Hệ thống làm lạnh chiller trong HVAC là sự phối hợp chặt chẽ giữa các thành phần để đảm bảo hoạt động hiệu quả. Sự vận hành ổn định của hệ thống phụ thuộc vào thiết kế kỹ thuật và sự điều phối của các kỹ sư chuyên về tự động hóa và kỹ thuật lạnh.
Cụm chiller giải nhiệt nước
Cụm chiller giải nhiệt nước là trung tâm của hệ thống làm lạnh, đóng vai trò tiêu thụ điện năng lớn nhất và có giá thành cao nhất so với các thiết bị khác.
Các thiết bị này được sản xuất hàng loạt với công suất tiêu chuẩn tại các quốc gia có nền công nghệ cao, được lựa chọn dựa trên công suất làm lạnh, loại máy nén, loại môi chất lạnh, hiệu suất làm việc, v.v. Ngoài ra, có thể tích hợp thêm các yêu cầu đặc biệt như bơm nhiệt hoặc hệ thống môi chất tải lạnh tùy theo nhu cầu sử dụng.
Hệ thống bơm nước lạnh
Bơm nước
Bơm nước có nhiệm vụ tuần hoàn nước lạnh từ chiller đến tải sử dụng trực tiếp. Hệ thống hoạt động hiệu quả hơn khi mỗi chiller có bơm riêng. Loại bơm sử dụng thường là bơm dành cho nhà cao tầng, có độ ồn thấp và cột áp vừa phải.
Lưu lượng nước qua chiller cần được duy trì ổn định. Không nên điều chỉnh công suất bơm bằng biến tần nếu không có sự tính toán khoa học trong hệ thống, vì có thể ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành.
Công suất bơm được lựa chọn dựa trên cột áp và lưu lượng nước. Việc tính toán cột áp khá phức tạp do liên quan đến nhiều thông số kỹ thuật.
Đường ống
Đường ống trong hệ thống thường là ống thép đen có bọc cách nhiệt cho nước lạnh. Với nước nóng dẫn ra tháp giải nhiệt (cooling tower), có thể sử dụng ống thép đen hoặc ống đồng.
Kích thước đường ống được chọn dựa trên lưu lượng nước cần vận chuyển. Nếu đường ống quá nhỏ, tổn thất áp suất sẽ cao, đồng thời áp lực vận hành tăng lên. Ngược lại, nếu đường ống quá lớn, chi phí vật liệu và thi công sẽ tăng đáng kể.
Hệ thống tải lạnh trực tiếp
Hệ thống tải lạnh trực tiếp được lựa chọn tùy theo nhu cầu sử dụng, đảm bảo phù hợp với không gian và yêu cầu vận hành. Các phương án phổ biến bao gồm:
AHU (Air Handling Unit) – Bộ xử lý không khí
AHU là hệ thống xử lý nhiệt ẩm trung tâm, phân phối không khí qua hệ thống ống gió chính và các ống gió phụ đến từng khu vực điều hòa. AHU thường được sử dụng cho không gian lớn, có thể tích hợp nhiều lớp lọc bụi và dàn coil trao đổi nhiệt bằng ống đồng, tùy theo yêu cầu xử lý.
FCU (Fan Coil Unit) – Dàn quạt coil
FCU được sử dụng cho các phòng nhỏ hoặc khu vực có diện tích hạn chế, nơi hệ thống ống gió của AHU không thể tiếp cận. Ngoài ra, FCU phù hợp khi cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm khác biệt so với hệ thống AHU.
PAU (Primary Air Unit) – Bộ cấp gió tươi sơ cấp
PAU có chức năng cấp gió khô hơn không khí trong không gian điều hòa, giúp duy trì độ ẩm phù hợp. Hệ thống này thường cung cấp không khí có nhiệt độ thấp nhằm tăng hiệu suất làm mát.
Mô hình AHU
Mỗi nhà sản xuất có thiết kế AHU khác nhau, nhưng về cơ bản, thiết bị này đóng vai trò trung gian trao đổi nhiệt giữa nước lạnh (hoặc nước nóng) và không khí cần điều hòa.
AHU là một thiết bị có tính toán kỹ thuật phức tạp, thường được thiết kế theo yêu cầu riêng. Quá trình sản xuất dựa trên các thông số kỹ thuật như lưu lượng gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất tĩnh, và hiệu suất lọc bụi.
Hệ thống tủ điều khiển của AHU được thiết kế và sản xuất riêng theo yêu cầu của từng công trình. Các hệ thống điều khiển này thường được tích hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà (BMS – Building Management System), giúp tối ưu hóa vận hành và tiết kiệm năng lượng.
Hệ thống đường ống nước lạnh vào chiller
Trong thực tế, không phải lúc nào các coil AHU cũng hoạt động ở mức tải tối đa. Khi thiết kế hệ thống HVAC, công suất lạnh thường được dự trữ ở mức cao nhất để đảm bảo dư tải khi cần. Điều này dẫn đến tình trạng nhiều tải hoạt động trong chế độ non tải, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Hiện nay, có nhiều phương pháp đang được cải tiến để tăng hiệu quả vận hành trong điều kiện non tải.
1. Hệ thống van điều khiển lưu lượng nước
Van ba ngã: Hệ thống này duy trì lưu lượng nước tuần hoàn liên tục, nhưng có nhược điểm là tổn hao áp lực nước lớn, làm tăng mức tiêu thụ điện năng của bơm nước. Ngoài ra, việc hòa trộn giữa nước hồi và nước lạnh cấp không đạt hiệu quả tối ưu.
Van hai ngã: Hệ thống này điều chỉnh lưu lượng nước cấp bằng cách thay đổi vị trí van, đồng thời giải phóng áp lực qua van bypass. Nhờ đó, áp suất tác động lên bơm giảm, giúp tiết kiệm điện năng.
2. Face and Bypass Damper Control
Hệ thống này sử dụng các cửa gió điều chỉnh để điều tiết lượng gió bypass khi hệ thống hoạt động trong chế độ non tải. Nhờ vậy, có thể tiết kiệm chi phí lắp đặt ống bypass, đồng thời giảm tổn thất áp suất nước, giúp tiết kiệm điện cho bơm. Tuy nhiên, hệ thống này có giá thành và yêu cầu điều khiển phức tạp hơn so với hai phương án trên.
3. Hệ thống Primary-Secondary
Hệ thống này được chia thành hai vòng nước riêng biệt:
Vòng sơ cấp: Chỉ cấp nước trực tiếp qua chiller. Vì vòng này không cần phân phối xa, nên bơm sơ cấp thường có áp suất thấp và tốc độ cố định. Nếu lưu lượng nước thay đổi, hệ thống sẽ ngay lập tức ngắt chiller và báo lỗi.
Vòng thứ cấp: Có nhiệm vụ phân phối nước lạnh đến tải tiêu thụ trong công trình. Bơm thứ cấp sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ, giúp giảm điện năng tiêu thụ theo nhu cầu thực tế.
Hệ thống này bắt buộc phải có đường bypass để duy trì lưu lượng nước qua chiller ở mức cố định. Đặc biệt, đường ống bypass này không được lắp van chặn nhằm đảm bảo lưu thông nước liên tục.
Hệ thống lưu lượng thay đổi với đoạn ống bypass
Trong hệ thống này, chỉ có một hệ bơm duy nhất ở bộ bay hơi (Evaporator) của chiller, kết hợp với các bơm sử dụng biến tần để điều khiển lưu lượng nước.
Khi hệ thống giảm tải, cả chiller và bơm nước đều có khả năng giảm công suất. Để đảm bảo lưu lượng nước qua chiller không giảm xuống dưới mức tối thiểu do nhà sản xuất quy định, cần sử dụng một đường ống bypass có van điều chỉnh.
Ngoài ra, các dàn coil cũng phải sử dụng hệ thống van hai ngã (2-way valve) để điều tiết lưu lượng nước. Cảm biến chênh áp (delta P sensor) sẽ được dùng để điều khiển hoạt động của bơm một cách tối ưu.
Việc tính toán đường ống bypass cần đảm bảo đáp ứng được lưu lượng tối thiểu của chiller có công suất lớn nhất trong hệ thống. Khi chọn chiller, nhà sản xuất thường cung cấp giá trị lưu lượng tối thiểu này để làm cơ sở thiết kế.
Hệ thống ống gió trong hệ thống chiller
Hệ thống ống gió có nhiệm vụ hòa trộn gió tươi và gió hồi trước khi đưa vào AHU/FCU để xử lý theo các yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm của không gian điều hòa.
Hiện có nhiều phương pháp tính toán kích thước ống gió, nhưng phương pháp phổ biến nhất là phương pháp ma sát đồng đều (Equal Friction Method). Phương pháp này đơn giản và dễ áp dụng vì có thể dễ dàng xác định số lượng miệng gió và kích thước từng đoạn nhánh dựa trên các thông số lưu lượng gió và độ ồn yêu cầu. Các thông số này thường có thể tra cứu từ bảng tiêu chuẩn kỹ thuật.
Mặc dù việc tính toán không quá phức tạp, thách thức lớn nhất là thể hiện chính xác hệ thống trên bản vẽ 2D và 3D để cung cấp thông tin đầy đủ cho chủ đầu tư.
Ngoài ống gió cấp chính, hệ thống còn bao gồm các loại ống gió khác như:
- Ống gió hồi: Dẫn không khí từ không gian điều hòa quay lại AHU để xử lý.
- Ống gió thải: Loại bỏ khí thải ra khỏi hệ thống.
- Ống gió tăng áp cầu thang: Được sử dụng trong hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC) để duy trì áp suất dương trong cầu thang thoát hiểm.
Hệ thống kết nối điều khiển máy lạnh chiller
Trong hệ thống HVAC sử dụng chiller, từng thiết bị hoạt động độc lập và được điều khiển bởi bộ điều khiển trực tiếp số (DDC – Direct Digital Controller). DDC có khả năng nhận tín hiệu từ các cảm biến và thực hiện các lệnh điều khiển theo chương trình được lập trình sẵn. Ngoài ra, DDC còn được tích hợp cổng truyền thông để kết nối với các hệ thống khác.
Kết nối giữa DDC và hệ thống máy chủ
DDC giao tiếp với hệ thống máy chủ trung tâm thông qua các chuẩn giao tiếp truyền thông (protocols) như BACnet, Modbus, hoặc LonWorks. Điều này cho phép máy chủ thu thập dữ liệu về trạng thái hoạt động của từng thiết bị trong hệ thống HVAC.
Nhờ đó, hệ thống máy chủ có thể:
Nhận diện các thiết bị đang hoạt động và trạng thái vận hành của chúng.
Phân quyền điều khiển, cho phép người quản lý can thiệp vào dữ liệu lập trình trên DDC để điều chỉnh thiết bị theo nhu cầu thực tế.
Tích hợp hệ thống với phần mềm BMS
Toàn bộ quá trình lập trình, điều khiển và kết nối giữa các thiết bị HVAC được tích hợp với hệ thống quản lý tòa nhà (BMS – Building Management System). Phần mềm BMS được thiết kế riêng cho từng công trình, giúp giám sát và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống HVAC.
Thông thường, việc triển khai hệ thống BMS do một công ty chuyên về điều khiển thực hiện, sử dụng các bộ điều khiển thuộc dòng sản phẩm chuyên dụng của một hãng nhất định.
