13/08/2015

Hệ thống làm mát tự động trong kiến trúc Iran

Họ không có nguồn năng lượng nào khác ngoài năng lượng mặt trời và năng lượng gió, tuy nhiên họ có hệ thống lưu thông không khí mát qua các toà nhà và thường cung cấp nước lạnh và đá cho mùa hè nóng bức ở các vùng đất khô cằn của đất nước.

Môi trường bên trong một toà nhà hiện đại vẫn có thể rất dễ chịu cho dù môi trường bên ngoài có khắc nghiệt đến đâu. Nhìn chung nguyên nhân là do năng lượng được thoải mái cho làm nóng hay làm mát trong toà nhà. Tuy nhiên thời gian trước đây khi năng lượng chưa sẵn có và chưa có các loại máy móc như điều hoà nhiệt độ, người thiết kế những toà nhà này phải tính toán để tối đa hoá sự dễ chịu của môi trường bên trong. Ví dụ như kiến trúc truyền thống trong nhiều nền văn hoá ở nơi mà có khí hậu nóng bức suốt cả ngày nhưng ban đêm lại lạnh giá lại nổi bật với những toà nhà tường dày bằng gạch hoặc đá. Những bức tường như thế vừa cách nhiệt vừa giữ nhiệt vì thế trong suốt thời gian nóng bức ban ngày, lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài từ từ đi vào môi trường bên trong và trong thời gian mát mẻ, một phần nhiệt trong tường làm ấm môi trường bên trong và phần nhiệt còn lại bị thoát ra môi trường bên ngoài. Kết quả cuối cùng là sự cân bằng thể hiện qua biểu đồ biến thiên nhiệt độ phẳng bên trong toà nhà. Trong giai đoạn chi phí năng lượng của toà nhà đang được đánh giá lại một cách chính xác, rõ ràng những tính toán như vậy đáng được xem xét kĩ lưỡng.
Ở Iran, thiết kế những toà nhà truyền thống đã không chỉ làm phẳng biểu đồ biến thiên nhiệt độ: họ cho lưu thông không khí mát trong toà nhà và thậm chí có thể giữ nước lạnh và đóng băng từ mùa đông trên tận những vùng đồng bằng miền Trung và miền Đông có mùa hè dài nóng bức. Họ làm như vậy mà không cung cấp bất kỳ năng lượng nào ngoài năng lượng tự nhiên: vì thế chúng có thể được mô tả như hệ thống làm mát tự động. Một số hệ thống trong đó, ví dụ như hệ thống mái cong được kết hợp chặt chẽ trong các công trình từ năm 3000 trước Công nguyên, những hệ thống khác như hệ thống tháp gió, bình chứa và máy làm đá có khả năng vẫn chưa xuất hiện cho đến tận năm 900 sau Công nguyên. Hiện nay nhiều hệ thống làm lạnh tự động vẫn còn được sử dụng. Hệ thống làm mát tự động có nhiều dạng. Ví dụ như công trình ở những vùng khô cằn ở Iran theo truyền thống được xây dựng thành từng cụm và nối với nhau bằng tường chung. Việc cung cấp lượng bức xạ mặt trời lớn thể hiện rõ khí hậu trong những ngày hè. Xây dựng cụm công trình làm giảm thiểu tổng diện tích bề mặt, bằng cách này giảm nhiệt bức xạ mặt trời hấp thụ vào.(Cũng dễ dàng hơn để bảo vệ các cụm công trình). Số lượng cửa ra vào và cửa số làm hạn chế sự trao đổi nhiệt với không gian bên ngoài.
Mặc dù khí hậu ban ngày vào mùa hè ở những vùng đất cằn cỗi này vô cùng nóng bức, nhưng ban đêm lại lạnh. Một số đặc điểm của kiến trúc truyền thống Iran được thiết kế để tận dụng lượng nhiệt lớn vào ban ngày. Giống như tường ở nơi có khí hậu tương tự, các công trình này có tường được xây bằng gạch sống và đặc biệt dày, để có nhiệt dung cao. Vì thế, chúng có thể hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời hàng ngày thay vì truyền nhiệt ngay vào bên trong toà nhà. Nhiệt được giữ trong tường và sau đó đi vào bên trong toà nhà và vào không khí lạnh ban đêm.
Theo cách khác, kiến trúc Iran còn dùng sân nhỏ trồng cây và bui rậm để khai thác không khí lạnh ban đêm. Việc trồng cây bảo vệ tường các phòng mở ra sân trong nhằm giảm bớt nhiệt bức xạ mặt trời trên tường. Trong vài giờ buổi sáng, tường và cây trồng vẫn được mát mẻ.
Trước đây, mọi người sống ở các toà nhà tại những vùng đất khô cằn của Iran cũng có cách để đạt được sự thoải mái nhất. Ví dụ như nhiều người sống dưới tầng hầm, đặc biệt trong suốt những buổi chiều mùa hè nóng nực, bởi vì nhiệt độ lòng đất tương đối thấp giữ cho tầng hầm lạnh.Vào những buổi đêm mùa hè mát mẻ, nhiều người ngủ trên mái nhà: mái có lan can cao để đảm bảo sự riêng tư, và lan can cũng bảo vệ cho mái khỏi gió bụi mùa hè. Hơn nữa phố xá lại chật hẹp, nên lan can còn che bóng râm cho những toà nhà lân cận (và khách bộ hành), làm giảm nhiều lượng nhiệt bức xạ mặt trời.
Những cách tiếp cận này đã làm giảm bớt sự khắc nghiệt của khí hậu, nhưng bốn hệ thống làm mát tự động thông minh thậm chí còn làm được nhiều hơn thế. Chúng là tháp gió, lỗ thông hơi, bể chứa nước và máy làm đá. Tôi sẽ lần lượt mô tả lại ngắn gọn mỗi hệ thống.
Những vùng đất khô cằn ở Iran có các mẫu gió hàng ngày và tương đối cố định theo mùa. “Máy hút gió,” hay tháp gió, lợi dụng gió thường thổi vào mùa hè để làm mát không khí và lưu thông gió trong một toà nhà. Tháp gió điển hình nhìn giống như ống khói, một đầu kết thúc ở tầng hầm của toà nhà và đầu kia nhô lên khỏi mái. Phần trên của tháp được chia ra thành một số hành lang thông gió thẳng đứng kết thúc tại lỗ cửa ở các mặt của toà tháp. Các mẫu thiết kế khác nhau ở độ cao của tháp, khu vực qua hành lang thông gió, sắp đặt và số lượng lỗ cửa và bố trí toà tháp với kết cấu mà nó làm lạnh.
Tháp gió hoạt động bằng cách thay đổi nhiệt độ và mật độ không khí bên trong và xung quanh toà tháp. Sự khác biệt về sức hút, đẩy không khí lên hoặc xuống qua toà tháp. Cửa ra vào ở phần dưới của toà tháp mở xuống tầng hầm hay chặn cửa ra vào từ tháp và cửa phòng xa hội trường trung tâm.
