HVAC hiệu quả năng lượng

Credit: VT Techlogy / VT Techlogy

Tháp giải nhiệt

Written by: Thai Hong Linh Published by: VT Techlogy

GIỚI THIỆU

Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (hệ thống HVAC) sử dụng tới 39% năng lượng trong tòa nhà thương mại. Do đó phải thực hiện tiết kiệm năng lượng thông qua việc kiểm soát hoạt động của HVAC và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Việc sử dụng HVAC hiệu quả cao dẫn đến năng lượng sử dụng, khí thải và chi phí vận hành giảm xuống từ (10% -40%). Tòa nhà sử dụng thiết kế "extended comfort zone - Vùng tiện nghi mở rộng"  có thể tiết kiệm lên đến (40% -70%).  HVAC hiệu quả cao làm người dùng cảm thấy thoải mái nhiệt độ, nâng cao chất lượng môi trường trong nhà (indoor environmental quality - IEQ).

MIÊU TẢ

SỞI ẤM (HEATING), ỐNG GIÓ (VENTILATING) VÀ ĐIỀU HÒA (AIR-CONDITIONING) HVAC

HVAC bao gồm hệ thống: Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí. Hệ thống điều khiển vận hành hệ thống HVAC hoạt động thoải mái, an toàn và tiết kiệm chi phí.

Sởi ấm làm nóng không khí trong không gian hoặc làm nóng trực tiếp người sử dụng bằng  bức xạ nhiệt.

Thông gió duy trì tỷ lệ hỗn hợp không khí hít thở (ví dụ: không quá nhiều CO2), kiểm soát mùi và loại bỏ chất gây ô nhiễm. Không khí "sạch sẽ" giúp cho người ở khoẻ mạnh và làm việc tốt hơn. Thông gió bao gồm thụ động thông qua thông gió tự nhiên, hoặc chủ động dùng hệ thống quạt.

Điều hoà không khí là sự làm mát hợp lý và kiểm soát độ ẩm không khí. Không khí trong phòng được làm lạnh bằng cách truyền nhiệt giữa các khoảng không, ví dụ bơm nhiệt bằng nước hoặc đưa vào không khí lạnh hoặc thiết bị làm lanhgj bằng nước. Sởi ấm có thể dùng phương pháp địa nhiệt. Không khí sẽ khó chịu nếu độ ẩm cao. Không khí được hút ẩm bằng cách ngưng tụ trên bề mặt lạnh, chẳng hạn như giàn lạnh, hoặc dùng máy hút ẩm. Khi không khi bị khô thì phải làm ẩm thay cho việc hút ấm. Việc làm ẩm cũng sẽ làm lạnh không khí. Có thể dùng bức xạ lạnh không khí tương tự như bức xạ nóng.

Hệ thống điều khiển đảm bảo tiện nghi, hoạt động an toàn cho thiết bị.  và hệ thống điều khiển HVAC hiện đại cho phép sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng. Công suất lớn nhất trong HVAC chỉ dùng sởi hoặc làm lạnh cỡ 1% đến 2,5% thời gian sử dụng. Hệ thống điều khiển đảm bảo HVAC hoạt động đúng, đáng tin cậy và hiệu quả đúng điều kiện trong 97,5% đến 99% thời gian. 

Mỗi HVAC đều có yêu cầu thiết kế cụ thể và cơ hội tiết kiệm năng lượng riêng. Tuy nhiên, tiết kiệm năng lượng trong một khu vực có thể làm tăng ở một khu vực khác. Đây là sự tương tác giữa các thành phần HVAC, cũng như giữa HVAC và hệ thống ánh sáng.  Do đó, rất cần thiết hiểu một hệ thống hoặc hệ thống con ảnh hưởng đến hệ thống khác như thế nào để tận dụng tối đa cơ hội sẵn có để tiết kiệm năng lượng. 

