Bài viết Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển ở Việt Nam nghiên cứu việc sử dụng nước biển để điều hòa không khí trung tâm cho các dự án resort và hotel ven biển Việt Nam.
204 Lê Anh Tuấn, Phan Q Trà NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HỒ KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM SỬ DỤNG NƯỚC BIỂN Ở VIỆT NAM A STUDY Of CALCULATING AND DESIGNING AIR CONDITIONING SYSTEM USING SEAWATER IN VIETNAM Lê Anh Tuấn1, Phan Quí Trà2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; mep.anhtuan.energy@gmail.com Trường Cao đẳng Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng; pqtra@dct.udn.vn Tóm tắt - Bài báo nghiên cứu việc sử dụng nước biển để điều hịa khơng khí trung tâm cho dự án resort hotel ven biển Việt Nam Dựa theo việc khảo sát thông số nước biển Việt Nam, tác giả xác định kết phục vụ cho việc tính tốn thiết kế hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm cho khách sạn, khu nghỉ dưỡng vùng ven biển Việt Nam Đồng thời tác giả tính tốn xác định toán kinh tế kỹ thuật hệ thống lợi ích mà hệ thống mang lại việc bảo vệ mơi trường góp phần đảm bảo an ninh lượng quốc gia Bài báo đưa kết việc lựa chọn phương án thiết kế tính tốn hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm sử dụng nước biển cho khách sạn, resort đảo Hòn Tre – Nha Trang Abstract - This article studies how to use seawater to condition central air for seaside resort and hotel projects in Vietnam Based on the survey of parameters of seawater in Vietnam, the authors determine the results for calculating and designing the central air conditioning system for hotels and resorts in coastal regionsof Vietnam The authors also determine the technical and economical problems of the system as well as the benefits the system provides to protect the environment and help ensure national energy security The article also gives the results of the selection of design options as well as calculates and designs a central air conditioning system using seawater for hotels and resorts in Hon Tre - Nha Trang Từ khóa - điều hồ khơng khí; nước biển; điều hồ trung tâm; lượng sạch; lượng tái tạo Key words - air- conditioning; seawater; cooling station; clean energy; renewable energy Đặt vấn đề Hiện nay, việc khai thác sử dụng nguồn lượng từ nhiên liệu hoá thạch nguyên nhân chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng đến mơi trường sống, việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng thay dần cho nguồn lượng hoá thạch vấn đề cấp bách đặt cho nhà khoa học toàn giới Việt Nam có bờ biển dài 3260 km, quốc gia có tỷ lệ chiều dài bờ biển so với đất liền vào loại cao giới, đồng thời quốc gia có tiềm du lịch [1] Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nước biển để điều hồ khơng khí khu nghỉ mát, khách sạn ven biển làm giảm đáng kể việc sử dụng điện, giảm phát thải CO2, giảm ô nhiễm môi trường, đem lại hiệu kinh tế lớn nhờ tiết kiệm lượng, khai thác sử dụng nguồn lượng xanh, góp phần củng cố an ninh lượng quốc gia Bên cạnh đó, việc nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn lượng điều hoà khơng khí làm giảm việc sử dụng mơi chất Chloro Fluoro Carbon (CFC) gây phá huỷ tầng ozone, giảm lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà trung tâm sử dụng nước biển Hiện hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm sử dụng nước biển ứng dụng số nước giới Mỹ (Hawaii), Canada, Thuỵ điển Các hệ thống hoạt động hai dạng: có sử dụng hệ thống Water chiller bổ sung khơng có hệ thống Water chiller [2] Theo sơ đồ nguyên