Hệ thống nước nóng trung tâm đang là xu thế mới trong thiết kế các công trình cao tầng đặc biệt là chung cư phân khúc cao cấp, trung tâm an dưỡng, khách sạn… Các đối tượng dùng nước lớn,
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, sự phát triển kinh tế xã hội đã làm gia tăng nhu cầu về tiện nghi sinh hoạt, trong đó nước nóng cho sinh hoạt trở thành một yếu tố thiết yếu Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều công trình đã đầu tư vào hệ thống cấp nước nóng nhằm nâng cao giá trị sử dụng và sự hài lòng của người dùng Các hệ thống cấp nước nóng hiện nay ứng dụng nhiều công nghệ mới, mỗi công nghệ đều có những ưu điểm riêng, nhưng cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật trong thiết kế, quản lý và vận hành Mặc dù nước nóng là một tiện ích quan trọng, nhưng năng lượng cần thiết để vận hành hệ thống này là một yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng khi quyết định đầu tư, vì khoảng 15%-40% năng lượng tiêu thụ cho sinh hoạt được sử dụng để sản xuất nước nóng.
Hệ thống cấp nước nóng tập trung đang được áp dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm kỹ thuật và lợi ích mà nó mang lại Hệ thống này cho phép điều khiển dễ dàng và giúp ổn định hệ thống điện sinh hoạt, vì không có các thiết bị gia nhiệt công suất cao trong mạng lưới điện của từng đơn nguyên hoặc căn hộ.
Hệ thống gia nhiệt nước trung tâm với lưu lượng lớn và nhiệt độ ổn định đang trở thành xu thế trong thiết kế các công trình cao tầng, đặc biệt là chung cư cao cấp, trung tâm an dưỡng và khách sạn Các đối tượng sử dụng nước lớn yêu cầu thiết kế duy trì nhiệt độ và lưu lượng ổn định, tuy nhiên, việc đầu tư vào hệ thống này gặp nhiều rào cản về chi phí ban đầu và chi phí vận hành Hệ thống gia nhiệt công suất lớn tiêu thụ năng lượng cao, và hệ số hoạt động không đồng đều trong giờ sử dụng nước làm tăng chi phí đầu tư Do đó, tiết kiệm năng lượng cần được xem xét từ giai đoạn thiết kế đến quản lý vận hành Hiện nay, các giải pháp thiết kế phải nâng cao "giá trị mềm" của công trình, đáp ứng yêu cầu về tiết kiệm năng lượng và thiết kế xanh như tiêu chuẩn Leed và chương trình Energy.
Các tiêu chuẩn 2 sao nâng cao giá trị hấp dẫn của công trình đối với người dùng tiềm năng Việt Nam cũng có quy định về sử dụng hiệu quả năng lượng trong công trình thông qua QCVN 09:2017/BXD, với các thông số rõ ràng nhằm đảm bảo định mức sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên Yêu cầu này đặt ra thách thức cho đội ngũ thiết kế trong việc cân bằng giữa giải pháp kỹ thuật, chi phí và thẩm mỹ cho công trình.
Năng lượng mặt trời đang trở thành nguồn năng lượng thay thế quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng và chống biến đổi khí hậu Hệ thống nước nóng trung tâm sử dụng năng lượng mặt trời được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam nhờ vào điều kiện khí hậu nhiệt đới và bức xạ mặt trời cao Số giờ nắng hàng năm ở miền Bắc dao động từ 1500-1700 giờ, trong khi miền Trung và miền Nam có thể đạt từ 2000-2600 giờ Tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình ở miền Trung và miền Nam khoảng 5kW/h/m²/ngày, và ở miền Bắc là khoảng 4kW/h/m²/ngày, cho thấy tiềm năng lớn của nguồn tài nguyên này tại Việt Nam.
Hệ thống nước nóng trung tâm, đặc biệt là hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời, mang lại nhiều lợi ích về năng lượng Tuy nhiên, hệ thống này tiêu hao một lượng lớn năng lượng cho gia nhiệt và gặp phải vấn đề thất thoát nhiệt Chi phí đầu tư ban đầu cho cả hệ thống gia nhiệt và mạng lưới cấp nước nóng cũng rất cao, trở thành rào cản trong việc ứng dụng hệ thống này Do đó, cần thiết phải thực hiện nghiên cứu tổng quan về hệ thống nước nóng, các sơ đồ cấp nước, phương pháp gia nhiệt, phạm vi ứng dụng và chi phí năng lượng tiêu thụ, từ đó đưa ra các đề xuất thiết kế nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho từng hệ thống.
Đề tài “Nghiên cứu hiệu quả và đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước nóng bên trong công trình” được hình thành từ thực tiễn với mục tiêu đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả Nghiên cứu này nhằm giải quyết các vấn đề trong hệ thống cấp nước nóng và thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực cấp nước bên trong công trình.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• Phân tích đặc điểm kỹ thuật và phạm vi ứng dụng các hệ thống nước nóng đang được sử dụng:
- Thiết bị nước nóng cục bộ
- Hệ thống nước nóng gia nhiệt bằng bơm nhiệt
- Hệ thống nước nóng gia nhiệt bằng Solar kết hợp Heatpump
- Hệ thống nước nóng gia nhiệt bằng điện trở
• Phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống nước nóng cho công trình
• So sánh hiệu quả sử dụng năng lượng của các công nghệ gia nhiệt nước nóng và đề xuất giải pháp
• Đề xuất các phương án thiết kế, quản lý và vận hành để tiết kiệm năng lượng.
Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về các hệ thống gia nhiệt nước nóng và đặc điểm mạng lưới cấp nước nóng, tình hình nghiên cứu lĩnh vực này hiện nay
Bài viết này sẽ thực hiện tính toán và so sánh các phương án gia nhiệt nước nóng cho một công trình cụ thể, đồng thời phân tích mức tiêu thụ năng lượng của từng phương án Qua đó, chúng tôi sẽ đưa ra đánh giá và xác định phương án tối ưu nhất cho việc gia nhiệt nước nóng.
- Dựa theo các nghiên cứu sẵn có đưa ra các phương án đề xuất tiết kiệm năng lượng.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích thống kê và thu thập số liệu bao gồm việc tổng hợp và phân tích tài liệu liên quan đến hệ thống nước nóng tại Việt Nam và trên thế giới, cũng như các phương pháp gia nhiệt nước nóng Bên cạnh đó, các catalogue thiết bị như hệ thống bơm nhiệt, tấm thu solar heating và bơm nước cũng được xem xét Qua đó, việc tổng hợp, phân tích và điều tra theo yêu cầu sẽ cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết để tính toán và so sánh hiệu quả năng lượng.
Phương pháp kế thừa bao gồm việc chọn lọc các kết quả nghiên cứu và tài liệu liên quan đến hệ thống gia nhiệt và cấp nước nóng Đồng thời, nó cũng tích hợp thông tin kỹ thuật từ các nhà cung cấp thiết bị hệ thống nước nóng.
Phương pháp tính toán được thực hiện dựa trên các điều kiện hiện có và lý thuyết, kết hợp với tài liệu kỹ thuật của các sản phẩm thực tế Qua đó, quá trình định lượng giúp đưa ra kết quả so sánh giữa các phương án khác nhau.
