Chiến lược kiểm soát thông gió tự nhiên thông minh trong công trình kiến trúc

Công trình Nghiên cứu của gv Khoa Kiến trúc, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 02-2020)

Kiểm soát thông gió tự nhiên không đòi hỏi bất cứ chỉ dẫn nào, 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.

Tuy nhiên, 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 một cách tự động trong các tòa nhà. Trong khi đó, sự phát triển nhanh chóng của các loại hình 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

Môi trường được thông gió tự động trong Rolex learning center, EPFL. Nguồn: https:// commons.wikimedia. org/, giấy phép: creative common (CC BY-SA 3.0)

• Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì thấp hơn so với thông gió cơ học;
• Tính bền vững: Các cửa sổ tự động hiệu quả hơn các hệ thống điều hòa không khí vì chúng sử dụng tài nguyên thiên nhiên;
• Thuận tiện: Thông minh hơn, tự động hóa cho phép điều khiển cá nhân và linh hoạt;
• Kiểm soát được chất lượng không khí bên trong, ví dụ có thể ngăn ngừa thiệt hại liên quan đến độ ẩm;
• Kiểm soát được những cửa ở vị trí bất lợi.

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

• Các cảm biến;
• Các bộ kéo đẩy;
• Các bộ điều khiển;
• Có thể có 1 trung tâm theo dõi (đặc biệt là trong các công trình lớn).

Những công nghệ phổ biến cho việc kiểm soát thông gió tự động thường gồm các bộ phận và kỹ thuật như sau:

Một ví dụ về câu lệnh điều khiển dựa trên chênh lệch nhiệt độ trong ngoài và nồng độ CO2. Nguồn: tác giả

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống thông gió tự động. Nguồn: tác giả

1. Các cảm biến (sensor): Nhiều loại cảm biến khác nhau được dùng cho việc kiểm soát thông gió tự nhiên. Những loại chính bao gồm:

• Cảm biến nhiệt độ: Đây là bộ phận cơ bản của một hệ thống kiểm soát tự động, giúp quan trắc tự động nhiệt độ bên trong nhà và ngoài trời một cách đồng thời. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà là thông tin quan trọng để hệ thống quyết định có nên lấy gió ngoài để làm mát hay không. Hầu hết các cảm biến nhiệt độ sử dụng trong hệ thống kiểm soát này là các nhiệt kế kiểu nhiệt trở, hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản: Sự thay đổi điện trở của kim loại (thường làm bạch kim nay niken) với nhiệt độ. Độ chính xác của loại cảm biến này khoảng 0,1 đến 0,5ºC. Cảm biến nhiệt độ trong nhà cần được đặt cách xa cửa, tránh bức xạ mặt trời và nơi không khí trong phòng đồng nhất cao;
• Cảm biến khí CO2: Được dùng để đo mức độ ô nhiễm không khí trong nhà gây ra bởi người sử dụng. Hầu hết các loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý của sự hấp thu quang phổ hồng ngoại. Loại này có một nhược điểm là độ chính xác không cao (sai số khoảng 50 đến 100 ppm, trong khi ngưỡng thiết lập cho yêu cầu thông gió thường rơi vào khoảng 800 ppm) và giá thành khá đắt. Loại cảm biến này thường yêu cầu được hiệu chuẩn (re-calibrate) sau thời gian hoạt động 6 – 12 tháng;
• Cảm biến chất lượng không khí: Những loại cảm biến này mới được phát triển mạnh trong khoảng 20 năm gần đây dù lịch sử của nó có hơn 100 năm, dùng để đo lường chất lượng không khí. Không giống cảm biến CO2, cảm biến dò đa khí (multigas sensing) được sử dụng để dò các hợp chất và có thể phát hiện chính xác sự hiện diện của một hoặc nhiều loại khí. Độ nhạy của chúng có thể được điều chỉnh bởi người điều khiển. Ưu điểm của chúng là rất nhạy với sự hiện diện của chất khí ô nhiễm không phải của con người (như khói thuốc chẳng hạn). Tuy nhiên, chúng chủ yếu đóng vai trò phát hiện chất khí ô nhiễm hơn là đo nồng độ của khí và cũng đòi hỏi phải thường xuyên được hiệu chỉnh;
• Cảm biến tốc độ và hướng gió: Đây là loại cảm biến rất cần thiết cho thông gió tự nhiên. Cảm biến tốc độ gió sẽ giúp hệ thống có quyết định mở cửa rộng cỡ nào, khi nào thì nên đóng cửa vì gió quá mạnh. Trong khi đó, cảm biến hướng gió sẽ hỗ trợ quyết định mở cửa trên mặt tiền hướng nào và dùng loại cửa nào. Cảm biến tốc độ gió thường là loại phong tốc kế hình chén đo gió trên phương nằm ngang, đòi hỏi rất ít công sức bảo trì, nhưng độ nhạy với gió nhẹ thấp (trên 1 m/s). Để đo hướng gió, người ta dùng máy đo gió có thêm bánh lái (vane anemometer). Thiết bị này thường đặt trên mái nhà;
• Cảm biến mưa: Chúng cung cấp chỉ báo về trạng thái mưa, giúp đưa ra quyết định đóng cửa khi mưa lớn. Thông tin của cảm biến mưa được kết hợp với thông tin về tốc độ và hướng gió để đóng cửa khi các yếu tố trên kết hợp, có thể gây tạt mưa vào công trình. Những cảm biến mưa hoạt động dựa trên nguyên lý sự thay đổi của điện dung khi diện tích nước trên bề mặt cảm biến tăng. Loại cảm biến này thường được sấy để làm khô nhanh và làm tan tuyết, giúp dò được tuyết;
• Một vài loại cảm biến khác cũng được dùng khá phổ biến. Một là cảm biến độ ẩm, giúp quyết định lưu lượng thông gió là bao nhiêu cho phù hợp, đặc biệt là những không gian có độ ẩm cao như bếp, toilet… Hai là cảm biến bức xạ mặt trời, giúp đưa ra quyết định tăng cường thông gió tự nhiên nếu bức xạ mặt trời nhận được lớn. Ba là cảm biến an ninh vốn rất phổ biến, giúp phát hiện sự xâm nhập qua cửa thông gió, hoặc sự phá hoại cửa có chủ ý.

