Máy làm mát nhà xưởng: Nguyên lý và cách lựa chọn

Máy làm mát nhà xưởng là thiết bị sử dụng luồng không khí để giảm nhiệt và cải thiện điều kiện làm việc trong các không gian sản xuất có diện tích lớn. Một trong những công nghệ thường được sử dụng là làm mát bay hơi nước (evaporative cooling): không khí ngoài trời được đưa qua môi trường ẩm, một phần nước bay hơi và hấp thụ nhiệt, sau đó không khí có nhiệt độ thấp hơn được cấp vào nhà xưởng.

Khác với điều hòa sử dụng chu trình lạnh nén hơi, máy làm mát bay hơi thường đưa một lượng lớn không khí ngoài trời vào xưởng. Vì vậy, hiệu quả thực tế không chỉ phụ thuộc vào công suất máy mà còn liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm ngoài trời, lưu lượng gió, cách phân phối khí và khả năng thoát khí khỏi nhà xưởng.

Máy làm mát nhà xưởng hoạt động thế nào?

Với máy làm mát bay hơi trực tiếp, quạt hút không khí nóng bên ngoài qua tấm làm mát được làm ướt liên tục. Một phần nước trên bề mặt tấm bay hơi và lấy nhiệt từ không khí.

Không khí sau xử lý có:

• nhiệt độ khô thấp hơn;
• độ ẩm cao hơn;
• được quạt đưa trực tiếp hoặc thông qua hệ thống ống gió đến khu vực cần làm mát.

ASHRAE mô tả quá trình direct evaporative cooling là quá trình làm giảm nhiệt độ bầu khô (dry-bulb temperature) đồng thời làm tăng độ ẩm tương đối của không khí. Nhiệt độ bầu ướt của không khí đầu vào là một trong những giới hạn quan trọng đối với khả năng làm mát của hệ thống.

Điều này cũng giải thích tại sao không nên khẳng định máy làm mát nhà xưởng luôn có thể “giảm 5°C”, “giảm 10°C” hoặc một mức nhiệt cố định. Khả năng giảm nhiệt thay đổi theo điều kiện không khí đầu vào.

Nhiệt độ có thể giảm bao nhiêu?

Mức nhiệt mà máy làm mát bay hơi có thể đạt được liên quan trực tiếp đến chênh lệch giữa nhiệt độ bầu khô (Tdb) và nhiệt độ bầu ướt (Twb) của không khí ngoài trời.

Có thể ước tính nhiệt độ khí cấp theo:

Tout = Tdb − η × (Tdb − Twb)

Trong đó:

• Tout: nhiệt độ không khí sau làm mát;
• Tdb: nhiệt độ bầu khô ngoài trời;
• Twb: nhiệt độ bầu ướt ngoài trời;
• η: hiệu suất bão hòa của thiết bị.

Ví dụ giả định:

Tdb = 35°C
Twb = 25°C
η = 80%

Khi đó:

Tout = 35 − 0,8 × (35 − 25) = 27°C

Đây là phép tính minh họa cho nguyên lý, không phải cam kết nhiệt độ đầu ra của mọi máy.

ASHRAE lưu ý rằng nhiệt độ bầu ướt của dòng khí đi vào giới hạn khả năng làm mát của hệ thống bay hơi trực tiếp. Vì vậy, khi không khí ngoài trời nóng nhưng tương đối khô, khoảng chênh giữa nhiệt độ bầu khô và bầu ướt lớn hơn và tiềm năng giảm nhiệt cũng lớn hơn.

Ngược lại, khi độ ẩm ngoài trời cao, nước khó tiếp tục bay hơi và mức giảm nhiệt thường thấp hơn.

Cách tính máy làm mát cho nhà xưởng

Không nên chọn máy chỉ dựa trên diện tích nhà xưởng.

Một xưởng 1.000 m² cao 4 m và một xưởng 1.000 m² cao 10 m có thể tích không khí rất khác nhau. Ngoài ra, tải nhiệt từ mái, máy móc, lò nung, con người và quy trình sản xuất cũng khác nhau.

