Thiết bị hệ thống HVAC

Mô tả giải pháp

Thiết bị sưởi ấm và làm mát cơ khí sử dụng điện năng hoặc nhiên liệu đốt để mang lại tiện nghi nhiệt trong các công trình.

Những thiết bị này còn được gọi là hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), bao gồm: máy điều hòa không khí, nồi hơi, máy làm lạnh, máy bơm nhiệt, máy hút ẩm và giữ ẩm, hệ thống bức xạ và các loại thiết bị khác.

Gần như toàn bộ các công trình hiện đại ngày nay đều sử dụng thiết bị sưởi ấm và làm mát cơ khí. Nhóm thiết bị này tiêu thụ gần 1/3 tổng năng lượng sử dụng của công trình thương mại.

Trong khi các hệ thống sưởi ấm và làm mát thụ động có thể giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho công trình, hệ thống cơ khí có thiết kế tốt cũng rất cần thiết để đưa hiệu quả vận hành công trình đạt tối ưu.

Hơn nữa, hệ thống HVAC và thiết kế thụ động cũng cần có được sự làm việc phối hợp hoàn hảo cùng nhau.

                                           

Khi sưởi ấm, nhiệt có thể được hình thành hoặc bơm từ bên ngoài vào bên trong công trình. Khi làm lạnh, nhiệt chỉ có thể được bơm từ bên trong ra bên ngoài bởi nhiệt không thể tự mất đi.

Một cách chính xác hơn, nhiệt không tự phát sinh mà được hình thành và chuyển đổi từ năng lượng hóa học thành nhiệt năng bằng cách đốt cháy nhiên liệu, hoặc chuyển đổi từ điện năng thành nhiệt  thông qua nhiệt điện trở.

Những cách thức chuyển đổi này tương đối dễ dàng, tuy nhiên chuyển đổi từ nhiệt thành các dạng năng lượng khác đòi hỏi mức chệnh lệch nhiệt độ lớn ít có thể được tìm thấy trong các hệ thống công trình.

Do đó làm mát trong các công trình chỉ đơn giản là di chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác.

                                         

Các hệ thống sinh nhiệt

Lò và lò hơi

Lò đốt nhiên liệu tạo ra nhiệt. Các lò đốt có thể làm nóng trực tiếp không khí song hầu như hình thức phổ biến nhất là làm nóng nước tuần hoàn khép kín để làm nóng không khí. Hệ thống như vậy được gọi là lò hơi.

Lò và lò hơi có thể đốt khí tự nhiên, “dầu nóng” (một loại nhiên liệu diesel), gỗ, hoặc bất kỳ nhiên liệu dễ cháy khác. Khí tự nhiên thải ra ít khí thải độc hại nhất trong các loại nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên một số nhiên liệu sinh học thậm chí có ít khí thải hơn.

Để đảm bảo chất lượng không khí trong nhà, khí thải từ nhiên liệu đốt cháy phải xả ra không khí bên ngoài; một phần lượng nhiệt sinh ra bởi quá trình đốt cháy sẽ bị mất đi theo khói thải.

Hiệu suất lò và lò hơi được đo bằng hiệu suất sử dụng nhiên liệu hàng năm, AFUE. AFUE càng cao, hệ thống có hiệu quả càng lớn.

Ví dụ, AFUE = 90% có nghĩa là cứ đốt 1Btu khí, hệ thống sẽ cung cấp 0.9 Btu nhiệt cho công trình và 10% nhiệt thất thoát bên ngoài.

Hệ thống cũ hiệu suât thấp có mức AFUE khoảng 70%, trong khi hệ thống hiện đại hiệu suất cao có thể đạt đến AFUE = 97%.

                                        

Máy sưởi điện trở

Máy sưởi điện trở đơn giản là điện trở cỡ lớn nóng lên khi có dòng điện chạy qua nó. Máy sưởi chân tường sử dụng điện để làm nóng không khí trực tiếp; lò hơi điện làm nóng nước hoặc không khí hoặc một hệ thống bức xạ.

