TIỆN NGHI NHIỆT TRONG MỘT SỐ GIẢNG ĐƯỜNG THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN

Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN. Số: Số 01(86).2015.

Tác giả; Nguyễn Anh Tuấn, Lê Thị Kim Dung – Khoa Kiến trúc, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; Email: natuan@ud.edu.vn

1. Đặt vấn đề

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, các công trình kiến trúc được thông gió tự nhiên vốn dĩ rất phổ biến. Trong loại hình công trình này, mối quan tâm hàng đầu của người thiết kế cũng như người sử dụng là chất lượng môi trường trong công trình như: tiện nghi nhiệt, độ ẩm, nồng độ các chất độc hại… Trong quá trình giảng dạy, tác giả thường xuyên nhận được các phàn nàn của sinh viên liên quan đến chất lượng môi trường trong giảng đường, đặc biệt là những tháng nóng bức của năm. Việc không thỏa mãn với chất lượng môi trường bên trong giảng đường khiến nhiều sinh viên không thể tập trung học tập. Trước yêu cầu đó, chúng tôi quyết định tiến hành một nghiên cứu nghiêm túc về chất lượng môi trường trong các giảng đường thông gió tự nhiên.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là việc xác định phản ứng của người học về môi trường nhiệt trong các giảng đường trong cả năm (cả mùa nóng và mùa lạnh). Kết quả của nghiên cứu sẽ giúp chúng ta có cái nhìn tổng thể về chất lượng môi trường trong các giảng đường hiện nay, có các biện pháp cải thiện; đồng thời kết quả nghiên cứu cũng giúp các nhà thiết kế xác định đúng các giải pháp kiến trúc, xây dựng nhằm đảm bảo tiện nghi cho người học.

2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp chính sử dụng trong nghiên cứu này quan trắc đo đạc môi trường trực tiếp tại giảng đường và điều tra phản ứng của người học bằng phiếu điều tra. Địa điểm khảo sát là các giảng đường được chọn ngẫu nhiên của các trường thành viên thuộc Đại học Đà Nẵng, bao gồm: trường Đại học Bách khoa, Đại học Kinh tế, Đại học ngoại ngữ, trường Cao đẳng công nghệ, và Trung tâm thông tin tư liệu. Tổng cộng đã có 39 giảng đường thuộc các trường được khảo sát. Thời điểm khảo sát kéo dài từ tháng 4/2012 đến hết tháng 1/2014. Trong mỗi tháng, chúng tôi chỉ khảo sát vào 2 ngày đại diện cho tháng – vào khoảng ngày 10 và 20 của tháng đó. Các tháng khảo sát được chọn gồm các tháng nóng cao điểm và các tháng lạnh nhất trong năm. Đối tượng quan trắc trong nhà gồm có: Nhiệt độ không khí, nhiệt độ bức xạ trung bình của các bề mặt, tốc độ gió, độ ẩm không khí, độ rọi tự nhiên trên mặt làm việc (dùng cho nghiên cứu khác). Thiết bị quan trắc trong nhà được mô tả trong Bảng 1.

Bảng 1: Các thiết bị quan trắc và thông số kỹ thuật

Thông số đo Tên thiết bị Phạm vi đo Độ phân giải Độ chính xác Nơi sản xuất
Nhiệt độ không khí và độ ẩm HOBO U12 External Data Logger 5 – 95% và

-20 – 70ºC

0.03ºC và 0.03% ±2.5% và ±0.35ºC U.S.A
Độ rọi HOBO U12 External Data Logger 1 – 3000 lm/ft2 0.1

lm/ft2

±2.5% giá trị đo U.S.A
Nhiệt độ bề mặt Hanna Infrared thermometer HI 9950 -10 đến 300ºC 1ºC ±2% và ±2ºC Ru-ma-ni
Tốc độ gió Airflow anemometer LCA 6000 0.1 to 20 m/s 0.01m/s ± 1% và ± 1 nấc đo Anh

Thiết bị đo được bố trí ở giữa giảng đường, ở độ cao mặt bàn giúp ghi nhận giá trị trung bình tại địa điểm đo. Thiết lập này được mô tả trong Hình 1.

image001

Hình 1: Vị trí đặt thiết bị quan trắc trong lớp học

Ở ngoài trời, nhiệt độ không khí và độ ẩm được thu thập từ trạm khí tượng của Trung tâm khí tượng thủy văn khu vực Trung Trung bộ. Một trạm quan trắc thời tiết đơn giản theo thời gian thực được đặt tại nhà riêng, giúp tác giả kiểm tra đối chiếu với kết quả của trạm khí tượng.

