Phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong không gian căn hộ bằng chương trình phân tích số
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.18 MB, 75 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN
PHAN VI KHA
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN
TRONG KHƠNG GIAN CĂN HỘ BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng
Mã số: 8.58.02.01
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Nguyên
Long An– 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN
PHAN VI KHA
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN
TRONG KHƠNG GIAN CĂN HỘ BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng
Mã số: 8.58.02.01
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Nguyên
Long An– 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.Các số liệu,
và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong các tạp chí khoa
học và cơng trình nào khác.
Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ
ràng./.
Tác giả
Phan Vi Kha
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề cương luận văn này, ngồi sự cố gắng và nỗ lực của bản thân,
tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của tập thể và các cá nhân. Tơi xin tỏ lịng biết ơn
đến Thầy PGS.TS.Trương Tích Thiện, Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp tơi hệ
thống hóa lại kiến thức, bản than khám phá thêm nhiều điều mới trong quá trình
nghiên cứu luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cơ Phịng Sau đại học và Quan hệ Quốc tế
trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi trong q
trình học và nghiên cứu khóa học tại đây.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản
thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong Q Thầy Cơ chỉ dẫn
thêm để tơi bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả
Phan Vi Kha
iii
TĨM TẮT
Khơng khí là mơi trường mà con người ln phải sống, làm việc và nghỉ ngơi
trong đó. Để đảm bảo được sức khoẻ và nâng cao hiệu suất làm việc của con người thì
cần có một hệ thống thơng gió tốt. Trong đó, phương pháp thơng gió tự nhiên vừa có
khả năng cung cấp chất lượng khơng khí tốt trong nhà và thoải mái về nhiệt, đồng thời
còn giảm chi phí cho việc sử dụng năng lượng khá đáng kể đã trở thành một trong
những chiến lược bền vững và quan trọng trong việc thiết kế xây dựng và thu hút được
sự quan tâm của các nhà đầu tư.
Ba phương pháp có thể sử dụng trong nghiên cứu thơng gió tự nhiên: thực
nghiệm, lý thuyết thuần t và tính toán động lực học lưu chất (CFD). Phương pháp
thực nghiệm địi hỏi phải phải có chi phí cao, phương pháp giải tích địi hỏi mơ hình
phải đơn giản để thỏa mãn các điều kiện của phương trình chủ đạo.CFD hiện nay đóng
một vai trị rất quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân tích các dịng
lưu chất. Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp CFD để phân tích q trình
thơng gió tự nhiên trong căn hộ. Ngồi điều kiện về gió, các điều kiện về nhiệt độ cũng
được xét đến trong bài toán.Chất lượng của q trình thơng gió tự nhiên được đánh giá
thơng qua tiêu chuẩn APDI.
iv
ABSTRACT
Air is an environment in which people always live, work and rest. To ensure the
health and improve the performance of people, a good ventilation system is needed. In
particular, the natural ventilation method has the ability to provide good indoor air
quality and heat comfort, while reducing the cost of using energy quite significantly
has become one of the wars. Strategic sustainability and important in construction
design and attract the attention of investors.
Three methods can be used in the study of natural ventilation: experimental,
theory and computational fluid dynamics (CFD). Experimental methods require high
costs, analytical methods require a simple model to satisfy the conditions of the
dominant equation. CFD is a popular method, widely used in the field of fluid flow
analysis. In this thesis, the author uses the CFD method to analyze the natural
ventilation process in an apartment. In addition to wind conditions, temperature
conditions are also considered in the problem. The quality of the natural ventilation
process is assessed through APDI standard.
