Trong các thiết kế HVAC, việc duy trì môi trường nhiệt lý tưởng phụ thuộc rất lớn vào cách năng lượng được trao đổi giữa vật liệu bao quanh không gian điều hòa và môi trường xung quanh. Bề mặt của tường, trần hay các bộ phận che chắn trong công trình chính là nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt quan trọng nhất.
Để hạn chế tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và chọn vật liệu cách nhiệt phù hợp, chúng ta cần hiểu rõ khái niệm “cân bằng năng lượng tại bề mặt”. Bài viết này này trước hết tập trung nêu chủ đề chính, sau đó chia nội dung thành các phần nhỏ giải thích khái niệm, ý nghĩa và cuối cùng ứng dụng trong thiết kế tối ưu hệ thống HVAC.
Cân bằng năng lượng tại bề mặt là gì?
Trước hết, cần phân tích hiện tượng năng lượng trao đổi ngay tại bề mặt vật liệu. Khi bức xạ từ ánh sáng mặt trời hoặc nhiệt từ không khí bên ngoài tác động vào bề mặt, năng lượng này không chỉ được truyền trực tiếp vào cấu trúc của tường hoặc vật liệu cách nhiệt mà còn lan sâu vào bên trong, đồng thời nhiệt lượng từ bên trong công trình có xu hướng thoát ra ngoài do chênh lệch nhiệt độ.
Quá trình trao đổi năng lượng này diễn ra thông qua nhiều cơ chế như dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Để có thể phân tích chính xác quá trình này, các nhà kỹ sư thiết kế HVAC thường áp dụng khái niệm “Thể tích Kiểm soát” – một vùng không gian được xác định xung quanh bề mặt vật liệu nhằm quan sát và đánh giá các dòng năng lượng đi vào và ra ngoài.
Ta nhận thấy rằng bề mặt vật liệu, do khối lượng thực tế rất nhỏ, không có khả năng tích trữ năng lượng đáng kể mà chủ yếu đóng vai trò là môi trường chuyển giao giữa năng lượng bên ngoài và bên trong công trình. Thông qua việc phân tích 1 vùng thể tích này không chỉ giúp cho việc phân tách các cơ chế truyền nhiệt một cách rõ ràng mà còn hỗ trợ đánh giá hiệu quả của các giải pháp cách nhiệt trong thiết kế công trình.
Tiếp theo, ta đi vào ý nghĩa của cân bằng năng lượng tại bề mặt trong việc thiết kế hệ thống HVAC. Mục tiêu của HVAC là kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, và lưu lượng không khí trong không gian ở mức tối ưu. Khi bề mặt bên ngoài chịu tác động từ môi trường, nếu quá trình truyền nhiệt không được tính toán kỹ, tổn thất nhiệt có thể xảy ra rất lớn.
Điều này làm tăng chi phí vận hành, gây quá tải cho thiết bị điều hòa không khí và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định nhiệt độ trong phòng. Ngược lại, nếu hiểu và ứng dụng đúng các nguyên lý cân bằng năng lượng, kỹ sư có thể lựa chọn vật liệu cách nhiệt phù hợp, từ đó giảm đáng kể tổn thất nhiệt. Việc này bảo đảm hiệu suất truyền nhiệt cao hơn, góp phần tối ưu hóa vận hành của hệ thống HVAC.
Khi chỉ xét tại bề mặt, không gian vật lý đang được phân tích không có bất kỳ khối lượng nào để tích lũy năng lượng. Do vậy, các phương trình thành phần sinh hoặc lưu trữ nhiệt trong vật liệu không còn nằm trong phương trình. Ta chỉ còn cân bằng giữa năng lượng đi vào và đi ra bề mặt, như phương trình thể hiện.