Máy sưởi điện trở không phát sinh khói thải. Như vậy, hệ thống này đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 100%. Nếu thiết bị đặt bên ngoài thì AFUE ở mức thấp hơn 100% do tổn thất trong nhà.

Đối với công trình cân bằng về năng lượng, có thể sử dụng pin quang điện năng lượng mặt trời cho máy sưởi điện trở mà không cần bất kỳ nhiên liệu hóa thạch nào.

Tuy nhiên, nếu thiết bị này sử dụng điện năng (trên lưới điện) chủ yếu được sản xuất từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, có thể tiêu tốn nhiều nhiên liệu đốt và phát thải nhiều hơn so với sử dụng lò hơi đốt nhiên liệu tại chỗ, do sự khác biệt giữa năng lượng tại chỗ và năng lượng nguồn.

Nhiệt mặt trời

Máy nước nóng năng lượng mặt trời cũng có thể được sử dụng để phát nhiệt cho hệ thống HVAC.

Thiết bị này có hiệu quả đối với các vùng khí hậu lạnh nhưng có nắng, và ít hiệu quả cho vùng khí hậu có mây hoặc tối khi trời lạnh.

Do năng lượng mặt trời là miễn phí và vô tận nên hiệu suất của thiết bị này không tác động tới hiệu quả hoạt động nhiều bằng quy mô và chi phí của hệ thống.

Thiết bị này thường ít tốn kém hơn so với pin quang điện năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng máy sưởi điện.

                                         

                                                              Máy sưởi điện trở chân tường

Hệ thống điều chuyển nhiệt

Bơm nhiệt vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác. Thiết bị này không tạo ra nhiệt, mà chỉ vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác, về lý thuyết có thể có hiệu suất hơn 100%. Một máy bơm nhiệt ở chế độ sưởi ấm có thể vận chuyển gấp từ 2 đến 5 lần năng lượng nhiệt so với mức năng lượng mà thiết bị cần tiêu thụ; một máy bơm nhiệt ở chế độ làm mát có thể vận chuyển gấp từ 3 đến12 lần năng lượng nhiệt so với năng lượng điện mà thiết bị cần tiêu thụ.

Một số thiết bị có thể bơm nhiệt ra và vào công trình – do vậy có thể vừa sưởi ấm và làm mát. Máy điều hòa không khí (hoặc “chiller” cho các hệ thống quy mô lớn) là một thiết bị chỉ bơm nhiệt ra khỏi công trình, nhưng hiệu quả cao hơn so với các máy bơm nhiệt có thể bơm cả hai chiều.

Kích cỡ và hiệu suất hệ thống HVAC

Lượng nhiệt sưởi ấm hoặc làm mát mà một hệ thống HVAC cụ thể cung cấp phụ thuộc vào kích cỡ hệ thống đó. Bởi việc thay thế hệ thống HVAC cho công trình là không hề dễ dàng nên kỹ sư thiết kế cần phải định cỡ kích thước thiết bị dựa trên kịch bản trường hợp xấu nhất.

Vấn đề với trường hợp thiết kế thừa kích cỡ hệ thống HVAC đó là việc nó sẽ kém hiệu quả hơn so với những hệ thống có kích thước phù hợp. Thường thì các hệ thống có kích thước quá khổ để dự phòng. Hệ thống như vậy có hiệu suất ít hơn 35% so với một hệ thống có kích cỡ phù hợp. Trong cải tạo, thiết kế thừa kích cỡ như vậy có thể loại bỏ các cải tiến từ việc thay thế hệ thống cũ bằng một hệ thống mới có hiệu quả.

Kích cỡ của hệ thống HVAC chỉ nên được định đoạt sau khi đã hoàn thiện tất cả các thành phần khác của công trình đã được tối ưu. Thiết kế dạng, hình khối và các lỗ mở của công trình nhằm tận dụng  sưởi ấm và làm mát thụ động cùng thông gió, và chiếu sáng tự nhiên. Trong trường hợp lý tưởng nhất, công trình đạt được tiện nghi nhiệt hoàn toàn thụ động trong phần lớn ngày trong năm, qua đó hệ thống HVAC chỉ đơn thuần hoạt động mang tính chất bổ sung hoặc dự phòng.

                                         

Với một đơn vị năng lượng điện tiêu thụ, bơm nhiệt có thể vận chuyển nhiều hơn một đơn vị năng lượng nhiệt.

Kiểm soát độ ẩm

Mô tả giải pháp

Hệ thống kiểm soát độ ẩm thêm hoặc triệt tiêu hơi nước của không khí bên trong công trình để đảm bảo nó ở mức độ ẩm thích hợp.

Kiểm soát độ ẩm có vai trò quan trọng bởi 3 lí do chính:

-Nó là nhân tố lớn trong tiện nghi nhiệt cho người sử dụng.

-Độ ẩm quá cao bên trong công trình có thể dẫn tới hiện tượng nấm mốc và ảnh hưởng tiêu cực tới chất lượng vi không khí bên trong công trình.

-Đây là nguồn tiêu thụ năng lượng lớn. Riêng quá trình khử ẩm có thể chiếm tới ¼ hoặc ¾ năng lượng làm mát trong điều kiện khí hậu ẩm hoặc vào mùa ẩm. (Tuy nhiên, quá trình làm ẩm lại không tiêu tốn nhiều năng lượng ngay cả trong điều kiện khí hậu khô hoặc vào mùa khô).

Độ ẩm thông thường được đo bởi độ ẩm tương đối – là tỉ số giữa lượng hơi nước trong không khí so với lượng hơi nước tối đa khi không khí ở trạng thái bão hòa tại nhiệt độ nhất định.

Nhiệt độ càng cao thì không khí càng có thể trữ nhiều nước. Độ ẩm tuyệt đối là lượng nước thực được lưu trữ trong không khí.

Biểu đồ nhiệt ẩm có thể cho phép xác định độ ẩm tuyệt đối và tương đối cùng nhiệt độ công trình, qua đó cho phép tính toán được mức độ kiểm soát độ ẩm cần thiết cho thiết kế.

Đường song song nằm ngang là giá trị độ ẩm tuyệt đối trong khi độ ẩm tương đối là các đường cong, từ 10% tới 100% (điểm đọng sương) ở góc trên bên trái của biểu đồ.

                                           

                                                 Sương mù là hình thái cực đoan của độ ẩm

Mức độ hiệu quả năng lượng cho quá trình khử ẩm được đánh giá thông qua “hệ số năng lượng” của thiết bị.

Đây là số lít nước có thể được lấy ra từ không khí tương ứng với mỗi kWh năng lượng tiêu thụ.

Hệ số năng lượng càng cao có nghĩa là hiệu quả càng cao, giá trị này thông thường nằm trong khoảng 1L/kWh đến 4L/kWh.

Tiện nghi và sức khỏe

Mức độ tiện nghi về độ ẩm thay đổi theo nhiệt độ (nhiệt độ càng nóng thì sẽ thoải mái hơn khi độ ẩm càng thấp), tuy nhiên độ ẩm tương đối thông thường nằm trong khoảng 35%-50%.

Để tránh nấm mốc, điều kiện lý tưởng là giữ độ ẩm ở mức dưới 40% và đảm bảo rằng các khu vực phòng tắm, phòng giặt và khu vực bếp được thông gió tốt.

Kiểm soát

Để giữ độ ẩm trong khoảng tiện nghi, hệ thống điều nhiệt cho công trình cần có cảm biến độ ẩm đi kèm.

Nếu không, có thể sử dụng riêng biệt hệ thống thiết bị đo ẩm riêng với khả năng kiểm soát tăng ẩm và khử ẩm độc lập với hệ thống HVAC. Tuy nhiên, điều kiện tiện nghi và hiệu quả năng lượng sẽ cao hơn khi kiểm soát độ ẩm gắn liền với kiểm soát nhiệt độ.

                                            

                                               Độ ẩm thấp và cao được thể hiện trong biểu đồ nhiệt ẩm

Khử ẩm cơ khí

Quá trình khử ẩm thông thường được thực hiện bởi hệ thống sử dụng nguyên lý cơ khí cơ bản như điều hòa không khí, và thông thường chỉ riêng điều hòa không khí cũng có thể khử ẩm cho không gian.

Chúng là những bơm nhiệt chạy bằng điện khử ẩm không khí thông qua việc làm mát nó.

Khử ẩm cơ khí không phải là giải pháp hiệu quả năng lượng cao nhất để khử ẩm, tuy nhiên nó là giải pháp phổ biến nhất bởi nó sử dụng công nghệ thông thường.

Các thiết bị khử ẩm cơ khí làm mát không khí đầu vào xuống dưới nhiệt độ đọng sương và kết quả là nước ngưng tụ trên các cuộn làm mát.

Sau đó, không khí lạnh được làm nóng trở lại tới nhiệt độ mong muốn và/hoặc hòa trộn với không khí chưa qua xử lí để mang lại điều kiện không khí ở nhiệt độ và độ ẩm mong muốn cho không gian.

Nước đọng lại dưới dạng giọt sau đó rơi ra khỏi dàn ngưng để có nhiều hơi ẩm hơn đọng lại tại đó.

Nó có thể rơi vào thiết bị thu và chảy vào dòng nước thải hoặc được loại bỏ định kì bởi người sử dụng hoặc nhân viên tại công trình.

Trong các thiết bị gắn bên ngoài cửa sổ công trình, nước thông thường nhỏ giọt ra bên ngoài xuống đường phố hoặc bất cứ thứ gì ở dưới nó.

                                        

                 Nước từ quá trình khử ẩm nhỏ giọt từ thiết bị điều hòa cỡ nhỏ xuống đường phố

Khử ẩm bằng hút ẩm

Việc khử ẩm bằng hút ẩm ít phổ biến hơn nhưng lại có hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn trong việc giảm độ ẩm. Tính hiệu quả của nó đến từ việc sử dụng nhiệt thay vì điện – nó có thể hoạt động dựa trên nhiệt thừa từ các quá trình khác.

Do đó, năng lượng cần cho quá trình này có thể là “miễn phí”, xét về mặt kinh tế lẫn môi trường.

Chất hút ẩm là chất hóa học (thông thường dạng rắn hoặc lỏng) có khả năng hút hơi ẩm ra khỏi không khí. Không khí bên ngoài được khử ẩm một cách đơn giản là chỉ cần đi qua bánh xe rỗng chứa chất hút ẩm dạng rắn hoặc được tưới chất hút ẩm dạng lỏng.

Tuy nhiên, do chất hóa học hấp thụ nước nên theo thời gian, để có thể sử dụng lại thì chúng cần phải được “nạp lại” bằng cách nung nóng tới khi nước hấp thụ bị bay hơi.

Nước thoát ra từ quá trình này sẽ quay lại với không khí. Các hệ thống được thiết kế để không khí này được cách biệt với không khí đi vào và sau đó thải ra bên ngoài.

Chất hút ẩm dạng rắn thông thường bố trí trên các bánh xe quay với tốc độ chậm giữa dòng không khí vào và ống khí thải nhỏ được gắn liền với một thiết bị nung.

Khoảng ¾ thời gian thì chất hút ẩm sẽ hấp thụ hơi nước từ không khí đầu vào và ¼ thời gian còn lại nó sẽ được “nạp lại”.