Phương pháp biểu đồ sử dụng các số liệu tổng hợp để tạo ra các biểu đồ trực quan, giúp người xem dễ dàng nhận xét và đưa ra ý kiến cụ thể Các biểu đồ này không chỉ thể hiện thông tin một cách hiệu quả mà còn hỗ trợ trong việc diễn tả các dữ liệu một cách sinh động.
Phương pháp chuyên gia bao gồm việc tham khảo ý kiến từ giáo viên hướng dẫn, các đơn vị tư vấn thiết kế hệ thống cấp thoát nước trong công trình, cũng như các nhà cung cấp sản phẩm gia nhiệt cho nước nóng nhằm hoàn thiện đề tài.
TỔNG QUAN
Tổng quan về hệ thống cấp nước nóng
Nước nóng đáp ứng nhu cầu rửa, tắm, và chuẩn bị thực phẩm với nhiệt độ từ 50-60 °C, trong khi nhiệt độ sử dụng lý tưởng sau khi hòa trộn là 40-45 °C Hệ thống nước nóng thường được chia thành hai thành phần chính.
- Bộ phận gia nhiệt có thể tích hợp trữ nước
- Hệ thống đường ống dẫn và thiết bị sử dụng
Do tính chất nhiệt độ cao của dòng nước, việc lựa chọn ống dẫn và các phương pháp chống tổn thất nhiệt trở nên quan trọng Ngoài các ống dẫn chuyên biệt, hệ thống thiết bị vệ sinh và thiết bị tiêu thụ nước cũng cần có những đặc thù riêng để đảm bảo điểm sử dụng và hòa trộn nước đạt nhiệt độ phù hợp trước khi sử dụng.
Dựa theo quy mô của hệ thống người ta thường chia hệ thống cấp nước thành 2 loại như sau:
Thiết bị gia nhiệt cục bộ có cấu tạo đơn giản, bao gồm thiết bị gia nhiệt và đường ống ngắn, tận dụng áp lực của dòng nước lạnh đến điểm sử dụng Với công suất giới hạn, thiết bị này phục vụ nhu cầu hộ gia đình, thường có thể tích lưu trữ dưới 100 lít hoặc sử dụng điện trở gia nhiệt trực tiếp Các thiết bị này sử dụng điện trở để gia nhiệt và được trang bị cơ chế cách ly chống rò điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Hệ thống cấp nước nóng tập trung (Centralized Heating) có công suất lớn, phục vụ nhu cầu nước nóng cho các công trình quy mô lớn như chung cư, viện an dưỡng, bệnh viện và khách sạn Hệ thống này sử dụng các phương pháp gia nhiệt đa dạng và lưu trữ nhiệt để duy trì nhiệt độ nước và giảm thiểu thất thoát nhiệt Mạng lưới đường ống cấp nước có thể tích hợp trạm tăng áp để đảm bảo nước được truyền tải hiệu quả đến các điểm sử dụng.
Có thể kết hợp hệ thống hồi nước nguội bằng bơm và van tuần hoàn để duy trì nhiệt độ nước cấp ổn định đến nơi sử dụng.
1.1.1 Công nghệ gia nhiệt nước nóng
Việc đun nước nóng là nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày của con người từ xa xưa, khi mà than củi được sử dụng chủ yếu để phục vụ cho việc này trong quy mô nhỏ.
Giữa năm 298 AD và 306 AD, người La Mã đã phát triển các bồn tắm lớn với nước nóng, không chỉ sử dụng những bình đun nước nóng riêng lẻ mà còn áp dụng các bếp đun lớn, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc làm nóng nước quy mô lớn.
Vào năm 1868, họa sĩ người Anh Benjamin Waddy Maughan đã được cấp bằng sáng chế cho máy nước nóng tức thời đầu tiên, mang tên Gas Gyser Mặc dù đây là thiết bị đầu tiên có khả năng làm nóng nước trước khi vào bồn tắm, nhưng nó lại thiếu lỗ thông hơi, gây ra nguy hiểm khi sử dụng.
Hình 1.1 Nhà tắm có nước nóng tại La Mã
Vào năm 1889, Edmund Rudd đã cải tiến thiết kế máy nước nóng bằng cách thêm van an toàn theo ý tưởng của Waddy Maughn, đồng thời sử dụng điện làm nguồn năng lượng, tạo ra máy nước nóng và thiết bị nước nóng với nguyên lý quen thuộc như hiện nay.
Vào năm 1891, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời thương mại đầu tiên được giới thiệu và bán rộng rãi tại California, Hoa Kỳ Thiết bị này bao gồm một bồn chứa nước được sơn màu đen nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ bức xạ nhiệt để làm nóng nước.
Năm 1929 – Máy nước nóng không bồn chứa sử dụng điện có nguyên lý tương tự máy nước nóng trực tiếp ngày nay được Stiebel-Eltron phát minh
Vào giữa thế kỷ XVIII, các nhà khoa học đã tiến hành những nghiên cứu đầu tiên về công nghệ nhiệt lạnh, chứng minh khả năng làm lạnh cưỡng bức bằng phương pháp nhân tạo thông qua quá trình bay hơi của các chất lỏng như rượu hoặc ete, giúp giảm nhiệt độ của vật thể xuống dưới điểm đóng băng của nước Đến năm 1852, Lord Kelvin đã giới thiệu các khái niệm cơ bản về máy bơm nhiệt, áp dụng nguyên lý tương tự để giữ ấm cho môi trường không khí.
Hình 1.2 Máy nước nóng của Waddy Maughan
Vào năm 1855-1857, Peter von Rittinger đã nghiên cứu và chế tạo bơm nhiệt đầu tiên, sử dụng nguồn nhiệt từ hơi nước cấp từ một lò hơi để sấy muối, đánh dấu bước khởi đầu quan trọng cho sự phát triển của công nghệ bơm nhiệt sau này.
Vào năm 1945, John Summer đã phát minh ra máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt từ nước (water source heat pump) để sưởi ấm cho một công trình thực tế, với hiệu suất COP ước đạt 3.42 Mặc dù có hiệu quả cao, nhưng do giá nhiên liệu hóa thạch lúc bấy giờ còn rất rẻ, mô hình này chưa được nhân rộng Tuy nhiên, đây là bước đầu tiên trong việc áp dụng hệ thống bơm nhiệt vào các công trình.
Vào năm 1950, John Sumner đã phát minh ra máy bơm nhiệt sử dụng nguồn địa nhiệt đầu tiên, với hệ thống ống đồng được chôn sâu 1 mét xung quanh ngôi nhà của ông và được bao quanh bởi chất chống đông.
Vào những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu mỏ đã gây ra mối đe dọa lớn đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch cho hệ thống sưởi Sự kiện này đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống bơm nhiệt (heatpump), và qua thời gian, công nghệ này đã được hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm cho các quốc gia có khí hậu lạnh, cũng như cung cấp nước nóng cho các công trình.
Các nghiên cứu về hệ thống nước nóng trên thế giới
Vấn đề sử dụng năng lượng trong các công trình xây dựng đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng tỷ lệ năng lượng của hệ thống nước nóng vẫn chiếm tỷ trọng nhỏ trong tổng mức tiêu thụ Hơn nữa, việc nghiên cứu kết hợp giữa ngành nhiệt và ngành cấp nước đã hạn chế phạm vi nghiên cứu chỉ ở công đoạn gia nhiệt hoặc mạng lưới cung cấp, mà chưa mang tính chất tổng thể.
