QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tính cần thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của toàn nhân loại Theo dự báo của Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), Việt Nam xếp thứ ba trong danh sách những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi BĐKH Điều này dẫn đến hiện tượng nhiệt độ ngày càng gia tăng trong môi trường sống đô thị, đặc biệt là chất lượng môi trường vi khí hậu bên trong nhà.
Nhà cao tầng đang trở thành xu hướng phát triển tại nhiều thành phố lớn, đặc biệt ở châu Á Theo The Economist, năm 2014 đã có gần 100 tòa nhà cao trên 200 m được xây dựng, đánh dấu thời kỳ bùng nổ nhà chọc trời Tuy nhiên, sự gia tăng này đi kèm với việc tiêu thụ năng lượng lớn và nhiều vấn đề làm giảm chất lượng không gian sống Do đó, việc điều hòa không khí và nhiệt độ trong các tòa nhà cao tầng đang trở thành một vấn đề cấp bách cần được chú trọng.
Đề tài “Phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong không gian căn hộ bằng chương trình phân tích số” rất cấp bách và thiết thực, nhằm cải thiện sự thoải mái cho người ở, đồng thời tiết kiệm chi phí và năng lượng Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi chúng ta cần thích ứng với biến đổi khí hậu.
Các giải pháp thiết kế
Để cải thiện không gian sống và làm việc trong các tòa nhà cao tầng, nhiều giải pháp đã được đề xuất nhằm chống nóng, chống ẩm và thông thoáng không khí Những biện pháp này không chỉ giúp tạo ra môi trường thoải mái cho cư dân mà còn mang lại tính khả thi cao trong điều kiện hiện nay.
- 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 không khí trong lành
- Quy hoạch tổng thể và chọn hướng công trình (đón gió, đón nắng)
- Thiết kế hệ thống thông gió cơ khí (Điều hòa không khí, quạt thổi, hút gió, …)
- Thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên
Hệ thống thông gió tự nhiên là giải pháp hiệu quả để cải thiện an toàn nhiệt, tiết kiệm chi phí xây dựng và giảm năng lượng tiêu thụ cho tòa nhà Nghiên cứu này sẽ phân tích sâu về thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên thông qua việc tính toán và mô phỏng vận tốc cùng nhiệt độ không khí trong nhà, từ đó đề xuất các giải pháp kiến trúc cho các công trình nhà cao tầng.
Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu chung Áp dụng phương pháp số để mô phỏng, tính toán quá trình thông gió tự nhiên có kiểm soát cho căn hộ nhà cao tầng
Bài viết này trình bày việc tính toán và mô phỏng nhiệt độ cùng vận tốc dòng không khí trong các tòa nhà cao tầng Kết quả thu được từ sự phân bố nhiệt độ và vận tốc không khí sẽ được sử dụng để đánh giá mức độ thoải mái của cư dân trong các căn hộ.
- Đưa ra các cải tiến cần thiết nếu mô hình ban đầu chưa đạt hiệu quả (chưa tạo được sự thoải mái cho người ở).
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Căn hộ trong chung cư SGC Nguyễn Văn Luông , Phường 11 , Quận 6 , TP HCM [13].
Hình 1.1 Chung cư SGC Nguyễn Văn Luông
Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu mô phỏng dòng không khí tự nhiên trong căn hộ, xem xét ảnh hưởng của nhiệt bức xạ mặt trời và nhiệt từ thiết bị gia dụng Các nguồn nhiệt này được coi là nhiệt tĩnh, đồng thời tập trung vào bài toán cặp đôi nhiệt – lưu chất, không xem xét sự truyền nhiệt trong kết cấu.
Câu hỏi nghiên cứu
- Chương trình ANSYS CFX có phù hợp với bài toán tương tác lưu chất – nhiệt
- Cơ sở đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng
- Nguồn nhiệt được xem gần đúng là nguồn nhiệt tĩnh
- Lược bỏ bớt một số vật dụng trong không gian căn hộ.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm CFD như ANSYS CFX để mô phỏng các bài toán đã được công bố bởi các nhà khoa học giúp so sánh kết quả và rút ra phương pháp chính xác để giải quyết các bài toán thực tế.
