Điều hòa không khí trung tâm tiêu thụ một lượng điện năng 40-50% tổng lượng điện của tòa nhà. Tình hình cúp điện luân phiên nhằm giảm tải cho mạng lưới điện quốc gia ngày một nhiều hơn, như vậy một câu hỏi đặt ra là làm sao giảm lượng điện năng tiêu thụ vào giờ cao điểm để giảm bớt gánh nặng sử dụng điện cho quốc gia vào giờ cao điểm và cũng làm giảm bớt chi phí sử dụng điện cho chủ đầu tư.
Giải pháp Ice-Cel (ice thermal storage- tích trữ lạnh vào giờ thấp điểm và sử dụng vào giờ cao điểm) có phải là mới ở nước ta không? Mình xin trích một bài nghiên của này từ tạp chí khoa học và công nghệ.
Bài này được mình trích từ tạp chí khoa học & công nghệ
Do
Thầy Nguyễn Thế Bảo : Trừờng Đại học
Bách khoa Tp. HCM và Thầy Trương Hồng Anh : Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao thắng, Tp.HCM cùng nghiên cứu
Trên thế giới, công nghệ tích trữ lạnh từ lâu được coi là một giải pháp hữu hiệu để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng ở các hệ thống lạnh. Tuy nhiên ở Việt Nam, các thiết bị tích trữ lạnh chưa được sử dụng nhiều do giá thành và các thiết bị nhập khẩu khá cao. Bài viết này trình bày một nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tann chảy bên ngoài ống bằng mô hình với mong muốn đây là bước khởi đầu để phổ biến công nghệ tích trữ lạnh tại Việt Nam trong một tương lai gần
I. Tổng quan
Trong một vài năm gần đây, sự phát triển mạnh về kinh tế ở nước ta đã kéo theo sự gia tăng đáng kể về nhu cầu sử dụng điện. Theo tổng công ty điện lực Việt Nam EVN, các nhà máy điện của EVN chỉ đáp ứng khoảng 42% tổng nhu cầu điện trong cả nước. Vì vậy sự thiếu hụt về điện ở nước ta là không thể tránh khỏi. Theo thống kê trong một cao ốc văn phòng hay một khách sạn thì lượng điện cấp cho một hệ thống điều hòa không khí chiếm từ 44 đến 55% tổng lượng điện tiêu thụ. Mặc khác, các hệ thống điều hòa không khí luôn luôn được thiết kế lớn hơn tải đỉnh của nó và số giờ để hệ thống làm việc ở phụ tải đỉnh trong ngày là rất ít, nên xét về hiệu quả kinh tế chưa cao.
Để giảm phụ tải vào giờ cao điểm và nâng cao hiệu quả về kinh tế cho các hệ thống điều hòa không khí, việc ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh vào
việc cấp lạnh cho các hệ thống điều hòa không khí là rất hợp lý và cần thiết.
II. Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh
Nguyên lý chung của các hệ thống tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới nhiều dạng: nước lạnh, băng,… lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và sử dụng lượng lạnh tích trữ được cung cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao, giá điện cao.
Về công nghệ có 3 phương pháp được sử dụng:
- Tích trữ lạnh dùng nước
- Tích trữ lạnh dùng băng
- Tích trữ lạnh dùng muối eutectic.
Bảng 1. so sánh đặc tính của phương pháp tích trữ lạnh.
Chất dùng để
Tích trữ lạnh
Nhiệt độ tích trữ 0C
Nhiệt độ xả tải 0C
Nhiệt độ biến đổi pha, 0C
Dung tích, m3/kWh
Nước
4-7
5-8
/
0,0861-0,1690
Băng
-9 đến -3
1-3
0
0,0193-0,0265
Muối
4-6
9-19
8,3
0,0483
Theo so sánh từ bảng 1, ta thấy tích trữ lạnh bằng nước và băng phù hợp cho hệ thống điều hòa không khí do nhiệt độ của quá trình sả tải không quá cao. Tuy nhiện tích trữ lạnh bằng nước là tích trữ dạng nhiệt hiện nên thể tích bồn tích trữ rất lớn không phù hợp với điều kiện mặt bằng cho phép tại các thành phố lớn, nên phương pháp tích trữ băng là phù hợp nhất. Ở điều kiện Việt Nam, tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống ( external melt ice-on-coil) là biện pháp hợp lý vì giá thành thiết bị thấp, độ tin cậy cao và trên hết là việc chế tạo thiết bị trong nước là hoàn toàn có thể.
III. Tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống (external melt ice-on-coil)
Bồn tích trữ lạnh dạng này gồm một dàn lạnh đặt chìm trong bể nước, chất tải lạnh nhiệt độ thấp chảy trong ống. Hình 1 trình bày quá trình hình thành và tan băng trên bề mặt ống. Chất tải lạnh thường được sử dụng là ethylen glycol, nồng độ từ 25-40%.
