I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Điều Hòa Không Khí
Đồ án tốt nghiệp về thiết kế hệ thống điều hòa không khí là một trong những dự án quan trọng trong chương trình đào tạo ngành Cơ Khí. Tại Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, các sinh viên được yêu cầu thiết kế hệ thống điều hòa không khí cho một tòa nhà biệt thự ở Hà Nội. Đây là bài toán thực tiễn đòi hỏi kiến thức về tính toán nhiệt, độ ẩm, và lựa chọn thiết bị phù hợp. Mục đích chính của đồ án là thiết kế một hệ thống đạt yêu cầu về tiện nghi nhiệt cho người sinh hoạt, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Công trình gồm 4 tầng với các phòng chức năng khác nhau như phòng khách, phòng ngủ, và các phòng chuyên dụng, mỗi phòng có yêu cầu điều hòa riêng biệt.
1.1. Đặc Điểm Và Yêu Cầu Thiết Kế
Công trình biệt thự ở Hà Nội nằm ở vị trí 21 độ Bắc, có điều kiện khí hậu tropical nót ẩm. Yêu cầu thiết kế bao gồm: tạo cảm giác thoải mái cho người sinh hoạt, cấp gió tươi đủ, đảm bảo hiệu quả năng lượng, và phù hợp với chi phí. Công trình có cấu trúc 4 tầng với các phòng đa chức năng cần được điều hòa độc lập hoặc liên kết hợp lý.
1.2. Các Thành Viên Thực Hiện
Đồ án được thực hiện bởi 3 sinh viên: Đỗ Thái Bảo (91777), Hoàng Thế Anh (91957), Nguyễn Đăng Quân (91997) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đức Bình. Nhóm làm việc theo phương pháp hợp tác, chia công việc tính toán nhiệt, tính ẩm thừa, và lựa chọn hệ thống điều hòa phù hợp nhất.
II. Tính Toán Nhiệt Thừa Và Thông Số Cơ Bản
Tính toán nhiệt thừa là bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế hệ thống điều hòa không khí. Các kỹ sư cần xác định lượng nhiệt dư thừa bên trong công trình để lựa chọn công suất máy điều hòa phù hợp. Thông số tính toán được chia thành hai phần: bên ngoài công trình (điều kiện khí hậu ngoài trời) và bên trong công trình (điều kiện tiện nghi mong muốn). Với Hà Nội, thông số bên ngoài mùa hè là: nhiệt độ 36°C, độ ẩm 55%, lượng nhiệt tính được 89,4 kJ/kg. Bên trong công trình, các phòng được thiết kế với nhiệt độ 26±1°C và độ ẩm 65±5%. Chênh lệch nhiệt độ ngoài-trong là 10°C, một con số đáng kể cần được xem xét kỹ lưỡng.
2.1. Thông Số Tính Toán Bên Ngoài
Theo TCVN 5687-2024 về tiêu chuẩn thiết kế thông gió và điều hòa không khí, với thời gian không đảm bảo m = 200 giờ/năm, thông số ngoài mùa hè Hà Nội là: tnH = 36°C, φnH = 55%, InH = 89,4 kJ/kg. Các giá trị này được sử dụng để tính toán lượng nhiệt và ẩm cần loại bỏ từ công trình.
2.2. Thông Số Tính Toán Bên Trong
Các phòng trong công trình được thiết kế với nhiệt độ trong: 26±1°C và độ ẩm tương đối: 65±5%. Những thông số này đảm bảo sự thoải mái của người dùng theo tiêu chuẩn TCVN 5687-2024. Thông số áp dụng chung cho phòng khách, phòng ngủ, và các phòng chức năng khác.
