Chương 3: Tính Cân bằng Nhiệt và Cân bằng Ẩm

1. Mục Tiêu

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

  • Mô tả phương pháp tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm cho không gian điều hòa.

  • Liệt kê các bước tính cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm theo phương pháp truyền thống.

  • Áp dụng phương pháp tính cân bằng nhiệt ẩm (ví dụ: theo phương pháp CARRIER, dựa trên việc tính toán chi tiết từng nguồn nhiệt/ẩm).

  • Thực hiện kiểm tra đọng sương trên kết cấu bao che (vách, cửa kính).

2. Nội Dung Chương

2.1. Phương trình Cân bằng Nhiệt Ẩm

Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt ẩm là xác định lượng nhiệt thừa ($Q_T$) và lượng ẩm thừa ($W_T$) mà hệ thống điều hòa phải loại bỏ để duy trì trạng thái tiện nghi (nhiệt độ $t_T$, hàm ẩm $d_T$) trong phòng.

2.1.1. Phương trình Cân bằng Nhiệt

Cân bằng nhiệt được thiết lập dựa trên nguyên tắc: Nhiệt đi vào = Nhiệt đi ra.

Trong phòng điều hòa, do ta cần làm mát, ta xét cân bằng của Nhiệt Thừa ($Q_T$).

$$Q_{\text{vào}} = Q_{\text{ra}}$$
$$Q_{\text{thừa}} = \sum Q_{\text{bên\ trong}} + \sum Q_{\text{từ\ ngoài}} - \sum Q_{\text{mất}}$$

Trong đó, $Q_{\text{thừa}} = Q_T$ là lượng nhiệt mà hệ thống lạnh phải tải đi.

2.1.2. Phương trình Cân bằng Ẩm

Tương tự, cân bằng ẩm được thiết lập dựa trên: Ẩm đi vào = Ẩm đi ra.

$$W_{\text{thừa}} = \sum W_{\text{từ\ nguồn\ ẩm}} - \sum W_{\text{mất}}$$

Trong đó, $W_{\text{thừa}} = W_T$ là lượng ẩm mà hệ thống (thông qua quá trình khử ẩm của dàn lạnh) phải loại bỏ.

2.1.3. Phương trình Cân bằng Nồng độ Chất độc hại (nếu có)

Áp dụng cho các phòng thí nghiệm, phòng sạch:

$$\frac{G_{\text{độc}}}{L_{\text{gió\ tươi}}} \le C_{\text{cho\ phép}}$$

Trong đó, $G_{\text{độc}}$ là lượng chất độc hại phát sinh ($\text{kg/h}$ hoặc $\text{m}^3/\text{h}$), và $L_{\text{gió\ tươi}}$ là lưu lượng gió tươi tối thiểu cần cung cấp để pha loãng chất độc hại xuống nồng độ $C_{\text{cho\ phép}}$.

2.2. Xác định Lượng Nhiệt thừa $Q_T$ (Tải Nhiệt Hợp lý)

Nhiệt thừa ($Q_T$) là tổng của các nguồn nhiệt làm tăng nhiệt độ không khí trong phòng (nhiệt hợp lý).

2.2.1. Nhiệt do Máy móc Thiết bị Điện tỏa ra $Q_1$

2.2.1.1. Nhiệt tỏa ra từ Thiết bị Dẫn động bằng Động cơ Điện
$$Q_{\text{đc}} = P_{\text{đc}} \cdot \frac{\eta_{\text{đc}}}{\eta} \cdot K \quad (\text{W})$$

Trong đó: $P_{\text{đc}}$ là công suất điện danh định ($\text{W}$), $\eta_{\text{đc}}$ là hiệu suất động cơ, $\eta$ là hiệu suất tải, và $K$ là hệ số sử dụng đồng thời. Thường $Q_{\text{đc}} \approx P_{\text{đc}}$.

2.2.1.2. Nhiệt tỏa ra từ Thiết bị Điện

Tính theo công suất tiêu thụ điện danh định, $Q_{\text{tb}} \approx P_{\text{tiêu\ thụ}} \cdot K$.

2.2.2. Nhiệt tỏa ra từ các Nguồn sáng Nhân tạo $Q_2$

$$Q_2 = P_{\text{đèn}} \cdot K_{\text{sd}} \cdot K_{\text{toả}} \quad (\text{W})$$

Trong đó $P_{\text{đèn}}$ là tổng công suất điện của đèn, $K_{\text{sd}}$ là hệ số sử dụng đồng thời, và $K_{\text{toả}}$ là hệ số tỏa nhiệt ra môi trường.

2.2.3. Nhiệt do Người tỏa ra $Q_3$

Nhiệt do người tỏa ra phụ thuộc vào mức độ hoạt động và nhiệt độ phòng.

$$Q_3 = n \cdot q_{\text{người}} \quad (\text{W})$$

Trong đó $n$ là số người, $q_{\text{người}}$ là nhiệt hợp lý tỏa ra từ một người (tra bảng theo mức độ hoạt động: ngủ, nghỉ, làm việc nhẹ, v.v.).

2.2.4. Nhiệt do Sản phẩm mang vào $Q_4$

Áp dụng chủ yếu cho kho lạnh hoặc các xưởng có sản phẩm nóng được đưa vào.

$$Q_4 = M_{\text{sp}} \cdot C_{\text{sp}} \cdot (t_{\text{sp}} - t_{\text{phòng}}) \quad (\text{W})$$

2.2.5. Nhiệt tỏa ra từ Bề mặt Thiết bị Nhiệt $Q_5$

Nhiệt tỏa ra từ các bề mặt thiết bị nóng không được cách nhiệt tốt (ví dụ: đường ống hơi nóng, nồi hơi nhỏ trong phòng).

$$Q_5 = A \cdot k \cdot (t_{\text{tb}} - t_{\text{phòng}}) \quad (\text{W})$$

Trong đó $A$ là diện tích bề mặt, $k$ là hệ số truyền nhiệt.

