Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của các công trình kiến trúc hiện đại, nhu cầu về chất lượng không gian làm việc và sinh hoạt tại các tòa nhà cao tầng ngày càng tăng. Các tòa nhà văn phòng quy mô lớn đòi hỏi hệ thống điều hòa không khí và thông gió (HVAC) phải được tính toán chính xác nhằm đảm bảo các thông số vi khí hậu, nồng độ oxy và hạn chế sự tích tụ của các chất độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người sử dụng. Bên cạnh đó, trước diễn biến phức tạp của các sự cố hỏa hoạn nhà cao tầng, hệ thống thông gió sự cố (bao gồm hút khói và tạo áp cầu thang thoát hiểm) là hạng mục kỹ thuật bắt buộc theo các quy chuẩn an toàn phòng cháy chữa cháy hiện hành.

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa không khí, thông gió và triển khai bản vẽ Revit cho tòa nhà văn phòng Saigon ICT Tower 2" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Tính toán kiểm tra hệ thống điều hòa không khí bằng phương pháp Carrier kết hợp các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng Việt Nam và phần mềm Heatload Daikin, từ đó so sánh với thông số thiết kế thực tế của công trình.
  2. Tính toán kiểm tra hệ thống thông gió tiện nghi (cấp gió tươi, hút gió thải), hệ thống thông gió tầng hầm và hệ thống thông gió sự cố (tạo áp cầu thang thoát hiểm, hút khói phòng/hành lang).
  3. Triển khai mô hình không gian 3D của toàn bộ hệ thống điều hòa không khí và thông gió trên nền tảng phần mềm Autodesk Revit 2019, phục vụ công tác kiểm tra va chạm và bóc tách khối lượng vật tư.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện lạnh (HVAC) phục vụ công trình Tòa nhà văn phòng Saigon ICT Tower 2 (do Tập đoàn Saigontel đầu tư, đặt tại Công viên phần mềm Quang Trung, Phường Tân Chánh Hiệp, Quận 12, TP. Hồ Chí Minh).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Toàn bộ công trình có quy mô gồm 1 tầng hầm và 12 tầng nổi với tổng diện tích sàn cho thuê là 14.368 m² (trong đó tầng hầm rộng 1.600 m²; tầng 1 gồm sảnh đón khách, nhà ăn 172 m² và bãi đỗ xe 2 bánh 690 m²; tầng 2 là nhà ăn nhân viên 1.101 m²; tầng 3 là hội trường 1.110 m²; từ tầng 4 đến tầng 12 là không gian văn phòng và phòng họp cho thuê).
    • Thời gian và chế độ vận hành: Tính toán theo chu kỳ nhiệt mùa hè đặc trưng của khí hậu phía Nam, chế độ vận hành văn phòng tiêu chuẩn từ 8 giờ đến 17 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng quy trình tính toán kỹ thuật dựa trên các cơ sở lý thuyết truyền nhiệt, nhiệt động lực học không khí ẩm và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Phương pháp Carrier (phương pháp hệ số nhiệt hiện): Xác định năng suất lạnh cần thiết ($Q_o$) thông qua việc tính toán tách biệt từng thành phần phụ tải nhiệt hiện thừa ($Q_h$) và nhiệt ẩn thừa ($Q_a$) từ mọi nguồn nhiệt bên ngoài và bên trong tác động vào không gian điều hòa ($Q_o = \sum Q_h + \sum Q_a$).
    • Mô hình tính toán nhiệt bức xạ qua kính: Áp dụng công thức tính nhiệt tức thời $Q_{11} = n_h \cdot Q'{11}$ với $Q'{11} = F \cdot R_k \cdot \varepsilon_c \cdot \varepsilon_{ds} \cdot \varepsilon_{mm} \cdot \varepsilon_{kh} \cdot \varepsilon_m \cdot \varepsilon_r$, trong đó có xét đến hệ số tác động tức thời $n_h$ phụ thuộc vào khối lượng kết cấu bao che trung bình ($g_s$).
    • Cơ sở khí động học đường ống: Tính toán thủy lực mạng lưới đường ống gió bằng phương pháp ma sát đồng đều và phương pháp phục hồi áp suất tĩnh để xác định tổn thất áp suất (tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ).

