CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Hành trình của chiếc máy lạnh đầu tiên Cuối thế kỷ 19, người ta sử dụng hệ thống làm lạnh từ các đường ống dẫn không khí ẩm đivòng quanh một toà nhà.. Hệ thống điều hoà không khí đầu tiê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

MỤC LỤC

I Lịch sử ra đời ?

Máy điều hoà hiện nay đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới Đặc biệt ở ViệtNam, do là một nước nhiệt đới nên nhu cầu sử dụng máy điều hoà không khí rất cao Hiệnnay các thương hiệu máy điều hoà nổi tiếng đã có mặt trên thị trường Việt Nam và càngngày có nhiều công nghệ cải tiến để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng

Để có được công nghệ như ngày nay, máy điều hoà trải qua nhiều gia đoạn hình thành và

phát triển

1. Những mô hình làm mát đầu tiên

Người Ai Cập cổ đại đã biết chế tạo ra mô hình làm mát để phục vụ cho chính mình Mô hìnhđơn giản nhất được người Ai Cập chế tạo ra đó là treo lau sậy trên những cửa sổ rồi phunnước lên Mục đích của mô hình này là khi gió thổi vào sẽ đi qua mô hình và mang theo hơinước vào phòng, giữ ẩm và làm mát cho không khí bên trong Biện pháp này giúp người AiCập cổ giảm bớt đi cái nóng từ sa mạc nơi họ sinh sống

Mô hình làm mát của người Ai Cập trên các hình vẽ trên tường

Một cách làm mát khác của người La Mã cổ đại chính là họ bao quanh tường nhà hệ thốngống nước, khi nước lưu thông sẽ làm mát ngôi nhà Làm mát bằng nước cũng được người Ba

Tư thời trung cổ áp dụng Hệ thống của họ bao gồm tháp gió và các bể chứa nhiều nước giúplàm mát không khí trong nhà

Mô hình làm mát của người Ba Tư

Tháp gió làm mát biểu diễn qua sơ đồ

2. Những nhà khoa học là “cha đẻ” của máy điều hoà không khí

Thế kỷ 17, nhà phát minh Cornelis Drebble đã nghĩ ra cách làm mát không khí bằng cách chothêm muối vào nước Hệ thống “biến mùa hè thành mùa đông” của ông đã được giới thiệucho nhà vua nước Anh lúc bấy giờ

Nhà phát minh Cornelis Drebble (1572-1633)

Năm 1758, nhà phát minh John Hadley đã nghiên cứu và phát hiện ra mối liên hệ giữa sựbay hơi của chất lỏng và quá trình làm lạnh không khí

Nhà phát minh John Hadley (1731-1764)

Năm 1820, nhà hoá học người Anh Michael Faraday đã thành công khi cho nén và hoá lỏngkhí amoniac Ông nghiên cứu được rằng khi bay hơi, khí amoniac có khả năng làm lạnhkhông khí xung quanh Đó là cơ sở đầu tiên để năm 1842 bác sĩ người Scotland John Gorrie(1803-1855) tạo nên cỗ máy tạo băng làm mát cho cả một toà nhà lớn

Nhà hóa học, vật lý và phát minh người Anh, Michael Faraday (1791-1867)

Bác sĩ người Scotland John Gorrie (1803-1855)

Tuy nhiên sau đó mô hình tạo băng của bác sĩ John Gorrie không được ủng hộ

Năm 1851, kỹ sư James Harrison chế tạo thành công cỗ máy làm nước đá đầu tiên

Năm 1854 cỗ máy này chính thức được thương mại hoá Năm 1855, ông được trao bằngsáng chế hệ thống tủ lạnh nén khí ete

Kỹ sư James Harrison - người đầu tiên chế tạo thành công cỗ máy tạo băng

Cỗ máy tạo băng của Harrison

3. Hành trình của chiếc máy lạnh đầu tiên

Cuối thế kỷ 19, người ta sử dụng hệ thống làm lạnh từ các đường ống dẫn không khí ẩm đivòng quanh một toà nhà Hệ thống này giúp bảo quản một số thực phẩm, làm mát bia vàmột số thức uống

Ngày 17 tháng 7 năm 1902, Willis Carrier sáng tạo ra chiếc máy điều hoà không khí đầu tiênchạy bằng điện

