CÂN BẰNG NHIỆT VÀ CÂN BẰNG ẨM
PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT
Xét một hệ nhiệt động bất kỳ, hệ luôn luôn chịu tác động của các nguồn nhiệt bên ngoài và bên trong. Các tác động đó người ta gọi là các nhiễu loạn về nhiệt . Thực tế các hệ nhiệt động chịu tác động của các nhiễu loạn sau :
- Nhiệt tỏa ra từ các nguồn nhiệt bên trong hệ gọi là các nguồn nhiệt toả : tongQtỏa
- Nhiệt truyền qua kết cấu bao che gọi là nguồn nhiệt thẩm thấu : tongQtt
Tổng hai thành phần trên gọi là nhiệt thừa
Để duy trì chế độ nhiệt ẩm trong không gian điều hoà , trong kỹ thuật điều hoà không khí nguời ta phải cấp tuần hoàn cho hệ một lượng không khí có lưu lượng L (kg/s) ở trạng thái V(tV, phiV) nào đó và lấy ra cũng lượng như vậy nhưng ở trạng thái T(tT,phiT). Như vậy lượng không khí này đã lấy đi từ phòng một lượng nhiệt bằng QT. Ta có phương trình cân bằng nhiệt như sau :
* Phương trình cân bằng ẩm
Tương tự như trong hệ luôn luôn có các nhiễu loạn về ẩm sau
- Ẩm tỏa ra từ các nguồn bên trong hệ : tongWtỏa
- Ẩm thẩm thấu qua kết cấu bao che : tongWtt
Tổng hai thành phần trên gọi là ẩm thừa
Để hệ cân bằng ẩm và có trạng thái không khí trong phòng không đổi T(tT, phiT) nguời ta phải luôn luôn cung cấp cho hệ một lượng không khí có lưu lượng L (kg/s) ở trạng thái V(tV, phiV). Như vậy lượng không khí này đã lấy đi từ phòng một lượng ẩm bằng WT. Ta có phương trình cân bằng ẩm như sau :
* Phương trình cân bằng nồng độ chất độc hại (nếu có)
Để khử các chất độc hại phát sinh ra trong phòng người ta thổi vào phòng lưu lượng gió Lz (kg/s) sao cho :
Gđ : Lưu lượng chất độc hại tỏa ra và thẩm thấu qua kết cấu bao che, kg/s
ZT và Zv : Nồng độ theo khối lượng của chất độc hại của không khí cho phép trong phòng và thổi vào
Nhiệt thừa, ẩm thừa và lượng chất độc toả ra là cơ sở để xác định năng suất của các thiết bị xử lý không khí . Trong phần dưới đây chúng ta xác định hai thông số quan trọng nhất là tổng nhiệt thừa QT và ẩm thừa WT.
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NHIỆT THỪA QT
Nhiệt do máy móc thiết bị điện tỏa ra Q1
Nhiệt toả ra từ thiết bị dẫn động bằng động cơ điện
Máy móc sử dụng điện gồm 2 cụm chi tiết là động cơ điện và cơ cấu dẫn động. Tổn thất của các máy bao gồm tổn thất ở động cơ và tổn thất ở cơ cấu dẫn động. Theo vị trí tương đối của 2 cụm chi tiết này ta có 3 trường hợp có thể xãy ra :
- Trường hợp 1 : Động cơ và chi tiết dẫn động nằm hoàn toàn trong không gian điều hoà
- Trường hợp 2 : Động cơ nằm bên ngoài, chi tiết dẫn động nằm bên trong
- Trường hợp 3: Động cơ nằm bên trong, chi tiết dẫn động nằm bên ngoài.
Nhiệt do máy móc toả ra chỉ dưới dạng nhiệt hiện.
Gọi N và nuy là công suất và hiệu suất của động cơ điện. Công suất của động cơ điện N thường là công suất tính ở đầu ra của động cơ. Vì vậy :
(3-6)
nuy - Hiệu suất của động cơ
- Trường hợp 2 : Vì động cơ nằm bên ngoài, cụm chi tiết chuyển động nằm bên trong nên nhiệt thừa phát ra từ sự hoạt động của động cơ chính là công suất N.
- Trường hợp 3 : Trong trường này phần nhiệt năng do động cơ toả ra bằng năng lượng đầu vào trừ cho phần toả ra từ cơ cấu cơ chuyển động:
Để tiện lợi cho việc tra cứu tính toán, tổn thất nhiệt cho các động cơ có thể tra cứu cụ thể cho từng trường hợp trong bảng 3-1 dưới đây:
Bảng 3.1 : Tổn thất nhiệt của các động cơ điện
Cần lưu ý là năng lượng do động cơ tiêu thụ đang đề cập là ở chế độ định mức. Tuy nhiên trên thực tế động cơ có thể hoạt động non tải hoặc quá tải. Vì thế để chính xác hơn cần tiến hành đo cường độ dòng điện thực tế để xác định công suất thực.
