TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG LÀM MÁT CHUỒNG TRẠI BẰNG NGUỒN NƯỚC NGẦM

110 Thái Ngọc Sơn TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG LÀM MÁT CHUỒNG TRẠI BẰNG NGUỒN NƯỚC NGẦM CALCULATING AND OPERATING THE COOLING SYSTEM OF FARMHOUSES USING UNDERGROUND WATER Thái Ng

110 Thái Ngọc Sơn

TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG LÀM MÁT CHUỒNG TRẠI

BẰNG NGUỒN NƯỚC NGẦM

CALCULATING AND OPERATING THE COOLING SYSTEM OF FARMHOUSES USING

UNDERGROUND WATER

Thái Ngọc Sơn

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; thaingocson@gmail.com

Tóm tắt - Nguồn nước ngầm tại miền Trung Việt Nam có trữ lượng

phong phú, nhiệt độ trong mùa hè lại thấp hơn nhiệt độ không khí

khá nhiều Để làm mát chuồng trại chăn nuôi gia cầm có rất nhiều

phương pháp như tưới nước, phun sương, sử dụng buồng phun,

thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn, thông gió qua tấm làm mát

(cooling pad), điều hòa không khí Bài báo đã phân tích, lựa chọn

một phương pháp làm mát hỗn hợp: vừa phun mưa để giảm lượng

nhiệt truyền vào chuồng do bức xạ mặt trời qua mái, vừa dùng tấm

làm mát cooling pad, sử dụng nước ngầm để thông gió và làm mát

không khí cho chuồng trại Bài báo trình bày các điểm cơ bản trong

tính toán thiết kế hệ thống làm mát nêu trên, kết quả triển khai ứng

dụng và phương pháp vận hành hệ thống

Abstract - The central region of Vietnam has abundant reserves of

underground water During summer, the water temperature is much lower than the ambient air temperature For cooling poultry farms, there are many popular methods such as watering, spraying, using spray chambers (air washer), surface heat exchangers, direct evaporative coolers, using the cooling pad, air conditioning systems and so on In this article, we analyze and select a complex cooling system which combines water spray method and direct evaporative coolers using cooling pads The former method is utilized to reduce the amount of heat entering the farmhouse due to solar radiation through the roof.Meanwhile, the latter one is applied to cool the air

by evaporating the underground water as it goes through the cooling pad This article presents the basics of calculating in designing a combined cooling system as mentioned above, the results of the application and the method of operating the whole the system

Từ khóa - không khí ẩm; phương pháp lặp; nước ngầm; làm mát

chuồng trại; tấm làm mát Key words - moist air; iterative methods; ground water; cooling animal sheds; cooling pad

1 Đặt vấn đề

Khí hậu Việt Nam chia làm hai mùa rõ rệt, đặc biệt là

tại miền Trung, “nắng lắm mưa nhiều” Bài toán đặt ra cho

các nhà chăn nuôi là làm sao để khống chế vi khí hậu trong

các trang trại chăn nuôi ở điều kiện tốt nhất có thể trong

khi vốn đầu tư còn nhỏ

Để làm mát chuồng trại chăn nuôi gia cầm có rất nhiều

phương pháp như: tưới nước, phun sương, sử dụng buồng

phun, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn, thông gió qua

tấm làm mát (cooling pad), điều hòa không khí Khảo

sát nguồn nước ngầm ở Quảng Nam, Đà Nẵng trong các

năm từ 2014 - 2017 cho thấy nhiệt độ khá ổn định, nằm

trong khoảng 24,5 - 25,5°C Với trữ lượng khá lớn, nguồn

nhiệt này có thể sử dụng để làm mát chuồng trại Bài báo

phân tích, lựa chọn một phương pháp thích hợp, trình bày

các điểm cơ bản trong tính toán thiết kế hệ thống làm mát

đó, nêu kết quả triển khai ứng dụng và phương pháp vận

hành hệ thống

2 Giải quyết vấn đề

Tính toán và triển khai hệ thống làm mát tại trang trại ở

Hòa Phú, Hòa Vang, Đà Nẵng có kích thước dài D = 70 m;

