Chương 2: Ảnh Hưởng của Môi Trường Không Khí và Chọn Thông số Tính toán

1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

  • Nhận định và phân tích được ảnh hưởng của các yếu tố môi trường không khí (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, độ sạch) đến sức khỏe con người và chất lượng sản xuất.

  • Phân tích và chọn cấp điều hòa không khí phù hợp cho các loại công trình khác nhau.

  • Chọn lựa các thông số thiết kế bên trong (điều kiện tiện nghi) và bên ngoài (điều kiện khí hậu) không gian điều hòa.

2. Nội Dung Chương

2.1. Ảnh hưởng của Môi trường Không khí đến Con người

Con người trao đổi nhiệt với môi trường thông qua bốn cơ chế chính: trao đổi nhiệt bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt và bay hơi ẩm. Sự tiện nghi nhiệt (Thermal Comfort) đạt được khi cơ thể duy trì trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường.

2.1.1. Ảnh hưởng của Nhiệt độ ($t$)

  • Vùng tiện nghi: Nhiệt độ tối ưu để cơ thể cảm thấy thoải mái, không cần điều chỉnh sinh nhiệt hay thải nhiệt quá mức. Vùng này thay đổi theo hoạt động, trang phục, và khí hậu.

  • Quá nóng/Quá lạnh: Gây căng thẳng, mệt mỏi, giảm khả năng làm việc. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sốc nhiệt.

2.1.2. Ảnh hưởng của Độ ẩm Tương đối ($\varphi$)

  • Độ ẩm thấp ($\varphi < 30\%$): Gây khô da, khô niêm mạc hô hấp, tăng nguy cơ mắc bệnh đường hô hấp.

  • Độ ẩm cao ($\varphi > 70\%$): Giảm khả năng bay hơi mồ hôi, làm cơ thể khó giải nhiệt (cảm thấy nóng bức, khó chịu), tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển.

  • Vùng tiện nghi tối ưu: Thường nằm trong khoảng $\varphi = 40\%$ đến $60\%$.

2.1.3. Ảnh hưởng của Tốc độ Không khí ($v$)

  • Tốc độ gió ảnh hưởng trực tiếp đến trao đổi nhiệt đối lưu và bay hơi.

  • Tốc độ gió hợp lý ($< 0.3 \text{ m/s}$ trong phòng): Giúp trao đổi nhiệt và tạo cảm giác thoáng khí.

  • Tốc độ gió quá cao: Gây cảm giác gió lùa (draft), khó chịu, làm tăng tốc độ giải nhiệt quá mức.

2.1.4. Ảnh hưởng của Bụi

  • Bụi là hạt rắn lơ lửng, gây kích ứng mắt, họng, phổi.

  • Bụi còn mang theo vi khuẩn, virus, nấm mốc, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và gây dị ứng.

2.1.5. Ảnh hưởng của các Chất độc hại

  • Các khí độc ($\text{CO}$, $\text{SO}_2$, $\text{NO}_x$, Formaldehyde...) gây ngộ độc, tổn thương thần kinh và cơ quan hô hấp, đòi hỏi phải có hệ thống thông gió và lọc khí chuyên biệt.

2.1.6. Ảnh hưởng của Khí $\text{CO}_2$ và Tính toán Lượng Gió tươi cung cấp

  • $\text{CO}_2$ là sản phẩm của quá trình hô hấp. Nồng độ $\text{CO}_2$ cao gây buồn ngủ, nhức đầu, giảm tập trung.

  • Giới hạn cho phép: Thường là $\le 1000 \text{ ppm}$ (phần triệu).

  • Tính toán Lượng Gió tươi (Fresh Air): Phải cung cấp đủ lượng gió tươi để pha loãng $\text{CO}_2$ và các chất gây ô nhiễm sinh ra từ người và hoạt động trong phòng. Lượng gió tươi được tính dựa trên số người trong phòng hoặc dựa trên diện tích sàn.

2.1.7. Ảnh hưởng của Độ ồn

  • Độ ồn cao ($> 55 \text{ dB}$) từ thiết bị (máy nén, quạt) gây căng thẳng thần kinh, giảm hiệu quả làm việc, ảnh hưởng thính giác.

