Những điểm cần lưu ý khi thiết kế hệ thống bình giãn nở và điều áp trong tòa nhà cao tầng

Có vẻ như việc xem xét tất cả các khía cạnh khi thiết kế một hệ thống bình giãn nở và điều áp trong toà nhà cao tầng hoạt động cùng nhau là điều bất thường trong lĩnh vực thiết kế cơ điện, mặc dù đây chính là mục tiêu mà những nhà sản xuất hàng đầu thế giới như Flamco đang hướng tới. PGTECH là nhà đại diện thương hiệu Flamco Hà Lan tại Việt Nam, chuyên sản xuất và cung cấp các sản phẩm thiết bị chất lượng cao sử dụng trong các hệ thống HVAC. Flamco luôn không ngừng tập trung vào sáng kiến, nghiên cứu và chế tạo ra những sản phẩm công nghệ cao, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho toàn bộ hệ thống. Tại bài viết này, PGTECH sẽ chia sẻ những điểm cần lưu ý khi thiết kế hệ thống cơ điện của toà nhà cao tầng, đặc biệt là hệ thống bình giãn nở và điều áp trong hệ thống HVAC của toà nhà cao tầng.

Tìm hiểu Hệ điều áp với bình giãn nở khổng lồ 5000 lít cùng hệ tách khí chân không cho trung tâm dữ liệu lớn

Các khía cạnh cần lưu ý trong hệ thống cơ điện của toà nhà cao tầng

1. Nước

Nước là một vật chất lạ lùng, là chất duy nhất trở nên lớn hơn (nở ra) khi trở nên nóng và lạnh hơn khi quan sát từ điểm khởi đầu là 4°C.

Trên thực tế, nước không thể nén được, do đó, “áp suất” mà chúng ta thấy trong hệ thống nước xuất phát từ trọng lượng vật lý của nước và các thiết bị liên quan để di chuyển nước.

2. Chiều cao tĩnh - Static Height

Nguyên lý vật lý của Chiều cao tĩnh Static Height có thể dễ dàng được đơn giản hóa trong hệ HVAC, vì mục đích thực tế, chiều cao thẳng đứng 10m của hệ thống nước liên quan đến áp suất 1 bar ở phía dưới, để có 0 bar ở phía trên.

Chúng ta có thể tưởng tượng như ở ngoài biển, con người dễ bơi và nổi trên mặt nước, nhưng khó tồn tại dưới đáy biển với rất nhiều nước ở phía trên.

Về mặt kỹ thuật vật lý, một chiếc tàu ngầm có thể lặn sâu 10m nước trong bể bơi cũng giống như chiếc tàu ngầm có thể lặn 10m nước ở Đại Tây Dương. Trọng lượng của nước là chìa khóa để hiểu ở đây, không quan trọng đường ống có đường kính 15mm, đường kính 1000mm hay đường kính 10.000mm, đối với chiều cao hệ thống 10m, 1 bar là áp suất nước (trọng lượng) ở phía dưới mà không có áp suất (trọng lượng) ở phía trên.

3. Áp suất đồng hồ đo so với áp suất tuyệt đối

Khi chúng ta nói về áp suất, trong ngành công nghiệp, chúng ta thường mặc định dùng áp suất đồng hồ đo (như trong ví dụ về chiều cao tĩnh ở trên). Trên thực tế, vũ trụ được định hướng để hoạt động theo áp suất tuyệt đối(a), trong đó Không gian vũ trụ được coi là 0 (không) bar(a), do đó trên hành tinh Trái đất, chúng ta sống ở 1 bar(a).

Tuy nhiên, trên thực tế, một thợ sửa ống nước lấy một đồng hồ đo áp suất ra khỏi hộp và không cần kết nối với bất kỳ thứ gì, họ mong đợi nó sẽ hiển thị 0 bar. Theo cách này, chúng ta đang nói về áp suất đồng hồ đo, 0 bar(g).