HỆ THỐNG LÀM MÁT TỰ ĐỘNG làm mát toà nhà ở thành phố Yazd, Iran: tháp đo gió, mái vòm và lỗ thông hơi. Tháp gió có tác dụng làm mát không khí bên ngoài và lưu thông gió trong toà nhà. (Hai đầu của xà gỗ dùng để gia cố công trình nhô ra khỏi toà tháp, hai đầu được đặt ở đó tạo giá đỡ cho giàn giáo để bảo quản toà tháp.) Mái vòm ở chân toà tháp có tác dụng giữ cho căn phòng dưới mái luôn mát mẻ. Kết cấu hẹp trên nóc mái vòm bao phủ lỗ thông hơi có vai trò giữ căn phòng phía dưới luôn luôn mát và duy trì sự lưu thông không khí trong ngôi nhà. Ba hệ thống giữ cho toà nhà dễ chịu trong suốt những tháng mùa hè.- Nguồn: Flickr.comHỆ THỐNG LÀM MÁT TỰ ĐỘNG làm mát toà nhà ở thành phố Yazd, Iran: tháp đo gió, mái vòm và lỗ thông hơi. Tháp gió có tác dụng làm mát không khí bên ngoài và lưu thông gió trong toà nhà. (Hai đầu của xà gỗ dùng để gia cố công trình nhô ra khỏi toà tháp, hai đầu được đặt ở đó tạo giá đỡ cho giàn giáo để bảo quản toà tháp.) Mái vòm ở chân toà tháp có tác dụng giữ cho căn phòng dưới mái luôn mát mẻ. Kết cấu hẹp trên nóc mái vòm bao phủ lỗ thông hơi có vai trò giữ căn phòng phía dưới luôn luôn mát và duy trì sự lưu thông không khí trong ngôi nhà. Ba hệ thống giữ cho toà nhà dễ chịu trong suốt những tháng mùa hè.- Nguồn: Flickr.com
Hoạt động của toà tháp phụ thuộc vào điều kiện gió và thời gian trong ngày. Khi ban đêm không có gió, tháp hoạt động giống như ống khói, lưu thông không khí bằng cách đưa không khí lên trên và đấy ra ngoài qua lỗ cửa của tháp. Tháp hoạt động như sau. Tường tháp (gồm có tường trong ngăn cách các hành lang thông gió) hấp thụ nhiệt suốt cả ngày. Vì dòng nhiệt đi theo hướng giảm nhiệt độ, tường truyền nhiệt đến không khí mát buổi đêm và xung quanh tháp. Hình dáng của phần trên toà tháp, là độ dày của tường và mặt cắt ngang hành lang thông gió, được thiết kế để cung cấp đủ dung lượng nhiệt và khu vực truyền nhiệt để hoạt động. Vì không khí ấm hơn sẽ thông thoáng hơn, áp suất không khí ở đỉnh tháp sẽ bị giảm đi, tạo ra lực hút lên trên. Không khí bên trong toà nhà được hút lên trên qua tháp, và không khí lạnh bên ngoài sẽ bị đẩy vào bên trong toà nhà qua cửa ra vào và cửa sổ. Quá trình tiếp diễn suốt đêm để lưu thông không khí mát qua toà nhà.
Khi buổi đêm có gió, không khí buộc phải lưu thông theo hướng ngược lại, các phòng được làm mát bằng không khí ban đêm toả xuống từ tháp chứ không qua cửa ra vào và cửa số. Tại đây mặc dù không khí ban đêm được sưởi ấm bằng tường tháp trước khi đi vào toà nhà. Việc làm mát có thể vẫn đủ hiệu quả để toả nhiệt năng lượng mặt trời dự trữ vào trời đêm để sau đó làm mát toà nhà. Vì bầu trời có xu hướng rất thoáng đãng vào ban đêm nên việc chuyển giao nhiệt bức xạ vào bầu trời buổi đêm có hiệu quả rất cao.
hoat dong cua thap gio trong ngay va dem (Copy)
Khi suốt cả ngày không có gió, hoạt động của tháp người ngược lại với ống khói. Tường phần trên tháp đã được làm mát suốt cả đêm hôm trước. Không khí nóng bên ngoài tiếp xúc với chúng và được làm mát. Dày đặc hơn không khí nóng, không khí được làm lạnh lặn xuống dưới qua tháp, tạo ra dòng hút xuống. Không khí được làm lạnh bị đẩy qua toà và cuối cùng đi ra khỏi cửa ra vào và cửa sổ, hút theo không khí trong phòng.
Khi cả ngày có gió, tốc độ lưu thông sẽ tăng lên. Sắp đặt hợp lý cửa ra vào trong tháp và trong các phòng giúp cho không khí mát có thể được lưu thông qua bất cứ phòng nào. Nếu cả ngày không có gió, khi nhiệt độ tháp đạt được nhiệt độ không khí bên ngoài, lưu thông gió qua tháp và vào trong toà nhà dừng lại và tháp bắt đầu hoạt động giống như ống khói. (Tất nhiên là tháp không hoạt động liên tục suốt ngày đêm: hiệu quả làm mát và khoảng thời gian của mỗi giai đoạn hoạt động của tháp thay đổi theo sự dao động nhiệt độ không khí, cường độ bức xạ mặt trời, vận tốc gió…)
VẬN HÀNH THÁP GIÓ theo những cách khác nhau dựa vào thời gian trong ngày và tình trạng có gió hay không có gió. Tường và hành lang thông gió của tháp (2) hấp thụ nhiệt suốt cả ngày và toả ra không khí mát ban đêm. Ngày hôm sau tường sẽ nguội. Khi không có gió, không khí nóng bên ngoài (mũi tên liền) sẽ đi vào tháp qua lỗ cửa ở các mặt (1) và được làm mát khi tiếp xúc với tháp. Khi không khí mát mẻ dày đặc hơn không khí ấm, nó lặn xuống dưới qua tháp, tạo dòng hút xuống (2, 3, 5). Khi có gió, không khí được làm mát hiệu quả hơn và đi lên nhanh hơn. Cửa ra vào ở phần dưới của tháp (4, 6) mở ra sảnh trung tâm và tầng hầm cùa toà nhà. Khi mở các cửa ra vào này, không khí đã làm mát từ tháp được đẩy qua toà nhà và bên ngoài cửa sổ và các cửa ra vào khác, dẫn không khí vào phòng.VẬN HÀNH THÁP GIÓ theo những cách khác nhau dựa vào thời gian trong ngày và tình trạng có gió hay không có gió. Tường và hành lang thông gió của tháp (2) hấp thụ nhiệt suốt cả ngày và toả ra không khí mát ban đêm. Ngày hôm sau tường sẽ nguội. Khi không có gió, không khí nóng bên ngoài (mũi tên liền) sẽ đi vào tháp qua lỗ cửa ở các mặt (1) và được làm mát khi tiếp xúc với tháp. Khi không khí mát mẻ dày đặc hơn không khí ấm, nó lặn xuống dưới qua tháp, tạo dòng hút xuống (2, 3, 5). Khi có gió, không khí được làm mát hiệu quả hơn và đi lên nhanh hơn. Cửa ra vào ở phần dưới của tháp (4, 6) mở ra sảnh trung tâm và tầng hầm cùa toà nhà. Khi mở các cửa ra vào này, không khí đã làm mát từ tháp được đẩy qua toà nhà và bên ngoài cửa sổ và các cửa ra vào khác, dẫn không khí vào phòng.