E_in − E_out = 0
trong đó E_in biểu thị tất cả dòng năng lượng truyền đến bề mặt (kể cả dẫn nhiệt, bức xạ tới, hay nhiệt được mang đến bởi không khí nóng), còn E_out là tổng năng lượng thất thoát từ bề mặt qua đối lưu với môi trường, bức xạ ra ngoài, hoặc tản nhiệt vào không khí. Nếu phân tích trên một đơn vị diện tích bề mặt, phương trình này được diễn đạt cụ thể hơn:
q_cond′′ − q_conv′′ − q_rad′′ = 0
Ở đây, q_cond′′ là mật độ nhiệt lượng được dẫn đến bề mặt (từ phía trong vật liệu), q_conv′′ là mật độ nhiệt lượng trao đổi qua đối lưu với không khí xung quanh, và q_rad′ là mật độ nhiệt lượng trao đổi thông qua bức xạ. Hai phương trình này thể hiện nguyên tắc nền tảng: nếu không có nguồn nhiệt sinh ra tại bề mặt, năng lượng đến bề mặt và rời bề mặt phải cân bằng nhau.
Từ nguyên lý trên, có thể thấy ảnh hưởng rõ rệt đối với hệ thống HVAC. Khi bề mặt kết nối với môi trường ngoài, mức chênh lệch nhiệt độ giữa không khí trong phòng và bên ngoài sẽ quyết định chiều và cường độ truyền nhiệt. Nếu bề mặt vật liệu cách nhiệt kém, tổn thất nhiệt qua tường sẽ rất lớn, máy điều hòa phải làm việc liên tục để bù đắp, gây lãng phí năng lượng và làm giảm tuổi thọ thiết bị.
Trong thiết kế HVAC nó ảnh hưởng như thế nào?
Đối với kỹ sư HVAC, việc áp dụng đầy đủ các yếu tố trong cân bằng năng lượng bề mặt sẽ cho phép chọn kết cấu tường, chiều dày và loại vật liệu cách nhiệt tối ưu, nhằm duy trì điều kiện vi khí hậu ổn định với chi phí vận hành thấp.
Một ví dụ điển hình là khi ta thiết kế hệ thống điều hòa cho một tòa nhà cao tầng. Kỹ sư cần đánh giá mức độ hấp thụ nhiệt của tường ngoài khi trời nắng, cũng như lượng nhiệt thoát ra khi bên trong ấm hơn bên ngoài vào mùa lạnh. Cân bằng năng lượng tại bề mặt giúp xác định cần bao nhiêu lớp hoặc loại vật liệu cách nhiệt để giảm thiểu truyền nhiệt.
Song song, ta còn phải xem xét hiện tượng bức xạ nhiệt từ mặt trời hoặc từ vật thể xung quanh. Chính điều này đòi hỏi cần kiểm soát tính phản xạ, độ bóng và màu sắc bề mặt vật liệu để hạn chế hấp thụ nhiệt không cần thiết, hoặc tận dụng bức xạ cho sưởi ấm thụ động vào mùa đông, tùy thiết kế cụ thể.
Kỹ sư phải tính toán cả đối lưu tại bề mặt (phụ thuộc tốc độ gió, hình dạng công trình, bố trí cửa gió) khi thiết kế toàn bộ hệ HVAC. Nếu bỏ qua yếu tố đối lưu, kết quả tính toán sẽ sai lệch, dẫn đến chọn sai công suất máy điều hòa, gây lãng phí và ảnh hưởng chất lượng không khí.
Như vậy, cân bằng năng lượng tại bề mặt không chỉ dừng ở vật liệu, mà còn chi phối thiết kế tổng thể. Khi áp dụng chặt chẽ các phương trình trên cho dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ, kỹ sư có thể giảm thiểu tổn thất nhiệt, tăng hiệu suất máy điều hòa, hạ chi phí vận hành, đồng thời kéo dài tuổi thọ hệ thống. Qua đó, giải pháp cách nhiệt và bố trí thông gió được tối ưu, phù hợp đặc điểm khí hậu địa phương.