Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đứng thứ ba trong danh sách các quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu, dẫn đến nhiệt độ môi trường sống đô thị ngày càng tăng, đặc biệt ảnh hưởng đến vi khí hậu trong nhà. Tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, xu hướng phát triển nhà cao tầng ngày càng phổ biến, tuy nhiên các công trình này tiêu thụ năng lượng lớn và gây ra nhiều vấn đề về sự thoải mái và sức khỏe cho cư dân. Theo thống kê, nhiệt độ trung bình tại TP. Hồ Chí Minh dao động từ 21,1°C đến 34,6°C tùy mùa, với vận tốc gió trung bình khoảng 1,5 m/s tại tầng 1 của các tòa nhà cao tầng. Trong bối cảnh đó, việc thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên hiệu quả trong căn hộ chung cư trở thành một giải pháp bền vững nhằm cải thiện chất lượng không khí, giảm chi phí năng lượng và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng phương pháp mô phỏng số CFD để phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong không gian căn hộ tại chung cư SGC Nguyễn Văn Luông, Quận 6, TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng vận tốc và nhiệt độ dòng không khí trong căn hộ, đánh giá mức độ thoải mái theo chỉ số ADPI, đồng thời đề xuất các cải tiến thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu quả thông gió. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình căn hộ tầng 1, với điều kiện khí hậu nhiệt đới xavan đặc trưng của TP. Hồ Chí Minh, trong đó các yếu tố như bức xạ mặt trời, nguồn nhiệt từ thiết bị gia dụng cũng được xem xét. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp kiến trúc xanh, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sống trong các công trình nhà cao tầng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thông gió tự nhiên: Bao gồm các dạng thông gió tự nhiên vô tổ chức (gió lùa), thông gió có tổ chức dưới áp lực gió và thông gió trọng lực. Các nguyên lý về chênh lệch áp suất, cột áp và vận tốc dòng không khí được áp dụng để mô tả quá trình lưu thông không khí trong căn hộ.

  • Lý thuyết về không khí ẩm và truyền nhiệt: Thành phần không khí, độ ẩm tương đối, nhiệt độ điểm sương và nhiệt độ nhiệt kế ướt được xem xét để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến cảm giác thoải mái của con người. Các phương trình truyền nhiệt dẫn nhiệt, đối lưu tự nhiên và bức xạ nhiệt được sử dụng để mô phỏng sự trao đổi nhiệt trong không gian căn hộ.

  • Chỉ số ADPI (Air Diffusion Performance Index): Là thước đo đánh giá hiệu quả phân phối không khí trong phòng dựa trên nhiệt độ dự thảo hiệu dụng (EDT) và vận tốc không khí tại các điểm lấy mẫu. ADPI ≥ 80% được xem là đạt mức thoải mái nhiệt.

  • Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics): Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình Navier-Stokes bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng, mô phỏng dòng chảy và truyền nhiệt trong không gian căn hộ. Phần mềm ANSYS CFX được sử dụng với mô hình lưới chất lượng cao (chỉ số Skewness nhỏ hơn 0) để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí hậu thực tế tại TP. Hồ Chí Minh (nhiệt độ trung bình tháng 12 là 27°C, vận tốc gió tầng 1 khoảng 1,5 m/s), thông số kỹ thuật căn hộ chung cư SGC Nguyễn Văn Luông và các thông số nhiệt tỏa ra từ thiết bị gia dụng như bếp (122,96 W/m²) và tủ lạnh (64,92 W/m²).

Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  1. Xây dựng mô hình CAD căn hộ trong phần mềm SOLIDWORKS, sau đó nhập vào ANSYS CFX để mô phỏng.

  2. Chia lưới thể tích hữu hạn với hơn 260.000 phần tử, đảm bảo chất lượng lưới tốt để kết quả hội tụ.

  3. Thiết lập điều kiện biên cho ba trường hợp khảo sát: buổi sáng, buổi chiều và buổi tối, với các thông số vận tốc gió, nhiệt độ không khí, áp suất cửa ra và bức xạ nhiệt từ mặt tường và thiết bị.

  4. Mô phỏng dòng không khí và nhiệt độ trong căn hộ, thu thập dữ liệu vận tốc và nhiệt độ tại 10 điểm lấy mẫu trong các phòng.

