Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng của các hệ thống giải nhiệt cho chiller trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm

1

MỞ ĐẦU
+ Lý do chọn đề tài: Hệ thống điều hòa không khí trung tâm với cụm chiller là công
nghệ mới đã được phát triển rất mạnh, ứng dụng rrộng rãi trong công nghiệp và dân
dụng
Trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng nước là chất tải lạnh thì chiller là
bộ phận quan trọng nhất. Việc lựa chọn loại chiller phù hợp yêu cầu cụ thể đòi hỏi
phải có am hiểu từng loại chiller.
+ Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
 Hệ thống được bộ các tiêu chí đánh giá sử dụng năng lượng của thi t bị và hệ
thống
H

H

.

ưa ra một số giải pháp ti t kiệm năng lượng cho hệ thống

Water Chiller. Nghiên cứu, so sánh tiêu thụ năng lượng của các

phư ng án giải nhiệt cho Chiller. Ti n hành thu thập, ử lý và đánh giá các
số liệu trên mô hình thực (b m nhiệt địa nhiệt cùng với các thi t bị đo và
quan tr c.


ối tượng nghiên cứu: Hệ thống H

trung tâm Chiller với các phư ng án

giải nhiệt
 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng
+ Tóm t t cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả:
 Hệ thống hóa các phư ng án giải nhiệt cho Chiller làm lạnh nước và so sánh
tiêu thụ năng lượng của từng phư ng án cho ch độ mùa h , mùa đông.


t hợp với mô hình thực b m nhiệt địa nhiệt để đánh giá hiệu quả năng
lượng của hệ thống H

trung tâm Chiller với các thi t bị đo và quan tr c.

+ Phư ng pháp nghiên cứu.
 Nghiên cứu lý thuy t về các phư ng pháp giải nhiệt cho Chiller.


Thực nghiệm công trình, phân tích, so sánh số liệu.


2

CHNG 1. T NG QU N


1.1.

T

1.1.1. Phân loại hệ thống ĐHKK theo ph-ơng án giải nhiệt bình ng-ng

Có thể phân loại các loại hệ thống điều hòa không khí thông dụng một
cách đơn giản theo ph-ơng án giải nhiệt bình ng-ng nh- sơ đồ sau:
VRV

VRV giải
nhiệt gió

Kớ hiu
h thng

CHILLER

VRV giải
nhiệt n-ớc

Dùng
tháp
giải
nhiệt

Dùng
n-ớc
giếng
khoa
n

Chiller giải
nhiệt gió

Chiller giải

nhiệt n-ớc

Dùng
tháp
giải
nhiệt

Hố

A

B

C

D

ụng

A

B

C

D

E
E1

Dùng
n-ớc
giếng
khoa
n
F

E2

F

Hiện nay trong các tòa nhà cao tầng ng-ời ta th-ờng sử dụng 3 hệ thống
điều hòa không khí (ĐHKK) thông dụng là:
- Hệ VRV giải nhiệt gió và giải nhiệt n-ớc.
- Hệ Chiller giải nhiệt gió làm mát mùa hè, s-ởi ấm mùa đông là bơm
nhiệt.
- Hệ Chiller giải nhiệt n-ớc dùng tháp giải nhiệt làm mát mùa hè, và hai
ph-ơng án s-ởi ấm mùa đông là dùng thanh đốt điện trở hoặc sử dụng n-ớc
nóng do lò hơi cung cấp.
- Nếu dùng ph-ơng án địa nhiệt kiểu n-ớc ngầm thì hệ thống có đ-ợc sẽ
là Chiller giải nhiệt n-ớc dùng n-ớc giếng khoan vào mùa hè, và là bơm nhiệt


3

dùng n-ớc giếng khoan vào mùa đông. Cụ thể là mùa hè thì n-ớc giếng khoan
đóng vai trò là n-ớc giải nhiệt nh-ng về mùa đông thì n-ớc giếng khoan lại là
nguồn nhiệt.
Sự so sánh sẽ là hoàn thiện hơn nếu ta thực hiện so sánh ph-ơng án địa
nhiệt này với tất cả các ph-ơng án điều hòa khác đã nêu ở trên. Nh-ng với hệ

ĐHKK VRV có quá nhiều sự khác biệt so với các hệ ĐHKK trung tâm n-ớc
vì nó không có bơm n-ớc lạnh, không có bơm n-ớc giải nhiệt, không có quạt
tháp giải nhiệt nh- trong các hệ điều hòa trung tâm n-ớc do đó sẽ rất khó để
so sánh mức tiêu thụ năng l-ợng của VRV với các hệ ĐHKK trung tâm n-ớc
khác. Vì lí do đó chúng tôi tạm thời chỉ so sánh ph-ơng án sử dụng n-ớc
giếng khoan với ba ph-ơng án D, E và F:
+ Chiller hai chiều giải nhiệt gió có bơm nhiệt.
+ Chiller với tháp giải nhiệt có ph-ơng án s-ởi ấm mùa đông dùng thanh
đốt điện trở .
+ Chiller với tháp giải nhiệt s-ởi ấm mùa đông dùng lò hơi.
Bảng 4.1: Đặc tính của các hệ thống ĐHKK thông dụng
VRV (loại hai
chiều)
Đặc điểm
Giải nhiệt
gió

Giải nhiệt
n-ớc

Ph-ơng
án
làm
mát mùa
hè

Làm lạnh không khí trực
tiếp bằng dàn bay hơi

Ph-ơng

án
s-ởi
ấm mùa

Bơm nhiệt

Chiller
Giải
nhiệt
gió

Tháp
giải
nhiệt

N-ớc
giếng
khoan

Làm lạnh không khí gián tiếp bằng
n-ớc lạnh nhờ FCU và AHU

Bơm
nhiệt

Thanh
điện trở,

Bơm
nhiệt

4

đông

lò hơi

Máy
nén

- Máy nén

- Quạt dàn - Quạt dàn
lạnh
Các thiết lạnh
bị tiêu thụ - Quạt giải - Bơm n-ớc
điện năng
nhiệt
giếng
- Thiết bị tự khoan
động,...

