PHƯƠNG PHÁP MỚI CHO ĐÁNH GIÁ TIỆN NGHI NHIỆT TRONG CÔNG TRÌNH THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN

Tác giả bài viết: TS. KTS Nguyễn Anh Tuấn (Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng số 5(66) trang 91-95)

1. Đặt vấn đề:

Trong những năm gần đây, những biến đổi khí hậu đáng lo ngại, sự suy thoái môi trường nghiêm trọng cộng với những cuộc khủng hoảng năng lượng trên bình diện toàn cầu đã tạo nên một trào lưu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng và hướng tới khai thác năng lượng tái sinh. Trong kiến trúc và xây dựng, các công trình thông gió tự nhiên là một giải pháp tích cực giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng bởi công trình, đồng thời tạo nên môi trường sống trong lành, gần gũi với thiên nhiên và loại trừ các hội chứng bệnh do nhà đóng kín (cho điều hòa). Do đó hiện nay thông gió tự nhiên đang được quan tâm nhiều, cả trong nghiên cứu và ứng dụng trong xây dựng.

Vấn đề được đặt ra là làm thế nào để đảm bảo tiện nghi trong công trình thông gió tự nhiên và phương pháp đánh giá điều kiện tiện nghi như thế nào. Bài báo này giới thiệu một phương pháp đánh giá định lượng điều kiện tiện nghi nhiệt trong công trình thông gió tự nhiên thông qua quan trắc và mô phỏng trên máy tính. Phương pháp này cung cấp một cách đánh giá khách quan, chính xác, có thể áp dụng cho nhiều thể loại công trình khác nhau. Đánh giá cũng chỉ ra những khuyết điểm mà quá trình thiết kế phải cải thiện, hướng đến kiến trúc tiết kiệm năng lượng mà tiện nghi.

Để đơn giản hóa vấn đề cần giải quyết, bài báo này giả thiết rằng tiện nghi nhiệt trong phòng và các điều kiện tiện nghi khác (tiện nghi chiếu sáng, tiếng ồn, chất lượng không khí…) là độc lập với nhau.

2. Phương pháp nghiên cứu:

Bài báo giới thiệu phương pháp giải quyết vấn đề thông qua quy trình đánh giá mẫu một công trình thực tế. Công trình được chọn là một căn hộ chung cư dành cho người thu nhập thấp tại TP Đà Nẵng. Căn hộ này nằm trong một tòa nhà chung cư 7 tầng xây dựng xong vào năm 2010, tọa lại tại phường Nại Hiên Đông, quận Sơn Trà. Căn hộ được chọn nằm trên tầng 4 của công trình (xem chi tiết hình 1).

image001

Hình 1. Chi tiết căn hộ chọn cho nghiên cứu điển hình và vị trí đặt thiết bị đo

Bài toán đặt ra là đánh giá tiện nghi nhiệt trong các phòng trong căn hộ trong suốt một năm liên tục và xác định được các nhược điểm cần cải thiện. Quá trình đánh giá được tác giả đề xuất qua 4 bước chính, như sẽ lần lượt trình bày trong các đề mục tiếp theo.

2.1. Lựa chọn mô hình tiện nghi nhiệt:

Một mô hình (tiêu chí) tiện nghi nhiệt phù hợp là rất cần thiết cho việc đánh giá khách quan và chính xác. TCXDVN 306:2004 về tiện nghi nhiệt do Việt Nam ban hành năm 2004, nhưng lại sử dụng các chỉ số môi trường lạc hậu, không còn được sử dụng từ lâu và tiêu chuẩn cũng có sai sót. Một tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt khác TCVN 7438:2004 thì chỉ áp dụng cho môi trường có điều hòa không khí.

