Tóm tắt
Bài báo trình bày vai trò quan trọng của mô phỏng trong việc thiết kế và đánh giá môi trường nhiệt và chất lượng không khí trong nhà, đồng thời đảm bảo tuân thủ các quy chuẩn, tiêu chuẩn của Việt Nam như QCVN 09:2017/BXD, TCVN 13521:2022, TCVN 14214:2024 và TCVN 5687:2024. Nghiên cứu đề xuất quy trình mô phỏng chi tiết và các phương pháp thực hành tốt nhất để hỗ trợ kiến trúc sư (KTS) và kỹ sư (KS) trong quá trình thiết kế, đồng thời giúp họ đưa ra các quyết định đúng đắn. Thông qua ví dụ minh họa về mô phỏng chất lượng không khí trong nhà, bài báo giải thích cách áp dụng mô phỏng để phân tích các điều kiện môi trường trong không gian sống. Kết quả cho thấy ứng dụng mô phỏng không chỉ giúp dự đoán hiệu quả của môi trường mà còn góp phần đảm bảo công trình đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và sức khỏe theo các quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam.
1. Môi trường nhiệt và chất lượng không khí trong nhà
Nhiệt độ không khí và chất lượng không khí trong nhà (CLKKTN) là hai yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, hiệu suất làm việc và sự thoải mái của con người. Trong bối cảnh con người dành phần lớn thời gian trong các không gian khép kín như văn phòng, trường học hay nhà ở, việc kiểm soát các yếu tố vi khí hậu trong nhà ngày càng trở nên quan trọng. Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe thể chất mà còn tác động đến khả năng tập trung và hiệu quả công việc, do đó, việc duy trì một môi trường trong nhà lành mạnh là vô cùng cần thiết.
Tiêu chuẩn TCVN 13521:2022 [1] định nghĩa: “Chất lượng không khí trong nhà được xác định bằng giới hạn trạng thái nhiệt ẩm, nồng độ các thành phần ô nhiễm vật lý (như các loại bụi), ô nhiễm hóa học và ô nhiễm sinh học (vi sinh vật) chứa trong không khí trong nhà”. Đối với công trình dân dụng, các chất ô nhiễm không khí trong nhà thường được tích lũy từ các vấn đề liên quan đến thiết kế thông gió, rò lọt khí qua kết cấu bao che, phát thải từ vật liệu và đồ đạc nội thất, và các hoạt động của con người [2, 3]. Do không gian trong nhà thường nhỏ và kín, các chất ô nhiễm không khí trong nhà thường có nồng độ cao hơn nhiều so với không khí ngoài trời, đặc biệt ở các công trình dân dụng đóng kín sử dụng hệ thống thông gió cơ khí và điều hòa không khí (ĐHKK). CLKKTN phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả của hệ thống thông gió và khả năng kiểm soát các nguồn phát thải ô nhiễm trong nhà. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (US-EPA), nồng độ ô nhiễm không khí trong nhà có thể cao gấp 2-5 lần, thậm chí lên đến 100 lần so với ngoài trời [4], điều này cho thấy tầm quan trọng của việc duy trì một hệ thống thông gió hợp lý. Đặc biệt, các chất ô nhiễm như bụi mịn (PM2.5), khí CO2, formaldehyde và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) có thể tích tụ trong các không gian kín, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và làm giảm sự thoải mái của người sử dụng.
Việc dự đoán và theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí là một yêu cầu thiết yếu để duy trì CLKKTN đạt chuẩn. Bằng cách áp dụng các mô phỏng và phân tích dữ liệu theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn như QCVN 09:2017/BXD [5], TCVN 13521:2022 [1], TCVN 14214:2024 [6] và TCVN 5687:2024 [7], các KTS và KS có thể thiết kế và điều chỉnh hệ thống thông gió, ĐHKK sao cho phù hợp với điều kiện hoạt động của công trình, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả nhằm cải thiện CLKKTN và tạo ra môi trường sống và làm việc lành mạnh hơn.
