Thu hồi nhiệt HVAC là gì?

Thu hồi nhiệt HVAC là giải pháp tận dụng một phần năng lượng còn lại trong dòng gió thải – exhaust air để tiền xử lý dòng gió tươi – outdoor air trước khi không khí đi vào AHU, FAHU, DOAS hoặc cooling coil.

Nguyên lý có thể hình dung đơn giản:

Gió tươi → Bộ thu hồi nhiệt → AHU/Coil → Không gian điều hòa

Trong khi đó:

Không gian điều hòa → Gió thải → Bộ thu hồi nhiệt → Ngoài trời

Hai dòng không khí trao đổi năng lượng thông qua bộ trao đổi nhiệt.

Trong mùa nóng, gió trong phòng đã được điều hòa thường mát và khô hơn gió ngoài trời. Thay vì thải trực tiếp lượng không khí này ra môi trường, hệ thống thu hồi nhiệt sử dụng nó để làm mát sơ bộ gió tươi.

Nhờ đó, cooling coil không phải xử lý toàn bộ tải của outdoor air như trước.

Trong mùa lạnh, quá trình có thể diễn ra theo chiều ngược lại: nhiệt từ gió thải được sử dụng để làm ấm sơ bộ gió tươi.

Vì sao thu hồi nhiệt đặc biệt quan trọng với hệ thống gió tươi?

Gió tươi là thành phần quan trọng để duy trì chất lượng không khí trong công trình.

Tuy nhiên, gió ngoài trời cũng là một trong những nguồn tạo tải đáng kể cho hệ thống HVAC.

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm như Việt Nam, outdoor air thường có:

• Nhiệt độ cao.
• Độ ẩm lớn.
• Enthalpy cao.

Khi đưa trực tiếp vào AHU, cooling coil phải thực hiện đồng thời:

Làm lạnh + Khử ẩm

Lượng gió tươi càng lớn thì tải lạnh và tải khử ẩm càng cao.

Trong khi đó, một phần không khí trong phòng đã được làm lạnh và xử lý độ ẩm lại bị hút ra ngoài qua hệ thống exhaust.

Nếu không có heat recovery, phần năng lượng này gần như bị bỏ đi.

Thu hồi nhiệt HVAC vì vậy giúp tận dụng lại một phần năng lượng đã sử dụng để giảm tải xử lý cho gió tươi mới.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thu hồi nhiệt

Một hệ thu hồi nhiệt cơ bản gồm hai dòng khí:

Outdoor Air – Gió tươi

Là không khí lấy trực tiếp từ môi trường bên ngoài.

Exhaust Air – Gió thải

Là không khí từ trong công trình được hút và thải ra môi trường.

Hai dòng khí được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt.

Trong mùa hè:

Gió ngoài trời nóng ẩm → Bộ thu hồi → Gió tươi được làm mát sơ bộ

Đồng thời:

Gió thải mát → Nhận nhiệt → Thải ra ngoài

Sau đó gió tươi tiếp tục đi qua:

Filter → Cooling Coil → Quạt → Không gian sử dụng

Do nhiệt độ hoặc enthalpy của gió tươi đã được giảm trước cooling coil nên tải xử lý của coil cũng giảm theo.

Sensible Heat và Latent Heat trong thu hồi nhiệt

Để lựa chọn đúng thiết bị cần phân biệt hai thành phần tải.

Sensible Heat

Là phần năng lượng liên quan chủ yếu đến thay đổi nhiệt độ.

Ví dụ gió ngoài trời từ 35°C được làm mát sơ bộ xuống mức thấp hơn trước khi tới cooling coil.

Latent Heat

Là phần năng lượng liên quan đến hơi ẩm trong không khí.

Trong khí hậu nóng ẩm, latent load có thể chiếm tỷ trọng đáng kể trong quá trình xử lý gió tươi.

Đây cũng chính là khác biệt quan trọng giữa HRV và ERV.

HRV là gì?

HRV – Heat Recovery Ventilator là thiết bị thông gió thu hồi nhiệt chủ yếu trao đổi sensible heat giữa gió tươi và gió thải.

Vào mùa nóng:

Gió tươi nóng → HRV → Gió tươi có nhiệt độ thấp hơn

Vào mùa lạnh:

Gió tươi lạnh → HRV → Gió tươi được làm ấm sơ bộ

HRV phù hợp với những hệ thống cần thu hồi nhiệt độ nhưng không ưu tiên trao đổi độ ẩm.