Sinh viên trong các giảng đường nói trên được được mời tham gia điều tra bằng cách trả lời vào bảng câu hỏi. Nội dung bảng câu hỏi yêu cầu sinh viên cung cấp một số thông tin về giới tính, hình thể, và vị trí trong lớp học. Sau đó sinh viên đánh giá cảm giác nhiệt của bản thân trên thang cảm giác nhiệt 7 nấc của ASHRAE. Chi tiết của phiếu điều tra được giới thiệu trong Hình 2. Nội dung phiếu điều tra rất ngắn gọn, giúp sinh viên dễ dàng trả lời đầy đủ và có thời gian cân nhắc câu trả lời.

Tổng cộng đã có trên 1850 sinh viên tham gia điều tra, mỗi sinh viên trả lời một phiếu. Trong số đó 1839 phiếu điều tra trả lời đầy đủ và phù hợp với yêu cầu. Số lượng lượt điều tra rất lớn giúp củng cố vững chắc độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

hinh 2

Hình 2: Chi tiết phiếu khảo sát

Toàn bộ kết quả khảo sát và điều tra được lưu trữ và xử lý bằng phần mềm thống kê Stata 10. Phần mềm Stata 10 giúp tác giả thực hiện các phân tích hồi quy có trọng số và các kiểm định chi-bình phương kiểu Pearson (Pearson’s chi-squared test). Một kết quả kiểm định chi-bình phương được cho là có ý nghĩa thống kê nếu nó không có khả năng xảy ra là do ngẫu nhiên, với ngưỡng p-value ≤ 0.05. Toàn bộ dữ liệu thu được từ cuộc khảo sát và điều tra được tường thuật chi tiết trong Phụ lục 1.

3. Các kết quả chính của nghiên cứu

3.1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ – độ ẩm trong giảng đường và bên ngoài

Hình 3 biểu diễn mối quan hệ của nhiệt độ – độ ẩm không khí bên trong giảng đường và ở ngoài trời tại các thời điểm khảo sát. Mỗi chấm tròn trên biểu đồ đại diện cho một lần khảo sát. Hình 3 cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí trong và ngoài công trình với hệ số tương quan R2 ≈ 0.95. Điều này có nghĩa là các giảng đường được thông gió tốt, khiến cho nhiệt độ bên trong và bên ngoài giảng đường luôn có liên hệ mật thiết. Điều đáng lưu tâm là trong hầu hết các lần khảo sát, nhiệt độ không khí trong nhà luôn cao hơn bên ngoài trời, chủ yếu là do nhiệt hiện tỏa ra từ đám đông. Vào mùa nóng khí hậu ở Đà Nẵng vốn dĩ đã nóng và ẩm, do đó điều kiện bên trong giảng đường rất oi bức. Có đến 16/24 lần khảo sát, nhiệt độ trong giảng đường vượt ngưỡng 30 °C và mức cảm giác nhiệt trung bình của số đông vượt quá +1 (bất tiện nghi do nóng). Vào mùa lạnh có đến 11/16 lần khảo sát mức cảm giác nhiệt trung bình của số đông nhỏ hơn -1 (bất tiện nghi do lạnh). Vậy 27/40 lần khảo sát, kết quả số đông không thỏa mãn về tiện nghi nhiệt.

Hình 3 cũng cho thấy độ ẩm không khí trong nhà thì thường thấp hơn ngoài trời. Điều này hoàn toàn phù hợp với quy luật tự nhiên của không khí ẩm: nhiệt độ tăng thì độ ẩm giảm xuống. Độ ẩm trong nhà hiếm khi vượt ngưỡng 80%. Theo chúng tôi, do yếu tố thích nghi độ ẩm này không gây khó chịu cho người học mặc dù tiêu chuẩn các nước phát triển (ví dụ như Mỹ) chỉ cho phép độ ẩm tối đa ở mức 60% hoặc 12g hơi nước/1kg không khí [1].

