8 6 phương án thiết kế hệ thống chiller

Về cơ bản, có 3 phương pháp điều khiển lưu lượng nước qua dàn lạnh là: + Dùng hệ thống van ba ngã Three-way modulating valve + Dùng hệ thống Van chính gió bypass Face and Bypass Damper C

CHƯƠNG

6

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CHILER

6.1 Phương án bố trí hệ thống Chiller

6.1.1 Phương pháp điều khiển lưu lượng nước qua dàn lạnh

Về cơ bản, có 3 phương pháp điều khiển lưu lượng nước qua dàn lạnh là:

+ Dùng hệ thống van ba ngã (Three-way modulating valve)

+ Dùng hệ thống Van chính gió bypass (Face and Bypass Damper Control)

+ Dùng hệ thống van hai ngã (Two-way modulating valve)

6.1.1.1 Phương án dùng Van ba ngã

Phương án dùng van ba ngã có 2 đặc điểm sau:

- Lưu lương nước hôi về Chiller là không đổi

- Nhiệt độ nước hồi về Chiller sẽ thay đổi

Hình 6.1 Van điều khiển ba ngã

Khi hệ thống ở chế độ giảm tải (part-load condition) thì van ba ngã sẽ phát tín hiệu để điều chỉnh cho lưu lượng nước trực tiếp qua coil lạnh giảm lại, giảm tải lạnh xuống Đồng

thời khi đó, lượng nước dư sẽ theo đường nối tắt (Bypass) từ đường nước lạnh cấp vào dàn đi thằng vào đường nước lạnh ra khỏi dàn mà không đi qua dàn lạnh hệ quả là nước sau khi ra khỏi dàn lạnh để về lại Chiller sẽ có nhiệt độ thấp hơn, trong điều kiện tải lạnh giảm xuống

Hệ thống lạnh sử dụng van ba ngã để điều chính lưu lượng thì có những đặc điểm sau đây:

- Nhiệt độ nước hồi về Chiller sẽ thay đổi khi có sự tăng giảm tải lạnh

- Lưu lượng nước đi qua mỗi dàn ống lạnh thường thì gần giống nhau vì lưu lương nước qua đường Bypass khá là nhỏ so với lưu lượng nước đi qua dàn lạnh

- Năng lượng tiêu tốn của bơm hầu như là không đổi trong suốt quá trình hệ thống vận hành vì việc sử dụng van ba ngã dẫn đến hệ quả là lưu lượng nước qua hệ thống bơm thường không thay đổi

- Việc cân bằng nước trong hệ thống là hết sức quan trọng, vì hệ thống hoạt động với lưu lượng nước không đổi, nếu không cân bằng nước thì sẽ có những khu vực dàn lạnh bị thiếu nước, không đáp ứng tải lạnh yêu cầu

6.1.1.2 Phương án dùng Van chỉnh gió Face - Bypass

Phương án này thực chất là thay đổi lưu lượng gió qua dàn lạnh trong trường hợp giảm tải Sẽ có một thiết bị làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng gió qua dàn lạnh bằng cách cho lượng gió “dư” đi vòng qua dàn lạnh

Hình 6.2 Van chỉnh gió Face and Bypass

Trong điều kiện giảm tải, cửa gió số 1 (Face damper) sẽ đóng bớt làm cho lưu lượng gió qua dàn lạnh giảm xuống, làm giảm tải lạnh Đồng thời cửa gió số 2 (Bypass Damper) sẽ mở

ra để đưa một phần gió đi vòng qua dàn lạnh Phương pháp này có đặc điểm là cho nước đi trong dàn lạnh một cách tự do, tức là lưu lượng nước qua dàn lạnh luôn không đổi mà vẫn giảm được tải lạnh cấp vào không gian điều hòa

Tương tự như hệ thống điều chỉnh bằng van ba ngã, hệ thống điều chỉnh tải bằng van chỉnh gió Face and Bypass có các đặc điểm sau:

- Nhiệt độ nước ra khỏi dàn lạnh sẽ thay đổi theo điều kiện tải lạnh

- Năng lượng của bơm tiêu tốn sẽ không đổi trong bất kỳ điều kiện tải nào

Hệ thống điều chỉnh bằng van chỉnh gió có một ưu điểm so với hệ thống điều khiển lưu lượng nước qua dàn lạnh là có thể điều chỉnh được độ ẩm không khí đi qua dàn lạnh Khi lưu lượng không khí qua dàn ít lại, giả sử rằng nhiệt độ nước vào dàn lạnh là không đổi, thì nhiệt

độ của không khí sau khi đi qua dàn sẽ giảm lại Điều này là rõ ràng vì với tải không đổi, mà lưu lượng giảm thì độ chênh nhiệt độ không khí vào ra phải tăng lên Do đó, không khí qua dàn trở nên lạnh đi và lượng hơi nước tách ra khỏi không khí nhiều hơn

6.1.1.3 Phương án dùng Van hai ngã

Van hai ngã cũng tương tự như van ba ngã là trong điều kiện giảm tải, van điều chỉnh lưu lượng nước qua dàn lạnh Điểm khác biệt ở đây là van hai ngã điều khiển lưu lượng nước bằng cách „thắt lại” tiết diện đường nước qua van Ở đây sẽ không có trường hợp nước nối tắt chảy qua, do đó sẽ không có việc hòa trộn hai dòng nước như trong trường hợp sử dụng van

ba ngã điều khiển Chính vì thế, nhiệt độ nước ra khỏi dàn hầu như sẽ không đổi

Hình 6.3 Van điều khiển hai ngã

Hệ thống sử dụng van hai ngã điều khiển có đặc điểm như sau:

- Nhiệt độ nước hồi về không đổi bất kể trường hợp tải lạnh thay đổi

- Lưu lượng nước hồi về giảm khi non tải, dẫn đến kết quả là năng lương tiệu thụ của bơm được giảm bớt

- Hệ thống ít nhạy cảm với những thay đổi về cân bằng nước hơn so với hệ thống có lưu lương không đổi

Vì hệ thống có lưu lượng nước thay đổi nên vấn đề là phải sử dụng các hệ thống khác để cung cấp lưu lượng nước không đổi để Chiller có thể hoạt động, hoặc là bản thân Chiller sẽ phải hoạt động được dưới điều kiện lưu lượng nước thay đổi được

Đa phần Chiller hoạt động với lưu lượng nước qua bình bay hơi không đổi, giúp cho hệ thống hoạt động ổn định hơn và dễ dàng điều khiển trong quá trình vận hành Tuy nhiên, việc thay đổi lưu lượng nước qua bình ngưng sẽ làm tăng khả năng tiết kiệm năng lượng trong hệ thống, nhưng lại cần sự cẩn trọng cao trong quá trình thiết kế hệ thống cũng như sự am hiểu

về chế độ vận hành của thiết bị Ngày nay, cùng với những tiến bộ trong công nghệ, rất nhiều Chiller có thể vận hành trong điều kiện lưu lượng nước ở bình bay hơi thay đổi Vấn đề này sẽ được đề cập ở phần phân loại hệ thống Chiller

6.1.2 Máy làm lạnh nước Water Chiller

Đối với hệ thống Chiller, có khá nhiều phương án lắp đặt Mỗi phương án có một ưu nhược điểm riêng, thích hợp với từng ứng dụng, lĩnh vực khác nhau Việc phân tích để lựa chọn hệ thống Chiller thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí đầu tư, giảm thiểu tối đa chi phí cho việc lắp đặt, vận hành và bảo trì sau này Trong chương 3, chúng ta đã phân tích ưu điểm của hệ thống Chiller giải nhiệt nước và hệ thống điều hòa VRV Trong chương 6 này, ta sẽ tiến hành phân tích để lựa chọn phương án bố trí hệ thống Chiller giải nhiệt nước phù hợp với điều kiện công trình

Theo tài liệu hướng dẫn về hệ thống Chiller của hãng Trane thì có các cách bố trí hệ thống Chiller như sau:

- Theo số lượng Chiller có: hệ thống 1 Chiller (Single Chiller) và hệ thống nhiều Chiller (Multiple Chiller)

- Theo lưu lượng nước qua Bình bay hơi có: Chiller hoạt động với lưu lượng nước qua bình bay hơi không đổi (Constant Flow) và thay đổi được (Variable Flow)

- Theo phương án bố trí có: hệ Chiller mắc nối tiếp (Series Chiller Configuration), mắc song song (Parallel Chiller Configuration), hệ thống hai vòng tuần hoàn nước (Primary – Secondary Configuration), hệ thống chller thay đổi lưu lượng nước ở vòng tuần hoàn sơ cấp (Variable Primary Flow System) Trong hệ Chiller mắc song song, bao gồm nhiều phương án

bố trí khác nữa mà ta sẽ đề cập ngay sau đây

6.1.2.1 Hệ thống dùng một Chiller

Mặc dù luận văn xác định sử dụng số lượng Chiller hoạt động là ba Chiller, tuy nhiên để làm rõ hơn những đặc điểm của những cách bố trí hệ thống Chiller, ta sẽ phân tích sơ qua về đặc điểm của hệ thống điều hòa sử dụng 1 Chiller

Hệ thống 1 Chiller thường được sử dụng trong các hệ thống tải lạnh nhỏ (khoảng từ 100 tấn lạnh trở lại) Khi có yêu cầu cao hơn về tải lạnh, phương án sử dụng thường là dùng nhiều Chiller Hình 6.1 mô tả một hệ thống lạnh sử dụng một Chiller giải nhiệt gió Vì tải tương đối thấp nên việc sử dụng hệ Chiller giải nhiệt nước là không cần thiết vì khi đó, chúng ta phải tốn tiền đầu tư thêm hệ thống tháp giải nhiệt

Hình 6.4 Hệ thống lạnh dùng một Chiller

Hệ thống thường sử dụng một bơm (đôi khi là 2 bơm để đảm bảo dự phòng) để đưa nước qua Chiller làm lạnh, sau đó nước lạnh cũng được chính bơm này đưa lên các lạnh lạnh Việc điều khiển lưu lượng nước lạnh qua Chiller thường được thực hiện bằng van ba ngã Bơm ly tâm sử dụng là loại có lưu lượng không thay đổi, do đó, việc cân nước trong hệ thống tương đối dễ dàng

Hệ thống sử dụng một Chiller phù hợp với những yêu cầu tải lạnh thấp, chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn Tuy nhiên, hệ thống này cũng có những nhược điểm như:

- Khả năng ngưng hoạt động rất cao nếu như có sự cố xảy ra ở một trong các thiết bị trong

hệ thống như máy nén, bình ngưng, bơm…Nếu một quy trình sản xuất yêu cầu được làm lạnh liên tục, thì hệ thống một Chiller không nên được sử dụng, thay vào đó là dùng hệ thống nhiều Chiller

6.1.2.2 Hệ thống dùng nhiều Chiller

Có 2 ưu điểm của hệ thống nhiều Chiller là: Dự phòng và hiệu quả năng lượng khi chạy không đầy tải

Khả năng dự phòng là rõ ràng có thể đạt được khi hệ thống cho phép sử dụng nhiều hơn 2 Chiller, bơm… để đáp ứng tải của công trình Năng lượng tiết kiệm được khi chạy ở chế độ không đầy tải thông qua sự giảm số vòng quay của bơm nước lạnh , bơm nước giải nhiệt, của quạt tháp giải nhiệt…

