Ứng dụng và lợi ích của mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC

Ở bài viết trước, chúng ta đã biết mô phỏng CFD là gì và các lĩnh vực ứng dụng của nó, trong đó có ứng dụng tính toán thiết kế hệ thống HVAC. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu:

• Sự cần thiết của việc sử dụng mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC.
• Các ứng dụng và giá trị mà mô phỏng CFD mang lại cho quá trình thiết kế HVAC.

Sự cần thiết của việc sử dụng mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC

HVAC có tên gọi đầy đủ là hệ thống sưởi ấm (Heating), thông gió (Ventilation), và điều hòa không khí (Air Conditioning) – là hệ thống tạo ra sự thoải mái về nhiệt và đảm bảo chất lượng không khí trong nhà theo tất cả các mùa trong năm. Một cách thông thường, các tính toán thiết kế HVAC đều giả định “dòng chảy lý tưởng” (không khí được trộn đều một cách hoàn hảo trong thời gian vô cùng nhỏ), đồng thời có thể sử dụng sổ tay và công thức ước lượng để cho quá trình tính toán nhanh và đơn giản. Kết quả của cách tiếp cận này có thể dẫn tới sự tính toán không hợp lý của các thiết bị HVAC, qua đó làm tăng chi phí vận hành và làm giảm hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Do vậy vẫn cần phải có một công cụ kiểm chứng lại thiết kế trước khi thi công thực tế. Để kiểm chứng thiết kế, các kỹ sư có thể là làm mô hình thí nghiệm hoặc chạy mô phỏng CFD trong điều kiện vận hành thực tế. Trong đó mô phỏng CFD là công cụ đã và đang được sử dụng phổ biến bởi một số tập đoàn lớn như SAMSUNG, LG, DAIKIN hay Ramboll bởi những giá trị và lợi ích mà nó đem lại.

Lợi ích của mô phỏng CFD trong HVAC

Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong HVAC

Các chỉ số tiện nghi của môi trường không khí trong HVAC gồm có tiện nghi nhiệt – thermal comfort (bao gồm các chỉ số về nhiệt độ, độ ẩm, và tốc độ gió, và các chỉ số liên quan đến độ thoải mái) và chất lượng không khí – indoor air quality (bao gồm các chỉ số về nồng độ bụi, mùi, khí độc, vi khuẩn, vi-rút). Các chỉ số tiện nghi không chỉ thể hiện sự thoải mái của con người trong không gian sống (nhà ở, rạp phim, lớp học, v.v) mà còn là yêu cầu được xác định rõ trong các tiêu chuẩn như  ASHRAE 55 (Mỹ), ISO 7730 (quốc tế), hay TCVN 7438 (Việt Nam). Các chỉ số này phụ thuộc vào các điều kiện thực tế thay đổi theo thời gian, cách bố trí nội thất, và các yếu tố khác. Do đó các phương pháp tính toán thông thường rất khó đáp ứng được các yêu cầu về chỉ số tiện nghi. Mô phỏng CFD sẽ giúp các kỹ sư có thể hình dung và đánh giá các chỉ số tiện nghi theo trạng thái ổn định hay tạm thời. Dưới đây là một số giá trị mà mô phỏng CFD mang lại:

• Tính toán phân bố của các chỉ số tiện nghi, kiểm chứng lại thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống HVAC thông qua mô phỏng các chỉ số này trong giai đoạn đầu của thiết kế.
• Xác định khu vực không đảm bảo tiện nghi, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến các chỉ số này và kiểm chứng phương án xử lý.
• Thay đổi thiết kế hệ thống HVAC và cách bố trí nội thất (nếu cần) để tối ưu hóa các chỉ số tiện nghi, qua đó đảm bảo yêu cầu và tiêu chuẩn đã xác định trong lúc thiết kế.
• Phân tích và thử nghiệm phương án cải tiến hệ thống HVAC cho các công trình đang hoạt động.

Tiện nghi nhiệt và phân bố nồng độ CO₂ trong văn phòng [nguồn]
(ở hình bên trái, màu cam thể hiện vị trí có độ thoải mái cao nhất, tại đó giá trị PMV = 0)

Mô phỏng phân tích dòng chảy trong HVAC

Đối với không gian bên trong tòa nhà, ngoài các chỉ số tiện nghi như đã đề cập còn có các vấn đề khác cần đến sự hỗ trợ của mô phỏng CFD như: (1) quá trình phát tán bụi và chất ô nhiễm (nhà ở, hầm đỗ xe, nhà máy), (2) thời gian lưu trung bình (mean age of air) của không khí trong phòng, (3) phòng cháy chữa cháy, v.v.

Ngoài ra, mô phỏng CFD còn được ứng dụng để đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau của môi trường bên trong và ngoài tòa nhà, bao gồm các yếu tố chính: (1) ảnh hưởng của bức xạ mặt trời vào trong nhà, (2) ảnh hưởng của bụi và khí độc phát tán từ ngoài vào trong nhà, (3) thất thoát nhiệt qua kết cấu bao che công trình, (4) thông gió tự nhiên và cưỡng bức. Bằng cách lặp lại các thiết kế hoặc thay đổi các điều kiện tác động, các kỹ sư có thể dễ dàng đạt được một số yêu cầu quan trọng như sau:

• Dự báo xu hướng khi có sự cố xảy ra, kiểm nghiệm các phương án phòng tránh và xử lý trong giai đoạn đầu của thiết kế.
• Tối ưu hóa hệ thống xử lý bụi và khí độc, và hệ thống phòng cháy chữa cháy (ví dụ như hệ thống kiểm soát khói).
• Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài (ví dụ như bức xạ mặt trời, bụi, ẩm, khí độc) đến các chỉ số tiện nghi trong nhà.
• Kiểm chứng lại thiết kế và hiệu suất của hệ thống thông gió.

