Tính toán, Kiểm tra, Mô phỏng và Thiết kế lại Hệ thống Điều hòa không khí Sở TNMT Bình Dương

Bài viết cung cấp thông tin chi tiết về quy trình tính toán và kiểm tra hệ thống điều hòa không khí và thông gió (HVAC) cho trung tâm triển lãm WTC, Thành phố

• 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 Kỹ thuật Nhiệt
• 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. Tổng quan về tính toán hệ thống điều hòa không khí Sở TNMT Bình Dương

Hệ thống điều hòa không khí là yếu tố cốt lõi đảm bảo môi trường làm việc thoải mái tại tòa nhà Sở Tài Nguyên và Môi Trường tỉnh Bình Dương. Dự án này tập trung vào tính toán tải nhiệt, kiểm tra hệ thống hiện có, và thiết kế lại thông qua mô phỏng. Các thông số như nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tốc độ chuyển động không khí được phân tích để đánh giá hiệu suất. Công cụ Revit MEP 2019 hỗ trợ thiết kế bản vẽ, trong khi Ansys mô phỏng phân bố nhiệt độ và dòng khí. Mục tiêu là tối ưu hóa năng lượng và cải thiện điều kiện cho người sử dụng. Quá trình này dựa trên nguyên tắc truyền nhiệt và cơ chế làm mát, áp dụng cho các phòng làm việc, sảnh chung và khu vực trưng bày.

1.1. Vai trò của điều hòa không khí trong công trình

Điều hòa không khí duy trì nhiệt độ ổn định từ 24°C đến 28°C, tạo môi trường tiện nghi cho con người. Nó kiểm soát độ ẩm tương đối, ảnh hưởng đến quá trình bay hơi mồ hôi và cảm giác thoải mái. Hệ thống còn giảm nồng độ chất độc hại, cải thiện chất lượng không khí bên trong. Tại Sở TNMT, điều hòa hỗ trợ hoạt động hành chính và trưng bày, nâng cao hiệu suất làm việc. Thiết kế đúng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành dài hạn.

1.2. Các yếu tố môi trường cần tính toán

Nhiệt độ không khí là yếu tố chính, ảnh hưởng đến truyền nhiệt từ cơ thể ra môi trường. Độ ẩm tương đối quyết định mức độ thoát ẩm, cần duy trì ở mức cân bằng. Tốc độ chuyển động không khí tác động đến cảm giác thoải mái và phân bố nhiệt. Ngoài ra, nồng độ chất độc hại phải được kiểm soát để đảm bảo sức khỏe. Các yếu tố này được đo lường và tính toán cẩn thận trong quá trình thiết kế hệ thống điều hòa.

II. Phân tích vấn đề trong hệ thống điều hòa không khí

Hệ thống điều hòa tại Sở TNMT đối mặt với nhiều thách thức trong tính toán và vận hành. Tải nhiệt biến đổi do ảnh hưởng từ bức xạ mặt trời, nhiệt độ ngoài trời và mật độ người sử dụng. Các phòng có hướng tiếp giáp khác nhau dẫn đến chênh lệch nhiệt độ đáng kể. Ví dụ, hướng Bắc có diện tích 26m² tiếp giáp không khí ngoài trời, trong khi hướng Tây Bắc và Đông có không gian đệm không điều hòa. Việc tính toán truyền nhiệt qua tường, cửa sổ và mái nhà đòi hỏi độ chính xác cao. Sai sót có thể dẫn đến hệ thống hoạt động kém hiệu quả, gây lãng phí năng lượng và khó chịu cho người dùng.

2.1. Tải nhiệt và biến đổi môi trường

Tải nhiệt bao gồm nhiệt từ con người, thiết bị và truyền qua kết cấu xây dựng. Nhiệt độ ngoài trời thay đổi theo mùa, tác động trực tiếp đến công suất làm lạnh. Các phòng như hành chính, sảnh chung và phòng đọc có tải nhiệt khác nhau dựa trên diện tích và hướng. Ví dụ, khu vực trưng bày có kính tiếp giáp không khí ngoài trời đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng. Độ ẩm tương đối cũng ảnh hưởng đến tải ẩn, cần được kiểm soát để tránh ngưng tụ.

