TÀI NGUYÊN

(Phần 1) Quy trình thiết kế tích hợp, ứng dụng công nghệ mô phỏng năng lượng

Tham luận của Ths.KTS Trần Thành Vũ – Giám đốc công ty TNHH EDEEC

1. GIỚI THIỆU

Công ty TNHH EDEEC:

Đơn vị đầu tiên tại Việt Nam hoạt động theo mô hình Công ty tư vấn giải pháp kỹ thuật hiệu quả năng lượng (Bureau d’Etude Technique);
Thành lập từ năm 2011 bởi đội ngũ gồm phần lớn là những kiến trúc sư, kỹ sư chuyên ngành kiến trúc, năng lượng đã tốt nghiệp và từng công tác ở các nước phát triển;
Đội ngũ đầy nhiệt huyết mong muốn đem kiến thức và kinh nghiệm từ các nước phát triển và từ các dự án ODA về hiệu quả năng lượng áp dụng đại trà vào những dự án tại Việt Nam.

Sau hơn 10 năm hoạt động lặng lẽ của 1 số thành viên chủ chốt với tư cách chuyên gia tại các dự án liên quan tới hiệu quả năng lượng và công trình xanh, như dự án sửa đổi quy chuẩn năng lượng công trình của IFC – Tập đoàn Tài chính Quốc tế do Nhóm Ngân hàng thế giới tài trợ, “Chương trình Năng lượng Sạch Việt Nam – VCEP” do USAID tài trợ, chương trình quy chuẩn năng lượng UNDP và bộ Xây dựng. Nhóm kỹ thuật đã từng tham gia các dự án trên quyết định tăng cường hoạt động nhằm mở rộng việc phổ biến những thay đổi tích cực cho các công trình tại Việt Nam. Bằng cách ứng dụng các thành quả nghiên cứu tiên tiến trong các dự án phi chính phủ, hoạt động trên nền tảng pháp lý là công ty EDEEC, theo định hướng sử dụng năng lượng hiệu quả, tối ưu thiết kế trong kiến trúc và kỹ thuật năng lượng để đem lại hiệu quả đầu tư tốt hơn so với mức trung bình. Thậm chí công trình tiết kiệm năng lượng, công trình xanh có thể giảm được chi phí đầu tư ban đầu nhờ vào các tính toán tối ưu hóa chuyên sâu.

Để đạt được mục tiêu trên, nhóm giải pháp năng lượng công trình đề xuất ứng dụng quy trình thiết kế tích hợp, kết hợp với công nghệ mô phỏng năng lượng nhằm tối ưu hóa quá trình thiết kế và phân phối đầu tư

Công ty EDEEC thực hiện các dịch vụ tư vấn cốt lõi dưới đây cho các công trình xây dựng, dựa trên công nghệ mô phỏng năng lượng được vận hành trên quy trình thiết kế tích hợp.

Địa chỉ liên hệ:

Tầng 8, tòa nhà CT3 Yên Hoà, ngõ 6 Dương Đình Nghệ, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam

info@Edeec.com

+84 904861128 (Mr. Trần Thành Vũ – Giám đốc công ty)

2. SƠ LƯỢC VỀ MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG

Giải pháp thiết kế và công nghệ, kỹ thuật hiệu quả năng lượng cho công trình tại Việt Nam: Mô phỏng năng lượng công trình hỗ trợ thiết kế kiến trúc.

Mô hình năng lượng công trình là gì?

Mô hình năng lượng là một mô hình tính toán, có các thông số đầu vào như dữ liệu địa lý, thời tiết, thông số hình học của công trình, đặc tính hoạt động của hệ thống và dữ liệu vận hành của người sử dụng để đưa ra các thông tin đầu ra như mức tiêu thụ năng lượng của toàn công trình hoặc các yêu cầu về thông gió, làm mát, sưởi…bao gồm cả các thông tin về tiện nghi nhiệt, nhiệt độ, độ ẩm, chiếu sáng, độ chói…để tìm ra giải pháp thiết kế phù hợp nhất.

