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,
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.61 MB, 102 trang )
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 NƢỚC NGẦM
TRONG TRƢỜNG 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: chƣơng trình đào tạo thí điểm
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lưu Đức Hải
Hà Nội - 2015
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Lƣu Đức Hải.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này
trung thực và chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất kỳ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên
Phan Văn Hùng
2
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
Phan Văn Hùng
3
MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................................7
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................9
CHƢƠNG 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. Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ GSHP......................................................................... 26
1.3.1. Ưu điểm.................................................................................................................. 26
1.3.2. Nhược điểm.............................................................................................................28
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP, ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN, SO SÁNH
HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG LÝ THUYẾT.......................................................29
2.1. Đối tƣợng và địa điểm nghiên cứu................................................................................29
2.2. Phƣơng 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
CHƢƠNG 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.
4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
NGHĨA TIẾNG VIỆT
CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH
HOẶC KÝ HIỆU
Air Handling Unit (AHU):
Phòng điều khiển không khí
BĐKH:
Biến đổi khí hậu
Coefficient Of Performance (COP):
Hệ số hiệu suất
ĐHKK:
Điều hòa không khí
Fan Coil Unit (FCU):
Dàn quạt
GSHP (Ground Source Heat Pump) :
Bơm nhiệt lòng đất
KNK:
Khí nhà kính
LK:
Lỗ khoan
NLTT:
Năng lƣợng tiêu thụ
Power Input Capacity (PIC) = 1/COP:
Công suất năng lƣợng đầu vào
TKNL:
Tiết kiệm năng lƣợng
TTNL:
Tiêu thụ năng lƣợng
Variable Refrigerant Volume (VRV):
Cột điều hòa biến thiên
Viện HLKHCNVN
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam
Water to air (WTA):
Bơm nhiệt gió
Water to water (WTW):
Bơm nhiệt nƣớc
p.k
Hệ số sử dụng năng lƣợng sơ cấp chung
:
T0 :
Nhiệt độ bay hơi
Tk :
Nhiệt độ ngƣng tụ
q0:
Năng suất lạnh riêng
ε:
Hệ số lạnh
φ:
Hệ số nhiệt
5
DANH MỤC BẢNG
Bảng
Bảng 1.1
Nhiệt độ (0C) lòng
Bảng 1.2
Tải nhiệt, tải lạnh,
Hồ Nam Trung Qu
Bảng 1.3
Số liệu về hiệu suấ
Quốc tháng 6 năm
Bảng 1.4
Đầu tư ban đầu và
một hệ thống ĐHK
Bảng 2.1
Danh mục các thiế
Bảng 2.2
Đặc tính của các h
Bảng 2.3
Thông số ĐHKK n
Bảng 2.4
Thông số vi khí hậu
Bảng 2.5
Bảng tổng kết giá t
Bảng 2.6
Kết quả tính toán C
Bảng 2.7
Bảng tổng kết hệ số
Bảng 2.8
Kết quả tính toán C
Bảng 2.9
Bảng tổng kết hệ s
gió/nước
Bảng 2.10
Bảng tập hợp kết q
Bảng 2.11
Bảng tổng kết quả
Bảng 2.12
Hệ số sử dụng năn
Bảng 3.1
Kết quả tính toán t
năng lượng(TKNL)
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Kết quả điện năng
dụng hệ thống ĐHK
Kết quả tính toán t
năng lượng(TKNL)
tòa nhà văn phòng
6
DANH MỤC HÌNH
Hình
Hình 1.1
Kết
Hình 1.2
Nh
Hình 1.3
Nh
Hình 1.4
Ngu
Hình 1.5
Ngu
Hình 1.6
Loạ
Hình 1.7
Loạ
Hình 1.8
Loạ
Hình 1.9
Loạ
Hình 1.10
Loạ
Hình 1.11
Đồ
ĐH
Hình 2.1
Sơ
Hình 2.2
Sự
Hình 2.3
Sự
Hình 2.4
Chu
Hình 2.5
Hệ
Hình 2.6
Ký
Hình 2.7
Wat
Hình 2.8
Wat
Hình 2.9
Wat
Hình 2.10
Tươ
Hình 2.11
Tươ
đôn
Hình 3.1
Nhi
Hình 3.2
Lượ
Hình 3.3
Đồ
Hình 3.4
Đồ
7
Hình 3.5
Đồ
Hình 3.6
Sơ
Hình 3.7
Bơm
Hình 3.8
Bơm
Hình 3.9
Hệ
Hình 3.10
Dàn
Hình 3.11
Hệ
Hình 3.12
Đồn
Hình 3.13
Giế
Hình 3.14
Biể
ĐH
Hình 3.15
Biể
8
MỞ ĐẦU
Sự phát triển kinh tế Thế giới kéo theo nhu cầu sử dụng năng lƣợng ngày
càng gia tăng. Các nguồn năng lƣợng vì thế đƣợc 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 lƣợng hóa thạch nói trên đang tạo
ra nguy cơ cạn kiệt năng lƣợng, ô nhiễm môi trƣờng; rất nhiều thách thức
không nhỏ với loài ngƣời.