- Thiết bị tự
động,...

- Máy
nén
- Máy nén
Máy

- Quạt - Quạt dàn
nén
dàn
- Quạt dàn
lạnh,
lạnh
lạnh
- Quạt - Bơm n-ớc
- Bơm n-ớc
lạnh
giải
lạnh,
- Bơm tháp
nhiệt
-Bơm n-ớc
- Bơm giải
giếng
nhiệt,
n-ớc
khoan
- Thiết bị
lạnh
- Thiết bị tự
- Thiết tự
động,...
bị
tự động,...
động,...

Dải năng

suất lạnh
Ph-ơng
án
giải
nhiệt bình
ng-ng

14 150
kW

14 90
kW

> 350
kW

> 350 kW

giải nhiệt
gió

giải nhiệt
bằng
n-ớc
giếng
khoan

giải
nhiệt
bằng

tháp giải
nhiệt

giải nhiệt
bằng
n-ớc
giếng
khoan

1.1.2. Phõn loi h th

b

giải
nhiệt
gió

t

Hỡnh 1 gii thiu phõn loi b m nhit si m trong k thut iu hũa khụng khớ.
u tiờn l loi giú giú T , sau ú l loi giú nc ATW, nc giú WT v nc
nc WTW.


5

Hình 1. Phân loại bơm nhiệt để sưởi ấm
Ý nghĩa ký hiệu b m nhiệt như sau: T là chữ vi t t t ti ng Anh (Air To Air),
ATW (Air To Water), WTA (Water To Air), WTW (Water To Water). Ký hiệu
đứng trước là thi t bị T N ngoài nhà, đứng sau là T N trong nhà với A là dàn

T N gió, W là bình T N với nước. Mùa đông dòng nhiệt được b m từ ngoài vào
“To” trong nhà và mùa h là ngược lại. Trong kỹ thuật điều hòa không khí b m
nhiệt T thường được gọi là máy điều hòa 2 chiều còn b m nhiệt TW thường
được gọi là chiller giải nhiệt gió 2 chiều.
Hình 2 giới thiệu b m nhiệt ATA mà trong kỹ thuật điều hòa không khí gọi là máy
điều hòa 2 chiều. Loại ATA bao gồm cả máy điều hòa phòng RAC, máy tổ hợp gọn
P C và máy điều hòa VRV/VRF.


6

Hình 2. B m nhiệt T

máy điều hòa 2 chiều)

Hình 3 giới thiệu b m nhiệt gió nước ATW mà trong kỹ thuật điều hòa không khí
thường gọi là chiller giải nhiệt gió 2 chiều.

Hình 3. B m nhiệt ATW (chiller giải nhiệt gió 2 chiều)
1. Máy nén; 2. Van đảo chiều; 3. Bình chứa cao áp; 4. Bình bay h i làm lạnh nước
mùa hè và là bình ngưng tụ vòa mùa đông; 5. Dàn ngưng vào mùa h và là dàn bay
h i thu nhiệt từ không khí ngoài trời vào mùa đông; 6. Van 1 chiều; 7. Van ti t lưu;
8. Phin sấy lọc; 9. Hệ thống HU/FCU và b m.


7

Mùa h , van đảo chiều 2 ở vị trí “làm lạnh”, h i môi chất được máy nén 1 nén vào
dàn ngưng giải nhiệt gió 5, ngưng tụ thành lỏng, chảy qua van 1 chiều 6 xuống bình
chứa, sau đó qua phin sấy lọc 8 bên phải, qua van ti t lưu 7 để vào bình bốc h i, ở

đây lỏng bốc h i để làm lạnh nước để đưa đi làm lạnh phòng, bi n thành h i và lại
được hút về máy nén, khép kín vòng tuần hoàn.
Mùa đông, van đảo chiều ở vị trí “sưởi ấm”, h i môi chất được máy nén nén đẩy
vào bình ngưng lúc trước là bình bốc h i , cấp nhiệt cho nước để đưa đi sưởi ấm
phòng, hóa lỏng và chảy qua van 1 chiều về bình chứa, đi qua phin sấy lọc, van ti t
lưu vào dàn bay h i lúc trước là dàn ngưng tụ) thu nhiệt từ không khí để bi n thành
h i và được hút về máy nén, ép kín vòng tuần hoàn.

