Giếng trời rất lớn nhưng nhà vẫn nóng. Làm thế nào để giếng trời thực sự giúp thông gió và làm mát?
Câu hỏi từ khách hàng:Tôi đang ở nhà phố nhiều tầng. Nhà có giếng trời khá lớn nên ban ngày rất sáng, nhưng càng lên tầng trên lại càng nóng và bí.
Đặc biệt vào buổi trưa, khu vực dưới mái kính rất nóng. Tôi có cảm giác nhiệt đi lên rồi bị giữ lại ở phía trên, giống như có một lớp không khí nóng treo trong nhà.
Tôi nghe nói giếng trời muốn thông thoáng thì phải có khe thoát khí trên mái và tận dụng nguyên lý ống khói. Vậy nguyên lý này hoạt động như thế nào và thiết kế giếng trời ra sao mới đúng?”
Kiến Trúc KINH BAN trả lời:Đây là một tình trạng khá phổ biến ở nhà phố: có giếng trời nhưng chỉ giải quyết được ánh sáng, chưa giải quyết được thông gió và nhiệt.Một giếng trời lớn không đồng nghĩa với một ngôi nhà thông thoáng.
Nếu phần mái phía trên được che bằng kính gần như kín hoàn toàn, bức xạ mặt trời vẫn có thể truyền qua kính và làm nóng sàn, tường, lan can cùng các bề mặt bên trong. Khi những bề mặt này nóng lên, chúng tiếp tục truyền nhiệt vào không khí.
Nếu không khí nóng không có đường thoát thích hợp ở vị trí cao, nhiệt sẽ tích tụ tại khu vực phía trên giếng trời.Vì vậy, khi thiết kế giếng trời cần phân biệt rõ ba nhiệm vụ:Lấy sáng.
Thông gió.
Kiểm soát nhiệt mặt trời.
Ba nhiệm vụ này có liên quan với nhau nhưng không phải là một.
Một giếng trời tốt phải được xem như một bộ phận của hệ thống thông gió tự nhiên của toàn ngôi nhà, chứ không đơn thuần là một khoảng trống có mái kính.
Nguyên lý ống khói trong kiến trúc là gì?
Trong vật lý công trình, hiện tượng này thường được gọi là Stack Effect, hay thông gió nhờ lực nổi của không khí.
Không khí có nhiệt độ cao hơn thường có mật độ thấp hơn. Khi điều kiện áp suất phù hợp, khối không khí ấm trong nhà có xu hướng đi lên.
Nếu tại vị trí cao của công trình có một cửa thoát và ở tầng thấp có đường cấp không khí từ bên ngoài, một dòng lưu thông có thể hình thành:Không khí bên ngoài đi vào ở vị trí thấp → di chuyển qua không gian sống → nhận nhiệt → đi lên → thoát ra tại vị trí cao.
Đây chính là nguyên tắc cơ bản của thông gió kiểu ống khói.Các hướng dẫn về thông gió tự nhiên của Whole Building Design Guide cũng xem hệ thống này như một “mạch khí”: phải đồng thời có đường cấp khí và thoát khí. Chỉ mở một đầu mà không tạo được đường lưu thông xuyên suốt công trình sẽ hạn chế đáng kể hiệu quả thông gió.
Có thể hình dung đơn giản:Cửa thấp là nơi ngôi nhà hít vào.
Giếng trời và cửa cao là nơi ngôi nhà thở ra.
Thiếu một trong hai, quá trình lưu thông sẽ không hoàn chỉnh.
Vì sao nhà có giếng trời lớn vẫn có thể rất nóng?
Có bốn nguyên nhân thường gặp.
1. Giếng trời có ánh sáng nhưng không có cửa thoát khí
Đây là lỗi phổ biến nhất.
Mái kính được bịt kín để chống mưa nên phần trên cùng của giếng trời trở thành nơi nhiệt tích tụ.
Không khí nóng đi lên nhưng gặp mái kính và không có đường thoát thích hợp.
Kết quả là nhiệt tập trung tại khu vực tầng trên và có thể truyền ngược vào các phòng xung quanh.
