Quả cầu thông gió hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa tác động của gió, chuyển động quay của turbine, đối lưu nhiệt và chênh lệch áp suất giữa bên trong với bên ngoài công trình. Thiết bị không đơn giản chỉ là “có gió thì quay”, mà là một phần của cả đường lưu thông không khí từ điểm lấy khí vào đến vị trí thoát khí trên mái.
Muốn hệ thống hoạt động hiệu quả, cần đồng thời quan tâm đến vị trí lắp đặt, đường thoát khí và đặc biệt là khả năng cấp khí bù vào không gian bên dưới.
Nếu bạn cần tìm hiểu tổng quan về thiết bị, xem quả cầu thông gió là gì.
Quả cầu thông gió hoạt động như thế nào?
Có thể hình dung đường đi của không khí trong một hệ thống thông gió tự nhiên như sau:
Không khí bên ngoài → cửa lấy khí → không gian bên trong → không khí nhận nhiệt → khí nóng di chuyển lên cao → vùng dưới mái → cổ thoát khí → quả cầu thông gió → thoát ra ngoài.
Trong chuỗi này, quả cầu thông gió nằm ở phía cuối của đường khí.
Khi có gió, dòng không khí bên ngoài tác động lên các cánh của turbine làm phần đầu quả cầu quay. Đồng thời, sự chuyển động của không khí quanh khu vực mái và sự chênh lệch áp suất giữa phía trong với phía ngoài hỗ trợ quá trình đưa không khí từ bên dưới lên điểm thoát.
Nếu bên trong công trình nóng hơn bên ngoài, không khí nóng còn có xu hướng tự di chuyển lên cao do đối lưu nhiệt. Quả cầu được bố trí trên mái trở thành một trong những vị trí để khối khí này thoát ra.
Do đó, hiệu quả thông gió là kết quả của cả hệ thống, không phải chỉ của riêng phần turbine nhìn thấy trên mái.
Gió làm turbine của quả cầu thông gió quay như thế nào?
Phần đầu của quả cầu gồm nhiều cánh bố trí vòng quanh một trục quay. Cụm này còn liên quan đến trục, bạc đạn hoặc ổ đỡ và các chi tiết giữ turbine đúng tâm. Nếu bạn muốn xem chi tiết từng bộ phận và chức năng của chúng, xem cấu tạo quả cầu thông gió.
Khi gió đi qua bề mặt các cánh, lực khí động tác động lên turbine và làm cụm cánh quay quanh trục. Khi tốc độ gió tăng trong điều kiện tương tự, tốc độ quay của turbine thường cũng tăng theo.
Tuy nhiên, cần phân biệt rõ:
Turbine quay nhanh không đồng nghĩa với lưu lượng thông gió bên trong công trình chắc chắn lớn.
Phần turbine nằm ngoài mái có thể chịu tác động trực tiếp của gió và quay nhanh, trong khi lượng không khí thực sự đi từ bên trong công trình qua cổ thoát vẫn bị hạn chế nếu đường dẫn khí có trở lực lớn hoặc không đủ khí bù.
Ngược lại, một công trình được tổ chức đường khí hợp lý có thể duy trì quá trình trao đổi không khí tốt hơn dù tốc độ gió không quá lớn.
Vì vậy, quan sát tốc độ quay của quả cầu chỉ cho biết một phần trạng thái hoạt động, không đủ để đánh giá toàn bộ hiệu quả thông gió.
Đối lưu nhiệt hỗ trợ thông gió ra sao?
Trong nhà xưởng, kho hàng hoặc các công trình sử dụng mái tôn, không khí bên trong thường nóng lên do bức xạ nhiệt từ mái, máy móc, thiết bị hoặc quá trình sản xuất.
Khi nhiệt độ không khí tăng, mật độ của khối khí giảm và không khí nóng có xu hướng di chuyển lên cao. Đây là đối lưu nhiệt tự nhiên.
Nếu phía trên công trình có đường thoát khí phù hợp, không khí nóng tập trung dưới mái sẽ tiếp tục đi về phía điểm thoát.
Quá trình có thể hình dung đơn giản:
Không khí mát hơn đi vào thấp → hấp thụ nhiệt → nóng lên → nổi lên cao → tập trung dưới mái → thoát qua quả cầu thông gió.
Chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài càng rõ, tác động của đối lưu tự nhiên càng có điều kiện phát huy.
Đây là một trong những lý do các thiết bị thoát khí tự nhiên thường được bố trí ở vị trí cao của mái thay vì ở phần thấp của công trình.