rộng R = 8,5 m; chiều cao của không gian cần làm mát là

H = 3 m Chuồng nuôi 6.000 con gà

2.1 Thông số khí hậu, tính toán nhiệt thừa, ẩm thừa

Xét điều kiện thời tiết tại Đà Nẵng [1], tháng nóng nhất

trong năm là tháng 7 với nhiệt độ không khí cao nhất trung

bình trong mùa hè là tN = 34,4°C Phân tích biến trình ngày

của nhiệt độ không khí và biến trình ngày của độ ẩm tương

đối trong tháng 7, nhận thấy khi nhiệt độ không khí lên cao,

độ ẩm tương đối của không khí xuống thấp, ví dụ trong

tháng 7 nhiệt độ không khí cao nhất lúc 12h là 33,4°C cũng chính là lúc độ ẩm tương đối của không khí thấp nhất 57% Việc làm mát cho chuồng trại thường được thực hiện trong các giờ nắng nóng cao điểm, do vậy ta chọn các thông số

để tính toán ứng với thời gian đó, tức là thông số ngoài trời: nhiệt độ tN = 34,4°C, độ ẩm tương đối N = 57%

Điều kiện vi khí hậu đối với chăn nuôi gia cầm, cụ thể

là gà, tối ưu là t = 18 - 24°C,  = 60 - 70% Điều kiện này chỉ có thể đáp ứng được khi sử dụng hệ thống điều hòa không khí với chi phí đầu tư ban đầu và cả chi phí vận hành (tiền điện) rất cao Trong điều kiện sản xuất của Việt Nam, theo [2], khi khảo sát chuồng nuôi gà đẻ, nhiệt độ trong chuồng có thể chấp nhận là trong khoảng 27 - 30°C, độ ẩm

82 - 90%, tốc độ gió 1,7 – 2 m/s Ở điều kiện này gà chưa thể hiện stress nhiệt Vậy ta chọn điều kiện trong chuồng như sau: nhiệt độ tT = 28,6°C; độ ẩm T = 89%

Nhiệt thừa được tính toán dựa trên tài liệu [3] Nhiệt do nguồn sáng nhân tạo Q1 = 0,90 kW

Nhiệt thừa của gia cầm tương đối khó tính toán do không có các số liệu nghiên cứu, ta tạm tính theo nhiệt thừa trung bình của người dựa trên tỷ lệ da người và gà, thu được

Q2 = 22,5 kW

Nhiệt do bức xạ mặt trời vào phòng qua kết cấu bao che (ở đây là qua mái khi không có các biện pháp giảm nhiệt bức xạ như phun mưa, phun sương ) Q3 = 33,4 kW Nhiệt truyền qua kết cấu bao che (tường, trần, nền đất)

Q4 = 8,9 kW

Vậy tổng nhiệt thừa là Q = 65,7 kW, trong đó nhiệt thừa

do bức xạ qua mái chiếm hơn một nửa

Lượng ẩm thừa do gà sinh ra được xác định gần đúng,

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018 111 bằng lượng nước cung cấp hàng ngày cho gà, được gà thải

qua phân và hô hấp: W = 0,029 kg/s

2.2 Lựa chọn phương án làm mát

Phương án sử dụng điều hòa không khí là tối ưu để điều

khiển nhiệt độ và độ ẩm không khí trong chuồng như các

nghiên cứu trên thế giới Tuy nhiên chi phí đầu tư rất cao,

chi phí vận hành cũng lớn nên chưa thích hợp với phần

nhiều trang trại tại miền Trung

Phương án dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn

không khả thi do độ chênh nhiệt độ của nước ngầm với

không khí trong chuồng thấp, nếu sử dụng loại thiết bị này

sẽ rất cồng kềnh, đòi hỏi một lượng nước ngầm rất lớn Mặt

khác, nước ngầm luôn có chứa nhiều tạp chất, khi bám vào

mặt trong của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ làm tăng nhiệt trở,

