Chiller đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các ngành công nghiệp làm lạnh hiện nay. Hệ thống chiller được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: y tế, dược phẩm, thực phẩm, điện tử,… Tuy nhiên định nghĩa Chiller là gì còn khá là mới mẻ với nhiều người.

Hệ thống Chiller là một thuật ngữ còn khá xa lạ và mới mẻ tuy nhiên chúng lại là một hệ thống không thể không có trong ngành công nghiệp làm lạnh. Hệ thống Chiller ngày càng phổ biến và được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau.

Cùng Công ty cổ phần ITC tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống Chiller, cấu tạo và nguyên lý của hệ thống tuyệt vời này trong bài viết dưới đây nhé.

Hệ thống Chiller là gì?

Chiller là gì? – Chill hay chiller theo Tiếng Anh là lạnh, làm lạnh, có thể làm lạnh nước hoặc dung môi khác với mục đích giảm nhiệt độ đến điểm lạnh cần thiết cho sản xuất, lưu trữ hoặc cho  các nhu cầu sinh hoạt, nhu cầu khác. Hệ thống chiller được ứng dụng phổ biến nhất và bắt buộc phải có trong các tòa nhà, trung tâm thương mại và trong 1 số ngành như đông lạnh thuỷ hải sản.

Hệ thống chiller trung tâm thì được hiểu là hệ thống lớn, cung cấp nhiệt lạnh cho nhiều nơi khác nhau nhằm tiết kiệm chi phí chi phí đầu tư và vận hành, tuy nhiên trong thực tế 1 toàn nhà hay nhà máy thì ngoài hệ chiller trung tâm còn có cả chiller cục bộ, độc lập có năng suất nhỏ hơn rất nhiều, ví dụ máy lạnh điều hoà không khí (aircon) là điển hình.

Hệ thống điều hòa trung tâm làm giảm nhiệt độ nước qua bình ngưng bốc hơi từ  thường 12 đến 7 độ C.

Cool, cooling, cooling tower theo Tiếng Anh là mát, làm mát, tháp làm mát. Ở đây chiller được giải nhiệt bằng nước quan tháp làm mát, có nhiệt độ thường chênh nhau 5 độ C ( 27-30  đến 32 – 35 độ ), hoặc có khi cao hơn.

Khi nói đến hệ chiller là nói đến phần làm lạnh nhiều hơn và các bộ phận có liên quan như dàn bay hơi, bơm chiller, các AHU, FCU…

Hệ thống Chiller gồm 4 máy chính: máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu, thiết bị bay hơi. Ngoài ra là một số thiết bị phụ khác. Hệ thống chiller sản xuất theo cụm không tách rời và phải đạt chuẩn ARI.

Việc phân loại hệ thống này dựa vào nhiều cách khác nhau: theo máy nén (ly tâm, xoắn ốc, piston, trục vít); theo thiết bị giải nhiệt gió; theo thiết bị giải nhiệt nước; loại thiết bị hồi nhiệt,…

Cấu tạo của hệ thống Chiller làm mát nước công nghiệp

Cấu tạo cơ bản của hệ thống làm lạnh Chiller

• Cụm trung tâm nước water Chiller
• Hệ thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh
• Hệ thống tải sử dụng trực tiếp: AHU; FCU; PAU; PHE;…
• Hệ thống tải sử dụng gián tiếp: hệ thống gió thổi qua các phòng cần điều hòa, các van điều chỉnh ống gió, miệng gió: VAV, Damper,…

4 vòng tuần hoàn của hệ thống Chiller

• Vòng màu đỏ: đây là vòng của nước nóng bơm vào cooling tower để tỏa nhiệt ra ngoài môi trường.
• Vòng màu xanh: đây là vòng của gas lạnh tại cụm water chiller
• Vòng màu tím: đây là vòng nước lạnh được bơm đến AHU, FCU, PAU. PHE…
• Vòng màu vàng: đây là vòng của hệ thống ống gió thổi vào phòng điều hòa.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Chiller

Trong phần này chỉ đề cập đến đường đi của nước chiller còn gọi là nước lạnh.

Nước được tuần hoàn liên tục trong hệ thống, bắt đầu qua chiller để trao đổi gián tiếp với dàn bay hơi để nước có nhiệt độ khoảng 7 độ C, sau đó được bơm cung cấp đến các dàn trao đổi nhiệt gián tiếp với không khí tại các AHU và FCU (để làm giải nhiệt độ không khí trong phòng làm việc hay không gian sản xuất, kho chứa hàng…). Sau khi trao đổi nhiệt thì nhiệt độ nước sẽ tăng lên khoảng 12 độ C, được tiếp tục tuần hoàn về chiller để giảm nhiệt độ đến 7 độ C.

