Thu hồi nhiệt phòng sạch: chọn nguồn nhiệt, công nghệ và kiểm soát nhiễm chéo

Thu hồi nhiệt phòng sạch là việc lấy lại phần năng lượng nhiệt đang bị thải bỏ trong hệ HVAC để dùng cho một mục đích khác. Phòng sạch chạy liên tục, nên dù mỗi điểm chỉ tiết kiệm một phần nhỏ, tổng chi phí điện cả năm vẫn thay đổi đáng kể.

Điểm khó nằm ở chỗ phòng sạch không phải tòa nhà thông thường. Phần lớn khí được tuần hoàn qua lọc, còn lượng khí thải và khí tươi nhỏ hơn nhiều. Chọn sai nguồn nhiệt hoặc sai công nghệ có thể tốn kém mà lợi ích không đáng kể.

Bài viết này đi từ câu hỏi “nhiệt nằm ở đâu” đến ba nhóm giải pháp, rồi bàn rủi ro nhiễm chéo và cách đánh giá kinh tế. AIRTECH THẾ LONG tổng hợp theo góc nhìn của đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công phòng sạch.

Thu hồi nhiệt phòng sạch bắt đầu từ bản đồ nguồn nhiệt

Nguồn nhiệt thu hồi được trong phòng sạch gồm khí thải, nhiệt sau dàn lạnh khử ẩm và nhiệt ngưng tụ của chiller. Mỗi nguồn có mức nhiệt, lưu lượng và nơi dùng khác nhau.

Trước hết cần phân biệt khí tuần hoàn và khí tươi. Khí tuần hoàn đi qua FFU hoặc dàn hồi rồi quay lại phòng, nên nhiệt của nó vẫn ở trong hệ. Chỉ phần khí thải ra ngoài mới mang nhiệt đi mất.

Lượng khí tươi bù vào thường xấp xỉ lượng khí thải cộng lượng rò rỉ để giữ chênh áp. Vì vậy tỷ lệ khí tươi trên tổng lưu lượng quyết định “quỹ nhiệt” có thể thu hồi. Phòng có tỷ lệ khí tươi thấp sẽ có ít nhiệt để thu hồi hơn phòng có nhiều hút cục bộ.

Tiêu chuẩn ISO 14644-16 hướng dẫn nâng cao hiệu quả năng lượng cho phòng sạch. Thu hồi nhiệt nên được đặt cạnh các biện pháp khác như giảm lưu lượng hay tối ưu nhiệt độ nước lạnh.

Ba công nghệ trao đổi nhiệt giữa hai luồng khí

Ba công nghệ phổ biến là dàn run-around coil, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và bánh xe quay, khác nhau chủ yếu ở mức độ tách hai luồng khí. Mức tách quyết định phạm vi dùng trong phòng sạch.

Dàn run-around coil gồm hai dàn ống cánh nối bằng vòng chất lỏng, thường là nước hoặc hỗn hợp nước-glycol. Hai luồng khí không tiếp xúc, nên không có đường rò trực tiếp. Theo bài phân tích của Wood, loại này đảm bảo tách hoàn toàn hai luồng.

Bộ trao đổi dạng tấm cho hiệu suất nhiệt hiện cao hơn nhưng các tấm không kín tuyệt đối. Bánh xe quay thu hồi được cả nhiệt ẩn, nhưng có rò rỉ qua gioăng và do cuốn theo.

Hiệu suất run-around thường chỉ ở mức vừa phải. Theo Wood, hiệu suất điển hình khoảng 45–65% khi lưu lượng hai luồng gần bằng nhau. Tổn thất áp khí của dàn nằm trong khoảng 70–400 Pa, và quạt phải bù phần này.

AIRTECH THẾ LONG lưu ý rằng không có công nghệ nào “tốt nhất” cho mọi dự án. Chọn theo mức rủi ro nhiễm chéo của sản phẩm, vị trí đặt AHU và khả năng bảo trì của nhà máy.

Đo rò rỉ giữa hai luồng khí: EATR và OACF

EATR là tỷ lệ khí thải lọt sang luồng khí cấp, còn OACF là hệ số hiệu chỉnh lưu lượng khí ngoài trời do rò rỉ.

Tiêu chuẩn EN 308:2022 quy định phương pháp thử gồm hiệu suất nhiệt và ẩm, tổn thất áp, rò rỉ trong và ngoài, cùng EATR và OACF. Nhờ vậy các nhà sản xuất có thể công bố số đo trên cùng một cơ sở.

