Ứng dụng và lợi ích của mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC

• Sự thiết yếu của việc sử dụng mô phỏng CFD trong nghành nghề dịch vụ HVAC .
• Các ứng dụng và giá trị mà mô phỏng CFD mang lại cho quy trình phong cách thiết kế HVAC .

Sự cần thiết của việc sử dụng mô phỏng CFD trong lĩnh vực HVAC

HVAC có tên gọi đầy đủ là hệ thống sưởi ấm (Heating), thông gió (Ventilation), và điều hòa không khí (Air Conditioning) – là hệ thống tạo ra sự thoải mái về nhiệt và đảm bảo chất lượng không khí trong nhà theo tất cả các mùa trong năm. Một cách thông thường, các tính toán thiết kế HVAC đều giả định “dòng chảy lý tưởng” (không khí được trộn đều một cách hoàn hảo trong thời gian vô cùng nhỏ), đồng thời có thể sử dụng sổ tay và công thức ước lượng để cho quá trình tính toán nhanh và đơn giản. Kết quả của cách tiếp cận này có thể dẫn tới sự tính toán không hợp lý của các thiết bị HVAC, qua đó làm tăng chi phí vận hành và làm giảm hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Do vậy vẫn cần phải có một công cụ kiểm chứng lại thiết kế trước khi thi công thực tế. Để kiểm chứng thiết kế, các kỹ sư có thể là làm mô hình thí nghiệm hoặc chạy mô phỏng CFD trong điều kiện vận hành thực tế. Trong đó mô phỏng CFD là công cụ đã và đang được sử dụng phổ biến bởi một số tập đoàn lớn như SAMSUNG, LG, DAIKIN hay Ramboll bởi những giá trị và lợi ích mà nó đem lại.

Lợi ích của mô phỏng CFD trong HVAC

Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong HVAC

Các chỉ số tiện nghi của môi trường không khí trong HVAC gồm có tiện nghi nhiệt – thermal comfort (bao gồm các chỉ số về nhiệt độ, độ ẩm, và tốc độ gió, và các chỉ số liên quan đến độ thoải mái) và chất lượng không khí – indoor air quality (bao gồm các chỉ số về nồng độ bụi, mùi, khí độc, vi khuẩn, vi-rút). Các chỉ số tiện nghi không chỉ thể hiện sự thoải mái của con người trong không gian sống (nhà ở, rạp phim, lớp học, v.v) mà còn là yêu cầu được xác định rõ trong các tiêu chuẩn như  ASHRAE 55 (Mỹ), ISO 7730 (quốc tế), hay TCVN 7438 (Việt Nam). Các chỉ số này phụ thuộc vào các điều kiện thực tế thay đổi theo thời gian, cách bố trí nội thất, và các yếu tố khác. Do đó các phương pháp tính toán thông thường rất khó đáp ứng được các yêu cầu về chỉ số tiện nghi. Mô phỏng CFD sẽ giúp các kỹ sư có thể hình dung và đánh giá các chỉ số tiện nghi theo trạng thái ổn định hay tạm thời. Dưới đây là một số giá trị mà mô phỏng CFD mang lại:

• Tính toán phân bố của các chỉ số tiện nghi, kiểm chứng lại thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống HVAC thông qua mô phỏng các chỉ số này trong giai đoạn đầu của thiết kế.
• Xác định khu vực không bảo vệ tiện lợi, nhìn nhận tác động ảnh hưởng của những yếu tố tác động ảnh hưởng đến những chỉ số này và kiểm chứng giải pháp giải quyết và xử lý .
• Thay đổi phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống HVAC và cách sắp xếp nội thất bên trong ( nếu cần ) để tối ưu hóa những chỉ số tiện lợi, qua đó bảo vệ nhu yếu và tiêu chuẩn đã xác lập trong lúc phong cách thiết kế .

• Phân tích và thử nghiệm giải pháp nâng cấp cải tiến mạng lưới hệ thống HVAC cho những khu công trình đang hoạt động giải trí .