rất khó vệ sinh, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt

Phương pháp phun sương đòi hỏi nước tương đối sạch

để tránh làm nghẹt béc phun Mặt khác, khi phun sương trên

mái sẽ làm mát cả bầu không khí xung quanh gây lãng phí

Bên cạnh đó, nếu phun trực tiếp vào chuồng sẽ cần hệ thống

phân phối gió để ẩm không tập trung, dễ làm gia cầm dịch

bệnh Do vậy, phương pháp phun sương không thích hợp

Phương pháp cho nước chảy theo rãnh của mái tôn được

tính toán kỹ [4], đòi hỏi lưu lượng nước lớn Khi sử dụng

nước ngầm với nhiệt độ 25°C, lưu lượng 5,4 m3/h có thể

giảm khoảng 30% lượng nhiệt truyền qua mái

Để làm mát mái, ta có thể dùng phương pháp phun mưa

trên mái Phương pháp này giống như phun sương, nhưng

đường kính hạt lớn hơn, do đó tránh hiện tượng nghẹt béc

phun Thiết bị phun mưa đơn giản, năng lượng điện tiêu

hao ít hơn phun sương Khi sử dụng, nước ra khỏi tấm làm

mát có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ nhiệt kế ướt với lưu lượng

là 2,7 m3/h, lượng nhiệt xâm nhập qua mái sẽ là QT = 3,5

kW, giảm gần 90% lượng nhiệt truyền qua mái

Để giảm nhiệt độ không khí trong chuồng, ta có thể

dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp, cụ thể là buồng

phun (có hoặc không có lớp đệm) Tuy nhiên buồng phun

khá cồng kềnh, lượng nước tuần hoàn lớn nên hiện tại

phương pháp dùng tấm làm mát tương đối phổ biến

Tấm làm mát (cooling pad) có thể làm giảm nhiệt độ

xuống đến giới hạn chấp nhận được trong các ngày hè nóng

bức với độ ẩm phù hợp trong chăn nuôi Nước sau khi đi

qua tấm làm mát có nhiệt độ gần với nhiệt độ nhiệt kế ướt,

ta lấy nước đó phun mưa lên mái, theo như trên đã phân

tích, sẽ làm giảm đáng kể công suất nhiệt của hệ thống

Vậy ta sẽ sử dụng đồng thời hai phương pháp làm mát:

nước ngầm vào thời gian nắng nóng cao điểm sẽ được hút

và bơm qua hệ thống cooling pad; nước ra khỏi hệ thống sẽ

được trữ lại để tái tuần hoàn qua cooling pad hoặc phun

mưa làm mát mái

2.3 Tính toán hệ thống phun mưa

Nước tạo thành một màng mỏng bao phủ toàn bộ mái

tôn Tùy theo lưu lượng nước phun mà nhiệt độ của mái sẽ

giảm xuống

Bài toán: Cho không khí ngoài trời có nhiệt độ tN, độ

ẩm tương đối φN Không khí trong chuồng có nhiệt độ tT,

độ ẩm tương đối φT, nước phun mưa lên mái nhà có lưu

lượng Gn, nhiệt độ t'L Xác định lượng nhiệt truyền qua mái

vào chuồng QT, nhiệt độ đầu ra khỏi mái của nước t''L

Giải: Bài toán giải theo phương pháp lặp Trong quá

trình tính toán có sử dụng một số giả thiết sau:

- Toàn bộ mái được phủ một lớp nước có nhiệt độ tính toán là nhiệt độ trung bình của nước phun lên mái t'L và nước thu hồi sau khi làm mát mái t"L

- Nhiệt độ của bề mặt ngoài của mái xem như bằng nhiệt

độ của nước

- Nhiệt lượng bức xạ mặt trời do mái hấp thụ xem như truyền toàn bộ cho nước do hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài của mái vào màng nước khá lớn

- Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt khối giữa nước từ vòi phun đến khi tạo thành lớp màng trên bề mặt mái Trong thực tế, quá trình này sẽ làm giảm bớt lưu lượng nước chảy trên mái và thay đổi trạng thái không khí gần bề mặt mái

Hình 1 Tính cân bằng nhiệt cho nước phủ trên mái

Nước phun mưa là nước đã đi qua cooling pad, khi đó nước sẽ có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ nhiệt kế ướt