Nhiệt toả ra từ thiết bị điện
Ngoài các thiết bị được dẫn động bằng các động cơ điện, trong phòng có thể trang bị các dụng cụ sử dụng điện khác như : Ti vi, máy tính, máy in, máy sấy tóc ...vv. Đại đa số các thiết bị điện chỉ phát nhiệt hiện.
Đối với các thiết bị điện phát ra nhiệt hiện thì nhiệt lượng toả ra bằng chính công suất ghi trên thiết bị.
Khi tính toán tổn thất nhiệt do máy móc và thiết bị điện phát ra cần lưu ý không phải tất cả các máy móc và thiết bị điện cũng đều hoạt động đồng thời. Để cho công suất máy lạnh không quá lớn, cần phải tính đến mức độ hoạt động đồng thời của các động cơ. Trong trường hợp tổng quát:
Ktt - hệ số tính toán bằng tỷ số giữa công suất làm việc thực với công suất định mức.
Kđt - Hệ số đồng thời, tính đến mức độ hoạt động đồng thời. Hệ số đồng thời của mỗi động cơ có thể coi bằng hệ số thời gian làm việc , tức là bằng tỷ số thời gian làm việc của động cơ thứ i, chia cho tổng thời gian làm việc của toàn bộ hệ thống.
Nhiệt tỏa ra từ các nguồn sáng nhân tạo Q2
Nguồn sáng nhân tạo ở đây đề cập là nguồn sáng từ các đèn điện. Có thể chia đèn điện ra làm 2 loại : Đèn dây tóc và đèn huỳnh quang.
Nhiệt do các nguồn sáng nhân tạo toả ra chỉ ở dạng nhiệt hiện.
- Đối với loại đèn dây tóc : Các loại đèn này có khả năng biến đổi chỉ 10% năng lượng đầu vào thành quang năng, 80% được phát ra bằng bức xạ nhiệt, 10% trao đổi với môi trường bên ngoài qua đối lưu và dẫn nhiệt . Như vậy toàn bộ năng lượng đầu vào dù biến đổi và phát ra dưới dạng quang năng hay nhiệt năng nhưng cuối cùng đều biến thành nhiệt và được không khí trong phòng hấp thụ hết.
NS - Tổng công suất các đèn dây tóc, kW
- Đối với đèn huỳnh quang : Khoảng 25% năng lượng đầu vào biến thành quang năng, 25% được phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt, 50% dưới dạng đối lưu và dẫn nhiệt. Tuy nhiên đối với đèn huỳnh quang phải trang bị thêm bộ chỉnh lưu , công suất bộ chấn lưu cỡ 25% công suất đèn. Vì vậy tổn thất nhiệt trong trường hợp này :
Nhq : Tổng công suất đèn huỳnh quang, kW
Một vấn đề thường gặp trên thực tế là khi thiết kế không biết bố trí đèn cụ thể trong phòng sẽ như thế nào hoặc người thiết kế không có điều kiện khảo sát chi tiết toàn bộ công trình, hoặc không có kinh nghiệm về cách bố trí đèn của các đối tượng. Trong trường hợp này có thể chọn theo điều kiện đủ chiếu sáng cho ở bảng 3-2.
Bảng 3.2 : Thông số kinh nghiệm cho phòng
Như vậy tổn thất do nguồn sáng nhân tạo , trong trường hợp này được tính theo công thức
trong đó F - diện tích sàn nhà, m2
qs - Công suất chiếu sáng yêu cầu cho 1m2 diện tích sàn, W/m2
Nhiệt do người tỏa ra Q3
Nhiệt do người tỏa ra gồm 2 thành phần :
- Nhiệt hiện : Do truyền nhiệt từ người ra môi trường thông qua đối lưu, bức xạ và dẫn nhiệt : qh
- Nhiệt ẩn : Do tỏa ẩm (mồ hôi và hơi nước mang theo) : qW
- Nhiệt toàn phần : Nhiệt toàn phần bằng tổng nhiệt hiện và nhiệt ẩn :
Đối với một người lớn trưởng thành và khoẻ mạnh, nhiệt hiện, nhiệt ẩn và nhiệt toàn phần phụ thuộc vào cường độ vận động và nhiệt độ môi trường không khí xung quanh.
Tổn thất do người tỏa được xác định theo công thức :
- Nhiệt hiện :
- Nhiệt ẩn:
- Nhiệt toàn phần:
n - Tổng số người trong phòng
qh, qw, q - Nhiệt ẩn, nhiệt hiện và nhiệt toàn phần do một người tỏa ra trong một đơn vị thời gian và được xác định theo bảng 3.4.