Việc lựa chọn tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt đã được tác giả bàn kỹ trong một bài báo khác [1]. Dựa trên kết quả đó, nghiên cứu này sử dụng mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng dùng cho công trình thông gió tự nhiên khu vực khí hậu nóng ẩm của vùng Đông Nam Á, được tác giả phát triển dựa trên 5176 phiếu điều tra trong khu vực  [2]. Mô hình này đã được kiểm chứng tại Việt Nam thông qua 1200 phiếu điều tra vào mùa hè năm 2012. Mô hình này dự đoán nhiệt độ tiện nghi trong nhà trong điều kiện vận động nhẹ (nhiệt sinh lý 58 đến 72 W/m²) như sau:      image004

Ví dụ, Hà Nội có nhiệt độ trung bình tháng Ba là 20°C, theo công thức trên, nhiệt độ tiện nghi tương ứng cho người Hà Nội trong tháng Ba là 25.7°C. Độ rộng của dải tiện nghi thay đổi từ 5.7°C đến 7.0°C quanh nhiệt độ tiên nghi. Nhiệt độ trung bình tháng càng cao, bề rộng của dải tiện nghi càng thu hẹp do hiệu quả của các yếu tố thích nghi bị hạn chế. Khoảng 80% số người được hỏi sẽ cảm thấy thỏa mãn về nhiệt. Nhiệt độ trong nhà nằm trên hay dưới dải tiện nghi được xem là bất tiện nghi nhiệt.

2.2. Quan trắc môi trường trong công trình:

Nhiệt độ trong phòng ngủ 1 của căn hộ được ghi lại trong suốt một tháng (tháng 5 năm 2012). Thiết bị quan trắc là thiết bị ghi (data logger) Hobo của Mỹ, được lập trình để ghi lại nhiệt độ không khí, độ ẩm và độ rọi trong phòng theo từng giờ. Các thiết bị ghi Hobo đã được cân chỉnh tự động sau mỗi lần dùng, đảm bảo độ chính xác cao. Tổng cộng đã có 744 (31 ngày x 24 h) kết quả được ghi lại và được chuyển vào máy tính để xử lý. Thiết bị được gắn trên tường cách sàn 1.1 m như trong hình 1. Do căn hộ có người sử dụng trong thời gian quan trắc, nên việc hướng dẫn chủ hộ trong việc bảo vệ và theo dõi hoạt động của thiết bị đo đã được tiến hành cẩn thận. Sự hiện diện của người dùng trong căn hộ trong quá trình quan trắc và việc đóng mở các cửa thông gió được ghi lại qua phiếu câu hỏi.

Trong cùng thời gian trên, số liệu khí tượng ngoài nhà chi tiết đến từng giờ (bao gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, tốc độ và hướng gió, trực xạ và tán xạ mặt trời trên mặt phẳng ngang) được đặt trước và mua lại từ trạm quan trắc thuộc Trung tâm Khí tương Thủy văn quốc gia tại miền Trung cách công trình khoảng 7 km đường chim bay.

2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính và cân chỉnh mô hình:

Mô hình căn hộ trong công trình được xây dựng trên máy tính và đưa vào phầm mềm EnergyPlus [3]. EnergyPlus là chương trình phát triển bởi Bộ Năng lượng Mỹ, dùng để mô phỏng nhiệt, chiếu sáng, thông gió, nước và năng lượng tiêu thụ trong công trình xây dựng.

Trong công trình thông gió tự nhiên, lưu lượng thông gió có ảnh hưởng lớn đến cân bằng nhiệt của công trình. Để mô phỏng tương đối chính xác lưu lượng thông gió, mô hình lưới dòng khí (tạm dịch từ “airflow network model”) trong EnergyPlus được kích hoạt để kết hợp với mô hình nhiệt của EnergyPlus trong mô phỏng nhiệt – năng lượng. Mô hình lưới dòng khí (xem [4]) dự đoán lưu lượng gió qua từng của thông gió và từng phòng trong công trình, dựa trên tốc độ và hướng gió ngoài nhà tương ứng. Dữ liệu đầu vào cho mô hình lưới dòng khí là hướng gió và tốc độ gió (đã có), phương vị công trình, quy cách cửa thông gió (đã xây dựng trong mô hình), tình trạng đóng mở các cửa (đã ghi lại trong phiếu điều tra) và hệ số áp lực gió trên từng cửa phía ngoài vỏ công trình. Hệ số áp lực gió là một đại lượng vô hướng thể hiện độ lớn tương đối của áp lực gió tại một điểm so với áp lực gió tại vô cùng, được xác định như sau:

image006

Trong đó:

