Nghiên cứu đề xuất giải pháp cấp nước nóng hiệu quả cho khách sạn holiday thành phố nha trang

TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀNGHIÊN CỨU

Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống cấp nước nóng trung tâm chokháchsạn5

1.1.1 Cácnghiên cứu hệ thống nước nóng trên thếgiới

Hệ thống cấp nước nóng trung tâm đã được nghiên cứu từ rất lâu và áp dụng trong các tòa nhà, khách sạn trên thế giới.Các hệ thống cấp nước từ lúc bắt đầu hình thành, phát triển để phù hợp với xu hướng cuộc sống và môi trường sinh thái.Hệ thống tạo nhiệt đi qua lịch sử của mình với các công nghệ hiện đại vượt bậc Ngày nay, thế giới đang dần phát triển hệ thống nước nóng trung tâm sử dụng bơm nhiệt để thay thế cho các hệ thống truyền thống khác như hệ thống sử dụng sợi đốt bằng điện, hệ thống sử dụng khí gas để đốt nóng, hệ thống boiler dùng dầu diesel Ngoài ra năng lượng sạch cũng đang được áp dụng công nghệ vào hệ hống cấp nước nóng đem lại hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng.

Nicholas Carnot đã đề xuất ra một khái niệm chung, ông nhận ra rằng dòng nhiệt thường di chuyển từ nơi có nhiệt độ nóng đến nơi có nhiệt độ lạnh.

Một nhà phắt minh người Mỹ, Robert C Webber, đã có ý tưởng về một máy bơm nhiệt lấy nguồn nhiệt mặt đất khi anh đang thử nghiệm với tủ đông đặt âm sâu của mình Ông đã đảo ngược quá trình đó để lấy nhiệt dư tỏa ra dùng sưởi ấm nhà của mình, đó là bước đầu tiên cho phát minh máy bơm nhiệt Sau các lần thử nghiệm và diều chỉnh thiết kếcuối cùng ông đã tạo ra máy bơm nhiệt hoàn chỉnh để cung cấp nhiệt cho toàn bộ ngôi nhà của mình[17].

Sau máy bơm nhiệt đầu tiên, năm 1748, William Cullen đã chứng minh sự làm lạnh nhân tạo có thể được ghi nhận là sự khởi đầu của nguyên lý khoa học của máy bơm nhiệt Lord Kelvin đã phát triển ý tưởng vào năm 1852 Đến năm 1855-1857 Peter von Rittinger đã phát triển và xây dựng hệ thống bơm nhiệt đầu tiên [17].

Máy bơm nhiệt thời gian gian đầu mới hình thành đực sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực làm lạnh, sấy khô, hay sưởi ấm

Công ty NEOS CORP có trụ sở đặt tại thành phố Munich chuyên sản xuất thiết bị xử lý nước nóng cho công nghiệp và dân dụng, máy nước nóng năng lượng mặt trời và thiết bị xử lý nước bểbơi.

Công ty SEILAR THERMO AUSTRALIA là một trong những công ty hàng đầu trên thế giới chế tạo và lắp đặt máy bơm nhiệt công nghiệp và dân dụng.

Từ năm 1970 Mitsubishi Electric đã thử nghiệm, thiết kế và sản xuất các dòng sản phẩm bơm nhiệt thương mại.Công ty là một trong những nhà sản xuất đầu tiên ở Nhật Bản đi tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ bơm nhiệt vào việc cung cấp nước nóng và cũng là nhà sản xuất đầu tiên phát triển dòng sản phẩm dùng môi chất lạnh R407C để tạo ra nước nóng với nhiệt độ lên đến 70°C, đủ cao để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc [18].

1.1.2 Cácnghiên cứu hệ thống nước nóng ở ViệtNam Đã từ lâu, việc khai thác, sử dụng hợp lí các nguồn năng lượng đang trở thành một vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu Những nguồn năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường và sự nóng lên của khí hậu trái đất do chất thải công nghiệp Việt Nam đang từng bước hội nhập với nền kinh tế thế giới, nguồn năng lượng không nhiều, hiệu suất sử dụng năng lượng hiện nay rất thấp Khi luật “ Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả 2010” ra đời được Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam khóa XII kỳ hợp thứ & thông qua ngày 17 tháng 6 năm 2010 nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và cuộc sống Tồn tại lớn nhất hiện nay ở nước ta là sử dụng năng lượng còn hết sức lãng phí, nếu so với các nước trong khu vực và trên thế giới thì hiệu suất sử dụng năng lượng của ta rất thấp, gấp 5-7 lần so với các nước trên thế giới, làm cho cường độ năng lượng (kgOE/USD) và hệ số đàn hồi nước ta cao Trong các tòa nhà, chỉ số tiêu thụ điện tính trên 1m 2 sàn cao hơn từ 30% - 50% so với các công trình cùng loại Thật vậy, ở châuÂu để sản xuất ra 1kWh điện người ta ta đã thải vào môi trường 0.6kg CO2, thành phần chủ yếu gây ra hiệu ứng nhà kính.Ở Việt Nam hàm lượng CO2thải ra tính trên1kWh điện sản xuất chắc chắn cao hơn.Tuy nhiên, trong xu thế hội nhập quốc tế và chuyểnhóatrongcôngcuộcđổimớihiệnnay.ViệtNamđangdầndầnchútrọngvào các biện pháp tiết kiệm năng lượng và tìm nguồn năng lượng mới thay thế cho năng lượng hóa thạch [2].Nhận thức được điều này, đề tài khoa học này triển khai nghiên cứu, tính toán và đề xuất các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả.

Hiện nay, trong xu thế hội nhập quốc tế, nước ta đã và đang có các công trình nghiên cứu về hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng sạch thay thế cho năng lượng điện Một số công trình nghiên cứu chế tạo đáng chú ý:

 Thầy Vũ Xuân Quế - Hiệu trưởng trường THCS &THPT Bát Xát (Lào Cai) đã tự tạo ra hệ thống đun nước nóng công suất lớn sử dụng nguyên liệu tự nhiên để chống rét cho học sinh vào mùa đông.

 Ông Ngô Quốc Tuấn - thợ sửa đồ điện ở phường Đa Mai, thành phố Bắc Giang đã nghiên cứu, chế tạo ra bể nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có quy mônhỏ.

 Công ty Cổ phần 22 chế tạo, lắp đặt hệ thống tắm nước nóng cho bộ đội vùngrét.

Qua các thành tựu trên, một số nghiên cứu chế tạo hệ thống nước nóng chỉ dừng lại tự phát theo đặc điểm từng vùng, tùy vào thời tiết cụ thể Các nghiên cứu đó còn mang tích chất cá nhân, chưa được hệ thống hay báo cáo khoa học để ứng dụng rộng trong cảnước.

1.1.3 Tiếtkiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong các tòanhà

Trong xây dựng nói chung và các tòa nhà nói riêng là một trong những ngành tiêu thụ năng lượng rất lớn, ở hầu hết các giai đoạn trong chu trình sống của công trình: từ thiết kế, thi công, khai thác sử dụng Chỉ riêng việc tiêu thụ năng lượng điện đã thấy có nhiều vấn đề cần giải quyết [2].

 Tiêu thụ điện trực tiếp: sử dụng máy điều hòa không khí, đun nước nóng, chiếu sáng, thiết bị điện sinh hoạt, thangmáy

 Tiêu thụ gián tiếp: vật liệu xây dựng, vật liệu cách nhiệt, mật độ dâncư

Hệ thống máy nước nóng

Hình 1-1: Tiêu thụ điện năng trong các khách sạn [2]

Hình 1.1 ta thấy tỉ lệ sử dụng điện năng cho hệ thống máy nước nóng 4.41% Do đó trong luận văn này triển khai nghiên cứu và đề xuất các giải pháp có thể giảm khoảng 1% phần điện năng đó.

TổngquanvềthiếtkếhệthốngcấpnướcnóngtrungtâmkháchsạnHoliday – thành phốNhaTrang

1.2.1 Sơ lượt về thiết kế cơ điện và cấp thoát nước khách sạn Holiday – NhaTrang

Khách sạn Holiday – Nha Trang do công ty Trách nhiệm Hữu hạn Thương mại Dịch vụ Khải Hoàng làm chủ đầu tư, nằm trên đường Phạm Văn Đồng phường Vĩnh Hòa thành phố Nha Trang tỉnh Khách Hòa, có vị trí thuận lợi giao thông, rất thích hợp xây dựng khách sạn đạt tiêu chuẩn 4 đến 5sao.

Các hạng mục cơ điện và cấp thoát nước do công ty Cổ phần tư vấn kỹ thuật NBM (NBMCORP) chịu trách nhiệm thiết kế cho công trình.

Hình1-2: Mặt bằng tổng thể

Hình1-3: Công trình đang trong giai đoạn thi công

Hệ thống cấp nước sử dụngkhách sạn

Hệ thống cấp nước bao gồm tất cả các đường ống, thiết bị dùng để xử lý, phân phối và vận chuyển nước đến các đối tượng dùng nước Các đường ống chính và phụ được nối với nhau thông qua các nối, van v.v Các hệ thống điều chỉnh áp lực (bình giãn nở, công tắc áp suất) các hệ thống điều chỉnh lưu lượng nước (công tắc mực nước, van phao ) và hệ thống điều khiển bơm bằng điện.

Cụm bơm cấp nước lạnh sinh hoạt: Cụm bơm cấp nước từ bể nước ngầm chứa nước thủy cục lên bể chứa nước trên tầng mái sinh hoạt gồm có 2 bơm đẩy TP-01/02-BF (gồm 1 bơm chạy,

1 dự phòng, bơm được thiết kế chạy luân phiên) Cụm bơm tăng áp BP-01/02-RF được cấp nước sinh hoạt cho các tầng 17, 18, 19, 20 và cấp nước cho hệ thống nước nóng (bơm được thiết kế chạy luân phiên).

