• March

    27

    2017
  • 46
  • 0
Thông gió đón không khí tự nhiên có kiểm soát – Đề xuất mới trong thiết kế theo định hướng mở đón tự nhiên

Thông gió đón không khí tự nhiên có kiểm soát – Đề xuất mới trong thiết kế theo định hướng mở đón tự nhiên

Khí hậu Việt Nam và cách thích ứng của người Việt

Chúng ta đều biết Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới, lại có lãnh thổ nằm sát biển, chịu ảnh hưởng của nhiều khối gió mùa nên khí hậu khác xa với nhiều nước có vĩ độ tương tự – đặc biệt ở khu vực miền Bắc – đến mức một số nhà nghiên cứu khí hậu gọi là “khí hậu dị thường” (xem: Khí hậu Việt Nam của Phạm Ngọc Toàn và Phan Tất Đắc). Đó là mùa nóng nhiệt độ không quá cao, nhưng độ ẩm tương đối lớn, ban đêm nói chung tương đối mát mẻ. Ví dụ, ở Hà Nội, nhiệt độ cao hơn 330C chỉ xuất hiện 4,65% số giờ trong một năm, còn độ ẩm trên 90%  xuất hiện tới gần 46% số giờ /năm (thống kê phân tích sinh khí hậu từ năm 1981 đến năm 2000 [3]).

Sống lâu năm trong khí hậu này, người Việt Nam đã có cách “ứng xử khôn ngoan”. Đó là sử dụng quạt để cải thiện vi khí hậu, từ quạt mo, quạt nan đến quạt giấy và ngày nay là quạt điện. Ứng xử lâu đời trở thành “thói quen thích ứng”, đến ngay cả những lúc trời se lạnh, phải đắp chăn để ngủ mà vẫn muốn chạy quạt.

Xin các bạn lưu ý rằng, không chỉ người ở vùng lạnh, mà cả người vùng nóng khô cũng không có cách ứng xử này.

Hãy phân tích theo phản ứng nhiệt của cơ thể: Ngay khi chỉ ngồi đọc sách, người ta cũng sinh ra một lượng nhiệt khoảng 100W (nhiệt sinh lý – Metabolism). Cơ thể chỉ sử dụng khoảng 20%, còn 80% lượng nhiệt này phải được thải ra, ta mới thấy dễ chịu. Trong các cách thải nhiệt của cơ thể, nhiệt thải bằng bay hơi nước (mồ hôi) lớn gấp khoảng 10 lần thải bằng đối lưu (không khí tiếp xúc với cơ thể và lấy nhiệt). Ở vùng nóng khô (chỉ lấy độ ẩm 50%) nhiệt thải bằng đối lưu không khác so với vùng nóng ẩm (lấy độ ẩm 90%), nhưng nhiệt thải bằng bay hơi có giá trị lớn gấp 2 lần. Khi có gió 2 m/s, lượng thải này khoảng 1500 W. Vì vậy, người ta có thể bị cảm do mất nhiệt đột ngột.

Trường PTTH Nguyễn Thiện Thành, Trà Vinh

Ngày nay, chúng ta nên coi chiếc quạt điện như là một thiết bị tự nhiên, thông thường để cải thiện vi khí hậu, bởi vì kinh phí cho nó rất thấp, cả về mua sắm, cả về tiêu thụ điện năng và gần như nhà nào cũng có.

Chính vì lý do đó, trong TC Kiến trúc số 255-07-2016, tác giả (TG) đã đề xuất hai định hướng thiết kế Kiến trúc xanh Việt Nam [1]. Trong đó, định hướng (2) – Nhà (hoặc không gian) mở, đón gió và không khí tự nhiên – cần được khuyến khích trong thiết kế công trình.

Cũng xin lưu ý thêm rằng: Hệ thống ĐHKK trong các nhà văn phòng hiện nay tiêu thụ từ 40 – 50% tổng số điện năng của tòa nhà, và các nghiên cứu sinh học đều nói rằng thở hít không khí tự nhiên tốt hơn cho sức khỏe con người, không bị một số “Hội chứng bệnh trong nhà đóng kín / Sick Building Syndrome”.

