Thông gió tự nhiên

Mô tả giải pháp

Thông gió tự nhiên, hay còn gọi là hệ thống thông gió thụ động, nghiên cứu áp dụng sự chuyển động của luồng không khí bên ngoài nhà và chênh lệch áp suất giữa các luồng không khí nhằm làm mát và đảm bảo thông thoáng cho ngôi nhà một cách thụ động.

Thông gió tự nhiên rất quan trọng bởi vì nó có thể giúp đảm bảo cung cấp không khí trong lành cho ngôi nhà mà không dùng các thiết bị quạt.

Với các vùng khí hậu nóng và ấm áp, nó có thể đáp ứng được nhu cầu làm mát của công trình mà không phải dùng đến các hệ thống điều hòa nhiệt độ cơ khí.

Lượng năng lượng tiết kiệm được từ hệ thống này có thể đóng một phần rất lớn vào tổng năng lượng tiêu thụ của tòa nhà.

Việc thông gió tự nhiên có thành công hay không được quyết định bởi mức độ tiện nghi nhiệt cao và có đủ không khí trong lành cho các không gian tòa nhà, trong khi tiêu thụ rất ít hoặc không không tiêu thụ năng lượng cho hệ thống thông gió và điều hòa nhiệt độ cơ khí.

Chiến lược thiết kế đúng đắn được lựa chọn dựa vào nhiệt độ và độ ẩm khu đất.

Biểu đồ dưới đây chỉ ra các chiến lược thiết kế thụ động khác nhau có thể mở rộng phạm vi tiện nghi vi khí hậu cho con người như thế nào.

                                        

Các chiến lược làm mát thụ động khác nhau có thể đảm bảo tiện nghi vi khí hậu cho con người ở các mức độ nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài khác nhau.

Khi không sử dụng chiến lược thông gió tự nhiên

Các khu đất có mức độ tiếng ồn cao, chẳng hạn như gần các khu có mật độ giao thông lớn, có thể ít phù hợp với việc áp dụng các giải pháp thông gió tự nhiên do các lỗ hở trên lớp vỏ nhà sẽ gây khó khăn để ngăn chặn tiếng ồn từ bên ngoài.

Điều này đôi khi có thể được giải quyết bằng cách sử dụng cửa chớp thông gió cách âm.

Ngoài ra, với các khu đất có chất lượng không khí kém, ô nhiễm, chẳng hạn như gần đường cao tốc, cũng có thể không phù hợp áp dụng các giải pháp thông gió tự nhiên. Các khu đất này có thể vẫn có thể khắc phục tình trạng ô nhiễm không khí bằng hệ thống đường ống và bộ lọc, mặc dù điều này thường yêu cầu một số hệ thống quạt cơ khí.

Đo đạc hiệu quả chiến lược thông gió tự nhiên

Để đo được hiệu quả áp dụng các chiến lược thông gió, bạn có thể đo cả lưu lượng và tốc độ không khí lưu thông.

Lưu lượng không khí lưu thông sẽ quyết định mức độ thay thế vùng không khí cũ lưu cữu trong không gian sống bằng luồng không khí mới trong lành hơn thổi vào, đồng thời quyết định xem không khí sẽ trao đổi được bao nhiêu nhiệt. Công thưc tính lưu lượng luông khí lưu thông là:

                                                                             Q_gió = K • A • V

Q_gió = lưu lượng không khí lưu thông(m³/h )

K = hệ số hiệu quả (xem dưới đây )

A = diện tích cửa nhỏ hơn trong hai cửa vào và cửa ra(m²)

V = tốc độ gió không bị gián đoạn (m/h )

Hệ số hiệu quả K có giá trị từ 0 đến 1, tương ứng với các góc tới của gió thổi vào ô cửa và các hệ số động lực học lưu chất khác, ví dụ như là kích thước tương đối của lỗ mở gió hút và gió đẩy.

