QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tính cần thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang là vấn đề toàn cầu được chú ý đặc biệt, với dự báo từ Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) cho thấy Việt Nam đứng thứ 3 trong số 10 quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề nhất Điều này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trong môi trường sống đô thị, đặc biệt là ảnh hưởng đến chất lượng môi trường vi khí hậu bên trong nhà.
Nhà cao tầng đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ tại nhiều thành phố lớn, đặc biệt ở châu Á, với gần 100 tòa nhà cao trên 200 m được xây dựng trong năm 2014, theo tờ The Economist Tuy nhiên, sự gia tăng này đi kèm với việc tiêu thụ năng lượng lớn và tạo ra nhiều vấn đề, khiến không gian sống trở nên không thoải mái Do đó, việc điều hòa không khí và nhiệt độ trong các tòa nhà cao tầng cần được đặc biệt chú trọng.
Đề tài “Phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong không gian căn hộ bằng chương trình phân tích số” là vấn đề cấp bách và thiết thực, nhằm nâng cao sự thoải mái cho người ở, đồng thời tiết kiệm chi phí và năng lượng Nội dung này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà việc thích ứng với biến đổi khí hậu ngày càng trở nên cần thiết.
Các giải pháp thiết kế
Để cải thiện môi trường 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 giải pháp này không chỉ mang lại sự thoải mái cho cư dân mà còn có tính khả thi cao trong điều kiện hiện tại.
- 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
Thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên là giải pháp hiệu quả để nâng cao an toàn nhiệt, tiết kiệm chi phí xây dựng và giảm năng lượng tiêu thụ cho tòa nhà Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc tính toán và mô phỏng vận tốc cùng nhiệt độ dòng không khí trong nhà, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế 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
Tính toán và mô phỏng nhiệt độ cũng như vận tốc dòng không khí trong các công trình nhà cao tầng là rất quan trọng Các kết quả này giúp đánh giá sự phân bố nhiệt độ và vận tốc không khí, từ đó xác định mức độ thoải mái cho 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 không gian căn hộ, chú trọng đến ảnh hưởng của nhiệt bức xạ mặt trời và nhiệt từ các thiết bị gia dụng Các nguồn nhiệt này được coi là nhiệt tĩnh, đồng thời luận văn cũng tập trung vào bài toán cặp đôi nhiệt – lưu chất, bỏ qua 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 các nhà khoa học công bố, giúp so sánh và phân tích kết quả Qua đó, chúng ta có thể rút ra phương pháp chính xác để giải quyết các bài toán thực tế một cách hiệu quả.
Nghiên cứu các công trình nhà cao tầng thực tế bao gồm việc thiết lập các điều kiện biên cho bài toán, như trường nhiệt độ và vận tốc Sau đó, tiến hành mô phỏng tính toán và đánh giá kết quả để đưa ra những nhận định chính xác về hiệu suất và an toàn của các công trình này.
- 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, nhiều nghiên cứu lý thuyết đã được thực hiện về thông gió tự nhiên trong không gian sống, tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu chỉ dừng lại ở việc phát triển ý tưởng và thực hiện các tính toán giải tích.
Vào 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 cho không gian sống, trong bài viết “Bàn về phương pháp thiết kế kiến trúc xanh ở Việt Nam” đăng trên tạp chí Kiến trúc Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc đưa ra các giải pháp, tuy nhiên cần thiết phải thực hiện thêm các nghiên cứu mô phỏng trên máy tính và các nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường cho những 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 sỹ 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 nhấn mạnh tầm quan trọng của thông gió tự nhiên như một giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng môi trường sống trong các công trình đô thị.
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 benefits of natural ventilation in buildings for human health.
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, và so sánh với kết quả từ thí nghiệm hầm gió Nghiên cứu này chứng minh rằng phương pháp CFD có độ tin cậy cao trong việc tính toán các dòng không khí.
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, đồng thời xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ từ đèn và cơ thể người Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ trong phòng giảm đáng kể khi có thông gió tự nhiên.
X Zheng (2015) đã thực hiện một nghiên cứu thạc sỹ về cải thiện tiện nghi nhiệt trong nhà cao tầng thông qua việc áp dụng thông gió tự nhiên Luận văn này không chỉ trình bày các giải pháp thông gió tự nhiên cho các công trình xây dựng mà còn bao gồm khảo sát ý kiến, tính toán và mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm CFD.
