Chiller: Cấu tạo & cách hoạt động hệ thống làm mát (2025)

Chiller - cái tên có vẻ khá mới lạ với những anh em chưa tìm hiểu về nó, nhưng thực tế, hệ thống chiller lại là một thành phần không thể thiếu trong rất nhiều ngành công nghiệp và các tòa nhà lớn. Nó được ứng dụng rộng rãi từ làm lạnh trong công nghiệp thực phẩm, y tế, điện tử… đến điều hòa không khí cho các trung tâm thương mại, văn phòng. Để hiểu rõ hơn về Chiller, anh em cùng mình tìm hiểu về cấu tạo và cách hoạt động của nó trong bài viết dưới đây nhé.

1. Hệ thống chiller là gì?

Về cơ bản, Chiller chính là máy sản xuất nước lạnh. Nước lạnh này sau đó được phân phối đến các khu vực cần làm mát hoặc giải nhiệt.

Hệ thống chiller là một hệ thống máy móc phức tạp bao gồm máy chiller làm trung tâm, cùng với các thiết bị phụ trợ như bơm nước, đường ống, tháp giải nhiệt (đối với chiller giải nhiệt nước), và các thiết bị sử dụng nước lạnh (như FCU, AHU trong điều hòa không khí hoặc các bộ trao đổi nhiệt trong công nghiệp).

Hệ thống chiller thường được lắp đặt tập trung tại một phòng kỹ thuật và phân phối nước lạnh đi khắp tòa nhà hoặc nhà máy. Vì vậy, nó còn được xem là trái tim của hệ thống điều hòa không khí trung tâm (Water Chiller System) hoặc hệ thống giải nhiệt công nghiệp.

Công dụng chính của hệ thống chiller là:

• Trong điều hòa không khí (HVAC): Sản xuất nước lạnh (thường ở nhiệt độ 7°C - 12°C) để cấp cho các dàn lạnh như FCU (Fan Coil Unit) hoặc AHU (Air Handling Unit), từ đó làm mát không khí cho các tòa nhà lớn (trung tâm thương mại, văn phòng, khách sạn...).
• Trong công nghiệp: Cung cấp nước lạnh để giải nhiệt cho máy móc, thiết bị (máy ép nhựa, máy laser, thiết bị y tế...), làm lạnh sản phẩm trong quá trình sản xuất (thực phẩm, đồ uống, hóa chất...).

Bản thân máy chiller hoạt động dựa trên một chu trình làm lạnh bằng môi chất (gas lạnh), bao gồm 4 thiết bị chính là: máy nén (Compressor), thiết bị ngưng tụ (Condenser), van tiết lưu (Expansion Valve), và thiết bị bay hơi (Evaporator). Tại thiết bị bay hơi, gas lạnh sẽ bay hơi ở nhiệt độ thấp để hấp thụ nhiệt từ nước, làm lạnh nước xuống nhiệt độ yêu cầu.

Một hệ thống chiller khi đạt chuẩn thường được sản xuất theo cụm hoàn chỉnh tại nhà máy, tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như ARI (Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute) - Nay là AHRI, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy.

Có nhiều cách phân loại chiller, phổ biến nhất là dựa vào:

• Thiết bị giải nhiệt cho bình ngưng:
  • Chiller giải nhiệt nước (Water-cooled Chiller): Dùng nước từ tháp giải nhiệt (Cooling Tower) để làm mát bình ngưng. Thường có hiệu suất cao hơn nhưng cần hệ thống tháp giải nhiệt đi kèm.
  • Chiller giải nhiệt gió (Air-cooled Chiller): Dùng quạt thổi không khí trực tiếp qua bình ngưng để giải nhiệt. Lắp đặt đơn giản hơn, không cần tháp giải nhiệt, nhưng hiệu suất có thể thấp hơn và gây tiếng ồn lớn hơn.
• Loại máy nén: Chiller dùng máy nén Piston, Scroll (xoắn ốc), Screw (trục vít), hoặc Centrifugal (ly tâm).

2. Cấu tạo tổng thể của một hệ thống chiller (HVAC)

Một hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng chiller giải nhiệt nước thường bao gồm các thành phần chính sau:

[Image of Water Chiller System Diagram]

