Từ đó, những nghiên cứu về tiện nghi nhiệt cho con người và chất lượng không khí nơi không gian điều hoà được chú trọng đến hàng đầu bởi các nhà nghiên cứu nhằm đưa ra những thông số, gi
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài
Chất lượng không khí trở thành mối quan tâm hàng đầu của cư dân đô thị những năm trở lại đây Hầu hết mọi người đều biết ô nhiễm không khí bên ngoài rất nguy hiểm Nhưng ít ai nhận thức được rằng ô nhiễm không khí trong nhà còn có ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe và hiệu quả làm việc của con người, đặc biệt là trong phòng đóng kín khi bật điều hòa làm mát vào mùa hè Tình trạng ô nhiễm: bụi mịn PM2.5, PM10, amiăng…
Vì sao cần kiểm soát chất lượng không khí trong phòng kín nơi làm việc?
- Mọi người làm việc ở văn phòng trung bình khoảng 8 đến 10h/ngày Chất lượng không khí trong phòng kín sẻ ảnh hưởng trực tiếp đến con người khi tiếp xúc với nó
- Chất lượng không khí ngoài trời ở các mức độ xấu mức đỏ, tím sẻ ảnh hưởng đến không gian văn phòng thông qua hệ thống cấp gió tươi để cấp O2 vào trong phòng, đồng thời kéo theo bụi mịn và các chất ô nhiễm vào bên trong Tích tụ dần thì mức độ sẽ tăng cao hơn so với ngoài trời
- Không khí trong văn phòng ô nhiễm với nồng độ cao sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe nhân viên Số lượng nhân viên đông sử dụng chung một không gian trở nên ngột ngạt, giảm
O2 tăng CO2 CO, bụi lơ lửng và các thiết bị văn phòng như máy tính, máy in,…cũng gây ra nhiều nguồn xả thải… Số liệu của tổ chức y tế thế giới (WHO) năm 2022 cũng cho thấy tổng số người tử vong vì bệnh tật do ô nhiễm không khí gây ra trên thế giới mỗi năm từ 3.5 đến 7 triệu người Chính vì thế, việc kiểm soát ô nhiễm không khí trong nhà ở nước ta là rất quan trọng và cấp bách Để giải quyết những vấn đề cấp bách đó, các chuyên gia, kĩ sư trong ngành Nhiệt lạnh đang không ngừng đưa ra những giải pháp và sản phẩm tối ưu để cải thiện chất lượng không khí trong nhà Thông thường, việc sử dụng các công thức ước lượng và các sổ tay thực nghiệm có thể giúp các kỹ sư dễ dàng đưa ra các mẩu thiết kế và tính năng của các thiết bị Tuy nhiên, theo yêu cầu ngày càng cao của công nghệ thì việc chỉ dùng các sổ tay tính toán cơ bản là không đủ để cải tiến và nâng cao hiệu suất, mức chi phí và tính an toàn của thiết bị cũng như công nghệ của nó Song song với sự phát triển của các sản phẩm thì các phần mềm liên quan cũng đã phát triển và được nhiều người biết tới đặc biệt trong số đó là phần mềm Ansys, đây là một phần mềm mô phỏng về động lực học chất lỏng với nhiều ưu điểm thích hợp cho sự nghiên cứu tự do, thoải mái mà không bị gò bó về mặt
2 không gian và thời gian Nếu như các bài nghiên cứu chỉ dựa trên phân tích lý thuyết và thực nghiệm thì kết quả thu được chỉ đơn giản là các thông số vĩ mô, không thể biết chính xác thông tin chi tiết như phân số nhiệt độ, vận tốc, áp suất… hoặc cách thức để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt Chính vì vậy, nhiều công cụ trợ giúp mới đã ra đời và CFD (Computational Fluid Dynamics) là một trong số đó Hình dưới đây tổng hợp lại một số nguyên nhân chính giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây
Hình 1.1 Lợi ích của CFD trong HVAC
Và đó là những lý do lựa chọn phầm mềm Ansys và phương pháp mô phỏng CFD để thực hiện đề tài này.
Giới thiệu công trình và tính toán tải lạnh
Công trình Dalat Milk được xây dựng năm 2021 do Công ty trách nhiệm hữu hạn MADEA Việt Nam tổng thầu xây dựng tại tỉnh Lâm Đồng Tiến hành khảo sát đối với văn phòng trong công trình với các thông số diện tích 8 × 4.5 × 2.7m
Hình 1.2 Bản vẽ văn phòng thực hiện khảo sát
1.2.1 Các thông số cơ bản
Tòa văn phòng Da Lat Milk tọa lạc tại tỉnh Lâm Đồng vì thế ta có được các thông số ngoài trời sau [12]
Tra đồ thị t-d ta được: IN = 87 kJ/kg ; dN = 21.8 g/kgkkk
Vì văn phòng Da Lat Milk là tòa nhà văn phòng nên công năng các phòng hầu như là văn phòng do đó ta có được các thông số bên dưới
Tra đồ thị t-d cho ra các kết quả: IT = 55 kJ/kg ; dT = 12 g/kgkkk
1.2.2 Tính toán bằng phương pháp Carrier
Theo phương pháp tính tải lạnh Carrier thì năng suất lạnh Q0 được xác định bằng tổng nhiệt hiện thừa Qht và nhiệt ẩn thừa Qât của mọi nguồn nhiệt toả và thẩm thấu tác động vào không gian điều hoà:
Hình 1.3 Sơ đồ tính các nguồn nhiệt hiện và nhiệt ẩn chính theo Carrier
1.2.3 Tính toán nhiệt thừa cho văn phòng
1.2.3.1 Nhiệt hiện bức xạ qua kính Q 11
Nhiệt hiện bức xạ qua kính được tính theo công thức sau đây:
• η : Hệ số tác dụng tức thời t
• Q 11 ' : Lượng nhiệt bức xạ tức thời qua kính vào phòng được xác định theo công thức:
• F: Diện tích bề mặt kính cửa sổ có khung thép (m 2 )
• RT: Nhiệt bức xạ mặt trời qua cửa kính vào trong phòng (W/m 2 )
• c : Hệ số ảnh hưởng của độ cao so với mặt nước biển
• ds : Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ chên lệch nhiệt độ đọng sương của không khí quan sát so với nhiệt độ đọng sương của không khí ở trên mặt nước biển là 20ºC
• mm : Hệ số ảnh hưởng của mây mù
• kh : Hệ số ảnh hưởng của khung
Do công trình sử dụng loại kính Calorex màu xanh và có màn che màu sáng bên trong nên nhiệt bức xạ được tính theo công thức với = r 1 và RT được thay bằng nhiệt bức xạ vào phòng khác kính cơ bản RK:
• RN: Bức xạ mặt trời đến bên ngoài mặt kính
• αk, αm: Hệ số hấp thụ của kính và màn
• τk, τm: Hệ số xuyên qua của kính và màn
• ρk, ρm: Hệ số phản xạ của kính và màn
❖ Các hệ số ảnh hưởng:
• Hệ số ảnh hưởng của độ cao so với mặt nước biển c , được tính theo công thức: c
Tầng 2 có độ cao so với mặt nước biển là 5 m c
Chọn = c 1 để thuận tiện cho việc tính toán
• Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ chên lệch nhiệt độ đọng sương của không khí quan sát so với nhiệt độ đọng sương của không khí ở trên mặt nước biển là 20ºC ds , được tính theo công thức: s ds
Với nhiệt độ môi trường tN = 30ºC, độ ẩm φ = 83%, tra đồ thị t-d ta được nhiệt độ đọng sương tds = 26.2ºC ds
= − − • Hệ số ảnh hưởng của mây mù mm : Ta chọn mm =1 khi trời không mây để tính lượng nhiệt cao nhất
• Hệ số ảnh hưởng của khung kh : Công trình sử dụng khung kim loại nên ta chọn kh 1.17
• Hệ số kính m : Kính của công trình là loại kính Calorex màu xanh, các thông số: αk 0.75, ρk = 0.05, τk = 0.2, εm = 0.57 [11]
• Hệ số mặt trời r : Màn che của công trình là loại màn che màu sáng, các thông số: αm
❖ Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính vào trong không gian điều hoà
Công trình là toà nhà văn phòng nên chủ yếu hoạt động vào khoảng từ 6 giờ đến 5 giờ chiều nên ta lấy RT = RTmax
Toà nhà nằm ở tỉnh Lâm Đồng (vĩ độ 12°) và có nhiệt độ nóng nhất ở tháng 4 Ta được lượng bức xạ mặt trời lớn nhất RTmax cho các hướng của công trình [11]
Với các công thức (1.5), (1.6) và hệ số kính m , tiến tính toán được kết quả bên dưới:
Bảng 1.1 Kết quả tính nhiệt bức xạ mặt trời qua kính
Hướng R Tmax (W/m 2 ) R N (W/m 2 ) R K (W/m 2 ) Đông Bắc 410 465.9 198.1 Đông Nam 296 336.4 143
❖ Hệ số tác dụng tức thời η t
• G’: khối lượng tường có mặt ngoài tiếp xúc với bức xạ mặt trời và của sàn nằm trên mặt đất (kg)
• G”: khối lượng tường có mặt ngoài không tiếp xúc với bức xạ mặt trời và của sàn không nằm trên mặt đất (kg)
Khối lượng đơn vị của kính là 2500 (kg/m 3 ), kính của công trình dày 20 mm và có diện tích là 33.75 m 2
G’= 2500 0.02 33.75 = 1687.5 (kg) Khối lượng đơn vị của sàn bê tông cốt thép là 2400 (kg/m 3 ), sàn bê tông của công trình dày 215 mm và có diện tích Fs là 36 m 2
Với gs > 150 (kg/m 2 ), các hệ số tác dụng tức thời của công trình được thể hiện trong bảng sau [11]
Bảng 1.2 Hệ số tác dụng tức thời của công trình
Hướng Đông Bắc Đông Nam Tây Bắc Tây Nam η t 0.76 0.84 0.8 0.81
❖ Nhiệt bức xạ qua kính
- Hướng Tây Bắc: Diện tích kính: 21,6 m 2
- Hướng Đông Bắc: Diện tích kính: 12.15 m 2
1.2.3.2 Nhiệt hiện truyền qua mái bằng bức xạ và do Δt: Q 21
Mái bằng của phòng điều hoà có 3 dạng:
- Phòng điều hoà nằm giữa các tầng trong một toà nhà điều hoà, nghĩa là bên trên cũng là phòng điều hoà, khi đó Δt = 0 và Q21 = 0
- Phía trên phòng điều hoà đang tính toán là phòng không điều hoà, khi đó thông số Δt = 0.5(tN – tT) [11]
- Trường hợp trần mái có bức xạ mặt trời, đối với toà nhà nhiều tầng, đây là mái bằng tầng thượng thì lượng nhiệt truyền vào phòng gồm 2 thành phần, do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và do chênh lệch nhiệt độ giữa không khí trong và ngoài nhà
Tầng đang tính toán là tầng 2, các văn phòng có trần tiếp xúc với phòng điều hoà ở phía trên nên Q21 = 0
Nhiệt truyền qua vách Q22 gồm 2 thành phần:
- Do chênh lệch nhiệt độ giữa ngoài trời và trong nhà Δt = tN – tT
- Do bức xạ mặt trời vào tường, tuy nhiên phần nhiệt này được coi bằng không khi tính toán
Nhiệt truyền qua vách được tính theo biểu thức:
• Q2i: Nhiệt truyền qua tường, cửa ra vào, cửa sổ,…
• ki: Hệ số truyền nhiệt tương ứng của tường, cửa, kính (W/m 2 K)
• Fi: Diện tích tường, cửa, kính tương ứng (m 2 )
Hệ số truyền nhiệt của tường xác định bằng biểu thức: i
• αN = 20 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía ngoài tường khi tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài;
• αN = 10 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía ngoài tường khi tiếp xúc gián tiếp với không khí bên ngoài;
• αT = 10 W/m 2 K: Hệ số toả nhiệt phía trong nhà;
• Ri: Nhiệt trở dẫn nhiệt lớp vật liệu thứ i của cấu trúc tường (m 2 K/W);
• δi: Độ dày lớp vật liệu thứ i của cấu trúc tường (m);
• λi: Hệ số dẫn nhiệt lớp vật liệu thứ i của cấu trúc tường (W/mK)
Tường của công trình là loại tường có bề dày 220mm
Trường hợp tường tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài:
Trường hợp tường tiếp xúc gián tiếp với không khí bên ngoài:
Bảng 1.3 Kết cấu của tường 220 mm
Lớp vật liệu Bề dày (mm) Hệ số dẫn nhiệt (W/mK)
Vữa xi măng trát ngoài 15 0.93
Vữa xi măng trát trong 15 0.93
Tính toán: Độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà: Δt = tN – tT = 30 – 25 = 5 o C
- Tường 220 mm tiếp xúc trực tiếp ngoài trời với diện tích tường là 33.75 m 2
Nhiệt truyền qua cửa ra vào Q 22c
Nhiệt truyền qua cửa ra vào được xác định theo công thức:
• Δt: Hiệu nhiệt độ trong và ngoài nhà
• k: Hệ số truyền nhiệt qua cửa (W/m 2 K)
- Độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài nhà: Δt = tN – tT = 30 – 25 = 5 o C
- Diện tích của cửa ra vào là 2.28 m 2
- Cửa có bề dày là 50 mm, từ đó suy ra được hệ số truyền nhiệt k qua cửa gỗ vào mùa hè là 2.01 W/m 2 K [11]
Nhiệt truyền qua cửa ra vào của văn phòng: Q 22c =2.01 2.28 5 #(W)
Từ các kết quả đã tính toán, ta được nhiệt truyền qua vách:
Nhiệt truyền qua nền cũng được tính theo công thức:
• Δt: Hiệu nhiệt độ trong và ngoài nhà
• k: Hệ số truyền nhiệt qua sàn hoặc nền (W/m 2 K)
Nhiệt truyền qua nền xảy ra 3 trường hợp:
- Sàn đặt trên mặt đất: lấy k của sàn bê tông dày 300mm, Δt = tN – tT
- Sàn đặt trên tầng hầm hoặc phòng không điều hoà: lấy Δt = 0.5(tN – tT)
- Sàn giữa hai phòng điều hoà Q23 = 0
Tầng đang tính toán là tầng 2, các văn phòng có sàn tiếp xúc với phòng điều hoà ở phía dưới nên Q21 = 0
1.2.3.5 Nhiệt hiện toả ra do thiết bị
Nhiệt hiện toả ra do đèn chiếu sáng Q 31
Nhiệt tỏa do chiếu sáng gồm 2 phần: bức xạ và đối lưu Phần nhiệt do bức xạ bị kết cấu bao che hấp thụ nên lượng tác động lên tải lạnh sẽ nhỏ hơn lượng nhiệt tính toán được, ta có nhiệt hiện tỏa ra do đèn chiếu sáng Q31 được xác định theo công thức bên dưới:
• ηt: Hệ số tác dụng tức thời của đèn chiếu sáng, ηt = 0.98 [11]
• ηd: Hệ số tác dụng đồng thời Do công trình là văn phòng nên ηd = 0,8 [11]
• Q: Tổng nhiệt toả do chiếu sáng
Lượng nhiệt toả ra do chiếu sáng cho văn phòng là 12 W/m 2 [16]
Ta có tổng diện tích văn phòng S = 36 m 2
Nhiệt hiện toả ra do thiết bị Q 32
Trong đó: Ni : công suất điện (W)
Lượng nhiệt toả ra do mỗi máy tính cho văn phòng là 180 W[18] Văn phòng sử dụng
1.2.3.6 Nhiệt hiện và ẩn do con người tỏa ra Q 4h và Q 4a
Nhiệt hiện do người tỏa ra chủ yếu là đối lưu và bức xạ, được xác định theo công thức (1.16) bên dưới [11]:
• qh: nhiệt hiện tỏa ra từ 1 người (W/người)
• n: số người trong khu vực điều hoà (người)
Nhiệt ẩn do người tỏa ra được xác định theo công thức (1.17) bên dưới [11]:
• qa: nhiệt ẩn tỏa ra từ 1 người (W/người)
• n: số người ở trong khu vực điều hòa (người)
Nhiệt hiện toả ra do mỗi người cho văn phòng là 75W, nhiệt ẩn toả ra do mỗi người cho văn phòng là 55W[19]
Tính toán nhiệt hiện và nhiệt ẩn do người toả ra:
1.2.3.7 Nhiệt hiện và ẩn do gió tươi mang vào Q N
Do gió tươi được xử lý bởi thiết bị xử lý không khí PAU trước khi cấp vào phòng nên giá trị QN = 0 (W)
1.2.3.8 Nhiệt hiện và ẩn do gió lọt Q 5h và Q 5â
Không gian điều hòa được làm kín nhưng vẫn có hiện tượng rò lọt không khí qua khe cửa sổ, cửa ra vào và khi mở cửa Nhiệt hiện và ẩn do gió lọt được xác định theo công thức (1.18) và (1.19) bên dưới [11]:
Trong đó: • V: thể tích phòng (m 3 )
Ngoài các nguồn nhiệt đã nêu trên, các nguồn nhiệt khác ảnh hưởng đến phụ tải lạnh có thể là:
- Nhiệt hiện và ẩn toả từ các thiết bị trao đổi nhiệt, các đường ống dẫn môi chất nóng và lạnh đi qua các phòng điều hoà
- Nhiệt toả ra từ quạt và nhiệt tổn thất qua đường ống gió vào làm cho không khí lạnh bên trong nóng lên nếu có…
Tuy nhiên, các tổn thất nhiệt trong các trường hợp trên là nhỏ nên ta có thể bỏ qua, do đó Q6 = 0
Sau khi tính toán các nguồn nhiệt, năng suất lạnh Qo thu được như sau:
Máy cassette âm trần RAV-SE801UP-V được lắp đặt thực tế với công suất lạnh 6kW
Do đó có thể kết luận các tính toán đưa ra kết quả xấp xỉ gần đúng năng suất lạnh của văn phòng để tiến hành mô phỏng.