Trong trường hợp gió thổi vào cửa sổ với một góc tới là 45o thì hệ số hiệu quả K sẽ là khoảng 0.4, còn nếu gió thổi vuông góc với lỗ cửa thì hệ số hiệu quả K sẽ là khoảng 0.8

Khi đặt lỗ thông gió, bạn cần phải bố trí cả cửa hút và cửa thoát gió; thông thường hai cửa này sẽ không đặt ở cùng một khu vực. Diện tích cửa được dùng trong công thức này là diện tích cửa nhỏ hơn trong hai cửa hút gió và cửa thoát gió.

Tốc độ không khí và nhiệt độ trong các tòa nhà

Ngoài việc xem xét lưu lượng gió, tốc độ gió cũng rất quan trọng vì đây là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới tiện nghi vi khí hậu và cảm giác nhiệt của con người. Tốc độ gió được thiết kế lại phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

Tốc độ lưu thông không khí tăng lên sẽ làm tăng hiệu quả làm mát, bởi vì không khí nóng sẽ được thay thế nhanh chóng và gió sẽ tạo ra hiệu ứng làm mát bằng bay hơi. Mồ hôi bay hơi nhờ gió sẽ làm cho con người có cảm giác mát hơn. Gió chỉ cần có tốc độ trung bình cũng tạo ra cảm giác mát hơn 5oC so với khi lặng gió. Đây cũng là lý do khiến cho các thiết bị quạt có thể giúp con người có cảm giác mát hơn mặc dù chúng không làm thay đổi nhiệt độ không khí.

Tuy nhiên khả năng làm mát của gió phụ thuộc vào việc người ở trong phòng bị nóng bởi nhiệt độ không khí hay bởi bức xạ nhiệt của các bề mặt trong phòng. Nếu người ở bị nóng bởi nhiệt độ không khí, hay nhiệt độ không khí trong phòng càng cao, thì ảnh hưởng làm mát của gió lại càng bị giảm xuống. Trong khi đó nếu người ở trong phòng bị nóng bởi bức xạ nhiệt từ các bề mặt thì làm mát bởi gió sẽ có hiệu quả rõ rệt hơn.

Tiêu chuẩn ASHRAE 55 cung cấp hướng dẫn về khả năng làm mát ở các trường hợp tốc độ gió khác nhau cho các mức nhiệt độ bức xạ trung bình khác nhau. Theo đó việc nhiệt độ không khí tăng lên 3oC có thể được vô hiệu hóa khi tốc độ gió tăng lên 0,8m/s, với điều kiện nhiệt độ không khí lúc đó phải thấp hơn 5oC so với nhiệt độ bức xạ bề mặt. Ngược lại khi nhiệt độ không khí lúc đó cao hơn nhiệt độ bức xạ bề mặt 5oC thì để vô hiệu hóa sự tăng nhiệt độ không khí 3oC tốc độ gió phải tăng lên 1.6m/s. Điều này vượt xa điều kiện gió chấp nhận được cho điều kiện làm việc nhẹ nhàng tại Văn phòng

                                       

                                 Nhiệt độ không khí tiện nghi so với tốc độ gió phụ thuộc vào nhiệt độ bức xạ trung bình

Người thiết kế cũng phải đảm bảo là tốc độ gió sẽ không quá cao trong các tòa nhà gây phiền hà cho người sử dụng. Gió mạnh có thể thổi bay giấy tờ…

Theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 về hướng dẫn tiện nghi nhiệt liên quan tới tốc độ gió cho không gian trong nhà, tốc độ gió thích hợp cho môi trường trong nhà không nên vượt quá 0.2 m/s hay 0.47 mph. ASHRAE cũng giải thích tốc độ gió cao hơn sẽ làm tăng nhiệt độ chấp nhận được cho tiện nghi nhiệt. Tốc độ gió tăng lên tối đa là 1.5m/s hay 3.579 mph.

