Thiết kế và bố trí hệ thống HVAC

Mô tả giải pháp

Song song với việc lựa chọn trang thiết bị, bạn sẽ muốn cấu hình nó trong khuôn khổ thiết kế của bạn để nó hoạt động với hiệu quả cao nhất trong khi vẫn đảm bảo tiện nghi cho người sử dụng.

Phân vùng và thiết bị phân bổ không khí

Mô tả giải pháp

Phần lớn các hệ thống HVAC làm nóng hoặc làm mát không khí cưỡng bức.

Thành phần và sự bố trí của thiết bị phân bổ không khí cơ khí là điều quan trọng bởi chúng có thể cải thiện cả sự tiện nghi và giảm mức năng lượng sử dụng.

Mặc dù quạt phân bổ không khí không sử dụng nhiều năng lượng như các thiết bị làm nóng hay làm mát không khí, tính hiệu quả thiết bị không còn quan trọng khi không khí không được phân bổ hợp lý.

Hơn nữa, đường ống rò rỉ cũng có thể làm tổn thất từ 20-40% năng lượng sưởi ấm và làm mát.

Tính hiệu quả của sự phân bổ không khí phụ thuộc vào tiện nghi nhiệt và tính hiệu quả năng lượng. Hiệu suất của thiết bị xử lý không khí AHU được đo tổng thể bằng cách đo điện năng sử dụng của quạt.

                                       

                           Không khí ấm hoặc mát cần được phân bố hợp lý để tất cả mọi người đều có được sự thoải mái

Vận chuyển nhiệt sưởi ấm và làm mát

Thiết bị HVAC cỡ nhỏ có thể đơn giản hút không khí vào bên trong mình, làm mát hoặc sưởi ấm nó rồi đưa không khí trở lại trong phòng. Tuy nhiên, hệ thống trong các công trình lớn có độ phức tạp cao hơn nhiều.

Những công trình lớn thông thường có thiết bị HVAC trung tâm sử dụng nước lạnh (CHW) hoặc nước nóng (HW) để đưa nhiệt hoặc làm mát tới thiết bị xử lý không khí trung tâm. Từ đó, không khí đã được làm mát hoặc sưởi ấm sẽ được vận chuyển tới các phòng và/hoặc khu vực làm mát khác nhau bằng hệ thống cơ khí vận chuyển không khí cưỡng bức – bao gồm hệ đường ống, quạt và van để điều chỉnh lượng không khí đi vào từng không gian khác nhau.

Quá trình khử ẩm cũng được tiến hành kết hợp với làm mát. Đồng thời, hệ thống tới nay mang tính hiệu quả cao nhất là bổ sung hoặc thay thế hệ thống xử lý cưỡng bức bằng hệ thống nhiệt bức xạ, sưởi ấm thụ động và/hoặc thông gió tự nhiên.

Đâu là nơi cần sưởi và làm mát?

Bước đầu tiên trong việc giữ mức tiện nghi cho người sử dụng bằng hệ thống HVAC là có được sự hiểu biết về vị trí và thời điểm cần thiết sưởi ấm hoặc làm mát và qua đó đưa ra giải pháp “phân vùng” hợp lý.

Thiết kế HVAC hiệu quả bắt đầu từ chính kiến trúc sư, cho dù KTS có ý thức được điều này hay không. Kiến trúc sư có thể giảm mức độ phức tạp, quy mô sử dụng năng lượng của hệ thống cơ khí thông qua việc tạo ra không gian tránh được các điểm nóng và điểm lạnh, và phân vùng các nơi nhận được nhiều hoặc ít hơn nhiệt thụ động để phân vùng HVAC riêng biệt.

Vùng

Vùng là các vị trí bên trong công trình có nhu cầu sưởi ấm hoặc làm mát khác nhau. Đây có thể là hệ quả của việc mỗi không gian có chức năng hoạt động cũng như là nơi diễn ra các hoạt động khác nhau (phòng tập vs. phòng họp), mật độ người sử dụng khác nhau hoặc tải năng lượng khác nhau với từng không gian.

Mỗi phòng có thể là một vùng khác nhau, mỗi vùng có thể bao gồm nhiều phòng hoặc một phòng có thể có nhiều hơn một vùng (đặc biệt nếu đấy là phòng có chiều sâu với một bên là cửa sổ lớn tiếp xúc trực tiếp với mặt trời).

Trong những tòa nhà với thiết kế sâu, những không gian xa khỏi tác động trức tiếp của mặt trời hoặc các yếu tố khác bên ngoài được gọi là vùng “lõi”. Tiện nghi ở đây thường được cung cấp toàn bộ bằng hệ thống HVAC chủ động.

Điểm nóng và điểm lạnh

Việc phân bổ HVAC không chỉ đơn giản là bơm không khí nóng vào không gian khi quá lạnh hay bơm không khí lạnh vào khi quá nóng. Người ngồi dưới tác động của ánh nắng ngay cạnh cửa sổ có thể khá thoải mái trong khi những người ngồi tại bàn gần điểm lõi lại có thể lạnh cóng. Hiện tượng này yêu cầu những giải pháp phân vùng phức tạp.

Trong các hệ thống HVAC trung tâm, thông thường các điểm lạnh được xử lí bằng cách bố trí các thiết bị làm nóng nhỏ tại đầu van cấp khí.

Khi đó, khi chiller tại mái làm mát không khí ở nhiệt độ 12oC để đáp ứng nhu cầu của người ngồi gần cửa sổ, thiết bị làm nóng gần thang máy có thể sưởi ấm không khí lên 16oC để người ngồi cạnh đó không bị quá lạnh. Hệ thống như này có hiệu quả vô cùng thấp và nên cần được tránh không sử dụng.

Phục vụ cho các vùng khác nhau

Các vùng khác nhau có thể được cấp khí nóng hơn hoặc lạnh hơn thông qua việc sử dụng các thiết bị HVAC và đường ống riêng biệt mặc dù giải pháp này là tốn kém.

Giải pháp tăng hoặc giảm tốc độ dòng khí (với cùng nhiệt độ không khí) tại các vùng khác nhau thường rẻ và phổ biến hơn. Điều này có thể dễ dàng đạt được với chi phí thấp thông qua việc sử dụng hệ van hoặc với các quạt, hệ đường ống khác nhau cho các trường hợp phức tạp hơn.

Thiết kế các hệ thống nơi từng người sử dụng có thể điều chỉnh cũng mang lại hiệu quả tiện nghi cho mọi người, cho dù họ ở điểm nóng hơn hay lạnh hơn, trang phục nặng hay nhẹ hơn hoặc đơn giản thích ấm hoặc mát hơn người khác. Tiện nghi cho người sử dụng mang yếu tố chủ quan và nếu con người không thấy thoải mái trong công trình, điều này có nghĩa là nỗ lực đạt hiệu quả năng lượng coi như vô ích.

                                          

                                                               Một phòng có thể yêu cầu nhiều vùng nhiệt độ khác nhau

Thiết bị sử dụng cho vận chuyển không khí

Hệ thống trung tâm thông thường có thiết bị làm mát hoặc sưởi ấm đặt trong phòng bảo dưỡng và/hoặc trên mái và không khí sau khi được xử lý sẽ được vận chuyển qua hệ đường ống, quạt và van.

Đường ống và không gian kĩ thuật

Đường ống hoặc không gian kĩ thuật (nằm giữa sàn kết cấu và sàn kiến trúc) cung cấp lối di chuyển cho không khí. Không gian kĩ thuật thường là không gian mở hơn cho lưu thông không khí trong khi đường ống mang tới lối lưu thông kín.

                                        

                                                                              Đường ống vs. Không gian kĩ thuật

Luôn cần tới một lối cấp và lối trả về (hoặc thải). Lối trả về thông thường mang trong mình không khí đã qua sử dụng trộn lẫn với một phần không khí bên ngoài để đảm bảo tính trong lành và được dẫn tới thiết bị xử lý tái sử dụng không khí.

Điều này cho phép tiết kiệm năng lượng thông qua việc tránh xử lý thêm không khí bên ngoài.

Tuy nhiên, một số phòng thí nghiệm hoặc không gian với nhu cầu sử dụng đặc biệt yêu cầu 100% không khí từ bên ngoài do yêu cầu sức khỏe và an toàn.

Không gian kĩ thuật cho phép không khí lưu thông dễ dàng với ít lực cản và đồng thời tốc độ lưu thông cũng chậm hơn.

Mặc dù có lợi thế hơn nhưng giải pháp này có thể có chi phí cao hơn và không phù hợp với các công trình bị giới hạn về mặt không gian.

Quạt

Quạt đẩy hoặc hút không khí trong hệ thống. Giải pháp phân bố không khí đơn giản nhất là sử dụng quạt với tốc độ không đổi và kích thước mở van như nhau cho toàn đường ống.

Tuy nhiên, hệ thống thể tích không khí thay đổi (VAV) có khả năng thay đổi tốc độ quạt, giúp tiết kiệm từ 10-20% năng lượng sử dụng cho HVAC.

Van

Hệ thống van cho phép một phần hoặc toàn bộ không khí lưu thông trong đường ống bị chặn lại. Nó có thể được vận hành thủ công bởi người sử dụng hoặc tự động thông qua hệ thống điều khiển truc tâm.

Van là giải pháp đơn giản và ít tốn kém nhất để điều chỉnh lượng sưởi ấm, làm mát và thông gió cho từng phần khác nhau trong phòng.

Tuy nhiên nó lại tạo lực cản trong dòng khí, điều khiến cho hoạt động của quạt kém hiệu quả hơn. Do đó không nên sử dụng quá nhiều van.

                                           

                                           Đường ống để lộ bên trong công trình mà không sử dụng trần treo

                                                 

                                                                        Hệ thống quạt VAV

Giảm tổn thất nhiệt và sức cản không khí trong hệ thống HVAC

Mô tả giải pháp

Việc giảm tổn thất nhiệt và ma sát trong hệ thống phân phối khí của hệ thống HVAC có thể giúp tăng tính hiệu quả năng lượng.

Tổn thất nhiệt

Không khí thông thường được làm nóng hoặc làm mát vượt qua nhiệt độ tiện nghi mong muốn nhưng sau đó được trộn lẫn với không khí trong phòng với tỉ lệ nhất định để đưa về nhiệt độ mong muốn. Chính vì vậy, điều quan trọng cần lưu ý là tính cách nhiệt và kín của hệ thống đường ống cung cấp.

Đường ống rò rỉ có thể làm tăng 20-40% năng lượng sưởi ấm và làm mát. Điều này không thực sự là vấn đề quan trọng đối với đường ống khí thoát và không phải là vấn đề đối với đường ống cung cấp đặt bên trong không gian được điều hòa.

Không khí sau khi được điều hòa mà tổn thất ra bên ngoài tương đương với một lượng năng lượng bị tổn thất do không khí tươi cần phải được làm nóng hoặc làm mát để thay thế. Tuy nhiên, hệ thống thông gió thu hồi nhiệt có thể cho phép hệ thống HVAC tái sử dụng nhiệt làm mát hoặc sưởi ấm từ không khí thải trong khi vẫn mang thêm không khí tươi vào.

Đôi khi không khí bên ngoài cần ít năng lượng để điều hòa hơn so với không khí tái sử dụng. Ví dụ trong điều kiện khí hậu nóng nơi mà không khí tái sử dụng mang thêm cả nhiệt từ người và thiết bị theo nó.

Thiết bị Economizer là thiết bị có khả năng chuyển giữa việc sử dụng không khí bên ngoài và tái sử dụng không khí bên trong dựa trên việc xem xét giải pháp nào sử dụng ít năng lượng hơn.

Thiết bị này có thể giảm một lượng đáng kể năng lượng dùng cho hệ thống HVAC trong điều kiện khí hậu ôn hòa và đồng thời cải thiệt chất lượng không khí trong nhà thông qua việc cấp nhiều khí tươi hơn.

