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

1. Tổng quan hệ thống

Hệ thống làm lạnh và cấp nhiệt trung tâm (Central Cooling And Heating Plant) là hệ thống tạo ra năng suất lạnh hoặc năng suất nhiệt tại một vị trí và phân phối đến nhiều vị trí khác của một tòa nhà hoặc tổ hợp tòa nhà.

Hệ thống làm lạnh hoặc cấp nhiệt trung tâm được sử dụng ở hầu hết mọi khu vực của tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà lớn hoặc bất kỳ khu vực nào có mật độ sử dụng năng lượng cao.

Việc sử dụng hệ thống làm lạnh hoặc cấp nhiệt trung tâm căn cứ vào những loại hình sau:

• Những tổ hợp kiến trúc cao tầng.
• Các tòa nhà văn phòng lớn.
• Các dự án công cộng lớn, khu vui chơi giải trí, sân vận động trong nhà, trung tâm hội nghị …
• Trung tâm thương mại.
• Chung cư cao cấp cao tầng, khu phức hợp cao cấp.
• Hệ thống trường học lớn.
• Bệnh viện hoặc trung tâm chăm sóc sức khỏe hiện đại.
• Các loại cơ sở có lượng nhiệt phát sinh lớn như nhà máy, cơ sở sản xuất dược, điện tử…
• Các hệ thống lớn mà hiệu quả năng lượng cao hơn nhiều so với mức chi phí đầu tư hệ thống ban đầu.

2. Lựa chọn thiết bị

Trong quá trình lựa chọn thiết bị cho hệ thống chúng ta cần lưu ý đến hệ số tải đồng thời (Diversity factor).

Đây là hệ số đại diện cho tải hoạt động chính của hệ thống.

Trong một thời điểm thì mật độ tải chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau với hệ số đồng thời đa dạng như các hướng khác nhau, thiết bị sinh nhiệt, mật độ người… Do đó việc xác định tải đỉnh theo hệ số đồng thời là rất quan trọng trong việc chọn thiết bị.

Thông thường giá trị này từ 0.8 đến 0.95 tổng tải và được phân tích căn cứ vào công năng, thời gian hoạt động cụ thể của dự án từ các kỹ sư thiết kế HVAC.

Để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống cần xem xét các vấn đề sau:

• Chọn lựa nhiều thiết bị chiller/boiler với trình tự hoạt động tối ưu nhất.
• Chọn lựa đúng kích cỡ để đảm bảo hoạt động chính xác và tiết kiệm chi phí đầu tư, vận hành.
• Xem xét sử dụng các thiết có bị tích hợp VFD để tăng tính linh hoạt cho hệ thống khi tải biến thiên liên tục.
• Vận hành lựa chọn các tháp giải nhiệt với kích thước mặt giải nhiệt phù hợp với đặc tính hoạt động của hệ thống.
• Sử dụng kết hợp các thiết bị trao đổi nhiệt (PHE) để truyền nhiệt tự do từ các nguồn với nhau, đồng thời có thể cô lập đóng cắt dễ dàng.
• Xem xét tách rời một số khu vực/phòng đặc thù với hệ thống lạnh hoặc nhiệt trung tâm nhằm mang lại hiệu quả tốt nhất cho hệ thống bằng cách dùng các kiểu dàn lạnh DX coil hoặc CRAC như các phòng kỹ thuật điện đóng cắt (HV, LV room), phòng máy tính trung tâm (server room).

3. Lựa chọn mạch phân phối nước

Sơ đồ phân phối nước của một hệ thống căn cứ vào mục đích sử dụng và ứng dụng công nghệ.

Hai loại hệ thống phân phối nước tiết kiệm năng lượng được thiết kế phổ biến hiện nay đó là hệ thống mạch biến đổi lưu lượng sơ cấp (Primary Variable Flow) và mạch biến đổi lưu lượng sơ cấp/thứ cấp (Primary/Secondary Variable Flow).

a) Primary Variable-Flow System

Đây là hệ thống mà lưu lượng nước được tuần hoàn trong hệ thống bởi hệ bơm biến tần.