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
trƣờng tại nhiều nƣớc trên thế giới, trong đó Việt Nam là một trong những nƣớc
chịu ảnh hƣởng 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
trƣờng sống và các ngành kinh tế quốc dân, trong đó có ngành năng lƣợng.
Năng lƣợng có vai trò vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của mỗi
quốc gia. Năng lƣợng 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 hƣởng 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 lƣợng hóa thạch (than,
dầu, khí đốt) luôn kèm theo nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng tại khu vực sản
xuất năng lƣợng và góp phần làm suy giảm chất lƣợng môi trƣờng toàn cầu do
sự phát thải các khí nhà kính nhƣ CO 2, 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 cƣờng độ các tai biến thiên nhiên: lũ lụt, hạn hán,
xói lở bờ biển, dông bão, v.v.
Trƣớc những vấn đề mang tính chất nghiêm trọng đang diễn ra, Hội nghị
thƣợng đỉnh Liên hợp quốc tổ chức tại Janero, Braxin năm 1992 đã thông qua
Công ƣớc khung về BĐKH. Tiếp đó, 170 quốc gia trên Thế giới đã tham gia ký
kết Nghị định thƣ Kyoto, với mục tiêu giảm 5,2% khí nhà kính so với mốc phát
thải năm 1990. Ý tƣởng về “kinh tế xanh” đƣợc Chƣơng trình môi trƣờng của
9
LHQ (UNEP) khởi xƣớng 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 đƣợc đề xuất tại Hội nghị về phát triển bền vững 2012 (Rio+20) tại Brazil.
Nhiều sáng kiến đƣợc các cơ quan Liên hợp quốc thúc đẩy hƣớng tới nền Kinh
tế Xanh nhƣ: Nông nghiệp thích ứng một cách thông minh với khí hậu (FAO),
Đầu tƣ 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 trƣờng công nghệ xanh (WIPO), Tiêu chuẩn công nghệ thông tin xanh
(ITU), Giải pháp năng lƣợng 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 (UNHABITAT), Tái chế tàu biển (IMO),… đang thu đƣợc nhiều kết quả tốt đẹp.
Sự khan hiếm các nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng với mối đe dọa về
BĐKH là những động lực thúc đẩy đầu tƣ nghiên cứu phát triển các nguồn năng
lƣợng có khả năng tái tạo nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời và năng
lƣợng sinh học với vai trò là nguồn năng lƣợng thay thế. Theo quan điểm mới
đây của Bách Khoa Toàn thƣ Quốc tế thì "năng lƣợng tái tạo hay còn gọi là
năng lƣợng tái sinh là năng lƣợng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực
của con ngƣời là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lƣợng tái tạo
là tách một phần năng lƣợng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi
trƣờng và đƣa vào trong các ứng dụng kỹ thuật".
Hiện nay các nhà kinh tế và kỹ thuật đang chú ý nhiều đến các nguồn
năng lƣợng tái tạo nhƣ : năng lƣợng sinh học (sinh khối, Biogas, Ethanol,
Diesel sinh học,…), năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy điện
nhỏ, năng lƣợng thủy triều, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng 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 lƣợng tái tạo đã nêu trên nhƣ năng lƣợng sinh học, năng lƣợng
gió, năng lƣợng thủy triều. Nguồn năng lƣợng vô tận đó có ở mọi nơi trên Trái
đất, nhƣng 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 nhƣng quá rủi
ro để lắp đặt các thiết bị thu nhiệt. Nguồn năng lƣợng địa nhiệt có nhiệt độ thấp
(<100 OC) có ở mọi nơi với gradient địa nhiệt trung bình 1 OC/33 m độ sâu khó
tìm các ứng dụng thực tế. Lĩnh vực ứng dụng địa nhiệt nhiệt độ thấp đã đƣợc
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.
