Ứng dụng Thuật toán Chuồn chuồn để tối ưu hóa năng lượng vòng đời tòa nhà

Luận văn nghiên cứu ứng dụng thuật toán chuồn chuồn để tối ưu hóa năng lượng vòng đời tòa nhà, góp phần phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

• Tác giả: Dương Anh Trung
• Người hướng dẫn: Nguyễn Trần Ngọc Cương
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Quản lý xây dựng
• Đề tài: Ứng dụng thuật toán Chuồn chuồn vào tối ưu hóa năng lượng tòa nhà
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thuật toán Chuồn chuồn trong Tối ưu hóa Năng lượng

Thuật toán chuồn chuồn (Dragonfly Algorithm) là một phương pháp tối ưu hóa meta-heuristic được lấy cảm hứng từ hành động săn mồi và di chuyển của chuồn chuồn trong tự nhiên. Phương pháp này được áp dụng hiệu quả để giải quyết các bài toán tối ưu hóa năng lượng tòa nhà phức tạp. Trong lĩnh vực xây dựng, việc sử dụng thuật toán chuồn chuồn kết hợp với Levy Flight giúp tìm ra những giải pháp tối ưu cho việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong suốt vòng đời của công trình. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển bền vững ngành xây dựng, giúp các nhà quản lý xây dựng đưa ra quyết định hiệu quả hơn.

1.1. Khái niệm cơ bản về Thuật toán Chuồn chuồn

Thuật toán chuồn chuồn là một kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên hành vi tập thể của chuồn chuồn. Các chuồn chuồn có khả năng di chuyển linh hoạt, thích ứng nhanh với môi trường và tìm kiếm thức ăn hiệu quả. Thuật toán này mô phỏng những đặc điểm này để tìm giải pháp tối ưu cho các bài toán phức tạp. Trong tối ưu hóa năng lượng tòa nhà, nó giúp xác định các tham số thiết kế tối ưu nhất để giảm năng lượng vòng đời công trình.

1.2. Ứng dụng Levy Flight trong Thuật toán Chuồn chuồn

Levy Flight là một kỹ thuật khám phá không gian tìm kiếm được kết hợp với thuật toán chuồn chuồn để tăng cường khả năng tối ưu hóa. Phương pháp này cho phép thuật toán thoát khỏi những điểm cực tiểu địa phương và tìm được giải pháp tối ưu toàn cục tốt hơn. Sự kết hợp này đặc biệt hiệu quả trong việc tối ưu hóa năng lượng của tòa nhà, nơi có nhiều biến số ảnh hưởng phức tạp.

II. Phương pháp Đánh giá Năng lượng Vòng đời LCE

Phương pháp năng lượng vòng đời (Life Cycle Energy - LCE) là công cụ quan trọng để đánh giá toàn bộ năng lượng tiêu thụ của một công trình xây dựng từ khi bắt đầu đến hết. Phương pháp này tính toán năng lượng trong các giai đoạn: sản xuất vật liệu, vận chuyển, xây dựng, bảo dưỡng định kỳ, vận hành và cuối cùng là phá hủy. Việc áp dụng LCE kết hợp với thuật toán chuồn chuồn cho phép các nhà quản lý xây dựng hiểu rõ hơn về tối ưu hóa năng lượng tòa nhà. Điều này giúp giảm thiểu tác động môi trường và chi phí năng lượng trong suốt vòng đời công trình.

2.1. Các giai đoạn tính toán trong LCE

Phương pháp LCE chia vòng đời công trình thành các giai đoạn chính: giai đoạn sản xuất vật liệu, vận chuyển và xây dựng, bảo dưỡng định kỳ, vận hành công trình và phá hủy. Mỗi giai đoạn có những yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến tổng năng lượng vòng đời. Việc tính toán chi tiết từng giai đoạn giúp xác định những điểm tiêu thụ năng lượng cao nhất, từ đó đưa ra những cải tiến cụ thể.