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................................. ii
TÓM TẮT..................................................................................................................................................... iii
ABSTRACT................................................................................................................................................. iv
MỤC LỤC..................................................................................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT.................................................................................. vii
DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH........................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................................. viii
DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ................................................................................................ ix
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.......................................................................................... 1
1.1. Tính cần thiết của đề tài.............................................................................................................. 1
1.2. Các giải pháp thiết kế................................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................................................... 2
1.2.1. Mục tiêu chung....................................................................................................................... 2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể....................................................................................................................... 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................................. 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................................... 3
1.5. Câu hỏi nghiên cứu....................................................................................................................... 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................ 4
1.7. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu trước........................................................................ 4
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước:.............................................................................................. 4
1.7.2. Các nghiên cứu ở nước ngồi........................................................................................... 5
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................................... 6
2.1. Lý thuyết thơng gió tự nhiên..................................................................................................... 6
2.1.1. Khái niệm [1].......................................................................................................................... 6
2.1.2. Phân loại thơng gió tự nhiên [1]...................................................................................... 7
2.2. Lý thuyết cơ bản về khơng khí [1]........................................................................................ 11
2.2.1. Khơng khí ẩm....................................................................................................................... 11
2.2.2. Các thơng số của khơng khí ẩm..................................................................................... 12
2.2.3. Q trình hịa trộn 2 dịng khơng khí [2].................................................................... 13
2.3. Lý thuyết truyền nhiệt [2]......................................................................................................... 14
vi
2.3.1. Dẫn nhiệt qua vách phẳng................................................................................................ 14
2.3.2. Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng.................................................. 15
2.3.2.Trao đổi nhiệt bức xạ.......................................................................................................... 16
2.4. Lý thuyết về chỉ số đánh giá mức độ thoải mái của con người trong phòng
(ADPI) [5]............................................................................................................................................... 16
2.4.1. Giới thiệu............................................................................................................................... 16
2.4.2. Cách xác định chỉ số ADPI.............................................................................................. 17
2.5. Computational Fluid Dynamics – CFD [3]........................................................................ 17
2.5.1. Giới thiệu............................................................................................................................... 17
2.5.2. Phương pháp mơ hình hóa dịng lưu chất.................................................................. 18
2.5.3. Những phương trình chủ đạo của CFD [4]............................................................... 20
2.5.4. Áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn vào bài tốn CFD [4]..........................20
CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN CHO CĂN HỘ
CHUNG CƯ.............................................................................................................................................. 22
3.1. Mơ hình căn hộ chung cư SGC Nguyễn Văn Luông..................................................... 22
3.1.1. Thông tin căn hộ.................................................................................................................. 22
3.1.2. Tính tốn các thơng số điều kiện biên cho mơ hình.............................................. 24
3.1.3. Tính tốn mơ phỏng thơng gió tự nhiên cho mơ hình........................................... 30
3.1.4. Kết quả mơ phỏng............................................................................................................... 34
3.1.5. Đánh giá hiệu quả thơng gió........................................................................................... 38
3.1.6. Kết luận................................................................................................................................... 41
3.2. Mơ hình căn hộ cải tiến............................................................................................................. 41
3.2.1. Mơ hình hóa.......................................................................................................................... 41
3.2.2. Điều kiện biên...................................................................................................................... 43
3.2.3. Kết quả mô phỏng............................................................................................................... 44
3.2.4. Đánh giá hiệu quả thơng gió........................................................................................... 49
3.2.5. So sánh kết quả giữa mơ hình cải tiến và mơ hình ban đầu................................ 51
CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 53
4.1. Kết luận........................................................................................................................................... 53
4.2. Hướng phát triển.......................................................................................................................... 53
4.3. Kiến nghị......................................................................................................................................... 54
