Ứng dụng CFD trong Lĩnh vực HVAC: Đánh giá chất lượng không khí

Chất lượng không khí trong nhà là gì?

Chất lượng không khí trong nhà (Indoor Air Quality – IAQ) là thuật ngữ nói đến chất lượng không khí bên trong, và xung quanh những tòa nhà và công trình kiến trúc [nguồn]. IAQ ảnh hưởng đến sức khỏe và sự thoải mái của những người ở bên trong tòa nhà. Các yếu tố chính tác động đến IAQ bao gồm các chất gây ô nhiễm là: (1) khí cacbon đioxit (CO₂), (2) khí cacbon oxit (CO), (3) khí lưu huỳnh đioxit (SO₂), (4) khí nitơ đioxit (NO₂), (5) khí ozone (O₃), (6) bụi mịn (PM2.5 và PM10), (7) các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), và (8) vi sinh vật (virus, nấm mốc, v.v).

image/bai-viet/chat-luong-khong-khi-1.png

Các nguồn phát tán chất ô nhiễm làm ảnh hưởng đến chất lượng không khí [nguồn]

Chất lượng không khí có tác động lớn đến sức khỏe và hiệu quả làm việc của con người. Trong phòng đóng kín cửa (để giữ ấm vào mùa đông hay bật điều hòa chống nóng vào mùa hè), mức độ ô nhiễm không khí trong nhà thường lớn hơn ngoài nhà. Theo báo cáo của Bộ Y tế năm 2017 thì các chỉ tiêu chất lượng không khí về PM2.5, PM10, nồng độ vi khuẩn, nấm mốc trong nhà ở Hà Nội đều vượt mức cho phép từ 1,1 đến 3 lần. Số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cũng cho thấy mỗi năm trên thế giới có từ 3,5 đến 7 triệu người tử vong vì bệnh tật do ô nhiễm không khí [nguồn]. Vì vậy việc kiểm soát ô nhiễm không khí trong nhà ở nước ta hiện nay là rất cấp bách [nguồn]. Dưới đây là một số tác động của ô nhiễm không khí trong phòng tới sức khỏe con người, theo nghiên cứu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) [nguồn]:

• Kích ứng mắt, mũi và cổ họng.
• Đau đầu, chóng mặt và mệt mỏi.
• Bệnh đường hô hấp, bệnh tim và ung thư.
• Ngộ độc và tử vong.
• v.v.

Mức độ giới hạn cho phép của các chất gây ô nhiễm được quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia như DIN 1946 (Đức), EN 13779 (châu Âu), ANSI/ASHRAE 62.1 (Mỹ), hay TCVN 10736 (Việt Nam). Đối với các công trình xanh, chất lượng không khí được quy định trong các tiêu chuẩn như LEED (Mỹ) hay Green Star (New Zealand). Để dễ hình dung về mức độ ô nhiễm, cơ quan bảo vệ môi trường và các tổ chức liên quan (như EPA của Mỹ) đã đưa ra chỉ số đánh giá chất lượng không khí (Air Quality Index – AQI). Tuy nhiên, chỉ số AQI chỉ áp dụng cho môi trường không khí ngoài trời với tác động của 6 yếu tố là CO, SO₂, NO₂, O₃, PM2.5, PM10. Để đánh giá chất lượng không khí trong nhà, chỉ số IAQI (Indoor Air Quality Index) được đề xuất dựa trên AQI với tác động thêm của CO2 và VOCs [nguồn].

Chỉ số IAQI và giới hạn của chất ô nhiễm [nguồn]

Vai trò của mô phỏng CFD trong đánh giá chất lượng không khí

Như đã đề cập ở các bài viết trước, thiết kế hệ thống HVAC được tính toán bằng mô hình đơn giản, dựa trên sổ tay và công thức thực nghiệm. Điều này dẫn đến chất lượng không khí trong phòng sau khi thiết kế khó đảm bảo tiêu chuẩn, đặc biệt là các tiêu chuẩn về công trình xanh và phát triển bền vững. Trong thực tế, sự biến đổi của yếu tố trên có thể làm chất lượng không khí trong phòng xấu đi. Do vậy, mô phỏng CFD đã và đang được sử dụng như một công cụ hỗ trợ trong quá trình thiết kế HVAC với quy trình kết hợp được mô tả trong hình bên dưới. Một vài lợi ích mà mô phỏng CFD đem lại là:

• Dễ dàng kiểm chứng thiết kế ban đầu (hạn chế tối đa việc làm thí nghiệm).
• Dễ dàng đánh giá các yếu tố tác động làm thay đổi chất lượng không khí trong nhà và thử nghiệm phương án xử lý.
• Tiện lợi cho quá trình tối ưu hóa hệ thống HVAC (nâng cao chất lượng không khí, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, v.v) và bố trí nội thất.
• Tạo cơ sở dữ liệu cho hệ thống điều khiển (ví dụ: IoT).

image/bai-viet/chat-luong-khong-khi-3.png

Quy trình kết hợp mô phỏng CFD đánh giá chất lượng không khí

Mô phỏng CFD đánh giá chất lượng không khí trong nhà

Để tạo ra môi trường trong nhà đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng không khí, các kỹ sư cần phải tính toán, điều khiển lưu lượng và xử lý gió tươi cấp vào một cách hợp lý [nguồn]. Mô phỏng CFD sẽ thể hiện rõ sự phân bố của các yếu tố tác động đến chất lượng không khí, từ đó giúp các kỹ sư dễ dàng phân tích chi tiết vấn đề và đưa ra giải pháp hiệu quả. Bài toán mô phỏng dưới đây minh họa rõ hơn lợi ích của mô phỏng CFD.

