Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng trong điều hòa không khí trung tâm để tiết kiệm điện năng

i

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MINH PHÚ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHILLER NỐI TIẾP NGƯỢC
DỊNG TRONG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM
ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008


ii

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Ngọc Hùng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

tháng 12 năm 2008


iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN MINH PHÚ

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

25-07-1983

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chun ngành:

Cơng nghệ nhiệt

Khố (Năm trúng tuyển):

2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng trong điều hịa khơng khí
trung tâm để tiết kiệm điện năng.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về bố trí chiller và hệ thống nước.
- Nghiên cứu tính tốn hệ thống chiller nối tiếp ngược dịng đối với một loại
chiller.
- Xây dựng chương trình tính tốn tối ưu các thơng số vận hành.
- Thiết lập mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng.
- Nhận xét, kết luận và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25-01-2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28-11-2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Bùi Ngọc Hùng
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Bùi Ngọc Hùng

PGS.TS. Lê Chí Hiệp


iv

Lời cảm ơn
Tơi xin chân thành bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:
Thầy Bùi Ngọc Hùng đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, phương
tiện thí nghiệm, dành nhiều thời gian quý báo để đọc tồn bộ bản thảo và đóng góp
nhiều ý kiến thiết thực cho luận văn .
Ban chủ nhiệm và toàn thể quý thầy cô Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh –
Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cả về cơ sở vật
chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Gia đình, người thân và bạn bè đã ln động viên, giúp đỡ để tơi hồn
thành luận văn và khóa học cao học tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM.

Tp.HCM, tháng 11 năm 2008
Nguyễn Minh Phú


v

Tóm tắt luận văn thạc sĩ
Bố trí nối tiếp các chiller sẽ giúp giảm độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi
trong từng chiller tuy nhiên làm tăng tổn thất áp suất nước, nhược điểm này sẽ được
giải quyết khi tăng độ chênh nhiệt độ nước vào và ra khỏi hệ thống chiller khi đó
lưu lượng nước sẽ giảm. Bên cạnh đó với hệ thống nước lưu lượng sơ cấp thay đổi
sẽ làm giới hạn ảnh hưởng của tổn thất áp suất trong mọi chế độ giảm tải. Luận văn
nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng lưu lượng thấp, nhiệt độ nước lạnh

thấp, hiệu suất cao nhằm tiết kiệm điện năng bằng việc phân tích lý thuyết, nghiên
cứu phương pháp tính tốn ứng với một loại chiller cụ thể đó là chiller có bình
ngưng ống nước nằm ngang có cánh ngắn về phía tác nhân lạnh R22, bình bốc hơi
ống trơn nằm ngang R22 sơi trong ống, khơng có bình hồi nhiệt. Kế tiếp luận văn
xây dựng chương trình tính tốn tối ưu các thơng số vận hành như số chiller ghép
nối tiếp, độ chênh nhiệt độ nước vào và ra, lưu lượng nước giải nhiệt và tiến hành
thực nghiệm để kiểm chứng một phần phương pháp tính tốn.


vi

Danh mục một số ký hiệu
COP

– Hệ số làm lạnh

cpnl

– Nhiệt dung riêng của nước qua bình bay hơi, kJ/kg.K

dnc

– Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt bình ngưng, m

dne

– Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Dc

– Đường kính cánh, m

Dotl

– Đường kính lớn nhất của chùm ống, m

Ds

– Đường kính trong của vỏ bình, m

dtc

– Đường kính trong của ống truyền nhiệt bình ngưng, m

dte

– Đường kính trong của ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Fnc/m