Ứng dụng của CFD trong thiết kế hệ thống thông gió cưỡng bức [nguồn]
(màu đỏ thể hiện vị trí có hiệu suất thông gió kém nhất)

Mô phỏng tối ưu hóa thiết bị HVAC

Mô phỏng CFD cho phép các kỹ sư thiết kế đánh giá các chỉ số như hiệu suất, hiệu quả sử dụng năng lượng, độ ồn, thời gian lưu, v.v của các thiết bị HVAC, bao gồm: (1) thiết bị làm sạch không khí (air cleaning equipment), (2) máy điều hòa không khí (AC), (3) bộ xử lý không khí (AHU), (4) thiết bị đốt và nồi hơi, (5) máy làm lạnh môi chất (chiller), (6) bộ khuếch tán (diffuser), (7) bộ trao đổi nhiệt (coil), (8) thiết bị xử lý ẩm, (9) thiết bị sưởi ấm, (10) bơm, quạt, máy nén, đường ống gió, và (11) máy làm lạnh không khí (refrigeration unit). Quá trình mô phỏng CFD sẽ mang lại nhiều giá trị cho kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất, ví dụ như:

• Hạn chế xây dựng nguyên mẫu của thiết bị (thiết bị thực) ở mức thấp nhất để thử nghiệm trong quá trình thiết kế.
• Phát hiện các vấn đề tiềm ẩn ngay trong bước đầu của quá trình thiết kế.
• Tối ưu hóa hình dạng và hiệu suất của các thiết bị HVAC, đặc biệt là thiết bị bố trí trong các không gian hẹp như ô tô, tàu thủy, tàu điện, máy bay.
• Phân tích và thử nghiệm phương án cải tiến hệ thống ống gió, cửa gió cho các công trình đang hoạt động.

Thiết kế ống gió bằng mô phỏng CFD [nguồn]

Mô phỏng tối ưu hóa năng lượng hệ thống HVAC

Các mô hình năng lượng thường cũng dựa trên giả định “dòng chảy lý tưởng”. Trong thực tế, đặc điểm của khối không khí trong tòa nhà là phân tầng theo độ cao và không đồng đều theo cả không gian lẫn thời gian. Do đó, các mô hình năng lượng dù được tính toán một cách chính xác nhất cũng cần có thêm công cụ hỗ trợ kiểm chứng [nguồn]. Bằng cách cố định điều kiện bên trong và thay đổi điều kiện bên ngoài, mô phỏng CFD là một công cụ hiệu quả để kiểm chứng và tối ưu hóa năng lượng cho tòa nhà. Những giá trị mà mô phỏng CFD mang lại cho việc tối ưu hóa năng lượng hệ thống HVAC là:

• Kiểm chứng các “ý tưởng tiết kiệm năng lượng” trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế, do đó cho phép hệ thống HVAC đạt được hiệu quả cao về năng lượng.
• Loại bỏ các yếu tố không cần thiết, qua đó tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn bộ hệ thống HVAC.
• Tạo cơ sở dữ liệu cho các mô hình năng lượng mà có thể được ứng dụng trong IoT (internet of things) và kỹ thuật số song song (digital twins).

Tối ưu hóa cách bố trí dàn nóng của hệ thống điều hòa không khí [nguồn]

Kết luận: Kết hợp mô phỏng CFD và HVAC là một giải pháp tiềm năng hướng tới sự phát triển bền vững

Kết hợp mô phỏng CFD trong HVAC đem lại sự tiết kiệm về thời gian, chi phí, và năng lượng tiêu thụ khi vận hành, trong khi các chỉ tiêu kỹ thuật được nâng cao. Mô phỏng CFD sẽ là một trong những công cụ trợ giúp đắc lực trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống HVAC, đảm bảo các tiêu chí về công trình xanh và phát triển bền vững.

Trong tương lai, sự kết hợp của mô phỏng CFD với các hệ thống tính toán, bao gồm hệ thống tính toán đám mây (cloud computing) và công nghệ thực tế ảo (VR, AR) sẽ góp phần làm tăng hiệu quả và tốc độ xử lý công việc trong giai đoạn thiết kế cho các kỹ sư, đồng thời giúp khách hàng có cái nhìn thực tế về hệ thống HVAC trước và sau khi vận hành. Ngoài ra, mô phỏng CFD có tiềm năng kết hợp với internet vạn vật (IoT) và kỹ thuật số song song (digital twins) trong quá trình điều khiển và tối ưu hóa các hệ thống HVAC.

Mời các bạn theo dõi và đón đọc các bài viết tiếp theo tại CFDWAYS Blog để có thêm thông tin chi tiết về các ứng dụng của mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC và những giá trị mà sự kết hợp này đem lại trong công nghiệp và đời sống.