Nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp mô phỏng năng lượng trên nền tảng revit

Việc mô phỏng năng lượng sử dụng của tòa nhà văn phòng ngay từ giai đoạn thiết kế và tìm kiếm giải pháp thiết kế phù hợp là vấn đề được quan tâm hiện nay đối với kiến trúc sư vì đây là loại công trình tiêu hao năng lượng khá lớn khi vận hành Hiện nay tại Việt Nam các kiến trúc sư đã biết sử dụng nhiều phần mềm mô phỏng năng lượng khác nhau Tuy nhiên để mô phỏng năng lượng bởi các phần mềm này cần phải sử dụng dữ liệu mô hình công trình được kết xuất từ các phần mềm đồ họa khác như AutoCAD Autodesk® Revit®… Đề tài nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp mô phỏng năng lượng trên nền tảng Revit thông qua công cụ Autodesk® Insight có sẵn trong phần mềm Autodesk® Revit® sau khi kiến trúc sư đã xây dựng mô hình thông tin việc nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc chỉ giới hạn trong phạm vi vỏ bao che của tòa nhà văn phòng lấy thành phố Đà Nẵng làm ví dụ Kết quả nghiên cứu của đề tài đã chỉ ra được các giải pháp thiết kế hợp lý với mục tiêu tiết kiệm năng lượng đối với tòa nhà văn phòng đồng thời gợi mở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ QUANG TÂM

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KIẾN TRÚC

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG TRÊN NỀN TẢNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả

Ngô Quang Tâm

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học hệ chính quy tập trung khóa 34 (2016 – 2018) tại Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng đã hỗ trợ các thủ tục cần thiết trong suốt quá trình tôi tiến hành đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn các phòng chức năng và cán bộ giảng viên Khoa Kiến trúc Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình làm việc

Xin cảm ơn thầy TS KTS Nguyễn Anh Tuấn đã nhiệt tình hướng dẫn chuyên môn và góp ý để tôi hoàn thành tốt luận văn

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi nghiên cứu để hoàn thành luận văn Do điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong hội đồng khoa học, bạn

bè và đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Giới hạn đề tài 3

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

6 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ DỰA TRÊN VIỆC MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG CÔNG TRÌNH 5

1.1 Tình hình trên thế giới 5

1.2 Tình hình tại Việt Nam 5

1.3 Tổng quan về các phương pháp mô phỏng năng lượng công trình 6

1.4 Các cơ sở khoa học của việc nghiên cứu giải pháp thiết kế dựa trên việc mô phỏng năng lượng công trình 7

1.4.1 Cơ sở pháp lý 7

1.4.2 Cơ sở kinh tế xã hội 7

1.4.3 Cơ sở về khí hậu, tự nhiên 8

1.4.4 Cơ sở lý thuyết 8

1.4.5 Cơ sở công nghệ phần mềm 9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH THỨC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 13

2.1 Phương pháp nghiên cứu 13

2.1.1 Cách tiếp cận 13

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 13

2.2 Xây dựng quy trình tối ưu hóa năng lượng mô phỏng dựa trên phần mềm

Autodesk® Revit® 14

2.3 Chi tiết quy trình khảo sát và mô hình hóa văn phòng điển hình 36

2.3.1 Xác định đối tượng khảo sát 36

2.3.2 Mô hình hóa công trình 44

2.4 Chi tiết quá trình mô phỏng và tối ưu hóa năng lượng công trình trên Autodesk® Revit® thông qua Autodesk® Insight dựa trên đám mây (Cloud 360) 47

2.4.1 Thiết lập dữ liệu đầu vào ban đầu cho mô hình, tiến hành mô phỏng lần đầu cho mô hình cơ sở 47

2.4.2 Mức hiệu năng cơ sở 49

2.4.3 Mô phỏng và tối ưu hóa năng lượng công trình 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG CÔNG TRÌNH, ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 66

3.1 Kết quả tối ưu hóa năng lượng công trình 66

3.2 Đánh giá tiềm năng cho việc thiết kế áp dụng mô phỏng năng lượng 69

3.3 Đề xuất các giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NĂNG LƯỢNG TRÊN

NỀN TẢNG REVIT

Học viên: Ngô Quang Tâm Chuyên ngành: Kiến Trúc

Khóa: K34 Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Việc mô phỏng năng lượng sử dụng của tòa nhà văn phòng ngay từ giai đoạn thiết kế và

tìm kiếm giải pháp thiết kế phù hợp là vấn đề được quan tâm hiện nay đối với kiến trúc sư vì đây

là loại công trình tiêu hao năng lượng khá lớn khi vận hành Hiện nay, tại Việt Nam, các kiến trúc

sư đã biết sử dụng nhiều phần mềm mô phỏng năng lượng khác nhau Tuy nhiên, để mô phỏng năng lượng bởi các phần mềm này cần phải sử dụng dữ liệu mô hình công trình được kết xuất từ các phần mềm đồ họa khác như AutoCAD, Autodesk® Revit®… Đề tài nghiên cứu giải pháp thiết

kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp mô phỏng năng lượng trên nền tảng Revit thông qua công cụ Autodesk® Insight có sẵn trong phần mềm Autodesk® Revit® sau khi kiến trúc

sư đã xây dựng mô hình thông tin; việc nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc chỉ giới hạn trong phạm vi vỏ bao che của tòa nhà văn phòng, lấy thành phố Đà Nẵng làm ví dụ Kết quả nghiên cứu của đề tài đã chỉ ra được các giải pháp thiết kế hợp lý với mục tiêu tiết kiệm năng lượng đối với tòa nhà văn phòng, đồng thời gợi mở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo

Từ khóa: giải pháp thiết kế kiến trúc; tiết kiệm năng lượng; mô phỏng năng lượng; Revit; tòa nhà

văn phòng

RESEARCH ON ENERGY SAVING ARCHITECTURAL DESIGN SOLUTIONS BY

ENERGY SIMULATION METHOD BASED ON REVIT Abstract: The using energy simulation of the office building right from the design stage to finding

the suitable design solution is the issue which is concerned by the architect lately as it is the type

of drainage works, high power consumption when operating Currently, in Vietnam, architects have learned how to use a variety of different energy simulation software However, in order to simulate energy by these software, it is necessary to use building model data which is exported from others graphic software such as AutoCAD, Autodesk® Revit®… The topic researches energy saving architectural design solutions by energy simulation method based on Revit through Autodesk® Insight tool available in Autodesk® Revit® software after the architect built an information model; the research on architectural design solutions is limited to the office building façade, taking Da Nang as an example The results of the research have shown the rational design solutions with energy saving targets for the office building, and suggesting further research direction

Key words: architectural design solutions, energy saving, energy simulation, Revit, office

building

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASHRAE Hiệp Hội kĩ sư sưởi ấm, làm mát và điều hòa không khí Hoa Kỳ

EUI Energy Use Intensity (suất tiêu hao năng lượng)

WWR Window to wall ratio (tỉ lệ diện tích cửa sổ trên tổng diện tích

tường)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2-1: Tên và thông số các loại kết cấu che nắng lựa chọn trên

2-2: Tên và thông số các loại kính lựa chọn trên công cụ

2-5: Vị trí, không ảnh và xây dựng lại khối dáng chính của các

tòa nhà văn phòng trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng 372-6: Tên gọi và thông tin các tòa nhà được khảo sát 43

2-7: Thông tin (giả định) cơ sở ban đầu các kiểu nhà thuộc

2-12: Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở khi điều chỉnh độ sâu vùng chu vi của các kiểu nhà 502-13: Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở khi thay đổi góc phương vị của các kiểu nhà 52

2-14:

Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở khi thay đổi tỉ lệ cửa kính trên mặt tường (WWR)

các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc của các kiểu nhà

53

2-15:

Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở khi sử dụng kích thước kết cấu che nắng cho cửa sổ

(ô kính) các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc của các kiểu

nhà

57

Số hiệu

2-16: Thông số thuộc tính vật liệu kính lựa chọn cho việc mô

phỏng trên phần mềm Autodesk® Revit® 59

2-17:

Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở khi thay đổi việc sử dụng loại kính cho cửa sổ (ô kính) các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc của kiểu nhà

60

2-18:

Thông số thuộc tính vật liệu tường ngoài (exterior walls) lựa chọn cho việc mô phỏng trên phần mềm Autodesk®Revit®

61

2-19:

Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở điều chỉnh thay đổi việc sử dụng vật liệu cho tường ngoài (exterior walls) của các kiểu nhà

62

2-20: Thông số thuộc tính vật liệu mái (roof) lựa chọn cho việc

mô phỏng trên phần mềm Autodesk® Revit® 63

2-21:

Suất tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô hình

cơ sở điều chỉnh thay đổi việc sử dụng vật liệu cho mái (roof) của các kiểu nhà

64

3-1: Kết quả tiêu hao năng lượng (%) tăng, giảm so với mô

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

2.1: Tạo hình khối công trình (Massing) bằng công cụ

Conceptual Mass trên phần mềm Autodesk® Revit® 14

2.2: Thiết lập sàn từ hình khối cho các tầng của tòa nhà trên

2.7: Cài đặt chi tiết mô hình năng lượng trên phần mềm

2.10: Mô hình năng lượng trên phần mềm Autodesk® Revit® 19

2.11: Đăng nhập tài khoản Autodesk 360 trên phần mềm

2.14: Tòa nhà được đưa vào tối ưu hóa kiểm tra bằng công cụ

Optimize trên phần mềm Autodesk® Revit® 21

2.15: Tòa nhà được đưa vào tối ưu hóa trực tiếp trên đám mây

2.16: Cài đặt đơn vị chi phí năng lượng trên Autodesk® Insight 222.17: Annual Cost ($) – Chi phí hàng năm (USD/m2/năm) 222.18: Energy Use Intensity (EUI) – Suất tiêu hao năng lượng

Số hiệu

2.19: Giao diện mô hình khi truy cập vào Autodesk® Insight 23

2.20:

Chuyển đổi qua lại giữa chi phí hàng năm USD/m2/năm -

Annual Cost ($) và suất tiêu hao năng lượng – Energy Use

Intensity – EUI (kWh/m2/năm)

2.24: Thiết lập hướng nhà và kiểm tra độ tăng giảm mức tiêu hao

năng lượng trên công cụ Autodesk® Insight 26

2.25:

Tỉ lệ diện tích (ô kính) cửa sổ - diện tích tường (Window to

Wall Ratio), tính theo phần trăm (%) của tòa nhà trên

hướng Nam trên công cụ Autodesk®

Insight

27

2.26: Giá trị tổng chi phí luôn cập nhật khi tỉ lệ % kính trên toàn

bộ bức tường được thay đổi trên công cụ Autodesk® Insight 27

2.27: Lựa chọn loại kết cấu che nắng trên cửa sổ trên bức tường

phía Tây của tòa nhà trên công cụ Autodesk® Insight 28

2.28:

Giá trị tổng chi phí của việc lựa chọn loại kết cấu che nắng

trên cửa sổ trên bức tường phía Tây của tòa nhà trên công

cụ Autodesk® Insight

29

2.29: Thiết lập loại kính cho cửa sổ (ô kính) của tòa nhà trên

hướng Nam trên công cụ Autodesk® Insight 29

2.30:

Giá trị tổng chi phí của việc lựa chọn loại kính cho của sổ

(ô kính) trên bức tường hướng Nam của tòa nhà trên công

cụ Autodesk® Insight

30

2.31: Điều chỉnh thay đổi việc sử dụng vật liệu cách nhiệt cho

tường ngoài của tòa nhà trên công cụ Autodesk® Insight 31

2.32: Điều chỉnh thay đổi việc sử dụng vật liệu cách nhiệt cho

mái của tòa nhà trên công cụ Autodesk® Insight 32

2.33: Các giải pháp tối ưu hóa năng lượng khác cho việc sử dụng

năng lượng của tòa nhà trên công cụ Autodesk® Insight 332.34: Các giải pháp tối ưu hóa liên quan đến việc sử dụng năng

lượng mặt trời trên công cụ Autodesk® Insight 33

Số hiệu

2.35: So sánh các mức tiêu thụ năng lượng của các phương án tối

ưu năng lượng trên công cụ Autodesk® Insight 352.36: So sánh mô hình trên công cụ Autodesk® Insight 36

2.37: Thiết lập tọa độ vị trí của công trình tại Thành phố Đà

2.38: Lịch hoạt động của văn phòng vào các ngày trong tuần 472.39: Thiết lập thuộc tính nhiệt cho các thành phần của tòa nhà 482.40: Suất tiêu hao năng lượng khi điều chỉnh độ vùng vành đai 51

2.41: Góc phương vị của các tòa nhà được thiết lập trên phần

2.42: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi góc phương vị của

2.43: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi tỉ lệ cửa kính trên

2.44: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi tỉ lệ cửa kính trên

2.45: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi tỉ lệ cửa kính trên

2.46: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi tỉ lệ cửa kính trên

2.47: Suất tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại kết cấu che

2.48: Suất tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại kết cấu che

2.49: Suất tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại kết cấu che

2.50: Suất tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại kết cấu che

2.51: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi việc sử dụng loại

2.52: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi việc sử vật liệu cho

Số hiệu

2.53: Suất tiêu hao năng lượng khi thay đổi việc sử vật liệu cho

3.1: Kết quả quả mô phỏng năng lượng trước và sau khi tối ưu 69

3.2: Suất giảm tiêu hao năng lượng (%) khi điều chỉnh thiết kế

cho việc tối ưu hóa các kiểu nhà khảo sát 70

SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Các công trình khoa học đã công bố sau đây là các sản phẩm của đề tài:

Bài báo và công bố trong nước

[1] Bài báo: Mô phỏng năng lượng công trình với Revit – Một lối đi mới dành cho KTS Tác giả: Ngô Quang Tâm,Nguyễn Anh Tuấn Chuyên đề: “Kiến trúc trong thế giới công nghệ” - Tạp chí Kiến trúc Số: 7/2018 Trang: 19-23 Năm 2018

Tòa nhà văn phòng là loại công trình đã xây dựng nhiều ở các đô thị Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, gần đây tại Thành phố Đà Nẵng thể loại công trình cũng

đã bắt đầu tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế-xã hội

Tòa nhà văn phòng thường sử dụng nhiều kính ở vị trí tường bao che và điều hòa không khí, thông gió nhân tạo nên khá tốn chi phí điện năng Do đó, việc giảm thiểu chi phí điện năng trong quá trình vận hành khai thác là vấn đề cấp thiết đang đặt ra

Thông thường, các giải pháp thiết kế thụ động được các kiến trúc sư chọn là giải pháp đầu tiên trước khi chọn các giải pháp thiết kế chủ động, tuy nhiên hầu như ít có công trình có cơ sở thuyết phục với các giải pháp thiết kế như dùng kính cản bức xạ mặt trời, lam che nắng, lam thông gió…do đó hiệu quả không cao, thậm chí không có hiệu quả do chỉ sử dụng vật liệu như một tiêu chí đảm bảo thẩm mỹ kiến trúc hơn là hiệu quả về năng lượng

