Phân tích và lựa chọn các giải pháp trữ lạnh cho các hệ thống điều hòa không khí có khả năng áp dụng tại Việt Nam

Trong bài báo này, chúng tôi tập trung phân tích các đặc điểm cơ bản của hệ thống trữ lạnh cho điều hòa không khí, bao gồm: Các ưu điểm cơ bản của trữ lạnh, hệ thống điều hòa nào có thể áp dụng giải pháp này, thời gian trữ và xả lạnh hợp lý, loại môi chất trữ lạnh nào là phù hợp và phân tích ưu nhược điểm của các sơ đồ trữ lạnh. Trên cơ sở đó chúng tôi đề xuất giải pháp phù hợp nhất có thể áp dụng tại Việt Nam.

18 * NLN * 155 - 01/2021 Số 155 - Tháng 01/2021 Trang 18 - 23 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP TRỮ LẠNH CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HÕA KHƠNG KHÍ CĨ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM Võ Chí Chính - Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Dương Hoàng Văn Bản, Lê An - Trung tâm TKNL Tư vấn chuyển giao công nghệ Đà Nẵng Email: vochichinhdhbk@gmail.com Ngày nhận bài: 18/8/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 21/01/2021 Ngày duyệt đăng: 25/01/2021 Trữ lạnh cho hệ thống điều hịa khơng khí (ĐHKK) quan tâm nghiên cứu áp dụng Việt Nam Thế giới từ lâu Tuy nhiên, việc trữ lạnh chưa áp dụng cách rộng rãi phổ biến, có nhiều ưu điểm có khả mang lại nhiều lợi ích kinh tế Trong báo này, chúng tơi tập trung phân tích đặc điểm hệ thống trữ lạnh cho điều hịa khơng khí, bao gồm: Các ưu điểm trữ lạnh, hệ thống điều hòa áp dụng giải pháp này, thời gian trữ xả lạnh hợp lý, loại môi chất trữ lạnh phù hợp phân tích ưu nhược điểm sơ đồ trữ lạnh Trên sở chúng tơi đề xuất giải pháp phù hợp áp dụng Việt Nam Quốc gia, nên giá điện tiêu thụ rẻ hơn, Đặt vấn đề 1/3 so với cao điểm Điều góp Trong nhiều năm qua vấn đề tiết kiệm phần giảm phụ tải cho lưới điện Quốc gia lượng Nhà nước Việt Nam quan tâm Với ưu điểm bật nên nhiều Một vấn đề nghiêm trọng mạng năm qua, người ta quan tâm đến trữ lạnh lưới điện Việt Nam không vấn đề thiếu điện mà cịn vấn đề phân bố phụ tải khơng cho hệ thống ĐHKK Đã có nhiều cơng trình ngày Việc giảm tải cho thời gian cao điểm nghiên cứu lĩnh vực Trong hệ thống ĐHKK hệ thống làm lạnh nước (water giải pháp có ý nghĩa kinh tế quan trọng Theo nhiều tài liệu [1, 2, 3, 4, 5] cho thấy, chiller) phù hợp để triển khai phạm vi dân dụng chi phí điện ĐHKK lên đến 70% nhiều nhà thầu lựa chọn [1, 2, 3, 4, 5, 6] tổng chi phí điện hộ gia đình Đặc điểm chung máy ĐHKK thường hoạt động vào giai đoạn cao điểm ngày lúc tiết trời nóng ngày tức lúc máy vận hành hiệu Việc trữ lạnh cho máy ĐHKK cách chuyển hoạt động tiêu thụ nhiều điện làm lạnh vào thời gian thấp điểm giải phóng lạnh lúc cao điểm nhằm thay ĐHKK có ý nghĩa quan trọng Việc làm mang lại nhiều lợi ích cụ thể sau: - Giảm công suất đầu tư hệ thống, nhờ san phụ tải lúc cao cho thời gian phụ tải thấp; - Dịch chuyển thời gian vận hành từ ban ngày sang ban đêm nên hiệu làm việc máy ĐHKK cao hơn; - Tránh thời gian vận hành cao điểm chuyển sang thời gian thấp điểm lưới điện Trong báo này, sâu phân tích lựa chọn