Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khách sạn Green World Hotel Nha Trang là công trình nghỉ dưỡng đạt tiêu chuẩn quốc tế 4 sao, được xây dựng tại thành phố biển Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa. Công trình có quy mô gồm 2 tầng hầm, 21 tầng nổi và tầng mái, tích hợp 201 phòng ngủ, 27 căn hộ du lịch cao cấp cùng các khu dịch vụ đa chức năng như 3 nhà hàng (nhà hàng Á, nhà hàng Âu, café-buffet), 2 phòng hội nghị, phòng tập thể dục thẩm mỹ, khu spa - massage và đặc biệt là hồ bơi trong nhà tại tầng 4. Với đặc thù khí hậu nhiệt đới xavan chịu ảnh hưởng của biển tại Nha Trang và môi trường có độ ẩm cao phát sinh từ khu vực hồ bơi, việc duy trì tiện nghi nhiệt đóng vai trò quyết định đến chất lượng phục vụ và trải nghiệm của du khách. Đề tài "Thiết kế hệ thống điều hòa cho Khách sạn Green World Hotel Nha Trang" do sinh viên Phí Văn Hậu thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Hữu Phùng (Trường Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội) nhằm giải quyết bài toán thiết kế hệ thống nhiệt - lạnh và thông gió hoàn chỉnh cho toàn bộ tòa nhà.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể qua các nội dung:

  1. Khảo sát tổng quan kiến trúc, công năng các khu vực và điều kiện khí hậu thực tế tại địa điểm xây dựng.
  2. Lựa chọn cấp điều hòa không khí và xác lập hệ thống thông số tính toán vi khí hậu trong nhà, ngoài nhà theo tiêu chuẩn hiện hành.
  3. Tính toán cân bằng nhiệt ẩm, xác định phụ tải lạnh của từng không gian và toàn bộ công trình bằng phần mềm chuyên dụng.
  4. Xây dựng sơ đồ xử lý không khí trên đồ thị $I-d$ ($t-d$) và lựa chọn giải pháp hệ thống điều hòa không khí trung tâm cùng các thiết bị xử lý không khí cục bộ.
  5. Tính toán, thiết kế hệ thống phân phối không khí bao gồm mạng đường ống gió lạnh, hệ thống cấp gió tươi, hệ thống thông gió tầng hầm và hệ thống hút mùi vệ sinh.
  6. Tính toán thủy lực mạng đường ống nước lạnh, đường ống nước giải nhiệt, đường ống nước ngưng, bình giãn nở và lựa chọn hệ thống bơm nước.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều hòa không khí trung tâm Water Chiller giải nhiệt nước kết hợp hệ thống thiết bị xử lý không khí (AHU, FCU, PAU) và hệ thống thông gió cơ khí. Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ không gian 2 tầng hầm và 21 tầng nổi của khách sạn Green World Hotel Nha Trang, dựa trên số liệu khí hậu Nha Trang ứng với mùa hè và mùa đông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và phương pháp tính toán nhiệt ẩm kinh điển:

  • Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng:
    • TCVN 5687:2010: Thông gió - Điều hòa không khí - Tiêu chuẩn thiết kế.
    • QCVN 09:2013/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả.
    • Tiêu chuẩn tính toán nhiệt tải của ASHRAE và phương pháp tính nhiệt Carrier.
  • Phương pháp tính toán và công cụ hỗ trợ:
    • Phương pháp mô phỏng và cân bằng nhiệt ẩm: Sử dụng phần mềm Trace 700 của hãng Trane (Mỹ) để tính toán tải nhiệt động học theo từng giờ trong năm. Quy trình thiết lập bao gồm tạo Template (Internal Load, Airflow, Thermostat, Construction), tạo phòng (Create Room) và gán phòng vào hệ thống phân phối gió.
    • Phương pháp khí động học đường ống gió: Ứng dụng phương pháp ma sát đồng đều kết hợp phương pháp giảm dần tốc độ và phương pháp phục hồi áp suất tĩnh; sử dụng phần mềm Fduct và đồ thị tổn thất Lindab để xác định kích thước ống và trở lực mạng gió.
    • Phương pháp thủy lực đường ống nước: Sử dụng phần mềm Pipe Checker và đồ thị xác định tổn thất ma sát trên mét ống để tính toán đường kính ống nước lạnh, nước giải nhiệt, ống bypass và xác định cột áp chọn bơm theo đường đặc tính $Q-H$.
  • Nguồn dữ liệu đầu vào: Bản vẽ kiến trúc AutoCAD của công trình, dữ liệu thời tiết thực tế thành phố Nha Trang cập nhật vào Trace 700, catalogue thiết bị của các nhà sản xuất Trane, Daikin, Reetech, Đại Phúc, Tân Phát, Grundfos.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu công trình và lựa chọn thông số tính toán

Chương này tổng quan về vai trò của kỹ thuật điều hòa không khí đối với công trình khách sạn 4 sao ven biển, phân tích công năng từng tầng và thiết lập các thông số ban đầu.

