Tính toán và Thiết kế ống thông gió hiệu quả là yếu tố quan trọng trong việc phân phối luồng không khí từ hệ thống HVAC đến toàn bộ ngôi nhà hoặc tòa nhà. Không khí được hút vào từ khắp tòa nhà, qua máy điều hòa không khí hoặc máy sưởi để được làm mát hoặc sưởi ấm, sau đó được đẩy qua các ống gió vào không gian sinh hoạt và làm việc. Do đó, thiết kế hệ thống ống gió sao cho chính xác và hiệu quả là cực kỳ quan trọng.Hệ thống ống gió là yếu tố quan trọng trong việc phân phối luồng không khí từ hệ thống HVAC đến toàn bộ ngôi nhà hoặc tòa nhà. Không khí được hút vào từ khắp tòa nhà, qua máy điều hòa không khí hoặc máy sưởi để được làm mát hoặc sưởi ấm, sau đó được đẩy qua các ống gió vào không gian sinh hoạt và làm việc. Do đó, thiết kế hệ thống ống gió sao cho chính xác và hiệu quả là cực kỳ quan trọng.
NỘI DUNG BÀI VIẾT
1. Ống gió là gì?
Hiệu quả của hệ thống ống gió quyết định lượng khí vào và ra. Nếu các lỗ thông hơi không được thiết kế chuẩn, hệ thống làm mát, sưởi ấm và áp suất không khí sẽ bị mất cân bằng, làm cho việc kiểm soát môi trường trở nên khó khăn.
Điều cần lưu ý là các đường ống dùng để chuyển khí gas, nước hoặc chất làm lạnh không phải là ống gió. Chỉ có không khí mới được di chuyển qua ống gió. Có nhiều loại ống gió với các hình dạng khác nhau như hình bầu dục, tròn hoặc chữ nhật, được chế tạo từ nhiều loại vật liệu như nhựa dẻo, sợi thủy tinh hoặc kim loại.
Hầu hết các ngôi nhà có hệ thống sưởi và làm mát truyền thống đều có một số loại hệ thống ống gió, bao gồm hệ thống sưởi khí cưỡng bức, điều hòa trung tâm và các loại hệ thống khác.
2. Phương pháp thiết kế hệ thống ống gió
Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để thiết kế hệ thống thông gió, trong đó những phương pháp phổ biến nhất bao gồm:
- Phương pháp giảm tốc: Thường được áp dụng cho khu dân cư hoặc tòa nhà cỡ nhỏ.
- Phương pháp ma sát đồng đều: Phù hợp cho tòa nhà cỡ trung bình đến lớn.
- Phương pháp phục hồi áp suất tĩnh: Sử dụng cho các công trình rất lớn như phòng hòa nhạc, sân bay và khu công nghiệp.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào phương pháp ma sát đồng đều, vì đây là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng cho các hệ thống HVAC thương mại và khá đơn giản để thực hiện.
3. Thiết kế mẫu ống gió
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một thiết kế mẫu của hệ thống ống gió bằng cách sử dụng một phòng kỹ thuật nhỏ làm ví dụ. Chúng ta sẽ tạo một bản vẽ bố trí cho tòa nhà, bao gồm 4 văn phòng, một hành lang và một phòng kỹ thuật chứa quạt, bộ lọc, và máy sưởi hoặc máy làm mát không khí.
Bước 1: Tính Toán Tải Nhiệt và Tải Lạnh
Điều đầu tiên cần làm là tính toán tải nhiệt và tải lạnh cho mỗi phòng. Sau đó, kiểm tra tổng tải để tìm ra mức tải lớn nhất. Trong trường hợp này, chúng ta cần thiết kế hệ thống để đáp ứng tải lạnh ở mức cao nhất.
Bước 2: Chuyển Đổi Tải Lạnh Thành Lưu Lượng Dòng
Để thiết kế hệ thống, chúng ta cần chuyển đổi tải lạnh thành lưu lượng dòng. Đầu tiên, chuyển đổi tải lạnh thành tốc độ dòng khối lượng (ṁ) bằng công thức sau:
ṁ = Q / (cp x Δt)
Trong đó:
ṁ: là Tốc độ dòng khối lượng (đv: kg/s)
Q: là Tải lạnh (đv: kW)
cp: là Nhiệt dung riêng của không khí (đv: kJ/kg.K)
Δt: là Chênh lệch nhiệt độ giữa gió tươi và gió thải theo thiết kế
Hãy lưu ý rằng chúng ta sẽ sử dụng cp là 1.026 kJ/kg.K làm tiêu chuẩn và Δt phải nhỏ hơn 10°C vì vậy chúng ta sẽ sử dụng 8°C.
Đúng vậy, để tính toán tốc độ dòng khối lượng cho từng phòng, chúng ta sẽ áp dụng công thức cho từng phòng dựa trên tải lạnh của mỗi phòng.
Bước 3: Tính Toán Tốc Độ Dòng Khối Lượng Cho Từng Phòng
Chúng ta đã biết cách tính toán và đã có ví dụ cho phòng 1. Bây giờ, chúng ta sẽ lặp lại quy trình này cho các phòng còn lại.