Bảng 1 Tính nhiệt hệ thống phun mưa

Diễn giải Ký hiệu/Công thức Kết quả

Lưu lượng nước phun (kg/s) Gn 0,75 Nhiệt độ nước phun ra mái bằng

nhiệt độ nước ra khỏi cooling pad (°C)

t'L 26,9 Nhiệt độ nước ra khỏi mái (chọn) t''L 34,6 Nhiệt trở tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài

của mái vào nước (m2K/W) R 0,002 Nhiệt trở dẫn nhiệt mái (m2K/W) Rm = δm/λm 0,033 Nhiệt trở của không khí (m2K/W) Rkk 0,172 Nhiệt trở dẫn nhiệt trần (m2K/W) Rt = δt/λt 0,067 Nhiệt trở tỏa nhiệt bên trong của

kết cấu bao che (m2K/W) RαT = 1/αT 0,086 Tổng nhiệt trở R (m2K/W) R = Rαn+ Rm+

Rkk+ Rt+ RαT 0,360

Diện tích mái (m2) Fm 595 Nhiệt truyền từ trong chuồng vào

nước (kW) QT=Fm(tT-tL)/R -3,5

Hệ số hấp thụ của mái εS 0,61 Nhiệt bức xạ đối với mặt ngang

(kW/m2) E 0,777 Nhiệt lượng bức xạ từ mặt trời

vào mái (kW) Qε = FmεSE 282,0 Lượng nhiệt truyền từ không khí

ngoài trời vào nước (kW) QN = FtmL.α) N.(tN- 50,5 Diện tích bề mặt bay hơi (m2) Fbh = (L+Hs)Lm 856 Tốc độ gió trung bình (m/s) ωtb 1,78

112 Thái Ngọc Sơn

Hệ số bay hơi (kg/(s.m2.Pa)) [6] 5ωc=(17,17+13,0tb).10-5/3600

1,12 E-07

Áp suất hơi nước bão hòa theo

nhiệt độ của nước (Pa) ps 4 398

Áp suất hơi nước bão hòa theo nhiệt

độ của không khí ngoài trời (Pa) ps_N 5 399

Áp suất riêng phần của hơi nước

trong không khí ngoài trời (Pa) ph = ps_N.φN 3 078

Lượng nước bay hơi trên toàn bộ

bề mặt mái (kg/s) [6] W = Fbhc(ps-рh) 0,127

Lượng nhiệt chuyển pha cần để

bay hơi nước (kW) Qbh = W.r 307,9

Tồng lượng nhiệt cung cấp cho

nước (kW) Q = Qε+QT+QN 328,9

Biến thiên enthalpy của nước

(kW) ΔI = Q-Qbh 21,1

Nhiệt độ đầu ra của nước (tính)

(°C)

t"L_Tính= t'L+ΔI/

[(Gn-W).cp] 35,0 Sai số nhiệt độ đầu ra εt=abs(t"L

-t"L_Tính)/t"L_Tính 1,3%

Việc phun nước trên mái nhà chủ yếu để giảm lượng

nhiệt bức xạ mặt trời và lượng nhiệt truyền từ không khí

ngoài trời qua mái vào chuồng Khi phun nước có lưu

lượng lớn hơn, nhiệt độ trung bình của nước sẽ giảm, đến

thời điểm nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiệt độ của không

khí trong chuồng, khi đó nhiệt sẽ truyền từ trong chuồng ra

nước Tuy nhiên, nhiệt trở truyền nhiệt từ trong chuồng lên

mái rất lớn, để làm mát không khí trong chuồng hoàn toàn

không có lợi

2.4 Tính toán hệ thống cooling pad

a Tính chọn quạt

Không khí lưu thông qua chuồng trong những ngày hè

có 2 mục đích: cung cấp lượng không khí tươi tối thiểu cần

thiết và duy trì tốc độ gió cần thiết để thải nhiệt cho gia cầm

Lượng không khí tươi tối thiểu Gmin [5]:

Gmin = GN.n.ρ/60 = 32,8 kg/s

Trong đó, năng suất chuồng trại n = 6.000 con; khối lượng

trung bình mỗi con gà m = 2 kg/con; định lượng không khí

tươi cho 1 kg gà GN = 5 CFM (cube feet per min; 1 cubic

feet=28,3 lít); khối lượng riêng của không khí tại 30°C là

ρ = 1,16 kg/m3

Để làm mát trong mùa hè, không khí trong chuồng cần

lưu chuyển tối thiểu với tốc độ 2 – 3 m/s Ứng với tốc độ 2

m/s cần lưu lượng Gmax = ρ.ω.F = 59,2 kg/s Chọn quạt hút

Kolowa SLR54-3DS với lưu lượng gió: 24.000 CFM, hiệu

suất 0,8, ta tính được cần dùng 4 quạt để duy trì lưu lượng

không khí tươi tối thiểu cho gà và cần thêm 4 quạt để duy

trì tốc độ không khí trong chuồng trong các ngày hè nóng

bức là 2,4 m/s

b Tính chọn cooling pad

Bài toán: Cho không khí và nước trao đổi nhiệt – khối

khi đi qua tấm cooling pad Biết không khí có lưu lượng

vào thiết bị là 62,7 kg/s; nhiệt độ là tN = 34,4°C, φN = 57%

Nước ngầm vào thiết bị có nhiệt độ t'n = 25°C Xác định

nhiệt độ của không khí ẩm ra khỏi thiết bị và ra khỏi chuồng

gà có nhiệt thừa, ẩm thừa đã tính trong mục 2.1, lưu lượng

nước để không khí ẩm ra khỏi thiết bị có độ ẩm 85 - 90%;

số tấm làm mát cần thiết

Giải: Khi cho nước có nhiệt độ bằng nhiệt độ nhiệt kế

ướt chảy qua cooling pad, không khí ẩm biến đổi trạng thái theo đường đẳng enthalpy, từ nhiệt độ ban đầu t'k = tN đến nhiệt độ ra khỏi cooling pad t"k_u, quá trình diễn ra theo đường AB Sau đó không khí ẩm tại trạng thái B được thổi vào chuồng, nhận nhiệt thừa và ẩm thừa, biến đổi đến trạng thái điểm E

Khi nước ngầm có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt vào cooling pad, không khí sẽ cung cấp thêm một lượng enthalpy ΔIn để làm tăng nhiệt độ nước đến nhiệt độ nhiệt kế ướt, quá trình diễn ra theo đường AC (Hình 2) Không khí ẩm sau đó được thổi vào chuồng, cũng nhận nhiệt thừa và ẩm thừa, biến đổi đến trạng thái F

Hình 2 Quá trình trao đổi nhiệt - khối của không khí ẩm khi

qua cooling pad

Vậy E và F tương ứng với trạng thái không khí ẩm trong chuồng khi nước tưới cooling pad là nước tuần hoàn trong

hệ thống cooling pad (có nhiệt độ của nhiệt kế ướt) và nước ngầm Với cùng nhiệt thừa, ẩm thừa, trạng thái E có nhiệt

độ cao hơn nhưng độ ẩm tương đối thấp hơn; trạng thái F

có nhiệt độ thấp hơn nhưng độ ẩm tương đối cao hơn Đây

là vấn đề cần lưu ý khi vận hành hệ thống

Chọn tấm cooling pad Celdek 7090-15 với kích thước H×W×D = 1800 x 600 x 100 mm Nhiệt độ không khí ẩm

ra khỏi cooling pad phụ thuộc vào tốc độ của không khí và

bề dày của cooling pad Số lượng tấm cooling pad phụ thuộc vào lưu lượng và tốc độ không khí cần làm mát Khi nước vào cooling pad với nhiệt độ nhiệt kế ướt, nhiệt độ không khí qua tấm cooling pad 7090-15 được tính theo công thức thực nghiệm sau [7]:

tk_u” = tk’ – η.(tk’-tư) trong đó, η là hiệu suất làm mát

Để có được độ ẩm cần thiết và tấm làm mát hoạt động tối ưu, cần cung cấp lượng nước cD nhất định cho 1 m2 bề mặt trên cùng của tấm làm mát Lượng nước GD cung cấp cho toàn bộ chiều dài được tính như sau:

GD = cD LD Trong đó, L = nW: Tổng chiều dài các tấm cooling pad (m); D: Bề dày tấm cooling pad (m)

Các giá trị η và cD xác định từ catalogue của cooling pad Celdek 7090-15 [7]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018 113

