Tính toán và thiết kế ống gió cho hiệu quả

  • 18 Tháng 06, 2019

Ở bài viết này, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu thêm về Ống gió và hệ thống ống gió trong một mạng lưới HVAC.

Xem thêm cái bài viết về HVAC

Mục lục

 Ống gió là gì?

 Phương pháp thiết kế hệ thống ống gió

 Thiết kế mẫu

 Các yếu tố tác động đến thiết kế hệ thống thông gió

1. Ống gió là gì?

Hệ thống ống gió được thiết kế để phân phối luồng không khí từ hệ thống HVAC đến toàn bộ ngôi nhà hoặc cả tòa nhà. Điều này bao gồm cả không khí được hút từ toàn bộ tòa nhà vào máy điều hòa không khí hoặc máy sưởi, nơi chúng có thể được làm mát hoặc sưởi ấm, rồi sau đó được đẩy trở lại qua các ống gió vào không gian sinh sống và làm việc.

Lượng khí vào và ra được xác định bởi hiệu quả của hệ thống ống gió. Nếu bạn không có các lỗ thông hơi được thiết kế chuẩn, trạng thái cân bằng của hệ thống làm mát, hệ thống sưởi và áp suất không khí sẽ bị tắt. Điều này làm cho việc kiểm soát môi trường trở nên khó khăn.
Bạn nên biết rằng các đường ống được sử dụng để chuyển khí gas, nước hoặc chất làm lạnh không phải là ống gió. Chỉ có không khí mới được di chuyển bằng ống gió. Hơn nữa, có rất nhiều công trình và hình dạng ống gió bạn có thể chọn. Nó có thể có hình bầu dục, tròn hoặc hình chữ nhật. Nó có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu như nhựa dẻo, sợi thủy tinh hoặc các kim loại khác nhau.

Hầu hết các ngôi nhà có hệ thống sưởi và làm mát truyền thống sẽ có một số loại hệ thống ống gió. Chúng có thể bao gồm hệ thống sưởi khí cưỡng bức, điều hòa trung tâm hoặc 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 là:

- Phương pháp giảm tốc: thường gặp ở Khu dân cư hoặc tòa nhà cỡ nhỏ
- Phương pháp ma sát đồng đều: tòa nhà cỡ trung bình đến lớn
- Phương pháp phục hồi áp suất tĩnh: công trình rất lớn như phòng hòa nhạc, sân bay và công nghiệp
Chúng tôi sẽ tập trung vào phương pháp ma sát đồng đều trong bài viết này vì nó là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng cho các hệ thống HVAC thương mại và khá đơn giản để làm theo.

3. Thiết kế mẫu

Bây giờ, chúng ta sẽ quan sát vào một thiết kế mẫu của hệ thống ống gió. Chúng ta sẽ sử dụng một phòng kỹ thuật nhỏ làm ví dụ và tạo một bản vẽ bố trí của tòa nhà mà chúng ta sẽ sử dụng để thiết kế và tính toán. Đây là một tòa nhà thực sự đơn giản, nó chỉ có 4 văn phòng, một hành lang và một phòng kỹ thuật, nơi đặt quạt, bộ lọc và máy sưởi hoặc máy làm mát không khí.

Điều đầu tiên chúng ta cần làm là tính toán tải nhiệt và tải lạnh cho mỗi phòng. 

Sau đó, chỉ cần kiểm tra chúng cùng nhau để tìm ra mức tải lớn nhất vì chúng ta cần phải thiết kế để hệ thống có thể hoạt động tốt ở mức nhu cầu cao nhất. Vì thế trong trường hợp này phải lấy tải lạnh ở mức cao nhất.

Bây giờ chúng ta cần chuyển đổi mức tải lạnh thành lưu lượng dòng nhưng để làm được điều đó, trước tiên chúng ta cần chuyển đổi nó thành tốc độ dòng khối lượng để chúng ta có thể sử dụng công thức:

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.

Chúng ta hiểu tất cả các giá trị này dùng để tính toán tốc độ dòng khối lượng. Nếu chúng ta nhìn vào tính toán cho phòng 1, chúng ta thấy nó cần 0,26 kg/s (=2.1/(1.026*8)). Vì vậy, chúng ta chỉ cần lặp lại phép tính đó cho phần còn lại của căn phòng để tìm tất cả các tốc độ dòng khối lượng.

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 khí1,2 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

a. 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.

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.

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.

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.