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 55
vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT
STT
1
2
3
4
DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH
STT
1
2
3
4
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thành phần của các chất trong khơng khí khơ......................................................... 11
Bảng 2.2. Bảng chọn các trị số C và n cho bài toán đối lưu tự nhiên trong không gian
rộng................................................................................................................................................................ 16
Bảng 3.1. Bảng thống kê nhiệt độ và lượng mưa trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh25
Bảng 3.2. Bảng chọn các thơng số a và b theo dạng địa hình................................................. 27
Bảng 3.3. Bảng phân bố vận tốc gió của cơng trình chung cư............................................... 28
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.................................................................................................................... 39
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.................................................................................................................. 39
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........................................................................................................................ 40
Bảng 3.7. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy
mẫu trường hợp buổi sáng – mơ hình mới..................................................................................... 49
Bảng 3.8. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy
mẫu trường hợp buổi chiều – mơ hình mới.................................................................................... 50
Bảng 3.9. Bảng thống kê và đánh giá các giá trị vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy
mẫu trường hợp buổi tối – mơ hình mới......................................................................................... 51
ix
DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1. Chung cư SGC Nguyễn Văn Lng................................................................................ 3
Hình 2.1. Hệ thống thơng gió tự nhiên trong nhà.......................................................................... 6
Hình 2.2. Hiện tượng gió lùa................................................................................................................. 7
Hình 2.3. Ngun lý thơng gió tự nhiên dưới tác dụng nhiệt thừa.......................................... 8
Hình 2.4. Thơng gió tự nhiên có tổ chức........................................................................................ 10
Hình 2.5. Thơng gió trọng lực............................................................................................................. 10
Hình 2.6. Q trình hịa trộn hai dịng khơng khí........................................................................ 14
Hình 2.7. Thể tích kiểm sốt hữu hạn.............................................................................................. 18
Hình 2.8. Phần tử lưu chất vơ cùng bé............................................................................................. 19
Hình 3.1. Mặt bằng điển hình tầng 1 và mặt bằng của căn hộ................................................ 23
Hình 3.2. Mặt trước và mặt cắt phía trước của cơng trình....................................................... 23
Hình 3.3. Mặt bên và mặt cắt bên của cơng trình........................................................................ 24
Hình 3.4. Biểu đồ hoa gió tháng 12 khảo sát tại thành phố HCM......................................... 26
Hình 3.5. Mơ hình tính tốn cho bài tốn trong ANSYS CFX............................................... 30
Hình 3.6. Mơ hình lưới của căn hộ.................................................................................................... 31
Hình 3.7. Đánh giá chất lượng lưới thơng qua chỉ số Skewness........................................... 31
Hình 3.8. Điều kiện biên cho trường hợp buổi sáng................................................................... 32
Hình 3.9. Điều kiện biên cho trường hợp buổi chiều................................................................. 33
Hình 3.10. Điều kiện biên cho trường hợp buổi tối.................................................................... 34
Hình 3.11. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi sáng.............................................. 35
Hình 3.12. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi chiều............................................ 35
Hình 3.13. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi tối.................................................. 36
Hình 3.14. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi sáng.................................................... 37
Hình 3.15. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi chiều.................................................. 37
x
Hình 3.16. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi tối........................................................ 38
Hình 3.17. Tọa độ các điểm lấy mẫu của bài tốn....................................................................... 38
Hình 3.18. Mơ hình tính tốn cho bài tốn mơ hình mới trong ANSYS CFX.................42
Hình 3.19. Mơ hình chia lưới cho bài tốn mơ hình mới.......................................................... 43
Hình 3.20. Điều kiện biên cho trường hợp buổi sáng – mơ hình mới.................................. 43
Hình 3.21. Điều kiện biên cho trường hợp buổi chiều – mơ hình mới................................ 44
Hình 3.22. Điều kiện biên cho trường hợp buổi tối – mơ hình mới..................................... 44
Hình 3.23. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi sáng – mơ hình mới...............45
Hình 3.24. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi chiều – mơ hình mới.............45
Hình 3.25. Kết quả phân bố vận tốc gió trường hợp buổi tối – mơ hình mới...................46
Hình 3.26. sánh kết quả phân bố vận tốc giữa mô hình gốc (bên trái) và mơ hình mới
(bên phải).................................................................................................................................................... 46
Hình 3.27. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi sáng – mơ hình mới.....................47
Hình 3.28. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi chiều – mơ hình mới...................47
Hình 3.29. Kết quả phân bố nhiệt độ trường hợp buổi tối – mơ hình mới.........................48
Hình 3.30. So sánh kết quả phân bố nhiệt độ giữa mơ hình gốc (bên trái) và mơ hình
mới (bên phải)........................................................................................................................................... 48
Hình 3.31. Tọa độ các điểm lấy mẫu của mơ hình mới............................................................. 49
Hình 3.32. So sánh kết quả vận tốc tại các điểm lấy mẫu của mơ hình gốc (bên trái) và
mơ hình mới (bên phải)......................................................................................................................... 51
Hình 3.33. So sánh kết quả EDT tại các điểm lấy mẫu của mơ hình gốc (bên trái) và
mơ hình mới (bên phải)......................................................................................................................... 52
1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tính cần thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là vấn đề đang được toàn nhân loại quan tâm.