Như vậy mô phỏng năng lượng chỉ là tên gọi, về bản chất, đây là công việc mô tả bằng số hóa toàn bộ hoạt động vận hành thực tế của tòa nhà nhằm dự báo trước mọi vấn đề liên quan tới môi trường không khí, chiếu sáng tự nhiên, các hệ thống năng lượng như đèn, thiết bị, toàn bộ hệ thống điều hòa thông gió, chi phí vận hành của công trình…

Mô hình 3D mô phỏng năng lượng có đủ các không gian bên trong

Không giống như mô hình vẽ phối cảnh 3D, kiến trúc sư chỉ việc vẽ phần vỏ công trình, thực hiện mô hình năng lượng đòi hỏi mô hình 3D phải có đầy đủ các không gian bên trong và toàn bộ các mô tả về hoạt động, số lượng người, đèn, thiết bị và tính chất nhiệt vật lý của vật liệu.

Các tham số vật liệu của công trình cần phải được đưa đầy đủ, chính xác cho mỗi bức tường, mái, cửa sổ

Lịch hoạt động điển hình của văn phòng

Đồ thị trên mô tả tỷ lệ phần trăm số lượng người theo giờ bên trong không gian văn phòng cho một ngày làm việc thông thường, trục tung thể hiện % số người, trục hoành thể hiện giờ trong ngày 0- 24h.

Các thông số thời tiết, dữ liệu đầu vào quan trọng hàng đầu

Dự liệu thời tiết 8760 giờ (365×24), đại diện cho khí hậu của nơi đặt công trình. Đây là dữ liệu quan trọng hàng đầu khi thiết kế công trình có ứng dụng kỹ thuật mô phỏng. Dữ liệu thiết kế được sử dụng phổ biến tại Việt nam chỉ sử dụng các tham số cực đại về nhiệt độ, độ ẩm để tính toán đơn giản công suất hệ thống điều hòa, nên các tác động chi tiết của khí hậu và đặc biệt là tiêu thụ năng lượng của công trình sẽ không được đánh giá trong quá trình thiết kế.

Mô hình hệ thống điều hòa thông gió cũng được tạo ra trực tiếp trong mô hình năng lượng, hệ thống này đòi hỏi chuyên môn sâu và am hiểu kỹ thuật năng lượng công trình, kỹ thuật điều khiển, lập trình để mô tả chính xác.

Mô hình hệ thống điều hòa mô phỏng sẽ tương tác với toàn bộ công trình, thời tiết, đèn, thiết bị … tất cả tương tác ảo trong môi trường mô phỏng của máy tính và sản sinh các dữ liệu vận hành công trình như nhiệt độ độ ẩm cho từng không gian, mức tiêu thụ điện trên hệ thống điều hòa, chiếu sáng….

Việc ứng dụng mô phỏng năng lượng trong thiết kế kiến trúc là một khái niệm hoàn toàn mới tại Việt Nam. Khác biệt với quy trình thiết kế thông thường, mô phỏng năng lượng kết hợp với quy trình thiết kế tích hợp trong thiết kế sẽ đóng góp tích cực vào tất cả các giai đoạn thiết kế chủ chốt như thiết kế concept, phát triển kỹ thuật thiết kế và ngay cả khi thiết kế sơ phác.

Một số ví dụ dùng mô phỏng năng lượng để tính toán chi tiết sự vận hành công trình:

Đồ thị dự báo tiệu thụ điện năng công trình trên 3 hạng mục sử dụng điện chính (tính cho 1 năm)

Dự báo lưu lượng thông gió tự nhiên trên cửa mái của 1 công trình

Dự báo nhiệt độ (đỏ) và nồng độ CO2 (xám) trong 1 lớp học khi có và không có thông gió tự nhiên. Nhiệt độ bên ngoài (xanh) trong tháng 4 và 7.

3. SO SÁNH QUY TRÌNH THIẾT KẾ PHỔ THÔNG VÀ QUY TRÌNH TÍCH HỢP

Quy trình thiết kế phổ thông: Kiến trúc sư sau một thời gian làm việc với chủ đầu tư về phác thảo mặt bằng, phối cảnh sẽ tiến tới ký hợp đồng. Sau đó các công việc phát triển thiết kế sơ bộ và cơ sở được thực hiện nhanh chóng (và có ít sự tham gia đánh giá sâu của kỹ sư) để có thể gấp rút xin cấp phép xây dựng. Sau khi có giấy phép xây dựng, việc phát triển kỹ thuật được thực hiện sâu hơn và hợp tác giữa kiến trúc sư, kỹ sư, họa viên lúc này mới thực sự diễn ra.

