Đồ án: Lắp đặt hệ thống Water Chiller tích trữ lạnh tại xưởng nhiệt

Đồ án tốt nghiệp hệ thống water chiller tích trữ lạnh. Trình bày chi tiết quá trình lắp đặt, vận hành, tính toán kỹ thuật và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Đinh Hữu Đức
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Xuân Viên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Lắp đặt và Vận hành Hệ thống Điều hòa Không khí Water Chiller Kết hợp Tích trữ Lạnh tại Xưởng Nhiệt
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống Water Chiller tích trữ lạnh

Hệ thống Water Chiller tích trữ lạnh là giải pháp điều hòa không khí hiện đại kết hợp công nghệ tích trữ năng lượng lạnh. Đây là một trong những phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả nhất trong lĩnh vực ĐHKK (Điều hòa không khí). Hệ thống này hoạt động theo nguyên lý làm lạnh dung dịch Glycerin trong giai đoạn ngoài giờ cao điểm, sau đó xả tải trong thời gian cao điểm, giúp giảm tải cho máy làm lạnh chính. Nguyên lý hoạt động dựa trên trao đổi nhiệt giữa chất tải lạnh và chất trữ lạnh thông qua các quá trình nạp tải và xả tải. Công nghệ này không chỉ giảm chi phí điện năng mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị điều hòa, đảm bảo hiệu suất cao trong quá trình vận hành.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh

Nguyên lý cơ bản của hệ thống này dựa trên việc tích trữ năng lượng lạnh trong các giai đoạn ngoài cao điểm. Máy Water Chiller hoạt động vào ban đêm hoặc ngoài giờ cao điểm để làm lạnh dung dịch Glycerin từ 0°C xuống âm độ. Dung dịch này được lưu trữ trong bồn tích trữ lạnh được cách nhiệt kỹ lưỡng. Trong giờ cao điểm, chất tải lạnh từ bồn trữ sẽ cung cấp lạnh cho hệ thống FCU (Fan-Coil Unit) để điều hòa không khí, giúp máy chính chạy ít hơn hoặc tắt hoàn toàn.

1.2. Các phương pháp tích trữ lạnh phổ biến

Có ba phương pháp tích trữ lạnh chính được sử dụng: Tích trữ lạnh ẩm tiềm sử dụng chất biến đổi pha (PCM) như Glycerin, Tích trữ lạnh ẩm hiện dùng nước hoặc dung dịch muối, và Tích trữ lạnh cảm nhiệt lưu trữ năng lượng dưới dạng thay đổi nhiệt độ. Trong đồ án Water Chiller, nhóm nghiên cứu chọn sử dụng dung dịch Glycerin vì khả năng giữ nhiệt cao, độ an toàn tốt và hiệu suất tích trữ lạnh vượt trội.

II. Thiết kế và tính toán bồn tích trữ lạnh

Tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh là bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất của toàn bộ hệ thống Water Chiller. Bồn cần được cách nhiệt và cách ẩm đúng cách để tối ưu hóa khả năng lưu trữ. Việc tính toán chiều dày cách nhiệt cho vách bồn phải dựa trên các thông số như nhiệt độ môi trường, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, và nhu cầu giữ nhiệt độ chất lạnh. Nắp bồn cũng cần được cách nhiệt để ngăn chặn sự trao đổi nhiệt không mong muốn với không khí ngoài. Nền bồn phải được thiết kế chắc chắn và cũng phải cách nhiệt để giảm tổn thất nhiệt qua mặt đất.

2.1. Tính toán cách nhiệt cho vách bồn tích trữ

Chiều dày cách nhiệt được tính dựa trên công thức Q = U × A × ΔT, trong đó U là hệ số truyền nhiệt toàn phần. Sử dụng vật liệu cách nhiệt như xốp polystyrene hoặc polyurethane với hệ số dẫn nhiệt thấp. Kiểm tra độ đọng sương trên bề mặt vách ngoài để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất. Chiều dày tối thiểu phải đảm bảo tổn thất nhiệt hàng ngày không vượt quá 5% so với dung tích lạnh lưu trữ.

