Một hồ bơi mương tràn 100 m³ được bố trí bể cân bằng 5 m³ theo kinh nghiệm “lấy 5% thể tích hồ”. Khi ít người sử dụng, hệ thống vận hành bình thường. Nhưng lúc đông khách, nước từ mương tràn đổ về nhanh khiến bể đầy và nước đã xử lý chảy ra đường thoát.

Ở trạng thái ngược lại, khi máy bơm vừa khởi động hoặc hệ thống thực hiện rửa ngược bình lọc, mực nước trong bể hạ nhanh. Cửa hút có thể hình thành xoáy, kéo không khí vào đường ống và làm lưu lượng dao động.

Vấn đề không chỉ nằm ở tổng số mét khối đã xây. Bể có thể đủ dung tích hình học nhưng vẫn thiếu dung tích hữu dụng vì một phần nước nằm dưới mực hút an toàn, trong khi phía trên phải chừa khoảng chống tràn.

Công thức tổng quát cần nhớ

Bể cân bằng phải có hai phần dung tích quanh mực vận hành bình thường:

• Dung tích phía trên để nhận nước do người bơi, sóng, nước mương và đường ống chảy về.
• Dung tích phía dưới để cấp nước trong thời gian dòng hồi chưa ổn định, rửa ngược và rửa xuôi bình lọc.

Do đó:

Vusable,calc = Vup + Vdown

Sau đó mới kiểm tra với yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn dự án:

Vusable,required = Max(Vusable,calc; Vcode)

Không nên đặt tất cả các kịch bản vào một phép Max() duy nhất. Các trạng thái nhận nước và rút nước nằm ở hai phía khác nhau của mực bình thường, nên bể phải có đủ khoảng dao động cho cả hai.

Bể cân bằng là gì?

Bể cân bằng, còn gọi là Balance Tank hoặc Surge Tank, là khoang nước trung gian giữa mương tràn và máy bơm tuần hoàn của hồ Overflow.

Dòng nước rút gọn:

Hồ → mép tràn → mương thu → bể cân bằng → máy bơm → bình lọc → thiết bị xử lý → đầu trả → hồ

Bể tiếp nhận lượng nước dâng do người bơi và hoạt động mặt hồ, đồng thời tạo nguồn nước ổn định cho máy bơm. Với hồ ngang mặt sàn, PWTAG xác định bể cân bằng là thành phần giúp duy trì mực nước thích hợp để thu nước mặt trong các trạng thái vận hành khác nhau.

Bể cân bằng không phải công đoạn lắng thay cho bình lọc. Tuy nhiên, lá cây, tóc, cặn và chất hữu cơ vẫn có thể lắng trong bể, vì vậy cần có đường xả đáy và khả năng tiếp cận để vệ sinh.

Phần giải thích đầy đủ về vị trí máy bơm, bình lọc, thiết bị xử lý và đầu trả nên được dẫn sang bài Sơ đồ nguyên lý hệ lọc hồ bơi Overflow và bể cân bằng.

Vì sao không thể lấy cố định 5–10% thể tích hồ?

Công thức kinh nghiệm thường gặp là:

Vtank = Vpool × 5–10%

Tỷ lệ này có thể dùng để dự trù không gian ở giai đoạn ý tưởng, nhưng không đủ để chốt kích thước thi công.

Hai hồ cùng thể tích 100 m³ có thể khác nhau về diện tích mặt nước, số người sử dụng, chiều dài mép tràn, mức độ hoạt động, lượng nước hồi khi mất điện và nhu cầu rửa ngược. Hồ Villa ít người không tạo cùng tải Surge với hồ khách sạn, hồ trẻ em hoặc hồ thương mại.

Cách dùng tỷ lệ phần trăm hợp lý là:

1. Tính theo các kịch bản thủy lực.
2. Xác định dung tích hữu dụng.
3. Chuyển thành kích thước xây dựng.
4. Dùng tỷ lệ phần trăm để kiểm tra chéo, không dùng làm kết quả cuối cùng.

Dữ liệu cần thu thập trước khi tính

Tải người bơi phải là số người cực đại trong cùng thời điểm, không phải lượng khách trung bình trong ngày.

