Truyền nhiệt và BTU

Khoa học đằng sau sự thoải mái

HVAC là nhiệt động lực học ứng dụng. Mọi hệ thống sưởi ấm và làm mát đều hoạt động bằng cách di chuyển nhiệt từ nơi này sang nơi khác. Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học cho chúng ta biết rằng năng lượng không thể được tạo ra hay phá hủy — chỉ được truyền đi. Máy điều hòa không tạo ra lạnh. Nó di chuyển nhiệt từ bên trong tòa nhà ra bên ngoài.

BTU (Đơn vị nhiệt Anh) — Đơn vị năng lượng nhiệt tiêu chuẩn trong ngành HVAC. Một BTU là lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ một pound nước lên một độ Fahrenheit. Hệ thống điều hòa dân dụng thông thường được xếp hạng từ 24.000 đến 60.000 BTU mỗi giờ. Một tấn làm mát bằng 12.000 BTU/giờ — con số này xuất phát từ lượng nhiệt cần thiết để làm tan chảy một tấn đá trong 24 giờ.

Ba phương thức truyền nhiệt:

Dẫn nhiệt — Nhiệt di chuyển qua tiếp xúc trực tiếp giữa các vật liệu. Một ống đồng chứa môi chất lạnh nóng làm ấm tay bạn là dẫn nhiệt. Nhiệt truyền qua thành bộ trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt.

Đối lưu — Nhiệt được mang theo bởi chất lỏng chuyển động (không khí hoặc chất lỏng). Lò sưởi không khí cưỡng bức làm nóng không khí và quạt thổi nó qua các ống dẫn — đó là đối lưu. Môi chất lạnh chảy qua hệ thống mang nhiệt theo đối lưu.

Bức xạ — Nhiệt được truyền bằng sóng điện từ mà không cần môi trường. Mặt trời làm nóng mái nhà là bức xạ. Sưởi sàn bức xạ làm ấm các vật thể trực tiếp mà không cần làm nóng không khí trước.

Nhiệt hiện so với nhiệt ẩn — Nhiệt hiện thay đổi nhiệt độ của một chất và bạn có thể đo bằng nhiệt kế. Nhiệt ẩn thay đổi trạng thái của một chất (lỏng sang khí hoặc khí sang lỏng) mà không thay đổi nhiệt độ của nó. Trong HVAC, nhiệt ẩn rất quan trọng vì môi chất lạnh hấp thụ một lượng nhiệt khổng lồ khi bay hơi từ lỏng sang khí bên trong cuộn dây bay hơi. Sự chuyển pha đó là điều làm cho điều hòa không khí trở nên khả thi.

Nhiệt hiện so với Nhiệt ẩn

Vào một ngày hè ẩm ướt, bạn bước vào một tòa nhà có điều hòa không khí. Không khí cảm thấy mát hơn và khô hơn bên ngoài. Bạn nhận thấy nước nhỏ giọt từ đường thoát nước ngưng tụ gần cụm máy trong nhà.

Bốn thành phần, một vòng khép kín

Trái tim của mọi máy điều hòa và bơm nhiệt

Chu trình làm lạnh nén hơi là động cơ điều khiển mọi máy điều hòa không khí, bơm nhiệt, tủ lạnh và tủ đông. Nó di chuyển nhiệt từ nơi bạn muốn mát sang nơi bạn có thể thải nhiệt ra. Chu trình có bốn thành phần chính được kết nối trong một vòng khép kín.

1. Máy nén — Bơm của hệ thống. Nó lấy hơi môi chất lạnh áp suất thấp, nhiệt độ thấp từ bộ bay hơi và nén thành hơi áp suất cao, nhiệt độ cao. Quá trình nén thêm năng lượng vào môi chất lạnh, nâng nhiệt độ của nó lên cao hơn nhiều so với nhiệt độ không khí ngoài trời để nó có thể thải nhiệt ra bên ngoài. Máy nén là bộ phận đắt tiền nhất và tiêu thụ nhiều điện nhất.

