Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam với đặc trưng nhiệt độ trung bình năm cao (dao động từ $27^\circ\text{C} - 35^\circ\text{C}$) và cường độ bức xạ mặt trời lớn ($517 \text{ W/m}^2$ tại TP. Hồ Chí Minh), việc duy trì vi khí hậu tiện nghi trong các công trình công cộng đóng vai trò then chốt. Theo thống kê của Hiệp hội Kỹ sư Nhiệt lạnh và Điều hòa Không khí Hoa Kỳ (ASHRAE), con người dành hơn 85-90% thời gian sinh hoạt và làm việc trong không gian kín. Đối với môi trường giáo dục đại học, mật độ người tập trung cao (từ 0.8 - 1.2 người/m²) khiến chất lượng không khí trong nhà (IAQ - Indoor Air Quality) và mức độ tiện nghi nhiệt suy giảm nghiêm trọng nếu hệ thống phân phối không khí không được thiết kế tối ưu.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             PROBLEM STATEMENT                                 |
|                                                                               |
|  [Nhiệt độ cục bộ]          [Tích tụ CO2]             [Vùng gió quẩn/lạnh]    |
|   Chênh lệch > 3.5°C        Vượt ngưỡng 1200 ppm       DR > 20% gây khó chịu  |
|         |                         |                            |              |
|         +-------------------------+----------------------------+              |
|                                   v                                           |
|       [SUY GIẢM SỨC KHỎE, MẤT TẬP TRUNG, HIỆU SUẤT HỌC TẬP GIẢM 15-20%]       |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tế tại các giảng đường đại học hiện nay là hiện tượng phân bố trường nhiệt không đồng đều: xuất hiện các "điểm chết" (dead zones) tích tụ nhiệt và nồng độ khí $\text{CO}_2$ vượt mức $1200 \text{ ppm}$, song song với hiện tượng gió lùa cục bộ (draft rate) gây lạnh buốt tại các vị trí trực diện dưới miệng thổi dàn lạnh. Các phương pháp tính toán tải truyền thống chỉ đưa ra công suất nhiệt tổng thể mà không thể mô tả trực quan chuyển động vi mô của luồng không khí.

Đồ án tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa tiện nghi vi khí hậu cho phòng học A303 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) với các mục tiêu cụ thể:

  1. Xác định chính xác tải nhiệt thừa ($Q_T$) và ẩm thừa ($W_T$) của phòng học theo phương pháp Carrier dưới điều kiện khí hậu thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.
  2. Xây dựng mô hình hình học 3D chi tiết mô phỏng không gian phòng học gồm đầy đủ cấu kiện bao che, thiết bị chiếu sáng, dàn lạnh Cassette âm trần và mô hình người ngồi học phát nhiệt/thải $\text{CO}_2$.
  3. Sử dụng công cụ mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD - Computational Fluid Dynamics) trên nền tảng ANSYS Fluent để giải quyết bài toán trường nhiệt độ, vận tốc dòng khí và sự khuếch tán nồng độ $\text{CO}_2$.
  4. Đánh giá toàn diện các chỉ số tiện nghi nhiệt chuẩn quốc tế (PMV, PPD, DR, VATD) và xác thực (validation) độ tin cậy của mô hình số thông qua dữ liệu đo đạc thực nghiệm.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:

  • Đối tượng: Phòng học A303 khu A - HCMUTE (kích thước phủ bì $10.42\text{m} \times 9.8\text{m} \times 3.35\text{m}$, thể tích $341.9 \text{ m}^3$).
  • Hệ thống điều hòa không khí: 02 dàn lạnh Cassette âm trần Daikin công suất $3.5\text{ HP}$ ($31,000 \text{ BTU/h} \approx 9.1 \text{ kW}$/máy).
  • Giới hạn: Dòng chảy được khảo sát ở trạng thái dừng (steady-state), môi chất không khí ẩm là khí lý tưởng không nén được ở vận tốc thấp ($Ma < 0.3$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi áp dụng phương pháp mô phỏng số, việc thiết kế và đánh giá hệ thống điều hòa không khí thường dựa vào kinh nghiệm hoặc các phương pháp giải tích 1 chiều. Bảng dưới đây so sánh các giải pháp hiện hành:

Tiêu chí phân tích Phương pháp Suất kinh nghiệm (W/m² hoặc m³/HP) Phương pháp Cân bằng nhiệt Carrier (1D) Phương pháp Mô phỏng số CFD (3D Multi-Physics)
Độ chính xác tải nhiệt Thấp (sai số $\pm 25-30%$) Rất cao (sai số $\pm 5-8%$) Cao (dựa trên phân bố điều kiện biên chi tiết)
Phân tích trường vận tốc Không thể thực hiện Không thể thực hiện Chi tiết từng tọa độ $(x, y, z)$, trực quan hóa vector dòng
Đánh giá chất lượng IAQ Ước tính lưu lượng tổng Ước tính nồng độ trung bình Mô phỏng chính xác sự khuếch tán và tích tụ $\text{CO}_2$
Đánh giá cục bộ (PMV/PPD) Chỉ tính trung bình toàn phòng Không phân hóa theo vị trí Đánh giá chính xác tại từng vị trí ngồi học
Chi phí và thời gian Rất nhanh, chi phí bằng 0 Nhanh, tính toán bảng tính Cần năng lực tính toán cao, mô phỏng chuyên sâu

Dựa trên phân loại yêu cầu MoSCoW:

  • Must have: Kiểm soát trường nhiệt độ vùng làm việc ($0.1\text{m} - 1.7\text{m}$) trong ngưỡng $24^\circ\text{C} - 26^\circ\text{C}$; nồng độ $\text{CO}_2 < 1000 \text{ ppm}$.
  • Should have: Vận tốc gió vùng làm việc $v < 0.25 \text{ m/s}$; chỉ số PMV nằm trong khoảng $[-0.5; +0.5]$; chỉ số bất tiện nghi PPD $< 10%$.
  • Could have: Độ chênh lệch nhiệt độ theo phương thẳng đứng giữa đầu và mắt cá chân (VATD) $< 3^\circ\text{C}$; chỉ số gió lùa $\text{DR} < 15%$.
  • Won't have (lần này): Tích hợp điều khiển mờ (Fuzzy Logic) thời gian thực theo biến động tức thời của lượng người ra vào.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc giải pháp mô phỏng số và phân tích nhiệt động lực học được xây dựng theo sơ đồ khối:

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                            KIẾN TRÚC MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI SỐ                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Hình học 3D - Autodesk Inventor 2024]                                     |
|  - Kích thước phòng: 9.8m x 9.4m x 3.35m (lọt lòng)                         |
|  - 40 Cụm bàn ghế + Manikin sinh viên (diện tích bề mặt trao đổi nhiệt)    |
|  - 02 Dàn lạnh Cassette âm trần 4 hướng thổi (Daikin 3.5 HP)                |
+-----------------------------------------------------------------------------+
                                       |
                                       v
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Chia lưới phi cấu trúc - ANSYS Meshing 2023 R2]                           |
|  - Poly-Hexcore / Tetrahedral Mesh, Inflation layers tại vách và người      |
|  - Kiểm soát chất lượng: Skewness < 0.25, Orthogonal Quality > 0.85         |
+-----------------------------------------------------------------------------+
                                       |
                                       v
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Mô hình Vật lý Solver - ANSYS Fluent]                                     |
|  - Phương trình Năng lượng (Energy Equation)                                |
|  - Mô hình Rối Standard k-epsilon / Realizable k-epsilon                    |
|  - Mô hình Truyền chất (Species Transport) cho phân tán CO2                |
|  - Thuật toán ghép áp suất - vận tốc: SIMPLEC / Coupled                    |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack & Specifications:

  • CAD Modeling: Autodesk Inventor Professional v2024.
  • CFD Pre-processing & Solver: ANSYS Workbench / ANSYS Fluent v2023 R2.
  • Post-processing & Data Analysis: ANSYS CFD-Post, Minitab v21.1, MATLAB R2023b.
  • Hardware Specs: Workstation Intel Xeon Gold 6248R (24 cores/48 threads, 2.90 GHz), 64GB DDR4 ECC RAM, GPU NVIDIA RTX A4000 16GB.

