Tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội

Đồ án tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa không khí Nhà hát Hồ Gươm tại Hà Nội

• Tác giả: Nguyễn Thanh Khiêm
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng An Quốc
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm

Dự án Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội là công trình kiến trúc văn hóa trọng điểm của thủ đô. Công trình đòi hỏi tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt và âm học vô cùng khắt khe. Hệ thống điều hòa không khí tại đây giữ vai trò duy trì môi trường vi khí hậu ổn định cho khán phòng và các phòng chức năng. Việc tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội mang tính cấp thiết kỹ thuật cao. Nghiên cứu do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt thực hiện dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Hoàng An Quốc. Mục tiêu trọng tâm là rà soát tải nhiệt thiết kế gốc. Quy trình tính toán bảo đảm công suất thiết bị làm lạnh phù hợp với điều kiện khí hậu thực tế của miền Bắc. Quá trình kiểm tra giúp phát hiện sớm các nguy cơ quá tải nhiệt hoặc lãng phí công suất vận hành. Độ tin cậy của hệ thống thông gió ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng trình diễn nghệ thuật. Đồ án xây dựng nền tảng dữ liệu phục vụ bảo trì và vận hành kinh tế cho toàn bộ tòa nhà.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu công trình

Đề tài tập trung xác định độ chính xác của phụ tải lạnh tại Nhà hát Hồ Gươm. Phạm vi nghiên cứu gồm việc thu thập thông số kết cấu kiến trúc và dữ liệu khí hậu Hà Nội. Các kỹ sư tiến hành bóc tách chi tiết diện tích tường, sàn, vách ngăn và hệ thống cửa kính tiếp xúc. Nghiên cứu khảo sát kỹ không gian khán phòng chính và các khu vực đệm phụ trợ. Quá trình phân tích bao gồm cả nhiệt hiện và nhiệt ẩm phát sinh trong suốt chu kỳ biểu diễn. Dữ liệu tính toán cung cấp cơ sở kỹ thuật nhằm đánh giá công suất dàn lạnh Chiller. Công tác này bảo đảm hệ thống vận hành đúng công năng thiết kế ban đầu.

1.2. Cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn thiết kế HVAC

Việc đánh giá hệ thống thông gió và điều hòa không khí tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật hiện hành. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687 quy định rõ ràng về thông gió và điều hòa không khí cho công trình công cộng. Tiêu chuẩn ASHRAE cung cấp chỉ số tiện nghi nhiệt cùng lưu lượng gió tươi tối thiểu cho mỗi khán giả. Công trình nhà hát đòi hỏi khống chế mức ồn ở ngưỡng thấp dưới NC-25. Điều này ngăn ngừa tiếng ồn từ dòng khí ảnh hưởng xấu đến các buổi hòa nhạc hàn lâm. Dữ liệu khí tượng Hà Nội được lựa chọn tại thời điểm nhiệt độ bầu khô và bầu ướt khắc nghiệt nhất mùa hè. Các tiêu chuẩn này định hình giới hạn tính toán cho toàn bộ công trình.

II. Phân tích phụ tải hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội

Không gian nhà hát tập trung mật độ người rất lớn trong khoảng thời gian ngắn. Điều này tạo ra biến động tải nhiệt vô cùng đột ngột. Nhiệt hiện và nhiệt ẩm từ cơ thể người đóng góp tỷ trọng lớn vào tổng tải lạnh. Thiết bị chiếu sáng sân khấu công suất cao liên tục tỏa nhiệt lượng đáng kể vào không gian. Cùng lúc đó, kết cấu bao che tòa nhà chịu tác động bức xạ mặt trời gay gắt vào mùa hè. Nhiệt truyền qua tường vách, mái và cửa kính làm gia tăng phụ tải làm mát. Hiện tượng nhiệt truyền qua tường Q22 phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt ki và độ chênh nhiệt độ. Ngoài ra, lượng nhiệt gió tươi mang theo cùng nhiệt ẩm từ không khí lọt gây áp lực lớn cho dàn lạnh. Sự dao động phụ tải đòi hỏi hệ thống kiểm soát phải phản ứng nhanh nhạy. Nếu tính toán sai lệch, nhiệt độ và độ ẩm sẽ vượt ngưỡng tiện nghi cho phép. Khán giả sẽ cảm thấy bức bí ngột ngạt hoặc quá lạnh cục bộ. Hơi ẩm ngưng tụ còn có thể gây hư hỏng thiết bị âm thanh đắt giá.