giải pháp, thời gian, mơi chất trữ lạnh thích hợp áp dụng Việt Nam Chọn thời gian, giải pháp trữ xả lạnh Chọn thời gian trữ lạnh xả lạnh liên quan đến thời gian sử dụng máy ĐHKK phân chia thời điểm phụ tải ngành điện lực Bộ Công thương phê duyệt Thời gian trữ lạnh thích hợp từ 22h đêm ngày hôm trước 9h 30 ngày hôm sau trùng với thời gian thấp điểm phần thời gian bình thường Thời gian xả lạnh trùng với thời gian sử dụng bình thường máy ĐHKK từ 9h30 đến 22h, thời gian có hai giai đoạn cao điểm hai giai đoạn bình thường (hình 1) Có ba giải pháp trữ lạnh xả lạnh chính, cụ thể sau: NLN * 155 - 01/2021 * 19 Trữ lạnh toàn phần Trong giải pháp hệ thống trữ lạnh đáp ứng phần phụ tải nhiệt, thay hồn tồn cho máy ĐHKK lúc cao điểm Trong giai đoạn bình thường máy ĐHKK trữ lạnh hoạt động song hành Và sơ đồ hợp lý cho phép đầu tư không lớn máy ĐHKK không cần vận hành lúc cao điểm phí điện rẻ giải pháp mà nhà đầu tư lựa chọn Lựa chọn mơi chất trữ lạnh Hình Trữ lạnh toàn phần Là giải pháp mà hệ thống trữ lạnh đáp ứng 100% phụ tải điều hòa Trong thời gian cần ĐHKK cần giải phóng lạnh tích trữ đủ sử dụng cho toàn hệ thống Sơ đồ đòi hỏi bồn trữ lạnh đủ lớn để đáp ứng đầy đủ yêu cầu phụ tải (hình 1) Giải pháp hiệu kinh tế không cao phải đầu tư hệ thống trữ lạnh lớn Mặt khác, việc thay hoàn toàn cho máy ĐHKK nhiều trường hợp không dễ thực không chủ động vận hành Trữ lạnh phần kiểu san tải Các môi chất sử dụng cơng nghệ tích trữ lạnh nước, băng muối eutectic Mỗi chất có nhiệt độ tích trữ, nhiệt độ xả lạnh nhiệt độ biến đổi pha khác (bảng 1) Bảng Các chất trữ lạnh Mơi chất trữ lạnh Nhiệt độ tích trữ, oC Nhiệt độ xả tải, oC Nhiệt độ biến đổi pha, oC Dung tích, m3/kWh Nước 47 58 - 0,0861 ÷ 0,169 Băng -9  -3 13 0,0193 ÷ 0,0265 Muối eutectic 46  10 8,3 0,0483 Theo tính tốn chúng tơi, tích trữ băng dung tích bể chứa cịn 1/8 so với tích trữ nước nhiệt lượng tích trữ ứng với bể 1000 lít là: Q o = G r + Cp ∆t = 920 333,550 + 4,18610 = 345 377kJ = 95,94 kWh Tương tự so sánh tích trữ muối eutectic với băng dung tích bể muối eutectic lớn gấp đơi Hình Trữ phần kiểu san tải Là giải pháp mà hệ thống trữ lạnh đáp ứng phần phụ tải ĐHKK Khi vận hành máy ĐHKK hoạt động, phần phụ tải hổ trợ nhờ xả lạnh.Trong giải pháp máy ĐHKK hoạt động lúc cao điểm nên chí phí tiền điện cịn cao Trữ lạnh phần kiểu giới hạn tải yêu cầu Từ kết phân tích cho thấy, sử dụng băng thuận lợi vừa có kết cấu nhỏ gọn vừa dễ dàng thiết kế, mơi chất rẻ tiền Lựa chọn sơ đồ tích trữ lạnh Trong phần chúng tơi trình bày sơ đồ trữ lạnh băng muối eutectic để sở ta phân tích đánh giá lựa chọn sơ đồ thuận lợi sử dụng điều kiện Việt Nam 4.1 Tích trữ dạng băng Tích trữ lạnh dạng băng có loại: - Tích trữ băng dạng tĩnh (Ice - on - coil) - Tích trữ băng dạng động (Ice harvester) - Tích trữ băng dạng băng sệt (Ice slury) - Tích trữ băng dạng (Encapsulated ice) a Tích trữ băng dạng tĩnh (Ice - on - coil) Hình Trữ phần kiểu giới hạn tải yêu cầu Trong trình trữ lạnh, băng hình thành bề mặt ngồi ống trình xả 20 * NLN * 155 - 01/2021 