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

Nhu cầu sử dụng ĐHKK ở nước ta là rất lớn và hệ thống này chiếm tỷ lệ tiêu thụ điện năng khá cao trong các công trình nên tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong hệ thống này cần được quan

1

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 NƯỚC NGẦM TRONG TRƯỜNG HỢP LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG 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: chương 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 này là công trình nghiên cứu thực sự của cá

nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lưu Đức Hải

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Phan Văn Hùng

3

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy hướng

dẫn luận văn của tôi, PGS.TS Lưu Đức Hải - Khoa Môi trường, Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, đã tạo mọi điều kiện, động viên, hướng dẫn

và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Trong suốt quá trình nghiên cứu, thầy

đã kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp và động viên tôi rất nhiều Kiến thức khoa học sâu sắc cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những kết quả tốt trong bản luận văn

Tôi cũng 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 một số nguồn địa nhiệt triển vọng và

có điều kiện khai thác cho phát triển năng lượng ở Việt Nam" đã quan tâm,

giúp đỡ, cung cấp số liệu và đưa ra những chỉ dẫn, góp ý cho luận văn của tôi

Xin cám ơn Khoa sau đại học - ĐHQGHN; Viện Địa chất - Viện HLKHCN Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn!

Học viên

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 13

1.1 Giới thiệu tiềm năng địa nhiệt 13

1.1.1 Đặc tính nhiệt của lòng đất 13

1.1.2 Tiềm năng khai thác năng lượng địa nhiệt 15

1.1.3 Ứng dụng địa nhiệt trong điều hòa không khí 17

1.2 Công nghệ điều hòa không khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP) 18

1.2.1 Lịch sử phát triển và thành tựu nghiên cứu 18

1.2.2 Công nghệ điều hòa không khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP) 20

1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ GSHP 26

1.3.1 Ưu điểm 26

1.3.2 Nhược điểm 28

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN, SO SÁNH HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG LÝ THUYẾT 29

2.1 Đối tượng và địa điểm nghiên cứu 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 29

2.2.1 Phương pháp tính toán hiệu suất năng lượng của hệ thống ĐHKK 30

2.2.2 Phương pháp tính toán hiệu quả giảm nhẹ BĐKH 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC TẾ KHI ỨNG DỤNG LẮP ĐẶT CÔNG NGHỆ ĐIỀU HÒA ĐỊA NHIỆT TẠI VIỆN ĐỊA CHẤT, PHỐ CHÙA LÁNG - ĐỐNG ĐA - HÀ NỘI 51

3.1 Đặc điểm khí hậu Hà Nội và nhu cầu điện cho ĐHKK nhà cao tầng 51

3.1.1 Đặc điểm biến động nhiệt độ không khí 51

3.1.2 Đặc điểm nước ngầm khu vực 53

3.1.3 Nhu cầu cấp điện cho điều hòa không khí tại Hà Nội 57

3.2 Sơ đồ công nghệ và cấu tạo thiết bị ĐHKK địa nhiệt tại Viện Địa chất 58

3.3 Kết quả thí nghiệm công nghệ ĐHKK địa nhiệt tại Viện Địa chất,Viện HLKHCNVN62 3.4 Phân tích hiệu quả giảm nhẹ BĐKH của công nghệ và thiết bị ĐHKK địa nhiệt 66

3.4.1 Tính toán giảm phát thải KNK trong triển khai thí nghiệm thực tế 66

3.4.2 Tính toán giảm nhẹ phát thải KNK cho tòa nhà văn phòng của Viện Địa chất 67

3.5 Đề xuất cơ chế chính 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.

5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH

HOẶC KÝ HIỆU

NGHĨA TIẾNG VIỆT

Coefficient Of Performance (COP): Hệ số hiệu suất

GSHP (Ground Source Heat Pump) : Bơm nhiệt lòng đất

Power Input Capacity (PIC) = 1/COP: Công suất năng lƣợng đầu vào

Variable Refrigerant Volume (VRV): Cột điều hòa biến thiên

Việt Nam

p.k

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Nhiệt độ ( 0 C) lòng đất vào tháng 1 và tháng 7 tại Thượng Hải - TQ 21

Bảng 1.2 Tải nhiệt, tải lạnh, lượng nhiệt nhận và mất của lòng đất của toà nhà Civil ở

Hồ Nam Trung Quốc, kWh

Bảng 2.3 Thông số ĐHKK ngoài nhà cấp 3 tại Hà Nội theo tiêu chuẩn mới 35

Bảng 2.4 Thông số vi khí hậu trong nhà tại Hà Nội theo tiêu chuẩn mới 35

Bảng 2.5 Bảng tổng kết giá trị COP C của hệ thống và so sánh cho mùa hè 40

Bảng 2.6 Kết quả tính toán COP C của bơm nhiệt gió/gió (t 0 = -4 0 C, t k = 40 0 C  45 0

Bảng 2.7 Bảng tổng kết hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp trường hợp hệ VRV gió 41

Bảng 2.8 Kết quả tính toán COP C của bơm nhiệt gió/gió (t 0 = - 4 0 C, t k = 50 0 C  55 0

Bảng 2.9 Bảng tổng kết hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp trường hợp bơm nhiệt

gió/nước

42

Bảng 2.11 Bảng tổng kết quả hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp bơm nhiệt gió/gió 43

Bảng 2.12 Hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp của các phương án khác nhau mùa đông 44

Bảng 3.1 Kết quả tính toán theo lí thuyết COP, tiêu thụ năng lượng (TTNL) và tiết kiệm

năng lượng(TKNL) cho hệ thống ĐHKK địa nhiệt và ĐHKK truyền thống

59

Bảng 3.2 Kết quả điện năng tiêu thụ, hiệu quả kinh tế và giảm phát thải khí CO2 khi sử

Bảng 3.3 Kết quả tính toán theo lí thuyết COP, tiêu thụ năng lượng (TTNL) và tiết kiệm

năng lượng(TKNL) cho hệ thống ĐHKK địa nhiệt và ĐHKK truyền thống tại

tòa nhà văn phòng Viện Địa chất

63

7

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2 Nhà máy điện địa nhiệt Soultz (Đông Bắc nước Pháp) 11

Hình 1.3 Nhà máy điện địa nhiệt Soultz (Đông Bắc nước Pháp) 11

Hình 1.11 Đồ thị so sánh lượng khí phát thải của hệ thống GSHP và một hệ thống

ĐHKK truyền thống tương đương dùng nhiên liệu dầu

24

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại các phương án giải nhiệt nhà cao tầng bằng ĐHKK 27

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ ngng tụ 29

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ bay hơi 30

Hình 2.5 Hệ số lạnh thực tế tvà hệ số lạnh lý thuyết theo chu trình Carnot c 32

Hình 2.8 Water Chiller một 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 năng suất lạnh các phương án điều hòa 40

Hình 2.11 Tương quan phần trăm hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp các phương án mùa

đông

44

Hình 3.3 Đồ thị biến đổi nhiệt độ trong năm, lỗ khoan Q.34 51

Hình 3.4 Đồ thị biến đổi nhiệt độ trong năm, lỗ khoan Q.62 51

Hình 3.5 Đồ thị biến đổi nhiệt độ trong năm, lỗ khoan Q.63 52

Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của hệ thống điều hòa địa nhiệt 54

Hình 3.11 Hệ thống ống dẫn nước cấp và nước thải, bù nước 57

Hình 3.14 Biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ trong giếng cấp và giếng giải nhiệt khi chạy máy