2. Bộ ngưng tụ (cuộn dây ngoài trời) — Hơi áp suất cao, nhiệt độ cao đi vào cuộn dây ngưng tụ. Một quạt thổi không khí ngoài trời qua cuộn dây. Vì môi chất lạnh nóng hơn không khí ngoài trời, nhiệt truyền từ môi chất lạnh sang không khí. Môi chất lạnh giải phóng nhiệt của nó (bao gồm cả nhiệt ẩn mà nó đã hấp thụ bên trong) và ngưng tụ từ hơi thành chất lỏng áp suất cao. Làm mát phụ là quá trình làm lạnh thêm chất lỏng xuống dưới nhiệt độ ngưng tụ của nó — điều này đảm bảo tất cả môi chất lạnh hoàn toàn ở dạng lỏng trước khi đến thiết bị giãn nở.

3. Thiết bị giãn nở (thiết bị định lượng) — Chất lỏng áp suất cao đi qua một vật cản hẹp — van giãn nở nhiệt động (TXV) hoặc lỗ cố định. Sự sụt áp suất đột ngột làm điểm sôi của môi chất lạnh giảm mạnh. Một phần chất lỏng chớp hóa thành hơi, và nhiệt độ giảm đáng kể. Môi chất lạnh bây giờ là hỗn hợp lạnh, áp suất thấp gồm lỏng và hơi.

4. Bộ bay hơi (cuộn dây trong nhà) — Môi chất lạnh lạnh đi vào cuộn dây bay hơi. Không khí trong nhà được thổi qua cuộn dây bởi motor quạt. Môi chất lạnh hấp thụ nhiệt từ không khí trong nhà ấm và bay hơi từ lỏng sang khí. Nhiệt độ siêu nhiệt là quá trình gia nhiệt thêm hơi trên điểm sôi của nó — điều này đảm bảo tất cả môi chất lạnh đã hoàn toàn bay hơi trước khi trở về máy nén, vì chất lỏng lọt vào máy nén có thể phá hủy nó.

Chu trình lặp lại liên tục: nén, ngưng tụ, giãn nở, bay hơi. Nhiệt được hấp thụ trong nhà và thải ra ngoài.

Môi chất lạnh — Chất lỏng làm việc trong chu trình. R-22 (Freon) là tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ nhưng hiện đã bị loại bỏ do làm suy giảm tầng ozone. R-410A thay thế nó trong hầu hết các hệ thống dân dụng. R-454B là thế hệ tiếp theo, với tiềm năng nóng lên toàn cầu thấp hơn. Việc xử lý môi chất lạnh yêu cầu chứng chỉ EPA Section 608 — xả môi chất lạnh ra khí quyển là vi phạm liên bang.

Theo dõi chu trình

Một chủ nhà gọi điện và nói máy điều hòa của họ đang chạy nhưng không làm mát. Bạn đến và thấy quạt của cụm máy ngoài trời đang quay, máy nén đang chạy, và quạt trong nhà đang lưu thông không khí. Nhưng không khí đến từ các cửa cấp khí lại ấm. Bạn kiểm tra các đường môi chất lạnh và nhận thấy đường hút lớn (vốn phải lạnh và có hơi nước ngưng tụ bên ngoài) lại ấm khi chạm vào.

Lò sưởi, Bơm nhiệt và Nồi hơi

Cách các tòa nhà được sưởi ấm

Trong khi điều hòa không khí chiếm ưu thế trong công việc mùa hè, các hệ thống sưởi ấm giữ cho kỹ thuật viên HVAC bận rộn suốt mùa đông. Ba công nghệ sưởi ấm chính đều có nguyên lý hoạt động riêng biệt.