2.2. Ưu điểm của LCE trong Quản lý Xây dựng

Phương pháp LCE cung cấp cái nhìn toàn diện về năng lượng tiêu thụ của công trình, vượt ra ngoài chỉ xem xét giai đoạn vận hành. Điều này cho phép các nhà quản lý xây dựng đưa ra những quyết định tốt hơn về lựa chọn vật liệu, thiết kế và kỹ thuật xây dựng. LCE là nền tảng quan trọng để thực hiện tối ưu hóa năng lượng hiệu quả.

III. Quy trình Tối ưu hóa Năng lượng Tòa nhà

Quy trình tối ưu hóa năng lượng tòa nhà sử dụng thuật toán chuồn chuồn bao gồm nhiều bước liên tiếp để đạt được hiệu quả năng lượng tối đa. Đầu tiên, cần xác định các biến tối ưu như đặc tính vật liệu, thiết kế kiến trúc, hệ thống HVAC và cách sử dụng tòa nhà. Sau đó, ứng dụng thuật toán chuồn chuồn để khám phá không gian giải pháp và tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Quá trình này được lặp lại nhiều lần với sự hỗ trợ của Levy Flight để đảm bảo tìm được giải pháp tối ưu toàn cục. Kết quả là các tham số tối ưu giúp giảm thiểu năng lượng vòng đời công trình.

3.1. Xác định các Biến tối ưu

Các biến tối ưu trong tối ưu hóa năng lượng tòa nhà bao gồm: loại và độ dày cách nhiệt, tính chất kính cửa, hiệu suất hệ thống HVAC, và hệ thống điều hòa không khí. Việc xác định chính xác những biến này là tiền đề để thuật toán chuồn chuồn hoạt động hiệu quả. Mỗi biến ảnh hưởng trực tiếp đến tổng năng lượng tiêu thụ của công trình.

3.2. Thực hiện Thuật toán Chuồn chuồn

Thuật toán chuồn chuồn bắt đầu với một tập hợp giải pháp ban đầu ngẫu nhiên, sau đó các chuồn chuồn ảo di chuyển trong không gian tìm kiếm để tối ưu hóa các biến. Levy Flight được áp dụng để tăng khả năng khám phá và tránh cực tiểu địa phương. Quá trình lặp lại cho đến khi đạt được hội tụ và tìm ra giải pháp tối ưu cho năng lượng tòa nhà.

IV. Kết quả và Ứng dụng Thực tiễn

Kết quả từ tối ưu hóa năng lượng tòa nhà sử dụng thuật toán chuồn chuồn cho thấy những cải thiện đáng kể trong giảm thiểu năng lượng vòng đời công trình. Những giải pháp tối ưu tìm được không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng mà còn giảm tác động môi trường đáng kể. Trong thực tiễn, các nhà quản lý xây dựng có thể áp dụng những kết quả này vào thiết kế mới hoặc cải tạo công trình hiện có. Thuật toán chuồn chuồn đã chứng minh hiệu quả cao trong việc tìm ra những giải pháp tối ưu cho bài toán tối ưu hóa năng lượng phức tạp. Đây là một bước quan trọng hướng tới phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

4.1. Thành quả từ Ứng dụng Thuật toán

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng tối ưu hóa năng lượng sử dụng thuật toán chuồn chuồn có thể giảm năng lượng vòng đời từ 15-30% so với thiết kế thông thường. Giải pháp tối ưu này có thể được áp dụng vào các dự án xây dựng mới, giúp phát triển bền vững và giảm chi phí vận hành dài hạn.

