Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển ở Việt Nam nghiên cứu việc sử dụng nước biển để điều hòa không khí trung tâm cho các dự án resort và hotel ven biển Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển ở Việt Nam

204 Lê Anh Tuấn, Phan Quí Trà NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM SỬ DỤNG NƯỚC BIỂN Ở VIỆT NAM A STUDY Of CALCULATING AND DESIGNING AIR CONDITIONING SYSTEM USING SEAWATER IN VIETNAM Lê Anh Tuấn1, Phan Quí Trà2 1 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; mep.anhtuan.energy@gmail.com 2 Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; pqtra@dct.udn.vn Tóm tắt - Bài báo nghiên cứu việc sử dụng nước biển để điều hòa Abstract - This article studies how to use seawater to condition không khí trung tâm cho các dự án resort và hotel ven biển Việt central air for seaside resort and hotel projects in Vietnam. Based Nam. Dựa theo việc khảo sát các thông số của nước biển ở Việt on the survey of parameters of seawater in Vietnam, the authors Nam, tác giả xác định được các kết quả phục vụ cho việc tính toán determine the results for calculating and designing the central air thiết kế hệ thống điều hoà không khí trung tâm cho các khách sạn, conditioning system for hotels and resorts in coastal regionsof khu nghỉ dưỡng tại các vùng ven biển của Việt Nam. Đồng thời tác Vietnam. The authors also determine the technical and giả cũng tính toán xác định các bài toán kinh tế kỹ thuật của hệ economical problems of the system as well as the benefits the thống cũng như những lợi ích mà hệ thống mang lại trong việc bảo system provides to protect the environment and help ensure vệ môi trường và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. national energy security. The article also gives the results of the Bài báo đưa ra kết quả việc lựa chọn phương án thiết kế cũng như selection of design options as well as calculates and designs a tính toán một hệ thống điều hoà không khí trung tâm sử dụng nước central air conditioning system using seawater for hotels and biển cho khách sạn, resort ở đảo Hòn Tre – Nha Trang. resorts in Hon Tre - Nha Trang. Từ khóa - điều hoà không khí; nước biển; điều hoà trung tâm; Key words - air- conditioning; seawater; cooling station; clean năng lượng sạch; năng lượng tái tạo energy; renewable energy 1. Đặt vấn đề Hiện nay, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch là nguyên nhân chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng đến môi trường sống, vì vậy việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng sạch thay thế dần cho các nguồn năng lượng hoá thạch là vấn đề cấp bách đặt ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới. Việt Nam có bờ biển dài 3260 km, là quốc gia có tỷ lệ chiều dài bờ biển so với đất liền vào loại cao nhất thế giới, đồng thời là quốc gia có tiềm năng về du lịch [1]. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nước biển để điều hoà không khí Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà không khí sử dụng tại các khu nghỉ mát, khách sạn ven biển sẽ làm giảm đáng nước biển có hệ thống water chiller bổ sung kể việc sử dụng điện, giảm phát thải CO2, giảm ô nhiễm môi trường, đem lại hiệu quả kinh tế lớn nhờ tiết kiệm năng lượng, khai thác sử dụng nguồn năng lượng xanh, cũng như góp phần củng cố an ninh năng lượng quốc gia. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu khai thác sử dụng các nguồn năng lượng sạch trong điều hoà không khí sẽ làm giảm việc sử dụng các môi chất Chloro Fluoro Carbon (CFC) gây phá huỷ tầng ozone, giảm lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch. 