Hướng tuần hoàn không khí đã được làm mát phụ thuộc vào việc sắp đặt cửa ra vào trong tháp và trong toà nhà này. (Một ít không khí đi xuống hành lang hướng gió thổi và ra ngoài qua cửa chắn gió.) Khi ban đêm không có gió, (mũi tên đứt), tháp hoạt động giống như ống khói. Nhiệt dự trữ trong tường suốt cả ngày làm ấm không khí mát ban đêm trong tháp. Khi không khí ấm không dày đặc bằng không khí mát, áp suất trên đỉnh tháp giảm xuống và tạo lực hút lên trên. Không khí bên trong toà nhà bị hút lên trên qua tháp và không khí mát ban đêm bị hút vào toà nhà qua cửa ra vào và cửa sổ. Khi buổi đêm có gió, không khí đi xuống dưới tháp qua toà nhà. Vì tường tháp làm ấm không khí ban đêm trước khi đi vào toà nhà, tốc độ làm mát có thể sẽ giảm.

Hình 3: HAI CÁCH LÀM MÁT hoạt động trong hệ thống tự động được trình bày trong phần này. Khi làm mát cảm biến, lượng nhiệt mất đi trong không khí làm giảm nhiệt độ không khí nhưng không làm thay đổi hàm lượng hơi nước trong không khí. Không khí ở phần trên của tháp đón gió được làm mát cảm biến. Khi nước được đưa vào hệ thống, quá trình làm mát bằng hơi diễn ra. Quá trình làm mát làm thay đổi cả hàm lượng hơi nước và nhiệt độ của không khí. Khi không khí chưa bão hoà gặp nước, một phần nước sẽ bốc hơi. Quá trình này được vận hành bằng nhiệt trong không khí làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống trong khi hàm kượng hơi nước lại tăng lên. Một hệ thống tháp gió làm mát không khí bằng hơi cũng như làm mát cảm biến đặc biệt có hiệu quả. Ở hầu hết tháp đo gió, nước ngầm thấm vào bên trong tường bao tầng hầm của tháp, để không khí thoát qua tường được làm mát bằng nước. Làm mát bằng hơi nước thậm chí còn giữ một phần lớn trong hệ thống được trình bày ở đây. Tháp gió được đặt cách toà nhà khoảng 50m và nối với toà nhà bằng một đường ngầm. Khi tưới nước cho cây cối, bụi cây và cỏ trên mặt đất qua đường ngầm, nước thấm qua đất và giữ ẩm cho mặt trong của tường bao đường ngầm. Vì vậy không khí trong tháp được làm lạnh bằng hơi nước khi nó đi qua đường ngầm. Hồ nước và vòi phun nước dưới tầng hầm toà nhà làm không khí mát hơn.Hình 3: HAI CÁCH LÀM MÁT hoạt động trong hệ thống tự động được trình bày trong phần này. Khi làm mát cảm biến, lượng nhiệt mất đi trong không khí làm giảm nhiệt độ không khí nhưng không làm thay đổi hàm lượng hơi nước trong không khí. Không khí ở phần trên của tháp đón gió được làm mát cảm biến. Khi nước được đưa vào hệ thống, quá trình làm mát bằng hơi diễn ra. Quá trình làm mát làm thay đổi cả hàm lượng hơi nước và nhiệt độ của không khí. Khi không khí chưa bão hoà gặp nước, một phần nước sẽ bốc hơi. Quá trình này được vận hành bằng nhiệt trong không khí làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống trong khi hàm kượng hơi nước lại tăng lên. Một hệ thống tháp gió làm mát không khí bằng hơi cũng như làm mát cảm biến đặc biệt có hiệu quả. Ở hầu hết tháp đo gió, nước ngầm thấm vào bên trong tường bao tầng hầm của tháp, để không khí thoát qua tường được làm mát bằng nước. Làm mát bằng hơi nước thậm chí còn giữ một phần lớn trong hệ thống được trình bày ở đây. Tháp gió được đặt cách toà nhà khoảng 50m và nối với toà nhà bằng một đường ngầm. Khi tưới nước cho cây cối, bụi cây và cỏ trên mặt đất qua đường ngầm, nước thấm qua đất và giữ ẩm cho mặt trong của tường bao đường ngầm. Vì vậy không khí trong tháp được làm lạnh bằng hơi nước khi nó đi qua đường ngầm. Hồ nước và vòi phun nước dưới tầng hầm toà nhà làm không khí mát hơn.