KIẾN THỨC CĂN BẢN VỀ HIỆU QUẢ CAO NHIỆT - TÀI NGUYÊN HỆ THỐNG HVAC HIỆU QUẢ

ĐỀ XUẤT KHI THIẾT KẾ

Xem xét tất cả yếu tố ảnh hưởng đến vận hành tòa nhà. Tòa nhà nên kết hợp nhiều yếu tố để giảm sự cần thiết phải làm lạnh hoặc sởi ấm. Ví dụ:

1. Lớp bên ngoài tòa nhà sử dụng vật liệu thụ động làm mát hoặc giữ ấm (Mái che nắng, vật liệu giữ nhiệt ánh sáng mặt trời ban ngày và phát tỏa ra ban đêm thermal mass).

2. Lớp bên trong tòa nhà. Sử dụng kính có chỉ số lạnh cao.

3. Lớp bên ngoài dùng vật liệu  chống thất thoát bức xạ nhiệt. 

4. Tường bên ngoài có các chi tiết hãm luồng không khí (air retarder systems).

5. Phối hợp chọn lựa vật liệu tường và mái có hệ số R lớn và chi phí hợp lý.

6. Thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu quả cao.

7. Dùng bộ điều khiển ánh sáng (daylight dimming controls) cho tất cả các khu vực cần thiết.

8. Dùng thiết bị văn phòng có dãn nhãn hiệu quả năng lượng (Ví dụ EPA Energy Star® Office Equipment).

9. Chấp nhận chu kì sử dụng từ 20 đến 25 năm với thiết bị, 50-75 năm cho hệ thống tường và kính.

 Xác định mục tiêu thiết kế càng sớm càng tốt. Nhóm thiết kế phải xác định mục tiêu thiết kế trước khi chi tiết tài liệu xây dựng. 

a. Nhấn mạnh việc trao đổi giữa các thành viên trong nhóm thiết kế (Quy trình quản lý dự án).

b. Soạn tài liệu "Thiết kế cơ sở" chuyển tải đến tất cả thành viên nhóm về mục tiêu năng lượng hiệu quả. Ví dụ: tài liệu thiết kế ban đầu nhấn mạnh việc sử dụng ánh sáng ban ngày và kính hiệu suất cao, điều khiển được ánh sáng chiếu và khung cảnh bên ngoài.

c. Xác định mục tiêu năng lượng tiêu thụ và chi phí vận hành hàng năm.

d. Làm rõ các mục tiêu để đạt và vượt chuẩn đề ra khi thiết kế.

Chọn công suất HVAC phù hợp để đạt hiệu quả vận hành cao

1. Chấp nhận hệ số dự phòng HVAC, công suất đỉnh tối đa theo tiêu chuẩn ANSI/ASHRAE/IES 90.1.
2. Áp dụng hệ số dự phòng theo đường cơ sở hợp lý. Thật không hợp lý khi áp dụng dự phòng cho trường hợp trời nắng nóng nhất không có bóng dâm và tất cả đèn trong các phòng đều bật lên cho số người phục vụ tối đa. Hệ số an toàn áp dụng theo đường cơ sở tạo ra với các giả định hợp lý.
3. Sử dụng phần mềm phân tích như DOE 2.1E để loại bỏ các dư thừa công suất không chắc chắn và quá mức. Phần mềm mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của công suất tải cao điểm đến thiết kế và vận hành. Khi dự phòng không thực tế và quá mức được giảm đi thì đường cơ sở sẽ gần thực tế hơn.

Xem xét hệ số non tải (part-load performance) khi chọn thiết bị.

• Chọn thiết bị hoạt động hiệu quả tại công suất non tải. Ví dụ:
• Chọn quạt thay đổi tốc độ (Variable volume fan) và biến tần cho động cơ quạt.
• Nồi hơi công suất thay đổi (step-fired (hi/lo) boilers, modular boiler plants, modulating flame boilers).
• Nồi hơi hoạt động hiệu quả ở (95%–96%) công suất non giảm công suất dư thừa quay về.
• Giàn lạnh có công suất thay đổi (giàn nhiều tháp với quạt tốc độ thay đổi hoặc sử dụng hai quạt, bộ điều khiển điều chỉnh).
• Bơm có công suất thay đổi (động cơ bơm thay đổi tốc độ, bơm vòng sơ cấp / thứ cấp ).
• Bộ điều khiển nhiệt độ cho nước nóng, nước chiller và không khí vào.