Theo dự báo của Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), Việt Nam đứng
thứ 3 trong danh sách 10 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BĐKH.
Điều này lý giải cho hiện tượng nhiệt độ ngày càng tăng dần trong mơi trường
sống đơ thị Việt Nam mà điển hình là chất lượng mơi trường vi khí hậu bên
trong nhà.
Nhà cao tầng hiện nay đang là một xu hướng phát triển ở nhiều thành phố
lớn trên thế giới, đặc biệt là các thành phố ở châu Á . Tờ The Economist dẫn
chứng, riêng trong năm 2014, gần 100 tòa nhà cao trên 200 m đã được xây dựng,
tạo nên một thời kỳ bùng nổ nhà chọc trời. Mặc dù có rất nhiều tòa nhà cao tầng
nổi lên trên thế giới mỗi năm nhưng hầu hết chúng đều tiêu thụ lượng năng
lượng khổng lồ và nhiều vấn đề khiến cho không gian sống của con người trở
nên khơng thoải mái .Vì vậy việc điều hịa khơng khí và nhiệt độ trong các tòa
nhà cao tầng đang là một trong những vấn đề cần được quan tâm hiện nay.
Do vậy đề tài “PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN
TRONG KHƠNG GIAN CĂN HỘ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH
SỐ” là hết sức cấp bách và thiết thực nhằm góp phần giải quyết các vấn đề về sự
thoải mái của người ở, tiết kiệm chi phí, năng lượng trong bối cảnh thích ứng
với biến đổi khí hậu trong điều kiện như hiện nay.
1.2. Các giải pháp thiết kế
Để giải quyết vấn đề này rất nhiều giải pháp được đưa ra nhằm mục đích chống
nóng, chống ẩm, thơng thống khơng khí tạo khơng gian sống và làm việc thoải mái
cho cư dân trong các tòa nhà cao tầng. Những giải pháp mang tính khả thi cao trong
điều kiện hiện nay như:
2
-
Bố trí nhà cửa và nội thất hợp lý
-
Trồng nhiều cây xanh quanh khu vực sống, trên mái nhà để giảm nhiệt độ và
tạo khơng khí trong lành
-
Quy hoạch tổng thể và chọn hướng cơng trình (đón gió, đón nắng)
-
Thiết kế hệ thống thơng gió cơ khí (Điều hịa khơng khí, quạt thổi, hút gió, …)
-
Thiết kế hệ thống thơng gió tự nhiên
Với mức độ hiệu quả an tồn về nhiệt, tiết kiệm chi phí xây dựng, giảm thiểu
năng lượng tiêu thụ của tịa nhà, thiết kế hệ thống thơng gió tự nhiên là một trong
những giải pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề trên. Nghiên cứu này sẽ tập trung
đi sâu vào giải pháp thiết kế hệ thống thơng gió tự nhiên thơng qua việc tính tốn và
mơ phỏng vận tốc và nhiệt độ của dịng khơng khí trong nhà.Từ đó đưa ra những giải
pháp thiết kế kiến trúc cho các cơng trình nhà cao tầng.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu chung
Áp dụng phương pháp số để mơ phỏng, tính tốn q trình thơng gió tự
nhiên có kiểm sốt cho căn hộ nhà cao tầng.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
-
Tính tốn, mơ phỏng được nhiệt độ và vận tốc của dịng khơng khí trong các
cơng trình nhà cao tầng. Sử dụng các kết quả về sự phân bố nhiệt độ và vận tốc
dịng khơng khí để đánh giá mức độ thoải mái của người sống trong căn hộ.
-
Đưa ra các cải tiến cần thiết nếu mơ hình ban đầu chưa đạt hiệu quả (chưa tạo
được sự thoải mái cho người ở).