hinh 3

Hình 3: Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và độ ẩm không khí trong giảng đường với ngoài trời – Mỗi điểm trên biểu đồ là kết quả một lần khảo sát

3.2. Môi trường nhiệt độ ưa thích của sinh viên trong giảng đường đại học

Thiết kế của cuộc điều tra kéo dài cả mùa nóng và mùa lạnh cho phép nghiên cứu này rút ra được nhiệt độ môi trường ưa thích của người học trong giảng đường. Hình 4 giới thiệu phép hồi quy tuyến tính có trọng số (có xét đến độ lớn của từng mẫu khảo sát – thể hiện qua đường kính của vòng tròn trên hình). Phép hồi quy cho kết quả mối liên hệ giữa nhiệt độ tổng hợp trong nhà và cảm giác nhiệt của người học như sau:

equation 1

trong đó To là nhiệt độ tổng hợp của nhiệt độ không khí Tkk và nhiệt độ bức xạ trung bình Tbxtb của các bề mặt (khi vận tốc gió nhỏ hơn 0.2 m/s thì ).

hinh 4

Hình 4: Cảm giác nhiệt của sinh viên và nhiệt độ tổng hợp trong giảng đường

Bằng cách cho cảm giác nhiệt bằng 0 vào công thức , nhiệt độ ưa thích của sinh viên nhận được là 28.1 °C. Kết quả này rất giống với kết quả (27.9 °C) của một cuộc điều tra tiện nghi nhiệt ở quy mô lớn hơn trong khu vực Đông Nam Á [2]. Nhiệt độ ưa thích (hay có thể coi là nhiệt độ tiện nghi) trong các giảng đường thông gió tự nhiên cao hơn so với ở trong môi trường có thiết bị điều hòa hoặc sưởi ấm, vốn dao động quanh ngưỡng 25.5 đến 26 °C [3; 4; 5].

Độ tin cậy của phân tích nói trên là rất tốt vì hệ số tương quan đạt R2 ≈ 0.89 và p-value = 0. Phạm vi dải tin cậy 95% (confident interval – CI) trong hình 4 rất hẹp, cho thấy nếu lặp lại nghiên cứu này nhiều lần nữa thì xác suất 95% kết quả lọt vẫn trong phạm vi đó.

3.3. Mối quan hệ giữa cảm giác nhiệt và tốc độ gió

Chúng tôi thực hiện một phân tích để xem xét liệu có mối liên hệ nào giữa vận tốc gió trong công trình và cảm giác nhiệt của sinh viên hay không. Một phân tích hồi quy có trọng số được thực hiện, như trình bày trên Hình 5. Hình 5 cho thấy sự liên quan giữa tốc độ gió trong nhà và cảm giác nhiệt của sinh viên có thể biểu diễn bằng một hàm bậc nhất:

equation 2

Tuy nhiên, mối quan hệ này rất yếu (R2 = 0.097) và không có ý nghĩa thống kê (kiểm định chi- bình phương cho kết quả p-value > 0.05). Dải tin cậy 95% cũng rất rộng, cho thấy mối liên hệ này không đáng tin cậy.

hinh 5

Hình 5: Cảm giác nhiệt của sinh viên và tốc độ gió trong giảng đường

Trên thực tế thì cảm giác nhiệt chịu sự chi phối của 4 yếu tố môi trường: nhiệt độ không khí, nhiệt độ bức xạ trung bình, độ ẩm, gió. Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường (chứ không phải gió) mới là yếu tố chủ đạo chi phối cảm giác nhiệt. Kết quả của phân tích này cũng khẳng định điều đó. Có thể nói muốn tạo được môi trường tiện nghi về nhiệt thì điều kiện nhiệt độ cần phải thỏa mãn trước tiên.