– Tổng diện tích bề mặt ngồi của một mét ống có cánh, m2/m

Fne

– Diện tích truyền nhiệt về phía ngồi ống của bình bay hơi, m2

Ftc

– Diện tích truyền nhiệt về phía trong ống của bình ngưng, m2

Ftc/m

– Tổng diện tích bề mặt trong của một mét ống, m2/m

Fte

– Diện tích truyền nhiệt về phía trong ống của bình bay hơi, m2

GR

– Lưu lượng tác nhân lạnh, kg/s

i

– Entanpi của tác nhân lạnh, kJ/kg

Lbc

– Khoảng cách giữa hai vách ngăn, m

Lbch

– Chiều cao cắt vách ngăn, m

lc

– Chiều dài một ống truyền nhiệt bình ngưng, m

le

– Chiều dài một ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Lsb

– Khe hở giữa vỏ bình và vách ngăn, m

Ltb

– Khe hở giữa ống truyền nhiệt và vách ngăn, m

Ltp

– Bước ống, m

Nb

– Số vách ngăn

nc

– Tổng số ống trong bình ngưng

ne

– Tổng số ống trong bình bay hơi


vii

nnt

– Số chiller nối tiếp ngược dịng

N

– Cơng suất máy nén, kW

Nk

– Công suất bơm nước giải nhiệt, kW

N0

– Công suất bơm nước lạnh, kW

nze

– Số hàng ống trong bình bay hơi

Prnl

– Trị số Prandtl của nước qua bình bay hơi

qte

– Mật độ dịng nhiệt về phía trong ống bình bay hơi, kW/m2

Q0

– Năng suất lạnh, kW

Qk

– Năng suất bình ngưng, kW

Rc

– Nhiệt trở cáu và vách ống bình ngưng, m2.K/W

Re

– Nhiệt trở cáu và vách ống bình bay hơi, m2.K/W

Regn

– Trị số Reynolds của nước qua bình ngưng

Renl

– Trị số Reynolds của nước qua bình bay hơi

Sc

– Bước cánh, m

Sm

– Diện tích nước qua chổ hẹp nhất trong bình bay hơi, m2

t0

– Nhiệt độ bay hơi, oC

tk

– Nhiệt độ ngưng tụ, oC

tgn

– Nhiệt độ trung bình của nước qua bình ngưng, oC

tgnr

– Nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi bình ngưng, oC

tgnv

– Nhiệt độ nước giải nhiệt vào bình ngưng, oC

tnl

– Nhiệt độ trung bình của nước qua bình bay hơi, oC

tnlr

– Nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi, oC

tnlv

– Nhiệt độ nước vào bình bay hơi, oC

twc

– Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình ngưng, oC

twe

– Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình bay hơi, oC

Vgn

– Lưu lượng nước giải nhiệt, m3/s

Vnl

– Lưu lượng nước lạnh, m3/s


viii

W

– Công nén đoạn nhiệt, kW

x

– Độ khô của tác nhân lạnh vào bình bay hơi

zc

– Số pass bình ngưng

ze

– Số pass bình bay hơi

α gn

– Hệ số trao đổi nhiệt của nước qua bình ngưng, W/m2.K

α nl

– Hệ số trao đổi nhiệt của nước qua bình bay hơi, W/m2.K

α Re

– Hệ số trao đổi nhiệt của tác nhân lạnh trong bình bay hơi, W/m2.K

ωgn

– Tốc độ nước chảy trong ống bình ngưng, m/s

ωnl

– Tốc độ nước qua chổ hẹp nhất trong bình bay hơi, m/s

ν gn

– Độ nhớt động học của nước qua bình ngưng, m2/s

ν nl

– Độ nhớt động học của nước qua bình bay hơi, m2/s

ρ nl

– Khối lượng riêng của nước qua bình bay hơi, m3/kg

λ nl

– Hệ số dẫn nhiệt của nước qua bình bay hơi, W/m.K

εL

– Hệ số tính đến ảnh hưởng của đoạn ống nhiệt ban đầu

ε qd

– Hệ số hiệu chỉnh quá độ

εz

– Hệ số xét đến ảnh hưởng của số hàng ống

δ0

– Bề dày chân cánh, m

δd

– Bề dày đầu cánh, m

∆p1

– Tổn thất áp suất qua chùm ống, kPa

∆p 2

– Tổn thất áp suất vùng cửa sổ, kPa

∆p 3

– Tổn thất áp suất ở cửa vào và ra, kPa

∆p gn

– Tổn thất áp suất nước qua bình ngưng, kPa

∆p nl

– Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi, kPa

η

– Hiệu suất bơm nước


ix

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1- COP của các loại máy nén và yêu cầu hiệu suất nhỏ nhất theo tiêu chuẩn
ASHRAE 90.1 và MEPS...................................................................................................2
Hình 1.2- Thành phần tiêu thụ điện hằng năm của hệ thống điều hịa khơng khí............3
Hình 1.3- Hệ thống một chiller.........................................................................................3
Hình 1.4- Hệ thống hai chiller lắp song song ..................................................................4
Hình 1.5- Lắp nối tiếp bình bay hơi, lắp song song bình ngưng......................................5
Hình 1.6- Hệ thống hai chiller lắp nối tiếp ngược dịng...................................................5
Hình 1.7- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi, ngưng
tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp bình bay hơi và ghép song song bình ngưng .6
Hình 1.8- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi, ngưng
tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp ngược dịng. ..................................................7
Hình 1.9- Hệ thống lưu lượng khơng đổi với van 3 ngã ..................................................8
Hình 1.10- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 2 ngã và van bypass.........................9
Hình 1.11- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp...............................................................................10
Hình 1.12- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi .............................................................11
Hình 1.13- Chu trình máy lạnh và nhiệt độ trong bình ngưng và bình bay hơi .............13
Hình 1.14- Cách xác định các thơng số tối ưu của nước................................................14
Hình 1.15- Tương quan giữa cơng suất máy nén, bơm nước giải nhiệt và quạt tháp khi
tăng độ chênh nhiệt độ nước ...........................................................................................17
Hình 2.1- Chu trình máy lạnh.........................................................................................22
Hình 2.2- Đồ thị T-s .......................................................................................................22
Hình 2.3- Tổn thất áp suất qua chùm ống ......................................................................26
Hình 2.4- Tổn thất áp suất qua bình ngưng ....................................................................33
Hình 3.1- Giao diện chương trình ..................................................................................35
Hình 3.2- Giao diện nhập số liệu....................................................................................36
Hình 3.3- Hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng ............................................................39


x

Hình 3.4- Lưu đồ chương trình tính tốn tối ưu hệ thống chiller nối tiếp ngược dịng .39
Hình 3.4- Số liệu mơ phỏng chiller 20ton ......................................................................41
Hình 3.5- Cơng suất theo tnlcấp và tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) ....................................42
Hình 3.6- Cơng suất theo tnlcấp (2 chiller ghép nối tiếp) .................................................42
Hình 3.7- Công suất theo tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) ................................................43
Hình 3.8- Cơng suất theo tnlcấp và tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp) ....................................44
Hình 3.9- Cơng suất theo tnlcấp (3 chiller ghép nối tiếp) .................................................44
Hình 3.10- Cơng suất theo tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp)...............................................45
Hình 3.11- Cơng suất theo tnlcấp và tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) ..................................46
Hình 3.12- Cơng suất theo tnlcấp (4 chiller ghép nối tiếp) ...............................................46
Hình 3.13- Cơng suất theo tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) ..............................................47
Hình 3.14- So sánh tổng cơng suất.................................................................................48
Hình 3.15- So sánh lưu lượng nước ...............................................................................48
Hình 3.16- Số liệu mơ phỏng chiller 15ton ....................................................................50
Hình 3.17- So sánh tổng cơng suất.................................................................................51
Hình 3.18- So sánh lưu lượng nước lạnh .......................................................................52
Hình 3.19- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt ...............................................................52
Hình 4.1- Mơ hình thí nghiệm và các vị trí đo ................................................................54

