Nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng phần mềm mô phỏng số trong phòng học

Đồ án nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số CFD trong phòng học tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Anh Thoại
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Hùng Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng phần mềm mô phỏng số trong phòng học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số

Môi trường nhiệt trong lớp học tác động trực tiếp đến khả năng tiếp thu bài giảng của sinh viên. Tại khu vực miền Nam, khí hậu nhiệt đới gió mùa gây nắng nóng quanh năm. Các phòng học thường tập trung mật độ người rất cao. Điều này khiến nhiệt độ và nồng độ khí thải tăng nhanh. Do đó, việc duy trì môi trường thoáng mát trở thành yêu cầu cấp thiết. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tập trung giải quyết bài toán này. Nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số được triển khai tại phòng học A206. Mục tiêu chính là đánh giá trường nhiệt độ, trường vận tốc không khí và sự tích tụ CO2. Công nghệ mô phỏng động lực học dòng lưu chất CFD đóng vai trò then chốt. Kỹ thuật số tái hiện chi tiết quá trình truyền nhiệt và lưu thông gió. Nhờ mô hình, người nghiên cứu nhận diện rõ các vùng tù khí. Dữ liệu tạo cơ sở khoa học vững chắc để nâng cấp không gian trường học.

1.1. Bối cảnh vi khí hậu tại các giảng đường đại học

Khí hậu nóng ẩm tại TP.HCM đặt ra thách thức lớn cho môi trường giáo dục. Giảng đường đại học thường chứa từ 40 đến 80 sinh viên mỗi ca học. Quá trình trao đổi chất của con người liên tục sinh nhiệt và thải thán khí. Nếu hệ thống thông gió hoạt động kém, không khí trong phòng sẽ nhanh chóng trở nên ngột ngạt. Hiện tượng này gây buồn ngủ, mệt mỏi và làm suy giảm sự tập trung của người học. Việc đóng kín cửa chạy máy lạnh thường dẫn đến tình trạng thiếu hụt oxy nghiêm trọng. Vì vậy, việc khảo sát vi khí hậu phòng học là yêu cầu cấp thiết hiện nay.

1.2. Ứng dụng mô phỏng số CFD trong đánh giá nhiệt

Phương pháp mô phỏng số CFD là công cụ mạnh mẽ trong kỹ thuật nhiệt. Công nghệ này giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng trên máy tính. Kỹ sư có thể dự đoán trực quan quỹ đạo gió, sự phân bố nhiệt độ và nồng độ chất ô nhiễm. Đo đạc thực tế chỉ cung cấp dữ liệu tại vài vị trí rời rạc. Ngược lại, mô phỏng số mang lại bức tranh liên tục trên toàn bộ không gian phòng học. Phương pháp này tiết kiệm chi phí thử nghiệm và rút ngắn thời gian phân tích. Nhờ CFD, các kỹ sư dễ dàng thử nghiệm nhiều kịch bản vận hành khác nhau rất thuận lợi.

II. Phân tích nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số

Phòng học A206 tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đối mặt với nhiều áp lực nhiệt. Không gian phòng chịu ảnh hưởng mạnh từ bức xạ mặt trời qua vách kính. Đồng thời, nhiệt độ bên ngoài biến thiên liên tục từ 25 đến 35 độ C. Số lượng sinh viên dao động từ 25 đến 35 người trong mỗi ca học. Mỗi người phát thải trung bình 25 lít khí CO2 trong một giờ ngồi yên. Khi phòng đóng kín để chạy điều hòa, lượng gió tươi cấp vào thường bị hạn chế. Nồng độ khí CO2 ngoài trời tại TP.HCM đạt mức 470 ppm. Lượng khí tích tụ bên trong dễ dàng vượt mốc 1000 ppm. Môi trường ngột ngạt làm suy giảm rõ rệt khả năng tiếp thu bài vở. Thêm vào đó, dòng khí lạnh từ máy điều hòa thổi ra phân tán chưa đồng đều. Khu vực đón gió trực tiếp chịu luồng gió lạnh buốt. Trong khi đó, các góc phòng xa máy lại bí bách và nóng nực. Sự mất cân đối này làm giảm chất lượng tiện nghi tổng thể.

2.1. Tác động của bức xạ mặt trời và mật độ người học

Vị trí và kết cấu bao che phòng học nhận nhiệt bức xạ lớn theo từng thời điểm ban ngày. Khung giờ trưa và đầu giờ chiều ghi nhận lượng bức xạ qua vách kính cao nhất. Nhiệt lượng này làm gia tăng nhiệt độ bề mặt tường phòng. Đồng thời, nhiệt tỏa từ 35 sinh viên tương đương một nguồn nhiệt hơn 3 kW. Sự kết hợp giữa bức xạ ngoài trời và tải nhiệt bên trong gây quá tải cho máy lạnh. Khi hệ thống làm mát không bù tải kịp, nhiệt độ không khí tăng vọt. Sinh viên ngồi gần cửa kính luôn chịu cảm giác nóng rát và mất tập trung.