4. Bơm tuần hoàn

Một máy bơm tuần hoàn được thiết kế để thực hiện một chức năng duy nhất, đó là di chuyển nước xung quanh hệ thống toà nhà cao tầng với lưu lượng cần thiết. Để làm được việc này, nó phải đẩy và đôi khi kéo nước một cách hiệu quả. Quay lại với Vật lý, đẩy và kéo chỉ đơn giản là các lực tác động đến áp suất cảm nhận được của nước tại điểm đó. Điều này cũng được gọi là 'cột áp bơm' Pump-head (đầu bơm).

‘Cột áp bơm’ là thông số cần thiết để đẩy nước xung quanh hệ thống toà nhà cao tầng, không phải để vượt qua chiều cao tĩnh, mà là để vượt qua lực cản ma sát của hệ thống về mặt mất áp suất qua bộ trao đổi nhiệt, đường ống, phụ kiện, bộ phát và van. Theo cách này, một hệ thống toà nhà cao tầng có chiều cao tĩnh 200 mét không cần ‘Cột áp bơm’ là 20 bar.

5. Neutral Point – Điểm trung tính

Điểm trung tính là vị trí trong hệ thống mà áp suất tĩnh không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của bơm tuần hoàn. Trên thực tế, áp suất xả của bơm tuần hoàn (hoặc áp suất hút của bơm) không ảnh hưởng đến áp suất nhìn thấy tại điểm đó bất kể bơm có chạy hay không (bật hay tắt).

6. Bình giãn nở trong hệ thống toà nhà cao tầng

Một sự thật ít người biết là vị trí vật lý của bình giãn nở buộc điểm trung tính phải di chuyển đến vị trí đó. Điều này sẽ luôn ảnh hưởng đến cách mà 'cột áp bơm' tuần hoàn tác động đến áp suất của hệ thống rộng hơn, hoặc di chuyển 'cột áp bơm' nhiều hơn về phía xả hoặc đến phân chia đều hơn trên toàn bộ máy bơm.

Một sự thật ít người biết khác là đối với các hệ thống toà nhà cao tầng có chiều cao tĩnh trên 60m, việc lắp đặt và vận hành bình giãn nở vào sẽ phức tạp hơn. Màng của bình giãn nở không thể nhìn thấy chênh lệch áp suất lớn hơn 6 bar, có lợi cho phía khí, trong quá trình vận hành và đưa vào vận hành.

Trên thực tế, áp suất khí quá mức, từ 6 bar trở lên, đẩy màng ra khỏi kết nối nước và sẽ làm hỏng màng cao su. Trong quá trình vận hành, áp suất nước và áp suất khí phải được tăng dần để tránh tình trạng này xảy ra. Điều này cần có thời gian, kinh nghiệm và sự cẩn thận để đạt được thành công. Nếu không làm như vậy sẽ gây ra thiệt hại, chậm trễ và quan trọng nhất là tốn chi phí.

Một sự thật ít người biết cuối cùng là bình giãn nở được tính toán dựa trên ‘hiệu suất’. Điều này được coi là con số nhỏ hơn trong hai con số, hoặc là hiệu suất thiết kế của bình giãn nở hoặc là hiệu suất của hệ thống toà nhà cao tầng. Đây là mối quan hệ giữa áp suất làm việc tối đa và áp suất làm việc tối thiểu (tất cả đều được coi là áp suất tuyệt đối)

 Mối quan hệ này là:

Hiệu suất hệ thống = (Pa (max X) - Pa (min X))/ Pa (max X)

Tuy nhiên, ý nghĩa thực sự của điều này chỉ có hiệu lực với các hệ thống ngày càng cao hơn. Chênh lệch 2 bar giữa áp suất vận hành tối đa (3 bar) và tối thiểu (1 bar) trên hệ thống 10m dẫn đến hiệu suất hệ thống là 50%:

Hiệu suất hệ thống = (Pa (max 3+1) - Pa (min 1+1))/ Pa (max 3+1) = 0.5 = 50%

*Áp suất được điều chỉnh từ ‘đồng hồ đo áp suất’ thành ‘áp suất tuyệt đối’ bằng cách thêm 1 bar

Tuy nhiên, tác động lên các hệ thống cao hơn là rất lớn, giả sử một hệ thống 70m có chênh lệch áp suất 2 bar giữa áp suất tối đa (9 bar) và tối thiểu (7 bar):