2.1. Phân tích nhiệt lượng xâm nhập qua kết cấu bao che

Nhiệt xâm nhập qua vỏ bao che bao gồm nhiệt qua vách kính, tường ngoài và sàn tiếp xúc. Bức xạ mặt trời qua kính Q11 tạo ra lượng nhiệt hiện tức thời rất cao. Tải nhiệt qua tường Q22 được tính toán dựa trên diện tích bề mặt và hệ số truyền nhiệt k. Đối với các phòng tầng hai có trần giáp không gian điều hòa, độ chênh lệch nhiệt độ bằng không. Khi đó nhiệt truyền qua mái Q21 triệt tiêu hoàn toàn. Cấu trúc vật liệu cách nhiệt của tường có tác dụng làm chậm quá trình truyền dẫn nhiệt lượng. Tuy vậy, diện tích cửa sổ kính lớn vẫn là điểm xung yếu nhất trong công trình. Việc chọn sai thông số vật liệu sẽ làm sai lệch nghiêm trọng công suất máy lạnh.

2.2. Vấn đề nhiệt tỏa nội bộ và lưu lượng gió tươi

Nguồn nhiệt tỏa nội bộ tại nhà hát chủ yếu đến từ khán giả và hệ thống thiết bị sân khấu. Nhiệt từ người Q4 bao gồm nhiệt hiện toát ra và nhiệt ẩm từ mồ hôi, hơi thở. Khi khán phòng đầy khách, lượng nhiệt ẩm tăng đột ngột làm tăng độ ẩm tương đối của không khí. Đèn rọi sân khấu và dàn âm thanh Q32 sinh nhiệt liên tục trong suốt buổi biểu diễn. Đồng thời, hệ thống bắt buộc phải cấp lượng gió tươi QN liên tục theo tiêu chuẩn vệ sinh. Gió tươi từ ngoài trời có nhiệt độ và độ ẩm rất cao vào mùa hè Hà Nội. Nếu thiết bị xử lý không khí không đủ năng lực hút ẩm, không khí sẽ trở nên ngột ngạt. Điều này gây khó chịu cho khán giả và làm giảm trải nghiệm nghệ thuật.

III. Giải pháp tính toán hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội

Nghiên cứu áp dụng phương pháp Carrier truyền thống kết hợp công nghệ mô phỏng DK-BIM hiện đại. Phương pháp Carrier xác định phụ tải lạnh thông qua bảng biểu và hệ số tích lũy nhiệt thực nghiệm. Từng thành phần nhiệt bức xạ qua kính Q11, truyền qua vách Q22 và nhiệt chiếu sáng Q31 đều được lượng hóa tỉ mỉ. Đồng thời, kỹ sư thiết lập sơ đồ điều hòa không khí và xác định các điểm trạng thái trên đồ thị t-d. Phần mềm DK-BIM hỗ trợ nhập dữ liệu cấu kiện tại hộp thoại Preset Materials. Các thông số diện tích, chiều cao thông thủy và tải nhiệt từng phòng được khai báo tại hộp thoại Room Details. Công cụ BIM giúp số hóa không gian ba chiều và tính toán tải tức thời theo từng giờ trong năm. Việc kết hợp hai phương pháp tạo nên quy trình đối chứng hai chiều chặt chẽ. Kỹ sư dễ dàng phát hiện sai số tính toán thủ công và hiệu chỉnh mô hình tiệm cận thực tế vận hành.