2.2.6. Nhiệt do Bức xạ Mặt trời vào Phòng $Q_6$

Nhiệt do ánh sáng mặt trời xuyên qua cửa kính và chiếu lên kết cấu bao che. Đây là nguồn nhiệt lớn và thay đổi theo thời gian trong ngày.

$$Q_6 = A_{\text{kính}} \cdot I_{\text{bq}} \cdot K_{\text{kính}} \cdot K_{\text{che}} \quad (\text{W})$$

Trong đó $I_{\text{bq}}$ là cường độ bức xạ mặt trời qua kính, $K_{\text{kính}}$ là hệ số truyền nhiệt qua kính, $K_{\text{che}}$ là hệ số che chắn (rèm, mái hiên).

2.2.7. Nhiệt do Lọt Không khí vào Phòng $Q_7$

Nhiệt do không khí nóng từ bên ngoài lọt qua khe hở cửa sổ, cửa đi (Infiltration).

$$Q_7 = L_{\text{lọt}} \cdot (I_{\text{ngoài}} - I_{\text{phòng}}) \quad (\text{W})$$

Trong đó $L_{\text{lọt}}$ là lưu lượng không khí lọt (tra bảng theo loại cửa/khe hở). Lưu ý, nhiệt lọt qua khe hở là nhiệt tổng (bao gồm cả nhiệt hợp lý và nhiệt ẩn).

2.2.8. Nhiệt truyền qua Kết cấu Bao che $Q_8$

Nhiệt truyền qua tường, mái, sàn từ môi trường ngoài hoặc phòng bên cạnh (Conduction Load).

$$Q_8 = k \cdot A \cdot \Delta t \quad (\text{W})$$

Trong đó $k$ là hệ số truyền nhiệt qua kết cấu, $A$ là diện tích, và $\Delta t$ là độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên.

2.2.9. Tổng lượng Nhiệt thừa $Q_T$

$$Q_T = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5 + Q_6 + Q_8$$

Lưu ý: $Q_7$ là nhiệt tổng (hợp lý + ẩn) nên thường được tính trong phần ẩm thừa dưới dạng nhiệt ẩn (tăng hàm ẩm $d$).

2.3. Xác định Lượng Ẩm thừa $W_T$ (Tải Nhiệt Ẩn)

Lượng ẩm thừa ($W_T$) là tổng các nguồn ẩm làm tăng hàm ẩm $d$ trong phòng (tải nhiệt ẩn).

2.3.1. Lượng Ẩm do Người tỏa ra $W_1$

$$W_1 = n \cdot w_{\text{người}} \quad (\text{kg/h})$$

Trong đó $w_{\text{người}}$ là lượng ẩm tỏa ra từ một người (tra bảng theo mức độ hoạt động).

2.3.2. Lượng Ẩm bay hơi từ các Sản phẩm $W_2$

Áp dụng cho các sản phẩm có độ ẩm cao (ví dụ: rau củ, trái cây). $W_2$ tra bảng theo loại sản phẩm và diện tích bề mặt.

2.3.3. Lượng Ẩm do Bay hơi Đoạn nhiệt từ Sàn ẩm $W_3$

Xảy ra trong các phòng giặt, bếp, xưởng hóa chất có sàn ướt.

$$W_3 = A_{\text{sàn}} \cdot K_{\text{bay\ hơi}} \cdot (P_{\text{h}} - P_{\text{bh}}) \quad (\text{kg/h})$$

2.3.4. Lượng Ẩm do Hơi nước Nóng mang vào $W_4$

Ẩm từ các thiết bị ẩm (nồi hấp, bể chứa nước nóng) hoặc đường ống hơi nước nóng bị rò rỉ.

2.3.5. Tổng Lượng Ẩm thừa $W_T$

$$W_T = W_1 + W_2 + W_3 + W_4 + W_{\text{lọt}}$$

Trong đó $W_{\text{lọt}}$ là lượng ẩm do không khí lọt vào (quy đổi từ $Q_7$ - nhiệt ẩn lọt qua khe hở).

2.4. Kiểm tra Đọng sương trên Vách

Kiểm tra đọng sương là cần thiết để đảm bảo độ bền của kết cấu bao che.

  1. Xác định Nhiệt độ đọng sương ($t_s$): Dựa vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí trong phòng ($t_{\text{phòng}}, \varphi_{\text{phòng}}$) (tra đồ thị $I-d$ hoặc công thức).

  2. Tính toán Nhiệt độ bề mặt trong ($t_{\text{bv}}$): Nhiệt độ mặt trong của kết cấu bao che (tường, kính).

    $$t_{\text{bv}} = t_{\text{ngoài}} - (t_{\text{ngoài}} - t_{\text{phòng}}) \cdot \frac{R_{\text{bv}}}{R_{\text{tổng}}}$$

    (Hoặc tính theo $t_{\text{bv}} = t_{\text{phòng}} - \frac{Q_8}{A \cdot \alpha_{\text{trong}}}$)

  3. So sánh: Để không xảy ra đọng sương, phải đảm bảo:

    $$t_{\text{bv}} \ge t_{s}$$

    Nếu $t_{\text{bv}} < t_s$, cần phải tăng chiều dày cách nhiệt hoặc cải thiện hệ số truyền nhiệt $k$ của kết cấu bao che.