2. Có cửa thoát nhưng không có đường cấp khí phía dưới
Muốn một lượng không khí thoát ra khỏi nhà, phải có lượng không khí khác đi vào thay thế.
Nếu tầng trệt và các phòng đều đóng kín, Stack Effect sẽ bị suy yếu đáng kể.
Các cửa sổ, cửa đi, khe thông gió hoặc khoảng sân cần được tổ chức thành đường cấp khí có chủ đích. U.S. DOE cũng mô tả thông gió tự nhiên theo nguyên tắc không khí đi vào qua các cửa thấp, nhận nhiệt rồi đi lên và thoát ra tại các cửa cao.
3. Bức xạ mặt trời vào giếng trời quá lớn
Một sai lầm khác là cố lấy càng nhiều ánh sáng càng tốt.
Trong kiến trúc nhiệt đới, nhiều ánh sáng không đồng nghĩa với chất lượng ánh sáng tốt.
Nếu bức xạ trực tiếp chiếu vào một mái kính lớn trong nhiều giờ, lượng nhiệt mặt trời đi vào công trình có thể rất đáng kể.
Lúc đó hệ thống thông gió phải xử lý một tải nhiệt vốn có thể giảm ngay từ đầu bằng giải pháp che nắng.
Tư duy hợp lý hơn là:Giảm nhiệt trước, thông gió sau.
Không nên để mặt trời làm nóng công trình rồi mới tìm cách đẩy toàn bộ lượng nhiệt đó ra ngoài.
4. Đường đi của không khí bị đứt đoạn
Không khí không tự động đi từ tầng trệt lên mái chỉ vì có giếng trời.
Vách ngăn kín, cửa phòng đóng, hành lang cụt, trần giả hoặc cách bố trí phòng không hợp lý đều có thể cản trở dòng khí.
CIBSE lưu ý rằng vị trí cửa cấp và cửa thoát cũng cần được tổ chức để hạn chế hiện tượng không khí đi tắt trực tiếp từ cửa vào đến cửa ra mà không thực sự quét qua không gian cần thông gió.
Đó là lý do một ngôi nhà thông gió tự nhiên tốt phải được nghiên cứu theo mặt cắt và đường đi của không khí, chứ không thể chỉ nhìn mặt bằng.
Giếng trời muốn hoạt động như một “ống khói thông gió” cần những gì?
Nguyên tắc 1: Phải có cửa cấp khí thấp và cửa thoát khí cao
Đây là điều kiện quan trọng nhất.
Cửa cấp khí có thể là:
cửa sổ tầng trệt;
cửa đi;
khoảng sân trước;
sân sau;
khe thông gió;
cửa chớp;
hoặc khoảng không kết nối với bên ngoài.
Cửa thoát nên nằm ở khu vực cao nhất có thể của giếng trời.
Khoảng cách theo phương đứng giữa cửa cấp và cửa thoát càng lớn thì tiềm năng tạo lực nổi càng cao, nếu các điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp. Tài liệu hướng dẫn thiết kế cũng cho thấy lưu lượng Stack Effect liên quan trực tiếp đến diện tích mở hiệu dụng, chênh cao giữa cửa vào và cửa ra cùng chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà.
Vì vậy, nhà phố nhiều tầng có một lợi thế đáng chú ý: chiều cao công trình có thể được khai thác để hỗ trợ thông gió đứng.
Nguyên tắc 2: Không để cửa thoát trở thành “nút thắt”
Có một cách diễn giải thường gặp rằng:Diện tích cửa thoát phải lớn hơn cửa hút.
Điều này có thể được dùng như một kinh nghiệm thiết kế trong một số trường hợp, nhưng không nên xem là một tỷ lệ vàng áp dụng cho mọi công trình.
Các mô hình Stack Ventilation thường sử dụng diện tích cửa vào và cửa ra tương đương để tính toán cơ sở. Quan trọng hơn là diện tích thông thủy hiệu dụng của toàn bộ đường khí.
