Trang bị thêm các bộ phận mới cho một nhà máy trong khi chỉ có bản thiết kế chi tiết hoặc nhiều nhất là bản vẽ 2D AutoCAD sẽ thực sự là một thử thách bởi rất khó để đưa ra phương thức chiến lược và đúng đắn hướng đến sự bền vững (rất khó để đánh giá chính xác lượng nước và năng lượng tiêu thụ là bao nhiêu, v.v). Công nghệ mới cho phép người sử dụng xây dựng mô hình nhà máy 3-D và khám phá những cơ hội cải tiến trong giai đoạn thiết kế.  

Nhiều nhà sản xuất nhận thấy rằng việc xây dựng tính bền vững trong quá trình hoạt động cũng như trong nhà máy nghiệp là một cách nhằm đạt được lợi thế trong kinh doanh. 


Dựa trên các mô hình nhà máy kĩ thuật số 3-D được tạo nên thông qua việc sử dụng sơ đồ nhà máy và phần mềm tối ưu hóa, người sử dụng có thể thiết kế và chọn ra sơ đồ hiệu quả nhất. Các mô hình kĩ thuật số được xây dựng thông qua máy quét 3-D hoặc nối ảnh rất hữu dụng trong việc cải tiến các xí nghiệp lâu năm.   

Các nhà quản lý thiết bị của nhiều cơ sở sản xuất mới được xây dựng gần đây tận dụng lợi thế có thể tiếp cận những yếu tố thiết kế bền vững giúp cho hoạt động của họ trở nên thân thiện hơn với môi trường. Thực tế, tính bền vững là yếu tố vô cùng quan trọng trong thiết kế các cơ sở này.. Điều đó được chứng minh thông qua các yếu tố thiết kế về ngoại thất như tấm pin mặt trời lắp đặt trên mái nhà hoặc bãi đỗ xe và về nội thất như lắp đặt đồng hồ đo năng lượng trên máy móc tham gia vào quá trình sản xuất.

Điều đặc biệt hữu dụng đó là việc thiết kế và kiến trúc của các cơ sở vật chất hiện đại thường được thực hiện qua các phần mềm 3-D.

Tuy nhiên, thông thường, đa phần các nhà máy đang hoạt động là những cơ sở lâu năm hoạt động không còn hiệu quả và đang cần được cải tiến. Những cơ sở này được xây dựng khi nguồn nhiên liệu hóa thạch còn dồi dào và các công cụ làm xanh nhà máy còn chưa xuất hiện. 

Sự khác biệt chủ yếu giữa các cơ sở mới và cũ đó là đối với các cơ sở mới, nỗ lực về nguồn lực không cần tạo ra sự thay đổi. Có lẽ nguyên nhân là do tính bền vững đã được đưa vào trong thiết kế ngay từ ban đầu, trong khi đối với các cơ sở đã lâu năm, tính bền vững chỉ là yếu tố được thêm vào sau này. 
 

Mô hình kĩ thuật số cho việc cải tiến xanh

Vậy liệu đây có phải là giải pháp cho các cơ sở xanh hiện tại để phá hủy tất cả và bắt đầu lại từ đầu? Việc này là không cần thiết.

Thực tế, các cơ sở lâu năm là những ứng cử viên cho việc” tái thiết xanh” thông qua thiết kế kỹ thuật số. Một mô hình kĩ thuật số cho phép thực hiện các thực nghiệm thông minh với số liệu thực tiễn – chìa khóa để đạt được mục tiêu sản xuất xanh. 

