Nghiên ứu, đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng ủa á hệ thống giải nhiệt ho chiller trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm

PhẪn loỈi hệ thộng ưHKK theo ph-Èng Ìn giải nhiệt bỨnh ng-ng Cọ thể phẪn loỈi cÌc loỈi hệ thộng Ẽiều hòa khẬng khÝ thẬng dừng mờt cÌch ẼÈn giản theo ph-Èng Ìn giải nhiệt bỨnh ng-ng nh- s

 



  

 + 

1 

1.1 

1.1.1 Phân loại hệ thống ĐHKK theo ph -ơng án giải nhiệt bình ng-ng

Có thể phân loại các loại hệ thống điều hòa không khí thông dụng một

cách đơn giản theo ph-ơng án giải nhiệt bình ng-ng nh- sơ đồ sau:

Hiện nay trong các tòa nhà cao tầng ng-ời ta th-ờng sử dụng 3 hệ thống

điều hòa không khí (ĐHKK) thông dụng là:

- Hệ VRV giải nhiệt gió và giải nhiệt n-ớc

- Hệ Chiller giải nhiệt gió làm mát mùa hè, s-ởi ấm mùa đông là bơm

nhiệt

- Hệ Chiller giải nhiệt n-ớc dùng tháp giải nhiệt làm mát mùa hè, và hai

ph-ơng án s-ởi ấm mùa đông là dùng thanh đốt điện trở hoặc sử dụng n-ớc

nóng do lò hơi cung cấp

- Nếu dùng ph-ơng án địa nhiệt kiểu n-ớc ngầm thì hệ thống có đ-ợc sẽ

là Chiller giải nhiệt n-ớc dùng n-ớc giếng khoan vào mùa hè, và là bơm nhiệt

VRV giải nhiệt n-ớc

VRV giải

nhiệt gió

Chiller giải nhiệt n-ớc

Chiller giải nhiệt gió

Dùng tháp giải nhiệt

Dùng n-ớc giếng khoa

Dùng n-ớc giếng khoa

Dùng tháp giải nhiệt

dùng n-ớc giếng khoan vào mùa đông Cụ thể là mùa hè thì n-ớc giếng khoan

đóng vai trò là n-ớc giải nhiệt nh-ng về mùa đông thì n-ớc giếng khoan lại là nguồn nhiệt

Sự so sánh sẽ là hoàn thiện hơn nếu ta thực hiện so sánh ph-ơng án địa nhiệt này với tất cả các ph-ơng án điều hòa khác đã nêu ở trên Nh-ng với hệ

ĐHKK VRV có quá nhiều sự khác biệt so với các hệ ĐHKK trung tâm n-ớc vì nó không có bơm n-ớc lạnh, không có bơm n-ớc giải nhiệt, không có quạt tháp giải nhiệt nh- trong các hệ điều hòa trung tâm n-ớc do đó sẽ rất khó để

so sánh mức tiêu thụ năng l-ợng của VRV với các hệ ĐHKK trung tâm n-ớc khác Vì lí do đó chúng tôi tạm thời chỉ so sánh ph-ơng án sử dụng n-ớc giếng khoan với ba ph-ơng án D, E và F :

+ Chiller hai chiều giải nhiệt gió có bơm nhiệt

+ Chiller với tháp giải nhiệt có ph-ơng án s-ởi ấm mùa đông dùng thanh

Giải nhiệt n-ớc

Giải nhiệt gió

Tháp giải nhiệt

N-ớc giếng khoan

Làm lạnh không khí gián tiếp bằng n-ớc lạnh nhờ FCU và AHU

- Quạt giải nhiệt

- Thiết bị tự

động,

- Máy nén

- Quạt dàn lạnh

- Bơm n-ớc giếng

khoan

- Thiết bị tự

động,

- Máy nén

- Quạt dàn lạnh

- Quạt giải nhiệt

- Bơm n-ớc lạnh

- Bơm n-ớc lạnh

- Bơm tháp giải

- Quạt dàn lạnh

- Bơm n-ớc lạnh,

-Bơm n-ớc giếng

giải nhiệt bằng n-ớc giếng khoan

giải nhiệt gió

giải nhiệt bằng tháp giải nhiệt

giải nhiệt bằng n-ớc giếng khoan 1.1.2 Phõn lo i h tht

Hỡnh 1 gi i thi u phõn lo    i m trong k thu u hũa khụng khớ

u tiờn là loc ATW, c

c WTW

Hình 1 Phân lo ại bơm nhiệ ể t đ sưởi ấm

 hi vi t t t ti ng Anh (Air To Air),   ATW (Air To Water), WTA (Water To Air), WTW (Water To Water) Ký hiu

 c là thi t b          i A là dàn

g dòng nhi ngoài vào

    c l i Trong k thu    nhic gu hòa 2 ching

c g i là chiller gi i nhi t gió 2 chi u    

Hình 2 gi i thi  i t ATA mà trong k thu u hòa không khí g i là máy 

u hòa 2 chi u Lo i ATA bao g m c     u hòa phòng RAC, máy t h p g n   

u hòa VRV/VRF

u hòa 2 chi u) 