Theo hướng dẫn thu hồi nhiệt của Eurovent, rò rỉ phụ thuộc chênh áp giữa hai luồng khí quanh bộ trao đổi. Khi lắp khu vực thổi sạch, EATR của bánh xe có thể giảm rất thấp.

Từ đó có ba yêu cầu thực tế khi thiết kế:

• Đặt quạt cấp sao cho phía cấp luôn có áp suất dương hơn phía thải.
• Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp EATR và OACF tại chênh áp thiết kế.
• Ghi rõ giới hạn rò rỉ cho phép trong hồ sơ yêu cầu người dùng (URS).

Dàn run-around coil trong phòng sạch: thiết kế và vận hành

Dàn run-around phải được chọn sao cho năng lượng quạt và bơm tiêu thụ thêm nhỏ hơn năng lượng nhiệt thu hồi được. Đây là điều kiện để hệ có ý nghĩa kinh tế.

Wood nêu rõ nguyên tắc này: năng lượng dùng cho quạt, bơm và thiết bị phụ phải nhỏ hơn năng lượng tiết kiệm. Dàn càng nhiều hàng ống thì hiệu suất càng cao nhưng tổn thất áp càng lớn. Có một điểm tối ưu cần tìm.

Bài của ISPE về quy định thu hồi nhiệt trong nhà máy dược cũng cảnh báo điều tương tự. Để đạt hiệu suất theo quy định, dàn cần khá sâu, kéo theo tổn thất áp phía khí. Mô hình trong bài còn cho thấy lưu lượng glycol cao làm tăng điện năng bơm.

Có thể chọn dàn run-around theo các bước sau:

1. Xác định lưu lượng khí thải và khí tươi, cùng nhiệt độ thiết kế hai luồng.
2. Chọn số hàng ống và tốc độ khí qua dàn theo tổn thất áp cho phép.
3. Chọn chất lỏng. Mô hình ISPE dùng dung dịch propylene glycol 30%.
4. Tính công suất bơm và tổn thất áp của quạt, so với năng lượng thu hồi.
5. Thiết kế bypass, van điều khiển và cảm biến nhiệt độ hai dàn.
6. Lập kế hoạch bảo trì: kiểm tra nồng độ glycol, làm sạch dàn, kiểm tra bơm.

Nhược điểm cần nêu thẳng. Systemair liệt kê khó đạt hiệu suất cao, không truyền được ẩm, nguy cơ rò glycol và chi phí ống, bơm. Với khu vực không có rủi ro nhiễm chéo, tấm trao đổi nhiệt có thể đơn giản hơn.

Khí hậu nóng ẩm: thu hồi “lạnh” và giới hạn của nhiệt hiện

Ở khí hậu nóng ẩm, thiết bị thu hồi nhiệt hiện chỉ làm mát sơ bộ khí tươi bằng khí thải mát, còn phần ẩn của khí ngoài trời vẫn phải xử lý ở dàn lạnh. Kỳ vọng tiết kiệm cần đặt đúng phạm vi này.

Hiệu suất nhiệt độ ε cho biết nhiệt độ khí tươi tiến gần nhiệt độ khí thải đến mức nào. Nhiệt độ sau thu hồi bằng nhiệt độ ngoài trời trừ ε nhân chênh lệch hai luồng.

Ví dụ minh họa phương pháp, không phải số đo thực tế. Giả sử khí ngoài trời 35 °C, khí thải 24 °C và ε bằng 50%. Khí tươi sau thu hồi còn khoảng 29,5 °C, tức đã bớt 5,5 °C trước khi vào dàn lạnh.

Phần nhiệt ẩn chiếm tỷ trọng lớn trong tải khí tươi, nên mức giảm tải lạnh thực tế thấp hơn mức hiệu suất nhiệt độ gợi ra. Vì vậy không nên lấy một phần trăm cố định từ tài liệu thương mại.

Khi khí ngoài trời không nóng hơn khí thải nhiều, lợi ích giảm và hệ cần dừng bơm hoặc bypass để khỏi tốn điện phụ. AIRTECH THẾ LONG đề nghị mô phỏng theo giờ thay vì chỉ tính tại điểm thiết kế.