lạnh băng tan Quá trình tan chảy từ ngồi vào từ - Băng tan chảy từ vào Đối với bể dạng này, người ta cho nước chảy bên ngồi ống, bên mơi chất lạnh chất tải lạnh có nhiệt độ thấp Nhiệt độ đá tạo thành khoảng từ -9  -3oC, với lớp băng dày khoảng 20  65mm Chiều dày lớp băng tạo thành phụ thuộc kết cấu bể thời gian trình trữ Đối với sơ đồ tan băng từ vào trong, khoảng cách ống trao đổi nhiệt phải lớn lượng băng tạo thành chiếm 50% dung tích bồn để tránh nghẽn dịng xả lạnh, nhược điểm kiểu bồn dạng này, kích thước địi hỏi lớn u cầu Khi làm lạnh gián tiếp, người ta sử dụng etylen glycol làm lạnh đến khoảng -7oC Trong bồn dạng này, dàn lạnh chiếm khoảng 10% dung tích bồn, 10% bồn để dành cho nước dãn nở đơng đặc, cịn lại 80% dung tích chứa nước Hiệu trao đổi nhiệt dạng không cao môi chất bay hơi, nên phải tăng diện tích trao đổi nhiệt - Băng tan chảy từ Để thực tan chảy từ ngoài, chất nhận tải phải chuyển động ống, băng bên ngồi ống kết đơng 100% thể tích mà khơng sợ nghẽn dịng, giải pháp có kết cấu bể nhỏ gọn Hình Sơ đồ băng tan từ ngồi vào trong, làm lạnh trực tiếp Hình Sơ đồ băng tan từ ngồi Hình Sơ đồ băng tan từ vào trong, làm lạnh gián tiếp Có hai loại sơ đồ bể băng tan từ vào trong: - Sơ đồ làm lạnh nước trực tiếp từ mơi chất lạnh (hình 4) - Sơ đồ làm lạnh gián tiếp qua chất tải lạnh rượu etylen glycol nồng độ 20 - 40% (hình 5) Trong sơ đồ sử dụng chất tải lạnh để tạo băng trình trữ lạnh chất tải lạnh trình xả lạnh Chất tải lạnh thường dùng etylen glycol nồng độ 25%  30% cho chảy ống Dàn lạnh ống thép đặt chìm bể nước Ở chế độ trữ lạnh, chất tải lạnh máy lạnh làm lạnh đến -6oC  -3oC chuyển động ống nước bể đóng băng dần từ bề mặt ống tồn thể tích bể Ở q trình xả lạnh, chất tải lạnh ấm từ hộ tiêu thụ chuyển động về, trao đổi nhiệt với băng nhiệt độ đầu bồn khoảng 2oC  3oC đến NLN * 155 - 01/2021 * 21 hộ tiêu tụ Băng tan dần từ sát với bề mặt ống ngồi b Tích trữ băng dạng động (Ice harvester) Trong hệ thống thiết bị tạo băng tích trữ băng được thiết kế riêng biệt Thiết bị tạo băng đặt phía bồn tích trữ băng Nước tưới lên bề mặt dạng hình thành băng bám lên bề mặt này, bên tác nhân lạnh bay làm lạnh trực tiếp Ở chế độ trữ lạnh, nước bơm từ bồn trữ với nước hồi từ hộ tiêu thụ tưới lên bề mặt trao đổi nhiệt để tạo băng Tác nhân lạnh bay nhiệt độ -9oC  -4oC Băng hình thành bề mặt dày khoảng  10mm khoảng 10 đến 30 phút băng vừa hình thành dao cắt rơi xuống, băng sau hịa trộn với dung dịch glycol - 10% tạo thành hổn hợp sệt bơm đến bồn tích trữ Tại đây, bột băng nhẹ lên trên, chất tải lạnh nước tan chảy phía lại bơm trở lại thiết bị tạo băng Ở chế độ xả lạnh, chất tải lạnh nước tan chảy có nhiệt độ khoảng 2oC, bơm từ bồn tích trữ đến thiết bị trao đổi nhiệt dạng trao đổi nhiệt với nước ấm từ hộ tiêu thụ quay trở Nước làm lạnh quay trở lại hộ tiêu thụ chất tải lạnh ấm lên quay trở lại thiết bị tạo băng Nhận xét: Các mảnh băng nhỏ mịn nên trao đổi nhiệt tốt với chất tải lạnh, hệ thống làm việc liên tục Hình Sơ đồ tích trữ băng dạng động (ice harvester) Hình