Báo cáo bài tập lớn môn khoa học trái đất đề tài 17 đối lưu không khí trong công trình nhà ở

Cơ chế đối lưu - Đối lưu xảy ra tất cả là nhờ lực đẩy Ác-si-mét và trọng lực - Khi có nguồn nhiệt, các phân tử khí, lỏng gần nguồn nhiệt sẽ nóng hơn các nơi khác, nhiệt độ tăng thì thể t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT

ĐỀ TÀI 17

“ĐỐI LƯU KHÔNG KHÍ TRONG CÔNG TRÌNH NHÀ Ở”

GVHD: Ts Phan Th Anh Th ị ư

L p: L06 ớ Nhóm sốố: 13

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 2 năm 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT

ĐỀ TÀI 17

“ĐỐI LƯU KHÔNG KHÍ TRONG CÔNG TRÌNH NHÀ Ở”

GVHD: Ts Phan Th Anh Th ị ư

L p: L06 ớ

Nhóm sốố: 13

Danh sách thành viên:

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 2 năm 2022

M C L C Ụ Ụ

II N GUYÊN LÝ LÀM VIỆC QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU : 3

3.Đối lưu cưỡng bách 4

III Ứng dụng đối lưu trong điêu hoà không khí nhà ở 5

I Khái quát vềề đốối l u ư

1 Khái niệm đối lưu

- Đối lưu là quá trình vận chuyển năng lượng do các phân tử chất khí, chất lỏng

có nhiệt độ khác nhau dẫn đến khối lượng riêng khác nhau sẽ đổi chỗ cho nhau Các phân tử có nhiệt độ cao thì khối lượng riêng bé hơn sẽ nổi lên phía trên, còn các phần tử có nhiệt độ thấp thì khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống phía dưới

- Đối lưu không khí là đối lưu mà phân tử vận chuyển năng lượng là phân tử chất khí Trọng lực tạo ra các dòng nhiệt dẫn truyền đối lưu

Hình 1.1: Minh họa về đối lưu1

2 Cơ chế đối lưu

- Đối lưu xảy ra tất cả là nhờ lực đẩy Ác-si-mét và trọng lực

- Khi có nguồn nhiệt, các phân tử khí, lỏng gần nguồn nhiệt sẽ nóng hơn các nơi khác, nhiệt độ tăng thì thể tích của phần khí, lỏng đó cũng tăng và làm cho khối lượng riêng giảm Lực đẩy Ác-si-mét và trọng lực tác dụng vào phần nhẹ, khiến

nó nổi lên Một lượng chất lưu lạnh hơn từ địa điểm gần nguồn nhiệt sẽ di chuyển vào bù lại phần chất nóng đã nổi lên

3 Đối lưu không khí trong nhà ở

Đối lưu có thể giúp làm mát hoặc sưởi ấm nhà ở:

Cơ thể chúng ta có thể hạ nhiệt thông qua quá trình đối lưu Sự đối lưu xảy ra khi nhiệt được mang ra khỏi cơ thể thông qua không khí chuyển động Nếu không khí xung quanh mát hơn làn da của ta, không khí sẽ hấp thụ nhiệt của ta và tăng lên Khi không khí ấm lên xung quanh ta, không khí mát hơn sẽ di chuyển vào thế chỗ và hấp thụ nhiều hơi ấm của bạn hơn Không khí này di chuyển càng nhanh, ta càng cảm thấy mát hơn

1 Nguồồn:https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?

q=tbn:ANd9GcTLaKTFDEDtm5N7e6vd4isJ_2S0r9xNKau4yw&usqp=CAU

- Làm ấm :

Vào những ngày nắng nóng, nhiệt truyền vào nhà ở qua mái nhà, tường và cửa sổ Các bức xạ nhiệt sẽ truyền nhiệt của tường và mái nhà trực tiếp đến cơ thể ta Đối lưu là một cách khác để nhiệt từ tường và mái nhà truyền đến ta Không khí nóng tự tỏa lên, mang nhiệt ra khỏi chúng và làm cho không khí nóng lưu thông khắp nhà Khi không khí nóng lưu thông qua da của ta, nó sẽ giúp ta ấm hơn

