Nội thất Rolex learning center, EPFL. Nguồn: https://commons.wikimedia.org/, giấy phép: creative common (CC BY-SA 3.0)
Kiểm soát thông gió tự nhiên một cách thủ công không đòi hỏi bất cứ chỉ dẫn nào và cách vận hành cũng hoàn toàn rõ ràng và quen thuộc với tất cả mọi người, do đó nó không phải là chủ đề của nghiên cứu này.
Nhưng việc vận hành một cách tự động hệ thống thông gió tự nhiên lại đòi hỏi có sự kết hợp công nghệ của nhiều lĩnh vực. Hiện nay, chưa có những nguyên tắc chung để định hướng việc thiết kế các hệ thống kiểm soát thông gió tự nhiên tự động trong các công trình toà nhà. Trong khi đó, sự phát triển nhanh chóng của các loại hình toà nhà thông minh với yêu cầu tự động kiểm soát các hệ thống kỹ thuật, trong đó có việc tổ chức thông gió tự nhiên, khiến cho việc nghiên cứu về chiến lược kiểm soát thông gió tự động càng trở nên cần thiết.
Ưu điểm của hệ thống thông gió cửa sổ tự động
Hình 1: Một vài kiểu thanh kéo đẩy giúp đóng mở cửa theo mệnh lệnh từ bộ điều khiển. Nguồn: https://www.diytrade.com/, © Xuzhou SSBROTHER Intelligent Technology Co., Ltd
Một hệ thống kiểm soát thông gió tự nhiên tự động thường bao gồm các bộ phận sau đây:
Những công nghệ phổ biến cho việc kiểm soát thông gió tự động thường gồm các bộ phận và kỹ thuật như sau:
Nhiều loại cảm biến khác nhau được dùng cho việc kiểm soát thông gió tự nhiên. Những loại chính bao gồm:
Có rất nhiều loại thiết bị kéo đẩy phục vụ cho nhiều loại cửa thông gió khác nhau như: cửa mở ngang, cửa mở đứng, cửa chớp, cửa kiểu lật. Kích cỡ và sức mạnh của thiết bị kéo đẩy không chỉ phụ thuộc vào sức nặng của cửa mà còn vị trí cửa, vị trí thiết bị kéo đẩy và lực gió trên cửa. Công suất của bộ kéo đẩy thường nhỏ khoảng 20 – 30 W, cá biệt những loại rất lớn có thể 75 – 90 W. Có một số loại thiết bị kéo đẩy phổ biến như sau:
Các thiết bị điều khiển có trên thị trường hiện nay cho phép linh hoạt điều khiển cửa theo các trạng thái và chiến lược khác nhau. Các bộ điều khiển này thực chất là một máy tính có bộ vi xử lý (CPU) và một phần mềm điều khiển chuyên dụng. Phần mềm điều khiển thường là một tập hợp các lệnh điều khiển như: điều khiển vòng lặp ON-OFF, bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID, điều khiển boolean (AND, OR,…), lập trình thời gian… Chúng điều khiển các hệ thống đóng mở cửa, thậm chí cả điều hoà, sưởi và đèn chiếu sáng. Nhà sản xuất dễ dàng cài đặt các tuỳ chọn điều khiển bằng các câu lệnh được lập trình, ví dụ như: “NẾU nhiệt độ trong nhà lớn hơn 25 ºC VÀ nhiệt độ ngoài trời nhỏ hơn nhiệt độ trong nhà THÌ thực hiện chiến lược 1” hoặc “NẾU nồng độ CO2 trong nhà vượt quá thiết lập (thường là 800 ppm) THÌ mở cửa thông gió”. Các câu lệnh như vậy có thể tổ chức theo lối cành cây (phả hệ) giúp điều khiển các hệ thống phức tạp và các ứng xử đóng mở đa dạng.
Hình 2: Một ví dụ về câu lệnh điều khiển dựa trên chênh lệch nhiệt độ trong ngoài và nồng độ CO2. Nguồn: tác giả
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống thông gió tự động. Nguồn: tác giả
Để nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống thống gió tự nhiên tự động, điều khiển cửa sổ tự động để thông gió có thể được tích hợp vào hệ thống điều khiển tòa nhà và khí hậu trong nhà toàn diện, cũng có thể điều khiển rèm, mái hiên, cửa chớp, hệ thống sưởi, điều hòa không khí, và thiết bị báo động và ánh sáng.
Một số công trình tiêu biểu sử dụng công nghệ thông gió tự động:
Được xây dựng trong khuôn viên của trường École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Công ty Kiến trúc Nhật bản SANAA đã hình tượng hoá miếng phô mai Thụy Sĩ để tạo ra Trung tâm học tập Rolex – hoạt động như một phòng thí nghiệm để học tập, thư viện và trung tâm văn hóa quốc tế cho EPFL, dành cho cả sinh viên và công chúng. Tòa nhà trải rộng một không gian duy nhất, không bị gián đoạn 20.000 m2, cung cấp một loạt các dịch vụ học tập và không gian ngoài trời tuyệt đẹp. Kiến trúc sáng tạo của nó bao gồm các sàn dốc và sân thượng thoai thoải xung quanh một loạt các sân trong. Mái cong phức tạp của nó đòi hỏi các phương pháp xây dựng hoàn toàn mới.
