Một ngôi nhà có nhiều cửa sổ chưa chắc đã thông thoáng.Điều quyết định không phải là số lượng cửa mà là không khí có thực sự đi vào nhà, đi xuyên qua vùng sinh hoạt và thoát ra ngoài hay không.Đó chính là nguyên lý của thông gió chéo hay cross ventilation.

Trong kiến trúc khí hậu, thông gió chéo không phải một giải pháp cảm tính. Nó có thể được phân tích dựa trên tốc độ gió, chênh lệch áp suất giữa các mặt công trình, diện tích cửa mở, đường đi của dòng khí và thể tích không gian cần thông gió.

Mặt cắt phối cảnh một ngôi nhà hiện đại có các mũi tên thể hiện không khí đi vào từ mặt đón gió, đi xuyên qua phòng khách và thoát ra phía sau hoặc giếng trời.Thông điệp ảnh Thông gió chéo là một hệ thống có tính toán chứ không đơn giản là mở hai cửa. — Nguyên lý luồng gió chéo trong thiết kế nhà ở.

1 Thông gió chéo thực chất là gì

Thông gió chéo xảy ra khi không khí ngoài trời đi vào qua một hoặc nhiều cửa mở ở phía có áp suất cao và thoát ra qua cửa mở ở phía có áp suất thấp.

Khi gió tác động vào một mặt của công trình, mặt đón gió thường hình thành vùng áp suất dương.Ở phía khuất gió hoặc phía sau công trình thường xuất hiện vùng áp suất thấp hơn.

Sự chênh lệch áp suất này tạo ra động lực khiến không khí di chuyển xuyên qua công trình.Vì vậy, điều quan trọng nhất của thông gió chéo không phải là có hai cửa.Điều quan trọng là hai cửa phải nằm trong hai vùng có chênh lệch áp suất đủ lớn để tạo dòng khí.

2 Ba yếu tố quyết định khả năng đối lưu

Có ba nhóm yếu tố cần được xem xét.Thứ nhất là điều kiện gió bên ngoài.Tốc độ gió và hướng gió thay đổi theo mùa, thời điểm trong ngày, địa hình và mật độ công trình xung quanh.Một ngôi nhà nằm giữa khu đất trống sẽ tiếp nhận gió khác hoàn toàn một ngôi nhà nằm trong khu đô thị có nhiều công trình cao tầng bao quanh.

Thứ hai là hình dạng và vị trí cửa mở.Hai cửa có cùng diện tích nhưng đặt ở hai vị trí khác nhau có thể tạo ra lưu lượng gió hoàn toàn khác nhau.Thứ ba là đường đi của không khí bên trong nhà.Vách ngăn, tủ cao, cầu thang, hành lang và cửa phòng đều có thể làm thay đổi hoặc cản trở dòng khí.Do đó, thiết kế thông gió phải được xem xét như một hệ thống liên tục từ ngoài nhà đến trong nhà rồi thoát trở lại môi trường bên ngoài.

3 Chênh lệch áp suất do gió được tính như thế nào

Áp suất mà gió tạo ra trên bề mặt công trình phụ thuộc chủ yếu vào mật độ không khí, tốc độ gió và hệ số áp suất của từng mặt đứng.Có thể diễn giải theo nguyên lý sau.

Áp suất gió tỷ lệ với một nửa mật độ không khí nhân bình phương tốc độ gió và nhân hệ số áp suất của bề mặt công trình.Điều này có một ý nghĩa rất quan trọng.

Tốc độ gió tăng gấp đôi không làm áp suất tăng gấp đôi mà về lý thuyết có thể làm thành phần áp suất liên quan đến vận tốc tăng khoảng bốn lần nếu các điều kiện khác không đổi.

Hệ số áp suất phụ thuộc vào hình dạng công trình, hướng gió, vị trí cửa và các vật cản xung quanh.Mặt đón gió thường có hệ số áp suất lớn hơn.Mặt khuất gió thường có hệ số áp suất thấp hơn hoặc âm.Chính sự khác biệt giữa hai hệ số này tạo ra chênh áp thúc đẩy thông gió xuyên phòng.

4 Từ chênh áp đến lưu lượng không khí

Sau khi xác định được chênh áp giữa cửa vào và cửa ra, có thể ước tính lưu lượng không khí.Nguyên lý tính có thể viết bằng lời như sau.Lưu lượng không khí Q bằng hệ số lưu lượng Cd nhân diện tích mở hữu hiệu Aeff nhân căn bậc hai của hai lần chênh áp DeltaP chia cho mật độ không khí rho.

Q là lưu lượng không khí tính bằng mét khối trên giây.Cd là hệ số lưu lượng của cửa mở.Aeff là diện tích mở hữu hiệu.DeltaP là chênh lệch áp suất giữa hai phía.Rho là mật độ không khí.Công thức này cho thấy diện tích cửa quan trọng nhưng không phải yếu tố duy nhất.

