Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu giải pháp cấp nước nóng cho khách sạn Holiday tại Nha Trang

• Tác giả: Bùi Hữu Anh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Khương Thị Hải Yến
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cấp Thoát Nước
• Đề tài: Giải Pháp Cấp Nước Nóng Hiệu Quả Cho Khách Sạn Holiday Nha Trang
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nha Trang

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về hệ thống cấp nước nóng trung tâm cho khách sạn
• 1.1.1. Các nghiên cứu hệ thống nước nóng trên thế giới
• 1.1.2. Các nghiên cứu hệ thống nước nóng ở Việt Nam
• 1.1.3. Tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả trong các tòa nhà
• 1.2. Hệ thống cấp nước nóng trung tâm khách sạn Holiday thành phố Nha Trang
• 1.2.1. Sơ lượt về thiết kế cơ điện và cấp thoát nước khách sạn Holiday - Nha Trang
• 1.2.2. Hệ thống cấp nước sử dụng khách sạn
• 1.3. Tổng quan về đặc điểm tạo nhiệt của Heatpump
• 1.3.1. Giới thiệu về heatpump
• 1.3.2. Cấu tạo của hệ thống Heatpump
• 1.3.3. Nguyên lý hoạt động
• 1.3.4. Nguồn cung cấp nhiệt
• 1.3.4.1. Không khí
• 1.3.4.2. Nước
• 1.3.4.3. Đất
• 1.3.4.4. Lưu chất vận động
• 1.3.5. Ưu điểm của hệ thống nước nóng trung tâm
• 1.3.6. Lợi ích khi sử dụng hệ thống nước nóng trung tâm
• 1.4. Tổng quan về máy nước nóng năng lượng mặt trời
• 1.4.1. Lịch sử đời máy nước nóng năng lượng mặt trời
• 1.4.2. Cấu tạo chính và nguyên lý hoạt động
• 1.5. Tổng quan về lý thuyết điều khiển tự động
• 1.5.1. Phân loại điều khiển tự động theo tín hiệu
• 1.5.2. Mô tả toán học hệ thống điều khiển
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC NÓNG TRUNG TÂM CỦA KHÁCH SẠN HOLIDAY
• 2.1. Hệ thống cấp nước nóng trung tâm của khách sạn Holiday
• 2.2. Cơ sở tính toán hệ thống cấp nước nóng trung tâm gia nhiệt bằng heatpump của khách sạn
• 2.2.1. Công thức tính toán hệ thống cấp nước nóng trong nhà
• 2.2.2. Lưu lượng cấp nước
• 2.2.3. Công suất nguồn cấp nhiệt
• 2.3. Tính toán và lựa chọn hệ thống heatpump của khách sạn
• 2.3.1. Tính toán hệ thống heatpump
• 2.3.2. Lựa chọn heatpump
• 2.3.3. Đánh giá mức độ đầu tư
• 2.3.3.1. Chi phí đầu tư hệ thống heatpump
• 2.3.3.2. Chi phí duy trì hoạt động hệ thống heatpump
• 2.4. Cơ sở tính toán hệ thống nước nóng Solar
• 2.4.1. Cơ sở tính toán hệ thống nước nóng Solar
• 2.4.2. Tính toán tấm thu nhiệt điển hình
• 2.4.3. Lựa chọn hệ thống nước nóng
• 2.5. Thuật toán PID trong điều khiển nhiệt độ
• 2.5.1. Thành phần lệ P (Proportional), thành phần tích phân I (Integral)
• 2.5.2. Thành phần vi phân D (Derivative)
• 2.5.3. Lợi ích điều khiển nhiệt độ bằng bộ điều khiển PID
• 2.5.4. Bộ điều khiển động PLC
• 2.5.4.1. PLC S7-300 của Siemens
• 2.6. Kết luận chương II
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤP NƯỚC NÓNG HIỆU QUẢ CHO KHÁCH SẠN HOLIDAY - NHA TRANG
• 3.1. Đề xuất giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả tối ưu cho hệ thống nước nóng trung tâm cho khách sạn
• 3.1.1. Giải pháp thay thế toàn bộ hệ thống nước nóng gia nhiệt heatpump bằng solar
• 3.1.2. Giải pháp phương án kết hợp hệ thống nước nóng heatpump với solar
• 3.1.3. So sánh các giải pháp đề xuất và lựa chọn phương án tối ưu nhất
• 3.1.4. Đề xuất kiểm soát nhiệt tại vị trí cấp nguồn hệ thống nước nóng trung tâm
• 3.2. Đề xuất kiểm soát nhiệt nguồn bằng PLC sử dụng thuật toán PID cho hệ thống cấp nước nóng khách sạn Holiday - thành phố Nha Trang
• 3.2.1. Thiết lập vòng điều khiển. Đề xuất phương án điều khiển
• 3.2.2. Điều khiển nhiệt bằng phương pháp ON/OFF
• 3.2.3. Lợi ích điều khiển nhiệt theo dãy thuật PID
• 3.2.4. Đề xuất điều khiển bằng module mềm FB41 trong PLC S7-300
• 3.3. Kết luận chương 3
• PHỤ LỤC I
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Bài viết này nghiên cứu và đề xuất giải pháp cấp nước nóng hiệu quả cho khách sạn Holiday Nha Trang. Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng nước nóng ngày càng tăng, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống nước nóng trung tâm trở nên cần thiết. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống cấp nước nóng, đồng thời đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nước nóng cho khách sạn.

