Cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm

Nhiệt do máy móc thiết bị điện tỏa ra Q1

3.2.1.1 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  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 :

q1=Nη size 12{q rSub { size 8{1} } = { {N} over {η} } } {}(3-6) - Trường hợp 1: Toàn bộ năng lượng cung cấp cho động cơ đều được biến thành nhiệt năng và trao đổi cho không khí trong phòng. Nhưng do công suất N được tính là công suất đầu ra nên năng lượng mà động cơ tiêu thụ là

 - 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.

q₁ = N (3-7)

q1=N.(1−η)η size 12{q rSub { size 8{1} } = { {N "." ( 1 - η ) } over {η} } } {}(3-8) - 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:

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:

Q₁ = Σq₁.K_tt.k_đt (3-9)

K_tt - hệ số tính toán bằng tỷ số giữa công suất làm việc thực với công suất định mức.

K_đt - 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 Q 2

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.

Q₂₁ = N_S , kW (3-10)

N_S - 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 :

Q₂₂ = 1,25.N_hq , kW (3-11)

N_hq : Tổng công suất đèn huỳnh quang, kW

Q₂ = Q₂₁ + Q₂₂ , kW (3-12)

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.

Như vậy tổn thất do nguồn sáng nhân tạo , trong trường hợp này được tính theo công thức

Q₂ = q_s.F, W (3-13)

trong đó F - diện tích sàn nhà, m²

q_s - Công suất chiếu sáng yêu cầu cho 1m² diện tích sàn, W/m²

Nhiệt do người tỏa ra Q 3

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 : q_h

- Nhiệt ẩn : Do tỏa ẩm (mồ hôi và hơi nước mang theo) : q_W

- Nhiệt toàn phần : Nhiệt toàn phần bằng tổng nhiệt hiện và nhiệt ẩn :

q = q_h + q_W (3-14)

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 :

Q_3h = n.q_h . .10^-3, kW

- Nhiệt ẩn:

Q_3w = n.q_w . .10^-3, kW

- Nhiệt toàn phần:

Q₃ = n.q.10^-3 , kW (3-15)

n - Tổng số người trong phòng

q_h, q_w, 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 _đt. 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.

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 6000^OK trong khi ở tâm đạt đến 840.10^{6 o}K

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

Q₆ = Q₆₁ + Q₆₂ (3-20)

a. 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 α_m=6%, hệ số phản xạ ρ_m = 8% (ứng với góc tới của tia bức xạ là 30^o)

Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính được tính theo công thức :

Q₆₁ = F_k.R.ε_c.ε_ds.ε_mmε_kh.ε_K.ε_m, W (3-21)

trong đó :

+ F_k - Diện tích bề mặt kính, m². Nếu khung gổ F_k = 0,85 F’ (F’ Diện tích phần kính và khung), khung sắt F_k = F’

+ R- Nhiệt bức xạ mặt trời qua cửa kính cơ bản vào phòng . Giá trị R cho ở bảng 3-7

(3 -22) εc=1+0,023H1000 size 12{ε rSub { size 8{c} } =1+0,"023" { {H} over {"1000"} } } {}+ ε_c - Hệ số tính đến độ cao H (m) nơi đặt cửa kính so với mực nước biển:

(3-23)+ ε_ds - Hệ số xét tới ảnh hưởng của độ chênh lệch nhiệt độ đọng sương so với 20^oC

εds=1−0,13.ts−2010 size 12{ε rSub { size 8{ ital "ds"} } =1 - 0,"13" "." { {t rSub { size 8{s} } - "20"} over {"10"} } } {}+ ε_mm - Hệ số xét tới ảnh hưởng của mây mù . Trời không mây lấy ε_mm = 1, trời có mây ε_mm=0,85

+ ε_kh - 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 ε_kh = 1, khung kim loại ε_kh = 1,17

+ ε_K - Hệ số kính, phụ thuộc màu sắc và loại kính khác kính cơ bản và lấy theo bảng 3-5

Nhiệt do lọt không khí vào phòng Q7

Khi có độ chênh áp suất trong nhà và bên ngoài thì sẽ có hiện tượng rò rỉ không khí . Việc này luôn luôn kèm theo tổn thất nhiệt.

Nói chung việc tính tổn thất nhiệt do rò rỉ thường rất phức tạp do khó xác định chính xác lưu lượng không khí rò rỉ. Mặt khác các phòng có điều hòa thường đòi hỏi phải kín. Phần không khí rò rỉ có thể coi là một phần khí tươi cung cấp cho hệ thống.