Nếu hai cửa rất lớn nhưng nằm trong hai vùng có áp suất gần bằng nhau thì dòng khí vẫn có thể yếu.Ngược lại, hai cửa có diện tích vừa phải nhưng bố trí đúng vùng áp suất có thể tạo ra dòng khí rõ rệt.

5. Không thể chỉ tính cửa lấy gió

Thông gió chéo luôn có ít nhất hai thành phần.Cửa lấy gió.Cửa thoát gió.Nếu cửa vào rất lớn nhưng cửa ra quá nhỏ, toàn bộ hệ thống sẽ bị giới hạn bởi cửa ra.Khi thiết kế sơ bộ có thể xem hai cửa như hai trở lực nối tiếp nhau.

Diện tích mở hữu hiệu vì vậy thường nhỏ hơn diện tích của từng cửa riêng lẻ.Ví dụ nếu cửa vào và cửa ra có kích thước gần tương đương thì diện tích hữu hiệu của toàn hệ không bằng tổng diện tích hai cửa.Đây là lý do thiết kế một cửa sổ thật lớn ở mặt tiền nhưng chỉ để một khe thoát nhỏ phía sau thường không tạo ra hiệu quả tương ứng.

6. ACH là chỉ số dễ hiểu nhất để kiểm tra khả năng thay đổi không khí

Sau khi tính được lưu lượng Q, kiến trúc sư có thể quy đổi sang số lần thay đổi không khí mỗi giờ.Chỉ số này thường gọi là ACH.ACH được hiểu là số lần một lượng không khí tương đương toàn bộ thể tích phòng được thay thế trong một giờ.

Cách tính có thể diễn giải như sau.ACH bằng lưu lượng không khí tính theo mét khối mỗi giờ chia cho thể tích căn phòng.Ví dụ một căn phòng rộng 20 mét vuông và cao 3 mét có thể tích khoảng 60 mét khối.

Nếu dòng không khí xuyên phòng đạt 300 mét khối mỗi giờ thì ACH đạt khoảng 5 lần mỗi giờ.Nếu lưu lượng đạt 600 mét khối mỗi giờ thì ACH đạt khoảng 10 lần mỗi giờ.

Tuy nhiên ACH chỉ phản ánh lượng không khí trao đổi.Nó chưa phản ánh hoàn toàn chất lượng phân bố dòng khí trong phòng.Một phòng có ACH cao nhưng gió chỉ đi tắt từ cửa vào đến cửa ra vẫn có thể tồn tại những vùng không khí ít được thay đổi.

7. Đường đi của luồng gió quan trọng hơn việc chỉ tăng diện tích cửa

Một trong những sai lầm phổ biến trong thiết kế là đặt cửa vào và cửa ra quá gần nhau.Khi đó không khí có xu hướng đi theo con đường ngắn nhất.Gió vừa vào nhà đã thoát ra ngoài mà không đi qua vùng sinh hoạt chính.Hiện tượng này có thể hiểu là dòng khí đi tắt.

Thiết kế tốt hơn là để luồng khí đi qua vùng con người thường xuyên sử dụng như phòng khách, bàn ăn, phòng ngủ hoặc không gian làm việc trước khi thoát ra ngoài.Vị trí cửa cũng ảnh hưởng đến độ cao của vùng gió.Nếu cửa vào quá cao, dòng khí có thể đi phía trên đầu người.Nếu cửa vào nằm gần vùng sinh hoạt, luồng khí dễ đi qua vùng cảm nhận của cơ thể hơn.

8. Có nhất thiết phải đặt hai cửa đối diện nhau không

Không.

Hai cửa đối diện có thể tạo dòng gió mạnh nhưng không phải phương án duy nhất.Trong nhiều trường hợp, hai cửa nằm trên hai mặt tường khác nhau vẫn có thể tạo thông gió chéo rất tốt.

Đặc biệt khi cửa nằm ở hai vùng áp suất khác nhau của công trình.Cách bố trí chéo góc còn có thể giúp dòng khí quét qua diện tích phòng lớn hơn thay vì đi thành một đường gần như thẳng.Vì vậy nên đánh giá hướng gió và hình học không gian thay vì áp dụng cứng nhắc nguyên tắc cửa trước đối diện cửa sau.

ơ đồ mặt bằng một căn phòng có cửa lấy gió và cửa thoát gió nằm ở hai mặt khác nhau. Thể hiện vùng áp suất cao ở phía đón gió và vùng áp suất thấp ở phía thoát gió. — Chênh lệch áp suất tạo thông gió chéo trong nhà.