4.2. Triển khai trong Quản lý Xây dựng Hiện đại

Thuật toán chuồn chuồn đã được các chuyên gia quản lý xây dựng sử dụng để tối ưu hóa năng lượng trong nhiều dự án thực tế. Phương pháp này giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định khoa học dựa trên dữ liệu, hỗ trợ phát triển bền vững và giảm tác động môi trường của ngành xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề nghiên cứu + Giới thiệu chung + Xác định vấn đề nghiên cứu + Mục tiêu nghiên cứu + Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Bố cục luận văn + Đóng góp dự kiến của nghiên cứu Chương 2. Tổng quan đề tài nghiên cứu HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 6 + Tổng quan một số nghiên cứu về năng lượng + Một số nghiên cứu liên quan đến phương pháp năng lượng vòng đời (LCA) trên thê giới + Một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng tại Việt Nam + Các phương pháp nghiên cứu về vấn đề tối ưu + Các phương pháp tối ưu + Một số nghiên cứu về thuật toán tối ưu Chuồn chuồn (Dragonfly optimization) Chương 3. Phương pháp nghiên cứu + Quy trình nghiên cứu + Mô hình nghiên cứu + Đánh giá vòng đời (Life Cycle Assessment) + Năng lượng vòng đời (Life cycle energy - LCE) + Xác định hàm mục tiêu nghiên cứu + Thuật toán nghiên cứu Chương 4. Xây dựng mô hình và trường hợp nghiên cứu + Xây dựng mô hình + Case study - Mô hình nghiên cứu + Dự án nghiên cứu + Năng lượng vòng đời của tòa nhà + Kết quả nghiên cứu Chương 5.

Kết luận, kiến nghị và hướng nghiên cứu trong tương lai + Kết luận + Hướng nghiên cứu có thể mở rộng Chương 6. Tài liệu tham khảo và trích dẫn 1. Đóng góp dự kiến của nghiên cứu ❖ Đóng góp về mặt học thuật: - Nghiên cứu về vấn đề năng lượng đã sử dụng trong suốt quá trình vòng đời của tòa nhà. Đây là vấn đề không mới đối với thế giới nhưng Việt Nam ta chưa được nghiên cứu và quan tâm đúng mức.

Bên cạnh đó, nghiên cứu còn HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 7 tối ưu năng lượng vòng đời của công trình bằng các thuật toán tối ưu, tìm kiếm và lựa chọn các vật liệu phù hợp, thân thiện với môi trường. Do đó đề tài sẽ góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển bền vững trong xây dựng. ❖ Đóng góp về mặt thực tiễn: - Nghiên cứu giúp nhà đầu tư có góc nhìn tổng quan hơn và đúng hơn về việc xây dựng bền vững. Giảm thiểu về mặt ô nhiễm môi trường.

Thay đổi góc nhìn về yếu tố năng lượng của các Chủ đầu tư hiện nay, từ đó góp phần giúp thúc đẩy phát triển công trình xanh, xây dựng các dự án bền vững HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 8 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2. Tổng quan một số nghiên cứu về năng lượng 2. Một số nghiên cứu liên quan đến phương pháp năng lượng vòng đời (LCA) trên thê giới Bảng 2.1 Một số nghiên cứu về năng lượng trên thế giới STT Tác giả Năm Mô tả - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của năng lượng ban đầu trong mô hình nhà ở tại Hồng Kông.

Kết quả cho thấy Năng lượng sử T. dụng trong các tòa nhà chiếm gần một nửa tổng năng lượng 1 Burnett, C. 2000 sử dụng sơ cấp ở Hồng Kông, trong đó năng lượng từ thép và Chau nhôm được xếp hạng là nhu cầu năng lượng lớn thứ nhất và thứ hai và có thể chiếm hơn 3/4 tổng lượng năng lượng sử dụng trong tòa nhà dân cư ở Hồng Kông.[10] Nghiên cứu đánh giá vòng đời (LCA) của một ngôi nhà biệt M. lập 3 phòng ngủ ở Scotland với năm vật liệu xây dựng chính 2 Muneer, R.

2005 là gỗ, nhôm, thủy tinh, bê tông và gạch men. Kết quả cho thấy Kelley chỉ riêng bê tông đã tiêu thụ 65% tổng năng lượng tiêu tốn của ngôi nhà. [11] Nghiên cứu về phân tích năng lượng vòng đời của các tòa nhà từ 73 trường hợp trên 13 quốc gia. Nghiên cứu bao gồm cả tòa nhà dân cư và văn phòng.