Nghiên cứu của Randi H Brazeau và Marc A Edwards (2013) đã so sánh hiệu quả năng lượng của ba hệ thống nước nóng: hệ thống có bồn trữ không bơm hồi, hệ thống có bồn trữ và bơm hồi, và hệ thống làm nóng ngay tại điểm sử dụng Kết quả cho thấy hệ thống nước nóng có tuần hoàn nâng hiệu quả năng lượng lên 32%-36%, nhưng cũng gây thất thoát nước nhiều hơn Đáng chú ý, hệ thống nước nóng sử dụng tức thời đạt hiệu suất gần như 100%, tuy nhiên, nó cần có chất lượng trang bị điện tốt và nguồn điện ổn định để hoạt động hiệu quả.
G Panaras, E Mathioulakis, V Belessiotis (2013): đã thực nghiệm mô hình kết hợp hoạt động của bơm nhiệt và dàn thu solar để đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống kết hợp tiết kiệm 70% ở điều kiện khí hậu tại địa phương là Aten, Hi Lạp [16]
Các nghiên cứu về hệ thống nước nóng ở Việt Nam
Nghiên cứu về hệ thống nước nóng trong các công trình tại Việt Nam hiện nay còn hạn chế, do hệ thống này mới được áp dụng gần đây và chi phí triển khai còn thấp.
Một số nghiên cứu tiêu biểu hiện nay:
Tạ Văn Chương và Nguyễn Nguyên An đã thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống cấp nước nóng sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt Họ đã xây dựng hệ thống đo và tự ghi số liệu, cho thấy năng lượng tiêu thụ chỉ bằng 10.6% so với việc sử dụng điện trở đun nước, đồng thời giảm phát thải CO2 lên tới 8744.5 kg/tháng Kết quả này chứng minh lợi thế vượt trội của năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng.
Nguyễn Đình Vịnh và Hà Đăng Trung đã nghiên cứu ứng dụng thiết kế và thử nghiệm mô hình thiết bị bơm nhiệt sử dụng môi chất lạnh R22 và dàn lạnh không khí Kết quả cho thấy bơm nhiệt có khả năng đun nước nóng với hệ số hiệu suất COP từ 3.3 đến 3.8 trong điều kiện môi trường trong nhà 22 độ C và độ ẩm 60% Phương pháp này giúp tiết kiệm từ 65% đến 70% năng lượng so với việc sử dụng bình nước nóng bằng điện.
Bùi Ngọc Hùng nghiên cứu mô hình sử dụng nhiệt thải từ dàn nóng của máy điều hòa không khí công suất nhỏ để tiết kiệm năng lượng trong việc đun nước nóng Kết luận cho thấy phương pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy lạnh.
Nguyễn Công Vinh nghiên cứu việc sử dụng hơi quá nhiệt trong bình ngưng tụ của dàn lạnh nước (water chiller) để làm tác nhân gia nhiệt cho nước nóng Phần hơi quá nhiệt còn lại sẽ được giải tỏa qua tháp giải nhiệt Kết luận cho thấy, khi nhiệt độ nước đạt 40 o C, hệ thống đạt hiệu quả cao nhất, và hiệu suất của máy lạnh sẽ giảm khi nhiệt độ nước tăng lên.
Ts Khương Thị Hải Yến và học viên đã nghiên cứu hiệu suất của hệ thống gia nhiệt Heatpump cho bể bơi bốn mùa, kết luận rằng hiệu suất bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường khi hoạt động; hệ số COP càng cao thì hiệu suất càng tốt.
15 thống càng tiết kiệm năng lượng cần dựa vào nhiệt độ môi trường và yêu cầu nhiệt độ đầu ra để phân công hoạt động của giàn gia nhiệt một cách hợp lý, nhằm tiết kiệm năng lượng.
Nghiên cứu về hệ thống nước nóng tại Việt Nam hiện nay còn hạn chế, nhưng đã có nhiều đề xuất nghiên cứu thực tiễn với tính ứng dụng cao Các giải pháp này tập trung vào việc tận dụng nguồn nhiệt thải để sản xuất nước nóng, nhằm tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Các tồn tại của hệ thống cấp nước nóng bên trong công trình
Hệ thống nước nóng trong công trình đã được áp dụng tại Việt Nam hơn 30 năm và vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải tiến phương pháp gia nhiệt, nâng cao hiệu quả năng lượng, giảm thiểu tổn thất nhiệt và nước rò rỉ, cũng như cải tiến thiết bị sử dụng.
Vấn đề vận hành hiệu quả hệ thống nước nóng là mối quan tâm lớn của các nhà quản lý, vì nhiều công trình có hệ thống nước nóng trung tâm không thu hồi đủ lợi nhuận để bù đắp chi phí vận hành Nguyên nhân chính có thể là do tỷ lệ lấp đầy sử dụng thấp hơn dự kiến và hệ thống thất thoát nhiệt, dẫn đến việc người dùng nhận nước ở nhiệt độ thấp hơn cam kết Họ thường phải xả bỏ lượng nước này mà không giảm chi phí, gây tâm lý ngại sử dụng hệ thống nước nóng Điều này làm giảm công suất sử dụng thực tế so với công suất thiết kế, ngay cả ở những công trình có tỷ lệ lấp đầy cao, dẫn đến lỗ vốn trong quản lý vận hành.
Tổn thất nhiệt năng trong hệ thống cấp nước nóng là một vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng, dẫn đến chi phí năng lượng cao Nhiệt lượng bị lãng phí do thất thoát và tỏa nhiệt làm gia tăng chi phí bù đắp nhiệt lượng, ảnh hưởng đến nhiệt độ nước nóng yêu cầu và chất lượng dịch vụ cung cấp cho người sử dụng.
Hệ thống nước nóng trong các công trình hiện nay vẫn tồn tại nhiều hạn chế so với thiết kế ban đầu, do vật liệu nhựa chuyên biệt cho ống cấp nước nóng chưa được phổ biến rộng rãi.
Việc sử dụng ống đồng DN10 để cấp nước nóng đã được chuẩn hóa, nhưng sự nâng cấp thiết bị vệ sinh và ứng dụng vật liệu nhựa đã làm tăng đường kính ống cấp Điều này dẫn đến lưu lượng nước cấp lớn hơn so với thiết kế ban đầu, trong khi nguồn nước bị lãng phí ngày càng gia tăng.
Hệ thống thiết kế gia nhiệt nước nóng thường có công suất lớn do hệ số dùng nước không ổn định, dẫn đến công suất dư thừa so với nhu cầu thực tế Để tối ưu hóa, cần thiết kế hệ thống dựa trên lưu lượng sử dụng tức thời của thiết bị vệ sinh, có tính đến hệ số đồng thời Do đặc điểm của mạng kín, nước nóng cấp đến điểm sử dụng thường bị hạ nhiệt nhanh chóng, đặc biệt vào mùa đông, do nước lạnh liên tục được cấp vào Vì vậy, việc thiết kế hệ thống gia nhiệt theo lưu lượng thiết kế tức thời là cần thiết để bù đắp nhiệt độ bị hao hụt do sự hòa trộn nước lạnh vào bồn chứa.
Hệ thống nước nóng góp phần đáng kể vào việc lãng phí nước Khi nước nóng trong ống dẫn không được sử dụng trong thời gian dài, nó sẽ nguội đi Để có nước nóng trở lại, người dùng thường phải xả bỏ lượng nước nguội cho đến khi nước nóng chảy đều, dẫn đến việc lãng phí nước Nếu lượng nước nguội lớn, số nước phải bỏ đi có thể rất nhiều.
