Phân tích năng lượng trong tòa nhà sử dụng mô hình thông tin công trình hướng đến sự bền vững

Bài viết Phân tích năng lượng trong tòa nhà sử dụng mô hình thông tin công trình hướng đến sự bền vững được nghiên cứu sử dụng mô hình thông tin công trình (BIM) và các công cụ phân tích năng lượng dựa trên đám mây gồm Insight và Green Building Studio (GBS) để mô phỏng sơ bộ năng lượng tiêu thụ của tòa nhà.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 37 PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG TRONG TỊA NHÀ SỬ DỤNG MƠ HÌNH THƠNG TIN CƠNG TRÌNH HƯỚNG ĐẾN SỰ BỀN VỮNG ANALYZING ENERGY USE IN BUILDINGS USING BUILDING INFORMATION MODEL TOWARD SUSTAINABILITY Ngô Ngọc Tri, Nguyễn Hữu Quang Minh, Nguyễn Thành Lâm, Huỳnh Tiến Lực, Phạm Anh Đức Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; trinn@dut.udn.vn Tóm tắt - Đánh giá sơ lượng tiêu thụ tòa nhà Việt Nam mối quan tâm phát triển bền vững tương lai Nghiên cứu sử dụng mơ hình thơng tin cơng trình (BIM) cơng cụ phân tích lượng dựa đám mây gồm Insight Green Building Studio (GBS) để mô sơ lượng tiêu thụ tòa nhà Nghiên cứu tập trung vào tác động lớp vỏ cơng trình đến khả tiết kiệm lượng tịa nhà, thể chi phí lượng cường độ sử dụng lượng thay đổi qua giải pháp thiết kế tường, cửa sổ, tỷ lệ cửa sổ tường hướng tòa nhà Đồng thời, sử dụng thông số đầu kết hợp với tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hệ thống đánh giá cơng trình xanh (LOTUS) nhằm đánh giá mặt sử dụng lượng Abstract - Preliminary assessment of energy consumption in buildings in Viet Nam is a concern for sustainable development in the future This study has applied the building information modeling (BIM) technology and cloud-based energy analysis tools including Insight and Green Building Studio (GBS) to model energy behavior in buildings The paper focuses on the impact of the building envelope on opportunities to save energy, as reflected by the energy cost and the intensity of energy use through design solutions of the building walls, windows, window-wall ratio, and building orientation The energy consumption results are examined by LOTUS green building rating system in Vietnam to assess energy use in buildings Từ khóa - Mơ hình thơng tin cơng trình (BIM); lượng bền vững; LOTUS; cơng trình xanh; mơ lượng Key words - Building information modeling (BIM); sustainable energy; LOTUS; green building; energy simulation Giới thiệu Việc thiết kế, xây dựng vận hành số cơng trình xây dựng nước ta chưa quan tâm sâu sắc đến giải pháp hiệu lượng Một số lý định khiến công tác lựa chọn vật liệu xây dựng, vật liệu trang trí, hệ thống điều hịa khơng khí…thiên yêu cầu chức yếu tố thẩm mỹ mà bỏ qua yếu tố hiệu lượng Trong trình xây dựng, trình nghiệm thu chưa thật tốt, khâu cuối quản lý vận hành, đội ngũ vận hành tòa nhà thường khơng huấn luyện để vận hành tịa nhà cho hiệu tiết kiệm lượng [1] Hậu vấn đề nhiều công trình xây dựng gặp nhiều khó khăn việc cắt giảm tiêu thụ điện vận hành, chí cân nhắc đến việc ngừng sử dụng cơng trình chi phí q lớn Tiêu biểu Bệnh viện đa khoa An Giang 600 giường khánh thành vào năm 2017, tháng tiêu tốn khoảng tỷ đồng tiền điện, phải tiết giảm vận hành Nhiều cơng trình khác đương đầu với khó khăn vấn đề chi phí