Chênh lệch áp suất có vai trò gì?
Không khí có xu hướng di chuyển từ vùng có áp suất cao hơn sang vùng có áp suất thấp hơn.
Trong một công trình thông gió tự nhiên, áp suất tại cửa lấy khí, khu vực bên trong nhà, vùng dưới mái và phía bên ngoài công trình không hoàn toàn giống nhau.
Gió thổi qua mái có thể tạo ra các vùng áp suất khác nhau xung quanh công trình. Đồng thời, sự chênh lệch nhiệt độ và chuyển động của khối khí bên trong cũng góp phần tạo nên chênh lệch áp suất.
Quả cầu thông gió hoạt động trong chính hệ thống chênh áp này.
Khi điều kiện áp suất phía trên mái thuận lợi, không khí từ bên trong có xu hướng đi lên điểm thoát dễ hơn. Ngược lại, nếu đường khí bị bó hẹp, nhiều đoạn gấp hoặc có trở lực lớn, lưu lượng thực tế có thể giảm dù turbine bên ngoài vẫn đang quay.
Đó cũng là lý do hai công trình sử dụng cùng một loại quả cầu thông gió chưa chắc đạt hiệu quả giống nhau.
Khí bù là gì và tại sao lại quan trọng?
Khi một lượng không khí được đưa ra khỏi công trình, phải có một lượng không khí khác đi vào để thay thế.
Phần không khí đi vào này có thể hiểu là khí bù.
Đây là một trong những yếu tố quan trọng nhất nhưng cũng thường bị bỏ qua khi lắp quả cầu thông gió.
Ví dụ, nếu phía trên mái có nhiều điểm thoát nhưng toàn bộ cửa phía dưới gần như đóng kín, không khí mới không thể đi vào đủ nhanh để thay thế lượng khí đang thoát ra.
Khi đó, hệ thống phải lấy không khí qua các khe cửa, khe mái hoặc những khoảng hở nhỏ không được thiết kế làm đường cấp khí.
Trở lực của hệ thống tăng lên và lượng không khí thực sự đi qua quả cầu có thể giảm.
Có thể hiểu rất đơn giản:
Muốn không khí đi ra ổn định thì phải có đường cho không khí đi vào.
Bởi vậy, khi đánh giá hiệu quả của quả cầu thông gió, không nên chỉ nhìn số lượng thiết bị trên mái mà phải xem cả khả năng cấp khí của công trình.
Công trình quá kín thì điều gì xảy ra?
Một nhà xưởng hoặc kho có độ kín cao có thể xuất hiện tình trạng quả cầu bên ngoài vẫn quay nhưng khả năng trao đổi không khí bên trong thấp hơn mong đợi.
Nguyên nhân là lượng không khí bị đưa ra không được bổ sung đủ nhanh từ phía dưới.
Khi công trình quá kín, có thể xuất hiện một số vấn đề:
- không khí mới chỉ lọt vào qua những khe nhỏ;
- trở lực của toàn bộ đường khí tăng;
- lượng khí thoát thực tế giảm;
- dòng khí không đi theo hướng mong muốn;
- một số khu vực vẫn tích tụ nhiệt dù trên mái có quả cầu đang quay.
Về nguyên tắc, hệ thống nên có đường cấp khí chủ động và đủ thông thoáng.
Cửa lấy khí hoặc vị trí cấp khí thường được bố trí thấp hơn vị trí thoát, từ đó tạo điều kiện cho luồng không khí đi xuyên qua không gian bên trong rồi di chuyển dần lên mái.
Điều gì xảy ra khi không có gió?
Không có gió không có nghĩa là mọi chuyển động của không khí bên trong lập tức dừng lại.
Nếu nhiệt độ bên trong công trình cao hơn bên ngoài, hiện tượng đối lưu tự nhiên vẫn có thể xảy ra. Không khí nóng tiếp tục có xu hướng di chuyển lên cao và tìm đường thoát qua các vị trí trên mái.
Trong trường hợp này, quả cầu cùng cổ thoát bên dưới vẫn có thể đóng vai trò như một cửa thoát cho luồng khí nóng.
Tuy nhiên, hiệu quả sẽ giảm khi đồng thời xuất hiện nhiều điều kiện bất lợi như:
gió rất yếu + chênh lệch nhiệt độ nhỏ + công trình kín + đường khí có trở lực lớn.
Khi đó, lực thúc đẩy chuyển động không khí tự nhiên không còn lớn.