2. Ứng dụng mô phỏng và chất lượng không khí trong nhà
Nồng độ ô nhiễm không khí trong nhà có thể bị tác động bởi các yếu tố như giải pháp thiết kế, hệ thống thông gió, nguồn ô nhiễm và vị trí tồn đọng các chất gây ô nhiễm. Mô phỏng CLKKTN là quá trình sử dụng mô hình để dự đoán hành vi của hệ thống trong các điều kiện cụ thể. Ngày nay, các phần mềm mô phỏng ngày càng được phổ biến, giúp phân tích chuyển động không khí, sự lan truyền chất ô nhiễm, cũng như sự lan tỏa của lửa và khói trong công trình. Hình 1 trình bày quy trình áp dụng mô phỏng trong phân tích đánh giá CLKKTN. Hình 2 trình bày quy trình mô phỏng nhiệt điển hình để có thể phân tích và đánh giá sự di chuyển của dòng nhiệt, từ đó xác định được các vùng ô nhiễm hoặc các khu vực có chất lượng môi trường kém. Việc này không chỉ hỗ trợ trong việc kiểm soát nhiệt độ mà còn giúp tối ưu hóa hệ thống thông gió và ĐHKK, nhằm cải thiện chất lượng không khí và tạo ra môi trường sống thoải mái hơn. Việc tính toán chuyên sâu về nhiệt độ và CLKKTN sẽ được thực hiện với các mô hình tính toán khác nhau, tuy nhiên chúng thường được tính hợp trong một phần mềm.
Quy trình mô phỏng CLKKTN sử dụng phần mềm mô phỏng như CFD (Computational Fluid Dynamics) và các mô hình tính toán khác, sẽ giúp xác định sự lan truyền chất ô nhiễm trong không gian và cải thiện hiệu suất của hệ thống ĐHHK. Các phần mềm mô phỏng cho phép phân tích các yếu tố như:
- Chuyển động không khí: Phân tích cách không khí di chuyển trong không gian, đặc biệt là sự phân bố của không khí từ các hệ thống thông gió và ĐHHK;
- Phát tán chất ô nhiễm: Dự đoán sự phát tán của các chất ô nhiễm từ các nguồn phát thải trong không gian, ví dụ như khí CO2 từ người sử dụng, VOCs, formaldehyde từ các vật liệu nội thất,… giúp xác định các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao;
- Đánh giá hiệu quả của hệ thống ĐHHK: Mô phỏng giúp đánh giá và tối ưu hóa thiết kế của hệ thống ĐHHK, đảm bảo lượng không khí tươi và lọc không khí hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về chất lượng không khí theo tiêu chuẩn TCVN.
Quy trình trong hình ảnh mô tả một chuỗi các bước liên quan đến thiết kế và tối ưu hóa công trình xây dựng. Các bước chính của quy trình như sau:
- Bước 1 – Hình dạng và cấu trúc của tòa nhà: Xem xét các yếu tố như diện tích, phân vùng không gian, lớp vỏ và cấu trúc tổng thể của công trình.
- Bước 2 – Thiết lập địa điểm xây dựng và khí hậu: Bộ dữ liệu khí hậu được cung cấp miễn phí trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) hoặc từ trang web Ladybug (https://www.ladybug.tools/epwmap/), thường được tổng hợp từ số liệu những năm 1980, 1990. Các bộ dữ liệu khí hậu mới hoặc dữ liệu dự báo thời tiết (tương lai) có thể được cung cấp có chi phí từ các công ty bán dữ liệu thu thập từ trạm đo, hoặc dữ liệu vệ tinh đã qua xử lý như Whitebox (http://weather.whiteboxtechnologies.com/). Trang web của Dự án CAMaRSEC đã cung cấp miễn phí bộ dữ liệu khí hậu đã được xử lý từ số liệu khí tượng từ năm 2004 đến năm 2018 của 25 thành phố ở Việt Nam (https://camarsec.de/vietnam/). Nồng độ CO2 của không khí ngoài nhà tham khảo trang web https://ourworldindata.org/grapher/co2-long-term-concentration.
- Bước 3 – Cài đặt các điều kiện thiết kế trong nhà dựa trên số lượng và hoạt động của người sử dụng, lịch vận hành công trình,…
- Bước 4 – Xác định các cấu trúc và hệ thống kỹ thuật cần thiết cho tòa nhà, như hệ thống thông gió và ĐHKK cài đặt theo yêu cầu trong TCVN 5687:2024 và quy định của QCVN 09:2017/BXD; và các hệ thống khác liên quan.