Có nhiều phương án bố trí Chiller, ta sẽ đi phân tích từng ưu điểm cũng như nhược điểm của từng loại hệ thống

a) Hệ thống Chiller mắc nối tiếp

Hình 6.5 Hệ thống Chiller mắc nối tiếp

Hệ thống này có đặc điểm là hai Chiller sẽ mắc nối tiếp nhau, nước làm lạnh đi ra từ Chiller đầu tiên sẽ đi làm Chiller thứ hai để tiếp tục làm lạnh Do đó, sẽ không xảy ra trường hợp nước lạnh hồi vẽ sẽ không được làm lạnh mà hòa trộn với nước đã được làm lạnh (đây chính là ưu điểm của Chiller mắc nối tiếp so với hệ thống Chiller mắc song song, sẽ được đề cập ở phần sau) Van ba ngã điều khiển thường được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng nước qua dàn lạnh, để đảm bảo lưu lượng nước về Chiller là không đổi ở bất kỳ thời điểm nào Đây cũng là điểm yếu của hệ thống Chiller mắc nối tiếp Khi so sảnh với hệ thống 2 Chiller mắc song song, trong cùng một yêu cầu làm lạnh như nhau, một hệ thống nối tiếp 2 Chiller sẽ có lưu lượng nước đi qua mỗi Chiller lớn gấp đôi so với khi mắc song song Do đó, đường kính ống trao đổi nhiệt trong bình ngưng sẽ phải lớn gấp đôi bình thường, nếu muốn đảm bảo vận tốc và tổn thất áp suất trong bình bay hơi nằm trong giới hạn cho phép Khi diện tích trao đổi nhiệt tăng lên, thì số pass ống trong bình bay hơi sẽ phải giảm xuống, điều này gây ảnh hưởng phần nào đến hiệu suất của Chiller

Tổn thất áp suất qua hệ thống mà bơm phải chịu sẽ tăng lên do nước sẽ đi qua cả hai Chiller Điều này gây tổn hao chi phí do việc tăng kích cỡ bơm và điện năng mà bơm tiêu thụ Cũng vì lý do này, nên hệ thống Chiller nối tiếp thường chỉ sử dụng 2 Chiller, nếu dùng nhiều hơn, cột áp của bơm sẽ khá là lớn

b) Hệ thống Chiller mắc song song

* Hệ thống Chiller mắc song song – sử dụng một bơm (Single Pump)

Hình 6.6 Hệ thống Chiller mắc song song – sử dụng một bơm

Đây là một ví dụ điển hình của việc bố trí hệ Chiller song song với nhau Hệ thống này sử dụng một bơm duy nhất để vận chuyển nước lạnh tuần hoàn trong hệ thống Hệ thống sử dụng van ba ngã điều khiển hoặc hệ thống van điều khiển face-and-bypass để điều chỉnh năng suất lạnh, đảm bảo cho lưu lượng nước về Chiller là không đổi

Trong hình 6.6, nước lạnh được bơm đưa về 2 Chiller một cách liên tục, bất kể là trong trường hợp Chiller đang hoạt động hay đã ngừng Trong ví dụ trên, giả sử hệ thống đang hoạt động ở chế độ 50% tải, khi đó chỉ có một Chiller hoạt động, Chiller còn lại sẽ tắt Nước hồi về

có nhiệt độ 12,2 ºC, sẽ đi qua cả Chiller không hoạt động, mà sau đó sẽ hòa trộn với cả nước lạnh 5,6 ºC đi ra từ Chiller đang hoạt động Kết quả là nước lạnh ra khỏi hệ thống sẽ có nhiệt

độ là 8,9 ºC Việc nhiệt độ nước lạnh cấp tăng lên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến việc dập tải lạnh của hệ thống cũng như vấn đề điều chỉnh độ ẩm Trong trường hợp này, ta có thể dùng hệ thống điều khiển để giảm nhiệt độ nước đỉ ra khỏi Chiller đang hoạt động, để nhiệt độ nước hòa trộn sau Chiller đạt được 5,6 ºC Tuy nhiên việc giảm nhiệt độ nước cũng có giới hạn, tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế của bình bay hơi Chiller để chống hiện tượng đóng băng đường ống trao đổi nhiệt Khi hệ thống sử dụng càng nhiều Chiller, thì phương án bố trí thế này sẽ càng gây ảnh hưởng nghiêm trọng trong vấn đề nhiệt dộ nước lạnh hòa trộn

Tiêu chuẩn ASHRAE/IESNA 90.1-1999 (Mục 6.3.4.2) có yêu cầu rằng, đối với hệ thống

bố trí Chiller dạng này, thì công suất của bơm nước không được lớn hơn quá 7,5 kW, vì khi

đó, lưu lượng nước lớn sẽ gây ảnh hưởng đến việc điều khiển nhiệt độ nước hòa trộn khi một Chiller không hoạt động

* Hệ thống Chiller mắc song song – sử dụng bơm riêng lẻ cho từng Chiller (Dedicated Pump)

Hình 6.7 Hệ thống Chiller mắc song song – sử dụng bơm riêng lẻ cho từng Chiller

Ở hệ thống này, ta sử dụng mỗi bơm để phục vụ cho mỗi Chiller Mỗi cặp Chiller-bơm sẽ hoạt động và ngừng cùng một lúc Rõ ràng hệ thống này khắc phục được nhược điểm là không xảy ra hiện tượng hòa trộn nước lạnh như trường hợp sử dụng một bơm, tuy nhiên lại nảy sinh ra một vấn đề khác, đó là sự thiếu hụt lưu lượng nước đến các dàn lạnh trong trường hợp hệ thống chỉ chạy có một Chiller và lưu lượng nước trong hệ thống không đổi

Ở trường hợp chạy non tải, chỉ có một cặp Chiller – bơm hoạt động, tổng lưu lượng nước luân chuyển trong hệ thống lúc này sụt giảm nghiêm trọng, chỉ khoảng 60 – 70 % lưu lượng nước khi chạy đầy tải Khi đó, các dàn lạnh sẽ thiếu hụt lưu lượng nước so với yêu cầu (lưu ý

là chỉ trong trường hợp điều chỉnh tải lạnh bằng hệ thống van ba ngã điều khiển hoặc van chỉnh gió face – bypass) Vấn đề này khá nghiệm trọng đối với các khu vực cần tải lạnh một cách ổn định như phòng máy tính, phòng dữ liệu, server…khi mà các máy móc ở các khu vực này cần được giữ ở nhiệt độ mát mẻ

Hình 6.8 mô tả điểm trạng thái làm việc của bơm khi chạy đầy tải (100% lưu lượng) và chạy non tải (65% lưu lượng)

Hình 6.8 Điểm trạng thái làm việc của bơm

- Đường màu xanh: đường đặc tính của hệ thống

- Đường màu cam: đường đặc tính của bơm khi chạy non tải

- Đường màu đỏ: đường đặc tính của 2 bơm khi chạy đầy tải

Qua đây, ta lại thấy thêm một nhược điểm nữa của hệ thống này Đó là khi có một bơm phục vụ cho một Chiller ngưng hoạt động hoặc bắt đầu khởi động, đều sẽ gây ảnh hưởng đến lưu lượng nước ở Chiller còn lại Lấy ví dụ cho trường hợp trên Nếu một Chiller đang hoạt động và Chiller còn lại bắt đầu tái khởi động, lưu lượng nước đi trong hệ thống lúc này sẽ không nhân đôi lên mà hệ thống sẽ chỉ tăng lên 35% lưu lượng, quá trình tự cân bằng lại lưu lượng nước đi qua mỗi Chiller diễn ra để đảm bảo lưu lượng nước qua mỗi Chiller là như nhau, tức 50% lưu lượng nước qua mỗi Chiller, dẫn đến hệ quả là lưu lượng nước qua bơm phục vụ cho Chiller đang hoạt động sẽ giảm đi (65-50) = 15% Sự sụt giảm tức thời lưu lượng nước qua Chiller có thể gây ra mất kiểm soát nhiệt độ trong hệ thống điều khiển và có thể dừng đột ngột Chiller đang vận hành để đảm bảo an toàn cho hệ thống

Để giải quyết vấn đề này, hệ thống điều khiển và người vận hành hệ thống phải đoán trước được giai đoạn nào cần tắt và khi nào thì tái hoạt động lại Chiller

