Hệ Thống VAV Đơn Vùng 

1. Giới thiệu về Hệ thống VAV vùng đơn

Hệ thống Variable Air Volume (VAV) vùng đơn là một loại hệ thống điều hòa không khí (HVAC) chuyên biệt, được thiết kế cho các không gian mở trong các tòa nhà thương mại và công trình lớn. Mục tiêu chính của hệ thống này là "cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng bằng cách điều chỉnh cả lưu lượng gió cấp và nhiệt độ không khí thải ra, nhằm đáp ứng yêu cầu tải nhiệt thực tế của từng khu vực." ("Hệ Thống VAV Vùng Đơn Là Gì?")

Hệ thống VAV đại diện cho sự tiến hóa từ các hệ thống cũ hơn như Constant Air Volume (CAV) và Variable Volume and Temperature (VVT), mang lại "hiệu suất năng lượng vượt trội" và khả năng "đảm bảo sự thoải mái" cao hơn. ("Ứng Dụng Của Hệ Thống VAV")

2. Ứng dụng và ưu điểm của Hệ thống VAV vùng đơn

Hệ thống VAV vùng đơn được sử dụng rộng rãi trong nhiều không gian lớn, mở như "nhà hàng, hội trường, sân bay, nhà kho, phòng tập, trung tâm dữ liệu, văn phòng mở, v.v." ("Hệ Thống VAV Vùng Đơn")

Điểm mạnh nổi bật của VAV là khả năng "điều chỉnh linh hoạt lưu lượng gió theo tải nhiệt thực tế, giúp duy trì sự thoải mái đồng thời tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng của hệ thống." ("Hệ Thống VAV Vùng Đơn") Sự phát triển và khả năng chi trả của các biến tần (VFDs – Variable Frequency Drives) đã góp phần đáng kể vào sự tăng trưởng thị phần của hệ thống VAV.

3. Các thành phần chính của Hệ thống VAV vùng đơn

Các thành phần cơ khí cốt lõi của hệ thống VAV vùng đơn bao gồm:

• Bộ xử lý không khí (AHU): Tích hợp dàn lạnh (sử dụng máy nén hoặc nước lạnh) và dàn gia nhiệt (sử dụng điện hoặc nước nóng).

• Quạt thổi: Được điều khiển bởi động cơ quạt.

• Biến tần (VFD): Là "thành phần giúp thay đổi lưu lượng gió theo nhu cầu thực tế" ("Các thành phần của hệ thống VAV vùng đơn") bằng cách điều khiển tốc độ của quạt thổi.

• Hệ thống ống gió: Gồm ống gió cấp và ống gió hồi (đôi khi sử dụng không gian trần làm ống hồi).

• Van gió có động cơ: Điều khiển lượng gió tươi và gió hồi để điều tiết không khí ngoài trời.

• Miệng gió: Phân phối không khí vào không gian sử dụng.

• Bộ điều khiển: Thường là bộ điều khiển số trực tiếp (DDC – Direct Digital Control), mang lại "khả năng linh hoạt trong cài đặt chuỗi vận hành, giám sát và phát hiện lỗi." ("Sơ đồ hệ thống VAV vùng đơn")

4. Nguyên lý vận hành của Hệ thống VAV vùng đơn

Để đảm bảo sự thoải mái, hệ thống VAV vùng đơn kiểm soát ba biến số chính:

1. Nhiệt độ không gian: Được kiểm soát bằng cách điều chỉnh đồng thời nhiệt độ gió cấp và lưu lượng gió cấp.

• Điều khiển nhiệt độ gió cấp: Duy trì nhiệt độ gió cấp thấp hơn nhiệt độ cài đặt của phòng khi làm lạnh (ví dụ: 55°F) và cao hơn khi sưởi (ví dụ: 90°F).

• Điều khiển lưu lượng gió cấp: Tốc độ quạt được điều chỉnh thông qua VFD, tăng khi nhiệt độ phòng vượt quá điểm đặt và giảm khi nhiệt độ giảm xuống. Tốc độ tối thiểu của quạt được giới hạn để đảm bảo thông gió và bảo vệ máy nén.

1. Độ ẩm không gian: Duy trì độ ẩm tương đối trong khoảng chấp nhận được (ví dụ: 30%RH – 60%RH). Hệ thống thực hiện "khử ẩm thụ động" bằng cách tạo điều kiện ngưng tụ hơi nước trên bề mặt dàn lạnh.

