Phòng sạch hiện này được ứng dụng rất rộng rãi vào đới sống cũng như trong sản xuất của các ngành công nghiệp khác nhau.Để tạo nên một phòng sạch chất lượng đảm bảo tiêu chuẩn được đề ra bao gồm rất nhiều yếu tố khác nhau. Một trong số đó là hệ thống điều hòa không khí HVAC cho phòng sạch. Vậy hệ thống HVAC là gì? Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ thống này ra sao hãy cùng tìm hiểu bài viết dưới đây.
Mục lục
Hệ thống HVAC là gì?
Khái niệm
HVAC là viết tắt của cụm từ Heating, Ventilating, and Air Conditioning (Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khí) gọi chung là hệ thống điều hòa không khí
Hệ thống điều khiển HVAC là một hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí trong không gian trong nhà hoặc xe cộ. Cung cấp một mức độ chấp nhận được về chất lượng không khí trong nhà và sự thoải mái nhiệt là yêu cầu đối với một hệ thống HVAC. Các thiết kế của hệ thống được dựa trên các nguyên tắc truyền nhiệt, nhiệt động lực học và cơ học chất lỏng. Mục đích của hệ thống HVAC chính là tạo ra một không gian với nhiệt độ, chất lương và độ ẩm đạt tới mức cao nhất.
Đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo khí hậu trong cấu trúc thoải mái và không khí cũ được thay thế bằng không khí trong lành từ bên ngoài. Hệ thống HVAC được sử dụng trong cả cơ sở thương mại và dân cư.
Lịch sử ra đời
Cách đây 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết trộn muối vào nước đá để tạo ra nhiệt độ thấp hơn. Trải dài trong suốt quá trình hình thành và phát triển điều hòa không khí, trên thế giới đã có những dấu mốc nổi bật.
Năm 1834, Perkins đã đăng kí bằng phát minh về máy lạnh nén hơi chạy bằng ete đầu tiên trên thế giới.
Năm 1845, bác sĩ người mỹ John Gorrie đã chế tạo máy lạnh nén khí đầu tiên để điều hòa không khí cho bệnh viện tư của ông. Chính sự kiện này đã làm cho ông nổi tiếng thế giới và đi vào lịch sử của kỹ thuật điều hòa không khí.
Năm 1859, Carré phát minh ra máy lạnh hấp thụ NH3/ H2O đầu tiên. Bắt đầu từ những năm 1860 ở Pháp F.Carré đã đưa ra những ý tưởng về điều hòa không khí cho các phòng ở và đặc biệt cho các nhà hát.
Năm 1884, tầu hỏa sử dụng điều hòa không khí đầu tiên khánh thành chạy trên tuyến đường Baltimore-Ohio.
Năm 1894, công ty Line đã xây dựng một hệ thống điều hòa không khí bằng máy lạnh ammoniac dùng để làm lạnh và khử ẩm không khí trong mùa hè. Dàn lạnh đặt trên trần nhà, không khí lạnh đối lưu tự nhiên từ trên đi xuống phía dưới do mật độ lớn hơn, máy lạnh đặt dưới tầng hầm. Và đến năm 1895 thì Line đã chế tạo được máy hóa lỏng không khí đầu tiên.
Năm 1901, một công trình khống chế nhiệt độ dưới 28oC với độ ẩm thích hợp cho phòng hòa nhạc ở Monte Carlo được khánh thành. Không khí được đưa qua buồng phun nước với nhiệt độ 10oC rồi cấp vào phòng. Năm 1904, trạm điện thoại ở Hamburg được duy trì nhiệt độ mùa hè dưới 23oC và độ ẩm 70%.
Năm 1910 công ty Borsing xây dựng các hệ thống điều hòa không khí ở Koeln và Rio de Janeiro. Các công trình này chủ yếu mới là các chế độ nhiệt, chưa đạt được sự hoàn thiện và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết. Nhưng cũng từ lúc này bắt đầu hình thành hai xu hướng cơ bản là điều hòa tiện nghi cho các phòng ở và điều hòa công nghệ phục vụ các nhu cầu sản xuất.
