A. Tổng Quan:
- Dựa vào một ít tìm hiểu về ngành lạnh. Và mình muốn giúp cho các bạn không phải trong ngành lạnh có cái nhìn đơn giản hơn về hệ thống Điều Hòa Chiller tòa nhà (nhất là dân kỹ thuật điện, bảo trì cơ điện tòa nhà).
- Hệ thống điều hòa trung tâm Water chiller là sự kết hợp một cách khoa học có tính toán hoạt động nhịp nhàng của các thành phần trong hệ thống, mà phần đảm nhiệm chính lại là các kỹ sư ngành tự động có tìm hiểu về lạnh.
- Ở Việt Nam do tài liệu còn hạn chế trong khi đa số cái tài liệu về ĐH Chiller lại bằng Tiếng Anh. Mà dân kỹ thuật phần nhiều
lại ít có duyên với ngoại ngữ, bởi vậy mà hệ thống điều khiển và điều hòa trung tâm chiller vẫn ít có cơ hội tiếp xúc với đa sô dân ngành kỹ thuật lạnh.
- Cuối cùng, mình viết theo phong cách "hiểu sao nói vậy", như vậy sẻ đơn giản dẻ hiểu hơn cho ngưới đọc là cứ đánh văn bản từ trong sách ra.
B. Mô Tả Hệ Thống:
Hệ thống cơ bản gồm 5 phần cơ bản:
1. Cụm trung tâm nước water Chiller.
2. Hệ Thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh.
3. Hệ Thống tải sử dụng Trực Tiếp: AHU, FCU, PAU, PHE .v.v.
4. Hệ Thống tải sử dụng Gián Tiếp: Hệ Thống đường ống gió thổi qua phòng cần điều hòa, Các van điều chỉnh ống gió, miệng gió: VAV, Damper.v.v.
5. Hệ Thống Bơm và tuần hoàn nước qua Cooling Tower (nếu có) đối với chiller giải nhiệt nước.
1. Mô hình hệ thống hoạt động như sau:
Có 4 Vòng Tuần Hoàn cho hệ thống như sau:
- Vòng tuần hoàn màu đỏ: Là vòng tuần hoàn nước nóng bơm vào cooling tower thảy nhiệt này ra môi trường.
- Vòng tuần hoàn màu xanh: Là vòng tuần hoàn gas lạnh trong cụm water chiller.
- Vòng tuần hoàn màu tím nhạt: Là vòng tuần hoàn nước lạnh được bơm đến AHU, FCU, PAU, PHE .v.v.
- Vòng tuần hoàn màu vàng: Là vòng tuần hoàn của hệ thống ống gió thổi vào phòng được điều hòa.
2. Mô hình hệ thống thực tế như sau:
3. Các Thiết Bị Trong Hệ Thống:
A. Cụm Water cooled chiller:
- Là trung tâm của hệ thống, Tiêu thụ điện năng lớn nhất, giá thành cao nhất so với thiết bị khác.
- Được sản xuất hàng loạt công nghiệp theo những công suất định sẳn tại các nước có nền công nghệ cao, từ đó phân phối riêng lẻ ra theo các công trình tòa nhà lớn nước ngoài.
- Việc chọn lựa và hàm lượng tính toán đơn giản so với các thành phần còn lại của hệ thống. Được chọn theo năng suất lạnh yêu cầu (lấy đơn giản 15m2 bằng 1 tons loại điều hòa thường). Loại máy nén gas, loại Gas, Hiệu suất làm việc (cấp giảm tải, chạy biến tần.v.v.). Hoặc một số yêu cầu kèm theo: gắn bơm nhiệt, chất tải lạnh glycol .v.v.
- Các thương hiệu hàng đầu thế giới: Trane, Carrier, York, Mc Quay, Hitachi,Climaveneta, Dunham - bush.v.v.
B. Hệ thống bơm và đường ống nước lạnh:
Bơm Nước:
- chịu trách nhiệm bơm nước lạnh qua Chiller đến tải sử dụng trực tiếp (Nước lạnh sinh hoạt trao đổi qua tấm PHE, AHU, FCU, PAU.v.v.). Hiệu suất cao hơn nếu mổi chiller có riêng một bơm cho mình, bơm là loại bơm dùng cho nhà cao tầng có độ ồn nhỏ, cột áp không cao lắm (vì cân bằng tuần hoàn kín giữa cột áp đi và cột áp về).