2.2. Hạn chế của hệ thống thiết kế ban đầu

Hệ thống cũ có thể không đáp ứng được tải nhiệt tăng do thay đổi công năng sử dụng. Bản vẽ thiết kế ban đầu cần được kiểm tra lại để đảm bảo tính chính xác. Các thông số như hệ số truyền nhiệt của vật liệu và hiệu suất thiết bị phải được đánh giá. Việc thiếu mô phỏng dẫn đến khó khăn trong dự đoán phân bố nhiệt độ. Do đó, cần áp dụng công nghệ mới để khắc phục các hạn chế này.

III. Giải pháp tính toán và mô phỏng hệ thống điều hòa

Giải pháp bao gồm tính toán chi tiết tải nhiệt, thiết kế lại bằng Revit MEP 2019 và mô phỏng bằng Ansys. Tải nhiệt được xác định qua công thức truyền nhiệt qua tường, cửa sổ và mái nhà, xét đến hướng và diện tích tiếp giáp. Revit MEP hỗ trợ xây dựng mô hình 3D, thống kê khối lượng vật liệu và tạo sơ đồ nguyên lý. Ansys mô phỏng phân bố nhiệt độ và vận tốc không khí trong vùng làm việc, giúp đánh giá hiệu suất. Quá trình này đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu, giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện điều kiện vi khí hậu.

3.1. Tính toán tải nhiệt và công suất làm lạnh

Tải nhiệt được tính dựa trên chênh lệch nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt. Công thức áp dụng cho tường, mái và cửa sổ, ví dụ: Q = k * F * Δt, với k là hệ số truyền nhiệt. Tổng tải nhiệt cho mỗi tầng được tổng hợp, như tầng 1 có tổng 17,2kW. Công suất làm lạnh được chọn dựa trên tải này, đảm bảo đáp ứng nhu cầu làm mát liên tục.

3.2. Mô phỏng phân bố nhiệt độ và dòng khí

Phần mềm Ansys mô phỏng không gian 3D để hiển thị phân bố nhiệt độ và vận tốc không khí. Kết quả giúp xác định vùng thoải mái và điểm nóng cần cải thiện. Mô phỏng xét đến yếu tố như nguồn nhiệt từ thiết bị và dòng khí tự nhiên. Dữ liệu từ mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống thông gió và điều hòa.

IV. Kết luận và ứng dụng của tính toán hệ thống điều hòa

Tính toán hệ thống điều hòa không khí tại Sở TNMT mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Kết quả bao gồm bảng tính toán chi tiết, sơ đồ nguyên lý và bản vẽ thiết kế cập nhật bằng Revit MEP. Mô phỏng Ansys cung cấp hình ảnh phân vùng nhiệt độ, giúp đánh giá hiệu suất và điều chỉnh. Ứng dụng của dự án mở rộng đến các công trình tương tự, cải thiện quy trình thiết kế và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống tối ưu hóa tạo môi trường làm việc thoải mái, hỗ trợ hoạt động hành chính và trưng bày hiệu quả. Công nghệ mô phỏng đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng và bền vững của hệ thống.

4.1. Kết quả đạt được từ dự án

Dự án đã hoàn thành bảng tính toán, so sánh với thiết kế ban đầu và tạo bản vẽ bằng Revit MEP. Mô phỏng Ansys hiển thị phân bố nhiệt độ trong vùng làm việc, cho thấy hiệu suất cải thiện. Các sản phẩm bao gồm sơ đồ nguyên lý và thống kê khối lượng vật liệu. Kết quả giúp kiểm tra hệ thống hiện có và đề xuất thiết kế lại phù hợp.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng

Cách tiếp cận này có thể áp dụng cho các tòa nhà công cộng khác, tối ưu hóa hệ thống điều hòa. Công nghệ Revit MEP và Ansys hỗ trợ thiết kế chính xác và tiết kiệm thời gian. Triển vọng bao gồm tích hợp hệ thống thông minh và tái tạo năng lượng. Dự án đóng góp vào phát triển bền vững, giảm tác động môi trường và nâng cao chất lượng không khí trong nhà.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG .1 Giới thiệu về điều hòa không khí .2 Ý nghĩa của điều hoà không khí .3 Ảnh hưởng của môi trường đến con người .1 Ảnh hưởng của nhiệt độ.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối.3 Ảnh hưởng của nồng độ các chất độc hại.4 Một số hệ thống điều hoà không khí phổ biến .1 Hệ thống điều hòa trung tâm giải nhiệt bằng nước (Water Chiller) .2 Hệ thống điều hòa VRV (Variable Refrigerant Volume): .5 Giới thiệu hệ thống điều hòa không khí tại công trình văn phòng và kho lưu trữ tài liệu tại Bình Dương.6 Phạm vi đề tài .6 Chương 2 : THÔNG SỐ TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA .1 Tổng quan về công trình .2 Thống kê thông tin phòng dựa theo bản vẽ thiết kế giai đoạn 1 .3 Chọn các thông số tính toán .11 Chương 3 : TÍNH TOÁN TẢI LẠNH .1 Nhiệt hiện bức xạ qua kính: Q1 .2 Nhiện hiện truyền qua kết cấu bao che Q2 .1 Nhiệt hiện truyền qua mái bằng bức xạ và do ∆t: Q21 .2 Nhiệt hiện truyền qua vách Q22.3 Nhiệt hiện truyền qua nền: Q23 .3 Nhiệt tỏa ra từ thiết bị Q3.1 Nhiệt hiện tỏa do đèn chiếu sáng: Q31 .2 Nhiệt hiện tỏa do máy móc: Q32 .4 Nhiệt hiện và nhiệt ẩn tỏa do người tỏa Q4 .1 Nhiệt hiện do người tỏa Q4h .2 Nhiệt ẩn do người tỏa Q4a .5 Nhiệt hiện và ẩn do gió tươi mang vào QN .6 Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do gió lọt Q5 .7 Nhiệt tổn thất do các nguồn khác Q6 .8 Tính toán ẩm thừa .1 Lượng ẩm thừa do người tỏa W1 .2 Lượng ẩm bay hơi từ bán thành phẩm W2 .3 Lượng ẩm bay hơi đoạn nhiệt từ sàn W3 .4 Lượng ẩm bay hơi từ thiết bị W4 .5 Kiểm tra đọng sương: .53 Chương 4 : THÀNH LẬP SƠ ĐỒ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ .1 Chọn sơ đồ điều hòa không khí .2 Sơ đồ điều hòa không khí tuần hoàn 1 cấp .3 Tính toán sơ đồ điều hòa không khí .1 Điểm gốc g và hệ số nhiệt hiện shf (εh) .2 Hệ số nhiệt hiện phòng RSHF (εhf) .3 Hệ số nhiệt hiện tổng GSHF (εht).4 Hệ số đi vòng (  BF ).5 Hệ số nhiệt hiện hiểu dụng ESHF (  hef ) .6 Nhiệt độ đọng sương ts.4 Thành lập sơ đồ tuần hoàn một cấp .5 Kiểm tra điều kiện đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh.6 Lưu lượng không khí .71 Chương 5 : KIỂM TRA CHỌN THIẾT BỊ .1 Tính chọn FCU: .3 Chọn dàn nóng .4 Chọn hệ thống split .5 Sử dụng VRV XPRESS để chọn dàn nóng và dàn lạnh .84 Chương 6 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT THÔNG GIÓ.1 Tính toán lưu lượng .2 Tính tổn thất áp suất .98 Chương 7 : TRIỂN KHAI BẢN VẼ BẰNG PHẦN MỀM REVIT MEP 2019 .1 Giới thiệu quy trình BIM và phần mềm REVIT MEP 2019 .1 Quy trình BIM .2 Sử dụng REVIT MEP 2019 triển khai lại bản vẽ hệ thống điều hòa không khí tại “công trình xây dựng kho lưu trữ của sở tài nguyên và môi trường”.1 Xây dựng mô hình hệ thống điều hòa không khí tầng 2 bằng Revit .2 Trình bày bản vẽ .3 Ứng dụng Revit trong xuất khối lượng bản vẽ .122 Chương 8 : ỨNG DỤNG CFD ĐỂ XEM XÉT SỰ PHÂN BỐ VẬN TỐC VÀ NHIỆT ĐỘ XUNG QUANH CON NGƯỜI TRONG VĂN PHÒNG .2 Giới thiệu về phần mềm Ansys .1 Lịch sử hình thành .2 Mục đích và phạm vi ứng dụng .3 Mô tả bài toán .5 Mô hình số .6 Điều kiện biên .1 Đánh giá sự hội tụ của bài toán.2 Đánh giá vùng nhiệt độ xung quanh con người .3 Đánh giá vùng vân tốc không khí chuyển động quanh người .4 Đánh giá nhiệt độ bề mặt người .153 TÀI LIỆU THAM KHẢO .174 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. ACH: Air Change per Hour 2. AHU: Air Handling Unit 3. BIM: Building Information Modeling 4.