Bảng 2 Tính nhiệt hệ thống cooling pad

Diễn giải Ký hiệu/Công thức quả Kết

BÀI TOÁN

Không khí vào cooling pad

Lưu lượng khối lượng

không khí (kg/s) G0 62,7

Lưu lượng khối lượng

KKK (kg/s) Gk 61,5

Nhiệt độ (°C) t'k = tN 34,4

Độ ẩm tương đối φ'k= φN 0,57

Không khí ra khỏi chuồng

Độ ẩm yêu cầu φT

0,85-0,9

Nước

Nhiệt độ nước vào (°C) tn' 25

GIẢI

Khối lượng riêng trung bình

của không khí khô (kg/m3) ρ 1,15

Lưu lượng thể tích KKK, (m3/s) Vk = Gk/ρ 53,5

Chọn tốc độ gió vào các

tấm cooling pad (m/s) ωc 2,5

Tổng diện tích các tấm

cooling pad (m2) F = Vk/ωc 21,4

Số lượng tấm cooling pad ncp=F/(W.H) 19,8

Chọn số tấm cooling pad n 20

Kiểm tra lại tốc độ gió vào

các tấm cooling pad (m/s) ω=Vk/(n.W.H) 2,48

Nhiệt độ nhiệt kế ướt tư 26,9

Hiệu suất làm mát η 0,67

Nhiệt độ không khí ra

cooling pad (°C) tk_u” = tk’ – η.(tk’-tư) 29,4

Ẩm dung không khí ra

cooling pad (kg/kgKKK) dk” = f(tk_u”, i'k) 0,021

8 Lượng nước bay hơi (kg/s) E = Gk(dk"-dk') 0,125

Lượng nước xả bỏ (kg/s) B = CbE = 0,2E 0,025

Lượng nước cần bổ sung

khí bơm tuần hoàn (kg/s) F = E+B 0,150

Định lượng tưới (kg/(s.m2)) cD 1,0

Tổng chiều dài các tấm

cooling pad (m) L = nW 12,00

Lượng nước cung cấp GD

cho toàn bộ chiều dài (kg/s) GD = cD LD 1,20

Lưu lượng nước qua toàn

bộ cooling pad (kg/s) Glt = GD+B 1,23

Lưu lượng nước bơm qua

toàn bộ cooling pad (kg/s)

(theo bơm chọn thực tế) Gn 1,50

Biến thiên enthalpy của

nước (kW) ΔIn = GnCpn(tư -tn') 12,23

Enthalpy của không khí

giảm (kJ/kgKKK) Δik = ΔIn/Gk 0,199

Enthalpy thực tế của không

khí khi ra khỏi cooling pad

(kJ/kgKKK)

ik" = ik'-Δik 84,9 Nhiệt độ thực tế của không

khí ra khỏi cooling pad (°C) tk" = f(dk”, ik") 29,2

Độ ẩm tương đối thực tế của

không khí ra khỏi cooling pad φk" = f(dk”, tk") 0,84

Nhiệt thừa khi sử dụng phương pháp phun mưa với lưu lượng nước 0,75 kg/s (kW) Q = Qp-QT 35,85 Enthalpy không khí mang

vào chuồng (kW) IT' = Gkik" 5222 Enthalpy không khí mang ra

khỏi chuồng (kW) IT'' = Q+IT' 5257

Ẩm thừa do gà tỏa ra (kg/s) W=nmamc/(24*3600) 0,029

Không khí ra khỏi chuồng cũng là không khí trong chuồng

Enthalpy riêng (kJ/kg) iT = iT"=iT"/Gk 85,51 Dung ẩm (g, kg/kgKKK) dT = dk"+W1/Gk 0,022 Nhiệt độ (°C) tT = f(iT,dT) 28,6

Độ ẩm tương đối φT = f(tT,dT) 0,89

2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát

Nước được bơm 3 với lưu lượng Gn_c hút từ giếng ngầm

1 lên phân phối vào các tấm cooling pad 5 dựng ở 1 đầu của chuồng gia cầm Ở đầu kia của chuồng gia cầm đặt quạt hút 7 với lưu lượng Gk tạo áp suất âm trong chuồng, không khí ngoài trời với nhiệt độ tN, độ ẩm tương đối φN đi qua các tấm cooling pad 5 trao đổi nhiệt - khối với nước, hòa trộn với không khí trong chuồng đạt đến trạng thái nhiệt độ

tT, độ ẩm tương đối φT Nước sau khi đi qua cooling pad hồi về bể chứa 2 qua đường số 10

Nước từ bể chứa 2 theo đường ống số 11 được bơm 4 với lưu lượng Gn_m hút lên và qua hệ thống ống 6 phun mưa trên mái Nước gom từ mái về ống góp 8 rồi đưa về bể chứa