  • Tác giả chọn thiết kế hệ thống ĐHKK cấp II theo TCVN 5687:2010 với số giờ không bảo đảm chế độ nhiệt ẩm $m = 150 - 200\text{ h/năm}$, tương ứng hệ số bảo đảm $K_{BĐ} = 0{,}983 - 0{,}977$.
  • Thông số ngoài nhà tại Nha Trang: Nhiệt độ $t_N = 34{,}7^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_N = 56{,}6%$, mức vượt thiết kế ASHRAE là 2% ($175\text{ h/năm}$).
  • Thông số vi khí hậu trong nhà được xác lập theo tính chất lao động:
    • Phòng nghỉ, căn hộ (nghỉ ngơi tĩnh tại): $t_T = 24^\circ\text{C}$, $\varphi_T = 60%$.
    • Sảnh, văn phòng, phòng họp, nhà hàng (lao động nhẹ): $t_T = 25^\circ\text{C}$, $\varphi_T = 65%$.
    • Khu vực hồ bơi (tầng 4, ẩm cao): $t_T = 30^\circ\text{C}$, $\varphi_T = 55%$.

Chương 2. Tính toán cân bằng nhiệt ẩm

Chương này thực hiện mô hình hóa toàn bộ tải nhiệt công trình trên phần mềm Trace 700 qua 6 bước chuẩn hóa:

  • Thiết lập tải nội vi (Internal Load):
    • Mật độ người: Sảnh chờ ($1{,}0\text{ m}^2/\text{người}$), phòng họp ($2\text{ m}^2/\text{người}$), phòng nghỉ ($10\text{ m}^2/\text{người}$).
    • Mật độ chiếu sáng: Sảnh ($11{,}5\text{ W/m}^2$), văn phòng ($12{,}0\text{ W/m}^2$), nhà hàng ($7{,}0\text{ W/m}^2$), phòng nghỉ ($7{,}9\text{ W/m}^2$), phòng họp ($13{,}0\text{ W/m}^2$).
    • Tải máy móc: Giả thiết $1\text{ workstation/người}$ với mức phát nhiệt $30 - 60\text{ W/thiết bị}$.
    • Cấp gió tươi: Phòng nghỉ ($35\text{ m}^3/\text{h/người}$ hay $9{,}7\text{ L/s}$), văn phòng/họp ($30\text{ m}^3/\text{h/người}$), sảnh ($25\text{ m}^3/\text{h/người}$).
  • Thiết lập kết cấu bao che theo QCVN 09:2013/BXD:
    • Tường bao 220 mm: Gạch đất sét nung ($\gamma = 1800\text{ kg/m}^3, \lambda = 0{,}88\text{ W/m.K}$).
    • Vách ngăn 110 mm và sàn bê tông cốt thép ($\gamma = 2400\text{ kg/m}^3, \lambda = 1{,}84\text{ W/m.K}$).
  • Phân chia hệ thống phân phối gió:
    • Khu vực phòng ngủ, văn phòng: Hệ thống FCU kết hợp khối xử lý gió tươi PAU (Constant Volume – Mixing), hồi gió qua trần (Plenum). Gió tươi được PAU xử lý sơ bộ đến $24^\circ\text{C}$ trước khi cấp vào đầu hồi của FCU.
    • Khu vực không gian lớn (nhà hàng, hội nghị, dịch vụ tầng 1-3, hồ bơi): Hệ thống AHU (Constant Volume – Non mixing) với đường gió hồi bằng ống (Ducted).

Chương 3. Chọn máy và thiết bị

Dựa trên kết quả chạy tải từ Trace 700, tổng công suất lạnh yêu cầu của công trình là $1005\text{ kW}$ (công suất cực đại $1098\text{ kW}$ tại $t_N = 32^\circ\text{C}$, $t_ư = 28^\circ\text{C}$).