2.2. Cách ẩm và bảo vệ bồn tích trữ

Hệ thống cách ẩm sử dụng lớp barrier film ngăn chặn hơi nước xâm nhập vào lớp cách nhiệt. Nắp bồn phải có cơ cấu tháo lắp để dễ bảo trì và vệ sinh định kỳ. Cần lắp đặt cảm biến nhiệt độ tại các điểm quan trọng để theo dõi hiệu suất tích trữ. Bồn cần có hệ thống thoát nước để xử lý nước ngưng từ quá trình điều hòa không khí.

III. Lắp đặt hệ thống Water Chiller và qui trình vận hành

Lắp đặt hệ thống Water Chiller kết hợp bồn tích trữ lạnh đòi hỏi kỹ thuật cao và tuân thủ chặt chẽ các qui trình kỹ thuật. Trước tiên, cần kiểm tra và vệ sinh hệ thống đường ống để loại bỏ bụi, mặn và các tạp chất có thể gây tắc hoặc giảm hiệu suất. Thi công đường ống phải đảm bảo độ kín khoá, sử dụng các ống PVC hoặc Copper tùy theo yêu cầu. Qui trình vận hành bao gồm hai giai đoạn chính: nạp tải (làm lạnh chất trữ) và xả tải (cung cấp lạnh cho hệ thống điều hòa). Việc kiểm tra định kỳ áp suất, dòng chất lỏng và điện năng tiêu thụ là cần thiết.

3.1. Thi công và lắp đặt thiết bị

Lắp đặt máy Water Chiller, bồn tích trữ lạnh, và hệ thống ống nước theo bản vẽ kỹ thuật. Sửa chữa và vệ sinh các thiết bị cũ trước khi kết nối với hệ thống mới. Kiểm tra kín khoá của tất cả các kết nối bằng cách chạy áp suất cao. Lắp đặt các van cách ly, van an toàn, và các thiết bị đo lường như manometer, thermometer tại các vị trí quan trọng.

3.2. Qui trình vận hành hệ thống

Giai đoạn nạp tải: Máy Water Chiller hoạt động để làm lạnh dung dịch Glycerin trong bồn từ 5°C xuống -3°C, thường vào ban đêm hoặc ngoài giờ cao điểm. Giai đoạn xả tải: Vào giờ cao điểm, chất lạnh từ bồn được bơm đến FCU để điều hòa không khí, giúp giảm tải cho máy chính. Đảm bảo dòng chất lỏng ổn định và áp suất không vượt quá giới hạn an toàn của hệ thống.

IV. Kết quả thí nghiệm và tiết kiệm năng lượng

Kết quả thí nghiệm từ đồ án Water Chiller cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả cao với khả năng tiết kiệm năng lượng đáng kể. Quá trình nạp tải và xả tải đều đạt được các chỉ số nhiệt độ mong muốn. Sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh và chất trữ lạnh được theo dõi chi tiết thông qua các cảm biến, cho thấy quá trình trao đổi nhiệt diễn ra bình thường. Nhiệt độ không khí ra khỏi FCU được duy trì ổn định trong suốt quá trình xả tải. Điện năng tiêu thụ giảm đáng kể so với hệ thống điều hòa truyền thống nhờ vào việc tối ưu hóa thời gian hoạt động của máy làm lạnh chính. Áp suất và dòng điện được kiểm soát trong các giới hạn an toàn.

4.1. Quá trình nạp tải và xả tải

Quá trình nạp tải diễn ra trong 8-10 giờ, dung dịch Glycerin được làm lạnh từ 5°C xuống -3°C. Sự chuyển đổi pha của chất trữ lạnh diễn ra trơn tru, nhiệt độ bồn ổn định. Quá trình xả tải kéo dài 4-6 giờ, chất lạnh được xả ra đều đặn, nhiệt độ chất tải lạnh tăng từ -3°C lên 5°C. Hiệu suất trao đổi nhiệt đạt 95% trở lên, cho thấy thiết kế bồn tích trữ lạnh và hệ thống ống nước rất hiệu quả.

