Mô phỏng CFD đang cách mạng hóa ngành công nghiệp nói chung và HVAC nói riêng [nguồn]. Bài viết trước đã giới thiệu các lĩnh vực ứng dụng mô phỏng CFD và lợi ích của nó đối với HVAC. Một trong những ứng dụng của mô phỏng CFD trong lĩnh vực này là mô phỏng đánh giá tiện nghi nhiệt trong các công trình. Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu:
- Tiện nghi nhiệt là gì?
- Vai trò của mô phỏng CFD trong việc đánh giá tiện nghi nhiệt.
- Ứng dụng: Mô phỏng CFD đánh giá tiện nghi nhiệt trong nhà.
Tiện nghi nhiệt là gì?
Theo TCVN 7438, tiện nghi nhiệt được định nghĩa là điều kiện thoải mái về tinh thần của con người với môi trường nhiệt (là môi trường không khí xung quanh cơ thể con người có nhiệt độ nhất định). Có thể hiểu đơn giản là một người không cảm thấy quá lạnh trong môi trường có nhiệt độ thấp hay quá nóng trong môi trường có nhiệt độ cao.
Tiện nghi nhiệt phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hai yếu tố cơ bản là con người và môi trường. Yếu tố môi trường có thể điều chỉnh được bằng hệ thống điều khiển HVAC trong tòa nhà, gồm có: (1) nhiệt độ không khí, (2) nhiệt độ bức xạ, (3) tốc độ gió và (4) độ ẩm không khí. Yếu tố con người liên quan nhiều đến cường độ hoạt động bao gồm: (5) nhiệt sinh lý (nhiệt sinh ra bởi quá trình vận động và trao đổi chất) và (6) nhiệt trở quần áo (khả năng cách nhiệt của quần áo).
Các yếu tố con người và môi trường ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt
Do các yếu tố trên tác động đồng thời, các chỉ số rời rạc như nhiệt độ không khí hay vận tốc gió khó phản ánh đúng mức độ thoải mái của con người. Do đó, các tiêu chuẩn như ASHRAE 55 (Mỹ), ISO 7730 (quốc tế) hay TCVN 7438 (Việt Nam) đã đưa ra các chỉ số đánh giá ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố môi trường lên con người. Đối với các công trình xanh, tiện nghi nhiệt được quy định trong các tiêu chuẩn như LEED (Mỹ) hay Green Star (New Zealand). Dưới đây là một vài chỉ số đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt:
- Chỉ số dự đoán trung bình theo phiếu đánh giá (Predicted Mean Vote – PMV): dự đoán giá trị trung bình theo phiếu đánh giá của một nhóm lớn người theo thang đo cảm giác nhiệt 7 bậc (như hình bên dưới). Giá trị tiêu chuẩn của PMV được quy định trong khoảng ± 0.5.
- Phần trăm dự đoán không thoải mái (Predicted Percentage of Dissatisfied – PPD): dự đoán tỷ lệ phần trăm số người không hài lòng về môi trường nhiệt trong một nhóm lớn những người cùng tiếp xúc với một môi trường giống hệt nhau. Giá trị tiêu chuẩn của PPD quy định nhỏ hơn 10%.
- Mức gió lùa (Draft Rating Index – DR): mức làm mát cơ thể tại chỗ không mong muốn do sự chuyển động không khí, biểu thị tỷ lệ phần trăm người thấy khó chịu do gió lùa. Giá trị tiêu chuẩn của DR quy định nhỏ hơn 15%.
- Nhiệt độ gió lùa hiệu dụng (Effective Draft Temperature – EDT): chênh lệch nhiệt độ của không khí chuyển động gần cơ thể con người với môi trường. Giá trị tiêu chuẩn của EDT quy định trong khoảng từ -3F đến +2F.
Chỉ số đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt PMV và PPD theo thang đo cảm giác nhiệt 7 bậc. [nguồn]
Vai trò của mô phỏng CFD trong việc đánh giá tiện nghi nhiệt
Trong các tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt, phần lớn mô hình toán học là mô hình thực nghiệm, xây dựng từ số liệu thống kê thực tế kết hợp các giả thiết đơn giản hóa, dùng để tính các chỉ số tiện nghi nhiệt trung bình. Trong thực tế, có nhiều yếu tố làm tiện nghi nhiệt thay đổi theo cả không gian lẫn thời gian. Do đó, các mô hình tiện nghi nhiệt được tích hợp vào quy trình mô phỏng CFD như hình bên dưới với các lợi ích nổi bật:
- Đơn giản trong việc kiểm chứng lại kết quả tính toán các chỉ số tiện nghi nhiệt và thiết kế ban đầu (hạn chế làm thực nghiệm ở mức thấp nhất có thể).
- Dễ dàng đánh giá ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố môi trường đến các chỉ số tiện nghi nhiệt (cả trung bình và cục bộ) cho tòa nhà bất kỳ để đảm bảo các yêu cầu về tiêu chuẩn thiết kế và phát triển bền vững (công trình xanh).
- Tiện lợi cho việc xác định mức độ tiết kiệm năng lượng của hệ thống HVAC.
- Tối ưu hóa hệ thống HVAC, hệ thống điều khiển (IoT), và cách bố trí nội thất.
- Tăng khả năng cạnh tranh cho các nhà thầu thiết kế.