Thu hồi nhiệt cho khâu gia nhiệt lại sau khử ẩm

Gia nhiệt lại là việc đưa khí đã làm lạnh sâu về nhiệt độ cấp phòng, và đây là nơi thu hồi nhiệt thường có lợi rõ ràng trong phòng sạch cần kiểm soát ẩm. Nhiệt dùng cho reheat vốn có thể lấy từ chính hệ lạnh.

Khi khử ẩm bằng làm lạnh sâu, khí ra khỏi dàn lạnh quá lạnh so với nhiệt độ cấp. Nếu dùng điện trở, hơi nước hoặc nước nóng để gia nhiệt lại, nhà máy tiêu tốn thêm năng lượng cho cả làm lạnh lẫn gia nhiệt.

Giải pháp ống nhiệt bao quanh dàn lạnh là một cách làm không dùng điện. Theo mô tả của nhà sản xuất ACT, dàn làm mát sơ bộ hạ nhiệt độ khí vào và dàn gia nhiệt sau thu lại phần nhiệt đó. Tại nhà máy của 3M ở Hàn Quốc, dàn làm mát sơ bộ hạ 4,4 °C và dàn gia nhiệt sau cộng lại 4,4 °C ở điều kiện chuẩn.

Theo ACT, sau khi lắp, các dàn reheat chính hiếm khi phải bật. Đây là số liệu của nhà cung cấp tại một nhà máy cụ thể, nên cần đo lại trong điều kiện của bạn trước khi dùng làm cơ sở tính toán.

Một nghiên cứu về điều hòa không khí trong phòng sạch bán dẫn, đăng trên Journal of Building Engineering, xem xét cả việc bỏ gia nhiệt lại và thu hồi nhiệt về khí tươi. Gói biện pháp đề xuất cho một phòng sạch được khảo sát giảm khoảng 20,2% điện năng hằng năm.

Thu hồi nhiệt ngưng tụ từ chiller: khi nào đáng làm

Chiller thu hồi nhiệt có thêm một bình ngưng thứ hai để lấy nhiệt thải làm nước nóng, nhưng chỉ có lợi khi nhà máy cần cả lạnh và nóng cùng lúc. Đây là điều kiện then chốt.

Tài liệu của EPRI về chiller thu hồi nhiệt nêu rõ điều kiện này: cần nhu cầu đồng thời về làm mát và gia nhiệt quanh năm. Nếu nhu cầu nhiệt ít, lợi ích không đáng kể, trong khi chi phí đầu tư lại cao.

EPRI cũng lưu ý chiller thu hồi nhiệt làm việc ở áp suất ngưng tụ cao hơn nên tiêu thụ điện làm lạnh nhiều hơn chiller thường. Vì vậy phải so sánh toàn bộ, gồm điện thêm cho chiller và nhiên liệu tiết kiệm được cho phần nhiệt.

Với phòng sạch, nhiệt ngưng tụ thích hợp nhất cho các nhu cầu sau:

• Nước nóng cho reheat ở các AHU khử ẩm.
• Nước nóng cho vệ sinh, giặt, khu thay đồ và khu phụ trợ.
• Gia nhiệt sơ bộ nước cấp cho nồi hơi hoặc hệ nước nóng.

Ở khí hậu nóng, nhu cầu sưởi theo mùa gần như không có. Giá trị nằm ở reheat và nước nóng công nghệ. Nếu nhà máy chưa có nhu cầu đó, nên cân nhắc biện pháp khác trước.

Đánh giá kinh tế và thẩm định hệ thu hồi nhiệt

Đánh giá thu hồi nhiệt cần tính điện năng tiết kiệm trừ điện năng phụ, rồi so với chi phí đầu tư và bảo trì thêm. Không có thời gian hoàn vốn chung cho mọi nhà máy.

Các tài liệu thương mại thường nêu thời gian hoàn vốn rất khác nhau, kèm điều kiện vận hành riêng. Vì vậy phương pháp đáng tin hơn là tự tính theo số liệu của bạn, theo các bước sau:

1. Lập bảng lưu lượng khí thải, khí tươi, giờ vận hành và nhiệt độ, độ ẩm theo mùa.
2. Chọn nguồn nhiệt ưu tiên: khí thải, reheat hoặc nhiệt ngưng tụ.
3. Tính nhiệt thu hồi theo giờ, không chỉ tại điểm thiết kế.
4. Trừ điện năng phụ của quạt, bơm và bộ điều khiển.
5. Cộng chi phí bảo trì thêm: glycol, dàn, bơm, hiệu chuẩn.
6. So với chi phí đầu tư chênh lệch và đơn giá năng lượng của nhà máy.

