AHU là gì?

Thiết bị xử lý không khí AHU là "hộp bao gồm: quạt, giàn lạnh coil và bộ lọc ". Để lựa chọn AHU sẽ phải trả lời các câu hỏi: "Tính năng yêu cầu là gì?" và "thiết bị có phù hợp không" Sau khi lập ra các thông số cơ bản thì mới tiến hành lựa chọn AHU.

Người kỹ sư phải biết rằng không có lựa chọn tối ư AHU theo tiêu chí ưu điểm kỹ thuật, không tính đến chi phí, nên cần phải có giải pháp thỏa hiệp.  Việc lựa chọn cân bằng giữa hiệu suất, hiệu quả, khả năng bảo trì và không gian chứa thiết bị và thiết bị có chi phí vòng đời thấp nhất.

Dưới đây sẽ hướng dẫn về việc lựa chọn các thành phần AHU. Mặc dù bài viết đề cập đến AHU công suất lớn nhưng cũng đúng với AHU bất kỳ quy mô nào.

Các kiểu AHU

Giàn trao đổi nhiệt bằng quạt (Fan coil) / Giản trao đổi nhiệt bằng nước (blower coil)  là loại nhỏ nhất và đơn giản nhất của AHU. Đúng như tên gọi, thiết bị gồm nhiều hơn một quạt và giàn nóng lạnh trao đổi nhiệt. Để giữ cho giàn nóng lạnh không bị bẩn nhanh, thiết bị thường bao gồm bộ lọc đơn giản. Thiết bị có điều khiển đơn giản và phục vụ vùng nhiệt độ duy nhất. Thiết bị thường kém hiệu suất và khó kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và độ ẩm.

AHU hợp khối (Packaged AHU) rất phổ biến trong các tòa nhà nhỏ và trung tâm thương mại, chuyên dùng lắp mái nhà.  AHU hợp khối bao gồm quạt, giàn nóng lạnh, bộ lọc và cửa gió lắp trong vỏ. Thường trong vỏ có máy nén khí điều hòa không khí và thiết bị sưởi ấm bằng gas, cuộn dây sưởi ấm điện hoặc giàn nóng. Thiết bị thường phục vụ vùng nhiệt độ duy nhất, nhưng cũng có loại AHU khối lượng không khí biến đổi lớn (VAV) phục vụ nhiều hộp đấu nối (nhiều vùng nhiệt). Do cấu tạo gọn nhẹ và chi phí ban đầu thấp, nên dù AHU hợp khối hiệu suất thấp và yêu cầu bảo trì nhiều, nhưng vẫn sử dụng rộng rãi với hiệu suất và độ tin cậy đang dần được cải thiện. Chúng có công suất từ vài nghìn cfm đến hơn 30,000 cfm.

Modular AHU cho phép người dùng lựa chọn các bộ phận riêng rẽ theo các modun nằm trong vỏ có cùng cấu trúc và mặt cắt ngang. Người sử dụng có thể lựa chọn loại vỏ, quạt, bộ lọc, giàn nóng lạnh, và phụ kiện theo các lựa chọn khác nhau. Modun được lắp ráp tại nhà máy và vận chuyển riêng lẻ, lắp đặt tại chỗ. Modun có độ linh hoạt và đáp ứng hầu hết các yêu cầu xử lý không khí.

AHU tùy chọn (Custom AHU) theo cấu hình khách hàng yêu cầu. Đây là loại có chất lượng cao nhất và thường sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp hoặc cơ quan, nơi yêu cầu lưu lượng cao, kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ và môi trường làm việc khắc nghiệt. AHU tùy chọn được thiết kế mô phỏng với máy nén không khí, ống gió và khu vực làm việc, thậm chí cả các thiết bị như máy bơm hoặc bộ trao đổi nhiệt. Đây là kiểu AHU đắt nhất, loại có độ bền lâu nhất.

Cấu trúc AHU 

Vỏ và ống gió: AHU tốt có tuổi thọ hơn 30 năm nếu bảo trì thường xuyên. Ống gió hai lớp vỏ có cách nhiệt là tiêu chuẩn cho tất cả AHU. Nhiều sản phẩm foam cách nhiệt không có kết nối kim loại xuyên qua (không dẫn nhiệt) có tính năng cách nhiệt và cách âm tốt hơn lớp cách nhiệt bằng sợi thủy tinh. Khi lắp đặt ngoài trời, cần phải có thêm lớp cách nhiệt, băng dính bảo ôn và băng chống ăn mòn.