Vấn đề đặt ra là làm sao với các giải pháp thụ động mà các kiến trúc đề xuất

có thể biết được, chứng minh được khả năng thông gió tự nhiên, tiết kiệm năng lượng, các tác động môi trường của phương án thiết kế Vấn đề này trên thế giới đã giải quyết và áp dụng rộng rãi từ lâu với việc sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu năng công trình Vai trò của các phần mềm mô phỏng này là rất quan trọng nếu không nói là không thể không sử dụng một khi muốn thiết kế một công trình bảo đảm tiết kiệm năng lượng

Trên thế giới hiện có hơn 500 phần mềm hỗ trợ mô phỏng hiệu năng khác nhau và chia thành các nhóm như: Nhóm mô phỏng năng lượng công trình (EnergyPlus, Design Builder…); Nhóm mô phỏng thông gió (CFX, CONTAM…); Nhóm mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo (Radiance, DIALux…); Nhóm

mô phỏng môi trường âm thanh (âm học thính phòng) (Odeon, Scatt…); Các nhóm

hỗ trợ: Nghiên cứu che nắng, chiếu nắng, bóng đổ, phân tích khí hậu, quỹ đạo mặt trời…(Autodesk Ecotect, Climate Consultant…) [1] Mỗi công cụ có ưu nhược điểm riêng và đang tiếp tục hoàn thiện để trở thành công cụ đắc lực cho mỗi mục đích thiết kế Chính vì việc có nhiều phần mềm khác nhau lại là vấn đề lúng túng đối với các KTS, KS khi chọn để học và sử dụng

Phần mềm Autodesk® Revit® của hãng Autodesk là phần mềm hỗ trợ quy trình BIM (Building Information Modeling), phần mềm này cho phép xây dựng dữ liệu đầu vào hiệu quả và khai thác sử dụng lại nhiều lần Ngoài ra, mô hình gán thông tin của Autodesk® Revit® vốn tuân thủ tiêu chuẩn IFC (Industry Foundation Classes) – cho phép dễ dàng chuyển đổi thành mô hình năng lượng thay vì phải xây dựng thêm một mô hình năng lượng theo cách truyền thống Ngày nay, phần mềm Autodesk® Revit® đã được nhà sản xuất tích hợp các công cụ để mô phỏng hiệu năng công trình, rất cần được khai thác sử dụng để nghiên cứu các giải pháp thiết

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, việc mô phỏng năng lượng cho công trình đối với KTS là hết sức cần thiết Công cụ và phần mềm mô phỏng năng lượng sử dụng cho việc mô phỏng phải thích hợp không những dễ dàng cho việc sử dụng mà còn phải nhanh, có độ chính xác cao và tiết kiệm chi phí, thời gian Hiện nay phần mềm Autodesk® Revit®ngày càng được nhà sản xuất phát triển mạnh cho việc mô phỏng năng lượng bằng việc tích hợp nhiều công cụ hỗ trợ phân tích

Chính vì vậy, việc sử dụng phần mềm Autodesk® Revit® dễ cho việc mô phỏng ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến giai đoạn thiết kế chi tiết giúp kiểm soát năng lượng một cách tốt nhất

Với những vấn đề đặt ra như trên, việc “Nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp mô phỏng năng lượng trên nền tảng Revit” là cần thiết, giúp cho các kiến trúc sư trong việc sử dụng phần mềm Autodesk® Revit® mà họ chỉ mới sử dụng để vẽ hồ sơ thiết kế

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc giúp tiết kiệm năng lượng đối với loại công trình tòa nhà văn phòng Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng vào thực tế thiết kế các công trình tòa nhà văn phòng hiện nay tại Thành phố Đà Nẵng

và các Thành phố khác

2.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài có 3 mục tiêu cơ bản cần đạt được như sau:

- Nghiên cứu xây dựng quy trình thực hiện mô phỏng năng lượng từ mô hình kiến trúc trên Autodesk® Revit® dành cho KTS;

- Ứng dụng mô hình năng lượng ở trên để phân tích các giải pháp thiết kế tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà văn phòng ở Thành phố Đà Nẵng;

- Đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng công trình tòa nhà văn phòng thông qua giải pháp thiết kế kiến trúc

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là giải pháp thiết kế kiến trúc đối với tòa nhà văn phòng, một thể loại công trình thường có chi phí sử dụng năng lượng đáng kể, đang xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị lớn, trong đó có Thành phố Đà Nẵng;

Mẫu khảo sát: Các công trình tòa nhà văn phòng tại Thành phố Đà Nẵng

4 Giới hạn đề tài

Không gian: Phạm vi nội thị Thành phố Đà Nẵng, nơi có nhiều tòa nhà văn phòng đã và đang được xây dựng nhằm xem xét các giải pháp thiết kế trong môi trường khí hậu đồng nhất, kết quả mô phỏng chính xác

Thời gian: Các công trình từ năm 2003 đến nay

Nội dung: Chỉ nghiên cứu giải pháp thiết kế kiến trúc thụ động đối với vỏ công trình (còn gọi là kết cấu bao che công trình), bao gồm tường không trong suốt hoặc trong suốt, cửa sổ, cửa đi, mái, cửa mái…tạo thành các không gian khép kín bên trong công trình Các giải pháp khác liên quan đến trang thiết bị tiêu thụ điện không thuộc phạm vi nghiên cứu này

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

- Tiếp cận từ lý thuyết: Từ các quy chuẩn, tiêu chuẩn, lý luận về sử dụng năng lượng hiệu quả, thông qua việc mô phỏng như thực tế để kiểm chứng, tìm kiếm giải pháp thiết kế tiết kiệm năng lượng;

- Tiếp cận từ thực tiễn: Từ các công trình tòa nhà văn phòng đã được xây dựng, sau khi đánh giá có thể rút ra được các giải pháp thiết kế hữu ích, các kiến nghị cho các công trình tương tự trong tương lai;

- Tiếp cận phân tích: Phân tích công trình nhằm phân chia các bộ phận liên quan đến việc sử dụng năng lượng của vỏ công trình;

- Tiếp cận định tính và định lượng: Tiếp cận định lượng cho phép nhận thức được chất định tính của các công trình về tính hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng (tiết kiệm, hợp lý, tốn kém)

5.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu thu thập tài liệu về cơ sở lý thuyết, các vấn đề liên quan đến mô phỏng năng lượng; thu thập số liệu các công trình tòa nhà văn phòng hiện hữu để tiến hành mô phỏng trên nền tảng Revit

Phương pháp phân tích: Phân tích các dữ liệu khí hậu tự nhiên, dữ liệu vỏ công trình để đưa vào phần mềm mô phỏng, phân tích các giải pháp thiết kế

Phương pháp mô phỏng: Phương pháp được sử dụng chính và quan trọng của luận văn, mô phỏng trên nền tảng Revit để từ đó rút ra các giải pháp thiết kế tiết kiệm năng lượng

Phương pháp so sánh: Được sử dụng để so sánh kết quả xuất ra từ việc mô phỏng để đánh giá và đề xuất giải pháp về việc tiết kiệm năng lượng

6 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc luận văn gồm 3 phần: Mở đầu, Nội dung, Kết luận và kiến nghị Phần nội dung được thể hiện 3 chương, cụ thể như sau:

- Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu giải pháp thiết kế dựa trên việc

mô phỏng năng lượng công trình

- Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và cách thức giải quyết vấn đề

- Chương 3: Kết quả tối ưu hóa năng lượng công trình, đề xuất các giải pháp thiết kế kiến trúc tiết kiệm năng lượng

là Hopkins Architects đã tìm được các giải pháp thiết kế trong việc tạo ra London Velodrome xanh thực sự [2]

