8 3 chương 3 lựa chọn phương án thiết kế

Hệ thống điều hòa không khí có nhiệm vụ điều khiển và kiểm soát các thông số để đảm bảo cho không gian điều hòa đáp ứng được nhu cầu đã thiết kế bao gồm việc đảm bảo: nhiệt độ, độ ẩm, độ

CHƯƠNG

3

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT

3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

3.1.1 Tìm hiểu về hệ thống lạnh dùng cho các công trình lớn

Hệ thống điều hòa không khí có nhiệm vụ điều khiển và kiểm soát các thông số để đảm bảo cho không gian điều hòa đáp ứng được nhu cầu đã thiết kế bao gồm việc đảm bảo: nhiệt

độ, độ ẩm, độ sạch, áp suất, độ nhiễm chéo (đối với nhà máy dược)… Để đáp ứng cho mỗi nhu cầu của không gian điều hòa, lại phải dùng nhiều các thiết bị khác nhau như muốn khống chế độ ẩm khi việc làm lạnh tách ẩm không đáp ứng được, ta phải dùng thêm các thiết bị khác như bánh xe hút ẩm, chất hút ẩm…Lại có những công trình điều hòa cần thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn năng lượng, do đó lại phát sinh thêm vấn đề là làm sao tiết kiệm năng lượng cho hệ thống, chẳng hạn như việc dùng bánh xe hồi nhiệt, bình trao đổi nhiệt, bình trữ lạnh, sử dụng năng lượng mặt trời làm nóng nước thay vì dùng điện trở…Sự đa dạng của hệ thống điều hòa không chỉ thể hiện ở số lượng thiết bị mà còn là sự kết hợp các thiết bị đó để đáp ứng được yêu cầu thiết kế Do đó, việc lựa chọn hệ thống thích hợp cho công trình là một công việc rất cần được cân nhắc và phải được thực hiện bởi những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế hệ thống điều hòa không khí

Tuy nhiên, để đơn giản hóa vấn đề, chúng ta có thể phân loại và chọn ra hệ thống phù hợp dựa vào một số đặc điểm cơ bản sau đây:

3.1.1.1 Hệ thống điều hòa trung tâm nước

Hệ thống điều hòa trung tâm nước làm lạnh nước xuống nhiệt độ từ 5 đến 7 độ C Nước lạnh sẽ được hệ thống bơm phân phối đến các dàn trao đổi nhiệt AHU và FCU Không khí được quạt hút thổi qua các dàn lạnh này, trao đổi nhiệt với nước và giảm nhiệt độ, sau đó được đưa vào không gian điều hòa

Hệ thống điều hòa trung tâm nước có hai dạng chủ yếu là hệ thống giải nhiệt bằng nước (Water cooled chiller) và hệ thống giải nhiệt bằng gió (Air cooled chiller) Đối với các công trình có phụ tải nhiệt lớn, nên ưu tiên phương án giải nhiệt bằng nước để đảm bảo hệ thống đáp ứng được phụ tải của công trình

Hình 3.1 Chiller giải nhiệt gió (Air Cooled Chiller)

Hình 3.2 Chiller giải nhiệt nước (Water cooled Chiller)

Hình 3.3 Sơ đồ thiết bị của một Chiller giải nhiệt nước

Một hệ thống điều hòa không khí trung tâm nước bao gồm:

- Thiết bị làm lạnh nước ( Water Cooled Chiller) để dẫn đến các thiết bị trao đổi nhiệt

- Các dàn trao đổi nhiệt (AHU, FCU, ) có nhiệm vụ làm làm lạnh (hay sưởi ấm nếu có) dòng không khí để đưa vào không gian cần điều hòa

- Tháp giải nhiệt có nhiệm vụ làm mát dòng nước giải nhiệt cho bình ngưng của Chiller Đối với hệ thống điều hòa trung tâm nước giải nhiệt gió thì không cần tháp giải nhiệt

- Hệ thống ống nước bao gồm:

+ Ống cấp nước lạnh từ bình bay hơi của Chiller đến dàn trao đổi nhiệt (CWHS / F - Chilled Water Supply/ Flow)

+ Ống cấp nước lạnh từ dàn trao đổi nhiệt trở về bình bay hơi của Chiller (CWHR - Chilled Water Return)

+ Ống nước giải nhiệt từ tháp giải nhiệt vào bình ngưng của Chiller (CWS / F – Cooling Water Supply/ Flow)

+ Ống nước giải nhiệt từ bình ngưng của Chiller đi vào tháp giải nhiệt (CWR – Cooling Water Return)