10
Theo số liệu điều tra nghiên cứu dài hạn hệ thống điều hòa không khí
(ĐHKK) chiếm khoảng hơn 60% tổng năng lƣợng tiêu thụ của các tòa nhà cao
tầng [13]. Tìm ra giải pháp giảm bớt năng lƣợng tiêu thụ của hệ thống ĐHKK là
một phần quan trọng của giải pháp giảm nhẹ BĐKH. Các hệ thống điều hòa dân
cƣ nhà cao tầng theo giải pháp mới cần đƣợc thiết kế theo nguyên tắc "điều hòa
chung cho cả tòa nhà". Đặc biệt là với những thành phố lớn nhƣ Thƣợng 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 lƣợng, đối với các tòa nhà không thực hiện tiết
kiệm năng lƣợng, thì tổng lƣợng điện tiêu thụ và lƣợng điện tiêu thụ hàng năm
của hệ thống ĐHKK là vô cùng lớn. Lƣợng 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 lƣợng điện hàng năm là 224 triệu
kWh/năm [13]. Nhƣ vậy hệ thống ĐHKK tiêu thụ một lƣợng điện không nhỏ
trong tổng lƣợng 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].
Nhƣ vậy, hệ thống ĐHKK trong các công trình công cộng và dân sinh
chiếm mức tiêu thụ năng lƣợng khá cao; điều đó cho thấy một tiềm năng tiết
kiệm năng lƣợng nếu thực sự có phƣơng án tiết kiệm năng lƣợng hiệu quả cho
hệ thống này.
Trong chu trình lạnh của hệ thống ĐHKK khi ta giảm hiệu nhiệt độ ∆ t = t
k
− 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. Nhƣ 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 đƣợc nhiệt độ tại lớp này để làm mát và cấp nhiệt cho bình ngƣng và
dàn bay hơi của hệ thống ĐHKK; thì việc giải nhiệt bình ngƣng 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.
11
Trong tình hình hiện nay, khi BĐKH đang là vấn đề nóng lên toàn cầu,
việc tiết kiệm năng lƣợng và sử dụng năng lƣợng sạch, năng lƣợng tái tạo đang
là phƣơng châm và chính sách của các quốc gia và toàn Thế giới thì việc nghiên
cứu phát triển các khả năng tiết kiệm năng lƣợng trong nghành kỹ thuật có ý
nghĩa vô cùng quan trọng. Đất nƣớc ta là một nƣớc nhiệt đới gió mùa khí hậu
nóng ẩm mƣa nhiều. Địa lý nƣớc 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
mƣa và khô rõ rệt. Miền Bắc khí hậu nóng ẩm mƣa nhiều về mùa hè, ẩm và
lạnh về mùa đông. Thời gian giao mùa tƣơng đối dài đặc biệt là Miền Bắc, nên
nhu cầu làm mát, hút ẩm và sƣởi ấm ở nƣớc ta rất lớn [1], [2].
Nhu cầu sử dụng ĐHKK ở nƣớc 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
lƣợng trong hệ thống này cần đƣợc quan tâm. Việc này có thể thực hiện đƣợc
nếu ta cải thiện phƣơng pháp giải nhiệt bình ngƣng bằng cách sử dụng nƣớc
giếng khoan từ lòng đất thay cho các phƣơng 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 đƣợc các thí nghiệm công nghệ điều hòa không khí giải nhiệt bằng
nƣớc 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 nƣớc
ngầm.
- Phân tích đƣợc 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 lƣợng trong
việc triển khai lắp đặt hệ thống điều hòa giải nhiệt bằng nƣớc ngầm (GSHP)
thay thế cho hệ thống điều hòa không khí truyền thống trong tƣơng lai.
- Về mặt kinh tế: tiết kiệm đƣợc chi phí tiêu hao năng lƣợng, tăng hiệu
quả kinh tế
*
12
Về mặt xã hội: tiết kiệm nguồn tài nguyên năng lƣợng điện đang rất cần
cho việc nâng cao điều kiện sống ngƣời dân vùng sâu, vùng xa.
- Về mặt môi trường: giảm thiểu phát thải khí nhà kính do sử dụng năng
lƣợng.
