VSD VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TRONG HỆ THỐNG HVAC

Phần 1: 

Bơm nước giải nhiệt và chiller ly tâm

Trong hệ thống chiller, sử dụng VSD cho bơm nước lạnh và quạt tháp giải nhiệt đã được quy định trong tiêu chuẩn ASHRAE 90.1 “Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings”.

• Quạt tháp trên 7.5HP phải điều khiển công suất bằng biến tần hoặc 2 tốc độ.
• Bơm > 5HP trong hệ thống > 10HP. ( không gồm bơm giải nhiệt)
• Dùng phương pháp điều khiển reset DeltaP thay vì cố định
• Quy định vận tốc tối đa trong ống nước lạnh và giải nhiệt

Có thể thấy, với ống riser giới hạn lại vận tốc max ~ 9.5fps (2.9m/s – thường là văn phòng…) hoặc 7.5fps (2.3m/s-thường là khu thương mại…) tùy theo số giờ hoạt động trong năm.
Vậy, Việc chọn hiệu suất của các thiết bị tuân theo 90.1 cùng với hệ thống VPF, biến tần quạt tháp, và Low-flow (option) (Earthwise – giới hạn vận tốc nước trong ống hoặc hệ standard với ống lớn) chúng ta có thể thỏa mãn được các yêu cầu của ASHRAE.
1. Ứng dụng VSD cho bơm nước giải nhiệt.
Khác hẳn với bơm nước lạnh có thể tách biệt hoạt động với chiller trong hệ VPF, nghĩa là bơm hoạt động theo áp suất, chiller chạy theo nhiệt độ nước ra. Tuy nhiên, bơm giải nhiệt lại ảnh hưởng đến hoạt động của chiller. Khi lưu lượng nước càng giảm so với thiết kế, hiệu suất của chiller giảm rất nhanh.

Sự thay đổi hiệu suất chiller khi thay đổi lưu lượng nước giải nhiệt

Thông thường lưu lượng nước giải nhiệt bị giới hạn ở mức tối thiểu cao hơn phía nước lạnh để đảm bảo chiller không bị surge (surge được hiểu là sự cố của máy nén khi áp do máy nén tạo ra thấp hơn mức quy định) . Một số nhà cung cấp hạn chế việc thay đổi lưu lượng qua bình ngưng.
Như đồ thị trên thể hiện sự thay đổi hiệu suất khi giảm lưu lượng nước giải nhiệt với nhiệt độ nước vào không đổi là 32C, khi tải nhỏ hơn 80% công suất, hiệu suất chiller giảm rất nhanh.
Do đó khoảng áp dụng biến tần được hạn chế mức tối thiểu là 80% lưu lượng thiết kế. Khoảng giảm hẹp này, bơm nước giải nhiệt có khả năng tiết kiệm được 50% công suất. Vậy để biết được hiệu quả của hệ thống cần sử dụng các phần mềm phân tích năng lượng như Trace700 hay System Analyzer….
Nếu như kỹ sư muốn tối ưu thêm năng lượng cho bơm giải nhiệt sau khi xem xét VSD cho bơm nước lạnh, quạt tháp. Trước tiên hãy giảm lưu lượng thiết kế của nước giải nhiệt ( low -condenser flow design). Sau đó muốn tiết kiệm xa hơn nữa, phải xem xét các điều kiện sau:

• Lưu lượng tối thiểu đảm bảo chiller hoạt động ổn định ( từ nhà cung cấp)
• Lưu lượng tối thiểu để hiệu suất chiller không giảm quá nhanh ( optimal system)

Ngoài việc ảnh hưởng chiller, lưu lượng giải nhiệt cũng ảnh hưởng đến tháp. Do đó việc phân tích năng lượng và kinh tế luôn cần thiết mỗi khi quyết định lựa chọn các phương án thiết kế.
Riêng quan điểm cá nhân, tôi khuyến khích sử dụng VSD cho bơm giải nhiệt với các mục đích sau:

• Khởi động
• Cân chỉnh hệ thống
• Thay đổi lưu lượng trong khoảng 80% lưu lượng thiết kế.

Hãy xét ví dụ sau với hệ thống 2 chiller mỗi chiller 50l/s lưu lượng thiết kế. Khi một bơm hoạt động, lưu lượng nước không phải là 50l/s mà 65% tổng lưu lượng (65~70l/s). Điều này xảy ra do trở lực của hệ thống giảm khi lưu lượng giảm, với cột áp không đổi lưu lượng mỗi bơm luôn cao hơn điểm thiết kế.

VSD bơm giải nhiệt có ý nghĩa trong trường hợp này, VSD giảm tốc độ bơm trượt trên đường “system curve” về 50% lưu lượng. Năng lượng tiết kiệm được (50/65)x(50/65)x(50/65)= 45%.

2. Ứng dụng VSD cho chiller ly tâm.