  • Quy chuẩn và tiêu chuẩn áp dụng:

    • QCVN 02:2022/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng (trích xuất số liệu trạm khí tượng Tây Ninh tương đồng với tọa độ công trình: vĩ độ $10,85^\circ\text{B}$, kinh độ $106,63^\circ\text{Đ}$).
    • TCVN 5687:2024: Thông gió và điều hòa không khí – Yêu cầu thiết kế.
    • ASHRAE Fundamentals & Handbook: Tham chiếu mật độ công suất chiếu sáng, mật độ người và hệ số tải thiết bị văn phòng.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng thông số nhiệt vật lý của vật liệu xây dựng.
    • Phương pháp mô phỏng số và tính toán đối chứng bằng phần mềm chuyên dụng của nhà sản xuất (Heatload Daikin, Duct Checker Pro, Fantech Selection Program, VRV Xpress).
    • Phương pháp mô hình hóa thông tin công trình (BIM) để thể hiện trực quan hệ thống kỹ thuật.

  • Dữ liệu thông số thiết kế đầu vào:

Thông số trạng thái Ký hiệu Đơn vị Không khí ngoài nhà (Mùa hè - Cấp II) Không khí trong nhà (Tiện nghi)
Nhiệt độ $t$ $^\circ\text{C}$ $34,5$ $25,0$
Độ ẩm tương đối $\varphi$ $%$ $74,7$ $65,0$
Entanpy $I$ $\text{kJ/kgkkk}$ $101,8$ $58,1$
Dung ẩm $d$ $\text{g/kgkkk}$ $26,2$ $13,0$

Thiết kế kỹ thuật và công cụ triển khai

Phân tích và lựa chọn giải pháp hệ thống điều hòa không khí

Tác giả tiến hành so sánh ba giải pháp kỹ thuật chính nhằm lựa chọn hệ thống phù hợp với tính chất của Saigon ICT Tower 2:

  1. Hệ thống cục bộ: Không phù hợp với không gian lớn do hạn chế về công suất dàn nóng, việc bố trí nhiều dàn nóng phân tán ngoài mặt đứng làm phá vỡ kiến trúc và mỹ quan tòa nhà.
  2. Hệ thống trung tâm nước (Water Chiller): Phù hợp cho tải lạnh quy mô rất lớn nhưng tồn tại nhược điểm đối với tòa nhà văn phòng làm việc theo giờ hành chính: tổn thất do quán tính nhiệt của khối nước lạnh lớn khi khởi động lại, kích thước đường ống nước và ống gió chiếm nhiều không gian trần, đồng thời tòa nhà không có sẵn diện tích mặt bằng cho phòng máy AHU chuyên dụng ở từng tầng.
  3. Hệ thống biến dòng môi chất VRV (Variable Refrigerant Volume): Được lựa chọn làm giải pháp chính nhờ các ưu điểm:
    • Dải công suất linh hoạt, dàn nóng đặt trên tầng thượng, đường ống môi chất nhỏ gọn tiết kiệm chiều cao thông thủy trần.
    • Ứng dụng công nghệ máy nén biến tần và van tiết lưu điện tử, cho phép vận hành hiệu quả ở các mức tải riêng phần và hỗ trợ chạy độc lập 24/24h cho các khu vực văn phòng cho thuê ngoài giờ hành chính.
    • Giảm thiểu tổn thất do quán tính nhiệt xuống mức 0 do môi chất làm lạnh trực tiếp.

Hệ thống công cụ tính toán và thiết kế

  • VRV Xpress & Heatload Daikin: Thiết lập sơ đồ nguyên lý lạnh, tính toán kiểm tra phụ tải nhiệt theo từng giờ và cấu hình lựa chọn tổ hợp dàn nóng (ODU), dàn lạnh (IDU).
  • Duct Checker Pro: Xác định kích thước tiết diện đường ống gió cấp, ống gió hồi, ống hút khói và cấp khí tươi dựa trên lưu lượng và vận tốc giới hạn.
  • ASHRAE Duct Fitting Database: Tra cứu và tính toán hệ số tổn thất áp suất cục bộ qua các phụ kiện (côn, cút, tê, van gió, louver).
  • Fantech Product Selection Program: Tính chọn đặc tuyến quạt thông gió, quạt hút khói và quạt tăng áp buồng thang dựa trên lưu lượng yêu cầu và áp suất tĩnh tổng.
  • Autodesk Revit 2019: Xây dựng hệ thống Family cơ điện, dựng hình 3D toàn bộ mạng lưới đường ống, van gió, miệng gió, thiết bị trong không gian thực tế của công trình và xuất bảng khối lượng vật tư phục vụ thi công.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài, vai trò của điều hòa không khí trong công trình hiện đại và các thông số kiến trúc của tòa nhà Saigon ICT Tower 2. Tác giả phân loại hệ thống theo mức độ quan trọng: lựa chọn cấp II cho công trình (cho phép sai số duy trì thông số vi khí hậu tối đa 200 giờ trong một năm, tương đương không quá 4 ngày trong một mùa). Chương này cũng phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các hệ thống ĐHKK cục bộ, hệ thống VRV và hệ thống Chiller giải nhiệt nước, từ đó chứng minh tính hợp lý của việc ứng dụng hệ thống VRV Daikin cho tòa nhà văn phòng cao tầng.