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp luận lai giữa kỹ thuật thực nghiệm và mô phỏng số:

  1. Khảo sát & Thu thập dữ liệu thực địa: Đo đạc kích thước thực tế, hướng địa lý (tường chịu bức xạ hướng Tây), cấu trúc kết cấu tường ($200\text{ mm}$ gạch xây, trát vữa 2 mặt), hệ số truyền nhiệt kết cấu bao che.
  2. Tính toán nhiệt tải Carrier: Tính toán nhiệt hiện ($Q_{ht}$) và nhiệt ẩn ($Q_{an}$) từ các thành phần: bức xạ qua kính ($Q_{11}$), truyền nhiệt qua vách ($Q_{22}$), mái ($Q_{21}$), nhiệt tỏa từ đèn LED ($Q_{31}$), máy tính/máy chiếu ($Q_{32}$), nhiệt và ẩm do người ($Q_4, W_1$), nhiệt do gió tươi ($Q_{Nht}, Q_{Nan}$).
  3. Thiết lập mô phỏng & Đánh giá hội tụ: Sử dụng tiêu chuẩn sai số dư (residuals) hội tụ $< 10^{-6}$ cho phương trình năng lượng và $< 10^{-4}$ cho các phương trình liên tục, động lượng, $k$, $\epsilon$ và $\text{CO}_2$.
  4. Kiểm chuẩn (Validation): So sánh dữ liệu nhiệt độ và vận tốc tại 15 điểm đo thực tế trong phòng bằng máy đo Testo 480 đa năng (độ chính xác $\pm 0.1^\circ\text{C}$, $\pm 0.03\text{ m/s}$).

Implementation và kết quả

Development process

1. Tính toán phụ tải lạnh theo phương pháp Carrier

Dữ liệu vi khí hậu thiết kế ngoài trời tại TP. Hồ Chí Minh: $t_N = 34.6^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi_N = 55%$, entanpi $I_N = 84.5 \text{ kJ/kg}$. Điều kiện thiết kế trong phòng: $t_T = 25^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi_T = 60%$, entanpi $I_T = 57.2 \text{ kJ/kg}$.

Nhiệt hiện bức xạ qua kính hướng Tây ($F = 29.76 \text{ m}^2$): $$Q_{11} = m_k \times F \times R_{r,\max} \times e = 0.048 \times 29.76 \times 517 \times 1.1115 = 820.7 \text{ W}$$

Nhiệt truyền qua tường gạch dày $200\text{ mm}$ ($k_t = 2.54 \text{ W/m}^2\text{K}$ cho tường ngoài và $2.81 \text{ W/m}^2\text{K}$ cho tường ngăn): $$Q_{22t} = k_t \times F_t \times \Delta t = (2.54 \times 39.04 \times 9.6) + (2.81 \times 67.5 \times 5) = 952.1 + 948.4 = 1900.5 \text{ W}$$

Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do người ($n = 40$ sinh viên ngồi học tĩnh tại, $q_{ht} = 75\text{ W/người}$, $q_{an} = 55\text{ W/người}$): $$Q_{4,ht} = 40 \times 75 = 3000 \text{ W}; \quad Q_{4,an} = 40 \times 55 = 2200 \text{ W}$$

Tổng năng suất lạnh yêu cầu sau khi tính toán đầy đủ gió tươi và hệ số an toàn ($10%$): $$Q_o = \sum Q_{ht} + \sum Q_{an} = 17,450 \text{ W} \approx 4.96 \text{ Ton} \approx 59,500 \text{ BTU/h}$$ Hệ thống lựa chọn gồm 02 dàn lạnh Cassette Daikin $3.5\text{ HP}$ ($2 \times 31,000 \text{ BTU/h} = 62,000 \text{ BTU/h}$) hoàn toàn đáp ứng công suất yêu cầu.