ERV là gì?

ERV – Energy Recovery Ventilator là thiết bị thu hồi năng lượng có khả năng trao đổi cả:

Sensible Heat + Một phần Latent Heat

Tức là ngoài nhiệt độ, ERV còn có thể trao đổi một phần hơi ẩm giữa hai dòng khí.

Trong điều kiện nóng ẩm, outdoor air thường vừa nóng vừa có humidity ratio cao.

Khi sử dụng ERV, gió tươi có thể được:

• Làm mát sơ bộ.
• Giảm một phần tải ẩm.

Cooling coil vì vậy có thể giảm cả sensible load và latent load.

So sánh HRV và ERV

Tiêu chí	HRV	ERV
Trao đổi nhiệt độ	Có	Có
Trao đổi một phần độ ẩm	Không hoặc rất ít	Có
Giảm sensible load	Có	Có
Giảm latent load	Hạn chế	Có khả năng
Khí hậu nóng ẩm	Cần đánh giá	Đáng cân nhắc
Yêu cầu kiểm soát nhiễm chéo	Có	Có
Ứng dụng	Thông gió thu hồi nhiệt	Thông gió thu hồi tổng năng lượng

Không nên hiểu rằng ERV luôn tốt hơn HRV.

Việc lựa chọn còn phụ thuộc:

• Điều kiện khí hậu.
• Độ ẩm yêu cầu trong phòng.
• Nguồn gió thải.
• Nguy cơ nhiễm chéo.
• Pressure drop.
• Chi phí đầu tư.
• Khả năng bảo trì.

Các công nghệ thu hồi nhiệt HVAC phổ biến

Heat Recovery Wheel

Heat Recovery Wheel sử dụng một rotor quay giữa hai dòng khí.

Rotor lần lượt hấp thụ và giải phóng năng lượng khi đi qua phía gió thải và gió tươi.

Một số wheel sử dụng vật liệu hút ẩm có thể trao đổi cả:

Nhiệt + Ẩm

Loại này còn được gọi là:

• Energy Wheel.
• Enthalpy Wheel.
• Total Energy Wheel.

Ưu điểm:

• Hiệu quả thu hồi năng lượng tốt.
• Kích thước tương đối gọn.
• Có khả năng thu hồi cả sensible và latent energy.

Điểm cần lưu ý:

• Leakage.
• Carryover.
• Seal.
• Motor.
• Vệ sinh rotor.
• Chất lượng exhaust air.

Plate Heat Exchanger

Plate Heat Exchanger sử dụng các tấm trao đổi nhiệt ngăn cách hai dòng khí.

Gió tươi và gió thải đi qua các kênh riêng biệt, năng lượng được truyền qua bề mặt tấm.

Ưu điểm:

• Cấu tạo đơn giản.
• Ít bộ phận chuyển động.
• Hai dòng khí được tách tương đối rõ.

Plate exchanger thông thường chủ yếu trao đổi sensible heat.

Một số loại sử dụng membrane đặc biệt có thể trao đổi thêm một phần moisture.

Run-Around Coil

Run-around coil sử dụng hai coil đặt trên hai dòng khí khác nhau và một vòng tuần hoàn chất lỏng trung gian.

Nguyên lý:

Exhaust Air → Coil 1 → Bơm → Coil 2 → Outdoor Air

Ưu điểm lớn là hai dòng khí không cần đặt gần nhau.

Giải pháp này phù hợp trong một số công trình yêu cầu tách biệt cao giữa outdoor air và exhaust air.

Tuy nhiên hệ thống sẽ phát sinh thêm:

• Pressure drop qua coil.
• Pump energy.
• Đường ống.
• Van và thiết bị điều khiển.

Vì vậy phải tính hiệu quả năng lượng ròng.

Thu hồi nhiệt giúp giảm tải lạnh như thế nào?

Không có heat recovery:

Outdoor Air → Cooling Coil

Cooling coil phải xử lý toàn bộ tải nhiệt và tải ẩm của gió ngoài trời.

Có heat recovery:

Outdoor Air → Heat Recovery → Cooling Coil

Gió tươi đã được tiền xử lý trước khi tới coil.

Do đó:

Tải Cooling Coil sau thu hồi < Tải Cooling Coil ban đầu

Với ERV, phần giảm tải có thể bao gồm:

• Sensible load.
• Latent load.