Các loại b m nhiệt có chữ W đứng đầu sử dụng nước gi ng khoan, kể cả nước mặt,
nước thành phố và vòng nước đặt trong lòng đất thì được gọi là b m nhiệt địa nhiệt.
B m nhiệt địa nhiệt phân ra 2 loại vòng nước hở Open Water Loop và vòng nước
kín Closed Water Loop . Vòng nước hở thường là loại dùng nước gi ng khoan với
2 gi ng riêng biệt, một để cấp vào bình trao đổi nhiệt T N , một để xả, hoàn trả
nước về tầng ngầm. Hai gi ng phải cách nhau đủ a để đảm bảo không có dòng
chảy t t từ gi ng xả về gi ng cấp. Vòng hở có ưu điểm là hiệu quả T N cao h n,
nhưng có nhược điểm là thi t bị T N của b m nhiệt có thể bị đóng cặn, l ng bùn
hoặc ăn mòn bởi tạp chất chứa trong nước ngầm. Vòng nước kín là nước đi trong
vòng tuần hoàn kín từ thi t bị T N của b m nhiệt đ n hệ dàn ống ngầm đặt trong
lòng đất (gọi t t là dàn đất ). Vòng kín có ưu điểm là thi t bị T N không bị đóng
cặn, l ng bùn hoặc ăn mòn nhưng hiệu quả T N lại thấp h n. hi nước gi ng có
nhiều tạp chất phải sử dụng T N trung gian an toàn để bảo vệ b m nhiệt, khi đó
b m nhiệt dùng nước gi ng nhưng vẫn có vòng tuần hoàn kín.
Hình 4 giới thiệu b m nhiệt địa nhiệt WTA hai chiều có dàn ngoài nhà trực ti p sử
dụng nước gi ng khoan, trong đó 1- máy nén; 2- Van đổi dòng; 3- bình chứa cao áp;
4- dàn T N ngoài nhà Outdoor Unit ; 5- dàn trong nhà IU (Indoor Unit); 6- Van
một chiều; 7- Van ti t lưu nhiệt; 8- Phin sấy lọc. Về mùa đông, nước gi ng đóng vai
trò nguồn nhiệt, T N 4 là bình bay h i, dàn 5 là dàn ngưng tụ. Về mùa h , nước
gi ng làm nhiệm vụ giải nhiệt, T N 4 trở thành bình ngưng và dàn 5 trở thành dàn
bay h i trực ti p làm lạnh phòng.

8

Hình 4. Bơm nhiệt địa nhiệt nước gió WTA
Hình 5 giới thiệu b m nhiệt địa nhiệt WTW (chiller 2 chiều dùng nước gi ng
khoan vòng nước hở). Hoạt động của chiller 2 chiều tư ng tự như trên. Mùa h ,
nước gi ng làm nhiệm vụ thải nhiệt. Mùa đông nước gi ng làm nhiệm vụ nguồn
nhiệt để sưởi phòng.

Hình 5. Bơm nhiệt nước nước WTW (chiller 2 chiều dùng nước giếng khoan)
Mùa đông ở Miền B c tuy không kh c nghiệt và kéo dài nhưng vẫn phải có sưởi
ấm. Nhiều công trình sử dụng hệ thống điều hòa trung tâm nước với chiller 1 chiều
lạnh. Việc thi t k sưởi ấm rất phức tạp với các phư ng án sử dụng nồi h i hoặc
thanh điện trở sưởi trực ti p. Nồi h i có nhược điểm là làm cho hệ thống điều hòa
không khí phức tạp thêm, vận hành bảo dưỡng khó khăn, kho nhiên liệu than, dầu,
gas gây mất an toàn... Thanh điện trở sưởi trực ti p có nhược điểm là tốn điện, hiệu
suất thấp và cũng không an toàn. Theo tài liệu [8], có thể bi n hệ bi n hệ điều hòa
trung tâm nước 1 chiều thành 2 chiều với hệ van đảo chiều phía nước.
Hình 6 giới thiệu chiller 1 chiều lạnh với hệ van đảo chiều phía nước để có thể sưởi
ấm mùa đông. Mùa h van V1,2,3,4 đóng, van V5,6,7,8 mở, nước gi ng dùng để
giải nhiệt ngưng tụ, HU/FCU được nối với bình bay h i để làm lạnh phòng. Mùa
đông V1,2,3,4 mở, V5,6,7,8 đóng, nước gi ng đóng vai trò nguồn nhiệt được nối
với bình bay h i, còn HU/FCU được nối vào bình ngưng để sưởi phòng.


9

Hình 6. Chiller 1 chiều có hệ van đảo chiều phía nước để sưởi mùa đông
Theo [18], đối với những vùng có tải lạnh mùa hè và tải nhiệt mùa đông không cân
bằng, cần phải thi t k trao đổi nhiệt bổ sung tránh tích tụ nhiệt quá lớn trong lòng

đất do tải lạnh mùa hè quá lớn. ó là trường hợp của Miền B c Việt nam. Do tải
lạnh mùa hè lớn gấp 5-10 lần tải sưởi mùa đông nên hệ thống phải có tháp giải nhiệt
mùa hè. Nguồn nước gi ng chỉ để hỗ trợ thêm cho hệ thống khi tải lạnh quá lớn.
Như vậy, chỉ cần thi t k nguồn nước gi ng đủ dùng cho mùa đông. Lưu lượng
nước chỉ còn 10-20% sẽ làm giảm đáng kể công việc và kinh phí l p đặt dàn đất
hoặc khoan gi ng. Hình 7 [8] giới thiệu s đồ sưởi ấm mùa đông bằng nước gi ng
địa nhiệt) và tháp giải nhiệt cho mùa hè với chiller 1 chiều lạnh.

Hình 7. Sơ đồ lai có tháp giải nhiệt mùa hè và nước giếng mùa đông
Mùa hè, V1,2,3,4 mở, V5,6,7,8 đóng, tháp giải nhiệt làm mát bình ngưng còn
AHU/FCU nối với bình bay h i. Mùa đông, V1,2,3,4 đóng, V5,6,7,8 mở, bình


10

ngưng nối với HU/FCU còn nước gi ng nối với bình bay h i. Do thực t nhiệt
sưởi mùa đông yêu cầu ở Miền B c Việt Nam chỉ bằng 10 ÷ 20% năng suất lạnh
nên s đồ lai là giải pháp rất khả thi và TKNL cao.
1.1.3. Phân loại h th

bơ

địa nhi t

Hình 8 giới thiệu phân loại b m nhiệt địa nhiệt. ầu tiên GSHP được phân ra loại
nước gió WT
Water to ir HP và nước nước (Water to Water HP).