Hệ thống bơm cấp nước nóng sử dụng heatpump: Cụm bơm tuần hoàn CP- 01/02/03/04-RF bù áp cho hệ thống làm nước nóng heatpump ( mỗi heatpump sử dụng cụm bơm riêng) Cụm bơm hồi nước nóng RP-01/02-RF bơm nước hồi về bình bảo ôn Nước nóng được làm nóng trong bốn heatpump HP-R-01/02/03/04 sau khi được làm nóng sẽ dẫn về 4 bình chứa nước nóng có thể tích V= 5m3 Nước nóng từ bốn bình chứa nước nóng có thể tích V= 5m3 nếu nhiệt độ nước ở bình thấp hơn nhiệt độ nước theo yêu cầu thì điện trở sẽ làm nước nóng lên bằng nhiệt độ yêu cầu Hệ thống này sẽ đảm bảo luôn có nước nóng sử dụng trong mọi điều khiện thời tiết, bất kể những ngày mưa bão liên tục hay trời không có nắng kéo dài Nước nóng từ đây sẽ chảy tự do (theo trọng lực) cấp xuống cho các tầng condotel, khách sạn, khu bếp Hệ thống này hoạt động liên tục cùng với mạng lưới cấp nước nóng, nước nóng không sử dụng hết sẽ được cụm bơm hồi vể 4 bình chứa nước nóng có thể tích V= 5m3 Điều này sẽ giúp cho hệ cấp nước nóng của công trình luôn đảm bảo được nhiệt độ cần thiết trong đường ống để phục vụ một cách tốt nhất nhu cầu dùng nước nóng của công trình ở bất kỳ thời điểm nào[11].

Tổng quan về đặc điểm tạo nhiệtcủaHeatpump

Ta luôn thấy một nguyên tắc là nước luôn chảy từ trên cao xuống thấp, nhiệt luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp, khi di chuyển từ trên cao xuống thấp thì áp xuất không khí thay đổi từ thấp lên cao Tuy nhiên chúng ta vẫn có thể bơm nướchaynhiệt di chuyển ngược lại chu trình trên Vậy ta có thể điều khiển cả hai chu trình thuận nghịch của nhiệt đó thông qua máy bơmnhiệt.

Bơm nhiệt (Tiếng Anh:heat pump, Tiếng Pháp:pompe à chaleur) là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ “nóng” sang “lạnh” hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh, máy nướcnóng…

Về lý thuyết, nhiệt lượng được vận chuyển bởi máy bơm nhiệt tới nơi cần cung cấp sẽ bằng nhiệt lượng lấy từ môi trường cộng với năng lượng dùng để chạy máy bơm.Một máy bơm nhiệt chạy điện điển hình có công suất 100 kWh nhiệt lượng với chỉ từ 20-40 kWh điện năng tiêu thụ.Một số máy bơm nhiệt dùng trong công nghiệp còn có thể đạt được hiệu năng lớn hơn, ví dụ như công suất 100 kWh chỉ tiêu thụ 3-10 kWh điện năng.

Nhờ ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng hơn những thiết bị cung cấp nhiệt thông thường, máy bơm nhiệt là một cải tiến kĩ thuật quan trọng trong việc giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường như khí CO2, khí SO2 (sulphur dioxide), khí Nox (nitrogen oxides).Tuy vậy, tác động đến môi trường của máy bơm nhiệt chạy điện còn phụ thuộc nhiều vào việc nguồn điện năng cung cấp được được sản xuất như thế nào Nếu nguồn điện được sản xuất từ khí hydro hay những dạng năng lượng tái tạo rõ ràng sẽ giảm ô nhiễm môi trường nhiều hơn là nguồn điện lấy từ than đá, xăng dầu…

Hình1-4: Hệ thống nước nóng trung tâm của Megarsun

1.3.2 Cấu tạo của hệ thốngHeatpump

 Thiết bị truyền nhiệt làm nóngnước

 Bình bảo ôn giữ nhiệt chonước

 Máy bơm tăng áp tựđộng

Hình 1-5: Bên trong máy nước nóng heatpump

Hình 1-6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nước nóng trung tâm

Máy bơm nhiệt gồm 4 bộ phận chính: thiết bị bay hơi, máy ngưng tụ, máy nén và van tiết lưutạo thành một vòng kín Một luồng chất lưu dễ bay hơi, gọi là lưu chất vận động (working fluid) luân chuyển trong máy bơm với nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường ngoài cung cấp cho môi trường tiếp nhận.Bơm nhiệt làm việc bằng cách truyền tải nhiệt không phải theo nguyên tắc chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng.Một bơm nhiệt lấy năng lượng nhiệt từ nguồn nhiệt thấp (không khí xung quanhhoặcnguồnnướcthải)vàvậnchuyểnchúngđếnbìnhchứanướcnóngnhiệtđộ cao Điện năng được sử dụng để hoạt động cho máy nén để tăng thêm nhiệt ra của năng lượng nhiệt chứ không phải tạo ra năng lượng nhiệt, tại một số máy bơm nhiệt loại nhỏ sử dụng cho gia đình vẫn đang sử dụng điện để tạo ra năng lượngnhiệt.

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt:dòng chất lưu sẽ thu nhiệt lượng từ môi trường bên ngoài thông qua dàn thu và được đưa đến máy nén, máy nén sẽ làm tăng nhiệt độ lên tới mức cần thiết để bổ sung thêm nhiệt ( bù lại tổn thất nhiệt khi chất lưu di chuyển trong ống), dòng chất lưu lại di chuyển tới bình ngưng tụ sẽ giải phóng nhiệt lượng, quá trình này lập đi lập lại trong suốt quá trình làm việc của máy bơm nhiệt Nếu máy bơm nhiệt lạnh thì quá trình nén sẽ ngược lại.Chất lưu (môi chất làm lạnh) sôi ở nhiệt độ thấp trong bộ phận bayhơi.

Theo nguyên lý hoạt động như trên, ta thấy hiệu năng của một máy bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào những đặc tính của nguồn cung cấp nhiệt (nguồn nhiệt) Một nguồn nhiệt lý tưởng cho máy bơm nhiệt phải có nhiệt độ cao và ổn định các mùa trong năm, không gây ăn mòn hay ô nhiễm môi trường, có những tính chất nhiệt hóa vật lý phù hợp với máy, chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí cho bảo dưỡng và hoạt động thấp Trong tự nhiên hầu hết các nguồn nhiệt luôn có sẵn, chúng ta phải sử dụng hợp lý là một chìa khoá quyết định tới việc lắp đặt và sử dụng máy bơmnhiệt.

Bảng 1-1: Những nguồn nhiệt thường được sử dụng hiện nay

Nguồn nhiệt Nhiệt độ của nguồn (độ C)

Không khí thông thường, khí xả, đất và nước ngầm được sử dụng cho các máy bơm nhiệt công suất và phạm vi sử dụng nhỏ, trong khi nước lấy từ biển, sông, hồ , đá và nước xả được sử dụng trong quy mô lớn.

Thông thường người ta dựa vào 3 nguồn nhiệt chính lấy từ không khí, nước và đất để phân loại các máy bơm nhiệt

1.3.4.1 Khôngkhí Đây là một nguồn nhiệt miễn phí và được sử dụng rộng rãi, đồng thời là nguồn nhiệt phổ biến nhất trong các máy bơm nhiệt Nhiệt lượng do máy bơm nhiệt dạngnàycung cấp có thể sử dụng để làm ấm trực tiếp không gian bên trong, hoặc cung cấp cho các lò sưởi và các bình nước nóng Loại máy bơm sử dụng nguồn nhiệt lấy từ không khí (máy bơm nhiệt-khí) có ưu điểm là lắp đặt dễ dàng, chi phí rẻ hơn các loại máy bơm khác, thích hợp để thay thế các loại lò sưởi điện thôngthường.

Khí thải: khí thải cũng là một nguồn nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các máy bơm ở các khu căn hộ và khu thương mại Máy bơm thu nhiệt lượng từ hệ thống quạt gió để cung cấp cho hệ thống nước nóng hoặc hệ thống sưởi Một vài loại máy bơm nhiệt được thiết kế để có thể sử dụng đồng thời 2 nguồn nhiệt từ không khí và khí thải.

Nước ngầm: nước ngầm thường đạt được nhiệt độ ổn định từ 4 tới 10 °C ở nhiều khu vực.Các máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nước có ưu điểm là lắp đặt dễ và hoạt động ổn định, hiệu suất tương đối.Tuy vậy cần phải tìm được nguồn nước thích hợp ở gần nơi lắp đặt, chỉ thích hợp với các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc các hệ thống sưởi cho sàn nhà, thêm vào đó khi lắp đặt cần lưu ý các vấn đề về chống ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm khu vực đất xungquanh.

Nước sông, hồ: theo lý thuyết đây là những nguồn cung cấp nhiệt tốt, nhưng có một hạn chế lớn là nhiệt độ vào mùa đông thường thấp (0 °C ở các nước ôn đới), và cần thiết kế một hệ thống chống đông lạnh hơi nước.

Nước biển: đây là một nguồn cung nhiệt rất tốt nếu đáp ứng được một số điều kiện cần thiết, thường được sử dụng cho những máy bơm cỡ vừa và lớn, trong công nghiệp Ở độ sâu từ 25 tới 50 m, nhiệt độ nước biển đạt ổn định (từ 5-8 °C), k gây nên những vấn đề về đóng băng hơi nước Việc lắp đặt hệ thống máy bơm nhiệt cần lưu ý tới việc chống ăn mòn cho các đường ống dẫn nhiệt có thể gây ô nhiễm cho môi trường nước biển.

Nước xả: thường có nhiệt độ cao và ổn định trong suốt các khoảng thời gian trong năm Một vài ví dụ là nước xả từ các kênh hay các đường ống thoát nước (đã hoặc chưa qua xử lý), nước thải công nghiệp, nước thải từ các nhà máy điện, điện lạnh… Một trong những trở ngại trong việc sử dụng nguồn nhiệt này cho các khu căn hộ và thương mại là khoảng cách từ những nơi này tới các nguồn nước xả, do các khu công nghiệp thường được bố trí ở ngoại ô, xa khu dân cư Tuy vậy với các máy bơm nhiệt dùng trong công nghiệp, nó ngược lại không phải là trở ngại mà còn là một thuận lợi cho phép tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong côngnghiệp.

Mỗi ngày, ánh nắng mặt trời truyền năng lượng xuống Trái đất và được lưu trữ lại một lượng đáng kể trong lòng đất Máy bơm nhiệt sử dụng nguồn năng lượng này được gọi là máy bơm địa-nhiệt, có ưu điểm là tận dụng được nguồn nhiệt năng tự nhiên có sẵn trong lòng đất của mỗi công trình, không chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh (do nhiệt lượng trong lòng đất thường ổn định) nhưng chi phí lắp đặt khá cao Khi lắp đặt máy bơm địa-nhiệt, có hai cách bố trí hệ thống thu dẫn nhiệt là: theo chiều ngang (đặt sâu khoảng 0,6 tới 1,2m so với mặt đất, và chiếm một diện tích lớn, thường được đặt trong sân vườn nhà), và theo chiều dọc (không yêu cầu nơi lắp đặt phải có sân vườn nhưng cần đào sâu từ 80 tới120m).