lý, hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm sử dụng nước biển bao gồm thành phần sau: Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống điều hồ khơng khí sử dụng nước biển có hệ thống water chiller bổ sung Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hồ khơng khí sử dụng nước biển khơng có hệ thống water chiller - Hệ thống cung cấp phân phối nước biển bao gồm: mạng lưới đường ống cấp, hệ thống bơm mạng lưới đường ống hồi - Thiết bị trao đổi nhiệt để truyền nhiệt hệ thống phân phối nước biển hệ thống phân phối nước ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN (nước xử lý) Quá trình trao đổi nhiệt đảm bảo nước biển nước không hoà trộn vào - Mạng lưới phân phối nước tuần hoàn bao gồm hệ thống bơm hệ thống phân phối nước đến phịng Theo Hình 1, nước lạnh lấy từ nguồn nước biển sâu đại dương 7oC Sau lên bờ, nước biển bơm đưa vào trạm lạnh, nước biển trao đổi nhiệt với nước hồi 13,3oC từ cụm điều hồ khơng khí FCU, AHU… Sau nước biển tiếp tục đưa giải nhiệt cho bình ngưng hệ thống water chiller bổ sung trước đưa trở lại biển Nước hồi sau trao đổi nhiệt với nước biển, nhiệt độ giảm xuống, tiếp tục đưa vào hệ thống water chiller bổ sung làm lạnh xuống 6,66oC thông qua trao đổi nhiệt, sau đến FCU, AHU để điều hịa khơng khí tồ nhà Hịn Tre Nha Trang có độ sâu nước biển tương ứng nhiệt độ phù hợp việc thiết kế cho điều hòa trung tâm sử dụng nước biển Hàm nhiệt độ tương ứng với độ sâu (z) [2]: = −0.0493 + 28 (khi z = – 200m) (3.1) , = 3450 (khi z = 200 – 600m) (3.2) Quan hệ độ sâu (z) khối lượng riêng nước biển (r) [2]: r -1013 ze ,54 (3.3) 3.2 Tính tốn thiết kế đường ống Công suất lạnh nước biển cần thiết tính tối thiểu cho tons lạnh xác định theo cơng thức [2]: Q = Tính tốn thiết kế điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước biển dự án resort Hòn Tre Ứng dụng nước biển lạnh sử dụng điều hịa khơng khí phù hợp với khu resort hotel khu vực ven biển đảo, nơi có nhu cầu cao điều hịa khơng khí tịa nhà lớn Hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước biển lượng thay có tiềm lớn cho đảo Hòn Tre (Nha Trang), Cù Lao Chàm (Quảng Nam), Mũi Né (Phan Thiết)… Trong báo cáo này, tác giả chọn phương án ứng dụng nước biển để điều hịa khơng khí trung tâm trực tiếp, khơng sử dụng hệ thống Water chiller bổ sung với sơ đồ nguyên lý cho dự án resort Hòn Tre Nha Trang sau [2, 3]: 205 △ , [tons] (3.4) Tổng công suất lạnh nước biển cung cấp cho hệ thống điều hoà trung tâm: QT nQ0 (3.5) Chiều dài đường ống nước biển tính từ độ sâu nước bin lnh n trm lnh [2]: ổ E ỗ d L r g ỗố R + d ( ) ử3 ổ ử1,851 ữ ỗ 0,5486p CR ữ T CORR ç ÷ ÷ è QT ø ø (3.6) Kết tính tốn độ sâu z = 536m, xác định chiều dài ống cấp L = 1798,45m, ống xả L = 80m Hình Độ sâu tương ứng với nhiệt độ nước biển đảo Hịn Tre Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm sủ dụng nước biển cho dự án Hịn Tre Trong phần này, ta tiến hành tính tốn thiết kế điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước biển dự án resort Hịn Tre Bài tốn đặt với điều kiện ban đầu sau: Nhiệt độ nước biển lạnh vào: t1 = 7oC; Nhiệt độ nước biển xả: t2 =12oC; Năng suất lạnh: Q = 2000tons; Xác định chiều dài đường ống nước biển 3.1 Ảnh hưởng độ sâu đặc tính nhiệt khối lượng riêng nước biển Theo đồ Atlas địa lý vùng biển Việt Nam, đảo Hình Chiều dài đường ống nước biển lạnh đảo Hịn Tre 206 Lê Anh Tuấn, Phan Q Trà Những tiến khoa học ngày cho phép vật liệu ống HPDE dẫn nước biển lạnh có đường kính ngồi R=1,6m Một đường ống có kích thước nàycó thể đảm bảo cung cấp18.000tons lạnh cho điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước biển 3.3 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt Bảng Đường kính ống, lưu lượng dịng nước biển, độ dốc đường ống cơng suất lạnh Hazen - Williams Cơng suất lạnh Hình Đồ thị nhiệt độ nước biển lạnh thiết bị trao đổi nhiệt Các thông số nhiệt độ chọn thiết kế sau: t1 = 6,38oC nhiệt độ nước biển vào TBTĐN; t1' = 12oC nhiệt độ nước biển TBTĐN; t2 = 7oC nhiệt độ nước TBTĐN; t 2' = 12,7oC nhiệt độ nước vào TBTĐN Xác định hiệu nhiệt độ logarit: LMTD DT2 - DT1 ổ DT ln ỗ ÷ è DT1 ø (3.7) Theo tài liệu [3, 4, 5], trao đổi nhiệt nước lạnh nước biển thiết bị trao đổi nhiệt, hệ số truyền nhiệt lấy từ 852 - 1704W/m2K Ở báo tác giả chọn hệ số truyền nhiệt 1704W/m2K để tính tốn Nhiệt dung riêng nước biển 3935,8 kJ/kgK [2] Kết tính tốn xác định giá trị diện tích truyền nhiệt tương ứng cho nhu cầu phụ tải lạnh sau: Bảng Lưu lượng nước biển ứng với công suất tải lạnh resort Hịn Tre Cơng suất lạnh (tons) 700 800 900 100 1200 1300 2000 (Btu/h) 8400000 9600000 10800000 12000000 14400000 15600000 24000000 Lưu lượng dịng Diện tích trao đổi chảy yêu cầu nhiệt yêu cầu (kg/s) (m3/s) (m2) 111,5 0,1087 181,9 127,4 0,1242 2075,3 143,3 0,1398 2334,7 159,3 0,1553 2594,1 175,2 0,1708 2852,5 207 0,2019 3372,5 794,9 0,31 3729 3.4 Xác định tổng tổn thất nhiệt công suất bơm Ở ta chọn theo bảng kích thước ống có sẵn đường kính tương ứng bên trong, từ tính diện tích chu vi ướt cần thiết để xác định bán kính thủy lực xác định cột áp bơm cần cấp để đảm bảo lưu lượng nước biển cần thiết đáp ứng công suất tải làm lạnh hệ thống Như thấy, giảm đường kính ống, tăng tốc độ nước biển làm tăng tổn thất cột áp đường ống Do cần có kích thước đường ống tối ưu cho lưu lượng dịng chảy mang lại lợi ích kinh tế Theo tài liệu [2], đường ống có đường kính 1m, sử dụng dành riêng cho mục đích điều hịa khơng khí, cung cấp gần 5.000tons lạnh Lưu lượng dòng nước biển yêu cầu 100 (tons) 100 (Btu/h) (kg/s) (m3/s) 10 12 13 20 84000 96000 108000 120000 144000 156000 240000 111,5 127,4 143,3 159,3 175,2 207 794,9 0,1087 0,1242 0,1398 0,1553 0,1708 0,2019 0,31 Độ dốc đường ống S Kích cở ống ( D H/ft ( D H/m (inch) đường đường ống) ống) 18” 0,00097 0,0031 20” 0,00074 0,0024 20” 0,00092 0,0029 22” 0,0007 0,0022 22” 0,00084 0,0027 24” 0,00065 0,0021 28” 0,00079 0,0025 Phân tích lưu lượng nước biển cần thiết đáp ứng nhu cầu tải lạnh, đường kính ống độ dốc đường ống chọn kinh tế [2] xác định giá trị khoảng S=0,00084, coi giá trị tối ưu chi phí đường ống dẫn nước biển chi phí lượng bơm Theo Bảng 2, đường ống HPDE có R = 28inch = 0,71 m cần thiết để đáp ứng nhu cầu tải lạnh 2000 tons,với giá trị S = 0,00079 Các tính tốn tương tự thực dựa giá trị tối ưu việc đáp ứng nhu cầu phụ tải lạnh, đường kính ống hiệu kinh tế, có kết tương ứng với lưu lượng dòng nước biển Bảng [2, 6] Từ công thức ổvử 1, 5ỗ ữ ố a0 ứ H ex 2g (3.8) Vị trí nối đầu hút bơm nước biển lạnh đường ống nước biển phải đặt cao mực nước biển, cột áp bơm tạo để bù trở lực thiết bị trao đổi nhiệt với nước lạnh làm mát bình ngưng hệ thống lạnh.Tổng tổn thất cột áp tính cho phụ tải lạnh thể Bảng Bảng Tổng tổn thất đường ống tương ứng với công suất lạnh Công Suất lạnh Cột áp hút đường ống nước biển L=1798,45m Cột áp vào/ (tons) 700 800 900 1000 1200 1300 2000 S (ft/ft) 0,00097 0,00074 0,00092 0,0007 0,00084 0,00065 0,00079 (m) 0,0185 0,0105 0,0132 0,0077 0,0055 0,0065 0,0043 (m) 33,264 24,024 29,876 22,792 20,944 24,332 25,564 Tổn thất Độ cao qua mực Cột áp TBTĐN nước tổng van biển (m) (m) (m) 0,308 1,54 6,22 0,308 1,54 5,48 0,308 1,54 6,07 0,308 1,54 5,36 0,308 1,54 5,14 0,308 1,54 