Kết luận
Hệ thống nước nóng trong công trình đã được nghiên cứu và ứng dụng từ lâu để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt Các hệ thống này rất đa dạng và có những đặc điểm riêng biệt ở mỗi quốc gia, phụ thuộc vào thói quen sử dụng nước của người dân và ảnh hưởng của khí hậu theo mùa.
Hệ thống nước nóng tiêu thụ một lượng năng lượng lớn trong các công trình, do đó, việc tiết kiệm năng lượng ngày càng trở nên quan trọng Nhà quản lý và chủ sở hữu đang chú trọng đến vấn đề này, và nó cũng được quy định trong các văn bản pháp lý nhằm giảm phát thải khí nhà kính và chống biến đổi khí hậu Tại Việt Nam, QCVN 09:2017/BXD đã được ban hành để hướng dẫn các công trình áp dụng các biện pháp tiết kiệm năng lượng.
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả đã được ban hành, tạo động lực cho các nghiên cứu cải tiến trong lĩnh vực này.
17 tiến, ứng dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng trong công trình nói chung và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống nước nóng nói riêng
Hệ thống cấp nước nóng là một bộ phận của hệ thống cấp nước bên trong công trình
Mạng lưới cấp nước nóng có những đặc điểm khác biệt so với hệ thống cấp nước lạnh, không chỉ truyền tải lưu lượng nước mà còn cung cấp năng lượng nhiệt cho người dùng Việc kiểm soát thất thoát nhiệt và duy trì ổn định nhiệt độ là rất quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống Do đó, yếu tố này cần được xem xét nghiêm túc trong giai đoạn lập kế hoạch ngân sách đầu tư Nhiều học giả đã nghiên cứu để cải tiến hệ thống cấp nước nóng và tìm ra các phương án sử dụng năng lượng tiết kiệm cho hệ thống này.
Hệ thống nước nóng đã được nghiên cứu sâu rộng trên toàn cầu, tập trung vào các công nghệ gia nhiệt mới và giải pháp tiết kiệm năng lượng Các nghiên cứu này thường được điều chỉnh theo điều kiện sử dụng thực tế của từng quốc gia, đặc biệt là dựa vào đặc thù khí hậu Nhiều sáng kiến ứng dụng thực tiễn đã được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả cung cấp nước nóng và tiết kiệm năng lượng.
Tình hình nghiên cứu về hệ thống nước nóng ở Việt Nam hiện nay còn hạn chế do nhu cầu nước nóng trong sinh hoạt chưa cao như các nước có khí hậu ôn đới Tuy nhiên, dự báo nhu cầu sử dụng nước nóng của người dân sẽ tăng trong tương lai Hiện tại, các thiết bị gia nhiệt cục bộ đã đáp ứng phần lớn nhu cầu này, nhưng hệ thống nước nóng trung tâm chỉ được áp dụng ở mức thấp, chủ yếu trong các dự án cao cấp như chung cư, khách sạn Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành cao là những rào cản lớn đối với việc ứng dụng công nghệ gia nhiệt tập trung Sự thiếu phổ biến của hệ thống này tại Việt Nam đã dẫn đến việc nghiên cứu về nó còn thưa thớt.
18 trung tâm được nhân rộng rãi hơn, hi vọng các nghiên cứu về hệ thống này tại nước ta sẽ được chú trọng và đạt được nhiều thành tựu
CƠ SỞ KHOA HỌC CHO NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẤP NƯỚC NÓNG BÊN TRONG CÔNG TRÌNH
Cơ sở lý thuyết nghiên cứu hệ thống nước nóng
2.1.1 Hệ thống nước nóng và cơ sở xác định nhu cầu nhiệt sinh hoạt
Hệ thống nước nóng phục vụ nhu cầu sinh hoạt chủ yếu chia ra ba loại với ba mức nhiệt độ khác nhau theo mục đích sử dụng: [13]
- Dùng cho sinh hoạt vệ sinh, tắm rửa: nhiệt độ yêu cầu 35-40 o C
- Dùng cho sinh hoạt chuẩn bị thức ăn chín và các mục đích khác: 65-70 o C
- Dùng cho sát trùng, chuẩn bị thức ăn chính: nhiệt độ sôi ~ 100 o C
Nhu cầu sử dụng nước nóng có tính chất không đồng đều giống như nước lạnh, nhưng lại có sự khác biệt trong cách sử dụng theo mùa Mỗi mùa trong năm, thói quen tiêu thụ nước nóng của người dùng có thể thay đổi Để xác định chế độ tiêu thụ nước nóng theo ngày và đêm, cần thực hiện khảo sát về thói quen sử dụng nước.
Thông thường, tổng nhu cầu nước nóng của một công trình được ước tính bằng 30% tổng nhu cầu cấp nước Các nhà khoa học đã điều tra và xác định nhu cầu nước nóng cụ thể cho từng đối tượng, và để thuận tiện trong tính toán, nhu cầu nước nóng được quy đổi về cùng một mức nhiệt độ và chuẩn hóa bằng nhu cầu nhiệt lượng Điều này tạo cơ sở cho việc tính toán thiết bị gia nhiệt và mạng lưới cấp nước nóng Để xác định nhiệt lượng cần cho mục đích sinh hoạt của công trình, ta sử dụng công thức phù hợp.
W ng tt =q n (t yc −t o )N kCal/ng.đ (1) Trong đó:
Wng: Nhiệt lượng cần thiết của hệ thống qn: Tiêu chuẩn dùng nước đối với các đối tượng: Lít (xem bảng 2.1)
20 tyc: Nhiệt độ nước nóng yêu cầu: o C to: Nhiệt độ nước lạnh thấp nhất cấp vào hệ thống: o C
N: số lượng đơn vị dùng nước
Do nhu cầu sử dụng nước nóng khác nhau giữa các đối tượng, người ta thường tính toán tổng khối lượng nước nóng để đơn giản hóa quá trình tính toán.
Q = q N lit/ng.đ (2) Khi đó công thức được viết lại như sau:
W ng tt =Q ng tt (t yc −t o ) kCal/ng.đ (3) Trong đó: tt
Q ng : Tổng khối lượng nước nóng: lít
Xác định công suất nguồn cấp nhiệt làm việc điều hòa được xác định:
T: số giờ hoạt động của nguồn cấp nhiệt trong 1 ngày đêm: giờ
Việc xác định số giờ hoạt động của hệ thống gia nhiệt là rất quan trọng trong thiết kế hệ thống cấp nước nóng quy mô tập trung Nếu xác định chính xác, hệ thống sẽ hoạt động ổn định hơn Số giờ hoạt động thường được chọn xung quanh các giờ cao điểm sử dụng nước, giúp hệ thống đáp ứng tối đa hệ số không điều hòa và cung cấp nhiệt cho các giờ sử dụng nước còn lại Cách xác định số giờ hoạt động có thể khác nhau tùy thuộc vào loại công trình.