ĐHKK địa nhiệt

61

Hình 3.15 Biểu đồ NLTT của ĐHKK địa nhiệt và ĐHKK truyền thống 61

9

MỞ ĐẦU

Sự phát triển kinh tế Thế giới kéo theo nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng Các nguồn năng lượng vì thế được khai thác và sử dụng mạnh mẽ, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch: than, dầu, khí thiên nhiên Tình trạng gia tăng khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch nói trên đang tạo ra nguy cơ cạn kiệt năng lượng, ô nhiễm môi trường; rất nhiều thách thức không nhỏ với loài người

Điều đầu tiên phải kể đến là sự biến đổi khí hậu(BĐKH) toàn cầu đang diễn ra ngày một nghiêm trọng BĐKH là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21 Những báo cáo gần đây của Ủy ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã xác nhận rằng BĐKH thực sự đang diễn ra và đã gây ra nhiều tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường tại nhiều nước trên thế giới, trong đó Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất do những tác động của BĐKH [19] BĐKH đã và đang tạo ra các tác động bất lợi đến tài nguyên thiên nhiên, điều kiện môi trường sống và các ngành kinh tế quốc dân, trong đó có ngành năng lượng

Năng lượng có vai trò vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia Năng lượng là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của các ngành kinh tế,

có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống kinh tế, chính trị, văn hóa, xã hội của các quốc gia Việc gia tăng mức độ sử dụng năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt) luôn kèm theo nguy cơ gây ô nhiễm môi trường tại khu vực sản xuất năng lượng và góp phần làm suy giảm chất lượng môi trường toàn cầu do

sự phát thải các khí nhà kính như CO2, CH4-, N2O,… vào Khí quyển ngày càng nhiều, từ đó làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và nóng lên của Trái đất

Sự nóng lên của Trái đất là nguyên nhân làm gia tăng tốc độ tan băng ở hai cực Trái đất, dẫn tới ngập úng các vùng đất thấp ven biển BĐKH hiện nay còn là nguyên nhân gia tăng cường độ các tai biến thiên nhiên: lũ lụt, hạn hán, xói lở bờ biển, dông bão, v.v

Trước những vấn đề mang tính chất nghiêm trọng đang diễn ra, Hội nghị thượng đỉnh Liên hợp quốc tổ chức tại Janero, Braxin năm 1992 đã thông qua Công ước khung về BĐKH Tiếp đó, 170 quốc gia trên Thế giới đã tham gia ký kết Nghị định thư Kyoto, với mục tiêu giảm 5,2% khí nhà kính so với mốc phát thải năm 1990 Ý tưởng về “kinh tế xanh” được Chương trình môi trường của

LHQ (UNEP) khởi xướng năm 2008 Nhiều tổ chức và diễn đàn quốc tế đã tập trung thảo luận về chủ đề kinh tế xanh, Nhiều giải pháp phát triển kinh tế xanh

đã được đề xuất tại Hội nghị về phát triển bền vững 2012 (Rio+20) tại Brazil Nhiều sáng kiến được các cơ quan Liên hợp quốc thúc đẩy hướng tới nền Kinh

tế Xanh như: Nông nghiệp thích ứng một cách thông minh với khí hậu (FAO), Đầu tư công nghệ sạch (WB), Việc làm xanh (ILO), Kinh tế Xanh (UNEP), Giáo dục vì sự phát triển bền vững (UNESCO), Xanh hóa khu vực y tế (WHO), Thị trường công nghệ xanh (WIPO), Tiêu chuẩn công nghệ thông tin xanh (ITU), Giải pháp năng lượng xanh (UN WTO), Sản xuất sạch hơn và hiệu quả

sử dụng tài nguyên (UNEP và UNIDO), Các thành phố và biến đổi khí hậu HABITAT), Tái chế tàu biển (IMO),… đang thu được nhiều kết quả tốt đẹp

(UN-Sự khan hiếm các nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng với mối đe dọa về BĐKH là những động lực thúc đẩy đầu tư nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học với vai trò là nguồn năng lượng thay thế Theo quan điểm mới đây của Bách Khoa Toàn thư Quốc tế thì "năng lượng tái tạo hay còn gọi là năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường

và đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật"

Hiện nay các nhà kinh tế và kỹ thuật đang chú ý nhiều đến các nguồn năng lượng tái tạo như : năng lượng sinh học (sinh khối, Biogas, Ethanol, Diesel sinh học,…), năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt, v.v… Theo các số liệu khoa học, tiềm năng địa nhiệt của Trái đất rất lớn, gấp nhiều lần các dạng năng lượng tái tạo đã nêu trên như năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng thủy triều Nguồn năng lượng vô tận đó có ở mọi nơi trên Trái đất, nhưng phân bố không đều và khó khai thác Ví dụ, để phát điện cần phải có nguồn địa nhiệt có nhiệt độ > 100 OC, rất phổ biến ở vùng núi lửa nhưng quá rủi

ro để lắp đặt các thiết bị thu nhiệt Nguồn năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp (<100 OC) có ở mọi nơi với gradient địa nhiệt trung bình 1OC/33 m độ sâu khó tìm các ứng dụng thực tế Lĩnh vực ứng dụng địa nhiệt nhiệt độ thấp đã được các nhà khoa học và công nghệ tìm thấy trong những năm gần đây Đó là ứng dụng cho điều hòa không khí trong các khu nhà cao tầng

11

Theo số liệu điều tra nghiên cứu dài hạn hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) chiếm khoảng hơn 60% tổng năng lượng tiêu thụ của các tòa nhà cao tầng [13] Tìm ra giải pháp giảm bớt năng lượng tiêu thụ của hệ thống ĐHKK là một phần quan trọng của giải pháp giảm nhẹ BĐKH Các hệ thống điều hòa dân

cư nhà cao tầng theo giải pháp mới cần được thiết kế theo nguyên tắc "điều hòa chung cho cả tòa nhà" Đặc biệt là với những thành phố lớn như Thượng Hải và

Vũ Hán của Trung Quốc thì tỷ lệ dùng ĐHKK có thể đạt tới 50% và thay đổi tùy theo cách tính 1 điều hòa/1 hộ gia đình hay 1 điều hòa/1 phòng Theo điều tra mới đây về mức tiêu thụ năng lượng, đối với các tòa nhà không thực hiện tiết kiệm năng lượng, thì tổng lượng điện tiêu thụ và lượng điện tiêu thụ hàng năm của hệ thống ĐHKK là vô cùng lớn Lượng điện tiêu thụ này ở Trung Quốc đạt tới con số 80 triệu kWh trong mùa hè và 200 triệu kWh trong mùa đông, bằng năng suất điện của nhà máy Sanxia có sản lượng điện hàng năm là 224 triệu kWh/năm [13] Như vậy hệ thống ĐHKK tiêu thụ một lượng điện không nhỏ trong tổng lượng điện tiêu thụ hàng năm của các tòa nhà cao tầng

Bằng việc phân tích đặc điểm nhiệt của nhà cao tầng và hiệu suất nhiệt của các thiết bị ĐHKK cho phép giảm phụ tải nhiệt của tòa nhà giảm tới 30% và phụ tải lạnh giảm tới 70% và do đó nhu cầu điện năng tiêu thụ của ĐHKK vào mùa hè giảm tới 40%; đồng nghĩa với phụ tải ĐHKK và khử ẩm hàng năm có thể giảm tới 50% [13]