3.1. Phương pháp tính toán tải nhiệt Carrier cổ điển

Phương pháp Carrier là tiêu chuẩn cơ bản trong ngành kỹ thuật nhiệt lạnh. Phương pháp này phân tách tải lạnh thành nhiệt hiện và nhiệt ẩm chi tiết. Công thức tính nhiệt truyền qua vách Q22 dựa trên tổng diện tích và hệ số dẫn nhiệt của từng lớp vật liệu. Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính Q11 được tra cứu theo phương vị địa lý và góc chiếu nắng. Tải nhiệt từ người Q4 và bóng đèn Q31 được tính toán dựa trên công suất danh định cùng thời gian sử dụng. Điểm mạnh của phương pháp Carrier là tính minh bạch và logic toán học rõ ràng. Các bảng số liệu giúp kỹ sư kiểm soát dòng năng lượng nhiệt một cách độc lập.

3.2. Ứng dụng mô phỏng số với phần mềm DK BIM

Phần mềm DK-BIM mang lại bước đột phá trong tự động hóa tính toán phụ tải lạnh. Kỹ sư tiến hành thiết lập dự án qua hộp thoại Project Information với dữ liệu khí hậu thực tế. Hộp thoại Preset Materials cho phép gán thông số vật lý cho tường, sàn, mái và kính. Sau đó, hộp thoại Room Details tiếp nhận diện tích, chiều cao trần và điều kiện tiện nghi cho từng phòng. Phần mềm tự động dựng mô hình nhiệt động và tính toán phụ tải thay đổi theo chu kỳ ngày đêm. Khả năng liên kết dữ liệu BIM giúp loại bỏ sai sót bóc tách khối lượng thủ công. Kết quả xuất ra từ DK-BIM thể hiện trực quan dưới dạng biểu đồ tải nhiệt đỉnh và tải trung bình.

IV. Đánh giá kiểm tra hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm Hà Nội

Kết quả tính toán kiểm tra khẳng định hệ thống điều hòa Nhà hát Hồ Gươm đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành nghiêm ngặt. Sự chênh lệch giữa phương pháp Carrier và phần mềm DK-BIM nằm trong giới hạn sai số kỹ thuật cho phép. Dữ liệu đối chứng chứng minh cụm máy lạnh trung tâm Chiller hoạt động hiệu quả tại vùng tải danh định. Hệ thống xử lý không khí AHU duy trì độ ẩm và nhiệt độ phòng ổn định ngay cả khi khán phòng đạt công suất tối đa. Kết quả nghiên cứu cung cấp căn cứ thực tiễn để tối ưu hóa biểu đồ vận hành theo khung giờ biểu diễn. Điều này giảm thiểu đáng kể lượng điện năng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ cụm máy nén. Công trình khẳng định tính chuẩn xác của hồ sơ thiết kế kỹ thuật ban đầu. Nghiên cứu cũng tạo tiền đề quan trọng cho công tác kiểm định và bảo dưỡng định kỳ các công trình văn hóa quy mô tương tự.

4.1. Hiệu quả vận hành và kiểm soát năng lượng công trình

Hệ thống điều hòa vận hành chính xác giúp kiểm soát chi phí năng lượng hiệu quả. Bằng cách đối chiếu tải nhiệt thực tế, ban quản lý tòa nhà có thể điều chỉnh lưu lượng nước lạnh và lưu lượng gió cấp phù hợp. Việc trang bị biến tần cho quạt gió AHU và bơm nước giúp giảm hao phí điện năng trong giờ thấp điểm. Hệ thống cảm biến tự động giám sát nồng độ CO2 và điều tiết van gió tươi linh hoạt. Cơ chế này vừa duy trì môi trường trong lành vừa hạn chế tổn thất nhiệt ra môi trường ngoài. Hiệu quả tiết kiệm điện năng góp phần giảm thiểu chi phí vận hành chung của nhà hát.