9. Chiều sâu phòng cũng ảnh hưởng đến hiệu quả thông gió

Khi không gian quá sâu, năng lượng của dòng khí giảm dần khi đi qua phòng.Ma sát với tường, đồ nội thất và các vật cản làm vận tốc không khí giảm.Các tài liệu thiết kế thông gió tự nhiên thường cho thấy thông gió chéo có thể phục vụ không gian sâu hơn đáng kể so với thông gió một phía.

Tuy nhiên chiều sâu hiệu quả vẫn phụ thuộc chiều cao phòng, diện tích cửa, tải nhiệt và hình dạng không gian.Với nhà có mặt bằng quá sâu, chỉ mở cửa trước và cửa sau thường chưa đủ.Có thể cần bổ sung sân trong, giếng trời, khoảng thông tầng hoặc hệ thống hỗ trợ cơ khí.

10. Vai trò của giếng trời và hiệu ứng ống khói

Thông gió tự nhiên không chỉ được tạo bởi gió.Chênh lệch nhiệt độ cũng tạo ra chuyển động không khí.Không khí nóng có mật độ thấp hơn nên có xu hướng đi lên.Nếu công trình có cửa lấy khí thấp và cửa thoát khí cao, sự chênh lệch độ cao và nhiệt độ có thể hỗ trợ quá trình đối lưu.

Đây là nguyên lý của hiệu ứng ống khói.Giếng trời vì vậy không chỉ có chức năng lấy sáng.Nếu được thiết kế đúng, nó có thể trở thành một phần của hệ thống thông gió.Không khí mát đi vào từ tầng thấp.Không khí nóng tích tụ phía trên được thoát ra tại mái hoặc tầng cao.Trong điều kiện ít gió, cơ chế này có thể hỗ trợ thông gió tự nhiên.

11. Nhà phố cần tính thông gió chéo khác nhà biệt lập

Nhà biệt lập thường có nhiều mặt tiếp xúc với không khí bên ngoài nên việc tạo chênh áp thuận lợi hơn.Nhà phố lại thường bị giới hạn bởi hai nhà liền kề.Khi đó mặt tiền và mặt sau trở thành hai hướng thông gió chính.Nếu chiều sâu công trình lớn, giải pháp chỉ mở cửa trước và sau có thể tạo ra những vùng không khí tĩnh ở giữa nhà.

Một hệ thống hợp lý hơn có thể gồm mặt tiền lấy gió, khoảng sân trong, cầu thang thoáng, giếng trời và cửa thoát cao.Khi đó công trình không còn dựa vào một đường gió duy nhất mà hình thành mạng lưới trao đổi không khí.

12. Nội thất cũng có thể phá hỏng hệ thống thông gió

Thông gió thường được tính từ giai đoạn kiến trúc.Nhưng sau khi bố trí nội thất, dòng khí có thể thay đổi hoàn toàn.Một tủ cao sát trần đặt ngay trước cửa lấy gió có thể tạo ra vùng cản.Một vách trang trí kín có thể chia phòng thành hai vùng áp suất khác nhau.

Rèm dày hoặc hệ cửa có diện tích mở thực tế thấp cũng làm giảm lưu lượng.Vì vậy thiết kế thông gió không nên dừng ở bản vẽ mặt bằng kiến trúc.Cần kiểm tra đồng thời kiến trúc, nội thất và cách vận hành cửa trong thực tế.

13. Không khí chuyển động chưa chắc là không khí trong lành

Đây là điểm cần đặc biệt lưu ý trong đô thị.Mục tiêu của thông gió không chỉ là tạo cảm giác có gió.Mục tiêu cuối cùng phải là đưa không khí có chất lượng phù hợp vào công trình và loại bỏ nhiệt, độ ẩm cùng các chất ô nhiễm phát sinh bên trong.

Nếu cửa lấy gió nằm sát đường nhiều bụi, khu vực xả khí, bãi xe hoặc nguồn ô nhiễm thì tăng lưu lượng thông gió tự nhiên có thể đồng thời tăng lượng chất ô nhiễm đi vào nhà.Vì vậy vị trí lấy gió cần được xem xét cùng chất lượng môi trường bên ngoài.Trong những khu vực có ô nhiễm không khí cao, giải pháp thông gió tự nhiên nên được kết hợp với lọc không khí hoặc hệ thống thông gió cơ khí có kiểm soát.

14. Không nên thiết kế dựa trên một hướng gió duy nhất

Gió tự nhiên luôn biến động.Hướng gió buổi sáng có thể khác buổi chiều.Điều kiện mùa mưa có thể khác mùa khô.Các công trình mới xung quanh cũng có thể thay đổi dòng gió trong tương lai.Vì vậy thiết kế bền vững không nên chỉ hoạt động khi gió thổi đúng một hướng lý tưởng.