Việc không khí trong phòng được thường xuyên thay thế cũng rất quan trọng nhằm đảm bảo cung cấp không khí trong lành cho người sử dụng. Đây cũng là một đặc điểm quan trọng của chiến lược thông gió tự nhiên. Số lần không khí trong phòng được thay thế được thể hiện bằng thông số tần suất thay đổi không khí mỗi giờ (không biết trong tiếng việt đã có từ này không), hay là tần số thay thế không khí. Thông số này được chi phối bởi cả kích thước của căn phòng và lưu lượng thể tích không khí (Q). Q_gió, được nhắc đến ở trên, là một phần của tổng lượng không khí thay thế này

Đã có những tiêu chuẩn và khuyến nghị về vấn đề cần có bao nhiêu không khí trong lành bên ngoài để cung cấp cho các không gian khác nhau và cho mỗi người trong một tòa nhà. Ví dụ như tiêu chuẩn ASHRAE 62.2001 đã quy định tần suất thay đổi không khí mỗi giờ tối thiểu là 0,35 cho khu vực dân cư, đồng thời cũng quy định một lưu lượng thể tích tối thiểu là 15 feet3/phút (CFM) cho mỗi người.

Phương trình là :

ACH = (Q / V ) * (hệ số chuyển đổi)

Trong đó

Q: lưu lượng không khí trong lành từ bên ngoài

V: Thể tích không gian phòng

Hệ số chuyển đổi được sử dụng nếu như đơn vị sử dụng của các thông số lưu lượng dòng chảy, thang thời gian và thể tích không gian phòng không tương thích với nhau.

Ví dụ, nếu đơn vị của thông số lưu lượng Q là feet khối/phút (CFM) và đơn vị của lưu lượng không khí là feet vuông, khi đó cần xem xét tới hệ số chuyển đổi có giá trị bằng 60 để đưa về đơn vị giờ. Nếu lưu lượng Q được tính bằng đơn vị mét khối trên giây hoặc lít trên giâ, số chuyển đổi áp dụng sẽ khác nhau.

Thiết kế mở

Cửa sổ và cửa chớp được thiết kế như thế nào sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự lưu thông không khí cho ngôi nhà. Cửa sổ chỉ được mở một nửa như là cửa đôi treo hay trượt chỉ có hiệu quả thông gió bằng một nửa so với hiệu quả chiếu sáng của nó. Ngược lại cửa sổ có cánh hay cửa chớp có thể mở rộng hoàn toàn giúp thông gió tối đa.

Cánh cửa sổ được mở ra có thể ngăn cản các luồng gió hay cũng có thể trở thành những bẫy gió, tùy thuộc vào hướng gió. Cửa kính dạng chớp (có các lớp kính ngang) có thể vẫn đảm bảo thông gió ngang đồng thời có thể chắn mưa.

                                       

                                                                   Một số loại cửa sổ: đôi treo, chớp, và cửa sổ có cánh cửa

Bạn cũng có thể sử dụng cửa chớp để thông gió thay vì cửa sổ. Hệ số hiệu quả thông gió của chúng tương tự như các cửa sổ có cùng hình dạng hình học, chẳng hạn như các cửa sổ kính dạng chớp. Cửa chớp thông gió thường được mở rất rộng đến mức toàn bộ diện tích của đều thuận tiện cho việc thông gió tự nhiên.

Chúng thường được đặt theo chiều ngang để chắn mưa, đây là một lợi thế so với hầu hết các dạng cửa sổ khác. Cửa chớp thông gió cũng bảo đảm tính riêng tư, và thậm chí có thể giảm tiếng ồn.

Hình dạng cửa sổ

Hình dạng cửa sổ cũng có ảnh hưởng tới hiệu quả thông gió công trình. Cửa sổ có dạng dải ngang dài có thể giúp thông gió liên tục và đồng đều hơn. Cửa sổ cao với lỗ mở ở cả phía trên và phía dưới có thể sử dụng đối lưu cũng như gió bên ngoài để kéo không khí nóng ra qua phía trên của căn phòng trong khi cung cấp không khí mát mẻ ở phía dưới.