II Nguyền lý làm vi c quá trình đốối l u: ệ ư

1 Nguyền lý làm vi c ệ

- Sự lưu động tương đối của nội bộ chất lưu bởi vì nhiệt độ của các lớp không giống nhau cho nên quá trình đối lưu được hình thành

- Có nghĩa là chất lưu (chất khí hoặc chất lỏng) thực hiện quá trình cân bằng nhiệt lượng thông qua tính lưu động vĩ mô của tự thân các bộ phận Trong quy luật, bộ phận khá nóng lên cao còn bộ phận khá lạnh xuống thấp

⇨ Bảo toàn nhiệt lượng, pha trộn lẫn nhau � khiến cho nhiệt độ thuận theo đồng đều

⇨ Độ dẫn nhiệt của quá trình dẫn lưu rất nhỏ � truyền dẫn nhiệt lượng chuyển giao rất nhỏ

⇨ Đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lưu

- Đối lưu được chia ra thành 2 loại: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bách

2 Đốối l u t nhiền ư ự

- Thông thường phát sinh tự nhiên

- Do sự chênh lệch nồng độ hoặc nhiệt độ sự biến hóa mà sản sinh.�

- Gradient nhiệt độ của bên trong chất lưu sẽ đưa đến gradient mật độ biến hóa

- Nếu chất lưu mật độ thấp ở phần dưới, chất lưu mật độ cao ở phần trên, thì dưới tác dụng trọng lực sẽ hình thành đối lưu tự nhiên

Vd: Quá trình đối lưu tự nhiên của sóng gió, thủy triều

3 Đốối l u c ư ưỡ ng bách

- Sự thúc đẩy của ngoại lực mà sản sinh

- Vận tốc lưu động của chất lỏng hoặc chất khí càng thêm lớn, có thể truyền nhiệt nhanh quá trình đối lưu

- VD: Qúa trình đối lưu cưỡng bách của nồi đun nước, máy nước nóng hoặc quạt

4 Bi u th c ể ứ

- Đối lưu cưỡng bách được áp dụng bởi định luật làm mát Newton:

- Trong đó:

+ P = tốc độ truyền nhiệt

+ h: hệ số truyền nhiệt đối lưu

+ A: diện tích bề mặt tiếp xúc

+ T: nhiệt độ trong thời gian t

+T0: nhiệt độ phòng

- Lưu ý: giá trị hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào:

+ Khối lượng riêng

+ Độ nhớt

+ Độ dẫn nhiệt

+ Công suất nhiệt dẫn

III ng d ng đốối l u trong điều hoà khống khí nhà Ứ ụ ư ở

1 Hệ thống thông gió

Quy luật đối lưu là không khí ấm bốc lên và không khí mát di chuyển xuống Hệ thống thông gió ngăn xếp phụ thuộc vào sự gia tăng sức nổi của không khí ấm

so với mật độ cao hơn của không khí mát hơn Không khí ấm nhẹ hơn bốc lên và nếu được phép, sẽ thoát ra khỏi tòa nhà thông qua các cửa ra vào ở tầng cao (cửa

sổ hoặc lỗ thông hơi), hút không khí ban đêm mát mẻ ở tầng thấp hơn hoặc không khí mát mẻ hơn vào ban ngày từ các khe hở ở các khu vực bên ngoài có bóng râm

Hình 3.1: Minh hoạ về hệ thống thông gió nhờ cơ chế đối lưu2

Ta thấy qua một mặt cắt của ngôi nhà, nơi không khí mát mẻ được hút vào từ khu vườn râm mát Không khí ấm bốc lên tầng hai của ngôi nhà, nơi nó được hút ra ngoài qua các cửa sổ cao hoặc lỗ thông hơi Sự đối lưu làm cho không khí

ấm bốc lên, có thể hút không khí mát vào trong các thiết kế thông gió ngăn xếp

2 Nguồồn https://slideplayer.com/slide/9840029/

Hệ thống thông gió ngăn xếp có thể làm tăng khả năng thông gió chéo Ngay cả khi không có gió, sự đối lưu cho phép nhiệt thoát ra khỏi tòa nhà thông qua các khe hở có thể kiểm soát được như cửa sổ thông thoáng cao, quạt thông gió trên mái hoặc các gờ thông gió Sự đối lưu tạo ra chuyển động của không khí có thể làm mát một tòa nhà và thường có tốc độ không khí đủ để làm mát mọi người