Lò sưởi gas — Đốt khí tự nhiên hoặc propane trong buồng đốt. Các khí đốt nóng đi qua bộ trao đổi nhiệt — một bộ ống kim loại hoặc cụm dạng vỏ sò. Không khí trong nhà thổi qua bên ngoài bộ trao đổi nhiệt, hấp thụ nhiệt, và được phân phối qua hệ thống ống dẫn. Các khí đốt thải ra ngoài qua ống khói hoặc ống thông gió PVC. Bộ trao đổi nhiệt bị nứt là một trong những sự cố nguy hiểm nhất trong HVAC — nó cho phép khí carbon monoxide (CO) trộn lẫn với nguồn cung không khí trong nhà. Phân tích quá trình đốt cháy hàng năm (kiểm tra mức CO, áp suất gas, độ tăng nhiệt độ và luồng khói) là công việc an toàn quan trọng.

Bơm nhiệt — Cùng chu trình làm lạnh như máy điều hòa không khí, nhưng có van đảo chiều chuyển đổi hướng dòng chảy của môi chất lạnh. Ở chế độ làm mát, nó di chuyển nhiệt từ trong ra ngoài, giống như máy điều hòa tiêu chuẩn. Ở chế độ sưởi ấm, van đảo chiều lật, và hệ thống di chuyển nhiệt từ không khí ngoài trời vào tòa nhà. Cuộn dây ngoài trời trở thành bộ bay hơi (hấp thụ nhiệt từ không khí bên ngoài) và cuộn dây trong nhà trở thành bộ ngưng tụ (giải phóng nhiệt bên trong). Bơm nhiệt có thể chiết xuất nhiệt từ không khí ngoài trời ngay cả ở nhiệt độ thấp, mặc dù hiệu suất của chúng giảm khi nhiệt độ giảm. Hầu hết các hệ thống bơm nhiệt bao gồm thanh điện trở điện phụ trợ cho những ngày cực kỳ lạnh.

Nồi hơi — Đun nóng nước (hệ thống thủy lực) hoặc tạo ra hơi nước và phân phối qua đường ống đến các bộ tản nhiệt, bộ sưởi chân tường, hoặc ống sàn bức xạ. Nồi hơi đốt gas, dầu, hoặc sử dụng các bộ phận điện. Các hệ thống thủy lực phổ biến trong các tòa nhà cũ và trong các ứng dụng thương mại. Công việc nồi hơi liên quan đến việc hiểu hóa học nước, van an toàn áp suất, bình giãn nở và máy bơm tuần hoàn.

Chỉ số hiệu suất — Lò sưởi được xếp hạng bởi AFUE (Hiệu suất sử dụng nhiên liệu hàng năm). Lò sưởi 96% AFUE chuyển đổi 96% năng lượng nhiên liệu thành nhiệt. Bơm nhiệt được xếp hạng bởi HSPF (Hệ số hiệu suất sưởi ấm theo mùa) để sưởi ấm và SEER (Tỷ lệ hiệu suất năng lượng theo mùa) để làm mát. Con số cao hơn có nghĩa là hiệu suất cao hơn.

Bơm nhiệt so với Lò sưởi

Một chủ nhà ở khí hậu ôn hòa (mùa đông khoảng 30-40 độ Fahrenheit) hỏi bạn liệu họ có nên thay thế lò sưởi gas cũ bằng bơm nhiệt không. Họ muốn tiết kiệm tiền điện và giảm lượng khí thải carbon.

Hệ thống ống dẫn, Lưu lượng không khí và Lọc khí

Đưa không khí đến đúng nơi cần thiết

Lò sưởi hay máy điều hòa tốt nhất trên thế giới cũng vô dụng nếu hệ thống phân phối không khí không thể đưa không khí đã được điều hòa đến mọi phòng. Thiết kế hệ thống ống dẫn và quản lý lưu lượng không khí là kỹ năng cốt lõi của HVAC.