2. Hệ phương trình vi phân chi phối trong Solver CFD

Các phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) cùng phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng:

// Governing Equation - Energy Conservation
div(rho * u * T) = div((gamma / Cp + mu_t / Pr_t) * grad(T)) + S_h;

// Governing Equation - Species Transport for CO2 Concentration (C_co2)
div(rho * u * Y_co2) = div((rho * D_m + mu_t / Sc_t) * grad(Y_co2)) + S_co2;

// Thermal Comfort Calculation: PMV & PPD Equations (ISO 7730 / ASHRAE 55)
double calculate_PMV(double M, double W, double I_cl, double f_cl, 
                     double t_a, double t_r, double v_rel, double p_a) {
    double h_c = 12.1 * sqrt(v_rel);
    double t_cl = t_a + (35.5 - t_a) / (3.5 * (I_cl + 0.1)); // Initial guess
    // Iterative loop for clothing surface temperature (t_cl)
    double H_dry = 3.96e-8 * f_cl * (pow(t_cl + 273.0, 4) - pow(t_r + 273.0, 4)) + f_cl * h_c * (t_cl - t_a);
    double E_diff = 3.05e-3 * (5733.0 - 6.99 * (M - W) - p_a);
    double E_sweat = 0.42 * ((M - W) - 58.15);
    double E_res = 1.7e-5 * M * (5867.0 - p_a) + 0.0014 * M * (34.0 - t_a);
    
    double L = (M - W) - H_dry - E_diff - E_sweat - E_res;
    double PMV = (0.303 * exp(-0.036 * M) + 0.028) * L;
    return PMV;
}

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                    THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN (BOUNDARY CONDITIONS)            |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| 1. Velocity Inlet (Miệng thổi 4 hướng):                                     |
|    - Vận tốc thổi: v = 2.5 m/s, Nhiệt độ cấp: T_supply = 18°C (291.15 K)    |
|    - Góc thổi cánh đảo gió: Khảo sát ở 30°, 60°, 90°, 120°, 150°            |
|    - Cường độ rối: I = 5%, Tỷ số nhớt rối: 10                               |
|                                                                             |
| 2. Pressure Outlet (Miệng hút hồi trung tâm):                               |
|    - Áp suất tĩnh: P_gauge = 0 Pa                                           |
|                                                                             |
| 3. Wall - Sinh viên (40 manikins):                                          |
|    - Mật độ thông lượng nhiệt bề mặt: q = 65 W/m²                           |
|    - Nguồn thải CO2 tại vùng mũi/miệng: Lưu lượng thở 0.35 m³/h/người       |
|    - Nồng độ CO2 khí thở ra: 40,000 ppm (Mass fraction = 0.06)              |
|                                                                             |
| 4. Wall - Kết cấu bao che:                                                 |
|    - Tường hướng Tây: Nhiệt độ vách cố định T = 32°C (305.15 K)             |
|    - Cửa kính: q_rad = 27.5 W/m²                                            |
|    - Trần, nền và tường nội bộ: Vách truyền nhiệt đoạn nhiệt (q = 0)        |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Testing và validation

1. Kiểm tra tính độc lập của lưới (Grid Independence Test)

Tiến hành chia lưới với 3 mật độ khác nhau để đảm bảo kết quả không phụ thuộc vào kích thước phần tử:

Cấp độ lưới Số lượng phần tử (Elements) Max Skewness Min Orthogonal Quality Nhiệt độ TB vùng làm việc (°C) Độ lệch tương đối (%)
Lưới thô (Coarse) $1,245,600$ $0.42$ $0.68$ $23.82$ Baseline
Lưới trung bình (Medium) $2,864,200$ $0.24$ $0.86$ $24.75$ $+3.90%$
Lưới mịn (Fine) $4,512,800$ $0.19$ $0.91$ $24.81$ $+0.24%$

Lưới trung bình ($2.86$ triệu phần tử) được lựa chọn để tối ưu hóa giữa độ chính xác và chi phí tài nguyên tính toán (thời gian tính toán $3.2 \text{ giờ}$ so với $7.8 \text{ giờ}$ của lưới mịn).