Tháng 8 năm 2017 vừa qua, Hiệp hội mô phỏng hiệu năng công trình quốc

tế IBPSA (International Building Performance Simulation Association) tại San Francisco, California, Mỹ dành cho các nhà nghiên cứu, phát triển và các chuyên gia về mô phỏng hiệu năng công trình – những người có mong muốn cải thiện môi trường xây dựng tham dự Hội thảo hướng đến tính kết nối và cập nhật những thông tin hoạt động về mô phỏng ứng dụng trong việc phân tích hiệu năng tòa nhà,

từ đó khẳng định vai trò của mô phỏng năng lượng đối với phân tích lựa chọn giải pháp thiết kế kiến trúc, kĩ thuật cho tòa nhà để đạt hiệu quả năng lượng cao nhất cũng như tiết kiệm tối đa chi phí vận hành công trình [3]

1.2 Tình hình tại Việt Nam

Việc mô phỏng năng lượng công trình mặc dù trên thế giới đã có từ lâu nhưng ở Việt Nam những năm gần đây mới bắt đầu được quan tâm

Tháng 4 năm 2016, Hội đồng Công trình Xanh Việt Nam (VGBC) đã tổ chức Hội thảo “Ứng dụng mô phỏng năng lượng trong thiết kế Công trình Xanh” tại Thành phố Hồ Chí Minh với nhiều KTS, KS, đại diện đến từ các công ty hoạt động trong lĩnh vực kiến trúc, xây dựng trong nước và quốc tế Hội thảo có sự góp mặt các diễn giả là các chuyên gia năng lượng đến từ Singapor, Indochine, Việt Nam… Tại Hội thảo, Pedro Marques_chuyên gia tư vấn hiệu quả công trình đến từ Boydens Engineering đã trình bày chủ đề “Mô phỏng động trong thiết kế thụ động” cho dự án Trường Quốc tế Liên Hợp Quốc Hà Nội Theo Pedro Marques, mô phỏng động cho phép tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời việc phối hợp giữa các đơn vị ngay từ thời điểm bắt đầu của dự án là rất

quan trọng Một chuyên gia khác là KS cao cấp ứng dụng công nghệ Jimmy Lee đến từ IESVE Singapore Pte Ltd trình bày về “Cách sử dụng mô phỏng trong thiết

kế công trình bền vững”, chia sẽ quy trình và cách thức thực hiện mô phỏng Nhiều

dự án tại Việt Nam như President Place, BigC Green Square, Vietnam Moc Bai, VietinBank, German House, Trường Quốc tế Pháp, EximBank Tower, Nhà máy may mặc DBW… đã được khẳng định những lợi ích, lợi thế của ứng dụng mô phỏng năng lượng trong thiết kế công trình xanh Patrick Bivona, chuyên gia tư vấn công trình xanh và hiệu quả năng lượng của Artelia Group nhấn mạnh việc sử dụng

mô phỏng năng lượng sớm trong giai đoạn thiết kế là quan trọng, đồng thời cho rằng sự tiến bộ của các công cụ BIM mở ra khả năng phân tích năng lượng cho các nhà thiết kế [4]

1.3 Tổng quan về các phương pháp mô phỏng năng lượng công trình

Qua nghiên cứu các tài liệu về mô phỏng năng lượng cho công trình, ta thấy các nghiên cứu thường sử dụng các phương pháp mô phỏng sau:

- Dùng mô hình hồi quy để thấy được mối quan hệ giữa các tham số đầu vào của công trình công trình và năng lượng tiêu hao; trên cơ sở đó có thể dự đoán thông qua mô hình hồi quy mức tiêu hao năng lượng của công trình khi biết các tham số như diện tích sàn, loại HVAC, tuổi công trình, số tầng… Điểm mạnh của phương pháp này là nó cho phép đánh giá hiệu quả năng lượng của một công trình: nếu giá trị suất tiêu hao năng lượng EUI (energy use intensity) thực tế của một công trình thấp hơn giá trị EUI dự đoán bởi mô hình hồi quy, điều đó có nghĩa là công trình đang đề cập có hiệu năng tốt hơn so với trung bình của tập hợp mẫu [5];

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng công trình tham chiếu: theo phương pháp này, loại hình công trình đang khảo sát sẽ được mô hình hóa trên máy tính, sử dụng các thông số kĩ thuật có được từ khảo sát Mô hình nhận được gọi là

mô hình tham chiếu, sẽ có giá trị cung cấp thông tin suất tiêu hao năng lượng tương ứng với vùng khí hậu mô phỏng Ưu điểm của phương pháp này là chỉ cần dựng

mô hình một lần duy nhất, có thể dự đoán suất tiêu hao hay định mức năng lượng của nhiều vùng khí hậu trong một quốc gia [6];

- Phương pháp phân tích biên ngẫu nhiên - Stochastic Frontier Analysis (SFA), phương pháp phân tích dữ liệu gói - Data Envelopment Analysis (DEA): các mô hình toán kết hợp thống kê Những phương pháp này do phức tạp, nên ít khi được dùng trong việc xây dựng định mức năng lượng công trình [5];

1.4 Các cơ sở khoa học của việc nghiên cứu giải pháp thiết kế dựa trên việc

mô phỏng năng lượng công trình

1.4.1 Cơ sở pháp lý

- Ngày 3/9/2003, Chính phủ đã ban hành Nghị định 102/2003/NĐ-CP về “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”;

- Ngày 17/11/2005, Bộ trưởng Bộ Xây dựng ban hành Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam QCXDVN 09:2005 - Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả Quy chuẩn này đã được thay thế bằng QCVN 09:2013/BXD có hiệu lực thi hành từ ngày 15/11/2013;

- Ngày 17/6/2010, Quốc Hội đã thông qua Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm

và hiệu quả, có hiệu lực vào ngày 01/01/2011;

- Ngày 29/03/2011, Chính phủ đã ban hành Nghị định số 21/2011/NĐ-CP về Quy định chi tiết và biện pháp thi hành Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Nghị định này thay thế Nghị định 102/2003/NĐ-CP;

- Tháng 9/2013, Bộ Xây dựng ban hành QCVN 09:2013/BXD về Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả thay thế QCXDVN 09:2005/BXD;

- Định hướng quy hoạch chung thành phố Đà Nẵng đến năm 2030, tầm nhìn đến 2050 (Quyết định số 2357/QĐ-TTg ngày 04/12/2013);

- Thông tư số 19/2016/TT-BCT, Thông tư 20/2016/TT-BCT và Thông tư số 38/2016/TT-BCT của Bộ Công thương ban hành định mức tiêu thụ trong một số ngành công nghiệp sản xuất thép, rượu bia nước giải khát, ngành nhựa…

- Ngày 28/12/2017, Bộ trưởng Bộ Xây Ban hành kèm theo Thông tư này Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả”, mã số QCVN 09:2017/BXD Thông tư này có hiệu lực thi hành kể từ ngày 01/6/2018 và thay thế Thông tư số 15/2013/TT-BXD ngày 26/9/2013 của Bộ Xây dựng ban hành Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về “Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả”, mã số QCVN 09:2013/BXD

- Các hệ thống đánh giá công trình xanh:

+ Năm tiêu chí Kiến trúc xanh Việt Nam – theo Hội Kiến trúc sư Việt Nam; + Hệ thống BREEAM (BRE Environmental Assessment Method) của Anh; + LEED (Leadership in Energy and Environment Design) của Mỹ;

+ Hệ thống LOTUS của Việt Nam

1.4.2 Cơ sở kinh tế xã hội

- Quyết định số 2256/QĐ-BCT ngày 12/03/2015 của Bộ Công Thương về việc ban hành giá bán lẻ điện cho các nhóm khách hàng sử dụng điện và giá bán điện cho các đơn vị bán lẻ điện;