Một phương pháp sơ bộ thường dùng là xác định thể tích:

V = S × H

Trong đó:

• V: thể tích nhà xưởng, m³;
• S: diện tích sàn, m²;
• H: chiều cao tính toán, m.

Sau đó xác định lưu lượng:

Q = V × N

Trong đó:

• Q: lưu lượng không khí, m³/h;
• V: thể tích cần thông gió/làm mát, m³;
• N: số lần trao đổi không khí trong một giờ, h⁻¹.

Ví dụ tính lưu lượng

Giả sử nhà xưởng:

• diện tích: 1.000 m²;
• chiều cao tính toán: 6 m.

Thể tích:

V = 1.000 × 6 = 6.000 m³

Nếu nhiệm vụ thiết kế sau khi đánh giá tải nhiệt và điều kiện vận hành xác định cần N = 20 h⁻¹ thì:

Q = 6.000 × 20 = 120.000 m³/h

Nếu một máy tại điểm làm việc thiết kế thực tế cung cấp 20.000 m³/h:

Số máy sơ bộ = 120.000 / 20.000 = 6 máy

Con số này chỉ dùng để minh họa cách tính. Không nên mặc định 20 lần/h cho mọi nhà xưởng.

Số lần trao đổi không khí cần thiết phải được xác định theo đặc điểm công trình, tải nhiệt, chất ô nhiễm, quy trình sản xuất và mục tiêu thiết kế.

Không nên chọn máy chỉ theo m²

Cách quảng cáo như “một máy dùng cho 100–150 m²” có thể hữu ích để tham khảo nhanh nhưng chưa đủ để thiết kế một hệ thống nhà xưởng.

Hai khu vực có cùng diện tích nhưng khác chiều cao sẽ có thể tích khác nhau. Hai nhà xưởng có cùng thể tích nhưng một xưởng may và một xưởng có nhiều thiết bị tỏa nhiệt cũng không có cùng điều kiện làm mát.

Khi lựa chọn máy nên xem xét đồng thời:

Thể tích xưởng

Diện tích kết hợp với chiều cao quyết định lượng không khí cần xử lý.

Nguồn nhiệt

Máy móc, động cơ, lò, mái tôn hấp thụ bức xạ mặt trời, hệ thống chiếu sáng và con người đều góp phần tạo tải nhiệt.

Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời

Đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tiềm năng của làm mát bay hơi.

Mật độ lao động

Khu vực tập trung nhiều người có thể cần tổ chức luồng khí khác khu vực kho hoặc khu vực ít người.

Yêu cầu của quy trình sản xuất

Một số dây chuyền có yêu cầu giới hạn nhiệt độ, độ ẩm hoặc độ sạch. Khi đó, làm mát bay hơi trực tiếp có thể không phải giải pháp phù hợp nếu không kết hợp thêm các công nghệ xử lý không khí khác.

Lưu lượng gió quan trọng hơn số lượng máy

Số máy chỉ là kết quả sau khi xác định lưu lượng cần thiết.

Ví dụ, cùng sử dụng 6 máy nhưng:

6 × 10.000 = 60.000 m³/h

khác hoàn toàn với:

6 × 20.000 = 120.000 m³/h

Ngay cả lưu lượng danh định cũng chưa phản ánh đầy đủ lưu lượng thực tế khi máy được nối với đường ống.

Khi có:

• đường ống dài;
• nhiều cút;
• đoạn thu hoặc mở rộng;
• miệng gió;
• bộ lọc;
• van điều chỉnh;

hệ thống xuất hiện tổn thất áp suất. Điểm hoạt động thực tế của quạt phụ thuộc vào đặc tính quạt và trở lực toàn hệ thống.

Do đó, khi sử dụng hệ thống ống gió cần kiểm tra cả lưu lượng và áp suất tĩnh khả dụng, thay vì chỉ so sánh lưu lượng cực đại trên catalogue.

Bố trí máy làm mát nhà xưởng

Một hệ thống đủ tổng lưu lượng nhưng phân phối khí không hợp lý vẫn có thể xuất hiện khu vực nóng.

Có hai phương án thường gặp.

Cấp gió trực tiếp

Máy được bố trí tại tường hoặc vị trí tiếp xúc với không khí bên ngoài và thổi khí mát trực tiếp vào xưởng.