2. Các bộ kéo đẩy (actuator): 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:
• Bộ kéo điện bằng dây xích: Loại thiết bị này thường dùng cho cửa sổ có bản lề trên, bản lề dưới, đôi khi cả của bản lề đứng. Bộ kéo này thường được kết hợp với bộ đóng cửa;
• Bộ kéo đẩy bằng piston thuỷ lực (tuyến tính): Bộ này gồm một thanh chống gắn với piston và xy-lanh thuỷ lực. Loại này phù hợp với cửa trượt hoặc cửa kiểu chớp, tuy nhiên cũng có thể sử dụng cho các loại cửa khác. Loại này hoạt động êm ái, nhưng trông không được gọn gàng và thẩm mỹ lắm;
• Bộ kéo đẩy mô tơ điện (tuyến tính): Có hình thức bên ngoài giống loại piston, nhưng hoạt động bằng mô tơ điện, có khả năng tự ngắt điện khi bị quá tải (ví dụ cửa bị vướng);
• Bộ đóng mở cửa sập: Có thể dùng điện hoặc khí nén, để xoay cánh cửa về vị trí đóng hoặc mở.

3. Bộ điều khiển (controller): 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.

Để nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống thông 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

Café – restaurant OPEN, Amsterdam

Cửa ở trạng thái mở và đóng. Nguồn: https://www.architecturelist.com/, © Rob Hoekstra

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, vào năm 2005, TP Amsterdam đã hồi sinh công trình trở thành 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.

Chi tiết hệ thống cửa mở. Nguồn: https://www.architecturelist.com/, © Rob Hoekstra, © CIE

Rolex learning center – EPFL, Lausanne

Nội thất Rolex center. Nguồn: https://www.flickr.com, giấy phép: Creative common (CC BY-NC 2.0)

Được xây dựng trong khuôn viên của trường École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Công ty Kiến trúc Nhật bản SANAA đã hình tượng hóa 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.

Toàn cảnh Rolex Center. Nguồn: https://www.flickr.com, giấy phép: Creative common (CC BY-NC 2.0)

Marcella Niehoff School of Nursing and Center for Collaborative Learning, Loyola University Chicago

Mặt đứng hướng Bắc. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Steve Hall for Hedrich Blessing (Ảnh trái), Mặt đứng hướng Tây với rèm che nắng đang hạ xuống. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Steve Hall for Hedrich Blessing (Ảnh phải)

Thiết kế đạt chứng chỉ LEED vàng của của công ty Solomon Cordwell Buenz rất thành công với công trình có mặt đứng 2 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 và thoát khí ở các cửa sổ ở hướng đối diện. Tòa nhà không cần dùng điều hòa 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.

Sơ đồ thông gió. Nguồn: https://www.pinterest.com/, © Solomon Cordwell Buenz

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 hóa, ngay cả đối với các công trình có đòi hỏi rất cao.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Tài liệu tham khảo

• [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.

Tin và bài: Khoa Kiến trúc