1.1 Tầm quan trọng của nước nóng trong ngành khách sạn

Nhu cầu sử dụng nước nóng trong ngành dịch vụ khách sạn rất lớn, đặc biệt trong các mùa cao điểm du lịch. Việc cung cấp nước nóng liên tục và hiệu quả không chỉ nâng cao trải nghiệm của khách hàng mà còn góp phần tiết kiệm chi phí vận hành cho khách sạn. Hệ thống cấp nước nóng trung tâm giúp đáp ứng nhu cầu này một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu lượng năng lượng tiêu thụ. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ cấp nước nóng hiện đại có thể giảm tới 30% chi phí năng lượng so với các phương pháp truyền thống.

II. Phân tích hệ thống cấp nước nóng hiện tại

Hệ thống cấp nước nóng hiện tại tại khách sạn Holiday Nha Trang chủ yếu sử dụng công nghệ truyền thống, dẫn đến hiệu suất không cao và tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc phân tích công nghệ cấp nước nóng hiện tại cho thấy nhiều điểm yếu, bao gồm: tiêu hao năng lượng lớn, khả năng cung cấp nước nóng không ổn định và chi phí bảo trì cao. Đặc biệt, trong bối cảnh giá năng lượng gia tăng, việc chuyển đổi sang các giải pháp bền vững và tiết kiệm năng lượng là cần thiết. Các giải pháp như sử dụng heatpump và năng lượng mặt trời sẽ được xem xét để cải thiện hiệu suất hệ thống.

2.1 Các công nghệ hiện có

Khách sạn hiện đang sử dụng hệ thống nước nóng truyền thống, chủ yếu dựa vào năng lượng điện và gas. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các giải pháp như heatpump và năng lượng mặt trời đã chứng minh được tính hiệu quả và bền vững hơn. Hệ thống heatpump có khả năng chuyển đổi nhiệt từ môi trường xung quanh để cung cấp nước nóng, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Bên cạnh đó, việc kết hợp với năng lượng mặt trời sẽ tối ưu hóa nguồn cung cấp nước nóng, đặc biệt trong những tháng nắng nhiều.

III. Đề xuất giải pháp cấp nước nóng hiệu quả

Đề xuất giải pháp cấp nước nóng hiệu quả cho khách sạn Holiday Nha Trang bao gồm việc áp dụng hệ thống heatpump kết hợp với năng lượng mặt trời. Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo cung cấp nước nóng liên tục cho khách hàng. Việc sử dụng công nghệ cấp nước nóng hiện đại sẽ giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời nâng cao trải nghiệm của khách hàng. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng sạch, giải pháp này sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của khách sạn.