Chương 2: Tính toán kiểm tra phụ tải lạnh

Chương này tập trung toàn bộ khối lượng tính toán nhiệt của công trình theo phương pháp Carrier:

  • Phân tích chi tiết từng thành phần phụ tải nhiệt:
    • Nhiệt hiện bức xạ qua kính ($Q_{11}$): Tính toán theo các hướng Đông Bắc, Đông Nam, Tây Nam, Tây Bắc từ 8h đến 17h. Ví dụ tại khu vực phòng họp tầng 4, phụ tải $Q_{11}$ đạt cực đại lúc 8 giờ sáng với giá trị $4.310\text{ W}$.
    • Nhiệt hiện truyền qua kết cấu bao che ($Q_{21}, Q_{22}$): Nhiệt truyền qua mái bằng ($Q_{21}$) chỉ phát sinh tại tầng 12 với hệ số truyền nhiệt $k = 1,42\text{ W/m}^2\text{K}$, đạt giá trị $22.618,15\text{ W}$ tại phòng họp tầng 12. Hệ số truyền nhiệt qua tường gạch 200mm trát vữa hai mặt được xác định là $k_t = 2,33\text{ W/m}^2\text{K}$ (tiếp xúc trực tiếp ngoài trời) và $k_t = 2,09\text{ W/m}^2\text{K}$ (tiếp xúc gián tiếp).
    • Nhiệt từ các nguồn khác: Nhiệt tỏa từ người ($Q_4$), thiết bị máy móc ($Q_3$), hệ thống chiếu sáng ($Q_5$), nhiệt do gió tươi mang vào ($Q_{6N}, Q_{6A}$) và nhiệt do gió lọt ($Q_{8N}, Q_{8A}$).
  • Thành lập sơ đồ điều hòa không khí tuần hoàn 1 cấp mùa hè trên đồ thị dung ẩm $t - d$, xác định các hệ số nhiệt hiện phòng (RSHF), hệ số nhiệt hiện tổng (GSHF) và hệ số nhiệt hiện hiệu dụng (ESHF).
  • Kiểm tra kết quả tính toán giải tích bằng phần mềm Heatload Daikin và đối chiếu với số liệu tải thực tế công trình để tiến hành chọn tổ hợp dàn lạnh (IDU) kiểu giấu trần nối ống gió và dàn nóng (ODU) VRV.

Chương 3: Tính toán kiểm tra hệ thống thông gió

Chương 3 trình bày tính toán khí động và thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ mạng lưới thông gió:

  • Hệ thống cấp gió tươi và hút gió thải: Xác định định mức gió tươi theo TCVN 5687:2024 cho từng loại phòng làm việc, phòng họp, tính toán kích thước ống gió và tổn thất áp suất qua các louver, van điều chỉnh.
  • Hệ thống thông gió tầng hầm: Tính toán lưu lượng trao đổi khí cho diện tích $1.600\text{ m}^2$ bãi đỗ xe nhằm loại bỏ khí độc hại ($CO$), lựa chọn phương án dùng quạt thông gió 2 cấp tốc độ (vừa thông gió định kỳ, vừa hỗ trợ hút khói khi xảy ra sự cố cháy).
  • Hệ thống hút khói sự cố: Tính toán lưu lượng hút khói hành lang và các không gian phòng theo tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy, định cỡ đường ống chịu nhiệt và tính chọn quạt hút khói chuyên dụng.
  • Hệ thống tạo áp cầu thang bộ: Tính toán lưu lượng và cột áp cần thiết cho buồng thang bộ loại N1 và N2 nhằm duy trì chênh áp dương ngăn chặn khói độc xâm nhập vào lối thoát hiểm khi hỏa hoạn xảy ra.