2 Máy điều hoà nhiệt độ (máy lạnh và máy sưởi)

Quá trình truyền nhiệt chính của một thiết bị điều hòa không khí là đối lưu Hầu hết các thiết bị làm lạnh không khí luôn được đặt ở trên cùng của các phòng Khi không khí được làm mát, nó co lại, đặc hơn và chìm xuống Không khí ấm hơn ở phía dưới bị dịch chuyển và do nó ít đặc hơn, nó bốc lên Quá trình này tiếp tục và thiết lập một dòng đối lưu sẽ cho phép sự truyền nhiệt xảy ra

Vì không khí lạnh được phát ra từ bộ thổi khí dàn lạnh bộ phận này phải được đặt ở trên cùng của phòng để cho phép hình thành dòng đối lưu Vị trí này cung cấp một phương pháp làm mát căn phòng hiệu quả Nếu thiết bị được đặt gần sàn, không khí mát sẽ bị "kẹt" ở phía dưới và căn phòng sẽ không được làm mát

hiệu quả.

Hình 3.2: Đối lưu trong phòng có máy lạnh3

Ngược lại với máy lạnh, máy sưởi luôn được lắp đặt gần sàn để đối lưu có thể hoạt động Không khí được làm nóng bởi máy sưởi nở ra và bốc lên, tạo thành một vòng đối lưu truyền năng lượng đến các phần khác của căn phòng Khi không khí được làm mát ở trần nhà và các bức tường bên ngoài, nó co lại, cuối cùng trở nên đặc hơn không khí trong phòng và chìm xuống sàn Một hệ thống sưởi được thiết kế phù hợp sử dụng đối lưu tự nhiên, như hệ thống này, có thể khá hiệu quả trong việc sưởi ấm đồng đều cho một ngôi nhà

3 Nguồồn: https://www.visionair.com.sg/blogs/news/why-are-air-conditioning-units-placed-at-the-top-of-rooms#:~:text=The%20main%20process%20of%20heat,being%20less%20dense%2C%20it%20rises.

Hình 3.3: Đối lưu trong phòng có máy sưởi4

Ngoài ra, để điều hoà không khí ta cũng có thể dùng quạt trẩn Việc sử dụng quạt trần trong nhà cũng thể hiện một dạng đối lưu Quạt trần có thể được sử dụng trong cả mùa đông và mùa hè, nhưng chúng phải là quạt trần hai chiều để thực hiện điều đó Các hướng quay của chiếc quạt trần của bạn sẽ tạo ra sự khác biệt trong hiệu quả làm mát hoặc sưởi ấm Trong những tháng mùa hè, quạt thường được đặt ở tốc độ cao hơn Góc của các cánh sẽ đẩy không khí đi xuống khắp phòng Nói chung điều này tương ứng với chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn quạt từ bên dưới Làn gió đi xuống này giúp làm bay hơi

mồ hôi và làm mát họ Trong những tháng mùa đông, quạt phải được sử dụng với tốc độ chậm hơn Các cánh quạt cũng quay theo một hướng khác, thường là theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ bên dưới quạt, giúp kéo không khí mát lên từ các phần bên dưới của phòng Không khí mát hơn từ bên dưới sẽ trộn lẫn với không khí ấm hơn đã bay lên và trộn lẫn cả hai, phân phối không khí ấm hơn khắp tòa nhà

4 Nguồồn: https://voer.edu.vn/file/55413

Hình 3.4: Vào mùa hè, quạt trần nên quay ngược chiều kim đồng hồ để trộn không khí

ấm và đẩy gió mát xuống dưới, tạo ra luồng gió thổi xuống.5

Hình 3.5: Vào mùa đông, quạt trần nên quay theo chiều kim đồng hồ để kéo không khí

mát từ phòng lên và đẩy không khí ấm xuống dưới, tạo ra luồng gió.6

IV Các công trình thực tế

1 Vi t Nam Ở ệ

Dự án: Trường THCS & THPT Phan Chu Trinh

Địa điểm: Dĩ An – Tỉnh Bình Dương

Thiết kế: Công ty TNHH Võ Trọng Nghĩa

Kiến trúc sư: Võ Trọng Nghĩa, Shunri Nishizawa, Daisuke Sanuki

5 Nguồồn: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Forced_convection

6 Nguồồn: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Forced_convection

Hình 4.1.1: Ảnh thực tế trường THCS & THPT Phan Chu Trinh 7

Ngôi trường có diện tích sàn hơn 6.560 m2 trong khu đất khoảng 5.300 m2 với chiều cao tối đa là năm tầng để không vượt quá chiều cao của cây cối trong khu rừng xung quanh

