Thiết kế HVAC không bắt đầu bằng việc chọn model điều hòa, cũng không phải mở bản vẽ rồi bố trí ống gió trước.
Một quy trình thiết kế hợp lý phải đi từ yêu cầu sử dụng của công trình → điều kiện thiết kế → tải nhiệt và thông gió → lựa chọn hệ thống → tính toán thiết bị → mạng phân phối → phối hợp không gian → kiểm tra và hoàn thiện hồ sơ.
Nếu đảo thứ tự, rất dễ gặp tình trạng thiết bị đủ công suất trên catalogue nhưng hệ thống thực tế vẫn nóng, thiếu gió, ồn hoặc không còn không gian lắp đặt.
Bước 1: đọc yêu cầu và khảo sát công trình
Trước khi tính toán cần hiểu công trình dùng để làm gì. Thông tin đầu vào thường gồm:
- mặt bằng kiến trúc;
- mặt cắt và chiều cao trần;
- hướng công trình;
- vật liệu tường, mái và kính;
- công năng từng phòng;
- số người;
- thời gian sử dụng;
- thiết bị sinh nhiệt;
- yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm;
- nguồn điện;
- vị trí đặt thiết bị;
- khu vực có yêu cầu hút thải;
- không gian dành cho MEP.
Một văn phòng, nhà hàng, xưởng cơ khí và phòng điện đều có thể cần điều hòa nhưng cách xác định tải và thông gió rất khác nhau. Sai từ bước đầu vào thì các phép tính phía sau dù chính xác về toán học cũng không tạo thành một thiết kế đúng.
Bước 2: xác định điều kiện thiết kế trong và ngoài nhà
Cần xác định tối thiểu điều kiện ngoài trời và điều kiện trong nhà.
Điều kiện ngoài trời thường gồm nhiệt độ bầu khô, độ ẩm hoặc nhiệt độ bầu ướt và dữ liệu khí hậu thiết kế phù hợp vị trí công trình.
Điều kiện trong nhà thường gồm nhiệt độ mong muốn, độ ẩm nếu cần kiểm soát, yêu cầu chất lượng không khí và chênh áp giữa các khu vực nếu có.
Không nên mặc định mọi công trình đều phải duy trì cùng một nhiệt độ. Điều kiện thiết kế phải phù hợp với công năng, yêu cầu công nghệ, mức tiện nghi và specification của dự án.
Bước 3: chia zone điều hòa
Không nên coi toàn bộ tầng hoặc toàn bộ nhà xưởng là một zone nếu tải nhiệt và thời gian sử dụng khác nhau.
Có thể phải tách zone khi:
- khác hướng nắng;
- khác công năng;
- khác lịch sử dụng;
- khác mật độ người;
- khác tải thiết bị;
- có phòng cần điều khiển riêng;
- có khu vực cần hoạt động ngoài giờ.
Bước 4: tính tải lạnh
Tải lạnh thường gồm hai nhóm lớn.
Tải từ bên ngoài:
- truyền nhiệt qua tường;
- mái;
- kính;
- bức xạ mặt trời;
- không khí ngoài trời;
- infiltration.
Tải bên trong:
- con người;
- chiếu sáng;
- thiết bị;
- máy móc;
- quá trình sản xuất.
Không nên lấy đơn giản diện tích × một con số W/m² rồi dùng kết quả đó cho mọi công trình. Cách tính nhanh theo diện tích có thể hữu ích trong giai đoạn estimate, nhưng thiết kế kỹ thuật cần phản ánh đúng đặc điểm công trình.
Ngoài tổng tải lạnh còn phải chú ý sensible load và latent load vì hai thành phần này ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ, độ ẩm và lựa chọn thiết bị.
Bước 5: xác định lượng gió tươi và thông gió
Điều hòa nhiệt độ không đồng nghĩa với thông gió. Một hệ thống có thể tuần hoàn không khí rất tốt nhưng vẫn thiếu lượng không khí ngoài trời cần thiết.
Tùy công trình cần xác định:
- gió tươi;
- gió hồi;
- gió thải;
- hút toilet;
- hút bếp;
- hút nhiệt;
- các hệ thống hút hoặc cấp chuyên dụng theo phạm vi dự án;
- cân bằng áp suất giữa các khu vực.
Đối với nhà xưởng sử dụng làm mát bay hơi, có thể xem bài Cách tính lưu lượng gió hệ thống Cooling Pad nhà xưởng.
Bước 6: kiểm tra psychrometric
Psychrometric giúp người thiết kế hiểu trạng thái không khí thay đổi như thế nào khi làm lạnh, gia nhiệt, khử ẩm, tạo ẩm, trộn gió tươi và gió hồi hoặc làm mát bay hơi.
Đây là bước quan trọng khi hệ thống có yêu cầu kiểm soát độ ẩm. Một thiết bị có đủ công suất lạnh tổng nhưng sensible heat ratio không phù hợp vẫn có thể khiến nhiệt độ đạt yêu cầu trong khi độ ẩm cao.