Kết quả cho thấy rằng các giai đoạn sử dụng năng lượng vận hành (80–90%) và tiêu biểu T. Ramesh, Ravi (10–20%) là những yếu tố đóng góp đáng kể vào nhu cầu 3 Prakash, K. 2010 năng lượng trong vòng đời của tòa nhà. Yêu cầu năng lượng Shukla vòng đời (sơ cấp) của các tòa nhà dân cư thông thường nằm trong khoảng 150–400kWh/m2 mỗi năm và của các tòa nhà văn phòng trong khoảng 250–550kWh/m2 mỗi năm.

Nhu cầu năng lượng trong vòng đời của tòa nhà có thể được giảm bớt HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 9 STT Tác giả Năm Mô tả bằng cách giảm đáng kể năng lượng vận hành của tòa nhà.[15] Nghiên cứu đã cung cấp những khái niệm cơ bản về năng lượng, các năng lượng thành phần cũng như cách xác định G. Hammond 2008, của chúng. Nghiên cứu còn dựa vào các trường hợp thực tế 4 and C. Jones 2011 để tổng hợp số liệu, đưa ra cách xác định năng lượng ban đầu của vật liệu thông qua công thức, hệ số và các bảng tra sẵn có.

[16, 17] Nghiên cứu năng lượng vòng đời của một ngôi nhà dân cư Talakonukula dành cho nhiều gia đình gồm 4 tầng ở Allahabad (U.P), Ấn Ramesh, Ravi Độ. Kết quả cho thấy năng lượng vận hành (89%) của tòa nhà 5 Prakash, 2013 đóng góp lớn nhất vào năng lượng vòng đời của tòa nhà, tiếp Karunesh Kumar theo là năng lượng tiêu biểu (11%). Thép, xi măng và gạch là Shukla những vật liệu đóng góp quan trọng nhất vào biểu đồ năng lượng thể hiện ban đầu. - Sử dụng thuật toán di truyền (NSGA-II) để tối ưu đa mục tiêu: Tiết kiệm năng lượng, Chi phí và Tiện nghi nhiệt trong nhà.

Nghiên cứu về năng lượng vòng đời của 8 tòa nhà dân cư tại Lisa Guana, Queensland, Australia. Kết quả cho thấy đóng góp chính vào Madeleine năng lượng vận hành trong các tòa nhà dân cư là từ việc sử 7 2015 Walmselya and dụng các thiết bị chung. Việc lựa chọn vật liệu xây dựng được Guangnan Chenb chứng minh là có tác động đáng kể đến năng lượng tiêu tốn cho các giai đoạn sản xuất, xây dựng, bảo trì và phá dỡ. Năng HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 10 STT Tác giả Năm Mô tả lượng biểu hiện có thể thay đổi từ 10% đến 30%, trong khi năng lượng hoạt động có thể thay đổi từ 65% đến 90%.

Năng lượng phá hủy thường chiếm ít hơn 4% năng lượng của vòng đời. Đồng thời Sharif, Amin nghiên cứu tìm kiếm phương án cải tạo với chi phí hạn chế Hammad nhất có thể: Thay thế hệ thống HVAC; vật liệu và thiết kế bề ngoài của tòa nhà; hệ thống chiếu sáng.[19] Nghiên cứu đã xây dựng: Mô hình phân tích năng lượng để tối ưu hóa thiết kế vỏ bọc tòa nhà, theo cách giảm mức tiêu thụ năng lượng vận hành. Tích hợp một mô hình tối ưu hóa toán học để lựa chọn vật Najjar, 9 2019 liệu tối ưu cho các bộ phận khác nhau của tòa nhà. Mohammad, et al.