Chương 4: Triển khai hệ thống điều hòa không khí, thông gió dùng phần mềm Revit

Chương 4 mô tả quy trình xây dựng mô hình không gian 3D của hệ thống HVAC trên phần mềm Autodesk Revit 2019:

  • Thiết lập hệ thống Family các cấu kiện cơ điện: miệng gió khuếch tán, hộp gió (plenum box), quạt thông gió, dàn lạnh IDU, đường ống dẫn môi chất, ống gió cấp/hồi/thải và phụ kiện đường ống.
  • Triển khai định tuyến mạng lưới đường ống gió và ống gas trên mặt bằng các tầng, đảm bảo không gian lắp đặt dưới trần giả không xung đột với các kết cấu dầm cột và hệ thống kỹ thuật khác.
  • Trích xuất bảng thống kê khối lượng vật tư (Schedule/Quantities) trực tiếp từ mô hình Revit, phục vụ công tác lập dự toán và quản lý thi công.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán kiểm tra hệ thống ĐHKK và thông gió của tòa nhà Saigon ICT Tower 2. Khẳng định sự tương thích giữa kết quả tính toán bằng phương pháp Carrier với kết quả xuất từ phần mềm Heatload Daikin. Đưa ra các kiến nghị kỹ thuật về bảo dưỡng thiết bị, quy trình kiểm soát độ ẩm và phương án vận hành tối ưu hóa năng lượng cho công trình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

  • Xác định đầy đủ các thông số nhiệt - ẩm và tải lạnh cho 12 tầng nổi và 1 tầng hầm của công trình theo từng khung giờ vận hành.
  • Hoàn thành bảng tính phụ tải chi tiết các thành phần nhiệt theo phương pháp Carrier và bảng đối chiếu kết quả với phần mềm Heatload Daikin, chứng minh sự sai lệch nằm trong ngưỡng cho phép đối với hệ thống cấp II.
  • Hoàn thành thiết kế mạng lưới đường ống gió, tính toán tổn thất áp suất và lựa chọn chính xác các chủng loại quạt chuyên dụng cho hệ thống thông gió tiện nghi, thông gió hầm xe và hệ thống tạo áp, hút khói sự cố.

Tổng hợp thông số tính toán kết cấu bao che mẫu (Phòng họp tầng 4)

Thông số kết cấu Đơn vị Giá trị tính toán
Diện tích sàn ($F_s$) $\text{m}^2$ $438,22$
Khối lượng kết cấu có tiếp xúc bức xạ ($G'$) $\text{kg}$ $48.893,84$
Khối lượng kết cấu không tiếp xúc bức xạ ($G''$) $\text{kg}$ $83.089,29$
Khối lượng riêng diện tích trung bình ($g_s$) $\text{kg/m}^2\text{ sàn}$ $206,38$
Nhiệt bức xạ qua kính cực đại ($Q_{11\text{ max}}$ lúc 8h) $\text{W}$ $4.310$
Hệ số truyền nhiệt tường bao ngoài ($k_t$) $\text{W/m}^2\text{K}$ $2,33$

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Xây dựng quy trình phối hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết (Carrier), phần mềm tính toán phụ tải chuyên hãng (Heatload Daikin) và công cụ tính thủy lực đường ống (Duct Checker, Fantech).
  • Ứng dụng mô hình hóa thông tin công trình (BIM Revit) vào đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Nhiệt, giúp trực quan hóa không gian bố trí cơ điện, phát hiện các điểm xung đột không gian trước khi thi công và tự động hóa công tác bóc tách khối lượng vật tư.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi tính toán tập trung chính vào điều kiện mùa hè (đặc thù của điều kiện khí hậu miền Nam Việt Nam), chưa mở rộng khảo sát các trạng thái tải nhiệt biến đổi phức tạp trong mùa mưa hoặc các đợt giảm nhiệt cục bộ.
    • Các thông số truyền nhiệt của kết cấu bao che dựa trên các giả định tiêu chuẩn vật liệu đồng nhất, chưa xét đến các yếu tố suy giảm cách nhiệt theo thời gian thực tế của công trình.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa tòa nhà (BMS) để tối ưu hóa việc phân phối lưu lượng môi chất và lưu lượng gió tươi dựa trên cảm biến nồng độ $CO_2$ và mật độ người thực tế.
    • Mở rộng đánh giá vòng đời năng lượng (LCA) và mô phỏng năng lượng toàn diện cho tòa nhà bằng các công cụ chuyên sâu như EnergyPlus hoặc DesignBuilder.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Điện Lạnh và Kỹ thuật Cơ điện công trình (M&E). Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Toàn bộ quy trình tính toán nhiệt chi tiết theo phương pháp Carrier áp dụng cho nhà cao tầng có vách kính lớn và lớp ốp Alu.
  • Hướng dẫn phương pháp xác định hệ số tác động tức thời $n_h$ thông qua đại lượng khối lượng diện tích trung bình $g_s$.
  • Phương pháp tính toán hệ thống thông gió sự cố (tạo áp buồng thang và hút khói hành lang) tuân thủ tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy hiện hành.
  • Bộ mô hình mẫu triển khai hệ thống đường ống HVAC trên phần mềm Autodesk Revit.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao công trình Saigon ICT Tower 2 được xếp vào hệ thống điều hòa không khí cấp II?
Hệ thống ĐHKK cấp II được chọn vì công trình là tòa nhà văn phòng cao cấp tập trung mật độ người làm việc lớn trong thời gian dài. Theo tiêu chuẩn thiết kế, hệ thống cấp II cho phép duy trì các thông số vi khí hậu trong nhà với sai số tối đa không quá 200 giờ trong 1 năm (tương đương không quá 4 ngày trong một mùa), vừa đảm bảo điều kiện làm việc thoải mái, vừa tối ưu chi phí đầu tư thiết bị.