Nhà phát minh Willis Carrier (1875-1950)

Hệ thống điều hoà không khí của Willis Carrier được dùng trong một nhà máy in Hệ thốngnày giúp kiểm soát nhiệt độ và còn giữ độ ẩm trong nhà máy Nguyên lý giữ ẩm cho khôngkhí của Carrier áp dụng khá đơn giản, thay vì đẩy không khí qua ống nung nóng, dòng khôngkhí di chuyển qua ống được làm lạnh bằng amoniac hoá lỏng

Hệ thống điều hoà không khí đầu tiên của Willis Carrier

Năm 1906, kỹ sư Stuart Cramer nghĩ ra ý tưởng chế tạo thiết bị thông gió lắp vào nồi chứanước cất của hệ thống dệt để tạo ra độ ẩm Quá trình này được đặt tên là “điều hoà khôngkhí”

Kỹ sư Carrier đứng ở hàng giữa, thứ 3 từ phải qua

4. Máy điều hoà được phổ biến như thế nào?

Năm 1911, Carrier giới thiệu “công thức làm lạnh với tỷ lệ độ ẩm hợp lý” cho hội kỹ sư cơ khícủa Hoa Kỳ Phương pháp làm lạnh này được áp dụng cho tới ngày nay

Năm 1914, hộ gia đình đầu tiên tại Minneapolis đã lắp đặt hệ thống điều hoà của Carrier chếtạo

Carrier và hệ thống điều hoà trên nóc toà nhà

Từ năm 1917 đến năm 1930, người dân có thể tận hưởng không khí mát từ máy điều hoà ởcác rạp chiếu phim Năm 1922, Carrier thay chế chất sinh hàn độc hại amoniac bằng mộthợp chất an toàn hơn đó làdielene Các thế hệ máy điều hoà tiếp theo đã được giảm thiểutối đa kích thước, nhỏ gọn hơn và được lắp đặt tại nhiều nơi như cửa hàng bách hoá, cáccon tàu…

Koan Maru là chiếc tàu thủy đầu tiên được trang bị hệ thống điều hòa không khí

Cửa hàng bách hoá được trang bị máy điều hoà

Từ năm 1924 đến năm 1930, máy điều hoà được phổ biến ở nhiều cơ sở làm việc của chínhphủ Mỹ

Năm 1928, kỹ sư người Mỹ Thomas Midgley lần đầu tiên sản xuất thành công khí Freon làmchất sinh hàn trong công nghệ làm lạnh được sử dụng rộng rãi cho các thế hệ máy lạnh đếnnăm 1994

Kỹ sư người Mỹ Thomas Midgley (1889-1944)

Năm 1931, Schultz và Sherman chế tạo thành công máy điều hoà có kích thước nhỏ gọn đặttrên bệ cửa sổ và làm mát một căn phòng

5. Máy lạnh ngày nay ngày càng được cải tiến và thân thiện với môi trường

Năm 1946, 30.000 máy điều hoà gia dụng được sản xuất và cung cấp cho người dân trênkhắp nước Mỹ Năm 1953, hơn 1 triệu máy điều hoà đã được sản xuất và bán ra

Máy lạnh được lắp đặt bên ngoài giảng đường Đại học California

Năm 1957,kỹ sư người Đức Heinrich Krigar chế tạo thành công máy nén khí ly tâm đầu tiêntrên thế giới Với kỹ thuật này, máy điều hoà được sản xuất với kích thước nhỏ, trọng lượngnhẹ, vận hành êm và đạt hiệu suất cao hơn

Thời gian sau này, máy điều hoà được sản xuất với nhiều công nghệ mới, vượt trội và ngàycàng thân thiện với môi trường.

Máy lạnh ngày nay sử dụng công nghệ Inverter tiết kiệm năng lượng

Hiện nay, hầu hết máy lạnh đều sử dụng công nghệ Inverter Công nghệ này sử dụng máynén biến tần để đạt được nhiệt độ mong muốn với tần số biên độ nhiệt tối thiểu giúp tiếtkiệm năng lượng tiêu thụ Đây là dòng máy lạnh được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vàđược dự đoán sẽ tiếp tục phát triển và phổ biến trong tương lai

II Khái niệm và Phân loại ?

