Chương 1 KHÍ HẬU NGOÀI NHÀ VÀ VI KHÍ HẬU TRONG CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC 1. Khái quát khí hậu Những nhân tố khí hậu trong lĩnh vực vật lý xây dựng cần xét đến là: Mặt trời, bức xạ mặt trời; không khí bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí; gió, mưa. Mỗi nhân tố đều có ảnh hưởng đến sự hình thành đặc điểm kiến trúc và đòi hỏi những kiến thức kiến trúc, xây dựng thích hợp. Một công trình kiến trúc, xây dựng có chất lượng tốt phải thỏa mãn yêu cầu sử dụng và phù hợp với điều kiện khí hậu nơi xây dựng.
Mặt trời và chuyển động biểu kiến của mặt trời a. Mặt trời Mặt trời là một khối không khí nóng khổng lồ, có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000K, liên tục phát năng lượng nhiệt ra xung quanh dưới dạng tia bức xạ và truyền đi bốn phương dưới dạng sóng điện từ. Trái đất chúng ta chỉ nhận được khoảng 1/2.000 tổng lượng bức xạ mặt trời. Sở dĩ mặt trời có nguồn năng lượng lớn như vậy là vì ở đó có quá trình phản ứng nhiệt hạch liên tục từ nguyên tử hyđrô biến thành nguyên tử hêli.
Trong thái dương hệ, mặt trời là hệ đứng yên. Trái đất quay xung quanh mặt trời một năm được một vòng và nó tự quay quanh mình nó một vòng trong một ngày đêm. Quy luật chuyển động của trái đất quay xung quanh mặt trời Trục tự quay của trái đất làm với mặt phẳng của quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời một góc nghiêng là 66o33’. Vì vậy mà góc của tia mặt trời chiếu xuống mỗi điểm trên bề mặt trái đất luôn thay đổi trong năm, tạo thành hiện 5 tượng ngày đêm dài ngắn khác nhau, cũng như tạo thành bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông.
Trên hình 1-1, khi trái đất ở vị trí A thì tia chiếu của mặt trời làm với mặt phẳng xích đạo một góc về phía bắc = 90o – 66o33’ = 23o27’ về phía bắc, gọi là xích vĩ (hoặc góc xích vĩ - declination). Trong ngày này (21/6) vào giữa trưa ở Bắc Bán cầu mặt trời ở vị trí cao nhất, ban ngày dài nhất, ta gọi là ngày Hạ chí, còn ở Nam Bán cầu thì lại là ngày Đông chí. Khi trái đất ở vị trí B, tia mặt trời chiếu song song với mặt phẳng xích đạo ( = 0), đêm ngày dài bằng nhau, ta gọi là ngày Thu phân (23/9). Khi trái đất ở vị trí C, tia mặt trời chiếu lệch về phía nam mặt phẳng xích đạo một góc = -23o27’, trong ngày này, ở Bắc Bán cầu năng lượng bức xạ chiếu trên đơn vị diện tích bề mặt sẽ nhỏ nhất và đêm dài, ngày ngắn, đó là ngày Đông chí (22/12), ở Nam Bán cầu, ngược lại, là ngày Hạ chí.
Khi trái đất ở vị trí D, tia mặt trời lại chiếu song song với mặt phẳng xích đạo, ( = 0), ngày đêm dài bằng nhau, đó là ngày Xuân phân (21/3). Trong các ngày khác trong năm góc giữa tia chiếu của bức xạ mặt trời và mặt phẳng xích đạo thay đổi từ = 23o27’ đến - 23o27’. Chuyển động biểu kiến của mặt trời Khi giải các bài toán kiến trúc - khí hậu, chúng ta cần tính đến giá trị của Bức xạ mặt trời (BXMT) trực tiếp hoặc tổng cộng chiếu tới các bề mặt của kết cấu công trình. Cường độ của BXMT thay đổi phụ thuộc vào vị trí của bề mặt khảo sát so với tia nắng mặt trời như: các tường bao quanh (mặt đứng), mái nhà (mặt ngang).