- Phòng 1: 0.256 kg/s
- Phòng 2: 0.426 kg/s
- Phòng 3: 0.512 kg/s
- Phòng 4: 0.219 kg/s
Như vậy, chúng ta đã tính toán tốc độ dòng khối lượng cho từng phòng. Những giá trị này sẽ giúp chúng ta thiết kế hệ thống ống gió hiệu quả cho tòa nhà, đảm bảo mỗi phòng đều nhận được lưu lượng không khí cần thiết để duy trì điều kiện nhiệt độ mong muốn.
Bây giờ chúng ta có thể chuyển đổi kết quả tính toán này thành lưu lượng dòng. Để làm được điều đó, chúng ta cần khối lượng hoặc mật độ không khí. Chúng ta sẽ giả định nhiệt độ là 21°C và áp suất khí quyển là 101.325 kPa. Chúng ta có thể tìm kiếm kết quả mật độ không khí trong các bảng thuộc tính không khí nhưng tôi thích sử dụng một ứng dụng trực tuyến tại peacesoftware.de vì nó nhanh hơn là tự tìm. Do đó, chúng ta chỉ cần điền những con số đó vào và nhận được mật độ không khí là 1,2 kg/m³.
Bạn có thể thấy rằng mật độ có đơn vị là kg/m³ nhưng chúng ta cần một kết quả có đơn vị là m³/ kg. Vì vậy, để chuyển đổi, chúng ta chỉ cần lấy nghịch đảo. Bạn chỉ có thể thực hiện phép tính này rất nhanh trong excel (= 1,2 ^ -1) để có câu trả lời là 0,83m³/kg.
Bây giờ chúng ta có thể tính lưu lượng dòng bằng cách sử dụng công thức:
V̇ = ṁ * v
Trong đó:
V̇: là Lưu lượng dòng (đv: m³/s)
ṁ: là Tốc độ dòng khối lượng (đv: kg/s)
v: là Nghịch đảo của mật độ không khí mà chúng ta vừa tính toán (đv: m³/ kg)
Sau đó, nếu chúng ta áp các giá trị đó vào phòng 1, chúng ta sẽ tính được lưu lượng dòng là 0,2158 m³/s, đó là lượng không khí cần vào phòng để đáp ứng tải mát. Cuối, chỉ cần lặp lại tính toán đó cho tất cả các phòng.
Bây giờ, chúng ta sẽ phác thảo tuyến ống thông gió lên sơ đồ tầng để có thể bắt đầu thiết kế.
Trước khi tìm hiểu kỹ hơn, chúng ta cần xem xét một số yếu tố sẽ đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả chung của cả hệ thống.
4. Các yếu tố tác động đến thiết kế hệ thống thông gió
4.1 Tính toán thiết kế
Đầu tiên là hình dạng của ống gió. Ống gió có thể có hình tròn, hình chữ nhật và hình bầu dục phẳng. Cho đến nay, ống tròn là loại tiết kiệm năng lượng nhất và đó là loại chúng ta sẽ sử dụng trong ví dụ sau này. Nếu so sánh ống tròn với ống hình chữ nhật, chúng ta nhận ra:
Một ống tròn có diện tích mặt cắt là 0.6 m² sẽ có chu vi 2,75m
Một ống hình chữ nhật có cùng diện tích mặt cắt là 0.6 m² có chu vi 3,87m
Do đó, ống hình chữ nhật đòi hỏi nhiều nguyên liệu hơn cho việc chế tạo, điều này làm tăng thêm trọng lượng và chi phí. Chu vi lớn hơn cũng có nghĩa là nhiều không khí sẽ tiếp xúc với vật liệu và điều này làm tăng thêm ma sát cho hệ thống. Ma sát trong một hệ thống có nghĩa là quạt cần phải làm việc chăm chỉ hơn và điều này dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn. Chúng ta luôn luôn sử dụng ống tròn nếu có thể, mặc dù trong nhiều trường hợp, ống dẫn hình chữ nhật cần được sử dụng vì không gian bị giới hạn.
4.2 Vấn đề tiếp theo là chất liệu của ống gió.
Điều thứ hai cần xem xét là vật liệu được sử dụng cho các ống gió, và độ nhám của vật liệu này vì điều này gây ra ma sát. Ví dụ, nếu chúng ta có hai ống gió, với kích thước, lưu lượng dòng và vận tốc bằng nhau, sự khác biệt duy nhất là vật liệu. Một được làm từ thép mạ kẽm tiêu chuẩn và cái kia là từ sợi thủy tinh, áp suất giảm trên một khoảng cách 10m, là khoảng 11 Pa cho thép mạ kẽm và 16 Pa cho sợi thủy tinh.
4.3 Tính toán ảnh hưởng của phụ kiện
Điều thứ ba chúng ta phải xem xét là tổn thất động năng do các phụ kiện gây ra. Chúng tôi muốn sử dụng các phụ kiện trơn tru nhất có thể cho hiệu quả năng lượng. Ví dụ, sử dụng các uốn cong bán kính dài thay vì các góc vuông vì sự thay đổi hướng đột ngột làm lãng phí một lượng năng lượng rất lớn.