Các mô hình kĩ thuật số, khi được sử dụng với Mô hình thông tin Xây Dựng (BIM) và phần mềm mô phỏng kỹ thuật số (DP) giúp cung cấp một cái nhìn toàn diện về quá trình sản xuất với công nghệ 3-D, các mô hình thông minh ở từng giai đoạn. Tuy nhiên, một số chủ sản xuất lại không hề có mô hình kĩ thuật số của nhà máy mình. Cùng lắm họ chỉ có bản thiết kế chi tiết hoặc mô hình 2-D CAD. Thiếu hụt mô hình 3-D đã hạn chế khả năng áp dụng phương thức chiến lược và đúng đắn nhằm đạt được tính bền vững. Cần phải ước lượng lượng nước hoặc năng lượng tiêu thụ? Không hề dễ chút nào nếu như chủ cơ sở chỉ có bản vẽ chi tiết. 

May mắn thay, luôn có cách để giải quyết vấn đề này: Công nghệ mới xuất hiện giúp cho các nhà sản suất nhanh chóng và dễ dàng kĩ thuật số hóa môi trường nhà máy của họ.

Máy quét 3-D: Khi không có sẵn bản thiết kế chi tiết hay bản vẽ 2-D, các chủ nhà máy phải sử dụng máy quét 3-D để “quét” môi trường nhà máy của mình và thu thập hàng triệu điểm dữ liệu cần thiết để xây dựng mô hình kĩ thuật số 3-D.

Nối ảnh: Ngoài ra, các chủ nhà máy có thể chụp những bức ảnh kĩ thuật số về cơ sở của mình, và sau đó sử dụng phần mềm tạo mô hình 3-D từ những bức ảnh – quá trình này được gọi là nối ảnh. 

Các gói phầm mềm tạo sơ đồ nhà máy với đầy đủ các tính năng mới cho phép nhà sản xuất tạo ra các mô hình 3-D của chính những nhà máy đang hoạt động để họ có thể tìm ra những cơ hội cải tiến mà không cần tạm ngưng hoạt động sản xuất. Quan trọng hơn, các phần mềm sơ đồ nhà máy có thể nhập các mô hình kĩ thuật số được tạo nên thông qua máy quét 3-D hoặc nối hình ảnh, cho phép nhà sản xuất tối ưu hóa các nhà máy cũ một cách dễ dàng như đối với các cơ sở mới.

Dù là cách nào, các kĩ sư cải tiến nhà máy cũng có thể nắm được cơ sở vật chất của nhà máy hiện tại mà không cần thực hiện đo đạt một cách thủ công.

Thực hiện xanh hóa nhà máy: Khi môi trường của các nhà máy hiện tại hay mới được tạo ra, các nhà quản lý xây dựng có thể đảm nhận các bước hướng tới làm xanh hóa nhà máy. 

• Xác định nguồn năng lượng tốt nhất: Đối với các nhà máy hiện tại nơi có ít ảnh hưởng đối với nguồn nhiên liệu được sử dụng, chiến lược đặt ra là phải khai thác được những tiềm năng năng lượng có sẵn như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió. Vị trí địa lý của một nhà máy sẽ quyết định tới nguồn năng lượng đưa vào sử dụng. Ví dụ, một nhà máy đặt tại sa mạc sẽ có thể dựa vào nhiều nguồn năng lượng khác nhau hơn là một nhà máy đặt tại khu vực có khí hậu lạnh và khí hậu rừng. Phần mềm sẽ rất hữu ích trong việc xác định nguồn năng lượng tối ưu dựa trên những tính toán và so sánh lượng năng lượng có thể tiết kiệm được.

Thông qua việc nghiên cứu các dữ liệu thời tiết và góc ánh sáng mặt trời vào các thời điểm khác nhau trong năm ở cùng một địa điểm, các gói phần mềm thông minh này sẽ giúp xác định được tiềm năng về năng lượng tái tạo và chiếu sáng tự nhiên.

Ví dụ: Hồ sơ về khí nhà kính của cơ sở sản xuất sẽ thay đổi thế nào nếu nhà máy đó lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo tại chỗ? Bao nhiêu phần diện tích mái nhà là mảng năng lượng mặt trời mà không làm ảnh hưởng đến diện tích mái nhà cần thiết để áp dụng chiếu sáng tự nhiên?