Do có các đầu dò về nhiệt độ và lượng khí cung cấp cũng được tự động theo mức đóng mở của VAV, Damper, các bơm nước chiller cũng hoạt động theo biến tần nên sẽ tiết kiệm được năng lượng, tuy nhiên khi chiller chạy ở tải thấp thì sẽ không tối ưu được.

Nhiệt độ vào / ra dàn lạnh và  dàn ngưng chiller 54 / 44 độ F =  12.2 / 6.6 độ C và 85 / 95 độ F = 29.4 / 35 độ C

Hệ thống Chiller hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển hóa trạng thái của nước. Nước từ dạng khí ngưng tụ chuyển thành dạng lỏng; dạng lỏng đông đặc thành rắn.

Ở quá trình thu nhiệt trong hệ thống, nước được chuyển hóa từ thể rắn sang lỏng rồi sang khí. Có nghĩa là dùng nhiệt môi trường xung quanh, làm mát môi trường và giảm nhiệt độ. Nếu xảy ra ngược lại sẽ là quá trình tỏa nhiệt.

Hệ thống Chiller thường áp dụng quá trình hóa lỏng sang khí (bay hơi nước) để thu được nhiệt xung quanh và làm lạnh chúng: gas lỏng bay hơi và thu nhiệt từ nước khiến nước lạnh đi theo yêu cầu.

Ở quá trình ngược lại: gas hơi áp suất được nên gas lạnh. Khi đi qua máy nén thì gas ở trạng thái hơi áp suất cao sẽ được giải nhiệt hoàn toàn để trở thành dạng lỏng trong một chu trình khép kín. Hệ thống được điều chỉnh bằng van tự động.

Hệ thống Chiller gồm các thiết bị nào?

Hệ thống Chiller bao gồm những thiết bị sau:

Cụm water cooled chiller

• Cụm water cooled chiller là trung tâm hệ thống Chiller. Thiết bị này có giả cả cao nhất và cũng là thiết bị tiêu tốn điện năng nhiều nhất.
• Thiết bị được sản xuất theo những công suất đã định sẵn.
• Việc tính toán và lựa chọn thiết bị này đơn giản hơn các phần khác. Chúng được chọn theo yêu cầu về năng suất làm lạnh. Loại máy nén gas, hiệu suất làm việc và loại gas. Hoặc có thể lựa chọn kèm theo yêu cầu về chất tải lạnh, gắn bơm nhiệt,…
• Các thương hiệu cung cấp cụm water cooled chiller nổi tiếng:York, Trane, Carrier, Hitachi, Dunham-bush,…

Hệ thống máy bơm và đường ống nước lạnh

Hệ thống bơm nước:

• Dùng để bơm nước lạnh qua Chiller đến tải sử dụng trực tiếp. Hiệu suất làm lạnh sẽ tốt hơn nếu mỗi chiiler có máy bơm riêng và là loại máy dùng cho cao ốc, có cột áp tương đối và độ ổn nhỏ.
• Lưu lượng nước bơm vào hệ thống phải được giữ ổn định, không giảm không tăng công suất bằng biến tần nếu không có sự kết hợp có khoa học của hệ thống chung.
• Dựa vào lưu lượng nước và cột áp nước để chọn công suất máy bơm. Việc tính cột áp bơm nước sẽ tương đối phức tạp bởi n hiều thông số. Chính vì thế, cần dùng phần mềm để có được kết quả chính xác nhất.

Đường ống:

• Đường ống được cấu tạo từ thép đen có cách nhiệt với nước lạnh. Loại ống này sẽ dẫn ra cooling tower. Gần đây, người ta đã bắt đầu thay thế ống thép bằng ống nhựa PPR và đang có những phản hồi rất tốt.
• Lựa chọn đường ống phải tùy thuộc vào lưu lượng nước mà chúng chuyên chở. Nếu đường ống quá nhỏ sẽ gây tổn thất áp suất lớn và đường ống cũng chịu sức ép lớn hơn. Còn nếu đường ống quá to thì giá thành của hệ thống sẽ tăng cao.

Hệ thống AHU; FCU; PAU; MAU

• Hệ thống AHU: đây là bộ xử lý nhiệt ẩm trong hệ thống Chiller. Chúng có nhiều ống gió phụ khác nhau để đi vào không gian điều hóa. AHU có rất nhiều dàn coil ống đồng, lớp lọc bụi theo yêu cầu xử lý cho những diện tích lớn.
• FCU: Hệ thống này sử dụng cho nhiều phòng nhỏ, những nơi mà hệ thống ống gió của AHU không thể tới được. Cung có thể lắp đặt hệ thống này tại những nơi có yêu cầu riêng về độ ẩm, nhiệt độ khác với AHU sẵn có. FCU không có khả năng xử lý nhiệt tốt như AHU. Vì vậy, nếu yêu cầu quá cao thì nên sử dụng thêm PAU lắp bên ngoài và nối ống gió cho FCU.
• PAU: Là hệ thống cấp gió khô hơn so với không khí trong điều hòa. Đây là độ khô chứ không phải độ ẩm tương đối. Luôn cấp gió nhiệt độ thấp khi có thể sẽ giảm được size của Indoor Unit hoặc FCU.