Hiệu suất hệ thống = (Pa (max 9+1) - Pa (min 7+1))/ Pa (max 9+1) = 0.2 = 20%

*Áp suất được điều chỉnh từ ‘đồng hồ đo áp suất’ thành ‘áp suất tuyệt đối’ bằng cách thêm 1 bar

Tác động lên các hệ thống cao hơn thậm chí còn rõ rệt hơn, giả sử hệ thống 120m có chênh lệch áp suất 2 bar giữa áp suất tối đa (14 bar) và áp suất tối thiểu (12 bar):

Hiệu suất hệ thống = (Pa (max 14+1) - Pa (min 12+1))/ Pa (max 14+1) = 0.133 = 13.3%

*Áp suất được điều chỉnh từ ‘đồng hồ đo áp suất’ thành ‘áp suất tuyệt đối’ bằng cách thêm 1 bar

Do đó, hệ thống toà nhà càng cao, với bình giãn nở ở dưới cùng thì hiệu suất của hệ thống càng kém.

7. Vị trí, Vị trí, Vị trí – Điều quan trọng nhất định phải nhắc lại 3 lần

Mối quan tâm thực sự sau đó đến từ việc lựa chọn vị trí lắp đặt bình giãn nở và điều áp trên các hệ thống toà nhà cao tầng, đặc biệt là trên các hệ thống thường có chiều cao tĩnh hơn 60m.

Ví dụ dưới đây cho thấy tác động lên ‘cột áp bơm’ tuần hoàn, tác động lên chiều cao tĩnh và áp suất hệ thống tạo ra. Có thể thấy rõ cách các công nghệ và nguyên tắc này hoạt động cùng nhau.

Hình minh hoạ trên cho thấy:

Vị trí bình giãn nở - Đầu hệ thống (A)

• Tiết kiệm chi phí
• ‘Cột áp bơm’ phân bố đều trên toàn bộ máy bơm
• Áp suất toàn hệ thống thấp hơn
• Hiệu suất hệ thống được tối đa hóa
• Đơn vị áp suất liên quan được đơn giản hóa (áp suất thấp)
• Kích thước bình giãn nở/yêu cầu về không gian liên quan được giảm thiểu

Vị trí bình giãn nở - Đáy hệ thống (B)

• Chi phí cao hơn - thiết bị, bảo trì và vận hành
• ‘Cột áp bơm’ đều được chuyển đến xả bơm
• Áp suất toàn hệ thống cao hơn
• Hiệu suất hệ thống bị tổn hại
• Đơn vị tăng áp liên quan phức tạp (áp suất cao)
• Kích thước bình giãn nở/yêu cầu về không gian liên quan được giảm thiểu

8. Hiệu ứng lan toả - Knock on effects

Với bình giãn nở được đặt ở phía trên cùng của hệ thống toà nhà cao tầng, áp suất chạy tổng thể có thể được kiểm soát hợp lý, đồng thời với 'cột áp bơm' được áp dụng và cân bằng hiệu quả.

Thiết bị điều áp liên quan có thể được duy trì ở áp suất thấp và do đó trở thành thiết bị tiêu chuẩn, có thể sử dụng được và đáng tin cậy.

Thiết bị điều áp cao áp thường sử dụng bơm trực tiếp DOL (Direct On-Line), thời gian chạy của các bơm này thường rất ngắn. Do đó, chi phí bổ sung của VSD (Bộ truyền động tốc đột thay đổi - Variable Speed ​​Drive) thường không được chấp nhận, đáng buồn là với áp suất vận hành tăng cao, nhu cầu về VSD tăng lên. Kết quả là tính kinh tế sai lầm và tiềm ẩn các vấn đề trong hệ thống theo thời gian.

Tóm lại, có những giải pháp cho bình giãn nở truyền thống được đặt ở phía trên hoặc phía dưới của hệ thống toà nhà cao tầng, nhưng cách tiếp cận hợp lý là đặt bình giãn nở ở vị trí càng cao trong hệ thống càng tốt. Tiết kiệm chi phí, kiểm soát áp suất và hiệu ứng lan tỏa đến các thành phần khác của hệ thống là những lợi ích nổi bật.