7 Nguồồn: https://ashui.com/mag/duan/tu-van-thiet-ke/7028-ngoi-truong-o-binh-duong-cong-ty-vo-trong-nghia.html

Hình 4.1.2: Ảnh thực tế trường THCS & THPT Phan Chu Trinh 8

Các kiến trúc sư sử dụng lam làm bằng bê tông đúc sẵn bao bọc công trình Ngôn ngữ kiến trúc này không những bảo vệ cư dân của tòa nhà tránh khỏi ánh nắng trực tiếp của mặt trời mà còn tạo ra hệ thống thông gió tự nhiên cho không gian hành lang Tất cả các phòng kết nối với không gian nửa bên ngoải này Đây là nơi mà giáo viên và học sinh trò chuyện, giao tiếp và nhận thức giá trị của thiên nhiên

Hình 4.1.3: Ảnh thực tế trường THCS & THPT Phan Chu Trinh 9

Về khối lượng, thiết kế ngôi trường này như một khối lớn liên tiếp để các hoạt động không bị gián đoạn Thiết kế này nhằm thích ứng với các cơn mưa liên tục của khí hậu nhiệt đới, khi mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11 Để hài hòa với thiên nhiên xung quanh, các kiến trúc sư tạo cho công trình như một khối địa lý có độ dốc hài hòa với khoảng sân xung quanh tránh cảm giác như một vách đá đột ngột xuất hiện

8 Nguồồn: https://ashui.com/mag/duan/tu-van-thiet-ke/7028-ngoi-truong-o-binh-duong-cong-ty-vo-trong-nghia.html

9 Nguồồn: https://ashui.com/mag/duan/tu-van-thiet-ke/7028-ngoi-truong-o-binh-duong-cong-ty-vo-trong-nghia.html

Hình 4.1.4: Ảnh thực tế trường THCS & THPT Phan Chu Trinh 10

Công trình kết nối với mặt đất ở một điểm cuối, mang hình dạng chữ S, uốn lượn xung quanh hai khoảng sân với hai tính chất khác nhau Khoảng sân phía trước được dùng cho không gian công cộng dành cho sử dụng cho những sự kiện trang trọng như hội họp của cả trường Khoảng sân còn lại mang tính chất riêng tư hơn, học sinh có thể ở lại ngồi chơi với nhau

Hình 4.1.5: Ngôi trường được thiết kế hệ thống thông gió qua ứng dụng của đối lưu

2 thềố gi i Ở ớ

Dự án: Pixel building

10 Nguồồn: https://ashui.com/mag/duan/tu-van-thiet-ke/7028-ngoi-truong-o-binh-duong-cong-ty-vo-trong-nghia.html

Địa điểm: 205 Queensbury Street, Carlton, Melbourne,Victoria, Australia

Thiết kế: Văn phòng thiết kế Studio505

Hình 4.2.1: Ảnh thực tế Pixel Building11

Tọa lạc trên vị trí cũ của một nhà máy bia nằm trong thành phố Melbourne, Pixel Building được xem là dự án quan trọng và tham vọng nhất Melbourne và đất nước Australia Tòa nhà đã đạt được một số điểm hoàn hảo 105/110 dành 6 sao tuyệt đối theo hệ thống đánh giá Green star, số điểm cao nhất từng được trao bởi hội đồng công trình xanh Australia và nhận được đánh giá cao nhất thế giới về năng lượng và môi trường từ hệ thống đánh giá công trình xanh Leed hội đồng công trình xanh Mỹ năm 2012