-
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI
LIỆU 1.1. Giới thiệu tiềm năng địa nhiệt
Nhƣ chúng ta biết nguồn nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu thô, khí thiên
nhiên) có số lƣợng hữu hạn và đang đứng trƣớc nguy cơ cạn kiệt. Chính vì vậy
rất cần những nghiên cứu về khả năng khai thác các nguồn năng lƣợng mới và
tái tạo nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời và năng lƣợng sinh
học,...Trong đó, địa nhiệt là một nguồn năng lƣợng sạch và có tiềm năng to lớn
có thể thay thế dầu mỏ và than đá trong tƣơng lai. Sau đây chúng ta sẽ nghiên
cứu tiềm năng của nguồn năng lƣợng khổng lồ này.
1.1.1. Đặc tính nhiệt của lòng đất
Nhƣ chúng ta đều biết rằng vỏ trái đất đƣợc 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
0
0
có nhiệt độ trung bình năm là 15 C. Ở Manti trên, nhiệt độ trung bình là 650 C. Ở
0
đới chuyển tiếp nhiệt độ bình quân là 1000 C. Ở Manti dƣới, nhiệt độ trung bình là
0
0
3000 C. Tại nhân ngoài của Trái Đất nhiệt độ bình quân 5000 C. Còn Nhân trong
0
của Trái đất có trong nhiệt độ bình quân là 7000 C. Khối năng lƣợng khổng lồ đó
tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lƣợng vô hạn sinh ra từ chuỗi các
phản ứng hạt nhân xảy ra thƣờng xuyên trong lòng Trái Đất.
13
Hình 1.1 Kết cấu các tầng nhiệt vỏ trái đất [4]
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 hƣởng của bức xạ mặt trời (ở Moskva là độ sâu
20m, ở Pari là 28m). Dƣới tầng ổn định nhiệt, càng sâu nhiệt độ càng tăng.
Ngƣời 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 đƣợc đến 60km thì lòng
đất có nhiệt độ tới 18000C. Để khai thác nguồn năng lƣợng địa nhiệt ngƣời ta
thƣờng chỉ cần khoan các giếng sâu 4 ÷ 5km [4].
Tuy nhiên các dòng nhiệt lại phân bố không đều, những vùng dòng nhiệt
cao thƣờng có tuổi địa chất trẻ, đang có hoạt động kiến tạo và núi lửa. Ngƣời ta
phải tìm những nơi có dòng nhiệt tập trung cao bất thƣờng để khai thác có hiệu
quả. Tại những vùng nhƣ vậy, có hai phƣơng án sử dụng địa nhiệt:
+ Phƣơng án 1: Nguồn năng lƣợng là những bồn địa nhiệt (geothermal
pool) tạo ra nƣớc nóng và hơi nƣớc có thể khai thác đƣợc. Các bồn địa nhiệt
giống nhƣ các bẫy dầu về một số tính chất, nhƣng thay vì là hydrocacbon, ở đây
là nƣớc nóng. Các đá thấm chứa nƣớc bị cô lập toàn bộ hay ít nhất một phần bởi
các đá macma bên dƣới. Một phần nƣớc nóng này có thể len lỏi lên bề mặt dƣới
dạng các suối nƣớc nóng hoặc suối phun. Phần còn lại nằm trong các túi nƣớc
có thể đƣợc khoan và đƣa lên mặt đất để tạo ra điện năng.
+ Phƣơng án 2: Địa nhiệt từ các đá khô, nóng ở dƣới sâu. Ngƣời 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 nƣớc
vào lỗ khoan dƣới áp lực rất cao làm vỡ nứt
đá. Sau đó bơm nƣớc qua một hệ thống lỗ
khoan để đƣa vào đới nứt nẻ vừa tạo ra làm
cho nƣớc đƣợc nung nóng và dẫn về từ hệ
thống lỗ khoan hút nƣớc của các nhà máy
nhiệt điện. Nƣớc sau khi sử dụng lại quay
về lòng đất và bắt đầu một chu kỳ tuần hoàn
mới. Một ví dụ cho phƣơng án sử dụng
nhiệt này là nhà máy địa nhiệt ở Soultz cách
Strasbourg (Đông Bắc nƣớc Pháp) 50km về
phía Bắc. Nƣớc đƣợc đƣa xuống
14
Hình 1.2 và 1.3 Nhà máy điện địa nhiệt
độ sâu khoảng 5km tới vùng có nhiệt độ khoảng 200 0C. Nƣớc đƣợc 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 lƣợng địa nhiệt là một nguồn năng lƣợng
sạch, thân thiện và gần nhƣ vô tận, có thể đáp ứng cao hơn gấp 250.000 lần nhu
cầu năng lƣợng hàng năm của Thế giới, không gây ra các tác động tiêu cực đối
với khí hậu và môi trƣờng [4]. Do đó, đây đƣợc coi là một nguồn năng lƣợng
thay thế trong tƣơng lai. Vì lý do đó, nhiều quốc gia trên Thế giới đã đầu tƣ
nghiên cứu, phân tích và xây dựng các công trình kỹ thuật nhằm khai thác nguồn
năng lƣợng khổng lồ đã bị bỏ quên từ lâu này.