- Bước 5 – Mô phỏng để kiểm tra các yếu tố như dòng khí, nhiệt độ và điều kiện hoạt động trong tòa nhà dưới các kịch bản khác nhau. Điều này giúp dự đoán và điều chỉnh các thiết kế sao cho đạt hiệu quả tối ưu.
- Bước 6 – Phân tích các kết quả để hiểu rõ hơn về các yếu tố môi trường, từ đó điều chỉnh lại thiết kế nhằm đảm bảo đạt hiệu suất tối ưu và đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm cài đặt theo khuyến nghị của TCVN 14214:2024; chiếu sáng nhân tạo theo TCVN 7114-1:2008 (ISO 8995-1:2002) [8] và QCVN 09:2017/BXD; và các yếu tố khác.
- Bước 7 – Tối ưu: Dựa trên kết quả phân tích và mô phỏng, quá trình thiết kế sẽ được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả nhất, giảm thiểu các vấn đề và nâng cao chất lượng công trình.
3. Cách thực hành tốt nhất dành cho nhà thiết kế sử dụng phần mềm mô phỏng
Việc sử dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế công trình đòi hỏi một quy trình rõ ràng và chi tiết để đảm bảo hiệu quả trong việc cải thiện CLKKTN và môi trường sống. Dưới đây là các bước thực hành tốt nhất dành cho nhà thiết kế khi áp dụng phần mềm mô phỏng vào quá trình thiết kế.
- Chuẩn bị và lập kế hoạch mô phỏng
- Hiểu rõ phạm vi dự án: Xác định thể loại tòa nhà (có sử dụng hệ thống ĐHKK hay không) và các thông số CLKKTN và nhiệt chính (ví dụ: CO2, PM2.5, VOC, nhiệt độ, độ ẩm). Điều này giúp xác định các yếu tố cần thiết cho mô phỏng;
- Đặt mục tiêu thực tế: Xác định các tiêu chuẩn sẽ tuân thủ (ví dụ: TCVN 13521:2022) và căn chỉnh các mục tiêu mô phỏng với các ưu tiên của dự án, từ đó xác định các chỉ số cần đạt được;
- Thu thập dữ liệu đáng tin cậy: Sử dụng dữ liệu hình học, phân vùng và vật liệu của tòa nhà thật chính xác, cùng với dữ liệu về khí hậu và ô nhiễm tại địa điểm xây dựng.
- Cài đặt các thông số mô phỏng
- Phân vùng và việc sử dụng: Chia tòa nhà thành các khu chức năng (zone), để có thể mô phỏng các điều kiện sử dụng thực tế một cách chính xác;
- Cấu hình hệ thống ĐHKK và Thông gió: Tùy thuộc vào nhu cầu của dự án, cần thiết lập hệ thống thông gió tự nhiên hoặc hệ thống ĐHKK-Thông gió cơ khí (HVAC), ví dụ như quạt, DOAS (Dedicated Outdoor Air System), ERV (Energy Recovery Ventilator), để tối ưu hóa hiệu quả trao đổi không khí;
- Mô hình hóa nguồn ô nhiễm: Các chất ô nhiễm trong nhà cần được mô phỏng dựa trên tỷ lệ phát thải và các khu vực có khả năng ô nhiễm cao, giúp xác định và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến chất lượng không khí.
- Chạy mô phỏng
- Kiểm tra lặp lại: Kiểm tra các kịch bản khác nhau (tốc độ thông gió, mức độ sử dụng) và tinh chỉnh cấu hình hệ thống cho phù hợp với điều kiện thực tế;
- Tập trung vào các kết quả đầu ra quan trọng: Phân tích tỷ lệ trao đổi không khí, nồng độ chất ô nhiễm và mức sử dụng năng lượng. Các kết quả này cần được so sánh với các tiêu chuẩn chất lượng môi trường trong nhà để đánh giá hiệu quả của thiết kế.