Như vậy, hệ thống ĐHKK trong các công trình công cộng và dân sinh chiếm mức tiêu thụ năng lượng khá cao; điều đó cho thấy một tiềm năng tiết kiệm năng lượng nếu thực sự có phương án tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho

hệ thống này

Trong chu trình lạnh của hệ thống ĐHKK khi ta giảm hiệu nhiệt độ

  t tk t0 xuống càng thấp thì năng suất lạnh của chu trình càng tăng cao và vì thế hiệu suất của chu trình càng cao Nguồn địa nhiệt ở tầng nông tại lớp đất nông có nhiệt độ ổn định, không phụ thuộc vào bức xạ mặt trời Như vậy, vào mùa hè lớp này sẽ có nhiệt độ "mát" hơn nhiệt độ không khí ngoài trời và mùa đông sẽ có nhiệt độ "ấm" hơn nhiệt độ không khí ngoài trời Bằng một cách nào

đó nếu ta sử dụng được nhiệt độ tại lớp này để làm mát và cấp nhiệt cho bình ngưng và dàn bay hơi của hệ thống ĐHKK; thì việc giải nhiệt bình ngưng và cấp nhiệt dàn bay hơi sẽ tốt hơn Hay nói cách khác việc làm này giúp giảm hiệu nhiệt độ t xuống do đó nâng cao hiệu suất hệ thống ĐHKK

Trong tình hình hiện nay, khi BĐKH đang là vấn đề nóng lên toàn cầu, việc tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo đang

là phương châm và chính sách của các quốc gia và toàn Thế giới thì việc nghiên cứu phát triển các khả năng tiết kiệm năng lượng trong nghành kỹ thuật có ý nghĩa vô cùng quan trọng Đất nước ta là một nước nhiệt đới gió mùa khí hậu nóng ẩm mưa nhiều Địa lý nước ta chia thành hai miền Nam, Bắc có đặc điểm khí hậu phân biệt rõ rệt Miền Nam khí hậu nắng nóng và ẩm, chia làm hai mùa mưa và khô rõ rệt Miền Bắc khí hậu nóng ẩm mưa nhiều về mùa hè, ẩm và lạnh

về mùa đông Thời gian giao mùa tương đối dài đặc biệt là Miền Bắc, nên nhu cầu làm mát, hút ẩm và sưởi ấm ở nước ta rất lớn [1], [2]

Nhu cầu sử dụng ĐHKK ở nước ta là rất lớn và hệ thống này chiếm tỷ lệ tiêu thụ điện năng khá cao trong các công trình nên tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong hệ thống này cần được quan tâm Việc này có thể thực hiện được nếu ta cải thiện phương pháp giải nhiệt bình ngưng bằng cách sử dụng nước giếng khoan từ lòng đất thay cho các phương pháp giải nhiệt truyền thống khác

Từ những lí do nêu trên học viên chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả giảm

nhẹ biến đổi khí hậu khi sử dụng nguồn nhiệt nước ngầm trong trường hợp lắp đặt hệ thống điều hòa không khí tại Viện Địa chất, phố Chùa Láng - Đống

Đa - Hà Nội” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình

* Mục tiêu của đề tài :

- Có được các thí nghiệm công nghệ điều hòa không khí giải nhiệt bằng nước ngầm để đánh giá hiệu quả tiết kiệm điện năng của công nghệ ĐHKK bơm nhiệt lòng đất (GSHP hay còn gọi là ĐHKK địa nhiệt) giải nhiệt bằng nước ngầm

- Phân tích được các hiệu quả giảm nhẹ biến đổi khí hậu của công nghệ đã

đề xuất, làm tiền đề cho giải pháp tiết kiệm điện nhân rộng

* Dự kiến những đóng góp của đề tài :

Các kết quả nghiên cứu, đánh giá của đề tài sẽ là cơ sở cho việc đề xuất các biện pháp về mặt kỹ thuật và chính sách cho việc tiết kiệm năng lượng trong việc triển khai lắp đặt hệ thống điều hòa giải nhiệt bằng nước ngầm (GSHP) thay thế cho hệ thống điều hòa không khí truyền thống trong tương lai

- Về mặt kinh tế: tiết kiệm được chi phí tiêu hao năng lượng, tăng hiệu

quả kinh tế

13

- Về mặt xã hội: tiết kiệm nguồn tài nguyên năng lượng điện đang rất cần

cho việc nâng cao điều kiện sống người dân vùng sâu, vùng xa

- Về mặt môi trường: giảm thiểu phát thải khí nhà kính do sử dụng năng

đó, địa nhiệt là một nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng to lớn có thể thay thế dầu mỏ và than đá trong tương lai Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu tiềm năng của nguồn năng lượng khổng lồ này

1.1.1 Đặc tính nhiệt của lòng đất

Như chúng ta đều biết rằng vỏ trái đất được cấu tạo bởi nhiều lớp và mỗi lớp đều mang một nhiệt độ khác nhau (hình 1.1) Lớp trên cùng của vỏ trái đất chỉ có nhiệt độ trung bình năm là 150

C Ở Manti trên, nhiệt độ trung bình là

6500C Ở đới chuyển tiếp nhiệt độ bình quân là 10000C Ở Manti dưới, nhiệt độ trung bình là 30000C Tại nhân ngoài của Trái Đất nhiệt độ bình quân 50000

C Còn Nhân trong của Trái đất có trong nhiệt độ bình quân là 70000C Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ chuỗi các phản ứng hạt nhân xảy ra thường xuyên trong lòng Trái Đất

14

Đi sâu xuống lòng đất 240m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng ổn định nhiệt, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời (ở Moskva là độ sâu 20m, ở Pari là 28m) Dưới tầng ổn định nhiệt, càng sâu nhiệt độ càng tăng Người ta gọi Gradient địa nhiệt là độ sâu tính bằng mét đủ để nhiệt độ lòng đất tăng lên 10C Trị số trung bình là 33m Nếu xuống sâu được đến 60km thì lòng đất có nhiệt độ tới 18000

C Để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt người ta thường chỉ cần khoan các giếng sâu 4  5km [4]

Tuy nhiên các dòng nhiệt lại phân bố không đều, những vùng dòng nhiệt cao thường có tuổi địa chất trẻ, đang có hoạt động kiến tạo và núi lửa Người ta phải tìm những nơi có dòng nhiệt tập trung cao bất thường để khai thác có hiệu quả Tại những vùng như vậy, có hai phương án sử dụng địa nhiệt:

+ Phương án 1: Nguồn năng lượng là những bồn địa nhiệt (geothermal pool) tạo ra nước nóng và hơi nước có thể khai thác được Các bồn địa nhiệt giống như các bẫy dầu về một số tính chất, nhưng thay vì là hydrocacbon, ở đây

là nước nóng Các đá thấm chứa nước bị cô lập toàn bộ hay ít nhất một phần bởi các đá macma bên dưới Một phần nước nóng này có thể len lỏi lên bề mặt dưới dạng các suối nước nóng hoặc suối phun Phần còn lại nằm trong các túi nước có thể được khoan và đưa lên mặt đất để tạo ra điện năng

+ Phương án 2: Địa nhiệt từ các đá khô, nóng ở dưới sâu Người ta có thể

bố trí các lỗ khoan tới độ sâu nơi có các đá đủ độ nóng, rồi tạo ra một khả năng

thấm nhân tạo cho đá bằng cách bơm nước vào lỗ khoan dưới áp lực rất cao làm vỡ nứt

đá Sau đó bơm nước qua một hệ thống lỗ khoan để đưa vào đới nứt nẻ vừa tạo ra làm cho nước được nung nóng và dẫn về từ hệ thống lỗ khoan hút nước của các nhà máy nhiệt điện Nước sau khi sử dụng lại quay

về lòng đất và bắt đầu một chu kỳ tuần hoàn mới Một ví dụ cho phương án sử dụng nhiệt này là nhà máy địa nhiệt ở Soultz cách Strasbourg (Đông Bắc nước Pháp) 50km về phía Bắc Nước được đưa xuống