Khi tính nhiệt thừa do người toả ra người thiết kế thường gặp khó khăn khi xác định số lượng người trong một phòng. Thực tế, số lượng người luôn luôn thay đổi và hầu như không theo một quy luật nhất định nào cả. Trong trường hợp đó có thể lấy theo số liệu phân bố người nêu trong bảng 3-2.
Bảng 3.4 dưới đây là nhiệt toàn phần và nhiệt ẩn do người toả ra. Theo bảng này nhiệt ẩn và nhiệt hiện do người toả ra phụ thuộc cường độ vận động của con người và nhiệt độ trong phòng. Khi nhiệt độ phòng tăng thì nhiệt ẩn tăng, nhiệt hiện giảm. Nhiệt toàn phần chỉ phụ thuộc vào cường độ vận động mà không phụ thuộc vào nhiệt độ của phòng.
Cột 4 trong bảng là lượng nhiệt thừa phát ra từ cơ thể một người đàn ông trung niên có khối lượng cơ thể chừng 68kg. Tuy nhiên trên thực tế trong không gian điều hoà thường có mặt nhiều người với giới tính và tuổi tác khác nhau. Cột 4 là giá trị nhiệt thừa trung bình trên cơ sở lưu ý tới tỉ lệ đàn ông và đàn bà thường có ở những không gian khảo sát nêu trong bảng. Nếu muốn tính cụ thể theo thực tế thì tính nhiệt do người đà bà toả ra chiếm 85% , trẻ em chiếm 75% lượng nhiệt thừa của người đàn ông.
Trong trường hợp không gian khảo sát là nhà hàng thì nên cộng thêm lượng nhiệt thừa do thức ăn toả ra cho mỗi người là 20W , trong đó 10W là nhiệt hiện và 10W là nhiệt ẩn
* Hệ số tác dụng không đồng thời
Khi tính toán tổn thất nhiệt cho công trình lớn luôn luôn xảy ra hiện tượng không phải lúc nào trong tất cả các phòng cũng có mặt đầy đủ số lượng người theo thiết kế và tất cả các đèn đều được bật sáng. Để tránh việc chọn máy có công suất quá dư , cần nhân các tổn thất Q2 và Q3 với hệ số gọi là hệ số tác dụng không đồng thời nuyđt. Về giá trị hệ số tác dụng không đồng thời đánh giá tỷ lệ người có mặt thường xuyên trong phòng trên tổng số người có thể có hoặc tỷ lệ công suất thực tế của các đèn đang sử dụng trên tổng công suất đèn được trang bị. Trên bảng trình bày giá trị của hệ số tác động không đồng thời cho một số trường hợp.
Bảng 3.3 : Hệ số tác dụng không đồng thời
Bảng 3.4 : Nhiệt ẩn và nhiệt hiện do người toả ra,W/người
Nhiệt do sản phẩm mang vào Q4
Tổn thất nhiệt dạng này chỉ có trong các xí nghiệp, nhà máy, ở đó, trong không gian điều hoà thường xuyên và liên tục có đưa vào và đưa ra các sản phẩm có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trong phòng.
Nhiệt toàn phần do sản phẩm mang vào phòng được xác định theo công thức
trong đó :
- Nhiệt hiện : 
- Nhiệt ẩn :
G4 - Lưu lượng sản phẩm vào ra, kg/s
Cp - Nhiệt dung riêng khối lượng của sản phẩm, kJ/kg.oC
W4 - Lượng ẩm tỏa ra (nếu có) trong một đơn vị thời gian, kg/s
ro - Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ro = 2500 kJ/kg
Nhiệt tỏa ra từ bề mặt thiết bị nhiệt Q5
Nếu trong không gian điều hòa có thiết bị trao đổi nhiệt, chẳng hạn như lò sưởi, thiết bị sấy, ống dẫn hơi . . vv thì có thêm tổn thất do tỏa nhiệt từ bề mặt nóng vào phòng. Tuy nhiên trên thực tế ít xãy ra vì khi điều hòa thì các thiết bị này thường phải ngừng hoạt động.
Nhiệt tỏa ra từ bề mặt trao đổi nhiệt thường được tính theo công thức truyền nhiệt và đó chỉ là nhiệt hiện. Tùy thuộc vào giá trị đo đạc được mà người ta tính theo công thức truyền nhiệt hay toả nhiệt.
- Khi biết nhiệt độ bề mặt thiết bị nhiệt t w :
Trong đó alfaW là hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt nóng vào không khí trong phòng và được tính theo công thức sau :
Khi tính gần đúng có thể coi
tW, tT - là nhiệt độ vách và nhiệt độ không khí trong phòng.