Thiết kế đón không khí tự nhiên: Mong muốn và bất cập

Yêu cầu đón không khí tự nhiên để nâng cao tiện nghi vi khí hậu trong nhà đòi hỏi phải đưa được không khí tự nhiên (không ô nhiễm) vào toàn bộ diện tích sử dụng trong nhà, đồng thời phải có vận tốc trong giới hạn 0,5 – 2,0 m/s tùy thuộc nhiệt độ và độ ẩm của không khí bên ngoài (xem [1 & 2]). Thông gió tự nhiên (TGTN) nhờ áp lực nhiệt (Thermal force) thông thường chỉ tạo được vận tốc dưới 0,3 m/s, chưa thay đổi được cảm giác nhiệt. Muốn tạo được vận tốc lớn hơn, cần lợi dụng áp lực gió (Wind force), đó là Thông gió xuyên phòng (Cross Ventilation) với yêu cầu có tính nguyên tắc là có cửa đón gió (tốt nhất ở hướng có gió mát thịnh hành) và cửa thoát gió nằm ở hai mặt nhà khác nhau của phòng, tốt nhất là đối diện nhau.

Mùa hè năm 2015, Viện Nghiên cứu thiết kế trường học (Bộ Giáo dục và đào tạo) đã khảo sát môi trường trong nhà tại 10 trường PTTH và vài trường Đại học ở các thành phố phía Nam. Điều chúng tôi nhận thấy là cả 100% số trường đều mở đón tự nhiên, không sử dụng (hay không có nhu cầu sử dụng) ĐHKK, kể cả ĐH Tiền Giang và ĐH Tây Nguyên. Thuận lợi trong thiết kế đón không khí tự nhiên của các trường học là do nhà có hành lang bên, các lớp học nằm về một phía đón gió mát và tránh được nắng mặt trời. Trường hợp lớp học ở hai phía, thì tổ chức sân trong, vừa thuận lợi thông gió, vừa lấy ánh sáng và tạo được nơi gặp gỡ, trao đổi bài học cho sinh viên.

ĐH Tiền Giang với sân trong. Thiết kế TS. KTS. Trần Thanh Bình

Nguyên tắc TGTN nói trên dẫn tới một số khó khăn, bất cập trong thiết kế kiến trúc, đặc biệt đối với nhà văn phòng và chung cư sau đây.

Bất cập 1 – TGTN xuyên phòng cần lợi dụng gió tự nhiên, nhưng gió luôn luôn đổi hướng và vận tốc. Hướng gió chủ đạo chỉ là hướng có tần suất xuất hiện gió lớn nhất. Thông thường tần suất gió hướng chủ đạo chỉ chiếm 30 – 40% (max), bên cạnh đó, tần suất lặng gió cũng từ 10 – 40% [xem 3]. Vì vậy việc lợi dụng áp lực gió bên ngoài để TGTN không thể tạo được một vận tốc gió ổn định trong nhà với bất cứ một tổ hợp mặt bằng nào. Đó là lý do vì sao để ứng phó với khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam, người dân ta từ lâu đời phải luôn dùng thêm quạt.

Mặt bằng các tòa chung cư Trung yên (Hà Nội), Thuận kiều Plaza, (HCM) & Dolphin Plaza, Bắc An Khánh (Hà Nội)

Mặt khác, để đón gió vào nhà, chỉ nên lấy đến gió cấp 4 (dưới 8,0 m/s), cấp 5 (10 m/s). Nhưng ở nước ta thường có gió mạnh tới 24 m/s (cấp 9) và bão 30 m/s (cấp 11), thậm chí 40 m/s (cấp 13). Đó là chưa kể khi có các siêu bão, gió tới 50 m/s (cấp 15), 60 m/s (cấp 17). Cửa sổ các phòng và đặc biệt các không gian hở và nửa hở trong nhà cao tầng hiện nay chưa có giải pháp thích ứng cho sự thay đổi gió này.

Bất cập 2- Để đạt được TGTN, mặt bằng tổ chức không gian nhà nhất thiết phải có hai mặt nhà tiếp xúc với bên ngoài, hoặc thông ra ngoài. Điều này không phải lúc nào cũng đạt được, nhất là với những mặt bằng hợp khối, chặt chẽ với lõi thang ở trung tâm. Các mặt bằng chung cư Trung Yên và cả Thuận Kiều đều rất khó đạt được TGTN xuyên phòng, thậm chí ngay cả các phòng nằm ở hướng gió mát chủ đạo, bởi vì không đáp ứng được nguyên tắc đã nêu. Chung cư Dolphin Plaza tổ chức kiểu hành lang bên và bắc An Khánh (Hà Nội) với tổ hợp mặt bằng phân tán có lợi thế để đạt được nguyên tắc này, nhưng để đón được đúng hướng gió chủ đạo, không phải mọi căn hộ đều đạt được TGTN xuyên phòng tốt (ví dụ các căn hộ E1 và E2, D1 và D2), bởi vì tại các đô thị miền Bắc, gió mát là đơn hướng.

