Hệ thống HVAC là gì? Cấu tạo, nguyên lý, chu trình hoạt động.

Hệ thống HVAC đang ngày càng được sử dụng phổ biến trong đời sống hiện nay. Không chỉ đóng vai trò quan trọng trong phòng sạch, hệ thống này trở nên thông dụng trong tháp giải nhiệt hay ngành công nghiệp nặng, tàu vũ trụ, máy bay hay nhà máy điện. Những tài liệu hệ thống HVAC được chúng tôi tổng hợp dưới đây sẽ giúp quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của bạn được tốt nhất!

Hệ thống HVAC là gì?

HVAC hay HVAC system là viết tắt của 3 cụm từ kết hợp gồm:

• Heating: Hệ thống sưởi
• Ventilation: Thông gió
• Air Conditioner: Điều hòa không khí

⇒ HVAC được gọi chung là hệ thống điều hòa không khí.

Hệ thống HVAC chính là một hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí ở trong không gian nhà hoặc xe cộ. Hệ thống này sẽ cung cấp một mức độ chấp nhận được về chất lượng không khí trong nhà và sự thoải mái nhiệt.

Các thiết kế của hệ thống HVAC được dựa trên những nguyên tắc truyền nhiệt, nhiệt động lực học và cơ học chất lỏng. Mục đích cuối cùng của hệ thống là tạo ra một không gian với nhiệt độ, chất lượng và độ ẩm đạt tới mức cao nhất.

Một số biến thể khác của hệ thống điều hòa không khí:

• HVACR: Hệ thống xử lý không khí gồm làm lạnh, nhưng không thông gió.
• HVAC & R: Hệ thống HVAC gồm cả làm lạnh.

Một hệ thống HVAC bao gồm những gì?

Hệ thống HVAC gồm những gì? Hệ thống HVAC bao gồm hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa thông gió. Mỗi hệ thống này đều là một kết cấu quan trọng trong hệ thống HVAC có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Cụ thể:

Hệ thống sưởi (Heating)

Hệ thống này có nhiệm vụ tạo ra nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ của môi trường, rồi phân phối ra khắp các tòa nhà hay trung tâm thương mại.

Hệ thống sưởi gồm lò hơi và bơm nhiệt; là thiết bị dùng để đun nóng, hơi nước và không khí sử dụng làm nhiệt dự phòng hay hệ thống bơm nhiệt (sử dụng trong các phòng lò của gia đình, phòng cơ khí của các trung tâm,…).

• Nhiệt độ được truyền đi bằng cách đối lưu, dẫn nhiệt hoặc bức xạ.
• Lò sưởi sẽ hoạt động bằng cách dùng các nguyên liệu như điện, khí (gas), nguyên liệu lỏng (xăng, dầu), nguyên liệu rắn (than, củi).

Ngoài ra, khi sử dụng bất cứ loại nguyên liệu nào thì nhiệt độ từ lò sưởi cũng sẽ được truyền thông qua môi trường không khí, hơi nước và nước:

• Với môi trường hơi nước và nước: Hệ thống tiến hành đun sôi và lưu thông dạng lỏng; ở nhiệt độ cao thì chất lỏng biến thành hơi nước rồi được vận chuyển thông qua bộ trao đổi nhiệt (bộ tản nhiệt, cuộn dây nước nóng không khí). Đặc biệt, dòng nước này có thể được sử dụng trong tắm giặt.
• Với môi trường không khí: Ống dẫn đảm nhiệm nhiệm vụ phân khối không khí; luồng khí ấm được mang đi cung cấp cho tòa nhà và luồng khí lạnh được trả về bộ phận máy sưởi.

Hệ thống thông gió, phân phối gió (Ventilation)

Hệ thống thông gió sẽ thực hiện quy trình thay thế không khí ở trong không gian kín và không gian từ phía bên ngoài; giúp không khí được cải thiện, loại bỏ mùi, nhiệt độ và độ ẩm,… Đồng thời giúp giảm thiểu tối đa những khói bụi và chất gây ô nhiễm.

Theo đó, sẽ có 2 phương pháp thông gió trong hệ thống HVAC:

• Thông gió tự nhiên: Đây là phương pháp không sử dụng quạt thông gió hay bất kỳ thiết bị nào, mà chỉ dùng luồng không khí tự nhiên từ các lỗ thông gió hay cửa sổ. Tuy nhiên đây là phương pháp sẽ không mang lại hiệu quả cao.
• Thông gió nhân tạo: Còn được gọi với cái tên khác là thông gió cưỡng bức; phương pháp này sử dụng đủ các loại quạt thông gió, bộ điều khiển chất lượng không khí và ống thông gió giúp mang lại hiệu quả tối ưu nhất.