1. Khái niệm:

Điều hòa không khí hay điều hòa nhiệt độ là duy trì không khí trong phòng ổn định về nhiệt

độ, độ ẩm, độ sạch, và thay đổi thành phần không khí và áp suất không khí

Điều hòa không khí cưỡng bức thông qua thiết bị làm lạnh hoặc làm nóng, quạt gió, phun

ẩm, hút ẩm làm khô, tạo khí ôxi, ion âm,

Thường thiết bị điều hòa không khí chủ yếu phục vụ cho con người là chính, nhưng ngày naythiết bị được sử dụng rộng rãi hơn như cho động vật, thực vật, máy móc, trang thiết bị y tế,thuốc men dược phẩm,

Hệ thống làm lạnh không khí gồm có một máy nén khí bơm gas áp suất cao đến dàn nóng(outdoor), tại đây khí gas sẽ tỏa nhiệt với môi trường ngoài nhờ quạt gió (gia dụng) hay nước(công nghiệp), hoặc bình ngưng

Sự giảm nhiệt này làm khí hóa lỏng và chảy về van tiết lưu (van này có tác dụng tạo chênhlệch áp suất cần thiết cho hệ thống)phun vào dàn lạnh (indoor) tại đây, dưới áp suất thấpgas lỏng sẽ bay hơi và thu nhiệt môi trường cần làm lạnh sau đó được máy nén hút về đểbơm tiếp một chu trình mới

Hệ thống điều hoà kiểu là hệ thống điều hoà mà thiết bị xử lý nhiệt ẩm là thiết bị trao đổinhiệt kiểu bề mặt Trong thiết bị điều hoà, không khí chuyển động ngang qua bên ngoài thiết

bị trao đổi nhiệt và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm Bề mặt bên ngoài có thể có cánhhoặc không có Bề mặt có cánh thường hay được sử dụng để nâng cao hiệu quả trao đổinhiệt ẩm Bên trong bề mặt là môi chất chuyển động, môi chất có thể là môi chất lạnh, nướclạnh hoặc glycol

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm được thực hiện nhờ truyền nhiệt qua vách ngăn cách Nhờ quátrình trao đổi nhiệt với môi chất lạnh mà nhiệt độ không khí giảm xuống, đến nhiệt độ yêucầu, trước khi được thổi vào phòng

Đồng thời với quá trình trao đổi nhiệt, cũng xảy ra quá trình trao đổi chất khi không khí điqua thiết bị, quá trình này chính là quá trình làm thay đổi dung ẩm không khí Khi nhiệt độ

bề mặt trao đổi nhiệt thấp hơn nhiệt độ đọng sương của không khí đi qua, một lượng hơinước trong không khí sẽ ngưng tụ lại trên bề mặt của thiết bị Do đó qua quá trình xử lý,dung ẩm của không khi giảm Khi nhiệt độ bề mặt cao hơn nhiệt độ đọng sương, dung ẩmcủa không khí không đổi

Như vậy quá trình trao đổi nhiệt ẩm không khí ở thiết bị điều hoà kiểu khô chỉ có thể làmgiảm dung ẩm hoặc không đổi Muốn làm tăng ẩm phải có thiết bị phun ẩm bổ sung

• Hệ thống điều hòa không khí cấp I

Là hệ thống điều hoà có khả năng duy trì các thông số vi khí hậu trong nhà với mọi phạm vithông số ngoài trời, ngay tại cả ở những thời điểm khắc nghiệt nhất trong năm về mùa Hèlẫn mùa Đông

• Hệ thống điều hòa không khí cấp II

Là hệ thống điều hoà có khả năng duy trì các thông số vi khí hậu trong nhà với sai số khôngqúa 200 giờ trong 1 năm, tức tương đương khoảng 8 ngày trong 1 năm Điều đó có nghĩatrong 1 năm ở những ngày khắc nghiệt nhất về mùa Hè và mùa Đông hệ thống có thể có sai

số nhất định, nhưng số lượng những ngày đó cũng chỉ xấp xỉ 4 ngày trong một mùa

• Hệ thống điều hòa không khí cấp III

Hệ thống điều hoà có khả năng duy trì các thông số tính toán trong nhà với sai

số không qúa 400 giờ trong 1 năm, tương đương 17 ngày.