Hình 8. Phân loại bơm nhiệt địa nhiệt
Sau đó GSHP có thể được phân ra 2 loại vòng nước hở (Open Water Loop) và vòng

nước kín Closed Water Loop . Vòng nước hở đã được biểu diễn trên các hình
4,5,6 và 7) thường là loại dùng nước gi ng khoan với 2 gi ng riêng biệt, một để cấp
vào bình trao đổi nhiệt (T N , một để xả, hoàn trả nước về tầng ngầm. Hai gi ng
phải cách nhau đủ a để đảm bảo không có dòng chảy t t từ gi ng xả về gi ng cấp.
Vòng hở có ưu điểm là hiệu quả T N cao h n, nhưng có nhược điểm là thi t bị
T N của b m nhiệt có thể bị đóng cặn, l ng bùn hoặc ăn mòn bởi tạp chất chứa
trong nước ngầm.Vòng nước kín là nước đi trong vòng tuần hoàn kín từ thi t bị
T N của b m nhiệt đ n hệ ống ngầm đặt trong lòng đất. Vòng kín có ưu điểm là
thi t bị T N không bị đóng cặn, l ng bùn hoặc ăn mòn nhưng hiệu quả T N lại
thấp h n. Thực t do đa số nước gi ng đều có nhiều tạp chất, nên đa số các trường
hợp nước gi ng phải sử dụng T N trung gian an toàn để bảo vệ b m nhiệt, khi đó
b m nhiệt dùng nước gi ng nhưng vẫn có vòng tuần hoàn kín. TBT N sử dụng
thường là loại T N tấm bản với hiệu suất trao đổi nhiệt cao và dễ dàng vệ sinh tẩy
rửa. Nhược điểm của phư ng án này là hiệu nhiệt độ T N tăng lên do có 2 cấp
T N , hiệu quả năng lượng giảm đi và phải sử dụng 2 b m nước cho 2 vòng tuần
hoàn nước. Hình 9 giới thiệu b m nhiệt (chiller 1 chiều lạnh có van đổi chiều hệ
nước nước gi ng vòng nước kín với T N tấm bản.


11

Hình 9. B m nhiệt nước gi ng vòng nước kín với T N tấm bản.
ối với loại vòng nước kín đặt ngầm trong lòng đất có thể phân ra hai loại là hệ ống
nằm ngang và hệ ống thẳng đứng. Hệ nằm ngang là các ống T N đặt nằm ngang ở
độ sâu 1,2 đ n 1,8 m cách nhau ít nhất 0,6 m. Dàn có thể chia nhiều nhánh với ống
phân phối và ống góp để giảm thiểu tổn thất áp suất trong đường ống. Dàn có thể là
dạng ống thẳng hoặc ống xo n. Ống là loại PE mật độ cao, tuổi thọ trên 50 năm với
các mối hàn nhiệt. ộ bền c học của các mối hàn nhiệt còn cao h n cả độ bền của
chính các ống. Hệ này có ưu điểm là dễ thi công, l p đặt, giá thành rẻ, phù hợp với
GSHP gia dụng, có mặt bằng tư ng đối lớn. Diện tích mặt bằng yêu cầu từ 0 đ n 60

m2 cho 1 kW nhiệt hoặc lạnh. Hình 10 giới thiệu b m nhiệt địa nhiệt gia dụng nước
gió WT có dàn đất đặt nằm ngang, ống thẳng, 2 nhánh để làm lạnh mùa h và sưởi
ấm mùa đông. ặc điểm của vòng nước kín là phải có bình giãn nở GN l p ở phía
hút của b m.


12

Hình 10. B m nhiệt địa nhiệt dàn đất nằm ngang, 2 nhánh thẳng
Hệ thẳng đứng là những ống T N hình chữ U được bố trí vào các lỗ khoan đường
kính 10 đ n 15 cm, sâu 60 đ n 110 m đôi khi đ n 600 m). Hệ này có nhược điểm là
khó thi công, l p đặt, giá thành đ t nhưng phù hợp với các tòa nhà cao tầng có diện
tích mặt bằng đất nhỏ trong các khu đô thị chất hẹp. Diện tích mặt bằng yêu cầu cho
dàn đứng là khoảng từ 3 đ n 9 m2/kW lạnh hoặc nhiệt. Có thể tận dụng các bãi đỗ
xe, công viên hoặc các khu đất trống thậm chí diện tích phía dưới nền móng của tòa
nhà để l p đặt dàn đất. Hình 11. giới thiệu b m nhiệt địa nhiệt dàn đất đứng.


13

Hình 11. B m nhiệt địa nhiệt dàn đất đứng
Ngoài nước gi ng và nền đất, nước mặt như nước biển, nước hồ, ao, sông suối,
nước thải... đôi khi cũng được ứng dụng làm nguồn nhiệt của b m nhiệt địa nhiệt.
Khi nguồn nước là sạch có thể dùng vòng nước hở và khi nguồn nước có nhiễm bẩn
có thể dùng vòng nước kín qua T N tấm bản trung gian.
Sơ đồ lai
S đồ lai là s đồ b m nhiệt địa nhiệt WTW có lai ghép thêm với một thi t bị tỏa
nhiệt cho mùa hè ví dụ tháp giải nhiệt. Qua thực t ứng dụng cho thấy b m nhiệt địa
nhiệt làm việc hiệu quả nhất khi tải lạnh mùa hè và tải sưởi mùa đông là cân bằng
nhau. Khi tải lạnh mùa hè lớn h n tải sưởi mùa đông, nhiệt mùa hè sẽ bị tích tụ lại

trong lòng đất gây khó khăn cho việc giải nhiệt mùa hè và làm giảm hiệu quả năng
lượng của hệ thống. Tại Hà nội chẳng hạn, tải lạnh lớn gấp 5-10 lần tải sưởi. Ví dụ
tải lạnh của Nhà Quốc Hội là 8480 kW thì tải sưởi chỉ là 840 kW. N u toàn bộ nhiệt
thừa của mùa h được đẩy xuống lòng đất trong khi mùa đông chỉ lấy lên 1/10
lượng nhiệt đó để sưởi sẽ gây ra sự tích tụ nhiệt rất lớn trong lòng đất. iều này
càng trở nên trầm trọng và mất cân bằng đặc biệt khi khu vực đó có mật độ hệ thống
b m nhiệt nguồn đất lớn. Giải pháp c bản là phải tăng kích cỡ của dàn đất hoặc
gi ng khoan.


