CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Trong xã hội hiện đại ngày nay, hệ thống điều hòa không khí là hệ thống thiết yếu cần có trong các tòa nhà dân cư hay thương mại, tương đương với hệ thống điện và hệ thống nước. Tuy nhiên, hệ thống này cũng là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cao. Theo nghiên cứu năm 2018 [1] hệ thống điều hòa không khí VRV/VRF chiếm đến 50% đến 70% mức tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà.
Cùng với sự bùng nổ trong việc xây dựng các tòa nhà cao tầng, nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng tăng mạnh. Báo cáo 2023 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ngày 19 tháng 5 năm 2023 chỉ ra rằng phụ tải toàn hệ thống điện quốc gia đã đạt mức kỷ lục 924 triệu kWh/ngày. Xu hướng sử dụng hệ thống điều hòa không khí VRV/VRF thay thế cho hệ điều hòa Chiller trong tòa nhà văn phòng đang gia tăng nhờ vào tính tiện lợi và hệ số chuyển đổi năng lượng cao. Sự gia tăng nhu cầu xã hội kéo theo sự tăng lên của công suất nhiệt trong các tòa nhà văn phòng, dẫn đến việc lắp đặt số lượng lớn dàn nóng trong cùng một khu vực.
Kết quả là nhiệt độ cục bộ tăng cao do hiện tượng quẩn khí thải, khiến làm hệ thống không thể vận hành hiệu quả. Trong bối cảnh này, việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điều hòa không khí (Heating, Ventilation, and Air conditioning – HVAC) trở nên đặc biệt quan trọng. Việc cải thiện hiệu suất của hệ thống HVAC không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà mà còn đóng góp vào việc đảm bảo cung ứng điện trong tình trạng nhu cầu điện năng gia tăng mạnh như hiện nay. Mục tiêu và hướng nghiên cứu 1.
Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu chính của Luận văn là nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của các phương án giải nhiệt cho dàn nóng của hệ thống điều hòa không khí VRV/VRF tại các công trình. 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đó ứng dụng cánh hướng dòng cho dàn nóng được phát triển nhằm xây dựng một phương pháp hỗ trợ tiềm năng trong giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điều hòa không khí. Từ đó có thể đề xuất tối ưu hóa phương án lắp đặt của cụm dàn nóng hệ thống điều hòa không khí. Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong phạm vi Luận văn này bao gồm: • Xây dựng mô hình vật lý lắp đặt cụm dàn nóng trên sân thượng • Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học lưu chất • Kiểm tra tính độc lập của cấu trúc lưới • Thành lập và thực hiện các ví dụ với số lượng dàn nóng bố trí khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của số lượng dàn đến các giá trị nhiệt độ, dòng chảy,… Từ đó đưa ra các nhận định và đề xuất để cải thiện hiệu suất làm việc hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong luận văn này bao gồm • Phương pháp mô phỏng CFD để phân tích các hiện tượng nhiệt động lực học trong hệ thống • Phương pháp thực nghiệm để xác minh kết quả mô phỏng • So sánh và đánh giá các phương án lắp đặt dàn nóng thông qua các chỉ số hiệu suất và hiệu quả năng lượng 1. Tình hình nghiên cứu 1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước Trong xu hướng nghiên cứu hiện nay, công cụ mô phỏng động lực chất lưu (CFD - Computational Fluid Dynamics) là một phương pháp cần thiết cho các nhà nghiên cứu. Mô phỏng CFD cung cấp khả năng mô phỏng và phân tích các hiện tượng liên quan đến dòng chất lưu, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm.
Bằng cách mô phỏng các điều kiện thực tế, CFD giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của sản phẩm, từ đó đưa ra những giải pháp kỹ thuật hiệu quả với chi phí thấp và giảm thiểu thời gian xây dựng mô hình nghiên cứu. Điều này 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các doanh nghiệp mà còn đóng góp vào sự tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sản phẩm công nghiệp. Lý thuyết về CFD được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân như phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng, phương trình năng lượng và một số phương trình khác nhằm mô phỏng tính toán các hiện tượng về nhiệt, lưu chất hoặc phản ứng hóa học xảy ra trong các hệ thống và mô hình. Hiện nay, CFD sử dụng các phương pháp thiết lập thuật toán như phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Methods – FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Diffrence Methods – FDM) và phương pháp thể tích hữu hạn (Finte Volume Methods – FVM).
Với sự hỗ trợ đắc lực của công cụ máy tính, việc giải các hệ phương trình mô phỏng trên theo phương pháp số đã trở nên đơn giản hơn và đem lại độ chính xác cao trong các phân tích và dự đoán. Thuật toán CFD được nhiều tổ chức và tập đoàn lớn như NASA, General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, Dassault Sytems, ANSYSM hay Bosch sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt, tối ưu hóa các sản phẩm nông nghiệp, điều hòa không khí, turbine và phát triển năng lượng tái tạo [2-9]. Đối với lĩnh vực năng lượng tái tạo, N. Hap [2-3] đã áp dụng mô phỏng dòng chảy bằng CFD dự đoán hiệu suất của máy sưởi không khí bằng năng lượng mặt trời trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
Ngo, et al [4 - 5] cũng đã sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT 18.2 để mô phỏng quá trình cháy tại đầu mỏ hàn với tấm thép gia nhiệt. Họ đã nghiên cứu tính đồng nhất của dòng thoát khi thay đổi hình dạng tim lửa của đầu khò khí để đảm bảo sự phân bố nhiệt độ đồng đều trên bề mặt tấm thép trong quá trình hàn. Trong lĩnh vực turbine, N. Hap và Lee.S [6] sử dụng phần mềm ANSYS CFX để tính toán mô phỏng một turbine sử dụng môi chất lạnh R134A.