ĐHKK: Điều hòa không khí 5. FCU: Fan Coil Unit 6. MAU: Make Up Air Unit 7. TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam 8.

BF: Hệ số đi vòng (BF) 9. ESHF: Hệ số nhiệt hiện hiệu dụng (hef) 10. GSHF: Hệ số nhiệt hiện tổng (ht) 11. RSHF: Hệ số nhiệt hiện phòng (hf) 12.

SHF: Hệ số nhiệt hiện (h) 13. CFD: Computational Fluid Dynamics 14. RANS: Reynolds Average Navier – Stokes Equations v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Hệ thống Water Chiller.

Hệ thống VRV.1: Phối cảnh tổng thể của công trình .1: Sơ đồ tính tổn thất nhiệt theo phương pháp Carrier.1: Điểm gốc G ( t = 240C,  = 50%) và thang chia hệ số nhiệt hiện .2: Hệ số nhiệt hiện tổng GSHF (εht) và sự biến đổi không khí HV trong dàn lạnh .3: Sơ đồ tuần hoàn không khí một cấp với các hệ số nhiệt hiện, hệ số đi vòng và quan hệ qua lại với các điểm H, T,O,S.4: Sơ đồ tuần hoàn không khí một cấp với các hệ số nhiệt hiện, hệ số đi vòng và quan hệ qua lại với các điểm H, T, O, S.5: Hình ảnh của đồ thị Psychrometric Chart. Xác định các điểm trạng thái trên ẩm đồ cho khu vực trưng bày triễn lãm (Hình ảnh được vẽ bằng AutoCad trên đồ thị Psychrometric Chart của Carrier).6: Hình ảnh của đồ thị Psychrometric Chart .1: Catalogue FCU của Dailkin .2: Catalogue FCU của Dailkin (Tiếp theo) .3: Hướng gió thổi ra của cassette .4: Phòng giải trí sử dụng điều hòa hai hướng thổi .5: Catalogue Cassette âm trần đa hướng thổi Dailkin.6: Catalogue dàn nóng của Dailkin .7: Catalogue sky air của Dailkin .8: Sơ đồ nối ống gas của thiết bị trên phần mềm XPRESS .1: Phân chia các điểm nút trên tuyến cấp gió tươi khu vực hành chính tầng 2 .2: Chiều dài các đoạn cần tính trên mặt bằng tầng 2 .3: Tính chọn quạt từ phần mềm Fantech. Quy trình BIM trong vòng đời công trình .2: Ứng dụng BIM trong thi công kết cấu tòa nhà Landmark 81 .3: Ứng dụng BIM trong thi công đỉnh tháp tòa nhà.4: Ứng dụng BIM trong thi công kết cấu thép.5: Công trình triển khai hệ thống ĐHKK bằng Revit MEP .6: Giao diện của Revit 2019 khi khởi động.7: Giao diện làm việc của Revit 2019 .9: Thanh Properties khi không click chọn đối tượng duct .10: Thanh Properties khi không click chọn đối tượng .11: Hộp thoại Type Properties .12: Thanh Project Browser.13: Cửa sổ Browser Organization.14: Vùng làm việc .15: Thanh Quick Access .16: Thanh View Control.17: Bản vẽ điều hòa thông gió tầng 02 của tòa nhà khi vẽ xong qua Revit.18: View 3D kèm theo của hệ điều hòa thông gió tầng 02 của tòa nhà .19: Bản vẽ Chiller tầng 05 của tòa nhà khi vẽ xong qua Revit .20: Bảng Interference Check .21: Mặt bằng bố trí hệ thống điều hòa, thông gió tầng 02 .22: Không gian 3 chiều của phòng máy chiller và cụm dàn nóng VRV .23: Không gian 3 chiều của thiết bị tách ẩm .24: Bảng New Schedule .25: Bảng Schedule Properties .26: Bảng thống kế khối lượng ống gió toàn bộ tòa nhà.27: Bảng Schedule Properties .28: Bảng thống kê có tính tổng khối lượng ống gió của tòa nhà .29: Bảng thống kê khối lượng ống gió theo từng tầng của tòa nhà .30: Bảng Schedule Properties .31: Bảng thống kê khối lượng ống gió tầng 02 của tòa nhà .32: Bảng thống kê khối lượng ống chiller của tòa