Năm 1911, Carrier đã đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật điều hòa không khí. Ông là người đã đưa ra định nghĩa điều hòa không khí là sự kết hợp sưởi ấm, hút ẩm, lọc và rửa không khí, tự động duy trì khống chế trạng thái không khí không đổi phục vụ cho mọi yêu cầu tiện nghi và công nghệ.
Ông đã lần đầu tiên xây dựng ẩm đồ của không khí ẩm và cắt nghĩa tính chất nhiệt của không khí ẩm và các phương pháp xử lý để đạt được các trạng thái không khí yêu cầu. Ông là người đi đầu trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết cũng như trong phát minh, sáng chế, thiết kế và chế tạo các thiết bị và hệ thống điều hòa không khí.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống HVAC
Cấu tạo HVAC System
Một hệ thống HVAC thông thường sẽ bao gồm 3 hệ thống là sưởi, thông gió và điều hòa không khí. Trong đó hệ thống này có các thành phần hoặc thiết bị cơ bản như sau:
- Quạt (Fan) để lưu thông và trả lại không khí
- Đường ống cung cấp không khí.
- Các đầu vào cung cấp không khí và cửa hút không khí trở lại.
- Buồng khí hỗn hợp để nhận khí trong phòng và trộn với không khí bên ngoài.
- Các bộ lọc để loại bỏ các hạt bụi bẩn từ không khí hỗn hợp.
- Các bộ phận trao đổi nhiệt như cuộn dây nóng, cuộn dây hơi, chất làm lạnh bay hơi, hoặc cuộn nước lạnh để thêm nhiệt hoặc loại bỏ nhiệt từ không khí lưu thông.
- Thiết bị sưởi ấm phụ như lò khí đốt tự nhiên hoặc yếu tố nhiệt điện.
- Nén khí để nén hơi lạnh và bơm chất làm lạnh xung quanh hệ thống.
- Bộ phận loại bỏ nhiệt từ hơi lạnh và ngưng tụ nó vào một chất lỏng.
- Bơm để lưu thông nước qua bình ngưng làm mát bằng nước; máy bơm nước ngưng tụ (CWP); cung cấp nước ngưng tụ (CWS) và ngược lại (CWR).
- Bơm để lưu thông nước nóng từ nồi hơi thông qua các cuộn dây nước nóng và quay trở lại hoặc lưu thông nước lạnh từ các máy làm lạnh thông qua các cuộn dây nước lạnh và làm lạnh.
- Đối với hệ thống trung tâm, nước hoặc nồi hơi như là một nguồn sưởi ấm trung tâm.
- Đối với hệ thống trung tâm, tháp giải nhiệt với bình ngưng làm mát bằng nước.
- Hệ thống điều khiển để bắt đầu, dừng lại, hoặc điều chỉnh dòng chảy của không khí, nước, hơi nước, chất làm lạnh và điện.
Nguyên lý hoạt động của HVAC System
HVAC sẽ được vận hành theo nguyên lý như sau:
- Hệ thống sẽ lấy khí tươi từ không khí bên ngoài đưa qua cụm khí đầu vào sau đó đi qua AHU. AHU sẽ làm nhiệm vụ kiểm soát chất lượng không khí đưa từ bên ngoài vào, nó sẽ điều chỉnh độ ẩm, áp suất cũng như lọc sơ bộ các hạt bụi có kích thước lớn.
- Khí tươi cấp vào Air Handling Unit sẽ được kiểm soát bằng van chỉnh gió, sau khi đi qua thiết bị này, khí tươi sẽ được điều chỉnh nhiệt độ về khoảng 22 độ C, bằng Heater.