từ ban đầu chủ đầu tư tập trung vào kiến trúc mà bỏ qua khía cạnh lượng cơng trình Vì vậy, nói, hướng đến tịa nhà hiệu lượng bước đắn để đạt bền vững [2] Ra đời năm 2010, LOTUS hệ thống đánh giá cơng trình xanh phát triển Hội đồng Cơng trình xanh Việt Nam (Vietnam Green Building Council - VGBC) [3] – tổ chức phi lợi nhuận quốc tế, thành viên Hội đồng Cơng trình xanh Thế giới (World GBC) Trải qua năm phát triển, hệ thống LOTUS bao gồm hệ thống đánh giá, áp dụng cho hầu hết loại dự án xây dựng cơng trình phi nhà ở, nhà chung cư, cơng trình vận hành, nhà riêng lẻ, cơng trình quy mơ nhỏ khơng gian nội thất LOTUS đóng vai trị công cụ định hướng thiết lập mục tiêu nhằm xây dựng cơng trình thân thiện với mơi trường sức khoẻ người sử dụng với chi phí vận hành thấp Qua số liệu gần LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) LOTUS tổng hợp VGBC thấy, năm trở lại cơng trình xanh lan tỏa rộng ngành xây dựng Việt Nam [4] Mỗi sang năm VGBC lại tổng hợp lại số liệu cơng trình xanh Việt Nam năm qua, qua xem xét phần trạng thái phong trào cơng trình xanh nước ta Cơng trình chứng nhận LOTUS có phân bổ cân phân khúc giáo dục, văn phịng, cơng nghiệp chung cư Các dự án lựa chọn LOTUS thường hướng tới cân chi phí lợi ích thực tế từ cơng trình xanh, đồng thời đáp ứng trách nhiệm xã hội bảo vệ môi trường doanh nghiệp tổ chức [4] Một cơng trình bền vững tạo nên vật liệu phù hợp làm giảm tác động từ môi trường – tối ưu sử dụng lượng – suốt vịng đời tịa nhà Mơ hình thơng tin cơng trình (BIM) hỗ trợ việc phân tích hiệu suất lượng tịa nhà từ khâu thiết kế [5] Mơ hình lượng cơng trình sử dụng cho q trình phân tích thiết bị hay phần mềm mô lượng, có Autodesk Revit Đó cơng trình ảo thể dạng không gian ba chiều (3D) phục vụ cho việc phân tích tính tốn công cụ trực tuyến không trực tuyến Mô hình hóa lượng cho phép nhóm thiết kế tối ưu hóa kiến trúc tịa nhà ưu tiên tập trung vào phân tích khu vực cốt lõi – vị trí mang lại giá trị lợi ích tốt [6] Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế Autodesk Revit, công cụ thiết kế xây dựng chuyên nghiệp phổ biến Phần mềm Revit hỗ trợ tạo mơ hình tịa nhà bền vững với việc tích Ngô Ngọc Tri, Nguyễn Hữu Quang Minh, Nguyễn Thành Lâm, Huỳnh Tiến Lực, Phạm Anh Đức 38 hợp công cụ mơ lượng phân tích dựa đám mây từ Autodesk, bao gồm Insight [7] Green Building Studio [8] Nghiên cứu tập trung vào phân tích chun sâu ảnh hưởng hướng cơng trình lớp vỏ cơng trình đến khả tiết kiệm lượng Các giá trị nhận kết hợp với hệ thống đánh giá cơng trình xanh LOTUS để đánh giá khả đạt chứng nhận cơng trình xanh hiệp hội Cơng trình xanh Việt Nam Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp phân tích lượng Hình thể bước thực để phân tích lượng tịa nhà sử dụng mơ hình BIM Cụ thể, cơng trình xây dựng phần mềm Revit kết hợp với điều kiện thời tiết, lịch vận hành, vật liệu xây dựng, thiết bị - hệ thống chiếu sáng hệ thống điều hịa khơng khí Sau thiết lập, hiệu chỉnh thích hợp chạy Autodesk Insight Autodesk Green Building Studio, từ đưa kết thơng số để dựa vào so sánh với hệ thống tiêu chí cơng trình xanh để đưa điểm số trường hợp thay tốt lượng cho cơng trình Từ mơ hình kiến trúc thiết kế, tạo mơ hình lượng (energy model) BIM, với thiết lập ban đầu sau: Lịch hoạt động tòa nhà, hệ thống HVAC để mặc định phù hợp với mục đích sử dụng cho văn phòng; Sử dụng vật liệu kết cấu BIM để phục vụ cho q trình mơ lượng Sau q trình chạy mơ phỏng, Insight xuất biểu đồ cường độ sử dụng lượng (EUI-KWh/m2/năm) tiêu mô với nhiều phương án thay khác Và phương án thay xếp theo thứ tự giá trị EUI giảm dần Đồng thời, Green Building Studio xuất thông tin lượng sử dụng, chi phí thơng tin liên quan khác Hình Sơ đồ phân tích lượng cơng trình 2.2 Tính tốn điểm cơng trình xanh theo hệ thống đánh giá cơng trình xanh LOTUS Điểm lượng LOTUS phụ thuộc vào nhiều yếu tố vỏ cơng trình, làm mát cơng trình, chiếu sáng nhân tạo, lượng tái tạo… Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu tập trung vào phần vỏ công trình Dựa vào QCVN 09:2017/BXD, số liệu mơ lượng với BIM, Green Building Studio (GBS), Insight LOTUS kết hợp với điểm đánh Bảng để tính tốn điểm cơng trình xanh Kết đánh giá điểm cơng trình xanh đánh giá phương án thiết kế có đạt chứng nhận cơng trình xanh hiệp hội cơng trình xanh Việt Nam Bảng Điểm đánh giá cơng trình xanh theo LOTUS phần lượng Năng lượng LOTUS NC (32 điểm) Tiêu đề Phần vỏ cơng trình Điểm 3 Giải pháp B: Thiết kế phần vỏ cơng trình Giải pháp B1: Giảm hấp thụ xạ mặt trời Thực giải pháp giảm thiểu hấp thụ xạ mặt trời qua bề mặt không suốt Giải pháp B2: Mặt đứng hướng Tây Diện tích mặt đứng hướng Tây nhỏ 20% tổng diện tích mặt đứng cơng trình Diện tích mặt đứng hướng Tây nhỏ 10% tổng diện tích mặt đứng cơng Giải pháp B3: Tỉ số diện tích cửa sổ - tường mặt đứng hướng Tây hướng Đông WWR mặt đứng hướng Tây mặt đứng hướng Đông nhỏ 30% WWR mặt đứng hướng Tây mặt đứng hướng Đông nhỏ 15% Giải pháp B4: Kết cấu chắn nắng bên Giải pháp A: Hệ số truyền nhiệt tổng thể (OTTV) Giảm 15% OTTV trung bình cơng trình so với mức yêu cầu QCVN 09:2017/BXD điểm: Cho 15% OTTV trung bình cơng trình giảm thêm so với mức yêu cầu QCVN 09:2017/BXD (tối đa 45%) Lắp đặt kết cấu chắn nắng phù hợp cho cửa kính suốt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 Kết phân tích 3.1 Mơ tả cơng trình Hình thể phối cảnh tòa nhà văn phòng sử dụng để mơ q trình phân tích đề xuất Tịa nhà giả sử xây dựng Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam Tịa nhà có chiều cao 27,7m, gồm tầng với chiều cao tầng 3,6m Sàn tầng cấu tạo bê tơng cốt thép có chiều dày 200 mm với diện tích 818m2, sàn tầng cấu tạo BTCT với chiều dày 100mm, diện tích 773m Tường gạch cấu tạo lớp gồm lớp gạch không nung dày 200mm lớp vữa xi măng, lớp dày 10mm, cửa sổ kính cánh dày 10mm, cửa sổ kính nhà vệ sinh dày 19mm, mái ngói gạch khơng nung dày 50mm với hệ thống xà gồ dày 50mm Hình Mơ hình 3D tịa nhà Green Building Studio tự động chạy 247 trường hợp, Để có nhìn khách quan hơn, nhóm tiến hành chạy trường hợp ứng với thông số xếp theo giá trị cường độ lượng giảm dần Bảng thiết lập cài đặt trường hợp mô để so sánh mức tiêu thụ lượng cơng trình Cụ thể, có 10 phương án đưa so sánh Trong đó, phương án sử dụng mơ hình BIM gốc 39 phương án lại dùng lựa chọn cài đặt thơng tin cơng trình thay có Green Building Studio Insight 3.2 Kết Từ kết sau chạy Green Building Studios, thấy phương án dùng mơ hình BIM gốc có cường độ sử dụng lượng (EUI) đạt 738,7 (MJ/m2/năm) Với đơn giá điện 