Phương án này giảm chiều dài đường ống nhưng khả năng phân phối khí phụ thuộc nhiều vào vị trí máy và hình dạng không gian.

Cấp gió qua ống

Không khí được dẫn đến từng khu vực thông qua hệ thống ống và miệng cấp.

Cách này phù hợp khi cần đưa khí đến các vị trí cụ thể hoặc làm mát cục bộ cho khu vực công nhân.

ASHRAE cho biết với làm mát khu vực trong công trình công nghiệp, hệ thống phân phối nên hướng không khí mát đến vùng thấp nơi người lao động làm việc. Tài liệu đề cập vùng thấp khoảng 3 m tính từ sàn trong bối cảnh thiết kế area cooling.

Điều này không có nghĩa mọi nhà xưởng phải đặt miệng gió ở cùng một cao độ; vị trí thực tế còn phụ thuộc kết cấu, dây chuyền và mục tiêu làm mát.

Phải có đường thoát khí

Máy làm mát bay hơi trực tiếp liên tục đưa không khí ngoài trời vào nhà xưởng. Vì vậy, lượng không khí tương ứng phải có đường thoát ra.

Có thể tổ chức qua:

• cửa và ô thoáng;
• cửa chớp;
• quạt hút tường;
• quạt hút mái;
• hệ thống hút cơ khí riêng.

Nếu cấp một lượng lớn không khí vào không gian nhưng khả năng thoát khí không phù hợp, phân bố áp suất và luồng khí trong xưởng có thể thay đổi, ảnh hưởng đến lượng khí thực tế đi qua các khu vực cần làm mát.

Vì vậy, máy cấp gió và hệ thống thoát/hút khí cần được xem như một hệ thống, không nên thiết kế độc lập.

Khi nào máy làm mát phù hợp?

Làm mát bay hơi thường đáng xem xét đối với nhà xưởng có:

• không gian lớn;
• nhu cầu trao đổi không khí cao;
• nhiều cửa mở;
• yêu cầu cấp không khí ngoài trời liên tục;
• mục tiêu giảm nhiệt hoặc làm mát khu vực làm việc thay vì duy trì nhiệt độ và độ ẩm rất chính xác.

ASHRAE đề cập cả làm mát bay hơi trực tiếp và gián tiếp cho area cooling và spot cooling trong công trình công nghiệp. Đối với nhà máy có tải nhiệt bên trong lớn, chỉ thông gió bằng không khí ngoài trời có thể cần lượng không khí rất lớn để tiến gần điều kiện ngoài trời; làm mát bay hơi là một trong những phương án có thể giảm nhiệt độ hiệu dụng so với chỉ thông gió.

Khi nào cần cân nhắc giải pháp khác?

Máy làm mát bay hơi trực tiếp làm tăng độ ẩm của không khí cấp. Vì vậy cần đánh giá kỹ khi nhà xưởng:

• yêu cầu kiểm soát độ ẩm chặt;
• sản xuất sản phẩm nhạy với độ ẩm;
• chứa nguyên liệu dễ hút ẩm;
• cần duy trì nhiệt độ chính xác;
• có yêu cầu đặc biệt về độ sạch không khí;
• có quy trình công nghệ phát sinh chất ô nhiễm cần hệ thống hút xử lý riêng.

Trong những trường hợp này có thể phải sử dụng điều hòa công nghiệp, làm mát bay hơi gián tiếp, hệ thống kết hợp hoặc một giải pháp HVAC được thiết kế riêng.

ASHRAE cũng chỉ ra rằng khi nhiệt độ hoặc độ ẩm cần được duy trì trong giới hạn hẹp, làm mát bay hơi có thể phải kết hợp với hệ thống lạnh cơ học theo từng cấp xử lý.

Máy làm mát và cooling pad khác gì?

Cả hai có thể cùng sử dụng nguyên lý bay hơi nước nhưng cách tổ chức hệ thống khác nhau.

Máy làm mát nhà xưởng thường tích hợp quạt, tấm trao đổi ẩm, bơm nước và hệ thống phân phối nước trong một thiết bị. Không khí sau xử lý được cấp trực tiếp hoặc qua đường ống.