Phân biệt dung tích hình học và dung tích hữu dụng

Dung tích hình học

Dung tích hình học là toàn bộ khoảng không gian bên trong bể:

Vgross = L × W × Htotal

Trong đó:

• L: chiều dài trong bể, m.
• W: chiều rộng trong bể, m.
• Htotal: chiều cao trong bể, m.

Một bể có kích thước trong 2 × 2 × 1,3 m có dung tích hình học 5,2 m³. Điều đó không có nghĩa toàn bộ 5,2 m³ đều dùng để cân bằng mực nước.

Dung tích chết phía dưới

Máy bơm không được hút nước đến sát đáy. Mực nước tối thiểu phải đủ để giữ cửa hút ngập, hạn chế xoáy, tránh hút khí và không kéo cặn đáy trực tiếp vào bơm.

Phần nước dưới mực vận hành tối thiểu là dung tích chết:

Vdead = Atank × hdead

Phần này thuộc tổng lượng nước trong hệ thống nhưng không được tính vào dung tích hữu dụng.

Dung tích hữu dụng

Dung tích hữu dụng nằm giữa mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất thiết kế:

Vusable = Atank × Δhusable

Trong đó:

• Atank: diện tích đáy trong của bể, m².
• Δhusable: tổng khoảng dao động mực nước hữu dụng, m.

Khoảng chống tràn phía trên

Từ cao độ đường tràn khẩn cấp đến cửa thăm hoặc nắp bể cần chừa khoảng chống tràn. Khoảng này giúp hạn chế nước tràn qua cửa tiếp cận khi mực nước dao động hoặc thiết bị điều khiển phản ứng chậm.

Quan hệ chiều cao tổng:

Htotal = hdead + Δhusable + hfreeboard

Bước 1: Tính dung tích cần nhận phía trên mực bình thường

Nước do người bơi chiếm chỗ

Vbather = N × Vperson

Trong đó:

• N: số người thiết kế.
• Vperson: thể tích nước bị chiếm chỗ trên mỗi người, m³/người.

Vperson phải lấy theo tiêu chuẩn hoặc giả thiết đã được dự án phê duyệt. Không nên dùng một giá trị cố định cho mọi hồ.

Ví dụ minh họa với 12 người và giả thiết 0,07 m³/người:

Vbather = 12 × 0,07 = 0,84 m³

Giá trị 0,07 m³/người trong ví dụ không phải mức bắt buộc.

Nước do sóng và hoạt động mặt hồ

Có thể quy đổi phần sóng tăng thêm thành một chiều cao nước tương đương:

Vwave = Apool × Δhwave

Trong đó:

• Apool: diện tích mặt hồ, m².
• Δhwave: chiều cao nước quy đổi, m.

Nếu diện tích hồ là 72 m² và giả thiết phần sóng tăng thêm tương đương 0,015 m:

Vwave = 72 × 0,015 = 1,08 m³

Chỉ được cộng Vwave khi hệ số này chưa bao gồm lượng nước do người bơi chiếm chỗ. Nếu dự án sử dụng một hệ số Surge tổng hợp đã bao gồm người bơi và sóng, không cộng lại từng thành phần.

Nước mương và đường ống chảy về khi bơm dừng

Phần nước trong mương có thể chảy về được tính sơ bộ:

Vchannel = Achannel × Lchannel × fdrain

Trong đó fdrain là tỷ lệ nước thực sự thoát về bể. Không lấy toàn bộ kích thước hình học của mương nếu một phần nước vẫn nằm dưới cao độ cửa thu.

Thể tích một đoạn ống:

Vpipe = π × D²/4 × L

Trong đó D phải là đường kính trong của ống.

Tổng lượng nước hồi:

Vdrain-back = Σ(Vpipe × fdrain) + Vequipment

Khả năng chảy ngược phụ thuộc cao độ, van một chiều, hiện tượng siphon và cấu hình thiết bị. Không mặc định toàn bộ nước trong tất cả đường ống đều quay về bể.

Mất cân bằng lưu lượng theo chiều làm tăng nước

Khi dòng nước về bể lớn hơn lượng máy bơm hút trong một khoảng thời gian:

Vtransient,up = Max(0; Qin − Qpump) × t/60

Trong đó lưu lượng tính bằng m³/h và thời gian tính bằng phút.