Kích thước cửa sổ

Kích thước cửa sổ và cửa chớp ảnh hưởng tới lượng không khí và tốc độ không khí. Để có đủ lượng không khí cần thiết, một nguyên tắc chỉ ra rằng tổng diện tích của các lỗ mở hay cửa chớp nên chiếm ít nhất 20% tổng diện tích sàn, với diện diện tích cửa đón gió không quá chênh lệch diện tích cửa đẩy gió.

Tuy nhiên, để tăng hiệu quả làm mát, cửa đón gió có thể nhỏ hơn cửa đẩy gió. Với cách bố trí này, tốc độ gió vào nhà sẽ lớn hơn, bởi vì với cùng một lượng không khí đi qua ô cửa nhỏ và lớn trong cùng một khoảng thời gian thì gió phải đi qua lỗ cửa nhỏ nhanh hơn

                                  

                                      Kết hợp cửa đón gió lớn với cửa đẩy gió nhỏ làm tăng tốc độ gió đến.

Lưu ý rằng cửa hút gió nhỏ và cửa ra lớn không làm tăng lượng gió vào nhà mỗi phút, nó chỉ làm tăng tốc độ gió. Vật lý cơ bản nói rằng không khí không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy khi nó di chuyển qua tòa nhà, vì vậy để cho cùng một lượng không khí đi qua một lỗ mở nhỏ hơn, nó phải di chuyển nhanh hơn.

Không khí di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp vì vậy người thiết kế có thể chủ động tạo ra các luồng gió bằng cách tạo ra các khu vực có áp suất chênh lệch lẫn nhau.

Khi gió di chuyển qua một tòa nhà, mặt đón gió bên ngoài của tòa nhà có áp suất lớn hơn còn mặt khuất gió sẽ có áp suất âm. Để cân bằng với áp suất, gió có xu hướng xuyên qua bất kỳ lỗ mở nào đặt tại phía đón gió để vào nhà và di chuyển tới các ô cửa tại mặt khuất gió của tòa nhà.

Vì sự khác biệt áp suất ở độ cao khác nhau, hiệu ứng này sẽ càng rõ rệt nếu như gió phải di chuyển lên hay xuống dọc theo mặt đứng tòa nhà để vượt qua nó mà không có bất kỳ sự tăng hay giảm nhiệt độ tương ứng nào.

Khối nhiệt

Khối nhiệt cũng có thể có tác động vào hệ thống thông gió tự nhiên. Nếu một không gian quá nóng thì thông gió tự nhiên sẽ khó tạo ra tiện nghi nhiệt hơn.

Tuy nhiên, các giải pháp về khối nhiệt có thể giúp duy trì một nhiệt độ ổn định và tránh thay đổi lớn một cách đột ngột. Bằng cách ổn định biên độ nhiệt, người thiết kế có một cơ hội tốt hơn để sử dụng thông gió tự nhiên có hiệu quả.

Thông gió ống khói và nguyên lý Bernoulli

Mô tả giải pháp

                                              

                              Khối không khí ở trên cao có áp suất thấp khơn có thể đẩy gió qua công trình một cách thụ động.

Thông gió ống khói lẫn thông gió bởi nguyên lý Bernoulli đều là thông gió thụ động sử dụng sự chênh lệch áp suất không khí để đẩy gió qua công trình. Áp suất âm ở trên cao sẽ giúp hút gió lên và tạo ra lưu thông không khí.

Tuy nhiên nguyên nhân gây ra sự chênh lệch áp suất của hai dạng thông gió thụ động này lại rất khác nhau.

Thông gió ống khói sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ để giúp lưu thông không khí. Khí nóng có xu hướng bay lên cao do có áp suất thấp hơn.

Trong khi đó hiệu ứng Bernoulli lại sử dụng sự chênh lệch tốc độ gió để giúp lưu thông không khí. Đây là nguyên tắc cơ bản của động lực học chất lưu, theo đó không khí chuyển động càng nhanh, áp suất của nó càng thấp.