1. Cụm trung tâm Water Chiller: Máy sản xuất nước lạnh, bao gồm Máy nén, Bình ngưng, Bình bay hơi, Van tiết lưu và Tủ điều khiển.
2. Hệ thống đường ống nước lạnh và bơm nước lạnh (Chilled Water System): Bơm tuần hoàn nước lạnh từ chiller đến các thiết bị sử dụng và đưa nước ấm trở về chiller. Đường ống thường được bọc cách nhiệt.
3. Các thiết bị sử dụng nước lạnh trực tiếp (Load Side):
   • AHU (Air Handling Unit): Bộ xử lý không khí trung tâm, làm lạnh/gia nhiệt, lọc bụi, điều chỉnh độ ẩm cho lượng không khí lớn, phân phối qua hệ thống ống gió.
   • FCU (Fan Coil Unit): Dàn lạnh nhỏ gọn hơn AHU, thường dùng cho từng phòng hoặc khu vực nhỏ.
   • PAU (Primary Air Unit): Bộ xử lý không khí tươi sơ bộ trước khi đưa vào AHU/FCU.
   • PHE (Plate Heat Exchanger): Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, dùng để làm lạnh nước cho mục đích khác (ví dụ: làm lạnh nước sinh hoạt) một cách gián tiếp.
4. Hệ thống phân phối không khí (Air Distribution System - Nếu sử dụng AHU/FCU): Bao gồm hệ thống đường ống gió cấp và hồi, miệng gió, van điều chỉnh lưu lượng gió (VAV - Variable Air Volume, Damper)...
5. Hệ thống giải nhiệt cho bình ngưng (Condenser Water System - Đối với chiller giải nhiệt nước): Bao gồm Tháp giải nhiệt (Cooling Tower), bơm nước giải nhiệt tuần hoàn nước từ bình ngưng ra tháp và ngược lại.

Hệ thống chiller có thể được hình dung qua 4 vòng tuần hoàn chính (theo màu trong hình minh họa):

• Vòng tuần hoàn môi chất lạnh (Màu xanh): Gas lạnh tuần hoàn khép kín bên trong cụm chiller (Nén -> Ngưng tụ -> Tiết lưu -> Bay hơi -> Nén).
• Vòng tuần hoàn nước lạnh (Màu tím): Nước được làm lạnh ở bình bay hơi của chiller, sau đó được bơm đến các AHU, FCU... để làm mát không khí, nhận nhiệt và trở về chiller.
• Vòng tuần hoàn nước giải nhiệt (Màu đỏ): Nước nhận nhiệt từ bình ngưng của chiller (đối với chiller giải nhiệt nước), được bơm lên tháp giải nhiệt để tỏa nhiệt ra môi trường, sau đó nước mát quay trở lại bình ngưng.
• Vòng tuần hoàn không khí (Màu vàng): Không khí trong phòng được thổi qua dàn lạnh của AHU/FCU, được làm mát và cấp trở lại phòng.

3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống chiller

Nguyên lý cốt lõi của hệ thống chiller là dựa trên chu trình làm lạnh nén hơi (Vapor Compression Refrigeration Cycle) sử dụng môi chất lạnh (gas).

Chu trình này hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là sự thay đổi trạng thái của môi chất lạnh:

1. Bay hơi (Evaporation): Môi chất lạnh ở trạng thái lỏng, áp suất thấp đi vào bình bay hơi (Evaporator). Tại đây, nó hấp thụ nhiệt từ nước cần làm lạnh (nước đi bên ngoài các ống chứa gas) và sôi, hóa hơi ở nhiệt độ thấp. Quá trình này làm lạnh nước xuống nhiệt độ mong muốn (ví dụ 7°C).
2. Nén (Compression): Hơi môi chất lạnh áp suất thấp, nhiệt độ thấp từ bình bay hơi được hút vào máy nén (Compressor). Máy nén sẽ nén hơi này lên áp suất cao và nhiệt độ cao.
3. Ngưng tụ (Condensation): Hơi môi chất lạnh áp suất cao, nhiệt độ cao từ máy nén đi vào bình ngưng tụ (Condenser). Tại đây, nó nhả nhiệt ra môi trường giải nhiệt (nước từ tháp giải nhiệt hoặc không khí do quạt thổi qua) và ngưng tụ lại thành trạng thái lỏng, áp suất cao, nhiệt độ cao (hoặc ấm).
4. Tiết lưu (Expansion): Môi chất lạnh lỏng, áp suất cao từ bình ngưng đi qua van tiết lưu (Expansion Valve). Van tiết lưu sẽ giảm đột ngột áp suất của môi chất lạnh, làm nó hóa hơi một phần và hạ nhiệt độ xuống rất thấp, sẵn sàng quay trở lại bình bay hơi để lặp lại chu trình.

Nước lạnh sau khi ra khỏi bình bay hơi sẽ được bơm đi làm mát cho các thiết bị sử dụng (AHU, FCU...). Nước sau khi nhận nhiệt từ các thiết bị này (ấm lên, ví dụ 12°C) sẽ quay trở về bình bay hơi để được làm lạnh lại.

Hệ thống này hoạt động liên tục và thường được điều khiển tự động bởi các bộ điều khiển và cảm biến để duy trì nhiệt độ nước lạnh ổn định theo yêu cầu.

