Đồ án: Thiết kế lại hệ thống ĐHKK tòa nhà Sở TNMT tỉnh Bình Dương

Đồ án mẫu chuyên ngành nhiệt lạnh. Phân tích, tính toán và thiết kế hệ thống ĐHKK. Ứng dụng mô phỏng CFD và phần mềm Revit MEP cho công trình thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Công
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Viên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt – Điện Lạnh
• Đề tài: Tính Toán, Kiểm Tra, Mô Phỏng Và Thiết Kế Lại Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Tòa Nhà Sở Tài Nguyên Môi Trường Tỉnh Bình Dương
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Hệ Thống Điều Hòa Không Khí

Hệ thống điều hòa không khí là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong các công trình hiện đại. Nó không chỉ điều chỉnh nhiệt độ mà còn kiểm soát độ ẩm, chất lượng không khí và tốc độ gió để tạo môi trường làm việc thoải mái. Đề tài Thiết kế & Mô phỏng Hệ thống Điều hòa Không khí tập trung vào việc tính toán chi tiết, kiểm tra và mô phỏng lại hệ thống điều hòa cho các công trình văn phòng và kho lưu trữ. Quá trình này bao gồm tính toán tải lạnh, chọn thiết bị phù hợp, thiết kế sơ đồ tuần hoàn không khí, và ứng dụng công nghệ BIM cùng CFD để tối ưu hóa hiệu suất.

1.1. Ý Nghĩa Của Điều Hòa Không Khí

Điều hòa không khí đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ sức khỏe con người và tăng năng suất lao động. Nó kiểm soát nhiệt độ môi trường, độ ẩm tương đối, và loại bỏ các chất độc hại, tạo không gian làm việc tối ưu. Đặc biệt trong các kho lưu trữ tài liệu, hệ thống điều hòa giúp bảo quản tài liệu, ngăn ngừa nấm mốc và hư hỏng do biến đổi môi trường.

1.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Con Người

Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và nồng độ chất lượng không khí trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe và hiệu suất làm việc. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp gây mệt mỏi, độ ẩm không phù hợp dẫn đến bệnh hô hấp, còn không khí ô nhiễm gây bệnh về đường hô hấp.

II. Quá Trình Tính Toán Tải Lạnh Và Thiết Kế

Tính toán tải lạnh là bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế hệ thống điều hòa không khí. Quá trình này xác định lượng nhiệt cần loại bỏ từ không gian để duy trì điều kiện thoải mái. Các yếu tố tính toán bao gồm nhiệt truyền qua kính cửa, nhiệt truyền qua kết cấu bao che (mái, vách, nền), nhiệt tỏa từ thiết bị và đèn chiếu sáng, nhiệt do con người tỏa ra, và ẩm thừa trong không gian. Phương pháp Carrier được sử dụng rộng rãi để tính toán các giá trị này, từ đó chọn được lưu lượng không khí và thiết bị phù hợp cho hệ thống.

2.1. Các Thành Phần Tính Toán Tải Lạnh

Tải lạnh hiện bao gồm: nhiệt truyền qua kính (Q1), nhiệt truyền qua kết cấu bao che (Q2), nhiệt tỏa từ thiết bị (Q3), và nhiệt do con người (Q4). Tải lạnh ẩn liên quan đến độ ẩm do người tỏa, bay hơi từ bán thành phẩm, và từ thiết bị. Việc kiểm tra đọng sương đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả mà không gây ra vấn đề kết tủa nước.

2.2. Chọn Sơ Đồ Điều Hòa Không Khí

Có nhiều sơ đồ điều hòa khác nhau, phổ biến nhất là sơ đồ tuần hoàn một cấp. Lựa chọn sơ đồ phụ thuộc vào yêu cầu tải lạnh, loại công trình, và điều kiện kinh tế. Sơ đồ này tính toán các hệ số như RSHF (hệ số nhiệt hiện phòng) và GSHF (hệ số nhiệt hiện tổng) để xác định trạng thái không khí cấp vào phòng.

III. Ứng Dụng Công Nghệ BIM Và CFD Trong Mô Phỏng

Công nghệ BIM (Building Information Modeling) đã cách mạng hóa cách thiết kế và quản lý các công trình xây dựng. Phần mềm REVIT MEP 2019 cho phép triển khai chi tiết hệ thống điều hòa không khí trong môi trường 3D, từ đó tối ưu hóa bố trí ống gió, lựa chọn thiết bị, và quản lý quy trình thi công. Đồng thời, phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) như ANSYS được sử dụng để mô phỏng sự phân bố vận tốc và nhiệt độ xung quanh con người, đánh giá chất lượng không khí trong phòng, và xác định các điểm nóng lạnh. Kết hợp hai công nghệ này giúp thiết kế hệ thống hiệu quả và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh cao nhất.