2. Thông số vi khí hậu ngoài nhà và trong nhà được lựa chọn theo các căn cứ kỹ thuật nào?
Thông số ngoài nhà mùa hè ($t_N = 34,5^\circ\text{C}, \varphi_N = 74,7%$) được xác định theo công thức quy chuẩn cho hệ thống cấp II và trích xuất từ QCVN 02:2022/BXD tại trạm khí tượng Tây Ninh (có tọa độ tương đương công trình). Thông số trong nhà ($t_T = 25^\circ\text{C}, \varphi_T = 65%$) được lựa chọn dựa trên bảng thông số tiện nghi cho văn phòng theo TCVN 5687:2024.

3. Vì sao nhiệt hiện truyền qua mái bằng ($Q_{21}$) chỉ được tính toán cho tầng 12?
Do các không gian từ tầng 1 đến tầng 11 nằm giữa các tầng đều có điều hòa không khí, chênh lệch nhiệt độ qua sàn/trần bằng 0 ($\Delta t = 0$) nên dòng nhiệt $Q_{21} = 0$. Riêng tầng 12 có phần trần mái bằng tiếp xúc trực tiếp với bức xạ mặt trời ngoài trời nên phải tính toán dòng nhiệt truyền qua kết cấu mái với hệ số truyền nhiệt $k = 1,42\text{ W/m}^2\text{K}$.

4. Khối lượng diện tích trung bình ($g_s$) có vai trò gì trong việc tính toán tải bức xạ kính $Q_{11}$?
Đại lượng $g_s$ (tính bằng công thức $g_s = \frac{G' + 0,5G''}{F_s}$) phản ánh quán tính nhiệt và khả năng tích nhiệt của kết cấu bao che trong phòng. Giá trị $g_s$ là thông số đầu vào để tra bảng nội suy hệ số tác động tức thời $n_h$ theo từng giờ và từng hướng bức xạ, từ đó xác định chính xác lượng nhiệt bức xạ tác động trực tiếp lên phụ tải lạnh của dàn máy.

5. Giải pháp thông gió nào được áp dụng cho khu vực tầng hầm rộng $1.600\text{ m}^2$?
Tầng hầm được thiết kế hệ thống cấp gió tươi và hút gió thải sử dụng quạt thông gió 2 cấp tốc độ. Ở điều kiện bình thường, quạt vận hành ở cấp độ thấp để duy trì trao đổi khí và thải khí $CO$ từ phương tiện giao thông. Khi có tín hiệu báo cháy, quạt tự động chuyển sang cấp tốc độ cao để thực hiện chức năng hút khói sự cố phục vụ công tác sơ tán và cứu nạn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Đặng Phạm Như Thuần và Nguyễn Bảo Kỳ đã giải quyết toàn diện bài toán tính toán kiểm tra nhiệt ẩm và thiết kế khí động cho hệ thống điều hòa không khí - thông gió tòa nhà văn phòng Saigon ICT Tower 2. Việc kết hợp phương pháp tính toán giải tích Carrier với các công cụ mô phỏng chuyên ngành như Daikin Heatload, Duct Checker và Fantech đã đảm bảo độ tin cậy của các thông số kỹ thuật. Đồng thời, việc ứng dụng thành công phần mềm Autodesk Revit 2019 trong dựng hình 3D và bóc tách khối lượng đã nâng cao tính trực quan và khả năng ứng dụng thực tế của đồ án trong công tác thi công cơ điện công trình.