Chọn dung tích phía trên

Lập riêng từng kịch bản:

Voccupied = Vbather + Vwave + Vtransient,up

Vpump-stop = Vchannel + Vdrain-back + Vtransient,up

Sau đó:

Vup = Max(Voccupied; Vpump-stop; các kịch bản nhận nước khác)

Không cộng kịch bản đông người với kịch bản mất điện nếu hồ sơ vận hành xác định chúng không xảy ra đồng thời.

Bước 2: Tính dung tích cần cấp phía dưới mực bình thường

Độ trễ khi máy bơm khởi động

Khi máy bơm vừa chạy, nước đã được hút khỏi bể nhưng chưa kịp vượt mép tràn và chảy về. Thể tích cần cấp trong khoảng trễ này là:

Vstart = Max(0; Qpump − Qreturn) × tresponse/60

Nếu bể có diện tích đáy nhỏ, chỉ vài phút mất cân bằng cũng có thể làm mực nước giảm nhanh.

Nước rửa ngược và rửa xuôi

Nếu chu trình rửa lọc lấy nước từ bể cân bằng:

Vbackwash = Qbw × tbw/60

Vrinse = Qrinse × trinse/60

Vbw,total = Vbackwash + Vrinse

Phải sử dụng lưu lượng của đúng bình lọc và đúng chế độ vận hành. Lưu lượng rửa ngược không mặc định bằng lưu lượng lọc bình thường.

Chỉ được trừ lượng nước cấp bù trong chu kỳ nếu lưu lượng đó đã được đo hoặc bảo đảm tại áp suất làm việc thực tế. Không nên dựa vào lưu lượng danh nghĩa của đường cấp.

Chọn dung tích phía dưới

Vdown,process = Max(Vstart; Vbw,total; các kịch bản rút nước khác)

Nếu hệ điều khiển yêu cầu một biên thể tích giữa mực dừng Backwash và mực bảo vệ bơm:

Vdown = Vdown,process + Vcontrol-margin

Không cộng thêm “dung tích duy trì mực hút” nếu mực thấp nhất và dung tích chết đã được định nghĩa đúng. Chỉ cộng biên điều khiển độc lập, có mục đích rõ ràng.

Nếu Backwash chỉ được phép bắt đầu sau khi bể đã được cấp lên mực cao, logic này phải thể hiện trong hồ sơ điều khiển. Khi đó cách phân bổ dung tích dưới mực bình thường có thể thay đổi.

Bước 3: Xác định tổng dung tích hữu dụng

Vusable,calc = Vup + Vdown

Sau đó kiểm tra:

Vusable,required = Max(Vusable,calc; Vcode)

Nếu tiêu chuẩn tối thiểu làm tăng dung tích, phần tăng thêm phải được phân bổ về phía mực nước phù hợp. Không chỉ tăng chiều sâu chết hoặc để toàn bộ dung tích nằm dưới mực vận hành bình thường.

Tham chiếu MAHC 2024

MAHC 2024 yêu cầu hệ tràn toàn chu vi có dung tích Surge hữu dụng không nhỏ hơn một gallon trên mỗi foot vuông diện tích mặt hồ, tương đương 40,7 L/m². Dung tích net được đo từ độ sâu vận hành tối thiểu cần để duy trì lực hút của bơm đến đáy cửa tràn ra đường thải.

Công thức quy đổi:

Vcode = Apool × 40,7/1000

Với hồ 72 m²:

Vcode = 72 × 40,7/1000 ≈ 2,93 m³

MAHC đồng thời yêu cầu hệ mương và các đường chuyển nước từ mương có khả năng xử lý ít nhất 125% tổng lưu lượng tuần hoàn thiết kế.

Đây là hướng dẫn dành cho các công trình thủy sinh mở cửa cho công chúng tại Hoa Kỳ. Nó không tự động thay thế quy chuẩn, tiêu chuẩn và hồ sơ thiết kế được phê duyệt tại Việt Nam.