Hoặc xét cùng một vị trí thì ở các thời điểm khác nhau trong ngày vị trí của mặt trời thay đổi do vậy BXMT cũng khác nhau. Để xác định vị trí của mặt trời chúng ta cần nghiên cứu “Chuyển động biểu kiến của mặt trời”. Theo định luật chuyển động tương đối, chúng ta có thể xem như trong một ngày đêm, mặt trời quay một vòng tròn quanh trái đất. Đứng ở điểm A trên mặt đất có vĩ độ φ (vĩ độ của địa điểm quan sát) quan sát mặt trời chuyển động (hình 1-2) trong một ngày mặt trời chuyển động trên một vòng tròn phẳng, khi mặt trời ở trên mặt phẳng chân trời là ban ngày và khi xuống thấp dưới chân trời là ban đêm.
Hình chiếu của quỹ đạo biểu kiến trên mặt phẳng chân trời Trên hình 1-2 có 3 đường chuyển động biểu kiến của mặt trời trong ngày Hạ chí, ngày Xuân phân, Thu phân và ngày Đông chí. Ta coi mặt trời chuyển động đều trong một ngày đêm và như vậy cứ một o giờ mặt trời đi được một cung bằng 360 = 15o trên vòng vận động của nó. Giờ 24giê này gọi là giờ trung bình của mặt trời (gọi tắt là giờ mặt trời). Giờ mặt trời không trùng với giờ hành chính thường dùng hàng ngày.
Ví dụ ở nước ta, lấy giờ trung bình mặt trời ở kinh tuyến 105o Đông (kinh tuyến qua Hà Nội là 105o45’) làm giờ hành chính chung cho cả nước. Như vậy giờ hành chính ở nước ta sớm hơn giờ hành chính ở Anh (kinh tuyến Greenwich) là 105 105 - 45 o 7 giờ và sớm hơn giờ hành chính của nước Nga (Moskva) là 4 giê. 15 15 Vào ngày Xuân phân (21/3) và Thu phân (23/9), mặt trời mọc ở đúng hướng Đông và lúc 6 giờ sáng (giờ trung bình mặt trời) và vào lúc 18 giờ chiều thì lặn ở đúng hướng Tây. Trong các ngày khác, mặt phẳng chuyển động của mặt trời dịch chuyển dần về phía Bắc (từ 21/3 đến 23/9), hoặc về Nam (từ 23/9 đến 21/3).
Tại các địa điểm ở Bắc Bán cầu thì từ 21/3 đến 23/9 ngày dài hơn đêm, từ 23/9 đến 21/3, đêm dài hơn ngày. Tại các điểm ở Nam Bán cầu thì ngược lại. Tại các điểm trên đường xích đạo ngày và đêm luôn luôn bằng nhau và bằng 12 giờ. Ở Bắc cực và Nam cực, trong một năm có 6 tháng ngày liền và 6 tháng đêm liền.
Hai cách xác định vị trí mặt trời Vị trí của mặt trời trên bầu trời vào một thời điểm bất kì được xác định bằng hai toạ độ cầu là góc độ cao “ho” và góc phương vị “Ao” (hình 1-3). Tọa độ mặt trời từ vị trí quan sát Cách 1: dùng công thức tính toán Từ các công thức quan hệ trong tam giác cầu “vĩ độ φ, xích vĩ và góc thời gian Z” có thể tính được hai toạ độ đó bằng các công thức sau: sinh 0 sin sin cos cos cos Z cos sin Z sin A0 cos h 0 Hay sinh0 sin - sin cos A0 (1.1) cosh0 cos ho - góc độ cao mặt trời (góc giữa tia mặt trời với mặt phẳng chân trời) φ - vĩ độ của địa điểm quan sát Ao - góc phương vị của mặt trời (góc hợp bởi hình chiếu của tia mặt trời xuống mặt phẳng chân trời với phương Nam chọn làm gốc có Ao= 0o); Z - góc giờ, tính như sau: lúc 12 giờ (giờ trung bình mặt trời) thì Z = 0, cứ trước hay sau đó một giờ lấy Z = 15o.15o 35o 3 góc xích vĩ tính theo công thức: 360.