Đây cũng là điểm cần phân biệt giữa thông gió tự nhiên và thông gió cưỡng bức bằng quạt điện.
Quạt điện sử dụng động cơ để tạo chênh áp chủ động, trong khi quả cầu thông gió phụ thuộc nhiều hơn vào các điều kiện tự nhiên và cấu trúc của đường khí.
Vì sao không thể gán một lưu lượng cố định cho quả cầu thông gió?
Một câu hỏi thường gặp là:
“Một quả cầu thông gió hút được bao nhiêu m³/h?”
Trên thực tế, lưu lượng không khí đi qua hệ thống không phải một con số cố định chỉ phụ thuộc vào bản thân quả cầu.
Lưu lượng thực tế còn chịu ảnh hưởng bởi:
- tốc độ gió;
- hướng gió;
- chênh lệch áp suất;
- chênh lệch nhiệt độ;
- đặc tính của turbine;
- kích thước và tiết diện cổ thoát;
- chiều dài đường khí;
- số đoạn gấp;
- trở lực của hệ thống;
- khả năng cấp khí bù;
- vị trí lắp trên mái;
- vật cản xung quanh công trình.
Có thể biểu diễn về mặt nguyên tắc:
Q = f(gió, chênh áp, nhiệt độ, đặc tính thiết bị, trở lực hệ thống, khí bù)
Trong đó Q là lưu lượng không khí thực tế.
Do các yếu tố trên thay đổi giữa từng công trình và thậm chí thay đổi theo từng thời điểm trong ngày, không nên lấy một giá trị lưu lượng duy nhất rồi mặc định rằng quả cầu luôn đạt mức đó trong mọi điều kiện.
Nếu một thông số lưu lượng được công bố từ thử nghiệm, cần hiểu đó là giá trị tương ứng với điều kiện thử cụ thể, không phải lưu lượng cố định áp dụng cho tất cả công trình.
Sơ đồ đường khí của hệ thống quả cầu thông gió
Muốn quả cầu hoạt động hiệu quả, nên nhìn toàn bộ hệ thống như một đường lưu thông liên tục:
Không khí bên ngoài
↓
Cửa lấy khí / cửa mở / lam gió
↓
Không gian bên trong công trình
↓
Không khí hấp thụ nhiệt
↓
Khí nóng di chuyển lên cao
↓
Vùng tích tụ nhiệt dưới mái
↓
Cổ hoặc đường thoát khí
↓
Quả cầu thông gió
↓
Không khí thoát ra ngoài
Điểm quan trọng là cửa cấp khí và cửa thoát khí không hoạt động độc lập.
Nếu phần phía trên rất thông thoáng nhưng lượng khí đi vào từ phía dưới bị hạn chế, toàn bộ hệ thống vẫn bị giới hạn.
Ngược lại, nếu cửa lấy khí lớn nhưng cổ thoát quá nhỏ, đường dẫn quá dài hoặc có nhiều đoạn gây cản trở, khả năng đưa khí ra ngoài cũng sẽ giảm.
Những yếu tố làm quả cầu thông gió hoạt động hiệu quả hơn
Hiệu quả của hệ thống thường thuận lợi hơn khi quả cầu được đặt tại vị trí trên mái có khả năng tiếp xúc với dòng gió tốt và đường dẫn khí bên dưới thông thoáng.
Đường khí ngắn, tiết diện hợp lý và ít khúc ngoặt giúp giảm trở lực.
Ngược lại, nếu đường khí có nhiều đoạn thu hẹp, nhiều góc gấp hoặc vật cản thì tổn thất áp suất tăng lên và lượng không khí đi qua hệ thống có thể giảm.
Khả năng cấp khí bù cũng đặc biệt quan trọng.
Cửa lấy khí nên đủ thông thoáng và được bố trí sao cho không khí mới có thể đi qua khu vực cần thông gió trước khi di chuyển về điểm thoát.
Trong các công trình tích tụ nhiều nhiệt dưới mái, chênh lệch nhiệt độ còn có thể hỗ trợ quá trình đối lưu tự nhiên.
Ngoài ra, tình trạng cơ khí của turbine cần được duy trì tốt. Trục quay, ổ bi và các cánh phải hoạt động bình thường, không bị biến dạng hoặc ma sát bất thường làm tăng lực cản quay. Nếu quả cầu có dấu hiệu quay nặng, rung, phát tiếng kêu hoặc bị kẹt, có thể xem cách sửa quả cầu thông gió để kiểm tra nguyên nhân theo từng hiện tượng.