Ví dụ tính cho hồ Villa Overflow

Dữ liệu giả thiết

• Kích thước mặt nước: 12 × 6 m.
• Diện tích mặt nước: 72 m².
• Độ sâu trung bình: 1,45 m.
• Thể tích hồ chính: khoảng 104,4 m³.
• Số người thiết kế: 12.
• Mương tràn toàn chu vi.
• Một bình lọc rửa ngược bằng nước từ bể cân bằng.

Các hệ số sau chỉ dùng để minh họa phương pháp.

Dung tích phía trên mực bình thường

Nước do người bơi:

Vbather = 12 × 0,07 = 0,84 m³

Sóng tăng thêm:

Vwave = 72 × 0,015 = 1,08 m³

Kịch bản hồ đông người:

Voccupied = 0,84 + 1,08 = 1,92 m³

Giả sử khảo sát cao độ cho thấy khi dừng bơm:

• Nước mương chảy về: 0,90 m³.
• Nước ống và thiết bị chảy về: 0,70 m³.

Kịch bản dừng bơm:

Vpump-stop = 0,90 + 0,70 = 1,60 m³

Do đó:

Vup = Max(1,92; 1,60) = 1,92 m³

Dung tích phía dưới mực bình thường

Giả sử độ trễ khởi động tạo ra mức thiếu hụt:

Vstart = 0,40 m³

Thông số rửa lọc:

• Lưu lượng Backwash: 18 m³/h.
• Thời gian Backwash: 4 phút.
• Thời gian Rinse: 1 phút.
• Lưu lượng hai chế độ được giả thiết bằng nhau.

Vbw,total = 18 × (4 + 1)/60 = 1,50 m³

Giả sử dự án yêu cầu thêm 0,40 m³ làm biên điều khiển trước khi đạt mực bảo vệ bơm:

Vdown = Max(0,40; 1,50) + 0,40 = 1,90 m³

Tổng dung tích hữu dụng

Vusable,calc = 1,92 + 1,90 = 3,82 m³

Kiểm tra MAHC:

Vcode ≈ 2,93 m³

Do đó:

Vusable,required = Max(3,82; 2,93) = 3,82 m³

Có thể làm tròn và chọn:

Vusable = 4,00 m³

Kết quả này khác với việc chỉ lấy giá trị lớn nhất trong ba kịch bản. Bể phải đồng thời có khoảng trống để nhận nước phía trên và lượng nước dự trữ để cấp phía dưới mực bình thường.

Chuyển dung tích hữu dụng thành kích thước bể

Giả sử chọn kích thước trong:

L × W = 2,0 × 2,0 m

Diện tích đáy:

Atank = 4,0 m²

Chiều cao hữu dụng:

Δhusable = 4,00/4,00 = 1,00 m

Vị trí mực bình thường có thể xác định từ hai phía:

• Khoảng từ mực thấp nhất đến mực bình thường:

  Δhdown = 1,90/4,00 = 0,475 m

• Khoảng từ mực bình thường đến mực cao nhất:

  Δhup = 1,92/4,00 = 0,480 m

Như vậy mực bình thường nằm gần giữa khoảng hữu dụng trong ví dụ này.

Nếu chọn:

• Chiều sâu chết: 0,30 m.
• Chiều cao hữu dụng: 1,00 m.
• Khoảng chống tràn: 0,25 m.

Tổng chiều cao trong:

Htotal = 0,30 + 1,00 + 0,25 = 1,55 m

Dung tích hình học:

Vgross = 2,0 × 2,0 × 1,55 = 6,20 m³

Kết quả minh họa:

Kích thước cuối cùng còn phải trừ thể tích bị chiếm bởi vách ngăn, ống, thang, cảm biến và sai số thi công.

Bố trí các mực nước trong bể cân bằng

Bản vẽ mặt cắt cần thể hiện tối thiểu bốn vùng:

Mực bảo vệ thấp nhất

Đây là mực nước tối thiểu bảo đảm cửa hút còn đủ độ ngập. Khi mực nước xuống thấp hơn giới hạn này, hệ điều khiển phải dừng bơm hoặc khóa các quá trình có thể tiếp tục rút nước.