Tổng quan về máy nước nóng năng lượngmặt trời

1.4.1 Lịchsử ra đời máy nước nóng năng lượng mặttrời Ở thế kỷ XIX, các nước phương Tây làm tăng nhệt độ của nước bằng phương pháp thủ công, đó là dùng gỗ hoặc than đá để đốt nóng Phương pháp này rất tốn kém về nguyên liệu, công sức và bấttiện. Ở những vùng nông thôn có nhiều nắng hơn thì nông dân đã nghĩ ra phương pháp khác Họ chứa nước trong một thùng phuy và đậy nắp,sau đó đem phơi dưới ánh nắng mặt trời suốt cả ngày.Tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng ban ngày, những thùng phuy này nhanh chóng bị mất nhiệt về ban đêm, khi nhiệt độ hạ xuống.Ở vùng ít nắng thì phương pháp không thể sử dụng vào mùa đông, vì thế việc tăng nhiệt độ nước chỉ có thể sử dụng nguyên liệu tự nhiên rất tốn kém.

Mãi cho đến năm 1891, Clarence Kemp, bang Maryland, Mỹ, đã tạo ra một loại bồn kim loại lưu giữ được nhiệt độ của nước từ hấp thu năng lượng mặt trời Ông đã đặt tên cho sản phẩm của mình là Climax và đây là máy nước nóng từ năng lượngmặttrời đầu tiên trên thếgiới. Đầu năm 1900, Kemp đã đưa Climax đến với người dân các tiểu bang khác có nắng và nhiệt độ thường cao hơn Tại miền Nam California, Mỹ, hàng trăm máy được lắp đặt vào năm 1900.Sau đó, hệ thống thu nhiệt của Climax đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện dần, trong đó có việc sử dụng hộp thủy tinh bao xung quanh các ống kim loại giống như phương pháp hiệu ứng nhà kính Do đó, nước được nóng nhanh hơn Khối lượng riêng của nước nóng thường nhẹ hơn nước lạnh, khi thông qua ống dẫn thì nước nóng sẽ được dồn vào bình chứa (bình bảo ôn) và đảm bảo cho nhu cầu cả ngày và đêm.

Năm 1909, William J Bailey của công ty thép Carnegie, Mỹ, đã nâng kỹ thuật lên một bước nữa bằng cách tách máy nước nóng năng lượng mặt trời ra làm hai phần: một phần hấp thụ nhiệt và một phần trữ nhiệt Phần hấp thụ nhiệt là các ống kim loại sơn đen và đặt trong một hộp kính, phần còn lại là một bồn chứa lớn để trữ nước nóng.

Trong những năm 1920-1930, những khám phá lớn về khí đốt tại Los Angeles, Mỹ, đã làm đình trệ sự phát triển ứng dụng của năng lượng mặt trời Sau năm 1930, Heater là người kế nghiệp Bailey, đã phát triển rộng rãi dòng máy Solar Day - Night Heater.Sau chiến tranh thế giới thứ hai, có những nước mà cả nửa số dân đã dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời,góp phần tiết kiệm điện cho các ngành công nghiệp sản xuất khác.

Năm 1960, người Nhật đã tiếp cận khu vực Trung Đông bằng những ứng dụng của máy nước nóng năng lượng mặt trời.Đổi lại, họ được mua dầu mỏ với giá ưu đãi.Nhưng không lâu sau đó, vào năm 1973, giá dầu mỏ tăng vùn vụt, máy nước nóng năng lượng Mặt trời trở nên có giá.Khi xuất hiện lệnh cấm vận một số nước Trung Đông, mỗi năm Nhật Bản xuất sang Trung Đông hơn 100,000 máy nước nóng năng lượng Mặt trời.Khi cuộc khủng hoảng giá dầu lần thứ hai xảy ra (năm 1979), doanh thu của nước Nhật tăng khủng khiếp chỉ bằng việc xuất khẩu máy nước nóng năng lượng Mặt trời, trung bình trên 250,000máy/năm.

Hiện tại, Nhật Bản đang có trên 10 triệu gia đình dùng máy nước nóng năng lượng Mặttrời.

Tại Australia, Solarhart là nhà sản xuất tiên phong khi cải tiến bộ hấp thụ nhiệt và bồn nước (bình bảo ôn) được thiết kế gọn nhẹ, rất thuận lợi khi lắp đặt trên mái nhà.Nếu năm 1960, trên cả thế giới có khoảng 100.000 bộ máy nước nóng năng lượng Mặt trời thì đến năm 1969 đã có khoảng 4 triệu máy.Cuộc khủng hoảng về dầu mỏ năm 1973 và năm 1979 đã làm người dân Australia gần gũi hơn với nguồn năng lượng từ Mặt trời.Trong khoảng thời gian này, ở lãnh thổ phía Bắc của Australia đã có khoảng 45- 50% số gia đình sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời.Trong những năm cuối của thập kỷ 80 của thế kỷ 20, Australia là nước xuất khẩu máy nước nóng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới khi thị phần của thương hiệu Solarhart chiếm 50% tổng thị phần.

Tại Israel, năm 1953, Levi Yissar là người đầu tiên đưa máy nước nóng năng lượng mặt trời về và sự kiện này đã thu hút nhiều tờ báo hàng đầu ở nước này.

Tại Việt Nam, sự xuất hiện của máy nước nóng năng lượng mặt trời tuy muộn nhưng đúng thời điểm và được coi là một trong những giải pháp tiết kiệm hàng đầu trong đầu tư.

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, máy nước nóng năng lượng mặt trời nói riêng và các thiết bị dùng năng lượng mặt trời nói chung đã nhen nhóm xuất hiện tại Việt Nam nhưng mới chỉ ở dạng nghiên cứu của các trường đại học hoặc viện nghiên cứu. Đến đầu năm 2000, máy nước nóng năng lượng mặt trời đã có hình thức thương mại nhưng đa phần nhập ngoại như Solarhart và Edwards (Australia), Solar Meru (Malaysia), Solar Heps (Israel) [8].

Hình1-7: Giàn máy nước nóng năng lượng mặt trời

1.4.2 Cấu tạo chính và nguyên lý hoạtđộng

Bộ phận thu nhiệt (Collector): bộ thu nhiệt có vai trò hết sức quan trọng vì chất lượng nhiệt độ của nước đều phụ thuộc vào sự làm việc của bộ này Trước đây phổ biến là loại thu nhiệt phẳng làm bằng kim loại (dạng ống cánh với ống bằng đồng và cánh bằng đồng hoặc nhôm). Gần đây, loại thu nhiệt phẳng bằng nhựa (PP-R có độ dẫn nhiệt cao) và loại thu nhiệt sử dụng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không khá phổ biến, giữa là lớp không khí hay dầu làm tăng khả năng dẫn nhiệt Như vậy là có 3 loại collector: loại phẳng dạng ống cánh kim loại, dạng phẳng bằng nhựa và dạng ống chân không Collector của máy nước nóng có dạng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không với hiệu suất cao (>93%) và tuổi thọ tương đối cao nếu sử dụng đúng cách.Giá thành cũng như chi phí thay thế ống rất rẻ, và ống có thể chịu đựng được va đập của các trận mưa đã lớn Lớp hấp thụ của ống nước được sơn bằng công nghệ phun mạ do đó tính hấp thụ bức xạ mặt trời cao đến hiệu suất thu nhiệt của ống khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời rất cao (95%), hiệu suất phát xạ nhiệt khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời thấp6% Nhược điểm duy nhất là đòi hỏi nguồn nước cung cấp đảm bảo phải liên tục và cóchất lượng tốt, nhằm tránh gây phá hủy các ống thu nhiệt do “sốc nhiệt” hay đóng bẩn sẽ làm giảm hiệu suất.

Bộ phận giữ nhiệt (Bình bảo ôn): Dùng để lưu trữ nguồn nước nóng và nước lạnh Cấu tạo gồm 3 lớp: Ruột bình, lớp bảo ôn và vỏ bình Ruột bình: Được chế tạo bằng thép không gỉ SUS304/2B dùng trong công nghệ thực phẩm và được hàn nối bằng phương pháp hàn cao tần do đó đảm bảo được thành phần của nước khi sử dụng không bị thay đổi do xúc tác của nhiệt độ Lớp bảo ôn: Được làm từ hợp chất PolyUrethane bọt PU cách ly 55mm rất tốt và giữ được nhiệt độ rất lâu (khoảng 72 giờ), khả năng thất thoát nhiệt không đáng kể Vỏ bình: Làm bằng thép không gỉ, độ dày tiêu chuẩn mang lại cho bình độ bền, đẹp, sử dụng tốt trong cả những môi trường khắc nhiệt (vùng ven biển, hải đảo…)

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý đối lưu nhiệt tự nhiên và hiện tượng hiệu ứng lồng kính, giúp biến đổi quang năng thành nhiệt năng và bẫy nhiệt lượng này Năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt thiết bị, làm tăng nhiệt độ nóng nước, do quá trình đối lưu nhiệt, nước tại bình bảo ôn sẽ tăng lên, quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi nhiệt độ trong bình bằng nhiệt độ của nước tại thiết bị hấp thụ Việc tạo ra nước nóng không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường bên ngoài mà phụ thuộc vào khả năng hấp thụ nhiệt của thiết bị năng lượng với các tia bức xạ ánh nắng mặt trời.

Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động được không phụ thuộc vào các mùa trong năm mà phụ thuộc vào thời tiết và khả năng làm việc của collector, cứ có ánh nắng mặt trời là có nước nóng trong máy nước nóng năng lượng mặt trời Nhiều người do chưa hiểu rõ nguyên lý hoạt động của sản phẩm lại có quan niệm sai lầm và cho rằng: “Máy nước nóng năng lượng mặt trời chỉ hoạt động được mùa hè còn mùa đông không có tác dụng hoặc rất kém”.

Hình1-8: Nguyên lý hoạt động của hệ thống máy nước nóng năng lượng mặt trời

Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không: Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không bao gồm nhiều ống thủy tinh chân không được gắn và ghép nối vào các lỗ thông hơn trên thân bồn nước nóng Loại này có khả năng giữ nhiệt lâu, an toàn khi sử dụng, giá thành rẻ Tuy nhiên, hiệu suất hoạt động kém khi thời tiết xấu, không có năng, dễ bám bụi, yêu cầu vệ sinh thường xuyên.