Hình 3 gi i thi c ATW mà trong k thu u hòa không khí

ng g i là chiller gi i nhi t gió 2 chi    u

t ATW (chiller gi i nhi t gió 2 chi  u)

1 o chi u; 3 Bình ch c mùa hè và là   

 t t không khí ngoài tru; 7 Van ti

8 Phin s y l c; 9 H   th

o chi u 2 v    c máy nén 1 nén vào dàn ni nhi thành l ng, ch y qua van 1 chi u 6 xu ng bình    ch y l c 8 bên ph i, qua van ti  vào bình b

ng b làm l nh phòng, bii

c hút v máy nén, khép kín vòng tu n hoàn  

o chi u v     i y

c là bình bp nhi  i m phòng, hóa l ng và ch y qua van 1 chi u v bình ch    in s y l c, van ti  t

m là thi t b   t có th b   n, l ng bùn ho i t p ch t ch c ng m  vòng tu n hoàn kín t thi t b     n h dàn ng ng  t trong

t (g i t  t ) m là thi t b      b

c n, l ng bùn ho  u qu  i th c gi ng có nhi u t p ch t ph i s d     b o v  

c gin có vòng tu n hoàn kín 

Hình 4 gii thia nhi t WTA hai chi u có dàn ngoài nhà tr c ti p s     

dc gi ng khoan - máy nén; 2- i dòng; 3- bình ch a cao áp; 4- - dàn trong nhà IU (Indoor Unit); 6- Van

m t chi u; 7- Van ti  t; 8- Phin s y l c V    c gitrò ngu n nhi  V  c ging làm nhi m v gi i nhi     thành dàn

c ti p làm l nh phòng  

Hình 4 Bơm nhiệ ị t đ a nhi ệt nướ c gió WTA

Hình 5 gii thi   a nhi WTW (chiller 2 chit   c ging khoan c h )  Hong c a chiller 2 chi  

c gi ng làm nhi m v th i nhi    c gi ng làm nhi m v ngu n    nhi    i phòng

Hình 5 Bơm nhiệt nước nướ c WTW (chiller 2 chi ều dùng nướ c gi ng khoan) ế

 Mi n B c tuy không kh c nghi   n phi

m Nhi u công trình s d ng h th    c v i chiller 1 chi u  

lnh Vic thi t k   i m r t ph c t p v     d ng nc

n tr  i tr c ti p N    m là làm cho h th u hòa không khí ph c t p thêm, v n hành b   u than, d u, gas gây m t an toàn n tr  i tr c ti m là tn, hiu sut thu [8], có th bi n h bi n h  u hòa      

c 1 chi u thành 2 chi u v i h   o chic

Hình 6 gii thi u chiller 1 chi u l nh v i h      o chi có th  i

 c gigii nhic n i v  làm l nh phòng Mùa 

c girò ngu n nhi c n i v  c n  i phòng

Hình 6 Chiller 1 chi u có h ề ệ van đả o chi ều phía nướ c đ ể sư ởi mùa đông

 i v i nh ng vùng có t i l nh mùa hè và t i nhi    

b ng, c n ph i thi t k      i nhi t b sung tránh tích t   nhit quá l n trong lòng 

t do t i l nh mùa hè quá l  ng h p c a Mi n B c Vi t nam Do t i      

l nh mùa hè l n g p 5-10 l n t    thng ph i có tháp gi i nhi  t mùa hè Ngu n n c gi ng ch h       tr thêm cho h  thng khi t i l nh quá l n   

 y, ch c n thi t k ngu     c gi       ng

c ch còn 10-20% s làm gi   công vi c và kinh phí l t hoc khoan gi ng Hình 7 [8] gi i thi u      i  c gi ng 

a nhi t) và tháp gi i nhi t cho mùa hè v i chiller 1 chi u l     nh

Hình 7 Sơ đồ lai có tháp gi i nhi t mùa h ả ệ è và nướ c gi ếng mùa đông

Mùa hè, V1,2,3,4 m    i nhi     AHU/FCU n i v          , bình

Hình 8 Phân lo ại bơm nhiệ ị t đ a nhi t ệ

SHP có th  c phân ra 2 lo  c h (Open Water Loop) và vòng 

      c h   c bi u di n trên các hình  4,5,6 và 7) ng là loc gi ng khoan v i 2 gi ng riêng bi t, m     p c

i nhi t (T   x , hoàn tr  c v t ng ng m Hai gi ng      

ph   m b o không có dòng ch y t t t     gi ng x v   gi ng c p Vòng h  m là hi u qu     m là thi t b  

t có th b   n, l ng bùn ho  i t p ch t ch a  

 c ng      n hoàn kín t thi t b   

n h ng ng  m là thi t b    n, l ng bùn ho u qu T i th Th c t     c gi u có nhi u t p ch   ng

c gic kín vm b n.