Hình 4.2- Chiller.............................................................................................................55
Hình 4.3- Bình bốc hơi ...................................................................................................56
Hình 4.4- Bình ngưng.....................................................................................................56
Hình 4.5- Sơ đồ kiểm chứng ..........................................................................................58
Hình 4.6- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt .................................................................58
Hình 4.7- So sánh tổn thất áp suất..................................................................................59
Hình 4.8- Hiệu chỉnh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng .........................................59
Hình 4.9- So sánh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng sau khi hiệu chỉnh ................61
Hình 4.10- So sánh nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ ............................................61

xi

Mục lục
trang
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

iii

Lời cám ơn

iv

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

v

Danh mục một số ký hiệu

vi

Danh mục hình vẽ

ix

Mục lục

xi

Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 1
1.1-

1.2-

1.3-

1.4-

Bố trí chiller trong hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm

3

1.1.1- Hệ thống một chiller

3

1.1.2- Hệ thống nhiều chiller

4

1.1.2.1- Lắp song song

4

1.1.2.2- Lắp nối tiếp

5

Hệ thống nước lạnh

7

1.2.1- Hệ thống lưu lượng không đổi với van ba ngã

7

1.2.2- Hệ thống lưu lượng không đổi với van hai ngã và van bypass

9

1.2.3- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp

9

1.2.4- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi

11

Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến điện năng tiêu thụ

12

1.3.1- Lưu lượng nước lạnh thấp

14

1.3.2- Lưu lượng nước giải nhiệt thấp

15

Hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng: Lưu lượng thấp, nhiệt độ

nước lạnh thấp, hiệu suất cao.

17

Chương 2: TÍNH TỐN HỆ THỐNG CHILLER NỐI TIẾP NGƯỢC
DỊNG............................................................................................................... 20
2.1-

Phương pháp tính tốn

20

2.2-

Chu trình máy lạnh

21

2.3-

Bình bốc hơi ống trơn nằm ngang sôi trong ống

23


xii

2.4-

2.5-

2.3.1- Hệ số trao đổi nhiệt phía R22 sơi trong ống

23

2.3.2- Hệ số trao đổi nhiệt phía nước chảy qua chùm ống

24

2.3.3- Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi

26

Bình ngưng ống nước nằm ngang

29

2.4.1- Hệ số trao đổi nhiệt phía nước:

29

2.4.2- Mật độ dịng nhiệt về phía R22 qui về bề mặt trong của ống:

31

2.4.3- Tổn thất áp suất nước qua bình ngưng:

32

Hệ phương trình

34

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG ............................................... 35
3.1- Giao diện chương trình

35

3.2- Kết quả mô phỏng

40

3.2.1- Chiller 20ton

41

3.2.1.1- Hai chiller ghép nối tiếp ngược dòng

42

3.2.1.2- Ba chiller ghép nối tiếp ngược dòng

44

3.2.1.3- Bốn chiller ghép nối tiếp ngược dòng

46

3.2.1.4- Nhận xét và thảo luận

48

3.2.1- Chiller 15ton

50

Chương 4: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM...................................................... 53

4.1- Mơ hình thực nghiệm

53

4.2- Thiết bị thí nghiệm

54

4.2.1- Thiết bị chính

54

4.2.2- Thiết bị đo

57

4.3- So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính

57

4.3.1- Lưu lượng nước giải nhiệt và tổn thất áp suất phía nước

58

4.3.2- Nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ

61

Chương 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ......................................................... 63
5.1- Kết luận

63

5.2- Kiến nghị

63

Tài liệu tham khảo

65


xiii

Lý lịch trích ngang

67

Phụ lục

68

1. Hình ảnh thí nghiệm

68

2. Dữ liệu thí nghiệm

71

3. Catalog bơm nước

74

4. Mã nguồn chương trình mô phỏng

76


1

Chương 1

Chương 1:

