Hiện nay, vấn đề giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng tự nhiên (mặt trời, gió, không khí) với trữ lượng vô hạn không mất tiền mua và nhân tạo (điện) vào mục đích phục vụ con người là mối quan tâm hàng đầu cho các chủ đầu tư/nhà thiết kế trong thiết kế xây dựng các tòa nhà cao tầng.
Cung cấp nước nóng kiểu tập trung và điều hòa không khí không gian công cộng (sảnh, hành lang) với việc sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên (chính) và nguồn năng lượng điện (phụ) đang dần được hiện thực. Trong đó, nguồn năng lượng chính là năng lượng mặt trời, năng lượng không khí, năng lượng điện chỉ đóng vai trò là nguồn năng lượng cho máy bơm nhiệt hoạt động để tạo ra nhiệt nóng và gió mát từ nhiệt năng không khí trong môi trường.
Việc kết hợp các nguồn năng lượng này trong một hệ thống kỹ thuật có điều khiển tự động để tạo ra một nguồn nước nóng với sự ổn định nhiệt độ quanh 600C theo nguyên lý tuần hoàn cưỡng bức khối nước nóng và luồng gió mát là một vấn đề kỹ thuật-kinh tế cần được quan tâm cao của các kỹ sư M&E trong thiết kế kỹ thuật công trình tòa nhà cao tầng.
Nội dung Nguyên lý hoạt động, hiệu quả tạo nhiệt để gia nhiệt nước của “solar sun” đã khá rõ, nên bài viết này chỉ giới thiệu về máy nước nóng năng lượng không khí (bơm nhiệt) và hệ thống cấp nước nóng mà người viết bài đã trực tiếp thiết kế, đưa vào sử dụng thực tế với khả năng tiết kiệm năng lượng điện rất tốt.
Cấu tạo máy nước nóng nhiệt năng không khí
Máy nước nóng nhiệt năng không khí Máy nước nóng năng lượng không khí sử dụng bơm nhiệt để di chuyển nhiệt từ nguồn nhiệt thấp (không khí môi trường xung quanh) tới nguồn nhiệt cao hơn (bình chứa nước nóng) để làm nóng nước. Hệ thống này làm việc trên nguyên lý của điều hòa nhiệt độ hai chiều, nhưng hoạt động theo nguyên lý ngược với quy trình làm lạnh. Thiết bị này sử dụng môi chất lạnh là gas R410A và gas R134A.
Hệ thống máy nước nóng dùng bơm nhiệt bao gồm bốn thành phần cơ bản: dàn bay hơi, máy nén, bình ngưng và van tiết lưu
Với sự luân chuyển nhiệt năng theo một vòng tuần hoàn kín: bay hơi (trích xuất nhiệt từ không khí trong môi trường xung quanh) – nén – ngưng tụ (truyền nhiệt làm nóng nước trong bình bảo ôn) – tiết lưu – bay hơi, nhiệt năng đã được truyền từ không khí tồn tại trong môi trường xung quanh sang cho nước chứa trong bình bảo ôn và làm nóng nước. Máy nước nóng bơm nhiệt có ưu điểm chính là hiệu suất đạt tới 400%.
Khi bơm nhiệt làm việc, nhiệt năng có sẵn trong không khí ở môi trường xung quanh bơm nhiệt được trích xuất khi không khí được thổi qua dàn bay hơi. Khi đó máy nén sẽ tăng áp suất và kích nhiệt lên cao nhờ vào tính chất riêng của dung môi lạnh. Qua hệ thống luân chuyển nhiệt, nhiệt năng được tạo ra sau khi đi qua máy nén được truyền sang nước lạnh nằm sẵn trong bình bảo ôn trong quá trình ngưng tụ.
Sử dụng kết hợp với bơm nước lạnh vào bình ngưng tạo ra sự tuần hoàn nước và dung môi lạnh sẽ hình thành được sự làm nóng liên tục nước lạnh tại bình ngưng nhờ trích xuất nhiệt năng không khí với năng lượng điện tiêu thụ cho việc trích xuất này là rất nhỏ so với năng lượng tạo ra bởi trích xuất.