Trên Thế giới:
Ðịa nhiệt đƣợc sử dụng sớm nhất ở Ý từ đầu thế kỷ này, nhƣng mãi cho
đến nay mơí đƣợc chú ý do triển vọng của nó trong tƣơng lai.
Tại thành phố Swabian (Bad Urach), miền nam nƣớc Đức , một công
trình HDR đang đƣợc triển khai với giếng khoan sâu 4445m (nơi có nhiệt độ
khoảng 1700C)
Ở Iceland, công nghiệp năng lƣợng địa nhiệt tạo ra nguồn điện chiếm đến
26% (2006) tổng sản lƣợng điện của nƣớc này. Nguồn địa nhiệt cũng đã cung
cấp đƣợc nƣớc nóng cho 87% số hộ dân của nƣớc này.
Trên toàn Thế giới hiện nay (số liệu năm 2008), có 24 quốc gia đang khai
thác và sử dụng năng lƣợng địa nhiệt để sản xuất ra lƣợng điện năng đủ để duy
trì cho 60 triệu ngƣời - xấp xỉ bằng số dân của Vƣơng Quốc Anh [4]. Đến năm
2015, dự tính sẽ có khoảng 46 quốc gia sử dụng tài nguyên năng lƣợng này để
sản xuất ra lƣợng điện ; tƣơng 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.
Nƣớc 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 cƣ dân trong 50 năm. Một nghiên cứu
mới đƣợc công bố trong năm 2008 của viện Công Nghệ Massachusetts
(Massachusetts Institute of Technology - MIT) [4] cho biết : Nếu có thể khai thác
đƣợc 40% lƣợng nhiệt nằm dƣới lòng đất của nƣớc Mỹ, nó sẽ đáp ứng gấp
15
56.000 lần nhu cầu hiện nay của đất nƣớc này. Ở các nƣớc đang phát triển nhƣ
Philippin, Indonexia, Trung Quốc,... năng lƣợng địa nhiệt cũng đã và đang đƣợc
thăm dò và sử dụng. Trong đó Philippin là nƣớc sản xuất ra điện địa nhiệt lớn
thứ hai Thế giới sau Mỹ. Hiện nay 23% sản lƣợng điện của nƣớc này đƣợc sản
xuất từ nguồn năng lƣợng địa nhiệt. Mục tiêu của Philippin đến năm 2010 tăng
công suất sản lƣợng điện địa nhiệt lên 60%, tƣơng 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; tƣơng đƣơng với
gần 30% sản lƣợng điện hiện tại từ tất cả các nguồn khác của nƣớc này [4].
Châu Phi, tiềm năng phát triển năng lƣợng địa nhiệt cũng rất lớn, đặc
biệt là thung lũng Great Rift. Kenya là một trong những nƣớc đi đầu khu vực
trong khai thác nguồn năng lƣợng tiềm ẩn này. Vào cuối tháng 6 năm 2008,
nƣớc này đã triển khai dự án điện địa nhiệt có công suất khoảng 1.700 MW,
tƣơng đƣơng 50% tổng công suất sản xuất điện từ tất cả các nguồn năng lƣợng
khác của Kenya. Ngành công nghiệp tiêu thụ hơn 30% sản lƣợng điện Thế giới,
cũng bắt đầu quan tâm đến nguồn năng lƣợng 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 lƣợng của
công ty với giá thấp hơn đáng kể so với năng lƣợng từ nhiên liệu hóa thạch.