3.1. Quy Trình BIM Và REVIT MEP

REVIT MEP 2019 cho phép xây dựng mô hình 3D chi tiết của hệ thống điều hòa không khí, bao gồm ống gió, thiết bị, và các kết nối. Quy trình BIM giúp phát hiện xung đột thiết kế sớm, tối ưu hóa không gian, và xuất khối lượng công việc chính xác. Điều này nâng cao chất lượng thiết kế và giảm chi phí thi công.

3.2. Mô Phỏng CFD Và Đánh Giá Chất Lượng Không Khí

Mô phỏng CFD sử dụng phương trình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) để phân tích dòng không khí, phân bố nhiệt độ, và vận tốc gió trong phòng. Quá trình này đánh giá tinh tế sự thoải mái của con người, xác định các vùng dễ bị tăng và giảm nhiệt, từ đó điều chỉnh vị trí lấy gió và trả gió để tạo môi trường tối ưu.

IV. Tiêu Chuẩn Vệ Sinh Và Lựa Chọn Thiết Bị

Tiêu chuẩn vệ sinh và chất lượng không khí là những yếu tố quyết định khi thiết kế hệ thống điều hòa không khí. Các tiêu chuẩn TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam) quy định những yêu cầu cụ thể về nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lưu lượng không khí, và nồng độ CO2. Trong quá trình lựa chọn thiết bị, cần chọn FCU (Fan Coil Unit), dàn nóng-dàn lạnh, hoặc hệ thống VRV phù hợp với tải lạnh đã tính toán. Sử dụng công cụ VRV XPRESS giúp chọn thiết bị hiệu quả, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Việc kiểm tra tính khả thi của sơ đồ điều hòa đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh.

4.1. Tiêu Chuẩn TCVN Và Yêu Cầu Vệ Sinh

Tiêu chuẩn TCVN định rõ các điều kiện công nghệ không khí cho các loại công trình khác nhau. Trong văn phòng, nhiệt độ nên từ 23-26°C, độ ẩm 40-60%, và tỉnh lệ thay gió từ 6-8 ACH. Các chất ô nhiễm như CO2 phải dưới 1000 ppm, bụi dưới 0.15 mg/m³. Việc kiểm tra điều kiện này đảm bảo không gian làm việc an toàn và thoải mái.

4.2. Lựa Chọn Và Kiểm Tra Thiết Bị

Chọn FCU, dàn lạnh, và dàn nóng dựa trên tải lạnh và tải nhiệt đã tính. Hệ thống VRV cung cấp linh hoạt cao và hiệu suất năng lượng tốt. Phần mềm VRV XPRESS hỗ trợ tính toán chi tiết, đảm bảo lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu về điều hòa không khí Mục đích của hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) và thông gió là tạo ra sự tiện nghi và môi trường không khí trong lành cho người sử dụng cũng như giải nhiệt cho các thiết bị cơ điện. Tạo ra môi trường không khí trong lành theo các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, đối lưu không khí, lọc bụi và kiểm soát các chất gây ô nhiễm là quan trọng hàng đầu. Song song với các điều trên, việc lắp đặt hệ thống ĐHKK phải đảm bảo không tạo ra độ ồn và rung động lớn bên trong tòa nhà. Đặc biệt chú ý đến việc kiểm soát độ ồn và rung động của hệ thống ĐHKK và những khu vực yêu cầu độ ồn thấp.

Hệ thống ĐHKK sẽ được cung cấp đến các khu vực sau: văn phòng, cửa hàng, dịch vụ công cộng. Hệ thống thông gió sẽ được cung cấp đến các khu vực sau: tầng hầm, nhà vệ sinh, bếp, phòng kỹ thuật. Hệ thống ĐHKK tại khu vực văn phòng sử dụng máy lạnh trung tâm sẽ được kiểm soát nhiệt độ bằng bộ cảm biến nhiệt độ đặt tại khu vực đó, trong khi hệ thống máy lạnh dạng hai mảnh sẽ được sử dụng cho phòng riêng biệt như phòng bảo vệ, khu căn hộ,. Tại đây nhiệt độ được điều khiển bằng remote từ xa hoặc có dây.2 Ý nghĩa của điều hoà không khí Phát triển kinh tế luôn gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật.

Ngày nay kỹ thuật điều hoà không khí liên tục phát triển để đáp ứng yêu cầu cuộc sống của con người trong sinh hoạt cũng như trong sản xuất. Các thông số cơ bản của môi trường có ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt giữa môi trường và con người là: - Nhiệt độ của không khí. - Độ ẩm tương đối của không khí. - Tốc độ chuyển động của dòng không khí.