0,09$/kWh đơn giá nhiên liệu 0,007$/MJ (theo giá hành Hoa Kỳ), tổng chi phí điện năm đạt số 78.857$, ứng 839,799 kWh chi phí nhiên liệu 825$ ứng với 111,026 MJ Tổng chi phí lượng cơng trình vào mức 78,857$ năm Kết so sánh cho thấy, phương án tốt phương án với thông số EUI 694,8 (MJ/m2/năm), chi phí điện hàng năm mức 74.394$, thấp 4.463$ (5,66%) so với phương án BIM gốc, sản lượng điện tiêu thụ đạt 792.266 kWh, thấp 47.533 kWh Chi phí nhiên liệu giảm cịn 712$/năm, mức giảm 113$ (13,7%) ứng với 15.228 MJ so với phương án BIM Tổng chi phí lượng chênh lệch so với phương án BIM 4577$ (5,8%) Phương án lãng phí phương án 10 với thơng số EUI 993,3 (MJ/m2/năm), chi phí điện năm mức 109.436$, cao 30.579$ (38,77%) so với phương án BIM, sản lượng điện tiêu thụ đạt 1.133.506 kWh, cao 293.707 kWh Chi phí nhiên liệu 994$/năm, tăng 169$ (20,48%) ứng với 22.839 MJ so với phương án BIM Tổng chi phí lượng chênh lệch so với phương án BIM 27.749$ (34,82%) Như vậy, so với phương án ban đầu (BIM), phương án tốt tiết kiệm 4.463$ năm, ứng với 47.533 kWh Phương án 10 lãng phí cao phương án BIM 30.579$ năm ứng với 293.707 kWh Từ kết tính tốn ta cân nhắc lựa chọn phương án cho phù hợp với điều kiện xây dựng cơng trình, khơng để tiết kiệm mà cịn để tránh lãng phí Bảng Thơng tin cài đặt trường hợp so sánh WWR WWR WWR WWR Tường phía phía phía Bắc phía Tây Nam Đơng Trường hợp Hướng cơng trình Mái BIM 225 BIM R60 BIM 14 ICF 7% 0% 44% 0% 7% 0% 0% 95% 45 R38 12.25 ISP 7% 15% 7% 80% 135 10.25 ISP R38 wood 15% 30% 15% 65% 180 BIM 30% 40% 30% 50% 90 270 BIM 315 40% 50% 65% 80% 44% 50% 65% 80% 40% 50% 65% 80% 40% 30% 15% 0% 10 R15 R19 R10 Không cách nhiệt Không cách nhiệt R13 + R10 metal R13 wood R13 Metal R2 CMU Không cách nhiệt BIM 95% 95% 95% 0% Ghi chú: WWR tỉ lệ diện tích cửa tường (Window-Wall ratio) Kính phía Bắc Kính phía Nam BIM BIM Trp LoE Trp LoE Kính phía Tây Kính phía Đơng BIM Trp LoE Dbl Clr BIM Dbl LoE Dbl Dbl Clr Dbl Clr Dbl Clr LoE Sgl Clr Dbl Dbl Sgl Clr LoE LoE BIM Sgl Clr Sgl Clr BIM BIM Sgl Clr Sgl Clr BIM BIM Sgl Clr Sgl Clr BIM BIM Sgl Clr Sgl Clr BIM BIM BIM Trp LoE BIM Sgl Clr Sgl Clr BIM Ngô Ngọc Tri, Nguyễn Hữu Quang Minh, Nguyễn Thành Lâm, Huỳnh Tiến Lực, Phạm Anh Đức 40 Hình mơ tả thông tin xuất từ kết quản phân tích lượng ứng với 10 trường hợp phân tích Biểu đồ Hình cho thấy đèn thắp sáng (area lights), điều hịa khơng khí (space cooling) thiết bị điện (miscellaneous equipment) chiếm nhiều lượng nhất, từ ta điều chỉnh, thiết kế đầu tư trang thiết bị tiết kiệm điện Hình Biểu đồ thể lượng tiêu tốn tác nhân tiêu thụ Bảng thể điểm đánh giá cơng trình xanh mặt lương tiêu thụ theo hệ thống đánh giá cơng trình xanh LOTUS Có thể thấy, phương án gốc (BIM) xây dựng từ vật liệu xanh nên điểm số đạt tổng số điểm phần vỏ cơng trình 3, phương án tối ưu đạt tối đa điểm với chi tiết bảng phía Bảng Điểm đánh giá cơng trình xanh mặt lương Trường hợp 10 Điểm đánh giá 1 1 1 Ghi Mơ hình BIM gốc Mơ hình tốt Kết luận Nghiên cứu thành công việc xác định cường độ sử dụng lượng cơng trình, chi phí lượng năm trường hợp thay nhằm lựa chọn phương án tối ưu phù hợp loại cơng trình thơng qua mơ hình Revit xây dựng, liệu đầu từ Insight Green Building Studio mà không cần phải xây dựng mơ hình tính tốn