Chúng ta cần biết rằng, máy nén của chiller không giống bơm, quạt tuân theo định luật đồng dạng, hay nói cách khác, công suất điện không phải hàm của vận tốc gas lạnh. Máy nén phụ thuộc vào chênh áp giữa bình ngưng và bình bay bơi (Lift).
Nếu bạn nghĩ rằng, chúng ta cố gắng sử dụng VSD cho các moto nhỏ như bơm, tháp, quạt AHU… thì tại sao không nghĩ đến việc đầu tư cho moto lớn nhất trong hệ thống là chiller ?.
Hệ thống được thiết kế ở tải đỉnh và chiller chúng ta không bao giờ hoạt động ở 100% công suất, vậy sử dụng VSD cho chiller giúp hệ thống tiết kiệm cũng như bơm hay quạt…?
Hãy ví dụ chiller hoạt động như một chiếc xe hơi, bạn hình dung VSD là chân ga, inlet-guide valve (cơ cấu giảm tải của chiller ly tâm) là chân thắng.
Nếu chiller của bạn là constant speed, khi giảm tải như xe đang chạy cần giảm tốc độ mà bạn giữ chân ga (constant speed) và đạp thắng (đóng guide valve) thay vì bạn giảm tốc độ (VSD) và không cần đạp thắng à Chiller constant speed vô cùng tiêu tốn năng lượng.
Nhưng hãy phân tích sâu về hoạt động của chiller ly tâm. Lưu ý rằng, chiller phải luôn đảm bảo chênh áp cần thiết giữa bình ngưng và bình bay hơi. Không đảm bảo chênh áp này sẽ xảy ra surge.
Chiller có hai yếu tố chính tạo nên công suất điện:

1. Load: Nhu cầu của hệ thống phụ thuộc lưu lượng gas (lưu lượng nước) và nhiệt độ bình bay hơi (nhiệt độ nước lạnh ra), không phụ thuộc Lift
2. Lift: Chênh áp giữa bình ngưng và bay hơi cần thiết của một chu trình nén (tương ứng vói nhiệt độ ra khỏi bình ngưng và bình bay hơi.

Chúng ta sẽ mô tả quá trình giảm tải của chiller. Ví dụ, Chiller 500RT tại điều kiện thiết kế Evap: 800gpm và 41F LWT ~ Cond: 2gpm/RT và 85C EWT.



Chiller ly tâm hoạt động theo nguyên lý chuyển áp động thành áp tĩnh. Vector áp tổng gồm 2 thành phần: Vr vuông góc với bánh công tác và Vt tiếp tuyến với bánh công tác.

• Vr phụ thuộc và lưu lượng gas lạnh
• Vt phụ thuộc đường kính bánh công tác và vận tốc quay

Khi giảm tải, inlet-vanes đóng làm giảm lưu lượng gas (giảm Vr) đồng thời cũng giảm Vt (do đóng inlet-vanes làm tăng trở lực gas đồng thời giảm Vt).
Dù chiller là constant speed hay VSD, công suất điện vẫn giảm khi giảm tải. Nghĩa là khi bạn đạp thắng đồng thời chân gas được nhã ra. Việc so sánh trên ẩn chứa sự mập mờ trong kỹ thuật nén ly tâm.
Nếu muốn tăng thêm hiệu suất của chiller lúc giảm tải (giữ nguyên đường đặc tính hoạt động của chiller và giảm tốc (đến mức giới hạn surge). Do đó VSD trong trường hợp này chỉ để khắc phục độ giảm hiệu suất do inlet-vanes đóng làm thay đổi đường hiệu suất.
Trong trường hợp Vr và Vt đã giảm đến mức tối thiểu, nếu có điều kiện part-lift xảy ra (nhiệt độ giải nhiệt giảm hay nhiệt độ nước cấp tăng), VSD tiếp tục giảm điện năng tiêu thụ.
Có thể tóm tắt như sau:
VSD cho chiller dùng để tối ưu hóa điện năng ở chế độ giảm tải khi xảy ra part-lift. Tại điều kiện full tải, hiệu suất chiller giảm do điện tiêu thụ của VSD. Nếu hệ thống chiller ở khu vực thời tiết nhiệt độ giải nhiệt không thể xuống thấp (condenser relief) thì không nhất thiết dùng VSD cho chiller.

( Khi chiller sử dụng VSD sẽ ảnh hưởng đến việc điều khiển ổn định khi thay đổi lưu lượng nước lạnh).
Khi nhiệt độ nước giải nhiệt không đổi (không thể xuống thấp). Đối với chiller nhiều cấp, đường đặc tính máy nén rộng và việc giảm tải đến mức 10% công suất dễ dàng đạt được mà không bị surge. Đối với chiller 1 cấp nén, đường đặc tính hẹp và việc dùng VSD chỉ với mục đính giảm tải xuống thấp, không dùng VSD chiller chỉ có thể giảm tải đến khoảng 35~55%.

Trước đây, để giảm xuống xa hơn nữa máy nén 1 cấp dùng Hot-Gas Bypass. Tuy nhiên do quy định của ASHRAE 90.1 không sử dụng HGPB trước khi giảm tải đên 25% máy nén 1 cấp phải sử dụng VSD để giảm tải.
Kết luận: Sử dụng VSD cho hệ thống chiller

• VSD tháp giải nhiệt: Quy định trong ASHRAE 90.1
• VSD bơm nước lạnh: Quy định trong ASHRAE 90.1
• VSD bơm nước giải nhiệt: Không quy định, tùy việc xem xét ứng dụng.
• VSD cho chiller: Không có condenser relief, VSD không hiệu quả. Sử dụng chiller hiệu suất cao (90.1) thích hợp hơn đối với môi trường nóng ẩm như ở Việt Nam.

Khi áp dụng VSD cần sử dụng phần mềm phân tích năng lượng, chạy ở diều kiện thời tiết cụ thể giúp việc cân bằng giữa chi phí đầu tư và vận hành.
Tham khảo:

1. Trane engineer newsletter-VSDs and Their Effect on System Components
2. TraneClinic_CentrifugalWaterChiller

Luan nguyen
Trane vietnam application engineer