Khái niệm về mức độ quan trọng mang tính tương đối và không rõ ràng Chọn

mức độ quan trọng là theo yêu cầu của khách hàng và thực tế cụ thể của công

trình Tuy nhiên hầu hết các hệ thống điều hoà trên thực tế được chọn là hệ thống điều hoà cấp III.

Việc chọn cấp của các hệ thống điều hoà không khí có ảnh hưởng đến việc chọn các thông số tính toán bên ngoài trời trong phần dưới đây.

B Theo phương pháp xử lý nhiệt ẩm :

+ Hệ thống điều hoà kiểu khô

Không khí được xử lý nhiệt ẩm nhờ các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt Đặc điểm của việc

xử lý không khí qua các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt là không có khả năng làm tăngdung ẩm của không khí Quá trình xử lý không khí qua các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặttuỳ thuộc vào nhiệt độ bề mặt mà dung ẩm không đổi hoặc giảm Khi nhiệt độ bề mặt thiết

bị nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương ts của không khí đi qua thì hơi ẩm trong nó sẽ ngưng tụ lạitrên bề mặt của thiết bị, kết quả dung ẩm giảm Trên thực tế, quá trình xử lý luôn luôn làmgiảm dung ẩm của không khí

+ Hệ thống điều hoà không khí kiểu ướt

Không khí được xử lý qua các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hổn hợp Trong thiết bị này khôngkhí sẽ hổn hợp với nước phun đã qua xử lý để trao đổi nhiệt ẩm Kết quả quá trình trao đổinhiệt ẩm có thể làm tăng, giảm hoặc duy trì không đổi dung ẩm của không khí

C Theo đặc điểm khâu xử lý nhiệt ẩm :

• Hệ thống điều hoà cục bộ

Là hệ thống nhỏ chỉ điều hòa không khí trong một không gian hẹp, thường là một phòng.Kiểu điều hoà cục bộ trên thực tế chủ yếu sử dụng các máy điều hoà dạng cửa sổ , máy điềuhoà kiểu rời (2 mãnh) và máy điều hoà ghép

• Hệ thống điều hoà phân tán

Hệ thống điều hòa không khí mà khâu xử lý nhiệt ẩm phân tán nhiều nơi Có thể ví dụ hệthống điều hoà không khí kiểu khuyếch tán trên thực tế như hệ thống điều hoà kiểu VRV

(Variable Refrigerant Volume ) , kiểu làm lạnh bằng nước (Water chiller) hoặc kết hợp nhiềukiểu máy khác nhau trong 1 công trình.

• Hệ thống điều hoà trung tâm

Hệ thống điều hoà trung tâm là hệ thống mà khâu xử lý không khí thực hiện tại một trungtâm sau đó được dẫn theo hệ thống kênh dẫn gió đến các hộ tiêu thụ Hệ thống điều hoàtrung tâm trên thực tế là máy điều hoà dạng tủ, ở đó không khí được xử lý nhiệt ẩm tại tủmáy điều hoà rồi được dẫn theo hệ thống kênh dẫn đến các phòng

D. Theo đặc điểm môi chất giải nhiệt

• Giải nhiệt bằng gió (air cooled)

Tất cả các máy điều hoà công suất nhỏ đều giải nhiệt bằng không khí, các máy điều hoà côngsuất trung bình có thể giải nhiệt bằng gió hoặc nước, hầu hết các máy công suất lớn đều giảinhiệt bằng nước

• Giải nhiệt bằng nước (water cooled)

Để nâng cao hiệu quả giải nhiệt các máy công suất lớn sử dụng nước để giải nhiệt cho thiết

bị ngưng tụ Đối với các hệ thống này đòi hỏi trang bị đi kèm là hệ thống bơm, tháp giảinhiệt và đường ống dẫn nước

E. Theo khả năng xử lý nhiệt

• Máy điều hoà 1 chiều lạnh (cooled only air conditioner)

Máy chỉ có khả năng làm lạnh về mùa Hè về mua đông không có khả năng sưởi ấm

• Máy điều hoà 2 chiều nóng lạnh (Heat pump air conditioner)