Theo ISPE, nhiều bộ luật yêu cầu thu hồi nhiệt từ khí thải HVAC. Nếu dự án chịu quy định đó, thu hồi nhiệt là yêu cầu tuân thủ, không còn là lựa chọn kinh tế.

Bước thẩm định cũng không nên bỏ qua. Sau lắp đặt cần kiểm tra tổn thất áp, lưu lượng, chênh áp hai luồng và rò rỉ. Với khu GMP, thay đổi cấu hình AHU phải qua kiểm soát thay đổi và thẩm định lại.

Để đặt bài toán này vào bức tranh chung, xem thêm bài chi phí phòng sạch điện tử - bán dẫn để đặt bài toán thu hồi nhiệt vào bức tranh chung.

Giải pháp HVAC và phòng sạch của AIRTECH THẾ LONG

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG hoạt động trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, phòng thí nghiệm. Công ty thuộc hệ sinh thái Airtech Group. Nhà máy sản xuất đặt ở hai miền tại Hải Phòng và TP.HCM, với dây chuyền hiện đại nhập từ Châu Âu.

Với bài toán năng lượng, chúng tôi hỗ trợ đánh giá cấu hình hệ thống thông gió HVAC cùng các thiết bị cấp khí sạch như FFU, BFU, HFU. Việc xác định có nên thu hồi nhiệt, ở khâu nào và bằng công nghệ gì dựa trên số liệu vận hành của từng dự án.

Cách làm bắt đầu từ bảng cân bằng khí, lịch vận hành và yêu cầu về nhiễm chéo. Sau đó mới đến chọn công nghệ, kèm tiêu chí nghiệm thu và kế hoạch thẩm định. Thông tin về triển khai xem tại trang thi công phòng sạch.

Chúng tôi không đưa mức tiết kiệm hay thời gian hoàn vốn cố định cho mọi công trình. Con số chỉ có ý nghĩa khi gắn với số liệu đo của chính nhà máy.

Câu hỏi thường gặp

Thu hồi nhiệt có làm ảnh hưởng cấp sạch ISO của phòng không?

Nếu thiết kế đúng, không. Thu hồi nhiệt nằm ở khâu khí tươi và khí thải, trước lọc cuối. Rò rỉ giữa hai luồng và chênh áp vẫn cần kiểm soát và thẩm định.

Phòng sạch dược có dùng bánh xe thu hồi nhiệt được không?

Cần đánh giá rủi ro từng khu. Bánh xe có rò rỉ qua gioăng và cuốn theo, dù giảm được bằng khu vực thổi sạch. Với khu quan trọng, dàn run-around thường được ưu tiên.

Run-around coil có làm giảm độ ẩm khí tươi không?

Không. Dàn này chỉ truyền nhiệt hiện. Muốn giảm ẩm cần dàn lạnh khử ẩm hoặc rotor hút ẩm ở khâu khí tươi.

Thu hồi nhiệt có luôn đáng đầu tư không?

Không luôn luôn. Lợi ích phụ thuộc lưu lượng khí thải, giờ chạy, chênh nhiệt và điện phụ. Hãy tính theo giờ vận hành thực trước khi quyết định.

Chiller thu hồi nhiệt phù hợp khi nào?

Khi nhà máy cần nhiệt và lạnh đồng thời quanh năm, ví dụ reheat hay nước nóng công nghệ. Nếu nhu cầu nhiệt thấp, lợi ích khó bù chi phí đầu tư.

Kết luận

Thu hồi nhiệt phòng sạch hiệu quả khi chọn đúng nguồn nhiệt, đúng công nghệ và có số đo kiểm chứng. Hãy bắt đầu từ bảng cân bằng khí, cân nhắc reheat sau khử ẩm, rồi mới đến khí thải và chiller. Luôn kiểm soát rò rỉ giữa hai luồng khí.

AIRTECH THẾ LONG sẵn sàng tư vấn cho dự án của bạn. Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043. Email: info@thelong.com.vn. Website: thietbiphongsach.vn. Zalo: zalo.me/0915283960.

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG
Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043 | Tel: 024.3873.7717
Email: info@thelong.com.vn | Zalo: 0915283960
Website: thietbiphongsach.vn | Trụ sở: Số 144 Phố Việt Hưng, Tổ 3, P. Việt Hưng, Hà Nội