- Cuối cùng không khí sẽ được lọc qua màng lọc HEPA để loại bỏ hầu hết các tiểu phân có kích thước nhỏ. Đối với các môi trường cần không khí sạch như phòng sạch thì màng lọc HEPA là rất quan trọng.
- Hầu hết không khí trong phòng (khoảng 90%) sẽ được hồi lưu về AHU (khí hồi lưu) và cấp trở lại môi trường trong nhà và 10% còn lại sẽ được thải ra môi trường.
Chu trình của hệ thống HVAC
Hệ thống HVAC có 3 chu trình hoạt động mà chúng ta cần biết như sau:
- Supply Air: Cung cấp không khí, ở đây bao gồm là không khí lạnh và không khí nóng.
- Return Air: Mang không khí quay về.
- Exhaust Air: Thải luồng không khí không sạch ra bên ngoài, thường là thải trong các phòng vệ sinh.
Chức năng của hệ thống HVAC
– Là một kết cấu quan trọng, không thể thiếu trong dự án, hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa không khí có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
– Hệ thống HVAC có 1 chức năng quan trọng là: Cung cấp chất lượng không khí tốt nhất cho con người ở bất kì điều kiện môi trường như thế nào.
Lấy không khí lạnh:
- Nhiệt độ trong không khí sẽ được loại bỏ bởi hệ thống máy lạnh với các chất làm lạnh như: Nước, không khí, nước đá, hóa chất…
- Việc loại bỏ nhiệt được diễn ra thông qua bức xạ, đối lưu hoặc dẫn truyền.
Hệ thống làm lạnh sẽ sử dụng van đảo chiều, chuyển từ làm mát sang sưởi ấm bằng cách đảo ngược dòng chảy của chất làm lạnh khi cần sử dụng nhiệt độ ấm.
Xem thêm: Thiết kế hệ thống HVAC cho phòng sạch.
Một số hệ thống cơ bản trong hệ thống HVAC
Hệ thống sưởi
- Các thiết bị nhằm mục đích tạo ra lượng nhiệt cao hơn nhiệt độ môi trường ( ấm) cho không gian được gọi là hệ thống sưởi. Việc sinh nhiệt được thực hiện bởi hệ thống máy sưởi trung
tâm. - Các thiết bị cấu tạo nên một hệ thống sưởi hoàn chỉnh bao gồm:
- Thiết bị dùng để đun nóng nước, hơi nước, không khí ở vị trí trung tâm: Lò hơi, bơm nhiệt:
- Nhiệt được truyền đi bằng cách đối lưu, dẫn truyền bằng bức xạ. Lò sưởi được hoạt động thông qua các nguồn nhiên liệu khác nhau như: nhiên liêu rắn ( than, củi..), nhiên liệu chất lỏng ( xăng, dầu..), khí( gas…), nhiên liệu điện. Lò sưởi bằng điện thường được sử dụng làm nhiệt dự phòng hoặc hệ thống bơm nhiệt.
Thông gió (Ventilation)
Con người luôn mong muốn có được chất lượng không khí tốt nhất để đảm bảo sự toàn về sức khỏe, nhất là trong thời kì hiện nay, khi mà quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra như “ vũ bão”. Sự ra đời của rất nhiều nhà máy công nghiệp, các phương tiện giao thông vận tải…kéo theo các loại khí thải được đưa vào môi trường sống của con
người, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng về chất lượng cuộc sống.
Hệ thống thông gió ra đời sẽ góp phần biến đổi không khí thông qua việc kiểm soát các yếu tố của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm hoặc loại bỏ các yếu tố về mùi, khói, bụi bẩn
khuẩn, CO2 để tăng hàm lượng oxy trong không khí.
Ngoài ra, thông gió còn là việc lưu thông không khí giữa bên ngoài và bên trong của tòa nhà.