Hệ thống này thường sử dụng cho 2 Chiller, tuy nhiên lại không được sử dụng nhiều đối vơi hệ thống lớn vì ở các hệ thống lớn, vấn đề tải thay đổi diễn ra thường xuyên hơn

c) Hệ thống Chiller hai vòng tuần hoàn nước

Các nhược điểm của những hệ thống Chiller trên hầu hết xuất phát từ vấn đề lưu lượng nước qua bình bay hơi thay đổi Tuy nhiên, với hệ thông hai vòng tuần hoàn nước thì vấn đề này hoàn toàn khắc phục được khi ta tách riêng hệ thống nước thành hai phần riêng biệt là phần chứa nước được làm lạnh (Production Loop) và phần còn lại là phần nước phân phối đến

hệ thống dàn lạnh (Distribution Loop)

Hình 6.9 Hệ thống Chiller hai vòng tuần hoàn nước

Trong các tài liệu tiếng Anh, hệ thống này được gọi là “Primary – Secondary system” hay

là “Decoupled System”, ám chỉ sự tách biệt giữa vòng tuần hòa làm lạnh nước và vòng nước phân phối đến dàn trao đổi nhiệt Ngoài ra, điểm đặc biệt của hệ thống này là đường bypass làm cầu nối giữa đường nước hồi về Chiller và đường ống cấp nước lạnh cho hệ thống dàn trao đổi nhiệt Đường bypass giúp cho lưu lượng nước qua Chiller luôn không đổi, trong khi lưu lượng nước qua các dàn trao đổi nhiệt có thể thay đổi tùy theo điều kiện tải thông qua van điều khiển hai ngã

Đặc điểm của đường bypass là:

- Tổn thất áp suất là nhỏ nhất có thể

- Không cho xảy ra quá trình hòa trộn nước giữa đường cấp và đường hồi

- Không có van một chiều

Đường ống bypass cho phép nước giữa hai đường ống cấp và hồi di chuyển qua lại, để đảm bảo lưu lượng nước qua Chiller là không đổi Chính vì vậy mà sự thay đổi lưu lượng giữa hai phần đường nước sẽ không gây ảnh hưởng đến phần còn lại

Đường ống bypass thường có vận tốc nước chảy trong ống từ 3 đến 4,5 m/s, lưu lượng nước lấy theo lưu lượng nước của Chiller lớn nhất Ngoài ra, để giảm thiểu tổn thất áp suất trên đường bypass, giúp cho nước có thể lưu thông dễ dàng giữa hai đường ống và không để

xảy ra tình trạng hòa trộn nước thì đường ống bypass có chiều dài giới hạn từ 5 đến 10 lần đường kính ống bypass, đồng thời đường bypass không nên bố trí van một chiều

Ta sẽ đi tìm hiểu về từng vòng tuần hoàn của đường ống nước trong hệ thống Chiller hai vòng tuần hoàn nước

* Vòng tuần hoàn sơ cấp – sản xuất nước lạnh (Primary – Production Loop)

Hình 6.10 Vòng tuần hoàn sản xuất nước lạnh – bơm riêng lẻ cho từng Chiller

Vòng tuần hoàn này xuất phát từ Tee hồi (giao giữa đường nước hồi về và đường bypass), qua bơm sơ cấp, vào Chiller và kết thúc ở Tee cấp (giao giữa đường nước cấp và đường bypass) Vòng tuần hoàn này có tổn thất áp suất khá nhỏ, do đó cột áp của bơm sơ cấp cũng nhỏ vì bơm sơ cấp chỉ có nhiệm vụ phân phối nước chỉ trong vòng tuần hoàn sơ cấp Trong ví

dụ trên, ta sử dụng hệ thống bơm riêng lẻ cho từng Chiller Khi đó các Chiller có thể có công suất lạnh khác nhau, tổn thất áp suất qua bình bay hơi khác nhau và mỗi bơm phục vụ cho một Chiller Ngoài ra, ta cũng có thể bố trí hệ thống bơm có sử dụng ống góp (Manifolded Production Pump)

Hình 6.11 Vòng tuần hoàn sản xuất nước lạnh – bơm có ống góp