Sơ đồ tích trữ băng dạng băng sệt (ice slury) Ở chế độ xả lạnh, người ta xả gas nóng vào trao đổi nhiệt khoảng 20  60 giây băng rơi xuống bồn tích trữ băng tạo thành hỗn hợp nước băng Nước bồn tích trữ có nhiệt độ 1oC  2oC bơm đến hộ tiêu thụ.Với giải pháp này, có phần tổn thất nhiệt xả băng thiết kế đơn giản d Tích trữ lạnh kiểu băng (Encapsulated ice) c Tích trữ băng dạng băng sệt (Ice slury) Trong hệ thống thiết bị tạo băng bồn tích trữ tạo thành khối tách rời Ở chế độ trữ lạnh, thiết bị tạo băng có cấu tạo tương tự cối đá vảy, nước tưới lên bề mặt bên thiết bị hình thành lớp băng Ngay Hình Cấu tạo cầu 22 * NLN * 155 - 01/2021 Quá trình xả lạnh: Chất tải lạnh ấm sau cấp lạnh cho phụ tải hồi bình tích trữ tiếp xúc cầu băng làm lạnh Các cầu băng tan chảy dần tan chảy hồn tồn kết thúc q trình xả tải 4.2 Tích trữ dạng muối eutectic Hình 10 Quả cầu băng Nước chất chuyển pha (PCM - Phase change material) chứa hộp kín nhựa kim loại hình cầu hình hộp chữ nhật (gọi Nodule) Nước không đổ đầy, đỉnh cầu có lổ trũng tạo trước, hộp khối chữ nhật bề mặt thiết kế uốn cong để chúng không bị biến dạng vỡ đông đặc Các cầu xếp bồn tích trữ thép, bê tông hay polyetylen gọi STL Thông thường Nodule chế tạo theo loại đường kính: 77mm (loại SN), 78mm (loại IN) 98mm (loại SN) Khả chịu áp Nudule đạt 10bar Tùy theo kích thước mà thời gian tạo băng xả khác Số lượng Nodule định tốc độ truyền nhiệt PCM chất tải lạnh Chất tải lạnh thường dùng etylen glycol 25% Sơ đồ sử dụng nước làm chất tải lạnh nhận nhiệt ẩn đóng băng từ dung dịch muối eutectic Dung dịch muối eutectic chứa hộp nhựa hình khối chữ nhật, xếp bồn tích trữ tương tự tích trữ băng dạng Muối eutectic có nhiều loại, có nhiệt độ biến đổi pha khác thông dụng lĩnh vực ĐHKK có nhiệt độ đơng đặc 8,3oC Q trình trữ lạnh: Chất tải lạnh từ Chiller có nhiệt độ 4oC  6oC đến bồn tích trữ trao đổi nhiệt với muối eutectic, muối giảm nhiệt độ xuống 8,3oC đông đặc lại thực trình nạp tải Quá trình xả lạnh: Chất tải lạnh bồn tích trữ có nhiệt độ 9oC  10oC bơm đến hộ tiêu thụ sau ấm lên quay trở lại trao đổi nhiệt với muối Eutectic làm muối tan chảy Nhận xét: Nhiệt độ đông đặc muối cao, nên nhiệt độ chất tải lạnh cao chút Tuy nhiên kích thước bồn tích trữ nhỏ giải pháp khác Hình 11 Sơ đồ ngun lý tích trữ lạnh kiểu băng Q trình trữ lanh: Chất tải lạnh chiller làm lạnh xuống -6oC  -3oC bơm tuần hoàn qua bồn tích trữ Nước bên cầu đóng băng thực q trình tích trữ Nhiệt độ bay tác nhân lạnh giảm dần kết thúc q trình nạp Hình 12 Sơ đồ tích trữ muối eutectic NLN * 155 - 01/2021 * 23 Kết luận Qua việc phân tích tổng hợp giải pháp tích trữ lạnh cho ĐHKK rút kết luận sau: - Chỉ có hệ thống điều hịa làm lạnh nước (water chiller) thuận lợi cho việc trữ lạnh hệ thống khơng khí làm lạnh mơi chất trung gian nước, phù hợp để nhận lạnh trình xả lạnh từ bể tích trữ - Thời gian trữ xả lạnh: Thời gian trữ lạnh thích hợp từ 22h đến 4h ngày hơm sau thời gian thấp điểm, tiết trời mát mẻ nên điện tiêu thụ rẻ Thời gian xả lạnh thích hợp khoảng thời gian cao