  • Hệ thống Water Chiller: Tác giả áp dụng mô hình Swing Chiller theo tỷ lệ phân chia 4-4-2 để tối ưu hóa hiệu suất vận hành theo phụ tải thực tế:
    • 02 máy Chiller công suất lớn: $516\text{ kW/máy}$ (mỗi máy đáp ứng ~40% tải).
    • 01 máy Chiller công suất nhỏ: $261\text{ kW}$ (đáp ứng ~20% tải).
    • Chế độ vận hành 5 cấp linh hoạt: Dưới 20% tải (chạy 1 máy nhỏ), 20-40% (chạy 1 máy lớn), 40-60% (chạy 1 máy lớn + 1 máy nhỏ), 60-80% (chạy 2 máy lớn), 80-100% (chạy đồng thời cả 3 máy).
  • Tháp giải nhiệt: Thiết kế với nhiệt độ nước vào tháp $t_{w2} = 37^\circ\text{C}$, nước ra khỏi tháp $t_{w1} = 32^\circ\text{C}$ (chênh lệch $5\text{ K}$, cao hơn nhiệt độ ướt $t_ư = 28^\circ\text{C}$ một khoảng $4\text{ K}$); lựa chọn tháp giải nhiệt LBC 200 hãng Tân Phát.
  • Dàn lạnh FCU và AHU: Chọn dàn FCU dòng FWM (Daikin) cho các phòng ngủ và các bộ AHU/PAU theo lưu lượng gió và công suất lạnh tính toán.

Chương 4. Tính toán thiết kế hệ thống ống gió

Chương 4 giải quyết bài toán phân phối không khí và thông gió phụ trợ:

  • Tính chọn miệng gió vuông khuếch tán, miệng gió hẹp dài và miệng gió sọt trứng cánh thẳng của hãng Reetech; van gió VCD của hãng Đại Phúc; ống mềm Lindab.
  • Thiết kế mạng lưới đường ống gió cấp, gió hồi AHU và mạng ống cấp gió tươi PAU cho các tầng bằng phương pháp ma sát đồng đều.
  • Thiết kế hệ thống thông gió tầng hầm (2 tầng hầm): Tính toán lưu lượng hút thải khí $CO/CO_2$, tính trở lực cục bộ (cút $90^\circ$, côn thu/mở, van chặn lửa, miệng gió) và chọn quạt cấp - quạt hút thải chuyên dụng.
  • Thiết kế hệ thống hút mùi khu vệ sinh: Xác định bội số trao đổi không khí, tính toán tổn thất áp suất đường ống và chọn quạt hút mùi cho từng trục đứng vệ sinh.

Chương 5. Tính toán thiết kế hệ thống ống nước

Chương này thiết kế mạng tuần hoàn thủy lực của hệ thống Chiller:

  • Tính toán đường ống nước lạnh cấp - hồi (chế độ $7^\circ\text{C} / 12^\circ\text{C}$) kết nối từ cụm Chiller đến các dàn trao đổi nhiệt FCU và AHU; tính toán đường ống Bypass điều tiết áp suất.
  • Xác định tổn thất áp suất dọc đường và cục bộ, vẽ đường đặc tính mạng ống và chọn bơm nước lạnh sơ cấp/thứ cấp hãng Grundfos.
  • Tính toán mạng ống nước giải nhiệt kết nối Chiller với tháp giải nhiệt trên mái và chọn bơm nước giải nhiệt Grundfos NBG 200-150-315/291.
  • Tính toán kích thước ống thoát nước ngưng xả tự chảy theo phương ngang/phương đứng và tính chọn thể tích bình giãn nở kín.

Thiết kế kỹ thuật và thông số triển khai hệ thống

Hệ thống điều hòa không khí và thông gió cho khách sạn Green World Hotel Nha Trang được cấu thành từ 3 phân hệ kỹ thuật chính:

Phân hệ kỹ thuật Cấu hình & Thiết bị lựa chọn Thông số làm việc chính
Nguồn lạnh trung tâm 03 cụm Water Chiller Trane (2 máy $516\text{ kW}$ + 1 máy $261\text{ kW}$)
Tháp giải nhiệt Tân Phát LBC 200		 Nước lạnh: Vào $12^\circ\text{C}$, Ra $7^\circ\text{C}$
Nước giải nhiệt: Vào $37^\circ\text{C}$, Ra $32^\circ\text{C}$
Xử lý không khí (AHU/FCU/PAU) Dàn lạnh FCU Daikin (dòng FWM)
Khối PAU cấp gió tươi sơ bộ
Khối AHU cấp gió cho sảnh, nhà hàng, hồ bơi		 Nhiệt độ gió cấp PAU: $24^\circ\text{C}$
Nhiệt độ gió cấp FCU: $18{,}5^\circ\text{C}$
Gió tươi phòng ngủ: $35\text{ m}^3/\text{h/người}$
Hệ thống mạng ống & Phụ trợ Đường ống thép/nhựa bọc cách nhiệt
Ống gió tole tráng kẽm kết hợp ống mềm Lindab
Miệng gió Reetech, van gió Đại Phúc
Bơm tuần hoàn Grundfos NBG		 Chế độ Swing Chiller 5 cấp (4-4-2)
Mạng gió thông gió tầng hầm cấp/hút độc lập
Đường thoát nước ngưng tự chảy theo tầng