riêng biệt, giúp tiết kiệm nhiều thời gian so với phương pháp truyền thống Đặc biệt, cơng trình xanh giải pháp hữu hiệu nhằm giảm thiểu tình trạng biến đổi khí hậu hiệu ứng nhà kính, tận dụng hệ thống liệu từ phương án thay tạo kết hợp với hệ thống đánh giá cơng trình xanh LOTUS giúp ta nhanh chóng xác định số điểm phương án đạt chuẩn cơng trình xanh Việt Nam thay đổi (nếu có) để đáp ứng tiêu chuẩn mong muốn nhà đầu tư Kết nghiên cứu hữu dụng kỹ sư kiến trúc sư việc thiết kế, tư vấn, đánh giá mức tiêu hao lượng cơng trình mức độ tác động mơi trường cơng trình Ngồi thay yếu tố hướng cơng trình, vật liệu xây dựng chất liệu cửa kính, nghiên cứu bước khởi đầu việc khai thác tính ưu việt cơng nghệ BIM lĩnh vực xây dựng Hệ thống điều hòa khơng khí, điện thắp sáng thiết bị điện chiếm mức tiêu hao lượng lớn tịa nhà Đó hạn chế nghiên cứu này, muốn phân tích được, địi hỏi người phân tích phải có thêm kiến thức chuyên sâu MEP phần mềm Revit MEP Các nghiên cứu tương lai sử dụng liệu lượng thu thập từ cơng trình để khẳng định tính xác thực mơ hình phân tích lượng Đồng thời, đánh giá độ nhạy kết mô ứng với thay đổi thơng số đầu vào cơng trình cần quan tâm nghiên cứu tương lại Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.05-2019.01 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Xuân Trung, and L X Hiếu, "Định mức lượng cơng trình - Bước khởi đầu hướng đến Kiến trúc tiết kiệm lượng", Tạp chí kiến trúc, 2017 [2] M Najjar, K Figueiredo, A W A Hammad, and A Haddad, "Integrated optimization with building information modeling and life cycle assessment for generating energy efficient buildings", Applied Energy, vol 250, pp 1366-1382, 2019/09/15/ 2019 [3] VGBC (2020, 02/7) Hội đồng cơng trình xanh Việt Nam Available: https://vgbc.vn/ [4] "Tổng kết thị trường Cơng trình xanh Việt Nam 2018: Chứng nhận LEED LOTUS", Báo Kiến Việt, 2019 [5] M V Shoubi, M V Shoubi, A Bagchi, and A S Barough, "Reducing the operational energy demand in buildings using building information modeling tools and sustainability approaches", Ain Shams Engineering Journal, vol 6, no 1, pp 41-55, 2015/03/01/ 2015 [6] S M Levy, "Chapter - Green and sustainable buildings", in Construction Process Planning and Management, S M Levy, Ed Boston: Butterworth-Heinemann, 2010, pp 223-249 [7] Autodesk (2020, 02/7) Insight - building performance analysis software Available: https://www.autodesk.com/products/insight/overview [8] Autodesk (2020, 02/7) Green building studio Available: https://gbs.autodesk.com/GBS/ (BBT nhận bài: 16/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/8/2020) ... xuất thông tin lượng sử dụng, chi phí thơng tin liên quan khác Hình Sơ đồ phân tích lượng cơng trình 2.2 Tính tốn điểm cơng trình xanh theo hệ thống đánh giá cơng trình xanh LOTUS Điểm lượng. .. NO 9, 2020 Kết phân tích 3.1 Mơ tả cơng trình Hình thể phối cảnh tòa nhà văn phòng sử dụng để mơ q trình phân tích đề xuất Tịa nhà giả sử xây dựng Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam Tịa nhà có chiều cao... Việt Nam Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp phân tích lượng Hình thể bước thực để phân tích lượng tịa nhà sử dụng mơ hình BIM Cụ thể, cơng trình xây dựng phần mềm Revit kết hợp với điều kiện