TỔNG QUAN

Về mặt lý thuyết, năng lượng cung cấp cho máy lạnh là cơ năng nhưng trong
thực tế năng lượng này chủ yếu là điện năng để tạo ra cơ năng của máy nén. Điện năng
tiêu thụ cho hệ thống điều hịa khơng khí chiếm tỷ lệ khá cao trong tổng số điện năng
tiêu thụ cho cơng trình. Đối với các khách sạn, tỷ lệ này chiếm trên dưới 40%, ví dụ ở
khách sạn Park Hyatt Sài Gịn là 44,4%, khách sạn Victory là 65%, khách sạn Majestic

là 72%.1 Vì lý do đó, các nhà thiết kế và vận hành ln tìm cách tăng hiệu suất hệ
thống điều hịa khơng khí đặc biệt trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng hiện nay.
Công nghệ nén hơi dùng trong các chiller ngày nay đã đạt được hiệu suất vượt
xa so với cách đây vài thập kỹ. Ngày nay, các chiller dùng máy nén ly tâm giải nhiệt
bằng nước được ARI (Air conditioning & Refrigeration Institute) chứng nhận có COP
(Coefficient Of Performance) lên đến 7,8 ở chế độ đầy tải, cao gấp đôi so với chiller
cùng kiểu cách đây 30 năm. Tương tự, máy nén trục vít COP cũng đạt 6,4, cải thiện
hơn 80% so với cách đây 25 năm. Hình 1.1 trình bày quá trình cải thiện COP của các
loại chiller khác nhau và hiệu suất tối thiểu đối với các chiller lớn (năng suất lạnh lớn
hơn 1055kW) của tiêu chuẩn ASHRAE 90.1 và MEPS (Minimum Energy Performance
Standard) [17].

1

Nguồn: www.ecc-hcm.gov.vn


2

Chương 1

Hình 1.1- COP của các loại máy nén và yêu cầu hiệu suất nhỏ nhất theo tiêu chuẩn
ASHRAE 90.1 và MEPS

Cải thiện truyền nhiệt và công nghệ điều khiển cho phép các chiller ngày nay
hoạt động với độ chênh nhiệt độ nước ra và nhiệt độ tác nhân lạnh nhỏ hơn. Trong các
chiller hiệu suất cao, độ chênh này nhỏ hơn 0,5K khơng phải hiếm thấy.
Trong hình 1.2, tiêu thụ điện năng cho hệ thống lạnh trong năm 2006 ít hơn năm
1972 (đường kính biểu đồ lớn hơn), thành phần điện năng cho chiller cũng giảm còn
58% so với 73%. COP tăng lên từ 4.0 đến 7.0.

3

1972

2006

18%

25%

9%
73%

Chương 1

17%

58%
COP >7.0

COP 4.0

Chiller
Tháp giải nhiệt
Các bơm nước
Hình 1.2- Thành phần tiêu thụ điện hằng năm của hệ thống ĐHKK. [18]

1.1- BỐ TRÍ CHILLER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG

KHÍ TRUNG TÂM
1.1.1- Hệ thống một chiller
Hệ

thống

một

chiller thiết kế và vận
hành

đơn

giản

nhất

nhưng hiệu quả cũng thấp
nhất. Hơn nữa, khả năng
dự

phòng

kém,

nếu

chiller bị hỏng cơng trình
sẽ mất lạnh. Hệ thống
một chiller cần diện tích

lắp đặt nhỏ nhất, đặc biệt

Hình 1.3- Hệ thống một chiller.


4

Chương 1

nếu chiller giải nhiệt bằng khơng khí hoặc kiểu bay hơi nước.
Hình 1.3 là sơ đồ một chiller hoạt động theo kiểu lưu lượng không đổi. Bơm
nước lạnh sơ cấp tuần hoàn nước lạnh qua chiller đến tải sau đó hồi về chiller. Vịng
tuần hồn nước lạnh lưu lượng có thể khơng đổi hoặc thay đổi. Hệ thống lưu lượng
thay đổi làm tăng tính phức tạp cho hệ thống nhưng bù lại tiết kiệm công bơm đáng kể.