Các tòa chung cư tại Malaysia và Singapore với sáng tạo trong tổ hợp mặt bằng kiểu tập trung hoặc phân tán, tạo được thuận lợi trong TGTN xuyên phòng cho mọi căn hộ, nhưng để kiểm soát vận tốc TGTN  trong nhà toàn thời gian cũng không thể đạt được, nếu không có sự hỗ trợ của quạt điện, do gió mát luôn thay đổi hướng và vận tốc  – như đã trình bày ở trên.

Mặt bằng các chung cư MBF Tower, Penang, Malaysia & Singapore

Bất cập 3 – Theo chiều cao tòa nhà, vận tốc gió tăng dần theo số tầng. Vận tốc gió do các đài khí tượng cung cấp thường được đo ở độ cao 9 – 10m từ mặt đất, nơi quang đãng. Nếu vận tốc gió trong đô thị ở độ cao 10m là 10 m/s (gió cấp 5) thì ở độ cao 30 m là 15,5 m/s (gió cấp 7 – gió mạnh), 50 m là ~19,0 m/s (gió cấp 8) và 70 m là ~22 m/s (gió cấp 9 – rất mạnh). Đặc biệt khi có gió giật mạnh hoặc bão tố – thường xảy ra ở vùng nhiệt đới – vận tốc gió ở các tầng nhà cao sẽ rất lớn. Kiểm soát vận tốc gió để bảo đảm tiện nghi và an toàn trong trường hợp nhà cao / siêu cao tầng đòi hỏi phải có giải pháp kiến trúc mới, công nghệ mới và cả yêu cầu quản lý đổi mới.

Bất cập 4 – Vấn đề tiếng ồn đô thị xâm nhập vào trong nhà. Muốn có TGTN xuyên phòng nhất thiết phải mở rộng cửa, khi đó khả năng cách âm của cửa sổ sẽ không còn, kể cả các loại cửa chớp – một giải pháp công nghệ rất hay do các KTS Pháp đưa vào Việt Nam trên 100 năm nay, rất thích hợp để vừa chống nóng, chống lạnh và kiểm soát ánh sáng cho nhà ở miền Bắc. Một giải pháp công nghệ cho các loại “cửa chớp TGTN và chống ồn” còn đang được nghiên cứu về mặt lý thuyết.

Các phân tích của chúng tôi cho thấy TGTN xuyên phòng có vai trò rất quan trọng về chất lượng và tiện nghi môi trường, về hiệu quả sử dụng năng lượng, về kinh tế thiết bị và vận hành công trình. Tuy nhiên, với mọi thiết kế kiến trúc, kể cả thiết kế hoàn hảo nhất, cũng không thể đưa được không khí tự nhiên vào nhà với vận tốc mong muốn trong suốt thời gian hoạt động. Nói cách khác, thông gió xuyên phòng có kiểm soát (chủ yếu về vận tốc) gây khó khăn cho người thiết kế, và không thể đạt được mỹ mãn trong thực tế ở điều kiện khí hậu Việt Nam, đặc biệt đối với nhà cao tầng.

Đề xuất mới: Thông gió đón tự nhiên và kiểm soát vận tốc bằng hệ thống quạt

Đề xuất mới dựa trên kết quả phân tích không thể kiểm soát TGTN xuyên phòng hoàn toàn bằng giải pháp kiến trúc thụ động (mở cửa sổ đúng kích thước, đúng chỗ), đồng thời lại cần lợi dụng tối đa không khí tự nhiên mát mẻ và sạch sẽ của vùng nhiệt đới gần biển, giảm tối đa sử dụng hệ thống ĐHKK – một thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng.

Mục tiêu của đề xuất mới: Thông gió đón không khí tự nhiên có kiểm soát, với ý nghĩa luôn luôn tạo được một trường gió phân bố đều trong phòng, có vận tốc được điều chỉnh theo thời gian và theo mong muốn của người sử dụng, phụ thuộc nhiệt độ và độ ẩm của không khí ngoài nhà.