Hệ thống cooling pad – quạt hút thường bố trí một diện tích tấm làm mát tại một phía nhà xưởng và hệ thống quạt hút ở phía còn lại. Quạt tạo dòng khí đi từ bên ngoài qua tấm ướt, xuyên qua không gian rồi thoát ra ngoài.

Lựa chọn giữa hai phương án cần dựa vào mặt bằng, chiều dài đường đi của không khí, vị trí người lao động, nguồn nhiệt và khả năng cải tạo kết cấu nhà xưởng.

Các thông số cần kiểm tra khi chọn máy

Không nên chỉ nhìn vào công suất điện hoặc diện tích quảng cáo. Những thông số cần kiểm tra gồm:

Lưu lượng gió (m³/h): lượng không khí máy có thể cấp trong một giờ.

Áp suất tĩnh (Pa): đặc biệt quan trọng khi nối máy với đường ống.

Công suất điện (kW): cơ sở để ước tính điện năng vận hành.

Hiệu suất làm mát bay hơi: cần xem điều kiện thử nghiệm đi kèm thay vì chỉ nhìn một tỷ lệ phần trăm.

Kích thước và đặc tính tấm làm mát: ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt – ẩm và trở lực không khí.

Lưu lượng nước và hệ thống phân phối: cần đảm bảo bề mặt trao đổi được làm ướt phù hợp.

Độ ồn: cần xem xét khi máy hoặc miệng cấp đặt gần vị trí lao động.

Đối với hệ thống có ống gió, cần bổ sung tính toán tổn thất áp suất, kích thước ống, vận tốc gió và phân bố lưu lượng tại từng nhánh.

Tiêu chuẩn cần lưu ý

Tại Việt Nam, TCVN 5687:2024 – Thông gió và điều hòa không khí – Yêu cầu thiết kế đã thay thế TCVN 5687:2010. Cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn quốc gia ghi nhận phiên bản 2024 đang còn hiệu lực.

Phạm vi của TCVN 5687:2024 chủ yếu quy định yêu cầu thiết kế, lắp đặt hệ thống thông gió và điều hòa không khí cho không gian công trình dân dụng. Tiêu chuẩn cho phép áp dụng đối với không gian nhà công nghiệp nhằm đảm bảo tiện nghi nhiệt và yêu cầu vệ sinh nếu nhiệm vụ thiết kế không có quy định khác, nhưng đồng thời loại trừ một số không gian sản xuất có yêu cầu của quy trình công nghệ.

Do đó, không nên viện dẫn TCVN 5687:2024 như một tiêu chuẩn duy nhất áp dụng cho mọi nhà máy. Thiết kế thực tế còn phải xác định loại hình sản xuất và các quy chuẩn, tiêu chuẩn chuyên ngành liên quan.

Cách chọn máy làm mát nhà xưởng

Để chọn thiết bị phù hợp, nên bắt đầu từ điều kiện của nhà xưởng, không bắt đầu từ catalogue máy.

Trình tự có thể thực hiện theo:

Khảo sát nhà xưởng → xác định nguồn nhiệt → xác định điều kiện nhiệt ẩm → xác định khu vực cần làm mát → tính lưu lượng → thiết kế đường đi của không khí → tính trở lực → chọn máy/quạt → bố trí cấp và thoát khí.

Với nhà xưởng lớn, câu hỏi quan trọng vì vậy không chỉ là “cần bao nhiêu máy làm mát?”, mà là “cần bao nhiêu lưu lượng không khí, cấp đến đâu và thoát ra ở đâu?”.

Khi ba yếu tố lưu lượng – phân phối khí – đường thoát khí được xác định đúng theo điều kiện thực tế, việc lựa chọn số lượng và thông số máy mới có cơ sở kỹ thuật.

Nguồn tham khảo:

1. ASHRAE Handbook – Chapter 53: Evaporative Cooling
2. TCVN 5687:2024 – Thông gió và điều hòa không khí – Yêu cầu thiết kế
3. Máy làm mát nhà xưởng: Phân loại và bảng giá