Giải Pháp Thiết Kế Chiller
Các tiêu chuẩn xanh cần đạt cho các công trình:
ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers):
- TCVN 5687:2010: Tiêu chuẩn này tương đương với các hướng dẫn của ASHRAE về thông gió và điều hòa không khí, tập trung vào hiệu suất năng lượng, chất lượng không khí trong nhà (IAQ), và độ thoải mái cho người sử dụng.
- ASHRAE 90.1: Tiêu chuẩn về hiệu quả năng lượng cho các tòa nhà.
- ASHRAE 62.1: Tiêu chuẩn về thông gió để có chất lượng không khí trong nhà tốt.
- ASHRAE 15: An toàn cho hệ thống Chiller và môi chất lạnh.
LEED (Leadership in Energy and Environmental Design): Hệ thống chứng nhận công trình xanh quốc tế, tập trung vào các khía cạnh: Tiết kiệm năng lượng, Sử dụng nước hiệu quả, Giảm phát thải CO2, Cải thiện chất lượng môi trường trong nhà, Vật liệu và tài nguyên bền vững.
Green Mark (Singapore): Tương tự LEED, tập trung vào hiệu quả năng lượng, chất lượng không khí, sử dụng nước, và các vật liệu thân thiện môi trường.
Giải pháp thiết kế Chiller cho từng dạng dự án
Nhà Máy (Industrial Plants)
Yêu cầu đặc thù: Nhu cầu lượng làm lạnh lớn, ổn định, liên tục; khả năng chịu tải cao; yêu cầu độ tin cậy và an toàn cao; có thể yêu cầu nhiệt độ nước lạnh thấp cho các quy trình sản xuất đặc biệt.
Giải pháp thiết kế Chiller:
Lựa chọn Chiller:
- Chiller trục vít hoặc ly tâm: Phù hợp cho công suất lớn, hoạt động liên tục. Chiller ly tâm thường được ưu tiên cho các nhà máy có nhu cầu làm lạnh rất lớn và yêu cầu hiệu suất cao.
- Chiller có biến tần hoặc không biến tần: Việc kết hợp chiller có biến tần và không biến tần là một giải pháp tối ưu để giảm chi phí đầu tư ban đầu cũng như tăng hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, hiệu suất của từng loại chiller sẽ phụ thuộc vào tải hoạt động của chúng
- Cụ thể, nếu chiller hoạt động từ 90% tải trở lên, việc sử dụng chiller không biến tần sẽ mang lại hiệu suất cao hơn so với chiller có biến tần. Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng điện ít hơn, chi phí đầu tư và bảo trì rẻ hơn.
- Ngược lại, chiller có biến tần thường tiết kiệm năng lượng hơn khi hoạt động ở tải thấp hoặc khi nhiệt độ ổn định. Chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ máy nén theo yêu cầu tải, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ so với các loại chiller thông thường chỉ có chế độ bật/tắt.
Lựa chọn Bơm và Tháp giải nhiệt:
Lựa chọn bơm lạnh và bơm nóng: Khi lựa chọn bơm nóng cho hệ thống tháp giải nhiệt, cần lưu ý đến sự khác biệt về cột áp giữa bơm lạnh và bơm nóng. Thông thường, do tháp giải nhiệt được lắp đặt gần với chiller, cột áp của bơm nóng sẽ thấp hơn so với bơm lạnh.
- Việc xác định đúng cột áp và lưu lượng cần thiết cho bơm là rất quan trọng để tránh tình trạng chọn bơm có công suất quá cao so với nhu cầu thực tế. Nếu công suất bơm quá lớn, sẽ dẫn đến lãng phí điện năng và chi phí đầu tư ban đầu cao hơn.
- Để tính toán cột áp cho bơm, cần xem xét các yếu tố sau:
- - Độ cao tĩnh (Hstatic): Là khoảng cách giữa mực nước trong bể chứa và điểm cao nhất mà nước cần được đẩy tới.
- - Tổn thất ma sát (Hfriction): Bao gồm tổn thất do ma sát giữa nước và thành ống, cũng như tổn thất qua các phụ kiện như co, tê, van.
- - Áp suất tại điểm ra cuối cùng (nếu có): Đối với các mạch kín, yếu tố này thường bằng 0.
- Công thức chung để tính toán cột áp bơm thường là:
H = Hstatic + Hfriction + Áp suất tại điểm ra cuối cùng (nếu có). - Việc lựa chọn bơm có công suất phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và đầu tư, đồng thời đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống làm lạnh.
Lựa chọn Tháp giải nhiệt: Việc lựa chọn tháp giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống làm mát. Hiệu suất của tháp giải nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện thời tiết như độ ẩm, nhiệt độ không khí, cũng như vị trí lắp đặt có bị ảnh hưởng bởi luồng gió quẩn hay không.
- Để đảm bảo tháp giải nhiệt hoạt động hiệu quả và đáp ứng nhu cầu làm mát, đặc biệt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, khi lựa chọn công suất cho tháp giải nhiệt, bạn nên nhân công suất của chiller với một hệ số an toàn là 1,3. Điều này có nghĩa là công suất tháp giải nhiệt nên gấp 1,3 lần công suất của chiller.
- Việc áp dụng hệ số an toàn này giúp bù đắp cho những ảnh hưởng tiêu cực từ môi trường (như nhiệt độ không khí cao, độ ẩm lớn) và đảm bảo tháp giải nhiệt có khả năng giải nhiệt nước làm mát một cách tối ưu, ngay cả khi hệ thống chiller hoạt động ở tải cao điểm.
- Trong môi trường hóa chất, nơi có khả năng ăn mòn cao, việc lựa chọn tháp giải nhiệt có khả năng chống ăn mòn tốt là cực kỳ quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của thiết bị.
- Đối với các nhà máy hóa chất, nên ưu tiên các loại tháp giải nhiệt có kết cấu bền chắc và khả năng chống ăn mòn cao. Một số lựa chọn vật liệu phù hợp bao gồm:
- Khung mạ kẽm dày: Lớp mạ kẽm dày sẽ tăng cường khả năng chống ăn mòn cho khung tháp, giúp bảo vệ khỏi tác động của hóa chất và môi trường.
- Khung Inox: Thép không gỉ (Inox) là vật liệu có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt là các loại Inox cao cấp như Inox 304 hoặc 316. Tháp giải nhiệt sử dụng khung Inox sẽ có độ bền cao, ít bị ảnh hưởng bởi hóa chất và môi trường khắc nghiệt.
- Ngoài ra, một số vật liệu khác cũng có thể được xem xét tùy thuộc vào mức độ ăn mòn cụ thể của môi trường:
- Nhựa FRP (Polymer gia cố bằng sợi thủy tinh): Loại vật liệu này có khả năng chống ăn mòn rất cao và thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và tuổi thọ lâu dài.
- Sơn epoxy hoặc các lớp phủ chống ăn mòn chuyên dụng: Áp dụng các lớp phủ này lên bề mặt kim loại của tháp giải nhiệt cũng giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Tối ưu hiệu suất năng lượng theo chuẩn ASHRAE 90.1:
- Chỉ số hiệu suất năng lượng (EER/COP): Lựa chọn Chiller có EER/COP cao theo tiêu chuẩn ASHRAE.
- Hệ thống điều khiển thông minh: Tích hợp bộ điều khiển biến tần (VFD) cho bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt và quạt tháp giải nhiệt để điều chỉnh lưu lượng theo tải thực tế, tiết kiệm điện năng.
- Tận dụng nước lạnh dư thừa: Nếu có, có thể sử dụng nhiệt từ nước ngưng tụ để sưởi ấm hoặc các quy trình khác (Hệ thống Chiller hồi nhiệt).
Độ tin cậy và an toàn (ASHRAE 15):
- Sử dụng môi chất lạnh an toàn, thân thiện với môi trường như R410.
- Đối với các nhà máy thực phẩm nên sử dụng Hệ thống giám sát áp suất, nhiệt độ, rò rỉ môi chất lạnh
- Hệ thống bơm dự phòng.
Tiêu chuẩn LEED/Green Mark:
- Chủ động giảm phát thải: Lựa chọn Chiller sử dụng môi chất lạnh có chỉ số GWP (Global Warming Potential) thấp.
- Tận dụng nước: Sử dụng tháp giải nhiệt hiệu quả, có thể xem xét thu hồi nước mưa hoặc nước thải đã qua xử lý cho tháp giải nhiệt.
- Vận hành thông minh: Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) để giám sát và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng.
Khách Sạn (Hotels)
Yêu cầu đặc thù: Yêu cầu cao về sự thoải mái cho khách, hoạt động êm ái, hiệu quả năng lượng để giảm chi phí vận hành, khả năng đáp ứng biến động tải lớn (theo mùa, theo giờ), yêu cầu cao về chất lượng không khí trong nhà (IAQ), nhu cầu tải cần đáp ứng luôn luôn là 24/7.
Giải pháp thiết kế hệ Chiller:
Lựa chọn Chiller: Khách sạn nhu cầu tải là liên tục 24/7 nên hệ chiller cũng sẽ hoạt động liên tục nên khi chọn chiller ta nên chọn các loại các hãng có độ bền hoạt động cao, hoạt thiết kế thêm chiller dự phòng để có thể luân phiên nhâu hoạt động.
- Chiller ly tấm hoặc trục vít: Phù hợp cho công suất trung bình và lớn, hoạt động êm ái, hiệu quả ở nhiều mức tải, độ bền và tuổi thọ đảm bảo.
- Chiller ly tâm có từ tính (Magnetic bearing centrifugal chillers): Là lựa chọn cao cấp, cực kỳ hiệu quả năng lượng, hoạt động rất êm ái, không cần dầu bôi trơn, giảm thiểu bảo trì. Tuổi thọ có thể lên tới 30 năm.
- Chiller có biến tần hoặc không biến tần: Việc kết hợp chiller có biến tần và không biến tần là một giải pháp tối ưu để giảm chi phí đầu tư ban đầu cũng như tăng hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, hiệu suất của từng loại chiller sẽ phụ thuộc vào tải hoạt động của chúng
- Cụ thể, nếu chiller hoạt động từ 90% tải trở lên, việc sử dụng chiller không biến tần sẽ mang lại hiệu suất cao hơn so với chiller có biến tần. Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng điện ít hơn, chi phí đầu tư và bảo trì rẻ hơn.
- Ngược lại, chiller có biến tần thường tiết kiệm năng lượng hơn khi hoạt động ở tải thấp hoặc khi nhiệt độ ổn định. Chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ máy nén theo yêu cầu tải, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ so với các loại chiller thông thường chỉ có chế độ bật/tắt.
- Đối với khách sạn nhu cầu tải phụ thuộc rất lớn từ lượng khách tới đặt phòng vì vậy ta thường lựa chọn chiller có biến tần để có thể điều chỉnh tải chiller tối ưu nhất.
Tối ưu hiệu suất năng lượng (ASHRAE 90.1):
- Điều khiển biến tần (VFD): Sử dụng cho bơm nước lạnh, bơm giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt và đôi khi cả cho động cơ máy nén Chiller (đối với Chiller ly tâm).
- Kiểm soát nhiệt độ nước lạnh: Điều chỉnh nhiệt độ nước lạnh theo tải thực tế thay vì giữ cố định ở một mức thấp.
- Tích hợp BMS: Quản lý tập trung, giám sát tiêu thụ năng lượng, tối ưu hóa cài đặt.
Chất lượng không khí trong nhà (IAQ) (ASHRAE 62.1):
- Hệ thống thông gió và xử lý không khí: Kết hợp Chiller với AHU (Air Handling Unit) có bộ lọc hiệu quả, bộ phận hồi nhiệt (heat recovery) để thu hồi nhiệt từ khí thải, giúp giảm tải cho Chiller và tiết kiệm năng lượng.
- Kiểm soát độ ẩm: Hệ thống Chiller cần có khả năng kiểm soát độ ẩm tốt.
Tiêu chuẩn LEED/Green Mark:
- Giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI): Cân nhắc vị trí lắp đặt tháp giải nhiệt, sử dụng vật liệu phản xạ nhiệt cho mái.
- Môi chất lạnh GWP thấp: Ưu tiên các loại gas lạnh thân thiện môi trường.
- Giám sát năng lượng: Hệ thống BMS mạnh mẽ để theo dõi và báo cáo hiệu suất.
Trung Tâm Thương Mại (Shopping Malls)
Yêu cầu đặc thù: Nhu cầu làm lạnh rất lớn, biến động liên tục theo thời gian trong ngày, mùa vụ và các sự kiện đặc biệt. Yêu cầu độ tin cậy cao vì ngừng hoạt động sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh doanh. Cần hiệu quả năng lượng cao để giảm chi phí vận hành khổng lồ.
Giải pháp thiết kế Chiller:
Lựa chọn Chiller:
- Hệ thống Chiller đa cụm quy mô lớn: Bao gồm nhiều máy Chiller trục vít hoặc ly tâm. Số lượng máy nhiều giúp tối ưu hóa hiệu suất ở các mức tải khác nhau và đảm bảo tính sẵn sàng (N+1 redundancy).
- Chiller ly tâm có biến tần (Variable Speed Drive - VSD): Cực kỳ hiệu quả cho tải biến động lớn của trung tâm thương mại.
- Chiller trục vít có công nghệ tiết kiệm năng lượng: Như bộ phận hồi nhiệt, biến tần.
Tối ưu hiệu suất năng lượng (ASHRAE 90.1):
- Tối ưu hóa chu trình nước lạnh: Điều chỉnh nhiệt độ nước lạnh dựa trên đo đạc tải thực tế, có thể phân vùng làm lạnh cho các khu vực khác nhau.
- Hồi nhiệt (Heat Recovery): Tận dụng nhiệt từ quá trình ngưng tụ của Chiller để cấp nhiệt cho nước nóng sinh hoạt, sưởi ấm không khí cấp (đặc biệt hữu ích vào mùa đông hoặc khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn).
- Hệ thống điều khiển BMS tiên tiến: Tích hợp sâu với các hệ thống khác như chiếu sáng, hệ thống thông gió, hệ thống kiểm soát vào ra để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng toàn tòa nhà.
Chất lượng không khí trong nhà (IAQ) và Độ thoải mái (ASHRAE 62.1):
- Sử dụng AHU với bộ lọc HEPA, bộ điều khiển CO2 để điều chỉnh lưu lượng gió tươi theo mật độ người sử dụng.
- Cân bằng gió tươi và gió tuần hoàn để tối ưu hiệu quả làm lạnh.
Tiêu chuẩn LEED/Green Mark:
- Giảm tải chiller: Tối ưu hóa lớp vỏ cách nhiệt của tòa nhà, sử dụng kính hiệu suất cao, vật liệu phản xạ nhiệt trên mái.
- Giám sát năng lượng liên tục: Hệ thống BMS phải có khả năng thu thập, phân tích dữ liệu năng lượng chi tiết và đưa ra cảnh báo hoặc đề xuất cải thiện.
- Sử dụng nước hiệu quả: Tháp giải nhiệt hiệu suất cao, giảm thiểu thất thoát nước.
Giải pháp kết hợp Chiller giải nhiệt nước và Heat pump
Tại các khách sạn hoặc các nhà máy thưởng có thêm hệ thống Heat Pump để tạo ra nước và nước nóng để phục vụ cho quá trình vận hành sản xuất. Việc kết hợp chiller giải nhiệt nước với heat pump là một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, đặc biệt là trong việc cung cấp cả nước lạnh và nước nóng cho các tòa nhà, khu công nghiệp, khách sạn, v.v.
Nguyên lý hoạt động:
- Chiller giải nhiệt nước: Chiller hoạt động theo chu trình nén hơi nhiệt động lực học để làm lạnh nước. Nước lạnh này sau đó được tuần hoàn đến các thiết bị như AHU, FCU để làm mát không khí. Phần nhiệt thải ra từ quá trình ngưng tụ sẽ được giải nhiệt bằng nước thông qua tháp giải nhiệt.
- Heat pump: Heat pump hoạt động theo nguyên tắc ngược lại, nó hấp thụ nhiệt từ môi trường (không khí hoặc nước) và truyền đến một nơi khác để làm nóng nước.
- Kết hợp: Khi kết hợp, nhiệt thải ra từ dàn ngưng của chiller (vốn thường bị thải bỏ qua tháp giải nhiệt) có thể được thu hồi bởi heat pump để sản xuất nước nóng. Điều này giúp tận dụng năng lượng dư thừa, giảm lượng điện năng tiêu thụ cho cả hai hệ thống.
Lợi ích của giải pháp kết hợp:
Tiết kiệm năng lượng và chi phí:
- Tận dụng nhiệt thải từ chiller để sản xuất nước nóng, giảm đáng kể chi phí điện năng so với việc sử dụng các phương pháp đun nước nóng truyền thống hoặc heat pump hoạt động độc lập.
- Heat pump giải nhiệt nước có thể tạo ra cả nước nóng và nguồn lạnh miễn phí, mang lại hiệu quả kép
Hiệu suất kép: Cùng lúc cung cấp nước lạnh cho hệ thống điều hòa và nước nóng cho các nhu cầu sử dụng khác.
Linh hoạt và đa dạng ứng dụng:
- Có thể sử dụng kết hợp với chiller giải nhiệt nước hiện hữu hoặc tháp giải nhiệt có sẵn.
- Phù hợp cho nhiều loại hình công trình như tòa nhà, khách sạn, khu nghỉ dưỡng, nhà máy, v.v.
Thân thiện với môi trường: Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường.
Thu hồi vốn nhanh: Chi phí vận hành thấp và hiệu quả kép giúp nhà đầu tư thu hồi vốn nhanh chóng.
Tăng cường độ bền và ổn định: Heat pump có khả năng vận hành bền bỉ, ổn định quanh năm.
Lưu ý chung cho tất cả các dự án
Bảo trì định kỳ
Là yếu tố then chốt để đảm bảo Chiller và hệ thống phụ trợ hoạt động ở hiệu suất cao nhất, tuân thủ các tiêu chuẩn đã đề ra.
Môi chất lạnh
Ưu tiên các loại môi chất lạnh có chỉ số GWP thấp, thân thiện với môi trường và tuân thủ các quy định quốc tế, quốc gia.
Hệ thống điều khiển (BMS)
Một hệ thống BMS mạnh mẽ và được cấu hình tốt là công cụ không thể thiếu để đạt được hiệu quả năng lượng và các chứng nhận công trình xanh.
Việc thiết kế hệ thống Chiller theo các tiêu chuẩn này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các kỹ sư cơ điện, kiến trúc sư và các chuyên gia về môi trường xây dựng.