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Căn hộ trong chung cư SGC Nguyễn Văn Luông ,
Phường 11 , Quận 6 , TP HCM [13].
3
Hình 1.1. Chung cư SGC Nguyễn Văn Lng
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung mơ phịng dịng khơng khí (gió) tự nhiên trong khơng
gian căn hộ có kể đến ảnh hưởng từ nguồn nhiệt bức xạ mặt trời, nguồn nhiệt từ
các thiết bị gia dụng trong nhà.Các nguồn nhiệt này được xem là nhiệt tĩnh, đồng
thời luận văn cũng chỉ xét bài tốn cặp đơi nhiệt – lưu chất, bỏ qua sự truyền
nhiệt trong kết cấu.
1.5. Câu hỏi nghiên cứu
-
Chương trình ANSYS CFX có phù hợp với bài tốn tương tác lưu chất – nhiệt.
-
Cơ sở đánh giá tính chính xác của kết quả mơ phỏng.
-
Nguồn nhiệt được xem gần đúng là nguồn nhiệt tĩnh.
-
Lược bỏ bớt một số vật dụng trong không gian căn hộ.
4
1.6. Phương pháp nghiên cứu
-
Sử dụng các phần mềm CFD (ANSYS CFX) để mơ phỏng bài tốn đã được
cơng bố bởi các nhà khoa học để so sánh kết quả. Từ đó rút ra phương pháp
đúng để giải bài tốn thực tế.
-
Nghiên cứu các cơng trình nhà cao tầng trong thực tế, thiết lập các điều kiện
biên cho bài toán như trường nhiệt độ và vận tốc. Từ đó tiến hành mơ phỏng
tính tốn và đánh giá kết quả.
-
Các phương pháp tính tốn được sử dụng: Phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM).
1.7. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu trước
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu lý thuyết về vấn đề thơng gió tự nhiên
trong các không gian sống, nhưng các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở ý tưởng hoặc tính
tốn giải tích.
-
Năm 2016, Phạm Đức Nguyên [1,2] đã đưa ra những giải pháp thơng gió tự
nhiên có kiểm sốt bằng các hệ thống quạt hút và đẩy khơng khí trong các
khơng gian sống trong bài báo “bàn về phương pháp thiết kế kiến trúc xanh ở
Việt Nam” đăng trên tạp chí Kiến trúc. Nghiên cứu này cũng chỉ dừn/8g lại ở
việc đề xuất ra các giải pháp, do đó cần có thêm những nghiên cứu về mơ
phỏng trên máy tính cũng như các nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường cho
các trường hợp cụ thể.
-
Nguyễn Thị Thái Huyên, Lê Thị Hồng Na [3] đưa ra những phân tích thiết kế
về mặt kiến trúc phù hợp về mặt thơng gió tự nhiên trong các tòa nhà chung cư
ở TPHCM trong đề tài nghiên cứu khoa học của mình.
-
Thùy Trang [4] đã thực hiện luận văn thạc sỹ nghiên cứu về giải pháp kiến trúc
cải thiện vi khí hậu trong nhà phố tại địa bàn Tp. HCM. Trong luận văn này, tác
giả cũng có đề cập đến các giải pháp cải thiện vi khí hậu bằng thơng gió tự
nhiên.
5
1.7.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về giải pháp thơng gió tự nhiên
trong các cơng trình nhà ở.
-
Năm 2007, tổ chức y tế thế giới WHO phát hành tài liệu “ Natural Ventilation
for Infection Control in Health-Care Settings ” [5] nói về lợi ích của việc thơng
gió tự nhiên trong các cơng trình xây dựng đối với sức khỏe con người.
-
Năm 2009, Robert N. Meroney [6] đã sử dụng phương pháp tính tốn động lực
học lưu chất (CFD) để tính tốn luồng khơng khí “chảy” qua các cửa sổ hình
vng trong một khơng gian kín và so sánh kết quả tính tốn với kết quả thí
nghiệm hầm gió. Các kết quả của nghiên cứu này cho thấy phương pháp CFD
có độ tin cậy cao trong việc tính tốn các dịng khơng khí.