4.2. Tiết kiệm năng lượng và hiệu suất hệ thống

Tiết kiệm điện năng đạt 30-40% so với hệ thống không có tích trữ lạnh. Điện năng tiêu thụ của máy Water Chiller vào ngoài giờ cao điểm (có giá điện thấp hơn) thay vì chạy liên tục vào giờ cao điểm. Hiệu suất làm lạnh tổng thể của hệ thống tăng 25-35%. Tuổi thọ máy làm lạnh được kéo dài nhờ giảm beban và thời gian hoạt động. Hệ thống đáp ứng đầy đủ nhu cầu điều hòa không khí và môi trường với chi phí vận hành thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về hệ thống ĐHKK Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh Nước ta là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới. Do đó, điều hòa không khí chiếm một vị trí quan trọng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong công nghiệp. Trong những năm gần đây, với sự phát triển kinh tế của cả nước thì ngành điều hòa không khí cũng theo đó mà có những bước tiến vượt bậc và ngày càng trở nên không thể thiếu trong đời sống và sản xuất.

Khi mà đời sống của người dân được nâng cao thì nhu cầu về điều hòa không khí cũng ngày một cao. Chính vì vậy mà ngày nay, trong các tòa nhà, bệnh viện, xí nghiệp, khách sạn, văn phòng, kể cả hộ gia đình nhỏ, các phương tiện giao thông đều không thể thiếu điều hòa. Nhưng với những nơi có không gian lớn, nơi mà không thể dùng những loại điều hòa có công suất nhỏ thì con người đã thay thế vào đó một loại hệ thống có công suất lớn hơn, một trong số đó chính là “ WATER CHILLER”. Để vận hành những hệ thống điều hoà này, chúng ta cần một lượng năng lượng lớn (điện năng ), có thể chiếm tới 30% tổng năng lượng sử dụng của cả nhà máy.

Thêm vào đó, hiện tượng quá tải của lưới điện trong giờ cao điểm và giá điện giờ cao điểm cao hơn gấp 3 giờ thấp điểm. Làm thế nào để giảm thiểu được chi phí điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hoà không khí là một trong những vấn đề được nhiều người quan tâm nhất hiện nay. Có nhiều biện pháp để giảm điện năng cho hệ thống điều hoà không khí, trong báo cáo này em xin trình bày một cách tiết kiệm hiệu quả và đơn giản đó là công nghệ tích trữ lạnh. Tích trữ lạnh có 2 cách thức là: Tích trữ 1 phần và tích trữ toàn phần: - Đối với tích trữ 1 phần: Hệ thống tích trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và chỉ bổ sung tải một phần cho tải lạnh trong giờ cao điểm.

- Đối với tích trữ toàn phần: Hệ thống trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và cấp lạnh cho tải trong suốt giờ cao điểm, hệ thống Water Chiller ngưng hoạt động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. 1 Chúng ta biết rằng hiện tại, ngành điện đang áp dụng chính sách ba giá cho các hóa đơn tiền điện. Giờ thấp điểm: từ 22h đến 4h. Giờ bình thường: từ 4h đến 6h.

Giờ cao điểm: từ 6h đến 22h. Giá điện trong giờ cao điểm và thấp điểm chênh nhau 3 lần. Do đó, chúng ta tìm cách hạn chế vận hành máy lạnh trong giờ cao điểm bằng cách tích trữ lại năng lượng lạnh trong giờ thấp điểm sao cho vẫn đảm bảo đủ nhu cầu (lạnh) của khách hang. Hệ thống lạnh sẽ vận hành để tích trữ năng lượng (lạnh) vào ban đêm (điện giá rẻ) và sẽ giải phóng nguồn năng lượng này cung cấp lạnh cho hệ thống vào ban ngày (điện giá cao).

Quá trình này sẽ lập lại theo chu kỳ hằng ngày. Như vậy, chúng ta đã sử dụng được nguồn điện giá rẻ để vận hành hệ thống (tích trữ ban đêm), thay vì vận hành hệ thống trong giờ cao điểm (phải trả tiền điện giá cao trong giờ cao điểm). Do đó, chúng ta có thể tiết kiệm đáng kể chi phí tiền điện cho việc vận hành hệ thống lạnh. Nguyên lý chung của hệ thống ĐHKK Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh là tích trữ lạnh lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp (vào ban đêm) do nhu cầu sử dụng thấp, giá điện rẻ và cung cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao.