3.1 Kết hợp hệ thống heatpump và năng lượng mặt trời

Việc kết hợp giữa heatpump và năng lượng mặt trời sẽ tạo ra một hệ thống cấp nước nóng hiệu quả nhất. Heatpump sẽ hoạt động như một hệ thống chính trong những tháng lạnh, trong khi năng lượng mặt trời sẽ cung cấp nước nóng trong những tháng nắng nhiều. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng mà còn tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên. Hệ thống này có thể đạt hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu nước nóng cho cả khách sạn trong suốt 24 giờ mỗi ngày.

IV. Kết luận và kiến nghị

Từ những phân tích và đề xuất trên, có thể thấy rằng việc áp dụng giải pháp cấp nước nóng hiệu quả cho khách sạn Holiday Nha Trang là cần thiết và khả thi. Việc chuyển đổi sang sử dụng heatpump kết hợp với năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ. Để thực hiện giải pháp này, cần có sự đầu tư ban đầu cho hệ thống mới và các biện pháp quản lý vận hành hợp lý. Khách sạn nên xem xét việc triển khai giải pháp này trong thời gian tới để nâng cao trải nghiệm của khách hàng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1 Kiến nghị thực hiện

Để thực hiện các giải pháp đề xuất, khách sạn cần tiến hành khảo sát chi tiết về nhu cầu sử dụng nước nóng, đồng thời đánh giá khả năng tài chính để đầu tư vào hệ thống mới. Khách sạn cũng nên hợp tác với các chuyên gia trong lĩnh vực cấp nước nóng để đảm bảo thiết kế và lắp đặt hệ thống đạt hiệu quả cao nhất. Cuối cùng, việc đào tạo nhân viên về vận hành và bảo trì hệ thống mới cũng là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự thành công của dự án.

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng nước nóng trong các khách sạn, đặc biệt tại các thành phố du lịch như Nha Trang, ngày càng tăng cao, nhất là vào mùa đông. Theo ước tính, khách sạn Holiday tại thành phố Nha Trang có nhu cầu sử dụng nước nóng khoảng 2.616 m³/ngày, tương đương 2.676 m³ theo tính toán chi tiết. Hệ thống cấp nước nóng trung tâm hiện tại sử dụng công nghệ heatpump, tuy nhiên chi phí vận hành và tiêu hao năng lượng vẫn còn cao, đồng thời chưa tối ưu về mặt an toàn và hiệu quả sử dụng năng lượng. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá thực trạng hệ thống cấp nước nóng hiện tại, đề xuất các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả, kết hợp giữa heatpump và năng lượng mặt trời (solar), đồng thời áp dụng các phương pháp điều khiển tự động nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tính an toàn cho khách sạn Holiday.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống cấp nước nóng trung tâm của khách sạn Holiday, sử dụng heatpump kết hợp với hệ thống năng lượng mặt trời tại thành phố Nha Trang, với khoảng 2.000-2.600 giờ nắng mỗi năm và tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình khoảng 5 kW/m²/ngày. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm tiêu thụ điện năng khoảng 1% tổng điện năng sử dụng trong khách sạn, góp phần tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống cấp nước nóng trung tâm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt (heatpump): Heatpump vận chuyển nhiệt từ nguồn nhiệt thấp (không khí, nước, đất) sang nguồn nhiệt cao hơn, sử dụng điện năng để vận hành máy nén, giúp tiết kiệm năng lượng so với các thiết bị làm nóng truyền thống. Hiệu suất COP của heatpump có thể đạt từ 2 đến 3, tùy thuộc vào nguồn nhiệt và điều kiện vận hành.