1.1.2- Hệ thống nhiều chiller
Để dự phòng năng suất lạnh, trong thiết kế hệ thống HVAC hầu hết các kỹ sư
thiết kế hai hoặc nhiều chiller. Nhiều chiller sẽ có cơ hội cải thiện hiệu suất toàn bộ hệ
thống khi tải lạnh giảm và giảm chi phí năng lượng vì tải lạnh biến đổi rất rộng, hệ
thống nhiều chiller có thể hoạt động chỉ với một chiller, trong suốt thời gian đó không
cần năng lượng để vận hành chiller thứ hai và các thiết bị phụ của nó.
Có hai dạng lắp đặt hệ thống nhiều chiller là lắp song song và lắp nối tiếp:
1.1.2.1- Lắp song song
Lắp song song đang
được sử dụng phổ biến
trong các cơng trình điều
hịa khơng khí hiện nay.
Hình 1.4 là sơ đồ hai
chiller mắc song song.
Bơm nước lạnh tuần hồn

nước lạnh qua hai chiller
đến tải và sau đó hồi về
chiller
Hình 1.4- Hệ thống hai chiller lắp song song


5

Chương 1

1.1.2.2- Lắp nối tiếp
Lắp nối tiếp là
một phương pháp lắp
khác của hệ thống
nhiều

chiller.

Lưu

lượng qua mỗi chiller
là lưu lượng của toàn
hệ thống. Khi lưu
lượng tăng, tổn thất
áp suất tăng đáng kể,
tổn thất áp suất tỉ lệ
với bình phương tốc
độ, vì vậy năng lượng

Hình 1.5- Lắp nối tiếp bình bay hơi, lắp song song bình

ngưng.

tiêu tốn cho bơm
tăng so với các
chiller lắp song
song. Do đó các
bình bay hơi một
pass

nước

thường

được

chọn để tổn thất
áp suất cao ở
mức chấp nhận
được.

Năng

Hình 1.6- Hệ thống hai chiller lắp nối tiếp ngược dòng.

lượng tiết kiệm
được do chiller đặt trước (theo chiều đường nước lạnh) vận hành với nước lạnh có
nhiệt độ cao hơn (dẫn đến nhiệt bốc hơi cao hơn) so với lắp song song.


6

Chương 1

Để nâng cao năng lượng tiết kiệm được bù đắp phần năng lượng tiêu tốn do tổn
thất áp suất tăng trong hệ thống chiller nối tiếp, bố trí nối tiếp ngược dòng giữa dòng
nước lạnh và dòng nước giải nhiệt là phương pháp hiệu quả.

Hình 1.7- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi,
ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp bình bay hơi và ghép song song
bình ngưng


7

Chương 1

Hình 1.8- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi,
ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp ngược dịng.

So sánh hình 1.7 và 1.8 [15] ta thấy nhiệt độ bốc hơi của hai trường hợp giống
nhau nhưng nhiệt độ ngưng tụ trong chiller thứ hai trong cách lắp nối tiếp ngược dịng
thấp nên tiết kiệm năng lượng hơn về phía chiller.

1.2- HỆ THỐNG NƯỚC LẠNH
1.2.1- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 3 ngã
Hệ thống lưu lượng khơng đổi (hình 1.9) là một sơ đồ thuộc dạng kinh điển
trong lịch sử ngành điều hịa khơng khí, hệ thống này được áp dụng cho hầu hết các
cơng trình cỡ nhỏ, tải lạnh hầu như không biến đổi hoặc biến đổi không đáng kể.
Lượng nước tuần hồn trong hệ thống là khơng đổi trong tồn bộ q trình vận hành.
Tuy nhiên, khi tải lạnh giảm xuống quá lớn (hiệu nhiệt độ đầu ra và đầu vào của nước

Chiller chỉ từ 2 tới 3oC) thì chiller sẽ được tắt trong khi bơm nước lạnh vẫn hoạt động
để đưa nước lạnh tới các dàn lạnh trong hệ thống. Điều này là hoàn toàn bất lợi về kinh