Hình1-9: Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không

Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống dầu:loại này tương tự máy nước nóng chân không về mặt cấu tạo, chỉ khác về chất dung môi dẫn nhiệt Loại thiết bị này có khả năng hấp thụ nhiệt nhanh, giúp nước nóng nhanh, an toàn, không bị bám bẩn Đặc biệt, chúng có thể hoạt động tốt kể cả khi không có nắng.Nhược điểm của dạng máy nước nóng này là giá thành khá cao, thường cao hơn từ 2 – 3 triệu đồng so với máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không.

Hình 1-10: Cấu tạo đơn giản ống dẫn nhiệt của máy nước nóng solar

Tổng quan về lý thuyết điều khiểntựđộng

Lý thuyết điều khiển tự động là một cơ sở lý thuyết, nó nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động và các qui luật của các quá trình xảy ra trong hệ Từ đó xây dựng được các hệ tối ưu hoặc gần tối ưu bằng những phương pháp kỹ thuật, đồng thời nghiên cứu quá trình tĩnh và động của hệ thốngđó.

Với những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta có thể lựa chọn cấu trúc hệ thống hợp lý, xác định trị số tối ưu của các thông số.Đánh giá tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng trong quá trình điều khiển [4].

Một vài khái niệm có tính chất chung nhất của kỹ thuật điều khiển trong các nghành khoa học khác nhau Không kể đến đặc điểm cụ thể, nguyên lý tác động và công dụng của các hệ thống đó, các khái niệm đó là:

 Đối tượng điều khiển: Là các thiết bị tạo ra đại lượng vật lý theo yêu cầu của công nghệ.

 Thiết bị điều khiển: Là thiết bị gia công tín hiệu điều khiển để tác động vào đối tượng điềukhiển.

 Tín hiệu điều khiển: Là tín hiệu phù hợp để tác động vào thiết bị điềukhiển

 Điều khiển: Là tập hợp tất cả các tác động được thực hiện lên đối tượng cần điều khiển theo một nguyên tắc, một quy luật nào đó nhằm thoả mãn các yêu cầu đặtra.

Một hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển gọi là hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, quá trình này vẫn phải được con người kiểm soát và hiệu chỉnh.

Hình 1-14: Sơ đồ đặc trưng của điều khiển tự động

1.5.2 Phânloại điều khiển tự động theo tínhiệu

Tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin hay dữ liệu và có thể truyền dẫn được Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian.Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh.

Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin hay dữ liệu: Biên độ (điện áp, dòng…); Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung; Pha, vị trí xung.

Không phân biệt tính chất vật lý của tín hiệu (điện, quang, khí nén…) thì ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian thành những dạngsau:

 Tín hiệu rời rạc (về mặt thời gian) là tín hiệu chỉ xác định trên 1 tập rời rạc của thời gian (tập những thời điểm rời rạc) Dưới dạng toán học, tín hiệu rời rạc mang giá trị thực (hoặc phức) có thể được xem là 1 hàm liên kết từ tập số tự nhiên đến tập số thực (hoặcphức).

 Tín hiệu liên tục (về mặt thời gian) là tín hiệu mang giá trị thực (hoặc phức) xác định với mọi thời điểm trong một khoảng thời gian, trường hợp phổ biến nhất là một khoảng thời gian vôhạn.

Chú ý: Một hàm không liên tục về mặt toán học, ví dụ như hàm sóng vuông (square- wave) hay sóng răng cưa (sawtooth-wave), vẫn có thể là hàm liên tục về mặt thời gian.

Tín hiệu tương tự là tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian.

Tín hiệu số là tín hiệu mà các giá trị tham số thông tin của một tín hiệu được biểu diễn bằng mã nhị phân.

Hệ thống điều khiển thực tế rất đa dạng và có bản chất vật lý khác nhau Trong giáo trình này chỉ giới hạn nội dung nghiên cứu là hệ thống tuyến tính bất biến liên tục Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của một hệ thống tuyến tính bất biến liên tục rất phức tạp, cần có cơ sở chung để phân tích, thiết kế các hệ thống điều khiển có bản chất vật lý khác nhau [3].

1.5.3 Mô tả toán học hệ thống điềukhiển

Trong hệ thống liên tục người ta hay sử dụng phép biến đổi Laplace để biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số phức, đây là sử dụng mô hình toán bằng hàm truyền đạt Các phương trình vi tích phân sẽ chuyển đổi thành các phương trình đại số thông thường Định nghĩa: Gọi F(s) là biến đổi Laplace của hàm f(t), khi đó ta có:

Trong đó: s là biến phức (biến Laplace); L là toán tử Laplace; F(s) là biến đổi Laplace của hàm f(t).

Hình 1-15: Mô tả hệ thống dưới dạng hàm truyền

Hàm số truyền của hệ thống (còn gọi là hàm truyền đạt) là tỷ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace với điều kiện đầu triệt tiêu (điều kiện đầu bằng 0).

Kết luậnchươngI

Với việc biến đổi khí hậu ngày nay, thay thế năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng được chú trọng và quan tâm hàng đầu trong khâu thiết kế, vận hành, quản lý.Từ đó đưa ra giải pháp thích hợp để lựa chọn phù hợp với thực tế Các nguồn năng lượng có thể thay thế:

 Năng lượng mặt trời(solar)

 Các nguồn năng lượng khác

Trong luận văn sẽ nghiên cứu năng lượng solar dùng trong hệ thống cấp nước nóng thay thế hoàn toàn hoặc một phần hệ thống heatpump.Bên cạnh đó nghiên cứu về giải pháp hạn chế tổn thất nhiệt trong hệ thống (phần năng lượng tạo ra tổn thấtnhiệt).

Trong cuộc sống ta ngày nay, yếu tố quan trọng quyết định đến sự sống trên trái đất đó chính là năng lượng.Hằng ngày, chúng ta đều sử dụng năng lượng cho việc phát triển kinh tế, kỹ thuật Trong đó, các nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, đang dần kiệt quệ Đây là điều đáng báo động cho tình trạng hiện nay, có thể dẫn đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảng kinh tế cũng như trật tự xã hội và quan trọng hơn khi sử dụng quá nhiều dẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và động vật Với sự phát triển vượt bật của khoa học – công nghệ thì việc phát triển và nghiên cứu một thiết bị, hệ thống giúp tiết kiệm năng lượng và tránh lạm dụng vào nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, là vô cùng quantrọng.

Hệ thống nước nóng trung tâm sử dụng bơm nhiệt hay năng lượng mặt trời (solar) là một thành phần trong số đó, giúp tiết kiệm điện năng sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường khi sử dụng dem lại lợi ích cho cuộc sống Vì vậy trong thiết kế khách sạn hay nhà ca tầng ngày nay theo xu hướng phát triển của thời đại, hệ thống nước nóng trung tâm là một giải pháp thiết thực góp phần vào việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Bài nghiên cứu luận văn sau đây sẽ đưa ra những phân tích, đánh giá một cách tổng quan về nguyên lý, cấu tạo, các ưu nhược điểm theo thuyết minh thiết kế ban đầu đưa ra, qua đó đưa ra một số giải pháp tiết kiệm năng lượng hơn và an toàn trong công tác vận hành.

Do tòa nhà khách sạn còn đang trong giai đoạn xây dựng, chưa bàn giao đưa vào sử dụng.Nên các đánh giá, chứng minh, giải pháp đưa ra trong luận văn này cũng sẽ chỉ mang tính chất lý thuyết, lý luận.Nhưng tác giả hy vọng lý thuyết, giải pháp này sẽ có thể mang lại lợi ích thiết thực vào các công trình khác để đem lại lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường.

CƠ SỞ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC NÓNG TRUNGTÂM CỦA KHÁCHSẠNHOLIDAY

Hệ thống cấp nước nóng trung tâm của kháchsạnHoliday

2.1.1 Cơsở tính toán hệ thống cấp nước nóng trung tâm gia nhiệt bằng heatpumpcủa kháchsạn

Hệ thống cấp nước trong nhà làm nhiệm vụ đưa nước từ mạng lưới cấp nước ngoài nhà đến mọi thiết bị, dụng cụ vệ sinh hoặc máy móc sản xuất có dùng nước bên trong nhà Hệ thống cấp nước trong nhà gồm:

 Đường ống dẫn nước vào nhàđến các thiếtbị

 Nút đồng hồ đo nước và các thiết bị kèmtheo

 Đường ống chính nối từ nút đồng hồ đến các ống đứng, các ống đứng dẫn nước lên các tầng, các ống nghánh dẫn nước từ ống chính đến các thiết bị, các thiết bị vệ sinh và dùng nước, các hệ thống điều tiết nước khác

Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống cấp nước trong nhà đơn giản

Ngày nay trong thiết kế hệ thống cấp nước trong nhà cao tầng hoặc khách sạn cao tầng để giảm giá thành xây dựng, giảm độ chênh áp giữa các tầng, thuận tiện cho việc phân phốinướcđếncáctầngvàđểgiảmchiphíđiệnnăngchoviệcbơmnước,cầnphảiphân vùng cấp nước có hệ thống hoạt động độc lập với nhau Thông thường phân chia số tầngnhàthànhcácvùngkhácnhau,mỗivùngtừ4đến5tầng.Việcphânphốivùngcấp nước có thể thực hiện bằng 2 cách: phân vùng song song, phân vùng nối tiếp Ngoài ra còn phân vùng cân bằng bể chứa với thiết bị điều hoà áp lực và phân vùng theo ống đứng cấp nước[4].

Hình 2-2: Sơ đồ phân vùng song song

Hình 2-3: Sơ đồ phân vùng nối tiếp

2.1.1.1 Công thức tính toán hệ thống cấp nước nóng trongnhà

Chế độ dùng nước nóng cũng giống như nước lạnh thường không điều hòa trong ngày, song biểu đồ tiêu thụ nước nóng trong mùa lạnh và mùa hè khác nhau Nước nóng

𝑛ℎ.𝑔𝑖ờ được dùng với các yêu cầu nhiệt độ khác nhau, do đó để thuận tiện trong tính toán người ta xác định nhiệt tiêu thụ cần thiết trong 1 ngày, giờ.

1000 Trong đó: q là tiêu chuẩn dùng nước; F là diện tích; N là số người.

Lượng nhiệt tiêu thụ ngày đêm

Trong đó:𝑞 𝑛 là tiêu chuẩn dùng nước nóng (l/ng Ngđ);𝑡 𝑛 là nhiệt độ nước nóng yêu cầu( o C);𝑡 𝑙 là nhiệt độ nước lạnh yêu cầu;𝑁là số lượng đơn vị dùng nước nóng.

