Ngày nay, hiệu ứng nhà kính đã làm tăng đáng kể nhiệt độ môi trường, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống của con người. Cùng với phát triển kinh tế, nhu cầu sử dụng điều hòa không khí để đảm bảo môi trường sống tiện nghi tăng lên là điều tất yếu. Hệ thống điều hòa không khí đã trở thành một phần không thể thiếu trong mọi công trình, từ tòa nhà chung cư, thương mại cho đến các nhà máy, nhà xưởng và các hộ gia đình. Tại Việt Nam, thị trường điều hòa không khí được dự báo đạt mức tăng trưởng hai con số trong những năm tới và đạt 2,9 tỷ USD năm 2025 (theo báo cáo của Research & Markets, năm 2020).
Điều hòa không khí là hệ thống thiết bị loại bỏ nhiệt và ẩm trong không gian trong nhà để đảm bảo sự thoải mái và tiện nghi cho con người. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động được trình bày chi tiết trong hình dưới đây.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa không khí (nguồn tham khảo)
Ở chế độ làm lạnh, dàn lạnh đặt trong phòng thu nhiệt để làm mát không khí trong phòng, còn dàn nóng đặt ngoài trời thải nhiệt ra môi trường, nên không khí thoát ra từ dàn nóng có nhiệt độ cao hơn môi trường. Do đó, nếu nhiệt độ môi trường xung quanh dàn nóng quá cao sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình giải nhiệt, trường hợp xấu nhất là dàn nóng không thể giải nhiệt gây ra sự cố dừng hoạt động.
Vấn đề gặp phải sau khi lắp đặt dàn nóng điều hòa cho công trình và giải pháp xử lý
Khi bố trí dàn nóng trong không gian thoáng, quá trình giải nhiệt tốt thì hệ thống điều hòa hoạt động bình thường. Tuy nhiên trong các công trình bị hạn chế về không gian lắp đặt (chật hẹp), hoặc trong các kết cấu đặc thù của công trình như: kết cấu chìm, kín, các khe thông tầng của các tòa nhà công cộng, chung cư v.v., rất dễ xảy ra hiện tượng quẩn gió nóng – khí thổi ra từ dàn nóng không được khuếch tán ra xa mà quay trở lại mặt hút của dàn nóng. Hiện tượng quẩn gió nóng (minh họa ở hình bên dưới) làm tăng nhiệt độ xung quanh dàn nóng. Hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí giảm đáng kể theo nhiệt độ môi trường (cứ tăng 1°C thì hiệu suất giảm 2-3%), đặc biệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép (> 49°C tùy từng loại dàn nóng) thì hệ thống có thể dừng hoạt động, thậm chí nếu hoạt động liên tục trong điều kiện này có thể dẫn đến sự cố hỏng máy. Do đó bài toán giải nhiệt dàn nóng có vẻ đơn giản nhưng thực tế lại là vấn đề khó và phức tạp cho các kỹ sư thiết kế.
Hình minh họa hiện tượng quẩn gió nóng (trái) và giải nhiệt tốt (phải)
Hiện tượng quẩn gió nóng này đặc biệt nghiêm trọng ở các vùng nhiệt đới, trong đó có Việt Nam, khi nhiệt độ môi trường vào mùa hè rất cao (lên đến 39 – 40°C). Do đó tại các vùng này cần chú ý đến việc bố trí dàn nóng hợp lý để quá trình giải nhiệt diễn ra bình thường, đạt hiệu quả cao nhất và giảm điện năng tiêu thụ. Bảng bên dưới tổng hợp một số trường hợp bố trí dàn nóng cho công trình và các vấn đề gặp phải cùng với hướng xử lý.
| Đặt ngoài trời với mật độ lớn và gần nhau | Đặt trong phòng bị giới hạn không gian | Đặt trong khe hẹp, khe thông tầng | |
|---|---|---|---|
| Đặc thù |  Một lượng lớn dàn nóng của hệ thống điều hòa trung tâm đặt gần nhau ở trên mái hoặc tầng thượng của công trình. |  Dàn nóng đặt trong phòng bị hạn chế về không gian lắp đặt cũng như mặt thoáng để lấy khí mát từ môi trường. |  Dàn nóng đặt trong các khe hẹp, khe thông tầng ở các chung cư và tòa nhà cao tầng. |
| Vấn đề sau khi lắp đặt |
|
|
|
Vấn đề chung của cả ba cách đặt:
- Gió tự nhiên và các kết cấu xung quanh làm quẩn gió nóng tại khu vực đặt dàn nóng.
- Bức xạ mặt trời làm nóng kết cấu xung quanh và dàn nóng.
- Nhiệt cộng dồn của các dàn nóng trong một tầng làm một vài dàn nóng hoạt động kém hiệu quả hoặc không thể hoạt động.