-
Năm 2014, Md Atiqur Rahman và Narahari. G. A[7] cũng sử dụng phương pháp
CFD để mơ phỏng q trình thơng gió tự nhiên trong các phịng học có kể đến
ảnh hưởng của nhiệt độ do đèn và cơ thể người tỏa ra. Kết quả mô phỏng cho
thấy nhiệt độ trong phịng giảm đi rõ rệt khi có sự thơng gió tự nhiên.
-
X. Zheng (2015) [8] đã thực hiện luận văn thạc sỹ nghiên cứu về cải thiện tiện
nghi nhiệt trong nhà cao tầng bằng thơng gió tự nhiên. Trong luận văn này, tác
giả cũng đi sâu vào giải pháp thơng gió tự nhiên trong các cơng trình xây dựng
thơng qua việc khảo sát ý kiến, tính tốn và mơ phỏng nhiệt độ bằng các phần
mềm CFD.
6
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết thơng gió tự nhiên
2.1.1. Khái niệm [1]
Thơng gió tự nhiên hay cịn gọi là hệ thống thơng gió thụ động là sự nghiên cứu
áp dụng sự chuyển động của luồng khơng khí bên ngồi nhà và chênh lệch áp suất
giữa các luồng khơng khí nhằm làm mát và đảm bảo thơng thống cho ngơi nhà một
cách thụ động. Hình 2.1 là ví dụ minh họa cho hệ thống thơng gió tự nhiên trong nhà.
Thơng gió tự nhiên rất quan trọng bởi vì nó có thể giúp đảm bảo cung cấp
khơng khí trong lành cho ngôi nhà mà không dùng các thiết bị quạt.Với các vùng khí
hậu nóng và ấm áp, nó có thể đáp ứng được nhu cầu làm mát của cơng trình mà khơng
phải dùng đến các hệ thống điều hịa nhiệt độ cơ khí.Lượng năng lượng tiết kiệm được
từ hệ thống này có thể đóng một phần rất lớn vào tổng năng lượng tiêu thụ của tịa nhà.
Việc thơng gió tự nhiên có thành cơng hay khơng được quyết định bởi mức độ
tiện nghi nhiệt cao và có đủ khơng khí trong lành cho các khơng gian tịa nhà, trong
khi tiêu thụ rất ít hoặc khơng khơng tiêu thụ năng lượng cho hệ thống thơng gió và
điều hịa nhiệt độ cơ khí.
Hình 2.1. Hệ thống thơng gió tự nhiên trong nhà
7
2.1.2. Phân loại thơng gió tự nhiên [1]
Thơng gió tự nhiên được chia làm 3 dạng chính:
A. Thơng gió tự nhiên dưới tác dụng nhiệt thừa hay thơng gió tự nhiên vơ
tổ chức
Khơng khí vào nhà và ra khỏi nhà qua các khe hở cửa và qua các lỗ trên tường
khi có gió thổi được gọi là gió lùa (hình 2.2).Hiện tượng gió lùa đều khơng khống chế
được lưu lượng, khơng điều chỉnh được vận tốc gió và hướng gió nên gọi là thơng gió
tự nhiên vơ tổ chức.
Hình 2.2. Hiện tượng gió lùa
Khi nhiệt độ trong phịng lớn hơn nhiệt độ bên ngồi thì giữa chúng có sự
chênh lệch áp suất và do đó có sự trao đổi khơng khí bên ngồi với bên trong.
Các phần tử khơng khí trong phịng có nhiệt độ cao, khối lượng riêng nhẹ nên
bốc lên cao, tạo ra vùng chân khơng phía dưới phịng và khơng khí bên ngồi sẽ tràn
vào thế chỗ. Ở phía trên các phần tử khơng khí bị dồn ép và có áp suất lớn hơn khơng
khí bên ngồi và thốt ra ngồi theo các cửa gió phía trên. Như vậy ở một độ cao nhất
định nào đó áp suất trong phịng bằng áp suất bên ngồi, vị trí đó gọi là vùng trung
hồ.Hình 2.3 thể hiện vị trí vùng trung hịa và ngun lý thơng gió dưới tác dụng của
nhiệt thừa.