Lưu lượng nước có thể tăng giảm khi hệ thống giảm tải bằng cách thông qua van điều khiển trên đường bypass của hệ thống.

Việc điều khiển của van bypass căn cứ vào cảm biến chênh áp được gắn ở trước nhánh tổn thất lớn nhất, thường là thiết bị đầu cuối hoặc là nhánh xa nhất của hệ thống.

Van bypass được đóng cho đến khi lưu lượng của hệ thống giảm xuống giá trị lưu lượng bé nhất của chiller lớn nhất trong hệ thống.

Quá trình lưu lượng biến đổi trong khi chuyển đổi chạy dừng của một trong các chiller trong hệ thống thường khá quan trọng.

Cần kiểm tra thông số lưu lượng min, max của các chiller trong hệ thống để đảm bảo rằng bơm có thể duy trì hoạt động và đáp ứng được lưu lượng từ nhỏ nhất đến 100% của chiller.

Tránh các thiết bị có phạm vi hoạt động hoặc khả năng điều khiển hạn chế ảnh hưởng đến hệ thống.

b) Primary/Secondary Variable Flow

Hệ thống với vòng bơm sơ cấp với lưu lượng không đổi, các bơm thứ cấp tích hợp VSD sẽ phân phối lưu lượng nước đến các thiết bị trao đổi nhiệt.

Với hệ thống này năng lượng bơm sơ cấp là không đổi cũng như phải duy trì một hệ thống vòng nước sơ cấp cố định qua chiller hoặc boiler dẫn đến việc chi phí phát sinh và hạn chế trong việc chọn lựa hệ thống khi thiết kế.

Cũng tương tự hệ thống hai vòng nước với vòng thứ cấp biến tần như trên thì một lần nữa hệ bơm biến tần được áp dụng cho cả hai vòng nước sơ cấp và thứ cấp để tăng tính linh hoạt cho hệ thống. Đây cũng là hệ thống được sử dụng rộng rãi và thường xuyên thấy ở các công trình lớn và rất lớn.

Khi sử dụng tổ hợp nhiều chiller hoặc boiler cần xem xét lưu lượng tối thiểu qua thiết bị nhỏ nhất trong hệ thống gần bằng hoặc bé hơn lưu lượng hệ thống của tòa nhà.

Để đáp ứng cho việc xác định chênh áp đường ống thì van 3 ngã thường được lắp cho thiết bị điểm cuối của hệ thống có tổn thất lớn nhất.

4. Nhận xét

Đối với hai hệ thống Primary Variable-Flow System và Primary/Secondary Variable Flow với VFD 2 vòng nước ta thấy phạm vi ứng dụng cũng như ưu điểm khá giống nhau.

a) Giống nhau

• Cùng sử dụng bơm biến tần linh hoạt trong vận hành và tiết kiệm năng lượng.
• Sử dụng hiệu quả với các van điều khiển điện từ và cảm biến.

b) Khác nhau

Hệ Primary/Secondary Variable Flow với VFD 2 vòng nước:

• Tốn chi phí đầu tư ban đầu và không gian lắp đặt hơn do có hai hệ bơm, đi kèm theo đó là hai hệ van cho bơm.
• Sử dụng linh hoạt trong việc đáp ứng yêu cầu tải khác nhau

Ví dụ: Trong cùng một công trình với nhiều công năng khác nhau ở các tầng như Cinema, Office, Lineshop… Với việc phân bố nhiều cụm bơm thứ cấp có thể phục vụ cho các dạng công năng khác nhau của công trình được tối ưu.

• Phục vụ hiệu quả cho các công trình rất lớn với lưu lượng nước trong hệ thống lớn và đường ống phân phối đi xa thì việc chia nhiều cụm bơm thứ cấp biến tần sẽ giải quyết tốt được vấn đề cột áp bơm và kích thước đường ống nước lắp đặt.

Nguồn: Kỹ Sư Vương Cam