Hình 4: BIỂU ĐỒ ĐỘ ẨM thể hiện sự điều hoà không khí vào ban ngày khi nó đi qua Tháp gió xuất hiện ở hình 2. Không khí đi xuống tháp được làm mát cảm biến (1, 2, 3, 5) làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống nhưng hàm lượng hơi nước vẫn giữ nguyên. Nó là dòng entanpi liên tục vì không có nhiệt hút vào hay toả ra khỏi hệ thống không khí và hơi nước. Vì không khí mát hơn có thể giữ ít nước hơn không khí ẩm, tuy nhiên độ ẩm tương đối (tỷ số giữa áp suất hơi thực với áp suất hơi tối đa ở cùng nhiệt độ) tăng lên. Khi không khí lưu thông qua tường tầng hầm ẩm ướt của tháp, không khí cũng được làm lạnh bằng hơi nước và tiếp thêm hơi nước cho không khí. (5, 6). Vì vậy nhiệt độ không khí làm mát giảm thấp hơn và hàm lượng hơi nước và độ ẩm tương đối của không khí tăng lên trước khi đi vào tầng hầm toà nhà.  Dòng 1-a thể hiện sự điều hoà không khí chỉ xảy ra khi đang vận hành hệ thống làm mát bằng hơi nước. Con số được đưa ra ở trên biểu đồ giống với con số trong phần minh hoạ ở trang trước mặt.Hình 4: BIỂU ĐỒ ĐỘ ẨM thể hiện sự điều hoà không khí vào ban ngày khi nó đi qua Tháp gió xuất hiện ở hình 2. Không khí đi xuống tháp được làm mát cảm biến (1, 2, 3, 5) làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống nhưng hàm lượng hơi nước vẫn giữ nguyên. Nó là dòng entanpi liên tục vì không có nhiệt hút vào hay toả ra khỏi hệ thống không khí và hơi nước. Vì không khí mát hơn có thể giữ ít nước hơn không khí ẩm, tuy nhiên độ ẩm tương đối (tỷ số giữa áp suất hơi thực với áp suất hơi tối đa ở cùng nhiệt độ) tăng lên. Khi không khí lưu thông qua tường tầng hầm ẩm ướt của tháp, không khí cũng được làm lạnh bằng hơi nước và tiếp thêm hơi nước cho không khí. (5, 6). Vì vậy nhiệt độ không khí làm mát giảm thấp hơn và hàm lượng hơi nước và độ ẩm tương đối của không khí tăng lên trước khi đi vào tầng hầm toà nhà. Dòng 1-a thể hiện sự điều hoà không khí chỉ xảy ra khi đang vận hành hệ thống làm mát bằng hơi nước. Con số được đưa ra ở trên biểu đồ giống với con số trong phần minh họa ở trang trước mặt.

Lỗ cửa ở phần trên của tháp được xếp thành các cặp để có một cửa chắn gió cho mọi cửa ở hướng gió thổi. Khi cửa ra vào ở phần thấp hơn của tháp bị đóng lại, gió xuống dưới tháp bị thối ngược trở lại lên hành lang thông gió và ra ngoài qua cửa chắn gió. Thực tế thậm chí khi cửa ra vào trong tháp được mở, một lượng không khí xuống tháp bị nén ngược lên trên tháp sẽ thoát ra qua các lỗ cửa này. Lực hút lên trên được hình thành ở các hành lang đối diện hút không khí vào phòng qua các cửa chắn gió. Bằng cách này, tháp tạo ra một vòng tuần hoàn không khí liên tục qua toà nhà.

Gần đây tôi chỉ thảo luận về những thay đổi nhiệt độ trong tháp đo gió vì cái được gọi là làm mát cảm biến. Làm mát cảm biến diễn ra khi nhiệt độ không khí thay đổi mà độ ẩm không thay đổi. Làm mát cảm biến xảy ra khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi, và có thể đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của tháp đo gió. Ví dụ, khi tường bao tầng hầm của tháp bị ẩm, thông thường như trường hợp này, không khí đi xuống dưới tháp được làm mát bằng cảm biến và bằng hơi nước. Nói cách khác, nước trong tường hấp thụ nhiệt và bốc hơi. Vì sự bốc hơi cần lượng nhiệt tương đối lớn, tháp đo gió kết hợp quá trình bốc hơi có thể làm mát không khí khá hiệu quả. Thực tế, trước khi tủ lạnh được sử dụng rộng rãi ở Iran, tầng hầm ẩm của tháp đo gió có tác dụng như là một khu vực bảo quản lạnh. Hơn thế nữa, việc làm ẩm không khí cùng với quá trình bốc hơi đóng góp quan trọng vào việc tạo cảm giác dễ chịu ở nhiệt độ thấp hơn. Một cách tận dụng làm mát không khí bằng hơi là đặt một hồ nước nhỏ có vòi phun nước ở đáy tháp đo gió. Gió có thể được làm mát cảm biến hay bằng hơi đi xuống dưới tháp và sau đó được hồ nước làm mát bằng hơi nước trước khi gió thổi vào các phòng của tòa nhà. Có nhiều tòa nhà có loại tháp này tại thành phố Yazd, Iran. Tháp đo gió ở thành phố Barn được dùng theo một cách khác. Tháp được đặt cách tòa nhà khoảng 50m và đường ngầm chạy từ đáy tháp lên tầng hầm của toà nhà. Đất bên trên đường ngầm được trồng cây, bụi cây và cỏ. Khi đất được tưới nước, nước thấm tràn qua đất để tường bao đường ngầm được giữ ẩm, và không khí đi xuống dưới tháp và đi qua đường ngầm được làm mát cảm biến và bằng hơi nước. Hồ nước và vòi nước nơi không khí được làm mát đi vào tầng hầm làm mát hơn.