Chúng ta có thể so sánh hiệu suất của các thiết kế ống gió khác nhau, nhanh chóng và dễ dàng sử dụng giả lập CFD hoặc Tính toán động lực học của môi chất. Những mô phỏng này được tạo ra bằng cách sử dụng một nền tảng kỹ thuật CFD và FEA dựa trên cloud, bởi SimScale.
Bạn có thể truy cập phần mềm này miễn phí bằng cách nhấp vào đây và họ cung cấp một số loại tài khoản khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu mô phỏng của bạn.
SimScale không chỉ giới hạn trong thiết kế ống dẫn, nó còn được sử dụng cho các trung tâm dữ liệu, ứng dụng AEC, thiết kế điện tử, cũng như phân tích nhiệt và cấu trúc.
Chỉ cần xem nhanh trên trang web của họ và bạn có thể tìm thấy hàng ngàn mô phỏng cho mọi thứ từ các tòa nhà, hệ thống HVAC, bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và van cho đến xe đua và máy bay, tất cả đều có thể được sao chép và sử dụng làm mẫu cho phân tích thiết kế của riêng bạn. Với SimScale, tất cả có thể được thực hiện từ trình duyệt web. Vì dựa trên nền tảng cloud, máy chủ của họ làm tất cả công việc và chúng ta có thể truy cập các mô phỏng thiết kế của mình từ bất cứ đâu.
Bây giờ nếu chúng ta nhìn vào ảnh so sánh hai thiết kế, chúng ta có một thiết kế tiêu chuẩn ở bên trái và một thiết kế hiệu quả hơn ở bên phải đã được tối ưu hóa bằng cách sử dụng simscale. Cả hai thiết kế đều sử dụng vận tốc không khí 5 m/s, màu sắc đại diện cho vận tốc với màu xanh có nghĩa là vận tốc thấp và màu đỏ đại diện cho các vùng vận tốc cao.
Chúng ta có thể nhìn thấy từ thang màu vận tốc và các dòng khí trong thiết kế bên trái, luồng khí trực tiếp đập vào các khúc cua có trong hệ thống gây ra sự gia tăng áp suất tĩnh. Các khúc cua gây ra một lượng lớn các vùng tuần hoàn trong các ống gió, ngăn không khí di chuyển 1 cách trơn tru.
Phần T ở cuối ống chính khiến không khí đột ngột phân chia và đổi hướng. Có một lượng lớn dòng chảy ngược ở đây một lần nữa làm tăng áp suất tĩnh và giảm lượng khí cung cấp.
Vận tốc cao trong ống chính gây ra bởi những khúc cua sắc nét và những khúc cua đột ngột, làm giảm dòng chảy vào 3 nhánh bên trái.
Bây giờ chúng ta sẽ tập trung vào thiết kế được tối ưu hóa ở bên phải. Chúng ta sẽ thấy các phụ kiện được sử dụng theo cấu hình mượt mà hơn rất nhiều, không có vật cản, tuần hoàn hoặc dòng chảy ngược giúp cải thiện đáng kể tốc độ dòng khí trong hệ thống. Ở phía xa của ống chính, không khí được chia thành hai nhánh thông qua một phần T nhẹ nhàng, cong. Điều này cho phép không khí thay đổi hướng 1 cách mượt mà và do đó không có sự gia tăng đột ngột của áp suất tĩnh và tốc độ dòng khí vào các phòng đã tăng lên đáng kể.
Ba nhánh trong ống chính hiện nhận được luồng không khí bằng nhau tạo ra sự cải tiến đáng kể cho thiết kế. Điều này là do một nhánh bổ sung hiện đang cung cấp cho ba nhánh nhỏ hơn cho phép một phần không khí thoát ra khỏi dòng chính và đưa vào các nhánh nhỏ hơn.
5. Kết quả tính toán
Với những cân nhắc này, chúng ta có thể quay lại thiết kế ống gió:
Chúng ta sẽ đánh dấu cho mỗi phần của ống gió cũng như các phụ kiện bằng một chữ cái. Lưu ý rằng chúng ta chỉ thiết kế một hệ thống rất đơn giản ở đây vì vậy tôi chỉ bao gồm các ống gió và phụ kiện cơ bản, chúng ta sẽ không nói về những thứ như lưới tản nhiệt, cửa vào, kết nối linh hoạt, van điều tiết hỏa hoạn, v.v.
Bây giờ chúng ta sẽ tạo một bảng với các hàng được gắn nhãn theo ví dụ. Mỗi ống gió và phụ kiện cần một hàng riêng, nếu luồng không khí tách ra như với phần T, thì chúng ta cần một dòng cho mỗi hướng, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm ở phần sau của bài viết.
Chỉ cần thêm các chữ cái vào các hàng riêng biệt sau đó khai báo loại khớp phụ kiện hoặc ống tương ứng.
