Mô phỏng năng lượng công trình thực tế cho khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam

Tổng quan

Mô phỏng năng lượng công trình là một công cụ mạnh mẽ được sử dụng để dự đoán mức tiêu thụ năng lượng và hiệu suất nhiệt của các tòa nhà. Ở các vùng khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, đặc trưng bởi nhiệt độ cao, bức xạ mặt trời gay gắt, và quan trọng nhất là độ ẩm rất cao, mô phỏng là điều cần thiết để thiết kế các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả và mang lại tiện nghi. Các phương pháp quy định đơn giản thường không giải quyết được sự tương tác phức tạp giữa tải nhiệt và tải ẩm. Mô phỏng cho phép các chuyên gia đánh giá các quyết định thiết kế, tối ưu hóa hiệu suất công trình và đảm bảo tuân thủ các quy chuẩn năng lượng cũng như tiêu chuẩn công trình xanh bằng cách cung cấp dữ liệu định lượng về sử dụng năng lượng, tải điện đỉnh điểm và tiện nghi nhiệt ¹, ².

Mô phỏng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới mang đến những thách thức riêng, chủ yếu do tải nhiệt ẩn (ẩm) đáng kể và tiềm năng sử dụng cả thông gió tự nhiên lẫn điều hòa không khí (chế độ vận hành hỗn hợp). Mô hình hóa chính xác các khía cạnh này là chìa khóa để thu được kết quả đáng tin cậy.

Các bước thực hiện mô phỏng trong khí hậu nhiệt đới

Để thực hiện mô phỏng năng lượng hiệu quả trong khí hậu nhiệt đới, cần có một phương pháp tiếp cận có hệ thống, chú ý đặc biệt đến các yếu tố đặc thù của khí hậu.

Xác định phạm vi và mục tiêu dự án

Bắt đầu bằng cách xác định rõ ràng những gì bạn muốn đạt được với mô phỏng. Mục đích là để tuân thủ quy chuẩn, chứng nhận công trình xanh (LOTUS, LEED), tối ưu hóa thiết kế, hay hiểu rõ các vấn đề về hiệu suất trong một công trình hiện có? Các mục tiêu sẽ quyết định mức độ chi tiết cần thiết của mô hình và các chỉ số hiệu suất chính (KPIs) cần theo dõi, chẳng hạn như cường độ sử dụng năng lượng hàng năm (EUI), nhu cầu điện đỉnh điểm, hoặc số giờ vượt quá ngưỡng tiện nghi.

Thu thập dữ liệu đầu vào

Dữ liệu đầu vào chất lượng cao là nền tảng cho mô phỏng chính xác.

Dữ liệu khí hậu: Thu thập dữ liệu Năm Khí tượng Điển hình (TMY) đáng tin cậy cho địa điểm cụ thể tại Việt Nam. Đảm bảo dữ liệu bao gồm nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt hoặc điểm sương, độ ẩm tương đối, bức xạ mặt trời (trực tiếp và khuếch tán), tốc độ và hướng gió. Độ chính xác của dữ liệu độ ẩm là tối quan trọng đối với khí hậu nhiệt đới ². Nguồn dữ liệu có thể bao gồm các dịch vụ khí tượng quốc gia hoặc các nhà cung cấp dữ liệu khí hậu thương mại.
Hình dạng và hướng công trình: Kích thước chính xác, hướng tường, độ dốc mái và kích thước cửa sổ.
Vật liệu xây dựng: Thông tin chi tiết về hệ số truyền nhiệt U, hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời (SHGC) và tính chất quán tính nhiệt của tường, mái, sàn và cửa sổ. Chú ý đến khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của bề mặt bên ngoài.
Tải nội bộ: Lịch trình và cường độ của người sử dụng, chiếu sáng và tải nhiệt từ thiết bị. Các tải này đóng góp đáng kể cả nhiệt hiển và nhiệt ẩn trong các không gian có người sử dụng.
Thông tin chi tiết hệ thống HVAC: Thông số kỹ thuật của các hệ thống làm lạnh (chiller, điều hòa cục bộ), bộ xử lý không khí (AHUs), hệ thống thông gió, và quan trọng là các chiến lược hút ẩm. Bao gồm dữ liệu hiệu suất (EER, IPLV, COP) và đường cong hiệu suất tải từng phần.
Lịch trình vận hành: Lịch trình thực tế cho việc sử dụng, chiếu sáng, thiết bị, điểm đặt nhiệt độ (và độ ẩm) của bộ điều nhiệt, và tốc độ thông gió.

Mô hình hóa hình dạng công trình

Tạo một mô hình 3D chi tiết của công trình.