nhà.33: Bảng thống kê khối lượng phụ kiện ống chiller tòa nhà .34: Bảng thống kê khối lượng thiết bị của tòa nhà .35: Bảng thống kê khối lượng phụ kiện ống gió của tòa nhà .1: Sự kết hợp giữa lý thuyết thử nghiệm và mô hình số .2: Mô phỏng dòng chảy bao các phương tiện xe tải và máy bay .3: Ứng dụng trong thiết kế hệ thống HVAC .4: Mô hình bài toán .5: Lưới Poly – hexcore .6: Dao động biến đổi giá trị vận tốc trung bình trong phòng .7: Dao động biến đổi giá trị nhiệt độ trung bình trong phòng .8: Lưu lượng không khí lạnh cấp vào của Cassette .9: Dao động biến đổi giá trị nhiệt độ trung bình trên bề mặt của người .10: Dao động biến đổi giá trị tính toán của các phương trình.11: Mặt cắt nhiệt độ trên sàn 50mm theo hướng ZX .12: Mặt cắt nhiệt độ trên sàn 500mm theo hướng ZX .13: Mặt cắt nhiệt độ trên sàn 1000mm theo hướng ZX .14: Mặt cắt nhiệt độ trên sàn 1500mm theo hướng ZX .15: Mặt cắt nhiệt độ trên sàn 2000mm theo hướng ZX .16: Mặt cắt nhiệt độ theo hướng YZ .17: Vận tốc không khí lạnh xung quanh người ở lưu lượng thấp của Casstte theo hướng YZ .18: Vận tốc không khí lạnh xung quanh người ở lưu lượng trung bình .19: Vận tốc không khí lạnh xung quanh người ở lưu lượng cao của Casstte theo hướng YZ .20: Mặt cắt vận tốc xung quanh người theo hướng YZ .21: Mặt cắt vận tốc không khí lạnh đi ra khỏi Cassette hướng YZ .22: Bảng tiêu chuẩn tiêu chí thiết kế chung .23: Nhiệt độ bề mặt người ở lưu lượng thấp .24: Nhiệt độ bề mặt người ở lưu lượng trung bình .25: Nhiệt độ bề mặt của người ở lưu lượng cao.26: Nhiệt độ con người ở mức nóng, bình thường, lạnh .152 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thống kê thông tin phòng.2: Thông số của vật liệu .3: Thông số nhiệt độ môi trường .4: Thông số nhiệt độ yêu cầu .5: Mật độ người .1: Hệ số ảnh hưởng của kính, tra bảng 4,3 tài liệu [1] chọn loại kính cơ bản .2: Hệ số mặt trời ảnh hưởng tới kính cơ bản và rèm che (Tra bảng 4, tài liệu [1] chọn loại màn che brella trắng kiểu Hà Lan) .3: Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính vào phòng .4: Hệ số tác dụng tức thời qua kính vào phòng .5: Nhiệt hiện bức xạ qua kính .6: Tính toán nhiện hiện truyền qua mái bằng bức xạ .7: Nhiệt truyền qua tường .8: Nhiệt truyền qua cửa ra vào .9: Nhiệt truyền qua cửa sổ .10: Nhiệt hiện truyền qua vách Q22 .11: Nhiệt hiện truyền qua nền Q23 .12: Nhiệt hiện tỏa do đèn chiếu sáng .13: Công suất của các thiết bị: .14: Nhiệt hiện tỏa do máy móc Q32 .15: Số liệu mật độ người theo thiết kế .16: Nhiệt hiện và nhiệt ẩn tỏa do người tỏa Q4 .17: Nhiệt hiện và ẩn do gió tươi mang vào QN .18: Nhiệt hiện và ẩn gió rò lọt Q5 .19: Ẩm thừa các khu vực .1: Hệ số nhiệt hiện RSHF ( εhf ) .2: Hệ số nhiệt hiện tổng GSHF (εht) .3: Hệ số nhiệt hiện hiểu dụng .4: Thông số trạng thái của các điểm khu vực trưng bày triễn lãm tầng 1 .5: Thông số trạng thái của các điểm của phòng hành chính 1 tầng 1 .1: Danh sách khối lượng FCU .2: Khối lượng cassette chọn.3: Khối lượng dàn nóng .4: Bảng khối lượng Sky Air .5: Thông số thiết kế của tầng 1 .1: Lưu lượng gió tươi cấp cho từng phòng .2: So sánh lưu lượng tính toán và lưu lượng thiết kế .