9. Phá vỡ áp suất

Với việc sử dụng cẩn thận Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (PHX), các hệ thống toà nhà cao tầng có thể được chia thành nhiều hệ thống có thể quản lý được, mỗi hệ thống sau đó có thể được giữ dưới các lớp áp suất chung, từ đó sẽ giảm chi phí cho các thiết bị liên quan và tăng tính khả dụng.

Do đó, đối với các hệ thống toà nhà cao tầng đến mức có điểm dừng áp suất, giải pháp tốt nhất là chúng ta lắp đặt bình giãn nở cho mỗi điểm dừng áp suất ở đầu mỗi phân đoạn.

10. NPSH (Net Positive Suction Head) – Chỉ số độ sâu hút của bơm

Để máy bơm hiện đại hoạt động hiệu quả, cần có áp suất dương phù hợp ở phía hút của máy bơm. Đây được gọi là cột áp hút dương ròng (NPSH) và thường không được xem xét khi thiết bị bơm được đặt ở dưới cùng của một hệ thống toà nhà cao tầng, trong đó máy bơm nhìn thấy toàn bộ cột áp tĩnh của hệ thống.

Tuy nhiên, theo cách tiếp cận tổng thể của nhà sản xuất Flamco về tư duy kết hợp, chi phí bơm tuần hoàn có thể giảm đáng kể nếu nó được chuyển lên đầu hệ thống. Khi thực hiện như vậy, cũng phải cân nhắc đến việc cần tăng nhẹ áp suất nạp tại thời điểm này để đảm bảo rằng các yêu cầu NPSH của bơm cũng được đáp ứng.

Điều đáng lưu ý là mặc dù trong khi các ống nối mềm của máy bơm có thể có lớp phủ bằng thép không gỉ nhưng bên trong là ống mềm cao su. Khi NPSH không được xem xét đúng mức (ở bất kỳ quy mô hệ thống nào), các ống mềm có thể sụp đổ bên trong và làm máy bơm (và hệ thống) bị thiếu nước, có khả năng gây ra thiệt hại và chi phí đáng kể.

11. Hiệu ứng điều áp cân bằng

May mắn thay, các bình giãn nở truyền thống không phải là giải pháp duy nhất, thiết bị điều áp cân bằng cung cấp giải pháp bình khí quyển hiệu quả không bị ảnh hưởng bởi chiều cao tĩnh của tòa nhà.

Tuy nhiên là không có cách nào để bỏ qua hoặc phủ nhận tác động của chiều cao tĩnh tại điểm kết nối, do đó, các bộ bơm liên quan, cần thiết để khắc phục áp suất tĩnh cao, vẫn là giải pháp đắt tiền và đôi khi là giải pháp thiết kế riêng. Điều này đưa chúng ta trở lại mục đích chính của bài viết này, quy tắc tốt nhất là lắp đặt các bình giãn nở và thiết bị điều áp, dù là truyền thống hay cân bằng, ở phía trên cùng của các hệ thống toà nhà cao tầng, đặc biệt là những hệ thống có áp suất tĩnh lớn hơn 60m.

PGTech Co., Ltd - Nhà phân phối các thiết bị, sản phẩm công nghiệp uy tín hàng đầu tại Việt Nam và các nước trong Khu Vực

Copyright © - Bản quyền bài viết thuộc về PGTech Việt Nam

Ban Biên Tập Tin Tức: PGTECH

                                              Kỹ Sư: Đàm Trường

PGTECH CO., LTD

VPGD: Tầng 3, Tòa Nhà C14-CT2, Bắc Hà, Bộ Công An, Đường Tố Hữu, Nam Từ Liêm, HN.

 Địa Chỉ: PGTECH Co., Ltd số 12, Ngõ 28, Đường Tây Hồ,  Phường Quảng An, Quận Tây Hồ, TP. Hà Nội

Điện Thoại: 024-730235 88 - Hotline: 0962 875 986

Fax: 024-730235 89

Email: info@pgtech.com.vn      sales@pgtech.com.vn 

Website: www.pgtech.com.vn