Tiện nghi nhiệt và phân bố nồng độ CO2 trong văn phòng [nguồn]
(ở hình bên trái, màu cam thể hiện vị trí có độ thoải mái cao nhất, tại đó giá trị PMV = 0)

Mô phỏng phân tích dòng chảy trong HVAC

Đối với không gian bên trong tòa nhà, ngoài các chỉ số tiện nghi như đã đề cập còn có các vấn đề khác cần đến sự hỗ trợ của mô phỏng CFD như: (1) quá trình phát tán bụi và chất ô nhiễm (nhà ở, hầm đỗ xe, nhà máy), (2) thời gian lưu trung bình (mean age of air) của không khí trong phòng, (3) phòng cháy chữa cháy, v.v.

Ngoài ra, mô phỏng CFD còn được ứng dụng để đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau của môi trường bên trong và ngoài tòa nhà, bao gồm các yếu tố chính: (1) ảnh hưởng của bức xạ mặt trời vào trong nhà, (2) ảnh hưởng của bụi và khí độc phát tán từ ngoài vào trong nhà, (3) thất thoát nhiệt qua kết cấu bao che công trình, (4) thông gió tự nhiên và cưỡng bức. Bằng cách lặp lại các thiết kế hoặc thay đổi các điều kiện tác động, các kỹ sư có thể dễ dàng đạt được một số yêu cầu quan trọng như sau:

• Dự báo khuynh hướng khi có sự cố xảy ra, kiểm nghiệm những giải pháp phòng tránh và giải quyết và xử lý trong quá trình đầu của phong cách thiết kế .
• Tối ưu hóa mạng lưới hệ thống giải quyết và xử lý bụi và khí độc, và mạng lưới hệ thống phòng cháy chữa cháy ( ví dụ như mạng lưới hệ thống trấn áp khói ) .
• Đánh giá tác động ảnh hưởng của những yếu tố bên ngoài ( ví dụ như bức xạ mặt trời, bụi, ẩm, khí độc ) đến những chỉ số tiện lợi trong nhà .
• Kiểm chứng lại phong cách thiết kế và hiệu suất của mạng lưới hệ thống thông gió .

Ứng dụng của CFD trong thiết kế hệ thống thông gió cưỡng bức [nguồn]
(màu đỏ thể hiện vị trí có hiệu suất thông gió kém nhất)

Mô phỏng tối ưu hóa thiết bị HVAC

Mô phỏng CFD cho phép các kỹ sư thiết kế đánh giá các chỉ số như hiệu suất, hiệu quả sử dụng năng lượng, độ ồn, thời gian lưu, v.v của các thiết bị HVAC, bao gồm: (1) thiết bị làm sạch không khí (air cleaning equipment), (2) máy điều hòa không khí (AC), (3) bộ xử lý không khí (AHU), (4) thiết bị đốt và nồi hơi, (5) máy làm lạnh môi chất (chiller), (6) bộ khuếch tán (diffuser), (7) bộ trao đổi nhiệt (coil), (8) thiết bị xử lý ẩm, (9) thiết bị sưởi ấm, (10) bơm, quạt, máy nén, đường ống gió, và (11) máy làm lạnh không khí (refrigeration unit). Quá trình mô phỏng CFD sẽ mang lại nhiều giá trị cho kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất, ví dụ như:

• Hạn chế kiến thiết xây dựng nguyên mẫu của thiết bị ( thiết bị thực ) ở mức thấp nhất để thử nghiệm trong quy trình phong cách thiết kế .
• Phát hiện những yếu tố tiềm ẩn ngay trong trong bước đầu của quy trình phong cách thiết kế .
• Tối ưu hóa hình dạng và hiệu suất của những thiết bị HVAC, đặc biệt quan trọng là thiết bị sắp xếp trong những khoảng trống hẹp như xe hơi, tàu thủy, tàu điện, máy bay .
• Phân tích và thử nghiệm giải pháp nâng cấp cải tiến mạng lưới hệ thống ống gió, cửa gió cho những khu công trình đang hoạt động giải trí .