2. Đối chiếu thực nghiệm (Validation)

So sánh giá trị nhiệt độ mô phỏng số CFD với nhiệt độ đo đạc thực nghiệm tại 15 điểm đo (độ cao $Z = 1.1\text{m}$ - mặt phẳng thở khi ngồi):

So sánh Nhiệt độ: Mô phỏng CFD vs Thực nghiệm tại 15 điểm đo
Nhiệt độ (°C)
27 |                                                    
26 |     x---o       o       o---x   x---o       o---x  
25 | o-------x   x-------o               x---o          
24 |                                                    
23 +--------------------------------------------------
   P1  P2  P3  P4  P5  P6  P7  P8  P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15
   (Ghi chú: [o] Thực nghiệm | [x] Mô phỏng CFD)
  • Sai số tuyệt đối trung bình ($MAE$): $0.48^\circ\text{C}$.
  • Sai số phần trăm tuyệt đối trung bình ($MAPE$): $1.94%$ (nhỏ hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn tiêu chuẩn kỹ thuật $10%$).
  • Hệ số tương quan $R^2 = 0.942$, chứng minh mô hình số có độ tin cậy rất cao.

Kết quả đạt được

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      TỔNG HỢP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ CFD                       |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Chỉ số khảo sát            | Tiêu chuẩn mục tiêu    | Kết quả đạt được (CFD)|
+----------------------------+------------------------+-----------------------+
| Nhiệt độ trung bình ($T_a$)| 24.0°C - 26.0°C        | 24.7°C (± 0.8°C)      |
| Vận tốc gió trung bình ($v$)| 0.15 m/s - 0.25 m/s    | 0.18 m/s              |
| Chỉ số tiện nghi PMV       | -0.5 đến +0.5 (Loại B) | -0.15 đến +0.22       |
| Phần trăm bất mãn PPD      | < 10%                  | 5.8% - 7.2%           |
| Chỉ số gió lùa DR          | < 15%                  | 8.4%                  |
| Phân tầng nhiệt độ (VATD)  | < 3.0°C                | 0.9°C (giữa 0.1m-1.7m)|
| Nồng độ CO2 có thông gió   | < 1000 ppm             | 740 - 820 ppm         |
| Nồng độ CO2 phòng kín 100% | N/A (Nguy cơ)          | 1,480 ppm (vượt chuẩn)|
+-----------------------------------------------------------------------------+
  • Góc thổi tối ưu: Kết quả chỉ ra rằng khi cánh đảo gió dàn lạnh đặt ở góc $60^\circ$ và $120^\circ$, luồng không khí lạnh không dội trực tiếp vào đầu sinh viên, đồng thời tạo ra dòng tuần hoàn cưỡng bức phủ đều khắp phòng, giảm chênh lệch nhiệt độ giữa các dãy bàn đầu và cuối từ $2.8^\circ\text{C}$ xuống $0.7^\circ\text{C}$.
  • Hiệu quả thông gió: Khi không cấp gió tươi, nồng độ $\text{CO}_2$ tăng tuyến tính từ $420 \text{ ppm}$ lên $1480 \text{ ppm}$ sau 90 phút học tập. Khi kết hợp thông gió $25 \text{ m}^3/\text{h/người}$, nồng độ $\text{CO}_2$ ổn định ở mức $780 \text{ ppm}$ (giảm $47.3%$).

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng mô phỏng đa trường vật lý (Multi-physics Coupling): Tích hợp đồng thời mô hình truyền nhiệt bức xạ mặt trời qua vách kính, truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức từ điều hòa, đối lưu tự nhiên do nhiệt cơ thể sinh viên ($65 \text{ W/m}^2$) và cơ chế khuếch tán chất phản lực ($\text{CO}_2$ Species Transport).
  2. So sánh với các giải pháp phân phối khí truyền thống:
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                  SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN PHÂN PHỐI KHÔNG KHÍ                  |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Phương án             | Đồng đều nhiệt độ | Hiệu suất giải tỏa CO2 | PMV/PPD|
| 1. Thổi ngang (0-30°) | Kém (Đọng nhiệt)  | Thấp (Tích tụ vùng ngồi)| +0.85 |
| 2. Thổi thẳng (90°)   | Gió lùa buốt (DR) | Trung bình             | -0.92  |
| 3. Thổi xiên (60-120°)| Xuất sắc (ΔT<1°C) | Tối ưu (780 ppm)       | +0.08  |
+-----------------------------------------------------------------------------+
  1. Đóng góp học thuật và ứng dụng:
    • Xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu số hóa về trường vi khí hậu chuẩn cho các phòng học điển hình tại các trường đại học khối kỹ thuật ở khu vực phía Nam.
    • Cung cấp giải pháp định lượng góc mở cánh đảo gió ($60^\circ$) giúp tiết kiệm $18.5%$ điện năng tiêu thụ của máy lạnh nhờ giảm thiểu hiện tượng "ngắn mạch dòng khí" (short-circuiting airflow) mà vẫn duy trì vùng tiện nghi tối ưu ($PPD < 7%$).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai thực tế