Cp là hệ số áp lực gió, không đơn vị;

pstp là áp lực gió tĩnh tại điểm đang xét và tại dòng tự do ở vô cùng, Pa;

ρ là trọng lượng riêng của không khí tại vô cùng, kg/m³ (lấy bằng 1.189 kg/m³ tại 20°C và áp suất khí quyển tiêu chuẩn);

V là vận tốc dòng khí tại vô cùng tại độ cao tham chiếu (lấy bằng độ cao cửa trên vỏ công trình), m/s.

Hệ số áp lực gió cho công trình dạng hộp có thể tìm từ một số nguồn tài liệu, tuy nhiên với công trình phức tạp, hệ số này chỉ có thể có bằng mô phỏng máy tính hoặc thí nghiệm (trong ống khí động hoặc đo tại hiện trường). Nghiên cứu này dùng mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) để tìm hệ số áp lực gió trên bề mặt công trình. Chương trình dùng cho mô phỏng là phần mềm CFD thương mại Phoenics [5]. Do khuôn khổ giới hạn, các thiết lập cho Phoenics chỉ được giới thiệu ngắn gọn như sau : Mô hình rối RNG k-ε, pro-fin gió tuân theo quy luật hàm mũ với α = 0.17, vận tốc gió đầu vào 1.85 m/s tại độ cao 10 m, miền nghiên cứu có kích thước 350 m x 350 m x 100 m, phân mảnh miền nghiên cứu bằng lưới 3D Cartesian. Tổng cộng 12 mô phỏng được hoàn tất trong 1 ngày, tương ứng với 12 hướng gió chính (từ 0° đến 330°, cứ 30° làm một mô phỏng). Hình 2 giới thiệu kết quả mô phỏng của hướng gió Nam.

image007

Hình 2. Hệ số áp lực gió trên bề mặt công trình, gió Nam. Căn hộ nằm trên tầng 4, khối nhà bên bìa trái. Các khối nhà lân cận cũng được đưa vào mô phỏng.

Với các bước trên, mô hình công trình đã được xây dựng hoàn tất cho EnergyPlus. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng của mô hình này chưa thể hoàn toàn tin cậy bởi vì những sai sót có thể xảy ra, từ phía nhà sản xuất phần mềm và cả người sử dụng. Vì thế việc cân chỉnh (calibration) cho mô hình là rất cần thiết. Kết quả quan trắc trong tháng 5 của căn hộ được sử dụng làm căn cứ cho việc cân chỉnh. Dữ liệu khí tượng ngoài nhà được đưa vào 1 tập tin khí hậu để giả lập trên máy tính thời tiết của giai đoạn quan trắc. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả quan trắc và điều chỉnh các thông số của mô hình cho đến khi kết quả mô phỏng và quan trắc thống nhất ở mức độ chấp nhận được. Việc đánh giá mức độ thống nhất này dựa trên 2 tham số NMBE và CV(RMSE) (xem [6]). Hình 3 thể hiện kết quả của quá trình cân chỉnh qua 8 lần điều chỉnh.

image013

Hình 3. Nhiệt độ mô phỏng trong phòng ngủ 1 qua các lần cân chỉnh, so với quan trắc

Sau lần điều chỉnh thứ 8, kết quả mô phỏng thỏa mãn độ chính xác cần thiết khi NMBE = 0% và CV(RMSE) = 1.41% (xem hình 4). Mô hình căn hộ trong EnergyPlus được xem là đã hoàn chỉnh và chính xác.

image009image011

Hình 4. Sự cải thiện của các chỉ số NMBE và CV(RMSE) qua các lần cân chỉnh

2.4. Đánh giá tiện nghi nhiệt trong một năm và các hướng cải thiện tiện nghi:

Mô hình hoàn chỉnh của căn hộ được sử dụng cho mô phỏng trong suốt một năm khí tượng điển hình của Đà Nẵng để biết điều kiên tiện nghi trong các phòng. Tập tin khí tượng điển hình trong một năm (TMY weather file) của Đà Nẵng được mua từ Meteotest (Thụy Sĩ).