 i v i lot ngt có th phân ra hai lo i là h ng    

n m ngang và h ng th   ng H n m ngang là các    t n m ngang 

 n 1,8 m cách nhau ít nh t 0,6 m Dàn có th chia nhi u nhánh v i ng     phân ph i và   gim thi u t n th t áp su   ng ng Dàn có th  là

d ng ng th ng ho   c ng xo ng là lo i PE mn    cao, tu i th   i các m i hàn nhi   b c c a các m i hàn nhi     b n ca chính các ng H   m là d thi công, l t, giá thành r , phù h p v  i GSHP gia d ng, có m t b   i l n Di n tích m t b ng yêu c u t      n 60

m2 cho 1 kW nhi t ho c l nh Hình 10 gi i thi    a nhi t gia d c

   t n m ngang, ng th  làm li

m cc kín là ph i có bình giãn n GN l p phía    hút c

 a nhi t n m ngang, 2 nhánh thng

H thng là nhng  c b trí vào các l   ng

n 600 m) H  m là khó thi công, lp v i các tòa nhà cao t ng có di  n tích m t b t nh  ch t h p Di n tích m t b ng yêu c u cho    

ng là kho ng t   n 9 m2/kW l nh ho c nhi t Có th t n d     

xe, công viên hot tr ng th m chí di   i n n móng c a tòa 

  l t Hình 11 gi i thi   a nhi  ng

c gi i nhi t mùa hè và làm gi m hi u qu      

ng c a h th ng T i Hà n i ch ng h n, t i l nh l n g p 5-10 l n t            i Ví d 

t i l nh c a Nhà Qu c H i là 8480 kW thì t     i ch là 840 kW N u toàn b   nhit tha c    y xu         l y lên 1/10

ng nhi  i s gây ra s tích t nhi t r t l      u này càng tr nên tr m tr ng và m t cân b    c bi t khi khu v   h thng

t ngu t l n Gin là ph  c t ho c ging khoan

 tránh ph  c t ho c gi ng khoan là s d ng tháp gi i nhi t      

  gi i nhic gia nhi t) ch s d ng h n ch b sung khi        

t i nhi t quá l   lai có hi u qu   ng cao do COP mùa hè ca

h  thng v i tháp gi i nhi  c git cao Hình 12 gi i thi  lai v i tháp  gii nhi t, chiller 1 chi u l  o chi  i 

 lai v i tháp gi i nhi t, chiller 1 chi u l    o chi u phía 

- Không ph  c t ho c gi ng khoan C c   t ho c gi ng  khoan ch  nh ng nhu c u t   b ng 1/10 so vi

t i l nh  khu v c Hà n t ho c gi 

git nhi u

1.2.1 Lịch sử phát triển và thành tựu nghiên cứu

- Bơm nhiệt địa nhiệt hay còn gọi là bơm nhiệt nguồn đất đ-ợc sáng chế lần đầu tại Thụy Điển vào năm 1912, và đã trở thành một loại công nghệ hiệu quả năng l-ợng

và bảo vệ môi tr-ờng trong thế kỉ 21 Hơn 20 năm sau khi nhà máy đầu tiên đ-ợc xây dựng năm 1945 (Crandall, Bắc Mỹ), một kỹ s- đã thử nghiệm với các ống đặt nằm ngang sâu 1,5m để lấy nguồn nhiệt cho bơm nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt giếng

đất đ-ợc giới thiệu ở Châu Âu vào cuối thập kỉ 70 (Rosenblad, 1979; Drafz, 1982)

và kể từ thời điểm đó các kiểu bơm nhiệt nguồn đất khác nhau đã đ-ợc sử dụng ở Thụy Điển, Đức, Thụy Sĩ và áo [12], [13]

- Bơm nhiệt nguồn đất đ-ợc lắp đặt nhiều ở các quốc gia phát triển thuộc Châu Âu

và n-ớc Mỹ cho mục đích làm mát, s-ởi ấm và đun n-ớc nóng vì hiệu quả cao của

nó Kể từ năm 2006, Bộ năng l-ợng Mỹ đã quyết định dành ra khoản ngân sách 24 triệu USD cho nghiên cứu địa nhiệt với tin t-ởng rằng khi những nghiên cứu này thực sự đ-a vào thực tế sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng về năng l-ợng cho đất n-ớc Thủ phủ của tiểu bang Idaho là nơi có hệ thống máy s-ởi chung dùng địa nhiệt lâu

