Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
VSD VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ TRONG HỆ THỐNG HVAC (p1)
Hiện nay, biến tần có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt trong hệ thống HVAC. Vấn đề là áp dụng vào thiết bị nào và ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ như thế nào. Chúng ta sẽ xem xét sử dụng VSD cho các thiết bị chính trong hệ thống HVAC gồm Tháp giải nhiệt, bơm nước lạnh, quạt trong AHU-VAV box và trong chiller ly tâm. 1. Phương trình Darcy-Weisbach
Với đường ống hệ thống cố định, các thông số f,D,L,ρ,gC đều có thể xác định được và là hằng số hay resistance ~ velocity² work = mass × resistance Trở lực của hệ thống tỷ lệ với bình phương của vận tốc và công của thiết bị vận chuyển một khối lưu chất được hiểu: khối lưu chất có trọng lượng bao nhiêu và độ khó của đường đi khi đẩy lưu chất đó. 2. Định luật đồng dạng (Bơm/Quạt) cfm ~ rpm ∆p ~ rpm² ~ a cfm² hp ~ rpm³ Công suất điện của bơm quạt tỷ lệ bậc 3 với vận tốc. www.HVACR.vn
Page 1
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Vậy có định luật cho máy nén trong chiller không ? trong chu trình lạnh trở lực của hệ thống là chênh áp của bình ngưng và bay hơi, trở lực này không phải hàm của vận tốc. Chúng ta gọi trở lực trong chiller là Lift hay chênh lệch nhiệt độ ra của bình ngưng và bình bay hơi. Vậy chiller (ly tâm) không tuân theo định luật đồng dạng 3. Áp dụng VSD cho các thiết bị trong hệ thống HVAC 3.1 Tháp giải nhiệt
Tháp giải nhiệt (CT) có quạt thổi tự do (free discharge), nếu bỏ qua sự thay đổi của mật độ không khí, quạt của CT tuân theo định luật đồng dạng.
Khi nhiệt độ bầu ướt giảm, VSD sẽ giảm tốc độ quạt tương ứng với lưu lượng gió cần thiết để đảm bảo nhiệt độ nước ra tháp. Khi đó năng lượng tiêu thụ giảm bậc ba lần độ giảm lưu lượng. Vậy câu hỏi đặt ra là hiệu suất của quạt có giảm khi chạy ở tốc độ thấp?
www.HVACR.vn
Page 2
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Như hình trên, tại điểm thiết kế quạt có hiệu suất η1 vơi tốc độ n1. Do quạt là dạng thổi tự do ( không có sự thay đổi đường đặt tính của hệ thống) nên hiệu suất gần như không đổi tại các tốc độ khác nhau. fan performance curves
Cooling Tower fan and motor power, %
100 80
1-speed motor
60
2speed motor
40
20
© 2006 American Standard Inc.
0 0
20
40
60
80
100
airflow, %
So sánh với 2 phương pháp điều khiển quạt là ON/OFF và 2 tốc độ. Sử dụng VSD là tiết kiệm nhất. cooling tower application
Fan Energy Comparison
© 2006 American Standard Inc.
Control strategy
Energy use factor
1-speed fan cycling (base)
100% kWh
2-speed fan cycling
39% kWh
variable-speed control
19% kWh
source: Marley Technical Report H-001A
Theo nghiên cứu của Marley ( Nhà cung cấp CT của Mỹ), sử dụng VSD có khả năng tiết kiệm 80% năng lượng so với quạt một tốc độ.
www.HVACR.vn
Page 3
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Xét một ví dụ sau
Hệ thống có 4 chiller 1000RT và 4 CT, 30kW/CT. Khi hệ thống chạy 2 chiller, thông thường các kỹ sư sẽ thiết kế van cách ly để tắt 2 tháp và chạy hai tháp còn lại 100% công suất, tổng kW là 60.
Thay vì tắt 2 tháp, chúng ta cho chạy cả 4 tháp với 50% tốc độ. Vẫn đảm bảo lưu lượng gió 100,000 CMH và công suất điện của tháp bây giờ là 15.2kW.(tiết kiệm 75%). Ngoài ra, bộ trao đổi nhiệt luôn tiếp xúc với nước, quạt chạy tốc độ thấp giúp kéo dài tuổi thọ của tháp.
www.HVACR.vn
Page 4
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Với phương pháp điều khiển này thì chúng ta có cần van cách ly cho mỗi tháp ? Thông thường, thời gian payback khi áp dụng VSD cho CT khoảng 1 năm. Nên trong hệ thống HVAC, khi áp dụng VSD thì thiết bị đầu tiên được nghĩ đến là tháp giải nhiệt. 3.2
VSD trong hệ thống gió (AHU-VAV)
Quạt AHU không tuân theo định luật đồng dạng do đường đặt tính của hệ thống không duy trì do sự đóng mở của VAV box. Nghĩa là năng lượng tiêu thụ không giảm theo bậc 3 lưu lượng.