8
Hình 2.3. Ngun lý thơng gió tự nhiên dưới tác dụng nhiệt thừa
Cột áp tạo nên sự chuyển động đối lưu khơng khí là:
H = gh ( p N − pT )
(2.1)
Trong đó:
-
h: Là khoảng cách giữa các cửa cấp gió và cửa thải
-
pN : Áp suất bên ngồi phịng
-
pT : Áp suất bên trong phòng
Cột áp tạo ra sự chuyển động của khơng khí vào phịng
H 1 = gh1 ( p N − pT )
(2.2)
Cột áp xả khí ra khỏi phòng:
H 2 = gh2 ( p N − pT )
(2.3)
Tốc độ của khơng khí chuyển động qua các cửa vào và cửa thải
ω
1
(2.4)
9
(2.5)
ω
2
Lưu lượng khơng khí qua các cửa là
L1 = F1ω1μ1
(2.6)
(2.7)
L2 = F2ω2 μ2
Trong đó:
-
, (m2) là diện tích cửa vào và cửa thải;
-
, là các hệ số lưu lượng của cửa vào và cửa thải.
B.
Thơ
ng
gió
tự
nhiê
n có
tổ
chứ
c
hay
thơn
g
gió
dưới
áp
lực
của
gió
T
h
ơ
n
g
gi
ó
tự
nhiên có tổ chức là việc xác định diện tích gió ra và lưu lượng thơng gió
cho phịng từ đó điều chỉnh vận tốc hướng gió.Hình 2.4 thể hiện thơng gió
tự nhiên dưới áp lực của gió thơng qua hệ thống cửa có thể điều chỉnh
hướng và lưu lượng gió được.
Người ta nhận thấy khi một luồng gió đi qua một kết cấu bao che thì
có thể tạo ra độ chênh cột áp 2 phía của kết cấu.
Ở phía trước ngọn gió: Khi gặp kết kết cấu bao che tốc độ dịng
khơng khí giảm đột ngột nên áp suất tĩnh cao, có tác dụng đẩy khơng khí
vào gian máy.
Ngược lại phía sau cơng trình có dịng khơng khí xốy quẩn nên áp
suất giảm xuống tạo nên vùng chân khơng, có tác dụng hút khơng khí ra
khỏi gian máy.
Sử dụng thơng gió tự nhiên do khí áp cần phải khéo léo bố trí các
cửa vào và cửa thải mới đem lại hiệu quả cao.
10
Hình 2.4. Thơng gió tự nhiên có tổ chức
Về mùa hè độ chênh nhiệt độ trong phịng vào ngồi trời thấp nên việc thơng
gió do khí áp chủ yếu nhờ áp suất gió. Về mùa Đơng độ chênh lớn nên việc thơng gió
do khí áp tăng, nhưng lưu lượng khơng khí trao đổi cần ít do nhiệt thừa giảm, vì thế
nên khép các cửa thơng gió lại một phần.
Việc sử dụng thơng gió tự nhiên đối với các phịng lớn rất kinh tế và hiệu quả vì
hầu như khơng có chi phí vận hành.Tuy nhiên có nhược điểm là phân phối gió khơng
đều, khơng chủ động đưa được tới nơi u cầu.
C. Thơng gió trọng lực
Hệ thống thơng gió tự nhiên dưới sức đẩy của trọng lực hay còn gọi là thơng
gió cột áp là thơng gió tự nhiên bằng mương dẫn được áp dụng trong các nhà dân dụng
và cơng cộng. Khơng khí chuyển động trong mương dẫn do chênh lêch áp suất của cột
khơng khí bên trong và bên ngồi nhà. Thường dùng để thơng gió cho các ống khói
của các nhà ở gia đình.Hệ thống mương dẫn khí được minh họa như hình 2.5.
Hình 2.5. Thơng gió trọng lực
11
Việc thơng gió do nhiệt áp có nhược điểm là khi kết cấu cơng trình xây dựng
khơng kín thì có rất nhiều cửa gió vào và ra. Kết quả chênh lệch độ cao giữa các cửa
hút và thải nhỏ nên lưu lượng khơng khí trao đổi sẽ giảm.