Dựa trên kết quả đó đưa ra mô hình turbine 3 chiều được thiết kế với hiệu suất turbine trên 80% trong phạm vi sử dụng 10-15 cánh hướng dòng ống phun. 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong lĩnh vực đối lưu không khí, N. Hap et al [7] đã mô phỏng quá trình hỏa hoạn trong tầng hầm để đưa ra phương án tính toán cho hệ thống thông gió. Phu et al [8] cũng đã mô phỏng quá trình sấy tôm để đánh giá hiệu năng sấy và quá trình biến đổi nhiệt độ trên bề mặt sản phẩm.
Trong lĩnh vực truyền nhiệt, bài nghiên cứu của N. Truyen [9] đã mô phỏng xác định dòng chảy nhiệt và dòng chất lưu của nanofluid trong một kênh có vách ngăn đối diện với bức tường gia nhiệt. Đối với lĩnh vực điều hòa không khí, N. Hassan, et al [10] đã sử dụng CFD để phân tích về sự phân bổ luồng không khí, nhiệt độ và áp suất dòng không khí của một trung tâm dữ liệu tại Đại học CQ ở Úc, như được minh họa tổng quát ở Hình 1.
(a) Mô hình thực tế (b) Mô hình vật lý mô phỏng Hình 1.1 Trung tâm dữ liệu tại Đại học CQ, Úc. (a) Mô hình vật lý. (b) Mô hình vật lý mô phỏng 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Kết quả mô phỏng dự đoán nhiệt độ lớn nhất của dòng khí ở đầu vào và đầu ra lần lượt là 18℃ và 31℃ như được mô tả trong Hình 1.2, đạt được tiêu chuẩn ASHRAE. (a) Mặt cắt ngang (b) Mặt cắt đứng I (c) Mặt cắt đứng II Hình 1.2 Biểu đồ nhiệt tại mặt cắt đứng 5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT S.
Said [11] đã thực hiện mô phỏng lắp đặt 12 dàn nóng cho 6 tầng trong trục thông gió giữa của tòa nhà với ba mô hình lắp đặt khác nhau được thể hiện trong Hình 1.3, với 2 trường hợp là có sự thông gió từ dưới lên và không có sự thông gió, tổng cộng là 6 mô hình mô phỏng.3 Mô hình lắp đặt hệ dàn nóng cho 6 tầng tòa nhà Kết quả nghiên cứu chỉ ra khi đáy của trục thông gió thông suốt sẽ giảm nhiệt độ của khu vực không khí xung quanh dàn nóng, được biểu diễn trong các Hình 1. Và cũng có thể thấy được trong 3 mô hình thì mô hình (b) trong trường hợp có thông gió tự nhiên là trường hợp tối ưu nhất. 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (a) Đóng đáy (b) Mở đáy Hình 1.4 Trường phân bố nhiệt độ của mô hình (a) trong 2 trường hợp có thông gió và không có thông gió (a) Đóng đáy (b) Mở đáy Hình 1.5 Trường phân bố nhiệt độ của mô hình (b) trong 2 trường hợp có thông gió và không có thông gió 7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (a) Đóng đáy (b) Mở đáy Hình 1.6 Trường phân bố nhiệt độ của mô hình (c) trong 2 trường hợp có thông gió và không có thông gió T. Chow, et al[12-13] đã thực hiện hai nghiên cứu mô phỏng sử dụng dàn nóng điều hòa 2 mảng đối với các chung cư cao tầng ở Hong Kong.
Thông qua các chỉ số về đánh giá hiệu quả năng lượng cũng chỉ ra việc lắp đặt dọc chung hướng tương đối tốt nhất. Họ cũng phát hiện ra cấu trúc thông tầng dọc trục của chung cư hình chữ T có hiệu quả thông gió tốt nhất, ngược lại cấu trúc hình chữ I lại mang hiệu quả thông gió kém nhất. Kiến nghị về khoảng cách giữa các dàn nóng cũng được đề xuất, với ý kiến rằng nên càng xa càng tốt. Nghiên cứu của Y.
Zang et al [14] mô phỏng cách lắp đặt hệ thống dàn nóng VRV cho tòa nhà 30 tầng, mô tả như Hình 1. Phát hiện ra rằng việc lắp đặt dàn nóng cách tầng sẽ làm giảm nhiệt độ trung bình vào các dàn nóng đi 22% so với việc lắp đặt các dàn nóng mỗi tầng. Điều này cũng cho thấy việc tạo không gian nghỉ giữa các khu vực giải nhiệt của hệ cụm dàn nóng là cần thiết. 8 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 1.7 Sơ đồ bố trí và phân bố trường nhiệt độ không khí ở mặt cắt ngang của mô hình lắp đặt cách tầng Hình 1.