Các loại ống dẫn — Tấm kim loại (hình chữ nhật cứng hoặc tròn), ống flex (ống cách nhiệt linh hoạt) và tấm ống dẫn (tấm sợi thủy tinh cứng). Tấm kim loại bền nhất và hiệu quả nhất. Ống flex rẻ hơn và dễ lắp đặt hơn nhưng phải được kéo căng — ống flex bị gấp khúc hoặc bị nén sẽ giết chết lưu lượng không khí. Mỗi loại có các ứng dụng cụ thể dựa trên tòa nhà, ngân sách và yêu cầu của quy chuẩn.

Đo lưu lượng không khí — Thể tích không khí được đo bằng CFM (cubic feet per minute — feet khối mỗi phút). Mỗi phòng yêu cầu một lượng CFM cụ thể dựa trên kích thước, tải nhiệt và số lượng người sử dụng. Một ngôi nhà 2.000 feet vuông thông thường có thể cần tổng cộng 800-1.200 CFM. Kỹ thuật viên sử dụng máy đo lưu lượng gió hoặc máy đo lưu lượng để đo CFM tại mỗi cửa cấp khí.

Áp suất tĩnh — Sức cản đối với lưu lượng không khí trong hệ thống ống dẫn, được đo bằng inch cột nước (in. w.c.) với áp kế. Hãy nghĩ về nó như huyết áp — quá cao có nghĩa là có thứ gì đó đang hạn chế dòng chảy (bộ lọc bẩn, ống dẫn bị xẹp, hệ thống ống dẫn có kích thước không đủ). Quá thấp có nghĩa là rò rỉ hoặc quạt thổi yếu. Áp suất tĩnh ngoài tổng mục tiêu cho hầu hết các hệ thống dân dụng là 0,50 in. w.c. hoặc thấp hơn. Áp suất tĩnh cao buộc quạt thổi phải làm việc nhiều hơn, lãng phí năng lượng, giảm lưu lượng không khí và rút ngắn tuổi thọ thiết bị.

Lọc khí — Bộ lọc không khí loại bỏ bụi, phấn hoa và các hạt lơ lửng khỏi không khí tái tuần hoàn. Bộ lọc được xếp hạng bởi MERV (Giá trị báo cáo hiệu suất tối thiểu) từ 1 đến 20. Bộ lọc dân dụng tiêu chuẩn là MERV 8-11. Cấp độ bệnh viện là MERV 13-16. MERV cao hơn có nghĩa là lọc tốt hơn nhưng cũng có áp suất tĩnh cao hơn — bộ lọc quá hạn chế đối với hệ thống sẽ làm nghẹt lưu lượng không khí và có thể làm đóng băng cuộn dây bay hơi.

Không khí hồi — Hầu hết các hệ thống có ống cấp khí (cung cấp không khí đã điều hòa) và ống hồi khí (kéo không khí trở lại cụm máy để tái điều hòa). Không đủ không khí hồi là một trong những vấn đề ống dẫn dân dụng phổ biến nhất — nó tạo ra sự mất cân bằng áp suất, làm cửa đập mạnh, và buộc hệ thống phải làm việc chống lại chính nó.

Chẩn đoán vấn đề lưu lượng không khí

Một chủ nhà phàn nàn rằng phòng ngủ trên tầng của họ luôn quá nóng vào mùa hè trong khi tầng dưới vẫn thoải mái. Hệ thống là máy điều hòa một vùng với một bộ điều nhiệt đặt ở tầng dưới. Hệ thống ống dẫn chạy qua gác mái nóng để đến các cửa cấp khí tầng trên. Bạn đo áp suất tĩnh và thấy nó là 0,85 in. w.c. — cao hơn nhiều so với mục tiêu 0,50.