 Chuyển công suất sử dụng ra ngoài giờ cao điểm

• Xem lại bảng giá bán lẻ điện của công ty điện lực, chọn giờ sử dụng thích hợp. 
• Tận dụng giá rẻ giờ thấp điểm, tránh giờ cao điểm.
• Dùng hệ thống quản lý năng lượng để tránh công suất không cần thiết giờ cao điểm (giới hạn công suất đỉnh và yêu cầu).
• Sử dụng thiết bị lưu trữ nhiệt (thermal ice storage ).
• Thử sử dụng các nguồn năng lượng thay thế cho sởi ấm và làm lạnh.

Có phương pháp mở rộng thiết bị trong tương lai thay cho việc mua sắm thiết bị công suất lớn ngay từ đầu. Lựa chọn đúng công suất tránh cho thiết bị ở trạng thái thừa công suất. Khi cần thiết sẽ mở rộng công suất trong tương lai. Không để công suất thừa cho tải chẳng bao giờ sử dụng. Thay vào đó:

1. Dự phòng không gian cho thiết bị lắp đặt thêm như: nồi hơi, chiller, bơm và tháp giải nhiệt.
2. Thiết kế hệ thống phân phối dự phòng cho lắp đặt thêm thiết bị.

Thiết kế trên sẽ làm tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu và vận hành, tiết kiệm chi phí xây dựng và mở rộng khi cần thiết.

Cân chỉnh HVAC (Commission the HVAC system). Việc cân chỉnh HVAC được hướng dẫn trong sổ tay ASHRAE mục 1.1. Nhiều tòa nhà mới sử dụng phương pháp cân chỉnh toàn bộ tòa nhà (Total Building Commissioning - TBC))

Thiết lập chương trình vận hành và bảo trì

1. Chỉ ra hệ thống mà chủ đầu tư có thể tự bảo trì.
2. Khi xây dựng lắp đặt thiết bị cho phép nhân viên tòa nhà dễ dàng theo dõi và điều chỉnh hệ thống.
3. Việc đào tạo điều khiển, vận hành, bảo dưỡng phải có trong hợp đồng xây dựng tòa nhà.
4. Đưa các tài liệu vận hành và bảo dưỡng thiết bị vào hồ sơ tòa nhà.
5. Tài liệu lại cách vận hành bảo dưỡng thiết bị đã được lắp đặt.

CÁC KIỂU HỆ THỐNG HVAC

Hệ thống sởi ấm

1. Nồi hơi dùng tạo ra hơi hoặc nước nóng, sử dụng khí gas, dầu hoặc than.

a. Các nồi hơi sau có hiệu suất từ 78% đến 86%:

Nồi hơi ống lửa (Firetube steel boilers). Khí ga nóng chạy trong ống thép ngâm trong nước. Nồi hơi ống lửa thông thường không vượt quá công suất  25 triệu Btu/hr (MMBtu/hr), nhưng có loại đặc biệt đạt  70 MMBtu/hr.

Nồi hơi ống nước (Watertube steel boilers). Công suất từ loại nhỏ ( 10 MMBtu/hr) đến loại rất lớn (300 MMBtu/hr).

Cast iron boilers. Loại nồi hơi này công suất nhỏ (0.35 đến 10 MMBtu/hr) nhưng yêu cầu thời gian hoạt động rất dài. Do loại nồi hơi này gồm các bộ phận chế tạo sẵn nên dễ dàng lắp đặt tại công trường hơn loại nồi hơi ống lửa hoặc ống nước. Loại nồi hơi này đắt hơn nhiều so với hai loại còn lại cùng công suất.

b. Nồi hơi ngưng tụ (Condensing boilers) là loại hiệu suất cao lấy nhiệt thừa từ việc đốt khí gas làm nóng không khí ngưng tụ. Khí gas còn thừa thông thường được thải thẳng ra ngoài. Loại lò này hiệu suất hoạt động khoảng 95% đến 96%. Chúng hoạt động hiệu quả hơn loại nồi hơi không ngưng tụ (non-condensing boilers). Loại nồi hơi không ngưng tụ có công suất khoảng từ 0.3 đến 2 MMBtu/hr, được thiết kế lắp đặt dạng modun.