Phân vùng: Chia công trình thành các vùng nhiệt có đặc điểm nhiệt và lịch trình vận hành tương tự (ví dụ: văn phòng, phòng họp, hành lang, khu vực lõi so với khu vực vành đai). Cân nhắc phân vùng dựa trên hướng và mô hình sử dụng. Đối với khí hậu nhiệt đới, việc tách các vùng dựa trên các hệ thống HVAC hoặc chế độ thông gió khác nhau (ví dụ: thông gió tự nhiên so với điều hòa không khí) là rất quan trọng.
Che nắng: Mô hình hóa chính xác tất cả các yếu tố che nắng bên ngoài và bên trong, bao gồm ô văng, lam chắn nắng, các tòa nhà lân cận và cây xanh. Tải nhiệt mặt trời qua cửa sổ là một thành phần tải lạnh chính ở vùng nhiệt đới ¹.

Minh họa cho Mô phỏng năng lượng công trình thực tế cho khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam - phần 1

Xác định kết cấu và vật liệu

Gán các kết cấu phù hợp cho từng bề mặt.

Đảm bảo các đặc tính nhiệt chính xác (hệ số U, quán tính nhiệt) cho tường, mái, sàn và cửa sổ. Các kết cấu nhẹ phổ biến ở một số khu vực nhiệt đới có thể có phản ứng tức thời khác với kết cấu khối lượng nặng ¹.
Nhập chính xác các đặc tính của cửa sổ, đặc biệt là SHGC, cho biết lượng bức xạ mặt trời truyền qua. Kính hiệu suất cao với SHGC thấp thường rất quan trọng để giảm tải lạnh.

Nhập dữ liệu khí hậu

Tải tệp dữ liệu khí hậu TMY đã chọn vào phần mềm mô phỏng. Kiểm tra lại kỹ lưỡng để đảm bảo tất cả các thông số cần thiết, đặc biệt là dữ liệu độ ẩm, được nhập và diễn giải chính xác bởi phần mềm. Hiểu rõ những hạn chế của dữ liệu TMY và cân nhắc sử dụng dữ liệu nhiều năm hoặc các năm cực đoan nếu cần phân tích khả năng chống chịu.

Mô hình hóa tải nội bộ và lịch trình

Xác định các lịch trình thực tế cho người sử dụng, chiếu sáng và thiết bị.

Hãy nhớ rằng người sử dụng là nguồn cung cấp cả nhiệt hiển và nhiệt ẩn đáng kể (ẩm) thông qua hô hấp và mồ hôi, điều này đặc biệt liên quan trong môi trường có độ ẩm cao. Sử dụng mật độ người sử dụng và mức độ hoạt động thực tế.
Xác định điểm đặt nhiệt độ và, lý tưởng nhất là điểm đặt độ ẩm hoặc điểm sương cho các vùng được điều hòa không khí. Cân nhắc các tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt thích ứng, có thể cho phép nhiệt độ ấm hơn một chút trong điều kiện thông gió tự nhiên ².

Mô hình hóa hệ thống HVAC

Đây thường là phần phức tạp nhất, đặc biệt trong khí hậu nhiệt đới.

Mô tả chính xác loại hệ thống HVAC, bố trí và chiến lược điều khiển.
Chú ý đặc biệt đến các dàn lạnh và cách chúng xử lý tải nhiệt ẩn. Mô hình hóa chính xác các quá trình hút ẩm, cho dù đó là một phần của chức năng dàn lạnh chính hay một hệ thống riêng biệt (ví dụ: hút ẩm bằng chất hút ẩm).
Mô hình hóa các chiến lược thông gió, bao gồm yêu cầu khí tươi tối thiểu, thông gió theo nhu cầu, và cơ chế thông gió tự nhiên (ví dụ: cửa sổ có thể mở, hiệu ứng ống khói, hiệu ứng gió) ². Mô hình hóa chế độ vận hành hỗn hợp, trong đó hệ thống chuyển đổi giữa thông gió tự nhiên và làm lạnh cơ học, là thách thức nhưng quan trọng cho việc tối ưu năng lượng ở vùng nhiệt đới.
Bao gồm quạt, bơm và năng lượng tiêu thụ liên quan. Cân nhắc tiềm năng của các công nghệ làm lạnh tái tạo hoặc tích hợp với bồn chứa nhiệt ³, ⁴.

Minh họa cho Mô phỏng năng lượng công trình thực tế cho khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam - phần 2

Chạy mô phỏng

Thực hiện mô phỏng sử dụng các bước thời gian phù hợp (ví dụ: hàng giờ). Xem lại nhật ký mô phỏng để tìm lỗi hoặc cảnh báo. Các vấn đề thường gặp bao gồm các vấn đề hội tụ hoặc mô phỏng không ổn định, thường liên quan đến các hệ thống điều khiển HVAC phức tạp hoặc mô hình hóa thông gió tự nhiên.