- Nhiệt cộng dồn giữa các tầng làm dàn nóng ở những tầng trên hoạt động kém hiệu quả hoặc không thể hoạt động.
Giải pháp:
- Đặt dàn nóng ra xa nhau và cách xa các kết cấu xung quanh.
- Dùng ống gió để gom và đẩy gió nóng ra xa khỏi miệng hút. Chiều cao ống gió từ 1 đến 3 m, góc nghiêng ống gió từ 10° đến 90°.
- Dùng lam gió (louver) để đổi hướng gió. Độ nghiêng lam gió từ 0° đến 60°.
Ngoài các trường hợp được liệt kê trong bảng, còn một số trường hợp dàn nóng đặt chìm dưới sàn thổi lên mái, đặt thổi vào nhau, đặt thổi sang công trình đối diện, đặt thổi vào người đi đường, v.v. Tùy vào điều kiện thực tế mà mỗi công trình gặp phải vấn đề khác nhau, do đó cần một giải pháp hoặc một nhóm giải pháp riêng. Lựa chọn giải pháp phù hợp (chẳng hạn chiều cao, góc nghiêng của ống gió, lam gió, v.v.) là bài toán không dễ. Mặc dù có nhiều kỹ sư có kinh nghiệm thiết kế và lắp đặt điều hòa lâu năm, vẫn không thể tránh khỏi những sự cố không lường trước được, dẫn đến hậu quả không mong đợi như hệ thống hoạt động không đủ công suất hay sự cố dừng hoạt động. Để tránh các sự cố này, nhiều nhà thầu đã và đang sử dụng phương pháp thực nghiệm trên một phạm vi cụ thể để kiểm tra thiết kế trước khi đưa vào thi công. Tuy nhiên, đối với quy mô nhỏ thì phương pháp này chưa đủ để kiểm chứng tính khả thi, còn ở quy mô lớn thì thêm vấn đề chi phí quá cao. Do đó, một số công ty và nhà thầu đã và đang ứng dụng “thí nghiệm ảo” thay cho phương pháp thực nghiệm. “Thí nghiệm ảo” ở đây là mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD), nhanh hơn và chi phí thấp hơn phương pháp thực nghiệm.
Ứng dụng mô phỏng CFD để đánh giá giải pháp lắp đặt dàn nóng điều hòa
Mô phỏng CFD có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp nói chung và lĩnh vực điều hòa không khí & thông gió (HVAC) nói riêng. Trong lĩnh vực HVAC, CFD được dùng để mô phỏng dàn nóng điều hòa, kiểm tra và đánh giá rồi tối ưu giải pháp thiết kế, lắp đặt trước khi thi công.
Chỉ tiêu đánh giá
Vì hiệu suất hệ thống điều hòa phụ thuộc vào nhiệt độ không khí môi trường bên ngoài dàn nóng nên các mô phỏng CFD cũng tập trung vào việc phân tích, đánh giá trường phân bố của:
- Nhiệt độ xung quanh cửa hút của dàn nóng.
- Lưu lượng gió đi vào dàn nóng.
Nhiệt độ xung quanh cửa hút đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu suất làm việc của dàn nóng. Do đó nhiệt độ này càng cách xa ngưỡng tới hạn (nhỏ hơn) càng tốt. Ngoài ra, lưu lượng gió cấp vào dàn nóng giảm đi cũng làm giảm công suất lạnh của máy.
Mô hình mô phỏng dàn nóng điều hòa VRV và vị trí cần đánh giá kết quả mô phỏng
Ứng dụng mô phỏng CFD cho trường hợp dàn nóng đặt trong phòng
Để chứng minh mô phỏng CFD có thể đem lại nhiều lợi ích so với các phương pháp khác, hãy cùng xem xét bài toán mô phỏng dàn nóng cho công trình với mật độ lớn đặt trong phòng bị hạn chế không gian – dạng phức tạp và khó kiểm soát nhiệt độ nhất. Công trình gồm 4 tầng trong đó 3 tầng trên có phòng đặt dàn nóng xếp thẳng hàng, kích thước phòng là 13x5x3.5 m (dài x rộng x cao). Bên trong mỗi phòng có 11 dàn nóng điều hòa trung tâm VRV công suất lớn. Dàn nóng có sử dụng ống gió và lam gió để điều chỉnh hướng dòng. Mô hình 3D cho bài toán được thể hiện ở hình bên dưới.
Mô hình 3D cho bài toán mô phỏng
Công trình này được mô phỏng trong điều kiện sau:
- Môi trường bên ngoài vào mùa hè có nhiệt độ trung bình 35°C.
- Tất cả dàn nóng hoạt động đồng thời.
- Bỏ qua tác động của gió tự nhiên và bức xạ mặt trời.
