Luận văn thạc sĩ Biến đổi khí hậu, Khí hậu học, Điều hòa không khí, Nguồn nhiệt nước ngầm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC PHAN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHI SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT NƢỚC NGẦM TRONG TRƢỜNG HỢP LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TẠI VIỆN ĐỊA CHẤT, PHỐ CHÙA LÁNG - ĐỐNG ĐA - HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số: chƣơng trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lưu Đức Hải Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Lƣu Đức Hải Các số liệu, kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố dƣới hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Phan Văn Hùng LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy hướng dẫn luận văn tôi, PGS.TS Lưu Đức Hải - Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, tạo điều kiện, động viên, hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trong suốt trình nghiên cứu, thầy kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp động viên nhiều Kiến thức khoa học sâu sắc kinh nghiệm thầy tiền đề giúp tơi đạt kết tốt luận văn Tôi xin chân thành cám ơn tới TS Đoàn Văn Tuyến - Viện Địa chất - Viện HLKHCN Việt Nam, chủ nhiệm đề tài trọng điểm cấp nhà nước KC.08.16/11-15 : "Nghiên cứu đánh giá số nguồn địa nhiệt triển vọng có điều kiện khai thác cho phát triển lượng Việt Nam" quan tâm, giúp đỡ, cung cấp số liệu đưa dẫn, góp ý cho luận văn Xin cám ơn Khoa sau đại học - ĐHQGHN; Viện Địa chất - Viện HLKHCN Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình bên tôi, cổ vũ động viên lúc khó khăn để vượt qua hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cám ơn! Học viên Phan Văn Hùng MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 13 1.1 Giới thiệu tiềm địa nhiệt 13 1.1.1 Đặc tính nhiệt lịng đất 13 1.1.2 Tiềm khai thác lượng địa nhiệt 15 1.1.3 Ứng dụng địa nhiệt điều hịa khơng khí 17 1.2 Cơng nghệ điều hịa khơng khí bơm nhiệt lịng đất (GSHP) 18 1.2.1 Lịch sử phát triển thành tựu nghiên cứu 18 1.2.2 Cơng nghệ điều hịa khơng khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP) 20 1.3 Ƣu nhƣợc điểm công nghệ GSHP 26 1.3.1 Ưu điểm 26 1.3.2 Nhược điểm 28 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP, ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN, SO SÁNH HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG LÝ THUYẾT 29 2.1 Đối tƣợng địa điểm nghiên cứu 29 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Phương pháp tính tốn hiệu suất lượng hệ thống ĐHKK 30 2.2.2 Phương pháp tính tốn hiệu giảm nhẹ BĐKH 49 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC TẾ KHI ỨNG DỤNG LẮP ĐẶT CƠNG NGHỆ ĐIỀU HỊA ĐỊA NHIỆT TẠI VIỆN ĐỊA CHẤT, PHỐ CHÙA LÁNG - ĐỐNG ĐA - HÀ NỘI 51 3.1 Đặc điểm khí hậu Hà Nội nhu cầu điện cho ĐHKK nhà cao tầng 51 3.1.1 Đặc điểm biến động nhiệt độ khơng khí 51 3.1.2 Đặc điểm nước ngầm khu vực 53 3.1.3 Nhu cầu cấp điện cho điều hịa khơng khí Hà Nội 