2.2. Vấn đề tích tụ khí CO2 và thiếu hụt thông gió

Không khí trong phòng kín nhanh chóng xuống cấp do thiếu hụt thông gió. Nồng độ CO2 trạng thái ổn định phụ thuộc lưu lượng không khí tươi cấp vào. Phòng A206 trang bị 2 quạt hút thông gió MPE AF-250. Mỗi quạt có lưu lượng danh định 12,6 mét khối trên phút. Dù vậy, nếu đường đi của gió bị cản trở, khí ô nhiễm vẫn đọng lại cục bộ. Thán khí thường tích tụ tại vùng hít thở của sinh viên ngồi học. Nồng độ CO2 vượt 1000 ppm làm tăng cảm giác mệt mỏi. Tình trạng này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và khả năng ghi nhớ kiến thức.

III. Phương pháp nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số

Để giải quyết bài toán phức tạp, đề tài áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9. Kỹ thuật này tinh giản số lượng ca chạy mô phỏng mà vẫn giữ độ tin cậy cao. Đề tài khảo sát 4 yếu tố chính gồm sĩ số sinh viên, khung giờ bức xạ, nhiệt độ ngoài trời và nhiệt độ cài đặt. Mỗi yếu tố được phân định thành 3 mức biến thiên khác nhau. Không gian phòng học A206 được dựng hình học ba chiều rất chuẩn xác. Mô hình thể hiện rõ vị trí bàn ghế, nguồn nhiệt cơ thể, máy điều hòa và quạt hút. Lưới tính toán được chia mịn tại các khu vực xuất hiện biến thiên dòng chảy lớn. Phần mềm giải hệ phương trình Navier-Stokes kết hợp mô hình dòng rối k-epsilon. Đồng thời, phương trình lan truyền nồng độ CO2 được tích hợp đồng thời. Cách tiếp cận bài bản này mang lại bức tranh mô phỏng toàn diện và khoa học nhất.

3.1. Thiết lập ma trận trực giao Taguchi L9 tối ưu

Ma trận trực giao Taguchi L9 cho phép khảo sát toàn diện 4 thông số qua 9 kịch bản. Sĩ số người trong phòng khảo sát ở 3 mức gồm 25, 30 và 35 sinh viên. Khung giờ tính toán bức xạ mặt trời chọn tại 9 giờ, 12 giờ và 15 giờ. Nhiệt độ cài đặt của máy lạnh kiểm nghiệm tại 20, 22 và 24 độ C. Phương pháp Taguchi giúp xác định trọng số tác động của từng thông số. Người vận hành nhận biết rõ yếu tố nào làm tăng nhiệt và tích tụ khí mạnh nhất. Cách làm này tiết kiệm thời gian tính toán số rất hiệu quả.

3.2. Xây dựng mô hình hình học và điều kiện biên CFD

Không gian phòng học A206 được mô phỏng chuẩn xác theo kích thước thực tế. Cửa cấp gió lạnh và miệng hút gió thải được định vị đúng tọa độ. Nguồn phát sinh CO2 của mỗi sinh viên được ấn định 25 lít một giờ. Công suất tỏa nhiệt cơ thể thiết lập theo tiêu chuẩn lao động trí óc. Bề mặt vách kính tiếp nhận nhiệt bức xạ theo từng giờ cụ thể. Hai quạt thông gió MPE AF-250 đóng vai trò biên hút khí cưỡng bức. Lưới tính toán được kiểm tra độ độc lập để triệt tiêu sai số. Mô hình hội tụ bảo đảm độ tin cậy tuyệt đối cho dữ liệu.

IV. Kết luận nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng mô phỏng số

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu chuẩn xác về vi khí hậu phòng học A206. Cài đặt nhiệt độ máy lạnh từ 22 đến 24 độ C tạo ra độ thoải mái cao nhất. Mức nhiệt này hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế ISO 7730:2005. Mức nhiệt 20 độ C gây lãng phí điện năng và tạo luồng gió lạnh khó chịu. Ngược lại, nhiệt độ trên 26 độ C kích thích sự buồn ngủ và uể oải. Nghiên cứu khẳng định tầm quan trọng của quạt thông gió cưỡng bức. Hệ thống quạt giúp giữ nồng độ khí CO2 luôn dưới mốc 1000 ppm. Dòng khí tươi duy trì sự tỉnh táo và nâng cao khả năng tiếp thu bài học. Mô hình CFD tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang giá trị ứng dụng thực tiễn lớn. Dữ liệu hỗ trợ tái cơ cấu hệ thống lạnh trên toàn bộ khuôn viên nhà trường. Giải pháp vừa tiết kiệm điện, vừa bảo vệ tối đa sức khỏe người học.