8

Chương 1

tế khi mà chiller liên tục
đổi trạng thái ON –
OFF gây phát sinh dòng
khởi động tiêu tốn điện
năng và giảm tuổi thọ
máy nén.
Công suất lạnh
của các dàn lạnh được
thay đổi, phụ thuộc vào
cảm

giác

nhiệt

của

người sử dụng theo

Hình 1.9- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 3 ngã

từng mùa cũng như theo

công năng của từng khu vực cấp lạnh, điều này đồng nghĩa với việc tải lạnh của hệ
thống thay đổi liên tục theo thời gian. Thay vì liên tiếp ON – OFF chiller người ta sử
dụng van 3 ngã. Van 3 ngã được lắp đặt tại các dàn lạnh với mục đích điều tiết lưu
lượng nước lạnh đi qua dàn lạnh, hòa trộn nước lạnh cấp và nước lạnh hồi đạt tới một
nhiệt độ cần thiết để sau khi khơng khí đi qua dàn ống sẽ đạt được nhiệt độ như mong
muốn.
Kiểu hệ thống này đã ra đời cách đây vài thập niên, hiện nay Việt Nam vẫn còn
sữ dụng phổ biến trong khi thế giới ít sử dụng vì mang những khuyết điểm khơng thể
bù đắp. Điển hình là việc ON – OFF liên tục chiller và việc bơm nước lạnh phải vận
hành liên tục, trong khi điện năng tiêu thụ bởi chiller và đặc biệt là bơm nước lạnh lại
chiếm tới tỉ lệ khá cao trong tổng điện năng tiêu thụ toàn hệ thống.


9

Chương 1

1.2.2- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 2 ngã và van bypass
Ở hệ thống này, thay vì lắp
van 3 ngã ở từng dàn lạnh, người ta
lắp van bypass trên đường bypass.
Khi một hoặc một số dàn lạnh
ngưng hoạt động, van 2 ngã đóng
lại thì lượng nước thừa sẽ đi qua
đường ống bypass về đầu hút của
bơm.
Mặc dù vậy, do lưu lượng
nước trong hệ thống là không đổi,
công suất bơm không đổi nên vấn
đề cải thiện hiệu quả kinh tế trong

Hình 1.10- Hệ thống lưu lượng khơng
đổi với van 2 ngã và van bypass

việc sử dụng năng lượng vẫn chưa cải thiện.
Hiện nay, một số cơng trình mới được thiết kế và đang thi cơng thì áp dụng hệ
thống này tương đối nhiều.

1.1.3- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp (Primary-secondary (decoupled)
systems)
Cải tiến hơn một chút với ý tưởng phải tiết kiệm được năng lượng tiêu tốn cho
hệ bơm nước thì hệ thống sơ cấp/thứ cấp hay cịn gọi là hệ 2 vịng nước ra đời.
Như hình 1.11, hệ này được chia thành 2 vòng nước, vòng sơ cấp chỉ dùng để
cung cấp nước đi qua cụm chiller nên thường chỉ cần những bơm với cột áp nhỏ.


10

Chương 1

Vịng
nước thứ cấp với
mục đích phân
phối nước lạnh
vào cơng trình,
đến tải tiêu thụ...
thì sử dụng các
bơm biến tần có
khả năng thay
đổi giảm vơ cấp

được

vận

tốc

bơm (chính là
giảm điện năng

Hình 1.11- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp

tiêu thụ). Khi đó hệ thống phải có đường bypass để duy trì lưu lượng nước qua chiller
là cố định, đường bypass này khơng có van nào hoặc có thể gắn van một chiều để chặn
nước từ đầu hút của bơm sơ cấp dồn qua đầu hút của bơm thứ cấp.
Lưu lượng thứ cấp dựa trên tải lạnh, đặc biệt lưu lượng thứ cấp duy trì chênh
lệch áp suất cần thiết trong hệ thống. Lưu lượng sơ cấp luôn lớn hơn hoặc bằng lưu
lượng thứ cấp, lượng nước dư này sẽ qua đường bypass đến đường hồi và về chiller.
Trường hợp lưu lượng sơ cấp ít hơn lưu lượng thứ cấp, nước hồi sẽ qua đường bypass
và hịa trộn với lưu lượng sơ cấp đến cơng trình.
Hệ thống này đã có khả năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bơm tuần hoàn
khi dùng biến tần ở đây, nhưng chúng ta phải thêm cả một hệ thống bơm khác, kèm
theo đó là tiêu tốn nhiều chi phí phụ kiện kèm theo nó.