Thành lập sơ đồ điều hoà không khí
Đối với không gian điều hoà có sử dụng hệ thống cấp gió tươi, công trình sử dụng PAU xử lý sơ bộ không khí tươi bên ngoài Gió tươi sau khi qua PAU được cấp vào không gian điều hòa
Hình 1.4 Sơ đồ điều hòa không khí một cấp
Nguyên lý làm việc: Không khí bên ngoài trời có trạng thái N (tN, 𝜑 𝑁 ) qua cửa lấy gió có van điều chỉnh (1) được đưa vào buồng xử lý nhiệt ẩm (2), tại đây không khí được xử lý đến một trạng thái O nhất định nào đó và được quạt (3) vận chuyển theo đường ống gió
(4) vào phòng (6) qua miệng thổi cấp gió tươi (5) Không khí tại miệng thổi (5) có trạng thái V sau khi vào phòng nhận nhiệt thừa và ẩm thừa và tự thay đổi đến trạng thái T (tT,𝜑 𝑇 ) theo tia quá trình 𝜀 𝑇 = 𝑄 𝑇 /𝑊 𝑇 Sau đó không khí được thải ra bên ngoài qua khe cửa.
Giới thiệu về phần mềm mô phỏng
1.4.1 Tổng quan về phần mềm Ansys
Ansys là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế
Phần mềm phân tích này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật được nâng lên một cấp độ mới, không chỉ làm việc với những môi trường, thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, mà nó còn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với những mô hình kỹ thuật mới Do đó, Ansys sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc, hạn chế vật lý, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà không thể thực hiện trên những phần mềm khác
Ansys tạo ra các mô hình cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy móc để mô phỏng ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng và các thuộc tính khác Ansys được sử dụng để mô phỏng cách một sản phẩm hoạt động với các thông số kỹ thuật khác nhau, mà không cần làm các sản phẩm thử nghiệm hoặc tiến hành các thử nghiệm va chạm Ví dụ, phần mềm Ansys có thể mô phỏng một cây cầu sẽ ra sao sau nhiều năm sử dụng hoặc cách thiết kế một tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn mà không bị mất an toàn
Ansys bao gồm nhiều module với khả năng mô phỏng, xử lý khác nhau Nhưng hầu hết các mô phỏng trong Ansys được thực hiện bằng module Ansys Mechanical Workbench, là một trong những sản phẩm chính của công ty Đây là một module tích hợp, xử lý được nhiều lĩnh vực
1.4.2 Giai đoạn phát triển của phần mềm Ansys
Giai đoạn 1: Năm 1971, phiên bản thương mại đầu tiên (dán nhãn 2.0) của phần mềm
Ansys được phát hành Khi đó, chương trình tốn rất nhiều thời gian mới thu được kết quả mô phỏng 1975, các tính năng phi tuyến tính và nhiệt điện được thêm vào phần mềm Tiếp đến năm 1979, phiên bản Ansys thứ hai được giới thiệu
Giai đoạn 2: Năm 1980, phiên bản 4.0 của phần mềm Ansys ra mắt Phiên bản này dễ sử dụng hơn và các tính năng mô phỏng điện từ được bổ sung thêm Năm 1993, ra mắt phiên bản 5.0, phần mềm động lực học chất lỏng Flotran của Compuflo được tích hợp vào Ansys Phiên bản 5.1 kế tiếp, phần mềm đã cải thiện về việc rút ngắn thời gian chạy chương trình để cho ra kết quả nhanh hơn
Giai đoạn 3: Vào năm 1996, Ansys phát hành các sản phẩm như: phần mềm phân tích cấu trúc DesignSpace, LS-DYNA mô phỏng thử nghiệm rơi và thả, bộ mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) Năm 2001, phần mềm lần đầu tiên thực hiện được mô hình thực tế với quy mô lớn
Giai đoạn 4: Phiên bản 8.0 xuất bản năm 2005, phần mềm tương tác cấu trúc chất lỏng của Ansys dùng để mô phỏng sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng được giới thiệu Tiếp đó các phần mềm thiết kế xác thực và DesignXplore xuất hiện dùng cho xác suất và tính ngẫu nhiên của các yếu tố vật lý Năm 2009, phiên bản 12 được công bố với phiên bản thứ hai của Workbench Từ đây Ansys cũng bắt đầu củng cố các tính năng của phần mềm này
Giai đoạn 5: Phiên bản 15 của Ansys cập nhật năm 2014 Với những chức năng mới cho vật liệu, liên kết và khả năng chia lưới tốt hơn
Giai đoạn 6: Năm 2016, phiên bản 17 xuất hiện với một giao diện người dùng mới và sự cải tiến trong việc tính toán mô phỏng động lực học chất lỏng Vào tháng 1 năm 2017, Ansys đã phát hành phiên bản tiếp theo Phiên bản này cho phép người dùng thu thập dữ liệu ở thế giới thực từ các sản phẩm sau đó kết hợp những dữ liệu đó vào các mô phỏng trong tương lai
1.4.3 Các module của phần mềm
Ansys Design Modeler và Ansys Meshing là hai module mở đầu khi tiếp cận Ansys, với Ansys Design Modeler là công cụ để xây dựng mô hình và Ansys Meshing dùng để chia lưới
Ansys Mechanical APDL (Ansys Multiphysic) là module mô phỏng đa trường, đa vật lý Với khả năng phân tích mạnh, module này giúp giải quyết được tốt các vấn đề liên quan đến kết cấu, nhiệt, điện – từ, nổ, va chạm, vật liệu mới,… Ngoài ra, Ansys Mechanical APDL được tích hợp rất nhiều mô hình vật liệu và các loại phần tử dựa trên các lý thuyết nổi tiếng Module này còn đem lại một chuỗi phân tích mô phỏng khá toàn diện, giúp cho người dùng có một không gian mô phỏng thoải mái và tiện lợi
Ansys Fluent là công cụ tạo các mô hình vật lý và phân tích nhiều hiện tượng chất lưu khác nhau với các thông số của bài toán hoặc với các điều kiện biên (nhiệt độ, độ ẩm,…)
Ansys Mechanical Workbench (WB) là một môi trường nền chung WB có thể thực hiện các mô phỏng liên quan đến nhiều lĩnh vực như: kết cấu, nhiệt động lực học, va chạm, lưu chất… Từ những mô phỏng WB, người dùng sẽ thấy được các hiện tượng sẽ xảy ra với những giả thiết có trước sau đó khảo sát những vấn đề tồn tại mà không cần phải xây dựng mô hình thực tế Việc này giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian WB đang ngày càng phát triển, hướng tới một giao diện thân thiện với người dùng Bằng các thao tác kéo thả đơn
16 giản để liên kết các bài toán nhưng vẫn có hiệu quả cao nên WB càng được nhiều người tin dùng Ngoài ra, module này còn có khả năng tương tác cao với các phần mềm khác như AutoCAD cho phép người dùng đưa những mô hình phức tạp vào để tính toán, hướng tới mục tiêu “Mô phỏng đi đầu tạo nền tảng cho sự phát triển sản phẩm”.