Hình 1.1 Kết cấu các tầng nhiệt vỏ trái đất [4]

15

độ sâu khoảng 5km tới vùng có nhiệt độ khoảng 2000C Nước được làm sôi sẽ theo ống dẫn lên và làm chạy máy phát điện

1.1.2 Tiềm năng khai thác năng lượng địa nhiệt

Theo các nhà khoa học, năng lượng địa nhiệt là một nguồn năng lượng sạch, thân thiện và gần như vô tận, có thể đáp ứng cao hơn gấp 250.000 lần nhu cầu năng lượng hàng năm của Thế giới, không gây ra các tác động tiêu cực đối với khí hậu và môi trường [4] Do đó, đây được coi là một nguồn năng lượng thay thế trong tương lai Vì lý do đó, nhiều quốc gia trên Thế giới đã đầu tư nghiên cứu, phân tích và xây dựng các công trình kỹ thuật nhằm khai thác nguồn năng lượng khổng lồ đã bị bỏ quên từ lâu này

Trên toàn Thế giới hiện nay (số liệu năm 2008), có 24 quốc gia đang khai thác và sử dụng năng lượng địa nhiệt để sản xuất ra lượng điện năng đủ để duy trì cho 60 triệu người - xấp xỉ bằng số dân của Vương Quốc Anh [4] Đến năm

2015, dự tính sẽ có khoảng 46 quốc gia sử dụng tài nguyên năng lượng này để sản xuất ra lượng điện ; tương ứng với 27 nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Hiện nay Mỹ đang là quốc gia đi đầu trong việc sản xuất địa nhiệt trong số 24 quốc gia có phát triển địa nhiệt Công suất điện địa nhiệt của Mỹ hiện chiếm 32% công suất điện địa nhiệt của các nhà máy trên Thế giới Nước

Mỹ có thể lắp đặt thiết bị công suất 100 000 MW điện địa nhiệt trong thời gian tới, đủ cung cấp điện cho 25 triệu hộ cư dân trong 50 năm Một nghiên cứu mới được công bố trong năm 2008 của viện Công Nghệ Massachusetts

(Massachusetts Institute of Technology - MIT) [4] cho biết : Nếu có thể khai

thác được 40% lượng nhiệt nằm dưới lòng đất của nước Mỹ, nó sẽ đáp ứng gấp

56.000 lần nhu cầu hiện nay của đất nước này Ở các nước đang phát triển như Philippin, Indonexia, Trung Quốc, năng lượng địa nhiệt cũng đã và đang được thăm dò và sử dụng Trong đó Philippin là nước sản xuất ra điện địa nhiệt lớn thứ hai Thế giới sau Mỹ Hiện nay 23% sản lượng điện của nước này được sản xuất từ nguồn năng lượng địa nhiệt Mục tiêu của Philippin đến năm 2010 tăng công suất sản lượng điện địa nhiệt lên 60%, tương ứng 3.130 MW Indonexia là quốc gia sản xuất điện địa nhiệt lớn thứ 3 Thế giới, hiện đang có một dự án điện địa nhiệt với công suất lên tới 6.870 MW trong 10 năm tới; tương đương với gần 30% sản lượng điện hiện tại từ tất cả các nguồn khác của nước này [4]

Ở Châu Phi, tiềm năng phát triển năng lượng địa nhiệt cũng rất lớn, đặc biệt là thung lũng Great Rift Kenya là một trong những nước đi đầu khu vực trong khai thác nguồn năng lượng tiềm ẩn này Vào cuối tháng 6 năm 2008, nước này đã triển khai dự án điện địa nhiệt có công suất khoảng 1.700 MW, tương đương 50% tổng công suất sản xuất điện từ tất cả các nguồn năng lượng khác của Kenya Ngành công nghiệp tiêu thụ hơn 30% sản lượng điện Thế giới, cũng bắt đầu quan tâm đến nguồn năng lượng địa nhiệt giá rẻ Ở Papua, New Ghine, một nhà máy điện địa nhiệt công suất 56 MW của Lihir Gold Ltd (tập đoàn khai thác vàng hàng đầu thế giới), đáp ứng 75% nhu cầu năng lượng của công ty với giá thấp hơn đáng kể so với năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch Iceland cũng đã lên kế hoạch xây dựng 5 nhà máy năng lượng địa nhiệt có tổng công suất là 225 MW để cung cấp điện cho những nhà máy luyện nhôm mới xây dựng của nước này [4]

Ở Việt Nam:

Hiện nay, Tập đoàn Ormat của Mỹ, chuyên xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt trên khắp Thế giới đã vào nước ta và xin giấy phép đầu tư xây dựng 5 nhà máy điện địa nhiệt tại Lệ Thủy (Quảng Bình), Mộ Đức (Quảng Ngãi), Nghĩa Thắng (Quảng Ngãi), Hội Vân (Bình Định) và Tu Bông (Khánh Hòa) Tổng công suất các nhà máy điện địa nhiệt này dự kiến lên đến 150  200 MW Chính phủ Việt Nam cũng đã có định hướng xây dựng nhà máy điện địa nhiệt công suất 2025 MW tại xã Cát Hiệp huyện Phù Cát (cách Qui Nhơn 35 km về phía Bắc) [4] Ưu điểm của nguồn địa nhiệt nước ta là phân bố đều khắp lãnh thổ, cho phép sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương Có thể nghiên cứu và xây dựng những trạm phát điện công suất nhỏ phục vụ làng bản vùng sâu nơi mạng lưới điện quốc gia chưa vươn tới được Theo thống kê, ở nước ta điều tra trên

số dự án đang được triển khai dùng địa nhiệt (nước ngầm) tầng nông để bơm nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí Lượng điện năng dùng để sưởi ấm hoặc làm mát ở nước ta chiếm khoảng 1015% lượng điện phát ra [7] Hệ thống ĐHKK địa nhiệt có thể tiết kiệm điện năng từ 3060% so với hệ thống ĐHKK truyền thống

1.1.3 Ứng dụng địa nhiệt trong điều hòa không khí

Trong chu trình lạnh của hệ thống ĐHKK khi ta giảm hiệu nhiệt độ

  t tk t0 xuống càng thấp thì năng suất lạnh của chu trình càng tăng cao và vì thế hiệu suất của chu trình càng cao Nguồn địa nhiệt ở tầng nông tại lớp ổn định nhiệt có nhiệt độ ổn định không phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và bằng với nhiệt

độ trung bình năm tại địa điểm khảo sát Như vậy, vào mùa hè lớp này sẽ có nhiệt độ "mát" hơn nhiệt độ không khí ngoài trời và mùa đông sẽ có nhiệt độ

"ấm" hơn nhiệt độ không khí ngoài trời Bằng một cách nào đó nếu ta sử dụng được nhiệt độ tại lớp này để làm mát và cấp nhiệt cho bình ngưng và dàn bay hơi của hệ thống ĐHKK sẽ giúp việc giải nhiệt bình ngưng và cấp nhiệt dàn bay hơi được tốt hơn Hay nói cách khác, việc làm này giúp giảm hiệu nhiệt độ t xuống do đó nâng cao hiệu suất hệ thống ĐHKK Thông thường có 3 hình thức địa nhiệt có thể đáp ứng cho công nghệ ĐHKK địa nhiệt này :

+ Sử dụng nhiệt trực tiếp của đất đá tại lớp địa nhiệt nông (lớp ổn định nhiệt) bằng các thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được chôn trực tiếp sâu trong lòng đất

+ Sử dụng nhiệt từ nguồn nước ngầm của lớp ổn định nhiệt, nước này sẽ được dẫn qua các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống ĐHKK

