Khai thác thông gió tự nhiên trong nhà ở cao tầng tại các đô thị duyên hải nam trung bộ hướng đến tiết kiệm năng lượng phát triển bền vững tt

PHAN TIẾN VINHKHAI THÁC THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG NHÀ Ở CAO TẦNG TẠI CÁC ĐÔ THỊ DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ HƯỚNG ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG... Kiến trúc bền vững KTBV là kiến trúc hướng đến tín

PHAN TIẾN VINH

KHAI THÁC THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG NHÀ Ở CAO TẦNG TẠI CÁC ĐÔ THỊ DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ HƯỚNG ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS KTS TRỊNH DUY ANH

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP HỒ CHÍ MINH Vào hồi …… giờ ……… ngày …….tháng …… năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP HỒ CHÍ MINH THƯ VIỆN KHOA HỌC TỔNG HỢP TP HỒ CHÍ MINH

MỞ ĐẦU

Từ giữa thế kỷ thứ XX, nhân loại đã phải đối diện với nhiều thách thức mang tính toàn cầu về năng lượng, tài nguyên, môi trường, nghèo đói, biến đổi khí hậu toàn cầu, Trong bối cảnh đó, phát triển bền vững (PTBV) nói chung và bền vững trong kiến trúc nói riêng đã trở thành

xu hướng tất yếu của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam Kiến trúc bền vững (KTBV) là kiến trúc hướng đến tính thích ứng

và nhạy cảm với môi trường, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên, năng lượng, thân thiện và góp phần bảo tồn môi trường sinh thái trong suốt vòng đời của công trình xây dựng Có nhiều giải pháp thiết kế hướng đến KTBV, trong đó, khai thác thông gió tự nhiên (TGTN) nhằm tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường là một trong những giải pháp

cơ bản, hiệu quả và quan trọng nhất

Chung cư (CC) là một loại hình kiến trúc nhà ở phổ biến tại các đô thị lớn trên thế giới và Việt Nam Hiện nay, việc khai thác TGTN hiệu quả cho các dự án Nhà ở cao tầng (NOCT) đã và đang được triển khai xây dựng ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế

Vùng Duyên hải Nam trung bộ (DHNTB) là vùng có các đô thị lớn đang trong giai đoạn phát triển, nhiều dự án NOCT đã và đang được triển khai đầu tư xây dựng Đây là vùng có tiềm năng và nhu cầu rất lớn trong sử dụng TGTN cho NOCT Khai thác TGTN cho các công trình NOCT cho vùng DHNTB nhằm tiết kiệm năng lượng sẽ góp phần cho

sự PTBV của kiến trúc nói riêng và PTBV nói chung cho vùng DHNTB Xuất phát từ các lý do trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn đề tài

“Khai thác thông gió tự nhiên trong Nhà ở cao tầng tại các đô thị Duyên hải Nam Trung Bộ hướng đến tiết kiệm năng lượng - phát triển bền vững” làm Luận án tiến sĩ Kiến trúc

0.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Mục tiêu nghiên cứu tổng thể: Khai thác TGTN trong NOCT tại các đô thị DHNTB nhằm tiết kiệm năng lượng, hướng đến PTBV cho loại hình kiến trúc NOCT nói riêng và mục tiêu PTBV nói chung của Việt Nam

- Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án: định hướng khai thác, các nguyên tắc thiết kế và các kiến nghị về khai thác vận hành TGTN trong NOCT tại các đô thị DHNTB

- Kiến trúc NOCT

- TGTN trong NOCT

- Giới hạn về không gian: Các đô thị thuộc vùng DHNTB

- Giới hạn về thời gian: giai đoạn đến năm 2030 tầm nhìn đến năm

2050

- Ý nghĩa khoa học của Đề tài: Luận án đã đưa ra phương pháp luận thiết kế, một số nguyên tắc chung về thiết kế TGTN cho kiến trúc NOCT hướng đến tiết kiệm năng lượng và PTBV Qua đó, góp phần bổ sung cho lý luận về thiết kế TGTN cho công trình kiến trúc nói chung

và loại hình kiến trúc NOCT nói riêng

- Ý nghĩa thực tiễn của Đề tài: có thể ứng dụng vào thực tiễn thiết

kế hiện nay của khu vực, góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng, sự PTBV cho kiến trúc NOCT và sự PTBV chung cho vùng DHNTB Là tài liệu hữu ích cho công tác đào tạo kiến trúc sư, là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý quy hoạch - kiến trúc, nhà thiết kế, nhà đầu tư, …