Lấy ý tưởng từ nhiều chấm màu tạo nên một hình ảnh kỹ thuật số, mặt tiền của tòa nhà là một tổ hợp các tấm chắn nắng cố định và những tấm “pixel” linh hoạt có thể thay đổi bằng điều khiển tự động theo bóng của mặt trời Các tổ hợp tối ưu cho việc lấy sáng tự nhiên và hạn chế tối đa lượng nhiệt bức xạ nhiệt vào nhà bằng kính 2 lớp xem kẽ những ô cửa đảm bảo thông gió trong nhà được tốt nhất

Pixel Building là công trình carbon trung tính đầu tiên ở Úc, có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để sản sinh ra điện, nước, lưu trữ nước, giảm khí thải và cung cấp lương thực cho cả tòa nhà Dự án này từng được chấm điểm tuyệt đối vì những điểm

11 Nguồồn: https://theconstructor.org/wp-content/uploads/2020/08/Pixel-Building.jpg

tối ưu trong việc hạn chế khí thải, cách tân với hệ thống nhà vệ sinh chân không và hệ thống giao thông tiêu hóa kị khí Những ô cửa kính màu sắc giúp tòa nhà tận dụng tối

đa năng lượng mặt trời để chiếu sáng lúc ban ngày Nhiệt lượng hấp thụ ban ngày sẽ được dùng để sản sinh ra năng lượng điện cho cả tòa nhà Tòa nhà sử dụng ba tuabin gió và cả hai mảng quang điện cố định và theo dõi cho nhu cầu năng lượng, năng lượng dư thừa được đưa trở lại vào lưới điện Ngoài việc sử dụng một số lượng lớn các vật liệu tái chế trong xây dựng, Pixel cũng có một hệ thống làm mát không khí trong lành 100% cung cấp bởi một máy làm lạnh hấp thụ amoniac gasfired và giao

hydronically thông qua một sàn lớn với bộ khuyếch tán điều khiển riêng tại mỗi trạm làm việc

Hình 4.2.1:Sơ đồ hệ thống nhiệt của Pixel building12

12 Nguồồn: https://www.db-a.co/wordpress/wp-content/uploads/2016/03/PIXEL-BUILDING_10.jpg

Hình 4.2.2: Sơ đồ hệ thống làm mát nhờ cơ chế đối lưu của Pixel building13

V M r ng vấốn đềề ở ộ

Sự truyền nhiệt xảy ra theo ba cách khác nhau: dẫn truyền, đối lưu và bức xạ

- Dẫn nhiệt là truyền nhiệt qua vật chất bằng hoạt động phân tử

- Đối lưu là truyền nhiệt bằng chuyển động của một chất từ nơi này sang nơi khác

- Bức xạ là sự truyền nhiệt bằng sóng điện từ

Nhiệt di chuyển xung quanh nhà không chỉ bằng đối lưu mà còn bằng cách dẫn truyền và bức xạ

Vào một ngày lạnh giá: Sự đối lưu làm cho không khí ấm áp trong nhà tăng lên Không khí đó di chuyển bằng cách dẫn qua trần nhà đến tầng áp mái Nếu ngôi nhà bị dột, nhiệt cũng sẽ di chuyển vào không gian áp mái bằng cách đối lưu Nhiệt từ tầng áp mái tỏa lên mái Nhiệt dẫn qua mái và ra ngoài

Vào một ngày nóng: Nhiệt từ mặt trời tỏa vào mái nhà Nhiệt dẫn truyền qua phần mái và tỏa từ mái xuống tầng áp mái Nhiệt dẫn từ tầng áp mái xuống trần nhà bên dưới Nhiệt tỏa ra các bề mặt mát hơn trong nhà

13 Nguồồn: https://www.db-a.co/wordpress/wp-content/uploads/2016/03/PIXEL-BUILDING_10.jpg

Hình 5.1: Minh hoạ về truyền nhiệt trong nhà ở14

VI Kết luận

Sự truyền nhiệt nói chung cũng như đối lưu nói riêng là hiện tượng vật lý có vai trò quan trọng đối với cuộc sống con người Đặc biệt trong xây dựng, đối lưu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, thi công hệ thống nhiệt, hệ thống thông gió của các công trình giúp đảm bảo năng lượng được sử dụng một cách hiệu quả

14 Nguồồn: https://www.bpihomeowner.org/sites/default/files/styles/panopoly_image_original/public/heat-transfer-types-home.jpg?itok=wzl4fJbV