- Trong bối cảnh nền kinh tế không ngừng tăng trưởng, nhu cầu thuê văn phòng tăng đều hàng năm, đi cùng với sự lớn mạnh của các loại hình kinh doanh như thương mại điện tử hay công nghệ 4.0 Xu hướng xây dựng các tòa nhà văn phòng ngày càng nhiều tại Đà Nẵng và các thành phố lớn khác trong cả nước

1.4.3 Cơ sở về khí hậu, tự nhiên

- Đặc điểm khí hậu của địa phương, QCXD Việt Nam 02:2009/BXD - Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng;

- Dữ liệu khí hậu và và thời tiết của địa phương khảo sát và sử dụng cho việc phân tích năng lượng dựa trên trạm thời tiết ảo của các năm thực tế và các trạm thời tiết điển hình của năm (theo định dạng TMY2) trên máy chủ (Climate Server)

từ Autodesk Climate dựa trên dữ liệu thời tiết trong 30 năm [7];

- Đặc điểm địa chất, điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu (tham khảo

từ thuyết minh điều chỉnh quy hoạch chung thành phố Đà Nẵng đến năm 2030) [8]

đó, và có tính đến nhu cầu ở các cấp độ khác nhau của bối cảnh;

- Kiến trúc bền vững là kiến trúc có xét đến người khác và có tính đến tương lai:

+ Khai thác tốt các nguồn lực của cộng đồng địa phương;

+ Bảo vệ con người khổi các phiền toái cục bộ;

+ Mang lại cho địa điểm xây dựng những lợi ích;

+ Bảo vệ môi trường tốt nhất bằng cách kiểm soát các hệ lụy gây ra bởi việc xây dựng và sử dụng công trình;

- Kiến trúc bền vững là kiến trúc tiên liệu và hạn chế những rủi ro tiềm ẩn đối với sức khỏe, sự tiện nghi và an toàn của người sử dụng;

- Kiến trúc bền vững là kiến trúc được phát triển thông qua một quá trình mà trách nhiệm của từng thành viên được xác định rỏ ràng về chất lượng thiết kế, chất lượng xây dựng và việc sử dụng tòa nhà;

- Kiến trúc bền vững là kiến trúc coi vấn đề trung tâm là con người Kiến trúc sẽ phải tính đến như cầu, mong muốn và khả năng đáp ứng thực tế

* Công trình xanh

- Công trình xanh là công trình đạt được hiệu quả cao trong sử dụng năng lượng và vật liệu, giảm thiểu các tác động xấu tới môi trường; đồng thời được thiết

kế để có thể hạn chế tối đa những tác động không tốt của môi trường xây dựng tới sức khỏe của con người và môi trường tự nhiên [10];

- Công trình xanh là công trình xây dựng mà thực tế đã đạt được hiệu quả cao nhất trong việc lựa chọn địa điểm xây dựng, sử dụng tài nguyên – năng lượng, nước, và vật liệu – trong khi tác động đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh là nhỏ nhất trong suốt toàn bộ vòng đời công trình – từ lựa chọn địa điểm, thiết kế, thi công xây dựng đến vận hành sửa chữa và tái sử dụng công trình (nguồn: Cục bảo vệ Hoa Kỳ) [11]

* Kiến trúc sinh thái

- Hệ thống tiết kiệm năng lượng là nền tảng của kiến trúc sinh thái;

- Hệ thống tuần hoàn và hệ thống xanh hóa phối hợp và hỗ trợ cho nhau;

- Vật liệu xây dựng thân thiện, môi trường và vật liệu xây dựng thông minh làm điểm sáng cho kiến trúc sinh thái

* Kiến trúc hiệu quả năng lượng (Quy chuẩn QCVN 09:2017/BXD)

Công trình (hay Kiến trúc) hiệu quả năng lượng là thuật ngữ dành cho các công trình kiến trúc xây dựng có mức độ tiêu thụ năng lượng (tính theo một đơn vị

đo lường nào đó, ví dụ : kWh/m2/năm) thấm hơn so với mức tiêu thụ bình quân (average energy benchmark) của loại công trình nào đó trong cùng các điều kiện vận hành Việc tiết kiệm năng lượng đó được thực hiện thông qua các giải pháp thiết kế xây dựng, vận hành hợp lý và hiệu quả [12]

1.4.5 Cơ sở công nghệ phần mềm

Hiện nay, trong quá trình thiết kế các công trình kiến trúc bền vững, mô phỏng hiệu năng công trình – Building Performance Simulation – (BPS) là công việc quan trọng nhằm đạt được mục tiêu cuối cùng Kiểm soát năng lượng và mô hình hóa năng lượng sẽ giúp KTS, KS có nhiều giải pháp khả thi hơn về năng lượng, tối ưu cho công trình Công cụ BPS đang góp phần thúc đẩy sự đổi mới trong việc thiết kế các công trình có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, và chúng ngày càng phát triển và đa dạng, hỗ trợ dễ dàng cho việc mô phỏng hiệu năng công trình

Tổng quan các phần mềm mô phỏng năng lượng có trên nền tảng thiết kế:

- Việc tạo lập và xây dựng mô hình sử dụng cho việc mô phỏng xây dựng hiệu suất năng lượng - Building Energy Performance (BEP) thường bắt nguồn từ các phần mềm CAD (Computer Aided Design) Chúng được định nghĩa bằng CAD ở dạng 2D, 2.5D hoặc 3D và được phân phối dưới dạng điện tử hoặc trên giấy;

- Thông tin hình học trên giấy (bản vẽ) do các công cụ 2D tạo ra, chẳng hạn như Autocad, phải được tạo lập và xây dựng mô hình lại bằng điện tử để các

chương trình và các công cụ mô phỏng khác nhau của BEP một cách thủ công Đây

là một quá trình làm mất nhiều thời gian, dễ bị lỗi trong quá trình tạo lập mô hình, phải phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và độ phức tạp của công trình, chưa kể đến việc đánh rơi hoặc bỏ sót thông tin khi tạo lập và thay đổi mô hình, tốn khá nhiều chi phí cho dự án cần mô phỏng;

- Nếu hình dạng công trình dạng 2D là bản vẽ điện tử (DWG hay DXF) chứa thông tin về kích thước và có khả năng thay đổi, được sao chép lại thành các mô hình có thể đọc bằng các chương trình và công cụ mô phỏng BEP, quá trình này có thể nhanh hơn một ít (vì sử dụng sao chép và dán) Tuy nhiên, việc sao chép lại đòi hỏi cần có sự tham gia của những người có kinh nghiệm và chuyên gia lĩnh vực;

- Phần mềm CAD tiên tiến nhất, chẳng hạn như Autocad, có thể chuyển thông tin mặt bằng theo chiều đứng, hình học như vậy gọi là 2.5D (vì nó không phải là hình học 3D đúng nghĩa) Hình học 2.5D giúp đẩy nhanh được tiến trình tạo lập mô hình để sử dụng cho việc mô phỏng BEP, có thể có kết quả ngược lại khi các tòa nhà gần nhau có độ lồi khác nhau;

- Các công cụ CAD kiến trúc trên nền tảng mô hình, như Revit, Archicad, Allplan và Bentley đưa ra một định nghĩa xây dựng hình học theo dạng 3D thực – Định hướng đối tượng Các công cụ này sử dụng định dạng riêng của nhà sản xuất, nhưng chúng đều có thể hỗ trợ xuất hình học định dạng IFC và gbXML Ngoài ra, Sketup không phải là công cụ CAD trên nền tảng mô hình nhưng cũng có thể xuất hình học theo dạng gbXML dựa trên nền tảng Open Studio được phát triển riêng để phục vụ cho việc mô phỏng;