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHAI THÁC THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG NHÀ Ở CAO TẦNG HƯỚNG ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG - PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG

1.1.1 Bối cảnh ra đời và các khái niệm về Phát triển bền vững

Khi sự phát triển của nhân loại dẫn đến các thách thức mang tính toàn cầu cho môi trường sinh thái, sự phát triển của các quốc gia, thậm chí là ảnh hưởng đến sự sinh tồn của các thế hệ tương lai, … các quốc gia trên thế giới cần phải có những suy nghĩ và hành động để cứu trái đất, đảm bảo cho sự sinh tồn và phát triển cho thế hệ tương lai

PTBV là sự phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu của hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu của thế hệ tương lai PTBV phải đảm bảo sự cân bằng của ba yếu tố: Xã hội - Môi trường

- Kinh tế

1.1.2 Kiến trúc bền vững

KTBV là kiến trúc hướng đến sự hạn chế tối đa các tác động tiêu cực đến môi trường của công trình xây dựng bằng việc sử dụng hợp lý

và hiệu quả vật liệu xây dựng, năng lượng và các không gian chức năng

1.1.3 Phát triển kiến trúc bền vững tại Việt Nam

Trong kiến trúc nhà ở truyền thống Việt Nam, từ xa xưa, cha ông ta

đã đúc kết được nhiều kinh nghiệm như: “Lấy vợ hiền hòa, làm nhà

hướng Nam”, “trước trồng cau, sau trồng chuối”, sử dụng phên dậu để

che nắng, hiên nhà làm không gian chuyển tiếp, khai thác các yếu tố cây xanh mặt nước để cải thiện vi khí hậu trong nhà, …

Trong lĩnh vực xây dựng, các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng

đã ban hành nhiều văn bản pháp quy, triển khai các hoạt động hướng đến PTBV Nhiều tổ chức nghiên cứu và hoạt động trong lĩnh vực KTBV đã được thành lập tại Việt Nam

1.2 KIẾN TRÚC NHÀ Ở CAO TẦNG

1.2.1 Nhà ở cao tầng

NOCT là CC cao tầng hoặc các phức hợp kiến trúc cao tầng có chức năng nhà ở, có từ 9 tầng đến 40 tầng Ưu điểm: Tiết kiệm đất; mật độ xây dựng thấp; hệ số sử dụng đất cao; hiện đại; phù hợp lối sống đô thị, hiện đại;… Nhược điểm: thoát người, kết cấu phức tạp; gây một số tác động tiêu cực về môi trường và trạng thái tâm lý tiêu cực cho cư dân

1.2.2 Kiến trúc nhà ở cao tầng trên thế giới, Việt Nam và các đô thị Duyên hải Nam Trung Bộ

Từ cuối thế kỷ XIX, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội - khoa học - kỹ thuật, sự bùng nổ dân số và đặc biệt là quá trình đô thị hóa, kiến trúc cao tầng đã trở thành một trào lưu kiến trúc thế giới

Trong các loại hình Nhà ở, theo “Chiến lược phát triển Nhà ở quốc

gia đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030”, nhà CC - trong đó có

NOCT- là loại hình được “chú trọng phát triển” tại các đô thị Việt Nam

Tại các thành phố thuộc khu vực DHNTB - đặc biệt là tại các thành phố lớn, như: Đà Nẵng, Nha Trang, Quy Nhơn, - nhiều dự án NOCT

đã và đang được đầu tư xây dựng

1.3.1 Thông gió trong công trình

Thông gió (TG) trong công trình có chức năng làm cho môi trường không khí bên trong công trình - với các thông số về: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động của không khí, thành phần không khí,… - đáp ứng được yêu cầu về tiện nghi của người sử dụng

Các hệ thống TG, gồm: TGTN và TG nhân tạo

1.3.2 Thông gió tự nhiên trong công trình

TGTN là hiện tượng chuyển động của khối không khí trong công trình dưới tác dụng của áp lực của gió hoặc sức đẩy nổi của không khí