4. Chi tiết các thành phần (mô hình) trong hệ thống làm mát Chiller

Dưới đây là mô tả chi tiết hơn về các thành phần chính:

#1 Cụm trung tâm Water Chiller

Đây chính là "trái tim" của hệ thống chiller, nơi diễn ra chu trình làm lạnh môi chất để sản xuất ra nước lạnh. Nó cũng là thiết bị tiêu thụ điện năng nhiều nhất và có giá thành cao nhất trong hệ thống.

Cụm chiller thường được sản xuất đồng bộ tại nhà máy theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt. Việc lựa chọn chiller thường dựa trên các yếu tố:

• Công suất lạnh (Cooling Capacity): Tính bằng kW lạnh, BTU/h hoặc Tấn lạnh (Ton of Refrigeration - TR), phải đáp ứng đủ nhu cầu làm lạnh của công trình.
• Loại giải nhiệt: Giải nhiệt nước hay giải nhiệt gió.
• Loại máy nén: Scroll, Screw, Centrifugal... ảnh hưởng đến hiệu suất, độ ồn, dải công suất.
• Loại môi chất lạnh (Gas): Các loại gas mới như R410A, R134a, R32, R1234ze... có hiệu suất cao hơn và ít ảnh hưởng đến môi trường hơn các loại gas cũ (như R22 đã bị loại bỏ).
• Hiệu suất năng lượng (COP, EER, IPLV): Chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng, rất quan trọng để tiết kiệm chi phí vận hành. Các chiller hiện đại thường có hiệu suất rất cao, đặc biệt là các dòng biến tần (inverter) hoặc ly tâm đệm từ.
• Thương hiệu: Các thương hiệu lớn và uy tín trên thế giới bao gồm Trane, Carrier, York (Johnson Controls), Daikin, McQuay (thuộc Daikin), Mitsubishi Electric...

#2 Hệ thống đường ống và bơm nước lạnh

Đối với bơm nước lạnh:

• Bơm nước lạnh có nhiệm vụ tuần hoàn nước lạnh từ chiller đến các thiết bị đầu cuối (AHU, FCU, PHE...) và đưa nước ấm trở về chiller.
• Thường mỗi chiller sẽ có một hoặc nhiều bơm nước lạnh đi kèm. Đối với các hệ thống lớn, có thể có bơm sơ cấp (bơm nước qua chiller) và bơm thứ cấp (bơm nước đến tải).
• Bơm cần được chọn dựa trên lưu lượng nước (Flow Rate) yêu cầu (thường do nhà sản xuất chiller quy định) và cột áp (Head) cần thiết để thắng tổn thất áp suất trên toàn bộ hệ thống đường ống và thiết bị. Việc tính toán cột áp bơm khá phức tạp, cần dựa vào sơ đồ đường ống, chiều dài, kích thước ống, và tổn thất áp qua các thiết bị (chiller, AHU, FCU, van...).
• Nên chọn loại bơm hiệu suất cao, độ ồn thấp, phù hợp với vận hành liên tục.

Đối với đường ống nước lạnh:

• Thường được làm từ ống thép đen (black steel pipe) và phải được bọc cách nhiệt (insulation) kỹ lưỡng để tránh tổn thất nhiệt và hiện tượng đọng sương.
• Ngày nay, ống nhựa PPR chịu áp lực cao cũng đang dần được sử dụng cho hệ thống chiller ở một số ứng dụng nhờ ưu điểm nhẹ, dễ thi công, không bị ăn mòn.
• Kích thước đường ống phải được tính toán cẩn thận dựa trên lưu lượng nước. Nếu ống quá nhỏ sẽ gây tổn thất áp suất lớn, tăng chi phí bơm. Nếu ống quá lớn sẽ lãng phí chi phí vật liệu và lắp đặt.

#3 Hệ thống thiết bị đầu cuối sử dụng nước lạnh: AHU, FCU, PAU, PHE

Đây là các thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nước lạnh từ chiller sẽ làm mát không khí hoặc một chất lỏng khác:

• AHU (Air Handling Unit - Bộ xử lý không khí): Là thiết bị lớn, xử lý lượng không khí lớn cho cả một tầng hoặc một khu vực rộng. Bên trong AHU thường có dàn trao đổi nhiệt nước lạnh (cooling coil), dàn sưởi (heating coil - nếu cần), bộ lọc không khí (filter), quạt gió (fan). AHU nhận gió tươi và gió hồi, xử lý (làm lạnh, lọc bụi, điều chỉnh ẩm...) rồi phân phối không khí đã xử lý qua hệ thống ống gió đến các phòng.