4.1. Đề xuất thông số vận hành điều hòa tối ưu

Từ các kịch bản mô phỏng Taguchi, chế độ cài đặt tối ưu cho phòng học được xác lập. Điều hòa nên duy trì nhiệt độ phòng ở mức 23 đến 24 độ C. Cánh đảo gió cần hướng lên trần để khí lạnh lan tỏa đều khắp phòng. Cách điều chỉnh này triệt tiêu hiện tượng gió buốt phả trực tiếp vào người học. Hai quạt thông gió cần vận hành liên tục trong toàn bộ tiết học. Sự kết hợp này bảo đảm không khí luôn trong lành và mát mẻ. Đồng thời, phương thức này còn cắt giảm đáng kể chi phí điện tiêu thụ hàng tháng.

4.2. Khả năng nhân rộng mô hình cho các cơ sở giáo dục

Quy trình nghiên cứu vi khí hậu bằng CFD có tính ứng dụng thực tế rất cao. Mô hình tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có thể nhân rộng cho nhiều trường đại học. Phương pháp hỗ trợ đắc lực công tác thiết kế và cải tạo giảng đường. Thay vì lắp đặt theo cảm tính, các đơn vị có thể tính toán chính xác công suất máy. Vị trí bố trí miệng gió và quạt hút được tối ưu hóa trên máy tính. Hướng đi này thúc đẩy xây dựng các giảng đường thông minh và tiết kiệm điện. Môi trường tiện nghi giúp nâng cao sức khỏe và kết quả học tập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1:TỔNG QUAN 1. Giới thiệu đề tài 1. Thông số đánh giá Trong quá trình đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt tại không gian điều hòa, cụ thể là phòng học A206 tầng 2 khu A, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm thực hiện đã lựa chọn một số thông số và tiêu chí kỹ thuật quan trọng để tiến hành đo đạc và phân tích. Các thông số này bao gồm trường nhiệt độ (VATD) – phản ánh sự phân bố nhiệt trong không gian – và nồng độ CO₂ trong không khí – là chỉ số đánh giá chất lượng thông gió và mật độ người sử dụng.

Đây là hai thông số đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ tiện nghi và hiệu quả vận hành hệ thống điều hòa không khí tại phòng học. Bên cạnh đó, các yếu tố môi trường bên ngoài như nhiệt độ không khí ngoài trời, mức bức xạ mặt trời và thời gian cũng được ghi nhận, vì chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện tiện nghi nhiệt bên trong phòng. Tiêu chuẩn đánh giá Trên cơ sở các nghiên cứu khoa học và thực tiễn ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt – lạnh, nhiều tổ chức và cơ quan trên thế giới đã xây dựng những hệ thống tiêu chuẩn để kiểm soát nồng độ khí carbon dioxide (CO₂) trong không gian điều hòa, đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt, chất lượng môi trường trong nhà nhằm hướng đến mục tiêu tối ưu thiết kế, đảm bảo sức khỏe, năng suất làm việc của người và hiệu quả vận hành của hệ thống HVAC. Nhóm đã sử dụng TCVN 5687: 2024 - Thông gió và ĐHKK - Tiêu chuẩn thiết kế, xác định quy định nồng độ CO₂ tối đa trong không khí trong nhà không được vượt quá 1000 ppm, nhằm đảm bảo chất lượng không khí, ngăn ngừa hiện tượng mệt mỏi, mất tập trung và các nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe.

Ngoài ra, theo TCVN 5687:2024 thì vận tốc gió của máy lạnh trong không gian điều hòa cần giữ ở mức < 2,5m/s ngay miệng thổi của dàn lạnh và < 0.3m/s để thỏa mãn điều kiện tiện nghi nhiệt cho người sử dụng. Để đánh giá được sự tiện nghi nhiệt thì nhóm dựa vào tiêu chuẩn ASHRAE Standard 55-2020 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, theo như 15 GVHD: TS. Đặng Hùng Sơn tiêu chuẩn thì sự chênh lệch nhiệt độ tại vị trí ngang đầu (1.1m) và mắt cá chân (0.1m) không vượt quá 3oC. Những tiêu chuẩn này không chỉ mang tính kỹ thuật mà còn có vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sống, học tập và làm việc trong các công trình giáo dục, văn phòng và không gian kín có sử dụng hệ thống HVAC.

Lý do chọn đề tài Đề tài “Nghiên cứu điều kiện tiện nghi bằng phần mềm mô phỏng số trong phòng học" nhằm nghiên cứu chuyên sâu, đánh giá và tối ưu hóa môi trường bên trong phòng học A206 thông qua phần mềm mô phỏng thực tế. Bằng việc khảo sát phòng học cùng các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ khí CO2 để xây dựng mô hình mô phỏng chi tiết, phân tích kết quả, đề xuất và đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải thiện. Đề tài hướng đến mục tiêu tạo ra một không gian học tập thoải mái và lý tưởng hơn cho sinh viên. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển ứng dụng mô phỏng số mà còn mang lại những giải pháp thực tiễn, dựa trên bằng chứng, giúp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật và các cơ sở giáo dục khác nâng cao chất lượng môi trường học tập, từ đó thúc đẩy hiệu quả giảng dạy và học tập.

Mục đích và phương pháp nghiên cứu 1.