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà trung tâm sử dụng nước biển Hiện nay hệ thống điều hoà không khí trung tâm sử dụng nước biển đã được ứng dụng ở một số nước trên thế giới như Mỹ (Hawaii), Canada, Thuỵ điển. Các hệ Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà không khí sử dụng thống này hoạt động dưới hai dạng: có sử dụng hệ nước biển không có hệ thống water chiller thống Water chiller bổ sung và không có hệ thống - Hệ thống cung cấp và phân phối nước biển bao gồm: Water chiller [2]. mạng lưới đường ống cấp, hệ thống bơm và mạng lưới Theo sơ đồ nguyên lý, một hệ thống điều hoà không đường ống hồi. khí trung tâm sử dụng nước biển bao gồm các thành phần - Thiết bị trao đổi nhiệt để truyền nhiệt giữa hệ thống chính như sau: phân phối nước biển và hệ thống phân phối nước sạch
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 205 (nước ngọt đã được xử lý). Quá trình trao đổi nhiệt luôn Hòn Tre tại Nha Trang có độ sâu nước biển tương ứng đảm bảo nước biển và nước sạch không hoà trộn vào nhau. nhiệt độ rất phù hợp việc thiết kế cho điều hòa trung tâm - Mạng lưới phân phối nước sạch tuần hoàn bao gồm hệ sử dụng nước biển. thống bơm và hệ thống phân phối nước sạch đến từng phòng. Hàm nhiệt độ tương ứng với độ sâu (z) [2]: Theo Hình 1, nước lạnh được lấy từ một nguồn nước = −0.0493 + 28 (khi z = 0 – 200m) (3.1) biển sâu của đại dương 7oC. Sau khi lên bờ, nước biển = 3450 , (khi z = 200 – 600m) (3.2) được bơm đưa vào trạm lạnh, tại đây nước biển trao đổi Quan hệ giữa độ sâu (z) và khối lượng riêng của nước nhiệt với nước hồi 13,3oC từ các cụm điều hoà không khí FCU, AHU… Sau đó nước biển tiếp tục được đưa đi giải biển (r) [2]: nhiệt cho bình ngưng của hệ thống water chiller bổ sung r -1013 2 ,54 trước khi đưa trở lại biển. Nước hồi sau khi trao đổi nhiệt ze (3.3) với nước biển, nhiệt độ giảm xuống, tiếp tục được đưa 3.2. Tính toán thiết kế đường ống vào hệ thống water chiller bổ sung làm lạnh xuống 6,66oC Công suất lạnh của nước biển cần thiết tính tối thiểu thông qua một bộ trao đổi nhiệt, sau đó đi đến các FCU, cho 1 tons lạnh được xác định theo công thức [2]: AHU để điều hòa không khí trong các toà nhà. △ Q = [tons] (3.4) , 3. Tính toán thiết kế điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển tại dự án resort Hòn Tre Tổng công suất lạnh của nước biển cung cấp cho hệ thống điều hoà trung tâm: Ứng dụng nước biển lạnh sử dụng trong điều hòa không khí rất phù hợp với khu resort và hotel ở khu vực ven biển QT  nQ0 (3.5) và đảo, đây cũng là nơi có nhu cầu cao đối với điều hòa không khí trong các tòa nhà lớn. Hệ thống điều hòa không Chiều dài của đường ống nước biển tính từ độ sâu của khí trung tâm sử dụng nước biển là năng lượng sạch thay nước biển lạnh đến trạm lạnh [2]: thế có tiềm năng lớn cho đảo như Hòn Tre (Nha Trang), Cù æ ö3 æ ö1,851 Lao Chàm (Quảng Nam), Mũi Né (Phan Thiết)… E ç d ÷ ç 0,5486p CR ÷ T (3.6) L ç ÷ CORR Trong báo cáo này, tác giả chọn phương án ứng dụng ( r g çè 2 R + d ) ÷ è ø QT ø nước biển để điều hòa không khí trung tâm trực tiếp, không Kết quả tính toán được ở độ sâu z = 536m, xác định sử dụng hệ thống Water chiller bổ sung với sơ đồ nguyên được chiều dài ống cấp L = 1798,45m, ống xả L = 80m. lý cho dự án resort Hòn Tre tại Nha Trang như sau [2, 3]: Hình 4. Độ sâu tương ứng với nhiệt độ nước biển tại đảo Hòn Tre Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí trung tâm sủ dụng nước biển cho dự án Hòn Tre Trong phần này, ta tiến hành tính toán thiết kế điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển tại dự án resort Hòn Tre. Bài toán được đặt ra với điều kiện ban đầu như sau: Nhiệt độ nước biển lạnh vào: t1 = 7oC; Nhiệt độ nước biển xả: t2 =12oC; Năng suất lạnh: Q = 2000tons; Xác định chiều dài đường ống nước biển. 3.1. Ảnh hưởng của độ sâu đối với đặc tính nhiệt và khối lượng riêng của nước biển Theo bản đồ Atlas địa lý vùng biển Việt Nam, đảo Hình 5. Chiều dài đường ống nước biển lạnh tại đảo Hòn Tre