Những yếu tố làm hiệu quả giảm
Không phải cứ lắp đúng loại quả cầu là hệ thống tự động đạt hiệu quả cao.
Một số điều kiện có thể làm khả năng thông gió giảm gồm:
- vị trí lắp bị tường hoặc công trình khác che chắn;
- khu vực mái có dòng gió không thuận lợi;
- đường khí phía dưới bị thu hẹp;
- cổ thoát quá dài hoặc có nhiều đoạn gấp;
- công trình quá kín;
- cửa cấp khí không đủ;
- cửa cấp và cửa thoát bố trí không hợp lý;
- vùng tích tụ nhiệt nằm xa điểm thoát;
- turbine bị kẹt hoặc quay không ổn định.
Một vấn đề khác là hiện tượng đường tắt của dòng khí.
Nếu cửa cấp khí nằm quá gần vị trí thoát, không khí mới có thể đi trực tiếp từ cửa vào tới điểm thoát mà không đi qua khu vực đang cần làm mát hoặc loại bỏ khí nóng.
Khi đó, hệ thống vẫn có dòng khí nhưng hiệu quả xử lý toàn bộ không gian không cao.
Vì vậy, cần đánh giá đồng thời điểm lấy khí, đường di chuyển của khí, vùng tích tụ nhiệt, trở lực và vị trí thoát.
Quả cầu quay càng nhanh có phải thông gió càng tốt?
Không nhất thiết.
Tốc độ quay cho thấy turbine đang chịu tác động của gió, nhưng không thể dùng riêng tốc độ quay để suy ra chính xác lượng không khí được đưa ra khỏi công trình.
Ví dụ, nếu phần bên dưới gần như bị bịt kín, turbine ngoài mái vẫn có thể quay do gió tác động trực tiếp lên các cánh.
Tuy nhiên, lượng không khí đi từ bên trong qua cổ thoát lúc này có thể không lớn tương ứng.
Do đó, khi kiểm tra hiệu quả của hệ thống, nên đánh giá dòng khí thực tế bên trong công trình và toàn bộ đường cấp – thoát khí, thay vì chỉ quan sát quả cầu quay nhanh hay chậm.
Có phải càng lắp nhiều quả cầu thì càng hiệu quả?
Không thể kết luận chỉ dựa vào số lượng.
Tăng số điểm thoát có thể cải thiện khả năng thoát khí khi toàn bộ hệ thống được thiết kế phù hợp, nhưng hiệu quả không nhất thiết tăng tuyến tính theo số lượng quả cầu.
Ví dụ, nếu phía trên mái có rất nhiều điểm thoát nhưng cửa cấp khí phía dưới nhỏ, toàn bộ hệ thống vẫn bị giới hạn bởi lượng khí bù.
Tương tự, lắp nhiều quả cầu tập trung tại một khu vực cũng chưa chắc giải quyết được vấn đề nếu nhiệt tích tụ ở vị trí khác hoặc dòng khí bên trong không đi qua khu vực cần thông gió.
Vì vậy, không nên coi số lượng quả cầu là yếu tố duy nhất.
Điều quan trọng hơn là tạo được một đường lưu thông không khí hợp lý từ đầu vào đến đầu ra.
Hiểu đúng nguyên lý trước khi bố trí hệ thống
Có thể tóm tắt nguyên lý hoạt động của quả cầu thông gió bằng bốn yếu tố liên kết với nhau:
Gió tác động lên turbine → chênh lệch áp suất hỗ trợ dòng khí → khí nóng đối lưu lên cao → khí bù đi vào thay thế lượng khí thoát ra.
Bốn yếu tố này tiếp tục chịu ảnh hưởng bởi trở lực của đường khí, vị trí lắp và điều kiện thực tế của công trình.
Vì vậy, một hệ thống thông gió tốt không chỉ cần quả cầu quay ổn định mà còn phải có:
đường khí vào hợp lý → đường di chuyển thông thoáng → điểm thoát phù hợp.
Hiểu đúng nguyên lý này sẽ giúp việc bố trí hệ thống thực tế sát với điều kiện công trình hơn, thay vì chỉ dựa vào số lượng quả cầu hoặc tốc độ quay nhìn thấy trên mái.
Nếu bạn đang cần tham khảo thiết bị thực tế cho nhà xưởng, kho hoặc công trình mái tôn, có thể xem các mẫu quả cầu thông gió inox. 19 lượt xem