Thiết kế thông gió và Mô phỏng CFD

Thiết kế thông gió và Mô phỏng CFD

Khóa đào tạo sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về thiết kế thông gió tự nhiên và ứng dụng phân tích CFD trong mô phỏng thông gió công trình.

Thông gió tự nhiên giúp cải thiện chất lượng không khí và tiện nghi nhiệt bên trong công trình mà không cần hoặc hạn chế sử dụng đến hệ thống thông gió cơ khí, do đó giúp giảm năng lượng tiêu thụ. Thông gió tự nhiên thường là một giải pháp thiết yếu trong các công trình công nghiệp, nơi thường có kích thước lớn với mật độ sinh nhiệt cao, tạo ra chất gây ô nhiễm trong quá trình hoạt động và đòi hỏi một mức tiêu thụ năng lượng rất lớn nếu như sử dụng hệ thống thông gió cơ khí.

Đồng thời, với sự phát triển của máy tính và các phần mềm mô phỏng, phân tích động lực học chất lưu, viết tắt là CFD (là một phương pháp được sử dụng để mô hình hóa ứng xử của dòng chất lưu) đã được áp dụng ngày càng phổ biến trong thiết kế công trình. CFD thường được sử dụng để tính toán, phân tích và thể hiện một cách trực quan sự di chuyển của các dòng khí, sự phân bố nhiệt độ và mức độ phân tán các chất ô nhiễm trong không gian, từ đó cho phép kỹ sư tính toán chính xác hơn, trình bày kết quả một cách thuyết phục hơn và dễ dàng kiểm tra, so sánh mức độ hiệu quả của các phương án thiết kế đưa ra.

Dưới đây là một vài ví dụ điển hình về tính cần thiết của tư vấn thông gió tự nhiên và phân tích CFD:

• Công trình công nghiệp: Thông gió tự nhiên & cưỡng bức; kiểm soát biên nhiệt độ, nồng độ khí & hạt ô nhiễm
• Bãi đỗ xe: Kiểm soát nồng độ CO; tối ưu hóa việc bố trí quạt thổi tạo dòng (jet fan), kiểm chứng thiết kể tuân thủ theo quy chuẩn
• Phòng sạch: Lưu thông khí & phân bố nhiệt độ; kiểm soát nồng độ khí và hạt ô nhiễm; kiểm chứng thiết kế tuân thủ theo quy chuẩn về sức khỏe & an toàn
• Trung tâm dữ liệu (Data Center): Lưu thông khí & phân bố nhiệt độ; tối ưu bố trí dàn máy & vị trí CRAC; phát hiện điểm nóng & dòng khí bị nối tắt
• Tòa nhà thương mại, văn phòng và nhà ở: Thông gió tự nhiên & cưỡng bức; kiểm soát chất lượng không khí trong nhà & tiện nghi nhiệt

Mục tiêu đạt được sau khóa học

Một số câu hỏi phần Q&A

Hello! Cho mình hỏi hiện tại mô phỏng đóng vai trò như thế nào trong hệ thống công trình xanh? Mô phỏng có phải là việc quan trọng cần thiết mà mọi công trình đều cần hay không? Công việc mô phỏng theo mình được biết là rất phức tạp, vậy hiện tại đã có chứng chỉ hay một tiêu chuẩn chung cho công việc này chưa?

Sự cần thiết của CFD là rất rõ ràng vậy mình muốn hỏi nhu cầu và sự phát triển của lĩnh vực này ứng dụng trong lĩnh vực này dựa trên kinh nghiệm của bạn thế nào?

Vai trò CFD trong công trình xanh đều được đề cập trong các tiêu chí đánh giá. Bên cạnh phương pháp tính toán cơ sở về diện tích lổ mở tối thiểu thì CFD được khuyến khích thực hiện để đem lại kết quả chính xác hơn. Đồng thời CFD giúp trình bày kết quả phân tích bằng hình ảnh một cách trực quan và dễ hiểu hơn.

Mô phỏng CFD sẽ hiệu quả đối với các công trình yêu cầu cao về tiện nghi nhiệt, các công trình công nghiệp nơi mà thông gió tự nhiên được tận dụng như 1 giải pháp tiết kiệm chi phí.

CFD là một ngành học và có thể áp dụng được cho nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, xe hơi,… Hiện tại trong mảng xây dựng thì vẫn chưa thấy 1 chứng chỉ chuyên gia, có chăng chỉ là chứng nhận hoàn thành khóa đào tạo về CFD.