  5. Tính toán chỉ số ADPI dựa trên kết quả mô phỏng để đánh giá mức độ thoải mái nhiệt.

  6. So sánh kết quả mô hình ban đầu và mô hình cải tiến để đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả thông gió.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào điều kiện khí hậu tháng 12, thời điểm có vận tốc gió thấp nhất trong năm, nhằm đánh giá hiệu quả thông gió trong điều kiện khắc nghiệt nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Vận tốc gió trong căn hộ: Vào buổi sáng và chiều, vận tốc gió trung bình đạt khoảng 1,5 m/s, không khí lưu thông tốt qua các phòng. Tuy nhiên, vận tốc gió cao tại cửa ra gây áp lực lớn, có thể tạo cảm giác khó chịu cho cư dân. Vào buổi tối, khi các cửa lớn được đóng lại, vận tốc gió giảm xuống dưới 1 m/s, tạo điều kiện thoải mái hơn cho người ở.

  2. Phân bố nhiệt độ: Buổi sáng, nhiệt độ trung bình trong căn hộ khoảng 30°C, cao hơn do ảnh hưởng bức xạ mặt trời và nguồn nhiệt từ bếp, nhà vệ sinh. Buổi chiều, nhiệt độ giảm còn khoảng 28°C, phân bố nhiệt độ đồng đều hơn. Buổi tối, nhiệt độ tiếp tục giảm xuống khoảng 27°C, tạo môi trường mát mẻ và thoải mái.

  3. Chỉ số ADPI: Tính toán tại 10 điểm lấy mẫu cho thấy mô hình ban đầu đạt ADPI khoảng 75%, chưa đạt mức tiêu chuẩn 80% theo ASHRAE. Mô hình cải tiến với điều chỉnh cửa và bố trí không gian giúp tăng ADPI lên trên 85%, đảm bảo sự thoải mái nhiệt cho cư dân.

  4. So sánh mô hình cải tiến và ban đầu: Mô hình cải tiến giảm vận tốc gió tại cửa ra khoảng 20%, đồng thời giảm nhiệt độ tại các khu vực nóng lên đến 2°C, cải thiện đáng kể sự phân bố nhiệt và lưu thông không khí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vận tốc gió cao tại cửa ra trong mô hình ban đầu là do thiết kế cửa không kiểm soát được lưu lượng gió, gây áp lực lớn và tạo cảm giác khó chịu. Việc đóng bớt cửa lớn vào buổi tối giúp giảm vận tốc gió, đồng thời giữ nhiệt độ ổn định, phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về thông gió tự nhiên trong nhà cao tầng, khẳng định tính hiệu quả của phương pháp CFD trong phân tích dòng lưu chất và truyền nhiệt.

Việc áp dụng chỉ số ADPI làm tiêu chuẩn đánh giá giúp định lượng mức độ thoải mái nhiệt, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp. Mô hình cải tiến cho thấy sự cần thiết của việc điều chỉnh thiết kế cửa và bố trí nội thất để tối ưu hóa hiệu quả thông gió tự nhiên. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố vận tốc và nhiệt độ tại các điểm lấy mẫu, cũng như bảng so sánh chỉ số ADPI giữa các mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh thiết kế cửa thông gió: Sử dụng cửa có thể điều chỉnh lưu lượng gió để kiểm soát vận tốc gió tại cửa ra, giảm áp lực gió và tăng sự thoải mái cho cư dân. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư và đơn vị thiết kế kiến trúc.

  2. Bố trí nội thất hợp lý: Sắp xếp nội thất tránh cản trở luồng không khí, tạo điều kiện cho gió lưu thông đều khắp các phòng. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng. Chủ thể thực hiện: Cư dân và nhà thiết kế nội thất.

  3. Tăng cường cây xanh và vật liệu cách nhiệt: Trồng cây xanh quanh khu vực căn hộ và sử dụng vật liệu cách nhiệt cho tường, mái để giảm nhiệt độ bức xạ, nâng cao hiệu quả làm mát tự nhiên. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý tòa nhà và chủ đầu tư.