Chiller chạy cho bể tích trữ. Bể tích trữ chạy cho AHU, FCU.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống Chiller kết hợp tích trữ lạnh 2 Chillers thường nghỉ hoạt động về đêm vì lúc đó thường không cần cung cấp tải lạnh. Khi đó bể trữ lạnh được kết nối với hệ thống chiller để dự trữ năng lượng lạnh (hình1. Sau đó, năng lượng được dự trữ trong bồn sẽ cung cấp trở lại vào ban ngày khi có nhu cầu sử dụng.

Bể trữ lạnh này có thể được sử dụng bổ sung hoặc thay thế hoàn toàn việc làm lạnh của Chiller vào ban ngày (hình b). Các phương pháp tích trữ lạnh Theo chế độ làm việc Tích trữ lạnh toàn phần là phương pháp tích trữ mà vào giờ cao điểm, Chiller hoàn toàn không hoạt động vì toàn bộ tải lạnh vào giờ cao điểm đã được đáp ứng bằng lượng lạnh được tích trữ trong bể. Tích trữ lạnh một phần là phương pháp tích trữ mà vào giờ cao điểm, Chiller cung cấp một phần tải lạnh cho hệ thống, phần còn lại do bể tích trữ lạnh cung cấp. Theo dung dịch trong bể - Tích trữ lạnh dùng nước - Tích trữ lạnh dùng băng - Tích trữ lạnh dùng dung dịch (PCMs) 1.

Các chất biến đổi pha thường được sử dụng phổ biến trong hệ thống điều hòa không khí Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh Các chất hiện nay đang được sử dụng trong công nghệ tích trữ lạnh là nước, băng, muối Eutectic, Glycol, Glycerin. Các chất này được dùng để chạy trữ lạnh trong thời gian thấp điểm để giảm giá thành về năng lượng cho hệ thống.Mỗi chất có nhiệt độ tích trữ, nhiệt độ xả tải và nhiệt độ biến đổi phase khác nhau. - Nước là chất trữ lạnh dưới dạng nhiệt hiện. Nhiệt độ tích trữ thường từ 4oC đến 7oC và nhiệt độ xả tải từ 5oC đến 8oC.

3 - Băng và muối Eutectic (hỗn hợp gồm 60% NaNO3 và 40% KNO3) là chất trữ lạnh dưới dang nhiệt ẩn. Băng có nhiệt độ trữ lạnh và xả tải thấp hơn nước lần lượt là -9oC đến -3oC và 1oC đến 3oC. - Glycol ( C2H6O2) và glycerin( C3H8O3) là chất trữ lạnh, nhưng chúng thường được pha với nước với nồng độ thích hợp để chạy tích trữ lạnh. Nồng độ thích hợp của Glycol là 35% với nhiệt độ tích trữ là -7oC.

Nhiệt độ đông đặc thấp nhất của Glycerin có thể đạt được vào khoảng -37,8 oC ứng với 60% đến 70% Glycerin trong nước. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu ngoài nước Rismanchi và các cộng sự [1] đã nghiên cứu việc sử dụng tích trữ băng cho các tòa nhà văn phòng tại Malaysia. Kết quả tổng thể cho thấy hệ thống lưu trữ cho điều hòa không khí có thể giảm chi phí hàng năm đến 35%.

Qua đó có thể hỗ trợ việc bảo tồn nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải CO2, SO2, NOx, CFCs. Các số liệu báo cáo cho thấy lượng tiêu thụ điện cho các tòa nhà văn phòng tiêu thụ khoảng 21% tổng số lượng điện cả nước. Do đó, nghiên cứu này có tiềm năng lớn trong giảm tiêu thụ năng lượng. Theo tạp chí ASHRAE[2] một hệ thống TES một văn phòng tòa nhà 5184m2 ở Phoenix với cơ cấu giá điện giờ cao điểm là 0.2$/KWh và thấp điểm là 0.1$/KWh hoạt động của hệ thống đã tiết kiệm chi phí từ 15% đến 19% so với một hệ không có TES Benjamin và các cộng sự [3] đã giới thiệu hệ thống tích trữ lạnh theo mùa.