Hệ thống điều hòa không khí (Air Conditioner – AC)

Hệ thống điều hòa không khí đóng vai trò cân bằng, kiểm soát nhiệt độ để lưu thông không khí. Với các vị trí như tòa nhà, trung tâm,… thì không khí sẽ được truyền đến các khu vực cần sử dụng; đảm bảo loại bỏ bức xạ, đối lưu hay dẫn nhiệt.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng của hệ thống HVAC

Tìm hiểu chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của hệ thống HVAC trong nội dung bên dưới:

1. Cấu tạo hệ thống HVAC

Các thành phần cơ bản trong một hệ thống HVAC sẽ bao gồm:

• Cụm khí đầu vào: Để ngăn côn trùng, mưa, bụi bẩn.
• Quạt (Fan): Có chức năng lưu thông và trả lại không khí.
• Bộ tiêu âm: Giúp làm giảm tiếng ồn trong vận hành.
• Van chỉnh gió: Làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng khí để kiểm soát lưu lượng, áp suất.
• Van kiểm soát: Làm nhiệm vụ điều chỉnh lượng khí.
• Coil gia nhiệt: Có nhiệm vụ làm nóng không khí tới nhiệt độ thích hợp.
• Coil lạnh: Có nhiệm vụ làm lạnh không khí tới mức nhiệt độ cần thiết; lượng ẩm trong không khí khi gặp lạnh ngưng tụ lại để tách ẩm và giảm độ ẩm của dòng khí tươi đi vào phòng sạch.

• 

  • Cụm tạo ẩm: Làm nhiệm vụ tăng độ ẩm không khí lên phù hợp nếu độ ẩm không khí quá thấp so với độ ẩm trong phòng sạch.
  • Màng lọc: Giúp loại bỏ các tiểu phân có kích thước xác định trước hoặc vi sinh vật. Có 2 loại màng lọc:
  • Lọc thô: Màng lọc của thiết bị AHU sẽ giúp loại bỏ các tiểu phân có kích thước lớn.
  • Lọc tinh: Màng lọc HEPA (thường là loại H13) sẽ giúp loại bỏ các tiểu phân có kích thước nhỏ hoặc vi sinh vật.
  • Ống gió: Dẫn khí ở trong hệ thống.
  • Buồng chứa khí hỗn hợp: Hòa trộn không khí trong phòng với bên ngoài.
  • Thiết bị sưởi ấm: Gồm lò khí đốt tự nhiên hoặc yếu tố nhiệt điện.
  • Bộ phận trao đổi nhiệt: Gồm có cuộn dây nước nóng, cuộn dây nước lạnh, cuộn dây hơi, chất làm lạnh bay hơi để thêm hoặc loại bỏ nhiệt từ không khí lưu thông.
  • Tháp giải nhiệt chiller: Cấu tạo nhờ bình ngưng làm mát bằng nước.
  • Bơm: Làm nhiệm vụ chuyển nước nóng từ nồi hơi bằng các cuộn dây nước nóng quay trở lại hoặc chuyển nước lạnh từ máy làm lạnh bằng các cuộn dây nước lạnh rồi làm lạnh.
  • Khí nén: Để bơm chất làm lạnh và nén hơi lạnh xung quanh hệ thống.

2. Nguyên lý hoạt động hệ thống HVAC tòa nhà

Hệ thống HVAC có 3 loại khí là khí tươi, khí hồi lưu và khí thải; sẽ vận hành theo nguyên lý sau:

• Khí tươi lấy từ không khí đi qua cụm khí đầu vào, rồi đi qua AHU để điều chỉnh độ ẩm áp suất cũng như lọc sơ bộ lượng tiểu phân kích thước lớn trong khí tươi. Sau đó, lượng khí tươi cấp vào sẽ được kiểm soát bằng van chỉnh gió.
• Khí tươi sau khi đi qua AHU thì được điều chỉnh nhiệt độ về khoảng 22০C bằng heater.
• Tiếp đến khí tươi được lọc tinh qua màng lọc HEPA để loại bỏ các tiểu phân có kích thước nhỏ và vi khuẩn.
• Có đến 90% khí trong phòng được hồi lưu về AHU (khí hồi lưu) và cấp về phòng sạch; 10% còn lại sẽ thải ra môi trường.

*Chú ý:

• Đối với phòng sản xuất thuốc độc, thuốc chứa hoạt chất nguy hiểm thì không khí trước khi thải ra môi trường cần phải được xử lý để không gây ô nhiễm môi trường.
• Phòng sạch GMP thông thường có 80 – 90% lượng khí hồi lưu; 10 – 20% lượng khí còn lại là khí tươi sẽ được lọc và cấp từ môi trường bên ngoài. Điều này giúp đảm bảo lượng oxy cung cấp cho người vận hành trong các nhà máy.
• Đối với loại phòng sạch sản xuất vacxin, vi sinh có yêu cầu cao về độ sạch cũng như giới hạn nhiễm khuẩn thì không khí trong phòng sạch phải được thay liên tục với 100% lượng khí trong phòng là khí tươi.