Không đặt cảm biến bảo vệ ngay sát miệng hút. Một cảm biến báo thấp không thể thay thế yêu cầu về độ ngập và cấu tạo chống xoáy.

Mực vận hành bình thường

Mực này phải để lại:

• Đủ khoảng trống phía trên cho Surge và Drain-back.
• Đủ lượng nước phía dưới cho khởi động và Backwash.
• Khoảng dao động phù hợp với độ trễ của van cấp bù.

Mực bình thường không nên được chọn theo thói quen “đổ gần đầy bể”.

Mực cao và báo động cao

Mực cao dùng để dừng cấp bù hoặc phát cảnh báo. Phía trên vẫn cần khoảng dự phòng trước khi nước tới đường tràn khẩn cấp.

Đường tràn khẩn cấp

Đường tràn phải thấp hơn cửa thăm và các vị trí có thể gây ngập phòng máy. Tuyến thoát cần đủ khả năng tiếp nhận nước và có biện pháp chống chảy ngược phù hợp.

Khoảng chống tràn không thay thế đường tràn khẩn cấp.

Khoảng cách cảm biến phải được quy đổi thành thể tích

Thay đổi mực nước nhỏ có thể tương ứng với một lượng nước đáng kể:

Vbetween levels = Atank × Δh

Với bể có đáy 4 m², hai cảm biến cách nhau 0,10 m:

V = 4 × 0,10 = 0,40 m³

Nếu đặt cảm biến quá gần nhau, van cấp bù có thể đóng mở liên tục. Nếu đặt quá xa, hệ thống phản ứng chậm và làm tăng biên độ mực nước.

Bố trí cửa hút máy bơm

Bể đủ dung tích nhưng cửa hút sai vị trí vẫn có thể làm máy bơm hút khí.

Cửa hút cần:

• Đủ độ ngập tại mực nước thấp nhất.
• Không đặt ngay dưới dòng nước từ mương đổ xuống.
• Có khoảng cách với đáy để hạn chế hút cặn.
• Có vách hướng dòng hoặc vùng giảm bọt khi cần.
• Được kiểm tra với tổng lưu lượng của tất cả bơm có thể chạy đồng thời.

Nếu nước mương mang nhiều không khí và đi thẳng vào cửa hút, máy bơm có thể hút hỗn hợp nước–khí ngay cả khi mực nước trong bể còn cao.

Các phân tích chuyên sâu về NPSH và xâm thực nên dẫn sang bài riêng về xâm thực máy bơm hồ bơi. Tài liệu thủy lực nền cũng cho thấy cao độ phía hút, đường ống, van và trở lực đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của bơm.

Mương và đường ống phải đồng bộ với dung tích bể

Bể đủ lớn không giải quyết được tình trạng nước tràn ra sàn nếu mương hoặc đường ống trọng lực không kịp dẫn nước về.

Cần kiểm tra đồng thời:

• Khả năng thu của mép tràn.
• Tiết diện nước thực tế trong mương.
• Số lượng và vị trí cửa thu.
• Đường kính trong và độ dốc ống.
• Khả năng thông khí.
• Mực nước dâng trong mương khi tải lớn.
• Nguy cơ ngập và chảy ngược.

Dòng nước từ mương về bể là dòng trọng lực có thể lẫn không khí. Không nên chọn ống chỉ bằng cách đối chiếu với lưu lượng danh nghĩa của máy bơm.

Nước cấp bù không thay thế dung tích hữu dụng

Nước cấp bù chủ yếu bổ sung lượng nước mất dần do bay hơi, bắn ra ngoài, xả cặn và Backwash. Tốc độ cấp thường chậm hơn nhiều so với Surge khi người xuống hồ hoặc Drain-back khi bơm dừng.

Không nên giảm kích thước bể với giả định van cấp sẽ phản ứng ngay. Nếu muốn ghi nhận lượng cấp bù trong chu kỳ Backwash, phải dùng lưu lượng thực tế và thời gian thực tế.

Bay hơi trong cả ngày không được cộng vào dung tích Surge. Với hồ ngoài trời, mưa cũng nên được xử lý bằng đường tràn và hệ thoát đủ lưu lượng thay vì chỉ tăng kích thước bể.