đời nhất ở n-ớc Mỹ Đ-ờng ống phân phối năng l-ợng địa nhiệt đầu tiên đ-ợc xây dựng tại đây cách đây hơn một thế kỷ và mang lại tiết kiệm năng l-ợng so với các nguồn năng l-ợng khác tới 30% Các thành phố khác cũng có hệ thống cung cấp năng l-ợng địa nhiệt là thành phố Reno thuộc tiểu bang Nevada, và thành phố Susanville thuộc tiểu bang California Thành phố Klamath Falls thuộc tiêu bang Oregon đã cho đặt những ống vòng truyền hơi nóng d-ới lề đ-ờng các khu phố chính để làm tan tuyết và băng [18]

- Công nghệ bơm nhiệt nguồn đất đã đ-ợc đ-a vào Trung Quốc từ những năm

90 và đã có những phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây Công nghệ GSHP đã có những đóng góp đáng kể giúp Trung Quốc trong việc nỗ lực đẩy mạnh sự phát triển bền vững Tháng 10 năm 1997, Bộ năng l-ợng Mỹ (Department of Energy - DOE) cùng với Bộ Khoa học và Công Nghệ Trung Quốc đã ký kết một hiệp -ớc chung mục đích chính nhằm phát triển thị tr-ờng bơm nhiệt nguồn đất tại Trung Quốc Cho đến năm 2006 đã có 12 dự án

GSHP đ-ợc phát triển với nỗ lực chung của DOE, hiệp hội GSHP Mỹ và công

ty phát triển công nghệ mới về năng l-ợng Beijing Jike, mang lại hiệu quả tiết kiệm năng l-ợng tới 30% (số liệu của công trình toà nhà quốc tế Beijing - Concordia) Những đề án này đã mang lại thành công và chứng minh đ-ợc những lợi ích v-ợt trội của công nghệ GSHP so với công nghệ làm mát và s-ởi

ấm truyền thống đặc biệt là đối với các ứng dụng cho hộ dân c- Cuối năm

2003 Jike đã thành lập thêm 22 dự án t-ơng tự ở phía Bắc, Trung và Nam Trung Quốc với tổng diện tích thiết kế là 331.904 m2

Qua nhiều năm phát triển bơm nhiệt nguồn đất ngày nay khá đa dạng về chủng loại và kích th-ớc nhằm cung cấp phù hợp với nhiều loại công trình và

địa chất nơi đặt hệ thống Trong thời gian đó ng-ời ta đã nghiên cứu thử nghiệm và thu đ-ợc những kinh nghiệm đáng tin cậy Với sự bố trí hợp lý hệ thống, cùng với những tiến bộ trong việc kết hợp các hệ thống điều khiển và chỉ huy khiến giá thành bơm nhiệt nguồn đất giảm đáng kể so với ban đầu Bơm nhiệt ngày nay đã tạo ra một tiếng vang lớn về cơ sở công nghệ sạch và công nghệ tiết kiệm

có khả năng giải nhiệt tốt hơn không khí ngoài trời và mang lại hiệu quả năng l-ợng cao hơn

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

GSHP mùa hè

Mùa đông: Hệ thống ĐHKK thực hiện lấy nhiệt từ môi tr-ờng ngoài nhà và cấp vào bên trong nhà Lúc này môi tr-ờng ngoài nhà đóng vai trò là nguồn cấp nhiệt và nhiệt độ lòng đất cao hơn nhiệt độ không khí bên ngoài nên khả năng cấp nhiệt sẽ tốt hơn và mang lại hiệu quả năng l-ợng cao hơn

Loại này mang lại hiệu quả kinh

tế đối với các lắp đặt dân dụng,

đặc biệt là đối với những lắp đặt mới có đủ diện tích đất cần thiết Loại này cần đào những rãnh sâu

ít nhất là 1,2m (4 feet) Và hầu hết là dùng hệ thống 2 đ-ờng ống trong đó một ống chôn ở độ sâu 1,8m (6 feet) và ống còn lại chôn ở độ sâu 1,2m (4 feet) Hoặc có thể đặt hai

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hình 2.3 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang

ống gần nhau cùng độ sâu 1,5m (5 feet) nh-ng rãnh phải đủ rộng 0,6m (2 feet) Ph-ơng pháp này có thể áp dụng cả với những rãnh ngắn và giảm khá nhiều chi phí lắp đặt so với những loại khác

* Loại ống thẳng đứng (Vertical)