2. Lò sưởi dùng trong hộ gia đình và trung tâm thương mại nhỏ. Có loại dùng khí gas tự nhiên, dầu hoặc điện. Lò sưởi cũng phân làm hai loại: ngưng tự và không ngưng tụ. 

3. Bơm nhiệt là thiết bị đưa nhiệt nóng vào hoặc lấy nhiệt nóng đi (làm mát) trong phòng điều hòa. Cả tủ lạnh và điều hòa đều là máy bơm nhiệt từ giàn làm lạnh, vào phòng điều hòa và thải nhiệt nóng ra ngoài (không gian bên ngoài). Bơm nhiệt cũng có thể chạy theo chiều ngược lại: chuyển nhiệt nóng từ môi trường bên ngoài vào phòng điều hòa. Bơm nhiệt có hai loại chính: conventional packaged (từ không khí) và bằng nước (water-source - từ không khí hoặc địa nhiệt).

Kiểm soát sởi ấm

Điều đầu tiên trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng là kiểm soát việc sởi ấm bằng cách giảm chu kì bật / tắt nồi hơi. Bốn yếu tố cần làm trong quá trình nâng cao hiệu quả năng lượng này:

1. Bộ tăng giảm điều chỉnh ngọn lửa (Modulating flame). Nhiệt lượng lò hơi được thay đổi liên tục tăng hoặc giảm theo nhu cầu nhiệt. Bộ điều chỉnh làm tối thiểu việc tắt nồi hơi. Tỷ lệ này là 25% với phần lớn các loại nồi hơi, một số loại đặc biệt tỷ lệ này là 10%.
2. Đốt theo bước (Step-fired). Nhiệt lò hơi được thay đổi theo bước (cao / thấp / tắt). So với loại lò chỉ một bước thì nhiệt đốt sẽ gần với nhiệt cần cung cấp hơn.
3. Nồi hơi kiểu modun (Modular boilers). Một cách tăng hiệu quả năng lượng khác là dùng nồi hơi modun. Khi nhu cầu nhiệt tăng thì modun nồi hơi mới được vận hành, tăng dần dần công suất sởi ấm. Khi nhu cầu nhiệt giảm thì modun nồi hơi được ngắt ra khỏi vận hành.
4. Điều chỉnh cấp oxy (Oxygen trim). Điều chỉnh khí bơm vào để việc đốt đạt hiệu quả cao nhất. Thường sử dụng hiệu quả với nồi hơi công suất lớn có đi kèm bộ điều chỉnh tăng giảm lửa.

Hệ thống ống gió

Hệ thống ống gió đưa không khí điều hòa đến các phòng. Tùy theo kiểu tòa nhà, ống gió lấy 100% không khí ngoài trời (như cho các phòng thí nghiệm) hoặc trộn lẫn không khí tái sử dụng trong nhà và không khí ngoài trời. Trong các tòa nhà thương mại có các kiểu ống gió sau:

1. Ống gió lưu lượng không đổi (Constant air volume  - CAV) là hệ thống đưa lượng khí không đổi khi nhiệt độ khí cấp thay đổi. Nếu hệ thống CAV phục vụ cho nhiều không gian khác nhau, không khí cấp được làm lạnh tại trung tâm theo nhu cầu không gian cần làm lạnh lớn nhất. Các không gian khác nếu lạnh quá thì không khí được sởi ấm lại tại cửa gió ra. Ống gió lưu lượng không đổi với bộ sởi ấm lại không hiệu quả năng lượng vì mất năng lượng làm lại rồi lại phải sởi ấm không khí. CAV đáp ứng nhu cầu cho mọi không gian. Lưu lượng không khí không đổi làm giảm điểm "nghẽn khí", và việc làm nóng lại đáp ứng nhu cầu các phòng khác nhau. 
2. Ống gió lưu lượng thay đổi (Variable air volume - VAV) thay đổi lượng gió cho từng không gian trong khi giữ nhiệt độ không khí cấp không đổi. Hệ thống tiết kiệm năng lượng quạt gió và nhiệt sởi ấm hơn ống gió lưu lượng cố định. Tuy nhiên hệ thống VAV rất khó đảm bảo nhiệt độ phòng đồng nhất khi tốc độ gió thấp. Khi đó cần có thêm bộ sởi ấm.
3. Cửa gió khuếch tán tốc độ thấp (Low-flow air diffusers) trong hệ thống ống gió lưu lượng thay đổi giúp duy trì tốc độ không khí phân tán vào không gian với tốc độ thấp. Thiết bị có dạng thụ động hoặc chủ động. Cửa gió khuếch tán tốc độ thấp thụ động được thiết kế để trộn không khí cấp với không khí trong phòng một cách hiệu quả tại tốc độ gió thấp. Bộ khuếch tán chủ động thực tế quay vị trí van xả ra bộ khuếch tán để trộn không khí tốt nhất tại tốc độ gió thấp. Bộ khuếch tán chủ động có thể dùng làm cửa gió.
4. Cửa gió dùng quạt cho hệ thống ống gió lưu lượng thay đổi (Fan-powered VAV terminal units) là phương pháp khác cải thiện việc phân tán không khí tại tốc độ gió thấp. Hệ thống kết hợp ưu điểm của VAV làm giảm năng lượng tiêu thụ của quạt trung tâm và bộ sởi ấm lại, với ưu điểm của CAV duy trì luồng gió đều khắp. Có hai kiểu chính: nối tiếp và song song. Cửa gió quạt nối tiếp đưa gió vào không gian phòng với lưu lượng không đổi, cửa gió quạt song song đưa gió vào với lưu lượng thay đổi nhưng không dưới mức yêu cầu. Cả hai loại cửa gió này đều cho phép quạt trung tâm thổi gió ở mức tối thiểu cho ống gió.
5. Thổi gió sàn (Raised floor air distribution) cho phép cấp gió tốc độ thấp, điều chỉnh nhiệt độ chính xác vào không gian phòng so với các phương pháp thổi gió thông thường. Không khí được thổi qua sàn nâng độ cao thay đổi làm phòng có nhiệt độ thấp ở dưới (nơi con người và máy móc vận hành) và nhiệt độ cao hơn ở trên trần. Kiểu thổi gió này ngày càng được sử dụng nhiều do tiết kiệm năng lượng và cá nhân hóa nhiệt độ mong muốn với độ chính xác cao. Kiểu điều hòa này ban đầu sử dụng điều hòa ống gió lưu lượng cố định nhưng bây giờ các nhà sản xuất bắt đầu chuyển sang dùng điều hòa ống gió lưu lượng thay đổi giúp việc thiết kế, lắp đặt và vận hành trên sàn giả dễ dàng hơn. 

Hình 1. Gió thổi sàn.

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ

Trong vài năm gần đây, hệ thống điều khiển gió ngày càng trở nên phức tạp hơn. Nếu được lắp đặt và bảo dưỡng đúng, chúng sẽ hoạt động rất tin cậy. Một số công nghệ mới được áp dụng:

1. Hệ thống điều khiển số trực tiếp (Direct digital control - DDC): dùng bộ điều khiển logic số và cơ cấu chấp hành điện thay cho bộ điều khiển khí nén truyền thống. Hệ thống điều khiển khí nén dùng bộ điều khiển tương tự và cơ cấu chấp hành khí nén. DDC cho phép điều khiển chính xác hơn và theo dõi được từ máy tính trung tâm.  DDC cũng ít phải bảo dưỡng hơn hệ thống điều khiển khí nén. Tuy nhiên, bộ điều khiển khí nén có giá thành rẻ hơn DDC. Các hệ thống lai sử dụng cả hai loại DDC và điều khiển khí nén.
2. Các hệ thống ống gió lưu lượng khí cố định CAV phải đặt lại để nhiệt độ không khí cấp cho giàn lạnh cung cấp khí ấm nhất có thể cho phòng sử dụng với tốc độ làm mát cao nhất. Việc này làm hạn chế việc sởi ấm toàn hệ thống. Tuy nhiên nhiệt độ không được cao quá nhiệt độ cần thiết để duy trì độ ẩm. Một cách khác để làm giảm sởi ấm là dùng trích khí bypass. Bypass hoạt động như hệ thống lưu lượng khí thay đổi cho phòng, nhưng nhận khí cấp cố định từ quạt trung tâm.
3. Hệ thống VAV được thiết kế cho vùng cần 6 tấn lạnh trở lên. Cửa hút (Inlet vane) hoặc tốt hơn là quạt tốc độ thay đổi dùng để điều chỉnh lưu lượng khí. Với hệ thống có cả khí cấp và khí hồi thì cần có thiết bị theo dõi luồng khí để đảm bảo cân bằng giữa khí cấp và khí hồi. 
4. Hệ thống điều khiển theo CO2 điều khiển lượng không khí ngoài trời cấp cho ống gió. Hệ thống theo dõi CO2 trong không khí hồi và điều chỉnh cửa gió ngoài trời (outside air damper) để lượng CO2 trong không khí đạt mức cần thiết. Vì CO2 không bị hút bởi chất liệu xây dựng, văn phòng (thảm, đồ nội thất) nên khi phòng không sử dụng chỉ cần lượng không khí cấp bên ngoài tối thiểu. Một số hệ thống điều khiển CO2 có thiết bị phát hiện chất hữu cơ bay hơi.     

CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA

1.Chiller. Trong các tòa nhà thương mại, thiết bị dùng làm lạnh nước gọi là chiller. Nước được bơm vào thiết bị điều hòa không khí (AHU) để làm lạnh không khí. Việc làm lạnh dùng quá trình cơ học hoặc hấp thụ.

a. Chiller làm lạnh cơ học có một hoặc nhiều máy nén khí. Máy nén khí sử dụng động cơ điện, động cơ xăng hoặc tuabin. Làm lạnh đến mức yêu cầu thông qua việc bật tắt máy nén khí, chạy không tải bớt cấp máy nén khí, hoặc thay đổi tốc độ nén. Có các kiểu máy nén khí sau:

1. Máy nén khí pistion (Reciprocating compressor) dùng trong làm mát trực tiếp bằng không khí (air-cooled direct expansion - DX) cho gia đình và khu thương mại nhỏ. Chiller trong các hệ thống náy có công suất khoảng từ 10 đến 200 tấn. Nếu muốn phì hợp non tải và đạt hiệu quả cao năng lượng, nên sử dụng nhiều máy nén khí cho một hệ thống.
2. Máy nén khí xoắn ốc (Scroll compressor) cho công suất từ 1 đến 15 tấn. Các chiller công suất 20 đến 500 tấn sử dụng nhiều máy nén khí. Máy nén khí xoắn ốc ít yêu cầu bảo dưỡng hơn máy nén khí piston.
3. Máy nén khí trục vít (Rotary screw compressor) dùng cho các chiller công suất từ 75 đến 500 tấn.
4. Máy nén khí li tâm (Centrifugal compressor) dùng cho chiller công suất từ 100 đến 7000 tấn. Máy nén khí li tâm chỉ dùng cho chiller công suất rất lớn.

 b. Chiller hấp thụ (Absorption chillers) là thiết bị nhiệt tạo ra nước chiller qua quá trình hấp thụ. Chiller hấp thụ nhiệt có loại đốt trực tiếp, dùng khí tự nhiên hay dầu, hoặc đốt gián tiếp. Đốt gián tiếp sử dụng nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau: nước hoặc hơi nóng từ nồi hơi, hơi nóng từ máy sởi, hoặc khí gas. Chiller hấp thụ nhiệt có thể là loại tác động đơn (single-effect) sử dụng một máy tạo hơi hoặc tác động kép (double-effect) sử dụng hai máy tạo hơi. Chiller tác động kép dùng hai máy tạo hơi cho hiệu quả năng lượng cao hơn. 

c. Máy làm mát bay hơi (Evaporative coolers) là thiết bị làm mát không khí bằng cách tạo độ ẩm và sau đó làm không khí bay hơi. Thiết bị hiệu quả với khu vực không khí khô. Sử dụng thiết bị sẽ làm giảm công suất đỉnh hệ thống so với sử dụng chiller điện.