Lượng nhiệt tiêu thụ giờ

𝑊 𝑛ℎ,𝑔𝑖ờ= 𝑄 𝑔𝑖ờ 4,18(𝑡 𝑛− 𝑡 𝑙 ) (Kcal/h) (2- 4)Trong các nhà hàng, khách sạn, bệnh viện lượng nhiệt có thể xácđịnh

Trong đó:𝐾 ℎ là hệ số không điều hòa dùng nước nóng.

Chế độ cấp nhiệt thường chọn điều hòa suốt ngày đêm hoặc trong một số giờ nhất định Khi nguồn cấp điều hòa, công suất cấp nhiệt có thể xác định theo côngthức

Trong đó:𝑊 𝑛ℎ,𝑛𝑔đ là lượng tiêu thụ một ngày đêm (Kcal/ngđ); T là số giờ nguồn cấp nhiệt làm việc trong ngày đêm Khi tính công suất cấp nhiệt ta sẽ lấy 30-35%.

2.1.2 Tínhtoán và lựa chọn hệ thống heatpump của kháchsạn

Theo công thức 2-6 và yêu cầu thiết kế của khách sạn, ta tính lại nhu cầu sử dụng nước Tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 và thành phố Nha Trang là đô thị loại 1, lấy q 0 lít/người. Thông thường qua kinh nghiệm người ta hay sơ bộ chọn tổng nhu cầu nước nóng của một công trình bằng 30% tổng nhu cầu cấp nước cho công trình đó [15].

Tính toán lại nhu cầu dùng nước của khách sạn khi đó ta lấy q` lít/ngườiBảng

2-1: Nhu cầu cấp nước nóng của khách sạn

Bảng 2-2: So sánh kết quả tính toán nhu cầu dùng nước nóng so với thiết kế

STT Mô tả Đơn vị Nước nóng Tổng Chọn

1 Nhu cầu sử dụng nước nóng của khách sạn theo thiết kế m 3 22.80 22.80 25

Nhu cầu sử dụng nước nóng của khách sạn tính toán lại m 3 26.76 26.76 27

Từ công thức 2-8 ta có

 Nhiệt độ nước nóng sử dụng tại thiết bị : T2= 40 0 C

 Nhiệt độ nước nóng tạo ra: T3= 60 0 C

STT Diễn giải Qui mô % Phục vụ

Nhu cầu nước sử dụng

Số căn hộ Diện tíchsàn (m2)

(người/ hộ) (m2/người) (món ăn)

(số người) ( l/người/h) (m3/h cao điểm)

 Lưu lượng nước nóng cần tạo là: 13398lít/giờ

Dựa vào công thức 2-10 ta có công suất cấp nhiệt P= 110327 kj/h = 306 kW ( 1Kcal4.18 KJ), với hiệu số tải sử dụng 70%, ta chọn theo thiết kế có 4 cụm bơm nhiệt MegasunMGS-10HP của công ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Seamax Việt Nam [10].

Hình 2-4: Bơm nhiệt công nghiệp Megasun MGS-10HP

Bảng 2-3: Thông số heatpump Megasun MGS-10HP

Công suất sinh nhiệt 45.4kw

Công suất tiêu thụ điện 7.8 kw

Lưu lượng làm nóng 560 lít/ h

Kiểu máy nén Kiểu cuộn

Nhiệt độ cao nhất 60°C Độ ồn 66 db(a)

Hãng sản xuất máy nén Copeland

Màn hình điều khiển LCD

Bơm đối lưu Chọn ngoài

Bảng 2-4: Tính toán bơm hồi nước nóng

Tên bơm và chủng loại

Qp T Q1bp H P tt / P c Kiểu khởi m³/ngày giờ m³/giờ m W động

Bơm nước loại ly tâm

Vậntốc nước trên ống chính

Chọn đường kính ống (Đường kính ngoài)

Hình 2-5: Đường đặt tính bơm hồi nước nóng

Cụm bơm hồi nước nóng Trong thiết kế cụm bơm có 2 máy, chạy 1 bơm liên tục, 1 bơm dự phòng Cụm bơm đối lưu chọn giống như bơm hồi nước nóng Trong thiết kế cụm bơm có 4 máy, chạy 2 bơm liên tục, 2 bơm dự phòng.

2.1.3 Đánh giá mức độ đầutư

2.1.3.1 Chi phí đầu tư hệ thốngheatpump

Với thiết kế như trên, ta giả lập có 3 heatpump cùng hoạt động mỗi ngày, thì chi phí đầu tư ban đầu và chi phí tiêu hao trong quá trình hoạt động, theo giá chào bán sản phẩm của Megarsun loại Megasun MGS-10HP.

Bảng 2-5: Chi phí đầu tư bơm nhiệt heatpump

Chi phí theo báo giá 1 bơm nhiệt đồng 190,000,000 Chi phí theo báo giá 4 bơm nhiệt đồng 760,000,000

2.1.3.2 Chi phí duy trì hoạt động hệ thốngheatpump

Theo khoản 4.1 phụ lục ban hành kèm theo Quyết định 648/QĐ_BCT ngày 20/3/2019, giá bán lẻ điện sinh hoạt sẽ được tính theo các bậc tiêu thụ điện năng hàng tháng.

Bảng 2-6: Thông số công suất bơm nhiệt công nghiệp Megasun MGS-6HP

Công suất sinh nhiệt kW 24

Nhiệt độ nước lạnh đầu vào 0 C 20.3

Thời gian làm nóng nước h 1.0774

Hình 2-6: Giá điện sinh hoạt theo bậc tiêu thụ

Nếu trong ngày cả 3 bơm nhiệt cùng hoạt động, mỗi bơm hoạt động liên tục trong 2 giờ, chi phí hoạt động cho hệ thống bơm nhiệt theo các bảng bên dưới Chí phí đầu tư trên chưa tính đến hệ thống bơm hồi, tuần hoàn và các thiết bị điện tử khác kèm theo cho hệ thống gia nhiệt.

Bảng 2-7: Chi phí tiêu thụ điện năng của bơm nhiệt trong tháng

Công suất tiêu thụ điện kW 6.5 Điện năng tiêu thụ kWh 7.0029513 Điện năng tiêu thụ ngày kWh/ngày 14.005903 Điện năng tiêu thụ cả 3 bơm nhiệt kWh/ngày 42.017708 Điện năng tiêu thụ tháng kWh/tháng 1260.5312

Chi phí điện theo bậc 6 sau thuế đồng/kWh 3,220

Chi phí điện hoạt động đồng/kWh/tháng 4,058,532

Bảng 2-8: Tổng chi phí đầu tư và hoạt động của bơm nhiệt

Chi phí theo báo giá 1 bơm nhiệt đồng 190,000,000 Chi phí theo báo giá 4 bơm nhiệt đồng 760,000,000 Chi phí duy trì hoạt động đồng 2,792,581

Cơ sở tính toán hệ thống nướcnóng Solar

2.2.1 Cơ sở tính toán hệ thống nước nóngSolar

Bức xạ điện từ của mặt trời gọi tắt là bức xạ là một trong những hình thức đặc biệt của vật chất, trường hợp riêng là ánh sáng thấy được.Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng: tia gamma, tia rơnghen, tia cực tím Xem toàn bộ bức xạ phát ra là 100% thì chỉ có khoảng 50% được trái đất hấp thu.

Lượng bức xạ mặt trời có xu hướng giảm dần theo vĩ độ, vùng có vĩ độ thấp tới các vùng có vĩ độ cao hơn, ở cực bắc khoảng 55-75 kcal/cm 2 /năm, cao nhất là miền núi nhiệt đới và hoang mạc Ở Việt Nam bức xạ thay đổi trong năm khoảng 110-180 kcal/cm 2 /năm.

Bức xạ mặt trời cũng giảm dần theo thời gian Nếu tính trong ngày, thông thường giá trị bức xạ tăng dần từ sáng sớm, vào giữa trưa thì lượng bức xạ lớn nhất, vì góc tới đạt cực đại, sau đó giảm dần Ngoài ra thay đổi theo mùa trong năm, lúc hạ chí (rơi vào khoảng tháng 6), mặt trời gần trái đất nhất, các vùng gần xích đạo có khoảng 12 giờ chiếu sáng, bắc cục liên tục sáng và nam cực liên tục tối, lúc đông chí (khoảng tháng

12) thì ngược lại ở hai bán cầu Vậy lượng bức xạ tại điểm bất kỳ ở bắc bán cầu có xu hướng tăng và đạt cực đại vào tháng 6 của năm, sau đó giảm dần và đạt cực tiểu vào tháng 12 của năm.

Người ta đo bước sóng của bức xạ bằng đơn vị mili micron (μm) và ăngstrong (Am) và ăngstrong (A 0 ). Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 -1 - 10 μm) và ăngstrong (Am và hầu như một heo vĩ độnữa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 μm) và ăngstrong (Am đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển Tính đối với 1 m 2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

Trong đó:𝜑 𝐷−𝑇 = 𝜑 2là hệ số góc bức xạ mặt trời và trái đất;𝑇≈5762 0 K nhiệt độ bề

4 mặt mặt trời;𝜑≈32 0 góc nhìn mặt trời;𝐶 0 ≈5,67hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.

Hình 2-7: Góc nhìn mặt trời

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.

Hình 2-8: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua.Sự mất mát năng lượng trên quảng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỷ đạo của nó quang mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5Cvà thực tế xem như chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm.

Khi truyền đến vật thể khác, bức xạ sẽ bị vật đó hấp thụ và chuyển thành năng lượng cho riêng mình, chủ yếu là biến thành nhiệt lượng, vậy chứng tỏ, bức xạ sẽ đốt nóng vật mà nõ truyền tới Trong vật lý có các định luật do các nhà khoa học Stephan – Boltzmann, Vin viết và nghiên cứu về định luật phát xạ: theo Stephan – Boltzmann năng lượng phát xạ tăng tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối củ guồn phát xạ; Theo Vin, bước sóng ứng với năng lượng cực đại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật phátxạ.

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địalý.

Trong đó, Englà bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bứcxạ vào ngày thứ n trong năm

Hệ số khối lượng không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh) Như vậy m = 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh là θz là 60 Đối vớiz là 60 Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 -70 0 có thể xác định gần đúng m = 1/cosθz là 60 Đối vớiz.

Còn đối với các góc θz là 60 Đối vớiz >70 0 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m = 0.