Gió là một hiện tượng vật lý có sự thay đổi liên tục và không theo qui luật Giá trị vận tốc gió thay đổi theo chiều cao và được xác định theo quy luật hàm logarit hoặc quy luật hàm số mũ

Các hình thức TGTN: TG nhờ áp lực khí động (wind driven ventilation); và TG nhờ chênh lệch nhiệt độ (stack ventilation)

Vai trò của TGTN: tăng lưu lượng không khí trao đổi; tiết kiệm năng lượng; tăng tốc độ chuyển động của không khí; hạn chế gió thổi vào phòng khi điều kiện không đảm bảo; tăng tỷ lệ diện tích trong phòng có gió thổi qua; tạo môi trường thân thiện; …

1.4.1 Phương trình cân bằng nhiệt của cơ thể và môi trường

Trong cơ thể con người, hầu hết các quá trình sinh hóa liên quan đến sản sinh tế bào, chuyển hóa năng lượng và làm việc cơ bắp đều sinh ra nhiệt Các hình thức trao đổi nhiệt giữa cơ thể và môi trường: đối lưu; dẫn nhiệt; bức xạ và bay hơi

Sự cân bằng nhiệt của cơ thể và môi trường thể hiện qua phương trình: M = NBH ± NĐL ± NDN± NBX± NT

1.4.2 Khái niệm tiện nghi nhiệt

Tiện nghi nhiệt (TNN) là “điều kiện của cảm giác thể hiện sự thõa

mãn với môi trường nhiệt và được quyết định bởi các đánh giá chủ quan của con người”

Các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt: nhiệt độ không khí, nhiệt

độ bức xạ, áp suất hơi nước, vận tốc chuyển động của không khí, nhiệt trở quần áo, mức nhiệt sinh lý, độ tuổi, giới tính, chủng tộc, độ cao, thời gian trong ngày, vị trí địa lý, chế độ ăn uống, …

1.4.3 Các mô hình dự đoán tiện nghi nhiệt: Mô hình trạng thái tĩnh;

mô hình hai cực; mô hình thích ứng

1.5 KHAI THÁC TGTN TRONG CÔNG TRÌNH HƯỚNG ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG - PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG 1.5.1 Năng lượng sử dụng trong công trình

Năng lượng sử dụng trong công trình bao gồm năng lượng sử dụng trong suốt vòng đời của công trình: giai đoạn xây dựng; giai đoạn sử dụng; giai đoạn phá hủy

1.5.2 Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong công trình xây dựng

Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong các công trình xây dựng đã trở nên cấp thiết và là xu hướng tất yếu trong phát triển xây dựng nhằm hướng đến sự PTBV

1.5.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng và phát triển bền vững trong xây dựng

Tiết kiệm năng lượng có vai trò quan trọng, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường sinh thái, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng của các quốc gia

Do đó, tiết kiệm năng lượng là một trong những giải pháp then chốt trong chiến lược PTBV của các quốc gia nói chung và trong lĩnh vực xây dựng nói riêng

1.5.4 Khai thác thông gió tự nhiên trong công trình hướng đến tiết kiệm năng lượng - phát triển bền vững

Khai thác TGTN trong NOCT hướng đến tiết kiệm năng lượng - PTBV, bao gồm các bước lựa chọn vị trí xây dựng, đưa ra giải pháp thiết kế (quy hoạch và kiến trúc) công trình, lựa chọn chiến lược TG cho công trình và giải pháp vận hành trong quá trình sử dụng công trình nhằm khai thác tối đa các nguồn lực tự nhiên

1.6 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

1.6.1 Trên các bài báo khoa học, các đề tài nghiên cứu khoa học

và các tham luận hội thảo khoa học nghiên cứu về lý thuyết cơ bản,

mô hình, giải pháp thiết kế và tiêu chuẩn, ứng dụng TGTN

1.6.2 Các luận án Tiến sĩ nghiên cứu về các vấn đề cơ bản; các

nguyên tắc và các mô hình; tiện nghi nhiệt; hiệu quả tiết kiệm năng lượng; khuyến cáo về thiết kế và khai thác; sử dụng các mô hình và

phương pháp trong nghiên cứu TGTN;

1.6.3 Đánh giá chung về các công trình nghiên cứu có liên quan

đề tài: Chưa có nghiên cứu nào ở trong và ngoài nước về vấn đề “Khai

thác thông gió tự nhiên trong Nhà ở cao tầng tại các đô thị Duyên hải Nam Trung Bộ hướng đến tiết kiệm năng lượng - phát triển bền vững”