Những vấn đề gặp phải khi thiết kế hệ thống điều hòa
Khi thiết kế hệ thống điều hòa, có một số vấn đề phổ biến có thể gặp phải Dưới đây là một số vấn đề quan trọng:
Vị trí lắp đặt: Để hệ thống điều hòa hoạt động hiệu quả, việc chọn vị trí lắp đặt quan trọng Hệ thống điều hòa nên được đặt ở nơi mà không bị che chắn bởi đồ nội thất, vật cản, hay ngọn gió Nếu hệ thống điều hòa đặt ở một vị trí không thích hợp, nó sẽ không đáp ứng được nhu cầu làm mát và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn để đạt được nhiệt độ mong muốn Đồng thời, cần đảm bảo hệ thống có thể dễ dàng truy cập để bảo trì và vệ sinh
Quy mô hệ thống: Khi thiết kế hệ thống điều hòa, cần xác định quy mô hệ thống phù hợp với không gian cần làm mát hay sưởi ấm Dung lượng và công suất của hệ thống điều hòa cần phù hợp để đảm bảo đáp ứng được nhu cầu sử dụng mà không lãng phí năng lượng Kích thước của hệ thống điều hòa cần phải phù hợp với không gian được làm mát Nếu hệ thống quá lớn, nó sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn để làm mát không gian nhỏ hơn, trong khi nếu hệ thống quá nhỏ, nó sẽ không đáp ứng được nhu cầu làm mát Điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm: Điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm là yếu tố quan trọng trong hệ thống điều hòa Điều hòa không nhiệt độ hoặc độ ẩm chính xác có thể gây cảm giác không thoải mái hoặc ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng Đảm bảo hệ thống có khả năng điều chỉnh chính xác nhiệt độ và độ ẩm là điều quan trọng Độ mở: Độ mở của hệ thống điều hòa cần phải được thiết lập sao cho đủ lớn để đảm bảo luồng không khí cung cấp đủ cho không gian được làm mát, nhưng không quá lớn để tiết kiệm năng lượng
Tiếng ồn: Một vấn đề phổ biến khi sử dụng hệ thống điều hòa là tiếng ồn tạo ra bởi máy nén và quạt Đặc biệt khi lắp đặt trong không gian làm việc hoặc sống, tiếng ồn có thể gây phiền nhiễu và ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống Cần đánh giá và lựa chọn các thành phần với tiếng ồn thấp và cân nhắc đặt hệ thống điều hòa xa các khu vực nhạy cảm Tiết kiệm năng lượng: Vấn đề quan trọng khác là tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống điều hòa Hệ thống năng lượng hiệu quả giúp tiết kiệm được chi phí cho quá trình
17 vận hành Đây cũng là một trong những yếu tố quan trọng nhất mà người sử dụng luôn quan tâm.
Mục đích và nhiệm vụ đề tài
Thông thường khi thiết kế ra kích thước và các thiết bị ĐHKK, việc sử dụng những công thức và thực nghiệm có thể dể dàng đưa ra Tuy nhiên, khi đưa vào sử dụng thì các giá trị tiện nghi nhiệt nó sẻ thay đổi theo các điều kiện thực tế, theo thời gian và cả cách bố trí nội thất Do đó các phép tính toán thông thường dựa trên sự giả định lý tưởng, dù có tính toán một cách chính xác nhất thì vẫn cần công cụ để kiểm chứng và và giải quyết tối ưu những vấn đề mà khi tính toán thông thường gặp phải
Mô phỏng CFD là công cụ hiệu quả nhất để kiểm chứng và tối ưu hóa năng lượng cho tòa nhà Kết hợp mô phỏng CFD trong HVAC đem lại sự tiết kiệm về chi phí, thời gian, an toàn và các chỉ tiêu kĩ thuật sẻ được nâng cao Giúp cho các kĩ sư và khách hàng có một cái nhìn khách quan thực tế về hệ thống HVAC trước và sau khi đưa vào sử dụng
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí và các giá trị tiện nghi nhiêt thông qua các tiêu chuẩn cụ thể
Xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng thông qua những giá trị đầu vào
So sánh những kết quả đạt đước với những tiêu chuẩn và đưa ra kết luận Đưa ra những giải pháp khắc phục và mô phỏng lại từ đó kết luận và rút ra những kinh nghiệm thực tế
LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và các tiêu chuẩn đánh giá đến chất lượng không khí và tiện nghi nhiệt
2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí Ô nhiễm không khí trong nhà bao gồm nhiều tác nhân, có thể kể đến như: hoạt động nấu ăn, chế biến thức ăn với mùi dầu mỡ, thực phẩm, khói than; nấm mốc phát triển do thiếu khí, nhà ở đóng kín cửa không đối lưu không khí tươi; hoạt động của các thiết bị máy móc, tạo ra bức xạ nhiệt, khí CO hay NOx ảnh hưởng đến chất lượng không khí; bụi, lông thú, phấn hoa, mạt bụi nhà… từ đồ dùng nội thất; khói thuốc lá do có người hút trong nhà làm tăng nồng độ nicotine ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người; các hóa chất hữu cơ dễ bay hơi, hóa mỹ phẩm, chất tẩy bồn cầu, nước giặt trong nhà tắm,… gây kích ứng hệ hô hấp; ngoài ra còn các nguồn khác như: sáp thơm xịt phòng, tinh dầu, đốt nến… cũng tạo ra thành phần lơ lửng trong không khí, tích tụ lâu ngày gây ô nhiễm
Từ các tác nhân kể trên, ta liệt kê ra được những chất gây ô nhiễm ảnh hưởng đến chất lượng không khí trong nhà:
- Cacbon đioxit (CO 2 ) không phải là một khí độc, nhưng khi nồng độ khí CO2 vượt quá nồng độ cho phép sẽ làm giảm nồng độ O2 trong không khí, gây ra các tình trạng khó thở, mệt mỏi, suy hô hấp, kích thích thần kinh, tăng nhịp tim và các rối loạn khác Nồng độ CO2 là chỉ số quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm không khí trong nhà
- Cacbon oxit (CO) là một chất khí không màu, không mùi có nguồn gốc từ sự cháy không hoàn toàn của hydrocacbon CO xâm nhập vào cơ thể làm giảm lượng oxy đến các cơ quan và mô của cơ thể
- Lưu huỳnh đioxit (SO 2 ) còn được gọi là sulfur dioxit Đây là sản phẩm chính khi đốt cháy lưu huỳnh SO2 được sinh ra nhờ quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, hoặc nấu chảy các loại quặng nhôm, sắt, kẽm, chì SO2 đi vào cơ thể có thể dẫn đến cách bệnh về phổi và phản ứng gây ra sẽ giảm lượng kiềm trong máu làm giảm quá trình chuyển hoá đường và protein Ngoài ra nó còn là một mối nguy hại đối với môi trường vì gây ra mưa axit ăn mòn công trình, phá hoại cây cối…
- Nitơ đioxit (NO 2 ) được sinh ra do sự kết hợp giữa khí nitơ và oxy trong không khí ở nhiệt độ cao, thuộc nhóm oxit nitơ NOx Nếu hít thở không khí với nồng độ NO2 cao có thể gây ra hiện tượng kích ứng đường thở trong hệ hô hấp của con người
- Ozone (O 3 ) đối với không khí trong nhà khi cửa đóng kín hay mở thì nồng độ O3 sẽ dao động khoảng hơn 25% đến gần 80% Đây là một khí nhà kính gây ra các bệnh về hô hấp, giảm chức năng phổi
- Bụi mịn hay bụi mịn PM (Particulate Matter) là các phân tử vô cơ hoặc hữu cơ bay lơ lửng trong không khí, thường có nguồn gốc chủ yếu đến từ khói phương tiện giao thông hay qua việc đốt cháy các nhiên liệu hữu cơ trong công nghiệp Kích thước của bụi mịn rất đa dạng, khú nhỡn thấy rừ bằng mắt thường và được tớnh theo đơn vị àm (micromet) Trong đó, các hạt bụi có kích thước siêu vi (micron) được biết đến nhiều nhất như: PM10 là loại bụi mịn có đường kính từ 2.5 đến 10 micron kích thước bằng một phần triệu mét,
PM 2.5 là loại bụi mịn có đường kính nhỏ hơn 2.5 micron Đây được xem là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng không khí