Hệ thống sưởi trong HVAC được dùng để tạo ra nhiệt (độ ấm) trong các toà nhà hay trung tâm thương mại, thông thường điều này được thực hiện bởi một hệ thống sưởi trung tâm.
Cấu tạo chung của hệ thống sưởi trong HVAC gồm có:
- Nồi hơi
- Lò sưởi hay bơm nhiệt: Dùng để đun nóng nước, hơi nước hoặc có thể là không khí tại vị trí trung tâm như: phòng lò trong một ngôi nhà, một phòng cơ khí trong một toà nhà lớn. Phần hơi nóng có thể được chuyển bằng cách đối lưu, dẫn nhiệt hoặc là bức xạ.
Hệ thống thông gió trong HVAC
Hệ thống thông gió trong HVAC có nhiệm vụ sẽ là thay đổi hoặc là thay thế luồng không khí trong không gian bất kỳ nhằm kiểm soát nhiệt độ hoặc là loại bỏ bất kỳ sự kết hợp giữa độ ẩm, mùi, khói, nhiệt, bụi, hay là vi khuẩn bên trong không khí hoặc là CO2 và bổ xung Oxy.
Ngoài ra, hệ thống thông gió trong HVAC cũng bao gồm cả việc thực hiện trao đổi luồng không khí với bên ngoài cũng như lưu thông luồng không khí trong toà nhà.
Hệ thống thông gió trong HVAC được xem là một trong những yếu tố rất quan trọng nhằm duy trì chất lượng của không khí bên trong mỗi khu vực trong các toà nhà.
Hệ thống HVAC trong GMP
Hệ thống HVAC (Heating, Ventilation and Air-conditioning) là hệ thống tạo nên các cấp độ sạch khác nhau dựa theo tiểu chuẩn về cấp độ phòng sạch của GMP. Hệ thống HVAC kiểm soát và khống chế được nồng độ hạt bụi trong phòng, tạo ra sự chênh lệch về áp suất giữa phòng sạch so với môi trường bên ngoài, điều chỉnh nhiệt độ – độ ẩm luôn ổn định trong dải cho phép, đáp ứng số lần trao đổi khí để con người làm việc trong khu vực sạch tốt nhất. Hệ thống HVAC phải đảm bảo được các điều kiện cơ bản cho toàn bộ công trình phòng sạch trong nhà máy.
Để đạt tiêu chuẩn GMP, các nhà xưởng, cơ sở sản xuất cần đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn xây dựng nhà máy, công xưởng để đảm bảo chất lượng cho thành phẩm.
Tiêu chuẩn GMP dù khá khắt khe nhưng cũng được áp dụng rất linh hoạt để phù hợp với từng điều kiện, quy mô và loại hình của doanh nghiệp chứ không gò ép các doanh nghiệp đi theo một bộ quy tắc chung.
Hệ thống HVAC trong GMP vô cùng quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc vận hành nhừ máy sản xuất. Chính vì vậy, mọi thứ cần được quản lý chặt chẽ và nghiêm túc.
Hệ thống HVAC được lắp đặt đồng thời cùng với hệ thống module để cấp và hút khí cho các khu vực phòng sạch khu sản xuất và khu vi sinh. Cấu trúc của hệ thống HVAC bao gồm:
- Khối xử lý dòng khí AHU: Chức năng hút gió tươi, trao đổi nhiệt không khí và tạo áp đẩy vào khu vực phòng sạch đảm bảo các tiêu chí nhiệt độ, áp suất, số lần trao đổi khí.
- Dàn nóng CDU: Gồm máy nén khí ga tác nhân làm lạnh cho quá trình điều hòa nhiệt độ không khí phòng sạch.
- Hệ thống đường ống gió, van chỉnh, tiêu âm: Để dẫn luân hồi không khí phòng sạch cho hệ thống, điều chỉnh áp tại từng phòng từng miệng gió cấp gió hồi, giảm tiếng ồn cho hệ thống. Tất cả điều được bọc bảo ôn cách nhiệt.