14

ể tránh phải tăng kích cỡ của dàn đất hoặc gi ng khoan là sử dụng tháp giải nhiệt
để giải nhiệt cho mùa h . Nước gi ng địa nhiệt) chỉ sử dụng hạn ch để bổ sung khi
tải nhiệt quá lớn. ây là s đồ lai có hiệu quả năng lượng cao do COP mùa hè của
hệ thống với tháp giải nhiệt cao và COP sưởi mùa đông với nước gi ng cũng rất
cao. Hình 12 giới thiệu s đồ lai với tháp giải nhiệt, chiller 1 chiều lạnh, có van đảo
chiều phía nước để sưởi ấm mùa đông.

Hình 12. S đồ lai với tháp giải nhiệt, chiller 1 chiều lạnh, có van đảo chiều phía
nước
Hệ thống tỏ ra có rất nhiều ưu điểm như:
- Loại bỏ được hệ thống sưởi truyền thống bằng nồi h i đun nước nóng dùng nhiên
liệu như than dầu khí... vì nồi h i rất kồng kềnh, kho nhiên liệu kém an toàn, việc
vận hành hệ thống lạnh và sưởi phức tạp đặc biệt đối với các tòa nhà yêu cầu an
toàn cao như khách sạn, văn phòng, bệnh viện, khu điều dưỡng... ti t kiệm được
không gian và diện tích l p đặt nồi h i, ống khói, kho nhiên liệu. ảm bảo tốt h n
ki n trúc tòa nhà.
- Không phải tăng kích cỡ của dàn đất hoặc gi ng khoan. Cỡ của dàn đất hoặc gi ng
khoan chỉ nhỏ đúng bằng nhu cầu tải sưởi mùa đông, nghĩa là chỉ bằng 1/10 so với

tải lạnh ở khu vực Hà nội. Chi phí đầu tư cho dàn đất hoặc gi ng khoan do đó cũng
giảm đi rất nhiều.


15

1.2.





Trên thế giới nguồn năng l-ợng địa nhiệt đã đ-ợc ứng dụng vào hệ thống ĐHKK từ
khá lâu và đã mở ra một công nghệ mới mang lại hiệu quả năng l-ợng 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
- Bơm nhiệt địa nhiệt hay còn gọi là bơm nhiệt nguồn đất đ-ợc sáng chế lần đầu tại
Thụy Điển vào năm 1912, và đã trở thành một loại công nghệ hiệu quả năng l-ợng
và bảo vệ môi tr-ờng trong thế kỉ 21. Hơn 20 năm sau khi nhà máy đầu tiên đ-ợc
xây dựng năm 1945 (Crandall, Bắc Mỹ), một kỹ s- 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 đ-ợc giới thiệu ở Châu Âu vào cuối thập kỉ 70 (Rosenblad, 1979; Drafz, 1982)
và kể từ thời điểm đó các kiểu bơm nhiệt nguồn đất khác nhau đã đ-ợc sử dụng ở
Thụy Điển, Đức, Thụy Sĩ và áo [12], [13].
- Bơm nhiệt nguồn đất đ-ợc lắp đặt nhiều ở các quốc gia phát triển thuộc Châu Âu
và n-ớc Mỹ cho mục đích làm mát, s-ởi ấm và đun n-ớc nóng vì hiệu quả cao của
nó. Kể từ năm 2006, Bộ năng l-ợng Mỹ đã quyết định dành ra khoản ngân sách 24
triệu USD cho nghiên cứu địa nhiệt với tin t-ởng rằng khi những nghiên cứu này
thực sự đ-a vào thực tế sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng về năng l-ợng cho đất n-ớc.

Thủ phủ của tiểu bang Idaho là nơi có hệ thống máy s-ởi chung dùng địa nhiệt lâu
đời nhất ở n-ớc Mỹ. Đ-ờng ống phân phối năng l-ợng địa nhiệt đầu tiên đ-ợc xây
dựng tại đây cách đây hơn một thế kỷ và mang lại tiết kiệm năng l-ợng so với các
nguồn năng l-ợng khác tới 30%. Các thành phố khác cũng có hệ thống cung cấp
năng l-ợng địa nhiệt là thành phố Reno thuộc tiểu bang Nevada, và thành phố
Susanville thuộc tiểu bang California. Thành phố Klamath Falls thuộc tiêu bang
Oregon đã cho đặt những ống vòng truyền hơi nóng d-ới lề đ-ờng các khu phố
chính để làm tan tuyết và băng [18].