Cường độ bức xạ (W/m 2 ): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ bao gồm cường độbức xạ E trx , cường độ bức xạ tận Etrx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.

Năng lượng bức xạ (j/m 2 ) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân trong một khoảng thời gian, nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày).

Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ

Thuật toán PID trong điều khiểnnhiệtđộ

Ngày nay, bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong cá hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt trong điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong cá hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách biến điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào dựa trên sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỷ lệ, tích phân và viphân.

Hình 2-12: Sơ đồ nguyên lý thuật toán PID

 K P – hằng số điều khiển tỷlệ

 K i – hằng số điều khiển tíchphân

 K d – hằng số điều khiển viphân

Với hệ thống cấp nước nóng trung tâm, PID đóng vai trò quan trọng trong điều khiển và kiểm soát nhiệt độ của nước [5]

2.3.1.1 Thành phần tỉ lệ P(Proportional)

Thành phần tỉ lệ P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch.Việc này đượcthực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP– gọi là hằng số tỉ lệ Thành phần tỉlệ P được tính dựa trên công thức:

𝑢(𝑡)=𝐾 𝑝𝑒 (𝑡) (2-8) Trongđó:𝑢(𝑡)-tínhiệungõra;KP-hệsốkhếchđạicủabộđiềukhiển;𝑒(𝑡)-tínhiệu vào.

Hình 2-14: Tín hiệu đáp ứng của thành phần tỉ lệ P

Nếu chỉ có thành phần tỉ lệ P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn.Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.Nếu giá trịthànhphần tỉ lệ P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổnđịnh.

2.3.1.2 Thành phần tích phân I(Integral)

Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trịđặt,và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo côngthức:

Thành phần tích phân I loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng của nhiễu cao tần Tuy nhiên thành phần tích phân I tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống kém, để khắc phục nhược điểm của thành phần I, điều khiển kết hợp thành phần PI giúp triệt tiêu sai số xác lập

Hình 2-16: Tín hiệu đáp ứng của thành phần tích phân I và tỉ lệ P

2.3.1.3 Thành phần vi phân D(Derivative)

Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển.Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn Khâu D được tính theo công thức:

Hình 2-17: Sơ đồ khối của thành phần vi phân D Hàmtruyềnđạttrongmiềnảnhlaplace: 𝐺(𝑠)= 𝑈(𝑠) 𝐾𝑠

Thành phần vi phân D có đặc tính tác đông nhanh, nhưng dễ bị tác động nhiễu cao tần Do đó để đảm bảo hệ thống điều khiển làm việc ổn định các thành phần điều khiển kết hợp lại với nhau thành bộ điều khiển PID Phương trình vi phân của bộ điều khiển PID lý tưởng:

Hình 2-18: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Hình 2-19: Tín hiệu đáp ứng của bộ điều khển PID

2.3.2 Lợiích điều khiển nhiệt độ bằng bộ điều khiểnPID Để đánh giá được tầm quan trọng của việc sử dụng bộ điều khiển PID chúng ta cần so sánh điều khiển bằng tay và điều khiển tự động Cùng xem cách điều khiển mức nước bằng cả hai cách truyền thống và PID

Hình 2-20: Điều khiển theo kiểu truyền thống (dùng mắt quan sát và tay điều khiển)

Quá trình điều khiển bằng tay hay còn gọi là thủ công “có độ chính xác không cao Như hình trên để duy trì mức nước cố định trong bồn chứa khi vừa xả nước vào vừa mở van, người công nhân phải dựa vào mắt để quan sát và điều chỉnh đóng – mở van sao cho mức nước trong bồn luôn ở một ngưỡng cho phép Ở đây người điều khiển van được gọi là cơ cấu chấp hành còn mắt được xem như là thiết bị đo mức nước Nếu nước xả vào quá nhanh thì đồng nghĩa van phải mở lớn hơn để đảm bảo nước không bị tràn, thao tác bằng tay này thật sự chính xác, đòi hỏi người công nhân lúc nào cũng phải tập trung vào bồn và phối hợp tay-mắt.Việc này trở nên đơn giản nếu chúng ta sử dụng các hệ thống điều khiển PID để điềukhiển.

Hình 2-21: Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển có thể chạy hoàn toàn tự động mà không cần can thiệp của con người PV (Process Variable) là giá trị thực tế mức nước đo được lấy từ cảm biến.

SV (Setpoint Variable) là giá trị cài đặt cần mong muốn.Khi SV khác với PV thì bộ điều khiển PID tự điều chỉnh và cho ra các thuật toán PID riêng của nó để duy trì mức nước trong tank một cách chính xác nhất.

Một hệ thống điều khiển nhiệt độ PID bằng PLC với các thiết bị : PLC, cảm biến đo nhiệt độ và thiết bị gia nhiệt Các hệ số PI – PD – PID được mô phỏng bằng các thuật toán điều khiển trong PLC giúp dể hình dung hơn về điều khiển nhiệt độ PID

Hình 2-22: Điều chỉnh nhiệt độ của bộ điều khiển PID hoạt động liên tục theo thời gian

2.3.3 Bộ điều khiển tự độngPLC

Trong sự phát triển khoa học công nghệ về điều khiển tự động ngày nay có rất nhiều công nghệ, kỹ thuật phần mềm.Nhưng sự góp mặt của PLC luôn không thể thay thế trong điều khiển tự động công nghiệp.

PLC (programmable logic control) được gọi là thiết bị điều khiển logic khả lập trình ra đời và phát triển từ những năm 1968-1970, lúc đó người sử dụng phải có kiến thức về điện tử, điều khiển tự động trình độ cao Ngày nay, PLC đã phát triển mạnh mẽ và phổ biến, chương trình điều khiển, kích thước nhỏ gọn, các ngôn ngữ lập trình, thuật toán dễ hiểu, dễ sử dụng.

PLC được thiết kế có thể hiểu nôm na tương tự một máy tính chuyên để lập trình và điều khiển tự động

 Chịu được các rung động, va đậpnhẹ

 Có sẵn giao diện ngõ vào,ra.

 Ngôn ngữ lập trình dễ tương tác, có trình tự logic, dễ đọc, dễhiểu

 Thu thập, xử lý và truyền tín hiệu nhanh, ổnđịnh

 Tương thích với các thiết bị ngoại vi Quan trọng nhất là có thể kết hợp các PLC cùng nhà sản xuất để tạo thành tổ hợp điều khiển lớn, phứctạp

Hình 2-23: Sơ đồ khối của PLC

Kết luậnchươngII

Theo phương pháp thu thập tài liệu và các số liệu dựa vào kết quả tính toán ban đầu theo bản thiết kế Trong chương II của luận văn đã tính toán và kiểm tra lại, đưa ra một số lựa chọn các thiết bị theo tính toán trên Ngoài ra giới thiệu về thuật toán PID trong điều khiển nhiệt độ tự động Qua đó phân tích, đo đạc các thông số kỹ thuật của các thiết bị sẽ đưa vào vận hành.

Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng năng lượng solar thay thế đun nước heatpump là tiết kiệm điện năng, đem lại các lợi ích về kinh tế và môi trường Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều các công trình thực nghiệm đủ tin cậy để đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó Ngoài ra năng lượng solar quá phụ thuộc vào thời tiết, nhiệt độ môi trường bên ngoài, đồng thời không chủ động trong việc duy trì nhiệt độ và lượng nước nóng cung cấp cho nhu cầu sử dụng bên trong công trình.

Kiểm soát nhiệt rất quan trọng trong việc đáp ứng yêu cầu sử dụng nước bên trong công trình và sử dụng năng lượng hiệu quả với hệ thống cấp nước nóng trung tâm.

Trong khuôn khổ nguyên cứu của luận văn sẽ đánh giá định lượng và khoa học thực tế, đưa ra giải pháp kiểm soát nhiệt của các thiết bị đã lựa chọn để đánh giá tính hiệu quả kinh tế,vận hành, quản lý.

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤP NƯỚC NÓNG HIỆU QUẢ CHOKHÁCH SẠN HOLIDAY –NHATRANG

Đề xuất giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả tối ưu cho hệ thống nướcnóng trung tâm chokháchsạn

3.1.1 Giải pháp thay thế toàn bộ hệ thống nước nóng gia nhiệt heatpump bằngsolar

Mặc dù hiện nay chúng ta đang đi theo hướng chuyển đổi năng lượng hóa thạch bằng năng lượng tự nhiên Tuy nhiên hãy cùng hãy xem xét liệu chúng có thực sự bền vững hay không.

Hệ thống nước nóng solar có tính năng ưu việt:

 An toàn tuyệt đối khi sửdụng.

 Tiết kiệm chi phí tối đa vì không sử dụng điện mà chỉ sử dụng nguồn năng lượng solar, chỉ đầu tư mộtlần.

 Đảm bảo sức khỏe lâu dài, thoải mái tiện lợi khi sửdụng.

 Không chiếm không gian trong nhà vì lắp đặt ở ngoài trời, có thể tạn dụng làm mát phầnmái.

 Khi không có điện vẫn có nước nóng để sử dụng vì chỉ sử dụng năng lượng mặt trời.

 Sản phẩm có tuổi thọ trung bình trên 20năm.

 Bảo vệ môi trường xanh, sạch.

 Có tác dụng chống nóng cho các ngôi nhà, thay thế các mái chống nóng truyền thống như: mái tôn, máingói…

Bên cạnh đó hệ thống cũng có tính hạn chế:

 Phụ thuộc vào độ bức xạ và góc chiếu của mặttrời.

 Hệ thống nước nóng solar hoạt động không hiệu quả những ngày âm u, mưa bão cả ngày không thấy mặt trời thì máy không thu được năng lượng Nhất là khu vực phía Bắc nước ta.

 Phải thường xuyên bảo trì, vệ sinh bề mặt thu nhiệt.

Hình 3-1: Bảng so sánh phương án chi phí tạo ra 1m3 nước nóng megasunsolar.vn

Hình 3-2: Biểu đồ hiệu suất và chi phí các phương án megasunsolar.vn

3.1.2 Giải pháp phương án kết hợp hệ thống nước nóng heatpump vớisolar

Dựa vào các ưu khuyết điểm của hai loại hệ thống nước nóng trên, luận văn đề xuất đưa ra giải pháp làm việc kết hợp cả hai loại hệ thống trên Trong đó đầu tư khoảng hai phần ba vốn dành riêng cho hệ thống nước nóng trung tâm vào hệ thống solar Gảm số lượng heatpump,theo tính toán, có thể sử dụng một heatpump hoạt động và một heatpump dự phòng.