Loại này th-ờng dùng cho các công trình lớn nh- tr-ờng học, hay toà nhà cao tầng vì các công trình này có quỹ đất bị hạn chế nên không áp dụng loại ống nằm ngang đ-ợc Loại ống thẳng đứng này áp dụng cho các vùng địa chất có lớp đất sỏi nông và cần hạn chế tối đa sự ảnh h-ởng đến cảnh quan sẵn có

Đối với một hệ thống ống thẳng đứng này ng-ời ta khoan những lỗ có đ-ờng

kính khoảng 100mm (4 inches) và sâu từ 30m 120m  (100  400 feet) và cách nhau khoảng 6m dài (20 feet)

Trong những lỗ này ng-ời ta nối tại đáy các cuộn ống đã đ-ợc uốn theo hình chữ U lại với nhau thành vòng Các đ-ờng ống thẳng

đứng đ-ợc nối với các đ-ờng ống nằm ngang đã đ-ợc đặt trong các rãnh đào sẵn và sau đó nối với hệ thống bơm nhiệt của toà nhà

* Loại ống ngập trong hồ, ao (Lake/pond)

Nếu nơi đặt hệ thống sẵn có nguồn n-ớc mặt tự nhiên nh- ao hồ thì loại này là lựa chọn mang tính kinh tế nhất Một đ-ờng ống cấp chạy ngầm d-ới lòng đất

từ toà nhà tới nguồn n-ớc và đi vào dàn ống xoắn ruột gà đ-ợc đặt sâu ít nhất

là 2,4m so với mặt n-ớc Dàn ống này chỉ nên đặt ở phạm vi thể tích trao đổi nhiệt nhỏ, sâu và chất l-ợng đủ tốt

Hình 2.4 Loại hệ thống GSHP có ống thẳng đứng

b Loại vòng hở (Open - ) Loop System)

Loại hệ thống này sử dụng n-ớc giếng hoặc n-ớc bề mặt làm môi chất trao đổi nhiệt tuần hoàn trực tiếp cho hệ thống bơm nhiệt Sau một vòng tuần hoàn n-ớc đ-ợc trả về đất thông qua giếng, và giếng có khả năng phục hồi nhiệt còn n-ớc bề mặt thì không có khả năng này Với lựa chọn này yêu cầu một thực tế rõ ràng rằng hệ thống chỉ áp dụng cho những

nơi có khả năng cung cấp đủ nguồn n-ớc và còn phụ thuộc vào một loạt các vấn đề nh- n-ớc sạch,

luật lệ của từng địa ph-ơng, và việc điều tiết khả năng không phục hồi nhiệt của nguồn n-ớc ngầm

1.2.3 Hiệu quả năng l-ợng của hệ thống GSHP

So với hệ thống ĐHKK truyền thống thì hệ thống GSHP có đầu t- ban

đầu cao hơn nh-ng chi phí vận hành lại thấp hơn Một tính toán cho thấy trung

Hình 3.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

Hình 3.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

Hình 2.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

bình mỗi năm hệ thống này tiết kiệm đ-ợc khoảng từ 30  60% Hệ thống GSHP sử dụng tiết kiệm điện hơn hệ thống ĐHKK truyền thống từ 25  50%

Hệ thống GSHP tiết kiệm đ-ợc 44% năng l-ợng so với bơm nhiệt nguồn gió

và 72% so với s-ởi ấm dùng điện và các thiết bị điều hoà truyền thống khác [20] ở những nơi sử dụng khí đốt thiên nhiên thì hệ thống GSHP tiết kiệm

đ-ợc 60% giá thành so với sử dụng nồi hơi để s-ởi ấm, và ở những nơi sử dụng nhiên liệu hoá thạch thì hệ thống GSHP tiết kiệm đ-ợc 30% giá thành

1.2 Đặc điểm vận hành của hệ thống GSHP 4.

- Nh- đã nói ở trên nhiệt độ của lòng đất tại lớp Th-ờng Ôn khá ổn định

do đó hệ thống GSHP đạt đ-ợc công suất vận hành cũng khá ổn định khu ở vực n-ớc ta nhiệt độ lòng đất giữ ở khoảng nhiệt độ từ 15  250C nhiệt độ tăng dần theo tỷ lệ 3  50C/100m sâu Theo số liệu điều tra nhiệt độ lòng đất tại Th-ợng Hải ở những độ sâu nhất định vào tháng 1 và tháng 7 ta có bảng 2.1

Bảng 2.1 Nhiệt độ (0C) lòng đất vào tháng 1 và tháng 7 tại Th-ợng Hải - TQ

Độ sâu, mét 0,00 0,05 0,10 0,20 0,40 0,80 1,60 3,20

Tháng 7 30,4 29,5 29,3 28,4 26,7 24,2 20,7 16,7 Bảng theo dõi cho thấy nhiệt độ của lòng đất tại một độ sâu đủ lớn sẽ