Hình 5: QUANG CẢNH TRÊN ĐỈNH THÁP GIÓ QUAN SÁT TỪ GẦN Ở YAZD cho thấy điểm cuối của dầm cốt thép. Tháp cao khoảng 13m và các lỗ cửa cao khoảng 3m. Ở hình 1 tháp cao khoảng 34m, lỗ cửa cao khoảng 11m. Nguồn: Flickr.com Hình 5: QUANG CẢNH TRÊN ĐỈNH THÁP GIÓ QUAN SÁT TỪ GẦN Ở YAZD cho thấy điểm cuối của dầm cốt thép. Tháp cao khoảng 13m và các lỗ cửa cao khoảng 3m. Ở hình 1 tháp cao khoảng 34m, lỗ cửa cao khoảng 11m.
Nguồn: Flickr.com

Một loại tháp gió khác hoạt động kết hợp với các dòng suối ngầm. Ống thông thẳng đứng chạy từ dòng nước lên tầng hầm của toà nhà, và tháp được đặt sao cho gió đi từ cửa ra vào tầng hầm tháp đi qua đỉnh của ống. Khi không khí chạy qua một hành lang rộng đi vào một hành lang nhỏ hơn, vận tốc không khí tăng và áp suất giảm. Diện tích mặt cắt ngang của tháp lớn hơn với diện tích mặt cắt ngang cửa ra vào, và vì thế áp suất không khí của tháp vẫn giảm khi nó đi qua đầu ống. Khi không khí từ tháp đi với vận tốc lớn qua đầu ống, một điểm hút được tạo ra tại đó. Kết quả là không khí từ ống được hút vào dòng không khí trong tháp.

Không khí đi vào đường ống dẫn dòng nước ngầm đi qua các đường ống khác nối hành lang với bề mặt. Vì nước ngầm thường lạnh, không khí đi qua bề mặt được làm mát hiệu quả, và vì thế tốc độ làm mát của hệ thống tháp tạo gió hoạt động cùng với nước ngầm xung quanh khá cao. Ở đây không khí ở điểm hút đủ mát để đồ ăn thường được dự trữ phía gần cửa ống. Việc làm mát có hiệu quả vào những đêm không có gió. Khi tháp hoạt động giống như ống khói: bên ngoài không khí thổi qua dòng nước thổi qua dòng nước ngầm, nơi được làm mát bằng hơi nước và làm mát cảm biến và sau đó qua ống vào toà nhà. Nó kết hợp với không khí tầng hầm và cuối cùng được mở lỗ thông từ trên đỉnh tháp.

Hình 6:DÒNG NƯỚC NGẦM và tháp gió là một sự làm mát kết hợp hiệu quả. Trong hệ thống được trình bày ở đây, một đường ống nối dòng nước với bề mặt và một đường ống khác nối dòng nước với tầng hầm của toà nhà sẽ được làm mát. Không khí khô nóng bên ngoài đi vào đường ống dẫn nước qua một đường ống bên ngoài toà nhà và được làm mát một cách hợp lý và làm lạnhc khi đi cùng nước (b). Vì nước ngầm thường lạnh nên tốc độ làm mát khá cao. Tháp gió được đặt sao cho gió từ dòng nước thổi qua cửa ra vào tầng hầm của tháp đi qua đầu ống. Khi không khí đi từ một hành lang rộng (đường ngầm) qua một hành lang nhỏ hơn (cửa ra vào), áp suất không khí giảm xống. Áp suất không khí từ tháp vẫn giảm khi nó đi qua đầu ống, khiến cho không khí lạnh ẩm trước ống được luồng không khí được làm mát từ tháp hút lên (c). Hỗn hợp không khí từ ống và không khí từ tháp (d) lưu thông qua tầng hầm. Chỉ một dòng nước ngầm có thể cung cấp những hệ thống Tháp gió loại này.Hình 6:DÒNG NƯỚC NGẦM và tháp gió là một sự làm mát kết hợp hiệu quả. Trong hệ thống được trình bày ở đây, một đường ống nối dòng nước với bề mặt và một đường ống khác nối dòng nước với tầng hầm của toà nhà sẽ được làm mát. Không khí khô nóng bên ngoài đi vào đường ống dẫn nước qua một đường ống bên ngoài toà nhà và được làm mát một cách hợp lý và làm lạnhc khi đi cùng nước (b). Vì nước ngầm thường lạnh nên tốc độ làm mát khá cao. Tháp gió được đặt sao cho gió từ dòng nước thổi qua cửa ra vào tầng hầm của tháp đi qua đầu ống. Khi không khí đi từ một hành lang rộng (đường ngầm) qua một hành lang nhỏ hơn (cửa ra vào), áp suất không khí giảm xống. Áp suất không khí từ tháp vẫn giảm khi nó đi qua đầu ống, khiến cho không khí lạnh ẩm trước ống được luồng không khí được làm mát từ tháp hút lên (c). Hỗn hợp không khí từ ống và không khí từ tháp (d) lưu thông qua tầng hầm. Chỉ một dòng nước ngầm có thể cung cấp những hệ thống Tháp gió loại này.
Hình 7: ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ bằng một hệ thống tháp gió với một dòng nước ngầm được trình bày trong biểu đồ độ ẩm. Không khí khô ấm bên ngoài thâm nhập vào hệ thống ở 2 điểm khác nhau (1, a). Không khí đi vào tháp (đường thẳng đen) được làm mát cảm biến khi đi xuống bên dưới tháp, nhiệt độ không khí giảm và độ ẩm tương đối tăng (1, 2, 3, 5). Không khí cũng được làm mát bằng hơi nước khi nó đi qua tường tầng hầm ẩm ướt của tháp, nhiệt độ giảm và cả hàm lượng hơi nước và độ ẩm tương đối trước khi nó đi lên qua ống dẫn đến tầng ngầm toà nhà (a, b, c). Trong tầng ngầm, không khí lạnh ẩm từ đường dẫn nước ngầm (c) kết hợp với không khí ấm hơn và khô hơn từ tháp gió (6). Hỗn hợp cuối cùng là không khí lưu thông qua tầng hầm. Các con số và con chữ được thể hiện trong biểu đồ giống với minh hoạ phía trên.Hình 7: ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ bằng một hệ thống tháp gió với một dòng nước ngầm được trình bày trong biểu đồ độ ẩm. Không khí khô ấm bên ngoài thâm nhập vào hệ thống ở 2 điểm khác nhau (1, a). Không khí đi vào tháp (đường thẳng đen) được làm mát cảm biến khi đi xuống bên dưới tháp, nhiệt độ không khí giảm và độ ẩm tương đối tăng (1, 2, 3, 5). Không khí cũng được làm mát bằng hơi nước khi nó đi qua tường tầng hầm ẩm ướt của tháp, nhiệt độ giảm và cả hàm lượng hơi nước và độ ẩm tương đối trước khi nó đi lên qua ống dẫn đến tầng ngầm toà nhà (a, b, c). Trong tầng ngầm, không khí lạnh ẩm từ đường dẫn nước ngầm (c) kết hợp với không khí ấm hơn và khô hơn từ tháp gió (6). Hỗn hợp cuối cùng là không khí lưu thông qua tầng hầm. Các con số và con chữ được thể hiện trong biểu đồ giống với minh họa phía trên.