- Đánh giá và tối ưu hóa sau mô phỏng
- Xác thực kết quả: Đảm bảo đáp ứng giới hạn cho phép của CLKKTN (ví dụ: CO2 ≤ 1000 ppm, PM2.5 ≤ 45 µg/m3) và hệ thống HVAC hoạt động hiệu quả;
- Truyền đạt thông tin và cải tiến thiết kế: Sau khi phân tích kết quả, nhà thiết kế cần truyền đạt thông tin chi tiết về các thay đổi cần thực hiện để cải thiện CLKKTN, từ đó tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
- Ví dụ kết quả mô phỏng CLKKTN
Các mô hình toán học sử dụng trong nghiên cứu chuyển động không khí, phân tích nhiệt và chất ô nhiễm trong nhà chủ yếu có hai phương pháp: Vi phân và Tích phân. Phương pháp Vi phân giải các phương trình bảo toàn cho từng thể tích nhỏ, trong khi phương pháp Tích phân áp dụng các định lý bảo toàn cho thể tích lớn hơn. Các mô hình Đa vùng và Vùng là ví dụ của phương pháp Tích phân, còn mô hình CFD (Động lực học chất lưu tính toán) sử dụng phương pháp Vi phân, cung cấp mô phỏng chi tiết hơn.
Hình 4 thể hiện kết quả mô phỏng CLKKTN khi công trình được thiết kế sử dụng HVAC. Từ Hình 4 có thể thấy khi sử dụng hệ thống HVAC, tốc độ thông gió (đường màu đen) được duy trì ổn định ở mức đã được thiết lập. Vì lượng khí tươi được thiết kế theo tiêu chuẩn nên nồng độ CO2 (đường xanh lá cây) được duy trì ở mức thấp hơn giới hạn cho phép. Nhiệt độ phòng (đường đỏ) và độ ẩm tương đối (đường xanh lam) được duy trì ở mức tiện nghi trong quá trình hệ thống ĐHKK hoạt động.
4. Kết luận
Việc ứng dụng mô phỏng trong thiết kế môi trường nhiệt và CLKKTN, tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam là rất quan trọng để đảm bảo môi trường sống lành mạnh và hiệu quả. Bài báo đã đưa ra các quy trình mô phỏng chi tiết cùng những thực hành tốt nhất cho các KTS và kỹ sư trong việc sử dụng phần mềm mô phỏng. Kết quả mô phỏng và phân tích thực tế, như trong trường hợp thiết kế hệ thống ĐHKK và thông gió, giúp tối ưu hóa chất lượng không khí và nhiệt độ trong các công trình, nâng cao tính bền vững và tiện nghi cho người sử dụng.
TS.KTS Đỗ Thành Công – TS.KS Nguyễn Thành Trung
PGS.TS.KTS Phạm Thị Hải Hà
Trường ĐH Xây dựng Hà Nội
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 06-2025)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TCVN 13521:2022: Nhà ở và nhà công cộng – Các thông số chất lượng không khí trong nhà.
2. P.T.H. Hà and N.T. Trung: “Chất lượng không khí trong nhà và các khuyến nghị trong công tác thiết kế và vận hành công trình xây dựng” – Tạp chí Kiến trúc. 2020. 02-2020: 34-35. https://www.tapchikientruc.com.vn/chuyen-muc/chat-luong-khong-khi-trong-nha-va-cac-khuyen-nghi-trong-cong-tac-thiet-ke-va-van-hanh-cong-trinh-xay-dung.html.
3. J.M. Stellman. Encyclopaedia of occupational health and safety. International Labour Organization. 1998. 1.
4. United States Environmental Protection Agency. Reference Guide for Indoor Air Quality in Schools. 2025 Accessed 22/04, 2025. https://www.epa.gov/iaq-schools/reference-guide-indoor-air-quality-schools.
5. QCVN 09:2017/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả.
6. TCVN 14214:2024, Nhà ở và công trình công cộng – Các yêu cầu đối với thông số vi khí hậu trong phòng.
7. TCVN 5687:2024, Thông gió và điều hòa không khí – Yêu cầu thiết kế.
8. TCVN 7114-1:2008 (ISO 8995-1:2002), Ecgônômi – Chiếu sáng nơi làm việc – Phần 1: Trong nhà