Bước vào Nghề

Nghề nghiệp HVAC và Chứng chỉ

HVAC là một trong những ngành nghề lành nghề có nhu cầu cao nhất trong cả nước. Cục Thống kê Lao động dự báo tăng trưởng việc làm nhanh hơn mức trung bình, và kỹ thuật viên có kinh nghiệm đang thiếu hụt. Công việc không thể chuyển ra nước ngoài — các tòa nhà cần kỹ thuật viên địa phương có thể đến và sửa hệ thống.

Chứng chỉ EPA Section 608 — Theo quy định của pháp luật liên bang để mua hoặc xử lý môi chất lạnh. Có bốn loại: Loại I (thiết bị nhỏ), Loại II (hệ thống áp suất cao như điều hòa dân dụng), Loại III (hệ thống áp suất thấp như máy làm lạnh lớn) và Phổ thông (tất cả các loại). Hầu hết kỹ thuật viên HVAC lấy chứng chỉ Phổ thông sớm trong quá trình đào tạo. Bài kiểm tra bao gồm xử lý môi chất lạnh, thu hồi, tái chế và các quy định về môi trường.

Chứng chỉ NATE — North American Technician Excellence (Xuất sắc Kỹ thuật viên Bắc Mỹ), chứng chỉ hàng đầu trong ngành. Các bài kiểm tra NATE bao gồm các loại hệ thống cụ thể (điều hòa không khí, bơm nhiệt, lò sưởi gas, v.v.) và xác nhận kỹ năng chẩn đoán thực tế. Nhiều nhà tuyển dụng ưu tiên hoặc yêu cầu kỹ thuật viên có chứng chỉ NATE.

Học nghề so với Trường dạy nghề — Các chương trình trường dạy nghề (6 tháng đến 2 năm) dạy kiến thức cơ bản trong lớp học và phòng thí nghiệm. Học nghề theo công đoàn (thường 4-5 năm) kết hợp hướng dẫn trong lớp với đào tạo nghề được trả lương dưới sự giám sát của thợ bậc cao. Cả hai con đường đều dẫn đến sự nghiệp, nhưng học nghề trả lương cho bạn trong khi học và cho bạn hàng nghìn giờ kinh nghiệm thực địa được giám sát.

Dân dụng so với Thương mại — Kỹ thuật viên dân dụng làm việc trong các ngôi nhà — hệ thống phân tách, lò sưởi, hệ thống ống dẫn. Kỹ thuật viên thương mại làm việc trên các thiết bị lớn hơn — cụm máy mái, máy làm lạnh, tháp làm mát, hệ thống tự động hóa tòa nhà và hệ thống thể tích không khí biến đổi (VAV). Công việc thương mại phức tạp hơn và thường trả lương cao hơn.

Chuyên môn hóa — Làm lạnh (siêu thị, kho lạnh, dịch vụ thực phẩm), điều khiển và tự động hóa tòa nhà (hệ thống DDC, BACnet, bộ điều khiển lập trình được), chất lượng không khí trong nhà, kiểm toán năng lượng và thiết kế hệ thống. Kỹ thuật viên HVAC học được điều khiển và tự động hóa đang có nhu cầu đặc biệt cao khi các tòa nhà ngày càng thông minh hơn.

Thu nhập — Kỹ thuật viên HVAC mới vào nghề thường bắt đầu ở mức $35.000-$45.000. Kỹ thuật viên dân dụng có kinh nghiệm kiếm được $50.000-$75.000. Kỹ thuật viên thương mại và công nghiệp với chứng chỉ và chuyên môn hóa có thể kiếm được $75.000-$100.000 hoặc hơn. Chủ doanh nghiệp và nhà thầu không có giới hạn thu nhập.

Lên kế hoạch Con đường của Bạn

Kết nối HVAC với Tương lai của Bạn

Bây giờ bạn đã biết về nhiệt động lực học đằng sau sưởi ấm và làm mát, chu trình làm lạnh, cách lò sưởi và bơm nhiệt tạo ra nhiệt, và cách hệ thống ống dẫn cung cấp không khí đã điều hòa cho một tòa nhà.