d. Thông thường hiệu quả hoạt động đầy tải chiller sẽ có tiêu thụ điện như sau:

• Chiller điện làm lạnh bằng không khí công suất nhỏ vào khoảng  1.6-1.1 kW / tấn (Hệ số hiệu suất ( Coefficient of Performance  -COP) từ 2.2 đến 3.2).
• Chiller điện làm lạnh bằng không khí công suất trung bình và lớn vào khoảng 0.95-0.85 kW / tấn (COP từ 3.7 đến 4.1).
• Tương tự chiller điện làm lạnh bằng nước hiệu suất 0.8-0.7 kW / tấn (COP từ 4.4 đến 5.0). Loại chiller có  mức tiêu thụ thấp hơn 0.6-0.5 kW/ tấn  (COP từ 5.9 đến 7.0) là loại hiệu quả năng lượng, nhưng cần xem kĩ công suất non tải.
• COP của chiller hấp thụ sẽ khoảng  0.4-0.6 cho chiller tác động đơn, và 0.8-1.05 cho chiller tác động kép.
• Engine-driven chiller đạt COP từ 1.2 đến 2.0

2. Giàn ngưng tụ (Condensers) là thiết bị trao đổi nhiệt cho chiller để loại bỏ nhiệt nóng thải ra từ không gian được điều hòa. Giàn ngưng tụ gồm có loại làm lạnh bằng khí và loại làm lạnh bằng nước. Giàn ngưng tụ làm lạnh bằng nước thường lắp trong tháp giải nhiệt trên nóc nhà dùng thải nhiệt nóng ra môi trường, tuy nhiên nó có khả năng thải nhiệt nóng vào lòng đất hoặc nước sông.

1. Giàn ngưng tụ làm lạnh bằng không khí (Air-cooled condensers) thường nhỏ và gọn (công suất nhỏ hơn 120 tấn). Chi phí đầu tư ban đầu ít hơn giàn ngưng tụ làm lạnh bằng nước, nhưng không cho phép chiller hoạt động hiệu quả.
2. Giàn ngưng tụ làm lạnh bằng nước (Water-cooled condenser) dùng nước làm lạnh trực tiếp từ giàn ngưng tụ bay hơi hoặc gián tiếp từ tháp giải nhiệt. Nhiệt độ thấp hơn đạt được bằng cách làm bay hơi nước cho phép chiller sử dụng giàn ngưng tụ làm lạnh bằng nước hoạt động hiệu quả hơn.
3. Thiết bị waterside economizer bao gồm bộ điều khiển và trao đổi nhiệt lắp đặt giữa vòng tuần hoàn nước tháp giải nhiệt và vòng tuần hoàn nước chiller. Khi nhiệt độ không khí ngoài trời thấp hoặc/và không khí khô, nhiệt độ nước tháp giải nhiệt đủ thấp để làm mát nước tuần hoàn chiller mà không cần chạy chiller, tiết kiệm năng lượng.   

 Hình 2. Tháp giải nhiệt

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA

1. Điều khiển tác động đáng kể đến việc tiêu thụ năng lượng chiller bao gồm:

1. Bộ điều chỉnh tốc độ (Variable speed drives) giúp đạt hiệu quả năng lượng non tải bằng cách điều chỉnh tốc độ mô tờ với yêu cầu tải chiller, chạy tốc độ thấp hơn là việc chạy tốc độ không đổi chiller.
2. Chạy nhiều máy nén hiệu quả hơn một máy nén bằng cách vận hành thêm từng máy nén khi có yêu cầu.
3. Bộ điều khiển đặt lại nhiệt độ nước khi nhu cầu giảm, cho phép hoạt động hiệu quả hơn.

2. Các cách làm tăng hiệu quả năng lượng tháp giải nhiệt bao gồm:

1. Quạt tốc độ thay đổi hay dùng nhiều quạt.
2. Đặt lại nhiệt độ cầu ướt (Wet-bulb), khi nhiệt độ nước lạnh điều chỉnh theo nhiệt độ và độ ẩm  không khí bên ngoài (thay cho việc giữ nguyên).
3. Quạt và bơm dùng biến tần để giảm năng lượng tiêu thụ khi chạy non tải.

