Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 1/19 Chơng Iv Thiết kế che nắng cho nh v cho phòng Tác động của BXMT lên công trình kiến trúc: Nung nóng phòng trong mùa hè, nâng cao nhiệt độ không khí và nhiệt độ các bề mặt trong phòng, làm giảm điều kiện tiện nghi VKH, tăng thêm lợng nhiệt thừa trong phòng mà thiết bị phải gánh chịu khi điều hoà không khí nhân tạo. Gây chói chang, căng thẳng, loá mắt, ảnh hởng đến tiện nghi thị giác và chất lợng công việc trong phòng. Làm giảm chất lợng thậm chí phá hỏng đồ đạc, thiết bị trong phòng (ví dụ làm các nguyên vật liệu, vải vóc, tranh nghệ thuật, hoá chất, thuốc chữa bệnh, đồ gỗ). Vì vậy, đối với những nớc vùng nhiệt đới nh ta, vấn đề che nắng nghĩa là che BXMT trực tiếp, có ý nghĩa rất lớn để nâng cao điều kiện tiện nghi VKH. Đó là một trong những giải pháp quan trọng của kiến trúc khí hậu. Các nội dung chính của chơng trình này đợc trình bày theo trình tự sau đây: Từ phơng pháp cơ bản xác định bóng của một cây cọc để mở rộng xác định vùng che nắng của các công trình, hàng cây trên mặt bằng, bóng nắng trên mặt chính công trình và vùng nắn chiếu vào phòng, thời igan che nắng và chiếu nắng. Theo yêu cầu che nắng, giới thiệu phơng pháp biểu đồ đơn giản để xác định hiệu quả che nắng của các kết cấu và thiết kế các kết cấu che nắng. I. Phơng pháp xác định bóng nắng theo mặt trời 1. Bóng của một vật trên mặt phẳng ngang: Bài toán thực hiện trên BĐMT - mặt phẳng nằm ngang khi có mọt cây cọc chiều cao H đặt thẳng đứng tại tâm biểu đồ. Bóng của cọc H trên mặt phẳng ngang khi đó sẽ phụ thuộc vị trí của Mặt trời, nghĩa là góc phơng vị A 0 và góc cao h 0 của nó (Hình.1). Bóng của cọc đợc xác định bởi hớng bóng và chiều dài của nó. Hớng bóng xác định theo góc phơng vị A 0 của Mặt trời. Trên biểu đồ mặt trời hớng bóng là nửa đờng thẳng vẽ từ thời điểm khảo sát trên quỹ đạo mặt trời tới tấm tâm O của biểu đồ. Chiều dài bóng xác định theo công thức lợng giác đơn giản sau đây: L 0 = Hcotgh 0 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 2/19 Trong đó: + H - Chiều cao của cọc; + h 0 - chiều cao của Mặt trời ở thời điểm khảo sát. Hình 1. Bóng của cọc H trên mặt phẳng ngang Cũng có thể xác định chiều dài bóng không theo tính toán công thức mà chỉ bằng phơng pháp dựng hình (Hình.2). Ví dụ 4.1. Xác định bóng của cọc H trên BĐMT ngày xuân phân, lúc 10 giờ, biết góc cao của Mặt trời khi đó là h 0 = 54 0 . Hình 2. Xác định bóng trên biểu đồ mặt trời Bài giải: Trên BĐMT ngày xuân phân, xác định vị trí của Mặt trời lúc 10h. Nối điểm này với tâm 0 biểu đồ và kéo dài ta đợc hớng bóng. Chú ý chiều bóng đổ là từ tâm O (điểm đặt cọc) về phía đối của vị trí Mặt Trời. Chiều dài bóng L 0 xác định theo công thức: L 0 = Hcotg54 0 = 0,73H. Phơng pháp dựng hình tiến hành nh sau: từ tâm O dựng cọc H vuông góc với đờng hớng bóng (độ dài H chọn tỷ lệ tuỳ ý). Dựng tia đi qua đỉnh cọc H lập với hớng bóng của một góc h 0 = 54 0 , ta cũng đợc chiều dài L 0 của bóng cọc. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 3/19 Nhận xét: Khi mặt phẳng P không nằm ngang mà nghiêng một góc với mặt phẳng ngang (dơng (+) hoặc âm (-) thì chỉ có chiều dài bóng thay đổi (ngắn hơn khi âm), có thể xác định bằng phép dựng hình nh trên Hình .2 (L' là chiều dài bóng khi mặt nghiêng là - ). 2. Bóng của một vật trên mặt đứng: Trên Hình.3 giới thiệu hình phối cảnh bóng C 0 D của cọc C 0 C trên mặt đứng (mặt phẳng Q) khi Mặt trời ở vị trí A 0 và h 0 . Hình 3. Biểu diễn vẽ bónh của cọc C 0 C trên mặt đứng Q trong hình không gian Nhận xét: C 1 C 2 là hình chiếu của CC 0 trên mặt phẳng ngang (mp P). Tia mặt trời qua C và hình chiếu của nó trên mặt phẳng P qua C 1 tạo thành mặt phẳng đứng (R) lệch một góc A 0 với hớng Nam, mặt phẳng này cắt mặt phẳng đứng (Q) bởi giao tuyến D 1 D. Điểm D chính là bóng của đầu cọc C, nằm trên đờng đứng qua D 1 . Trên mặt phẳng (R) dựng CD 2 D (trên mặt phẳng R): góc D 2 CD = h 0 (góc cao của Mặt trời). D 2 D = CD 2 tgh, chính là độ sâu của điểm D trên đờng D 1 D so với đờng ngang CD 2 . Cách dựng trên bản vẽ: tiến hành theo trình tự sau đây (Hình.4): Xác định C 1 là hình chiếu của C trên mặt bằng. Dựng hình chiếu bằng của tia mặt trời qua C 1 theo góc A 0 . Xác định D 1 . Bóng của đầu cọc C nằm trên đờng thẳng đứng vẽ qua D 1 . Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 4/19 Dựng đờng ngang C 0 D 2 = C 1 D 1 Từ C 0 dựng góc h 0 so với đờng ngang C 0 D 2 từ đó tìm đợc độ sâu của điểm D so với C 0 D 2 và xác định nó trên đờng đứng qua D 1 . Hình. 4. Xác định bónh của cọc C 0 C trên mặt đứng (thực hiện trên bản vẽ) 3. áp dụng trong thực tế : Vẽ bóng kết cấu che nắng trên mặt bằng và mặt tờng. Ví dụ 1: Hình vẽ bên mô tả đơn giản mặt chiếu bằng của 2 ngôi nhà mái dốc, các số ở các góc hình chữ nhật là chiều cáo của phần mái. Vẽ bóng đổ của công trình này trên mặt đất vào lúc 8 h ngày Hạ Chí bằng biểu đồ bóng cột tại Hà Nội, biết rằng mặt tờng AB hớng về phía Nam A 3 3 6 3 4 4 3 B 12 12 8 8 10 14 C D 12 10 8 8 14 12 E F G H Ví dụ 2: Kết cấu che nắng ngang và đứng kết hợp của cửa sổ hớng Nam có kích thớc cho trên hình 4.7. Yêu cầu vẽ bóng của nó lên tờng và lên kính cửa khi mặt trời ở vị trí A 0 = - 45 0 ; h 0 = 25 0 . Bài giải: Trình bày trên Hình 5. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 5/19 Hình. 5. Vẽ bóng của kết cấu che nắng trên mặt đứng khi A 0 = -45 0 ; h 0 = 25 0 . II. Thiết kế kết cấu che nắng 1. Phơng pháp đánh giá hiệu quả che nắng của kết cấu a. Kết cấu nằm ngang (ô văng): Hãy tởng tợng một mặt phẳng nghiêng đi qua mép dới cửa sổ và mép ngoài kết cấu che nắng (Hình. 6). Mặt phẳng này sẽ cát bầu trời trở thành một đờng tròn và chia nó thành hai vùng: Vùng từ đờng tròn giới hạn đến mặt đứng chứa cửa sổ (gọi là vùng đến 90 0 ) là vùng kết cấu che nắng phát huy hiệu quả, hay gọi là