Ví dụ, một ô thoát nhìn trên bản vẽ rộng 1 m² nhưng phía trước lắp:lam chắn mưa;
lưới chống côn trùng;
khung nhôm;
hoặc các chi tiết chắn gió,
thì diện tích mà không khí thực sự đi qua có thể nhỏ hơn rất nhiều.
Do đó, Kiến Trúc KINH BAN ưu tiên kiểm tra Free Area – diện tích thoáng thực tế, thay vì chỉ lấy kích thước phủ bì của ô cửa.
Một nguyên tắc thực tế dễ nhớ là:Cửa cấp và cửa thoát cần đủ lớn, tương xứng nhau và không để bất kỳ vị trí nào trên đường khí trở thành nút thắt.
Với công trình cần kiểm soát chính xác, diện tích nên được tính theo lưu lượng thông gió yêu cầu, chênh áp, chênh cao và tổn thất của từng cấu kiện.
Nguyên tắc 3: Đặt cửa thoát tại vùng tích tụ nhiệt cao nhất
Khí nóng thường tập trung ở phần trên của không gian.
Do đó, thay vì đặt khe thông gió thấp bên dưới mái kính, nên nghiên cứu đưa cửa xả lên gần vị trí cao nhất của cổ giếng trời.
Giải pháp có thể là:
mái kính nâng;
cửa chớp cao;
ridge vent;
vented skylight;
hoặc một khoang thông gió đứng.
WBDG cũng khuyến nghị các cửa thoát cao, ridge vent, clerestory hoặc skylight có khả năng thông gió như những giải pháp hỗ trợ thông gió nhờ lực nổi.
Mái kính nên thiết kế như thế nào để vừa thoát khí vừa chống mưa?
Đây là phần cần xử lý bằng cấu tạo kiến trúc thay vì đơn giản để một lỗ hở trên mái.
Một phương án phổ biến là nâng mái lấy sáng lên khỏi cổ giếng trời, tạo khe thoáng xung quanh.
Tuy nhiên, không nên mặc định một con số như “nâng 20 cm là đủ” hay “mái phải vươn 30 cm”.
Khả năng chống mưa phụ thuộc vào:hướng gió chủ đạo;
cường độ mưa;
góc mưa tạt;
cao độ mái;
hình học khe mở;
chiều sâu mái đua;
vị trí công trình;
và hệ thống thoát nước.
Ở nhà phố tại khu vực có mưa lớn kèm gió, đặc biệt là khí hậu nhiệt đới, chi tiết chống hắt cần được triển khai cẩn thận hơn một mái che thông thường.
Một số giải pháp có thể kết hợp:
mái kính nâng;
mái hai lớp;
lam chắn mưa;
chớp nghiêng;
máng thu nước;
gờ chắn nước;
lưới chống côn trùng;
và đường thoát nước dự phòng.
Lam chữ Z có phải lúc nào cũng chống được mưa?
Không hoàn toàn.
Lam chữ Z hoặc weather louver có lợi thế là tạo đường đi ngoằn ngoèo, hạn chế nước mưa đi trực tiếp qua ô thông gió.
Nhưng khả năng chống mưa còn phụ thuộc vào:
khoảng cách giữa các lá lam;
góc nghiêng;
độ sâu;
tốc độ gió;
hướng mưa;
và cấu tạo thoát nước.
Đặc biệt cần lưu ý rằng lam càng dày và lưới càng kín thì sức cản không khí càng tăng.
Do đó, cấu kiện chống mưa và yêu cầu thông gió phải được tính như một hệ thống thống nhất.
Không nên giải quyết chống mưa đến mức cuối cùng… không còn gió để thoát.
Nguyên tắc 4: Giếng trời cần kiểm soát nhiệt mặt trời ngay từ bên ngoài
Đây là một trong những điểm quan trọng nhất nhưng thường bị bỏ qua.
Nếu mái kính tiếp nhận lượng bức xạ mặt trời quá lớn, hệ thống thông gió phía dưới phải liên tục xử lý lượng nhiệt được đưa vào.
Giải pháp tốt hơn là giảm Solar Heat Gain – nhiệt mặt trời truyền vào công trình ngay từ lớp bao che.