- Như vậy, mô hình năng lương có thể sử dụng dữ liệu hình học theo định dạng IFC và gbXML từ các phần mềm CAD kiến trúc trên nền tảng mô hình Các công cụ CAD kiến trúc trên nền tảng mô hình giúp việc tạo lập và xây dựng mô hình sử dụng cho việc mô phỏng BEP nhanh hơn, độ chính xác cao, tiết kiệm chị phí và thời gian

Mô phỏng năng lượng trên Autodesk® Revit® có những tiềm năng và giải pháp cho kiến trúc sư:

- Trong quá trình thiết kế, xây dựng mô hình trên Autodesk® Revit®, việc trao đổi thông tin giữa bước, ngay từ giai đoạn lên ý tưởng đến thiết kế chi tiết, các bộ môn đều có thể tham gia trực tiếp trên cùng một file dữ liệu Giúp cho các bên liên quan, các ngành có thể tương tác trực tiếp và nhanh chóng, kết quả công trình đạt hiệu quả cao, làm giảm đáng kể thời gian thiết kế;

- Có thể tận dụng tài nguyên từ mô hình trên Autodesk® Revit® để xây dựng

mô hình năng lượng, bao gồm các yếu tố như là: tường, sàn, trần mái, cửa sổ, cửa

đi, … Công việc này diễn ra ngay từ giai đoạn đầu của dự án, giảm được thời gian cho việc phải tạo lập mô hình để phân tích năng lượng Nhờ vậy, kiến trúc sư, kĩ sư

có thể đánh giá các phương án thiết kế nhanh chóng về mặt năng lượng, dễ dàng từ

đó sẽ đưa ra các giải pháp để tối ưu hóa thiết kế (chi phí, năng lượng, ánh sáng, …) Trong quá trình cập nhật các kết quả từ việc phân tích tính toán năng lượng, với mô hình trên Autodesk® Revit® KTS sẽ rất dễ dàng thay đổi các yếu tố để đạt hiệu quả

và tiến hành mô phỏng và phân tích lại;

- Tùy vào các giai đoạn thiết kết, Autodesk® Revit® có thể giúp tạo ra mô hình năng lượng tương ứng cho từng giai đoạn: Mô hình ý tưởng hình khối – Mô hình kiến trúc sơ bộ - Mô hình kiến trúc chi tiết;

- Thiết kế tòa nhà bền vững đang trở thành một việc rất cần thiết để xây dựng các công trình trên tòa thế giới bởi vì khác hàng yêu cầu các KTS, KS thực hiện tốt hơn việc thiết kế các tòa nhà và góp phần xây dựng mục tiêu xanh như những đề xuất của Kiến trúc 2030 (Architecture 2030 Challenge) Phần mềm Autodesk®Revit® có thể giúp thiết kế hỗ trợ xây dựng công trình xanh:

+ Các quy trình phân tích năng lượng tích hợp trong phần mềm Autodesk®Revit® giúp cho KTS, KS có thể mô phỏng và cải tiến hiệu năng năng lượng cho công trình dễ dàng hơn từ ý tưởng ban đầu đến thiết kế chi tiết; + Phản hồi theo thời gian thực về việc lựa chọn và thay thế trong thiết kế các

sẽ ảnh hưởng đến việc xây dựng năng lượng, luôn đảm bảo để đưa ra quyết định thiết kế với đầy đủ thông tin;

+ Mô phỏng Autodesk® Revit® có thể tính toán và hiển thị số liệu ánh sáng ban ngày;

+ Phân tích tải nhiệt sưởi ấm và làm mát cho công trình;

+ Autodesk® Revit® cho phép bạn tính toán bức xạ mặt trời trên các bề mặt tòa nhà, tạo ra tiềm năng năng lượng mặt trời và thời gian hoàn vốn

- Tối ưu hóa năng lượng cho công trình dựa trên đám mây (Cloud 360) bằng công cụ Autodesk® Insight chạy trực tiếp trên phần mềm Autodesk® Revit® (phiên bản Revit 2016 R2 trở lên) có rất nhiều lợi thế: phân tích năng lượng, sưởi ấm và làm mát, phân tích ánh sáng, năng lượng mặt trời và dịch vụ điện toán đám mây EnergyPlus

- Ngoài ra, Autodesk® Revit® hỗ trợ xuất hình học định dạng IFC và gbXML,

có thể sử dụng các công cụ mô phỏng khác hoặc phần mềm bên thứ ba (Ecotect Analysis, DesignBuilder, eQUEST, Green Building Studio …), mô phỏng gió bằng công cụ Flow Design Chính nhờ vậy khi sử dụng Autodesk® Revit® tạo lập mô hình kiến trúc sẽ giúp giảm tối đa thời gian tạo lập mô hình năng lượng;

Công cụ và phần mềm mô phỏng năng lượng sử dụng cho việc mô phỏng phải thích hợp không những dễ dàng cho việc sử dụng mà còn phải nhanh, có độ chính xác cao và tiết kiệm chi phí, thời gian Hiện nay phần mềm Autodesk® Revit®ngày càng được nhà sản xuất phát triển mạnh cho việc mô phỏng năng lượng bằng việc tích hợp nhiều công cụ hỗ trợ phân tích Chính vì vậy, việc sử dụng phần mềm Autodesk® Revit® dễ cho việc mô phỏng ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến giai đoạn thiết kế chi tiết giúp kiểm soát năng lượng một cách tốt nhất [13]

Do đối tượng nghiên cứu của đề tài là một sản phẩm của quá trình xây dựng,

có tính đa dạng cao trong hình thức, nội dung, chất lượng… Do đó cách tiếp cận chính được xác định là nghiên cứu điển hình, bằng cách chọn mẫu công trình điển hình để khảo sát và nghiên cứu; từ đó, rút ra các kết quả nghiên cứu [14] Đây là phương pháp nghiên cứu khoa học đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như khoa học tự nhiên, xã hội, kinh tế, y khoa, quản trị [15]

Bằng cách mô hình hóa trên máy tính các mô hình công trình, đề tài có thể nghiên cứu mở rộng nhiều dạng công trình có mặt bằng và hình khối khác nhau, từ

đó có thể nhân rộng kết quả và đưa ra những kết quả có tính khái quát cao hơn [6]

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Hai phương pháp khoa học có tính định lượng cao và có độ tin cậy tốt được

áp dụng trong nghiên cứu đề tài này là:

Phương pháp mô hình hóa

Xây dựng mô hình dựa trên các tòa nhà văn phòng đã được xây dựng thành những mô hình hình khối điển hình Trong phương pháp này, sử dụng dữ liệu dựa trên việc giả định chiều cao công trình, tổng diện tích sàn dự án xây dựng giống với thực tế và kĩ thuật xây dựng mô hình trên máy tính đóng vai trò chủ đạo;

Phương pháp tối ưu hóa

Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa trên phần mềm Autodesk®

Revit® và công cụ Autodesk® Insight Nghiên cứu dựa trên việc xây dựng mô hình và dùng phần mềm làm công cụ để tìm kiếm phương án tối ưu; sau đó tìm cách tích hợp vào trong quá trình thiết kế công trình nhằm tối ưu hóa công tác thiết kế kiến trúc Hai nhiệm vụ cơ bản của đề tài đối với phương pháp này là:

- Xây dựng quy trình thực hiện mô phỏng năng lượng từ mô hình kiến trúc trên phần mềm Autodesk® Revit® để thực hiện việc tối ưu hóa;

- Tích hợp các giải pháp tối ưu hóa vào quá trình thiết kế, tạo ra một phương pháp thiết kế mới có ưu điểm vượt trội