- Công nghệ bơm nhiệt nguồn đất đã đ-ợc đ-a 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 nỗ lực đẩy
mạnh sự phát triển bền vững. Tháng 10 năm 1997, Bộ năng l-ợng Mỹ
(Department of Energy - DOE) cùng với Bộ Khoa học và Công Nghệ Trung
Quốc đã ký kết một hiệp -ớc chung mục đích chính nhằm phát triển thị tr-ờng
bơm nhiệt nguồn đất tại Trung Quốc. Cho đến năm 2006 đã có 12 dự án


16

GSHP đ-ợc phát triển với nỗ lực chung của DOE, hiệp hội GSHP Mỹ và công
ty phát triển công nghệ mới về năng l-ợng Beijing Jike, mang lại hiệu quả tiết
kiệm năng l-ợng tới 30% (số liệu của công trình toà nhà quốc tế Beijing Concordia). Những đề án này đã mang lại thành công và chứng minh đ-ợc
những lợi ích v-ợt trội của công nghệ GSHP so với công nghệ làm mát và s-ởi
ấm truyền thống đặc biệt là đối với các ứng dụng cho hộ dân c-. Cuối năm
2003 Jike đã thành lập thêm 22 dự án t-ơng tự ở phía Bắc, Trung và Nam
Trung Quốc với tổng diện tích thiết kế là 331.904 m2.
Qua nhiều năm phát triển bơm nhiệt nguồn đất ngày nay khá đa dạng về
chủng loại và kích th-ớc nhằm cung cấp phù hợp với nhiều loại công trình và
địa chất nơi đặt hệ thống. Trong thời gian đó ng-ời ta đã nghiên cứu thử

nghiệm và thu đ-ợc những kinh nghiệm đáng tin cậy. Với sự bố trí hợp lý hệ
thống, cùng với những tiến bộ trong việc kết hợp các hệ thống điều khiển và
chỉ huy khiến giá thành bơm nhiệt nguồn đất giảm đáng kể so với ban đầu.
Bơm nhiệt ngày nay đã tạo ra một tiếng vang lớn về cơ sở công nghệ sạch và
công nghệ tiết kiệm.
1.2.2. Công nghệ ĐHKK địa nhiệt (GSHP)
1.2.2.1. Cơ sở lý thuyết
Nguyên lý hoạt động của hệ thống ĐHKK nguồn đất đ-ợc mô tả trong
hình 2.1 và 2.2.
Mùa hè: Hệ thống ĐHKK thực hiện lấy
nhiệt từ trong nhà và thải nhiệt ra môi
tr-ờng bên ngoài. Lòng đất lúc này đóng
vai trò làm môi tr-ờng giải nhiệt cho
bình ng-ng của hệ thống ĐHKK. Lúc
này đất có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
không khí ngoài trời khá nhiều và do đó
Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
GSHP mùa hè

có khả năng giải nhiệt tốt hơn không khí

ngoài trời và mang lại hiệu quả năng l-ợng cao hơn.


17

Mùa đông: Hệ thống ĐHKK thực hiện
lấy nhiệt từ môi tr-ờng ngoài nhà và
cấp vào bên trong nhà. Lúc này môi
tr-ờng 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 l-ợng cao hơn.
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
GSHP mùa đông

1.2.2.2. Phân loại hệ thống GSHP
Ng-ời ta phân loại hệ thống GSHP dựa trên nhiều căn cứ và do đó có
nhiều cách phân loại nh-ng 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 t- 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 đ-ờng ống
Hình 2.3 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang

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


18

ống gần nhau cùng độ sâu 1,5m (5 feet) nh-ng rãnh phải đủ rộng 0,6m (2
feet). Ph-ơng 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 th-ờng dùng cho các công trình lớn nh- tr-ờng 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 đ-ợc. 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 h-ởng đến cảnh quan sẵn có.
Đối với một hệ thống ống thẳng đứng này ng-ời ta khoan những lỗ có đ-ờng
kính khoảng 100mm (4 inches) và
sâu

từ

30m 120m (100 400

feet) và cách nhau khoảng 6m dài
(20 feet).
Trong những lỗ này ng-ời ta nối
tại đáy các cuộn ống đã đ-ợc uốn
theo hình chữ U lại với nhau
thành vòng. Các đ-ờng ống thẳng
đứng đ-ợc nối với các đ-ờng ống
nằm ngang đã đ-ợc đặt trong các
rãnh đào sẵn và sau đó nối với hệ
Hình 2.4 Loại hệ thống GSHP có ống thẳng đứng

thống bơm nhiệt của toà nhà.

* Loại ống ngập trong hồ, ao (Lake/pond)
Nếu nơi đặt hệ thống sẵn có nguồn n-ớc mặt tự nhiên nh- ao hồ thì loại này là
lựa chọn mang tính kinh tế nhất. Một đ-ờng ống cấp chạy ngầm d-ới lòng đất
từ toà nhà tới nguồn n-ớc và đi vào dàn ống xoắn ruột gà đ-ợc đặt sâu ít nhất
là 2,4m so với mặt n-ớc. Dàn ống này chỉ nên đặt ở phạm vi thể tích trao đổi
nhiệt nhỏ, sâu và chất l-ợng đủ tốt.


19

b) Loại vòng hở (Open Loop System)
Loại hệ thống này sử dụng
n-ớc giếng hoặc n-ớc bề mặt
làm môi chất trao đổi nhiệt
tuần hoàn trực tiếp cho hệ
thống bơm nhiệt. Sau một vòng
tuần hoàn n-ớc đ-ợc trả về đất
thông qua giếng, và giếng có
khả năng phục hồi nhiệt còn n-ớc bề mặt thì không có khả năng này. Với lựa
chọn này yêu cầu một thực tế rõ ràng rằng hệ thống chỉ áp dụng cho những
nơi có khả năng cung cấp đủ
nguồn n-ớc và còn phụ thuộc vào
một loạt các vấn đề nh- n-ớc
sạch,
luật lệ của từng địa ph-ơng, và
việc điều tiết khả năng không
Hình 3.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

phục hồi nhiệt của nguồn n-ớc
ngầm.