• Trình tự ghi đè kiểm soát độ ẩm (Humidity Override Sequence): Nếu độ ẩm cao, hệ thống sẽ kích hoạt chế độ ghi đè, giảm nhiệt độ gió cấp để tăng khả năng ngưng tụ. Trong chế độ này, cả dàn lạnh và dàn sưởi có thể hoạt động đồng thời để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm. Trình tự này không nên xảy ra thường xuyên; nếu có, cần kiểm tra các nguyên nhân tiềm ẩn như bảo trì, cân bằng gió, hoặc hiệu chuẩn cảm biến.

1. Lượng không khí tươi ngoài trời (thông gió): Là yếu tố "cực kỳ quan trọng góp phần đảm bảo chất lượng không khí trong nhà (IAQ)." ("Thông gió trong hệ thống VAV đơn vùng")

• Tiêu chuẩn thông gió: Hệ thống phải tuân thủ ASHRAE® Standard 62.1, quy định "lưu lượng thông gió tối thiểu... áp dụng trong mọi điều kiện tải hoặc trong quá trình điều chỉnh động." ("Tiêu chuẩn thông gió cho hệ VAV đơn vùng")

• Cơ chế điều khiển thông gió:Tốc độ tối thiểu của quạt (Minimum Blower Fan Speed): VFD không được cài đặt thấp hơn tốc độ cần thiết để duy trì thông gió tối thiểu.

• Điều khiển van gió ngoài trời (OAD Control): Van OAD điều chỉnh để duy trì lưu lượng thông gió tối thiểu.

• Điều khiển van gió hồi (RAD Control): Nếu OAD mở hoàn toàn mà chưa đạt đủ gió tươi, van RAD sẽ đóng dần để đạt được lưu lượng mong muốn.

• Reset lượng gió ngoài (Ventilation Reset): Sử dụng cơ chế ước tính số lượng người sử dụng (ví dụ: cảm biến CO₂) để "tự động giảm lượng gió ngoài yêu cầu để nâng cao hiệu quả" ("Reset lượng gió ngoài trong hệ VAV đơn vùng") trong thời gian ít người, được gọi là thông gió điều khiển theo nhu cầu (DCV).

• Thông gió và áp suất tòa nhà: "Tổng lượng khí tươi cấp vào tòa nhà phải bằng hoặc lớn hơn tổng lượng khí xả ra, trong mọi điều kiện tải và mọi chế độ điều chỉnh lại động" để duy trì "áp suất tổng thể trong tòa nhà luôn dương (positive pressure), ngăn chặn sự xâm nhập của không khí không được xử lý từ bên ngoài." ("Thông gió và áp suất tòa nhà trong hệ VAV đơn vùng") Việc tắt van gió ngoài để giảm tải là một sai lầm phổ biến có thể dẫn đến tăng độ ẩm, CO2 và mất cân bằng áp suất.

5. So sánh Hệ thống VAV với CAV và VVT vùng đơn

Mặc dù hệ thống VAV nổi bật về hiệu suất năng lượng, CAV và VVT vẫn được dùng phổ biến.
→ Lý do: Trong lựa chọn hệ thống HVAC, kỹ sư còn phải cân nhắc thêm các yếu tố như:

• Chi phí đầu tư ban đầu;

• Mức độ phức tạp trong điều khiển;

• Yêu cầu về sự thoải mái và vận hành ổn định.

Chi phí hệ thống (System Cost)

Chi phí hệ thống HVAC bao gồm 3 thành phần chính:

1. Chi phí thiết bị cơ khí và lắp đặt

2. Chi phí thiết bị điều khiển và lắp đặt

3. Chi phí bảo trì và vận hành

Chi phí thiết bị cơ khí và lắp đặt (Mechanical Equipment and Installation Cost)

Chi phí thiết bị cơ khí và lắp đặt của các hệ CAV, VVT, và VAV không chênh lệch quá lớn.

Tuy nhiên:

• VVT có thêm ống bypass, van điều tiết motorized và bộ chấp hành;

• VAV khác biệt chủ yếu ở chỗ có biến tần (VFD) điều khiển tốc độ quạt.

→ Với các motor lớn, đôi khi cần thay motor tiêu chuẩn bằng motor chuyên dụng tương thích biến tần (inverter-duty), làm tăng chi phí đầu tư ban đầu.

Chi phí thiết bị điều khiển và lắp đặt (Control Equipment and Installation Cost)

Chi phí liên quan đến thiết bị điều khiển, vật tư và lắp đặt giữa các hệ CAV, VVT và VAV là khác biệt đáng kể.

• Với ứng dụng đơn vùng (single-zone), hệ CAV thường chỉ dùng nhiệt kế cơ bản để điều khiển.

• Trong khi đó, VVT và VAV yêu cầu hệ thống điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC) phức tạp và chi tiết hơn.