Hộp trộn (Mixing box): AHU lấy một tỷ lệ không khí bên ngoài vào hệ thống thông gió. Hộp trộn là nơi mà không khí bên ngoài được kết hợp với không khí trở lại từ tòa nhà. Cửa gió có điều khiển sử dụng để cân đối luồng gió vào bổ sung và gió hồi.

Bộ lọc: bộ lọc loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi dòng khí và cải thiện chất lượng không khí. bộ lọc được đánh giá theo tiêu chuẩn như ASHRAE 52.2-2007 Phương pháp kiểm tra thiết bị làm sạch không khí để tăng hiệu suất theo kích thước hạt, xác định giá trị hiệu suất trung bình toàn diện và nhất quán về hiệu suất chụp của bộ lọc theo một kích cỡ hạt cụ thể.

Hệ thống đánh giá mới hơn như của Ủy ban Châu Âu về Tiêu chuẩn EN779: 2012, đánh giá bộ lọc không chỉ dựa trên khả năng lọc hạt có kích thước xác định mà còn về mức sử dụngnăng lượng dự kiến hàng năm. Tiêu chuẩn này cũng sẽ được áp dụng ở Mỹ.

Chi phí vòng đời bộ lọc cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và mua sắm. Nhìn chung, chi phí mua sắm ban đầu chỉ bằng 4% chi phí vòng đời của bộ lọc khi xem xét mức sử dụng năng lượng, thay đổi và chi phí vứt bỏ. Cũng cần xem xét không gian bảo dưỡng thiết bị. Nếu AHU và bộ lọc khó tiếp cận, sẽ không bảo dưỡng thường xuyên được dẫn đến thiết bị sử dụng năng lượng quá mức và hiệu suất kém.

Quạt cấp gió và gió hồi: Quạt là trái tim AHU và chiếm phần lớn năng lượng tiêu thụ. Quạt thổi hoặc hút không khí qua bộ lọc và giàn lạnh, sau đó dẫn vào ống gió vào không gian phòng hoặc cửa gió. Không phải tất cả AHU đều cần gió hồi, nhưng thiết bị phục vụ nhiều không gian hoặc loại máy tiết kiệm không khí thường có gió hồi về AHU để giảm không khí ra khỏi tòa nhà.

AHU mà quạt cấp lắp đặt sau giàn sưởi ấm và làm lạnh gọi là draw-through AHU. Trong khi đó khi quạt cấp đặt trước giàn lạnh thì gọi là blow-through AHU. Kiểu bố trí này dành cho việc lắp đặt quạt sởi ấm loại bỏ hơi nước, bỏ qua khâu làm lạnh trong kiểu draw-through AHU.  Blow-through AHU ít sử dụng, nhưng có ứng dụng cụ thể như trong lĩnh vực y tế.

Lựa chọn quạt 

Có nhiều loại quạt dùng cho AHU, khác nhau chủ yếu ở cánh quạt và cánh quạt che kín hay để mở.

Năng lượng tiêu thụ cho quạt phụ thuộc vào lượng không khí di chuyển và áp suất không khí quạt phải tạo ra. Tiêu chuẩn ASHRAE 90.1-2010, Tiêu chuẩn năng lượng cho tòa nhà, đặt ra giới hạn năng lượng quạt tối đa cho hệ thống HVAC dựa trên tốc độ dòng chảy và nhiều yếu tố liên quan như ứng dụng và mức lọc. Tiêu chuẩn 90.1 trong tương lai sẽ kết hợp thêm hiệu suất tối thiểu cho quạt (fan efficiency grade -FEG) theo AMCA 205-2010. Quạt công suất trên 5 sức ngựa sẽ phải có FEG tối thiểu là 67 và hoạt động trong dải 10% hiệu suất cao nhất.