Hình 3.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

Hình 2.6 Loại hệ thống GSHP vòng kín

1.2.3. Hiệu quả năng l-ợng của hệ thống GSHP
So với hệ thống ĐHKK truyền thống thì hệ thống GSHP có đầu t- ban
đầu cao hơn nh-ng chi phí vận hành lại thấp hơn. Một tính toán cho thấy trung


20

bình mỗi năm hệ thống này tiết kiệm đ-ợc khoảng từ 30 60%. Hệ thống
GSHP sử dụng tiết kiệm điện hơn hệ thống ĐHKK truyền thống từ 25 50%.
Hệ thống GSHP tiết kiệm đ-ợc 44% năng l-ợng so với bơm nhiệt nguồn gió
và 72% so với s-ởi ấm dùng điện và các thiết bị điều hoà truyền thống khác
[20]. ở những nơi sử dụng khí đốt thiên nhiên thì hệ thống GSHP tiết kiệm
đ-ợc 60% giá thành so với sử dụng nồi hơi để s-ởi ấm, và ở những nơi sử
dụng nhiên liệu hoá thạch thì hệ thống GSHP tiết kiệm đ-ợc 30% giá thành.
1.2.4. Đặc điểm vận hành của hệ thống GSHP
- Nh- đã nói ở trên nhiệt độ của lòng đất tại lớp Th-ờng Ôn khá ổn định
do đó hệ thống GSHP đạt đ-ợc công suất vận hành cũng khá ổn định. ở khu
vực n-ớc 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
Th-ợng Hải ở những độ sâu nhất định vào tháng 1 và tháng 7 ta có bảng 2.1
Bảng 2.1 Nhiệt độ (0C) lòng đất vào tháng 1 và tháng 7 tại Th-ợng Hải - TQ
Độ sâu, mét

0,00

0,05

0,10

0,20

0,40

0,80

1,60

3,20

Tháng 1

4,4

4,7

5,1

6,1

7,4

9,7

13,2

17,2

Tháng 7

30,4

29,5

29,3

28,4

26,7

24,2

20,7

16,7

Bảng theo dõi cho thấy nhiệt độ của lòng đất tại một độ sâu đủ lớn sẽ
đạt độ ổn định và ít biến đổi theo thời gian. Đặc tính này đảm bảo độ ổn định
nhiệt cho bình ng-ng và dàn bay hơi vì thế làm cho hệ thống vận hành t-ơng
đối ổn định.
- Sau một thời gian vận hành xảy ra một hiện t-ợng 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 ng-ng tăng cao hơn và nhvậy làm hệ số hiệu quả năng l-ợng COP giảm xuống. Vào mùa đông nhiệt độ
lòng đất nơi này giảm xuống làm giảm khả năng cấp nhiệt của đất điều đó làm
cho nhiệt độ bay hơi thấp xuống và hệ số COP cũng giảm đi. Đối với hệ thống

21

bơm nhiệt nối đất, sự vận hành của hệ thống kín phụ thuộc vào hiệu suất của
đất và nó ảnh h-ởng tới hiệu quả trao đổi nhiệt trong lòng đất. yếu tố chính
thể hiện đặc tính của đất là đặc tính dẫn nhiệt, l-ợng nhiệt và l-ợng ẩm. Khi vị
trí lắp đặt kiểu dáng thiết bị đã đ-ợc xác định thì những thông số nh- đ-ờng
kính, độ sâu đặt ống,nhiệt độ n-ớc có ảnh h-ởng trực tiếp đến hiệu suất chính
của hệ thống. Khi vận hành thiết bị bơm nhiệt nguồn 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 thì bơm n-ớc phải đ-ợc khởi động tr-ớc tiên sau một thời gian
quạt và máy nén mới đ-ợc 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 môi tr-ờng đất vào
mùa hè và ng-ợc lại vào mùa đông. Nh- vậy lòng đất trở thành một vật tích
nhiệt khổng lồ. Nếu l-ợng nhiệt lấy đi từ lòng đất bằng l-ợng nhiệt thải vào
lòng đất thì sự cân bằng năng l-ợng của lòng đất đ-ợc thiết lập và hệ thống
chạy ổn định. Tại những vùng mà việc nhu cầu tải lạnh và tải nhiệt không cân
bằng nhau khi đó l-ợng nhiệt thải vào lòng đất và l-ợng nhiệt lấy ra từ lòng
đất không bằng nhau và sự mất cân bằng năng l-ợng xảy ra. Ví dụ ở tỉnh Hồ
Nam Trung Quốc l-ợng nhiệt thải vào đất lớn hơn rất nhiều so với l-ợng nhiệt
lấy đi từ đất.
Bảng 2.2 Tải nhiệt, tải lạnh, l-ợng nhiệt nhận và mất của lòng đất của toà nhà
Civil ở Hồ Nam Trung Quốc, kWh
Tải lạnh

Tải nhiệt

Nhiệt thải mùa hè

Nhiệt

lấy

mỳa

đông
42,2

35,5

56,1

22,3

Tại những nơi xảy ra hiện t-ợng mất cân bằng năng l-ợng ng-ời ta khắc phục
bằng cách sử dụng kết hợp hệ thống GSHP với tháp giải nhiệt nhằm giảm bớt
l-ợng nhiệt thải vào lòng đất để lập lại cân bằng giữa l-ợng nhiệt lấy đi và


22

l-ợng 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 đ-ợc tính toán cụ thể cho mỗi hệ thống.
1.2.5. Ưu nh-ợc điểm của công nghệ GSHP
1.2.5.1. -u điểm
a) Tiết kiệm năng l-ợng, giảm chi phí vận hành
Khả năng tiết kiệm năng l-ợng và giảm chi phí vận hành của công nghệ

GSHP là không thể phủ nhận. Lấy ví dụ hệ thống ĐHKK trung tâm n-ớc/đất
của tỉnh Sơn Đông Trung Quốc sau một năm vận hành đã thu đ-ợc một kết
quả khả quan, đạt giá trị COP khá cao. Chi tiết số liệu đ-ợc trình bày trong
bảng 3.3
Bảng 2.3 Số liệu về hiệu suất vận hành của hệ thống GSHP tại tỉnh Sơn Đông
Trung Quốc tháng 6 năm 2000.
Mùa hè, 0C

Mùa đông, 0C

Nhiệt độ n-ớc lạnh vào/ra

9

15

50

40

Nhiệt độ n-ớc ngầm vào/ra

15

24

15

9

Nhiệt độ không khí trong phòng

22

26

> 20

Giá trị COP

4.37

3.13

3,49

2,72

Một ví dụ về khả năng tiết kiệm năng l-ợng và giảm chi phí của hệ
thống GSHP là toà nhà Beijing Concordia đ-ợc lắp đặt hệ thống GSHP. Theo
kết quả điều tra phân tích năm 2002, các số liệu về giá thành đầu t- ban đầu
và chi phí vận hành đ-ợc thể hiện trong bảng 2.4
Bảng 2.4 Đầu t- 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.