  • Giảng đường đại học và trường học: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tái bố trí vị trí lắp đặt dàn lạnh và thiết lập góc cánh vẫy gió cố định trên remote/hệ thống BMS tại các phòng học A3-207, G106, A201, A308 thuộc HCMUTE.
  • Tòa nhà văn phòng mở (Open-plan Office): Ứng dụng mô hình tính toán để tối ưu hóa tỷ lệ cấp khí tươi hồi nhiệt (HRV), đảm bảo nồng độ $\text{CO}_2 < 800\text{ ppm}$ nhằm duy trì sự tỉnh táo và hiệu suất làm việc của nhân viên.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                  SƠ ĐỒ TRIỂN KHAI VẬN HÀNH THỰC TẾ (BMS/IOT)                |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Cảm biến IoT không dây]  -->  [Bộ điều khiển DDC/BMS]  -->  [Cơ cấu Chấp  |
|  - Cảm biến CO2 (NDIR)          - Thuật toán PID tối ưu        hành Điều hòa]|
|  - Cảm biến Nhiệt/Ẩm            - Điều chỉnh lưu lượng quạt    - Động cơ Step|
|  - Vị trí: Vùng thở 1.2m        - Điều khiển van gió tươi        cánh đảo 60°|
+-----------------------------------------------------------------------------+

Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí triển khai mô phỏng trước thi công: Tiết kiệm $100%$ chi phí sửa chữa, đục phá trần thạch cao và đi lại đường ống đồng do bố trí sai vị trí dàn lạnh.
  • Tiết kiệm năng lượng: Giảm $18.5%$ chi phí điện năng vận hành hàng tháng (ước tính tiết kiệm $\approx 3,200 \text{ kWh/năm}$ cho một cụm 5 phòng học tiêu chuẩn, tương đương hơn $8.5 \text{ triệu VNĐ/năm}$).
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Dưới $1.2 \text{ năm}$ đối với việc lắp đặt thêm hệ thống cấp gió tươi có hồi nhiệt dựa trên phân tích mô phỏng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mô phỏng được thiết lập ở chế độ dừng (steady-state), chưa xét đến động học chuyển động của sinh viên khi ra vào phòng hoặc mở cửa lớp học tức thời.
  • Hình học manikin sinh viên được làm mịn dạng khối đơn giản hóa để tiết kiệm tài nguyên chia lưới, chưa mô phỏng chi tiết bề mặt quần áo phức tạp.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Mở rộng mô hình mô phỏng chuyển tiếp (Transient Simulation) kết hợp giải thuật rối quy mô lớn (LES - Large Eddy Simulation) để đánh giá sự phát tán giọt bắn aerosol chứa virus (như SARS-CoV-2, Cúm A) trong không gian phòng học kín.
  • Tích hợp mô hình CFD vào mô hình thông tin công trình (BIM - Building Information Modeling) và xây dựng bản sao số (Digital Twin) theo thời gian thực cho toàn bộ tòa nhà trung tâm trường học.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên: Trực tiếp thụ hưởng môi trường học tập thoải mái, nhiệt độ đồng đều $24.5 - 25.5^\circ\text{C}$, nồng độ $\text{CO}_2$ thấp giúp tăng khả năng tập trung, hạn chế buồn ngủ và mệt mỏi thể chất.
  • Kỹ sư thiết kế HVAC: Tiếp cận quy trình tính toán phối hợp chuẩn giữa phương pháp tải lạnh Carrier và mô hình kiểm chứng số CFD trên phần mềm ANSYS Fluent.
  • Ban Quản lý cơ sở vật chất nhà trường: Có căn cứ khoa học chính xác để nghiệm thu, cải tạo hệ thống điều hòa - thông gió, tối ưu hóa chi phí tiền điện hàng tháng.
  • Nhà nghiên cứu khoa học: Tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt phương pháp luận, số liệu kiểm chuẩn thực tế cho các bài toán phân tán nhiệt và chất ô nhiễm trong không gian kín tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu cấu hình phần cứng tối thiểu để chạy mô phỏng CFD bài toán này là gì?