Nghiên cứu các công trình nhà cao tầng thực tế bao gồm việc thiết lập các điều kiện biên cho bài toán, chẳng hạn như trường nhiệt độ và vận tốc Dựa trên những điều kiện này, tiến hành mô phỏng và tính toán để đánh giá kết quả một cách chính xác.
- Các phương pháp tính toán được sử dụng: Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM).
Tổng quan các công trình nghiên cứu trước
1.7.1 Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, mặc dù đã có một số nghiên cứu lý thuyết về thông gió tự nhiên trong không gian sống, nhưng các nghiên cứu này chủ yếu chỉ dừng lại ở mức ý tưởng hoặc tính toán giải tích.
Năm 2016, Phạm Đức Nguyên đã đề xuất các giải pháp thông gió tự nhiên có kiểm soát thông qua hệ thống quạt hút và đẩy không khí trong không gian sống, được trình bày trong bài báo “Bàn về phương pháp thiết kế kiến trúc xanh ở Việt Nam” trên tạp chí Kiến trúc Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc đề xuất giải pháp, tuy nhiên, cần thực hiện thêm các nghiên cứu mô phỏng trên máy tính và nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường cho các trường hợp cụ thể.
Nguyễn Thị Thái Huyên và Lê Thị Hồng Na đã thực hiện phân tích thiết kế kiến trúc nhằm tối ưu hóa thông gió tự nhiên cho các tòa nhà chung cư tại TPHCM trong nghiên cứu khoa học của họ.
Thùy Trang đã hoàn thành luận văn thạc sĩ nghiên cứu về các giải pháp kiến trúc nhằm cải thiện vi khí hậu trong nhà phố tại TP HCM Trong nghiên cứu này, tác giả đặc biệt nhấn mạnh đến vai trò của thông gió tự nhiên trong việc nâng cao chất lượng vi khí hậu.
1.7.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về giải pháp thông gió tự nhiên trong các công trình nhà ở
In 2007, the World Health Organization (WHO) released a document titled "Natural Ventilation for Infection Control in Health-Care Settings," highlighting the health benefits of natural ventilation in building design.
Năm 2009, Robert N Meroney đã áp dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) để phân tích luồng không khí qua các cửa sổ hình vuông trong không gian kín, đồng thời so sánh kết quả với thí nghiệm hầm gió Nghiên cứu này chứng minh rằng phương pháp CFD có độ tin cậy cao trong việc mô phỏng các dòng không khí.
Vào năm 2014, Md Atiqur Rahman và Narahari G A đã áp dụng phương pháp CFD để mô phỏng quá trình thông gió tự nhiên trong các phòng học, chú trọng đến ảnh hưởng của nhiệt độ từ đèn và cơ thể con người Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thông gió tự nhiên giúp giảm nhiệt độ trong phòng một cách đáng kể.
X Zheng (2015) đã thực hiện luận văn thạc sỹ nghiên cứu về cải thiện tiện nghi nhiệt trong nhà cao tầng thông qua việc áp dụng giải pháp thông gió tự nhiên Luận văn này không chỉ khảo sát ý kiến mà còn tính toán và mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm CFD, mang lại cái nhìn sâu sắc về hiệu quả của thông gió tự nhiên trong các công trình xây dựng.
SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết thông gió tự nhiên
Thông gió tự nhiên, hay hệ thống thông gió thụ động, là phương pháp sử dụng chuyển động của không khí bên ngoài và chênh lệch áp suất để làm mát và thông thoáng không gian sống Hệ thống này hoạt động một cách thụ động, giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà mà không cần đến thiết bị cơ giới Hình 2.1 minh họa rõ nét cho nguyên lý hoạt động của thông gió tự nhiên trong môi trường sống.
Thông gió tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp không khí trong lành cho ngôi nhà mà không cần sử dụng quạt hay điều hòa nhiệt độ Đặc biệt ở các vùng khí hậu nóng, phương pháp này giúp làm mát hiệu quả, giảm thiểu sự phụ thuộc vào hệ thống điều hòa cơ khí Nhờ đó, lượng năng lượng tiết kiệm được từ thông gió tự nhiên có thể góp phần lớn vào việc giảm tổng năng lượng tiêu thụ của tòa nhà.
Thông gió tự nhiên thành công phụ thuộc vào việc duy trì mức độ tiện nghi nhiệt cao và cung cấp đủ không khí trong lành cho không gian tòa nhà, trong khi tiêu thụ ít hoặc không tiêu thụ năng lượng cho hệ thống thông gió và điều hòa nhiệt độ cơ khí.