• FCU (Fan Coil Unit - Dàn lạnh kiểu quạt): Là thiết bị nhỏ gọn hơn AHU, thường lắp đặt trực tiếp trong phòng cần điều hòa (treo tường, âm trần, đặt sàn...). Cấu tạo gồm dàn trao đổi nhiệt nước lạnh và quạt gió. FCU chỉ tuần hoàn và làm lạnh không khí có sẵn trong phòng, thường không có chức năng cấp gió tươi (trừ loại đặc biệt).
• PAU (Primary Air Unit / Fresh Air Handling Unit - FAHU): Là thiết bị chuyên xử lý gió tươi từ bên ngoài (lọc bụi, làm lạnh sơ bộ, tách ẩm...) trước khi cấp vào các AHU, FCU hoặc cấp trực tiếp vào phòng. Việc xử lý gió tươi giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà và giảm tải cho các dàn lạnh chính.
• PHE (Plate Heat Exchanger - Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm): Dùng để trao đổi nhiệt giữa hai dòng chất lỏng mà không làm chúng trộn lẫn vào nhau. Ví dụ: dùng nước lạnh từ chiller để làm lạnh nước công nghệ trong sản xuất hoặc làm lạnh nước sinh hoạt.

#4 Hệ thống phân phối không khí (Ống gió)

Đối với hệ thống điều hòa sử dụng AHU, hệ thống ống gió đóng vai trò vận chuyển không khí đã được xử lý từ AHU đến các miệng gió cấp trong phòng, đồng thời dẫn không khí hồi từ phòng về lại AHU.

• Hệ thống ống gió cần được thiết kế và tính toán cẩn thận để đảm bảo phân phối đủ lưu lượng gió đến từng khu vực, giảm thiểu tổn thất áp suất và độ ồn. Phương pháp tính toán phổ biến là ma sát đồng đều (Equal Friction).
• Việc lựa chọn kích thước ống gió, số lượng và vị trí miệng gió phụ thuộc vào lưu lượng gió yêu cầu và tiêu chuẩn về độ ồn cho từng không gian.
• Việc thể hiện chính xác hệ thống ống gió trên bản vẽ (2D hoặc 3D) là rất quan trọng để tránh xung đột với các hệ thống cơ điện khác (điện, nước, PCCC) trong quá trình thi công.

#5 Hệ thống nước giải nhiệt & Điều khiển (Cooling Tower & Control)

Đối với chiller giải nhiệt nước:

• Tháp giải nhiệt (Cooling Tower): Là thiết bị đặt ngoài trời, có nhiệm vụ làm mát nước giải nhiệt sau khi đi ra từ bình ngưng của chiller bằng cách cho nước tiếp xúc với không khí (thường là quạt thổi cưỡng bức), lợi dụng sự bay hơi nước để thải nhiệt ra môi trường. Anh em tham khảo thêm về Cooling Tower tại đây.
• Bơm nước giải nhiệt (Condenser Water Pump): Bơm tuần hoàn nước giữa bình ngưng chiller và tháp giải nhiệt.

Đối với toàn bộ hệ thống chiller:

• Hệ thống điều khiển (Control System): Các thiết bị như Chiller, AHU, FCU, PAU, bơm... thường được điều khiển tự động bởi các bộ điều khiển kỹ thuật số DDC (Direct Digital Control).
• Bộ DDC nhận tín hiệu từ các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng...) và thực thi các thuật toán điều khiển đã được lập trình để duy trì điều kiện môi trường mong muốn và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
• Các bộ DDC thường được kết nối với nhau và với một hệ thống quản lý tòa nhà trung tâm (BMS - Building Management System) thông qua các chuẩn giao tiếp mạng công nghiệp như BACnet, Modbus... Hệ thống BMS cho phép người quản lý giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống cơ điện của tòa nhà từ một máy tính trung tâm.

Anh em nào muốn tham khảo tài liệu Chiller có thể tải ở đây (Link tài liệu gốc).Tham khảo thêm tại Mecsu

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm của thương hiệu Bosch: https://mecsu.vn/thuong-hieu/bosch 

>>> 350+ Mã Sản Phẩm của thương hiệu Sata: https://mecsu.vn/thuong-hieu/sata 

Mời anh em xem thêm ở đây nhé:

• Barrier: Khái niệm, cấu tạo & nguyên lý hoạt động
• Zigbee là gì? Có nên dùng Zigbee không?
• Piston: Cấu tạo, ứng dụng

Trên đây là những thông tin chi tiết về hệ thống chiller, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó. Anh em có thể thấy đây là một hệ thống phức tạp nhưng cực kỳ quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và tòa nhà hiện đại. Hy vọng với những thông tin hữu ích này sẽ giúp anh em hiểu rõ hơn về hệ thống chiller và có lựa chọn phù hợp khi cần thiết.