2.2 Xây dựng quy trình tối ưu hóa năng lượng mô phỏng dựa trên phần mềm Autodesk ® Revit ®

Phương pháp tối ưu hóa đối với công trình dựa trên việc thực hiện quy trình

mô phỏng năng lượng từ mô hình kiến trúc trên phần mềm Autodesk® Revit® được thực hiện qua bảy bước cơ bản như sau:

Bước 1: Tạo mô hình công trình trên phần mềm Autodesk ®

Revit ®

Kiến trúc sư cần nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng cho công trình ngay từ giai đoạn nghiên cứu về ý tưởng hình khối, khối dáng của công trình – Nghiên cứu Massing Mô phỏng năng lượng cho công trình ở giai đoạn này có thể giúp kiến trúc sư nghiên cứu mô hình hóa năng lượng ở mức độ tổng thể cho công trình

Tạo hình khối công trình bằng công cụ Conceptual Mass trên phần mềm Autodesk® Revit® (Hình 2.1) Hình khối công trình sau khi mô phỏng, lựa chọn những phương án tối ưu nhất ta có thể tiếp tục dựa trên hình khối này để tạo các thành phần cho công trình

Hình 2.1: Tạo hình khối công trình (Massing) bằng công cụ Conceptual Mass trên

phần mềm Autodesk ® Revit ®

Trong việc thiết kế ý tưởng về hình khối, thiết lập sàn từ hình khối để phân chia khối lượng phân tích có xác định được thông tin hình học của khối đối với mỗi tầng như là: Diện tích sàn, chu vi sàn, khối tích sàn của từng tầng (Hình 2.2).Sử dụng những thông tin này có thể ước tính sơ bộ về chi phí phần thô, tính toán tải HVAC cho toàn nhà

Hình 2.2: Thiết lập sàn từ hình khối cho các tầng của tòa nhà trên phần mềm

Autodesk ® Revit ®

Bước 2: Thiết lập tọa độ vị trí của công trình

Để việc mô phỏng có kết quả chính xác, cần phải xác định được địa điểm của dự án và trạm thời tiết gần khu vực thiết kế dựa trên công cụ của Autodesk®Revit® và phải có kết nối mạng (Hình 2.3)

Hình 2.3: Thiết lập tọa độ vị trí của công trình trên phần mềm Autodesk ® Revit ®

Trên bản đồ, vị trí của dự án được đánh dấu bằng ghim có màu đỏ, trạm thời tiết được chọn cho dự án có màu cam, ngoài ra các trạm gần vị trí công trình có màu xanh dương Khi chọn trạm thời tiết để việc mô phỏng chính xác hơn cần phải chú ý [16]:

- Khoảng cách: Khi chọn trạm thời tiết gần vị trí dự án, dữ liệu thời tiết của khu vực này sẽ là dữ liệu thời tiết thực tế tại công trình, vì vậy để việc mô phỏng chính xác cần phải xác định đúng vị trí và trạm thời tiết;

- Độ cao: Độ cao của dự án và trạm thời tiết phải gần bằng nhau Nếu dự án nằm ở vị trí bằng phẳng, thì sẽ không thích hợp để chọn trạm thời tiết nằm ở khu vực đồi núi;

- Đặc điểm địa hình: Nếu dự án nằm gần hoặc tiếp giáp với mặt nước, thì trạm thời tiết nằm sâu trong đất liền sẽ không phù hợp dữ liệu thực tế tại công trình Để việc mô phỏng chính xác nên chọn trạm thời tiết gần nhất khu vực thiết kế, nơi gần mặt nước và đất liền

Bước 3: Cài đặt và tạo mô hình năng lượng

Trong hộp thoại cài đặt mô hình năng lượng (Hình 2.4: Cài đặt dữ liệu đầu vào cho mô hình năng lượng trên phần mềm Autodesk® Revit®, cần chú ý đến các thiết lập quan trọng liên quan đến việc tạo mô hình phân tích năng lượng (Energy Analysis Model - EAM) chính xác Ngoài ra, một số thiết lập khác ta có thể điều chỉnh và thiết lập trực tiếp trên đám mây (Cloud 360) bằng công cụ Autodesk®Insight, công cụ này có thể làm việc trực tiếp trên phần mềm Autodesk® Revit®hoặc trên webside : https://insight.autodesk.com/oneenergy

Hình 2.4: Cài đặt dữ liệu đầu vào cho mô hình năng lượng trên phần mềm

Autodesk ® Revit ®

Các thông số trong hộp cài đặt năng lượng cần chú ý:

- Mode: Phần mềm Autodesk® Revit® có ba chế độ để tạo mô hình năng lượng từ mô hình kiến trúc Tuy nhiên, nên sử dụng chế độ mặc định: Sử dụng hình khối công trình và các thành phần khác của công trình (Use Conceptual Masses and Building Elements) trong hộp thoại [17];

- Ground Plane: Chọn tầng tiếp xúc với mặt đất, lựa chọn này giúp việc chạy

mô phỏng năng lượng chính xác hơn truyền nhiệt của mô hình khi tiếp xúc với mặt đất;

- Project Phase: Giai đoạn hình thành dự án, với việc xây dựng mô hình hình khối thì thiết lập mô hình ở giai đoạn đầu của dự án xây dựng mới;

- Mức độ tạo chi tiết mô hình phân tích năng lượng (Energy Analysis Model

- EAM) Để kiểm soát độ chính xác của EAM khi được tạo, cần quan tâm đến hai thuộc tính [17]:

+ Analytical Space Resolution: Độ phân giải không gian phân tích, cho phép những khoảng trống nhỏ tồn tại trong mô hình cả bên trong và bên ngoài Tham số giá trị cài đặt theo giá trị mặc định bằng 457.2 mm;

+ Analytical Surface Resolution: Độ phân giải về bề mặt phân tích, cài dặt này giúp tăng khả năng của thuật toán tìm các bề mặt để phân tích riêng lẻ Tham

số giá trị cài đặt theo giá trị mặc định bằng 304.8 mm;

- Phân vùng nhiệt tự động: Kiểm soát việc tạo phân vùng cho các không gian trong EAM cần chú ý hai thuộc tính:

+ Perimeter Zone Depth: Xác định khoảng cách này được đo từ trong ra ngoài hay vào bên trong để xác định độ sâu vùng chu vi (Hình 2.5);

Hình 2.7: Cài đặt chi tiết mô hình năng lượng trên phần mềm Autodesk ® Revit ®

+ Detailed Model: Thiết lập chi tiết cho mô hình năng lượng

Target Percentage Glazing: Số lượng vật liệu kính tính theo phần trăm (%) của mô hình Xác định tỉ lệ của sổ trên tổng diện tích tường (Window to Wall Ratio), tính theo phần trăm (%) của tòa nhà Giá trị mặc định bằng 0%, đối với vách kính tối đa là 95%, trong đó đã tính đến phần diện tích khung;

Target Sill Height: Chiều cao từ sàn đến đáy (bậu) cửa sổ, thông số này được kích hoạt nếu Target Percentage Glazing được kích hoạt Nếu tỉ lệ phần trăm WWR lớn thì có thể thay đổi độ cao để đáp ứng yêu cầu;

Glazing Is Shaded: Thiết lập kết cấu che nắng cho cửa sổ (ô kính);

Shade Depth: Độ vươn xa của kết cấu che nắng;

Target Percentage Skylights: Tỉ lệ phần trăm cửa sổ mái;

Skylight Width & Depth: Kích thước giếng trời

+ Building Data: Dữ liệu của tòa nhà sử dụng thiết lập mặc định của Revit Building Type: Kiểu mẫu công trình, lựa chọn Văn phòng (Office), với các thông tin cài đặt như hình (Hình 2.8)

Hình 2.8: Thông số cài đặt cho lựa chọn Văn phòng (Office) trên phần mềm

Autodesk ® Revit ®

Building Operating Schedule: Lịch hoạt động của công trình; Lựa chọn hoạt động 12 giờ trong một ngày/06 ngày trong tuần (12/6 Facility)