5,48 0,308 1,54 5,61 Từ giá trị cột áp tổng ta xác định tổng cơng suất bơm Sau đó, từ hiệu suất bơm hiệu suất động điện tương ứng, ta xác định công suất điện hệ thống bơm nước biển trực tiếp điều hịa khơng khí Thơng thường máy bơm ly tâm sử dụng hệ thống có hiệu suất bơm khoảng 70% động điện có hiệu suất khoảng 95% Tổng công suất điện cần thiết cho hệ thống ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN bơm theo công suất lạnh thể Bảng [2, 3, 6] Bảng Nhu cầu lượng Công Suất lạnh (Tons) 700 800 900 1000 1200 1300 2000 Lưu lượng dòng chảy (m3/s) 0,1121 0,1282 0,1442 0,1603 0,1921 0,2082 0,3203 Cột áp tổng (ft) 20,2 17,8 19,7 17,4 18,8 16,7 18,2 (m) 6,221 5,482 6,067 5,359 5,790 5,144 5,606 Công Công suất bơm suất điện (kW) (kW) 231 325 308 327 311 408 387 400 380 476 452 463 797 839 Thông thường để sản xuất tons lạnh, hệ thống điều hồ khơng khí cần nguồn điện có cơng suất 1,2 kW Qua Bảng cho thấy, với hệ thống Lạnh sử dụng nước biển lượng điện tiêu thụ cần thiết cho hệ thống điều hoà giảm 50% so với hệ thống điều hoà truyền thống Tuy nhiên giá thành đầu tư cho hệ thống điều hoà nước biển cao hơn, phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý thơng số nước biển nơi lắp đặt Kết luận Kết khảo sát nhiệt độ nước biển cho thấy: - Nước ta có tiềm lớn nguồn lượng đại dương, khai thác đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần đảm bảo an ninh lượng - Ứng dụng nước biển lạnh để điều hịa khơng khí trung tâm áp dụng cho thành phố ven biển 207 nước, đặc biệt cho resort hotel Khơng thế, hệ thống điều hịa trung tâm sử dụng nguồn lượng xanh, góp phần bảo vệ mơi trường Kết tính tốn thiết kế hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm sử dụng nước biển đảo Hòn Tre, Nha Trang cho thấy: - Có thể triển khai sử dụng nước biển lạnh độ sâu 536m ứng với nhiệt độ nước biển 7oC để điều hòa trung tâm cho khu resort, hotel Hệ thống đạt hiệu sử dụng lượng tốt, tính kinh tế cao triển khai hệ thống lớn cho khu vực đặc biệt tiết kiệm 50% lượng điện tiêu thụ năm - Chi phí bảo trì, bảo dưỡng hệ thống thấp, thân thiện với môi trường, giảm ô nhiễm môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Lành, Biến trình năm nhiệt độ nước vùng biển khơi miền trung Việt Nam, Viện nghiên cứu biển - Viện khoa học Việt Nam, 1979 [2] State of Hawaii, Seawater district cooling feasibility analysis for the state of Hawaii, Energy, Resources and Technology division, 2002 [3] Avery, William, C Wu, Renewable energy from the ocean, Oxford university Press, New York, Oxford, 1994 [4] J.M Moran, H.N Shapiro, Fundamental of Engineering Thermodynamic 2nd edition, John Wiley &Sons Inc., New York, 1992 [5] Donald, R Pitts,Schaum's Outline of Theory and Problems of Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1998 [6] Williams, Mike, Use of Seawater for Air Conditioning a Waikiki Convention Center, University of Hawaii at Manoa, 1994 (BBT nhận bài: 06/07/2015, phản biện xong: 31/07/2015) ... [2]: Q = Tính tốn thiết kế điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước biển dự án resort Hòn Tre Ứng dụng nước biển lạnh sử dụng điều hịa khơng khí phù hợp với khu resort hotel khu vực ven biển đảo,... áp dụng cho thành phố ven biển 207 nước, đặc biệt cho resort hotel Khơng thế, hệ thống điều hịa trung tâm sử dụng nguồn lượng xanh, góp phần bảo vệ mơi trường Kết tính tốn thiết kế hệ thống điều. .. điều hồ khơng khí trung tâm sử dụng nước biển đảo Hòn Tre, Nha Trang cho thấy: - Có thể triển khai sử dụng nước biển lạnh độ sâu 536m ứng với nhiệt độ nước biển 7oC để điều hòa trung tâm cho khu