đạt độ ổn định và ít biến đổi theo thời gian Đặc tính này đảm bảo độ ổn định nhiệt cho bình ng-ng và dàn bay hơi vì thế làm cho hệ thống vận hành t-ơng

đối ổn định

- Sau một thời gian vận hành xảy ra một hiện t-ợng là nhiệt độ của lòng

đất bị biến đổi tại nơi đặt hệ thống Vào mùa hè nhiệt độ của lòng đất tại nơi này tăng lên là nguyên nhân làm cho nhiệt độ bình ng-ng tăng cao hơn và nh- vậy làm hệ số hiệu quả năng l-ợng COP giảm xuống Vào mùa đông nhiệt độ lòng đất nơi này giảm xuống làm giảm khả năng cấp nhiệt của đất điều đó làm cho nhiệt độ bay hơi thấp xuống và hệ số COP cũng giảm đi Đối với hệ thống

bơm nhiệt nối đất, sự vận hành của hệ thống kín phụ thuộc vào hiệu suất của

đất và nó ảnh h-ởng tới hiệu quả trao đổi nhiệt trong lòng đất yếu tố chính thể hiện đặc tính của đất là đặc tính dẫn nhiệt, l-ợng nhiệt và l-ợng ẩm Khi vị trí lắp đặt kiểu dáng thiết bị đã đ-ợc xác định thì những thông số nh- đ-ờng kính, độ sâu đặt ống,nhiệt độ n-ớc có ảnh h-ởng trực tiếp đến hiệu suất chính của hệ thống Khi vận hành thiết bị bơm nhiệt nguồn đất cần phải mất thời gian đầu vận hành để hệ thống đạt trao đổi nhiệt ổn định, do đó với các hệ thống GSHP thì bơm n-ớc phải đ-ợc khởi động tr-ớc tiên sau một thời gian quạt và máy nén mới đ-ợc mở

- Sự biến đổi nhiệt độ của lòng đất sau một thời gian vận hành là do sự mất cân bằng giữa tải lạnh và tải nhiệt của hệ thống GSHP Nguyên lý làm việc của hệ thống GSHP là lấy nhiệt từ nhà và thải vào môi tr-ờng đất vào mùa hè và ng-ợc lại vào mùa đông Nh- vậy lòng đất trở thành một vật tích nhiệt khổng lồ Nếu l-ợng nhiệt lấy đi từ lòng đất bằng l-ợng nhiệt thải vào lòng đất thì sự cân bằng năng l-ợng của lòng đất đ-ợc thiết lập và hệ thống chạy ổn định Tại những vùng mà việc nhu cầu tải lạnh và tải nhiệt không cân bằng nhau khi đó l-ợng nhiệt thải vào lòng đất và l-ợng nhiệt lấy ra từ lòng

đất không bằng nhau và sự mất cân bằng năng l-ợng xảy ra Ví dụ ở tỉnh Hồ Nam Trung Quốc l-ợng nhiệt thải vào đất lớn hơn rất nhiều so với l-ợng nhiệt lấy đi từ đất

Bảng 2.2 Tải nhiệt, tải lạnh, l-ợng nhiệt nhận và mất của lòng đất của toà nhà

Civil ở Hồ Nam Trung Quốc, kWh

Tải lạnh Tải nhiệt Nhiệt thải mùa hè Nhiệt lấy mỳa

l-ợng nhiệt thải vào lòng đất Hệ thống này có tên gọi là hệ thống GSHP lai ghép Tuy nhiên việc cân đối giữa thời gian sử dụng tháp giải nhiệt và vòng nối đất cần đ-ợc tính toán cụ thể cho mỗi hệ thống

1.2.5 Ưu nh-ợc điểm của công nghệ GSHP

1.2.5.1 u điểm

-a) Tiết kiệm năng l-ợng, giảm chi phí vận hành

Khả năng tiết kiệm năng l-ợng và giảm chi phí vận hành của công nghệ GSHP là không thể phủ nhận Lấy ví dụ hệ thống ĐHKK trung tâm n-ớc/đất của tỉnh Sơn Đông Trung Quốc sau một năm vận hành đã thu đ-ợc một kết quả khả quan, đạt giá trị COP khá cao Chi tiết số liệu đ-ợc trình bày trong bảng 3.3

Bảng 2.3 Số liệu về hiệu suất vận hành của hệ thống GSHP tại tỉnh Sơn Đông

và chi phí vận hành đ-ợc thể hiện trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Đầu t- ban đầu và chi phí vận hành trong một năm của hệ thống