Hình 1. quá trình hình thành và tan băng trên bề mặt ống.
Glycol sau khi ra khỏi chiller được tách làm 2 nhánh, một nhánh đi vào bồn tích trữ lạnh để tạo băng và nhánh còn lại đi đến cấp lạnh trực tiếp cho phụ tải. Để sử dụng cho các hệ thống điều hòa không khí thông thường ta phải dùng thêm thiết bị trao đổi nhiệt glycol-nước do nhiệt độ glycol thấp.
- Ở chế độ nạp tải ( sản xuất băng): glycol được chiller làm lạnh xuống đến nhiệt độ khoảng -70C, lùc này glycol chỉ đi vào giàn lạnh của bồn tích trữ , băng bắt đầu hình thành trên bề mặt ống và dày lên dần.
- Ở chế độ xả tải ( làm tan băng): nước hồi về từ các hộ tiêu dùng sẽ được là lạnh tùy vào phương thức vận hành, nườc ra khỏi bồn tích trữ có nhiệt độ khoảng 1-50C được đưa đến cấp lạnh cho các hộ tiêu dùng.
Nếu hệ thống vận hành theo chế độ ưu tiên cho chiller thì chiller sẽ luôn luôn hoạt động ở chế độ đầy tải để cấp lạnh, khi yêu cầu phụ tải cao hơn năng suất lạnh của chiller, bồn tích trữ lạnh sẽ bù vào khoảng thiếu hụt này
Nếu hệ thống vận hành theo chế độ ưu tiên cho bồn tích trữ thì bồn tích trữ sẽ cấp lạnh chủ yếu, khi yêu cầu phụ tải cao hơn khả năng cấp lạnh của bồn tích trữ chiller mới vận hành cấp lạnh bổ sung. Phương thức này không hiệu quả so với phương thức trên do chiller thường xuyên không vận hành ở chế độ đầy tải nên hiệu quả không cao.
I. Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy ben ngoài ống
1. Mô hình thí nghiệm.
Mô hình thử nghiệm hoàn chỉnh đã được xây dựng theo mô hình sau đây, hình 2 , nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình được viết để mô phỏng chiều dày của lớp băng hình thành
Hình 2. sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm
Trong quá trình thực nghiệm bề dày lớp băng hình thành trên bề mặt ống trong các lần vận hành tích trữ lạnh tương đối ổn định và gần giá trị trung bình của cả quá trình thực nghiệm.
Hình 3. Mô hình thí nghiệm
Các kết quả đo đạc thực tế bề dày lớp băng tạo thành trên bề mặt ống được thể hiện ở hình 4a dưới đây.
Hình 4a. bề dày lớp băng trên ống theo thời gian đo từ thực nghiệm
Hình 4b. bề dày lớp băng trên ống theo thời gian được mô phỏng trên máy tính.
1.2 Kết quả mô phỏng trên máy tính
Thời gian tạo lớp băng trên bề mặt ngoài ống được tính theo công thức dưới đây
Quá trình hình thành lớp băng trên bề mặt ống được mô tả lại, với kết quả được trình bày ở hình 4b. Thời gian ban đầu bề dày băng tăng rất nhanh nhưng càng về sau quá trình này chậm lại do lớp băng càng dày càng cản trở sự trao đổi nhiệt giữa chất tải lạnh và nước.
So sánh kết quả đo đạc thức tế ta thấy thời gian đầu theo mô phỏng trên máy tính , như thể hiện trên hình 5a, bề dày lớp băng hình thành ngay khi vận hành máy và tăng rất nhanh. Còn thực tế quá trình tạo băng chỉ xảy ra sau đó 1 giờ. Điều này cho thấy chương trình mô phỏng không tính đến thời gian giảm nhiệt cho nước trong bốn tích trữ lạnh trước khi tích trữ băng. Nếu bỏ qua quá trình làm lạnh nước ban đầu, hình 5b, ta thấy 2 đường cong lý thuyết và thực tế gần trùng nhau.
Hình 5a. so sánh quá trình tạo băng lý thuyết và thực tế
Hình 5b. sự tương đồng giữa 2 quá trình tạo băng khi bỏ qua thời gian làm lạnh nước ban đầu.
I. Tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh dạng băng bên ngoài ống:
Từ kết quả mô phỏng chiều dày lớp đá hình thành trên bề mặt ống trong thời gian tích trữ băng nêu trên, một phần mềm hoàn chỉnh đã được viết nhằm thiết kế tình toán bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống. Trong bài báo này, ta tính toán thiết kế một bồn tích trữ lạnh với năng suất tích trữ 4000kWh, thời gian tích trữ là 10 giờ, dàn lạnh ống đồng. Các thông số chính gồm:
- Đường kính ngoaì của ống: Dng = 27mm
- Đường kính trong của ống: Dtr = 25mm
- Chiều dài một mét ống: l = 5m,
- Số ống trong một lối: n = 30 ống
- Số lối: z = 34 lối
- Tổng số ống: n1 = 1020 ống
- Tổng chiều dài ống: L1= 5100 m
- Kích thước bồn WxHxL : 3800x2240x10500
Tổng chi phí chế tạo bồn tích trữ lạnh năng suất 4000kWh hiện nay tại nước ta là 996.000.000 VND, tương đương với 250.000VNĐ/1kWh tích trữ
Ta tính toán cho trường hợp phụ tải lạnh là một cao ốc văn phòng, phụ tải đỉnh hệ thống điều hòa không khí là 4395kW, so sánh phương án điều hòa không khí truyền thống và phương án sử dụng bồn tích trữ lạnh.
Hệ thống bồn tích trữ lạnh được chọn dạng tích trữ một phần vận hành kiểu ưu tiên tổ máy, nghĩa là khi có yêu cầu tải lạnh cụm máy sẽ hoạt động trước, nếu yêu cầu phụ tải cao hơn năng suất lạnh thiết kế của máy thì hệ thống bồn tích trử sẽ cung cấp phần thiếu hụt này.
Gía điện:
- giờ thấp điểm từ 22h-4h, giá điện là 915đ/kWh
- giờ bình thường từ 4h00 đến 18h, giá điện là 1580đ/kWh
- giờ cao điểm từ 18h-22h, giá điện là 2855đ/kWh
Gía thành bồn tích trữ lạnh ngoại nhập là 350.000đồng/KWh
Gía thành bồn tích trữ lạnh trong nước là 250.000đồng/KWh
Ta tính toán so sánh kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ lạnh ngoại nhập:
Bảng 2. tính toán kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ lạnh ngoại nhập
Nội dung
Phương án truyền thống
Phương án tích trữ băng 1 phấn
Tổng giá thành đầu tư, triệu đồng
7127.38
9195.69
Chênh lệch đầu tư so với phương án truyền thống
0.00
2068.31
Chi phí năng lượng hàng năm
7766.34
7017.14
Chi phí tiết kiệm hàng năm, triệu đồng
0.00
749.20
Số năm thu hồi vốn, năm
2.76
Bảng 3. tính toán kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ lạnh trong nước
Nội dung
Phương án truyền thống
Phương án tích trữ băng 1 phấn
Tổng giá thành đầu tư, triệu đồng
7127.38
7705.30
Chênh lệch đầu tư so với phương án truyền thống
0.00
577.92
Chi phí năng lượng hàng năm
7766.34
7017.14
Chi phí tiết kiệm hàng năm, triệu đồng
0.00
749.20
Số năm thu hồi vốn, năm
0.77
Như vậy nếu sử dụng bồn tích trữ lạnh trong nước thời gian hoàn vốn chỉ kéo dài 0,77 năm. Kết quả này cho thấy phướng án sử dụng bồn tích trữ lạnh chế tạo trong nước thì chi phì giảm đi rất nhiều so với phương án sử dụng bồn tích trự ngoại nhập. Với thời gian hoàn vốn dưới 1 năm, công nghệ bồn tích trữ lạnh chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai gần nếu nhà nước có những chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ này.
II. Kết luận
Bài báo đã đế cập đến vấn đề tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hệ thống lạnh nói chung và các hệ thống điều hòa không khí nói riêng, nhờ việc sử dụng hệ thống tích trữ năng lượng ở Việt Nam.Đây là một vấn đề không mới trên thê giới tuy nhiên vẫn chưa được ứng dụng tại Việt Nam. Những lý do chính đó là giá thành đầu tư thiết bị lạnh ngoại nhập giá cao và chính sách quản lý năng lượng tại nước ta chưa chặc chẽ
Vì thế trong bài viết đã đề cập đến tính toán kinh tế và kĩ thuật cho loại bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống nhằm chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam trong tương lai gần.
Trong thời gian sắp tới nước ta sẽ chính thức gia nhập WTO nên các chính sách về quản lý và sử dụng nguốn năng lượng sẽ phải thay đổi để phù hợp với xu thế toàn cầu. Hiệu quả sử dụng bồn tích trữ lạnh sẽ tăng rất cao trong tương lai khi nhà nước có chính sách tăng giá điện khoảng 15% và số giờ cao điểm tăng lên là 7h trong ngày so với 4 giờ hiện nay.
Mình sẽ cố gắng có những bài viết để phân tích ưu và nhược điểm của hệ thống cũng như nhưng hệ thống tích trữ lạnh trên thế giới