Phân tích kết quả

Xem lại kết quả mô phỏng một cách kỹ lưỡng.

Phân tích mức tiêu thụ năng lượng theo từng mục đích sử dụng (làm lạnh, quạt, chiếu sáng, v.v.). Tải lạnh và tải hút ẩm có thể sẽ chiếm ưu thế trong khí hậu nhiệt đới.
Kiểm tra biểu đồ nhu cầu đỉnh điểm để hiểu khi nào và tại sao tải đỉnh điểm xảy ra. Phân biệt giữa tải nhiệt hiển và tải nhiệt ẩn.
Đánh giá tiện nghi nhiệt sử dụng các chỉ số như Chỉ số Dự đoán Cảm giác Trung bình (PMV), Tỷ lệ Người không hài lòng (PPD), hoặc sử dụng các mô hình tiện nghi thích ứng phù hợp với các không gian thông gió tự nhiên hoặc chế độ hỗn hợp ².
Thực hiện phân tích độ nhạy để hiểu tác động của các thông số chính (ví dụ: SHGC, tốc độ thẩm thấu không khí, điểm đặt bộ điều nhiệt) đến hiệu suất.

Lặp lại và tối ưu hóa

Dựa trên phân tích, xác định các lĩnh vực cần cải thiện. Thử nghiệm các phương án thiết kế khác nhau (ví dụ: cách nhiệt tốt hơn, cửa sổ tốt hơn, chiến lược che nắng khác nhau, hệ thống HVAC hiệu quả hơn, cải thiện thông gió tự nhiên) và mô phỏng tác động của chúng. Sử dụng kết quả mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế công trình nhằm đạt được hiệu quả năng lượng, hiệu quả chi phí và tiện nghi cho người sử dụng.

Các thực hành tốt nhất cho mô phỏng trong khí hậu nhiệt đới

Ưu tiên độ chính xác dữ liệu khí hậu: Đảm bảo tệp TMY đại diện cho điều kiện điển hình, nhưng cũng hiểu phạm vi các điều kiện cực đoan mà công trình có thể gặp phải. Dữ liệu độ ẩm là rất quan trọng.
Tập trung vào tải nhiệt ẩn: Xác minh rằng phần mềm mô phỏng và các mô hình HVAC tính toán và xử lý chính xác tải nhiệt ẩn từ người sử dụng, thông gió khí ngoài trời và thẩm thấu không khí.
Mô hình hóa thông gió tự nhiên chính xác: Nếu dựa vào thông gió tự nhiên, hãy mô hình hóa cẩn thận khả năng mở cửa sổ, hệ số áp lực gió và đường luồng không khí nội bộ. Hiểu rõ những hạn chế và hiệu suất tiềm năng trong các giai đoạn nóng/ẩm ¹, ².
Mô hình hóa kiểm soát bức xạ mặt trời một cách tỉ mỉ: Che nắng thường là chiến lược thụ động hiệu quả nhất ở vùng nhiệt đới. Đảm bảo tất cả các yếu tố che nắng được mô hình hóa chính xác ¹.
Hệ thống HVAC xử lý hút ẩm: Đảm bảo thiết kế và chiến lược điều khiển của hệ thống HVAC được mô hình hóa quản lý độ ẩm hiệu quả, vì việc làm lạnh quá mức để hút ẩm tốn nhiều năng lượng.
Cân nhắc tiện nghi thích ứng: Đối với các không gian thông gió tự nhiên hoặc chế độ hỗn hợp, hãy sử dụng các mô hình tiện nghi thích ứng phù hợp hơn với kỳ vọng của người sử dụng trong khí hậu nhiệt đới so với các mô hình tĩnh ².
Lưu trữ tài liệu giả định: Ghi chép rõ ràng tất cả các giả định về lịch trình, vận hành hệ thống và đặc tính vật liệu.
Xác thực khi có thể: Nếu mô phỏng một công trình hiện có, hãy so sánh kết quả mô phỏng với hóa đơn năng lượng thực tế và dữ liệu nhiệt độ/độ ẩm để xác thực mô hình.