Iceland cũng đã lên kế hoạch xây dựng 5 nhà máy năng lƣợng địa nhiệt có tổng
công suất là 225 MW để cung cấp điện cho những nhà máy luyện nhôm mới xây
dựng của nƣớc này [4].
Ở
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 nƣớc ta và xin giấy phép đầu tƣ 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 hƣớng 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]. Ƣu điểm của nguồn địa nhiệt nƣớc ta là phân bố đều khắp lãnh thổ,
cho phép sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phƣơng. Có thể nghiên cứu và xây dựng
những trạm phát điện công suất nhỏ phục vụ làng bản vùng sâu nơi mạng lƣới
điện quốc gia chƣa vƣơn tới đƣợc. Theo thống kê, ở nƣớc ta điều tra trên
16
toàn quốc phát hiện 253 nguồn nƣớc nóng nhiệt độ từ 30oC trở lên, lộ trên mặt
đất tập trung ở vùng Tây Bắc và vùng Nam Trung bộ. Trong đó 72 nguồn nƣớc
có nhiệt độ khoảng 41- 600C, 36 nguồn có nhiệt độ 61-100 0C và 64 nguồn có
nhiệt độ 30 - 400C. Có 40 nguồn đƣợc thăm dò sơ bộ (tính đến năm 2001) nhằm
phục vụ yêu cầu chữa bệnh, nƣớc đóng chai, du lịch. Chỉ có hai nguồn đƣợc
nghiên cứu thử nghiệm sử dụng năng lƣợng địa nhiệt để sấy nông sản ở Bình
Định và Tuyên Quang. Bên cạnh những tiềm năng về sản xuất điện năng thì địa
nhiệt còn có một ứng dụng lớn trong ngành điều hòa không khí (ĐHKK). Một số
dự án đang đƣợc triển khai dùng địa nhiệt (nƣớc ngầm) tầng nông để bơm nhiệt
cho hệ thống điều hòa không khí. Lƣợng điện năng dùng để sƣởi ấm hoặc làm
mát ở nƣớc ta chiếm khoảng 10 ÷ 15% lƣợng 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 = t
k
− 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. Nhƣ 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
đƣợc nhiệt độ tại lớp này để làm mát và cấp nhiệt cho bình ngƣng và dàn bay
hơi của hệ thống ĐHKK sẽ giúp việc giải nhiệt bình ngƣng và cấp nhiệt dàn bay
hơi đƣợc 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 thƣờng 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 đƣợc chôn trực tiếp sâu trong lòng đất.
+
Sử dụng nhiệt từ nguồn nƣớc ngầm của lớp ổn định nhiệt, nƣớc này sẽ
đƣợc dẫn qua các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống ĐHKK.
+
Sử dụng nhiệt từ nguồn nƣớc mặt ở mực sâu tại các ao, hồ... có nhiệt độ
khá ổn định.
+
17
Tƣơng 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 nƣớc mặt nhƣ ao, hồ, sông, suối vào điều hòa
không khí là rất hạn chế do quỹ nƣớc 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.
Phƣơng 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 nhƣ Hà Nội và các thành
phố khác không thể thực hiện đƣợc.
Trong các giải pháp cấp nhiệt từ nguồn địa nhiệt thì phƣơng án sử dụng
nƣớc giếng khoan nhƣ một nguồn nhiệt ổn định là có tính khả thi nhất vì các lý
do sau:
Nƣớc giếng khoan dễ dàng khai thác trên phạm vi rộng rãi toàn thành
phố và có thể thực hiện khai thác ngay tại các hộ dân đơn lẻ.
+ Nƣớc giếng khoan ở độ sâu tại lớp ổn định nhiệt tại Hà Nội cách mặt
+
đất 10 ÷ 15m có nhiệt độ khá ổn định 250C còn ở độ sâu 30 ÷ 40m có nhiệt độ
ổn định ở 23 ÷ 24oC.
+ Nƣớc 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 lƣợng địa nhiệt đã đƣợc ứng dụng vào hệ
thống ĐHKK từ khá lâu và đã mở ra một công nghệ mới mang lại hiệu quả năng
lƣợng 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 đƣợc sáng chế lần
đầu tại Thụy Điển vào năm 1912 và đã trở thành một loại công nghệ hiệu quả
năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng trong thế kỉ 21. Hơn 20 năm sau khi nhà máy
đầu tiên đƣợc xây dựng năm 1945 (Crandall, Bắc Mỹ), một kỹ sƣ 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 đƣợc giới thiệu ở Châu Âu vào cuối thập kỉ 70
18
(Rosenblad, 1979; Drafz, 1982) và kể từ thời điểm đó các kiểu bơm nhiệt nguồn
đất khác nhau đã đƣợc sử dụng ở Thụy Điển, Đức, Thụy Sĩ và Áo [11], [13].