9 để dùng cho các nhu cầu vệ sinh chuồng trại, trồng trọt Khi nhiệt độ ngoài trời không quá cao ta có thể chỉ cần

sử dụng nước từ bể chứa 2 tuần hoàn để làm mát

2.6 Vận hành hệ thống

Kết quả vận hành và đo đạc trong một số ngày mùa hè năm 2017 được thể hiện trong Bảng 3, trong đó có các ký hiệu viết tắt về phương pháp vận hành hệ thống như sau:

- PM: Sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua cooling pad để phun mưa trên mái nhà;

- NN: Sử dụng nước ngầm để cung cấp cho hệ thống cooling pad; sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua cooling pad để phun mưa trên mái nhà;

- CL: Sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua cooling pad để cung cấp cho hệ thống cooling pad (tuần hoàn kín); sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua cooling pad để phun mưa trên mái nhà

114 Thái Ngọc Sơn

Bảng 3 Số liệu khảo sát thực tế làm mát chuồng trại hè 2017

Thông số Ngày Giờ 7 16/06/2017 9 11

Nhiệt độ không khí ngoài trời (°C) tN 31,7 34,5 37

Độ ẩm không khí ngoài trời φN 0,76 0,55 0,49

Số tấm cooling pad ướt n 20 20

Nhiệt độ nước vào cooling

pad (°C) tn' 27,3 25

Phương pháp PP PM CL NN

Nhiệt độ trong chuồng (°C) tT 30,1 30 29,8

Độ ẩm trong chuồng φT 0,8 0,82 0,82

Nhiệt độ nước phun (°C) t'L 27 27,3 27,2

Độ chênh nhiệt độ ngoài trời -

trong chuồng tN-tT 1,6 4,5 7,2

Ngày 10/07/17 01/08/17

Giờ 12 13 14 13 14 15 16

tN 33,8 34,6 35,2 38 36,1 38,1 35,7

φN 0,63 0,65 0,54 0,46 0,52 0,54 0,54

n 20 10 20 20 20 20 20

tn' 27,5 25 24,8 24,7 27,6 24,7 28

PP CL NN NN NN CL NN CL

tT 29,7 29,9 29,1 30,6 30,4 30,6 30,6

φT 0,85 0,89 0,85 0,82 0,79 0,88 0,82

t'L 27,5 27,9 27,5 27,8 27,6 28,2 28

tN-tT 4,1 4,7 6,1 7,4 5,7 7,5 5,1

Để dự đoán nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng khi sử dụng hệ

thống làm mát, tác giả xây dựng một phần mềm tính toán

trong Excel Đầu vào là các số liệu cập nhật thực tế như ngày,

giờ, nhiệt độ và độ ẩm tương đối ngoài trời (trong bóng râm);