System Resistance static pressure
valves closed
valves open
system resistance curve
© 2006 American Standard Inc.
airflow
Vậy cách nào để duy trì đường đặc tính của hệ thống (xấp xỉ) để quạt tuân theo định luật đồng dạng. Chúng ta xem xét các phương pháp điều khiển sau.
www.HVACR.vn
Page 5
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Fan Control Loop static pressure sensor
supply fan
S
© 2006 American Standard Inc.
controller
Trong hệ thống AHU-VAV, nhiệm vụ của quạt là cung cấp áp tĩnh tại mỗi VAV box. Tín hiệu áp tĩnh được truyền về và so sánh với điểm set-point, tăng hoặc giảm tốc độ về điểm này. Vậy vị trí điểm nào sẽ đặt SP-sensor ?
VAV System Modulation actual
design
VAV modulation curve
© 2006 American Standard Inc.
Sensor
static pressure
system resistance
airflow
Trước hết phải hiểu rõ quá trình điều chỉnh công suất của quạt. Giả thuyết tải lạnh giảm, các vav sẽ đóng bớt làm đường đặt tính hệ thống đi lên. Khi www.HVACR.vn
Page 6
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
đó áp tĩnh trong HT tăng lên, quạt giảm tốc độ về điểm set-point. Quá trình này tạo nên đường giảm tải “VAV system modulation curve”. Các điểm hoạt động của quạt phải nằm trên đường này vì quạt điều khiển theo áp suất tĩnh, không điều khiển theo lưu lượng. Nếu điểm set-point đặt gần quạt, khả năng tiết kiệm năng lượng ít. Nếu đặt quá xa quạt, các VAV gần quạt sẽ bị thiếu gió. Vị trí này được điều chỉnh theo từng hệ thống thực tế với một số vị trí sensor. theo kinh nghiệm, sensor đặt tại 2/3 chiều dài đường ống. Một cách điều khiển khác gọi là “ static pressure reset”
optimized static pressure control
Sensor at Fan Outlet VAV damper positions supply fan speed or inlet vane position
static pressure
S
static pressure setpoint
© 2006 American Standard Inc.
communicating BAS
Sensor được đặt gần quạt, bộ ĐK sẽ dò từng vị trí van trong vav box, xác định vav nào cần áp tĩnh cao nhất tương ứng với % mở van lớn nhất. Quạt sẽ được reset lại SP giá trị vừa đủ để cung cấp gió cho vav này, khi đó các vav được duy trì ở vị trí mở gần 80-95%. Hay nói cách khác, quạt tạo ra áp tĩnh sao cho duy trì tất cả các vav mở ở vị trí 80-95%, nếu bất kỳ vav nào cao hơn hoặc thấp hơn khoảng này, SP sẽ được reset lên hoặc xuống. khi đó đường đặc tính của hệ thống xấp xỉ không đổi. Năng lượng được tiết kiệm cao nhất.
www.HVACR.vn
Page 7
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
3.3
VSD cho hệ thống bơm nước lạnh Tương tự hệ thống AHU-VAV, thay vì dùng áp tĩnh, hệ thống bơm dùng sensor chênh áp. Tiêu chuẩn 90.1-2010 yêu cầu một số điểm sau: Hệ thống bơm >5HP phải gắn biến tần cho bơm. Điều khiển Reset - Điểm set-point không được lơn hơn 110% so với điểm SP tại lưu lượng thiết kế. - Reset SP đến khi chỉ còn 1 van mở gần 100%. Chọn bơm và đường ống - Đường ống tính theo bảng sau ( giới hạn lại cột áp) - Áp dụng cho bơm nước lạnh và giải nhiệt - Cột áp bơm phải tính trước khi chọn bơm
www.HVACR.vn
Page 8
Cộng đồng HVAC&R Việt Nam
Cũng như tháp giải nhiệt, bơm nước lạnh là thiết bị được nghĩ đến sử dụng VSD đầu tiên dựa trên đặc tính công trình, loại chiller, nhà cung cấp chiller…và khả năng của bộ điều khiển trung tâm. Phần sau, chúng ta sẽ thảo luận về “sử dụng VSD cho bơm nước giải nhiệt và cho chiller ly tam”. Tham khảo Trane-engineer newletters: Tower Water Temperature- Control It How Trane-engineer newletters: Variable Primary Flow System Trane-engineer newletters: VAV-Critical Zone Reset Ashrea standard 90.1 Energy Standard for Buildings Except LowRise Residential Buildings Luan nguyen, Trane Vietnam application engineer Nguyen.luan@trane.com www.trane.com
www.HVACR.vn
Page 9