Bơm nhiệt lòng đất đƣợc lắp đặt nhiều ở các quốc gia phát triển thuộc Châu
Âu và nƣớc Mỹ cho mục đích làm mát, sƣởi ấm và đun nƣớc nóng vì hiệu quả cao
của nó. Kể từ năm 2006, Bộ Năng lƣợng Mỹ đã quyết định dành ra khoản ngân
sách 24 triệu USD cho nghiên cứu địa nhiệt với tin tƣởng rằng các nghiên cứu này
thực sự đƣa vào thực tế sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng về năng lƣợng cho đất
nƣớc. Thủ phủ của tiểu bang Idaho là nơi có hệ thống máy sƣởi chung dùng địa
nhiệt lâu đời nhất ở nƣớc Mỹ. Đƣờng ống phân phối năng lƣợng địa nhiệt đầu tiên
đƣợc xây dựng tại đây cách đây hơn một thế kỷ; mang lại hiệu quả tiết kiệm năng
lƣợng so với các nguồn năng lƣợng khác tới 30%. Các thành phố khác cũng có hệ
thống cung cấp năng lƣợng địa nhiệt là thành phố Reno thuộc tiểu bang Nevada,
thành phố Susanville thuộc tiểu bang California. Thành phố Klamath Falls thuộc
tiêu bang Oregon đã cho đặt những ống vòng truyền hơi nóng dƣới lề đƣờng các
khu phố chính để làm tan tuyết và băng.
Công nghệ bơm nhiệt lòng đất đã đƣợc đƣa 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 lƣợng Mỹ (Department of
Energy - DOE) cùng với Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã ký kết một
hiệp ƣớc chung với mục đích chính là phát triển thị trƣờng bơm nhiệt lòng đất
tại Trung Quốc. Cho đến năm 2006, đã có 12 dự án GSHP đƣợc phát triển với
nỗ lực chung của DOE, hiệp hội GSHP Mỹ và công ty phát triển công nghệ mới
về năng lƣợng Beijing Jike, mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng 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 đƣợc những lợi ích vƣợt trội của
công nghệ GSHP so với công nghệ làm mát và sƣởi ấm truyền thống đặc biệt là
đối với các ứng dụng cho hộ dân cƣ. Cuối năm 2003, Jike đã thành lập thêm 22
dự án tƣơng tự ở phía Bắc, Trung và Nam Trung Quốc với tổng diện tích thiết
kế là 331.904m2 [21].
Qua nhiều năm phát triển, bơm nhiệt lòng đất ngày nay khá đa dạng về
chủng loại và kích thƣớc; phù hợp với nhiều loại công trình và địa chất nơi đặt
hệ thống. Trong thời gian đó, ngƣời ta cũng đã nghiên cứu thử nghiệm và thu
đƣợc các kết quả đáng tin cậy. Với sự bố trí hợp lý hệ thống và những tiến bộ
19
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 lƣợng.
Ở Việt Nam
Từ trƣớc đến nay ở nƣớc ta mới chỉ có những nghiên cứu về năng lƣợng
địa nhiệt và nghiên cứu lý thuyết về bơm nhiệt. Các nghiên cứu đó hoàn toàn
độc lập và chƣa có nghiên cứu nào kết hợp sử dụng bơm nhiệt và nguồn năng
lƣợng địa nhiệt để phục vụ cho công nghệ ĐHKK.
Năm 2013, Viện Địa chất - Viện HLKHCN Việt Nam đƣợc nhà nƣớc 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
nƣớc ngầm để giải nhiệt đƣợc lắp đặt và ứng dụng ở Việt Nam.
1.2.2. Công nghệ điều hòa không khí bơm nhiệt lòng đất (GSHP)
1.2.2.1. Cơ sở lý thuyết
Nguyên lý hoạt động của hệ thống ĐHKK sử dụng bơm nhiệt lòng đất
đƣợc mô tả trong hình 1.4 và 1.5.