Hình 3-3: Giải pháp kết hợp giữa hệ thống nước nóng solar và heatpump

Nước nóng sau khi đã được gia nhiệt bởi hệ thống hấp thu nhiệt được cấp sang bồn bảo ôn để duy trì nhiệt độ và ra hệ thống sử dụng Hệ thống hoạt động liên tục cho tới khi nhiệt độ không đảm bảo theo yêu cầu thì hệ thống heat pump hoạt động bổ sung thêm vào đạt được nhiệt độ nước yêucầu.

Hệ thống nước nóng sẽ cấp xuống sử dụng có 2 phân vùng: cấp tự nhiên và cấp tăng áp. Thông qua việc làm việc kết hợp liên tục sẽ loại bỏ những khuyết điểm mà cả hai hệ thống có.

3.1.3 So sánh các giải đã đề xuất và lựa chọn phương án tối ưunhất

Giải pháp thứ nhất: Lựa chọn cấp nước nóng cho khách sạn sử dụng toàn bộ heatpump. Giải pháp thứ hai: Lựa chọn sử dụng hệ thống cấp nước nóng bằng solar Giải pháp thứ ba: kết hợp heatpump và solar.

Việc lựa chọn các giải pháp trên, ta sử dụng phương pháp pattern để tính toán với các chỉ tiêu để đánh giá sau:

 Suất đầu tư mua máy: so sánh chi phí mưa sắm thiết bị của heatpump và solar (lấy theo bảng 2-8 và2-14).

 Chi phí sử dụng: chi phí điệnnăng.

 Chi phí nhân công (nhân công làm công tác kiểm tra bảo trì, vận hành hệ thống cấp nướcnóng).

 Mức độ can thiệp của con người hay mức độ tự độnghóa

Bảng 3-1: Các chỉ tiêu giải pháp lựa chọn

STT Tên các chỉ tiêu Đơn vị GP1 GP2 GP3

1 Suất đầu tư mua máy tr.đồng 760 536 726

2 Chi phí sử dụng máy trong tháng tr.đồng 4 0 1.3

3 Chi phí lao động Giờ công 30 30 30

4 Mức độ can thiệp con người 0.5 0.1 0.3 Để xác định của các chỉ tiêu trên, đã khảo sát ý kiến một số nhân viên phòng Kỹ thuật, phòng Giảm nước không doanh thu công ty cổ phần cấp nước Gia Định để đưa ra đánh giá, thang điểm theo thang điểm 100 với các chỉ tiêu trên.

Bảng 3-2: Tổng hợp các thang điểm đánh giá cho từng chỉ tiêu

Tên chỉ tiêu viên1 Nhân viên2 Nhân viên3 Nhân viên4 Nhân viên5 Nhân Tổng Wi

Suất đầu tư mua máy 20 15 25 20 25 105 0.21

Chi phí sử dụng máy trong tháng 25 10 30 20 20 105 0.21

Mức độ can thiệp con người 15 25 25 30 15 110 0.22

 Bước 1: Chọn chỉ tiêu đưa vào so sánh, chọn hàm mục tiêu là min để các chi phí giữ nguyên giá trị và chi phí càng nhỏ càngtốt.

 Bước 2: Làm đồng hướng các chỉtiêu

 Bước 3: Triệt tiêu các đơn vị đo Công thức: Pij = Cij/(tổngCij)

 Bước 4: Xác định các trọng sốWi

 Bước 5: Tính chỉ tiêu tổng hợp không đơn vị đo Vj Công thức: Vj=Tổng (PijxWi)

V1 = 0.31945 V2= 0.25248 V3= 0.22807 Hàm mục tiêu chọn min: Vậy V3, nghĩa là giải pháp thứ ba là phương án tối ưu.

3.1.4 Đề xuất kiểm soát nhiệt tại vị trí cấp nguồn hệ thống nước nóng trungtâm Để hệ thống nước nóng trung tâm của khách sạn làm việc hiệu quả ta phải kiểm soát quá trình lưu nhiệt của hệ thống nước nóng trung tâm nói chung và quá trình làm việc tác động qua lại giữ heatpump với solar nói riêng Ta xem cả hệ thống nước nóng của khách sạn làm việc như một vòng lập tổng thể thì quá trình kiểm soát nhiệt tại vị trí nguồn ra như một vòng lập con.

Ta biểu diễn vòng lập đó như sau

Hình 3-4: Vòng lập kiểm soát nhiệt nguồn

Tấm thu nhiệt phẳng solar tạo ra lượng nước nóng (nhiệt) liên tục trong ngày, nhiệt được thu và chứa vào bình bảo ôn để cấp nước vào hệ thống đường ống Quá trình này sẽ liên tục cho đến khi nhiệt ra khỏi bình giảm đến nhiệt độ nhất định Có hai khả năng xảy ra khi

 Khi tấm phẳng không còn khả năng hấp thu năng lượng, nhiệt trong bình bảo ôn vẫn còn đảm bảo theo yêucầu.

 Khi tấm phẳng không còn khả năng hấp thu năng lượng, nhiệt trong bình bảo không đảm bảo theo yêucầu

Đề xuất kiểm soát nhiệt nguồn bằng PLC sử dụng thuật toán PID cho hệthống cấp nước nóng khách sạn Holiday – thành phốNhaTrang

hệ thống cấp nước nóng khách sạn Holiday – thành phố NhaTrang

Ngày nay với thời đại công nghiệp 4.0 có rất nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ: vi điều khiển, PLC, điều khiển ON/OFF Trong luận văn nàyđềxuất phương án kiểm soát nhiệt nguồn vòng này với ứng dụng plcS7-300

Hình 3-5: Sơ đồ khối điều khiển

3.2.2.1 Điều khiển nhiệt bằng phương phápON/OFF

Với những hệ thống, dây truyền điều khiển hiện nay vẫn chủ yếu là sử dụng phương pháp điều khiển ON-OFF Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, tiết kiệm chi phí nhất,được ứng dụng cho những đối tượng không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển Ví dụ như điều khiển đóng mở trực tiếp các động cơ điện, các van thủy lực, khí nén, lò nhiệt.

Phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF chỉ là đóng và ngắt thiết bị tiêu thụ điện ra khỏi lưới điện Ví dụ trong một hệ thống ổn định nhiệt độ của một máy bơm nhiệt, sử dụng phương pháp điều khiển ON-OFF Khi khởi động hệ thống điều khiển bơm nhiệt sang trạng thái ON, bơm nhiệt bơm nước nóng vào bình bảo ôn, sau một thời gian nhiệt độ trong bình đạt đến mức cho phép để đun nước nóng Lúc đó, bộ điều khiển chuyển sang trạng thái OFF để cắt nguồn cấp cho bơm nhiệt, vì có tính chất trễ nên sau một khoàng thời gian nhiệt độ trong bình giảm xuống, mạch điều khiển lại chuyển sang trạng thái ON và cứ tiếp tục quá trình nhưvậy.

Hình 3-6: Biểu đồ thời gian thuật toán điều khiển ON-OFF Đầu ra sẽ luôn ON/OFF và dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển không đổi Khi đó công suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 giá trị (nghĩa là 100% hoặc 0%).Cho nên bộ điều khiển tác động ON/OFF còn gọi là bộ điều khiển tác động 2 vị trí. Đối tượng áp dụng cho phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF là các thiết bị hoặc hệ thống công suất nhỏ và yêu câu về chất lượng không cao Các bộ điều khiển logic hiện nay như các dòng vi điều khiển, các dòng PLC chủ yếu điều khiển theo phương pháp này Sử dụng các phần từ cách ly công suất như rơle để điều khiển gián tiếp các đối tượng điều khiển.Nhưng trong một số trường hợp đòi hỏi chất lượng điều khiển cao ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ theo một đường tuyến tính, người ta phải bổ xung thêm các phương pháp điều khiển cao cấp hơn ví dụ như P, PI, PD, PID. Điều khiển đóng mở ON-OFF có chủ định và tần suất đóng mở trong một chu kỳ rất lớn Có thể điều chỉnh độ rộng xung theo công thức sau:

Chu kỳ điều khiển trong phương pháp này sẽ là thời gian TON+ TOFF, phương phápgiống như phương pháp điều khiển tỉ lệ.

Hình 3-7: Phương pháp điều khiển theo kiểu ON/OFF

Khi hoạt động, giá trị đầu vào cao hơn và nằm ngoàidải tỷ lệ,đầu ra điều khiển sẽ được OFF 100%.Nếu giá trị đầu vào nằm trong dải tỷ lệ, đầu ra điều khiển sẽ tăng hoặc giảm từ từ tuyến tính với độ sai lệch đầu vào Nếu độ sai lệch bằng 0 (đầu vào = SV) thì đầu ra điều khiển sẽ OFF 50% Nếu giá trị đầu vào thấp hơn và nằm ngoàidảitỷ lệ, đầu ra sẽ ON (ứng với giá trị 0%)[12].

3.2.2.2 Lợi ích điều khiển nhiệt theo dãy thuậtPID

Theo điều khiển on/off, nhiệt độ đầu ra khi tới hạn cần điều khiển, ta thấy tính hiệu xử lý của bộ điều khiển số theo dạng nhị phân 0/1 Khi đó các bộ phận điều khiển các biến tần hoạtđộng.

 Theo thông số heatpump cần khoảng thời gian khởiđộng.

 Làm nóng nước trước khi bù vào bình bảoôn.

 Sau khi nước đủ nóng, heatpump sẽ ngừng hoạyđộng.

Ta cần một khoảng thời gian để van đóng hoặc mở, lúc này trong bộ điều khiển cần thêm thiết bị bù trừ giá trị sai lệch Do đó ta ổn định tốc độ và điều chỉnh tính hiệu điều khiển theo một đường tuyến tính chuyển góc và tương ứng với thời gian hoạt động của các thiết bị Tránh cho việc điều khiển quá độ dẫn đến các thiết bị hay bị hỏnghóc.

Hình 3-8: Tính hiệu điều khiển khiểnON/OFF

Hình 3-9: Tính hiệu điều khiển khiển bằngPID

Qua hình 3-7 trên ta thấy điều khiển nhiệt bằng thuật toán PID tính hiệu điều khiển sẽ tự động bù giá trị sai lệch cho tính hiệu, giá trị đó sẽ tuyến tính và tỉ lệ với thời gian điều khiển.