Các cân nhắc khi áp dụng tại Việt Nam

Các quy chuẩn QCVN: Nắm vững Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả của Việt Nam, cụ thể là QCVN 09:2017/BXD và bản cập nhật, QCVN 09:2023/BXD [^6], [^7]. Các quy chuẩn này đặt ra các yêu cầu hiệu suất năng lượng tối thiểu mà mô phỏng có thể giúp chứng minh sự tuân thủ. Chúng bao gồm các khía cạnh như hiệu suất nhiệt của vỏ bao che, mật độ công suất chiếu sáng và hiệu suất hệ thống HVAC.
Dữ liệu khí hậu địa phương: Việc tiếp cận dữ liệu TMY đáng tin cậy cho các địa điểm cụ thể tại Việt Nam đôi khi có thể là một thách thức. Sử dụng dữ liệu từ các nguồn uy tín gần nhất với địa điểm dự án.
Các thực hành xây dựng phổ biến: Hiểu rõ các vật liệu xây dựng thông thường của Việt Nam (ví dụ: gạch, bê tông) và phương pháp thi công, bao gồm các loại cửa sổ phổ biến, thực hành che nắng (hoặc thiếu che nắng) và khả năng xảy ra cầu nhiệt.
Hành vi của người sử dụng: Các thói quen sử dụng điều hòa không khí, quạt và thông gió tự nhiên của người dân địa phương có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng năng lượng. Cố gắng mô hình hóa hành vi này một cách thực tế dựa trên việc sử dụng điển hình hoặc thông tin cụ thể của dự án.
Chứng nhận LOTUS: Hệ thống Chứng nhận Công trình Xanh LOTUS, được phát triển bởi Hội đồng Công trình Xanh Việt Nam (VGBC), được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. LOTUS bao gồm các phần về hiệu suất năng lượng, trong đó mô phỏng là một con đường tuân thủ tiêu chuẩn, thường được đánh giá so với một công trình cơ sở tương tự như LEED [^8].

Minh họa cho Mô phỏng năng lượng công trình thực tế cho khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam - phần 3

Yêu cầu tuân thủ

Để tuân thủ QCVN 09, mô phỏng thường được sử dụng như một con đường tuân thủ thay thế (“Phương pháp hiệu năng”) để chứng minh rằng công trình đề xuất đạt được mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với một công trình cơ sở đáp ứng các yêu cầu quy định. Điều này đòi hỏi tài liệu cẩn thận về cả mô hình đề xuất và mô hình cơ sở, tuân theo các quy tắc cụ thể được nêu trong quy chuẩn. Đối với các chứng nhận công trình xanh như LOTUS hoặc LEED (nếu được theo đuổi), mô phỏng thường là bắt buộc để đạt được các tín chỉ liên quan đến hiệu suất năng lượng tối ưu. Điều này liên quan đến việc so sánh mức sử dụng năng lượng mô phỏng của thiết kế đề xuất với một mô hình công trình cơ sở được xác định theo quy tắc của tiêu chuẩn. Yêu cầu các định dạng báo cáo và tài liệu phù hợp để nộp.

Khắc phục sự cố thường gặp

Lỗi mô phỏng: Kiểm tra dữ liệu đầu vào để tìm sự không nhất quán hoặc giá trị bị thiếu. Xem lại nhật ký đầu ra mô phỏng để tìm các thông báo lỗi cụ thể. Các mô hình HVAC hoặc điều khiển phức tạp là nguồn lỗi phổ biến. Đơn giản hóa mô hình từng bước để cô lập vấn đề.
Tải quá cao bất thường: Xem lại dữ liệu đầu vào: xác minh tệp khí hậu, đảm bảo các đặc tính kết cấu chính xác (đặc biệt là hệ số U và SHGC), kiểm tra cường độ và lịch trình tải nội bộ, xem lại tốc độ thẩm thấu/thông gió, và xác nhận rằng che nắng được mô hình hóa chính xác. Tải nhiệt ẩn cao thường chỉ ra các vấn đề về tốc độ thông gió, tải ẩm nội bộ, hoặc khả năng/điều khiển hút ẩm của hệ thống HVAC.
Kết quả tiện nghi nhiệt kém: Kiểm tra điểm đặt và lịch trình của bộ điều nhiệt. Nếu mô hình hóa kiểm soát độ ẩm, đảm bảo nó được cấu hình đúng. Xem lại tốc độ thông gió và hiệu quả trao đổi không khí. Nếu mô hình hóa thông gió tự nhiên, đảm bảo các đường luồng không khí và bộ điều khiển thực tế. Cân nhắc sử dụng các mô hình tiện nghi thích ứng nếu áp dụng.
Sự khác biệt với hiệu suất thực tế: Nếu so sánh mô phỏng với dữ liệu thực tế, hãy cân nhắc sự khác biệt trong hành vi của người sử dụng, điều kiện thời tiết thực tế trong thời gian đo lường so với TMY, các vấn đề vận hành thử (commissioning) hệ thống HVAC, hoặc sự khác biệt giữa hoạt động và bảo trì hệ thống được mô hình hóa và thực tế. Có thể cần hiệu chuẩn mô hình đối với các công trình hiện có.

Việc thành thạo mô phỏng năng lượng công trình cho khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về khí hậu, các thực hành xây dựng địa phương, các quy chuẩn và tiêu chuẩn liên quan, cùng với việc nhập dữ liệu cẩn thận và xác minh mô hình.