11

Chương 1

Hệ thống này xuất hiện và được ứng dụng trên thế giới cách đây khoảng hơn
một thập niên, ở Việt Nam có rất ít cơng trình được ứng dụng, mà phần lớn dùng một

trong hai hệ thống đầu.

1.1.4-

Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi (Variable-primary

flow systems)
Công nghệ ngày càng
được cải tiến liên tục thì
chiller ngày nay được sản
xuất đã có khả năng đáp ứng
cho phép được lưu lượng
nước đi qua nó thay đổi
trong một khoảng giới hạn
nhất định.
Trong hệ thống này
chỉ còn một hệ bơm duy nhất
đi qua bình bay hơi của
chiller với các bơm dùng

Hình 1.12- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi

biến tần điều khiển.
Khi giảm tải thì chiller cùng bơm nước đều có khả năng giảm tải. Van bypass
trên đường ống bypass nhằm mục đích để duy trì lượng nước qua chller khơng được
thấp hơn một giá trị thấp nhất mà nhà sản xuất chiller qui định.
Các dàn lạnh sử dụng hệ thống van 2 ngã có cảm biến hiệu áp suất để điều khiển
các bơm.

12

Chương 1

1.3- ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG NƯỚC ĐẾN ĐIỆN NĂNG
TIÊU THỤ
Thiết kế hệ thống nước dựa trên nhiệt độ nước lạnh cấp 6,7oC (44oF) và nhiệt độ
nước giải nhiệt vào bình ngưng là 29,4oC (85oF) với lưu lượng nước lạnh 0,043L/s per
kW (2,4gpm/ton) và lưu lượng nước giải nhiệt 0,054L/s per kW (3gpm/ton). Nguồn
gốc của những thông số này là từ các điều kiện của ARI 550/590-2003 Standard for
performance rating of water-chilling packages using the vapor compression cycle và
tiêu chuẩn của Viện công nghệ lạnh (Cooling Technology Institute) về tỉ lệ và kiểm tra
tháp giải nhiệt. Trong khi các tiêu chuẩn này là thông số chuẩn về tỉ lệ, kiểm tra và
chứng nhận khả năng của chiller và tháp giải nhiệt, chúng khơng có nghĩa là các thơng
số tối ưu để thiết kế chiller.
Nhiệt lượng trao đổi của nước tỉ lệ thuận với lưu lượng và độ chênh nhiệt độ:
Q=Gcp ∆t , với cùng nhiệt lượng thì khi ta tăng độ chênh nhiệt độ ∆t , lưu lượng nước G
sẽ giảm. Lưu lượng nước thấp sẽ giảm điện năng tiêu thụ cho bơm, tuy nhiên khi tăng
độ chênh nhiệt độ nước sẽ làm tăng chênh lệch áp suất nén và áp suất hút của máy nén
dẫn đến tăng công suất cấp cho máy nén. Hình 1.13 ta thấy khi giảm nhiệt độ nước
lạnh ra khỏi bình bay hơi thì nhiệt độ bay hơi sẽ giảm hay khi tăng nhiệt độ nước ra
khỏi bình ngưng thì nhiệt độ ngưng tụ tăng. Nhiệt độ bay hơi giảm hay nhiệt độ ngưng
tụ tăng là khơng nên vì như thế sẽ làm tăng chênh lệch áp suất nén và áp suất hút của
máy nén dẫn đến tăng công suất cấp cho máy nén.