CỨU

1.7.1 Những vấn đề tồn tại về khai thác thông gió tự nhiên trong Nhà ở cao tầng tại các đô thị Duyên hải Nam Trung bộ

- Khai thác TGTN chưa thật sự được quan tâm

- Đánh giá về tiềm năng khai thác TGTN

- Định hướng khai thác TGTN trong NOCT

- Các nguyên tắc thiết kế nhằm khai thác hiệu quả TGTN cho NOCT

- Các giải pháp vận hành hệ thống TGTN cho loại hình NOCT

1.7.2 Những vấn đề nghiên cứu chính của Luận án

- Định hướng khai thác TGTN cho NOCT tại các đô thị DHNTB

- Đề xuất một số nguyên tắc thiết kế quy hoạch và kiến trúc nhằm khai thác hiệu quả TGTN cho NOCT tại các đô thị DHNTB

- Đề xuất một số giải pháp vận hành hệ thống TGTN trong NOCT tại các đô thị DHNTB

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CHO KHAI THÁC THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN TRONG NHÀ Ở CAO TẦNG TẠI CÁC ĐÔ THỊ DHNTB

Sử dụng các phương pháp: khảo sát - quan trắc thực tế; điều tra xã hội học; phân tích - tổng hợp; mô hình hóa; mô phỏng trên máy tính; khảo sát thực nghiệm

2.2.1 Cơ sở về pháp lý gồm các văn bản pháp quy về PTBV, văn

bản pháp quy về thiết kế kiến trúc hướng đến hiệu quả năng lượng, Quy

chuẩn và Tiêu chuẩn thiết kế về NOCT

2.2.2 Cơ sở về lý luận gồm các vấn đề về thiết kế kiến trúc NOCT,

tính toán TGTN, mô hình tiện nghi nhiệt, phân tích khí hậu trong thiết

kế kiến trúc, một số giải pháp thiết kế kiến trúc và kỹ thuật, tiện nghi

về gió và vận tốc gió, phương pháp Computational Fluid Dynamics và

sử dụng phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu

2.2.3 Cơ sở về thực tiễn gồm vị trí địa lý, đặc điểm địa hình và đặc

điểm khí hậu, định hướng phát triển của NOCT trong quy hoạch chung, thực trạng khai thác TGTN trong NOCT, áp dụng một số công cụ đánh giá Công trình Xanh

2.2.4 Một số bài học kinh nghiệm về khai thác TGTN trong kiến trúc nhà ở tại Việt Nam, Trung Quốc và Singapore

CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1.1 Xác định thời điểm có điều kiện thời tiết thích hợp cho khai thác thông gió tự nhiên trong công trình

- Thành phố Đà Nẵng: tổng thời gian trong năm cần khai thác TG làm mát để đạt điều kiện tiện nghi là 5.124 giờ

- Thành phố Quy Nhơn: tổng thời gian trong năm cần TG làm mát

để đạt điều kiện tiện nghi là 6.067 giờ

- Thành phố Nha Trang: tổng thời gian trong năm cần TG làm mát

để đạt điều kiện tiện nghi là 6.863 giờ

3.1.2 Đề xuất vận tốc gió tiện nghi nhằm khai thác thông gió tự nhiên cho Nhà ở cao tầng tại các đô thị DHNTB

Vận tốc gió tiện nghi (VTGTN) cho cư dân vùng DHNTB - trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao - là dải vận tốc từ 2.1m/s đến 2.4 m/s

3.1.3 Đề xuất chiến lược thông gió làm mát cho Nhà ở cao tầng tại các đô thị DHNTB: TG cả ngày và liên tục trong 12 tháng của năm

HIỆU QUẢ TGTN CHO NOCT TẠI CÁC ĐÔ THỊ DHNTB 3.2.1 Sử dụng công cụ mô phỏng trong thiết kế

Với các công cụ mô phỏng, hiệu quả TGTN trong công trình được đánh giá thông qua các số liệu định lượng và hình ảnh trực quan Đây

là những cơ sở quan trọng để nhà thiết kế kịp thời có những điều chỉnh

ý tưởng thiết kế hướng đến hiệu quả tối ưu về TGTN cho công trình trong quá trình vận hành thực tế Vì vậy, trong các bước thiết kế cần phối hợp việc đề xuất ý tưởng và sử dụng công cụ mô phỏng