HVAC System: Hệ thống điều hòa không khí; Lựa chọn loại “Central VAV,

HW Heat, Chiller 5.96 COP, Boilers 84.5 eff ” (mặc định của Revit)

+ Material Thermal Properties: Sử dụng vật liệu có thuộc tính nhiệt trong việc mô phỏng năng lượng công trình trong hộp thoại Schematic Types (Hình 2.9) Thuộc tính nhiệt của vật liệu sử dụng trong hộp thoại Schematic Types dựa vào thiết lập của Autodesk – Tham khảo tại [18]

Hình 2.9: Lựa chọn thuộc tính nhiệt của vật liệu dựa trên phần mềm Autodesk ®

Revit ®

Sau khi hoàn tất các cài đặt, tiến hành tạo mô hình năng lượng cho công trình bằng công cụ Create Energy Model trong hộp thoại Energy Optimization (Hình 2.10)

Hình 2.10: Mô hình năng lượng trên phần mềm Autodesk ® Revit ®

Bước 4: Chạy mô phỏng năng lượng

Mô phỏng và tối ưu hóa năng lượng công trình trên phần mềm Autodesk®Revit® dựa trên đám mây (Cloud 360) phản hồi theo thời gian thực về việc lựa chọn

và thay thế các giải pháp thiết kế sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng công trình, luôn đảm bảo đưa ra quyết định thiết kế với đầy đủ thông tin [13]

Tạo lập tài khoản Cloud 360 (Hình 2.11) miễn phí của Autodesk trên website: https://insight.autodesk.com/oneenergy và đăng nhập tài khoản vào phần mềm để sử dụng việc mô phỏng năng lượng trên đám mây (Cloud 360)

Hình 2.11: Đăng nhập tài khoản Autodesk 360 trên phần mềm Autodesk ® Revit ®

Sau khi có mô hình kiến trúc và tạo mô hình năng lượng hoàn chỉnh và chính xác, tiến hành tạo thông tin chi tiết của mô hình bằng cách sử dụng công cụ Generate Công cụ này sẽ gởi mô hình phân tích năng lượng đến đám mây (Cloud 360) của Autodesk để mô phỏng

Hình 2.12: Công cụ tạo mô hình năng lượng Generate trên phần mềm Autodesk ®

Revit ®

Bước 5: Tối ưu hóa năng lượng cho công trình

Sau khi phân tích được hoàn tất, kiểm tra các kết quả phân tích bằng các công cụ Optimize trên Autodesk® Revit® (Hình 2.13) hoặc truy cập trực tiếp trên đám mây từ trang web: https://insight360.autodesk.com

Hình 2.13: Công cụ Optimize kiểm tra kết quả phân tích ngay trên phần mềm

Autodesk® Insight (Hình 2.15).Quá trình phân tích năng lượng diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào độ lớn của mô hình

Hình 2.14: Tòa nhà được đưa vào tối ưu hóa kiểm tra bằng công cụ Optimize trên

Hình 2.16: Cài đặt đơn vị chi phí năng lượng trên Autodesk ® Insight

+ Đơn vị đo: có thể lựa chọn hệ Metric (SI) hoặc có thể chọn lại hệ Imperial (IP)

+ Đơn vị chi phí: có thể chọn giá trị là chi phí hàng năm USD/m2/năm - Annual Cost ($) (Hình 2.17) hoặc suất tiêu hao năng lượng – Energy Use Intensity – EUI (kWh/m2/năm) (Hình Hình 2.18)

Hình 2.17: Annual Cost ($) – Chi phí hàng năm (USD/m 2 /năm)

Hình 2.18: Energy Use Intensity (EUI) – Suất tiêu hao năng lượng hàng năm

(kWh/m 2 /năm)

Truy cập vào Autodesk® Insight và tiến hành tối ưu hóa năng lượng (Hình 2.19)

Hình 2.19: Giao diện mô hình khi truy cập vào Autodesk ® Insight

Các thông tin chung:

- Building Form: mẫu tòa nhà, mức chi phí năng lượng trung bình hàng năm

ở phía trên bên trái (vòng tròn giá trị) Giá trị này có thể chuyển đổi qua lại giữa giá

tiền hàng năm USD/m2/năm - Annual Cost ($) và suất tiêu hao năng lượng – Energy Use Intensity – EUI (kWh/m2/năm) (Hình 2.20)

Hình 2.20: Chuyển đổi qua lại giữa chi phí hàng năm USD/m 2 /năm - Annual Cost ($) và suất tiêu hao năng lượng – Energy Use Intensity – EUI (kWh/m 2 /năm)

- Trong quá trình điều chỉnh các yếu tố đầu vào và xem xét ô so sánh điểm chuẩn (Benchmark Comparison) để thấy được phạm vi chi phí trung bình của dự án (Hình 2.21) Điều này giúp ta có thể thấy được các phương án tối ưu nhất và phương án tệ nhất So sánh điểm chuẩn để thấy hiệu suất thiết kế hiện tại có thể tăng lên hoặc giảm xuống so với tiêu chuẩn quốc tế ASHRAE90.1 [20] và Kiến trúc 2030 [21]

Hình 2.21: Chi phí trung bình của dự án trên Autodesk ® Insight

- Có thể xem lại các tác động thay đổi cho việc tối ưu hóa cải thiện mô hình thông qua các phương pháp phân tích trong bảng lịch sử mô hình (Model History) Cột dọc là phương pháp phân tích, con trỏ vào cột nào thì phương thức phân tích cột đó sẽ hiện ra (Hình 2.22) Các giá trị được hiểu:

+ Factor: Tên phương thức phân tích;

+ Max: Mức tiêu thụ lớn nhất;

+ Min: Mức tiêu thụ nhỏ nhất;

+ Mean: Mức tiêu thụ trung bình hiện thời tòa nhà đạt được

Hình 2.22: Lịch sử mô hình (Model History) trên Autodesk ® Insight

- Các thành phần của công trình cần tối ưu hóa: Các thành tố cấu thành công trình cần tối ưu hóa được sắp xếp thành các mục con (Hình 2.23)

Hình 2.23: Các thành phần của công trình cần tối ưu hóa trên công cụ Autodesk ®

Insight

- Building Orientation: Thiết lập hướng nhà (Góc phương vị)

Xoay tòa nhà theo chiều kim đồng hồ từ 0 độ, ví dụ 90 độ quay về phía Bắc thì mặt chính của tòa nhà là hướng Đông Các thông số tối ưu về hướng (Hình 2.24)

Trục tung: Giá trị chi phí trong một năm cho 01 m2 (tính bằng kWh hoặc USD)

Trục hoành: Các góc xoay, 0o là góc hiện tại (Thiết lập trong mô hình Autodesk® Revit®), các góc tiếp theo là góc xoay so với góc hiện thời (có thể kiếm tra độ tăng giảm mức tiêu hao năng lượng trước khi chọn góc xoay tối ưu nhất)

Hình 2.24: Thiết lập hướng nhà và kiểm tra độ tăng giảm mức tiêu hao năng lượng

trên công cụ Autodesk ® Insight

- Tỉ lệ diện tích cửa sổ (ô kính) - diện tích tường (Window to Wall Ratio), tính theo phần trăm (%) của tòa nhà trên các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc Tại đây

có thể chọn tỉ lệ dùng kính so với diện tích toàn bộ bức tường tương tác với việc dùng ánh sáng ban ngày sưởi ấm và làm mát Thiết lập trong khoảng từ 0% đến 90% trên một bức tường trên một hướng (hướng Nam) của mô hình (Hình 2.25)