Mô tả bài toán mô phỏng

Không gian trong nhà được mô phỏng là một văn phòng có hệ thống HVAC đang hoạt động; nguồn gây ô nhiễm không khí chủ yếu là CO₂ do nhân viên thải ra. Mô hình 3D cho văn phòng này đã được giới thiệu ở bài viết trước.

Mô phỏng được triển khai với các điều kiện cố định sau:

• Nhiệt độ bên ngoài và ban đầu bên trong văn phòng là 30 ºC.
• Điều hòa gắn trần hoạt động ở công suất tối đa với vận tốc gió là 3 m/s và nhiệt độ gió là 20 ºC.
• Thông lượng nhiệt sinh ra từ người là 55 W/m² và từ đèn là 18 W/m².
• Công suất nhiệt của mỗi máy tính là 100 W.
• Nồng độ CO₂ ngoài trời và ban đầu bên trong văn phòng là 400ppm.
• Cửa sổ đóng và không có khe hở, cửa ra vào đóng và có khe hở 1cm dưới sàn.

Kết quả mô phỏng

Trong điều kiện không gian kín và điều hòa hoạt động hết công suất, kết quả mô phỏng chất lượng không khí (hình dưới) cho thấy nồng độ khí CO₂ phân bố tương đối đồng đều trong phòng, trừ khu vực gần con người. Vùng không gian trước mặt nhân viên có nồng độ CO₂ cao hơn các chỗ khác (700 ppm) do hơi thở của con người chứa CO₂ nồng độ cao (khoảng 5000 ppm). Nhìn chung, khí CO₂ thải ra từ hơi thở phân tán nhanh vào môi trường không khí. Nồng độ CO₂ trung bình (487ppm) trong phòng đảm bảo IAQI ở mức cao (400-600ppm), ngoại trừ khu vực gần nhân viên ở mức trung bình (theo TCVN 10736).

image/bai-viet/chat-luong-khong-khi-4.png

Phân bố nồng độ CO₂ sau 80 phút bật điều hòa

Đối với bài toán mô phỏng này, chỉ số IAQI được tính toán thông qua một yếu tố gây ô nhiễm không khí là CO₂. Kết quả mô phỏng chất lượng không khí như hình bên dưới cho thấy chỉ số IAQI trung bình (= 87.3) nằm trong vùng tốt và giá trị này ở mức trung bình đối với khu vực gần nhân viên (= 60). Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 10736 như đã phân tích. Trong thực tế, chỉ số IAQI sẽ là đánh giá tổng hợp của tất cả các chất gây ô nhiễm không khí trong nhà (PM2.5, PM10, v.v).

image/bai-viet/chat-luong-khong-khi-5.png

Chỉ số đánh giá chất lượng không khí (IAQI) sau 80 phút bật điều hòa

Kết luận cho bài toán mô phỏng

Thông qua kết quả CFD, chúng ta thấy mặc dù hệ thống HVAC hoạt động hết công suất, khí CO₂ vẫn tập trung nhiều ở khu vực không gian trước mặt nhân viên. Trong thời gian dài, nồng độ CO₂ tại đây có thể sẽ tăng cao hơn nữa. Để đảm bảo IAQI ở mức tốt thì chúng ta có thể thử nghiệm một vài giải pháp sau bằng mô phỏng CFD:

• Lắp đặt thêm hệ thống thông gió cục bộ (quạt bàn, quạt treo tường, v.v, hoặc hệ thống cấp gió tươi từ bên ngoài).
• Sử dụng đối lưu tự nhiên (mở cửa sổ với độ mở hợp lý).
• Tăng tốc độ gió hoặc thay đổi góc nghiêng của tấm hướng gió của điều hòa gắn trần.
• Thay đổi vị trí đặt điều hòa gắn trần.

Quá trình thử nghiệm nói trên cũng chính là việc tối ưu hóa hệ thống HVAC để đảm bảo đồng thời cả tiêu chuẩn chất lượng không khí trong nhà lẫn tính kinh tế.

Kết luận: Mô phỏng CFD giúp trực quan hóa việc đánh giá chất lượng không khí

Với sự hỗ trợ của mô phỏng CFD, ngay ở bước đầu thiết kế (trước khi thi công), các kỹ sư sẽ có cái nhìn rõ nhất về hệ thống HVAC khi vận hành, từ đó dễ dàng kiểm chứng các thiết kế và cải tiến hay tối ưu hóa hệ thống HVAC. Ứng dụng CFD để mô phỏng chất lượng không khí giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và năng lượng vận hành, đồng thời nâng cao các chỉ tiêu chất lượng không khí, nhờ đó giúp công trình đảm bảo các tiêu chí về công trình xanh và hướng tới phát triển bền vững.

Mời các bạn theo dõi và đón đọc phần tiếp theo về Đánh giá chất lượng môi trường trong nhà (xét ảnh hưởng đồng thời của tiện nghi nhiệt và IAQI) trong chuỗi bài viết “Ứng dụng của mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC” tại CFDWAYS Blog.