→ Chính sự khác biệt về độ phức tạp trong điều khiển đã làm tăng chi phí triển khai của hệ VVT và VAV so với CAV.

Tuy nhiên, do chi phí điều khiển tăng, CAV vẫn phổ biến trong các ứng dụng đơn vùng, bất chấp hiệu suất năng lượng thấp hơn.

Chi phí bảo trì (Maintenance Cost)

Chi phí bảo trì giữa các hệ thống không chênh lệch nhiều về mặt cơ khí.

Các công việc bảo trì định kỳ luôn cần thiết, bao gồm:

• Thay lọc gió;

• Vệ sinh dàn lạnh (evaporator) và dàn nóng (condenser);

• Xả và vệ sinh hệ thống thoát nước;

• Thay dây curoa quạt;

• Kiểm tra van gió cấp gió ngoài.

Điểm khác biệt lớn nằm ở khâu điều khiển

Hệ VAV yêu cầu bảo trì kỹ hơn về hệ thống điều khiển thông gió, do có thêm:

• Van gió cấp ngoài (OAD) và hồi (RAD);

• Sensor lưu lượng gió ngoài (OAS).

→ Các thiết bị này cần được:

• Kiểm tra và hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác;

• Vệ sinh sensor lưu lượng – vì bụi bẩn dễ bám sau thời gian sử dụng.

• Bảng 1. So sánh chi phí hệ thống giữa các hệ CAV, VVT và VAV

• System Cost	CAV System	VVT System	VAV System
  Thiết bị cơ khí	Bình thường	Bình thường	Bình thường
  Lắp đặt cơ khí	Bình thường	Bình thường	Bình thường
  Thiết bị điều khiển	Bình thường	Phát sinh thêm	Phát sinh thêm
  Lắp đặt điều khiển	Bình thường	Phát sinh thêm	Phát sinh thêm
  Bảo trì cơ khí	Bình thường	Bình thường	Bình thường
  Bảo trì điều khiển	Bình thường	Bình thường	Phát sinh thêm

  • Bảng 2: Thành phần điều khiển của hệ thống CAV, VVT và VAV

  • Thành phần điều khiển	CAV System	VVT System	VAV System
    Điều khiển chính	Thermostat	Bộ điều khiển DDC	Bộ điều khiển DDC
    Quạt thổi (Blower Fan)	Thermostat	Rơ le	Rơ le
    Cuộn lạnh (Cooling Coil)	Thermostat	Rơ le	Rơ le
    Cuộn sưởi (Heating Coil)	Thermostat	Rơ le	Rơ le
    Cảm biến nhiệt độ phòng	Thermostat	Sensor	Sensor
    Cảm biến độ ẩm phòng	Thermostat	Sensor	Sensor
    Van gió ngoài trời	Thermostat	Đóng/mở	Actuator điều biến
    Van gió bypass	Không có	Actuator điều biến	Không có
    Cảm biến nhiệt độ gió cấp	Không có	Sensor	Sensor
    Van gió hồi	Không có	Không có	Actuator điều biến
    Biến tần (VFD)	Không có	Không có	Tín hiệu điều biến
    Cảm biến lưu lượng gió tươi	Không có	Không có	Sensor

Hình minh họa: Mức độ phức tạp điều khiển giữa CAV – VVT – VAV

• CAV: Chỉ sử dụng nhiệt kế cơ bản.

• VVT: Dùng bộ điều khiển DDC + van bypass điều tiết.

• VAV: Dùng bộ DDC + biến tần VFD + điều khiển van gió ngoài/hồi + cảm biến nhiệt/độ ẩm.

→ VAV có độ phức tạp điều khiển cao nhất trong 3 hệ thống.

6. Tóm lược

Hệ thống VAV vùng đơn là một giải pháp HVAC tiên tiến và hiệu quả, đặc biệt phù hợp cho các không gian mở lớn. Nó "giúp tăng độ thoải mái bằng cách điều chỉnh lưu lượng gió và nhiệt độ gió cấp theo tải lạnh/nhiệt thực tế." ("Tóm lược") So với CAV và VVT, VAV "vượt trội về hiệu suất, khả năng thích nghi và tiết kiệm năng lượng," mặc dù có chi phí đầu tư và độ phức tạp điều khiển ban đầu cao hơn. Sự kết hợp giữa khả năng kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và thông gió chính xác giúp VAV mang lại chất lượng không khí trong nhà tối ưu và sự thoải mái bền vững cho người sử dụng.

Nguồn và hình ảnh: https://integracontrols.com/single-zone-vav/

Biên tập và dịch bởi: Phòng nghiên cứu phát triển - NSCA