Những sai lầm thường gặp

1. Lấy cố định 5–10% thể tích hồ làm kết quả thi công.
2. Dùng dung tích hình học thay cho dung tích hữu dụng.
3. Chỉ tính phần nước dâng mà không chừa nước phía dưới mực bình thường.
4. Đặt tất cả kịch bản vào một phép Max() duy nhất.
5. Cộng trùng người bơi, sóng và hệ số Surge tổng hợp.
6. Không tính nước mương và đường ống chảy về khi mất điện.
7. Không tính Backwash hoặc dùng sai lưu lượng rửa.
8. Cộng tất cả các bình lọc dù hệ điều khiển chỉ cho phép rửa tuần tự.
9. Đặt cửa hút ngay dưới ống mương.
10. Dùng nước cấp bù để thay thế dung tích dự phòng.
11. Không thể hiện mực thấp, mực bình thường và mực cao trên bản vẽ.
12. Không bố trí đường tràn khẩn cấp, thông khí và xả đáy.

Checklist tính toán và nghiệm thu

Câu hỏi thường gặp

Bể cân bằng nên bằng bao nhiêu phần trăm thể tích hồ?

Không có một tỷ lệ duy nhất phù hợp cho mọi hồ. Tỷ lệ phần trăm chỉ nên dùng để dự trù hoặc kiểm tra chéo sau khi đã tính Surge, Drain-back, độ trễ khởi động và Backwash.

Hồ 100 m³ có bắt buộc dùng bể 5–10 m³ không?

Chưa thể kết luận. Cần biết diện tích mặt nước, tải người bơi, mương tràn, lượng nước hồi, số bơm và nhu cầu rửa lọc.

Có cộng toàn bộ thể tích mương không?

Không. Chỉ cộng phần nước nằm trên cao độ giữ nước và thực sự có thể chảy về bể.

Có bắt buộc tính Backwash không?

Có nếu Backwash lấy nước từ bể cân bằng và không có nguồn chứa khác đủ đáp ứng. Nếu hệ điều khiển chỉ cho Backwash sau khi cấp đầy bể, phải ghi rõ logic đó.

Vì sao bể đủ m³ nhưng máy bơm vẫn hút khí?

Nguyên nhân có thể là cửa hút đặt quá cao, không đủ độ ngập, hình thành xoáy, cửa hút nằm sát dòng mương, đường hút bị hạn chế hoặc cảm biến thấp đặt sai.

Bể cân bằng có tính vào tổng lượng nước xử lý không?

Có. Lượng nước đang duy trì trong bể thuộc vòng tuần hoàn và cần được tính khi châm hóa chất hoặc đánh giá tải nhiệt. Không lấy phần khoảng chống tràn đang để trống.

Kết luận

Dung tích bể cân bằng không được xác định chỉ từ thể tích hồ chính.

Trình tự tính phù hợp là:

Tính các kịch bản nhận nước phía trên mực bình thường
→ Tính các kịch bản rút nước phía dưới mực bình thường
→ Chọn giá trị bất lợi nhất ở từng phía
→ Cộng hai phía để có dung tích hữu dụng
→ Kiểm tra yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn
→ Chọn diện tích đáy và vị trí mực bình thường
→ Bổ sung dung tích chết và khoảng chống tràn
→ Kiểm tra cửa hút, cảm biến, mương, đường ống và đường tràn khẩn cấp

Một bể cân bằng đạt yêu cầu không phải là bể có tổng thể tích lớn nhất. Bể phải có đúng dung tích ở đúng vị trí: đủ khoảng trống để nhận nước, đủ lượng nước để cấp cho máy bơm và đủ độ ngập để hệ thống vận hành ổn định.

Nguồn tham khảo kỹ thuật

• CDC – Model Aquatic Health Code 2024, phiên bản thứ 5, mục 4.7.1.4 về hệ tràn toàn chu vi và dung tích Surge.
• CDC – Annex to the 2024 MAHC, mục 4.7.1.4.4.1 về cách đo dung tích net.
• PWTAG Technical Note TN32 – Balance tank design for deck-level pools.
• Sta-Rite Basic Training Manual – phần thủy lực, phía hút máy bơm và trở lực hệ thống.