Kiến trúc nên tạo nhiều khả năng lấy và thoát khí.Có thể sử dụng cửa mở nhiều hướng, sân trong, giếng trời, cửa cao thấp hoặc hệ thống hỗn hợp giữa thông gió tự nhiên và thông gió cơ khí.

15. Khi nào cần mô phỏng CFD

Với nhà ở quy mô nhỏ, có thể đánh giá sơ bộ dựa trên hướng gió, diện tích cửa, chênh áp và ACH.Nhưng đối với công trình lớn, mặt bằng phức tạp hoặc yêu cầu môi trường cao, nên sử dụng mô phỏng dòng khí.Một trong những công cụ phổ biến là CFD.

CFD có thể mô phỏng vận tốc gió, hướng dòng khí, vùng xoáy, vùng không khí tĩnh và sự phân bố nhiệt trong không gian.Thay vì chỉ biết tổng lượng không khí đi qua công trình, người thiết kế có thể nhìn thấy không khí đang đi qua đâu.Đây là bước chuyển từ thiết kế thông gió theo kinh nghiệm sang thiết kế có kiểm chứng.

So sánh hai mặt bằng.Một phương án có cửa vào và cửa ra quá gần khiến gió đi tắt. Một phương án bố trí cửa chéo góc khiến dòng khí đi qua toàn bộ vùng sinh hoạt. — So sánh đường đi của luồng gió trong thiết kế thông gió chéo.

16. Một quy trình thiết kế thông gió chéo hợp lý

Bước đầu tiên là nghiên cứu khí hậu khu vực.Cần xác định hướng gió chủ đạo, tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện môi trường ngoài trời.

Bước thứ hai là nghiên cứu vị trí công trình.Cần xem xét nhà lân cận, cây xanh, tường rào và các vật cản có thể làm thay đổi dòng gió.

Bước thứ ba là xác định vùng áp suất.Phân tích mặt nào có khả năng đón gió và mặt nào có khả năng tạo vùng hút.

Bước thứ tư là thiết kế cửa lấy và cửa thoát.Không chỉ tính diện tích cửa mà phải xem diện tích mở thực tế.

Bước thứ năm là kiểm tra đường đi của không khí.Luồng khí cần đi qua các vùng sinh hoạt chính thay vì đi tắt.

Bước thứ sáu là tính lưu lượng và ACH.Đây là bước giúp chuyển thiết kế từ cảm tính sang định lượng.

Bước thứ bảy là kiểm tra tải nhiệt và chất lượng không khí ngoài trời.Thông gió tự nhiên không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu.

Bước cuối cùng là mô phỏng hoặc đo kiểm nếu công trình có yêu cầu cao.

17. Tư duy đúng về thông gió tự nhiên

Một ngôi nhà thông thoáng không được tạo nên đơn giản bằng việc mở thật nhiều cửa.Thiết kế tốt phải trả lời được năm câu hỏi.Gió đi vào từ đâu.Vì sao gió có thể đi vào.Gió đi qua những khu vực nào.Gió thoát ra ở đâu.Và điều gì xảy ra khi hướng gió thay đổi.Khi năm câu hỏi này được giải quyết ngay từ giai đoạn thiết kế, thông gió mới trở thành một phần thực sự của kiến trúc thay vì một yếu tố phụ thuộc vào may rủi.

Mặt cắt nhà phố có mặt tiền, sân trong, giếng trời và cửa thoát khí phía trên mái. Các mũi tên thể hiện sự kết hợp giữa thông gió chéo và hiệu ứng ống khói. — Thông gió chéo kết hợp giếng trời trong thiết kế nhà phố.

Kiến Trúc KINH BAN cho rằng một ngôi nhà xanh không bắt đầu từ việc bổ sung thật nhiều thiết bị mà bắt đầu từ việc tổ chức đúng ánh sáng, bóng đổ, hướng gió và dòng chuyển động tự nhiên của không khí. Thông gió chéo vì vậy cần được xem là một bài toán kiến trúc có thể tính toán, kiểm chứng và tối ưu ngay từ mặt bằng đầu tiên. Khi kiến trúc làm tốt phần việc của mình, thiết bị cơ khí sẽ chỉ đóng vai trò hỗ trợ thay vì phải sửa chữa những bất hợp lý của không gian.

KIẾN TRÚC KINH BAN
Kiến tạo từ trật tự-Bền vững từ trí tuệ
Điện thoại: 0978.727.986 và 0938.863.401
Website: kientruckinhban.vn
Email: kinhban.com@gmail.com
Địa chỉ: 496 Lý Thái Tổ, phường Vườn Lài, TP.HCM

Câu hỏi thường gặp

Luồng gió chéo được tính toán như thế nào?

Luồng gió chéo được tính toán như thế nào ? Để nhà luôn đối lưu không khí trong lành