+ Sử dụng nhiệt từ nguồn nước mặt ở mực sâu tại các ao, hồ có nhiệt độ khá ổn định

Tương ứng với mỗi loại địa nhiệt này ta sẽ có một hệ thống ĐHKK ứng dụng công nghệ địa nhiệt

Khả năng sử dụng nguồn nước mặt như ao, hồ, sông, suối vào điều hòa không khí là rất hạn chế do quỹ nước mặt và những tiêu chuẩn về độ sạch, độ an toàn còn hạn chế, chế độ nhiệt thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ không khí

Phương án nguồn địa nhiệt là đất, đá cũng thiếu tính khả thi vì việc đào bới và lắp đặt các thiết bị trao đổi nhiệt xuống độ sâu hàng trăm mét tại một thành phố đông dân trong điều kiện hạn chế về quỹ đất như Hà Nội và các thành phố khác không thể thực hiện được

Trong các giải pháp cấp nhiệt từ nguồn địa nhiệt thì phương án sử dụng nước giếng khoan như một nguồn nhiệt ổn định là có tính khả thi nhất vì các lý

+ Nước giếng khoan có chi phí lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt thấp

1.2 Công nghệ điều hòa không khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP)

Trên Thế giới nguồn năng lượng địa nhiệt đã được ứng dụng vào hệ thống ĐHKK từ khá lâu và đã mở ra một công nghệ mới mang lại hiệu quả năng lượng

đáng kể trong ngành ĐHKK Công nghệ này có tên tiếng Anh là Ground

Source Heat Pump (GSHP), một số tài liệu còn có tên Geothermal Heat Pump (GHP)

1.2.1 Lịch sử phát triển và thành tựu nghiên cứu

Trên Thế giới:

Bơm nhiệt địa nhiệt hay còn gọi là bơm nhiệt lòng đất được sáng chế lần đầu tại Thụy Điển vào năm 1912 và đã trở thành một loại công nghệ hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường trong thế kỉ 21 Hơn 20 năm sau khi nhà máy đầu tiên được xây dựng năm 1945 (Crandall, Bắc Mỹ), một kỹ sư đã thử nghiệm với các ống đặt nằm ngang sâu 1,5m để lấy nguồn nhiệt cho bơm nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt giếng đất được giới thiệu ở Châu Âu vào cuối thập kỉ 70

Công nghệ bơm nhiệt lòng đất đã được đưa vào Trung Quốc từ những năm 90 và đã có những phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây Công nghệ GSHP đã có những đóng góp đáng kể, giúp Trung Quốc trong việc đẩy mạnh sự phát triển bền vững Tháng 10 năm 1997, Bộ năng lượng Mỹ (Department of Energy - DOE) cùng với Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã ký kết một hiệp ước chung với mục đích chính là phát triển thị trường bơm nhiệt lòng đất tại Trung Quốc Cho đến năm 2006, đã có 12 dự án GSHP được phát triển với

nỗ lực chung của DOE, hiệp hội GSHP Mỹ và công ty phát triển công nghệ mới

về năng lượng Beijing Jike, mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng tới 30% (số liệu của công trình toà nhà quốc tế Beijing - Concordia) Những đề án này đã mang lại thành công, đồng thời đã chứng minh được những lợi ích vượt trội của công nghệ GSHP so với công nghệ làm mát và sưởi ấm truyền thống đặc biệt là đối với các ứng dụng cho hộ dân cư Cuối năm 2003, Jike đã thành lập thêm 22

dự án tương tự ở phía Bắc, Trung và Nam Trung Quốc với tổng diện tích thiết

trong việc kết hợp các hệ thống điều khiển và chỉ huy đã khiến giá thành bơm nhiệt lòng đất giảm đáng kể so với ban đầu Bơm nhiệt lòng đất ngày nay đã trở thành dạng công nghệ sạch và công nghệ tiết kiệm năng lượng

Ở Việt Nam

Từ trước đến nay ở nước ta mới chỉ có những nghiên cứu về năng lượng địa nhiệt và nghiên cứu lý thuyết về bơm nhiệt Các nghiên cứu đó hoàn toàn độc lập và chưa có nghiên cứu nào kết hợp sử dụng bơm nhiệt và nguồn năng lượng địa nhiệt để phục vụ cho công nghệ ĐHKK

Năm 2013, Viện Địa chất - Viện HLKHCN Việt Nam được nhà nước phê

duyệt triển khai đề tài KC.08.16/11-15: "Nghiên cứu đánh giá một số nguồn địa nhiệt triển vọng và có điều kiện khai thác cho phát triển năng lượng ở Việt Nam" và đây là lần đầu tiên công nghệ ĐHKK địa nhiệt sử dụng nguồn nhiệt

nước ngầm để giải nhiệt được lắp đặt và ứng dụng ở Việt Nam

1.2.2 Công nghệ điều hòa không khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP)

21

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

1.2.2.2 Phân loại hệ thống GSHP

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GSHP mùa hè [12]

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GSHP mùa đông [12]

Hình 1.6 và 1.7 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang [12]

Người ta phân loại hệ thống GSHP dựa trên nhiều căn cứ và do đó có nhiều cách phân loại nhưng nhìn chung tất cả đều thuộc bốn loại chính trong đó

có loại ống nằm ngang, loại ống thẳng đứng, loại ống ngập trong ao hồ là thuộc loại vòng kín còn loại thứ tư là thuộc loại vòng hở

a) Loại vòng kín (Closed-Loop Systems)

*Loại ống nằm ngang ( Horizontal )

Loại này mang lại hiệu quả kinh tế đối với các lắp đặt dân dụng, đặc biệt

là đối với những lắp đặt mới có đủ diện tích đất cần thiết Loại này cần đào những rãnh sâu ít nhất là 1,2m (4 feet) Và hầu hết là dùng hệ thống 2 đường ống trong đó một ống chôn ở độ sâu 1,8m (6 feet) và ống còn lại chôn ở độ sâu 1,2m (4 feet) Hoặc có thể đặt hai ống gần nhau cùng độ sâu 1,5m (5 feet) nhưng rãnh phải đủ rộng 0,6m (2 feet) Phương pháp này có thể áp dụng cả với những rãnh ngắn và giảm khá nhiều chi phí lắp đặt so với những loại khác

* Loại ống thẳng đứng (Vertical)

Loại này thường dùng cho các công trình lớn như trường học, hay toà nhà cao tầng vì các công trình này có quỹ đất bị hạn chế nên không áp dụng loại ống nằm ngang được Loại ống thẳng đứng này áp dụng cho các vùng địa chất có lớp đất sỏi nông và cần hạn chế tối đa sự ảnh hưởng đến cảnh quan sẵn có Đối với một hệ thống ống thẳng đứng này người ta khoan những lỗ có đường kính khoảng 100mm (4 inches) và sâu từ 30m 120m (100 400 feet) và cách nhau khoảng 6m dài (20 feet)

Hình 1.8 Loại hệ thống GSHP có ống thẳng đứng [12]

23

Trong những lỗ này người ta nối tại đáy các cuộn ống đã được uốn theo hình chữ U lại với nhau thành vòng Các đường ống thẳng đứng được nối với các đường ống nằm ngang đã được đặt trong các rãnh đào sẵn và sau đó nối với

hệ thống bơm nhiệt của toà nhà

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

Nếu nơi đặt hệ thống sẵn có nguồn nước mặt tự nhiên như ao hồ thì loại này là lựa chọn mang tính kinh tế nhất Một đường ống cấp chạy ngầm dưới lòng đất từ toà nhà tới nguồn nước và đi vào dàn ống xoắn ruột gà được đặt sâu