(284 M ) 23o27' sin 365 trong đó M là số thứ tự ngày kể từ ngày 1/1 đến 31/12, tức là ngày 1/1 có M=1, ngày 2/1 có M=2,. Phương pháp dựng biểu đồ quỹ đạo chuyển động biểu kiến của mặt trời Từ các công thức trên, có thể suy ra công thức để tính độ dài của ngày, góc phương vị của mặt trời lúc mọc và lặn, cũng như độ cao của mặt trời lúc 12 giờ trưa như sau: - Góc phương vị của mặt trời khi mọc (hay lặn), từ công thức (1.1), cho h0 = 0, ta có: sin cos Ao cos Bảng 1-1. Tọa độ mặt trời (h0, A0) trong các ngày đặc trưng tại Hà Nội (Giá trị các góc tính bằng độ) Xuân, Thu phân Đông chí Hạ chí Giờ h0 A0 h0 A0 h0 A0 6 0,0 90,0 - - 8,2 112,0 7 14,0 84,5 4,5 62,7 21,4 107,9 8 27,8 78,3 16,6 56,0 34,8 104,6 9 41,3 70,3 27,6 47,0 48,4 102,1 10 54,0 58,2 36,8 35,0 62,2 100,7 11 64,4 36,8 43,2 19,0 75,9 102,8 12 69,0 360,0 45,6 360,0 87,6 180,0 13 64,4 323,2 43,2 341,0 75,9 257,2 14 54,0 301,8 36,8 325,0 62,2 259,3 15 41,3 289,7 27,6 313,0 48,4 257,9 16 27,8 281,7 16,6 304,0 34,8 255,4 17 14,0 275,5 4,5 297,3 21,4 252,1 9 - Độ cao mặt trời lúc 12 giờ trưa: từ công thức (1.1), cho cosZ = 0, ta có: h0 = 90o - φ + Giờ mặt trời mọc hay lặn: từ công thức tính giờ trung bình của mặt trời, sinh 0 - sin sin khi đã biết độ cao mặt trời là cos Z , cho h0 = 0 ta sẽ được cos cos công thức tính giờ mặt trời mọc hay lặn.
cos Z = - tgφtg Cách 2: dùng biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời Để giải quyết các bài toán về che nắng, chiếu nắng, xác định bóng đổv.v… người ta biểu diễn đường đi của mặt trời qua các ngày tháng trong năm trên một biểu đồ gọi là biểu đồ chuyển động biểu kiến của mặt trời. Nguyên tắc biểu diễn là chiếu vị trí của mặt trời lên mặt phẳng chân trời của địa phương (hình 1-4). Tại những địa phương nằm gần các vòng bắc cực hay nam cực (như St- Peterburg chẳng hạn), ban ngày mùa đông rất ngắn thậm chí bằng 0 giờ, còn ban ngày mùa hè rất dài có thể tới 24 giờ. Tại những địa phương này, những ngày gần hạ chí thường gọi là những đêm trắng.
Khác với Hà Nội, tại những địa phương này mặt trời không bao giờ đi qua đỉnh đầu, vì vậy trong các công trình xây dựng có thể lấy ánh sáng bằng các cửa kiểu giếng trời mà không bị nắng chiếu vào nhà. Bức xạ mặt trời Quang phổ bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất có bước sóng = 0,17 – 4 m, với năng lượng bức xạ tập trung trong khoảng bước sóng từ 0,4 – 1 m trong đó 50% năng lượng bức xạ nằm Hình 1-5. Bức xạ mặt trời trực tiếp trong vùng tia nhìn thấy (ánh sáng) ( = khuếch tán và tổng cộng 0,38 - 0,76 m), 43% nằm trong phần hồng ngoại ( > 0,76 m) và 7% trong phần tử ngoại ( < 0,38 m). Ở ngoài khí quyển, bức xạ mặt trời cực đại ở bước sóng = 0,47 m (nằm giữa màu xanh biếc và màu da cam).
Quang phổ bức xạ ở gần mặt đất 10 được giới hạn trong phạm vi bước sóng = 0,29 - 4,0 m và cực đại ở bước sóng = 0,56 m (màu da cam). Năng lượng bức xạ mặt trời được đo bằng đơn vị Calo hay Watt.