Đánh giá vòng đời (LCA) và Mô hình hóa thông tin tòa nhà (BIM) để phân tích yêu cầu năng lượng vận hành, chi phí thiết kế được thông qua, dễ dàng xây dựng các dự án tòa nhà, cũng như các tác động môi trường phát sinh.[20] Nghiên cứu về các biện pháp, giải pháp trang bị thêm đối đối Farshid Shadram, với một tòa nhà ở Thụy Điển nhằm giảm năng lượng tiêu thụ. Shimantik, Kết quả tối ưu hóa chỉ ra rằng (1) sử dụng thêm vật liệu cách Bhattacharjee, 10 2020 nhiệt trong tường và mái nhà, (2) thay thế các cửa sổ hiện có Sofia Lidelöw, bằng cửa sổ tiết kiệm năng lượng hơn và (3) thay đổi hệ thống Jani Mukkavaara, thông gió chiết xuất cơ học truyền thống sang thông gió thu Thomas Olofsson hồi nhiệt là những ưu tiên hàng đầu.[12] HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 11 STT Tác giả Năm Mô tả Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa được áp dụng cho các hệ thống năng lượng tái tạo là tối ưu hóa đa mục tiêu bằng Thuật toán 11 Chen She, et al. 2021 tối ưu hóa Archimedes nâng cao (EAOA) trên thiết kế ban đầu về chi phí năng lượng và mô hình tối ưu năng lượng. Bài báo đề xuất phương pháp kết hợp mạng 12 2021 al nơron nhân tạo và các thuật toán metaheuristic để tối ưu hóa đồng thời hiệu suất năng lượng và thoải mái nhiệt độ trong tòa nhà.

Mô hình thực hiện trên dự án thực tế ở Morocco.[22] Nghiên cứu sử dụng phương pháp cải tiến đánh giá năng lượng ban đầu để định lượng năng lượng thể hiện ban đầu và định kỳ trong khoảng thời gian 50 năm, mang lại đánh giá toàn diện nhất có thể về năng lượng thể hiện. Nghiên cứu cho thấy tổng nhu cầu năng lượng của vòng đời của ngôi nhà Robert H. 13 2022 nghiên cứu điển hình là 10.612 GJ, hay 36,4 GJ/m2. Trong Crawford số này, năng lượng hoạt động được chứng minh là chiếm 40%, năng lượng tiêu hao ban đầu chiếm 37% và năng lượng tiêu hao định kỳ chiếm 22% trong tổng số.

Điều này chứng tỏ rằng năng lượng thể hiện trong các tòa nhà quan trọng hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.[23] Việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm năng lượng thụ động (ví dụ: lớp cách nhiệt dày trên tường) không chỉ ảnh hưởng Farshid Shadram đến tính bền vững trong vòng đời của các tòa nhà mà còn ảnh 14 and Jani 2022 hưởng đến diện tích sàn và lợi nhuận của nó. Điều này có thể Mukkavaara ảnh hưởng đến các quyết định lựa chọn biện pháp nhằm cải thiện tính bền vững. Do đó, nghiên cứu này về tối ưu hóa đa HVTH: DƯƠNG ANH TRUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 12 STT Tác giả Năm Mô tả mục tiêu được sử dụng để khám phá tác động của các biện pháp hiệu quả năng lượng thụ động khác nhau đối với tính bền vững của vòng đời khi tính đến lợi nhuận của diện tích sàn. Trường hợp xây dựng là một căn hộ cao tầng dựa trên ý tưởng xây dựng tiêu chuẩn nằm ở các địa điểm khác nhau ở Thụy Điển, cụ thể là Vindeln, Gothenburg và Stockholm.

Các phát hiện chỉ ra rằng, bất kể ở vị trí nào, việc sử dụng (1) lớp phủ cellulose dày cho mái nhà và (2) polystyrene giãn nở có độ dày vừa phải cho sàn là cần thiết để cải thiện tính bền vững của vòng đời tòa nhà.[24] Nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu năng lượng cho các tòa nhà cải tạo xây dựng trước thế kỷ 21. Nghiên cứu tối ưu kết hợp năng lượng và khí thải carbon thông qua phân tích ảnh 15 Gao, Bo, et al. 2023 hưởng của các biến số vận hành đối với lượng khí thải carbon và số giờ khó chịu do nhiệt (TDH). Tác giả tiếp tục sử dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo AI để tìm ra lời giải tối ưu.

Một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng tại Việt Nam Bảng 2.