Khí động học trong không gian mở. Bố trí mặt bằng để ngôi nhà đón gió tự nhiên
Một ngôi nhà có nhiều cửa sổ chưa chắc đã thông thoáng.Nếu cửa mở sai hướng, luồng gió bị chặn bởi vách ngăn hoặc không có đường thoát phù hợp, không khí vẫn có thể quẩn quanh trong phòng. Ngược lại, một mặt bằng được tổ chức khoa học có thể tận dụng chênh lệch áp suất, chuyển động của gió và sự nổi của khí nóng để tạo nên dòng không khí liên tục.Đó là lý do thông gió tự nhiên phải được nghiên cứu từ bước bố trí mặt bằng, thay vì chỉ bổ sung cửa sổ sau khi công năng đã được chốt.
Thông gió chéo hoạt động như thế nào?
Trong kiến trúc, thông gió tự nhiên thường được tạo bởi hai cơ chế chính:
- Thông gió do gió: hình thành bởi chênh lệch áp suất giữa các mặt công trình.
- Thông gió do lực nổi: hình thành khi không khí nóng nhẹ hơn, bốc lên cao và thoát qua các cửa mở phía trên.
Khi gió gặp một công trình, mặt trực tiếp đón gió thường hình thành vùng áp suất cao hơn. Không khí có xu hướng đi vào nhà qua cửa sổ, cửa đi hoặc lam thông gió tại khu vực này.Ở mặt khuất gió hoặc một số vùng bên hông công trình, áp suất thường thấp hơn. Nếu có cửa thoát phù hợp, chênh lệch áp suất sẽ kéo không khí từ trong nhà ra ngoài.
Dòng khí đi từ cửa vào đến cửa ra được gọi là thông gió chéo – cross ventilation. Cơ chế này giúp thay thế không khí cũ, giảm tích tụ nhiệt, độ ẩm, mùi và một phần chất ô nhiễm phát sinh trong sinh hoạt.Tuy nhiên, cần phân biệt rõ: thông gió chéo chủ yếu là thông gió tự nhiên do gió, không hoàn toàn đồng nghĩa với đối lưu nhiệt. Đối lưu do nhiệt thể hiện rõ hơn trong giếng trời, thông tầng và các khoảng thoát khí cao.
1. Nghiên cứu hướng gió trước khi bố trí cửa
Không nên xác định cửa đón gió chỉ bằng hướng nhà hoặc một nhận định chung như “gió thường thổi từ hướng này”.Hướng và vận tốc gió có thể thay đổi theo:
- Mùa mưa và mùa khô.
- Thời điểm trong ngày.
- Địa hình và khoảng trống xung quanh.
- Mật độ xây dựng của khu phố.
- Nhà cao tầng, tường rào và cây xanh lân cận.
- Sự thay đổi của công trình trong tương lai.
Biểu đồ hoa gió giúp nhận diện tần suất và vận tốc gió theo từng hướng. Tuy nhiên, dữ liệu khí tượng khu vực cần được đối chiếu với điều kiện thực tế tại khu đất. Một căn nhà nằm trong hẻm hẹp sẽ tiếp nhận gió rất khác với căn nhà nằm cạnh sông hoặc khoảng đất trống.
Về nguyên tắc, cửa đón nên hướng về vùng có gió mát thuận lợi. Góc gió đi vào càng trực diện thì áp lực tại cửa thường càng lớn. Dù vậy, mốc lệch ±45° chỉ nên xem là hướng dẫn sơ bộ, không phải giới hạn tuyệt đối. Trong một số trường hợp, cửa đặt lệch hướng kết hợp với cánh cửa, lam đứng hoặc ban công có thể dẫn gió vào nhà hiệu quả hơn cửa đặt hoàn toàn trực diện.Với công trình phức tạp, nên kiểm chứng bằng mô phỏng CFD, mô hình hầm gió hoặc ít nhất là phân tích áp suất trên từng mặt đứng.
2. Cửa đón và cửa thoát phải tạo thành một hệ thống
Một cửa sổ đơn lẻ chủ yếu tạo ra thông gió một phía. Không khí có thể đi vào và đi ra qua cùng một cửa, nhưng phạm vi trao đổi thường hạn chế và dễ xuất hiện vùng không khí tù ở phía sâu bên trong.Thông gió chéo hiệu quả hơn khi không gian có:
- Ít nhất hai cửa mở liên hệ với bên ngoài.
- Các cửa nằm tại những vùng áp suất khác nhau.
- Một đường đi tương đối liên tục giữa cửa vào và cửa ra.
- Diện tích mở thực tế đủ lớn sau khi trừ khung, lưới chống côn trùng và các chi tiết che chắn.