- Miệng cấp hồi khí: Trong hệ thống phòng sạch thì các miệng cấp khí từ AHU đến từng phòng sạch được lắp màng lọc HEPA 13, để đảm bảo độ sạch không khí theo yêu cầu.
Miệng hồi có gắn lọc thô, theo đường ống hồi dẫn về AHU.
Ứng dụng của HVAC System
Đối với một không gian:
- Điều chỉnh nhiệt độ của phòng
- Cung cấp không khí thoáng mát, không khí sạch trong phòng
- Loại bỏ chất gây ô nhiễm từ không khí bằng cách, sử dụng các bộ lọc ở các giai đoạn khác nhau
- Hoạt động nguyên liệu hiệu quả
Ở phạm vi rộng hơn
- HVAC được ứng dụng trong các môi trường như:
- Tòa nhà, nhà xưởng, nhà máy công nghiệp, phòng sạch
- Khách sạn, các cơ sở sinh hoạt cao cấp
- Văn phòng, bệnh viện, trường học, phòng thí nghiệm, …
- Trong các phương tiện như: Ô tô, tàu hỏa, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm
- Và trong nhiều môi trường khác, nơi cần xử lý không khí.
Bảo trì HVAC
Lợi ích của việc bảo trì HVAC
- Tiết kiệm chi phí sửa chữa, thay thế vật tư linh kiện
- Giảm thời gian gián đoạn do hỏng hóc gây dừng sản xuất
- Tiết kiệm điện năng tiêu thụ
- Nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị
Dưới đây, chúng ta hãy cùng tìm hiểu các công việc cần làm khi bảo trì HVAC System
Bảo trì, thay thế bộ lọc
Các bộ lọc là nơi lưu giữ bụi bẩn và các chất gây dị ứng ra khỏi không khí lưu thông trong tòa nhà, phòng sản xuất. Việc thay đổi các bộ lọc một cách thường xuyên sẽ giúp giữ cho hệ thống HVAC chạy sạch hơn, lưu lượng gió tốt hơn và chất lượng không khí đảm bảo hơn.
Bảo trì Quạt
Các đầu nối điện, cơ cấu cơ khí của quạt có thể ảnh hưởng do tác động tích lũy của rung động trong quá trình hoạt động của HVAC System. Bình thường khi thay đổi bộ lọc, chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra quạt để chắc chắn rằng nó vẫn đang hoạt động tốt.
Bảo trì cánh quạt
Khi bảo trì quạt, chúng ta nên kiểm tra khu vực chân không và quạt gió của các thiết bị HVAC, làm sạch các cánh quạt, loại bỏ bụi bẩn hoặc các mảnh vụn có thể gây thêm tải cho động cơ. Vệ sinh quạt một cách thường xuyên sẽ giúp cho quạt cân bằng và duy trì hiệu quả cho hệ thống xử lý không khí.
Bôi dầu động cơ thường xuyên
Thường xuyên giữ cho động cơ quạt được bôi dầu và chạy trơn tru, tùy thuộc vào động cơ quạt HVAC. Việc bôi trơn định kỳ giúp động cơ hoạt động trơn tru, nâng cao tuổi thọ và tiết kiệm điện năng động cơ
Hệ thống điện
Hệ thống điện có thể xuất hiện các bụi bẩn, lỏng các giắc cắm, cầu đấu, xuất hiện move gây chập cháy trong quá trình hoạt động. Việc bảo trì định kỳ sẽ giúp phát hiện các nguy cơ và ngăn ngừa mọi sự cố đảm bảo cho quá trình sản xuất của nhà máy.