Lợi ích này càng đáng kể với hệ thống có tỷ lệ gió tươi cao.

Những hệ thống nào thường phù hợp với thu hồi nhiệt?

AHU có tỷ lệ gió tươi lớn

AHU xử lý nhiều outdoor air thường có ventilation load đáng kể.

Thu hồi nhiệt giúp giảm tải trước cooling coil.

FAHU

FAHU chuyên xử lý gió tươi nên tiềm năng heat recovery thường rõ hơn.

DOAS

DOAS – Dedicated Outdoor Air System gần như tập trung hoàn toàn vào xử lý outdoor air.

Vì vậy heat recovery thường là một trong những giải pháp đáng cân nhắc nhất.

Hệ thống hút thải lớn

Các công trình có lưu lượng supply air và exhaust air lớn, ổn định có thể có tiềm năng thu hồi năng lượng cao.

Khi nào nên áp dụng thu hồi nhiệt HVAC?

Không nên lựa chọn heat recovery chỉ vì đây là một giải pháp tiết kiệm năng lượng.

Trước tiên cần xem công trình có đủ điều kiện hay không.

Lượng gió tươi lớn

Outdoor airflow càng lớn thì tải xử lý outdoor air càng đáng kể.

Khi đó năng lượng có thể thu hồi cũng có khả năng lớn hơn.

Có lượng gió thải ổn định

Heat recovery cần nguồn exhaust air.

Nếu gió thải quá nhỏ hoặc không ổn định thì hiệu quả sẽ giảm.

Chênh lệch nhiệt độ hoặc enthalpy lớn

Chênh lệch giữa outdoor air và exhaust air càng lớn thì khả năng trao đổi năng lượng càng cao.

Ví dụ trong mùa hè:

Outdoor Air: Nóng + Ẩm

Exhaust Air: Mát + Khô hơn

Đây là điều kiện thuận lợi để xem xét ERV hoặc heat recovery.

Hệ thống vận hành nhiều giờ

Một công trình vận hành 10–16 giờ mỗi ngày thường có tiềm năng hoàn vốn tốt hơn công trình chỉ vận hành vài giờ.

Công trình yêu cầu tiết kiệm năng lượng

Các công trình hướng tới:

• Green Building.
• LEED.
• LOTUS.
• ESG.
• Giảm chi phí vận hành.

cũng thường xem xét giải pháp energy recovery ngay từ giai đoạn thiết kế.

Những loại công trình nào nên cân nhắc?

Một số nhóm công trình có tiềm năng áp dụng gồm:

Văn phòng

Mật độ người cao, cần cấp gió tươi liên tục trong giờ làm việc.

Trung tâm thương mại

Lưu lượng ventilation lớn và thời gian vận hành dài.

Khách sạn

Phòng khách, hành lang và khu chức năng có nhu cầu gió tươi và hút thải tương đối ổn định.

Trường học

Phòng học có mật độ người cao nên nhu cầu ventilation đáng kể.

Bệnh viện

Một số khu vực yêu cầu lượng gió cấp và thải lớn.

Tuy nhiên cần đặc biệt thận trọng về:

Cross-contamination + Infection Control

Nhà máy

Những khu sản xuất có lượng cấp – thải lớn có thể có tiềm năng energy recovery nếu chất lượng exhaust air phù hợp.

Khi nào không nên áp dụng thu hồi nhiệt?

Không phải mọi dòng gió thải đều phù hợp để thu hồi năng lượng.

Gió thải có chất ô nhiễm nguy hiểm

Ví dụ:

• Hóa chất.
• Khí độc.
• Aerosol nguy hiểm.
• Dầu mỡ.
• Mùi mạnh.
• Tác nhân sinh học.

Trong các trường hợp này phải ưu tiên an toàn và kiểm soát nhiễm chéo.

Lưu lượng gió quá nhỏ

Chi phí đầu tư thiết bị và đường ống có thể không tương xứng với lượng năng lượng thu hồi.

Thời gian vận hành ngắn

Số giờ hoạt động thấp làm giảm tổng năng lượng tiết kiệm hàng năm.

Không đủ không gian lắp đặt

Heat wheel, plate exchanger và các thiết bị phụ trợ đều cần không gian lắp đặt và bảo trì.

Quạt không đủ cột áp

Đây là vấn đề rất thường gặp khi retrofit.