Tài liệu hướng dẫn của Whole Building Design Guide khuyến nghị không gian thông gió tự nhiên nên có cửa cấp và cửa thoát riêng, đồng thời hạn chế vật cản trên đường đi của không khí.Không có một “tỷ lệ vàng” duy nhất áp dụng cho mọi công trình.Lưu lượng gió phụ thuộc đồng thời vào chênh lệch áp suất, diện tích mở hữu hiệu của cả hai cửa, hình dạng cửa, hệ số cản và hướng gió. Chỉ cần một cửa quá nhỏ, toàn bộ hệ thống có thể bị giới hạn tại vị trí đó.
Trong nhiều trường hợp, cửa thoát có diện tích bằng hoặc lớn hơn cửa đón giúp giảm cản trở dòng khí. Tuy nhiên, việc cửa đón nhỏ và cửa thoát lớn không tự động tạo ra “hiệu ứng Venturi” cho toàn bộ căn phòng.Muốn tăng vận tốc gió tại khu vực sinh hoạt, kiến trúc sư phải xem xét cả hình học đường gió, vị trí cửa và tiết diện dòng khí không thể chỉ nhìn vào diện tích của hai ô cửa.
3. Tổ chức đường đi của gió trong mặt bằng
Gió luôn chọn con đường có sức cản thấp hơn.Nếu cửa vào và cửa ra nằm quá gần nhau, dòng khí có thể đi tắt rồi thoát ra ngoài mà không quét qua khu vực sử dụng. Nếu giữa hai cửa có tường đặc, tủ cao hoặc hành lang gấp khúc, vận tốc gió sẽ suy giảm đáng kể.Mặt bằng thông thoáng nên ưu tiên:
- Không gian liên thông có kiểm soát.
- Cửa phòng và cửa sổ tạo thành đường gió.
- Vách lửng, lam thoáng hoặc tủ thấp tại vị trí cần phân chia.
- Ô thoáng phía trên cửa đối với phòng cần sự riêng tư.
- Nội thất lớn không chắn ngay trước cửa đón gió.
- Cửa vào và cửa ra bố trí lệch nhau vừa đủ để dòng khí quét qua phần lớn căn phòng.
“Không gian mở” không có nghĩa là xóa bỏ toàn bộ vách ngăn. Điều quan trọng là mỗi vách ngăn phải được đánh giá như một thành phần khí động học: nó đang dẫn gió, phân phối gió hay vô tình chặn gió?
4. Kiểm soát các vùng gió không tiếp cận được
Góc chết thường xuất hiện tại:
- Phòng chỉ mở cửa ra hành lang kín.
- Khu vực phía sau tủ cao hoặc vách đặc.
- Phòng nằm giữa mặt bằng quá sâu.
- Góc bếp, phòng thay đồ và nhà vệ sinh thiếu cửa thoát.
- Không gian bị bao kín ba phía.
- Phòng có cửa vào và cửa ra nằm sát nhau.
Đây là những vị trí dễ tích tụ nhiệt, hơi ẩm và mùi. Trong điều kiện nóng ẩm, bề mặt lạnh hoặc khu vực thiếu lưu thông còn có thể tăng nguy cơ ngưng tụ và nấm mốc.Giải pháp có thể là mở thêm ô thoáng, tạo sân trong, giếng trời, khe thông gió cao hoặc sử dụng quạt hút cục bộ. Với nhà phố, sân trong nhỏ đôi khi có giá trị lớn hơn việc cố mở thêm cửa vào một hành lang kín.
5. Kiểm soát chiều sâu của không gian
Khả năng đưa không khí tự nhiên vào sâu trong mặt bằng có giới hạn.Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, có thể tham khảo các ngưỡng sau:
- Thông gió một phía: chiều sâu phòng khoảng 2–2,5 lần chiều cao thông thủy.
- Thông gió chéo: chiều sâu không gian khoảng 5 lần chiều cao thông thủy.
Ví dụ, với phòng cao 3 m, thông gió một phía chỉ nên được kỳ vọng hiệu quả trong khoảng sâu 6–7,5 m. Nếu có cửa mở ở hai phía và đường gió thuận lợi, phạm vi có thể tăng lên khoảng 15 m.Đây là các quy tắc định hướng, không phải tiêu chuẩn bảo đảm hiệu suất. Trung tâm Môi trường Xây dựng của Đại học California, Berkeley cũng đang tiếp tục nghiên cứu để kiểm chứng và hoàn thiện các ngưỡng 2H và 5H thường được sử dụng trong thiết kế thông gió tự nhiên.Hiệu quả thực tế vẫn phải được đánh giá theo kích thước cửa, vận tốc gió ngoài trời, mật độ người, tải nhiệt, vật cản và yêu cầu chất lượng không khí.