Mô phỏng CFD được áp dụng cho thiết kế ban đầu và một thiết kế mới:
- Thiết kế ban đầu: lam gió của các tầng chếch xuống dưới 15 độ và không có cửa sổ.
- Thiết kế mới: lam gió ở tầng 2 hướng xuống 20 độ, ở tầng 3 hướng xuống 5 độ, ở tầng 4 hướng lên 15 độ, và có cửa sổ để lấy khí ngoài trời.
Kết quả mô phỏng ở hình bên dưới cho thấy ở thiết kế ban đầu, luồng gió nóng thổi ra ngoài môi trường có xu hướng đi xuống phía dưới và bị các dàn nóng tầng dưới hút vào. Đặc biệt nghiêm trọng ở tầng 3, luồng gió nóng đã quẩn lại và đi vào dàn nóng chính giữa làm tăng nhiệt độ ở cửa vào dàn nóng này lên đến 49.5°C (vượt quá ngưỡng giới hạn làm việc của máy). Nhiệt độ tại các dàn nóng còn lại ở tầng 2 và 3 cũng khá cao, có thể làm giảm hiệu suất và có nguy cơ làm máy dừng hoạt động. Đối với thiết kế mới, dòng khí được phân tán ra xa khu vực tầng 3 nên nhiệt độ không khí vào dàn nóng chính giữa tầng này giảm đáng kể (từ 49.5°C xuống 41°C), đồng thời nhiệt độ tại cửa vào của tất cả dàn nóng đều nằm trong vùng hoạt động như các hãng điều hòa khuyến cáo cho các dòng điều hòa trung tâm VRV hoặc VRF (chẳng hạn như Daikin là 49°C, LG là 48°C). Điều này được thể hiện rõ hơn ở đồ thị bên dưới.
Phân bố nhiệt độ xung quanh dàn nóng
Đồ thị bên dưới (hình trên) cho thấy thiết kế ban đầu có 07 dàn nóng có nhiệt độ làm việc cao hơn vùng nhiệt độ hoạt động bình thường (43°C đến 49°C), trong vùng nhiệt độ này hiệu suất của hệ thống điều hòa giảm đáng kể (<90%). Tuy nhiên đối với thiết kế mới thì toàn bộ dàn nóng đã nằm trong vùng hoạt động bình thường (hiệu suất >95%). Ngoài ra, khi sử dụng ống gió và lam gió để định hướng dòng thì trở lực của hệ thống sẽ tăng lên, do đó lưu lượng không khí vào dàn nóng bị giảm đi. Quan sát đồ thị bên dưới (hình bên dưới) ta thấy lưu lượng gió cấp vào dàn nóng giảm xuống còn 86 – 95% nhưng vẫn nằm trong vùng cho phép (>75% trong khi công suất lạnh vẫn đảm bảo >90%). Như vậy mô phỏng CFD cho thấy thiết kế mới tốt hơn thiết kế ban đầu.
Đồ thị thể hiện nhiệt độ và tỷ lệ lưu lượng không khí của từng dàn nóng
Kết luận
Thiết kế bố trí và lắp đặt dàn nóng điều hòa tưởng chừng đơn giản nhưng thực tế gặp nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất, gây ngừng máy, thậm chí hỏng máy. Nếu nhiệt độ môi trường tăng thêm 1°C thì hiệu suất của hệ thống điều hòa giảm 2-3%, khi nhiệt độ tiếp tục tăng sẽ xảy ra một trong các vấn đề sau:
- Công suất lạnh bị giảm đi nhưng vẫn trong giới hạn cho phép, điện năng tiêu thụ nhiều hơn để đáp ứng các nhu cầu về tiện nghi cho con người (cần nhiều thời gian hơn để đạt được nhiệt độ mong muốn).
- Công suất lạnh bị giảm đi quá mức cho phép, dẫn đến không đáp ứng được các nhu cầu về tiện nghi cho con người (không thể hạ thấp được nhiệt độ đến điểm mong muốn).
- Hệ thống điều hòa ngừng hoạt động nếu nhiệt độ vượt qua vùng hoạt động.
- Hỏng hệ thống điều hòa nếu hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ cao.
Quá trình kiểm nghiệm, tối ưu thiết kế và cách bố trí dàn nóng sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều khi có sự hỗ trợ của mô phỏng CFD. Kỹ sư thiết kế và lắp đặt sẽ có cái nhìn nhanh và trực quan nhất về nhiệt độ xung quanh và lưu lượng gió tại mỗi dàn nóng ngay từ bước thiết kế. Từ đó họ có thể đưa ra phương án cải tiến để hệ thống điều hòa luôn luôn hoạt động ở hiệu suất cao nhất. Ngoài ra, phương án tối ưu còn có thể giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ, từ đó giảm phát thải ròng, góp phần thực hiện cam kết COP26.