ít nhất là 2,4m so với mặt nước Dàn ống này chỉ nên đặt ở phạm vi thể tích trao đổi nhiệt nhỏ, sâu và chất lượng đủ tốt

b) Loại vòng hở (Open - Loop System)

Loại hệ thống này sử dụng nước giếng hoặc nước bề mặt làm môi chất trao đổi nhiệt tuần hoàn trực tiếp cho hệ thống bơm nhiệt Sau một vòng tuần hoàn nước được trả về đất thông qua giếng, và giếng có khả năng phục hồi nhiệt còn nước bề mặt thì không có khả năng này Hệ thống chỉ áp dụng cho những nơi có khả năng cung cấp đủ nguồn nước; đồng thời còn có các yêu cầu cần phải đáp ứng như chất lượng nước, luật và quy định quản lý nước của từng địa phương, và khả năng điều hòa nhiệt của nguồn nước

Hình 1.9 Loại hệ thống GSHP có ống ngập trong ao, hồ [12]

Hình 3.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

1.2.2.3 Điều kiện địa hình và yêu cầu kỹ thuật của công nghệ

Đối với mỗi loại hệ thống GSHP sẽ có một đặc điểm về điều kiện địa hình

và kỹ thuật nhất định

Những vùng có lớp địa chất là đá cuội và sỏi cứng trên diện rộng sẽ không phù hợp với loại hệ thống ống nằm ngang hoặc thẳng đứng, vì chi phí cao và mất nhiều thời gian để lắp đặt hệ thống trao đổi nhiệt dưới lòng đất Ở các vùng này có thể khắc phục bằng cách sử dụng hệ thống ống đặt ngập trong ao hồ ở những nơi sẵn có tầng nước mặt, hoặc sử dụng hệ thống giải nhiệt bằng nước giếng khoan

Những vùng có lớp đất mềm ít đá và sỏi sẽ dễ dàng cho lắp đặt các hệ thống có ống nằm ngang và thẳng đứng.Với hai loại này thì việc đảm bảo về các thông số hình dáng, kích thước, vật liệu làm đường ống cần phải được tuân thủ nghiêm ngặt Hoạt động thăm dò địa chất, bảo quản đường ống tránh bị gỉ sét là một trong những yêu cầu cần được thực hiện chính xác

1.2.2.4 Đặc điểm vận hành của hệ thống GSHP

Như đã nói ở trên, nhiệt độ của lòng đất tại lớp ổn định nhiệt khá ổn định

do đó hệ thống GSHP đạt được công suất vận hành cũng khá ổn định Ở nước ta, nhiệt độ lòng đất giữ ở khoảng nhiệt độ từ 15250C, nhiệt độ tăng dần theo tỷ lệ

350C/100m sâu Theo số liệu điều tra nhiệt độ lòng đất tại Thượng Hải ở những độ sâu nhất định vào tháng 1 và tháng 7 ta có bảng 1.1

Bảng 1.1 Nhiệt độ ( 0 C) lòng đất vào tháng 1 và tháng 7 tại Thượng Hải - TQ [13]

Hình 1.10 Loại hệ thống GSHP vòng hở [12]

Sau một thời gian vận hành xảy ra hiện tượng là nhiệt độ của lòng đất bị biến đổi tại nơi đặt hệ thống Vào mùa hè nhiệt độ của lòng đất tại nơi này tăng lên là nguyên nhân làm cho nhiệt độ bình ngưng tăng cao hơn Như vậy, hệ số hiệu quả năng lượng COP giảm xuống Vào mùa đông nhiệt độ lòng đất nơi này giảm xuống, làm giảm khả năng cấp nhiệt của lòng đất Điều đó làm cho nhiệt

độ bay hơi thấp xuống và hệ số COP cũng giảm đi Đối với hệ thống bơm nhiệt nối đất, sự vận hành của hệ thống kín phụ thuộc vào hiệu suất nhiệt của lòng đất

và nó ảnh hưởng tới hiệu quả trao đổi nhiệt trong lòng đất Yếu tố chính thể hiện đặc tính của đất là đặc tính dẫn nhiệt, lượng nhiệt và lượng ẩm Khi vị trí lắp đặt, kiểu dáng thiết bị đã được xác định thì những thông số như đường kính, độ sâu đặt ống,nhiệt độ nước có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chính của hệ thống Khi vận hành thiết bị bơm nhiệt lòng đất cần phải mất thời gian đầu vận hành để

hệ thống đạt trao đổi nhiệt ổn định Do đó với các hệ thống GSHP, bơm nước phải được khởi động trước tiên sau một thời gian nhất định thì quạt và máy nén mới được mở

Sự biến đổi nhiệt độ của lòng đất sau một thời gian vận hành là do sự mất cân bằng giữa tải lạnh và tải nhiệt của hệ thống GSHP Nguyên lý làm việc của

hệ thống GSHP là lấy nhiệt từ nhà và thải vào lòng đất vào mùa hè và ngược lại vào mùa đông Như vậy, lòng đất trở thành một vật tích nhiệt khổng lồ Nếu lượng nhiệt lấy đi từ lòng đất bằng lượng nhiệt thải vào lòng đất thì sự cân bằng năng lượng của lòng đất được thiết lập và hệ thống chạy ổn định Tại những vùng mà việc nhu cầu tải lạnh và tải nhiệt không cân bằng nhau, thì lượng nhiệt thải vào lòng đất và lượng nhiệt lấy ra từ lòng đất không bằng nhau sẽ xảy ra sự mất cân bằng năng lượng Ví dụ: ở tỉnh Hồ Nam Trung Quốc lượng nhiệt thải vào đất lớn hơn rất nhiều so với lượng nhiệt lấy đi từ đất.(bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tải nhiệt, tải lạnh, lượng nhiệt nhận và mất của lòng đất của toà nhà Civil ở

Hồ Nam Trung Quốc, kWh [13]

Tải lạnh Tải nhiệt Nhiệt thải mùa hè Nhiệt lấy mùa đông

Tại những nơi xảy ra hiện tượng mất cân bằng năng lượng người ta khắc phục bằng cách sử dụng kết hợp hệ thống GSHP với tháp giải nhiệt nhằm giảm bớt lượng nhiệt thải vào lòng đất, để lập lại cân bằng giữa lượng nhiệt lấy đi và lượng nhiệt thải vào lòng đất Hệ thống này có tên gọi là hệ thống GSHP lai ghép Tuy nhiên, việc cân đối giữa thời gian sử dụng tháp giải nhiệt và vòng nối đất cần được tính toán cụ thể cho mỗi hệ thống

1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ GSHP

1.3.1 Ưu điểm

a) Tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành

Khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành của công nghệ GSHP là không thể phủ nhận Ví dụ hệ thống ĐHKK trung tâm nước/đất của tỉnh Sơn Đông Trung Quốc sau một năm vận hành đã thu được một kết quả khả quan, đạt giá trị COP khá cao Chi tiết số liệu được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Số liệu về hiệu suất vận hành của hệ thống GSHP tại tỉnh Sơn Đông Trung

Bảng 1.4 Đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trong một năm của hệ thống GSHP so

với một hệ thống ĐHKK sử dụng khí thiên nhiên [13]

thống Đơn vị giá Tổng giá Đơn vị giá Tổng giá

của hệ thống GSHP lại có giá trị thấp hơn hệ thống ĐHKK truyền thống

b) Thân thiện với môi trường

Hệ thống ĐHKK địa nhiệt nói riêng và các hệ thống sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt nói chung đều là các giải pháp thân thiện với môi trường Vì nó không sử dụng các loại khí nhà kính để làm lạnh, hạn chế được đáng kể lượng khí thải độc hại vào môi trường, nguồn năng lượng sử dụng là vô tận và có tác động ít, gần như vô hại đến môi trường Khi sử dụng hệ thống GSHP có thể giảm sự ô nhiễm môi trường tới 40% so với hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí và giảm 70% so với thiết bị gia nhiệt bằng điện [13] Theo số liệu của 3 dự