điểm (từ 9h30 đến 11h30 từ 17h đến 20h) - Về môi chất trữ lạnh: Trữ băng nước thích hợp giải pháp nay, bể tích trữ nhỏ gọn, giảm chi phí đầu tư - Đối với hệ thống nhỏ sử dụng sơ đồ trữ băng dạng tĩnh cấu tạo bể hệ thống đơn giản Trong sơ đồ nên chọn kiểu băng tan từ để kết cấu bể trữ lạnh gọn đóng băng tồn nước bể Các kiểu trữ băng khác thích hợp cho hệ thống lớn lớn Những phân tích đánh giá sở cho lựa chọn giải pháp hợp lý để triển khai ứng dụng thí điểm cho đơn vị địa bàn thành phố Đà Nẵng thời gian tới Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Thùy Vy - Nghiên cứu tiết kiệm lượng bồn trữ lạnh - Luận án thạc sĩ , 2011 Lê Thị Việt Hương - Nghiên cứu thiết kế thiết bị tích trữ lạnh cho hệ thống điều hịa khơng khí water chiller sân bay Đà Nẵng - Luận án thạc sĩ , 2014 Nguyễn Thế Bảo, Trương Hồng Anh - Nghiên cứu khả dùng cơng nghệ tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ống hệ thống điều hòa trung tâm Nguyễn Thế Bảo, Nghiên cứu thiết kế bồn tích trữ lạnh cho hệ thống lạnh xây dựng mơ hình thí nghiệm, Đề tài nghiên cứu cấp thành phố 2003-2004 Nguyễn Thế Bảo, Bồn trữ lạnh: Một giải pháp giảm chi phí đầu tư vận hành, Hội thảo : Sử dụng hiệu lượng bảo vệ môi trường, Đại Học Quốc Gia Sở Khoa Học Công Nghệ Môi Trường Thành phố Hồ Chí Minh 10/2003 Võ Chí Chính, Phạm Ngọc Cơng - Trữ lạnh để tiết kiệm chi phí điện cho hệ thống điều hịa cơng suất lớn - Hội thảo CLB trường Đại học kỹ thuật ANALYSIS AND SELECTION OF COLD STORAGE SOLUTIONS FOR AIR CONDITION SYSTEMS CAN APPLY IN VIETNAM Vo Chi Chinh - The University of Science and Technology - University of Da Nang (DUT) Duong Hoang Van Ban, Le An - Danang energy conservation and and technology consultant Center Email: vochichinhdhbk@gmail.com ABTRACT: Cold storage for air conditioning systems has been researched and applied in Vietnam and the world for a long time However, cold storage has not widely applied, despite its have many advantages and bring many economic benefits In this paper, we analyze the basic characteristics of cold storage systems for air-conditioning, including: The basic advantages of cold storage, which air conditioning system can apply this solution, reasonable time for col storage and cold discharge, what kind of solvent can use well, and analyze the advantages and disadvantages of the cold storage diagrams On that basis, we propose the most suitable solution that can be applied in Vietnam  ... việc phân tích tổng hợp giải pháp tích trữ lạnh cho ĐHKK rút kết luận sau: - Chỉ có hệ thống điều hòa làm lạnh nước (water chiller) thuận lợi cho việc trữ lạnh hệ thống khơng khí làm lạnh mơi... lý cho phép đầu tư không lớn máy ĐHKK không cần vận hành lúc cao điểm phí điện rẻ giải pháp mà nhà đầu tư lựa chọn Lựa chọn mơi chất trữ lạnh Hình Trữ lạnh tồn phần Là giải pháp mà hệ thống trữ. .. tiền Lựa chọn sơ đồ tích trữ lạnh Trong phần chúng tơi trình bày sơ đồ trữ lạnh băng muối eutectic để sở ta phân tích đánh giá lựa chọn sơ đồ thuận lợi sử dụng điều kiện Việt Nam 4.1 Tích trữ