Bảng 2.1 Bảng tiêu chuẩn dùng nước nóng ở nhiệt độ 65 o C
Loại nhà Tiêu chuẩn dùng nước nóng Ghi chú
- Dùng nước nóng cục bộ
- Dùng nước nóng tập trung
2 Nhà tập thể 60 l/ng.ngđ
- Chỉ có chậu rửa mặt
Không kể ăn uống, giặt là, cắt tóc
4 Nhà ăn tập thể, hiệu ăn:
- Nhà ăn tập thể, quán café
Không kể nước sôi để uống
60 l/kg quần áo Điều hòa
6 Nhà tắm công cộng dùng nước nóng
7 Nhà trẻ 20 l/ng Q h max = 50% Q ng.đ
9 Phòng khám đa khoa 3 l/ng
10 Nhà nghỉ an dưỡng công cộng 60 l/ng.ngđ
11 Nhà nghỉ đặc biệt có chậu rửa và chậu tắm từng phòng 120 l/ng.ngđ
12 Nhà sinh hoạt của xí nghiệp
- Tắm hương sen khi sản xuất bẩn
- Tắm hương sen khi sản xuất sạch
- Rửa khi sản xuất bẩn
- Rửa khi sản xuất sạch
13 Lượng nước nóng cho sản xuất theo yêu cầu công nghệ Ở Việt Nam tiêu chuẩn nước nóng có thể lấy gần bằng nước lạnh ứng với nhiệt độ 30-35 o C
Nguồn: Giáo trình Cấp thoát nước
2.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán mạng lưới cấp nước nóng
Bước đầu tiên trong việc tính toán mạng lưới cấp nước nóng sinh hoạt là xác định lưu lượng cấp tức thời Lưu lượng này được xác định bằng hệ số đương lượng tương tự như cấp nước lạnh, nhưng cần xem xét hệ số hòa trộn cân bằng nhiệt Nước nóng trước khi xả ra tại điểm sử dụng có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sử dụng, do đó cần hòa trộn với tỷ lệ phù hợp theo nhu cầu của từng đối tượng Tỷ lệ này không đồng đều và khó xác định chính xác, vì vậy các kỹ sư đề xuất hai phương pháp: hệ số hòa trộn chung trước khi sử dụng và nhiệt độ tiêu thụ chung để xác định hệ số hòa trộn.
Theo TCVN 4513:1988, lưu lượng nước lạnh trong hệ thống cấp nước nóng tập trung được xác định là 70% lưu lượng tính toán toàn phần, do đó lưu lượng nước nóng sẽ chiếm 30% lưu lượng nước lạnh.
Hệ số hòa trộn có thể được xác định thông qua phương pháp tính toán dựa trên nhiệt độ yêu cầu Tỷ số hòa trộn giữa hai dòng nước nóng và lạnh tại điểm sử dụng nước là yếu tố quan trọng cần xem xét.
− (5) Trong đó: k: hệ số hòa trộn dòng nước nóng
Tyc: nhiệt độ nước nóng yêu cầu lấy ra tại điểm dùng nước: o C
To: Nhiệt độ nước lạnh cấp vào nguồn gia nhiệt: o C
Theat: Nhiệt độ nước nóng cấp đến trước điểm sử dụng: o C
Lưu lượng tính toán hệ thống cấp nước theo TCVN 4513:1988 hướng dẫn cách tính lưu lượng cho các loại công trình khác nhau Ngoài ra, cần lưu ý đến hệ số hòa trộn k khi tính toán lưu lượng nước nóng.
Lưu lượng nước tính toán trong một giây cho nhà ở được xác định theo công thức:
Hệ số hòa trộn nước nóng được ký hiệu là k, trong khi q đại diện cho lưu lượng tính toán trong một giây, đo bằng l/s Trị số dùng nước a phụ thuộc vào tiêu chuẩn sử dụng nước tính cho một người trong một ngày, được lấy theo bảng quy định.
K: hệ số phụ thuộc vào số đương lượng lấy theo bảng:
N: Tổng số đương lượng của dụng cụ vệ sinh trong nhà hay khu vực tính toán (đoạn ống tính toán)
Lưu lượng nước tính toán cho các cơ quan hành chính, nhà trọ, khách sạn, nhà ở tập thể, kí túc xá, nhà trẻ, trường học, cơ quan giáo dục, bệnh viện đa khoa, nhà tắm công cộng và trại thiếu nhi được xác định theo một công thức cụ thể trong một giây.
Bảng 2.2 Bảng tra trị số a
Tiêu chuẩn dùng nước của một người l/ngày
Bảng 2.3 Bảng tra trị số K
Số đương lượng Đến 300 Từ 301 đến 500 Từ 501 đến 800 Từ 801 đến 1200
24 k: hệ số hòa trộn nước nóng q: lưu lượng tính toán trong một giây: l/s
N: Tổng số đương lượng của các dụng cụ vệ sinh trong nhà hay đoạn ống tính toán α: hệ số phụ tùng chức năng của mỗi loại nhà lấy theo bảng sau:
Lưu lượng nước cần thiết cho nhu cầu sinh hoạt trong các nhà sản xuất, phòng sinh hoạt của xí nghiệp, phòng gian khán giả, công trình thể dục thể thao và xí nghiệp ăn uống công cộng được xác định theo công thức tính toán cho một giây.
Hệ số hòa trộn nước nóng (k) và lưu lượng tính toán trong một giây (q) được đo bằng l/s Lưu lượng nước của một dụng cụ vệ sinh cùng loại (qo) cũng được tính bằng l/s, trong khi n là số lượng dụng cụ vệ sinh cùng loại Hệ số hoạt động đồng thời của dụng cụ vệ sinh (a’) được xác định dựa trên các bảng tham khảo.
Bảng 2.4 Bảng tra hệ số α
Nhà tắm công cộng, nhà trẻ
Bệnh viện, phòng khám đa khoa
Trụ sở cơ quan hành chính, cửa hàng, viện thiết kế
Trường học và cơ quan giáo dục
Bệnh viện, nhà điều dưỡng, nhà nghỉ, trại thiếu nhi
Nhà ở tập thể, nhà trọ, khách sạn, ký túc xá α 1.2 1.4 1.5 1.8 2.0 2.5
2.1.2.2 Tính toán tổn thất áp lực
Bảng 2.6 Bảng hệ số đồng thời của các dụng cụ vệ sinh trong nhà sản xuất và các phòng sinh hoạt của xí nghiệp công nghiệp
Loại dụng cụ vệ sinh
Số lượng thiết bị vệ sinh
- Chẩu rửa mặt tròn có vòi phun nước
- Chậu tiểu có bình xả tự động
- Chậu xí có vòi xả 1 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.1 0.1 0.005
- Chậu xí có bình xả 1 0.75 0.65 0.6 0.5 0.45 0.4 0.4 0.4
Bảng 2.5 Bảng hệ số đồng thời của các dụng cụ vệ sinh trong các phòng, gian khán giả, các công trình thể thao, xí nghiệp ăn uống công cộng
Hệ số hoạt động đồng thời của các dụng cụ vệ sinh
Rạp chiếu bóng, hội trường, câu lạc bộ, công trình thể thao
Cửa hàng ăn uống công cộng
- Chậu rửa trong quầy căng tin
Đường kính ống cấp nước trong nhà nên được xác định với vận tốc kinh tế từ 0.5 đến 1.5 m/s Dựa vào vận tốc này, có thể tính toán đường kính ống nước cấp phù hợp khi đã biết lưu lượng cần cấp.
Dtt: đường kính tính toán: m q: lưu lượng qua đoạn ống: l/s vkt: vận tốc cấp nước kinh tế: 0.5 - 1.5 m/s
Sau khi xác định đường kính tính toán, chúng ta lựa chọn đường kính thực Dt có sẵn trên thị trường Tiếp theo, cần kiểm tra vận tốc thực vt để đảm bảo nó nằm trong khoảng vận tốc kinh tế, cụ thể là vt thuộc [0.5;1.5] m/s.