Cách làm cổ điển có nhược điểm là kiến trúc sư tự quyết định hầu hết mọi vấn đề của thiết kế trong quá trình trước ký hợp đồng và trong thiết kế sơ bộ, rồi dựa trên nền tảng đó, kỹ sư sẽ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật tiếp theo. Cách làm này, nhất là với điều kiện Việt Nam, thường sinh ra nhiều vấn đề đối với sử dụng năng lượng và tính bền vững môi trường của công trình. Kỹ sư chỉ tham gia thiết kế ở giai đoạn sau của dự án, trên nền tảng thiết kế đã được quyết định một cách cảm tính của kiến trúc sư, điều này dễ gây ra những xung đột hay lỗi khó khắc phục, thường xảy ra nhất đối với năng lượng và tính bền vững môi trường. Việc xử lý lỗi thường mang tính khắc phục và dễ gây tăng chi phí, kéo dài thời gian thiết kế.

Quy trình thiết kế tích hợp: Trên thế giới hiện nay giới thiết kế thực hiện quy trình thiết kế tích hợp để khắc phục các nhược điểm của quy trình cổ điển, nhóm giải pháp năng lượng công ty EDEEC đã ứng dụng và thực hiện một cách hiệu quả quy trình tích hợp trong điều kiện Việt Nam.

Thiết kế tích hợp đòi hỏi việc thiết kế được thực hiện và tìm kiếm tối ưu trong mỗi giai đoạn thiết kế, do vậy kiến trúc sư cần làm việc ngay từ ban đầu với đội ngũ kỹ sư. Đây là điểm khác biệt đầu tiên. Công cụ rất quan trọng để thực hiện thiết kế tích hợp chính là mô phỏng năng lượng.

Các đơn vị liên quan tham gia vào quá trình thiết kế từ đầu

Các vòng lặp nhằm tối ưu hóa thiết kế và chi phí, sử dụng dữ liệu từ mô phỏng năng lượng để hiệu chỉnh và dự báo số liệu vận hành

Mỗi giai đoạn thiết kế cần được thảo luận và hiệu chỉnh thiết kế, tìm kiếm tối ưu giữa các bộ môn, kỹ sư năng lượng, môi trường, kết cấu tham gia ngay từ đầu cũng với kiến trúc sư. Quá trình này có thể coi là các vòng lặp (loop) trong thiết kế, nhằm mục đích tối ưu hóa từng bước các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường và năng lượng.

Đội ngũ kỹ sư sẽ giúp kiến trúc sư trưởng xác định bằng số liệu từ rất sớm các ảnh hưởng của công trình lên môi trường và sử dụng năng lượng, chi phí vận hành, từ đó có được sự hiệu chỉnh kịp thời.

Trong quá trình thiết kế tích hợp, mô phỏng năng lượng đóng vai trò công cụ then chốt nhằm cung cấp, dự báo trước các số liệu vận hành, chi phí công trình cho đội thiết kế.

So với quy trình thiết kế cổ điển, các vấn đề không nhìn thấy, nhưng càng ngày càng quan trọng như tính bền vững môi trường, năng lượng, chi phí được làm rõ ngay từ đầu. Các giải pháp mang tính sáng tạo trong thiết kế không gian, thiết kế kỹ thuật, giảm chi phí, giảm sử dụng năng lượng được đưa vào đánh giá sớm, và chốt phương án ngay tại bước thiết kế cơ sở. Các bộ môn kết hợp và phối hợp chặt chẽ từ sớm nên tránh được các lỗi, xung đột dễ nảy sinh ở giai đoạn phát triển kỹ thuật.

Tới giai đoạn thiết kế kỹ thuật, vai trò của kiến trúc sư và kỹ sư không còn quan trọng như trong quy trình thiết kế cổ điển. Lúc này họa viên chủ yếu thực hiện bản vẽ chi tiết, sắp xếp đường ống, kiến trúc sư và kỹ sư chủ yếu đóng vai trò giám sát.

Như vậy, so sánh 2 quy trình thiết kế, thời gian để khắc phục lỗi, xung đột trong quy trình cổ điển thường gây kéo dài quá trình thiết kế, các lỗi này rất khó khắc phục triệt để, chỉ có thể bổ sung chi phí để hiệu chỉnh, hoặc chấp nhận lỗi tồn tại cùng công trình. Trong khi đó với quy trình thiết kế tích hợp, các xung đột, lỗi được dự trù và phối hợp chỉnh sửa từ đầu nên việc triển khai kỹ thuật sẽ được giảm thiểu lỗi và tránh được tăng chi phí ngoài dự kiến.