vùng che nắng. Nếu mặt trời nằm trong vùng này của bầu trời thì nắng không chiếu vào phòng. Vùng thứ hai từ mặt phẳng chânt rời đến mặt phẳng nghiên ( vùng 0 đến ) là vùng chiếu nắng, nếu Mặt trời nằm trong vùng này sẽ có nắng chiếu vào pòng. Đờng ranh giới phân chia hai vùng nói trên chính là đờng tròn giao tuyến của mặt phẳng với bầu trời, gọi là đờng giới hạn che nắng. Trên biểu đồ của chúng ta (hình chiếu trên mặt phẳng chân trời) đờng giới hạn là một phần của đờng elip (theo phép chiếu thẳng góc) hoặc của đờng tròn (phép chiếu nổi). Nếu chiều rộng kết cấu che nắng càng lớn, góc càng nhỏ thì vùng che nắng càng mở rộng. Kết luận: Để đánh giá hiệu quả che nắng của các kết cấu che nắng ngang, ta có thể dùng một họ đờng giới hạn , đợc chia độ từ 0 0 (chân trời) đến 90 0 (thiên đỉnh), thờng cách nhau 10 0 một. Trên hình 4.13c là biểu đồ các đờng giới hạn che nắng vẽ theo phép chiếu nổi (những đờng tròn chia độ từ 0 0 đến 90 0 ). Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 6/19 Hình. 6. Đánh giá hiệu quả che nắng của kết cấu ngang. b. Kết cấu che nắng đứng: Để xác định vùng che nắng và chiếu nắng của kết cấu đứng trên mô hình bầu trời, chúng ta xác định gần đúng hai mặt phẳng đứng đi qua trục đứng tại tâm cửa và mép ngoài kết cấu che nắng (Hình. 7), xác định bởi các góc 1 và p *) . Vùng che nắng giới hạn bởi các mặt phẳng và mặt phẳng chứa cửa sổ. Vùng chiếu nắng là phần bầu trời nằm giữa hai mặt phẳng . Hình. 7. Đánh giá hiệu quả che nắng của kết cấu đứng. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 7/19 Trên biểu đồ bầu trời, các mặt phẳng đứng đợc biểu diễn bởi các đờng bán kính và chúng ta dùng chúng làm các đờng giới hạn xác định vùng he nắng và vùng chiếu nắng của các kết cấu đứng. Phối hợp cả hai cách vừa trình bày trên, chúng ta có một biểu đồ hoàn chỉnh để xác định hiệu quả che nắng của tất cả các loại kết cấu che nắng, gọi là biểu đồ các đờng giới hạn che nắng. Biểu đồ này trên Hình. 8: Hình. 8. Biểu đồ các đờng giới hạn che nắng. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 8/19 Hình. 9. Đánh giá hiệu quả che nắng của một số kết cấu thờng gặp 2. Thiết kế kết cấu che nắng: Nội dung thiết kế kết cấu che nắng bao gồm hai bớc" Bớc 1: Chọn hình dạng kết cấu. Đây là bớc quan trọng nhất trong thiết kế kết cấu che nắng vì hình dạng quyết định hiệu quả che nắng và ảnh hởng lớn đến kiến trúc mặt chính công trình. Nếu chọn sai hình dạng, thì dù kích thớc rất lớn, nhiều khi cũng không có tác dụng che nắng. Bớc 2. Xác định kích thớc hợp lý của kết cấu. Hình thức kiến trúc và cấu tạo kết cấu không cho phép kích thớc lớn tuỳ ý, dù là xác định theo yêu cầu kỹ thuật che nắng. Vì vậy ở đây Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 9/19 phải chấp nhận sự dung hoà giữa phần che nắng tích cực và che nắng bổ sung để đạt đợc sự hợp lý muốn có. Nhng trớc hết, muốn thiết kế kết cấu che nắng phải đề ta