206 Lê Anh Tuấn, Phan Quí Trà 3.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt Những tiến bộ trong khoa học ngày nay cho phép vật liệu ống HPDE dẫn nước biển lạnh có đường kính ngoài R=1,6m. Một đường ống có kích thước nàycó thể đảm bảo cung cấp18.000tons lạnh cho điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước biển. Bảng 2. Đường kính ống, lưu lượng dòng nước biển, độ dốc đường ống và công suất lạnh Hazen - Williams Lưu lượng dòng Công suất lạnh Độ dốc đường ống S nước biển yêu cầu Kích cở ống ( D H/ft ( D H/m 100 100 (kg/s) (m3/s) (inch) của đường của đường (tons) (Btu/h) ống) ống) Hình 6. Đồ thị nhiệt độ nước biển lạnh trong thiết bị 7 84000 111,5 0,1087 18” 0,00097 0,0031 trao đổi nhiệt 8 96000 127,4 0,1242 20” 0,00074 0,0024 Các thông số nhiệt độ được chọn trong thiết kế như sau: 9 108000 143,3 0,1398 20” 0,00092 0,0029 10 120000 159,3 0,1553 22” 0,0007 0,0022 t1 = 6,38oC nhiệt độ nước biển vào TBTĐN; 12 144000 175,2 0,1708 22” 0,00084 0,0027 t1' = 12oC nhiệt độ nước biển ra TBTĐN; 13 156000 207 0,2019 24” 0,00065 0,0021 20 240000 794,9 0,31 28” 0,00079 0,0025 t2 = 7oC nhiệt độ nước sạch ra TBTĐN; Phân tích lưu lượng nước biển cần thiết đáp ứng nhu t 2' = 12,7oC nhiệt độ nước sạch vào TBTĐN. cầu tải lạnh, đường kính ống và độ dốc của đường ống Xác định được hiệu nhiệt độ logarit: được chọn là kinh tế nhất [2] có thể được xác định giá trị khoảng S=0,00084, được coi là giá trị tối ưu giữa chi phí DT2 - DT1 (3.7) đường ống dẫn nước biển và chi phí năng lượng bơm. Theo LMTD  æ DT ö ln ç 2 ÷ Bảng 2, một đường ống HPDE có R = 28inch = 0,71 m cần è DT1 ø thiết để đáp ứng nhu cầu tải lạnh 2000 tons,với giá trị S = Theo tài liệu [3, 4, 5], trao đổi nhiệt giữa nước lạnh và 0,00079. Các tính toán tương tự được thực hiện dựa trên nước biển trong thiết bị trao đổi nhiệt, hệ số truyền nhiệt giá trị tối ưu giữa việc đáp ứng nhu cầu phụ tải lạnh, đường có thể được lấy từ 852 - 1704W/m2K. Ở bài báo này tác kính ống và hiệu quả kinh tế, có kết quả tương ứng với mỗi giả chọn hệ số truyền nhiệt 1704W/m2K để tính toán. lưu lượng dòng nước biển như trong Bảng 2 [2, 6]. Nhiệt dung riêng của nước biển là 3935,8 kJ/kgK [2]. Kết ævö 2 1, 5ç ÷ quả tính toán xác định được các giá trị diện tích truyền è a0 ø Từ công thức H ex  (3.8) nhiệt tương ứng cho các nhu cầu phụ tải lạnh như sau: 2g Bảng 1. Lưu lượng nước biển ứng với công suất tải lạnh Vị trí nối giữa đầu hút của bơm nước biển lạnh và của resort Hòn Tre đường ống nước biển phải đặt cao hơn mực nước biển, cột Công suất lạnh Lưu lượng dòng Diện tích trao đổi áp bơm tạo ra để bù trở lực trong thiết bị trao đổi nhiệt chảy yêu cầu nhiệt yêu cầu với nước lạnh và làm mát bình ngưng hệ thống lạnh.Tổng (tons) (Btu/h) (kg/s) (m3/s) (m2) tổn thất cột áp được tính cho từng phụ tải lạnh được thể 700 8400000 111,5 0,1087 181,9 hiện ở Bảng 3. 800 9600000 127,4 0,1242 2075,3 Bảng 3. Tổng tổn thất đường ống tương ứng với công suất lạnh 900 10800000 143,3 0,1398 2334,7 Tổn thất Độ cao Công Cột áp hút đường 100 12000000 159,3 0,1553 2594,1 Cột áp qua trên mực Cột áp Suất ống nước 1200 14400000 175,2 0,1708 2852,5 vào/ ra TBTĐN nước tổng lạnh biển L=1798,45m và van biển 1300 15600000 207 0,2019 3372,5 (tons) S (ft/ft) (m) (m) (m) (m) (m) 2000 24000000 794,9 0,31 3729 700 0,00097 33,264 0,0185 0,308 1,54 6,22 3.4. Xác định tổng tổn thất nhiệt và công suất bơm 800 0,00074 24,024 0,0105 0,308 1,54 5,48 Ở đây ta chọn theo bảng các kích thước ống có sẵn và 900 0,00092 29,876 0,0132 0,308 1,54 6,07 đường kính tương ứng bên trong, từ đó tính diện tích và 1000 0,0007 22,792 0,0077 0,308 1,54 5,36 chu vi ướt cần thiết để xác định bán kính thủy lực và xác 1200 0,00084 20,944 0,0055 0,308 1,54 5,14 định cột áp bơm cần cấp để đảm bảo lưu lượng nước biển 1300 0,00065 24,332 0,0065 0,308 1,54 5,48 cần thiết đáp ứng công suất tải làm lạnh của hệ thống. 