Có thể nghiên cứu:kính kiểm soát năng lượng mặt trời;
kính Low-E phù hợp;
mái kính có hệ số SHGC thích hợp;
lam che nắng;
mái che bên ngoài;
hệ hai lớp;
hoặc giảm tỷ lệ kính tại những vị trí nhận bức xạ mạnh.
Trong lựa chọn kính mái, không nên chỉ hỏi:
“Có chống tia UV không?”
Câu hỏi quan trọng hơn về mặt nhiệt là:Bao nhiêu năng lượng mặt trời thực sự truyền qua hệ kính vào bên trong công trình?
Đây là lý do các thông số liên quan đến SHGC – Solar Heat Gain Coefficient cần được xem xét bên cạnh truyền sáng.
Che nắng bên ngoài hay bên trong giếng trời tốt hơn?
Nếu mục tiêu chính là giảm nhiệt mặt trời, che nắng trước khi bức xạ đi qua kính thường có lợi thế hơn việc chờ năng lượng đi qua lớp kính rồi mới chắn bên trong.
Ví dụ:mái lam;
lưới kiến trúc;
mái đua;
lam ngang;
hoặc hệ shading nằm phía ngoài lớp kính.
Hệ che nắng bên trong vẫn có tác dụng kiểm soát chói và ánh sáng, nhưng một phần năng lượng mặt trời đã đi qua lớp kính vào không gian.
Do đó, trong kiến trúc nhiệt đới, nên ưu tiên tư duy:Chặn nhiệt càng sớm càng tốt.
Giếng trời càng cao thì Stack Effect càng mạnh?
Về nguyên lý, tăng khoảng cách đứng giữa cửa cấp và cửa thoát có thể làm tăng động lực thông gió do lực nổi. Các công thức thiết kế cũng thể hiện chênh cao là một trong những biến số ảnh hưởng đến lưu lượng.
Nhưng chiều cao không phải yếu tố duy nhất.
Một giếng trời cao nhưng:
không có cửa lấy khí;
khe thoát quá nhỏ;
bị ngăn phòng;
mái hấp thụ quá nhiều nhiệt;
hoặc ngoài trời nóng và lặng gió,
vẫn có thể hoạt động kém.
Do đó, không thiết kế Stack Effect bằng một kích thước đơn lẻ.
Phải xem cả hệ thống.
Một điểm rất quan trọng đối với khí hậu nóng ẩm
Stack Effect thường được quảng bá như một dạng “điều hòa tự nhiên”.
Cách nói này khá hấp dẫn nhưng dễ tạo kỳ vọng sai.
Thông gió tự nhiên không phải máy điều hòa không khí.
Nó không chủ động hạ nhiệt độ và độ ẩm giống hệ thống điều hòa cơ khí.
WBDG lưu ý rằng thông gió tự nhiên không có khả năng kiểm soát độ ẩm của không khí ngoài trời. Trong điều kiện nóng ẩm, hiệu quả làm mát vì thế có những giới hạn rõ ràng.
Trong những ngày không khí ngoài trời đã rất nóng và ẩm, đưa thêm nhiều không khí ngoài trời vào nhà chưa chắc làm nhiệt độ không khí trong nhà giảm.
Tuy nhiên, thông gió vẫn có thể mang lại ba giá trị quan trọng:đưa nhiệt tích tụ ra ngoài;
tăng vận tốc không khí quanh cơ thể để cải thiện cảm giác nhiệt;
cải thiện trao đổi không khí trong những thời điểm điều kiện ngoài trời phù hợp.
Vì vậy, giải pháp cho nhà phố nhiệt đới nên là sự phối hợp giữa:
che nắng + giảm tải nhiệt + thông gió chéo + thông gió đứng + vật liệu bao che phù hợp + giải pháp cơ khí khi cần thiết.
Đó mới là cách tiếp cận thực tế.
Không chỉ Stack Effect: Hãy kết hợp thông gió đứng và thông gió chéo
Giếng trời hoạt động tốt nhất khi nó không đứng một mình.