GSHP so với một hệ thống ĐHKK sử dụng khí thiên nhiên

Theo số liệu trong bảng 2.4 ta nhận thấy giá thành đầu t- ban đầu của hệ thống GSHP cao hơn so với hệ thống ĐHKK truyền thống xong giá thành vận hành lại thấp hơn vì thế tổng giá thành cho không gian lạnh tính trên 1m2 của

hệ thống GSHP (45 308 USD) lại có giá trị thấp hơn hệ thống ĐHKK truyền thống (105 719 USD)

b) Thân thiện với môi tr-ờng

Hệ thống ĐHKK địa nhiệt nói riêng và các hệ thống sử dụng nguồn năng l-ợng địa nhiệt nói chung đều là các giải pháp thân thiện với môi tr-ờng Vì nó hạn chế đ-ợc đáng kể l-ợng khí thải độc hại vào môi tr-ờng, nguồn năng l-ợng sử dụng là vô tận và có tác động gần nh- vô hại đến môi tr-ờng Khi sử dụng hệ thống GSHP có thể giảm sự ô nhiễm môi tr-ờng tới 40% so với hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí và giảm 70% so với thiết bị gia nhiệt bằng điện [12] Theo số liệu của 3 dự án GSHP thực hiện tại Bắc Kinh Trung Quốc hiệu quả mang lại nh- sau: Giảm l-ợng Sunfur dioxit (SO2) 11,2 tấn mỗi năm, giảm l-ợng Cacbon monoxit (CO) và Cacbon dioxit (CO2) 473 tấn mỗi

hệ thống ĐHKK truyền thống t-ơng đ-ơng dùng nhiên liệu dầu và đ-ợc đồ thị hình 2.7 [21] Trên đồ thị nhận thấy khi dùng hệ thống GSHP l-ợng khí thải độc hại đ-ợc giảm đi đáng kể

- Giảm thiểu khả năng gây cháy nổ do rò rỉ ga

- Đáp ứng đ-ợc các yêu cầu công nghệ đòi hỏi nhiệt độ ng-ng tụ cao hoặc nhiệt độ bay hơi thấp

- Chi phí cho một đơn vị lạnh rẻ hơn nhiều so với các ph-ơng pháp

- Cần nhiều sự chuẩn bị về thăm dò địa chất, nguồn n-ớc và những tính toán kỹ l-ỡng cho đ-ờng ống đặt ngầm d-ới đất tr-ớc khi lắp đặt hệ thống

- Cần thực hiện các biện pháp chống han rỉ đối với các thiết bị trao đổi nhiệt đặt trực tiếp trong lòng đất hoặc tiếp xúc trực tiếp với n-ớc giếng khoan

- Sau một thời gian sử dụng đối với các hệ thống lớn có nhu cầu về tải lạnh và tải nhiệt không cân bằng nhau sẽ làm thay đổi nhiệt độ của lòng đất nơi đặt thiết bị Khi đó cần sử dụng các thiết bị lai ghép khác để khắc phục Việc nghiên cứu và đ-a hệ thống GSHP vào thực tế không chỉ với mục đích tiết kiệm chi phí năng l-ợng mà mục đích chính và to lớn hơn là nó xây dựng một công nghệ có khả năng khai thác nguồn năng l-ợng mới, sạch, có khả năng tái tạo và bền vững phục vụ cho một nền kinh tế phát triển vững mạnh lâu dài

Hình 14 Chu trình lý thuy  so sánh

u ki n g  so sánh

Thông s ngoài nhà: u hòa không khí c p 2 mùa hè TCVN 5687:2010 t i Hà  

N i là nhi  ngoài nhà tN = 36,1oC (l y tròn 36 oC), nhi  t 28,1o  m 5N = 9oC, nhi  c gi ng và n t 25oC

Thông s trong nhà: u ki n vi khí h u trong nhà mùa hè t  T = 27oC, nhi t

19oo c l oC và ra 7oC Hi u nhi 

   c ln ch n th ng nh t theo tiêu chu n     hin hành (ISO 5151:2010, ISO16358: 2012, ISO 13253:2011, ARI 340/360:2004, ARI 550/590: 2003 ) 

B ng 2 Hi u nhi    trung bình logarit 

Thit b  ln, K Bin thiên nhi  *  

hè COPc =

Công th c tính hi u qu nhi t (heating) mùa 



COPh =

1 RAC, PAC gió gió 2

chi u 

ATA COPc1 = Qo/Pe COPh1 = Qk/Pe

2 PAC, chiller gió

c

ATW COPc2 =

(Qo-Pbt) / (Pe+Pbt)

COPh2 = (Qk+Pbt) / (Pe+Pbt)

