Trong lĩnh vực HVAC, mô phỏng CFD được sử dụng để xác định các yếu tố tác động (lớn nhất) đến chất lượng không khí trong nhà (IAQ) và tiện nghi nhiệt, từ đó giúp các kỹ sư thay đổi thiết kế cho phù hợp  (nguồn). Điều này làm giảm chi phí và thời gian thử nghiệm, và giúp đưa ra các quyết định hợp lý trước khi chuyển sang giai đoạn xây dựng. Ngày nay, mô phỏng CFD còn giúp các kỹ sư thiết kế cải thiện chất lượng không khí và tiện nghi nhiệt mà không làm tăng mức tiêu thụ năng lượng cho các công trình (nguồn). Đặc biệt, trong bối cảnh số hóa và công nghệ 4.0, Bộ xây dựng đã ban hành Thông tư 12/2021/TT-BXD (ngày 31/8/2021), trong đó chú trọng đến các thiết kế điều khiển thông minh và phương án năng lượng cho các công trình, nhằm tiến tới các công trình xanh và công trình có phát thải ròng bằng “0″ (công trình Net Zero – cam kết của Việt Nam tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu của Liên Hợp Quốc, COP26). Do đó, việc cân bằng giữa tiện nghi nhiệt, IAQ, và năng lượng tiêu thụ đang là thách thức lớn cho các công trình năng lượng thấp.

Ngoài các chỉ số đánh giá chất lượng không khítiện nghi nhiệt liên quan đến các tiêu chuẩn tương ứng như đã giới thiệu ở các bài viết trước, các thông số kỹ thuật dưới đây cũng cần được đánh giá để quá trình thông gió đạt hiệu quả cao nhất đồng thời vẫn đảm bảo IAQ và tiện nghi nhiệt theo tiêu chuẩn, từ đó có thể tìm ra giải pháp làm giảm mức tiêu thụ năng lượng cho các công trình:

  • Thời gian lưu trung bình của không khí (Mean Age of Air – MAA).
  • Hiệu quả trao đổi không khí (Air Exchange Efficiency – AEE).
  • Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (Contaminant Removal Effectiveness – CRE).

Thông qua việc ứng dụng công nghệ mô phỏng CFD, các chỉ số MAA, AEE, và CRE có thể được đánh giá kỹ lưỡng, tương tự như các chỉ số tiện nghi nhiệt và IAQ. Để có cái nhìn rõ hơn, bài viết này sẽ lấy ví dụ là một văn phòng làm việc với 40 nhân viên và được đặt tại tọa độ 21,0052N – 105,84452E. Điều kiện thời tiết được lấy vào ngày 06/06/2021 với dữ liệu ở trạm khí tượng thủy văn gần nhất. Vận tốc tại ống cấp gió là 12 m/s, nhiệt độ gió tươi là 23 oC. Thông lượng nhiệt sinh ra từ mỗi nhân viên là 55 W/m2. Công suất nhiệt của mỗi máy tính là 100W. Mô hình CFD có kết hợp với mô hình tiện nghi nhiệt và mô hình phát thải CO2 từ nhân viên. Hình học 3D của văn phòng được mô tả ở hình bên dưới.

Hình học 3D của không gian mô phỏng hiệu suất thông gió.

 

Thời gian lưu trung bình của không khí (MAA)

Thời gian lưu trung bình (còn gọi là tuổi hay tuổi thọ) của không khí (MAA) tại một điểm là thời gian trung bình để một phân tử không khí di chuyển từ điểm đầu vào (ví dụ: cửa hút khí, cửa gió của điều hòa hay quạt gió, v.v.) đến điểm hiện tại trong không gian phòng (nguồn). MAA được dùng để tính toán thay đổi không khí trong một giờ (ACH hoặc ACPH – chỉ số liên quan đến tiêu thụ năng lượng của hệ thống HVAC) của một hoặc nhiều vùng, hoặc của toàn bộ công trình. Ngoài ra, MAA còn được sử dụng để nhận biết sự phân phối không khí giữa các vùng trong các công trình. Hình phía dưới cho thấy MAA càng nhỏ thì sự thay thế không khí bằng khí tươi diễn ra càng nhanh, tuy nhiên ACH sẽ tăng lên và ngược lại. Khu vực có MAA lớn có thể sẽ dẫn đến chất lượng không khí kém và tiện nghi nhiệt không đảm bảo.

Mô tả thời gian lưu trung bình của không khí (MAA) (dựa trên ý tưởng từ nguồn)

 

Hình bên dưới là kết quả mô phỏng CFD của MAA cho ví dụ đã nêu ở trên. Theo tiêu chuẩn TCVN 5687-2010, ACH cho văn phòng khoảng 6 lần/giờ, tương đương với MAA khoảng 600s. Ở vùng không gian gần cửa sổ, MAA lớn (> 300s) gấp đôi so với vùng đối diện chứng tỏ khí tươi được cấp vào đây ít hơn và bị thải nhiều qua cửa hồi. Tuy nhiên MAA lớn nhất trong không gian văn phòng chỉ bằng một nửa giá trị tính theo tiêu chuẩn nêu trên, tương đương với ACH khoảng 12 lần/giờ. Như vậy là hệ thống HVAC đang tiêu thụ thừa năng lượng (ít nhất là gấp 2 lần) để đạt được ACH theo tiêu chuẩn.