- Các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) là các hợp chất hóa học thải ra dưới dạng khí từ chất rắn hoặc chất lỏng, phát sinh từ các đồ gia dụng, vật liệu xây dựng, nhiên liệu… VOCs gây ra các vấn đề về hô hấp đối với sức khoẻ con người, ngoài ra còn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành ozone và bụi mịn
2.1.2 Tiêu chuẩn đánh giá đến chất lượng không khí Để đánh giá được mức độ ô nhiễm của không khí, chỉ số chất lượng không khí AQI (Air Quality Index) đã được thiết lập bởi cơ quan Bảo vệ Môi trường cùng tổ chức liên quan (EPA Hoa Kỳ) Tuy nhiên, chỉ số này chỉ áp dụng cho môi trường không khí ngoài trời với 6 yếu tố ảnh hưởng gồm CO, SO2 NO2 O3 PM2.5 và PM10 Từ đó chỉ số IAQI (Indoor Air Quality Index) ra đời để có thể đánh giá được chất lượng không khí trong nhà Chỉ số này được đề xuất dựa trên chỉ số AQI với thêm yếu tố ảnh hưởng của CO2 và VOCs
2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiện nghi nhiệt
Tiêu chuẩn nhiệt được hiểu là cảm giác hài lòng, dễ chịu của con người đối với môi trường nhiệt, cảm thấy không lạnh cũng không nóng
Tiện nghi nhiệt được xác định theo các tiêu chuẩn tiện nghi quốc tế, trong đó quan trọng nhất là bộ tiêu chuẩn ANSI/ASHRAE – 55 (Hoa Kỳ), ISO 7730 và EN – 15251 (châu Âu)
Các phạm vi điều kiện môi trường trong nhà có thể chấp nhận được để đạt được sự thoải mái về nhiệt Đối với các mục đích tiện nghi nhiệt, nhiệt độ có thể dao động trong
20 khoảng từ khoảng 19°C đến 29°C, mặc dù sự thoải mái nhiệt được xác định bởi kết hợp của sáu yếu tố [8]:
- Tốc độ trao đổi chất: Năng lượng được tạo ra bởi cơ thể
- Cách nhiệt cho quần áo: Mức độ cách nhiệt được cung cấp bởi quần áo mà một cá nhân đang mặc
- Nhiệt độ không khí: Nhiệt độ của không khí xung quanh người cư ngụ
- Nhiệt độ bức xạ: Trung bình có trọng số của tất cả các nhiệt độ từ các bề mặt xung quanh người ở
- Tốc độ không khí: Tốc độ chuyển động của không khí trong khoảng cách nhất định theo thời gian
- Độ ẩm: Độ ẩm trong không khí
2.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá tiện nghi nhiệt
Các chỉ số PMV, DR và PPD được dùng để đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt lên con người thông qua các yếu tố môi trường [7] Sau đây nhóm sẽ dùng chỉ số PMV và DR để đánh giá mức độ tiện nghi nhiệt trong bài toán mô phỏng này
PMV (Predicted Mean Vote) là chỉ số dự đoán giá trị trung bình theo phiếu đánh giá của một nhóm người lớn theo thang cảm giác nhiệt 7 bậc:
Hình 2.1 Thang cảm giác nhiệt 7 bậc
Chỉ số PMV có thể được xác định khi tính được hoạt động (mức chuyển hoá), quần áo (nhiệt trở) và các thông số của môi trường như nhiệt độ không khí, nhiệt độ bức xạ trung bình, vận tốc chuyển động tương đối của không khí và áp suất hơi nước riêng phần
Chỉ số PMV dựa trên cân bằng nhiệt của cơ thể người Cơ thể người ở trạng thái cân bằng nhiệt khi nhiệt tạo ra từ bên trong cơ thể tương đương với nhiệt toả ra môi trường [7] Công thức tính chỉ số PMV [7]:
35.7 0.028( ) 3.96 10 8 273 273 cl cl cl cl r cl c cl a t M W I f t t f h t t
PMV là chỉ số dự đoán trung bình theo phiếu đánh giá
M là mức chuyển hoá (W/m 2 da)
W là năng lượng do hoạt động bên ngoài (W/m 2 ), xấp xỉ bằng không với hầu hết các hoạt động
Ict là nhiệt trở của quần áo (m 2 o C/W) fcl là tỉ lệ diện tích da được che phủ bởi quần áo trên diện tích da không được che phủ ta: nhiệt độ không khí ( o C) tr là nhiệt độ bức xạ trung bình ( o C) var là vận tốc chuyển tương đối của không khí (tương đối với cơ thể người) (m/s) pa là áp suất hơi nước riêng phần (Pa) hc là hệ số truyền nhiệt do đối lưu (W/m 2 o C) tcf là nhiệt độ bề mặt của quần áo ( o C)
Các phương pháp giải
Có nhiều phương pháp CFD được dùng để giải như: phương pháp phân sai hữu hạn (Finite Difference Method – FDM), phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM), phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method – FVM)
Phương pháp phân sai hữu hạn (Finite Difference Method – FDM) [5]
Phương pháp sai phân hữu hạn là một cách để giải các phương trình đạo hàm riêng thành nghiệm số trong một hệ thống truyền nhiệt Điều này được thực hiện thông qua phép gần đúng, thay thế đạo hàm riêng bằng sai phân hữu hạn Điều này cung cấp giá trị tại mỗi điểm lưới trong miền
Miền hình học được rời rạc hóa trên cơ sở không gian và thời gian, theo sau là phép tính gần đúng bằng số của phương trình vi phân tại mỗi điểm lưới Đối với hình học đơn giản tại điểm (x)i và hàm 'u', đạo hàm có thể được biểu diễn dưới dạng:
( ) ( ) lim i i i x x u x x u x u x x (1.7) Ý tưởng đằng sau việc thay thế các đạo hàm bằng các thừa số vi phân là bằng cách xác định các lỗi cắt ngắn/rời rạc hóa nhỏ, tức là sai số trong sự khác biệt giữa giải pháp chính xác và gần đúng, có thể thu được kết quả chính xác
Từ phương trình trên, nếu loại bỏ giới hạn có thể đạt được xấp xỉ sai phân hữu hạn FDM sử dụng các thuộc tính mở rộng chuỗi Taylor để thực hiện phép tính gần đúng này Đối với hàm của u khi ∆x > 0
Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) [5]
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp số gần đúng để giải các bài toán về kỹ thuật và vật lí toán học Các vấn đề được quan tâm bao gồm phân tích kếtcấu, truyền nhiệt, lưu chất, truyền khối và điện thế Phương thức phần tử hữu hạn xây dựng kết quả bài toán trong một hệ phương trình đại số Phương thức này đưa ra các giá trị gần đúng của các ẩn tại một số phần tử rời rạc trên miền xác định Để giải bài toán, chia nhỏ nó thành nhiều miền con (phần tử), đơn giản hơn được gọi là các phần tử hữu hạn Các phương trình đơn giản mô hình hóa các phần tử hữu hạn này sau đó được tập hợp thành một hệ phương trình lớn hơn mô hình hóa toàn bộ vấn đề Sau đó, FEM sử dụng các phương pháp biến đổi từ phép tính các biến thể để giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử
Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method – FVM) [5]
Phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM) là một trong những kỹ thuật rời rạc linh hoạt nhất được sử dụng trong CFD
Tính năng hấp dẫn nhất của FVM là giải pháp thu được đáp ứng sự bảo toàn các đại lượng như khối lượng, động lượng và năng lượng Điều này hoàn toàn thỏa mãn cho bất kỳ khối lượng điều khiển nào cũng như cho toàn bộ miền tính toán và cho bất kỳ số lượng
24 khối lượng điều khiển nào Ngay cả một giải pháp lưới thô thể hiện số dư tích phân chính xác
FVM là phương pháp lý tưởng để tính toán các giải pháp không liên tục phát sinh trong các dòng có thể nén được Bất kỳ sự gián đoạn nào cũng phải thỏa mãn điều kiện nhảy Rankine - Hugoniot, đây là hệ quả của bảo toàn Vì các phương pháp thể tích hữu hạn là bảo thủ nên chúng tự động thỏa mãn các điều kiện nhảy và do đó đưa ra các nghiệm yếu chính xác về mặt vật lý
FVM cũng được ưu tiên khi giải phương trình đạo hàm riêng chứa hệ số không liên tục.