Hệ thống cần tối thiểu CPU 8 nhân/16 luồng (Intel Core i7 thế hệ 11 hoặc AMD Ryzen 7 trở lên), 32GB RAM để xử lý mô hình lưới khoảng 2.5 - 3.0 triệu phần tử, card đồ họa rời hỗ trợ CUDA (tối thiểu 6GB VRAM) và ổ cứng SSD NVMe còn trống trên 50GB để lưu trữ file dữ liệu kết quả .cas và .dat.

2. Tại sao góc thổi cánh đảo gió 60° và 120° lại mang lại hiệu quả tiện nghi cao nhất?

Ở góc thổi này, luồng khí lạnh có quỹ đạo parabol hướng lên trần và lan tỏa đều xuống vùng làm việc nhờ chênh lệch mật độ tự nhiên (khí lạnh nặng hơn chìm xuống). Điều này triệt tiêu hiện tượng dòng tia lạnh dội trực diện vào người (gây ra chỉ số gió lùa DR cao) và ngăn ngừa hiện tượng không khí lạnh bị hút ngược ngay vào miệng hồi trần.

3. Nồng độ CO2 vượt quá 1000 ppm trong phòng học ảnh hưởng như thế nào đến sinh viên?

Theo tiêu chuẩn ASHRAE 62.1 và DIN 1946, khi $\text{CO}_2 > 1000 \text{ ppm}$, độ bão hòa oxy trong máu giảm nhẹ, kích thích phản ứng tự nhiên của cơ thể gây buồn ngủ, uể oải, suy giảm khả năng xử lý thông tin phức tạp và giảm $15-20%$ hiệu suất làm bài kiểm tra.

4. Phương pháp Carrier có thể thay thế hoàn toàn mô phỏng CFD được không?

Không. Phương pháp Carrier chỉ tính toán cân bằng năng lượng tổng (công suất nhiệt tổng thể cần khử để chọn máy), không thể mô tả trường phân bố vận tốc, dòng quẩn, sự phân tầng nhiệt độ hay hiện tượng tích tụ chất ô nhiễm cục bộ như CFD.

5. Chi phí lắp đặt bổ sung hệ thống thông gió tươi cho phòng học có cao không?

Chi phí lắp đặt hệ thống quạt cấp gió tươi gắn tường hoặc âm trần kèm bộ lọc sơ cấp cho một phòng học diện tích $100\text{ m}^2$ dao động từ $12 - 18\text{ triệu VNĐ}$, một mức đầu tư rất nhỏ so với tổng chi phí hệ thống điều hòa nhưng nâng cao chất lượng không khí lên trên $60%$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu các điều kiện tiện nghi bằng phương pháp mô phỏng số cho phòng học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM" đã giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa vi khí hậu học đường bằng việc kết hợp hoàn hảo giữa phương pháp giải tích Carrier truyền thống và kỹ thuật mô phỏng số CFD hiện đại trên ANSYS Fluent.

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi vượt trội của phương án lắp đặt 02 dàn lạnh Cassette Daikin $3.5\text{ HP}$ với góc thổi $60^\circ$, duy trì trường nhiệt độ ổn định $24.7^\circ\text{C}$, chỉ số bất tiện nghi $PPD = 6.2%$, chỉ số gió lùa $DR = 8.4%$ và kiểm soát nồng độ $\text{CO}_2 < 800\text{ ppm}$ khi có thông gió. Đề tài không chỉ mang lại giá trị học thuật xuất sắc với độ tin cậy kiểm chuẩn sai số dưới $2%$, mà còn là cẩm nang kỹ thuật thực tiễn giá trị cho công tác thiết kế, vận hành hệ thống HVAC tiết kiệm năng lượng và vì sức khỏe cộng đồng.