Lưu lượng TG Gw do áp lực khí động - trong trường hợp TG xuyên phòng - phụ thuộc vào diện tích cửa và độ chênh áp suất ΔPw.
Δ𝑃𝑤 =12𝜌0𝑣2Δ𝐶𝑝 (3)
Trong đó: 𝜌0: khối lượng riêng của không khí (kg/m3) 𝑣 : vận tốc gió đến (m/s)
Δ𝐶𝑝 = Cpi - Cpo (với Cpi, Cpo là hệ số áp lực gió vào và ra) [112].
b. TG nhờ áp lực nhiệt (stack ventilation, buoyancy driven ventilation):
Chuyển động của khối không khí được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài công trình; không khí ở nơi có nhiệt độ cao (+) sẽ chuyển động lên cao và không khí ở nơi có nhiệt độ thấp (-) hơn tràn vào chiếm chỗ.
Lưu lượng TG Gb - do áp lực nhiệt - phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ, diện tích cửa, vật cản và độ chênh lệch áp suất ΔPb.
Δ𝑃𝑏 = 𝜌0𝑔∆𝑇𝑇
𝑖 ∆𝐻 (4)
Trong đó: g: gia tốc trọng trường
ΔH: Khoảng cách theo phương đứng của cửa trên và cửa dưới ΔT = Ti - To (với Ti, To là nhiệt độ trong và ngoài nhà) [112].
Trong các công trình dân dụng được TGTN, độ chênh lệch về nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài nhà là nhỏ. Vì vậy, hiệu quả TG nhờ chênh lệch nhiệt độ trong công trình là không đáng kể.
Vai trò của thông gió tự nhiên
- Tăng lưu lượng không khí trao đổi giữa trong và ngoài nhà nhằm tạo tiện nghi vi khí hậu tốt cho người sử dụng (giảm nhiệt độ; thải các chất khí độc hại, bụi, vi trùng, hơi nước; …)
- TKNL dùng cho các thiết bị TG, làm mát, làm sạch không khí.
- Tăng tốc độ chuyển động của khối không khí trong ngoài nhà, nhằm tăng cường trao đổi nhiệt bằng đối lưu, bốc hơi mồ hôi, …
- Hạn chế gió thổi vào phòng khi điều kiện không khí ngoài nhà không đảm bảo.
- Tăng tỷ lệ diện tích trong phòng có gió thổi qua.
- Tạo môi trường thân thiện với con người. Hạn chế các bệnh gây ra do thường xuyên sử dụng máy điều hòa không khí.
Một số rào cản đối với thiết kế thông gió tự nhiên trong công trình Thiết kế TGTN và khai thác TGTN cho các công trình mang lại rất nhiều ưu điểm.
Trong đó, ưu điểm lớn nhất của TGTN là khả năng TKNL và thân thiện với môi trường.
Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trong trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng, cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm môi trường và xu hướng PTBV hiện nay trên thế giới. Tuy nhiên, việc áp dụng các giải pháp thiết kế TGTN cho các công trình kiến trúc còn nhiều khó khăn và hạn chế.
a. Các khó khăn và hạn chế trong quá trình vận hành công trình
Công trình kiến trúc có áp dụng các giải pháp TGTN có thể tồn tại một số khó khăn và hạn chế sau: sự thâm nhập của các yếu tố bất lợi (loại động vật, côn trùng, sâu bọ, mưa tạt, tiếng ồn, bụi, khói, các chất độc hại, mùi, …); BXMT chiếu vào làm nóng không khí và các vật dụng trong nhà; gây ra gió lùa trong nhà; nhận thức về ý nghĩa và vai trò của TGTN trong công trình của một bộ phận người dân còn hạn chế; …
b. Các khó khăn và hạn chế trong quá trình thiết kế công trình
Một số khó khăn và hạn chế trong quá trình thiết kế công trình TGTN, như: một số nguyên tắc thiết kế ảnh hưởng đến giải pháp TGTN trong công trình (nguyên tắc thiết kế phòng cháy - khói, âm học trong kiến trúc - ngăn chặn tiếng ồn bên ngoài truyền
vào nhà); sự không thống nhất giữa giải pháp vận hành hệ thống TGTN hợp lý của người sử dụng với giải pháp của người thiết kế ở từng thời điểm khác nhau; những giải pháp hay thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu về che nắng, sự riêng tư và ánh sáng ban ngày có khả năng hạn chế sự TGTN trong công trình; việc thiết kế ra một hệ thống TGTN vận hành tối ưu, ít phụ thuộc vào yếu tố người sử dụng, gặp khó khăn do sự thiếu thiện chí của chủ đầu tư và người sử dụng công trình; thiếu các công cụ thiết kế có tính pháp lý và hiệu quả cho TGTN.
c. Các khó khăn và hạn chế khác
- Các yêu cầu thiết kế về vỏ bao che (VBC) của TGTN có thể mâu thuẫn (gây xung đột) với ý tưởng thiết kế tổng thể của công trình.
- TGTN phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện môi trường bên ngoài, và rất khó khăn trong kiểm soát điều kiện môi trường trong nhà (độ ẩm, kiểm soát tiếng ồn, kiểm soát chất lượng không khí, thu hồi nhiệt, vấn đề an ninh, mưa tạt, …). Điều này dẫn đến nhiều rủi ro cho người thiết kế trong việc kiểm soát điều kiện không khí trong nhà và khó mang lại sự hài lòng cho khách hàng. Vì vậy, giải pháp thiết kế TG cơ khí thường được chọn do dễ thiết kế, hạn chế rủi ro cho người thiết kế và là giải pháp chủ động trong kiểm soát điều kiện môi trường trong nhà.
- Thiết kế một công trình được TGTN đòi hỏi nhiều công sức của người thiết kế hơn là TG nhân tạo [6], [13], [41].
1.4. TIỆN NGHI NHIỆT TRONG CÔNG TRÌNH