yêu cầu che nắng, nghĩa là phải biết cần che nắng vào những giờ nào trong ngày, ngày nào trong năm, hay che nắng hoàn toàn, quanh năm không cho nắng chiếu vào phòng. a. Yêu cầu che nắng: Trên cơ sở nghiên cứu về chế độ nhiệt trong phòng, và phản ứng tâm sinh lý của con ngời, GS. Phạm Ngọc Đăng đã đề nghị thời điểm cần che nắng cho các phòng ở miền Bắc Việt Nam khi đồng thời xảy ra hai điều kiện sau đây: Khi nhiệt độ hiệu quả tơng đơng không khí và bức xạ mặt trời chiếu trên mặt nhà lớn hơn 27 độ; Khi bức xạ mặt trời chiếu lên mặt nhà 230 kCal/m 2 .h. Từ hai điều kiện này tác giả đã đa ra biểu đồ "phạm vi cần che nắng" cho nhà ở vùng Hà Nội. (Hình.10). Hình. 10. Phạm vi cần che nắng cho nhà ở vùng Hà Nội I- Khi k bd = 0,5 ; II - khi k bd = 0,7 ; III - khi k bd = 0,9 Khi nghiên cứu che nắng cho trờng học, PGS. Hoàng Huy Thắng [6] đề nghị ba điều kiện: Che nắng khi nhiệt độ không khí trong phòng vợt quá nhiệt độ không khí cho phép. Ví dụ ở Hà Nội tác giả kiến nghị nhiệt độ cho phép là 28 0 C. Che nắng khi BXMT trực tiếp chiếu vào phòng vợt quá 230kCal/m 2 .h. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 10/19 Che tán xạ chói chang trong phạm vi 10-20 0 quanh thiên đỉnh của bầu trời phía Bắc dù không có Mặt trời. Hình. 11. Biểu đồ tiêu chuẩn che nắng cho trờng học tại Hà Nội b. Chọn hình dạng kết cấu che nắng: Chọn hình dạng kết cấu che nắng chủ yếu phụ thuộc: Yêu cầu che nắng của công trình đợc thể hiện trên biểu đồ Mặt Trời tại địa điểm xây dựng công trình. Hớng của cửa lấy ánh sáng. Hình dạng kết cấu che nắng đợc coi là hợp lý nếu dạng của vùng cần che nắng trên BĐMT (hoặc vùng chuyển động của Mặt Trời trên bầu trời) gần giống nhất với vùng hiệu quả che nắng của kết cấu lựa chọn. [...]... Che nắng Trang 15/ 19 Chiếu nắng Che nắng s Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh Giờ thu phân Đông chí Tổng Giờ Tổng Giờ Tổng số trong số trong số trong số ngày Xuân, Giờ trong Hạ chí Tổng giờ ngày giờ ngày giờ ngày giờ 54 0 đến 50 7 600 đến 20 9 10 2 20 3 40 6 đến 00 11 750 30 30 đến 11 920 đến 10 13 4 50 3 00 420 11 đến 40 14 54 0 đến 10 7 600... nắng yêu cầu và xác định đợc = 450 (đờng chấm chấm trên hình 16) d Lựa chọn phơng án, xác định kích thớc Biết = 450 , chúng ta đa ra ba phơng án kết cấu cụ thể để ngời thiết kế lựa chọn: Phơng án a: một kết cấu ngang, kích thớc Bn = 2,0 - 0, 25 = 1,75m Có lẽ phơng án này không hợp lý về kết cấu Trang 12/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh... 17/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh So sánh các quỹ đạo Mặt trời với vùng hiệu quả che nắng ta dễ dàng xác định đợc thời gian nắng chiếu tới điểm P (xem bảng 2) Bảng 2 Thời gian nắng chiếu tới điểm P Ngày Giờ trong ngày Tổng số giờ, h Hạ chí Từ 7h40 đến 18h20 10h40 Xuân, thu phân Từ 7h50 đến 17h50 10h00 Đông chí Từ 8h40 đến 18h20 8h 35 Ví... thớc để ngời thiết kế có cơ sở xem xét áp dụng cho