Hình 2.1 Hệ thống thông gió tự nhiên trong nhà
2.1.2 Phân loại thông gió tự nhiên [1]
Thông gió tự nhiên được chia làm 3 dạng chính:
A Thông gió tự nhiên dưới tác dụng nhiệt thừa hay thông gió tự nhiên vô tổ chức
Gió lùa là hiện tượng không khí vào và ra khỏi nhà qua các khe hở cửa và lỗ trên tường khi có gió thổi Hiện tượng này không thể kiểm soát lưu lượng, vận tốc và hướng gió, do đó được gọi là thông gió tự nhiên vô tổ chức.
Hình 2.2 Hiện tượng gió lùa
Khi nhiệt độ trong phòng cao hơn nhiệt độ bên ngoài, sẽ xảy ra chênh lệch áp suất, dẫn đến sự trao đổi không khí giữa bên ngoài và bên trong.
Khi các phần tử không khí trong phòng có nhiệt độ cao và khối lượng riêng nhẹ, chúng sẽ bốc lên cao, tạo ra vùng chân không phía dưới Không khí bên ngoài sẽ tràn vào để thay thế Ở trên, các phần tử không khí bị dồn ép, tạo ra áp suất lớn hơn so với không khí bên ngoài và thoát ra qua các cửa gió trên Do đó, tại một độ cao nhất định, áp suất trong phòng sẽ bằng áp suất bên ngoài, được gọi là vùng trung hòa Hình 2.3 minh họa vị trí của vùng trung hòa và nguyên lý thông gió dưới tác động của nhiệt thừa.
Hình 2.3 Nguyên lý thông gió tự nhiên dưới tác dụng nhiệt thừa
Cột áp tạo nên sự chuyển động đối lưu không khí là:
- h: Là khoảng cách giữa các cửa cấp gió và cửa thải
- p N : Áp suất bên ngoài phòng
- p T : Áp suất bên trong phòng
Cột áp tạo ra sự chuyển động của không khí vào phòng
Cột áp xả khí ra khỏi phòng:
Tốc độ của không khí chuyển động qua các cửa vào và cửa thải
Lưu lượng không khí qua các cửa là
- , (m 2 ) là diện tích cửa vào và cửa thải;
- , là các hệ số lưu lượng của cửa vào và cửa thải
B Thông gió tự nhiên có tổ chức hay thông gió dưới áp lực của gió
Thông gió tự nhiên có tổ chức là quá trình xác định diện tích gió ra và lưu lượng thông gió cho phòng, từ đó điều chỉnh vận tốc và hướng gió Hình 2.4 minh họa thông gió tự nhiên dưới áp lực gió thông qua hệ thống cửa có khả năng điều chỉnh hướng và lưu lượng gió hiệu quả.
Khi gió đi qua một kết cấu bao che, nó tạo ra độ chênh cột áp giữa hai phía của cấu trúc Ở phía trước, gió gặp kết cấu làm giảm tốc độ dòng không khí đột ngột, dẫn đến áp suất tĩnh cao, từ đó đẩy không khí vào gian máy.
Phía sau công trình, dòng không khí xoáy quẩn tạo ra áp suất giảm, hình thành vùng chân không, giúp hút không khí ra khỏi gian máy.
Sử dụng thông gió tự nhiên do khí áp cần phải khéo léo bố trí các cửa vào và cửa thải mới đem lại hiệu quả cao
Hình 2.4 Thông gió tự nhiên có tổ chức
Vào mùa hè, sự chênh lệch nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài trời thấp, vì vậy thông gió chủ yếu phụ thuộc vào áp suất gió Trong khi đó, mùa đông có sự chênh lệch nhiệt độ lớn, dẫn đến áp suất khí tăng, nhưng lưu lượng không khí trao đổi cần ít hơn do nhiệt thừa giảm, do đó cần đóng một phần các cửa thông gió.
Sử dụng thông gió tự nhiên cho các phòng lớn là một giải pháp kinh tế và hiệu quả do chi phí vận hành gần như bằng không Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phân phối gió không đồng đều và không thể chủ động cung cấp gió đến những khu vực cần thiết.