3.4. Xây dựng một mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng

Các mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ tiện nghi trong nhà dựa trên các yếu tố thời tiết ngoài nhà (chủ yếu là trung bình nhiệt độ không khí ngoài trời). Lý thuyết thích ứng nói trên dựa trên những phát hiện rằng con người thích nghi tốt với các thay đổi của môi trường thông qua các điều tiết tâm sinh lý và điều chỉnh cá nhân, do vậy nhiệt độ tiện nghi của con người không cố định mà thay đổi theo thời tiết [6]. Ví dụ: người ta phát hiện rằng trong các công trình được thông gió tự nhiên, nhiệt độ ưa thích của con người vào mùa lạnh và muà nóng là khác nhau [2; 7]. Các mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng thường cố thiết lập mối liên hệ giữa nhiệt độ tiện nghi với nhiệt độ không khí trung bình ngoài nhà. Ví dụ, dựa trên dữ liệu điều tra của hơn 21000 mẫu (phiếu) de Dear và Brager [8] đưa ra một mô hình thích ứng về tiện nghi nhiệt áp dụng cho các công trình được thông gió tự nhiên:

equation 3

trong đó Ttn là nhiệt độ tổng hợp tiện nghi, TTB.thang là nhiệt độ trung bình tháng ngoài nhà.

Nghiên cứu này cố gắng thử thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt độ tiện nghi trong các giảng đường với một số yếu tố thời tiết bên ngoài, gồm:

  • Với nhiệt độ trung bình hàng tháng ngoài nhà;
  • Với nhiệt độ trung bình ngoài nhà 7 ngày liên tiếp trước mỗi lần khảo sát – có trọng số (running mean outdoor temperature – xem tài liệu [9]);
  • Với nhiệt độ trung bình ngoài nhà 10 ngày liên tiếp trước mỗi lần khảo sát.

3.4.1. Nhiệt độ tiện nghi và nhiệt độ trung bình tháng ngoài nhà

Dữ liệu điều tra được gom lại và xử lý theo từng tháng riêng biệt. Trong mỗi tháng, phép hồi quy tuyến tính giúp chúng tôi xác định được nhiệt độ tiện nghi Ttn tương ứng với nhiệt độ trung bình của tháng đó (xem Bảng 2). Các giá trị R2 và p-value cũng cung cấp thêm thông tin về độ tin cậy và độ chính xác của phép hồi quy.

Bảng 2: Mối quan hệ giữa nhiệt độ tiện nghi Ttn trong giảng đường và nhiệt độ trung bình tháng bên ngoài Ttb.thang

Tháng Ttn Ttb.thang R2 p-value Chất lượng
1/2014 26.03 20.30 0.482 0.121 Được
12/2013 33.28 20.80 0.258 0.231 Xấu
6/2012 29.28 31.69 0.417 0.016 Tốt
5/2012 27.36 29.47 0.109 0.554 Xấu
4/2012 27.87 28.24 0.933 0.000 Tốt

Dựa trên kết quả trong Bảng 2 (chỉ xét những kết quả tốt hoặc chấp nhận được), ta nhận thấy có một mối liên hệ khá rõ ràng giữa nhiệt độ trung bình tháng bên ngoài và nhiệt độ tiện nghi trong nhà. Nhiệt độ trung bình tháng tăng thì nhiệt độ tiện nghi cũng tăng. Do chỉ có 3 dữ liệu tin cậy, chúng tôi vẫn chưa thể thiết lập một mô hình toán cho mối liên hệ này.

3.4.2. Nhiệt độ tiện nghi và nhiệt độ trung bình ngoài nhà 7 – 10 ngày liên tiếp trước mỗi lần khảo sát

Từ mỗi một kết quả điều tra cảm giác nhiệt, để rút ra nhiệt độ tiện nghi tương ứng, chúng tôi dùng một thuật toán đã được thừa nhận như sau (xem [2]):

equation 4

trong đó To là nhiệt độ tổng hợp; 0.384 được gọi là hằng số Griffiths.

Hình 6 và Hình 7 giới thiệu mối liên hệ giữa nhiệt độ tiện nghi và nhiệt độ trung bình ngoài nhà 7 ngày và 10 ngày liên tiếp trước mỗi lần khảo sát. Cả hai Hình 6 và 7 đều cho thấy mối liên hệ khá rõ là: khi nhiệt độ trung bình ngoài nhà tăng, nhiệt độ tiện nghi cũng tăng, nhưng mức tăng không nhiều (hệ số góc của hàm quan hệ chỉ khoảng 0.17). Mặc dù mối liên hệ này có ý nghĩa thống kê (p-value = 0.00, tức là không phải diễn ra do ngẫu nhiên), nhưng hệ số tương quan R2 là khá nhỏ cho thấy kết quả cần phải được kiểm chứng thêm.