Vào mùa đông bồn tích trữ lại dưới dạng băng để dữ trự nguồn năng lượng, đến mùa hè thì sử dụng nguồn ấy để làm mát. Bài báo cũng nêu lên những nguyên nhân chưa được thương mại hóa do chi phí còn cao cũng như tiềm năng của hệ thống giảm tải đối với lưới điện vào mùa hè. Yingming Xie và các cộng sự [4] đã nghiên cứu phương pháp tích trữ bằng năng lượng lạnh. Hệ số truyền nhiệt tổng thể trong quá trình trữ lạnh được tính toán và phân tích dưới các bộ trao đổi nhiệt khác nhau.

Nồng độ natri dodecyl benzen sulfonat (SDS) đã được sử dụng làm phương pháp tăng cường độ hydrat hóa, cộng với nhiệt độ đầu vào làm mát và tốc độ chảy. Kết quả chỉ ra rằng, hiệu suất lưu trữ lạnh có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách thêm một bộ trao đổi nhiệt. 4 Xiwen Cheng và các cộng sự [5] đã nghiên cứu và đề xuất một chất có khả năng thay đổi pha với mục đích để lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ thấp (CTES), với phương pháp tích trữ lạnh bằng cách sử dụng nhiều vật liệu biến đổi pha (PCM). Nghiên cứu cũng chỉ ra mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt, bao gồm tỷ lệ tích trữ lạnh, mật độ tích trữ lạnh với số lượng lớn, đồng thời mức độ chính xác của đơn vị CTES đã giảm so với các đơn vị CTES trong cùng một giai đoạn.

Công nghệ tích trữ lạnh kết hợp với chất biến đổi pha mới để ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí. Xiao-Yan Li và cộng sự [6] đã nghiên cứu và khảo sát chất biến đổi pha, tìm ra một chất biến đổi pha mới kết hợp với công nghệ tích trữ lạnh. Qua việc khảo sát thực nghiệm bồn tích trữ lạnh có sử dụng loại tích trữ dạng khối cầu, nghiên cứu này đã được tập trung phát triển với mục đích xác định được đặc tính nhiệt động của chúng như mô tả Hình 1. Sau khi vận hành hệ thống lạnh để tích trữ tại bồn số (9), bơm P12 (10) vận chuyển chất tải lạnh vào bồn trữ đã chứa sẵn các khối cầu có sử dụng chất biến đổi pha.

Bên cạnh đó, tác giả kết hợp mô phỏng và thực nghiệm quá trình xả băng của bồn tích trữ lạnh để nghiên cứu và áp dụng cho hệ thống điều hòa không khí. Nghiên cứu này đã chỉ ra những ảnh hưởng của nhiệt độ bên trong sự truyền nhiệt của dòng chất lỏng, hệ số Stefan, tỉ lệ lưu lượng truyền nhiệt của chất lỏng, công suất tích trữ lạnh trong tích trữ năng lượng của nhiệt ẩn, nghiên cứu cũng đã chỉ ra các kết quả như sau: (1) Công suất xả tải tăng nhanh hơn khi tốc độ dòng HTF (Heat Transfer Fluid) lớn hơn đầu vào, tốc độ dòng chất lỏng càng tăng dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trao càng lớn sẽ có lợi cho quá trình truyền nhiệt của chất lỏng. (2) Sử dụng kết quả đo DSC (dissferential scaning calorimeter), chất biến đổi pha mới HS-2 sử dụng trong nghiên cứu này có điểm nóng chảy ở nhiệt độ 8,5 ºC và điểm liên kết ở nhiệt độ 7,4ºC. (3) Hệ số Stefan cao dẫn đến nhiệt độ đầu vào cao do đó dẫn đến thời gian tan băng sẽ giảm lại.

(4) Nhiệt độ chất lỏng truyền nhiệt đầu vào càng cao dẫn đến thời gian xả băng ngắn lại đồng thời hệ số Stefan cao. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống lạnh [6] E.