Mặt khác nhiều cơng trình phức tạp có nhiều tầng, muốn thải gió lên trên nhờ
thơng gió tự nhiên khơng dễ dàng thực hiện được.Vì thế người ta sử dụng các kênh
dẫn gió để đưa gió lên cao và hút những nơi cần thiết trong cơng trình.Các kênh gió
thường được bố trí kín bên trong các kết cấu xây dựng.Ở phía đỉnh của kênh gió
thường có các nón để chắn mưa, nắng.Để tránh hiện tượng quẩn gió các ống thơng gió
cần nhơ lên cao hẳn so với mái nhà 0,5m.
2.2. Lý thuyết cơ bản về khơng khí[1]
2.2.1. Khơng khí ẩm
Khơng khí xung quanh chúng ta là hỗn hợp của nhiều chất khí, chủ yếu là nitơ
và oxy ngồi ra cịn một lượng nhỏ các khí trơ, cacbonnic, hơi nước, . . .
Khơng khí khơ: Khơng khí khơng chứa hơi nước gọi là khơng khí khơ.Trong các
tính tốn thường khơng khí khơ được coi là khí lý tưởng.Thành phần của các chất
trong khơng khí khô được phân theo tỷ lệ sau:
Bảng 2.1. Thành phần của các chất trong khơng khí khơ
Th
Khơng khí ẩm: Khơng khí có chứa hơi nước gọi là khơng khí ẩm. Trong tự
nhiên khơng có khơng khí khơ tuyệt đối mà tồn là khơng khí ẩm. Khơng khí ẩm được
chia ra:
-
Khơng khí ẩm chưa bão hịa: Là trạng thái mà hơi nước cịn có thể bay hơi thêm
vào được trong khơng khí.
12
Khơng khí ẩm bão hịa: Là trạng thái mà hơi nước trong khơng khí đã đạt tối đa
-
và khơng thể bay hơi thêm vào đó được. Nếu bay hơi thêm vào bao nhiêu thì có
bấy nhiêu hơi ẩm ngưng tụ lại.
Khơng khí ẩm q bão hịa: Là khơng khí ẩm bão hòa và còn chứa thêm một
-
lượng hơi nước nhất định. Tuy nhiên trạng thái quá bão hoà là trạng thái khơng
ổn định mà có xu hướng biến đổi đến trạng thái bão hoà do lượng hơi nước dư
bị tách dần ra khỏi khơng khí. Ví dụ như sương mù là khơng khí q bão hịa.
Tính chất vật lý và ảnh hưởng của khơng khí đến cảm giác con người phụ thuộc
nhiều vào lượng hơi nước tồn tại trong không khí.
2.2.2. Các thơng số của khơng khí ẩm
2.2.2.1. Áp suất
Áp suất khơng khí thường được gọi là khí áp. Ký hiệu là P. Nói chung giá trị P
thay đổi theo không gian và thời gian. Tuy nhiên trong kỹ thuật điều hịa khơng khí giá
trị chênh lệch khơng lớn có thể bỏ qua và người ta coi P không đổi. Trong tính tốn
người ta lấy ở trạng thái tiêu chuẩn P0 = 760 mmHg.
2.2.2.2. Độ ẩm
Độ ẩm tuyệt đối: Là khối lượng hơi ẩm trong 1m3 khơng khí ẩm. Giả sử trong
3
V (m ) khơng khí ẩm có chứa Gh (kg) hơi nước thì độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là ρh được
tính như sau:
ρ
(
V
h
=
Gh
kg / m3
Vì hơi nước trong khơng khí có thể coi là khí lý tưởng nên:
1
ρh =
v
=
k
Trong đó:
-
: Phân áp suất của hơi nước trong khơng khí chưa bão hồ, N/m2
-
: Hằng số của hơi nước Rh = 462 J/kg. K
-
T: Nhiệt độ tuyệt đối của khơng khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nước (0 K)
h