Các bước thực hiện mô phỏng
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thực hiện mô phỏng CFD
Bước 1 & 2: Tạo và xử lý mô hình trên các phần mềm như Ansys Workbench,
Bước 3: Thực hiện chia lưới, ta có thể chọn một trong hai loại lưới có cấu trúc hoặc lưới không có cấu trúc
Bước 4: Thiết lập các thông số cho mô hình
Bước 5: Thiết lập phương pháp giải cho bài toán mô phỏng
Bước 7: Kiểm tra tính hội tụ của lưới, nếu kết quả kiểm tra cho thấy lưới không hội tụ ta cần quay lại bước chia lưới rồi thiết lập lại các thông số của mô hình
Bước 8: Ta sẽ thực hiện mô phỏng các trường hợp khác khi kiểm tra cho ra lưới có kết quả hội tụ
Bước 9: Xử lý kết quả của mô phỏng
Bước 10: Tạo báo cáo và kết thúc quá trình mô phỏng
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
Xây dựng mô hình
Mô hình được dựng lên từ một phần của công trình thực tế DatLat Milk được xây dựng tại tỉnh Lâm Đồng Văn phòng sử dụng máy điều hòa âm trần cassette và có sử dụng hệ thống thông gió Khí thải sẽ được đẩy qua khe cửa nhờ chênh lệp áp suất trong và ngoài phòng Mô hình được xây dựng trong module Ansys Design Modeler của phần mền Ansys Workbench 2022 R1
Hình 3.1 Mô hình tổng quát thực hiện khảo sát
Hình 3.2 Mô hình máy cassette được sử dụng
Bảng 3.1 Các kích thước của mô hình
STT Mô tả Giá trị
Các thông số và thiết lập mô phỏng
3.2.1 Các thông số đầu vào
Thông số đầu vào của máy điều hòa âm trần cassette
Vận tốc và lưu lượng khối lượng của dòng không khí tại các miệng gió cấp (Inlet) của máy điều hòa cassette Ta có lưu lượng không khí từ 810m 3 /h đến 1230m 3 /h
- Đối với lưu lượng 810m 3 /h: vmt = 810/4 = 202.5 (m 3 /h) = 0.05625 (m 3 /s) Diện tích cửa ra:
F = 0.04×0.5 = 0.02 (m 2 ) Tốc độ đầu ra của miệng gió: v0 = 0.05625/0.02 = 2.8 (m/s) Lưu lượng dòng chảy:
Q = ṁ × ρ (m 3 /s) [11] ṁ : Lưu lượng khối lượng (kg/s) ρ : khối lượng riêng của không khí (kg/m 3 )
Nhiệt độ không khí 25 o C ⇒ ρ = 1.33 (kg/m 3 ) [11]
⇒ ṁ = ρ× Q = ρ × Vmt =1.33×0.05625 = 0.075 (kg/s) Lưu lượng khối lượng không khí hồi về cassette: m = 4.0×075 = 0.3 kg/s
- Đối với lưu lượng 1230m 3 /h: vmt = 1230/4 = 307.5 m 3 /h = 0.0854 (m 3 /s) Diện tích cửa ra:
F = 0.04×0.5 = 0.02 (m 2 ) Tốc độ đầu ra của miệng gió: v0 = 0.0854/0.02 = 4.27 (m/s) Lưu lượng khối lượng: ṁ = ρ×Q = ρ vmt =1.33×0.0854 = 0.11 (kg/s) [11]
Lưu lượng khối lượng không khí hồi về cassette: ṁ = 4×0.11 = 0.44 (kg/s)
Thông số đầu vào của hệ thống thông gió
Vận tốc của dòng không khí tươi cấp vào (Fresh air) của hệ thống thông gió:
Diện tích miệng cấp gió tươi:
F = 0.3×0.3 = 0.09 (m 2 ) Tốc độ đầu ra của miệng cấp khí tươi: v1 = 0.11/0.09 = 1.2 (m/s) Lưu lượng khối lượng: ṁ = ρ× Q =1.33×0.11= 0.15 (kg/s) [11]
3.2.2 Chia lưới Đối với mô hình được tạo ra, việc chia lưới được thực hiện với sự trợ giúp của công cụ chia lưới Ansys Meshing Việc chia lưới sẽ trải qua nhiều lần thử với các loại lưới và số phần tử khác nhau để tìm ra loại lưới tối ưu và phù hợp nhất với mô hình khảo sát Để tiết kiệm thời gian thực hiện mô phỏng và tài nguyên sử dụng trên máy tính, chọn ra 3 lưới có chất lượng tốt nhất với các phần tử lưới khác nhau để so sánh kết quả hội tụ lưới
Hình 3.3 Số phần tử khi chia lưới Poly hexcore
Hình 3.4 Chỉ số Skewness lưới Poly hexcore
Hình 3.5 Chỉ số Orthogonal lưới Poly hexcore
Lưới Poly hexcore có xấp xỉ 2 triệu phần tử, chỉ số hội tụ Orthogonal nhỏ nhất là 0.31 và chỉ số hội tụ Skewness lớn nhất là 0.69
Hình 3.6 Số phần tử khi chia lưới Hexcore
Hình 3.7 Chỉ số Skewness lưới Poly hexcore
Hình 3.8 Chỉ số Orthogonal lưới Hexcore Lưới Hexcore có xấp xỉ 3.8 triệu phần tử, chỉ số hội tụ Orthogonal nhỏ nhất là 0.27 và chỉ số hội tụ Skewness lớn nhất là 0.72
Hình 3.9 Số phần tử khi chia lưới Poly hedra
Hình 3.10 Chỉ số Skewness lưới Poly hexcore
Hình 3.11 Chỉ số Orthogonal lưới Poly hedra
Lưới Poly hedra có xấp xỉ 3.2 triệu phần tử, chỉ số hội tụ Orthogonal nhỏ nhất là 0.13 và chỉ số hội tụ Skewness lớn nhất là 0.86
Sau khi xem xét số phần tử, các chỉ số chất lượng lưới Skewness, chỉ số Orthogonal, chọn lưới Poly hexcore là lựa chọn tối ưu nhất cho mô hình khảo sát
3.2.3 Thiết lập điều kiện biên
Do khí hậu trong nhà và ngoài trời như tải lạnh và nồng độ CO2 luôn thay đổi chính vì thế rất khó khăn trong việc ước tính các thông số Chọn nhiệt độ môi trường tháng nóng nhất tại điểm khảo sát là 30 o C [12] Để xác định được nồng độ CO 2 trong phòng, cần phải biết sự giải phóng CO 2 bằng việc hít thở của con người Thành phần của không khí hít vào khác với thành phần không khí khi thở ra Và nồng độ thở ra khoảng 4% CO 2 Một người khỏe mạnh hít thở khoảng 7.5 đến 8 l/ph Từ những thí nghiệm mô phỏng, qua tính toán và đo lường đã kết luận được giá trị tương ứng của dòng CO 2 tạo ra với giá trị là 10.15 mg/s Giá trị được xác định từ tạp chí quốc tế về khoa học kĩ thuật và công nghệ thông tin [6]
Với các điều kiện không đổi bao gồm: nhiệt độ cơ thể người 33 o C, nhiệt độ gió cấp của cassette cài đặt ở 15 o C, nhiệt độ hành lang 25 o C Các thông số được sử dụng trong điều kiện biên được nêu trong bảng sau [11]:
Bảng 3.2 Các thông số thiết lập mô phỏng:
Biến số Loại điều kiện biên Giá trị
(Miệng gió cấp) Mass-flow - intlet Lưu lượng: 0.2756 – 0.4185 kg/s
(Đầu gió hồi về) Mass-flow - outlet Mass flow outlet: 0.3 - 0.44 kg/s
Fresh air Mass-flow - intlet Nhiệt độ: 25 o C
Ps (người) Wall Nhiệt độ: 33 o C
Door Wall Hệ số truyền nhiệt: 2.01 W/m 2 K
(tường ngoài) Wall Hệ số truyền nhiệt: 2.33 W/m 2 K
(tường trong) Wall Hệ số truyền nhiệt: 2.33 W/m 2 K
Mass-flow - inlet Lưu lượng: 10.15 mg/s
Hình 3.12 Thiết lập điều kiện biên cho mô hình người
Hình 3.13 Thiết lập điều kiện biên cho tường bên ngoài
Hình 3.14 Thiết lập lưu lượng không khí
Hình 3.15 Thiết lập lưu lượng gió tươi
Hình 3.16 Thiết lập lưu lượng CO2
Thực hiện khảo sát đối với phạm vi hoạt động của độ mở cassette từ 30 o đến 60 o , nhiệt độ dòng không khí cấp là 15 o C và lưu lượng không khí từ (Qc) 810 m 3 /h đến 1230 m 3 /h, lưu lượng thông gió được cố định với lưu lượng (Qv) 400 m 3 /h Ta chia các trường hợp theo trong bảng sau để tiến hành mô phỏng
Bảng 3.3 Các trường hợp mô phỏng:
3.2.4 Đánh giá hội tụ lưới
Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng lưới:
Orthogonal Quality: Orthogonal Quality còn gọi là chất lượng trực giao, phạm vi đánh giá của nó là từ 0 đến 1 giá trị gần 0 là tệ nhất còn giá trị gần 1 thì được cho là tốt, ở đây chất lượng trực giao được hiểu là tính vuông góc giữa các vectơ của các mặt trong lưới được chia
Skewness (độ lệch): Độ lệch là một trong những chỉ số chính về chất lượng lưới Trong các vùng được nội suy, các ô bị lệch nhiều có thể làm giảm độ chính xác của giải pháp số Hình chữ nhật và hình tam giác được đánh giá cao về độ lệch và ngược lại hình chữ nhật xiên và hình bình hành thì không được đánh giá cao
Hình 3.17 Đánh giá chỉ số Skewness và Orthogonal Quality Dựa vào bảng chỉ số để đánh giá chất lượng lưới ở trên, ta thấy lưới Poly hexcore có chỉ số Skewness và Orthogonal Quality ở mức tốt nhất, lưới Hexcore ở mức tốt, lưới Poly hedra có chỉ số Orthogonal Quality nằm ở mức tệ Lựa chọn lưới Poly hexcore sẽ giúp khả năng hội tụ lưới khi tiến hành mô phỏng sẽ rất cao và nhanh hơn Để giúp kết quả mô phỏng được chính xác và giúp tiết kiệm tài nguyên máy tốt nhất thì sau khi lựa chọn được lưới Poly hexcore để phục vụ cho quá trình mô phỏng, kết quả hội tụ lưới được so sánh bằng cách tạo ra 3 lưới ứng với 3 số phần tử khác nhau như sau:
Hình 3.18 Lưới Poly hexcore với xấp xỉ 2 triệu phần tử
Hình 3.19 Chỉ số residual của lưới Poly hexcore với xấp xỉ 2 triệu phần tử
Hình 3.20 Lưới Poly hexcore với xấp xỉ 1.4 triệu phần tử
Hình 3.21 Chỉ số Residual của lưới Poly hexcore với xấp xỉ 1.4 triệu phần tử
Hình 3.22 Lưới Poly hexcore với xấp xỉ 900 nghìn phần tử
Hình 3.23 Chỉ số Residual của lưới Poly hexcore với xấp xỉ 900 nghìn phần tử
Sau khi tiến hành chạy mô phỏng với các điều kiện biên được nêu trong bảng 3.2 trên cả 3 lưới trên ta nhận được kết quả nhất định và cả 3 lưới đều có chỉ số Residual hội tụ tốt quanh trục cố định và vị trí thấp nhất là 10 -5 Để giúp việc mô phỏng đạt được kết quả chính xác, ít tốn tài nguyên của máy tính và thời gian thực hiện chạy mô phỏng Mô hình sử dụng lưới có số phần tử xấp xỉ 900 nghìn để thực hiện mô phỏng
Đưa ra đánh giá các giá trị ban đầu
3.3.1 Đánh giá sự tiện nghi thông qua chỉ số DR
Ta xét sự ảnh hưởng của dòng không khí lạnh được từ cassette với các độ mở khác nhau đến các mô hình người Đường gạch ngang phía trên tượng trưng cho chiều cao người đang đứng với độ cao 1.7m tính từ dưới mặt nền Đường gạch ngang phía dưới tượng trưng cho chiều cao người đang ngồi với độ cao 1.1m tính từ dưới mặt nền Đánh giá các chỉ số
DR này qua 6 điểm gần người như hình 3.24 Nếu chỉ số DR thấp hơn 20% thì nằm ở mức cho phép, còn nếu vượt quá 20% sẽ gây ảnh hưởng đến con người trong văn phòng khi làm việc trong thời gian dài, qua đó không đảm bảo về điều kiện tiện nghi nhiệt [7]
Hình 3.24 6 điểm khảo sát chỉ số DR
Khảo sát độ mở với lưu lượng 810 m 3 /h:
Hình 3.25 Phân bố chỉ số DR độ mở 30 o ứng với lưu lượng 810 m 3 /h
Hình 3.26 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 30 o và lưu lượng 810 m 3 /h Đối với lưu lượng 810 m 3 /h, chỉ số DR tại độ cao 1.1m và 1.7m ở độ mở là 30 o nhỏ hơn 15% nằm trong giới hạn cho phép [8] Do vậy dù ở vị trí ngồi hay đứng thì người gần như không bị ảnh hưởng bởi dòng không khí lạnh từ cassette Ta nhận thấy chỉ số DR trong khu vực có người khi độ mở 30 o hầu như không chịu sự ảnh hưởng của tốc độ gió và cường
42 độ nhiễu động Vì vậy, TC luôn được đảm bảo không ảnh hưởng đến người trong khu vực văn phòng [8]
Hình 3.27 Phân bố chỉ số DR độ mở 40 o ứng với lưu lượng 810 m 3 /h
Hình 3.28 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 40 o và lưu lượng 810 m 3 /h Đối với lưu lượng 810 m 3 /h, chỉ số DR tại độ cao 1.1m và 1.7m ở độ mở là 40 o nhỏ hơn 16% nằm trong giới hạn cho phép [8] Dù ở vị trí ngồi hay đứng thì người gần như
43 không bị ảnh hưởng bởi dòng không khí lạnh từ cassette Vì vậy, TC luôn được đảm bảo không ảnh hưởng đến người trong khu vực văn phòng [8]
Hình 3.29 Phân bố chỉ số DR độ mở 50 o ứng với lưu lượng 810 m3/h
Hình 3.30 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 50 o và lưu lượng 810 m 3 /h Khi tăng độ mở trên 50 o thì dòng không khí lạnh từ cassette ra tác động trực tiếp đến các khu vực có người bất kể trạng thái của người là đứng hay ngồi Chỉ số DR cũng tăng
44 cao, vị trí cao nhất cao hơn 35% không đảm bảo được sự tiện nghi TC [8] Do vậy, không nên mở máy cassette ở độ mở 50 o tại khu vực làm việc
Hình 3.31 Phân bố chỉ số DR độ mở 60 o ứng với lưu lượng 810 m 3 /h
Hình 3.32 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 60 o và lưu lượng 810 m 3 /h Tương tự góc 50 o , khi tăng độ mở trên 60 o thì dòng không khí lạnh từ cassette ra cũng tác động trực tiếp đến các khu vực có người bất kể trạng thái của người là đứng hay ngồi Chỉ số DR tăng cao, vị trí cao nhất hơn 32% không đảm bảo được sự tiện nghi TC
[8] Do vậy, không nên mở máy cassette ở độ mở 60 o tại khu vực làm việc
Khảo sát độ mở với lưu lượng 1230 m 3 /h:
Hình 3.33 Phân bố chỉ số DR độ mở 30 o ứng với lưu lượng 1230 m 3 /h
Hình 3.34 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 30 o và lưu lượng 1230 m 3 /h Đối với lưu lượng 1230 m 3 /h, chỉ số DR tại độ cao 1.1m và 1.7m ở độ mở là 30 o đều nhỏ hơn 15% Do vậy dù ở vị trí ngồi hay đứng thì gần như không bị ảnh hưởng bởi dòng không khí lạnh từ cassette Ta nhận thấy chỉ số DR trong khu vực có người khi độ mở 30 o hầu như không chịu sự ảnh hưởng của tốc độ gió Vì vậy, TC luôn được đảm bảo không ảnh hưởng đến người trong khu vực văn phòng [8]
Hình 3.35 Phân bố chỉ số DR độ mở 40 o ứng với lưu lượng 1230 m 3 /h
Hình 3.36 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 40 o và lưu lượng 1230 m 3 /h
Khi độ mở là 40 o bắt đầu có sự ảnh hưởng khác nhau giữa trạng thái của người đứng với trạng thái người ngồi Nếu người đã ngồi vào chỗ ngồi, họ sẽ hài lòng, thoải mái khi các chỉ số DR tại khu vực dưới 1.1m đều nằm trong khoảng giá trị tốt dưới 20% Tuy nhiên nếu người đang đứng, họ sẽ không cảm thấy thoải mái ở vùng đầu do sự ảnh hưởng của dòng ra của máy lạnh, dòng không khí sẽ chuyển động tiếp xúc trực tiếp xung quanh đầu,
47 cổ hoặc vai Chỉ số DR tại khu trên 1.7m có vị trí cao hơn 20%, chính vì thế TC sẽ không đảm bảo [8] Điều này cho thấy khi tăng lưu lượng không khí, vận tốc dòng không khí lạnh từ cassette sẽ lớn hơn, do đó ảnh hưởng đến sự tiện nghi nhiệt so với lưu lượng 810 m 3 /h