Căn hộ được giả định là luôn sử dụng bởi 3 người và các cửa thông gió luôn mở trong năm. Thời gian và số người sử dụng căn hộ được thiết lập giống như lịch sinh hoạt của một gia đình công chức Việt.

3. Kết quả và thảo luận:

Hình 5 giới thiệu sự thay đổi nhiệt độ không khí trong toàn căn hộ trong suốt một năm khí hậu điển hình của Đà Nẵng (chi tiết đến 8760 giờ). Có thể nhận thấy vào giữa mùa Đông và giữa mùa Hè, căn hộ thường không đảm bảo tiện nghi nhiệt. Cũng có thể thấy là nhiệt độ trong nhà thường lớn hơn nhiệt độ ngoài nhà khá nhiều, đặc biệt về ban đêm. Do đó, việc tăng cường thông gió đêm sẽ giúp cải thiện nhiều tiện nghi nhiệt trong mùa Hè. Bất tiện nghi do lạnh trong mùa Đông có thể giảm thiểu bằng cách kiểm soát đóng mở cửa thông gió.

image015

Hình 5. Nhiệt độ trong căn hộ trong suốt một năm, so với mô hình tiện nghi nhiệt

Độ dài khoảng thời gian bất tiện nghi được nêu rõ trong bảng 1, theo đó khoảng 11% trong một năm, căn hộ bất tiện nghi.  Bất tiện nghi do khí hậu Đà Nẵng gây ra khoảng 40.4% trong 1 năm. Như vậy căn hộ đã giảm được 29.5% bất tiện nghi do chính khí hậu gây ra.

Bảng 1. Chi tiết về bất tiện nghi nhiệt trong căn hộ so với bất tiện nghi do chính khí hậu gây ra

Căn hộ gốc Căn hộ cải tiến
Phòng ngủ 1 (giờ) 940 361
Phòng ngủ 2 (giờ) 955 375
Phòng khách (giờ) 965 341
Trung bình (giờ) 953 359
% bất tiện nghi nhiệt 10.9 4.1
Bất tiện nghi do khí hậu 40.4 40.4
% cải thiện bởi công trình 29.5 36.3

Để cải thiện tiện nghi nhiệt, tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng tham số (parametric simulation) để điều chỉnh thiết kế nguyên thủy của căn hộ. Giả định rằng căn hộ được cải tiến với các điều chỉnh sau đây: thêm cách nhiệt dày 1 cm giữa tường ngoài; mở của thông gió ban đêm vào mùa Hè, mùa Thu và mùa Xuân (các thời gian còn lại đóng); thêm tấm che nắng ngang rộng 0.8 m trên hai của sổ phòng ngủ; thay kính cửa sổ thành kính 2 lớp hút chân không; tường ngăn trong nhà chuyển thành tường dày 200 mm. Kết quả mô phỏng của căn hộ sau cải tiến cũng được nêu trong bảng 1. Căn hộ cải tiến đã cải thiện rõ rệt điều kiện tiện nghi với bất tiện nghi chỉ còn 4.1% trong một năm (359 giờ). Mức độ này là chấp nhận được trong một ngôi nhà ở vùng khí hậu nóng ẩm.