Bộ trao đổi nhiệt tạo thêm pressure drop trên đường gió.

Nếu quạt không đủ static pressure, hệ thống có thể:

• Thiếu airflow.
• Tăng tốc độ quạt.
• Tăng điện năng.
• Tăng tiếng ồn.

Pressure Drop – yếu tố không nên bỏ qua

Một sai lầm phổ biến khi đánh giá heat recovery là chỉ nhìn vào effectiveness.

Ví dụ catalogue công bố khả năng thu hồi năng lượng cao.

Nhưng exchanger cũng tạo thêm resistance.

Khi đó quạt phải tiêu thụ thêm điện để duy trì lưu lượng.

Vì vậy cần xem:

Cooling Energy Saved

và:

Additional Fan Energy

Có thể hình dung:

Net Energy Saving = HVAC Energy Reduction – Auxiliary Energy Increase

Ngoài fan energy còn có thể phát sinh:

• Wheel motor.
• Pump power.
• Control power.

Do đó, hiệu quả thực tế phải được tính ở cấp toàn hệ thống HVAC.

Effectiveness càng cao có càng tốt?

Không nhất thiết.

Effectiveness cao là một thông số tích cực nhưng không phải tiêu chí duy nhất.

Một exchanger effectiveness cao có thể đi cùng:

• Pressure drop cao.
• Giá thiết bị cao.
• Kích thước lớn.
• Maintenance phức tạp.

Vì vậy lựa chọn tối ưu phải cân bằng:

Effectiveness + Pressure Drop + Fan Energy + IAQ + CAPEX + OPEX

Thu hồi nhiệt trong AHU được bố trí như thế nào?

Một cấu hình có thể là:

Outdoor Air → Filter → Heat Recovery → Cooling Coil → Fan → Supply Air

Phía gió thải:

Return/Exhaust Air → Heat Recovery → Exhaust Fan → Outside

Ở điều kiện mùa nóng, outdoor air sau recovery section có nhiệt độ hoặc enthalpy thấp hơn ban đầu.

Cooling coil vì vậy xử lý tải nhỏ hơn.

Hệ thống có thể bổ sung:

• Bypass Damper.
• Temperature Sensor.
• Humidity Sensor.
• Differential Pressure Sensor.
• BMS.
• Interlock.

Control logic giúp heat recovery chỉ hoạt động khi thực sự mang lại lợi ích.

Thu hồi nhiệt trong DOAS

DOAS là hệ chuyên xử lý gió tươi.

Do phần lớn hoặc toàn bộ airflow là outdoor air nên ventilation load rất lớn.

Một cấu hình điển hình:

Outdoor Air → ERV → Cooling Coil → Supply Air

Vào mùa nóng:

ERV → Precooling + Giảm một phần tải ẩm

Sau đó cooling coil thực hiện phần xử lý còn lại.

Nhờ đó công suất xử lý của coil có thể giảm đáng kể nếu điều kiện thiết kế phù hợp.

Thu hồi nhiệt có làm giảm công suất Chiller không?

Có thể nhưng không mặc định.

Nếu heat recovery được tính ngay từ giai đoạn thiết kế, tải lạnh cực đại giảm có thể ảnh hưởng đến:

• Cooling coil capacity.
• Chilled water flow.
• AHU capacity.
• Cooling source capacity.

Tuy nhiên phải dựa trên tính toán cooling load.

Đối với hệ thống hiện hữu, Chiller đã được lựa chọn từ trước.

Lắp thêm heat recovery thường mang ý nghĩa:

Giảm tải vận hành

hơn là làm giảm công suất danh nghĩa của Chiller đang lắp.

Có nên retrofit thu hồi nhiệt cho hệ HVAC hiện hữu?

Có thể.

Nhưng retrofit cần khảo sát kỹ hơn so với hệ thiết kế mới.

Các yếu tố cần kiểm tra:

Không gian

Có đủ vị trí để lắp exchanger hay không?

Ductwork

Gió tươi và gió thải có thể đưa về cùng khu vực hay không?

Fan Static Pressure

Quạt hiện hữu có đủ dự phòng để vượt qua additional pressure drop không?

Electrical và Control

Có cần bổ sung:

• VFD.
• Sensor.
• Actuator.
• Bypass damper.
• BMS point.

Maintenance Access

Có đủ không gian để:

• Vệ sinh exchanger.
• Thay lọc.
• Kiểm tra seal.
• Bảo trì motor.