4.2. Khả năng ứng dụng cho các công trình nhà hát hiện đại

Quy trình tính toán kiểm tra tại Nhà hát Hồ Gươm mang giá trị tham khảo cao cho ngành xây dựng. Phương pháp luận kết hợp Carrier và DK-BIM có thể mở rộng cho các trung tâm biểu diễn nghệ thuật, rạp chiếu phim và phòng hòa nhạc lớn. Các công trình này đều sở hữu đặc thù trần cao, mật độ người đông và yêu cầu độ ồn nghiêm ngặt. Việc ứng dụng công cụ mô phỏng số giúp rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế và phát hiện lỗi kết cấu sớm. Kỹ sư tư vấn có thể chủ động tối ưu hóa phương án phân phối không khí ngay từ giai đoạn tiền khả thi. Mô hình này đặt nền tảng quan trọng cho xu hướng xây dựng công trình xanh và thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: THERMAL ENGINEERING TECHNOLOGY CALCULATION AND VERIFICATION OF THE AIR CONDITIONING SYSTEM FOR HO GUOM OPERA HOUSE IN HANOI STUDENT IMPLEMENTER: Nguyen Thanh Khiem 18147021 Vu Trung Hieu 21147112 LECTURER: Associate Professor, PhD. Hoang An Quoc Ho Chi Minh City, July 2025 ACKNOWLEDGEMENT To complete this project, first of all, the authors would like to express their sincere thanks to Associate Professor, PhD. Hoang An Quoc, who has oriented the topic, enthusiastically instructed, guided and given timely instructions on issues arising during the project to help the authors complete their graduation project with the topic: "CALCULATION AND VERIFICATION OF THE AIR CONDITIONING SYSTEM FOR HO GUOM OPERA HOUSE IN HANOI". The authors would also like to express their sincere thanks to the teachers in the Department of Thermal and Refrigeration Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education for their dedicated teaching and support, so that the authors can equip themselves with useful knowledge, which can be applied and completed in the graduation project as well as in future work.

That is also a valuable asset to help the authors be more confident and work more easily in the future. In addition, the authors also do not forget to thank the family, the class of 2021, the teachers and students of the Department of Heat for supporting and encouraging the authors during their time studying at the school. And in the process of implementing the project, the authors tried to present it as completely as possible. However, due to the limited ability of the authors, there are inevitably shortcomings.

The authors respectfully look forward to receiving comments and further guidance from teachers. TABLE OF CONTENT CHAPTER 1: PROJECT OVERVIEW.1 Nesesscity of project .4 Scope of the study. 3 CHAPTER 2: COOLING LOAD CALCULATION .1 Fundamentals for the design and performance evaluation of HVAC and ventilation systems .1 Introduction of HVAC system of project .2 Initial data of project .2 Calculating cooling load using the Carrier method .1 Sensible radiant heat gain through glass Q11 .2 Sensible heat transfer through the roof by radiation and ∆T: Q21 .3 Sensible heat gain through walls Q22 .4 Sensible heat gain through floor Q23 .5 Sensible heat gain from lighting Q31 .6 Sensible heat gain from equipment Q32 .7 Sensible heat and latent from human body Q4 .8 Sensible heat and latent from fresh air QN. Sensible and latent heat from infiltration air Q5 .10 Heat loss from other sources Q6 .3 Establish and calculate the air conditioning system diagram .1 Establish the air conditioning system diagram .2 Calculate and determine the state parameters at the nodal points on the t-d chart .4 Caculation of cooling load by DK – BIM software .1 DK – BIM introduction .2 Pratice cooling load calcution using DK – BIM.5 Design and selection of equipment for the project system .1 Design and selection of PAU .2 Design and selection of FCU .3 Design and capacity verification of chiller .4 Design and selection of cooling tower.

40 CHAPTER 3: CALCULATION OF VENTILATION SYSTEM .1 Fresh air supply system .1 Purpose of fresh air supply .2 Operating principle of the fresh air supply system .3 Fresh air supply systems are currently being used .4 Determination of the speed at which air travels in the tube .5 Calculating and verifying the airflow rate for the fresh air supply system .6 Determine dimenson of airduct .7 Determine actual air velocity in the duct .8 Use Duct Checker Pro to determine air duct dimensons .9 Determination of flexible air duct size .10 Determine pressure loss in air duct .2 Exhaust air system.1 Purpose of exhuast ventilation .2 Calculation of exhaust air flow rate .3 Calculation of dimensions of exhuast air duct. Pressure loss through exhaust air duct system.5 Choose fan for exhaust air duct system. 56 CHAPTER 4: CALCULTIONS AND CHECKING RESULTS .1 Results of excess heat calculation using the Carrier method .2 Results of sensible heat gain through walls Q22 .3 Results of sensible heat gain through floor Q23 .4 Results of sensible heat gain from lighting Q31 .