Tính toán thủy lực ống cấp nước người ta sử dụng công thức Darcy như sau:
= = (11) Trong đó: i: Độ dốc thủy lực của ống (tổn thất trên một đơn vị chiều dài ống);
Cơ sở xác định tổn thất nhiệt lượng trên hệ thống cấp nước nóng
Tổn thất năng lượng nhiệt là một vấn đề quan trọng không chỉ trong hệ thống cấp nước nóng mà còn trong các hệ thống kỹ thuật nhiệt khác Các loại tổn thất này chủ yếu được phân loại thành ba nhóm chính.
Bảng 2.10 Ưu nhược điểm của phương pháp gia nhiệt bằng điện trở ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM
- Hệ thống đơn giản chi phí đầu tư ban đầu rẻ
- Cơ chế gia nhiệt chủ động làm nóng nước nhanh
- Kiểm soát lưu lượng và nhiệt độ ổn định
- Thích hợp ứng dụng với quy mô nhỏ
- Thời gian gia nhiệt nhanh chóng
- Dễ dàng thi công lắp đặt, bảo trì
- Tiêu tốn năng lượng lớn, COP thấp
- Nguồn nước cần xử lý loại bỏ độ cứng tạm thời
Việc sử dụng thiết bị gia nhiệt cục bộ trong quy mô gia đình có thể gây ra nhiều rủi ro do công suất định mức cao, như máy nước nóng gián tiếp 2500W và máy nước nóng trực tiếp 4500W Điều này dẫn đến hiện tượng lệch pha và không đủ công suất trong lưới điện sinh hoạt, gây ra quá nhiệt và tình trạng quá tải dòng, dẫn đến việc nhảy cầu dao (CB).
- Chi phí vận hành hệ thống điện cao khi ứng dụng ở quy mô lớn
- Nguy cơ gây quá nhiệt cáp cấp nguồn và sụt áp do trở kháng cao
- Tổn thất tại bồn trữ
- Tổn thất trên mạng lưới cấp
- Tổn thất tại điểm sử dụng
Để xác định tổn thất năng lượng, ta áp dụng nguyên lý rằng nhiệt lượng tỏa ra phải bằng nhiệt lượng thu vào.
Nhiệt lượng tổn thất qua bề mặt được xác định theo công thức:
Ql: Nhiệt lượng tổn thất: W
A: Diện tích bể mặt trao đổi nhiệt: m 2
T1: Nhiệt độ tại điểm cần xác định nhiệt lương tổn thất: o C
T0: Nhiệt độ ban đầu làm chuẩn để xác định tổn thất (có thể lấy 1 điểm tương đối bất kỳ theo mục đích tính toán): o C
Công thức (18) phù hợp để tính toán tổn thất qua các bề mặt xác định như mặt thoáng bồn nước, bể bơi, và tiết diện bồn Tuy nhiên, việc áp dụng công thức này cho mạng lưới ống là rất khó khăn do sự phức tạp của hệ thống ống, các phụ kiện, van, và kích thước ống không cố định Hạn chế này yêu cầu một công thức mới có thể áp dụng cho mạng lưới phức tạp Do đó, người ta đề xuất sử dụng khối lượng lưu chất chứa nhiệt vận chuyển qua thay vì tiết diện trao đổi để xác định tổn thất.
Q = m C T −T (19) Trong đó: m: là tải lượng lưu chất đi qua đoạn ống: kg/s
Cp: Nhiệt dung riêng của nước: 4,18 kJ/kg.K
Tổn thất năng lượng trong mạng lưới phụ thuộc vào loại vật liệu của đường ống và vật liệu bảo ôn Các vật liệu này có tính chất dẫn nhiệt và tỏa nhiệt khác nhau, và có thể xác định tính chất dẫn nhiệt của từng loại vật liệu đường ống thông qua các phép đo thực nghiệm và công thức phù hợp.
Tổn thất tại điểm sử dụng chiếm tỷ lệ lớn trong tổng tổn thất nhiệt của hệ thống, và mức độ tổn thất này phụ thuộc vào thói quen sử dụng nước của người dùng cũng như đặc điểm của thiết bị vệ sinh Do đó, việc xác định loại tổn thất này chỉ dựa trên lý thuyết là khó khăn, mà cần phải thực hiện các phép đo thực nghiệm về thói quen sử dụng nước của người tiêu dùng.
Cơ sở xác định hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị gia nhiệt
Hiệu quả sử dụng năng lượng đối với bơm nhiệt được xác định thông qua hệ số COP
Hệ số COP (Coefficient of Performance) là tỷ lệ giữa năng lượng hữu ích được sinh ra và năng lượng tiêu thụ ban đầu Trong hệ thống nhiệt, COP được định nghĩa là tỷ số giữa nhiệt lượng sinh ra từ hơi lạnh hoặc nhiệt lượng do bơm nhiệt tạo ra Do tính chất của quá trình gia nhiệt bao gồm cả sưởi ấm và làm lạnh, có các công thức riêng để xác định COP cho từng loại thiết bị nhiệt khác nhau.
Hệ số hiệu suất của quá trình làm lạnh:
Hệ số hiệu suất của quá trình sưởi ấm:
Qo: Năng suất lạnh hữu ích thu được ở dàn bay hơi: Kw
Qk: Năng suất lạnh hữu ích thu được ở dàn ngưng tụ: Kw
N: Điện năng tiêu thụ: Kw
Chỉ số EER, bên cạnh COP, được sử dụng ở nhiều quốc gia để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng, thể hiện tỷ lệ giữa năng lượng sinh ra và điện năng tiêu thụ EER cung cấp thông tin cho người dùng một cách chi tiết, không tối giản Các đơn vị chính của EER bao gồm BTU/h/kW và kW/kW.
Hiệu suất COP của các thiết bị bơm nhiệt tại Việt Nam được quy định rõ ràng trong các văn bản pháp luật Cụ thể, theo bảng 2.8 QCVN 09-2017/BXD, mức COP cho thiết bị bơm nhiệt cấp nước nóng được xác định Đối với hệ thống gia nhiệt mới như Solar, QCVN 09-2017/BXD quy định rằng hiệu suất tối thiểu của bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phải đạt 60%, và giá trị nhiệt trở R0 tối thiểu của mặt sau tấm hấp thụ năng lượng mặt trời là 2,2 m².K/W Các quy định này đảm bảo tính hiệu quả và an toàn cho thiết bị đun nước nóng.
Bảng 2.11 Hiệu suất tối thiểu COP của bơm nhiệt cấp nước nóng
Loại thiết bị COP, kW/kW
Bơm nhiệt với nguồn nhiệt từ không khí ≥ 3.0
Bơm nhiệt với nguồn nhiệt từ nước ≥ 3.5
Máy điều hòa không khí có thu hồi nhiệt:
Khi chạy để cung cấp nước nóng
Khi chạy điều hòa không khí và cung cấp nước nóng
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng chỉ số COP của thiết bị bơm nhiệt phụ thuộc vào điều kiện vận hành thực tế như mùa và nhiệt độ Theo Ts Khương Thị Hải Yến và đồng sự, hiệu suất COP có sự phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ môi trường Nghiên cứu này cũng cho thấy giá trị COP được ghi trên tài liệu kỹ thuật của hãng thường không phản ánh thực tế, do đó cần thiết lập một tiêu chuẩn chung về các điều kiện môi trường để xác định COP một cách chính xác.