Không khí ngoài trời có thể được đưa vào từ mặt trước, sân sau hoặc khoảng mở bên hông, sau đó đi qua không gian sống và cuối cùng được dẫn tới giếng trời để thoát lên mái.
Lúc này hai cơ chế có thể hỗ trợ nhau:Cross Ventilation – thông gió chéo, khai thác áp suất do gió.
Stack Ventilation – thông gió đứng, khai thác lực nổi do chênh lệch nhiệt độ và cao độ.
Đây thường là cách tổ chức thông gió đáng nghiên cứu hơn đối với nhà phố dài và nhiều tầng.
Khi cải tạo một căn nhà đang bị nóng, nên kiểm tra những gì?
Trước khi quyết định mở thêm một khe trên mái, nên khảo sát toàn bộ đường khí.
Có thể bắt đầu từ năm câu hỏi:Không khí bên ngoài sẽ đi vào nhà từ đâu?
Nó sẽ đi qua những phòng nào?
Có vật cản nào khiến dòng khí bị đứt đoạn không?
Không khí nóng sẽ tập trung tại vị trí nào?
Sau cùng, nó thoát ra khỏi công trình bằng đường nào?
Nếu không trả lời được năm câu hỏi này, làm giếng trời lớn hơn chưa chắc giải quyết được vấn đề.
Thậm chí giếng trời lớn hơn nhưng không kiểm soát bức xạ có thể làm tải nhiệt tăng thêm.
Một giếng trời tốt không nhất thiết phải thật lớn
Đây là quan điểm cần thay đổi.
Chất lượng giếng trời không được quyết định đơn giản bởi số mét vuông khoảng trống.
Một giếng trời nhỏ nhưng được tính toán đúng:vị trí;
hướng nắng;
diện tích lấy sáng;
đường cấp khí;
đường thoát khí;
cao độ;
che nắng;
chống mưa;
và kết nối với mặt bằng,
có thể hoạt động hiệu quả hơn một khoảng giếng trời rất lớn nhưng bị bịt kín bằng kính.
Trong kiến trúc khí hậu, hình học và cách vận hành quan trọng hơn kích thước đơn thuần.
Nếu nhà có giếng trời nhưng tầng trên vẫn nóng và bí, vấn đề thường không nằm ở việc “giếng trời chưa đủ lớn”.Điều cần kiểm tra là giếng trời đang đóng vai trò gì trong hệ thống nhiệt và thông gió của ngôi nhà.Một giải pháp hợp lý cần đồng thời giải quyết:Cửa lấy khí ở vùng thấp.
Đường lưu thông không khí xuyên suốt công trình.Cửa thoát ở vùng cao.Diện tích thông thủy đủ lớn.Kiểm soát bức xạ mặt trời.Che mưa nhưng không bóp nghẹt đường khí.Và phối hợp Stack Effect với hướng gió thực tế của khu đất.
Khi những yếu tố này được thiết kế đồng bộ, giếng trời không còn đơn thuần là nơi đưa ánh sáng vào nhà mà trở thành một phần của hệ thống điều tiết vi khí hậu thụ động.Đó cũng là khác biệt giữa một căn nhà “có giếng trời” và một căn nhà biết sử dụng giếng trời.
Kiến Trúc KINH BAN tiếp cận kiến trúc xanh từ các nguyên lý vật lý công trình, khí hậu, ánh sáng, thông gió, vật liệu và sức khỏe không gian sống.Với nhà ở nhiệt đới, chúng tôi không xem “xanh” là việc bổ sung thật nhiều cây hoặc mở thật nhiều cửa kính. Một công trình bền vững phải biết kiểm soát nắng, tổ chức gió, hạn chế nhiệt dư và sử dụng năng lượng một cách hợp lý ngay từ thiết kế.
Đó là cách KINH BAN phát triển ngôn ngữ Tropical Minimalism – Nhiệt đới Tối giản: tối giản về hình thức nhưng không tối giản về tư duy khoa học.Kiến tạo không gian sống bằng khoa học, trách nhiệm và giá trị bền vững.
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
Có thể bạn quan tâm.