Tài liệu về hệ thống HVAC
Tiêu chuẩn TCVN 5687-2010 về thiết kế hệ thống HVAC tại Việt Nam
Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống điều hòa thông gió của Việt Nam
Trong thiết kế HVAC, chúng ta áp dụng rất nhiều tiêu chuẩn khác nhau như Ashrae, BS, Singapore, DIN, Australia…Tuy nhiên nếu là người mới, việc nắm chắc tiêu chuẩn TCVN 5687-2010 là việc cần ưu tiên. Đây là tài liệu hệ thống HVAC không thể thiếu trong quá trình làm việc của các kỹ sư HVAC System.
Tại vì 2 lý do sau :
- Là tiêu chuẩn của Việt Nam, nên tất cả các công trình tại Việt Nam đều phải áp dụng tiêu chuẩn này. Trừ khi bạn làm các công trình hoàn toàn ở nước ngoài.
- Là tài liệu tiêu chuẩn bằng tiếng Việt nên rất dễ đọc dễ tìm hiểu. Các tiêu chuẩn khác đều là các tiêu chuẩn bằng tiếng anh, nên việc tiếp cận và hiểu được chúng sẽ khó hơn với TCVN 5687 này.
Tải về tiêu chuẩn TCVN 5687-2010 Tại đây
Sách thiết kế hệ thống điều hòa thông gió của thầy Nguyễn Đức Lợi
Đối với các bạn không phải chuyên ngành nhiệt lạnh, vi khí hậu, hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà… thì có thể chưa được tiếp xúc với cuốn sách này.
Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều hòa không khí là một cuốn sách bao gồm các lý thuyết cơ sở và cách tính toán cơ bản mà bất kỳ kỹ sư nào cũng cần cho quá trình thiết kế.
Các bạn có thể tải về sách Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều hòa không khí của thầy Nguyễn Đức Lợi ở đường link sau:
Tải sách thiết kế của thầy Nguyễn Đức Lợi Tại đây.
Tuy vậy, cuốn sách cũng có 1 số nhược điểm sau. Vì cuốn sách được viết cách đây khá lâu nên chưa thể cập nhật những công nghệ điều hòa mới nhất hiện nay, nhiều nội dung sách viết về lý thuyết hàn lâm nên người đọc có thể hơi khó hiểu và cũng không có tính áp dụng thực tế khi thiết kế hệ thống HVAC.
Các phần mềm thiết kế hệ thống HVAC
Phần mềm hỗ trợ vẽ ống gió trong thiết kế HVAC System
Khi thiết kế hệ thống HVAC, chúng ta cần có các công cụ hỗ trợ hữu ích, đó là các phần mềm hỗ trợ tính toán, thiết kế HVAC. Có thể kể tên 1 số phần mềm như : phần mềm tính tải lạnh heatload, trace 700, phần mềm tính kích thước ống gió duct checker , phần mềm tính tổn thất Ashrae Duct Fitting, phần mềm chọn AHU, phần mềm tính ống nước trong hệ chiller,phần mềm vẽ ống gió lispnam, revit mep…
Nói chung khi thiết kế HVAC thực tế chúng ta cần áp dụng ít nhất hơn 10 phần mềm khác nhau.
Website, hội nhóm kiến thức về HVAC
Hiện nay Internet là một trong những công cụ học tập tốt nhất. Bạn có thể tìm thấy rất nhiều kiến thức ở môi trường mạng. Đối với HVAC bạn có thể tìm hiểu các bài viết nước ngoài tại: https://www.hvac.com/. Với các tài liệu Việt Nam, bạn có thể học hỏi ở Diễn đàn HVAC Việt Nam (website: https://hvacvn.com/)
Trên đây là những kiến thức quan trọng mà bạn cần biết để thiết kế hệ thống HVAC. Việc trả lời các câu hỏi như HVAC là gì? Hệ thống HVAC là gì hay cần biết gì khi thiết kế HVAC System sẽ trở nên dễ dàng hơn. Mong rằng bài viết có thể giúp bạn định hướng được hành trình theo đuổi HVAC của mình.
Tham khảo một số bài viết về hệ thống HVAC tại đây!