Theo tính toán dựa trên định luật Carnot, nhiệt năng được trích suất từ không khí QA bằng ¾ nhiệt năng được tạo ra tại bình ngưng QC và đây chính là phần năng lượng hệ thống tiết kiệm được. Hệ thống chỉ tiêu thụ lượng điện năng QB bằng ¼ tổng năng lượng tạo ra. Do vậy khi sử dụng công nghệ bơm nhiệt làm nóng nước phục vụ cho sinh hoạt sẽ tiết kiệm điện rất tốt
So sánh chi phí của tất cả các loại năng lượng
Hệ cấp nước nóng và gió mát tòa nhà Nguyên lý hệ cấp nước nóng và gió mát cho tòa nhà cao tầng gồm – Các bơm P0; P1; P2; P3; P4 đóng vai trò cung cấp nước vào bồn “chilled-water bath”, vào “solar energy”, vào bồn “constant temperature water-bath”, vào “heat pump”; tăng áp nước nóng và hồi nước sau vòi sử dụng về bồn “chiled-water bath”; – Bồn “chilled-water bath” có chức năng tiếp nhận nguồn nước lạnh cần làm nóng; – Bồn “constant temperature water-bath” có chức năng chứa nước đạt nhiệt độ yêu cầu để cung cấp cho nhu cầu sử dụng; – “Heat pump” là bơm nhiệt có chức năng làm nóng nước và sản sinh gió mát; – “PLC” và máy tính có chức năng điều khiển và giám sát trạng thái hoạt động của hệ; – “Solar enegry” là dàn hấp thu năng lượng mặt trời có chức năng làm nóng nước lạnh; – Công tắc mức “L.sw (0, 1)” đóng vai trò “ON/OFF” bơm P0, P1, P2; – Các cảm biến nhiệt S1; S2; S3 đóng vai trò “ON/OFF” bơm P1; bơm P3 và “valve 3”, “ON/OFF” bơm P2 và “valve 1”, “ON/OFF” bơm P3 và “valve 2”; – Công tắc lưu lượng “Flow. Sw” có chức năng “ON/OFF” bơm P4.
Nguyên lý hoạt động của hệ như sau: Hệ có thể hoạt động theo hai nguyên lý (phụ thuộc vào chương trình điều khiển được viết đổ vào PLC) là tuần hoàn cưỡng bức (liên tục) hoặc không tuần hoàn (gián đoạn).
Sơ đồ nguyên lý hệ cấp nước nóng và gió mát tòa nhà cao tầng
Nguyên lý hoạt động liên tục – Trạng thái ban đầu: hai bồn chứa nước rỗng; – Khởi động hệ thống: bơm P0 chạy, bơm nước vào bồn “chilled-water bath” cho đến khi bồn đạt mức yêu cầu thì công tắc mức “L.sw0” xuất tín hiệu dừng P0; – Trạng thái làm việc: Khi bồn “chilled-water bath” đầy, bơm P1 chạy để bơm nước lên dàn “solar energy”. Nước chạy qua dàn “solar energy” sẽ được hấp thụ nhiệt lượng bởi năng lượng mặt trời và đổ xuống bồn “chilled-water bath”rồi lại được bơm lên dàn “solar energy”. Nước cứ tuần hoàn như vậy cho đến khi đạt nhiệt độ tối đa bởi năng lượng mặt trời thì cảm biến nhiệt S1 sẽ xuất tín hiệu dừng bơm P1.
Khi nhiệt độ nước trong bồn “chilled-water bath”đạt nhiệt độ yêu cầu, cảm biến nhiệt S2 xuất tín hiệu mở “valve 1” và khởi động bơm P2 để bơm nước nóng vào bồn “constant temperature water-bath”.
Quá trình bơm làm mức nước trong bồn “chilled-water bath” giảm đi đến mức nào đó sẽ làm cho công tắc mức‘L.sw0” xuất tín hiệu khởi động bơm P0 để cấp nước lạnh vào bồn “chilled-water bath” và làm cho nhiệt độ nước trong bồn này giảm xuống. Khi nhiệt độ nước trong bồn này giảm đến một nhiệt độ xác định, cảm biến S2 sẽ xuất tín hiệu dừng bơm P2, khóa van “valve 1” và khởi động bơm P1 để tiếp tục làm nóng nước trong bồn “chilled-water bath”.
Quá trình tuần hoàn để làm nóng nước trong bồn “chilled-water bath” và cấp nước cho bồn “constant temperature water bath” cứ diễn ra liên tục như vậy cho đến khi nước nóng trong bồn “constant temperature-water bath” đầy. Khi này, công tắc mức “L.sw1” sẽ xuất tín hiệu dừng bơm P2 và khóa van “valve 1”.
Khi có nhu cầu dùng nước nóng, công tắc lưu lượng sẽ khởi động bơm tăng áp P4 để có nước nóng đủ áp cho người sử dụng và bơm nước nóng đã suy giảm nhiệt độ về bồn “chilled-water bath” với mục đích làm nóng lại và tiết kiệm nhiệt nước đã được làm nóng.