Máy có hệ thống van đảo chiều cho phép hoán đổi chức năng của các dàn nóng và lạnh về các mùa khác nhau Mùa Hè bên trong nhà là dàn lạnh, bên ngoài là dàn nóng về mùa đông

sẽ hoán đổi ngược lại

F. Theo đặc điểm của máy nén lạnh

Người ta chia ra các loại máy điều hoà có máy nén piston (reciprocating compressor), trục vít(screw compressor), kiểu xoắn, ly tâm (Scroll compressor)

G. Theo đặc điểm, kết cấu và chức năng của các máy điều hoà

Theo đặc điểm này có rất nhiều cách phân loại khác nhau

Chọn thông số tính toán bên ngoài trời

Thông số ngoài trời được sử dụng để tính toán tải nhiệt được căn cứ vào tầm quan trọngcủa công trình, tức là tùy thuộc vào cấp của hệ thống điều hòa không khí và lấy theo TCVN

5687 - 1992 như bảng 2-11 dưới đây:

1. HỆ THỐNG KIỂU CỤC BỘ.

Hệ thống điều hòa không khí kiểu cục bộ là hệ thống chỉ điều hòa không khí trong một phạm

vi hẹp, thường chỉ là một phòng riêng độc lập hoặc một vài phòng nhỏ

Trên thực tế loại máy điều hòa kiểu này gồm 4 loại phổ biến sau:

Máy điều hòa dạng cửa sổ (Window type);

Máy điều hòa kiểu rời (split type);

Máy điều hòa kiểu ghép (multi-split type);

Máy điều hoà rời dạng tủ thổi trực tiếp

Đặc điểm chung của tất cả các máy điều hoà cục bộ là công suất nhỏ và luôn có dàn nóngđược giải nhiệt bằng gió (air cooled), rất thích hợp cho các đối tượng có công suất nhiệt yêucầu nhỏ

Máy điều hòa không khí dạng của sổ

Máy điều hòa dạng cửa sổ thường được lắp đặt trên các tường trông giống như các cửa sổnên được gọi là máy điều hòa không khí dạng cửa sổ

Máy điều hoà dạng cửa sổ là máy điều hoà có công suất nhỏ nằm trong khoảng 7.000 ÷

24.000 Btu/h với các model chủ yếu sau 7.000, 9.000, 12.000, 18.000 và 24.000 Btu/h Tuỳtheo hãng máy mà số model có thể nhiều hay ít Tất cả các công suất nêu trên là công suấtdanh định, công suất thật của máy sẽ sai khác chút ít tuỳ theo chế độ làm việc và từng hãngmáy khác nhau

• Về cấu tạo :

Về cấu tạo máy điều hoà dạng cửa sổ là một tổ máy lạnh được lắp đặt hoàn chỉnh thành mộtkhối chữ nhật tại nhà máy sản xuất, trên đó có đầy đủ dàn nóng, dàn lạnh, máy nén lạnh, hệthống đường ống ga, hệ thống điện và ga đã được nạp sẵn Người lắp đặt chỉ việc đấu nốiđiện là máy có thể hoạt động và sinh lạnh

Trên hình 6.2 là cấu tạo bên trong của một máy điều hoà dạng cửa sổ Bình thường, dàn lạnhđặt phía bên trong phòng, dàn nóng nằm phía ngoài Quạt dàn nóng và dàn lạnh đồng trục

và chung mô tơ Quạt dàn lạnh thường là quạt dạng ly tâm kiểu lồng sóc cho phép tạo lưulượng và áp lực gió lớn để có thể thổi gió đi xa Riêng quạt dàn nóng là kiểu hướng trục vì chỉcần lưu lượng lớn để giải nhiệt cho nó

Ở giữa cụm máy có vách ngăn nhằm ngăn cách khoang lạnh và khoang nóng

Gió trong phòng được lấy vào cửa hút nằm mặt trước cụm máy và được đưa vào dàn lạnhthực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm, sau đó được thổi ra cửa thổi gió nằm ở phía trên hoặcbên cạnh Cửa thổi gió có các cánh hướng gió có thể chuyển động qua lại nhằm hướng giótới các vị trí bất kỳ trong phòng

Không khí giải nhiệt dàn nóng được lấy ở 2 bên hông của vỏ máy Khi quạt hoạt động giótuần hoàn vào bên trong và được thổi qua dàn nóng đi ra ngoài Khi lắp đặt máy điều hoàcửa sổ cần lưu ý tránh che lấp cửa lấy gió này