• Nguyên lý thu nhiệt năng lượng mặt trời (solar thermal): Sử dụng các bộ thu nhiệt (collector) như ống thủy tinh chân không hoặc tấm phẳng để hấp thụ bức xạ mặt trời, chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng nước. Hệ thống bao gồm bình bảo ôn giữ nhiệt với lớp cách nhiệt PU giúp giảm thất thoát nhiệt.

• Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng thuật toán điều khiển PID và bộ điều khiển PLC S7-300 để kiểm soát nhiệt độ nước nóng, đảm bảo vận hành ổn định, an toàn và tiết kiệm năng lượng. Mô hình toán học sử dụng biến đổi Laplace để mô phỏng hệ thống điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ thống cấp nước nóng trung tâm, heatpump, năng lượng mặt trời, điều khiển PID, PLC, hiệu suất năng lượng (COP), và bức xạ mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ khách sạn Holiday, tài liệu thiết kế hệ thống cấp nước nóng, số liệu bức xạ mặt trời tại Nha Trang, các văn bản pháp luật liên quan đến tiết kiệm năng lượng và vận hành hệ thống cấp nước.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng Simatic Step 7 và Simatic WinCC để xây dựng mô hình điều khiển PID trên PLC, tính toán công suất và lưu lượng nước nóng cần thiết, đánh giá chi phí đầu tư và vận hành của các phương án heatpump, solar và kết hợp.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào hệ thống cấp nước nóng của một khách sạn tiêu chuẩn 4-5 sao với quy mô khoảng 560 khách, thực hiện trong năm 2021 tại thành phố Nha Trang.

• Phương pháp chuyên gia và kế thừa: Tham khảo ý kiến chuyên gia, kế thừa các nghiên cứu trước về hệ thống cấp nước nóng và điều khiển tự động để hoàn thiện đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả sử dụng heatpump: Hệ thống heatpump Megasun MGS-10HP có công suất sinh nhiệt khoảng 306 kW, tiêu thụ điện năng khoảng 65 kW, với chi phí đầu tư ban đầu cho 4 cụm bơm nhiệt là khoảng 760 triệu đồng. Chi phí vận hành điện năng hàng tháng ước tính khoảng 4,05 triệu đồng. Hiệu suất COP trung bình đạt khoảng 3, giúp tiết kiệm năng lượng so với các hệ thống truyền thống.

2. Tiềm năng năng lượng mặt trời: Với khoảng 2.000-2.600 giờ nắng mỗi năm và tổng bức xạ mặt trời trung bình 5 kW/m²/ngày, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời có thể cung cấp một phần lớn nhu cầu nước nóng, giảm tải cho heatpump. Chi phí đầu tư hệ thống solar dạng tấm phẳng được đánh giá hợp lý, tuổi thọ và hiệu suất thu nhiệt cao (đến 93%).

3. Giải pháp kết hợp heatpump và solar: Phương án kết hợp hai hệ thống giúp giảm chi phí vận hành điện năng khoảng 15-20% so với chỉ sử dụng heatpump. Việc áp dụng điều khiển PID trên PLC giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác, giảm tổn thất nhiệt và tăng độ an toàn vận hành.

4. So sánh chi phí và hiệu suất: Biểu đồ so sánh cho thấy phương án kết hợp heatpump và solar có hiệu suất cao nhất và chi phí vận hành thấp nhất trong các phương án được nghiên cứu, đồng thời đảm bảo cung cấp nước nóng liên tục 24/7.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm năng lượng là do tận dụng nguồn nhiệt miễn phí từ năng lượng mặt trời, giảm tải cho heatpump vốn tiêu thụ điện năng lớn. So với các nghiên cứu trước đây, việc kết hợp điều khiển PID trên PLC giúp hệ thống vận hành ổn định hơn, giảm thiểu sai số nhiệt độ và tổn thất nhiệt trong đường ống. Kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển bền vững và tiết kiệm năng lượng trong ngành khách sạn và xây dựng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chi phí đầu tư, chi phí vận hành, và hiệu suất COP của từng phương án, cũng như bảng số liệu chi tiết về lưu lượng, nhiệt độ và tiêu thụ điện năng hàng tháng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thay thế một phần hệ thống heatpump bằng hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời: Giảm tải cho heatpump, tiết kiệm điện năng khoảng 15-20% trong vòng 1-2 năm, do Ban quản lý khách sạn phối hợp với nhà thầu lắp đặt thực hiện.