Thiết kế ống gió bằng mô phỏng CFD [ nguồn ]

Mô phỏng tối ưu hóa năng lượng hệ thống HVAC

Các quy mô nguồn năng lượng thường cũng dựa trên giả định “ dòng chảy lý tưởng ”. Trong trong thực tiễn, đặc thù của khối không khí trong tòa nhà là phân tầng theo độ cao và không đồng đều theo cả khoảng trống lẫn thời hạn. Do đó, những quy mô nguồn năng lượng dù được đo lường và thống kê một cách đúng mực nhất cũng cần có thêm công cụ tương hỗ kiểm chứng [ nguồn ]. Bằng cách cố định và thắt chặt điều kiện kèm theo bên trong và đổi khác điều kiện kèm theo bên ngoài, mô phỏng CFD là một công cụ hiệu suất cao để kiểm chứng và tối ưu hóa nguồn năng lượng cho tòa nhà. Những giá trị mà mô phỏng CFD mang lại cho việc tối ưu hóa nguồn năng lượng mạng lưới hệ thống HVAC là :

• Kiểm chứng những “ sáng tạo độc đáo tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng ” trong quy trình tiến độ đầu của quy trình phong cách thiết kế, do đó được cho phép mạng lưới hệ thống HVAC đạt được hiệu suất cao cao về nguồn năng lượng .
• Loại bỏ những yếu tố không thiết yếu, qua đó tăng hiệu suất cao sử dụng nguồn năng lượng của hàng loạt mạng lưới hệ thống HVAC .
• Tạo cơ sở tài liệu cho những quy mô nguồn năng lượng mà hoàn toàn có thể được ứng dụng trong IoT ( internet of things ) và kỹ thuật số song song ( digital twins ) .

Tối ưu hóa cách sắp xếp dàn nóng của mạng lưới hệ thống điều hòa không khí [ nguồn ]

Kết luận: Kết hợp mô phỏng CFD và HVAC là một giải pháp tiềm năng hướng tới sự phát triển bền vững

Kết hợp mô phỏng CFD trong HVAC đem lại sự tiết kiệm chi phí về thời hạn, ngân sách, và nguồn năng lượng tiêu thụ khi quản lý và vận hành, trong khi những chỉ tiêu kỹ thuật được nâng cao. Mô phỏng CFD sẽ là một trong những công cụ trợ giúp đắc lực trong quy trình thống kê giám sát phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống HVAC, bảo vệ những tiêu chuẩn về khu công trình xanh và tăng trưởng bền vững và kiên cố .
Trong tương lai, sự tích hợp của mô phỏng CFD với những mạng lưới hệ thống giám sát, gồm có mạng lưới hệ thống giám sát đám mây ( cloud computing ) và công nghệ tiên tiến thực tiễn ảo ( VR, AR ) sẽ góp thêm phần làm tăng hiệu suất cao và vận tốc giải quyết và xử lý việc làm trong quá trình phong cách thiết kế cho những kỹ sư, đồng thời giúp người mua có cái nhìn trong thực tiễn về mạng lưới hệ thống HVAC trước và sau khi quản lý và vận hành. Ngoài ra, mô phỏng CFD có tiềm năng tích hợp với internet vạn vật ( IoT ) và kỹ thuật số song song ( digital twins ) trong quy trình tinh chỉnh và điều khiển và tối ưu hóa những mạng lưới hệ thống HVAC .
Mời những bạn theo dõi và đón đọc những bài viết tiếp theo tại CFDWAYS Blog để có thêm thông tin cụ thể về những ứng dụng của mô phỏng CFD trong nghành HVAC và những giá trị mà sự phối hợp này đem lại trong công nghiệp và đời sống .

Source: https://vh2.com.vn
Category : Tin Học