Một vấn đề với tháp gió là chúng có bụi, côn trùng và chim chóc vào toà nhà. Những toà tháp mới hơn được trang bị màn che ít nhất để tránh côn trùng và chim chóc. Những toà tháp cao hơn thì có ít bụi hơn, nhưng để xây dựng và bảo quản nó thì khá tốn kém. Một cách khác để tránh cho toà nhà khỏi bụi là xây dựng một toà tháp có nền rộng hơn phần còn lại của tháp. Tăng diện tích mặt cắt ngang của luồng không khí làm giảm vận tốc gió ở đáy tháp, để cho bụi bám lại trên gíá được gọi là hộp gom bụi. Việc đặt các lỗ cửa ở đỉnh tháp có thể kiểm soát được sự hút bụi, ở những khu vực mà gió bụi thổi theo một hướng và gió bụi tự do thổi theo hướng mà các lỗ cửa được đặt theo. Giống như vậy, ở những khu vực có gió thổi, các lỗ cửa được đặt để tận dụng gió.

Tháp đo gió vẫn đang được sử dụng ở Iran và thậm chí còn gồm có một số toà nhà mới. Tất nhiên chúng chỉ được dự định sử dụng trong mùa hè và phải được đóng cửa hợp lí vào mùa đông. Ví dụ như ở Barm, tháp được bao kín bằng tường dày. Nếu không đóng cửa tháp vào mùa đông, sự tiêu hao lượng nhiệt hấp thụ vào tăng kên đáng kể, có nghĩa là lượng thất thoát vào không khí lạnh bên ngoài đã tràn vào toà nhà.

Tháp gió có thể được dùng cùng với mái vòm, một sự dễ chịu trong khí hậu mùa hè nóng bức ở Iran. Mái vòm hay hình trụ có nhiều ưu điểm hơn mái bằng. Chúng vốn chắc chắn hơn: vì thế chúng có thể được sản làm nhẹ hơn và không yêu cầu sự trợ giúp của dầm gỗ, thứ rất hiếm ở các khu vực sa mạc. Hơn nữa, không khí nóng tập trung dưới mái vòm ở căn phòng để ở có mái che. Bằng cách này, căn phòng giữ được cảm giác dễ chịu, và lượng nhiệt truyền từ mái vào phòng được hạn chế vì nhiệt độ cao bên cạnh mái được duy trì.

Bất cứ mái nào hấp thụ nhiệt mặt trời bằng bức xạ, mái bằng và mái vòm của cùng một khu vực thì cũng hấp thụ lượng bức xạ mặt trời như nhau. Tuy nhiên, mái nhà mất đi phần lớn lượng nhiệt của nó là do bức xạ chứ không phải do sự đối lưu: có nghĩa là, lượng nhiệt tiêu hao chủ yếu phụ thuộc vào sự di chuyển của không khí qua mái. Mái vòm có lượng nhiệt đối lưu và truyền nhiệt cao hơn mái bằng. Vì thế mái vòm có thể được làm mát dễ dàng hơn.

Mái vòm đạt hiệu quả cao nhất khi kết hợp với lỗ thông hơi. Hoạt động của lỗ thông hơi phụ thuộc vào thực tế là luồng không khí qua vật thể hình trụ và hình cầu, vận tốc ở đỉnh của một vật tăng lên: kết quả là áp suất ở đỉnh giảm xuống. Nếu có một lỗ hổng ở đỉnh của mái hình trụ hay mái vòm, sự khác nhau về áp suất làm cho không khí nóng ở dưới mái đi qua lỗ thông. Vì chức năng của lỗ thông phụ thuộc vào luồng không khí đi qua bề mặt cong, mái có lỗ thông hơi được định hướng để đường cong của gió lớn nhất. Ở những khu vực có gió, mái hình trụ được xây dựng với trục vuông góc hình trụ theo hướng gió, ở những khu vực có gió thổi theo tất cả mọi hướng mái vòm dùng. Lỗ thông hơi thường đặt trên phòng khách của toà nhà.

Một hệ thống làm mát tự động của bộ ba bình chứa kết hợp một số hệ thống tự động khác. Bình chứa là một bể chứa sâu 10-20m, chìm dười lòng đất, được mái vòm che phủ và xung quanh là một số tháp đo gió khác. Tại một số khu vực thuộc đồng bằng khô cằn của Iran, nước từ trên cao nguyên được đưa xuống qua hệ thống ống dẫn nước gọi là ganats. Mục đích của bình chứa là để giữ nưởc mức nhiệt độ thấp hợp lý trong suốt những tháng mùa hè. Bản thiết kế bình chứa tận dụng sự thay đổi nhiệt độ theo mùa ở sa mạc và tính chất cách nhiệt của đất.