công trình của mình chỉ còn là bài toán lợng giác đơn giản Trờng hợp kết cấu nằm ngang: Hình 14 Xác định kích thớc kết cấu che nắng ngang Trờng hợp kết cấu đứng: Trang 11/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh Hình 15 Xác định kích thớc kết cấu che nắng đứng Các góc , xác định nhờ biểu đồ các... năm Trang 16/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh Bài giải Theo tỷ lệ đã cho trên bản vẽ (Hình 20), thực hiện các mặt cắt theo các tia từ A đến K để xác định các góc hiệu quả che nắng của các công trình, cây xanh hoặc đồi đất chung quanh đối với điểm P Trên hình 4.32, a chỉ thực hiện làm ví dụ mặt cắt qua A và xác định đợc góc 1= 150 Đồng thời... Đồng thời khi đó ta cũng xác định đợc số giờ mà vị trí khảo sát đợc che nắng Bài toán này giúp ngời thiết kế biết đợc mức độ vi phạm điều kiện tiện nhi vi khí hậu (nhiệt và ánh sáng) của phòng, cho họ thêm một thông số để chọn hớng nhà, chọn các vị trí Trang 14/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh thích hợp ngoài nhà khi bố trí sân chơi, sân... đứng không phải kéo dài và kết hợp che ma Trang 13/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh c Lựa chọn phơng án, xác định kích thớc Trên hình 4.29 chúng tôi giới thiệu 2 phơng án: Phơng án a: Chỉ dùng một kết cấu đứng nghiêng cho cả cửa sổ rộng 3m Khi đó độ đua của kết cấu khỏi mặt tờng chọn 15m và độ dài của kết cấu là 2,66m Phía bên phải cửa sổ... Ngày Giờ trong ngày Tổng số giờ, h Hạ chí 6h50 đến 14h50 8h00 Xuân, thu phân 7h 25 đến 14h 35 7h10 Đông chí 8h 15 đến 16h 35 8h20 Khi lần lợt thay đổi vị trí điểm P trong phạm vi sân trong, ta có thể tìm đợc những vùng nắng chiếu thiên về buổi sáng, thiên về buổi chiều hoặc tra, nhờ đó có thể xác định vị trí thích hợp cho sân chơi trẻ em, sân dới nắng cho cụ già - Hết Chơng IV Trang 19/19 .. .Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh Hình 12 Các dạng kết cấu che nắng có hiệu quả nh nhau Hình 13 Vùng che nắng phụ thuộc góc 1, p Chú ý 1: Có cả một loạt kết cấu che nắng dạng... các công trình và dải cây xanh, và thể hiện trên Hình 22.b Trang 18/19 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS Nguyễn đăng thịnh Hình 22 Xác định thời gian chiếu nắng Chú ý rằng cách vẽ vùng hiệu quả này chỉ là gần đúng Muốn chính xác hơn phải tiến hành nhiều mặt cắt, nh ví dụ 4.12 Để giải bài toán cần đa biểu đồ hiệu quả che nắng của điểm P vào BĐMT Hà Nội theo đúng . trí A 0 = - 45 0 ; h 0 = 25 0 . Bài giải: Trình bày trên Hình 5. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 5/ 19 Hình. 5. Vẽ bóng. kết cấu ngang, kích thớc B n = 2,0 - 0, 25 = 1,75m. Có lẽ phơng án này không hợp lý về kết cấu. Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh . đây: L 0 = Hcotgh 0 Bài giảng Phần Nhiệt - Chơng iV: thiết kế che nắng kiến trúc - GV: THS.KTS. Nguyễn đăng thịnh Trang 2/19 Trong đó: + H - Chiều cao của cọc; + h 0 - chiều cao của Mặt