(Qk+Pbt)/(Pe+Pbn+Pbt) (xem hình 3,4)

là COP c a riêng chiller = Q o/Pe Muc COP (COP2 ÷ COP4) c a toàn 

b h   thng c n thi t ph i có thi t k c       th  v i các công su   

p, th c  tính theo công thi thi trong b ng trên, phu  n này s  c trình bày k    m c 6

 trên, vi c so sánh COP c a các lo  t khác nhau (có ho c t t nh t ch nên so sánh  cùng lo i có công th   t nhau, ví d  ch so sánh lo i WTW v i nhau ch ng h n Th c ra, ngay c khi so sánh WTW v    i công trình m t khác, ví d công trình này, t t c     u dùng công ngh  bi n t n, trong khi công trình kia l i s d    ng, công trình này các h tiêu th  nhi t l nh r t t  tiêu th l i quá phân tán làm  cho t n th ng u qu  ng h  thc thc nghi m   t khác nhau [13, 14]

2.2 Bin thiên nhi

t ATA (RAC 2 chi u) 

Hình 15 gi i thi u bi n thiên nhi    t ATA (RAC

2 chi u) 

Hình 15 Bi n thiên nhi   t ATA (RAC 2 chi u) Mùa hè: Ch  mùa hè u hòa c p 2 TCVN 5687:2010 t i Hà n i t  : N = 36 oC, Ngoài nhà: Nhi  51 oC, hi u nhi  trung bình logarit  

ln = 10,5 K; Trong nhà: Nhi o qúa l nh và quá nhi t ch n là 5   

K, nhi trong nhà 27 oC, nhi t gió ra dàn l nh 19     oC, hi u nhi  trung bình logarit  ln = 17,7 K

B ng 3a ATA làm l nh mùa hè  

s kJ/kgK

 9.303 5 278.4 1.02

1 9.303 10 284.1 1.04

: Nhi ngoài nhà tN = 9 oC , nhi gió vào 9 oC, ra 1 oC, nhi

-6 oC, hi u nhi  trung bình logarit   ln = 10,5

 gió vào 22 oC, ra 30 oC, nhi  44

oC, hi u nhi   trung bình logarit  ln = 17,7 K

s kJ/kgK

 t ATW (Chiller gii nhi t gió 2 chi u)  

Hình 16 gi i thi u bi n thiên nhi          hit ATW (chiller gi i nhi t gió 2 chi u)   

Hình 16 Bi n thiên nhi  t ATW (chiller gii nhit gió 2 chi u) 

Mùa hè: N1 = 36 oC, tN2 = 44 oC, tk = 51 oln trong nhà:

o = 2 oC, nhi  c l nh vào ra 12 oC và 7 oC; FCU: nhikhông khí trong phòng vào ra 27 oC và 19 oln = 13,5 K

s kJ/kgK

 8.479 2 277.6 1.026

1 8.479 7 283.2 1.046

s kJ/kgK

Hình 17 gi i thi u bi n thiên nhi    tront WTA vòng

c h  u hòa gia d ng gi i nhi  c 2 chi u s d ng tr c ti    c ging; các d ng máy này có th l p cho t    và s d ng tháp gi i nhi t cho    mùa hè)

Hình 17 Bi n thiên nhi   c h Mùa hè: c gi ng có nhi  25 oc ti

        tk = 35 oC, hi u nhi   trung bình logarit  ln  5 o quá

l nh và quá nhi t 5 K; Nhi   trong nhà tT1 = 27 oC, nhi gió ra dàn l nh t  T2

= 19 oC, hi u nhi   trung bình logarit  ln = 17,7 K

s kJ/kgK

nhi gió vào 22 oC, ra 30 oC, nhi  44 oC, hi u nhi  trung bình logarit  ln = 16,5 K

s kJ/kgK

 12.49 15 280.5 1.001

1 12.49 20 286.9 1.023

2 26.6 60.35 307.4 1.023

 26.6 44 128.4 0.4602

Mùa hè:   n t t = 25 oC, nhi c vào

m b n t n1 = 30 oC, ra tn2 = 35 oC, nhi trung bình logarit  m bln = 7,2 K; nhi  tk = 40 oC, hi u nhi  trung bình logarit  m bln = 7,2 K  o = 5

oC, nhi trong nhà vào tT1 = 27 oC, nhi gió ra dàn l nh t  T2 = 19 oC, hiu nhi  trung bình logarit  ln = 17,7 K

s kJ/kgK

  gió vào 22 oC, ra 30 oC, nhi  44 oC, hiu nhi  trung bình logarit    ln = 17,7 K

s kJ/kgK

 10.81 10 279.6 1.01

1 10.81 15 285.6 1.031

2 26.6 62.42 310.4 1.031

 26.6 44 128.4 0.4602