Mô hình AHU

• Cấu trúc của mô hình AHU sẽ có sự khác biệt tùy theo nhà sản xuất. AHU là thiết bị trao đổi nhiệt giữa nước nóng hoặc lạnh với không khí.
• AHU yêu cầu hàm lượng tính toán riêng biệt, sản xuất theo các thông số về nhiệt độ, lưu lượng gió, độ ẩm trước và sau của phòng.
• Hệ thống tủ điều khiển và tủ kết nối được sản xuất riêng biệt tại 2 công ty khác nhau
• Để giảm bớt một số quy trình tính toán phức tạo thì đơn vị sản xuất đã cung cấp các phần mềm có nhiều tính năng chọn riêng cho từng hãng. Chính vì thế, chỉ cần có đầy đủ thông số là bạn đã có thể lựa chọn được mô hình AHU phù hợp nhất.

Đường ống nước lạnh vào AHU

Không phải các coil AHU lúc nào cũng hoạt động đầy tải mà chúng phụ thuộc vào quá trình thiết kế và công suất làm lạnh cao nhất. Các giải pháp tăng hiệu quả cho hệ thống như sau:

• Van 2 ngả (two way valve control): loại van giúp thay đổi lưu lượng nước cấp, áp lực sẽ được giải phóng nên giúp tiết kiệm điện máy bơm.

• Van 3 ngả (three way valve control): Giúp lưu lượng nước được liên tục

• Face and bypass damper control: Nhờ hệ thống cửa gió có thể điều chỉnh được mà đẩy một lượng gió thổi qua bypass damper khi chạy non tải. Bên cạnh đó, tiết kiệm được ống bybass và tiết kiệm điện cho máy bơm.

• Primary-Secondary: đây là hệ thống 2 vòng nước bao gồm vòng sơ cấp và vòng thứ cấp. Vòng sơ cấp để cung cấp nước qua cụm Chiller nên phù hợp với bơm cột áp nhỏ. Vòng thứ cấp giúp phân phối nước lạnh vào công trình giúp giảm điện năng tiêu thụ.

Variable Primary Flow VPF ( Hệ thống lưu lượng thay đổi với đoạn ống by pass)

• Khi chỉ có 1 hệ bơm đi qua Evaporator của Chiller với các bơm dùng biến tấu để điều khiển.
• Chiller và bơm nước đều có khả năng giảm tải.
• Cần phải tính toán lắp đặt đường ống bypass một các chính xác nhất để có thể đáp ứng được lưu lượng nhỏ nhất của Chiller.
• VFF có khả năng giảm năng lượng tiêu tốn 3%/năm cho toàn bộ hệ thống. Giảm chi phí đầu tư khoảng 4-8%, tiết kiệm được nhiều không gian và giảm được chi phí bảo trì; giảm năng lượng cho hệ bơm lạnh (25-50%); giảm năng lượng Chiller (13%).

Hệ thống Ống gió

• Hòa trộn gió hồi và gió tươi và lượng gió này sẽ được đưa vào AHU hoặc FCU để xử lý theo đúng yêu cầu của người sử dụng.
• Có rất nhiều phương pháp để tính toán cho hệ thống ống gió nhưng phổ biến vẫn là ma sát đồng điếu.
• Dễ dàng lựa chọn được số lượng miệng gió cũng như kích thức mỗi nhánh.
• Ngoài ra còn nhiều loại ống gió khác như: ống gió thải, ống gió thổi, ống gió tăng áp cầu thang
• Tính toán không quá mấy phức tạp do dể dàng trong lựa chọn số lượng miệng gió và kích thước từng đoạn nhánh. thông số chủ yếu là lưu lượng gió và độ ồn yêu cầu điều dể dàng tra ra được. Mà điều khó khăn nhất là thể hiện trên bản vẻ 2D hoặc 3D để ra thông số chính xác nhất cho nhà đầu tư.
• Ngoài ra còn có hệ thống ống gió khác như ống gió hồi, ống gió thải, ống gió tăng áp cầu thang .v.v.

Hệ thống kết nối điều khiển Chiller

• Tất các thiết bị của hệ thống đều hoạt động bằng bộ điều khiển DDC. DDC có thể nhận cả tín hiệu cảm biến và được lập trình điều chỉnh sẵn bằng máy tính có tích hợp cổng truyền thông.
• DDC có kết nối với máy chủ qua chuẩn giao tiếp.
• Máy chủ có thể biết được hệ thống nào đang hoạt động và kiểm soát được tình trạng hoạt động đó theo yêu cầu của người quản lý.
• Việc cài đặt điều khiển phải đảm bảo các thiết bị giao tiếp được với nhau và kết nối máy tính với phần mềm BMS riêng.