Trong thời gian không sử dụng nước nóng, nếu nhiệt độ trong bồn “constant temperature water-bath” giảm xuống thấp hơn mức yêu cầu thì cảm biến nhiệt S3 sẽ xuất tín hiệu khởi động bơm P3, “heat pump” và mở van “valve 2” để bơm nhiệt tham gia vào quá trình làm nóng lại nước trong bồn “constant temperature water-bath” cho đến nhiệt độ yêu cầu thì S3 sẽ xuất tín hiệu dừng bơm P3, bơm nhiệt và khóa van “valve 2”.
Quá trình tuần hoàn nước để làm nóng nước trong bồn “chilledwater-bath” sẽ diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định. Khi sau hai vòng tuần hoàn mà niệt độ nước ở đầu ra của dàn “solar energy” không tăng lên thì bơm P1 sẽ dừng và kịch hoạt bơm P3, bơm nhiệt chạy và van “valve 3” mở để đưa quá trình làm nóng nước trong bồn “chilledwater-bath” đến nhiệt độ yêu cầu nhờ bơm nhiệt. Quá trình làm nóng nước nhờ bơm nhiệt sẽ dừng khi cảm biến S2 xuất tín hiệu điều khiển do nhiệt độ nước trong bồn “chlledwater-bath” đạt yêu cầu.
Việc xác định các giá trị nhiệt ngưỡng trên-dưới cho các cảm biết nhiệt xuất tín hiệu điều khiển là một vấn đề khá lý thú cho người thiết kế, lập trình và cả kỹ sư vận hành hệ thống. Tùy theo quan điểm của mình mà có thể ưu tiên cho bơm nhiệt hoạt động nhiều hay ít.
Một vấn đề cũng cần quan tâm và khá thú vị khi lập trình là có thể cho hệ hoạt động theo nguyên lý liên tục với sự tham gia chạy cùng lúc của bơm P1, P3 và bơm nhiệt để cùng làm nóng nước trong bồn “chlledwater” nhằm rút ngắn thời gian làm nóng nước.
Khi bơm nhiệt chạy, sẽ tạo ra luồng gió mát có nhiệt độ khoảng 160C-180C và lưu lượng phụ thuộc vào công suất bơm nhiệt. Thiết kế và lăp hệ ống gió (có thể kèm bảo ôn) để sử dụng luồng gió mát này cho mục đích điều hòa không khí
Bài toán lựa chọn công suất bơm nhiệt, chế độ hoạt động có tính đến nhu cầu sử dụng nước nóng và mức độ điều hòa không khí của tòa nhà (cục bộ hay toàn bộ) kết hợp với tiêu chí tiết kiệm năng lượng điện của hệ thống này hoạt động theo nguyên lý liên tục sẽ càng thú vị cho các kỹ sư lập trình.
Nguyên lý hoạt động gián đoạn Sự khác biệt ở nguyên lý hoạt động gián đoạn so với nguyên lý hoạt động liên tục nêu trên chỉ ở chỗ: thay vì tuần hoàn nước để làm nóng, ở đây bơm P1 bơm nước lên dàn “solar energy” đến khi đầy dàn thì dừng. Sau khoảng thời gian nhờ nhiệt lượng của năng lượng mặt trời làm nóng nước trong dàn đến nhiệt độ yêu cầu thì cảm biến nhiệt độ S1 sẽ xuất tín hiệu khởi động bơm P1 chạy để đẩy toàn bộ nước trong dàn “solar energy” về bồn “chilled-water bath”, đồng thời bơm nước từ bồn này lên dàn “solar energy”. Quá trình này kết thúc khi nhiệt độ nước ở đầu ra dàn “solar energy” thấp hơn nhiệt độ ngưỡng dưới.
Kết luận Qua mô tả nguyên lý hoạt động bơm nhiệt và nguyên lý hoạt động hệ cấp nước nóng và gió mát nêu trên, thấy rõ khả năng tiết kiệm điện trong cung cấp nước nóng và gió mát so với chỉ sử dụng năng lượng điện cho cùng mục đích.
Với tòa nhà cao tầng, sự chi phí cho trang bị hệ điều hòa và cung cấp nước nóng trong quá trình đầu tư và chi phí trong quá trình vận hành sau này khi sử dụng giải pháp kỹ thuật nêu trên là khá tối ưu cho các chủ đầu tư.
Hy vọng rằng, với sự ưu việt về tiết kiệm điện năng của giải pháp này sẽ hấp dẫn các chủ đầu tư, nhà thiết kế sẽ quan tâm và phát triển để đưa khả năng “vắt nhiệt nóng” trong không khí vào mục tiêu phục vụ con người và tiết kiệm nguồn năng lượng nhân tạo.
(Nguồn: automation.net)