Bước 7: lựa chọn loại hệ thống HVAC
Sau khi hiểu tải và yêu cầu vận hành mới chọn kiến trúc hệ thống.
Các phương án có thể gồm:
- split;
- multi-split;
- VRV/VRF;
- packaged unit;
- AHU + DX;
- AHU + chilled water;
- FCU + fresh air;
- hệ thống thông gió cơ khí;
- Cooling Pad;
- hoặc cấu hình kết hợp.
Không có hệ thống nào luôn tốt nhất. Cần so sánh theo quy mô, khả năng điều khiển từng zone, tải đồng thời, không gian kỹ thuật, đầu tư, điện năng, bảo trì và yêu cầu dự phòng.
Đối với hệ VRV, DuyHVAC hiện đã có bài Hướng dẫn lắp đặt điều hòa VRV để tham khảo phần triển khai sau thiết kế.
Bước 8: chọn thiết bị
Khi chọn thiết bị không nên chỉ kiểm tra một thông số capacity. Cần xem đồng thời:
- sensible capacity;
- total capacity;
- airflow;
- external static pressure;
- điều kiện nhiệt độ tính capacity;
- điện áp;
- công suất điện;
- độ ồn;
- kích thước;
- hướng kết nối;
- khả năng bảo trì.
Một AHU đủ kW lạnh nhưng external static pressure không đủ cho mạng ống vẫn không đáp ứng thiết kế. Tương tự, quạt đủ lưu lượng ở 0 Pa chưa chắc đủ lưu lượng khi nối vào hệ thống có trở lực.
Bước 9: xác định lưu lượng cấp cho từng phòng
Sau khi có tải sensible của từng zone, có thể xác định lượng không khí cấp cần thiết dựa trên cân bằng nhiệt:
Qs = ṁ × cp × ΔT
Từ đó suy ra lưu lượng không khí phù hợp. Tuy nhiên phải đồng thời kiểm tra lượng gió tối thiểu, gió tươi, khả năng phân phối, diffuser, tiếng ồn và vận tốc trong vùng sử dụng.
Bước 10: bố trí miệng gió
Miệng gió không nên đặt chỉ để bản vẽ đẹp và đều. Cần xét:
- hướng dòng khí;
- throw;
- spread;
- chiều cao trần;
- vị trí người ngồi;
- nguồn nhiệt;
- tường kính;
- đường hồi;
- vật cản.
Mục tiêu là đưa không khí đã xử lý tới vùng sử dụng mà không gây draft hoặc tạo vùng chết.
Bước 11: thiết kế mạng ống gió
Sau khi đã biết airflow của từng nhánh mới thiết kế duct.
Quy trình cơ bản:
airflow → chọn kích thước → kiểm tra vận tốc → kiểm tra friction → fitting → pressure loss
Không nên vẽ kích thước duct trước rồi cố ép lưu lượng vào sau.
Mạng ống cần xét kích thước, tỷ lệ cạnh, không gian trần, cút, tê, đoạn chuyển, damper, fire/smoke damper nếu có, tiêu âm, insulation và access phục vụ bảo trì.
DuyHVAC hiện có hai bài hỗ trợ trực tiếp phần này: Các loại van gió trong hệ thống thông gió HVAC và ASHRAE Duct Fitting Database – tính tổn thất fitting.
Bước 12: xác định critical path và cột áp quạt
Sau khi mạng duct đã hình thành, phải xác định tuyến có tổng trở lực lớn nhất.
Không mặc định:
tuyến dài nhất = tuyến bất lợi nhất
Một tuyến ngắn nhưng có filter, coil, nhiều fitting và damper hoàn toàn có thể có pressure loss lớn hơn.
Tổng trở lực thường gồm:
ống thẳng + fitting + damper + filter + coil + silencer + terminal + các thiết bị khác
Sau đó mới xác định duty point Q + ΔP để chọn quạt.
Xem chi tiết tại Cách tính tổn thất cột áp hệ thống ống gió và chọn cột áp quạt.
Bước 13: thiết kế đường ống môi chất hoặc nước
Tùy loại hệ thống sẽ có các yêu cầu khác nhau.
Hệ DX/VRV
- đường kính ống gas và liquid;
- chiều dài tương đương;
- chênh cao;
- Refnet hoặc branch joint;
- oil return;
- insulation;
- lượng môi chất bổ sung;
- giới hạn của hãng.
Hệ chilled water
- lưu lượng nước;
- đường kính;
- vận tốc;
- pressure loss;
- control valve;
- balancing;
- pump head;
- expansion;
- insulation.
Nguyên tắc chung vẫn là flow → pipe size → pressure loss → pump/system duty point, không chọn kích thước ống chỉ theo kinh nghiệm.
Bước 14: kiểm tra thoát nước ngưng
Drain condensate thường bị xem nhẹ nhưng lỗi thực tế lại phổ biến. Cần kiểm tra:
- độ dốc;
- cao độ;
- chiều dài;
- trap;
- vent nếu cần;
- khả năng vệ sinh;
- vị trí xả.