2000 0,00079 25,564 0,0043 0,308 1,54 5,61 Như vậy có thể thấy, nếu giảm đường kính ống, tăng tốc Từ các giá trị cột áp tổng ta xác định được tổng công độ nước biển thì sẽ làm tăng tổn thất cột áp đường ống. suất bơm. Sau đó, từ hiệu suất của bơm và hiệu suất động Do đó cần có kích thước đường ống tối ưu cho từng lưu cơ điện tương ứng, ta xác định được công suất điện của hệ lượng dòng chảy mang lại lợi ích về kinh tế. Theo tài liệu thống bơm nước biển trực tiếp điều hòa không khí. Thông [2], các đường ống có đường kính 1m, nếu được sử dụng thường các máy bơm ly tâm sử dụng trong hệ thống có dành riêng cho mục đích điều hòa không khí, có thể cung hiệu suất bơm khoảng 70% và động cơ điện có hiệu suất cấp gần 5.000tons lạnh. khoảng 95%. Tổng công suất điện cần thiết cho hệ thống
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 207 bơm theo công suất lạnh được thể hiện ở Bảng 4 [2, 3, 6]. trong cả nước, đặc biệt cho resort và hotel. Không những Bảng 4. Nhu cầu năng lượng thế, hệ thống điều hòa trung tâm này sử dụng nguồn năng Công Suất Lưu lượng Công Công lượng xanh, góp phần bảo vệ môi trường. Cột áp tổng lạnh dòng chảy suất bơm suất điện Kết quả tính toán thiết kế hệ thống điều hoà không khí (Tons) (m3/s) (ft) (m) (kW) (kW) trung tâm sử dụng nước biển tại đảo Hòn Tre, Nha Trang 700 0,1121 20,2 6,221 231 325 cho thấy: 800 0,1282 17,8 5,482 308 327 - Có thể triển khai sử dụng nước biển lạnh ở độ sâu 900 0,1442 19,7 6,067 311 408 536m ứng với nhiệt độ nước biển 7oC để điều hòa trung 1000 0,1603 17,4 5,359 387 400 tâm cho các khu resort, hotel. Hệ thống này đạt hiệu quả 1200 0,1921 18,8 5,790 380 476 sử dụng năng lượng tốt, tính kinh tế cao khi triển khai các 1300 0,2082 16,7 5,144 452 463 hệ thống lớn cho cả khu vực và đặc biệt tiết kiệm được 2000 0,3203 18,2 5,606 797 839 hơn 50% năng lượng điện tiêu thụ hằng năm. Thông thường để sản xuất được 1 tons lạnh, các hệ - Chi phí bảo trì, bảo dưỡng hệ thống thấp, thân thiện thống điều hoà không khí hiện nay cần nguồn điện có công với môi trường, giảm ô nhiễm môi trường. suất 1,2 kW. Qua Bảng 4 cho thấy, với hệ thống Lạnh sử dụng nước biển lượng điện năng tiêu thụ cần thiết cho hệ TÀI LIỆU THAM KHẢO thống điều hoà giảm hơn 50% so với hệ thống điều hoà [1] Võ Văn Lành, Biến trình năm của nhiệt độ nước ở một vùng biển truyền thống hiện nay. Tuy nhiên giá thành đầu tư cho hệ khơi miền trung Việt Nam, Viện nghiên cứu biển - Viện khoa học thống điều hoà nước biển cũng cao hơn, phụ thuộc nhiều Việt Nam, 1979. vào vị trí địa lý và các thông số nước biển tại nơi lắp đặt. [2] State of Hawaii, Seawater district cooling feasibility analysis for the state of Hawaii, Energy, Resources and Technology division, 2002 4. Kết luận [3] Avery, William, C. Wu, Renewable energy from the ocean, Oxford university Press, New York, Oxford, 1994. Kết quả khảo sát nhiệt độ nước biển cho thấy: [4] J.M. Moran, H.N. Shapiro, Fundamental of Engineering - Nước ta có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng đại Thermodynamic 2nd edition, John Wiley &Sons Inc., New York, 1992. dương, nếu khai thác sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế cũng [5] Donald, R. Pitts,Schaum's Outline of Theory and Problems of Heat như góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Transfer, McGraw-Hill, New York, 1998. [6] Williams, Mike, Use of Seawater for Air Conditioning a Waikiki - Ứng dụng nước biển lạnh để điều hòa không khí Convention Center, University of Hawaii at Manoa, 1994. trung tâm có thể áp dụng cho các thành phố ven biển (BBT nhận bài: 06/07/2015, phản biện xong: 31/07/2015)