  4. Áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế: Đưa phương pháp CFD vào quy trình thiết kế các căn hộ và tòa nhà cao tầng để dự báo và tối ưu hóa hiệu quả thông gió tự nhiên trước khi thi công. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình thiết kế. Chủ thể thực hiện: Các công ty tư vấn kỹ thuật và thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế kiến trúc và kỹ sư xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng để thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên hiệu quả, giúp tối ưu hóa không gian sống và tiết kiệm năng lượng.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án nhà cao tầng: Hiểu rõ về tác động của thiết kế thông gió đến sự thoải mái và chi phí vận hành, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và nâng cao giá trị công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng, môi trường: Tài liệu tham khảo về ứng dụng CFD trong phân tích dòng lưu chất và truyền nhiệt, cũng như các tiêu chuẩn đánh giá mức độ thoải mái nhiệt trong nhà.

  4. Cư dân và người sử dụng nhà chung cư: Hiểu về tầm quan trọng của thông gió tự nhiên và các yếu tố ảnh hưởng đến sự thoải mái trong căn hộ, từ đó có thể phối hợp với ban quản lý để cải thiện môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp CFD có ưu điểm gì trong nghiên cứu thông gió tự nhiên?
    Phương pháp CFD cho phép mô phỏng chi tiết dòng không khí và truyền nhiệt trong không gian phức tạp, giúp dự báo chính xác vận tốc và nhiệt độ tại các vị trí khác nhau. Ví dụ, trong nghiên cứu này, CFD giúp đánh giá hiệu quả thông gió trong căn hộ với hơn 260.000 phần tử lưới.

  2. Chỉ số ADPI là gì và tại sao quan trọng?
    ADPI đo lường tỷ lệ phần trăm các điểm trong phòng đạt tiêu chuẩn thoải mái về nhiệt độ và vận tốc gió. ADPI ≥ 80% được xem là mức chấp nhận được, giúp đánh giá hiệu quả hệ thống thông gió. Nghiên cứu cho thấy mô hình cải tiến đạt ADPI trên 85%, đảm bảo sự thoải mái cho cư dân.

  3. Làm thế nào để giảm vận tốc gió gây khó chịu trong căn hộ?
    Có thể điều chỉnh thiết kế cửa thông gió để kiểm soát lưu lượng gió, đồng thời bố trí nội thất hợp lý để tránh tạo luồng gió mạnh tại các vị trí cư dân thường xuyên sử dụng.

  4. Nhiệt độ trong căn hộ bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?
    Nhiệt độ chịu ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, nguồn nhiệt từ thiết bị gia dụng như bếp và tủ lạnh, cũng như lưu thông không khí. Ví dụ, buổi sáng nhiệt độ trung bình trong căn hộ lên tới 30°C do bức xạ và thiết bị tỏa nhiệt.

  5. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu này?
    Kết quả phù hợp với các căn hộ trong nhà cao tầng tại vùng khí hậu nhiệt đới xavan như TP. Hồ Chí Minh, có thể áp dụng để thiết kế và cải tiến hệ thống thông gió tự nhiên nhằm nâng cao sự thoải mái và tiết kiệm năng lượng.

Kết luận

  • Áp dụng phương pháp CFD với phần mềm ANSYS CFX đã mô phỏng thành công quá trình thông gió tự nhiên trong căn hộ chung cư, cho kết quả vận tốc gió và nhiệt độ phù hợp với điều kiện thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Vận tốc gió trung bình khoảng 1,5 m/s vào ban ngày và dưới 1 m/s vào buổi tối, nhiệt độ dao động từ 27°C đến 30°C tùy thời điểm trong ngày.
  • Chỉ số ADPI được sử dụng làm tiêu chuẩn đánh giá mức độ thoải mái nhiệt, mô hình cải tiến đạt trên 85%, vượt mức tiêu chuẩn 80%.
  • Các giải pháp thiết kế như điều chỉnh cửa thông gió, bố trí nội thất và tăng cường cây xanh được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả thông gió tự nhiên.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng CFD trong thiết kế kiến trúc xanh, góp phần giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện chất lượng sống trong các công trình nhà cao tầng.

Tiếp theo, cần triển khai thực nghiệm thực tế để kiểm chứng mô hình mô phỏng và mở rộng nghiên cứu cho các loại hình công trình khác. Đề nghị các nhà thiết kế và chủ đầu tư áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các dự án bền vững hơn.