TIN TỨC

Phương án thiết kế hệ thống VAV hiệu quả (Efficient VAV System Design)

Nguyên tắc thiết kế VAV (VAV System Design Principles): Một hệ thống VAV hiệu quả đòi hỏi thiết kế hài hòa từ trung tâm tới các nhánh. Thành phần chính gồm AHU (Air Handling Unit) trung tâm, các VAV terminal units (hộp VAV ở cuối kênh phân phối) cho từng vùng, mạng ống gió phân phối, và hệ điều khiển tương ứng. Hình dưới đây minh họa một hệ thống VAV điển hình: một AHU cung cấp không khí đã được xử lý (lạnh ~12°C) vào ống gió chính; các hộp VAV (mỗi hộp một zone) điều chỉnh van để phân phối lượng gió phù hợp nhu cầu từng phòng. Nhiều hộp VAV có cảm biến lưu lượng và cơ cấu điều khiển để đảm bảo cung cấp đúng lưu lượng tối thiểu cho thông gió kể cả khi phòng không tải (tránh đóng hẳn gây thiếu gió tươi). Một số loại VAV đặc biệt: VAV SINGLE DUCT có reheat (phổ biến nhất, có cuộn sưởi điện/nước để hâm nóng khi cần), fan-powered VAV (có quạt nhỏ hỗ trợ hút khí trần để tăng nhiệt khi sưởi hoặc tăng lưu lượng khi tải cao), dual-duct VAV (hộp VAV 2 ngõ nhận cả gió lạnh và gió nóng từ hai ống gió riêng, trộn để đạt nhiệt độ mong muốn) – dùng ở hệ thống đặc biệt có cả kênh nóng/lạnh song song. Trong thiết kế hiện đại, các quạt cấp (supply fan) của AHU đều sử dụng biến tần (VFD – Variable Frequency Drive), giúp giảm tốc độ/quạt tải khi nhu cầu giảm, nhờ đó tiết kiệm điện năng quạt đáng kể. Kết hợp với đó, thuật toán điều chỉnh áp suất tĩnh trong ống gió sẽ điều khiển VFD duy trì một mức áp suất đủ để cung cấp gió tới hộp xa nhất vừa mở hết; khi hầu hết các VAV đóng bớt, áp suất dư tăng sẽ làm VFD giảm tốc độ quạt, tránh lãng phí. Ngoài ra, AHU thường cài đặt chế độ reset nhiệt độ gió cấp (supply-air temperature reset): khi tải lạnh toàn hệ thống giảm, nhiệt độ gió cấp được tăng lên (ví dụ từ 12°C lên 14–15°C) để tiết kiệm năng lượng làm lạnh tại chiller và giảm nhu cầu reheat sưởi ở vùng biên. Những tính năng này (quạt biến tần, reset nhiệt độ) là nguyên tắc thiết kế quan trọng giúp VAV hệ đạt hiệu quả cao.

Hình 1: Sơ đồ một hệ thống HVAC sử dụng phân phối VAV điển hình (AHU cấp gió lạnh vào hệ ống gió, qua các hộp VAV điều chỉnh đến các vùng). Mỗi hộp VAV có van điều chỉnh lưu lượng theo tín hiệu bộ điều khiển vùng (DDC controller) dựa trên nhiệt độ phòng.

Bố trí VAV box theo tải từng vùng (Zoning and VAV Layout): Thiết kế vùng điều hòa (zone) hợp lý là chìa khóa cho hệ VAV hiệu quả. Nguyên tắc cơ bản: mỗi zone nên có một hộp VAV riêng để điều chỉnh độc lập theo tải của zone đó. Thông thường, một zone được xác định bởi các không gian có đặc điểm tải và chế độ hoạt động tương tự (ví dụ: một phòng lớn, một cụm văn phòng hướng tây, khu vực hội trường đông người, v.v.). Kỹ sư phải tính toán tải cực đại của từng zone (tải lạnh mùa hè, tải sưởi mùa đông nếu có) để chọn kích cỡ hộp VAV (lưu lượng tối đa Q_max). Đồng thời, xác định lưu lượng tối thiểu (Q_min) đảm bảo thông gió (thường ~30% Q_max hoặc theo tiêu chuẩn gió tươi). Việc sắp đặt hộp VAV trên trần cần cân nhắc: đặt gần khu vực phục vụ để cảm biến nhiệt phản ánh đúng nhiệt độ phòng; tránh đặt ngay trên khu vực ồn yêu cầu yên tĩnh (dù hộp VAV thường ít ồn, quạt AHU có giảm tốc nhưng vẫn có tiếng gió). Đường ống gió nhánh từ hộp tới miệng gió nên ngắn và ít uốn để giảm sụt áp và tiếng ồn. Bảng dưới đây tóm tắt một số yếu tố thiết kế quan trọng:

• Tính toán kích thước ống gió (Duct Sizing): Ống gió phải được chọn kích thước đủ lớn để giảm tổn thất áp suất, nhưng cũng không quá lớn gây tốn diện tích và chi phí. Thiết kế vận tốc gió hợp lý (thường 5–7 m/s cho ống chính, 3–5 m/s cho ống nhánh) giúp tối ưu cả chi phí và tiếng ồn.

• Vị trí lắp đặt VAV box (VAV Box Placement): Đặt hộp VAV tại vị trí thuận lợi cho việc cảm nhận nhiệt độ chính xác của zone và phân phối gió đồng đều. Tránh đặt xa khu vực được kiểm soát vì đường ống dài có thể làm trễ phản hồi điều khiển. Đảm bảo có không gian cho bảo trì (thay cảm biến, bảo trì van/quạt).