Giải pháp: Mỗi không gian có cửa hút và đẩy không khí, được thiết kế đặc biệt bằng một hệ thống quạt điện.

Vai trò của cửa sổ thông thường chỉ còn là:

– Đón không khí tự nhiên khi thời tiết thuận lợi và khi đã tắt hệ thống thiết kế;

– Lấy ánh sáng tự nhiên (chủ yếu);

– Tạo tầm nhìn cho người trong nhà;

– Cách âm – ngăn tiếng ồn từ bên ngoài vào nhà (khi đóng);

– Cách nhiệt khi cần ĐHKK và sưởi ấm (mùa đông ở miền bắc hay vùng núi cao). Cửa sổ trong trường hợp này phải bảo đảm “độ kín” khi đóng.

Hình trên mô tả sơ đồ nguyên tắc của giải pháp đề xuất trên mặt bằng và mặt cắt của không gian trong nhà.

Sơ đồ nguyên tắc của đề xuất 1. Các miệng thổi gió vào; 2. các miệng đẩy gió ra; 3. Quạt thổi gió vào (có thể có hoặc không); 4. Quạt đẩy gió ra; 5. Tấm phản xạ ánh sáng trên cửa sổ. 6. Trường gió

• Giải thích sơ đồ:

Miệng thổi gió vào (1) nên đặt thấp dưới cửa sổ từ độ cao 0,5 – 0,8 m so với mặt sàn. Chiều ngang tương đương chiều rộng cửa sổ, chiều cao khoảng 200 – 400mm, phụ thuộc kích thước phòng. Miệng thổi gió vào ưu tiên đặt về các hướng có gió mát, sạch sẽ, vệ sinh. Tuy nhiên cũng có thể mở cả về các hướng khác, miễn là lấy được không khí tự nhiên sạch sẽ, không bị ô nhiễm.

Miệng đẩy gió ra (2) có vị trí được điều chỉnh theo chiều rộng và cao của phòng, nhằm tạo được trường gió đi qua vùng hoạt động của con người trong phòng. Tỷ lệ kích thước giữa miệng gió vào (1) và gió ra (2) có ảnh hưởng đến vận tốc của trường gió. Diện tích các miệng gió ra (2) càng nhỏ, vận tốc trường gió sẽ càng lớn. Miệng đẩy gió ra chỉ cần đưa được không khí ra ngoài, nằm xa, tốt nhất là trái hướng so với các miệng thổi vào.

Các miệng thổi gió vào và đẩy gió ra có thể đóng kín một phần hoặc hoàn toàn theo hoạt động của người trong không gian phòng. Mặt trong các miệng thổi có thể đặt vật liệu hút âm nhằm giảm tiếng ồn từ bên ngoài và từ hệ thống quạt thổi gió.

Quạt thổi gió vào (3) cần làm việc liên tục khi cửa sổ phòng mở về các hướng bất lợi đón gió, cũng có thể ngừng hoạt động và mở cửa sổ khi thuận lợi đón gió mát.

Quạt đẩy gió ra (4) nói chung cần có và hoạt động liên tục, đặc biệt khi phía đối diện cửa sổ không được tiếp xúc với bên ngoài, phải có đường ống dẫn gió ra khá xa. Quạt đẩy gió ra nên thiết kế chung cho nhiều phòng của một căn hộ nhà ở, hoặc cho một số phòng trong khách sạn, văn phòng, trường học…

Các quạt thổi và đẩy gió đều phải điều chỉnh được vận tốc gió và được tính toán công suất phù hợp để trường gió trong phòng thay đổi theo các bậc vận tốc từ 0,2 đến 2 m/s (ví dụ điều chỉnh bằng chiết áp với mỗi 0,2 m/s). Các quạt này cũng nên có chế độ thổi gió theo chương trình (liên tục hoặc ngắt quãng – gió thoảng). Trong trường hợp các quạt có công suất lớn và sinh ra tiếng ồn đáng kể, cần phải tính toán và đặt vật liệu hút âm trong đường ống. Tính toán giảm tiếng ồn thực hiện theo phương pháp thông thường trong thiết kế thông gió.

Các đường ống dẫn gió ra có thể bố trí trên trần treo của hành lang tòa nhà.