Sức cản không khí trong đường ống

Hệ thống quạt thông thường đẩy không khí đi qua một vài đường ống và xảy ra hiện tượng sức cản không khí. Tính hiệu quả của bất kì lối dẫn khí nào đều được đo bằng sức cản dòng không khí của nó. Đây là hiện tượng giảm áp suất tĩnh và thường xảy ra theo hai cách:

-Tổn thất bởi sức cản do chính thành ống – được gọi là sức cản thành ống và chiếm phần lớn trong tổng sức cản đường ống.

-Tổn thất bởi đi qua các góc hoặc qua các van, khóa – được gọi là sức cản cục bộ.

Giảm tổn thất do sức cản thành ống

                                    

Một công thức tối giản hóa để tính tổn thất do sức cản thành ống là:

Trong đó:

H – tổn thất trực tiếp (được tính bằng tổn thất áp suất tĩnh và

được sử dụng để đo mức năng lượng bị tổn thất)

f – sức cản do bề mặt của đường ống

L – chiều dài/quãng đường dòng khí di chuyển

v – vận tốc dòng khí

D – kích thước (đường kính thủy lực) của đường ống dẫn khí

Dựa trên công thức này, có 4 cách chính để giảm tổn thất do sức cản đường ống, bao gồm:

Làm đường ống trơn nhẵn hơn để giảm ma sát bề mặt

Giảm chiều dài đường ống

Giảm vận tốc dòng khí – Điều này có hiệu quả rất cao, nhất là khi sự thất thoát năng lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc

Tăng kích thước đường ống (bán kính thủy thực) – Đây là phương pháp hiệu quả nhất khi sự thất thoát tỉ lệ với lũy thừa bậc 5 của kích thước đường ống.

Điều này có nghĩa là nếu tăng gấp đôi kích thước đường ống thì giảm được sự thất thoát năng lượng tới 32 lần. Việc tăng kích thước đường ống còn giúp giảm vận tốc dòng khí do đường ống có tiết diện lớn hơn sẽ chuyển được cùng một lượng không khí nhưng cần tới vận tốc thấp hơn so với tiết diện bé hơn.

Giảm tổn thất cục bộ

Tổn thất cục bộ nếu không được để ý có thể cộng dồn và gây ra tổn thất lớn.

Nếu thiết kế hệ thống đường ống có nhiều góc gập thì vô tình mức năng lượng tổn thất bị tăng gấp đôi.

Nếu tất cả các van bị đóng, tổn thất năng lượng tăng lên mức vô cùng bởi không có dòng khí đi qua đường ống, bất kể mức năng lượng nào được quạt sử dụng để đẩy dòng khí đi thì tất cả đều sẽ biến thành nhiệt thải.

Tổn thất cục bộ là hệ số không thứ nguyên dao động từ 0 (không tổn thất) tới 1 (100% năng lượng bị tổn thất). Nó thường được tính toán như đường ống thẳng có chiều dài tương đương đặt trong hệ thống.

Cùng một tiết diện thì đường ống có đoạn gấp khúc có chiều dài tương đương từ 3-5 lần chiều dài thực tế của nó.

Việc giảm tổn thất cục bộ rất đơn giản: Thiết kế hệ đường ống với ít góc gập, bán kính góc uốn lớn và có ít van hoặc các thiết bị gây cản trở dòng khí trên đường ống.

Mặc dù không có công thức đơn giản tính toán đại lượng này, hiện có nhiều bảng tra cung cấp bởi các đơn vị sản xuất hoặc nhóm học thuật đưa ra danh sách hệ số tổn thất cục bộ hoặc chiều dài đường ống tương ứng cho các kiểu bố trí và lắp đặt đường ống thông dụng nhất.

Các thiết bị lọc khí thông thường là nguồn gốc gây ra sự giảm áp suất tĩnh. Tính hiệu quả của thiết bị lọc trong việc loại bỏ chất bẩn cần phải được cân bằng với sức cản nó gây ra cho dòng khí. Bộ lọc có bề mặt rất lớn (tạo gợn sóng) có thể tạo ra ít lực cản hơn so với bộ lọc phẳng.

                           

Đường ống ngắn, rộng, trơn nhẵn với dòng khí có vận tốc thấp hơn giúp giảm được tổn thất do sức cản thành ống

                                           

                 Thiết bị lọc với gợn sóng có sức cản không khí thấp hơn nhiều