3.2.2 Thiết kế mặt bằng

- Hình dạng mặt bằng: chọn nhóm mặt bằng dạng hình chữ nhật

- Các giải pháp phân khu chức năng trên mặt bằng tầng điển hình (MBTĐH) - căn cứ theo cách bố trí lõi giao thông kỹ thuật: tập trung ở giữa; phân tán ra 2 đầu mặt bằng; phân tán vào giữa mặt bằng

- Các không gian trong căn hộ điển hình được bố trí vào các lớp: + Lớp không gian số 1: lô gia, ban công

- Giải pháp sử dụng lô gia: nên bố trí các lô gia cho các căn hộ

- Định hướng sử dụng vách ngăn không gian trong căn hộ: hạn sử dụng tường; sử dụng các không gian ở dạng mở; vách thoáng; …

- Định hướng bố trí trang thiết bị nội thất: hạn chế sử dụng các vật dụng tạo ra các mảng có diện tích lớn; sử dụng các vật dụng có các khoảng trống để gió có thể đi qua;

3.2.3 Thiết kế hình khối

Nhằm khai thác hiệu quả TGTN, nên chọn hình khối dạng tấm cho NOCT Ngoài ra, cần có các giải pháp xử lý các khối cho NOCT, cụ thể như: tạo các khoảng rỗng trên thân khối; tạo đế cho khối nhà, tạo các góc bo cho khối ở đế công trình; …

3.2.4 Thiết kế quy hoạch tổng mặt bằng

Lựa chọn hướng gió đến tối ưu cho hiệu quả TGTN trong căn hộ: Chọn góc gió đến α từ 67.5° đến 78.75°

Lựa chọn hướng nhà

- Các bước thực hiện trong lựa chọn hướng nhà:

+ Bước 1: phân tích hoạt động biểu kiến của mặt trời tại địa phương Lựa chọn hướng nhà để hạn chế ánh nắng mặt trời

+ Bước 2: chọn hướng chính của CC để tổng trực xạ và tổng tán

xạ trên 2 mặt đứng của CC là nhỏ nhất

+ Bước 3: Đề xuất hướng CC để tổng tần suất xuất hiện của gió trên 2 mặt chính của CC là lớn nhất và giá trị góc gió đến α tối ưu + Bước 4: Tổng hợp các lựa chọn ở các bước 1, 2 và 3 để lựa chọn hướng tối ưu cho NOCT

- Theo nghiên cứu minh họa, hướng nhà cho NOCT ở Đà Nẵng được lựa chọn theo thứ tự: (1) Từ Nam Tây Nam - Nam - Nam Đông Nam; (2) Từ Nam Đông Nam đến Đông Nam

Xác định vùng quẩn gió sau các khối nhà cao tầng

Bằng phương pháp Computational Fluid Dynamics (CFD), Luận án

đã đưa ra các dữ liệu cho việc xác định vùng quẩn gió và đề xuất công

cụ tính kích thước vùng quẩn gió sau các khối NOCT

Nguyên tắc chung và định hướng trong thiết kế tổng mặt bằng khu nhà ở cao tầng nhằm khai thác hiệu quả TGTN

- Các hình thức bố cục tổng mặt bằng (TMB) và định hướng thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả TGTN: bố cục dạng đơn khối (gồm một khối đơn độc lập); bố cục dạng tuyến (các đơn nguyên xếp thành tuyến, liên tục hoặc tách rời); bố cục dạng nhóm (hình thức xếp hàng song song; hình thức so le; hình thức chu vi; hình thức hỗn hợp; hình thức tự do)

- Một số nguyên tắc chung trong thiết kế TMB: phù hợp, khai thác

có hiệu quả và có tính thích ứng với tự nhiên; hài hòa với cảnh quan; đáp ứng được ý đồ về tổ chức không gian; tạo khoảng cách hợp lý giữa các khối nhà; đáp ứng được các yêu cầu về thẩm mỹ và các tiện nghi khác, như: nhiệt độ, ánh sang, âm thanh, chất lượng không khí, …

- Định hướng thiết kế các hình thức bố cục TMB: