Chiller là gì? Hệ thống chiller: Nguyên lý hoạt động, thành phần và ưu nhược điểm

Chiller là gì? Nguyên lý hoạt động của hệ thống chiller như thế nào? Các thuật ngữ như chiller giải nhiệt nước và chiller giải nhiệt gió cũng gây bối rối cho nhiều sinh viên chuyên ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt và một số anh em kỹ sư cơ điện. Bài viết này sẽ giải đáp các thắc mắc trên và cung cấp kiến thức cơ bản về thành phần và nguyên lý hoạt động của hệ thống chiller. Đồng thời, chúng ta cũng sẽ tìm hiểu về các mạch nước chiller thông dụng được ứng dụng rộng rãi hiện nay. Hãy cùng tìm hiểu về chiller và hệ thống chiller qua bài viết này.

Chiller là gì?

• Chiller là thiết bị điều hòa không khí tương tự như các máy lạnh thông thường, chiller được sử dụng để giảm nhiệt độ của các không gian hoặc hệ thống máy móc bằng cách hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh không gian hoặc hệ thống máy móc và thải nó ra bên ngoài.

• Trong thương mại dân dụng chiller thường được sử dụng trong các hệ thống điều hòa không khí của các tòa nhà lớn, cao tầng với công suất lớn nơi mà các hệ thống lạnh thông thường như cục bộ, VRV/ VRF còn nhiều hạn chế.

• Trong công nghiệp chiller được sử dụng để giảm nhiệt độ của máy móc, không gian công nghiệp và các chất lỏng trong quá trình sản xuất bằng cách loại bỏ nhiệt từ hệ thống và chuyển nó đi nơi khác. Chiller công nghiệp là rất quan trọng để điều chỉnh nhiệt độ trong nhiều quy trình công nghiệp, chẳng hạn như đúc ép phun, mạ kim loại, sản xuất dầu khí và chế biến thực phẩm.

Hệ thống chiller gồm những thành phần nào?

• Hệ thống chiller là hệ thống làm lạnh bởi chiller kết hợp với các thiết bị như bơm nước, đường ống để đưa được nước lạnh đến các không gian cần làm mát.

• Hệ thống chiller gồm 2 loại thông dụng hiện nay là chiller giải nhiệt nước và chiller giải nhiệt gió.

• Các thành phần chính trong hệ thống chiller:

Chiller giải nhiệt nước (Water chiller/ Water cooled chiller) gồm:

• Chiller giải nhiệt nước

• Tháp giải nhiệt (cooling tower)

• Bơm nước lạnh (chilled water pump)

• Bơm nước giải nhiệt (condenser water pump)

• Hệ thống đường ống nước và van, các thiết bị trao đổi nhiệt FCU/ AHU/ PAU

Chiller giải nhiệt gió (Air cooled chiller) gồm:

• Chiller giải nhiệt gió

• Bơm nước lạnh (chilled water pump)

• Hệ thống đường ống nước và van

• Các thiết bị trao đổi nhiệt FCU/ AHU/ PAU

Nguyên lý hoạt động hệ thống chiller

Chiller giải nhiệt nước

• Tại bình bay hơi (Evaporator) của chiller, nước được làm lạnh xuống 7oC và được dẫn đến các dàn trao đổi nhiệt FCU/ AHU để thu nhiệt làm mát không gian điều hòa bởi bơm nước lạnh (chilled water pump). Tại đây nước thu nhiệt tăng lên 12oC và được tuần hoàn trở về bình bay hơi chiller để làm lạnh xuống 7oC tiếp tục chu trình.

• Tại bình ngưng (Condenser) của chiller, nước làm mát giải nhiệt cho môi chất lạnh nhận nhiệt độ tăng lên 37oC và được bơm nước ngưng (condenser water pump) dẫn đến tháp giải nhiệt (cooling tower) để nhả nhiệt hạ nhiệt độ nước xuống 32oC và được tuần hoàn trở về bình ngưng chiller để tiếp tục chu trình.

• Chênh lệch nhiệt độ nước vào ra bình bay hơi/ bình ngưng của chiller có thể thay đổi tùy theo nhu cầu và mục đích của kỹ sư thiết kế.

Chiller giải nhiệt gió

• Tại bình bay hơi của chiller, nước được làm lạnh xuống 7oC và được dẫn đến các dàn trao đổi nhiệt FCU/ AHU để thu nhiệt làm mát không gian điều hòa bởi bơm nước lạnh (chilled water pump). Tại đây nước thu nhiệt tăng lên 12oC và được tuần hoàn trở về bình bay hơi chiller để làm lạnh xuống 7oC tiếp tục chu trình.

• Môi chất trong chiller sẽ được giải nhiệt thông qua dàn trao đổi nhiệt gió của chiller với gió trời.

Ưu và nhược điểm của hệ thống chiller so với các hệ thống điều hòa khác

Ưu điểm của hệ thống chiller

• Công suất lạnh của hệ thống chiller lớn lên đến 3000 ton phù hợp các công trình lớn hoặc rất lớn

• Chiller lắp đặt trong phòng tầng hầm hoặc sân thượng không ảnh hưởng nhiều đến mỹ quan công trình.