4. Kết luận:

Bài báo giới thiệu một phương pháp đánh giá tiện nghi nhiệt trong khoảng thời gian dài trong công trình thông gió tự nhiên. Phương pháp chủ yếu dựa trên kết quả mô phỏng với mô hình số được cân chỉnh kỹ lưỡng, cho ra kết quả có độ tin cậy cao. Kết quả nghiên cứu cho thấy, căn hộ chung cư dành cho người thu nhập thấp tại Đà Nẵng có điều kiện tiện nghi nhiệt khá tốt với khoảng 89% tiện nghi trong một năm. Các giải pháp thiết kế phù hợp có thể tăng con số này lên đến xấp xỉ 96%.

Đây là công trình khoa học đầu tiên ở Việt Nam giới thiệu cách đánh giá tiện nghi nhiệt thông qua phương pháp và cách tiếp cận tiên tiến trên mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng và có thể coi như là một cống hiến nguyên thủy của bài báo. Phương pháp giới thiệu trong bài báo có thể sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác, ví dụ như tối ưu hóa thiết kế mới, định hướng cải tạo công trình, đánh giá năng lượng tiêu thụ nếu công trình được điều hòa nhân tạo.

Tuy không nằm trong nội dung chính của bài báo, tác giả kiến nghị với cơ quan quản lý về việc sớm nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn về tiện nghi nhiệt trong công trình thông gió tự nhiên của Việt Nam (TCVN 7438:2004 đã có chỉ được áp dụng cho môi trường có điều hòa không khí). Hiện nay Châu Âu và Mỹ và nhiều nước khác đã xây dựng xong tiêu chuẩn này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1]      Nguyen, A.T., “Đề xuất mô hình tiện nghi nhiệt áp dụng cho người Việt Nam trong các tình huống và thể loại công trình khác nhau”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, tập 5,  2012, trang 71-77.

[2]      Nguyen, A.T., Singh, M.K. and Reiter, S. “An adaptive thermal comfort model for hot humid South-East Asia”, Building and Environment, tập 56, Elsevier, 2012, trang 291-300.

[3]      Crawley, D.B. và các tác giả khác, “EnergyPlus: creating a new-generation building energy simulation program”, Energy and Buildings, tập 33(4), Elsevier, 2001, trang 443–57.

[4]      Walton, G.N., “Airflow network models for element-based building airflow modeling”, ASHRAE Transactions, tập 95(2), ASHRAE, 1989, trang 611–620.

[5]      PHOENICS 2010. Available from http://www.cham.co.uk [Truy cập lần cuối ngày 25 tháng 2 năm 2013]. CHAM Co. 2013.

[6]      Nguyen, A.T. and Sigrid, R., “An investigation on thermal performance of a low cost apartment in hot humid climate of Danang”, Energy and Buildings, tập 47, Elsevier, 2012, trang 237-246.


 

Advertisements

2 thoughts on “PHƯƠNG PHÁP MỚI CHO ĐÁNH GIÁ TIỆN NGHI NHIỆT TRONG CÔNG TRÌNH THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN”

  1. Hey there, I just hopped over to your web-site thru StumbleUpon. Not somthing I might typically read, but I enjoyed your thoughts none the less. Thank you for making some thing worthy of reading.

  2. Em chào thầy ạ, em đang lang thang tìm kiếm tài liệu thì vô tình nhặt được bí kíp là trang wordpress này của thầy. Phải nói là mừng rỡ cực kì thầy ạ, đây là một nguồn tài liệu cực kì quý giá, nhất là các bài nghiên cứu về mảng tiện nghi nhiệt phù hợp với người Việt và các điều kiện khí hậu Việt Nam cho công trình xanh. Em xin cám ơn thầy rất nhiều, rất nhiều ạ :).
    Em tên là Lê Lương Vàng, hiện tại đang học chuyên về mảng công trình xanh và công trình tiết kiệm năng lượng.
    Nếu được sự cho phép của thầy, em có mong muốn được kết bạn với thầy trên Linkedin: https://fr.linkedin.com/in/le-luong-vang-ba8223112
    Hoặc qua facebook, hoặc email ạ… để sau này có cơ hội được gặp mặt và được thầy chia sẻ 🙂
    Em xin cám ơn thầy,

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s