57 3.2 Sơ đồ công nghệ cấu tạo thiết bị ĐHKK địa nhiệt Viện Địa chất 58 3.3 Kết thí nghiệm công nghệ ĐHKK địa nhiệt Viện Địa chất,Viện HLKHCNVN62 3.4 Phân tích hiệu giảm nhẹ BĐKH cơng nghệ thiết bị ĐHKK địa nhiệt 66 3.4.1 Tính tốn giảm phát thải KNK triển khai thí nghiệm thực tế 66 3.4.2 Tính tốn giảm nhẹ phát thải KNK cho tịa nhà văn phòng Viện Địa chất 67 3.5 Đề xuất chế sách 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 I KẾT LUẬN 69 II KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT NGHĨA TIẾNG VIỆT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH HOẶC KÝ HIỆU Air Handling Unit (AHU): Phịng điều khiển khơng khí BĐKH: Biến đổi khí hậu Coefficient Of Performance (COP): Hệ số hiệu suất ĐHKK: Điều hịa khơng khí Fan Coil Unit (FCU): Dàn quạt GSHP (Ground Source Heat Pump) : Bơm nhiệt lòng đất KNK: Khí nhà kính LK: Lỗ khoan NLTT: Năng lƣợng tiêu thụ Power Input Capacity (PIC) = 1/COP: Công suất lƣợng đầu vào TKNL: Tiết kiệm lƣợng TTNL: Tiêu thụ lƣợng Variable Refrigerant Volume (VRV): Cột điều hòa biến thiên Viện HLKHCNVN Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Water to air (WTA): Bơm nhiệt gió Water to water (WTW): Bơm nhiệt nƣớc  p.k : Hệ số sử dụng lƣợng sơ cấp chung T0 : Nhiệt độ bay Tk: Nhiệt độ ngƣng tụ q0: Năng suất lạnh riêng ε: Hệ số lạnh φ: Hệ số nhiệt DANH MỤC BẢNG Bảng Tên Trang Bảng 1.1 Nhiệt độ (0C) lòng đất vào tháng tháng Thượng Hải - TQ 21 Bảng 1.2 Tải nhiệt, tải lạnh, lượng nhiệt nhận lịng đất tồ nhà Civil Hồ Nam Trung Quốc, kWh 22 Bảng 1.3 Số liệu hiệu suất vận hành hệ thống GSHP tỉnh Sơn Đông Trung Quốc tháng năm 2000 23 Bảng 1.4 Đầu tư ban đầu chi phí vận hành năm hệ thống GSHP so với hệ thống ĐHKK sử dụng khí thiên nhiên 23 Bảng 2.1 Danh mục thiết bị đo đạc 26 Bảng 2.2 Đặc tính hệ thống ĐHKK thơng dụng 28 Bảng 2.3 Thơng số ĐHKK ngồi nhà cấp Hà Nội theo tiêu chuẩn 35 Bảng 2.4 Thơng số vi khí hậu nhà Hà Nội theo tiêu chuẩn 35 Bảng 2.5 Bảng tổng kết giá trị COPC hệ thống so sánh cho mùa hè 40 Bảng 2.6 Kết tính tốn COPC bơm nhiệt gió/gió (t0 = -40 C, tk = 400C Bảng 2.7 Bảng tổng kết hệ số sử dụng lượng sơ cấp trường hợp hệ VRV gió Bảng 2.8 Kết tính tốn COPC bơm nhiệt gió/gió (t0 = - 40C, tk = 500C Bảng 2.9 Bảng tổng kết hệ số sử dụng lượng sơ cấp trường hợp bơm nhiệt gió/nước 42 Bảng 2.10 Bảng tập hợp kết COPC bơm nhiệt gió/gió 43 Bảng 2.11 Bảng tổng kết hệ số sử dụng lượng sơ cấp bơm nhiệt gió/gió 43 Bảng 2.12 Hệ số sử dụng lượng sơ cấp phương án khác mùa đơng 44 Bảng 3.1 Kết tính tốn theo lí thuyết COP, tiêu thụ lượng (TTNL) tiết kiệm lượng(TKNL) cho hệ thống ĐHKK địa nhiệt ĐHKK truyền thống 59 Bảng 3.2 Bảng 3.3   450C) 41 550C) Kết điện tiêu thụ, hiệu kinh tế giảm phát thải khí CO2 sử dụng hệ thống ĐHKK địa nhiệt Kết tính tốn theo lí thuyết COP, tiêu thụ lượng (TTNL) tiết kiệm lượng(TKNL) cho hệ thống ĐHKK địa nhiệt ĐHKK truyền thống tòa nhà văn phòng Viện Địa chất 41 41 60 63 DANH MỤC HÌNH Hình Tên Trang Hình 1.1 Kết cấu tầng nhiệt vỏ trái đất 10 