CFD là mảng mới, ứng dụng trong thiết kế công trình sẽ có tính thuyết phục cao. Đa số dự án công nghiệp ở Việt Nam thường bị quẩn nóng, các hệ thống đã thiết kế hiện tại chưa giải quyết thông gió tốt. Nhiều chủ đầu tư chưa hiểu rõ tầm quan trọng của CFD. Do đó ứng dụng CFD trong xây dựng tương lai có khả năng triển khai nhiều hơn khi có sự phối hợp của cộng đồng kĩ sư trong phương án tiếp cận thuyết phục chủ đầu tư.

Chủ đề hôm nay mình bàn về thông gió trong tòa nhà. Chắc chủ đề sau Linh với Vàng xem xét vụ ứng dụng mô phỏng CFD thay cho mô phỏng hầm gió wind tunnels (tiêu chuẩn EN 1-4 và ASCE 7-05) cho kết cấu nhà cao tầng nhé?

Dạ anh tụi em sẽ xem xét, vì backgound của em cũng là dân kết cấu công trình. Thông thường các công trình có hình dạng phức tạp thường được khuyến khích sử dụng phân tích CFD để xác định thành phần tĩnh tải của tải trọng gió, nhằm so sánh và kiểm chứng với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn (TCVN 2737, EN 1-2 hay ASCE 7-05). Phương pháp CFD có thể thể hiện kết quả một cách trực quan về phân bố vận tốc gió, dòng gió và các xoáy xung quanh công trình, áp suất trên bề mặt của công trình, đồng thời còn có thể xét được ảnh hưởng của quá trình thi công và các công trình xung quanh, điều mà tính toán theo tiêu chuẩn không thể thực hiện được. Phương pháp phân tích CFD sẽ giúp giảm thời gian thực hiện và tiết kiệm chi phí khá lớn so với việc thực hiện mô hình thí nghiệm hầm gió. Tuy nhiên việc thực hiện này cần có người am hiểu sâu về CFD cũng như kiến thức về kết cấu.

Chủ đề hôm nay mình bàn về thông gió trong tòa nhà. Chắc chủ đề sau Linh với Vàng xem xét vụ ứng dụng mô phỏng CFD thay cho mô phỏng hầm gió wind tunnels (tiêu chuẩn EN 1-4 và ASCE 7-05) cho kết cấu nhà cao tầng nhé?

Dạ anh tụi em sẽ xem xét, vì backgound của em cũng là dân kết cấu công trình. Thông thường các công trình có hình dạng phức tạp thường được khuyến khích sử dụng phân tích CFD để xác định thành phần tĩnh tải của tải trọng gió, nhằm so sánh và kiểm chứng với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn (TCVN 2737, EN 1-2 hay ASCE 7-05). Phương pháp CFD có thể thể hiện kết quả một cách trực quan về phân bố vận tốc gió, dòng gió và các xoáy xung quanh công trình, áp suất trên bề mặt của công trình, đồng thời còn có thể xét được ảnh hưởng của quá trình thi công và các công trình xung quanh, điều mà tính toán theo tiêu chuẩn không thể thực hiện được. Phương pháp phân tích CFD sẽ giúp giảm thời gian thực hiện và tiết kiệm chi phí khá lớn so với việc thực hiện mô hình thí nghiệm hầm gió. Tuy nhiên việc thực hiện này cần có người am hiểu sâu về CFD cũng như kiến thức về kết cấu.

Anh cho em hỏi là giữa việc mô phỏng CFD và mô phỏng bằng Design Builder cho kết quả có khác nhau quá không và tính ứng dụng của cái nào sẽ phát triển hơn? Em xin cảm ơn.

CFD là phương pháp tính. Các phần mềm như Design builder hay Ansys sẽ sử dụng Phương pháp tính CFD này để phân tích dòng cơ lưu chất, ở đây là dòng gió. Design builder sẽ ứng dụng tốt trong xây dựng. Các ứng dụng như là Ansys sẽ hiệu quả trong lĩnh vực chế tạo hàng không, ô tô.

Anh cho em hỏi là: Việc thông gió tự nhiên phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện tự nhiên bên ngoài và điều kiện thực tế trong phòng. Các thông số ngoài trời là cái mình không thể điều khiển được, còn thông số trong phòng thì là cái mình cần điều khiển nó. Vậy thì làm thế nào mình điều khiển được cái thermal comfort luôn nằm trong vùng thoải mái (đặc biệt là Việt Nam, nhiệt độ mùa hè luôn cao và mùa đông cũng thấp, dẫn đến mùa hè thì khí nóng đi vào còn mùa đông thì khí lạnh đi vào)?