• Cải tiến xây dựng bao quanh nhà máy: Tường, sàn nhà, mái nhà bao quanh không gian sản xuất thường được phát triển nhằm cải tiến thiết kế xanh. Một trong những cải tiến phổ biến nhất đối với các cơ sở sản xuất là chiếu sáng tự nhiên. Chiếu sáng tự nhiên có thể giảm thiểu lượng điện cần thiết vào ban ngày để dùng cho việc hoạt động sản xuất, điều này giúp tạo điều kiện làm việc thuận lợi hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng ánh sáng tự nhiên làm cho tâm trạng cũng như sức khỏe con người tốt hơn giúp giảm việc nghỉ làm của công nhân. Ánh sáng đầy đủ cũng tăng cường độ an toàn cho công nhân trong sản xuất.

Bằng việc sử dụng các dữ liệu và dự báo về thời tiết, các kiến trúc sư và kĩ sư có thể áp dụng các công cụ phần mềm để đo đạt tính khả thi của việc chiếu sáng tự nhiên và tinh chỉnh bóng mặt trời, kính và các tính năng xây dựng bao quanh khác để tối đa hóa ánh sáng tự nhiên của nội thất bên trong không gian sản xuất. 

• Tiến hành phân tích mức tiêu thụ nguyên liệu: Một nhà máy hoạt động sử dụng rất nhiều nguồn năng lượng. Nhà sản xuất phải tự hỏi liệu họ đã tận dụng tối đa lượng năng lượng đó chưa. Mô hình kĩ thuật số - thậm chí mô hình 2-D CAD – có thể được sử dụng để tiến hành phân tích mức tiêu thụ. Thay đổi trình tự hoặc sơ đồ của dây chuyền sản xuất có thể dẫn đến việc cắt giảm năng lượng để vận chuyển nguyên liệu và các bộ phận từ nơi này sang nơi khác.

• Tối ưu hóa hệ thống HVAC (nhiệt, thông gió và điều hòa không khí): Tại nhiều công ty, hệ thống HAVC vẫn phải hoạt động nhiều hơn mức cần thiết để điều hòa không khí. Việc cải tiến xây dựng bao quanh tòa nhà như là lắp đặt thêm các cửa sổ màu hoặc cửa sổ cách nhiệt có thể giúp kiểm soát được nhiệt độ bên trong tòa nhà và giảm cường độ hoạt động của hệ thống HVAC. Sử dụng các công cụ phần mềm như mô hình năng lượng sẽ hỗ trợ các nhà xây dựng có cơ sở xác định bao nhiêu năng lượng là cần thiết để làm nóng hay làm mát một tòa nhà, qua đó xác định tính khả thi nằm ở đâu.

• Tạo vòng phản hồi nhằm cải tiến liên tục: Các nhà thiết kế sản phẩm thường thiếu tầm nhìn về những tác động môi trường khi đưa ra quyết định thiết kế. Nâng cao nhận thức của đội ngũ thiết kế sản phẩm về quá trình tiêu thụ năng lượng hoặc nước hoặc giảm thiểu lãng phí nguyên liệu là một cách hay để giảm bớt ảnh hưởng tới môi trường của các sản phẩm trong tương lai.

Bằng cách sử dụng các công cụ đo lường mức độ ảnh hưởng của từng loại nguyên liệu sử dụng trong sản xuất, nhà sản xuất có thể đảm bảo rằng khối lượng, chi phí vận chuyển và lượng nước sử dụng là tối thiếu mà không làm ảnh hưởng tới tính năng và độ bền của thành phẩm.