- Nồng độ các chất độc hại trong môi trường không khí.3 Ảnh hưởng của môi trường đến con người 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ bên trong cơ thể của con người luôn ổn định ở 37 oC. Trong suốt quá trình vận động và làm việc con người luôn thải một lượng nhiệt lượng nhất định vào môi trường không khí xung quanh. Lượng nhiệt này truyền vào không khí bằng đối lưu, bức xạ.

Do vậy khi nhiệt độ không khí của môi trường xung quanh thay đổi sẽ ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt từ cơ thể con người vào môi trường. Khi nhiệt độ môi trường quá cao hoặc quá thấp sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho con người và ảnh hưởng đến sinh hoạt, lao động của con người. Điều hoà không khí có thể khắc phục được điều này, đối với từng trường hợp cụ thể hệ thống điều hoà không khí là phương tiện có thể tạo ra môi trường có nhiệt độ từ 240C dến 28oC là môi trường tiện nghi, thoải mái cho các hoạt động của con người.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối của không khí là yếu tố quyết định tới mức độ bay hơi, thoát ẩm từ cơ thể con người ra môi trường (dưới hình thức đổ mồ hôi).

Nếu độ ẩm tương đối của môi trường không khí xung quanh giảm xuống lượng ẩm thoát ra từ cơ thể con người dễ dàng bay hơi vào không khí, điều này có nghĩa là cơ thể thải nhiệt ra môi trường không khí xung quanh nhiều hơn. Trái lại nếu độ ẩm tương đối lớn quá sẽ hạn chế quá trình thoát ẩm của cơ thể, mồ hôi toát ra, bay hơi kém sẽ bám lại trên da gây cảm giác khó chịu. Thông thường khi nhiệt độ ở vào khoảng 24oC đến 27oC, để con người có cảm giác thoải mái dễ chịu thì độ ẩm tương đối của không khí vào khoảng 60% đến 65%.3 Ảnh hưởng của nồng độ các chất độc hại. Không gian điều hoà không khí là một không gian tương đối kín, trong đó con người có thể sống hay lao động sản xuất.

Ngoài sự ô nhiễm do các yếu tố khách quan như bụi bặm, các chất độc hại có sẵn trong không khí con người và các hoạt động của mình cũng là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra sự ô nhiễm không khí trong không gian cần điều hoà. Những nguyên nhân gây ô nhiễm do con người tạo ra: Do hô hấp, do hút thuốc lá, do những loại mùi khác nhau toả ra từ cơ thể con người phát sinh trong quá trình sinh hoạt, sản suất. Đây cũng chính là nguyên nhân, nguồn gốc làm giảm lượng O2 , gia tăng lượng CO2 gây ra cho con người một cảm giác ngột ngạt, khó chịu.4 Một số hệ thống điều hoà không khí phổ biến 1.1 Hệ thống điều hòa trung tâm giải nhiệt bằng nước (Water Chiller) Dùng máy lạnh trung tâm (Chiller) đặt tại gian máy cung cấp nước lạnh cho toàn công trình bằng hệ thống bơm nước lạnh tới các AHU, FCU. Phương án điều hòa không khí trung tâm còn bao gồm rất nhiều loại khác nhau: - Điều hoà trung tâm với chất tải lạnh nước: Máy lạnh trung tâm chỉ sản xuất ra nước lạnh và cung cấp tới các thiết bị trao đổi nhiệt đặt tại các phòng bằng hệ thống bơm.

- Điều hoà trung tâm với chất tải lạnh không khí: Máy lạnh trung tâm sản xuất ra không khí lạnh cung cấp tới các phòng chức năng bằng hệ thống đường ống gió. Ngoài ra điều hoà không khí trung tâm còn được phân loại theo hai cách giải nhiệt cho máy lạnh chính: giải nhiệt bằng nước và giải nhiệt bằng không khí.  Ưu điểm: - Tiết kiệm năng lượng - Thích hợp với các công trình có hệ số sử dụng đồng thời lớn, mặt bằng cần điều hoà rộng, nhiệt độ điều hòa cần xuống thấp. - Đảm bảo được các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, khí sạch.

3 - Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tiện nghi nhiệt cho con người: nhiệt độ, lưu lượng gió tươi. - Hệ thống điều khiển công suất lạnh linh hoạt nhờ bảng điều khiển đặt tại từng phòng. - Với các công trình, khi thết kế kiến trúc, đã bố trí các khu vực đặt máy, sẽ không gây ảnh hưởng xấu tới kiến trúc công trình.  Nhược điểm: - Phải có không gian đặt các thiết bị: máy lạnh trung tâm, bơm nước lạnh.