2.2. Ảnh hưởng của Môi trường đến Sản xuất

Điều hòa không khí trong công nghiệp không chỉ vì con người mà còn là yêu cầu bắt buộc để duy trì chất lượng sản phẩm và hoạt động của máy móc.

2.2.1. Ảnh hưởng của Nhiệt độ

  • Công nghiệp điện tử, phòng sạch: Nhiệt độ quá cao gây hỏng hóc linh kiện, làm thay đổi kích thước vật liệu (co dãn nhiệt).

  • Công nghiệp thực phẩm: Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phân hủy, giảm thời gian bảo quản.

2.2.2. Ảnh hưởng của Độ ẩm Tương đối

  • Công nghiệp dệt, in ấn: Độ ẩm thấp làm tăng điện tích tĩnh, gây khó khăn cho vận hành. Độ ẩm cao làm cong vênh giấy, làm đứt sợi dệt.

  • Công nghiệp dược phẩm: Độ ẩm cao làm thuốc bị biến chất, giảm tuổi thọ.

2.2.3. Ảnh hưởng của Vận tốc Không khí

  • Vận tốc gió cao có thể làm bay bụi, gây nhiễm bẩn sản phẩm (ví dụ: phòng sạch) hoặc làm ảnh hưởng đến quá trình xử lý vật liệu nhẹ.

2.2.4. Ảnh hưởng của Độ trong sạch của Không khí

  • Phòng sạch (Cleanroom): Bắt buộc phải kiểm soát nghiêm ngặt kích thước và số lượng hạt bụi theo tiêu chuẩn ISO (hoặc FED-STD-209E) để sản xuất chip điện tử, dược phẩm vô trùng.

2.3. Khái niệm và Phân loại Điều hòa Không khí

2.3.1. Khái niệm về Điều hòa Không khí

Điều hòa không khí (Air Conditioning - AC) là quá trình xử lý không khí để kiểm soát đồng thời các thông số sau:

  1. Nhiệt độ ($t$).

  2. Độ ẩm tương đối ($\varphi$).

  3. Độ sạch (lọc bụi, khí độc).

  4. Tốc độ lưu thông không khí ($v$).

Mục đích là tạo ra và duy trì điều kiện tiện nghi cho con người hoặc yêu cầu kỹ thuật cho sản xuất.

2.3.2. Phân loại các Hệ thống Điều hòa Không khí

Hệ thống điều hòa không khí được phân loại theo nhiều tiêu chí:

  • Theo Môi trường sử dụng:

    • Điều hòa Tiện nghi: Phục vụ con người (văn phòng, nhà ở, rạp chiếu phim).

    • Điều hòa Công nghiệp (hoặc Chính xác): Phục vụ sản xuất (phòng sạch, phòng máy chủ, phòng thí nghiệm).

  • Theo Công suất/Quy mô:

    • Hệ thống cục bộ: Công suất nhỏ (điều hòa cửa sổ, treo tường).

    • Hệ thống bán trung tâm: VRF/VRV, Multi Split.

    • Hệ thống trung tâm: Chiller (dùng nước lạnh), AHU, FCU.

2.3.3. Chọn Thông số Tính toán Bên ngoài trời

Các thông số khí hậu ngoài trời là yếu tố đầu vào quan trọng nhất để tính toán tải nhiệt (Heat Load Calculation).

  • Nhiệt độ Khô ngoài trời ($t_{ngoài}$): Nhiệt độ không khí cao nhất được sử dụng cho tính toán tải lạnh. Thường chọn giá trị đảm bảo $97.5\%$ số giờ trong năm không vượt quá giá trị này.

  • Nhiệt độ Ướt ngoài trời ($t_{ư, ngoài}$): Quan trọng cho tính toán tải ẩm và các thiết bị có tiếp xúc với nước (như tháp giải nhiệt).

  • Hàm lượng Bức xạ Mặt trời: Tính toán tải nhiệt từ ánh nắng xuyên qua cửa sổ và chiếu lên mái/tường.

  • Tốc độ Gió ngoài trời: Ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu qua vỏ công trình.