Hình 3.37 Phân bố chỉ số DR độ mở 50 o ứng với lưu lượng 1230 m 3 /h
Hình 3.38 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 50 o và lưu lượng 1230 m 3 /h Đối với lưu lượng 1230 m 3 /h, khi tăng độ mở trên 50 o thì dòng không khí lạnh từ cassette ra tác động trực tiếp đến các khu vực có người bất kể trạng thái của người là đứng
48 hay ngồi Chỉ số DR tăng rất cao, vị trí cao nhất cao hơn 45% khiến người trong không gian điều hoà cảm thấy khó chịu, do vậy không đảm bảo được sự tiện nghi TC [8]
Hình 3.39 Phân bố chỉ số DR độ mở 60 o ứng với lưu lượng 1230 m 3 /h
Hình 3.40 Chỉ số DR trong khu vực có người với độ mở 60 o và lưu lượng 1230 m 3 /h Tương tự góc 50 o , khi tăng độ mở trên 60 o thì dòng không khí lạnh từ cassette ra tác động trực tiếp đến các khu vực có người bất kể trạng thái của người là đứng hay ngồi Chỉ số DR tăng rất cao, vị trí cao nhất cao hơn 45% khiến người trong không gian điều hoà cảm thấy khó chịu, do vậy không đảm bảo được sự tiện nghi TC [8]
3.3.2 Đánh giá sự tiện nghi theo gradient nhiệt độ (VATD)
Sự suy giảm TC do sự ảnh hưởng của dòng không khí cấp từ máy điều hòa có thể kiểm chứng lại thông qua gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng VATD (Vertical Air Temperature Difference) bằng cách so sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu với mắt cá chân
Các gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng sẽ được khảo sát dựa trên 2 đường thẳng tạo ra từ vị trí cạnh người, ở độ cao lần lượt 0.1 và 1.1 (0.1 là khoảng cách gần ngang cổ chân, 1.1 là khoảng cách ngang tầm đầu) Chênh lệch nhiệt độ không khí theo phương thẳng đứng, sự phân tầng nhiệt dẫn đến sự khác nhau về nhiệt độ không khí ở ngang đầu với ngang mắt cá chân có thể gây khó chịu về nhiệt [8] Phần này quy định sự chênh lệch cho phép giữa nhiệt độ không khí ngang đầu và nhiệt độ không khí ngang mắt cá chân
Hình 3.41 Chênh lệch nhiệt độ cho phép giữa đầu và mắt cá chân [8]
Ta đánh giá sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 độ cao khác nhau 0.1 m và 1.1 m bằng cách tạo ra 2 đường thẳng song song nằm ở 2 mặt cắt 0.1 m và 1.1 m Sau khi tạo ra 4 cặp đường thẳng song song (bố trí các đường thẳng xung quanh đối tượng cần khảo sát là người ngồi trong phòng) ta tiến hành so sánh trường nhiệt độ của các cặp đường thẳng Từ đó lựa ra cặp đường thẳng có chênh lệch nhiệt độ lớn nhất
Hình 3.42 10 điểm khảo sát chỉ số VATD Tiến hành khảo sát các trường hợp khác nhau, ta được các kết quả sau:
Hình 3.43 Trường nhiệt độ ứng với lưu lượng 810 m 3 /h tại độ mở 30 o ở độ cao 1.1m
Hình 3.44 Trường nhiệt độ ứng với lưu lượng 810 m 3 /h tại độ mở 30 o ở độ cao 0.1m
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THAY THẾ MÁY CASSETTE BẰNG DÀN LẠNH ÂM TRẦN NỐI ỐNG GIÓ
Đánh giá kết quả tiện nghi nhiệt đối với máy âm trần nối ống gió
4.2.1 Đánh giá dựa vào chỉ số DR
Ta xét sự ảnh hưởng của dòng không khí lạnh được từ hai miệng gió đến các mô hình người Đường gạch ngang phía trên tượng trưng cho chiều cao người đang đứng với độ cao 1.7m tính từ dưới mặt nền Đường gạch ngang phía dưới tượng trưng cho chiều cao người đang ngồi với độ cao 1.1m tính từ dưới mặt nền
Hình 4.2 Chỉ số DR đối với lưu lượng 900m 3 /h tại miệng thổi
Hình 4.3 Chỉ số DR đối với lưu lượng 900 m 3 /h tại miệng hồi
Hình 4.4 Chỉ số DR tại khu vực có người đối với lưu lượng 900 m 3 /h Đối với lưu lượng 900 m 3 /h của máy âm trần nối ống gió, chỉ số DR tại độ cao 1.1m và 1.7m đều nhỏ hơn 15% Do vậy dù ở vị trí ngồi hay đứng thì gần như không bị ảnh hưởng bởi dòng không khí lạnh từ cassette Ta nhận thấy chỉ số DR trong khu vực có người hầu như không chịu sự ảnh hưởng của tốc độ gió Vì vậy, TC luôn được đảm bảo không ảnh hưởng đến người trong khu vực văn phòng [8]
4.2.2 Đánh giá dựa trên gradient nhiệt độ
Ta đánh giá sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 độ cao khác nhau 0.1 m và 1.1 m bằng cách tạo ra 2 đường thẳng song song nằm ở 2 mặt cắt 0.1 m và 1.1 m Sau khi tạo ra 4 cặp đường thẳng song song (bố trí các đường thẳng xung quanh đối tượng cần khảo sát là người ngồi
73 trong phòng) ta tiến hành so sánh trường nhiệt độ của các cặp đường thẳng Từ đó lựa ra cặp đường thẳng có chênh lệch nhiệt độ lớn nhất
Hình 4.5 Trường nhiệt độ ứng với lưu lượng 900 m 3 /h ở độ cao 1.1m
Hình 4.6 Trường nhiệt độ ứng với lưu lượng 900 m 3 /h ở độ cao 0.1m
Hình 4.7 Chỉ số VATD lớn nhất ứng với lưu lượng 900 m 3 /h
74 Đối với lưu lượng 900 m 3 /h của máy âm trần nối ống gió, độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất là 1.1 o C nằm trong giới hạn cho phép dưới 3 o C cho nên máy âm trần nối ống gió thỏa mãn về sự tiện nghi nhiệt [8]
4.2.3 Đánh giá dựa trên chỉ số PMV và PPD
Bảng 4.2 Tính toán PMV tại nhiệt độ 25 o C đối với máy âm trần nối ống gió:
Thông số đầu vào Giá trị
Nhiệt độ phòng (ta) 25 o C Nhiệt độ bức xạ (tr) 27 o C
Vận tốc không khí (V) 0.08 m/s Áp suất hơi (pa) 3169 Pa
Năng lượng do hoạt động bên ngoài (W) 0 W/m 2
Tỉ lệ diện tích da được che phủ bởi quần áo trên diện tích da không được che phủ (fcl)
Nhiệt độ bề mặt quần áo (tcl) 32.53 o C
Hệ số truyền nhiệt (hc) 3.42 W/m 2 K
Giá trị PMV trung bình trong phòng được bao gồm trong phạm vi TC Chỉ số PMV càng gần 0 thì người càng thoải mái, chỉ số PPD cũng nằm trong mức cho phép của TC
Do vậy, sử dụng máy âm trần nối ống gió đảm bảo được tiện nghi nhiệt cho người ngồi trong phòng.
So sánh kết quả mô phỏng của máy cassette và dàn lạnh âm trần nối ống gió
Để tiến hành so sánh, sử dụng kết quả mô phỏng vừa thu được của dàn lạnh âm trần nối ống gió đối chiếu với các chỉ số tiện nghi nhiệt sử dụng độ mở 30 o của máy cassette
Bảng 4.3 So sánh TC của độ mở 30 o máy cassette và dàn lạnh âm trần nối ống gió
Chỉ số Độ mở 30 o máy Cassette Dàn lạnh âm trần nối ống gió
Từ kết quả so sánh, có thể kết luận chỉ số tiện nghi nhiệt của độ mở 30 o máy cassette và dàn lạnh âm trần nối ống gió chênh lệch không quá nhiều Các kết quả đều thoả điều kiện về tiện nghi nhiệt và giúp cho người ngồi trong không gian điều hoà cảm thấy thoải mái Việc lựa chọn loại máy sẽ phụ thuộc vào các yếu tố được liệt kê trong bảng 4-1