3. Bộ điều khiển chiller tích hợp theo dõi và máy tính hóa tối thiểu năng lượng tổng hợp sử dụng cho chiller, tháp giải nhiệt, quạt và bơm. Thiết bị này tạo hiệu quả đáng kể (mặc dù khó khăn để thực hiện) hơn là phương pháp tối ưu cho từng thiết bị.

 THIẾT BỊ THU HỒI NHIỆT 

 Thiết bị thu hồi nhiệt là thành phần quan trọng làm tăng hiệu quả HVAC.

Các kiểu thiết bị thu hồi nhiệt bao gồm:

a. Air-to-air heat exchange: thu hồi nhiệt từ gió dòng thải cho gió dòng cấp. Thường có các dạng sau:

Tấm trao đổi nhiệt với hiệu suất 60%-75%.

Trao đổi nhiệt dùng glycol (Glycol loop heat exchanger) hiệu suất từ 50%-70%.   

Trao đổi nhiệt ống chùm (Heat pipe ) hiệu suất lên hơn 80%.

b. Bánh xe hút ẩm (Desiccant wheel) thu cả nhiệt hợp lý và nhiệt tiềm ẩn, với hiệu suất lên đến 85%. Bánh xe hút ẩm không khí bằng cách quay bánh xe trong luồng không khí cần được làm khô. Độ ẩm tách ra từ luồng không khí. Khi bánh xe quay làm văng phần nước ẩm từ vật liệu hút ẩm sang luồng không khí khác. Hai phương pháp tái tạo năng lượng hay được sử dụng:

Bánh xe thu hồi năng lượng lắp ở cửa lọc bên ngoài và thải không khí ra. Một phần độ ẩm không khí thải ra được tái sử dụng lại.

Bộ hút ẩm dùng gas lắp bên ngoài cửa lọc khí hoặc bên ngoài luồng khí cấp. Không khí bên ngoài làm ấm bằng gas và thổi qua bánh xe để tạo lại đổ ẩm.

c. Các dạng trao đổi nhiệt khác bao gồm:

• Làm lạnh bay hơi gián tiếp (Indirect evaporative cooling - IDEC) dùng nước bay hơi làm lạnh không khí.
• Chiller thu hồi nhiệt chạy điện thu hồi 50% nhiệt thải ra, sử dụng giàn ngưng tụ.
• Chiller hấp thụ / làm nóng sử dụng một phần (khoảng 50%) nhiệt đầu vào cho việc làm lạnh và còn lại cho việc sởi ấm.
• Chiller chạy gas thu hồi nhiệt thải ra (khoảng 20% đến 50%).  

ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN (COGENERATION)

Đồng phát là cách phát điện sử dụng nhiệt nóng thải ra thu hồi từ nước nóng, quá trình làm nóng hoặc làm mát hấp thụ. Các thiết bị phát điện đồng phát có công suất phổ biến từ 60-600 KW. Một số hãng đang nghiên cứu sản xuất ra thiết bị đồng phát có công suất nhỏ hơn (dưới 4k W).

PHÁT ĐIỆN FUEL CELLS

Phát điện fuel cell dùng nước kết hợp phản ứng hóa học tạo ra điện. Nhiệt thải ra từ quá trình này được thu hồi và sử dụng trong đồng phát điện. Hiện nay thiết bị fuel cell trong tòa nhà có công suất tối thiểu 200 kW.

CÔNG CỤ DÙNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

Có nhiều phần mềm dùng mô phỏng năng lượng sử dụng của tòa nhà với các hệ thống HVAC và cách điều khiển khác nhau. Bao gồm công cụ đơn giản phân tích từng bộ phận HVAC đến công cụ phức tạp phân tích sử dụng của cả tòa nhà.

Phần mềm mô phỏng năng lượng tiêu thụ cả tòa nhà:

DOE-2
EnergyPlus™

Phần mềm phân tích năng lượng từng bộ phận

MotorMaster
Pumping System Assessment Tool