III. Cấu Tạo Kết Cấu Bao Che Và Hệ Số Truyền Nhiệt
Kết cấu bao che công trình gồm tường, kính, sàn, trần, cửa đi và hố thang, mỗi phần có đặc tính truyền nhiệt khác nhau. Để thiết kế chính xác, cần tính toán hệ số truyền nhiệt K (W/m².K) của từng kết cấu. Tường 220mm tiếp xúc không khí ngoài có K = 1,76 W/m².K, tường 110mm có K = 2,63 W/m².K. Các kết cấu không tiếp xúc với không khí ngoài (tường trong, trần phòng) có hệ số truyền nhiệt thấp hơn. Vách kính được thiết kế với 3 lớp: hai lớp kính cường lực δ=5mm, lớp khí Agon δ=6mm ở giữa, có khả năng cách nhiệt tốt. Công thức tính K: K = 1/(1/αT + Σδᵢ/λᵢ + 1/αN), trong đó αT, αN là hệ số trao đổi nhiệt bề mặt trong và ngoài.
3.1. Kết Cấu Các Phần Bao Che
Tường 220mm: lớp vữa ngoài (15mm, λ=0,93), gạch (190mm, λ=0,58), vữa trong (15mm, λ=0,93). Tường 110mm: cấu trúc tương tự nhưng độ dày gạch chỉ 80mm. Sàn/Trần: lớp bê tông, vữa, và lớp cách âm. Vách kính: 3 lớp với lớp khí Agon cách nhiệt giữa, thiết kế hiệu quả cho vùng có bức xạ mặt trời mạnh.
3.2. Tính Toán Hệ Số Truyền Nhiệt
Tính K theo công thức tiêu chuẩn, lấy hệ số trao đổi nhiệt: αT = 8,72 W/m².K (bên trong), αN = 23,26 W/m².K (bên ngoài tiếp xúc). Kết quả: Tường 220 ngoài: 1,76 W/m².K, Tường 220 trong: 1,56 W/m².K, Tường 110 ngoài: 2,63 W/m².K. Các giá trị K cao hơn cần loại bỏ nhiệt nhiều hơn.
IV. Lựa Chọn Hệ Thống Và Thiết Kế Ống Gió
Lựa chọn hệ thống điều hòa không khí phù hợp là bước tiếp theo sau khi tính toán được lượng nhiệt thừa. Có ba lựa chọn chính: Điều hòa treo tường (Split) phù hợp cho từng phòng nhỏ, chi phí thấp nhưng không tập trung điều khiển; Hệ thống VRV/VRF (Variable Refrigerant Flow) linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, phù hợp cho công trình đa phòng; Hệ thống Chiller tập trung, hiệu quả cao cho công trình lớn. Cho tòa nhà biệt thự 4 tầng, hệ thống VRV/VRF là lựa chọn tối ưu cân bằng giữa chi phí, hiệu suất và quản lý. Tính toán hệ thống ống gió cần xác định kích thước ống dựa trên lưu lượng không khí cần thiết (m³/h), vận tốc gió (3-5 m/s), và tổn hao áp suất. Ống gió thổi phân phối không khí lạnh đến các phòng, ống gió hút tụi không khí nóm trở lại.
4.1. So Sánh Các Hệ Thống Điều Hòa
Điều hòa Split: chi phí thấp, dễ lắp đặt, nhưng mỗi phòng cần máy riêng. VRV/VRF: một máy ngoài, nhiều dàn trong, điều khiển độc lập từng phòng, COP cao (4-6). Chiller: hiệu quả cao, tập trung, nhưng chi phí vốn lớn. Cho biệt thự, VRV/VRF đạt cân bằng tốt nhất.
4.2. Thiết Kế Hệ Thống Ống Gió
Tính toán đường ống gió thổi: xác định lưu lượng Q (m³/h) dựa trên nhiệt thừa, vận tốc gió v = 3-5 m/s, công thức: F = Q/(v×3600). Ống gió hút tương tự nhưng có áp suất âm. Thiết kế mạng ống gió tối ưu, giảm tổn hao áp suất, tiếng ồn, tiết kiệm năng lượng.