Một hệ thống thông gió tự nhiên tự động cho phép công trình mát mẻ quanh năm. Các cửa sổ mở vào sân trong đón gió mát mùa hè được lập trình đóng mở theo 13 chế độ bởi các bộ kéo đẩy, được các KTS và kỹ sư mô phỏng kỹ lưỡng. Nền nhà được làm mát bằng nước bơm từ hồ Leman cách đó khoảng 600 m. Vào mùa Đông, hệ thống quạt cung cấp lưu lượng gió tươi cố định mà không làm tổn thất nhiều nhiệt.
Hình 4: Toàn cảnh Rolex Center. Nguồn: https://www.flickr.com, giấy phép: Creative common (CC BY-NC 2.0)
Hình 5: Nội thất Rolex center. Nguồn: https://www.flickr.com, giấy phép: Creative common (CC BY-NC 2.0)
Đây là một cấu trúc có lịch sử lâu đời từ năm 1922 giúp kết nối một phần Amsterdam với Westerdokseiland. Bị bỏ hoang từ lâu, và vào năm 2005 thành phố Amsterdam đã hồi sinh nó bằng một nhà hàng có view paronama rất đẹp. Công ty de Architekten Cie thắng giải, đã đề xuất vỏ bao che bằng nhôm kính trong suốt có thể mở theo kiểu co lên trên, được điều khiển bằng hệ thống đóng mở điện tử, đảm bảo việc mở ra theo một mô thức có nhịp điệu và thẩm mỹ cao. Eurodeur là công ty Hà Lan chuyên sản xuất cửa gara đã hoàn thành hệ thống cửa này.
Khi mở, công trình đạt được trang thái thông gió xuyên cực tốt, phù hợp cho mùa hè và lúc chuyển mùa. Mặt khác, mặt tiền công trình trở nên cực kỳ ấn tượng, phù hợp với bối cảnh khu vực và bối cảnh lịch sử của nó.
Hình 6: Cửa ở trạng thái mở và đóng. Nguồn: https://www.architecturelist.com/, © Rob Hoekstra
Hình 7: Chi tiết hệ thống cửa mở. Nguồn: https://www.architecturelist.com/, © Rob Hoekstra, © CIE
Thiết kế đạt chứng chỉ LEED vàng của của công ty Solomon Cordwell Buenz rất thành công với công trình có mặt đứng 2 da đồng thời là ống khói nhiệt (double-skin faccade), tường kính toàn bộ, màn che nắng tự động mặt Tây và Nam, cửa sổ tự đóng mở… giúp cho công trình tiết kiệm nhiều năng lượng, tiện nghi mà vẫn trong suốt.
Vào mùa hè và những lúc ấm áp, cửa sổ mặt Bắc mở tự động cho thông gió tự nhiên cho văn phòng và các không gian công cộng, làm mát chúng và thoát ra ở các cửa sổ ở hướng đối diện. Toà nhà không cần dùng điều hoà do không có tải nhiệt tập trung. Solomon Cordwell Buenz nhận ra rằng các cửa sổ mở tự động điều khiển bởi hệ thống BMS cần kết hợp với các hiệu ứng thông gió do áp lực gió, hiệu ứng ống khói nhiệt mới đảm bảo lưu lượng thông gió. Hệ thống các thanh kéo đẩy sản xuất bởi công ty Đức D+H Mechatronic, giúp mở cửa rộng tối đa. Công trình đạt mức tiêu hao năng lượng 43 kBtu/ft2.năm, giảm 40% so với quy chuẩn ASHRAE 90.1-2007.
Công trình này đã cho thấy cuộc cách mạng trong tư duy thiết kế và khả năng của công nghệ chứng minh hiệu quả của các mặt dựng tự động hoá, ngay cả đối với các công trình có đòi hỏi rất cao.
Hình 8: Mặt đứng hướng Bắc. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Steve Hall for Hedrich Blessing
Hình 9: Mặt đứng hướng Tây với rèm che nắng đang hạ xuống. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Steve Hall for Hedrich Blessing
Hình 10: Sơ đồ thông gió. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Solomon Cordwell Buenz
[1] GEZE RWA AND VENTILATION TECHNOLOGY, Overview of window technology, natural ventilation and RWA, Germany, Vers. EN 1704. [2] Allard, F. ed., 1998. Natural ventilation in buildings: a design handbook. London: James & James. [3] Arens International January 2015 – Green Control Range, www.arens.com.au [4] Al Hilal, Cafe-restaurant OPEN, Amsterdam / by de Architekten Cie, 04/2011. Có tại: https://www.architecturelist.com/2011/04/01/cafe-restaurant-open-amsterdam-by-de-architekten-cie/ [truy cập 27/2/2020] [5] Linn, C., 2014. Kinetic architecture: design for active envelopes. Melbourne: Images publishing.
PGS. TS. KTS. Nguyễn Anh Tuấn
Trưởng khoa – Khoa Kiến trúc, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Nguồn: Vienkientruc.vn