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 duy trì thông thoáng cho ngôi nhà một cách tự nhiên Hệ thống này giúp cải thiện chất lượng không khí và tiết kiệm năng lượng Hình 2.1 minh họa rõ nét cho nguyên lý hoạt động của thông gió tự nhiên trong không gian 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 hệ thống điều hòa nhiệt độ Đặc biệt, trong các vùng khí hậu nóng và ấm áp, nó có thể đáp ứng nhu cầu làm mát hiệu quả, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể Lượng năng lượng tiết kiệm được từ việc áp dụng thông gió tự nhiên góp phần lớn vào tổng năng lượng tiêu thụ của tòa nhà.
Thông gió tự nhiên thành công phụ thuộc vào mức độ tiện nghi nhiệt và lượng không khí trong lành trong các không gian tòa nhà, đồng thời tiêu thụ ít hoặc không tiêu thụ năng lượng cho hệ thống thông gió và điều hòa không khí 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, được gọi là thông gió tự nhiên vô tổ chức Hiện tượng này không thể kiểm soát lưu lượng, vận tốc và hướng gió.
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 việc không khí bên ngoài và bên trong được trao đổi với nhau.
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 Phía trên, các phần tử không khí bị dồn ép, tạo ra áp suất lớn hơn không khí bên ngoài và thoát ra qua các cửa gió Tại một độ cao nhất định, áp suất trong phòng sẽ bằng áp suất bên ngoài, gọi là vùng trung hòa Hình 2.3 minh họa vị trí vùng trung hòa và nguyên lý thông gió do 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 và lưu lượng gió cho phòng, từ đó điều chỉnh vận tốc và hướng gió Hệ thống cửa điều chỉnh cho phép kiểm soát hướng và lưu lượng gió, như thể hiện trong hình 2.4.
Khi gió đi qua một kết cấu bao che, nó tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của kết cấu Phía trước luồng gió, khi gặp kết cấu bao che, tốc độ dòng không khí giảm đột ngột, dẫn đến áp suất tĩnh tăng 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 có khả năng 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, chênh lệch nhiệt độ giữa trong nhà và ngoài trời thấp, do đó thông gió chủ yếu nhờ vào áp suất gió Ngược lại, mùa đông có chênh lệch nhiệt độ lớn hơn, khiến áp suất khí tăng, nhưng lượng không khí trao đổi cần thiết lại giảm do nhiệt thừa giảm, vì vậy cần khép một phần các cửa thông gió lại.
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 sự phân phối gió không đồng đều và không thể chủ động đưa gió tới 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 di chuyển trong mương dẫn nhờ vào sự chênh lệch áp suất giữa cột không khí bên trong và bên ngoài ngôi nhà Phương pháp này thường được sử dụng để thông gió cho các ống khói trong các hộ gia đình Hệ thống mương dẫn khí được minh họa trong hình 2.5.
Hình 2.5 Thông gió trọng lực
Thông gió do nhiệt áp gặp khó khăn khi kết cấu công trình không kín, dẫn đến nhiều cửa gió vào và ra Sự 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 thực hiện thông gió tự nhiên để thải gió lên cao không phải là điều dễ dàng Do đó, các kênh dẫn gió được sử dụng để đưa gió lên cao và hút ở những khu vực cần thiết Những kênh gió này thường được thiết kế kín bên trong kết cấu xây dựng và có nón ở đỉnh để chắn mưa, 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 bao gồm một hỗn hợp các chất khí, chủ yếu là nitơ và oxy, cùng với một lượng nhỏ các khí trơ, khí cacbonic và hơi nước.
Không khí khô là không khí không chứa hơi nước và 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.
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 Tất cả không khí đều có độ ẩm nhất định, và 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, lượng ẩm dư thừa 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 có xu hướng chuyển đổi về trạng thái bão hòa khi hơi nước dư thừa bắt đầu tách ra khỏi không khí Một ví dụ điển hình của không khí quá bão hòa là hiện tượng sương mù.
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 tính từ 0 K Độ ẩm tương đối, ký hiệu là φ (%), là tỷ lệ giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm 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 %