- Lưu lượng nước từ bơm qua chiller luôn phải được giử ổn định, không tăng hay giảm công suất lưu lượng bơm bằng biến tần nếu không có sự kết hợp có khoa học của hệ thống.
- Chọn công suất bơm: dựa vào cột áp nước và lưu lượng nước (lưu lượng có sẳn theo thông số Chiller đã chọn). Việc Tính Toán cột áp Bơm nước có phần phức tạp do các thông số toán nhiều (lưu lượng nước, độ dài đường ống, độ cao, sụt áp qua co, cút, Tê, AHU, FCU, PAU .v.v.). Mặt dù có tính toán bằng tay để làm thuyết minh dự thầu, nhưng đa số vẫn dựa vào phần mềm phân tích tính toán để đưa ra kết quả tốt nhất.
Đường Ống:
- Thường là ống thép đen được bọc cách nhiệt với đường nước lạnh. Ống thép đen hay ống đồng với đường ống nước nóng dẩn ra cooling tower. Hiện nay người ta bắt đầu thiết kế sang ống nhựa PPR cho hệ thống chiller, một số công trình dùng ống loại này hiện đang sử dụng rất tốt.
- Việc lựa chọn kích thước đường ống dựa vào lưu lượng mà nó chuyên chở: Đường ống nhỏ quá dẩn đến tổn thất áp suất nước lớn đồng thời đường ống phải chịu áp suất cao hơn khi làm việc. Đường ống quá lớn dẩn đến tăng giá thành do thi công và giá đường ống.
- Tùy theo lưu lượng mà ta chọn kích thước đường ống, tra theo catalog nhà sản xuất.
C. Hệ Thống AHU (Air handling unit), FCU (Fan Coil Unit), PAU (Primary Air Unit) hay MAU (Make Up Air):
AHU, FCU, PAU bản chất giống nhau nhưng khác mục đích sử dụng.
-- AHU: là bộ xử lý nhiệt ẩm hệ thống ống gió trung tâm và chia ra làm nhiều ống gió phụ đi vào không gian điều hòa. Như vậy một AHU có thể có nhiều lớp lọc bụi, nhiều dàn coil ống đồng (nước nóng hoặc lạnh) theo điều kiện xử lý yêu cầu và dùng cho một không gian lớn.
-- FCU: thì dùng cho nhiều phòng nhỏ hay khu vực nhỏ nơi mà hệ thống ống gió của AHU không thể tới được, hay với yêu cầu một vài phòng nằm trong khu vực với yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm khác với AHU đang lắp sử dụng. FCU không xử lí nhiệt ẩm tốt bằng AHU (do kích thước sản xuất hạn chế). Nên với yêu cầu đòi hỏi cao ta bắt buột sử dụng thêm bộ xử lý PAU (lọc, làm lạnh,gia nhiệt, tách ẩm hay tạo ẩm) được lắp bên ngoài và nối ống gió cho nhiều FCU bên trong.
-- PAU: Luôn cấp gió khô hơn không khí trong không gian điều hòa. Khô ở đây nói đến độ chứa hơi ( hay độ khô), không phải độ ẩm tương đối ( vì gió sao khi ra coil FCU thì có độ ẩm tương đối cao 85~95%).Luôn cấp gió nhiệt độ càng thấp ( >9 nếu dùng VAV, > 11 nếu dùng CAV) khi có thể, khi này sẽ giảm được size của FCU hay Indoor Unit.
Mô Hình AHU: Tùy theo nhà sản xuất mà AHU có cấu trúc khác nhau
- Là thiết bị trao đổi nhiệt trung gian giữa nước lạnh hoặc nước nóng với không khí cần được điều hòa.
- Đây là thiết bị có yêu cầu hàm lượng tính toán và đặt chế riêng biệt như: sản xuất theo đặt hàng các thông số: lưu lượng gió, nhiệt độ, độ ẩm trước và sau yêu cầu của phòng điều hòa.
- Hệ thống tủ điều khiển, kết nối được làm riêng tại các công ty gia công cơ điện lạnh. Hay nói cách khác là sự kết hợp của 2 hay một công ty chuyên về sản xuất gia công AHU và chuyên về thiết kế, thi công điều khiển lạnh tòa nhà.
- Để giảm lại một số quy trình tính toán và hệ thống điều khiển, nhà cung cấp AHU đã cho ra một số phần mềm tính chọn riêng cho hảng của họ. Bởi vậy khi đả có đủ các thông số yêu cầu, ta chỉ cần mở phần mềm để tra và chọn loại AHU phù hợp nhất cho hệ thống. Họ cung cấp luôn giải pháp điều khiển và kết nối, nhận tín hiệu từ máy tính trung tâm (BMS của tòa nhà).
Đường ống Nước Lạnh Vào AHU:
Do không phải lúc nào các coil AHU cũng hoạt động đầy tải mà do quá trình thiết kế luôn dự trử công suất lạnh với mức cao nhất. Điều này dẩn tới các tải luôn hoạt động ở chế độ non tải, và các phương pháp tăng hiệu quả khi chạy ở chế độ non tải ra đời đang dần được cải tiến. Các giải pháp theo bác herot trên HVAC như sau:
- Van 2 Ngả (two way valve control).
- Van 3 Ngả (three way valve control).
- Face and bypass damper control.
- Primary-Secondary (Hệ thống 2 vòng nước ).
- Variable Primary Flow (VPF)( Hệ thống lưu lượng thay đổi với đoạn ống by pass).
1.Van 3 Ngả (three way valve control): Lưu lượng nước liên tục. Tổn hao áp lực nước qua hệ thống lớn, dẩn đến hao điện máy bơm nước. Việc hòa trộn nước hồi và nước lạnh cấp không tốt như mong muốn.
2. Van 2 Ngả và bypass (two way valve control and bybass): Thay đổi lưu lượng nước cấp, áp lực được giải phóng qua van bypass do đó sụp áp đặt trên bơm cũng nhẹ đi và tiết kiệm điện máy bơm.
3. Face and bypass damper control (Bề mặt cửa gió dạng Bypass):
- Nhờ qua hệ thống cửa gió điều chỉnh được, giúp cho một lượng gió thổi qua bypass damper khi chạy non tải.
- Vừa tiết kiệm được ống bybass, mà sụt áp nước ít nên tiết kiệm điện cho máy bơm, nhưng giá thành và điều khiển loại này đắc hơn 2 loại trên.
4. Primary-Secondary (Hệ thống 2 vòng nước):
- Như các bạn thấy thì hệ này được chia thành 2 vòng nước, vòng sơ cấp - Primary chỉ dùng để cung cấp nước đi qua cụm Chiller nên thường chỉ cần những bơm với cột áp nhỏ. Cụm Sơ cấp này bắt buộc phải là Bơm với tốc độ cố định vì khi này công nghệ sản xuất Chiller chưa cho phép lưu lượng nước qua Chiller thay đổi được, lưu lượng này bắt buộc phải là Hằng số, nếu lưu lượng thay đổi thì hệ thống lập tức ngắt Chiller và Báo lỗi Hệ thống.
- Vòng nước Thứ cấp-Secondary với mục đích là phân phối nước lạnh vào công trình, đến tải tiêu thụ... thì sử dụng các Bơm Biến Tần có khả năng thay đổi giảm vô cấp được vận tốc Bơm==> chính là giảm Điện năng Tiêu thụ.
- Khi này hệ thống phải có Đường Bypass để duy trì lưu lượng nước qua Chiller là cố định, lưu ý là Ống Bypass này không có van nào chặn cả (may ra có thể gắn được Van 1 chiều để chặn nước từ đầu hút của bơm Pri dồn qua đầu hút của Bơm Secondary).
- hệ thống này đã có khả năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Bơm tuần hoàn khi dùng Biến tần ở đây, nhưng chúng ta phải thêm cả một hệ thống bơm khác, kèm theo đó là tiêu tốn biết bao nhiêu chi phí phụ kiện kèm theo nó.
5. Variable Primary Flow VPF ( Hệ thống lưu lượng thay đổi với đoạn ống by pass):
- Khi này chỉ còn một hệ Bơm duy nhất đi qua Evaporator của Chiller với các Bơm dùng Biến tần điều khiển.
- Khi giảm tải thì Chiller cùng Bơm nước đều có khả năng giảm tải, khi này phải dùng một đường ống Bypass với van điều chỉnh trên đó (nhìn sơ qua thì cứ tưởng giống hệt như Hệ thống thứ 2 đã nói ở trên nhưng thực tình thì nguyên lý khác hoàn toàn). Van Bypass này với mục đích để duy trì lượng nước qua Chller không được thấp hơn một giá trị Minimum mà Chiller đã có.
- Khi này các dàn Coil cũng phải sử dụng hệ thống Van 2 ngả để có thể dùng cảm biến Delta P (cảm biến hiệu áp suất) điều khiển các Bơm.
- Việc tính toán đường ống Bypass này phải đáp ứng được lưu lượng nhỏ nhất của Chiller lớn nhất trong hệ thống, thông thường khi chọn lựa một Chiller thì nhà sản xuất sẽ phải cung cấp cho bạn giá trị Minimum này.
- Theo nghiên cứu của tổ chức ASHRAE thì hệ thống VPF này có khả năng:
1. Giảm năng lượng tiêu tốn trên toàn hệ thống đến 3% mỗi năm
2. Giảm chi phí đầu tư khoang 4-8% do giảm được số lượng bơm so với hệ số 3, và tiết kiệm không gian, Co, Tee, Fitting kèm theo nó.
3. Giảm chi phí vòng đời, bảo trì khoảng 3-5%
4. Giảm năng lượng cho hệ Bơm nước lạnh từ 25-50%
5. Giảm năng lượng Chiller đến 13%
- Những thông số trên đây đều có cơ sở để chứng minh với những tính năng của hệ thống VPF sẽ tóm lược sau đây: có khả năng kéo dãn dải công suất Chiller ép phải hoạt động ở chế độ đầy tải với hiệu suất cao nhất, giảm số lần đóng mở hệ Chiller làm tăng tuổi thọ, tăng độ tin cậy...
D. Hệ Thống Ống Gió:
- Hòa trộn gió tươi và gió hồi, lượng gió hòa trộn này sẻ được đưa vào AHU hay FCU để xử lý theo yêu cầu về nhiệt độ, độ ẩm của không gian điều hòa.
- Có nhiều phương pháp tính toán ống gió. Nhưng phương pháp sử dụng phổ biến là phương pháp ma sát đồng điều.
- Tính toán không quá mấy phức tạp do dể dàng trong lựa chọn số lượng miệng gió và kích thước từng đoạn nhánh. thông số chủ yếu là lưu lượng gió và độ ồn yêu cầu điều dể dàng tra ra được. Mà điều khó khăn nhất là thể hiện trên bản vẻ 2D hoặc 3D để ra thông số chính xác nhất cho nhà đầu tư.
- Ngoài ra còn có hệ thống ống gió khác như ống gió hồi, ống gió thải, ống gió tăng áp cầu thang .v.v.
E. Hệ thống kết nối điều khiển Chiller: Tài liệu điều khiển AHU.
- Từng phần thiết bị: Chiller, AHU, FCU, PAU, Van 2 – 3 Ngả.v.v. điều hoạt động độc lập bởi bộ điều khiển DDC. Và DDC có thể nhận tín hiệu từ cảm biến (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng gió và nước, nồng độ CO2.v.v.), được lập trình điều khiển sẳn bằng máy tính và có tích hợp cổng truyền thông.
- DDC có kết nối với hệ thống máy tính chủ qua các chuẩn giao tiếp (cổng giao tiếp truyền thông RS232, RS485.v.v.) kết nối được với nhau.
- Qua đó máy tính chủ có thể nhận biết các hệ thống nào đang hoạt động và tình trạng hoạt động. Do máy tính có thêm chức năng phân quyền điều khiển mà máy tính chủ có thể tác động can thiệp vào dữ liệu đã được lập trình sẳn trên DDC để điều khiển thiết bị đó theo nhu cầu của người quản lý của máy tính chủ.
- Việc lập trình, điều khiển và đảm bảo các thiết bị có thể giao tiếp được với nhau (bởi tính hiệu số đòi hỏi các thiết bị phải có chung một chuẩn giao tiếp như giao tiếp như HTML, Lon Works, BAC Net, OPC, AdvanceDDE, modbus, ODBC.v.v) để kết nối với máy tính với phần mềm BMS viết riêng cho công trình tòa nhà. Đa số là do một công ty điều khiển và sử dụng một dòng hàng điều khiển chuyên dùng riêng của hảng (VD: thiết bị delta.v.v.).