Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu, đặc biệt là tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nơi nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 25 đến 28°C, với mức cao nhất lên tới 40°C. Sự gia tăng nhiệt độ và mật độ xây dựng cao tầng đã làm giảm chất lượng vi khí hậu trong không gian sống, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và sự thoải mái của cư dân. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp thông gió tự nhiên trong căn hộ chung cư trở nên cấp thiết nhằm cải thiện điều kiện sống, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là 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, bằng phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm ANSYS CFX. Nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng vận tốc và nhiệt độ không khí trong căn hộ, đánh giá mức độ thoải mái của người sử dụng thông qua chỉ số ADPI (Air Diffusion Performance Index). Phạm vi nghiên cứu bao gồm các điều kiện khí hậu đặc trưng của TP. Hồ Chí Minh trong tháng 12, với các trường hợp mô phỏng vào buổi sáng, chiều và tối nhằm phản ánh sự biến đổi nhiệt độ và vận tốc gió trong ngày.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp thiết kế kiến trúc và hệ thống thông gió tự nhiên hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng môi trường sống, tiết kiệm năng lượng và thích ứng với biến đổi khí hậu tại các đô thị nhiệt đới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu 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 và nhiệt độ được sử dụng để giải thích sự chuyển động của không khí trong không gian kín.

  • Lý thuyết về không khí ẩm và truyền nhiệt: Các thông số vật lý của không khí ẩm như áp suất, độ ẩm tương đối, nhiệt độ điểm sương và nhiệt độ nhiệt kế ướt được xem xét để đánh giá ảnh hưởng đến cảm giác thoải mái của con người. Lý thuyết truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt qua vách phẳng, đối lưu tự nhiên và bức xạ nhiệt được áp dụng để mô phỏng các nguồn nhiệt trong căn hộ.

  • Chỉ số đánh giá mức độ thoải mái ADPI: Được sử dụng để 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 yêu cầu về sự thoải mái.

  • Phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD): Sử dụng phần mềm ANSYS CFX để mô phỏng dòng không khí và truyền nhiệt trong căn hộ. Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) được áp dụng để rời rạc hóa các phương trình Navier-Stokes bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí hậu thực tế tại TP. Hồ Chí Minh (nhiệt độ, vận tốc gió, bức xạ mặt trời) và thông tin kiến trúc của căn hộ chung cư SGC Nguyễn Văn Luông. Mô hình CAD của căn hộ được xây dựng trong SOLIDWORKS và nhập vào ANSYS CFX để tiến hành mô phỏng.

Cỡ mẫu mô phỏng gồm 260,322 phần tử lưới, được chia theo phương pháp Hex Dominant với chất lượng lưới đảm bảo chỉ số Skewness trung bình nhỏ hơn 0,5, đảm bảo độ chính xác và hội tụ của kết quả. Các điều kiện biên được thiết lập cho ba trường hợp thời gian trong ngày: buổi sáng, chiều và tối, với vận tốc gió vào khoảng 1.5 m/s và nhiệt độ không khí từ 27 đến 30°C.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng vận tốc và nhiệt độ không khí trong căn hộ.
  • Tính toán chỉ số ADPI tại 10 điểm lấy mẫu trong không gian căn hộ.
  • So sánh kết quả mô phỏng giữa mô hình ban đầu và mô hình cải tiến nhằm đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả thông gió.

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

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố vận tốc gió trong căn hộ: Vào buổi sáng và chiều, vận tốc gió trung bình đạt khoảng 1.5 m/s, đủ để không khí lưu thông qua tất cả 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 sử dụng.

  2. Phân bố nhiệt độ trong căn hộ: Nhiệt độ trung bình buổi sáng lên tới khoảng 30°C do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và các nguồn nhiệt trong nhà như bếp và tủ lạnh. Buổi chiều nhiệt độ giảm xuống khoảng 28°C, phân bố nhiệt độ đồng đều hơn. Buổi tối, nhiệt độ tiếp tục giảm còn khoảng 27°C, tạo môi trường mát mẻ và dễ chịu.

  3. Chỉ số ADPI đánh giá hiệu quả thông gió: Tại 10 điểm lấy mẫu, chỉ số ADPI đạt trên 80% vào buổi tối, cho thấy mức độ thoải mái nhiệt và vận tốc gió phù hợp. Buổi sáng và chiều, một số điểm có ADPI thấp hơn do vận tốc gió cao hoặc nhiệt độ không đồng đều, cần cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu quả.

  4. So sánh mô hình cải tiến và mô hình ban đầu: Mô hình cải tiến với điều chỉnh vị trí cửa và kích thước khe thông gió giúp giảm vận tốc gió tại cửa ra, đồng thời phân bố nhiệt độ đồng đều hơn. Kết quả mô phỏng cho thấy vận tốc gió giảm khoảng 15%, nhiệt độ trung bình giảm 1-2°C, cải thiện đáng kể sự thoải mái cho cư dân.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vận tốc gió cao vào buổi sáng và chiều chủ yếu do thiết kế cửa ra chưa tối ưu, gây hiện tượng gió lùa và áp lực không khí lớn. Việc đóng cửa lớn vào buổi tối giúp giảm vận tốc gió, phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế. Nhiệt độ cao vào buổi sáng là do bức xạ mặt trời trực tiếp và các nguồn nhiệt trong nhà, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhiệt bức xạ và thiết bị gia dụng đến vi khí hậu trong nhà.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế sử dụng CFD trong thông gió tự nhiên, kết quả mô phỏng của luận văn có độ tin cậy cao, phù hợp với tiêu chuẩn ASHRAE về ADPI. Việc áp dụng phương pháp CFD giúp mô phỏng chi tiết dòng không khí và truyền nhiệt, hỗ trợ thiết kế kiến trúc hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố vận tốc và nhiệt độ theo từng thời điểm trong ngày, bảng thống kê chỉ số ADPI tại các điểm lấy mẫu, giúp trực quan hóa hiệu quả thông gió và mức độ thoải mái trong căn hộ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh thiết kế cửa và khe thông gió: Giảm kích thước cửa ra hoặc bố trí thêm các thanh chắn gió nhằm giảm vận tốc gió tại cửa ra xuống dưới 1.2 m/s, nâng cao sự thoải mái cho cư dân. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Chủ đầu tư và đơn vị thiết kế kiến trúc.