So sánh các phương án cấp nước nóng
Bài viết đã giới thiệu 4 hệ thống nước nóng phổ biến tại Việt Nam, mỗi hệ thống đều có những ưu và nhược điểm riêng Tóm lại, các hệ thống nước nóng tiết kiệm năng lượng thường có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, trong khi những hệ thống có chi phí đầu tư thấp lại không đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng tương ứng.
Bảng 2.12 Hiệu suất tối thiểu của thiết bị đun nước nóng
Loại thiết bị Hiệu suất tối thiểu E T , %
Các bộ đun, trữ nước dùng khí đốt 78
Các bộ đun nước tức thời dùng khí đốt 78
Các bộ đun, cung cấp nước nóng bằng khí đốt 77
Các bộ đun, cung cấp nước nóng bằng dầu 80
Các bộ đun, cung cấp nước nóng dùng khí đốt và dầu 80
Lò hơi công suất nhiệt 10-350 kW, đốt củi, giấy 60
Lò hơi công suất nhiệt 10-2000 kW, đốt than nâu 70
Lò hơi công suất nhiệt 10-2000 kW, đốt than đá 73
Bộ đun nước nóng bằng điện trở Emin = 5.9 + 5.3V 0.5 (W)
- Hiệu suất tối thiểu của bộ đun nước nóng dùng khí đốt hoặc dầu được đưa ra dưới dạng hiệu suất nhiệt E T
(Thermal Efficiency), trong đó bao gồm cả thất thoát nhiệt từ các ngăn của bộ đun
Hiệu suất tối thiểu của bộ đun nước nóng bằng điện trở được xác định dựa trên lượng thất thoát ở trạng thái chờ tối đa (Stanby Loss, SL) khi chênh lệch nhiệt độ giữa nước đun và môi trường xung quanh là 40 °C Trong công thức này, V đại diện cho dung tích được đo bằng lít.
- Quy trình thử nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ANSI Z21.10.3 hoặc các tiêu chuẩn khác áp dụng cho công trình
Hệ thống 44 có hiệu quả năng lượng kém hơn, nhưng vẫn tồn tại và được ứng dụng cho đến nay, không thể bị thay thế hoàn toàn.
Khi lựa chọn công nghệ gia nhiệt và cấp nước nóng, nhiều yếu tố cần được xem xét, bao gồm hiệu quả sử dụng năng lượng, chi phí đầu tư ban đầu và giải pháp công nghệ xanh Ngoài ra, tính phù hợp với điều kiện địa phương cũng rất quan trọng, chẳng hạn như ở vùng gần biển, nơi có gió mang hơi muối mặn có thể gây ăn mòn cao.
Hình 2.9 Bảng so sánh phương án sản xuất nước nóng từ MegaSun
Hình 2.10 Biều đồ Chi phí và hiệu suất các phương án từ MegaSun
Hệ thống gia nhiệt bằng điện trở hoặc gia nhiệt cục bộ là lựa chọn hàng đầu do tính ăn mòn mạnh của các hệ thống sử dụng nguồn giải nhiệt khí như heatpump Hệ thống dàn hấp thu năng lượng mặt trời, như ống chân không và tấm thu phẳng, dễ bị ảnh hưởng bởi hơi muối biển, làm giảm hiệu suất hấp thu bức xạ Đặc điểm địa lý của nước ta yêu cầu ứng dụng hệ thống gia nhiệt phù hợp với từng vùng để tối ưu hóa hiệu quả tiết kiệm Tuy nhiên, hệ thống thu năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, trong khi các hệ thống gia nhiệt khác hoạt động chủ động bằng điện, ít bị ảnh hưởng bởi khí hậu.
Việc ứng dụng hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời cần có cách tiếp cận linh hoạt, phù hợp với nhu cầu thực tế của từng địa phương Khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ không lý tưởng cho hệ thống này do nhu cầu nước nóng vào mùa đông cao, nhưng số giờ nắng lại ít Mặc dù vậy, người dân vẫn sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời với quy mô nhỏ vì chi phí đầu tư không quá lớn Đặc biệt, một số công trình như Viện An dưỡng và Bệnh viện có nhu cầu nước nóng cao vào mùa hè, giúp tiết kiệm hiệu quả Trong mùa đông, mặc dù hệ thống có thể hoạt động không hiệu quả, nhưng có thể kết hợp với các nguồn gia nhiệt khác như bơm nhiệt hoặc điện trở đun Do đó, cần phân tích cả đặc điểm ứng dụng và khí hậu địa phương để lựa chọn công nghệ phù hợp.
Bảng 2.13 Phạm vi ứng dụng hệ thống gia nhiệt theo vùng địa lý Việt Nam
Bắc Bộ Bắc Trung bộ Trung Trung bộ
Nam Trung bộ Tây Nguyên
Gia nhiệt cục bộ Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp
Bơm nhiệt Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp Điện trở đun Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp Phù hợp
Năng lượng mặt trời Không phù hợp Không phù hợp Phù hợp Rất Phù hợp Rất Phù hợp
Vùng khí hậu Công nghệ gia nhiệt
Bảng 2.14 Đặc điểm ứng dựng các phương án gia nhiệt
Gia nhiệt cục bộ Bơm nhiệt Năng lượng mặt trời Điện trở đun
Nhiệt lượng tỏa của điện trở
Môi chất trao đổi với nhiệt độ môi trường không khí
Hấp thụ bức xạ nhiệt mặt trời
Nhiệt lượng tỏa của điện trở
Không ảnh hưởng Không ảnh hưởng;
Cần các biện pháp sơn phủ chống ăn mòn bởi hơi muối biển
Số giờ nắng cao; Ít dông bão, lốc xoáy, mưa đá…
Nguồn điện Nguồn địện ổn định Nguồn địện ổn định Không ảnh hưởng Nguồn điện ổn định
Diện tích Không yêu cầu Diện tích nhỏ cho nguồn gia nhiệt và bồn trữ
Diện tích lớn triển khai tấm thu
Diện tích nhỏ cho nguồn gia nhiệt và bồn trữ
Vận hành Không yêu cầu, người sử dụng phụ trách
Cần đội ngũ vận hành, bảo trì Cần đội ngũ vận hành, bảo trì Cần đội ngũ vận hành, bảo trì
Người sử dụng có thể tự trang bị;
Có thể trang bị dần theo quy mô lấp đầy
Chi phí đầu tư cao
Có thể cần đầu tư nguồn nhiệt dự phòng
Chi phí đầu tư rất cao;
Cần đầu tư nguồn nhiệt hỗ trợ/ dự phòng
Hiệu quả Hiệu quả thấp Hiệu quả cao (COP>3) Hiệu quả rất cao (trong điều kiện khí hậu tốt)
Cơ sở thực tiễn nghiên cứu hệ thống cấp nước nóng
Hệ thống cấp nước nóng đang ngày càng phổ biến trong các công trình, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần khắc phục Việc xác định các điểm hạn chế và đưa ra giải pháp là cần thiết để hoàn thiện hệ thống này Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu sử dụng nước nóng ngày càng tăng, nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Hệ thống nước nóng tồn tại 2 nguyên nhân chính dẫn đến hệ thống hoạt động không hiệu quả:
- Tổn thất năng lượng trên mạng lưới
- Hệ thống hoạt động dưới công suất thiết kế
Thất thoát năng lượng trên mạng lưới gây giảm hiệu suất hệ thống và tăng chi phí vận hành Nguyên nhân của tình trạng này rất đa dạng, và các giải pháp kỹ thuật hiện có chỉ có thể giảm thiểu phần nào thất thoát mà không thể loại bỏ hoàn toàn.