án GSHP thực hiện tại Bắc Kinh Trung Quốc, hiệu quả mang lại như sau: giảm lượng Sunfur dioxit (SO2) 11,2 tấn mỗi năm, giảm lượng Cacbon monoxit (CO)

và Cacbon dioxit (CO2) 473 tấn mỗi năm, giảm lượng phát thải hạt bụi trong không khí 41 tấn mỗi năm, giảm lượng chất thải bã 176 tấn mỗi năm [21]

Tại phòng thí nghiệm của nhà máy UEG, Wetzlar CHLB Đức người ta so sánh lượng phát thải khí độc hại giữa hệ thống GSHP và một hệ thống ĐHKK truyền thống tương đương dùng nhiên liệu dầu và được thể hiện ở đồ thị hình 1.11 Đồ thị cho thấy khi dùng hệ thống GSHP, lượng khí thải độc hại được giảm đi

đáng

kể

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

- Đáp ứng được các yêu cầu công nghệ đòi hỏi nhiệt độ ngưng tụ cao hoặc nhiệt độ bay hơi thấp

- Chi phí cho một đơn vị lạnh rẻ hơn nhiều so với các phương pháp ĐHKK truyền thống khác

- Sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo và bền vững

1.3.2 Nhược điểm

Bên cạnh những tiện lợi ưu điểm thì hệ thống GSHP này cũng tồn tại những nhược điểm cần được khắc phục

- Chi phí cho lắp đặt và đòi hỏi những kỹ thuật cao

- Cần thăm dò địa chất, nguồn nước và những tính toán kỹ lưỡng cho đường ống đặt ngầm dưới đất, trước khi lắp đặt hệ thống

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

- Sau một thời gian sử dụng, các hệ thống lớn có nhu cầu về tải lạnh và tải nhiệt không cân bằng nhau sẽ làm thay đổi nhiệt độ của lòng đất nơi đặt thiết bị Khi đó cần sử dụng các thiết bị lai ghép khác để khắc phục

Việc nghiên cứu và đưa hệ thống GSHP vào thực tế không chỉ có mục đích tiết kiệm chi phí năng lượng mà hơn nữa là xây dựng một công nghệ có khả

Hình 1.11 Đồ thị so sánh lượng khí phát thải của hệ thống GSHP và một hệ

thống ĐHKK truyền thống tương đương dùng nhiên liệu dầu [21]

29

năng khai thác nguồn năng lượng mới, sạch, có khả năng tái tạo phát triển bền vững

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

VÀ TÍNH TOÁN, SO SÁNH HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM

NĂNG LƯỢNG LÝ THUYẾT 2.1 Đối tượng và địa điểm nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Trong đề tài này là nguồn năng lượng địa nhiệt,

nước ngầm và công nghệ điều hòa không khí GSHP

* Địa điểm nghiên cứu: Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam, phố Chùa Láng - Đống Đa - Hà Nội

2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu và xử lí số liệu

Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích và tổng

hợp các nguồn tài liệu và số liệu thông tin có liên quan một cách có chọn lọc, từ

đó đánh giá chúng theo yêu cầu và mục đích nghiên cứu

- Phương pháp thử nghiệm mô hình công nghệ và đánh giá hiệu quả giảm nhẹ biến đổi khí hậu

Đo đạc thực tế số liệu và tính toán hiệu quả thực khi triển khai công nghệ điều hòa địa nhiệt

Bảng 2.1 Danh mục các thiết bị đo đạc

TT Tên thiết bị Nơi sản

xuất

- Phương pháp tính toán hiệu suất tiết kiệm năng lượng

Trong phần tính toán và so sánh hiệu quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống ĐHKK tác giả so sánh giữa hệ thống điều hòa bơm nhiệt lòng đất (GSHP) với các loại điều hòa không khí truyền thống Chiller giải nhiệt gió tại Hà Nội

2.2.1 Phương pháp tính toán hiệu suất năng lượng của hệ thống ĐHKK

Có thể phân loại một cách đơn giản theo phương án giải nhiệt bình ngưng các loại hệ thống điều hòa không khí thông dụng hình 2.1 và bảng 2.2

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại các phương án giải nhiệt nhà cao tầng bằng ĐHKK

Hiện nay trong các tòa nhà cao tầng người ta thường sử dụng hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) thông dụng là:

VRV gi¶i nhiÖt n-íc

Dïng n-íc giÕng khoan

Dïng n-íc giÕng khoan

Dïng th¸p gi¶i nhiÖt

Nếu dùng phương án địa nhiệt kiểu nước ngầm thì hệ thống có được sẽ là Chiller giải nhiệt nước dùng nước giếng khoan vào mùa hè và là bơm nhiệt dùng nước giếng khoan vào mùa đông Cụ thể là mùa hè thì nước giếng khoan đóng vai trò là nước giải nhiệt, nhưng về mùa đông thì nước giếng khoan lại là nguồn cấp nhiệt

Trong khuôn khổ đề tài luận văn này tác giả so sánh hiệu quả sử dụng nước giếng khoan theo ba phương án D, E và F:

Phương án D: Chiller hai chiều giải nhiệt gió có bơm nhiệt

Phương án E: Chiller với tháp giải nhiệt có phương án sưởi ấm mùa đông dùng thanh đốt điện trở

Phương án F: Chiller với tháp giải nhiệt sưởi ấm mùa đông dùng lò hơi

Cơ sở lí thuyết của phương pháp

Trong kỹ thuật lạnh, hệ số lạnh , hệ số nhiệt  hay ngày nay theo tiếng Anh gọi chung là COP (Coefficient Of Performance) thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống lạnh và bơm nhiệt COP càng lớn có nghĩa là hệ thống có hiệu suất càng cao Ngoài COP ra trong các tài liệu Anh Mỹ còn sử dụng khá nhiều các ký hiệu khác nhau với các đơn vị Anh,

Mỹ như : tỷ lệ hiệu quả năng lượng EER (Energy Efficiency Ratio) đơn vị Btu/h/W hay TR/kW với TR là tấn lạnh = Ton of Refrigeration (1 TR = 12000Btu/h = 3,516 kW); hoặc tỷ số hiệu quả làm lạnh CER (Cooling Efficiency Ratio) đơn vị giống như của EER Để đánh giá điện năng tiêu thụ dùng cho việc sản xuất ra 1 ton lạnh Mỹ (1TR) người ta còn sử dụng một kí hiệu khác là : tỷ số tiêu tốn điện năng PIC (Power Input per Capacity) đơn vị kW/TR (ngược với COP, EER và CER) [7] Để đơn giản, trong đề tài luận văn này tác giả chỉ sử dụng khái niệm COP và hiệu suất của máy lạnh được định nghĩa như sau:

e

= N¨ng suÊt l¹nh h÷u Ých thu ®­îc Q

Hiệu suất của bơm nhiệt được định nghĩa như sau:

k Heating

2.2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ t K tới năng suất lạnh

Hình 2.2 biểu diễn chu trình khô của máy lạnh nén hơi thông dụng trên đồ thị lgp-h với các điểm nút chu trình 1-2-3-4, nhiệt độ sôi T0 và nhiệt độ ngưng tụ

Tk Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 = h1-h4 (2.2)