• Cấu hình hệ thống (System Configuration): Hệ VAV nên được cấu hình đáp ứng mô hình sử dụng của tòa nhà. Ví dụ: với văn phòng nhiều phòng nhỏ, có thể chia nhiều zone nhỏ để phòng nào không dùng có thể giảm lưu lượng thấp (tiết kiệm năng lượng). Ngược lại, sảnh lớn hay không gian mở nên dùng zone lớn nhưng kèm cảm biến diện rộng hoặc nhiều cảm biến để tránh chỗ quá lạnh, chỗ quá nóng.

Thiết kế cũng cần tính đến sự linh hoạt trong tương lai: dễ dàng thêm/bớt zone nếu phân chia lại không gian. Hệ thống VAV có tính linh hoạt cao – có thể thêm hộp VAV mới vào ống gió chính nếu mở rộng phòng, miễn là AHU còn dư công suất và mạng điều khiển hỗ trợ thêm nút. Đây là lợi thế cho các tòa nhà văn phòng hay thay đổi bố cục; nhưng người thiết kế phải dự phòng công suất và chừa không gian trên ống cái cho việc này.

Tích hợp AHU, Chiller, Heat Pump, DDC & Controller (Integration of AHU, Chiller/Heat Pump, and Controls): Một hệ VAV muốn vận hành tối ưu phải được tích hợp đồng bộ từ phần lạnh trung tâm đến điều khiển vùng. Cụ thể:

• AHU & Chiller/Heat Pump: AHU là nơi trao đổi nhiệt trung gian giữa nước lạnh/gió. Nếu tòa nhà dùng chiller (máy lạnh nước), nước lạnh từ chiller sẽ qua coil AHU làm lạnh không khí. Điều khiển VAV tốt cần phối hợp với điều khiển chiller: ví dụ khi tải lạnh giảm, BMS có thể tăng nhiệt độ nước lạnh hoặc tắt bớt chiller để tránh dư lạnh. Nếu hệ thống có heat pump (bơm nhiệt) cung cấp nước nóng sưởi, cũng cần liên kết để cấp nhiệt đúng lúc (sáng sớm sưởi phòng trước khi AHU chuyển sang làm lạnh...). Tích hợp ở đây nghĩa là các tín hiệu nhu cầu từ zone (vd. nhiều VAV gọi sưởi) sẽ báo về hệ trung tâm để bơm nhiệt bật và cung cấp nước nóng cho coil sưởi (tại AHU hoặc tại các VAV box). Một hệ VAV tích hợp tốt thường có khả năng reset nhiệt độ nước lạnh/nóng dựa theo tải trung bình toàn hệ thống, giúp tiết kiệm điện máy lạnh khi tải nhẹ.

• DDC Controllers & BAS (Điều khiển số trực tiếp và hệ thống quản lý tòa nhà): Ngày nay, mỗi AHU và mỗi VAV box đều được trang bị bộ điều khiển DDC (Direct Digital Control) riêng, kết nối qua mạng truyền thông trong tòa nhà. Ví dụ, controller của AHU giám sát nhiệt độ gió cấp, áp suất ống gió, điều khiển quạt (VFD) và van nước lạnh; trong khi controller của VAV box đọc nhiệt độ phòng, lưu lượng gió và điều khiển van gió cũng như van reheat (nếu có). Tất cả các bộ DDC này giao tiếp với nhau qua mạng BAS (Building Automation System), thường sử dụng giao thức tiêu chuẩn (BACnet, Modbus hoặc LON). Một bộ điều khiển trung tâm hoặc máy tính chủ BMS sẽ thực hiện giám sát và điều khiển bậc cao – ví dụ, đặt lịch vận hành, thay đổi setpoint theo thời gian, lưu trữ dữ liệu, cảnh báo sự cố. Hệ thống DDC/BAS cho phép các chiến lược điều khiển nâng cao: giải thuật tối ưu (như reset áp suất tĩnh: BMS theo dõi độ mở van các VAV, nếu tất cả đều đóng nhiều sẽ ra lệnh giảm setpoint áp suất quạt để tiết kiệm điện), hoặc điều khiển nhu cầu thông gió (DCV) dựa trên cảm biến CO₂ tại các zone (BAS tăng lưu lượng gió tươi khi nồng độ CO₂ cao). Tất cả những logic này chỉ khả thi khi AHU và VAV liên thông dữ liệu qua DDC. Kiến trúc hệ thống điều khiển VAV thường gồm: các bộ điều khiển hiện trường (field controllers) gắn tại thiết bị (AHU, VAV), kết nối về controller cấp cao (supervisory controller) tại phòng máy, và máy chủ BMS giao tiếp qua giao diện người dùng. Mỗi hãng (Belimo, Siemens, Honeywell…) có giải pháp DDC riêng, nhưng đa số đều tuân theo kiến trúc chung và có thể tích hợp qua BACnet/IP. Theo một mô tả đơn giản: “Cả AHU và các hộp VAV đều được trang bị bộ điều khiển DDC và giao tiếp với nhau qua mạng BAS. Việc giám sát hệ thống thường được thực hiện trên BMS trung tâm, cho phép người vận hành điều chỉnh setpoint, theo dõi hiệu năng và phát hiện sự cố từ xa”