Yếu tố quan trọng nữa trong lựa chọn quạt là độ ồn. Luôn phải biết mức ốn tối đa mà dự án cho phép. Lựa chọn đúng loại quạt và vỏ bọc AHU sẽ làm giảm chi phí cách âm và các kỹ thuật chống ồn tốn kém khác. Cách chống ồn tốt nhất là giảm công suất quạt, quạt hiệu suất cao thường có độ êm tốt.

Giàn nóng lạnh: Giàn nóng lạnh dùng làm nóng, làm lạnh và tạo độ ẩm không khí. Nguồn nhiệt có thể là nước nóng, hơi nước, điện trở đốt nhiệt, hoặc hơi chất lạnh nóng (khi dùng bơm nhiệt). Việc làm lạnh sử dụng chất làm lạnh giãn nở (gọi là Direct eXpansion, hoặc DX), hoặc gián tiếp thông qua nước tuần hoàn chiller hoặc glycol. Trong điều kiện khí hậu khô, việc làm lạnh được thực hiện bằng giàn phun làm giảm nhiệt độ không khí và tăng độ ẩm.

Cửa truy cập (Access): Cửa bảo dưỡng hay bị bỏ quên trong khâu thiết kế hoặc lắp đặt do tiết kiệm chi phí hoặc không có không gian. Tuy nhiên, cửa truy cập rất cần thiết với thiết bị điều hòa không khí cần bảo dưỡng thường xuyên, thay thế trong quá trình sử dụng. Giàn nóng lạnh phải được làm sạch thường xuyên để duy trì sự truyền nhiệt thích hợp, và phải có thể truy cập từ trước và sau để bảo dưỡng. Khi thiết bị khó tiếp cận thì việc bảo trì ít sẽ được thực hiện, điều này sẽ làm giảm hiệu năng và tuổi thọ thiết bị.

Độ ẩm: Có rất nhiều phương pháp tạo độ ẩm, bao gồm hơi nước, phân tán siêu âm (ultrasonic dispersion), sưởi hồng ngoại, và phun nước. Cần cân nhắc cẩn thận phương pháp tạo độ ẩm phù hợp nhất tùy theo dự án, nhưng nói chung thiết bị tạo độ ẩm cần nhiều thời gian bảo trì. Vì vậy, chúng phải được lắp đặt ở các vị trí dễ tiếp cận vì những hư hỏng nghiêm trọng và các vấn đề nảy sinh do máy làm ẩm không hoạt động đúng cách sẽ xuất hiện nhiều. 

Luật và Tiêu chuẩn áp dụng

Bộ luật Xây dựng Quốc tế (International Building Code - IBC) và Bộ luật Cơ khí Quốc tế (International Mechanical Code - IMC) quy định yêu cầu thiết bị, vị trí lắp đặt, khí thải và lượng không khí bên ngoài tối thiểu. Yêu cầu hiệu suất năng lượng cho các thiết bị riêng lẻ và toàn bộ thiết bị quy định trong International Energy Conservation Code (IECC), ASHRAE 90.1.

Nhiều tổ chức cung cấp các tiêu chuẩn để thử nghiệm, đánh giá và lắp đặt AHUs và các thành phần liên quan. Bao gồm Air Movement and Control Assn (AMCA), International, Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI), và Sheet Metal and Air Conditioning Contractors National Assn. (SMACNA). Các tổ chức này đưa ra các tiêu chuẩn đánh giá và thử nghiệm đánh giá hiệu suất.

Xu hướng phát triển AHU

Mặc dù công nghệ trong  AHU vẫn giữ nguyên không thay đổi trong nhiều thập kỷ, nhưng một số bộ phận đang được cải tiến mạnh mẽ.

Quạt làm mát trực tiếp (Direct-drive fan) cánh quạt gắn trực tiếp với trục động cơ và thường đi kèm thiết bị biến tần. Loại quạt này không có tổn thất năng lượng trên dây curoa nên hiệu quả cao hơn và giảm tiếng ồn.

Dãy quạt sử dụng nhiều quạt nhỏ, trực tiếp quạt thay cho một quạt lớn. Khi phối hợp đúng cách, dãy quạt làm giảm không gian lắp đặt AHU trong khi giảm năng lượng tiêu phí và nâng cao hiệu quả năng lượng. Tùy thuộc vào số lượng quạt, chúng có thể được điều khiển đồng thời bởi một hoặc nhiều biến tần (VFD). Phải lựa chọn cẩn thận dãy quạt để đáp ứng hiệu quả nhất hiệu suất năng lượng.