Ở khu vực Iran khô cằn, ban đêm rất lạnh. Vào mùa đông nước lạnh được chứa trong bình, làm đầy một phần bình chứa. Vào mùa hè, mái vòm của bình được là ấm, và vì không khí và lớp nước trên cùng trong bình. Trước khi lớp nước dưới sâu hơn được làm ấm, tuy nhiên nước ở lớp nướcc phía trên mặt bốc hơi và nước bốc hơi được đưa đi bởi một ống dẫn qua bề mặt, được duy trì bằng tháp đo gió. Bằng cách này nước được giữ mát.

Hình 8: LỖ THÔNG HƠI được dùng ở những khu vực gió bụi khiến cho Tháp gió không ứng dụng được. Lỗ thông này trong lỗ hổng được cắt trên đỉnh mái vòm hay mái hình trụ. Lỗ cửa ở chụp bảo vệ qua lỗ thông hơi hướng gió qua nó. Khi không khí đi qua bề mặt cong, tốc độ của nó tăng lên và áp suất giảm ở đỉnh bề mặt. Sự giảm áp suất ở đỉnh mái cong làm cho không khí nóng dưới mái đi ra ngoài qua lỗ thông hơi. Bằng cách này không khí được tiếp tục lưu thông qua phòng dưới mái. Lỗ thông hơi thường được đặt trên phòng khách với hồ nước ngay dưới lỗ thông hơi để không khí mát đi qua phòng.Hình 8: LỖ THÔNG HƠI được dùng ở những khu vực gió bụi khiến cho Tháp gió không ứng dụng được. Lỗ thông này trong lỗ hổng được cắt trên đỉnh mái vòm hay mái hình trụ. Lỗ cửa ở chụp bảo vệ qua lỗ thông hơi hướng gió qua nó. Khi không khí đi qua bề mặt cong, tốc độ của nó tăng lên và áp suất giảm ở đỉnh bề mặt. Sự giảm áp suất ở đỉnh mái cong làm cho không khí nóng dưới mái đi ra ngoài qua lỗ thông hơi. Bằng cách này không khí được tiếp tục lưu thông qua phòng dưới mái. Lỗ thông hơi thường được đặt trên phòng khách với hồ nước ngay dưới lỗ thông hơi để không khí mát đi qua phòng.

Hệ thống làm mát bằng bình chứa hoạt động theo một trong hai cách này. Nếu hệ thống này có mái vòm với lỗ thông hơi ở trong, không khí đi xuống dưới tháp đo gió, qua nước và lên trên qua lỗ thông hơi. Luồng không khí hút hỗn hợp không khí và hơi nước dưới mái. Tuy nhiên nếu bình chứa có lỗ thông hơi, bụi, côn trùng và những thứ khác có thể sa vào và làm bẩn nước, và vì vậy một số bình chứa được cấu tạo không có lỗ thông hơi. Trong những bình chứa này, luồng không khí từ tháp bị ngắn mạch: không khí đi qua hành lang ở một mặt của tháp và quay ngược trở lại qua hành lang ở một mặt khác, hút hốn hợp không khí và hơi nước trong bình chứa và đưa nó đi qua lỗ cửa ở mặt khuất gió của tháp. Bình chứa của cả hai loại hiện tại đều không được sử dụng nhiều bởi vì mặc dù nước do các bình chứa này cung cấp lạnh vừa lạnh vừa tù đọng bởi thế không an toàn cho người sử dụng trực tiếp.

Hệ thống bình chứa hoạt động hiệu quả bằng cách dự trữ năng lượng từ mùa này qua mùa khác. Nhiều hệ thống làm mát và sưởi tự động hoạt động theo nguyên tắc này. Một ví dụ khác là hệ thống làm đá tự động truyền thống của Iran. (Giống như bể chứa, máy làm đá đã bị bỏ vì lí do sức khoẻ.) Ở những vùng đất khô cằn của Iran, vào mùa đông nhiệt độ không khí vào ban đêm thường chỉ trên mức đóng băng vài độ. Với một chiếc máy làm đá, có thể sản xuất đá vào mùa đông và dữ trữ cho mùa hè. Hệ thống này phụ thuộc vào sự tiêu hao bức xạ lên bầu trời buổi đêm mùa đông lạnh thoáng đãng.

Máy làm đá gồm có một hầm dự trữ lớn sâu 10-15m và một cái ao tam giác nông, rộng 10-20m trên trục Bắc – Nam và dài vài trăm mét ở trục Đông Tây. Một bức tường gạch sống đang được xây dựng ở mặt phía Nam của mỗi bể nước, đủ cao để toả bóng râm lên toàn bộ chiều rộng của bể trong suốt quá trình làm đá. Tường bao phía Đông và phía Tây ở cuối bể thấp hơn để che chắn cho bể không bị bức xạ mặt trời vào sáng sớm và chiều muộn.

Hệ thống làm mát tự động khai thác đặc điểm của khí hậu cần khắc phục. Vì lí do này hệ thống làm mát tự động và thông hơi của Iran không thể ứng dụng bất kì ở các khu vực khác trên thế giới. Tuy nhiên trong khí hậu tương tự với khí hậu ở Iran và bất cứ nơi nào để cung cấp nước lạnh và đá cho mục đích khác hơn là mục đích sử dụng trực tiếp của con người, những hệ thống này có thể hoạt động tốt, tuy nhiên trong khí hậu tương tự với khí hậu ở Iran và bất cứ nơi nào để cung cấp nước lạnh và đá cho mục đích khác hơn là mục đích sử dụng trực tiếp của con người.

Ở các khí hậu nơi mà hệ thống làm mát tự động của Iran không thế áp dụng được, chúng vẫn được quan tâm. Những hệ thống này thể hiện khả năng kết hợp cùng hơn là đi ngược lại với môi trường bên ngoài. Trong tương lai, các kiến trúc sư và kĩ sư sẽ cần tính thêm đến khí hậu và có thể kiểm tra khả năng của khí hậu với hệ thống sưởi, làm lạnh và thông hơi tự động. Với thông tin này, họ có thể thiết kế những toà nhà có nội thất tiện nghi nhưng lại tiêu thụ lượng năng lượng ít nhất.