Trên đồ thị lgp-h ta thấy rõ ràng khi nhiệt độ ngưng tụ tK tăng lên một giá trị t thì năng suất lạnh riêng q0, kJ/kg giảm một khoảng Δq0;công nén tăng

một khoảng Δl từ phương trình Q0 V q / vlt 0 1 Ta thấy khi tK tăng, q0 giảm, π tăng làm λ giảm do vậy Q0 giảm, và ngược lại [7]

33

Nếu xét chu trình quá lạnh lỏng 1-2’-3’-3-4 (giữ nguyên điều kiện làm mát) ta thấy q0 không thay đổi nhưng công nén tăng, π tăng và như vậy  cũng giảm làm Q0 giảm Ở chế độ điều hòa không khí thông thường Khi t0 giữ nguyên, nếu tk tăng lên 10C thì năng suất lạnh giảm khoảng 1,5% và công tiêu tốn tăng 1,5%

2.2.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi t 0 tới năng suất lạnh

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của năng suất lạnh vào nhiệt độ bay hơi [7]

Tương tự như hình 2.2, hình 2.3 dưới đây giới thiệu chu trình khô thông dụng của máy nén hơi trên đồ thị lgp-h với các điểm nút chu trình 1-2-3-4, năng suất lạnh q0  i1 i4

Trên đồ thị lgp-h ta thấy khi giảm nhiệt độ bay hơi xuống một khoảng t

 với điểm nút chu trình 1'-2'-3'-4' không những q0 giảm một khoảng q0mà do

v1 tăng,  tăng dẫn đến  giảm làm cho lượng môi chất qua máy nén giảm đáng

kể như vậy làm Q0 giảm mạnh Trong thực tế điều hòa không khí, khi t0 giảm

10C thì năng suất lạnh giảm khoảng 4%, và điện năng tiêu tốn tăng 1,5%[7] Để tăng Q0 thì phải tăng t0, tuy nhiên cũng không thể tăng t0 một cách tùy ý, vì khi

t0 tăng tiến gần đến nhiệt độ yêu cầu của phòng lạnh hoặc chất tải lạnh thì kéo theo diện tích trao đổi nhiệt sẽ lớn lên làm cho giá thành thiết bị cao và khó khăn trong khâu lắp đặt Vì vậy, việc lựa chọn t0 tối ưu vào mùa hè và tk tối ưu vào mùa đông cũng là một bài toán kinh tế được đặt ra

2.2.1.3 Hệ số lạnh (nhiệt) lý thuyết và hệ số lạnh (nhiệt) thực

Hệ số lạnh lý thuyết thường được tính theo chu trình Carnot [7]:

0 c

T

 

k c

t

LGP

35

+ Hệ số lạnh của chu trình lý tưởng Carnot

0 c

k c

+ Hiệu suất exergy

Hiệu suất exergy hay còn gọi là độ hoàn thiện chu trình là tỉ số giữa hệ số lạnh thực của chu trình trên hệ số lạnh của chu trình lí tưởng Carnot:

Hình 2.4 Chu trình lạnh thực có quá lạnh và quá nhiệt [7]

 của các chu trình thực là nhƣ nhau nên ta có thể so sánh trực tiếp choặc c

 của các chu trình mà không cần so sánh t vµ tnữa

Để có thể đánh giá sát hơn hệ số lạnh COPtt của các hệ thống cần phải tính toán đầy đủ các tổn thất cũng nhƣ các phần điện năng tiêu tốn khác ngoài máy nén

+ Hệ số COP của Chiller hai chiều giải nhiệt gió

Các thiết bị điện đi kèm là:

N Công suất thiết bị tự động hoá

+ Hệ số COP của Chiller một chiều giải nhiệt nước dùng tháp giải nhiệt

Các thiết bị điện đi kèm là :

Bơm nước lạnh

Quạt dàn lạnh

Máy nén

Thiết bị tự động hóa

Bơm nước giải nhiệt

Quạt tháp giải nhiệt

N Bơm nước giải nhiệt

+ Hệ số COP của Chiller một chiều giải nhiệt nước giếng khoan

Các thiết bị điện đi kèm là:

(2.12)

(2.13)

2.2.1.4 Quy ước chung

Do có sự khác biệt khá lớn giữa 2 hệ VRV và Chiller, trước hết ở đây chỉ

so sánh các phương án Chiller với nhau, nghĩa là chỉ so sánh các phương án hệ thống D, E, F theo sơ đồ

Khi so sánh hiệu quả năng lượng của một thiết bị sử dụng năng lượng nói chung và một thiết bị nhiệt nói riêng so với những thiết bị khác ta cần quy đổi về cùng một nguồn nhiên liệu sử dụng chung sao cho việc so sánh là thuận lợi nhất Theo đó, vào mùa hè thực hiện tải lạnh đối với cả ba thiết bị mà ta so sánh (là hệ thống Chiller giải nhiệt gió, hệ thống Chiller giải nhiệt nước có dùng tháp giải nhiệt, và hệ thống Chiller dùng nước giếng khoan để giải nhiệt ta tạm gọi là hệ thống Chiller địa nhiệt) đều sử dụng nguồn năng lượng vận hành là điện năng nên ta có thể so sánh hiệu quả tiết kiệm năng lượng dựa vào việc tính toán và so sánh hệ số COP theo chu trình Carnot như đã phân tích ở trên

Để việc mô tả chu trình bằng hình vẽ được đơn giản ta kí hiệu Chiller một chiều và hai chiều một cách đơn giản (hình 2.6)

Hình 2.6 Ký hiệu hình vẽ Chiller một chiều và hai chiều.[7]

a) Chiller hai chiều (máy nén đặt ngang) b) Chiller một chiều

2

_

1

_

2.2.1.5 Tính toán lí thuyết cho hệ Chiller hai chiều giải nhiệt gió

Hình 2.7 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của hệ thống ĐHKK Chiller hai chiều giải nhiệt gió Vào mùa hè Chiller làm lạnh nước từ 12oC xuống 7oC để bơm nước lạnh đưa đến các hộ tiêu thụ lạnh (các dàn FCU và AHU) Nhiệt ở dàn ngưng tụ được thải trực tiếp cho không khí ngoài trời Vào mùa đông, nhờ van đảo chiều, dàn ngưng sẽ trở thành dàn bay hơi thu nhiệt của môi trường không khí còn bình bay hơi trở thành bình ngưng sản xuất ra nước nóng ở

45 C50 C, đưa đến các dàn FCU và AHU để sưởi ấm phòng

Bảng 2.3 Thông số ĐHKK ngoài nhà cấp 2 tại Hà Nội theo tiêu chuẩn mới [7]

Bảng 2.4 Thông số vi khí hậu trong nhà tại Hà Nội theo tiêu chuẩn mới [7]

- Nhiệt độ bay hơi:

Với hệ thống Chiller do tính chất tải lạnh của nước từ Chiller tới các FCU hoặc AHU theo tiêu chuẩn điều hòa không khí Việt Nam nước lạnh ra khỏi Chiller ở chế độ nhiệt độ như sau:

t - nhiệt độ nước lạnh ra khỏi bình bay hơi

t0 - nhiệt độ sôi của môi chất lạnh

tk - nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh

tk

 - hiệu nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ ngoài trời

min

t

 - hiệu nhiệt độ tối thiểu của thiết bị trao đổi nhiệt

tN- nhiệt độ ngoài trời

Hệ số COPC của chu trình Carnot là:

0 C

k 0

2.2.1.6 Hệ Chiller giải nhiệt nước dùng tháp giải nhiệt

Hình 2.8 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của hệ Chiller giải nhiệt nước dùng tháp giải nhiệt

(2.14)

Hình 2.7 Water Chiller hai chiều giải nhiệt gió [7]