Mùa hè: Hệ thống ĐHKK thực hiện lấy nhiệt từ trong nhà và thải nhiệt ra môi
trƣờng bên ngoài. Lòng đất lúc này đóng vai trò làm môi trƣờng giải nhiệt cho
bình ngƣng của hệ thống ĐHKK. Lúc này đất có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
không khí ngoài trời khá nhiều và do đó có khả năng giải nhiệt tốt hơn không
khí ngoài trời và mang lại hiệu quả năng lƣợng cao hơn.
20
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]
Mùa đông: Hệ thống ĐHKK thực hiện lấy nhiệt từ môi trƣờng ngoài nhà và cấp
vào bên trong nhà. Lúc này môi trƣờng 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 lƣợng cao hơn.
1.2.2.2. Phân loại hệ thống GSHP
Hình 1.6 và 1.7 Loại hệ thống GSHP có ống nằm ngang [12]
21
Ngƣời ta phân loại hệ thống GSHP dựa trên nhiều căn cứ và do đó có
nhiều cách phân loại nhƣng 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 tƣ là thuộc loại vòng hở.
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
a)
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 đƣờng
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)
nhƣng rãnh phải đủ rộng 0,6m (2 feet). Phƣơng 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 thƣờng dùng cho các công trình lớn nhƣ trƣờng 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 đƣợc. 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 hƣởng đến cảnh quan sẵn có.
Đối với một hệ thống ống thẳng đứng này ngƣời ta khoan những lỗ có đƣờng
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]
22
Trong những lỗ này ngƣời ta nối tại đáy các cuộn ống đã đƣợc uốn theo
hình chữ U lại với nhau thành vòng. Các đƣờng ống thẳng đứng đƣợc nối với
các đƣờng ống nằm ngang đã đƣợc 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 nƣớc mặt tự nhiên nhƣ ao hồ thì loại
này là lựa chọn mang tính kinh tế nhất. Một đƣờng ống cấp chạy ngầm dƣới
lòng đất từ toà nhà tới nguồn nƣớc và đi vào dàn ống xoắn ruột gà đƣợc đặt sâu
ít nhất là 2,4m so với mặt nƣớc. Dàn ống này chỉ nên đặt ở phạm vi thể tích trao
đổi nhiệt nhỏ, sâu và chất lƣợng đủ tốt.
Hình 1.9 Loại hệ thống GSHP có ống ngập trong ao, hồ [12]
b) Loại vòng hở (Open - Loop System)
Loại hệ thống này sử dụng nƣớc giếng hoặc nƣớc bề mặt làm môi chất
trao đổi nhiệt tuần hoàn trực tiếp cho hệ thống bơm nhiệt. Sau một vòng tuần
hoàn nƣớc đƣợc trả về đất thông qua giếng, và giếng có khả năng phục hồi nhiệt
còn nƣớc bề mặt thì không có khả năng này. Hệ thống chỉ áp dụng cho những
nơi có khả năng cung cấp đủ nguồn nƣớc; đồng thời còn có các yêu cầu cần phải
đáp ứng nhƣ chất lƣợng nƣớc, luật và quy định quản lý nƣớc của từng địa
phƣơng, và khả năng điều hòa nhiệt của nguồn nƣớc.
23
Hình 1.10 Loại hệ thống GSHP vòng hở [12]
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 dƣới 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 nƣớc mặt, hoặc sử dụng hệ thống giải nhiệt bằng nƣớc
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 thƣớc, vật liệu làm đƣờng ống cần phải đƣợc tuân thủ
nghiêm ngặt. Hoạt động thăm dò địa chất, bảo quản đƣờng ống tránh bị gỉ sét là
một trong những yêu cầu cần đƣợc thực hiện chính xác.
1.2.2.4. Đặc điểm vận hành của hệ thống GSHP
Nhƣ đã nói ở trên, nhiệt độ của lòng đất tại lớp ổn định nhiệt khá ổn định
do đó hệ thống GSHP đạt đƣợc công suất vận hành cũng khá ổn định. Ở nƣớc
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 Thƣợng Hải ở
những độ sâu nhất định vào tháng 1 và tháng 7 ta có bảng 1.1.
0
Bảng 1.1 Nhiệt độ ( C) lòng đất vào tháng 1 và tháng 7 tại Thượng Hải - TQ [13]
24
Độ sâu, mét