Hình 9:BÌNH CHỨA đấy nước lạnh trong suốt những buổi đêm mùa đông, khi nhiệt độ ở các vùng đất khô cằn ở Iran thường chỉ trên mức đóng băng vài độ. Tháp gió bao quanh bình chứa giữ nước lạnh để sử dụng suốt những tháng mùa hè nóng bức. Khi mài vòm của bình chứa được mặt trời làm nóng, nó làm ấm không khí qua nước trong bình và làm tăng tốc độ nước bốc hơi. Tháp vẫn duy trì lực hút qua mặt nước để làm hơi nước bốc hơi. Khi có lỗ thông hơi trên mái bình chứa, gió thổi xuống dưới tháp, đi qua nước và lên trên qua lỗ thông (mũi tên đen), hút khí ẩm từ bình chứa ra ngoài qua lỗ thông hơi. Khi không có lỗ thông hơi, gió thổi xuống dưới tháp và bị đẩy ngược lên trên qua hành lang thông gió ở mặt khuất gió của tháp (mũi tên màu). Lực hút lên trên được tạo ra ở hành lang khuất gió đẩy không khí trong bình đẩy ra ngoài qua lỗ chẳn gió của tháp. Một phần bình chứa bị chìm xuống để tận dụng tính chất cách nhiệt của đất. Mái vòm dễ dàng được làm mát hơn mái bằng và truyền sang bình chứa ít nhiệt hơn.Hình 9:BÌNH CHỨA đấy nước lạnh trong suốt những buổi đêm mùa đông, khi nhiệt độ ở các vùng đất khô cằn ở Iran thường chỉ trên mức đóng băng vài độ. Tháp gió bao quanh bình chứa giữ nước lạnh để sử dụng suốt những tháng mùa hè nóng bức. Khi mài vòm của bình chứa được mặt trời làm nóng, nó làm ấm không khí qua nước trong bình và làm tăng tốc độ nước bốc hơi. Tháp vẫn duy trì lực hút qua mặt nước để làm hơi nước bốc hơi. Khi có lỗ thông hơi trên mái bình chứa, gió thổi xuống dưới tháp, đi qua nước và lên trên qua lỗ thông (mũi tên đen), hút khí ẩm từ bình chứa ra ngoài qua lỗ thông hơi. Khi không có lỗ thông hơi, gió thổi xuống dưới tháp và bị đẩy ngược lên trên qua hành lang thông gió ở mặt khuất gió của tháp (mũi tên màu). Lực hút lên trên được tạo ra ở hành lang khuất gió đẩy không khí trong bình đẩy ra ngoài qua lỗ chẳn gió của tháp. Một phần bình chứa bị chìm xuống để tận dụng tính chất cách nhiệt của đất. Mái vòm dễ dàng được làm mát hơn mái bằng và truyền sang bình chứa ít nhiệt hơn.
Hình 10: MÁI VÒM VÀ THÁP GIÓ của bình chứa ở Yazd có ở đây. Tháp cao khoảng 12m, bình chứa sâu khoảng 12m và có thể chứa khoảng 1,000 mét khối nước. Nguồn: Flickr.com Hình 10: MÁI VÒM VÀ THÁP GIÓ của bình chứa ở Yazd có ở đây. Tháp cao khoảng 12m, bình chứa sâu khoảng 12m và có thể chứa khoảng 1,000 mét khối nước.
Nguồn: Flickr.com
Hình 11: MÁY LÀM ĐÁ là hệ thống làm mát tự động tận dụng nhiệt độ gần đóng băng vào những đêm mùa đông ở sa mạc. Một số bể nước nông, rộng 10 đến 12 mét ở trục Bắc- Nam và một số bể cao dài 100 mét, chứa đầy nước lạnh vào đêm mùa đông. Tường gạch sống cao ở mặt phía Nam của mỗi chiếc bể và tường thấp về cuối ở phía Đông và Tây để chắn gió cho bể nước. Vào buổi đêm, nước trong bể mất nhiệt lên bầu trời do bức xạ và thu lại nhiệt từ đất do tính dẫn nhiệt và từ không khí do đối lưu (nghĩa là bằng sự chuyển động của không khí đi qua mặt nước). Chắn gió cho bể làm giảm nhiệt thu được do đối lưu, để vào những đêm không mây lượng nhiệt tiêu hao lên bầu trời do bức xạ đủ để làm nước đóng băng. Ngày hôm sau nước sẽ bị cắt ra thành từng mảnh và được để trong hầm dự trữ sâu 10 đến 15 mét. Tường che bóng mát cho bể suốt cả ngày để đá không chảy trước khi nó bị cắt ra thành từng mảnh và trữ lại.Hình 11: MÁY LÀM ĐÁ là hệ thống làm mát tự động tận dụng nhiệt độ gần đóng băng vào những đêm mùa đông ở sa mạc. Một số bể nước nông, rộng 10 đến 12 mét ở trục Bắc- Nam và một số bể cao dài 100 mét, chứa đầy nước lạnh vào đêm mùa đông. Tường gạch sống cao ở mặt phía Nam của mỗi chiếc bể và tường thấp về cuối ở phía Đông và Tây để chắn gió cho bể nước. Vào buổi đêm, nước trong bể mất nhiệt lên bầu trời do bức xạ và thu lại nhiệt từ đất do tính dẫn nhiệt và từ không khí do đối lưu (nghĩa là bằng sự chuyển động của không khí đi qua mặt nước). Chắn gió cho bể làm giảm nhiệt thu được do đối lưu, để vào những đêm không mây lượng nhiệt tiêu hao lên bầu trời do bức xạ đủ để làm nước đóng băng. Ngày hôm sau nước sẽ bị cắt ra thành từng mảnh và được để trong hầm dự trữ sâu 10 đến 15 mét. Tường che bóng mát cho bể suốt cả ngày để đá không chảy trước khi nó bị cắt ra thành từng mảnh và trữ lại.

Dịch & biên tập: Vương Đạo Hoàng

Bình luận