Q₇ = L₇.(I_N - I_T) = L₇ .C_p(t_N-t_T) + L₇.r_o(d_N-d_T) (3-28)

L₇ - Lưu lượng không khí rò rỉ, kg/s

I_N, I_T - Entanpi của không khí bên ngoài và bên trong phòng, kJ/kg

t_T, t_N - Nhiệt độ của không khí tính toán trong nhà và ngoài trời, ^oC

d_T, d_N - Dung ẩm của không khí tính toán trong nhà và ngoài trời, g/kg.kk

Tuy nhiên, lưu lượng không khí rò rỉ L_rr thường không theo quy luật và rất khó xác định. Nó phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất, vận tốc gió, kết cấu khe hở cụ thể, số lần đóng mở cửa ...vv. Vì vậy trong các trường hợp này có thể xác định theo kinh nghiệm

Q_7h = 0,335.(t_N - t_T).V. , W (3-29)

Q_7w = 0,84.(d_N - d_T).V. , W (3-30)

V - Thể tích phòng, m³

 - Hệ số kinh nghiệm cho theo bảng 3.10 dưới đây

Bảng 3.10 : Hệ số kinh nghiệm 

Thể tích V, m3	< 500	500	1000	1500	2000	2500	> 3000
	0,7	0,6	0,55	0,5	0,42	0,4	0,35

Tổng lượng nhiệt do rò rỉ không khí:

Q₇ = Q_7h + Q_7w (3-31)

Trong trường hợp ở các cửa ra vào số lượt người qua lại tương đối nhiều , cần bổ sung thêm lượng không khí .

G_c = L_c.n.ρ (3-32)

G_c - Lượng không khí lọt qua cửa, kg/giờ

L_c - Lượng không khí lọt qua cửa khi 01 người đi qua, m³/người

n - Số lượt người qua lại cửa trong 1 giờ.

ρ - Khối lượng riêng của không khí, kg/m³

Như vậy trong trường hợp này cần bổ sung thêm

Q’_7h = 0,335.(t_N - t_T).L_c.n , W (3-33)

Q’_7w = 0,84.(d_N - d_T). L_c.n , W (3-34)

Bảng 3-11 dưới đây dẫn ra lượng khô khí lọt qua cửa khi 01 người đi qua.

Bảng 3-11 : Lượng không khí lọt qua của L_c, m³/người

Nhiệt truyền qua kết cấu bao che Q8

Người ta chia ra làm 2 tổn thất

- Tổn thất do truyền nhiệt qua trần mái, tường và sàn (tầng trên) : Q₈₁

- Tổn thất do truyền nhiệt qua nền : Q₈₂

Tổng tổn thất truyền nhiệt

Q₈ = Q₈₁ + Q₈₂ (3-35)

Nhiệt truyền qua tường, trần và sàn tầng trên Q 81

Nhiệt lượng truyền qua kết cấu bao che được tính theo công thức sau đây :

Q₈₁ = k.F.Δt (3-36)

k -Hệ số truyền nhiệt của kết cấu bao che, W/m².^oC

F - Diện tích bê mặt kết cấu bao che

Δt - Độ chênh nhiệt độ tính toán, ^oC

Xác định độ chênh nhiệt độ tính toán.

- Mùa hè :

Δt_H = φ.(t_N - t_T) (3-37)

- Mùa Đông :

Δt_Đ = φ.(t_T - t_N) (3-38)

t_T - Nhiệt độ tính toán trong phòng, ^oC

t_N - Nhiệt độ tính toán bên ngoài, ^oC

φ - Hệ số tính đến vị trí của kết cấu bao che đối với không khí bên ngoài

a) Đối với tường bao

Đối với tường bao trực tiếp xúc với môi trường không khí bên ngoài thì φ = 1. Trường hợp tường ngăn nằm bên trong công trình không trực tiếp tiếp xúc với không khí bên ngoài trời thì hệ số φ sẽ được chọn tuỳ trường hợp cụ thể dưới đây.

b) Đối với trần có mái

- Mái bằng tôn, ngói, fibrô xi măng với kết cấu không kín φ = 0,9

- Mái bằng tôn, ngói, fibrô xi măng với kết cấu kín φ = 0,8

- Mái nhà lợp bằng giấy dầu φ = 0,75

c) Tường ngăn với phòng không có điều hoà (phòng đệm)

- Nếu phòng đệm tiếp xúc với không khí bên ngoài φ = 0,7

- Nếu phòng đệm không tiếp xúc với không khí bên ngoài φ = 0,4

d) Đối với sàn trên tầng hầm

- Tầng hầm có cửa sổ φ = 0,6

- Tầng hầm không có cửa sổ φ = 0,4

e) Đối với tường ngăn với phòng có điều hoà

Trong trường hợp này ta không tính φ = 0

Xác định hệ số truyền nhiệt qua tường và trần.