Nói theo ngôn ngữ kiến trúc, không khí càng ở trên cao cách xa mặt đất thì càng ít bị cản trở bởi cây cối và công trình, do đó sẽ chuyển động nhanh hơn và có áp suất thấp hơn so với khối không khí bị cản trở ở dưới thấp. Gió thổi trên mái nhà có áp suất thấp hơn này sẽ tạo ra áp lực âm và có thể giúp hút khí tươi qua công trình.

Các công trình lân cận có thể ảnh hưởng đến chiến lược này theo hướng tạo ra cản trở cho các luồng gió ở dưới thấp nhiều hơn hay ít.

Ưu điểm của hiệu ứng Bernoulli so với hiệu ứng ống khói là nó tăng thêm hiệu quả của thông gió. Ưu điểm của hiệu ứng ống khói so với hiệu ứng Bernoulli là nó không cần gió thổi ở trên cao, hiệu ứng này vẫn hoạt động tốt trong những ngày lặng gió, khi mà việc thông gió cần thiết hơn bao giờ hết.

Trong nhiều trường hợp, một thiết kế có thể áp dụng cả hai hiệu ứng, trong nhiều trường hợp khác lại chỉ có thể áp dụng một trong hai hiệu ứng này mà thôi.

Ví dụ, một ống khói đơn giản tối ưu hóa hiệu ứng ống khói, trong khi ống chụp hút gió tối ưu hóa hiệu ứng Bernoulli.

                                       

Hiệu ứng ống khói: khí nóng bay lên đồng thời tạo ra áp lục âm kéo khí tươi từ bên ngoài vào tòa nhà thế chỗ cho khí nóng đã bay lên

Ví dụ, chụp thông gió được thiết kế đặc biệt trong  BedZED tận dụng gió tốc độ cao hơn trên mái để thông gió thụ động.

Chúng có cả cửa gió vào và ra, do đó gió trên mái tốc độ cao được hút vào trong công trình, và cửa gió ra lớn hơn tạo ra áp suất thấp để hút gió ra ngoài một cách tự nhiên.

Hiệu ứng ống khói còn giúp đẩy không khí ra ngoài thông qua cùng một lỗ thông khí.

Sau thông gió ngang, hiệu ứng ống khói là dạng thông gió thụ động phổ biến nhất. Hiệu ứng này và hiệu ứng Bernoulli có thể được thực hiện không tốn kém và vô cùng hiệu quả.

Điển hình là vào ban đêm, tốc độ gió thấp hơn, do đó các chiến lược thông gió ngang kém hiệu quả hơn. Vì thế, thông gió ống khói cũng là một chiến lược quan trọng.

Hiệu quả của thông gió thụ động khi sử dụng những chiến lược này được đánh giá bởi mức độ cung cấp tiện nghi nhiệt và lượng khí tươi đủ cho các không gian được thông gió,

trong khi sử dụng ít hoặc không sử dụng năng lượng cho hệ thống thông gió điều hòa và làm mát cơ khí.

                                        

                          Các chụp thông gió đặc biệt trong BedZED tận dụng gió tốc độ cao hơn trên mái để thông gió thụ động

Chiến lược cho thông gió ống khói và hiệu ứng Bernoulli

Nguyên lý thiết kế cho hiệu ứng ống khói và Bernoulli là tương tự nhau, một thiết kế kiến trúc được xây cho một hiệu ứng nói chung sẽ hoạt động cho cả hai.

Trong cả hai chiến lược, gió mát được hút vào qua các lỗ cửa ở tầng thấp và khí nóng thoát ra ở lỗ cửa ở tầng cao hơn. Mức độ thông gió tỷ lệ với diện tích của các lỗ cửa. Đặt lỗ cửa ở dưới và trên dọc theo một mặt tường sẽ khuyến khích thông gió tự nhiên qua hiệu ứng ống khói.