6. Kết hợp thông gió ngang với thoát khí theo phương đứng
Trong những ngày gió yếu, chỉ dựa vào thông gió chéo có thể chưa đủ.Khi không khí trong nhà nóng lên, mật độ giảm và có xu hướng bốc lên. Nếu công trình có cửa thoát khí tại vị trí cao, luồng khí nóng có thể thoát ra, đồng thời kéo không khí mát hơn đi vào từ các cửa thấp.Cơ chế này có thể được khai thác bằng:
- Giếng trời có cửa thoát khí phía trên.
- Khoảng thông tầng.
- Cửa chớp hoặc ô thoáng sát trần.
- Mái thông gió.
- Cầu thang kết hợp giếng đứng.
- Cửa vào thấp và cửa thoát cao.
Chênh lệch cao độ và chênh lệch nhiệt độ càng rõ, lực nổi càng có điều kiện phát huy. WBDG cũng khuyến nghị bố trí cửa thoát cao hơn cửa vào để hỗ trợ hiệu ứng ống khói.
7. Đừng bỏ quên bóng râm và nhiệt độ của luồng khí vào
Gió mạnh chưa chắc đã là gió mát.Nếu không khí đi qua mái tôn nóng, sân bê tông phơi nắng hoặc mặt đứng hướng Tây trước khi vào phòng, nó có thể mang thêm nhiệt vào nhà. Vì vậy, đường đón gió nên gắn với:
- Hiên và mái đua che nắng.
- Khoảng sân có cây xanh vừa phải.
- Bề mặt ít tích nhiệt.
- Lam che nắng nhưng không chặn kín luồng khí.
- Ban công hoặc vùng đệm có bóng râm.
Hướng dẫn thiết kế thụ động của Your Home nhấn mạnh rằng làm mát tự nhiên cần kết hợp tiếp cận gió mát, che nắng, cách nhiệt và kiểm soát nhiệt truyền qua kính.Nói ngắn gọn: trước khi đưa gió vào nhà, cần xem gió đã đi qua đâu.
8. Thông gió tự nhiên không phải lúc nào cũng nên mở tối đa
Trong khí hậu nóng ẩm, thông gió tự nhiên giúp tăng chuyển động không khí trên da và cải thiện cảm giác dễ chịu. Tuy nhiên, nó không thể làm nhiệt độ không khí thấp hơn nhiệt độ ngoài trời nếu không có thêm cơ chế làm mát.Mở cửa cũng có thể đưa vào nhà:
- Hơi ẩm cao.
- Bụi mịn và khí thải giao thông.
- Tiếng ồn.
- Mùi từ bên ngoài.
- Côn trùng.
- Nước mưa tạt.
- Không khí nóng vào thời điểm bất lợi.
Vì vậy, nhà ở đô thị nên được thiết kế theo hướng thông gió có kiểm soát hoặc thông gió hỗn hợp. Cửa mở tự nhiên được sử dụng khi điều kiện bên ngoài thuận lợi; quạt trần, quạt hút hoặc điều hòa hỗ trợ khi trời lặng gió, độ ẩm quá cao hoặc chất lượng không khí ngoài trời không bảo đảm.Lưới chống côn trùng, lam che mưa và cửa chớp cũng tạo thêm lực cản, nên phải được tính vào diện tích mở hữu hiệu thay vì chỉ tính kích thước ô chờ trên bản vẽ.
Mặt bằng “biết thở” bắt đầu từ một đường gió rõ ràng
Một mặt bằng tốt không cần phô diễn quá nhiều thủ pháp. Chỉ cần trả lời rõ năm câu hỏi:
- Gió mát thường đến từ đâu?
- Không khí đi vào nhà tại vị trí nào?
- Luồng khí sẽ đi qua những không gian nào?
- Vật cản nào có thể làm dòng khí suy yếu hoặc đi tắt?
- Khí nóng, hơi ẩm và không khí cũ sẽ thoát ra ở đâu?
Quan điểm của Kiến Trúc KINH BAN https://kientruckinhban.vn/thu-vien/noi-that-toi-gianlà thông gió tự nhiên không nên được xem như phần bổ sung sau cùng. Đó phải là một cấu trúc vô hình được tổ chức ngay từ mặt bằng, mặt cắt và hình khối công trình.Một ngôi nhà thực sự “thở” không phải là ngôi nhà có nhiều cửa nhất, mà là ngôi nhà có đường vào, đường đi và đường thoát của không khí được thiết kế đúng.