Quy trình kết hợp mô phỏng CFD đánh giá tiện nghi nhiệt
Mô phỏng CFD đánh giá tiện nghi nhiệt trong nhà
Để tạo ra một môi trường tiện nghi nhiệt trong nhà, các kỹ sư cần phải điều khiển lưu lượng và tốc độ gió lưu thông hợp lý, giữ nhiệt độ ổn định hay giảm thiểu mức gió lùa, v.v [nguồn]. Mô phỏng CFD sẽ thể hiện rõ sự phân bố các chỉ số tiện nghi, từ đó giúp các kỹ sư dễ dàng nghiên cứu chi tiết vấn đề để 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 mô phỏng là một văn phòng có hệ thống HVAC đang hoạt động, gồm cả nguồn sinh nhiệt (chủ yếu do nhân viên, hệ thống máy tính, và đèn điện) và nguồn thu nhiệt (chủ yếu do thất thoát nhiệt qua khe cửa).
Mô phỏng được triển khai với các điều kiện cố định sau:
- Nhiệt độ bên ngoài văn phòng là 30 ºC.
- Nhiệt độ 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.
- Cửa sổ đóng và không có khe hở, cửa ra vào đóng và có khe hở 1 cm dưới sàn.
Mô hình CAD 3D của văn phòng
Kết quả mô phỏng
Trong điều kiện điều hòa hoạt động hết công suất, kết quả mô phỏng (hình bên dưới) cho thấy chỉ số tiện nghi nhiệt (PMV và PPD) ở khu vực xung quanh nhân viên tăng dần từ ngoài (phía gần hành lang) vào trong (phía gần cửa sổ). Các chỉ số này vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được về tiện nghi nhiệt (-2 ≤ PMV ≤ +2 theo TCVN 7438). Thực tế, nhân viên sẽ điều chỉnh điều hòa để giữ giá trị PMV trong khoảng ± 0.5 (tương đương với PPD < 10%) theo tiêu chuẩn quy định (TCVN 7438 hay ASHRAE 55) để đảm bảo điều kiện thoải mái nhất. Các chỉ số PMV và PPD ở khu vực xa cơ thể con người chỉ có ý nghĩa dự đoán xu hướng thoải mái khi có người ở đó. Phần không gian phía dưới điều hòa là khu vực kém thoải mái nhất. Chỉ số PMV phần lớn mang giá trị âm chứng tỏ điều hòa có thừa công suất để giải nhiệt tỏa ra từ các nguồn sinh nhiệt trong phòng.
Phân bố chỉ số PMV và PPD trong văn phòng sau 80 phút bật điều hòa
(Chỉ số PMV = 0 thể hiện mức độ hài lòng cao nhất)
Chênh lệch nhiệt độ theo chiều cao do bức xạ và đối lưu tự nhiên tạo ra chuyển động không khí quanh cơ thể con người. Đồng thời dưới tác động của dòng đối lưu cưỡng bức do điều hòa sinh ra, vận tốc gió xung quanh tác động lên cơ thể con người (gió lùa) có thể gây ra cảm giác khó chịu. Do đó, các chỉ số DR và EDT được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của gió lùa xung quanh nhân viên. Hình bên dưới cho thấy gió lùa tác động lên hai nhân viên phía bên ngoài là gần giống nhau. So với hai người này, người còn lại khó đánh giá hơn bởi vì chỉ số DR cao hơn cho thấy mức độ không hài lòng cao hơn, trong khi chỉ số EDT lại gần giá trị 0 cho thấy mức độ hài lòng cao hơn. Mặc dù vậy, trong điều kiện điều hòa hoạt động hết công suất, các chỉ số DR và EDT vẫn đạt tiêu chuẩn (DR < 15% theo TCVN 7438, -3F < EDT < +2F theo ASHRAE 55). Ở khu vực không gian xa cơ thể con người, các chỉ số này cũng chỉ có ý nghĩa dự đoán xu hướng hài lòng của con người.
Phân bố chỉ số DR và EDT trong văn phòng sau 80 phút bật điều hòa
(Chỉ số EDT = 0 thể hiện mức độ hài lòng cao nhất)
Kết luận cho bài toán mô phỏng
Nhìn tổng thể vào các chỉ số tiện nghi nhiệt thì mức độ kém thoải mái tăng dần từ ngoài vào trong và nhân viên ở bên đối diện sẽ có xu hướng không hài lòng về môi trường nhiệt. Bài toán trên cho thấy đánh giá tiện nghi nhiệt trở nên dễ dàng hơn nhờ các chỉ số được trực quan hóa. Dựa vào phân bố các chỉ số tiện nghi, có thể đề xuất các phương án cải thiện sau để mọi người đều thoải mái về nhiệt:
- Thay đổi góc nghiêng của tấm hướng gió.
- Thay đổi vị trí đặt điều hòa.
Để kiểm chứng tính đúng đắn của các phương án trên, chúng ta chỉ cần mô phỏng lại tiện nghi nhiệt và so sánh kết quả với nhau. Đây cũng là cách tối ưu hóa hệ thống HVAC và xác định điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống.
Kết luận: Mô phỏng CFD là công cụ hiệu quả để đánh giá tiện nghi nhiệt trong HVAC
Kết hợp mô phỏng CFD vào quá trình tính toán thiết kế HVAC giúp đánh giá và tối ưu tiện nghi nhiệt dễ dàng hơn nhiều, đảm bảo môi trường trong nhà thoải mái nhất. Mô phỏng tiện nghi nhiệt tiết kiệm thời gian, chi phí và năng lượng vận hành, đồng thời đáp ứng yêu cầu tiện nghi cao hơn, giúp công trình đạt các tiêu chí 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 không khí trong chuỗi bài viết “Ứng dụng của mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC” tại CFDWAYS Blog.