- Hệ thống bơm nước gồm bơm nước lạnh (nóng nếu có), bơm nước giải nhiệt

- Hệ thống van cho đường ống nước

- Hệ thống ống gió bao gồm:

+ Hệ thống ống gió tươi từ bên ngoài đi qua dàn trao đổi nhiệt vào trong phòng (Outside Air Duct)

+ Hệ thống ống gió lạnh thổi vào trong phòng (Supply Air Duct)

+ Hệ thống ống gió hồi từ phòng trở về hòa trộn với gió tươi (Return Air Duct)

+ Hệ thống ống gió thải tử phòng ra bên ngoài (Exhaust Air Duct)

- Hệ thống điều khiển thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2… (BMS – Building Management System)

- Hệ thống điều chỉnh lưu lượng gió cấp, gió hồi: VAV – Variable Air Volume (chỉ dùng cho hệ thống sử dụng AHU), van chỉnh gió OBD (Opposite Blade Damper), VCD-Variable Control Damper, CAV – Control Air Volume…

- Hệ thống phân phối gió là những miệng thổi để cấp gió vào phòng cũng như hồi và thải gió ra ngoài

- Hệ thống lọc và khử trùng không khí

- Hệ thống giảm âm và tiêu âm

- Bình giãn nở (cần khi hệ thống kín) để chống vỡ đường ống khi nhiệt độ nước trong ống thay đổi

Các công trình sử dụng hệ trung tâm nước để điều hòa không khí thường phải có tầng kỹ thuật đặt dưới tầng hầm hoặc ở 1 tầng giữa của công trình để đặt các thiết bị bơm, chiller Tầng thượng thường là nơi đặt hệ thống tháp giải nhiệt

Bình bay hơi của Chiller là nơi môi chất lạnh nhận nhiệt từ nước bay bay hơi, còn nước sau khi qua bình bay hơi Chiller được làm lạnh xuống nhiệt độ khoảng 5÷7 0C sau đó được bơm nước lạnh đưa đến các dàn trao đổi nhiệt Tại đây, không khí được quạt hút qua dàn ống

có cánh, nhả nhiệt cho nước lạnh và giảm nhiệt độ, sau đó được cấp vào phòng thông qua hệ thống ống gió và miệng gió Nước lạnh sau khi trao đổi nhiệt với không khí sẽ tăng nhiệt độ lên đến 10÷12 0C và được bơm nước đưa về bình bay hơi để làm lạnh xuống trở lại 5÷7 0

C Vòng tuần hoàn cứ tiếp tục một cách khép kín như vậy

- Ưu điểm của hệ thống điều hòa trung tâm nước:

+ Do dùng nước làm chất tải lạnh nên hệ thống rất an toàn, trường hợp vỡ đường ống nước cũng không gây nguy hiểm cho con người

+ Khả năng đáp ứng tải cao giúp cho hệ trung tâm nước thích hợp với những công trình lớn và rất lớn

+ Vòng tuần hoàn môi chất lạnh đơn giản

+ Thích hợp cho các công trình cần khống chế độ ẩm, độ sạch do hệ thống có thể kết hợp với các thiết bị lọc, hồi nhiệt, thiết bị tách ẩm… và các công trình yêu cầu độ ồn thấp như phòng studio, phòng thu…do gió lạnh cấp vào phòng chỉ qua miệng gió, còn hệ thống dàn trao đổi nhiệt thì đặt ở xa phòng (trường hợp hệ thống không dùng dàn lạnh FCU)

+ Tuổi thọ Chiller cao do máy nén hoạt động ở tốc độ vòng quay thấp Một Chiller trung bình có thời gian sử dụng lên đến 20 năm

- Nhược điểm của hệ thống điều hòa trung tâm nước:

+ Việc lắp đặt khó khăn, cần nhiều nhân lực

+ Khi cần tính tiền riêng biệt ở các khu vực khác nhau, cần lắp thêm các thiết bị đo lưu lượng nước (Flow meter) để xác định mức độ sử dụng điều hòa, hoặc có thể khoán tiền theo mét vuông sàn tuy nhiên điều này thực tế lại không thể chính xác được

+ Đối với vùng khí hậu có độ ẩm cao, khả năng bay hơi của nước kém hơn nên hiệu suất của tháp giải nhiệt giảm đi đáng kể Hoặc những vùng thiếu nước hoặc những nơi không có nguồn nước sạch sẽ thì việc dùng tháp giải nhiệt sẽ gây tốn kém chi phí sử dụng nước hoặc làm tắt nghẽn đường ống do nước không đảm bảo vệ sinh