23

Các mục

Hệ thống GSHP

Hệ

thống

ĐHKK

truyền thống

Đơn vị giá Tổng giá

Đơn vị giá Tổng giá

USD/m2

USD

USD/m2

USD

Giá thiết bị

27,0

1.900 000

26,46

1.850 000

Giá động cơ

16,4

1.150 000

17,76

1.240 000

Tổng đầu t-

43,5

3.050 000

44,22

3.100 000

Giá vận hành Heating

1,6

181 353

3,63

318 968

Giá vận hành Cooling

1,0

90 374

1,72

151,026

302

45 308

302

105 719

Chi phí cho không gian đặt
thiết bị

Theo số liệu trong bảng 2.4 ta nhận thấy giá thành đầu t- ban đầu của hệ
thống GSHP cao hơn so với hệ thống ĐHKK truyền thống xong giá thành vận
hành lại thấp hơn vì thế tổng giá thành cho không gian lạnh tính trên 1m2 của
hệ thống GSHP (45 308 USD) lại có giá trị thấp hơn hệ thống ĐHKK truyền
thống (105 719 USD).
b) Thân thiện với môi tr-ờng
Hệ thống ĐHKK địa nhiệt nói riêng và các hệ thống sử dụng nguồn

năng l-ợng địa nhiệt nói chung đều là các giải pháp thân thiện với môi tr-ờng.
Vì nó hạn chế đ-ợc đáng kể l-ợng khí thải độc hại vào môi tr-ờng, nguồn
năng l-ợng sử dụng là vô tận và có tác động gần nh- vô hại đến môi tr-ờng.
Khi sử dụng hệ thống GSHP có thể giảm sự ô nhiễm môi tr-ờng tới 40% so
với hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí và giảm 70% so với thiết bị gia nhiệt
bằng điện [12]. Theo số liệu của 3 dự án GSHP thực hiện tại Bắc Kinh Trung
Quốc hiệu quả mang lại nh- sau: Giảm l-ợng Sunfur dioxit (SO2) 11,2 tấn mỗi
năm, giảm l-ợng Cacbon monoxit (CO) và Cacbon dioxit (CO2) 473 tấn mỗi


24

năm, giảm l-ợng phát thải hạt bụi trong không khí 41 tấn mỗi năm, giảm
l-ợng chất thải bã 176 tấn mỗi năm [14].
Tại phòng thí nghiệm
GSHP

AC truyen thong

của nhà máy UEG, Wetzlar

180

160

160

CHLB Đức ng-ời ta so sánh

Kg/nm

140
120
100

l-ợng phát thải khí độc hại

78

80

55

60

35

40
20

4

giữa hệ thống GSHP và một

35
10

2

8

2

hệ thống ĐHKK truyền

CxOy

thống t-ơng đ-ơng dùng

0

partic.

SO2

Nox

CO

Hình 2.7 Đồ thị so sánh l-ợng khí phát thải của hệ thống
nhiên liệu
GSHP và một hệ thống ĐHKK truyền thống t-ơng đ-ơng
thị hình 2.7 [21].
dùngTrên
nhiênđồ
liệuthị
dầu.nhận thấy khi dùng hệ thống

dầu và đ-ợc đồ
GSHP l-ợng khí

thải độc hại đ-ợc giảm đi đáng kể.
c) Các -u điểm khác
- Vận hành êm hơn các hệ thống khác.
- Dòng không khí ổn định hơn.
- Giảm thiểu sự phát tán vi khuẩn và virut gây bệnh trong không gian
điều hoà.
- Giảm thiểu khả năng gây cháy nổ do rò rỉ ga.
- Đáp ứng đ-ợc các yêu cầu công nghệ đòi hỏi nhiệt độ ng-ng tụ cao
hoặc nhiệt độ bay hơi thấp.
- Chi phí cho một đơn vị lạnh rẻ hơn nhiều so với các ph-ơng pháp
ĐHKK truyền thống khác.
- Sử dụng nguồn năng l-ợng sạch, có khả năng tái tạo và bền vững.
12.5.2. Nh-ợc điểm
Tuy nhiên bên cạnh những tiện lợi -u việt mang lại thì hệ thống này
cũng tồn tại những nh-ợc điểm cần đ-ợc khắc phục.
- Chi phí cho lắp đặt cao và đòi hỏi những kỹ thuật cao.


25

- Cần nhiều sự chuẩn bị về thăm dò địa chất, nguồn n-ớc và những tính
toán kỹ l-ỡng cho đ-ờng ống đặt ngầm d-ới đất tr-ớc 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 n-ớc giếng khoan.
- Sau một thời gian sử dụng đối với 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 đ-a hệ thống GSHP vào thực tế không chỉ với mục đích
tiết kiệm chi phí năng l-ợng mà mục đích chính và to lớn hơn là nó xây dựng

một công nghệ có khả năng khai thác nguồn năng l-ợng mới, sạch, có khả
năng tái tạo và bền vững phục vụ cho một nền kinh tế phát triển vững mạnh
lâu dài.