Phân tích CFD để thấy được các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt (slide 24) và sau đó đánh giá các yếu tố thiết kế đó có nằm trong vùng tiện nghi nhiệt theo ASHRAE 55 hay không. Vì việc thông gió tự nhiên là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết bên ngoài nên sẽ không thể “luôn luôn” đáp ứng được điều kiện về thermal comfort. Ở Việt Nam, thông thường để đáp ứng vùng thermal comfort thì ngoài điều chỉnh về nhiệt độ (cách đơn giản nhất là lắp máy lạnh/sưởi) thì còn có thể tăng vận tốc lưu thông không khí, ví dụ như dùng thêm quạt. Hoặc theo 6 yếu tố tác động đến thermal comfort (slide số 4) thì cũng có thể mặc quần áo mỏng hơn vào mùa hè để dễ thoát mồ hôi và mặc nhiều quần áo hơn để giữ ấm cơ thể vào mùa đông. Ở châu Âu, mùa hè ngắn, chỉ vài ngày nóng hơn bình thường, ít sử dụng hệ thống lạnh, cửa sổ được mở được tăng trao đổi khí. Mùa đông chủ yếu dùng hệ thống sưởi, lớp vỏ thiết kế tốt để giảm thất thoát nhiệt.

Anh cho em hỏi câu nữa: Theo như em hiểu thì trong quy trình thiết kế, CFD sẽ ứng dụng sau khi có tính toán cơ bản dựa trên excel, …. Em cũng biết giá license của phần mềm thương mại rất đắt. Trong khi CFD nó cũng không thực sự đem lại đc nhiều lợi cho họ. Tuy nhiên họ vẫn cần để thuyết phục chủ đầu tư như anh đã nói. Vậy thì theo anh, 1 công ty thiết kế họ có dám bỏ tiền ra để đầu tư thêm CFD hay thuê một công ty chuyên mô phỏng CFD?

Thực chất bảng tính toán bằng Excel sẽ cho ta một giá trị định lượng ban đầu (sơ bộ). Từ giá trị này ta sẽ có 1 điểm bắt đầu (ví dụ như diện tích lỗ mở) để xây dựng 1 mô hình CFD. Sau đó nhờ việc tính toán CFD, chúng ta sẽ kiểm tra được liệu rằng giá trị tính toán sơ bộ kia có ok chưa, nếu chưa thì sẽ cần phải thay đổi lại ngay trên mô hình CFD. Và giống như việc thực hiện 1 vòng lặp cho đến khi tìm ra Phương án thiết kế tối ưu. CFD đem lại nhiều lợi ích, tính toán chính xác hơn, kiểm chứng được hiệu quả của Phương án thiết kế. Còn việc trình bày kết quả dễ hiểu hơn để thuyết phục chủ đầu tư cũng là 1 lợi ích từ CFD, nhưng đây không phải là cái quan trọng nhất. Thông thường nên thuê 1 đơn vị bên ngoài để chạy CFD vì số lượng dự án xây dựng đòi hỏi phân tích CFD sẽ không nhiều. Và cái quan trọng nhất quyết định tính chính xác của kết quả CFD đó là là ở kỹ sư phân tích CFD, không phải phần mềm.

Cho mình hỏi là khi tiến hành mô phỏng CFD thì kết quả mô phỏng có phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người tiến hành chạy mô phỏng ko?

Có phụ thuộc nhiều 80%, 20% thuộc về chất lượng phần mềm. Nhiều yếu tố như tính toán lưu lượng không khí qua lourve, xác định điều kiện biên, nhiệt phát sinh bên trong, nhiệt bề mặt lớp vỏ công trình, khoảng cách chia lưới,…. cần tập hợp, xử lý trước khi tính CFD.

Cho e hỏi, a làm trong industry thì hiện tại ở Việt Nam có nhiều đơn vị đang làm về CFD trong Civil Engineering không anh? Hiện tại nó nằm nhiều ở design, tức là nằm nhiều ở giai đoạn đầu – design concept, chứ chưa hướng tới được thiết kế structure đúng không ạ?

Hiện tại theo Vàng được biết thì HaskoningDHV Việt Nam đang là đơn vị tiên phong và áp dụng cho nhiều dự án nhất, dường như là tất cả các dự án mới hiện tại. Phân tích CFD dùng xuyên suốt từ giai đoạn concept để so sánh hiệu quả giữa các giải pháp thiết kế, cho đến giai đoạn detail để kiểm chứng Phương án thiết kế chi tiết và trình bày cho chủ đầu tư.

Riêng về áp dụng CFD để tính toán thành phần tĩnh tải của tải trọng gió, sau đó so sánh và kiểm chứng với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn (TCVN 2737, EN 1-2 hay ASCE 7-05) là một cách tiết kiệm chi phí và thời gian hơn rất nhiều so với thực hiện mô hình thí nghiệm hầm gió. Thường được áp dụng cho các công trình cao tầng có hình dạng phức tạp.