+ Nước đi trong hệ thống cần được châm hóa chất chống ăn mòn để bảo vệ đường ống Đối với các hệ thống cần làm lạnh nước dưới 0 0

C thì phải thêm Glycol để giảm nhiệt độ đóng băng của chất tải lạnh, tránh gây tắc vỡ đường ống nước, trong khi Glycol có giá thành không

hề rẻ và việc châm thêm Glycol sẽ làm giảm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của chất tải lạnh

3.1.1.2 Hệ thống điều hòa không khí VRV

Hệ thống điều hòa VRV là một công nghệ độc đáo của hãng điều hòa không khí Nhật Bản Daikin (những sản phẩm tương tự của các hãng khác được gọi là VRF – Variable Refrigerant Flow) Về tổng quan, hệ thống sử dụng một dàn nóng kết nối với nhiều dàn lạnh thông qua hệ thống ống dẫn môi chất lạnh HFC Về cơ bản thì nguyên lý hoạt động của hệ thống VRV không khác gì so với máy lạnh 2 cục thông thường, tuy nhiên điểm đặc biệt của hệ thống chính là khả năng kết nối nhiều dàn lạnh vào 1 dàn nóng và khả năng sử dụng số lượng lớn dàn nóng Đồng thời với đó là việc chiều dài ống gas lớn giúp cho hệ thống đáp ứng được nhu cầu đối với các công trình cao tầng

- Ưu điểm của hệ thống VRV:

+ Dải công suất rộng Tính đến thời điểm năm 2016, hệ thống VRV của Daikin đã phát triển đến thế hệ VRV IV Với VRV IV, số dàn nóng có dải công suất rất rộng, từ 6, 8, 10,…,60 HP (28 loại với bước công suất 2HP) Số dàn lạnh cũng rất đa dạng với 15 loại dàn

lạnh khác nhau, mỗi loại lại có một mức công suất khác nhau Điều này giúp cho khách hàng

có cơ hội lựa chọn thiết bị phù hợp nhất với đặc điểm không gian của mình

Hình 3.4 Sồ hệ thống điều hòa không khí VRV

+ Hệ thống VRV hiện nay được cải tiến liên tục, cho khả năng làm việc ngày càng hiệu quả Các hệ thống VRV IV , IV-S có hệ số COP khá cao, khoảng 4,41 với dàn nóng 6HP + Tiết kiệm không gian lắp đặt vì hệ thống VRV chỉ cần khu vực sân thượng để đặt các dàn nóng Ngoài ra các dàn nóng này hoạt động khá êm, nên không ảnh hưởng đến không gian và môi trường xung quanh

+ Thời gian thi công nhanh, lắp đặt đơn giản

+ Đường ống gas có kích thước nhỏ nên không choáng nhiều diện tích lắp đặt, hệ thống ống đi tuy phức tạp nhưng lại đơn giản cho các hệ khác như Phòng cháy chữa cháy, hệ điện nặng, điện nhẹ…

+ Khả năng tính tiền điện riêng biệt Do mỗi phòng được bố trí riêng từng dàn lạnh nên việc tính tiền điện cũng dựa trên số công tơ mét của từng phòng

+ Khả năng điều khiển, tự động hóa của hệ thống VRV rất đa dạng như: điều khiển trung tâm, điều khiển cục bộ trong phòng, hệ thống điều khiển có dây, không dây, bộ điều khiển tắt

mở đồng loạt hay hẹn giờ…

+ Hệ thống có chức năng sưởi ấm vào mùa đông nhờ vào việc xoay van ba ngã được điều khiển từ hệ thống tự động

+ Hệ VRV cũng có sử dụng thiết bị xử lý không khí như AHU, PAU

- Nhược điểm của hệ thống VRV

+ Thường dùng cho các công tình và lớn Còn đối với những công trình cực lớn, hệ thống

sẽ không đảm bảo tải được Hệ VRV cũng có giới hạn số dàn lạnh theo hệ thống điều khiển + Công tác bảo trì bảo dưỡng cũng là vấn đề đối với hệ VRV

+ Vì dùng gas lạnh để làm chất tải nhiệt gây ra vấn đề về môi trường mà gây nguy hiểm khi hệ thống bị xì, bể ống

+ Với cùng một năng suất lạnh như nhau, hệ thống VRV có chi phí cao hơn so với hệ thống trung tâm nước

3.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế

Trên những cơ sở phân tích phương thức hoạt động của hai hệ thống điều hòa trung tâm nước và hệ VRV Daikin, cũng như chỉ ra những ưu và nhược điểm của từng hệ thống, đồng thời xem xét những yếu tố khách quan như điều kiện môi trường, chi phí ban đầu, công năng của công trình, tổng tải lạnh, ta sẽ chọn hệ thống trung tâm nước cho công trình Tropicana vì những lý do cụ thể sau:

- Công trình có diện tích điều hòa cực kỳ lớn Phần trung tâm thương mại có tổng diện tích điều hòa là 21 466 m2

, khách sạn với tổng diện tích là 32 172 m2 Như vậy tổng diện tích không gian cần điều hòa là 53 638 m2

- Khu trung tâm thương mại hoạt động liên tục 16/24 giờ, trong khi khu vực khách sạn có phần sảnh hoạt động 24/24, các phòng khách sạn luôn trong trạng thái hoạt động hoặc chờ hoạt động Khu vực khách sạn chỉ cần tính tiền điều hòa tổng cho các phòng nên khi việc sử dụng hệ thống VRV để tính tiền điện cho từng phòng cũng không thực sự cần thiết

- Khí hậu Nha Trang mát mẻ nên vấn đề sử dụng hệ VRV có 2 chiều lạnh sưởi thật sự không cần thiết

Dựa vào những lý do trên, ta thấy việc sử dụng hệ trung tâm nước là một sự lựa chọn hoàn toàn hợp lý Về cơ bản, hệ thống điều hòa trung tâm nước Water Chiller sử dụng cho công trình bao gồm các thành phần như sau:

+ Thiết bị làm lạnh nước Water Chiller giải nhiệt nước

+ Tháp giải nhiệt

+ Bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt

+ Hệ thống van, thiết bị đi kèm để vận hành và điều chỉnh hệ thống

+ Dàn trao đổi nhiệt AHU cho các phòng diện tích lớn

+ Dàn trao đổi nhiệt FCU cho các khu vực diện tích trung bình và nhỏ

+ Bộ xử lý không khí

+ Hệ thống ống gió (gió tươi, gió cấp, gió hồi, gió thải)

+ Hệ thống ống nước lạnh

+ Miệng gió phân phối

+ Gas lạnh

3.1.2.1 Lựa chọn tác nhân lạnh

Đối với hệ Chiller hiện nay, đa phần sử dụng các môi chất lạnh như: R410A, R134A Nhìn chung, tác nhân lạnh phải đáp ứng được các yêu cầu về mặt nhiệt động, hóa lý, tính an toàn đối với môi trường, con người và hiệu quả kinh tế

- Tác nhân lạnh R410A:

+ Là loại tác nhân lạnh thuộc nhóm HFC

+ Không gây cháy nổ

+ Không ăn mòn vật liệu chế tạo máy

+ Có tính chất nhiệt động tốt

+ Hòa tan tốt trong dầu bôi trơn

+ Ít gây ảnh hưởng tới môi trường hơn các tác nhân lạnh khác

+ Giá thành cao

- Tác nhân lạnh R134A

+ Là loại tác nhân lạnh thuộc nhóm HFC

+ Sinh ra khí độc khi tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa

+ Có tính chất nhiệt động tốt

+ Ít gây ảnh hưởng tới môi trường

Trong thực tế, việc lựa chọn tác nhân lạnh phụ thuộc nhiều vào từng hãng sản xuất máy lạnh Tính an toàn, tính kinh tế, kỹ thuật luôn được cân nhắc kỹ lưỡng trước khi lựa chọn tác nhân lạnh cho thiết bị

Đối với hệ thống chiller cho công trình, ta chọn tác nhân lạnh là R134A

3.1.2.2 Lựa chọn chất tải lạnh

Đối với hệ thống chiller, ta dùng chất tải lạnh là nước vì những lý do sau:

- Nước là chất an toàn, không độc hại cho con người khi bị rò rỉ

- An toàn với đường ống

- So với gas lạnh, nước có giá rẻ hơn rất nhiều

- So với không khí, ẩn nhiệt hóa hơi của nước lớn hơn nên tính chất nhiệt động rõ ràng tốt hơn

- Chất tải lạnh là nước phù hợp với thiết bị trao đổi nhiệt AHU, FCU, hơn không khí Nếu dùng không khí làm chất tải lạnh thì thiết bị phải rất cồng kềnh

3.1.3 Bố trí hệ thống AHU, FCU cho công trình

AHU, FCU, thực ra là các dàn trao đổi nhiệt giữa không khí – nước lạnh hoặc không khí – gas lạnh Đối với công trình, thì các dàn này là dàn trao đổi nhiệt giữa không khí – nước lạnh Nhìn chung về cấu tạo thì các thiết bị này đều giống nhau, cơ bản là nước lạnh đi trong dàn ống có cánh, gió được quạt gắn trong thiết bị thổi qua dàn coil và giảm nhiệt độ, sau đó đưa vào phòng Tuy nhiên về phạm vi sử dụng và công dụng của từng thiết bị lại có sự khác biệt