• Chiller sử dụng nước làm chất tải lạnh và nhờ bơm phân phối nước đến các thiết bị trao đổi nhiệt nên có thể dẫn nước đi xa hoặc cao tầng giải quyết hiệu quả vấn đề trở lực hệ thống.

• Hệ số COP của chiller cao kết hợp với điều khiển van, bơm tối ưu sẽ tiết kiệm năng lượng vận hành đáng kể.

• Tính ứng dụng rộng rãi và thiết kế đa dạng theo từng dự án cụ thể như:

+ Kết hợp giải nhiệt bình ngưng làm gia nhiệt nước nóng trong các khách sạn, bệnh viện…
+ Kết nối nhiều mạch bơm primary/ secondary giúp phân phối nước cho các tòa nhà cao tầng hoặc khu phức hợp hiệu quả.

• Vận hành kiểm soát hiệu quả bởi việc kết nối với hệ thống quản lý tòa nhà BMS

• Nhiệt độ nước làm việc ổn định và mức chênh lệch nhiệt độ vào/ra chiller cao lên đến 9.5oC giúp giảm size ống nước đáng kể.

• Tuổi thọ và độ bền cao.

Nhược điểm của hệ thống chiller

• Chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống chiller lớn hơn so với các hệ thống điều hòa khác

• Thi công lắp đặt hệ thống phức tạp hơn

• Điều khiển vận hành, bảo trì phải cần đội ngũ kỹ thuật có chuyên môn phụ trách.

4 sơ đồ mạch nước chiller thông dụng

Các mạch nước với lưu lượng không đổi

• Đây là 2 mạch nước thông dụng sử dụng bơm có lưu lượng không đổi (constant pump) thường được được sử dụng ở các công trình với nhu cầu tải lạnh cố định hoặc thay đổi ít.

• Đối với hệ thống chiller mạch nước 1 thì sử dụng van 2 ngã để đóng mở các thiết bị FCU và nước được cân bằng trở về đường hồi thông qua đường bypass và van 2 ngã điện từ vô cấp (Modulating valve).

• Đối với hệ thống chiller mạch nước 2 thì sử dụng van 3 ngã để đóng mở các thiết bị FCU và nước được cân bằng thông qua đường bypass ngay tại van 3 ngã.

• Các dự án thường áp dụng như nhà máy hoặc chiller phục vụ cho một số phòng sản xuất với tải lạnh ổn định và ít ảnh hưởng bởi yếu tố con người, kết cấu bao che thay đổi trong ngày.

Mạch nước với lưu lượng biến đổi theo tải

• Các hệ thống chiller với mạch nước biến đổi lưu lượng theo tải là các hệ thống phổ biến nhất hiện nay và xuất hiện ở hầu hết các dự án thương mại dân dụng do tính chất tiết kiệm năng lượng tối ưu khi vận hành của bơm ở các chế độ chạy không đầy tải (part-load) của hệ thống chiller.

• Ngoài ra căn cứ điều kiện thời tiết vùng khí hậu khác nhau nhiều nơi trên thế giới mà các mạch nước này sẽ được điều chỉnh sao cho tối ưu nhất từ các kỹ sư thiết kế.

• Tại Việt Nam 2 mạch nước thường được sử dụng nhất đó là mạch Variable Primary Flow và mạch Variable Primary/ Secondary Flow gọi tắt là VPF

• Tại mạch nước 3 và 4 thì hệ thống sử dụng chiller biến tần để chạy theo nhu cầu tải của hệ thống.

• Điểm khác nhau giữa mạch nước số 3 và mạch nước số 4 đó là:

+ Mạch nước 3 có cụm van bypass để cân bằng nước trở về nhằm đảm bảo lưu lượng nước đáp ứng đủ mức lưu lượng tối thiểu của chiller yêu cầu.
+ Mạch nước 4 sử dụng 2 hệ bơm sơ cấp và thứ cấp. Bơm sơ cấp đảm bảo nước qua chiller còn bơm thứ cấp phân phối nước theo nhu cầu tải đến các thiết bị FCU/ AHU.

• Đới với các dự án cao tầng hoặc diện tích lớn gồm nhiều khối nhà thì các giải pháp tách mạch nước gồm nhiều bơm mắc nối tiếp hoặc song song kết hợp với các thiết bị trao đổi • nhiệt PHE là rất phổ biến.

Để tìm hiểu chi tiết hơn về hệ thống chiller và các mạch phân phối nước hệ thống chiller các bạn có thể tham khảo các bài viết sau:

1. Thiết kế các mạch phân phối nước hệ thống chiller/ hệ thống boiler

2. Van PICV và vai trò của van PICV trong hệ thống chiller

3. Nên và không nên trong việc chọn van chiller

4. Ý nghĩa đường cân bằng nước giữa các cụm tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller

5. Lỗi thiết kế cụm tháp giải nhiệt thường gặp trong hệ thống water chiller

6. Cách nhiệt đường ống chiller, boiler