Khí ấm sẽ rút ra qua các lỗ cửa trên đỉnh, kết quả là không khí mát hơn được hút vào trong công trình từ bên ngoài qua các lỗ cửa ở bên dưới. Lỗ cửa trên và dưới nên có kích thước tương đương để khuyến khích luồng gió đều đặn qua không gian đứng.

Để thiết kế cho những hiệu ứng này, điều quan trọng nhất là sự chệnh lệch độ cao giữa cửa gió vào ra. Chênh lệch càng lớn thì thông gió càng hiệu quả.

Tháp và ống khói có thể hữu dụng để chuyển không khí lên và ra ngoài, hoặc các cửa sổ mái hoặc cửa trời trong những công trình có quy mô khiêm tốn hơn.

Để những chiến lược này hoạt động, cần làm cho không khí có thể lưu thông được giữa các tầng.

Các nhà cao tầng nên có các sảnh lớn theo chiều dọc hoặc các khoảng thông tầng theo phương đứng kết nối luồng không khí ở các tầng khác nhau.

                                   

                                                        Ống khói / sảnh với lỗ thông gió ở trên và dưới

Bức xạ mặt trời có thể được sử dụng để tăng cường hiệu quả thông gió ống khói ở các không gian mở trên cao. Bức xạ mặt trời sẽ làm nóng bề mặt hứng nắng, kính hướng về phía mặt trời và khối không khí bên trong, từ đó tăng cường hiện tượng thông gió ống khói giữa cửa trên và cửa ở dưới.

Lắp đặt các ống thông gió để giúp lưu thông không khí tại các không gian áp mái ở các khí hậu nóng là một chiến lược thiết kế quan trọng nhưng thường bị bỏ qua. Bên cạnh việc chống lại việc nóng lên quá mức ở các tầng áp mái, không gian gác mái có không khí lưu thông có thể thực sự giúp làm mát cả một công trình.

Có một số dạng lỗ thông gió cho không gian mái thụ động: ống khói mở, tuabin, thông gió đầu hồi, lỗ chóp…

                                        

                                                                    Một vài lỗ thông gió mái: ống khói mở, tuabin và thông gió đầu hồi

Để cho phép điều chỉnh lưu lượng khí mát và tươi cung cấp bởi hiệu ứng ống khói và hệ thống Bernoulli, cửa gió vào nên được thiết kế có thể điều chỉnh được với các cửa sổ có thể đóng ra mở vào được hoặc cửa chớp.

Những hệ thống như vậy có thể được cơ khí hóa và điều khiển bằng bộ điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.

Thông gió ống khói và hiệu ứng Bernoulli có thể kết hợp với thông gió xuyên ngang. Sơ đồ bên dưới thể hiện các cách kết hợp các đường thông gió ngang và dọc.

                                      

                                                               Kết hợp thông gió theo phương ngang và dọc

Ống khói mặt trời

Ống khói mặt trời sử dụng nhiệt mặt trời để cung cấp thông gió làm mát, áp dụng nguyên lý hiệu ứng ống khói.

Nhiệt thu được làm ấm cột khí bên trong, khí này nóng lên nên sau đó bay lên, điều này kéo khí tươi bên ngoài vào công trình thế chỗ cho khối khí nóng đã bay lên.

Chúng cũng được gọi là ống khói nhiệt, hay xiphông nhiệt.

                                      

                                            Các thiết kế ống khói mặt trời khác nhau, tư một ống sơn đen đơn giản đến một kết cấu mái tích hợp Trombe

Ống khói mặt trời đơn giản nhất chỉ là một ống khói được sơn đen. Các nhà phụ trong công viên sử dụng những ống khói này để cung cấp thông gió thụ động.

Để ống khói mặt trời làm việc hiệu quả,nơi thoát khí cần đặt cao hơn mái và cần được chiếu sáng càng nhiều càng tốt.

Nói chung, chúng hiệu quả nhất cho các khí hậu với nhiều ánh sáng mặt trời và ít gió; ở những nơi khí hậu có nhiều gió trong những ngày nóng thì công trình có thể được thông gió tốt nhờ chính những cơn gió này.