3.2.2.3 Đềxuất điều khiển bằng module mềm FB41 trong PLCS7-300

Khối hàm FB41 tích hợp trong PLC S7-300 giúp ta tính toán cài đặt các thông số điều khiển theo thuật toán PID rất tiện lợi Điều khiển PID với khối hàm này rất thuận lợi và tiện ích, ta có thể kết nối các thiết bị cảm biến, thiết bị điều khiển khác hoặc sử dụng riêng một mình nó.

Hình 3-10: Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3-11: Sơ đồ khối hàm FB41 “ CONT_C” trong phần mềm Simatic

Hình 3-12: Sơ đồ khối nối FB41 với đối tượng điều khiển

Lệnh điều khiển được đặt vào dạng số thực(%) quađầu vàoSP_INT.Đầura LMN(số nguyên)hoặcLMN_PER (số thực) được đưa đến cơ cấu chấp hành, điều khiển đối tượng.Tín hiệu phản hồi được đưa trở lại đầu vào PV_PER(số nguyên)hoặcPV_IN(số thực). Đầu vào DISV sử dụng khi có tác động t rực thuận có thể đo lường được , giảm sai lệch đầu ra, nâng cao độ chính xác cho hệ [16].

Một số hình ảnh mô phỏng xem phụ lục 2.

Hình 3-13: Sơ đồ các chân hàmFB41

Bảng 3-3: Mô tả tóm tắt các chânvào

Tham số Kiểu dữ liệu

EN Bool False Cho phép gọi khối hàm FB41

COM_RST Bool False Cho phép khởi tạo lại hệ thống hoàn toàn khi“COM_RST” có giá trị logic TRUE Khi đó luật tích phân tự động thiết lập giá trị khởi tạo I_ITVAL, tất cả các đầu ra được đặt giá trị mặc định

SP_IN Real -100 100% 0.0 Tính iệ u đ ặ t l à sốt h ự c t h e o

% (nếu lấy tín hiệu vàotừ cổng tương tự phải biến đổi kiểu dữ liệu phùhợp)

PV_PER WORD W#16#0000 Tín hiệu phản hồi, lấy từ cổng vào tương tự

PV_IN Real -100 100% 0.0 Tín hiệu giả mô phỏng tín hiệu phản hồi đối tượng, là số thực tính theo %

PVPER_ON Bool False Lựa chọn tín hiệu phản hồi:

- Logic “1”, lựa chọnphản hồitheoPV_PER

PV_FAC Real 1.0 Hệ số hiệu chỉnh biến quá trình

PV_OFF Real 1.0 Lượng bù cho biến quá trình

DEAD_W Real >=0.0 0.0 Độ rộng vùng kém nhạy để xử lý tín hiệu sai lệch

GAIN Real 2.0 Hệ số tỉ lệ

P_SEL Bool True Lựa chọn khâu tỉ lệnếuP_SEL có giá trị logic True

I_SEL Bool True Lựa chọn khâu tích phân

I_SEL có giá trịlogic True

TI Timer >=CYCLE T#20s Hằng số thời gian tích phân I_ITLVAL Real -100 100% 0.0 Gía trị đầu khâu tích phân

I_ITL_ON Bool False Lựa chọn đầu khâutíchphân nếu

Bảng 3-4: Mô tả tóm tắt các chân ra

INT_HOLD Bool False Lựa chọn giữ nguyên giá trị đầu ra tích phân nếu INT_HOLD có giá trị logicTrue

D_SEL Bool False Lựa chọn khâu vi phân nếu

D_SEL có giá trị logicTrue

TD Timer >=CYCLE T#10S Hằng số thời gian vi phân

TM_LAG Timer >=CYCLE T#2s Thời gian giữ chậm khâu vi phân

DISV Real -100 100% 0.0 Bù nhiễu, là số thực theo %

MAN Real -100 100% 0.0 Giá trị đặt bằng tay theo %

MAN_ON Bool True Lựa chọn ngắt mạch vòng điều khiển:

- Logic “1”,ngắt mạch vòng điều khiểnvàcác giá trị thiết lậpbằngtay

- Logic “0”, lựa chọn mạch vòng điều khiểnPID

LMN_HLM Real =>LMN_LLM 100.0 Giá trị hạn chế trên, là số thực tính theo %

LMN_LLM Real =1ms T#1s Thời gian trích mẫu (gọi khối) là khoảng thời gian giữa các lần khối được cập nhật

Kết luậnchươngIII

Qua việc ứng dụng PLC trong mô phỏng thuật toán PID vòng lập kểm soát nhiệt nguồn cho thấy hiệu quả trong công tác vận hành hệ thống nước nóng trung tâm tác động qua lại giữa heatpump và solar Với hoạt động chính là hệ thống solar sẽ tiết kiệm được điện năng, bảo vệ môi trường do thay thế phần lớn năng lượng hóa thạch Trong khi đó heatpump hoạt động phụ trợ sẽ đảm bảo hệ thống nước nóng của khách sạn được làm việc liên tục tạo ra nước nóng không thayđổi.

Thông qua việc điều khiển quá trình trên bằng các thiết bị điều khiển tự động bằng PLC cho phép người sử dụng có thể lập trình một loạt các sự kiện, thao tác nhờ hệ thống điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụngcóthể lập trình để thực hiện trình tự các yêu cầu từ đơn giản đến phức tạp Các yêu cầu này được đưa tín hiệu đầu vào PLC (có hai loại đầu vào là digital hoặc analog) tuỳ thuộc vào nhu cầu thuật toán cũng như nhu cầu của người sử dụng PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế, và hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổitheo.

Nhờ hệ thống kiểm soát tự động chỉ cần một nút bấm hay một chạm, giảm bớt nhân lực theo dõi, bảo trì Nhân lực cần có tay nghề, trình độ quản lý, vận hànhcao.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I Kết luận kết quả nghiêncứu

Với mục đích của luận văn là đưa ra giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả cho hệ thống nước nóng trung tâm khách sạn Holiday-Nha Trang, tác giả dựa theo lựa chọn bản thiết kế hệ thống nước nóng trung tâm ban đầu của khách sạn sau đó phân tích, đánh giá để nghiên cứu và đưa ra giải pháp hoàn thiện (do hiện nay khách sạn vẫn còn trong giai đoạn thi công xây dựng) Để đạt được mục tiêu đã đề ra tác giả đã tiến hành các công việc: Tổng hợp, phân tích tài liệu, tham vấn các nhà cung cấp thiết bị, nghiên cứu các số liệu, chạy mô phỏng trên các phần mềm đẻ có được đề xuất các giải pháp.

Những kết quả đã được trong luận văn là:

 Đánh giá được tình hình hiện trạng lựa chọn ban đầu trong thiết kế Đánh giá cách làm việc của hệ thống nước nóng sử dụng heatpump vàsolar.

 Đề xuất giải pháp hiệu quả khi kết hợp hai hệ thống heatpump vàsolar.

 Đề xuất giải pháp tự động hóa trong công tác vận hành hiệuquả Đề tài đã đề xuất ứng dụng phần mềm điều khiển PLC để mô phỏng và phân tích hệ thống tạo nguồn nhiệt dựa trên mô phỏng giả lập trên phần mềm.Kết quả mô phỏng cho ra cơ sở để phân tích đánh giá các tình huống giả lập về vận hành hệ thống nước nóng thông qua việc kiểm soát nguồn nhiệt vào vàra.

Tính mới của luận văn này là đề xuất giải pháp vận hành hiệu quả hệ thống nước nóng trung tâm tại vị trí cụ thể từ thiết kế cơ sở ban đầu Đồng thời đưa ra nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch truyền thống để tiết kiệm và đề xuất hướng mới trong việc đưa ra các thuật toán, công nghệ điều khiển để nghiên cứu thêm giải pháp tối ưu trong vận hành, quản lý nguồn nhiệt của hệ thống nước nóng trung tâm.

II Những tồn tại trong đềtài

Trong quá trình thực hiện đề tài tác giả chưa hiểu hết về vật lý truyền ánh sáng, vật hấp thu cũng như lý thuyết điều khiển tự động, lập trình hướng đối tượng trong cơ điện tử Để viết thành luận văn hoàn chỉnh, tác giả đã tham khảo, nghiên cứu, ghép nối nhiềunguồntưliệukhácnhau.Dođóluậnvăncũngchỉdừnglạimộtsốlýthuyếtcơ bản, đề xuất một số giải pháp trong công tác vận hành điều khiển, lập trình mô phỏng còn nhiều thiếu sót và chưa đúng hướng nên còn những hạn chế.

III Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếptheo

Với những kết quả đã đạt được trong luận văn, tác giả có các đề xuất và hướng nghiên cứu trong thời gian tới sau đây.

 Tuy đã có kết quả tích cực trong việc kiểm soát được nguồn nhiệt nhưng chỉ mới dừng lại điểm cung cấp Việc kiểm soát nhiệt phải xuyên suốt cho cả hệ thống nước nóng Có thể chia ra nhiều vòng để nghiên cứu với các giải pháp phần mềm, giải thuật khácnhau.

 Xây dựng thêm nhiều giải pháp điều khiển tự động không chỉ vận hành, quản lý mà còn sử dụng thông minh, tiết kiệm năng lượng, môitrường.

 Trong giải pháp mô phỏng mô hình vận hành quản lý, ngoài lập trình điều khiển tự động PLC (ngoài PLC S7-300 còn S7-400, S7-1200, S7-1500 ) còn nhiều phần mềm lập trình cao hơn, hiệu quả hơn: PLC của Mitsubishi, Omron Matlab,Ladview

PHỤ LỤC 1Một số hình ảnh mô phỏng module mềm FB41 trong PLC S7-300

Thiết đặt các tham số trong mô phỏng luận văn này sử dụng bộ điều khiển PID, như sau: Chọn I/O (In/Out) nếu tín hiệu hồi tiếp lấy từ PV_PER, chọn Internal nếu tín hiệu hồi tiếp lấy từ PV_INT Normalization Factor và Normalization Offset: Thiết đặt tham số cho hàm chuẩn hóa, ta để giá trị như mặc định, có nghĩa tín hiệu hồi tiếp sẽ được chuẩn hóa thành dạng tín hiệu có giá trị (0-100%) Deadband: Không sử dụng deadband , ta thiết đặt 0 PID Parameter:Propotional Action ON: Sử dụng khâu tỉ lệ Propotional Gain: Tham số Kp Intergral ActionOn: Sử dụng khâu tích phân Reset time: Tham số TD Manipulated Variable: ChọnAutomation Operation ( xử lý tự động) Sau đó ta tiến hành mô phỏng và cho ra kết quả bằng bảng PLC ảo.