Nguyên lý điều khiển trung tâm được tổ chức theo phụ tải thực tế: gió tươi được lấy từ bên ngoài qua khối PAU để hạ nhiệt và tách ẩm sơ bộ trước khi đưa vào hòa trộn tại đầu hồi của các dàn FCU trong từng phòng nghỉ. Các không gian tập trung đông người sử dụng AHU điều khiển biến đổi lưu lượng cục bộ.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán cụ thể:
    • Hoàn thành bảng cân bằng nhiệt ẩm chi tiết cho 21 tầng nổi và 2 tầng hầm, xác định tổng công suất lạnh cực đại của tòa nhà đạt $1005\text{ kW}$.
    • Xác lập chính xác lưu lượng gió cấp, gió tươi và kích thước mạng ống gió cho toàn bộ các khu chức năng, kiểm soát được hiện tượng đọng sương tại khu vực hồ bơi trong nhà tầng 4.
    • Tính toán tổn thất áp suất và chọn lựa đầy đủ thông số cho hệ thống bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt thông gió tầng hầm và quạt hút mùi vệ sinh.
  • Đóng góp kỹ thuật tự nêu của đồ án:
    • Ứng dụng thành công phần mềm Trace 700 vào bài toán thiết kế kỹ thuật thực tế cho một công trình khách sạn 4 sao ven biển quy mô lớn tại Việt Nam, chuẩn hóa quy trình nhập liệu vật liệu xây dựng theo QCVN 09:2013/BXD.
    • Đề xuất giải pháp vận hành Swing Chiller (phối hợp 2 máy lớn 40% tải và 1 máy nhỏ 20% tải), mang lại khả năng thích ứng cao với sự dao động lớn của lượng khách du lịch theo mùa, tiết kiệm điện năng vận hành khi non tải so với phương án chọn các tổ máy có công suất bằng nhau.
    • Thiết kế phối hợp hệ thống PAU tiền xử lý không khí tươi cho FCU, giúp giải quyết triệt để vấn đề ẩm cao đặc trưng của vùng biển duyên hải miền Trung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Một số dữ liệu về tải thiết bị văn phòng, máy móc cá nhân (Workstations) trong phòng nghỉ phải sử dụng giả thiết định mức chuẩn ($1\text{ thiết bị/người}$) do thiếu số liệu thống kê tiêu thụ điện thực tế từ chủ đầu tư.
    • Đồ án tập trung vào tính toán thiết kế kỹ thuật cơ sở và lựa chọn thiết bị theo catalogue thương mại, chưa thực hiện mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để đánh giá trường phân bố vận tốc gió và nhiệt độ trong các không gian thông tầng, sảnh lớn hoặc khu vực hồ bơi.
  • Hướng mở rộng:
    • Thực hiện bài toán phân tích kinh tế - năng lượng chi tiết theo vòng đời công trình (LCC - Life Cycle Cost) nhằm so sánh hiệu quả đầu tư giữa phương án Swing Chiller và Chiller biến tần (VFD Chiller).
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển tòa nhà (BMS) để giám sát và tối ưu hóa việc đóng/cắt Chiller, điều khiển van hai ngả và biến tần cho hệ thống bơm/quạt theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Công nghệ Lạnh và Điều hòa không khí, Kỹ thuật Công trình xây dựng và kỹ sư thiết kế Cơ điện (MEP):