Hình 1.2 Nhà máy điện địa nhiệt Soultz (Đông Bắc nước Pháp) 11 Hình 1.3 Nhà máy điện địa nhiệt Soultz (Đơng Bắc nước Pháp) 11 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống GSHP mùa hè 17 Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động hệ thống GSHP mùa đơng 18 Hình 1.6 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang 18 Hình 1.7 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang 18 Hình 1.8 Loại hệ thống GSHP có ống thẳng đứng 19 Hình 1.9 Loại hệ thống GSHP có ống ngập ao, hồ 20 Hình 1.10 Loại hệ thống GSHP vịng hở 20 Hình 1.11 Đồ thị so sánh lượng khí phát thải hệ thống GSHP hệ thống ĐHKK truyền thống tương đương dùng nhiên liệu dầu 24 Hình 2.1 Sơ đồ phân loại phương án giải nhiệt nhà cao tầng ĐHKK 27 Hình 2.2 Sự phụ thuộc suất lạnh vào nhiệt độ ngng tụ 29 Hình 2.3 Sự phụ thuộc suất lạnh vào nhiệt độ bay 30 Hình 2.4 Chu trình lạnh thực có q lạnh q nhiệt 31 Hình 2.5 Hệ số lạnh thực tế Hình 2.6 Ký hiệu hình vẽ Chiller chiều hai chiều 35 Hình 2.7 Water Chiller hai chiều giải nhiệt gió 36 Hình 2.8 Water Chiller chiều lạnh dùng tháp giải nhiệt 37 Hình 2.9 Water Chiller hai chiều giải nhiệt nước dùng nước giếng khoan 39 Hình 2.10 Tương quan phần trăm suất lạnh phương án điều hịa 40 Hình 2.11 Tương quan phần trăm hệ số sử dụng lượng sơ cấp phương án mùa đơng 44 Hình 3.1 Nhiệt độ khơng khí trung bình tháng (ºC) 48 Hình 3.2 Lượng mưa trung bình tháng (mm) 49 Hình 3.3 Đồ thị biến đổi nhiệt độ năm, lỗ khoan Q.34 51 Hình 3.4 Đồ thị biến đổi nhiệt độ năm, lỗ khoan Q.62 51  t hệ số lạnh lý thuyết theo chu trình Carnot c 32 Hình 3.5 Đồ thị biến đổi nhiệt độ năm, lỗ khoan Q.63 52 Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo hoạt động hệ thống điều hịa địa nhiệt 54 Hình 3.7 Bơm nhiệt 55 Hình 3.8 Bơm nhiệt 55 Hình 3.9 Hệ thống đường ống cấp nước giải nhiệt 56 Hình 3.10 Dàn quạt (FCU), phịng điều khơng (AHU) 56 Hình 3.11 Hệ thống ống dẫn nước cấp nước thải, bù nước 57 Hình 3.12 Đồng hồ đo nhiệt độ điều khiển 57 Hình 3.13 Giếng cấp giếng thải nhiệt 58 Hình 3.14 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ giếng cấp giếng giải nhiệt chạy máy ĐHKK địa nhiệt 61 Hình 3.15 Biểu đồ NLTT ĐHKK địa nhiệt ĐHKK truyền thống 61 MỞ ĐẦU Sự phát triển kinh tế Thế giới kéo theo nhu cầu sử dụng lƣợng ngày gia tăng Các nguồn lƣợng đƣợc khai thác sử dụng mạnh mẽ, đặc biệt nguồn nhiên liệu hóa thạch: than, dầu, khí thiên nhiên Tình trạng gia tăng khai thác sử dụng nguồn lƣợng hóa thạch nói tạo nguy cạn kiệt lƣợng, ô nhiễm môi trƣờng; nhiều thách thức khơng nhỏ với lồi ngƣời Điều phải kể đến biến đổi khí hậu(BĐKH) tồn cầu diễn ngày nghiêm trọng BĐKH thách thức lớn nhân loại kỷ 21 Những báo cáo gần Ủy ban Liên Chính phủ biến đổi khí hậu (IPCC) xác nhận BĐKH thực diễn gây nhiều tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống mơi trƣờng nhiều nƣớc giới, Việt Nam nƣớc chịu ảnh hƣởng nặng nề tác động BĐKH [19] BĐKH tạo tác động bất lợi đến tài nguyên thiên nhiên, điều kiện môi trƣờng