- Giá thành đầu tư ban đầu khá lớn. - Hệ thống lớn tương đối cồng kềnh, cần khoảng không gian trên trần giả nhiều để đi ống. - Không phù hợp đối với công trình có tần suất hoạt động không liên tục Hình 1. Hệ thống Water Chiller (Nguồn: Internet) 1.2 Hệ thống điều hòa VRV (Variable Refrigerant Volume): Về cấu tạo hệ thống VRV giống như máy loại tách rời nghĩa là gồm hai mảng: mảng ngoài trời và mảng trong nhà, gồm nhiều khối trong có dàn bay hơi và quạt.

Sự 4 khác nhau giữa VRV và tách rời là với VRV chiều dài và chiều cao giữa khối ngoài trời và trong nhà cho phép rất lớn (khoảng 100m chiều dài và 50m chiều cao), chiều cao giữa các khối trong nhà có thể tới 15m. Vì vậy khối ngoài trời có thể đặt trên nóc nhà cao tầng để tiết kiệm không gian và điều kiện làm mát dàn ngưng bằng không khí tốt hơn. Hệ thống VRV (Nguồn: Internet)  Ưu điểm: - Khả năng lớn trong việc thay đổi công suất lạnh bằng cách thay đổi tần số điện cấp cho máy nén, nên tốc độ quay của máy nén thay đổi và lưu lượng môi chất lạnh cũng thay đổi. - Tiết kiệm được hệ thống đường ống.

- Tiết kiệm được nhân lực và thời gian thi công lắp đặt so với hệ thống Water chiller. - Khả năng tiết kiệm năng lượng cao vì được trang bị máy nén biến tần và khả năng điều chỉnh năng suất lạnh gần như vô cấp. - Tiết kiệm chi phí vận hành: hệ VRV không cần nhân công vận hành trong khi hệ chiller cần đội ngũ vận hành chuyên nghiệp. 5 - Khả năng tự động hoá cao vì thiết bị đơn giản.

- Khả năng sửa chữa bảo dưỡng rất năng động và nhanh chóng nhờ thiết bị chuẩn đoán đã được lập trình và cài đặt sẵn trong máy.  Nhược điểm: - Giá thành hệ thống ĐHKK VRV còn khá cao, do được đánh giá là một trong những hệ thống thiết bị "thông minh vận hành tối ưu nhất trong các hệ thống ĐHKK trung tâm’’. - Chưa có máy ở dải công suất cao để lựa chọn.5 Giới thiệu hệ thống điều hòa không khí tại công trình văn phòng và kho lưu trữ tài liệu tại Bình Dương. Công trình quy mô 9 tầng với tầng 1 đến tầng 3 là khu văn phòng và triễn lãm.

Còn tầng 4 đến tầng 8 là kho bảo quản cất giữ và lưu trữ tài liệu và tầng 9 là sân thượng. Các hệ thống lạnh của tòa nhà văn phòng và kho lưu trữ tài liệu này được thiết kế theo giai đoạn 1 như sau: - Từ tầng 1-3: Sử dụng hệ thống VRV và Sky Air cho phòng kỹ thuật với công suất mỗi giàn nóng là 60HP cho mỗi tầng.6 Phạm vi đề tài Trong vòng 3 tháng đồ án tốt nghiệp sẽ hoàn thành những nhiệm vụ sau: - Tính toán hệ thống điều hòa không khí, tính toán tải lạnh giai đoạn 1 cho các khu vực từ tầng 1 đến tầng 3. - Thành lập sơ đồ điều hòa không khí phù hợp với điều kiện của dự án: Kiểm tra điều kiện tiêu chuẩn vệ sinh và tính lưu lương không khí. - Kiểm tra và tính chọn các thiết bị chính: Chọn dàn nóng VRV, FCU, CASSETTES, … - Tính toán thêm thông gió khu vực phòng hành chính - Triển khai bản vẽ bằng REVIT và bốc khối lượng 6 - Mô phỏng phân bố vấn tốc và nhiệt độ của không khí trong phòng bằng phần mềm ANSYS.

7 CHƯƠNG 2 : THÔNG SỐ TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA 2.1 Tổng quan về công trình - Quy mô dự án Hình 2.1: Phối cảnh tổng thể của công trình  Tên dự án: Tòa nhà văn phòng và kho lưu trữ tài liệu  Chủ đầu tư: Sở tài nguyên môi trường tỉnh Bình Dương  Nhà thầu xây dựng: Tập đoàn Becamax Bình Dương  Vị trí dự án: Đường Tạo Lực 6, Định Hòa, Phú Mỹ, Thành phố Thủ Dầu Một, Tỉnh Bình Dương  Diện tích: 2950m2  Công ty tư vấn thiết kế: Tập đoàn Becamax Bình Dương Công trình tòa nhà Sở Tài Nguyên và Môi Trường tỉnh Bình Dương với diện tích 2950 m2. Giai đoạn 1 của dự án xây dựng tầng 1 đến tầng 3 với tổng diện tích sàn mỗi tầng 1000 m2.