Phân bố MAA trong không gian làm việc của văn phòng (độ cao 0.8 m)

 

Hiệu quả trao đổi không khí (AEE)

Hiệu quả trao đổi không khí (AEE) được định nghĩa là tỷ lệ giữa MAA tính theo lý thuyết (bằng thể tích không gian chia cho lưu lượng khí tươi) và MAA trung bình (nguồn). AEE được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống thông gió trong việc thay thế không khí cũ bằng khí tươi. Dựa trên hình mô tả phía dưới, AEE càng lớn (> 1) thì số lần thay thế của không khí cũ bởi khí tươi càng lớn, nghĩa là hiệu quả thông gió cao, tuy nhiên ACH sẽ tăng lên và ngược lại. Tương tự như MAA, khu vực có AEE thấp (< 1) sẽ dẫn đến chất lượng không khí kém và có thể tiện nghi nhiệt sẽ không đảm bảo. 

Mô tả hiệu quả trao đổi không khí (AEE) (dựa trên ý tưởng từ nguồn)

 

Kết quả mô phỏng AEE của ví dụ nói trên được thể hiện ở hình bên dưới. Có thể nhận thấy ngay AEE ở khu vực không gian gần cửa sổ thấp hơn các vùng khác, nghĩa là khu vực này được thông gió kém hơn. Khu vực có AEE nhỏ hơn 1 không đáng kể, nghĩa là hiệu quả trao đổi không khí của văn phòng rất tốt. Giá trị AEE lớn nhất khoảng 1.8-2 ở khu vực đối diện cửa sổ, tương đương với lưu lượng khí tươi đang được cấp vào gấp khoảng 2 lần so với lưu lượng cần thiết. Hầu như AEE lớn hơn 1 tại mọi vị trí cho thấy hệ thống HVAC đang tiêu thụ thừa năng lượng. 

Phân bố AEE trong không gian làm việc của văn phòng (độ cao 0.8 m)

 

Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (CRE)

Hiệu quả loại bỏ chất gây ô nhiễm (CRE) tại một điểm trong không gian phòng là tỷ lệ của hai độ chênh lệch nồng độ (1) và (2): (1) độ chênh lệch nồng độ của chất ô nhiễm tại ống xả khí thải và tại nguồn ô nhiễm, (2) độ chênh lệch nồng độ của chất ô nhiễm tại điểm cần đo và tại nguồn ô nhiễm (nguồn). CRE dùng để đo mức độ sạch của không khí trong không gian phòng so với không khí thải (mô tả ở hình dưới). Ở khu vực hít thở của con người thì CRE phải lớn hơn 1. CRE càng lớn chứng tỏ lượng khí từ nguồn ô nhiễm di chuyển ra ống xả khí hơn là di chuyển vào khu vực hít thở và ngược lại. Việc tăng ACH sẽ làm tăng CRE, tuy nhiên năng lượng tiêu thụ cho hệ thống HVAC sẽ tăng theo.

Mô tả hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (CRE) (dựa trên ý tưởng từ nguồn)

 

Kết quả mô phỏng CFD (hình bên dưới) cho thấy CRE (chất ô nhiễm là CO2) phân bố đồng đều trong không gian phòng và lớn hơn 1 rất nhiều (CRE = 90 – 100). Điều đó cho thấy lưu lượng khí tươi cấp vào đang dư thừa và có thể giảm bớt.

Phân bố CRE trong không gian làm việc của văn phòng (độ cao 0.8 m)

 

Kết luận

Qua ví dụ trên ta thấy khí tươi đang phân bố dư thừa và không đồng đều trong văn phòng, do đó có thể đưa ra phương án để giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống HVAC thông qua việc thay đổi các chỉ số MAA, AEE, và CRE (một vài phương án được thể hiện ở bảng bên dưới). Để đạt được hiệu quả thông gió tốt với mức tiêu thụ năng lượng thấp thì ta có thể sử dụng phương án kết hợp giảm ACH và thay đổi vị trí của gió cấp và cửa gió hồi.

Mô phỏng CFD cho các chỉ số MAA, AEE, và CRE cùng với các chỉ số đánh giá chất lượng không khí và tiện nghi nhiệt có tiềm năng giúp các kỹ sư thiết kế ra các công trình có mức tiêu thụ năng lượng thấp mà vẫn đảm bảo các tiêu chuẩn về tiện nghi nhiệt và chất lượng không khí. Với hệ số phát thải của lưới điện Việt Nam khoảng 0.85 tấn CO2/MWh điện thì việc giảm 1 kWh điện sẽ giảm được 0.85 kg CO2 ra môi trường. Do đó, giảm mức tiêu thụ năng lượng là giảm chi phí về mặt năng lượng lẫn lượng khí thải CO2, góp phần hòa nhập với xu hướng phát thải ròng bằng 0 và hướng tới COP26.

Mục lục

    Đăng ký theo dõi CFDWAYS Blog!

    Something went wrong. Please check your entries and try again.
    Subscribe
    Notify of
    0 Bình luận
    Inline Feedbacks
    View all comments