sống ngành kinh tế quốc dân, có ngành lƣợng Năng lƣợng có vai trị vơ quan trọng phát triển quốc gia Năng lƣợng nhu cầu thiết yếu sinh hoạt nhân dân yếu tố đầu vào khơng thể thiếu ngành kinh tế, có tác động ảnh hƣởng khơng nhỏ đến đời sống kinh tế, trị, văn hóa, xã hội quốc gia Việc gia tăng mức độ sử dụng lƣợng hóa thạch (than, dầu, khí đốt) ln kèm theo nguy gây nhiễm môi trƣờng khu vực sản xuất lƣợng góp phần làm suy giảm chất lƣợng mơi trƣờng tồn cầu phát thải khí nhà kính nhƣ CO2, CH4-, N2O,… vào Khí ngày nhiều, từ làm gia tăng hiệu ứng nhà kính nóng lên Trái đất Sự nóng lên Trái đất nguyên nhân làm gia tăng tốc độ tan băng hai cực Trái đất, dẫn tới ngập úng vùng đất thấp ven biển BĐKH nguyên nhân gia tăng cƣờng độ tai biến thiên nhiên: lũ lụt, hạn hán, xói lở bờ biển, dơng bão, v.v Trƣớc vấn đề mang tính chất nghiêm trọng diễn ra, Hội nghị thƣợng đỉnh Liên hợp quốc tổ chức Janero, Braxin năm 1992 thông qua Cơng ƣớc khung BĐKH Tiếp đó, 170 quốc gia Thế giới tham gia ký kết Nghị định thƣ Kyoto, với mục tiêu giảm 5,2% khí nhà kính so với mốc phát thải năm 1990 Ý tƣởng “kinh tế xanh” đƣợc Chƣơng trình mơi trƣờng LHQ (UNEP) khởi xƣớng năm 2008 Nhiều tổ chức diễn đàn quốc tế tập trung thảo luận chủ đề kinh tế xanh, Nhiều giải pháp phát triển kinh tế xanh đƣợc đề xuất Hội nghị phát triển bền vững 2012 (Rio+20) Brazil Nhiều sáng kiến đƣợc quan Liên hợp quốc thúc đẩy hƣớng tới Kinh tế Xanh nhƣ: Nông nghiệp thích ứng cách thơng minh với khí hậu (FAO), Đầu tƣ công nghệ (WB), Việc làm xanh (ILO), Kinh tế Xanh (UNEP), Giáo dục phát triển bền vững (UNESCO), Xanh hóa khu vực y tế (WHO), Thị trƣờng công nghệ xanh (WIPO), Tiêu chuẩn công nghệ thông tin xanh (ITU), Giải pháp lƣợng xanh (UN WTO), Sản xuất hiệu sử dụng tài nguyên (UNEP UNIDO), Các thành phố biến đổi khí hậu (UNHABITAT), Tái chế tàu biển (IMO),… thu đƣợc nhiều kết tốt đẹp Sự khan nguồn nhiên liệu hóa thạch với mối đe dọa BĐKH động lực thúc đẩy đầu tƣ nghiên cứu phát triển nguồn lƣợng có khả tái tạo nhƣ lƣợng gió, lƣợng mặt trời lƣợng sinh học với vai trò nguồn lƣợng thay Theo quan điểm Bách Khoa Tồn thƣ Quốc tế "năng lƣợng tái tạo hay gọi lƣợng tái sinh lƣợng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực ngƣời vô hạn Nguyên tắc việc sử dụng lƣợng tái tạo tách phần lƣợng từ quy trình diễn biến liên tục mơi trƣờng đƣa vào ứng dụng kỹ thuật" Hiện nhà kinh tế kỹ thuật ý nhiều đến nguồn lƣợng tái tạo nhƣ : lƣợng sinh học (sinh khối, Biogas, Ethanol, Diesel sinh học,…), lƣợng mặt trời, lƣợng gió, lƣợng thủy điện nhỏ, lƣợng thủy triều, lƣợng sóng biển, lƣợng địa nhiệt, v.v… Theo số liệu khoa học, tiềm địa nhiệt Trái đất lớn, gấp nhiều lần dạng lƣợng tái tạo nêu nhƣ lƣợng sinh học, lƣợng gió, lƣợng thủy triều Nguồn lƣợng vơ tận có nơi Trái đất, nhƣng phân bố khơng khó khai thác Ví dụ, để phát điện cần phải có nguồn địa nhiệt có nhiệt độ > 100 OC, phổ biến vùng núi lửa nhƣng rủi ro để lắp đặt thiết bị thu nhiệt Nguồn lƣợng địa nhiệt có nhiệt độ thấp (