Hệ thống thông gió tự nhiên dưới sức đẩy của trọng lực, hay còn gọi là thông gió cột áp, là phương pháp thông gió sử dụng mương dẫn, thường được áp dụng trong các công trình dân dụng và công cộng Không khí trong mương dẫn di chuyển nhờ vào sự chênh lệch áp suất giữa cột không khí bên trong và bên ngoài tòa nhà Phương pháp này thường được sử dụng để thông gió cho các ống khói trong các ngôi nhà Hệ thống mương dẫn khí được minh họa rõ ràng trong hình 2.5.
Hình 2.5 Thông gió trọng lực
Thông gió do nhiệt áp có nhược điểm là khi kết cấu công trình không kín, dẫn đến nhiều cửa gió vào và ra Điều này khiến cho chênh lệch độ cao giữa các cửa hút và thải nhỏ, làm giảm lưu lượng không khí trao đổi.
Trong các công trình phức tạp nhiều tầng, việc thải gió lên cao thông qua hệ thống thông gió tự nhiên gặp nhiều khó khăn Do đó, các kênh dẫn gió được sử dụng để đưa gió lên cao và hút không khí từ những khu vực cần thiết trong công trình Các kênh gió thường được thiết kế kín bên trong kết cấu xây dựng, và ở đỉnh của chúng thường có các nón bảo vệ khỏi mưa và nắng Để tránh hiện tượng quẩn gió, các ống thông gió cần phải nhô cao hơn mái nhà ít nhất 0,5m.
Lý thuyết cơ bản về không khí [1]
Không khí xung quanh chúng ta là một hỗn hợp gồm nhiều loại khí, chủ yếu là nitơ và oxy, cùng với một lượng nhỏ các khí trơ, carbonic và hơi nước.
Không khí khô là loại không khí không chứa hơi nước, thường được xem như khí lý tưởng trong các tính toán Thành phần của không khí khô được phân chia theo tỷ lệ cụ thể, phản ánh sự hiện diện của các chất khác nhau trong môi trường.
Bảng 2.1 Thành phần của các chất trong không khí khô
Thành phần Theo khối lượng (%) Theo thể tích (%)
Không khí ẩm là không khí chứa hơi nước, và trong tự nhiên, không tồn tại không khí khô tuyệt đối, mà chỉ có không khí ẩm Không khí ẩm được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
- Không khí ẩm chưa bão hòa: Là trạng thái mà hơi nước còn có thể bay hơi thêm vào được trong không khí
Không khí ẩm bão hòa là trạng thái khi hơi nước trong không khí đạt mức tối đa, không thể bay hơi thêm Khi có thêm hơi nước bay hơi, lượng ẩm tương ứng sẽ ngưng tụ lại.
Không khí ẩm quá bão hòa là trạng thái không khí chứa một lượng hơi nước vượt mức bão hòa, dẫn đến sự không ổn định Trạng thái này sẽ dần chuyển đổi về mức bão hòa khi hơi nước dư thừa tách ra khỏi không khí Một ví dụ điển hình của hiện tượng này là sương mù, khi không khí đạt đến mức độ bão hòa cao.
Tính chất vật lý và ảnh hưởng của không khí đến cảm giác con người phụ thuộc nhiều vào lượng hơi nước tồn tại trong không khí
2.2.2 Các thông số của không khí ẩm
2.2.2.1 Áp suất Áp suất không 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 hòa không khí giá trị chênh lệch không lớn có thể bỏ qua và người ta coi P không đổi Trong tính toán 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 1m 3 không khí ẩm Giả sử trong
V (m 3 ) không khí ẩm có chứa Gh (kg) hơi nước thì độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là ρh được tính như sau:
Vì hơi nước trong không khí có thể coi là khí lý tưởng nên:
- : Phân áp suất của hơi nước trong không khí chưa bão hoà, N/m 2
- : Hằng số của hơi nước Rh = 462 J/kg K
Nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, hay còn gọi là nhiệt độ của hơi nước, được đo bằng 0 K Độ ẩm tương đối, ký hiệu là φ (%), là tỷ lệ giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí và độ ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ với trạng thái đã cho.
= ρ = (2.10) Độ ẩm tương đối biểu thị mức độ chứa hơi nước trong không khí ẩm so với không khí ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ
- φ= 0 %: đó là trạng thái không khí khô
- 0 %