  • Cung cấp quy trình từng bước thiết lập thông số, tạo Template và mô phỏng tải nhiệt trên phần mềm Trace 700 áp dụng cho điều kiện khí hậu và vật liệu xây dựng tại Việt Nam.
  • Cung cấp mẫu tính toán thủy lực hoàn chỉnh cho mạng ống gió (ống cấp, hồi, gió tươi, hút khói/thông gió tầng hầm, hút mùi vệ sinh) và mạng ống nước (nước lạnh, nước giải nhiệt, bypass, nước ngưng).
  • Cung cấp phương pháp luận thực tế trong việc phân chia công suất máy lạnh trung tâm theo mô hình Swing Chiller cho các công trình dịch vụ lưu trú du lịch.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấp điều hòa không khí được chọn cho công trình là cấp mấy và có ý nghĩa kỹ thuật gì?
Khách sạn Green World Hotel Nha Trang được thiết kế theo hệ thống điều hòa không khí cấp II theo TCVN 5687:2010. Cấp này cho phép số giờ không đảm bảo chế độ nhiệt ẩm bên trong nhà là $m = 150 - 200\text{ h/năm}$, tương ứng hệ số bảo đảm $K_{BĐ} = 0{,}983 - 0{,}977$, phù hợp với yêu cầu tiện nghi cao của công trình khách sạn 4 sao thông thường.

2. Tại sao tác giả lại lựa chọn phương án Swing Chiller (tỷ lệ 4-4-2) gồm 3 máy Chiller thay vì chọn 2 máy có cùng công suất?
Phương pháp Swing Chiller gồm 2 máy $516\text{ kW}$ (mỗi máy chiếm ~40% tải) và 1 máy $261\text{ kW}$ (chiếm ~20% tải) cho phép hệ thống vận hành linh hoạt ở 5 mức tải khác nhau (0-20%, 20-40%, 40-60%, 60-80%, 80-100%). Khi khách sạn vào mùa thấp điểm hoặc ban đêm (tải dưới 20%), chỉ cần chạy 1 máy nhỏ, tránh cho các máy Chiller lớn phải chạy ở chế độ non tải gây tiêu tốn năng lượng.

3. Khối PAU (Dedicated Outdoor Air System) đóng vai trò gì trong hệ thống FCU của các phòng nghỉ?
Khối PAU thực hiện làm lạnh và khử ẩm sơ bộ không khí tươi ngoài trời về mức nhiệt độ $24^\circ\text{C}$ trước khi cấp vào đầu hồi của dàn lạnh FCU. Giải pháp này giúp triệt tiêu phần lớn tải ẩn của gió tươi ven biển, tránh đọng sương tại cửa gió và giảm tải trực tiếp cho các dàn FCU cục bộ trong phòng.

4. Chế độ nhiệt độ nước lạnh và nước giải nhiệt được tính toán thiết kế cho Chiller là bao nhiêu?
Hệ thống nước lạnh làm việc ở chế độ nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi là $7^\circ\text{C}$ và nhiệt độ nước vào là $12^\circ\text{C}$ ($\Delta t = 5\text{ K}$). Hệ thống nước giải nhiệt làm việc ở chế độ nhiệt độ nước vào bình ngưng (ra khỏi tháp) là $32^\circ\text{C}$ và nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng (vào tháp) là $37^\circ\text{C}$.

5. Giải pháp xử lý không khí cho khu vực hồ bơi trong nhà tại tầng 4 có điểm gì đặc biệt?
Do nhiệt độ nước hồ bơi duy trì khoảng $27 - 28^\circ\text{C}$, nước bay hơi liên tục làm tăng độ ẩm không khí xung quanh, tác giả thiết lập nhiệt độ không gian hồ bơi ở mức $30^\circ\text{C}$, độ ẩm $55%$ và sử dụng hệ thống AHU chuyên biệt để vừa cấp gió lạnh vừa liên tục hút thải khí ẩm ra ngoài, ngăn ngừa đọng sương trên vách kính và trần nhà.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phí Văn Hậu đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán và thiết kế hệ thống điều hòa không khí - thông gió cho khách sạn 4 sao Green World Hotel Nha Trang. Bằng việc kết hợp tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5687:2010, QCVN 09:2013/BXD với phần mềm mô phỏng Trace 700, tác giả đã giải quyết chính xác bài toán cân bằng nhiệt ẩm với tổng công suất tải lạnh $1005\text{ kW}$. Giải pháp kỹ thuật lựa chọn hệ thống Water Chiller trung tâm kết hợp mô hình Swing Chiller 3 tổ máy (4-4-2), hệ thống dàn lạnh AHU/FCU và khối tiền xử lý gió tươi PAU mang lại hiệu quả vận hành linh hoạt, kiểm soát ẩm tốt và tối ưu hóa năng lượng cho công trình nghỉ dưỡng ven biển. Toàn bộ các hệ thống phân phối ống gió, mạng đường ống nước và thiết bị phụ trợ được tính toán chi tiết, đảm bảo tính khả thi cao trong triển khai thi công thực tế.