Bộ thu hồi năng lượng đang ngày càng được sử dụng trong AHU và được các bộ luật quy định để có tỷ lệ không khí ngoài trời cao. 

Việc thu hồi năng lượng cho phép không khí đi vào trao đổi nhiệt và độ ẩm với khí thải ra tòa nhà thông qua bánh xe phủ hút ẩm (desiccant-coated wheel) hoặc tấm vật liệu đặc biệt trong một dàn phẳng xếp theo luồng khí( flat-plate, counter-flow arrangement). Việc sử dụng thiết bị thành công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là khí hậu. Thiết bị sử dụng dễ dàng nhất cho các thiết bị điều hòa không khí lắp đặt chuyên dụng ngoài trời.

Thiết bị cấp gió ngoài trời chuyên biệt  (Dedicated outside air units) ngày càng được sử dụng nhiều thay cho thiết bị cấp gió truyền thống trộn không khí ngoài trời với gió hồi. Với một số vùng khí hậu, phần khó khăn nhất của AHU là xử lý không khí ngoài trời. Giàn lạnh phải có kích thước đủ lớn để chịu được nhiệt độ khắc nhiệt. Khi không khí ẩm ướt, phải hút ẩm không khí và làm lạnh dưới điểm đọng sương không khí trộn, ngay cả khi tòa nhà không yêu cầu nhiệt độ thấp như vậy. Thêm nữa, bộ trộn và thiết bị điều khiển tương ứng trong AHU hay bị hư hỏng, đi kèm với bẩn cảm biến dẫn đến hệ thống luôn làm việc ở trình trạng quá tải (sử dụng nhiều năng lượng) hoặc thông gió kém.

Phương pháp tốt hơn là các tòa nhà tập trung tất cả thiết bị trao đổi không khí ngoài trời vào thiế bị chuyên biệt AHU dùng 100% không khí ngoài trời. Không khí đã được xử lý (làm ẩm hoặc hút khô) từ đây sẽ được đưa trực tiếp vào phòng hoặc vào bộ trộn đến các AHU khác chuyên biệt điều khiển nhiệt độ.

Việc lắp thêm AHU chuyên biệt ngoài trời có vẻ như làm tăng chi phí đầu tư nhưng lại làm giảm chi phí bảo dưỡng tổng thể, đơn giản các AHU khác.

Thu thâp nước từ giàn lạnh sẽ tiết kiệm nước và chi phí. Quá trình làm lạnh không khí sẽ tách nước ra khỏi không khí, thường chuyển vào rãnh nước thải. Với những vùng khí hậu ẩm ướt cần tìm cách thu hồi lại nước thải này. Nước thải sẽ được thu hồi cùng nước mưa, sử dụng cho tháp giải nhiệt.

Đèn cực tím băng C (UVC lights - ultraviolet light in the C band) làm giảm sự phát triển vi khuẩn, nấm mốc và tảo trên giàn lạnh và rãnh thoát nước. Giữ giàn lạnh sạch và không bị đóng vôi sẽ tăng cường sự trao đổi nhiệt và lưu thông gió, đặc biệt cho các môi trường như bệnh viện. Đèn chiếu cực tím phải lắp chiếu sáng đúng chiều ướt của giàn lạnh và không được chiếu vào bộ phận nhựa và cao su AHU. Đèn chiếu sáng phải thay thể định kỳ vì nó sẽ bị mất công suất và hiệu suất sau vài năm sử dụng.

Cân chỉnh AHU. Tất cả các AHU cần được cân chỉnh, bất kể quy mô hoặc công suất sử dụng. Quá trình này không mới nhưng chỉ được sử dụng rộng rãi trong thập kỷ qua với việc áp dụng hệ thống đánh giá ổn định dành cho thiết bị.

AHU không được cân chỉnh sẽ không thể vận hành ổn định. Định kỳ cân chỉnh lại cũng nên làm vì cảm biến và cửa gió sẽ bẩn sau thời gian sử dụng. Các thông số AHU cần liên tục theo dõi để biết được cảnh báo hiệu suất suy giảm.

(Tổng hợp)