Nếu fan tạo áp âm tại drain pan mà trap thiết kế sai, nước có thể không thoát dù ống có độ dốc.
Bước 15: bố trí thiết bị và khoảng bảo trì
Một thiết bị đặt vừa trên bản vẽ chưa chắc có thể bảo trì. Cần chừa khoảng tháo filter, mở panel, tháo motor, kéo coil, cửa access, vị trí van và đường vận chuyển thiết bị khi thay thế.
Bước 16: phối hợp với kiến trúc, kết cấu và MEP
HVAC thường phải chia sẻ trần kỹ thuật với điện, sprinkler, cấp thoát nước, cable tray, kết cấu, trần, đèn và các hệ thống khác.
Nếu coordination chỉ bắt đầu sau khi tất cả hệ đã vẽ xong thì xung đột rất nhiều. Cần xác định sớm các tuyến ưu tiên.
Với dự án BIM, các công việc kiểm tra model và xử lý dữ liệu có thể được hỗ trợ bằng các workflow tự động; DuyHVAC đã có bài Dynamo là gì? Ứng dụng Dynamo trong Revit và thiết kế HVAC.
Bước 17: kiểm tra lại hệ thống trước khi phát hành bản vẽ
Trước khi issue drawing nên thực hiện ít nhất một vòng kiểm tra độc lập.
Kiểm tra thiết bị
- capacity;
- airflow;
- ESP;
- điện;
- kích thước;
- kết nối.
Kiểm tra duct
- airflow từng nhánh;
- kích thước;
- vận tốc;
- fitting;
- damper;
- critical path.
Kiểm tra piping
- flow;
- size;
- pressure loss;
- slope nếu cần;
- insulation.
Kiểm tra coordination
- cao độ;
- clash;
- access;
- trần;
- kiến trúc.
Bước 18: thiết kế phải nghĩ đến commissioning ngay từ đầu
Không nên đợi đến khi thi công xong mới nghĩ cách đo kiểm.
Ngay lúc thiết kế cần cân nhắc vị trí:
- test point;
- balancing damper;
- pressure gauge;
- thermometer;
- access door;
- sensor;
- commissioning port.
Nếu không có vị trí đo, rất khó xác định hệ thống thực tế có đạt Q thiết kế và ΔP thiết kế hay không.
Một workflow HVAC hoàn chỉnh
- Nhận đầu vào.
- Khảo sát và chia zone.
- Xác định điều kiện trong và ngoài nhà.
- Tính tải lạnh.
- Tính ventilation và exhaust.
- Phân tích psychrometric.
- Chọn loại hệ thống.
- Chọn thiết bị.
- Tính airflow từng zone.
- Bố trí diffuser và grille.
- Thiết kế duct.
- Tính pressure loss và chọn fan.
- Thiết kế piping.
- Thiết kế drain.
- Coordination MEP.
- Kiểm tra maintenance.
- Hoàn thiện hồ sơ.
- Commissioning.
Những lỗi thường gặp khi thiết kế HVAC
- Chọn thiết bị trước khi tính tải.
- Tính lạnh theo diện tích cho mọi loại công trình.
- Quên latent load.
- Nhầm điều hòa với thông gió.
- Không chia zone.
- Không kiểm tra airflow từng phòng.
- Vẽ duct trước khi biết lưu lượng.
- Chọn quạt theo maximum airflow.
- Chọn ống theo kinh nghiệm.
- Không tính critical path.
- Không kiểm tra drain.
- Không chừa maintenance space.
- Không coordination với hệ khác.
- Không kiểm tra điều kiện catalogue.
- Bố trí thiết bị chỉ dựa trên khoảng trống còn lại.
- Không chuẩn bị điểm đo và balancing.
- Không kiểm tra lại thiết kế sau khi model thiết bị thay đổi.
Thiết kế và shop drawing là hai việc khác nhau
Design drawing trả lời:
- cần hệ thống gì;
- lưu lượng bao nhiêu;
- công suất bao nhiêu;
- nguyên lý vận hành ra sao.
Shop drawing trả lời:
- lắp ở cao độ nào;
- đi qua vị trí nào;
- kích thước cụ thể;
- support thế nào;
- phối hợp với hệ khác ra sao.
Một shop drawing đẹp không thể sửa được một thiết kế nền sai. Ngược lại, một calculation tốt nhưng không thể triển khai trên thực tế cũng chưa phải một dự án HVAC hoàn chỉnh.
Kết luận
Thiết kế HVAC không phải một chuỗi thao tác:
chọn điều hòa → vẽ duct → chọn quạt
mà là một quy trình liên kết:
yêu cầu công trình → tải nhiệt và ventilation → system selection → equipment → airflow → duct/piping → pressure loss → coordination → commissioning
Mỗi bước sử dụng kết quả của bước trước. Đó cũng là lý do DuyHVAC đang xây lại nội dung theo từng cluster kỹ thuật: từ van gió, fitting và cột áp quạt đến VRV, Cooling Pad và BIM, thay vì chỉ đăng các bài khái niệm rời rạc.