  2. 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 đón nắng để giảm nhiệt độ bức xạ mặt trời, giảm nhiệt độ trung bình trong nhà khoảng 1-2°C. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Ban quản lý tòa nhà và cư dân.

  3. Ứng dụng hệ thống thông gió tự nhiên có kiểm soát: Lắp đặt hệ thống quạt hút và đẩy không khí kết hợp với cửa điều chỉnh hướng gió nhằm kiểm soát lưu lượng và hướng gió, đảm bảo phân bố không khí đồng đều. Thời gian thực hiện: 9 tháng; Chủ thể: Nhà thầu kỹ thuật và quản lý tòa nhà.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cư dân: Tổ chức các buổi tập huấn về cách sử dụng hệ thống thông gió tự nhiên hiệu quả, đóng mở cửa hợp lý theo thời gian trong ngày để tối ưu hóa điều kiện vi khí hậu. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Ban quản lý tòa nhà và các tổ chức cộng đồng.

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 phương pháp mô phỏng CFD 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 tòa nhà cao tầng: Thông tin về hiệu quả thông gió tự nhiên và các giải pháp cải tiến giúp nâng cao chất lượng môi trường sống, giảm chi phí vận hành hệ thống điều hòa không khí.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng, môi trường: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng CFD trong phân tích vi khí hậu và thông gió tự nhiên, đồng thời cung cấp các chỉ số đánh giá mức độ thoải mái trong nhà.

  4. Cư dân và cộng đồng sống trong các khu chung cư: Hiểu rõ về tầm quan trọng của thông gió tự nhiên và cách sử dụng hợp lý hệ thống thông gió để nâng cao sức khỏe và sự thoải mái trong sinh hoạt hàng ngày.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp CFD có chính xác trong mô phỏng thông gió tự nhiên không?
    Phương pháp CFD, đặc biệt khi sử dụng phần mềm ANSYS CFX với lưới chất lượng cao và điều kiện biên thực tế, cho kết quả mô phỏng vận tốc và nhiệt độ không khí rất tin cậy, được nhiều nghiên cứu quốc tế công nhận.

  2. Chỉ số ADPI phản ánh điều gì về sự thoải mái trong căn hộ?
    ADPI đo tỷ lệ phần trăm các điểm trong phòng có nhiệt độ dự thảo hiệu dụng trong khoảng ±1.5 K và vận tốc gió dưới 0.35 m/s, thể hiện mức độ phân phối không khí phù hợp với tiêu chuẩn thoải mái của ASHRAE.

  3. Tại sao vận tốc gió cao lại gây khó chịu cho cư dân?
    Vận tốc gió quá cao có thể tạo cảm giác lạnh, gây gió lùa và làm mất cân bằng nhiệt trong phòng, ảnh hưởng đến sức khỏe và sự thoải mái của người ở.

  4. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm nhiệt độ trong căn hộ?
    Kết hợp sử dụng vật liệu cách nhiệt, tăng cây xanh và thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên hợp lý giúp giảm nhiệt độ bức xạ và duy trì nhiệt độ trong nhà ở mức thoải mái.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các khu vực khác không?
    Phương pháp và kết quả có thể được điều chỉnh phù hợp với điều kiện khí hậu và kiến trúc địa phương khác, đặc biệt tại các đô thị nhiệt đới có khí hậu tương tự TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng và phân tích hiệu quả thông gió tự nhiên trong căn hộ chung cư tại TP. Hồ Chí Minh bằng phương pháp CFD, với vận tốc gió trung bình 1.5 m/s vào ban ngày và dưới 1 m/s vào buổi tối.
  • Nhiệt độ trong căn hộ dao động từ 27°C đến 30°C, chịu ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời và các nguồn nhiệt trong nhà, ảnh hưởng đến sự thoải mái của cư dân.
  • Chỉ số ADPI đạt trên 80% vào buổi tối, cho thấy hệ thống thông gió tự nhiên có thể đáp ứng yêu cầu thoải mái nếu được thiết kế và vận hành hợp lý.
  • Mô hình cải tiến với điều chỉnh cửa và khe thông gió giúp giảm vận tốc gió và nhiệt độ, nâng cao hiệu quả thông gió và sự thoải mái.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp thiết kế đề xuất, theo dõi thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các loại hình công trình khác nhằm ứng dụng rộng rãi hơn.

Để nâng cao chất lượng môi trường sống và tiết kiệm năng lượng, các nhà thiết kế, chủ đầu tư và cư dân nên áp dụng các giải pháp thông gió tự nhiên được nghiên cứu trong luận văn này. Hãy bắt đầu từ việc điều chỉnh thiết kế và sử dụng hợp lý hệ thống thông gió để tạo nên không gian sống bền vững và thoải mái hơn.