AHU (Air Handling Unit) – Bộ xử lý không khí - là loại dàn trao đổi nhiệt có công suất lớn hơn nhiều so với FCU AHU thường được sử dụng cho các không gian phòng có diện tích lớn, cần lượng không khí tươi mát, không được quá dơ bẩn vì AHU có gắn bộ lọc bên trong

nó AHU thường sử dụng để cung cấp không khí lạnh cho một khu vực rộng lớn hoặc 3 đến 4 khu vực có cùng điều kiện điều hòa vì hệ thống dùng AHU sẽ đi kèm với bộ điều chỉnh gió VAV (Varibale Air Volume), có chức năng đóng mở cánh bướm để tăng hoặc giảm lưu lượng gió cấp vào phòng Lượng đóng mở nhiều ít phụ thuộc vào điều kiện của không gian điều hòa,

sẽ được ghi nhận trên các cảm biến nhiệt độ và áp suất, CO2 và truyền về bộ xử lý đặt trên VAV Ưu điểm của phương pháp này là điều khiển rất chính xác bằng điện tử AHU cũng có nhược điểm là hệ thống ống gió cồng kềnh, cần có phòng kỹ thuật riêng để đặt AHU hay việc thi công phức tạp và khó khăn hơn Giá thành của 1 AHU lớn hơn nhiều so với FCU

FCU (Fan Coil Unit) – Dàn lạnh trao đổi nhiệt FCU có thể chạy gas hoặc chạy nước tùy vào yêu cầu thiết kế Công suất của một FCU thấp hơn nhiều so với AHU, do đó với cùng một không gian điều hòa, để đảm bảo năng suất lạnh thì cần dùng nhiều FCU hơn Cũng chính vì lý do đó, mà FCU thường được dùng cho các khu vực có diện tích nhỏ hơn, không quá yêu cầu về độ sạch của không khí (trừ phòng sạch, phòng thuốc…) vì với một không gian rộng, sẽ rất khó thiết kế hệ thống đường ống nước cho rất nhiều FCU Ưu điểm của FCU là nhỏ gọn, không quá cồng kềnh, việc thi công lắp đặt cũng đơn giản Tuy nhiên FCU đặt trên phòng gây ồn nên thường được sử dụng trong các trung tâm thương mại, cửa hàng nơi mà sôi động, náo nhiệt Tuy vậy, các FCU hiện nay hầu hết đều chạy rất êm và nhẹ nhàng, độ ồn rất thấp nên vẫn thường được dùng trong các khu vực phòng ngủ, phòng khách gia đình Hệ thống FCU thường không thể điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào phòng chính xác như AHU dùng VAV nên FCU thường không được sử dụng trong các phòng có yêu cầu về chênh

áp như phòng sạch, phòng sản xuất thuốc, linh kiện điện tử…

PAU là viết tắt của cụm từ Primary Air Unit – thiết bị xử lý không khí sơ bộ Đúng như tên gọi của nó, là thiết bị xử lý gió tươi trước khi nó cấp vào AHU, FCU hoặc vào không gian điều hòa Ở PAU có hệ thống lọc để loại bỏ các tác nhận ô nhiễm không khí như bụi, khí độc… Ngoài ra, còn có nhiệm vụ làm lạnh sơ bộ không khí tươi cấp vào AHU, FCU để giảm tải cho các thiết bị này PAU được sử dụng cho cả với AHU và FCU, đôi khi kèm theo bộ Bánh xe hồi nhiệt để tận dụng nhiệt từ gió thải để làm lạnh gió tươi Việc bố trí PAU phụ thuộc khá nhiều vào yếu tố lợi ích kinh tế khi mà công trình không yêu cầu gắt gao về độ sạch như nhà máy dược Khi bố trí PAU, các AHU, FCU giảm được phần nào tải, dẫn đến kích cỡ thiết bị nhỏ đi, hệ thống phụ kiện van, đồng hồ đo…giảm về kích thước Với một số lượng lớn các dàn AHU, FCU thì số tiền tiết kiệm được cho phụ kiện sẽ không hề nhỏ Do đó lựa chọn PAU và bánh xe hồi nhiệt thực chất cũng là một giải pháp mang tính kinh tế cao

Hình 3.5 Một AHU điển hình

Hình 3.6 Một FCU điển hình