nhiệt độ nước ngầm hoặc nước trong bể chứa nước tuần hoàn

từ cooling pad; số lượng cooling pad cho nước đi qua Phần

mềm sẽ tính toán nhiệt thừa, ẩm thừa, chế độ phun mưa và

vận hành cooling pad theo các công thức tính đã đề cập trong

phần 2 ở trên Trong một số bài toán, cần sử dụng phương

pháp lặp để đạt đến sai số cho phép, tácgiar đã dùng VBA

(Visual Basic for Applications) để lập trình, kết hợp với các

mô-đun phần mềm tính toán thông số nhiệt động của nước,

hơi nước, thông số nhiệt động của không khí khô, không khí

ẩm và tính bức xạ mặt trời Kết quả tính toán của phần mềm

là nhiệt độ và độ ẩm trong chuồng Kiểm tra so sánh kết quả

vận hành thực tế với kết quả tính toán của phần mềm, thấy

rằng sai số nằm trong khoảng 3 - 15% Nguyên nhân là do

các thiết bị đo đều có sai số khá lớn; phương pháp đo thô sơ

và biến động điều kiện thời tiết theo thời gian Tuy nhiên

phần mềm cho thấy có thể dự kiến trước kết quả để vận hành

hệ thống tốt hơn

2.7 Đánh giá về hiệu quả làm mát

Làm mát trong ngày hè được thực hiện bằng cách kết

hợp 3 biện pháp: phun mưa, tưới nước ngầm qua cooling

pad và tưới nước tuần hoàn qua cooling pad Việc kết hợp

giữa các biện pháp nhằm làm giảm lưu lượng khai thác

nước ngầm, giãn thời gian khai thác nước ngầm nhằm phục

hồi lưu lượng nước ngầm tự nhiên Tổng hợp số liệu 15

ngày khảo sát rải rác trong hè năm 2017 được thể hiện tại

Bảng 4 Cột “Nhỏ nhất trung bình” thể hiện trung bình các

giá trị (nhiệt độ, độ ẩm ) nhỏ nhất trong 15 ngày khảo sát

Cột “Trung bình” thể hiện trung bình các giá trị (nhiệt độ,

độ ẩm ) trong 15 ngày khảo sát Cột “Lớn nhất trung bình” thể hiện trung bình các giá trị (nhiệt độ, độ ẩm ) lớn nhất trong 15 ngày khảo sát

Bảng 4 Tổng hợp số liệu thực tế làm mát trại gà hè 2017

Thông số trung bình Nhỏ nhất Trung bình trung bình Lớn nhất

Nhiệt độ không khí ngoài trời (°C) 30,5 34,1 37,0

Độ ẩm không khí ngoài trời 0,49 0,60 0,74 Nhiệt độ trong chuồng (°C) 28,4 29,7 30,7

Độ ẩm trong chuồng 0,76 0,84 0,89

Độ chênh nhiệt độ ngoài trời - trong chuồng (°C) 1,2 4,6 6,9

3 Kết luận

Bài báo đã đưa ra cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống làm mát chuồng trại kết hợp giữa phun mưa làm mát mái và sử dụng các tấm làm mát công nghiệp (cooling pad) với nguồn nước ngầm

Tác giả đã tính toán ứng dụng cụ thể và triển khai hệ thống làm mát cho 1 trang trại gà Kết quả cho thấy hệ thống làm mát đã thiết kế có khả năng giảm nhiệt độ tối đa trung bình đến 6,9°C, ứng với các giờ cao điểm của nắng nóng Trung bình trong các ngày nóng có thể giảm đến 4,6°C, tạo nhiệt độ trung bình trong chuồng là 29,7°C với

độ ẩm tối đa trung bình dưới 90%, nằm trong ngưỡng gà

có thể chịu đựng trong điều kiện Việt Nam

Tác giả đã xây dựng được phần mềm dự báo nhiệt độ,

độ ẩm của chuồng trại khi vận hành hệ thống Kiểm tra so sánh kết quả vận hành thực tế với phần mềm cho thấy sai

số nằm trong khoảng 5 - 15%, có thể chấp nhận được trong thực tế sản xuất

Hệ thống làm mát sử dụng nước ngầm tưới qua các tấm cooling pad kết hợp với phun mưa có vốn đầu tư thấp, hiệu quả giải nhiệt nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được

Hệ thống có thể vận hành hiệu quả theo dự báo nhiệt độ,

độ ẩm chuồng trại của phần mềm tính toán

[1] Bộ Xây dựng Việt Nam, QCVN 02:2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng, Hà Nội, 2009

[2] Nguyễn Nhựt Xuân Dung, Lưu Hữu Mãnh, Lê Thanh Phương,

“Khảo sát chất lượng không khí và vị trí chuồng nuôi lên năng suất

sinh sản của gà đẻ trứng giống hisex brown”, Tạp̣ chı́ Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Số chuyên đề Nông nghiệp (2), 2016,

trang 83-90

[3] Võ Chí Chính, Giáo trình Điều hòa không khí, NXB Khoa học và

Kỹ thuật, Hà Nội, 2005

[4] Thai Ngoc Son, Vo Chi Chinh, Pham Quoc Thang, “Solving the Problem of Heat Transfer of Cooling Shed for Animals”,

Proceedings - 2017 International Conference on System Science

632-635, 2017 DOI: 10.1109/ICSSE.2017.8030952

http://ksp.com.vn/cho-an-tu-dong/he-thong-lanh-trong-chan-nuoi/121/ [truy cập 09/08/2017]

https://studopedia.ru/8_163496_uravnenie-massootdachi.html [truy cập 09/08/2017]

[7] Munters, Evaporative Cooling with CELdek, Technical Manual. (BBT nhận bài: 5/5/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/5/2018)