Dưới đây giới thiệu một vài ví dụ áp dụng mô hình đề xuất ở trên.

a – Trường hợp các Hội trường, giảng đường có chiều rộng và chiều cao lớn

Nói chung, các phòng có chiều cao và chiều rộng lớn, có thể chứa đông người, như các giảng đường, phòng họp, các quạt đặt trên trần và tường không thể tạo được vận tốc mong muốn tới được chỗ ngồi để làm mát. Không khí trong phòng thoát ra ngoài có thể không đủ làm sạch không khí trong phòng, vì mỗi người ngồi nghe cũng thải ra 20 – 25 lít CO2/ giờ. Quạt lúc này chỉ có tác dụng “xáo trộn không khí” đã bị ô nhiễm. Áp dụng mô hình trên hoàn toàn giải quyết được bài toán theo định hướng thiết kế mở, đón tự nhiên.

 

Giảng đường chiều cao lớn – quạt không tới chỗ ngồi

Mỗi căn hộ có một hệ thống quạt thông gió riêng để có thể tự điều khiển nhằm kiểm soát vận tốc gió theo mong muốn của căn hộ mình. Các phòng trong một căn hộ điều chỉnh trường gió bằng cách đóng hoàn toàn hay một phần các miệng thổi gió vào khi phòng không sử dụng, hoặc không mong muốn.

Trong ví dụ các miệng thổi gió vào và đẩy gió ra cho mỗi trong 7 căn hộ chấp nhận bố trí trên cả bốn hướng Nam, Bắc, Đông và Tây. Trong khi không thay đổi giải pháp tổ chức không gian bất lợi có sẵn của tòa nhà, TGTN trong nhà theo giải pháp đề xuất vẫn đạt được hiệu quả trong mong muốn. Chỉ cần lưu ý bố trí các miệng thổi gió vào và đẩy gió ra không được gần nhau.

c, Trường hợp Trung tâm hành chính Đà Nẵng: Giải pháp đã giới thiệu trong TC Kiến trúc 255-07-2016 [1].

Kết luận

KTS nổi tiếng Norman Foster từng nói: “Vì sao phải trang bị hệ thống ĐHKK rất tốn kém tại những nơi chúng ta chỉ cần giải pháp đơn giản là mở các cửa sổ ra?”. Câu nói này đặc biệt thích hợp với vùng khí hậu nhiệt đới ven biển của nước ta.

Ý tưởng đề xuất của TG tóm tắt như sau: Đưa không khí tự nhiên thường mát mẻ và sạch sẽ vào phòng từ mọi hướng (kể cả hướng bất lợi về đón gió mát) và thổi không khí đã ô nhiễm ra ngoài (bằng các miệng thổi gió về hướng bất kỳ) nhờ hệ thống quạt gió để luôn luôn tạo được vận tốc gió mong muốn tương thích với nhiệt độ và độ ẩm không khí ngoài nhà (kiểm soát vận tốc gió). Nhờ đó tạo được vi khí hậu tiện nghi mà không cần dùng hệ thống ĐHKK.

Khi áp dụng đề xuất này, người thiết kế có thể tự do lựa chọn mọi giải pháp tổ hợp không gian, không phải “băn khoăn, lo lắng” khi phòng nằm ở hướng bất lợi.

Đề xuất cần được tiếp tục phân tích lý thuyết, nghiên cứu trên mô hình (mô phỏng máy tính hoặc trong ống khí động) và nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường cho các trường hợp cụ thể để đúc kết thành các phương pháp tính toán và giải pháp ứng dụng trong thiết kế kiến trúc các loại công trình khác nhau, như chung cư, khách sạn, văn phòng, công sở, trường học và cả các phòng lớn dùng cho hội thảo, hội họp…

Chúng tôi tin rằng khi nghiên cứu được hoàn thiện, sẽ tạo ra một hướng thiết kế mới, với những cách tổ hợp không gian mới – đa dạng và tự do hơn – cho các loại công trình có chức năng khác nhau trong vùng nhiệt đới ẩm của nước ta.

Đồng thời đề xuất mới cũng đòi hỏi công nghệ sản xuất thiết bị (quạt, đường ống dẫn gió) phải có nghiên cứu cải tiến thích hợp, đặc biệt về kích thước, công suất, hệ thống điều khiển quạt thổi và đẩy gió.

LEAVE A COMMENT

You comment will be published within 24 hours.

Cancel reply
© Copyright 1 2015 Renovate Theme by QuanticaLabs