Nếu không đảm bảo maintenance, effectiveness thực tế có thể giảm nhanh sau thời gian vận hành.

Quy trình đánh giá thu hồi nhiệt tại HRT

HRT tiếp cận heat recovery như một phần của toàn bộ hệ HVAC.

Chuỗi đánh giá:

Outdoor Air → Exhaust Air → Heat Recovery → AHU/DOAS → Fan → Control → Energy

Bước 1: Xác định outdoor airflow

Kiểm tra lưu lượng gió tươi thiết kế và thực tế.

Bước 2: Kiểm tra exhaust air

Xác định:

• Airflow.
• Temperature.
• Humidity.
• Nguồn ô nhiễm.

Bước 3: Phân tích psychrometric

Không chỉ nhìn nhiệt độ.

Cần đánh giá:

• Dry-bulb.
• Relative Humidity.
• Humidity Ratio.
• Enthalpy.

Bước 4: Chọn công nghệ phù hợp

So sánh:

• HRV.
• ERV.
• Heat Wheel.
• Plate Heat Exchanger.
• Run-Around Coil.

Bước 5: Kiểm tra fan và pressure drop

Đảm bảo hệ thống vẫn đạt airflow yêu cầu sau khi bổ sung exchanger.

Bước 6: Tính hiệu quả năng lượng

Xem cả:

• Cooling energy reduction.
• Heating energy reduction.
• Fan power.
• Pump power.
• Auxiliary power.

Bước 7: Kiểm tra nguy cơ nhiễm chéo

Đặc biệt với các dòng exhaust có mùi hoặc chất ô nhiễm.

Bước 8: Xây dựng control sequence

Có thể sử dụng:

• Bypass.
• Modulation.
• Interlock.
• Temperature Control.
• Enthalpy Control.

Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn thu hồi nhiệt

Chỉ nhìn hiệu suất trên catalogue

Sai.

Effectiveness của exchanger không đại diện cho hiệu suất toàn hệ.

Thấy ERV là mặc định chọn ERV

Sai.

Phải đánh giá nguồn exhaust air, moisture transfer và IAQ.

Không kiểm tra pressure drop

Có thể làm thiếu airflow hoặc tăng fan power.

Không kiểm tra nguồn gió thải

Không phải exhaust air nào cũng phù hợp để đưa qua heat recovery.

Mặc định tiết kiệm 20–30%

Không nên.

Mức tiết kiệm phụ thuộc từng hệ thống cụ thể.

Không tính maintenance

Exchanger bẩn sẽ:

• Tăng pressure drop.
• Giảm heat transfer.
• Tăng điện quạt.

Làm sao kiểm tra hệ thu hồi nhiệt có hoạt động hiệu quả?

Sau commissioning nên theo dõi:

• Outdoor air temperature trước exchanger.
• Outdoor air temperature sau exchanger.
• Exhaust air temperature.
• Relative humidity.
• Airflow.
• Differential pressure.
• Fan speed.
• Fan power.

Nếu có BMS, nên trend các thông số theo thời gian.

Mục tiêu không chỉ là thấy:

Nhiệt độ gió tươi giảm

mà phải xác định:

Tổng năng lượng HVAC thực tế giảm bao nhiêu.

Kết luận

Thu hồi nhiệt HVAC là giải pháp tận dụng năng lượng còn lại trong gió thải để tiền xử lý gió tươi trước khi đi vào AHU, cooling coil hoặc DOAS.

Giải pháp đặc biệt đáng cân nhắc khi công trình có:

• Lưu lượng gió tươi lớn.
• Lượng gió thải ổn định.
• Chênh lệch nhiệt độ hoặc enthalpy lớn.
• Thời gian vận hành dài.

Trong khí hậu nóng ẩm, ERV có thể mang lại lợi ích nhờ khả năng giảm cả sensible và một phần latent load.

Tuy nhiên, không nên đánh giá hệ thống chỉ bằng effectiveness của bộ thu hồi nhiệt.

Cần xem tổng thể:

Heat Recovery + Pressure Drop + Fan Energy + IAQ + Control + Maintenance

HRT tiếp cận giải pháp theo hiệu quả của toàn hệ HVAC, hướng tới giảm năng lượng tiêu thụ, duy trì chất lượng không khí và tối ưu vận hành lâu dài theo định hướng HVAC XANH chuẩn ESG.