Các mối liên hệ nói trên có thể được giải thích bằng lý thuyết tiện nghi nhiệt thích ứng [7] như sau: Con người thường thích nghi với thời tiết bằng cách lựa chọn trang phục, cách vận động, cách vận hành công trình (đóng mở cửa, bật tắt quạt…) dựa trên điều kiện thời tiết chủ đạo trong thời gian trước đó. Do đó, khi nhiệt độ ngoài trời nhiều ngày liên tiếp trước đó thay đổi, thói quen điều chỉnh giúp con người thích ứng với sự thay đổi thể hiện qua sự thay đổi nhiệt độ tiện nghi. Điều này thường thỏa mãn trong các công trình được thông gió tự nhiên, nơi các điều chỉnh dễ dàng thực hiện được.

hinh 6

Hình 6: Nhiệt độ tiện nghi và nhiệt độ ngoài nhà trung bình 7 ngày liên tiếp có trọng số

hinh 7

Hình 7: Nhiệt độ tiện nghi và nhiệt độ ngoài nhà trung bình 10 ngày liên tiếp

 

4. Thảo luận và kết luận

Thông qua khảo sát điều kiện môi trường và điều tra cảm giác nhiệt trong các giảng đường thuộc Đại học Đà Nẵng, bài báo phân tích các mối liên hệ giữa các yếu tố môi trường với cảm giác nhiệt của con người. Phát hiện quan trọng nhất của nghiên cứu này là nhiệt độ môi trường tiện nghi (ưa thích) của con người trong các giảng đường là khoảng 28.1 °C. kết quả này cũng phù hợp với kết quả của nhiều nghiên cứu trước đó, vốn cho rằng nhiệt độ tiện nghi trong công trình thông gió tự nhiên cao hơn trong công trình có điều hòa khoảng 2 °C. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có mối liên hệ rõ ràng giữa điều kiện thời tiết ngoài nhà và nhiệt độ tiện nghi trong nhà, phản ánh hoạt động thích nghi của con người với thời tiết.

Nghiên cứu cũng cho thấy nhiều giảng đường chất lượng môi trường không tốt (quá nóng hoặc lạnh). Rất nhiều trong số đó có thiết kế không đảm bảo (theo tác giả). Đây là chỉ báo cho thấy chúng cần được rà soát, đánh giá và cải tạo nếu cần thiết.

5. Lời cảm ơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo các trường, các phòng thuộc Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện cho phép tác giả tiến hành thí nghiệm. Tác giả xin cảm ơn các giảng viên và sinh viên đã quan tâm giúp đỡ hợp tác trong điều tra. Xin cảm ơn Khoa Môi trường đã hỗ trợ một phần thiết bị quan trắc.

Trên cơ sở kết quả của cuộc điều tra, Trường Cao đẳng Công nghệ đã đi đến quyết định cải tạo sửa chữa các giảng đường không đảm bảo tiện nghi thuộc khu A vào năm 2013.

Tài liệu tham khảo

  • ASHRAE, ASHRAE standard 55-2004: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, ASHRAE, Inc., 2004.
  • Nguyen, A.T., Singh, M.K.và Reiter, S., “An adaptive thermal comfort model for hot humid South-East Asia”, Building and Environment, tập 56, 2012, trang 291-300.
  • Rohles, F.H. và Nevins, R.G., “The nature of thermal comfort for sedentary man”, ASHRAE Transactions, tập 77, 1971, trang
  • Fanger, P.O., Thermal comfort, Danish Technical Press, 1970.
  • Tanabe, S., Kimura, K. và Hara, T., “Thermal comfort requirements during the summer season in Japan”, ASHRAE Transactions, tập 93, 1987, trang
  • 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 ĐHĐN, tập 5, 2012, trang 71-77.
  • Nicol, J.F. và Humpheys, M., “Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings”, Energy and buildings, tập 34, 2002, trang 563 – 572.
  • de Dear, R.J. và Brager, G.S., “Thermal comfort in naturally ventilated buildings: revisions to ASHRAE Standard 55”, Energy and Buildings, tập 34, 2002, trang 549–561.
  • CEN, CEN Standard EN15251: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings – addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, Comité Européen de Normalisation, 2007.
Advertisements

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