- Khi biết nhiệt độ chất lỏng chuyển động bên trong ống dẫn t F :
trong đó hệ số truyền nhiệt k = 2,5 W/m2.oC
Nhiệt do bức xạ mặt trời vào phòng Q6
Nhiệt bức xạ mặt trời
Có thể coi mặt trời là một quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình 1,39.106km và cách xa quả đất 150.106 km. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 6000OK trong khi ở tâm đạt đến 8đến40.106 oK
Tuỳ thuộc vào thời điểm trong năm mà khoảng cách từ mặt trời đến trái đất thay đổi, mức thay đổi xê dịch trong khoảng +_1,7% so với khoảng cách trung bình nói trên.
Do ảnh hưởng của bầu khí quyển lượng bức xạ mặt trời giảm đi khá nhiều. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới bức xạ mặt trời như mức độ nhiễm bụi, mây mù, thời điểm trong ngày và trong năm , địa điểm nơi lắp đặt công trình, độ cao của công trình so với mặt nước biển, nhiệt độ đọng sương của không khí xung quanh và hướng của bề mặt nhận bức xạ.
Nhiệt bức xạ được chia ra làm 3 thành phần
- Thành phần trực xạ - nhận nhiệt trực tiếp từ mặt trời
- Thành phần tán xạ - Nhiệt bức xạ chiếu lên các đối tượng xung quanh làm nóng chúng và các vật đó bức xạ gián tiếp lên kết cấu
- Thành phần phản chiếu từ mặt đất.
Xác định nhiệt bức xạ mặt trời .
Nhiệt bức xạ xâm nhập vào phòng phụ thuộc kết cấu bao che và được chia ra làm 2 dạng :
- Nhiệt bức xạ qua cửa kính Q61
- Nhiệt bức xạ qua kết cấu bao che tường và mái : Q62
Nhiệt bức xạ qua kính
* Trường hợp sử dụng kính cơ bản :
Kính cơ bản là loại kính trong suốt, dày 3mm, có hệ số hấp thụ alfam=6%, hệ số phản xạ Pm = 8% (ứng với góc tới của tia bức xạ là 30o)
Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính được tính theo công thức :
trong đó :
+ Fk - Diện tích bề mặt kính, m2. Nếu khung gổ Fk = 0,85 F’ (F’ Diện tích phần kính và khung), khung sắt Fk = F’
+ R- Nhiệt bức xạ mặt trời qua cửa kính cơ bản vào phòng . Giá trị R cho ở bảng 3-7
+ epxilonc - Hệ số tính đến độ cao H (m) nơi đặt cửa kính so với mực nước biển:
(3-23)+ epxilonds - Hệ số xét tới ảnh hưởng của độ chênh lệch nhiệt độ đọng sương so với 20oC
+ epxilonmm - Hệ số xét tới ảnh hưởng của mây mù . Trời không mây lấy epxilonmm = 1, trời có mây
epxilonmm=0,85
+ epxilonkh - Hệ số xét tới ảnh hưởng của khung kính. Kết cấu khung khác nhau thì mức độ che khuất một phần kính dưới các tia bức xạ khác nhau. Với khung gỗ epxilonkh = 1, khung kim loại epxilonkh = 1,17
+ epxilonK - Hệ số kính, phụ thuộc màu sắc và loại kính khác kính cơ bản và lấy theo bảng 3-5
Bảng 3-5 : Đặc tính bức xạ của các loại kính
+ epxilonm - Hệ số mặt trời . Hệ số này xét tới ảnh hưởng của màn che tới bức xạ mặt trời. Khi không có màn che epxilonm = 1. Khi có màn epxilonm được chọn theo bảng 3-6
Bảng 3-6 : Đặc tính bức xạ của màn che
Bảng 3-7: Dòng nhiệt bức xạ mặt trời xâm nhập vào phòng R, W/m 2
Công thức (3-21) trên đây chỉ tính cho các trường hợp sau :
- Kính là kính cơ bản (epxilonK = 1) có hoặc không có rèm che
- Không phải kính cơ bản (epxilonk khac 1) và không có rèm che (epxilonm = 1).
Trường hợp kính không phải kính cơ bản (epxilonK khac 1) và có rèm che (epxilonm khac 1) người ta tính theo công thức dưới đây.
* Trường hợp không phải kính cơ bản và có rèm che :
trong đó
Fk - Diện tích cửa kính , m2
Rxn - Lượng nhiệt bức xạ xâm nhập vào không gian điều hoà
Trị số R lấy theo bảng 3-7, các giá trị alfaK, tetaK, PK lấy theo bảng (3-5), alfam, tetam, Pm lấy theo bảng (3-6). Các hệ số khác vẫn tính giống như các hệ số ở công thức (3-21)