Hệ thống hoạt động dưới công suất thiết kế do nhiều nguyên nhân, bao gồm giá nước nóng cao, nhiệt độ nước nóng không đồng đều, và việc xả bỏ nước nguội nhiều Người dân cũng ngại sử dụng vì cảm thấy không công bằng trong việc tính chi phí Thêm vào đó, tỷ lệ lấp đầy công trình không đạt như dự kiến, dẫn đến tăng chi phí quản lý và vận hành, khiến doanh thu từ hệ thống không đủ bù đắp.
2.5.1 Nước nóng ra chậm khi mở vòi nước nóng Đây là vấn đề phổ biến trong cấp nước nóng, đặc biệt là hệ thống nước nóng gia nhiệt tập trung Hiện tượng này xuất hiện do tổn thất nhiệt trên mạng lưới đường ống cấp nước nóng Cũng giống như hệ thống cấp nước lạnh, hệ thống cấp nước nóng sẽ có thời gian nghỉ vào các giờ hầu như không dùng nước như nửa đêm, lúc này ngoài dòng chảy tạo ra do rò rỉ nước thì hệ thống hầu như ở trạng tĩnh, nước nóng trong đường ống sẽ bắt đầu tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Mặc dùng vật liệu ống nước nóng giúp giảm tỏa nhiệt
Sau thời gian dài không hoạt động, nhiệt độ nước nóng trong ống dẫn giảm rõ rệt, dẫn đến việc khi mở vòi nước nóng, người dùng thường nhận được nước có nhiệt độ thấp hơn yêu cầu hoặc tương đương với nước lạnh Điều này buộc người dùng phải xả bỏ lượng nước nguội trong ống để chờ nước nóng đạt yêu cầu, gây lãng phí nước sạch và tiềm ẩn nguy cơ bỏng Do đó, cần thiết phải có các giải pháp kỹ thuật để cung cấp nước nóng nhanh chóng và an toàn trong mọi tình huống sử dụng.
2.5.2 Nhiệt độ nước nóng không đều tại các khu vực sử dụng
Tổn thất nhiệt trên mạng lưới nước nóng chủ yếu xuất phát từ các vị trí mạng cụt, nơi nước không được tuần hoàn liên tục, dẫn đến việc nước nóng tỏa nhiệt ra môi trường Vấn đề này thường xảy ra tại các vị trí xa nhất trong mạng lưới, do tần suất dòng nước nóng lưu thông qua những điểm này thấp hơn, khiến nước trong các điểm mạng cụt bị tù đọng và mất nhiệt thường xuyên.
Hiện tượng xảy ra khi đơn nguyên gần nguồn gia nhiệt có nước nóng đạt yêu cầu, trong khi đơn nguyên xa nguồn lại có nhiệt độ nước không đạt, dẫn đến việc phải xả bỏ nước nguội để có nước nóng sử dụng.
2.5.3 Quá tải hệ thống vào giờ cao điểm Đây là vấn đề chung không chỉ riêng nước nóng mà mạng cấp nước lạnh cũng gặp phải, trong mạng lưới nước nóng có khả năng diễn ra nhiều hơn do không chỉ quá tải lưu lượng mà còn là quá tải nhiệt lượng,
Hệ thống nước lạnh đang bị quá tải do bể nước cạn, chưa kịp được điền đầy đến mức kích hoạt bơm Điều này dẫn đến tình trạng toàn bộ hệ thống không đủ nước sử dụng Hơn nữa, nước nóng cũng bị ảnh hưởng vì nguồn nước thô cấp từ nước lạnh, khiến cho hệ thống nước nóng không đủ nước để sản xuất.
Do hệ số K không điều hòa quá cao, hệ thống không thể đáp ứng kịp công suất gia nhiệt Nguồn nước nóng ra khỏi hệ thống sẽ kéo theo dòng nước lạnh vào, làm giảm nhiệt độ nước nóng có sẵn trong bồn chứa Điều này dẫn đến nhiệt độ nước nóng trong ống thấp hơn thiết kế, gây ra hiện tượng quá tải nhiệt.
Hình 2.12 Nước yếu vào giờ cao điểm https://senvoihanquoc.com.vn
2.5.4 Hạn chế triển khai hệ thống hồi nước nóng cho các đơn nguyên có đồng hồ nước
Hệ thống nước nóng cần có một hệ thống hồi để duy trì dòng chảy tuần hoàn và ổn định nhiệt độ Trong các dự án chung cư, nước nóng sẽ được đo đếm qua đồng hồ trước khi vào căn hộ Việc lắp đặt đường ống hồi sau đồng hồ nước là không khả thi, trừ khi có đồng hồ đo đếm trên đầu hồi, điều này dẫn đến việc tăng chi phí đầu tư.
Do không thể lắp đặt đường ống hồi sau đồng hồ nước nóng, mạng cấp nước nóng trở thành mạng cụt, dẫn đến việc nước nóng không được tuần hoàn Điều này làm giảm nhiệt độ nước nóng trong căn hộ xuống dưới mức yêu cầu, đồng thời cần thời gian để xả bỏ dòng nước nguội, gây lãng phí trong quá trình sử dụng.
Nhiệt độ nước nóng sau đồng hồ thấp hơn yêu cầu dẫn đến phàn nàn từ người dùng về hệ thống nước nóng, tạo áp lực cho công tác quản lý vận hành Đơn giá nước nóng cao hơn nước lạnh do chi phí đầu tư và vận hành gia nhiệt Việc phải chờ lâu để có nước nóng và xả bỏ nước nguội gây lãng phí và thiệt hại cho người dùng.
2.5.5 Hệ thống hoạt động với công suất thấp hơn thiết kế
Hệ thống gia nhiệt được thiết kế với hệ số dự phòng hợp lý để đảm bảo hoạt động hiệu quả trong trường hợp quá tải Tuy nhiên, nếu hệ thống có công suất dư thừa quá nhiều, sẽ dẫn đến lãng phí lớn trong chi phí đầu tư ban đầu và quản lý vận hành Khi công suất dư thừa lớn trong quá trình vận hành, chi phí bảo trì, năng lượng và quản lý sẽ tăng cao so với nhu cầu thực tế.
Hệ thống nước nóng cần duy trì nhiệt độ theo thiết kế, ngay cả khi có dư công suất, dẫn đến việc bơm hồi nước từ các khu vực ít sử dụng Điều này làm tăng chi phí quản lý vận hành, đặc biệt trong các dự án chung cư, khiến đơn giá nước cao và gây tâm lý ngại sử dụng, từ đó giảm lưu lượng sử dụng Hệ thống càng dư công suất, thu không đủ bù chi Đối với các dự án khách sạn và nghỉ dưỡng, dư công suất cũng tạo áp lực lên đơn giá dịch vụ, làm cho dịch vụ trở nên đắt đỏ và kém cạnh tranh.
Nguyên nhân của hiện tượng này có thể xác định theo hai hướng:
Hình 2.14 Trang bị vệ sinh cho khách sạn
- Từ khâu thiết kế, khi định lượng tính toán khối lượng nước nóng không chính xác, làm hệ thống dư công suất nhiệt