3. Chu trình hoạt động

Hệ thống HVAC có 3 chu trình hoạt động gồm:

• Supply Air: Cung cấp không khí gồm không khí lạnh và không khí nóng.
• Return Air: Sẽ mang không khí quay trở lại về hệ thống.
• Exhaust Air: Thải luồng không khí không sạch ra bên ngoài; thường là thải trong phòng vệ sinh.

4. Chức năng hoạt động

Như đã nói ở trên thì hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí có mối quan hệ chặt chẽ với nhau; là kết cấu không thể thiếu trong một công trình lớn. Do đó, chức năng của hệ thống HVAC là cung cấp chất lượng không khí tốt nhất cho con người và môi trường sản xuất ở bất kỳ điều kiện nào.

Ưu, nhược điểm của hệ thống HVAC

Hiện nay, chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp hệ thống HVAC ở các tòa nhà, trung tâm thương mại, nhà máy, xí nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Những đánh giá chung về ưu và nhược điểm của hệ thống này sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan nhất!

Ưu điểm của hệ thống HVAC

Các lợi ích mà hệ thống HVAC mang đến cho người sử dụng là:

• HVAC system giúp kiểm soát và duy trì nồng độ hạt bụi trong không gian; tạo ra sự chênh lệch áp suất trong phòng với môi trường để giữ độ ẩm và nhiệt độ ổn định trong dải đo cho phép.
• Hệ thống HVAC tạo ra một luồng khí sạch với độ ẩm và nhiệt độ thích hợp; thiết bị này sẽ di chuyển tuần hoàn trong các phòng và tạo ra nhiều cấp độ sạch khác nhau.

• 

  • Hệ thống HVAC dùng để kiểm soát độ ẩm; có thể thêm máy tạo ẩm và máy hút ẩm làm tùy chọn cho hệ thống sưởi và làm mát quản lý độ ẩm của môi trường mà không cần phải bật điều hòa. (tham khảo các tùy chọn trên máy điều hòa nhiệt độ hiện nay).
  • Việc lựa chọn một hệ thống HVAC phù hợp với nhu cầu sử dụng giúp giảm thiểu chi phí sử dụng điện năng; giúp doanh nghiệp tiết kiệm khoản lớn chi phí đầu tư.

  Nhược điểm của hệ thống HVAC

  Một số nhược điểm cũng như rủi ro khi lắp đặt hệ thống HVAC mà người dùng cần quan tâm:

  • Hệ thống HVAC chủ yếu chỉ sử dụng cho các hệ thống công nghiệp phục vụ tạo ra sản phẩm; không trực tiếp phục vụ con người.
  • Cần phải cấp đủ thông hơi để tránh dẫn đến nguy cơ cháy do sự hình thành của các hợp chất dễ bay hơi như VOC, formaldehyde, carbon monoxide,…và các chất nguy hiểm khác.
  • Phần lớn sưởi ấm và làm mát là các chức năng được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống HVAC nên sẽ gây tốn nhiều năng lượng nhất.

• 

  Ngoài ra, một số vấn đề có thể xảy ra với các bộ phận trong hệ thống HVAC; khiến quá trình sửa chữa gặp nhiều khó khăn và tốn kém nhiều chi phí:

  • Van chỉnh gió có thể bị kẹt.
  • Nước, chất lượng hơi, thoát nước kém tại cụm đầu ẩm.
  • Ga bị yếu sẽ không loại được nước ngưng tụ; gây thoát nước kém.
  • Màng lọc có thể bị thủng nên không loại bỏ được tiểu phân; hoặc màng lọc dùng quá lâu lượng bụi quá nhiều gây ra bít lỗ lọc nên cần có biện pháp vệ sinh, thay mới màng lọc.
  • Ống gió có thể bị rò rỉ khí.

• Ứng dụng của hệ thống HVAC

  Việc thẩm định hệ thống HVAC đã được hiện hữu rõ ràng thông qua các ứng dụng cho một không gian và cho các ngành công nghiệp.

  1. Ứng dụng đối với 1 không gian

  Với một không gian nhất định, hệ thống HVAC dùng để:

  • Điều chỉnh nhiệt độ của phòng.
  • Cung cấp loại không khí thoáng mát, không khí sạch ở trong phòng.
  • Loại bỏ chất gây ô nhiễm từ không khí bằng cách dùng các bộ lọc ở những giai đoạn khác nhau.
  • Hoạt động các nguyên liệu một cách hiệu quả.

• 2. Ứng dụng đối với các ngành công nghiệp hiện đại

  Hệ thống HVAC ứng dụng trong một số môi trường:

  • Tòa nhà, nhà xưởng, nhà máy công nghiệp và phòng sạch.
  • Khách sạn, cơ sở sinh hoạt cao cấp.
  • Văn phòng, trường học, phòng nghiên cứu, bệnh viện, phòng thí nghiệm,,…
  • Ở trong các phương tiện như ô tô, tàu hỏa, máy bay, tàu ngầm, tàu thủy,…
  • Môi trường của nơi cần xử lý không khí.