(3-39)

k=1Ro=11αT+∑δiλi+1αN size 12{k= { {1} over {R rSub { size 8{o} } } } = { {1} over { { {1} over {α rSub { size 8{T} } } } + sum { {δi} over {λi} } + { {1} over {α rSub { size 8{N} } } } } } } {}α_T - Hệ số toả nhiệt bề mặt bên trong của kết cấu bao che, W/m², ^oC

α_T - Hệ số toả nhiệt bề mặt bên ngoài của kết cấu bao che, W/m², ^oC

δi, - Chiều dày của lớp thứ i , m

λi - Hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i, W/m.^oC

a) Hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài và bên trong phòng

Bảng 3.12 : Hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài và bên trong

Dạng và vị trí bề mặt kết cấu bao che	αT W/m2.oC	αNW/m2.oC
- Bề mặt tường, trần, sàn nhẵn	11,6
- Bề mặt tường, trần, sàn có gờ, tỷ số chiều cao của gờ và khoảng cách 2 mép gờ < 0,24	8,7
- Trần có gờ h/a = 0,23 -0,3	8,1
- Trần có gờ h/a > 0,3	7,6
- Tường ngoài, sàn, mái tiếp xúc trực tiếp không khí bên ngoài.		23,3
- Bề mặt hướng ra hầm mái, hoặc hướng ra các phòng lạnh , sàn trên tầng hầm		11,6

b) Nhiệt trở của lớp không khí

Nếu trong kết cấu bao che có lớp đệm không khí thì tổng nhiệt trở dẫn nhiệt phải cộng thêm nhiệt trở của lớp không khí này. Thường lớp đệm này được làm trên trần để chống nóng.

Bảng 3.13 : Trị số nhiệt trở của không khí R kk

Ghi chú:

Trị số R_kk cho ở bảng trên đây ứng với độ chênh nhiệt độ trên 2 bề mặt của lớp không khí Δt = 10^oC. Nếu Δt ≠ 10^oC ta cần nhân trị số cho ở bảng 3-14 dưới đây

Tổng lượng nhiệt thừa QT

QT=∑i=18Q,,kW size 12{Q rSub { size 8{T} } = Sum rSub { size 8{i=1} } rSup { size 8{8} } {Q rSub { size 8{,} } , ital "kW"} } {}(3-42)Tổng nhiệt thừa của phòng :

Nhiệt thừa Q_T được sử dụng để xác định năng suất lạnh của bộ xử lý không khí trong chương 4. Không nên nhầm lẫn khi cho rằng nhiệt thừa Q_T chính là năng suất lạnh của bộ xử lý không khí .

Tổng nhiệt thừa của phòng Q_T gồm nhiệt hiện Q_hf và nhiệt ẩn Q_wf của phòng.

- Tổng nhiệt hiện của phòng :

Q_hf = Q₁ + Q₂ + Q_3h + Q_4h + Q₅ + Q₆ + Q_7h + Q₈

- Tổng nhiệt ẩn của phòng :

Q_wf = Q_3w + Q_4w + Q_7w

Như đã trình bày ở trên , trường hợp không gian khảo sát là nhà hàng thì bình quân mỗi người cộng thêm 20W do thức ăn toả ra , trong đó 10W là nhiệt hiện và 10w là nhiệt ẩn.

Lượng ẩm do người tỏa ra W1

Lượng ẩm do người tỏa ra được xác định theo công thức sau :

W₁ = n.g_n , kg/s (3-43)

n - Số người trong phòng.

g_n - Lượng ẩm do 01 người tỏa ra trong phòng trong một đơn vị thời gian, kg/s

Lượng ẩm do 01 người toả ra g_n phụ thuộc vào cường độ lao động và nhiệt độ phòng. Trị số g_n có thể tra cứu theo bảng 3.16 dưới đây :

Bảng 3.16 : Lượng ẩm do người tỏa ra, g/giờ,người

Trạng thái lao động
Nhiệt độ không khí trong phòng, oC
10	15	20	25	30	35
Trẻ em dưới 12 tuổi	15	18	22	25	35	60
Tĩnh tại	30	40	40	50	75	115
Lao động trí học (cơ quan, trường học)	30	40	75	105	140	180
Lao động nhẹ	40	55	75	115	150	200
Lao động trung bình	70	110	140	185	230	280
Lao động nặng	135	185	240	295	355	415
Phòng ăn, khách sạn		90	90	171	165	250
Vũ trường		160	160	200	305	465

Lượng ẩm bay hơi từ các sản phẩm W 2

Khi đưa các sản phẩm ướt vào phòng thì có một lượng hơi nước bốc vào phòng. Ngược lại nếu đưa sản phẩm khô thì nó