• Tăng hiệu quả hoạt động của máy móc thông qua bảo trì dự đoán: Giống như một con dao dùng lâu sẽ bị cùn, hiệu quả hoạt động của công cụ cắt trong sản xuất sẽ bị suy giảm theo thời gian. Khi đó, các công cụ này sẽ cần nhiều nguồn tài nguyên – như năng lượng hay hóa chất công nghiệp – những thứ có thể gây độc hại tới môi trường để có thể hoàn thành nhiệm vụ. Sự suy giảm hiệu quả hoạt động của máy móc có thể được tối thiểu hóa thông qua bảo trì dự đoán.

Nhờ có các phần mềm cảm ứng và phân tích, lập biểu đồ và xu hướng hoạt động thông thường của từng loại máy móc so với mức độ nguyên liệu thực sự đưa vào sản xuất và chủ động thay mới các dụng cụ cắt thường xuyên có thể giữ cho máy móc luôn trong tình trạng hoạt động tốt. Do thời gian nhàn rỗi đã được lên lịch trước cũng như giảm đến mức tối thiểu, cơ sở sản xuất sẽ đạt được hiệu quả về mặt năng lượng.

Đây chỉ là một vài cách mà các nhà máy có thể làm xanh hóa hoạt động vận hành có sự hỗ trợ của các phần mềm bền vững. Trên thực tế, rất ít trong số những sự cải tiến nêu trên là khả thi nếu không sử dụng các công cụ phần mềm có thể phân tích quá trình sản xuất cũng như tính hiệu quả trong sản xuất.

Hành động để xây dựng sản xuất xanh: Một số công ty đã ứng dụng công nghệ thiết kế nhà máy 3-D để có thể áp dụng một số các biện pháp nêu trên. Ví dụ:

• Một nhà sản xuất ô tô đang cân nhắc liệu có nên lắp đặt hệ thống thắp sáng ban ngày hay sử dụng mảng năng lượng mặt trời trên mái nhà. Phần mềm bền vững mà công ty này sử dụng đã chỉ ra rằng lắp đặt thêm một hệ thống năng lượng mặt trời sẽ có lợi cả về mặt tài chính cũng như môi trường. Vì thế, nhà sản xuất đã quyết định lắp đặt cửa sổ trên mái nhà cũng như lắp đặt mảng năng lượng mặt trời để che chắn cho xe của nhân viên đồng thời sản xuất ra điện. Đây là tình huống đôi bên cùng có lợi bởi mảng năng lượng mặt trời sản xuất ra điện cho nhà máy và gia tăng sự hài lòng của nhân viên khi họ có thể trở về nhà trong những chiếc xe mát mẻ sau khi kết thúc ca làm việc của mình.

• Một nhà sản xuất sản phẩm xây dựng đã sử dụng một bảng tin đơn giản trên sàn nhà của cửa hàng để tạo vòng phản hồi giữa các công nhân nhà máy và đội ngũ thiết kế. Các công nhân sẽ đóng góp ý kiến, ý tưởng về việc sản xuất dây chuyền các sản phẩm với ít công cụ và ít bước hơn.

• Một nhà sản xuất bao bì đã đo lường và xác định xu hướng hoạt động của tất cả các máy móc công nghiệp trong nhà máy. Nhờ đó, họ có thể xác định được máy nào có thời gian nhàn rỗi nhiều hơn các máy khác, và lên lịch trình bảo trì dự đoán một cách hợp lý. 

Những bước đơn giản nhưng mang lại kết quả đáng kể 

Rõ ràng, xanh hóa một nhà máy không phải là một trở ngại không thể vượt qua hay một nhiệm vụ quá nặng nề. Ngược lại, chỉ một bước nhỏ và đơn giản như tạo ra vòng tròn phản hồi trong đội ngũ thiết kế cũng đã có thể mang lại hiệu quả hoạt động đáng kể.  

Với các công cụ phần mềm hiện nay, các nhà sản xuất có thể đạt được mọi thứ từ phân tích lượng nguyên liệu đưa vào sản xuất cho đến cải tiến xây dựng bao quanh nhà máy mà không cần nỗ lực quá nhiều. 

Sarah Krasley