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


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

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

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

- 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

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

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.


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

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

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.

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


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.



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


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



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

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


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


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


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

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.