2. Áp dụng hệ thống điều khiển tự động PID trên PLC S7-300: Kiểm soát nhiệt độ nước nóng chính xác, giảm tổn thất nhiệt và tăng an toàn vận hành, triển khai trong 6 tháng với sự hỗ trợ của chuyên gia tự động hóa.

3. Tăng cường bảo trì, bảo dưỡng hệ thống: Định kỳ kiểm tra, vệ sinh bộ thu nhiệt solar và bảo dưỡng heatpump để duy trì hiệu suất hoạt động, thực hiện hàng quý bởi đội ngũ kỹ thuật khách sạn.

4. Đào tạo nhân viên vận hành: Nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành hệ thống mới, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn, tổ chức đào tạo trong vòng 3 tháng đầu sau khi lắp đặt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Chủ đầu tư và quản lý khách sạn: Nhận biết các giải pháp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ.

2. Kỹ sư thiết kế và thi công hệ thống cấp thoát nước: Áp dụng các phương pháp tính toán, lựa chọn thiết bị và điều khiển tự động phù hợp với điều kiện thực tế.

3. Chuyên gia năng lượng và môi trường: Nghiên cứu các giải pháp sử dụng năng lượng tái tạo trong công trình xây dựng, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

4. Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành kỹ thuật cấp thoát nước, tự động hóa: Tham khảo mô hình nghiên cứu, phương pháp tính toán và ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống heatpump hoạt động như thế nào?
   Heatpump vận chuyển nhiệt từ nguồn nhiệt thấp (không khí, nước, đất) sang nước cần làm nóng, sử dụng điện năng để vận hành máy nén, giúp tiết kiệm năng lượng so với các thiết bị làm nóng truyền thống.

2. Năng lượng mặt trời có thể cung cấp bao nhiêu phần trăm nhu cầu nước nóng?
   Tại Nha Trang, với khoảng 2.000-2.600 giờ nắng mỗi năm, hệ thống solar có thể cung cấp từ 30-50% nhu cầu nước nóng, tùy thuộc vào diện tích bộ thu nhiệt và thiết kế hệ thống.

3. Điều khiển PID giúp gì cho hệ thống cấp nước nóng?
   Điều khiển PID giúp duy trì nhiệt độ nước ổn định, giảm dao động nhiệt, tiết kiệm năng lượng và tăng độ an toàn trong vận hành hệ thống.

4. Chi phí đầu tư hệ thống kết hợp heatpump và solar có cao không?
   Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với chỉ sử dụng heatpump, nhưng chi phí vận hành thấp hơn đáng kể, giúp thu hồi vốn nhanh trong vòng vài năm.

5. Làm thế nào để bảo trì hệ thống nước nóng trung tâm hiệu quả?
   Cần thực hiện vệ sinh bộ thu nhiệt solar, kiểm tra và bảo dưỡng heatpump định kỳ, kiểm tra hệ thống điều khiển và đường ống để đảm bảo hiệu suất và an toàn vận hành.

Kết luận

• Hệ thống cấp nước nóng trung tâm khách sạn Holiday hiện tại sử dụng heatpump có hiệu suất tốt nhưng chi phí vận hành còn cao.
• Năng lượng mặt trời là nguồn nhiệt sạch, dồi dào tại Nha Trang, có thể kết hợp hiệu quả với heatpump để giảm chi phí và tăng hiệu suất.
• Áp dụng điều khiển tự động PID trên PLC giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác, giảm tổn thất nhiệt và tăng an toàn vận hành.
• Giải pháp kết hợp heatpump và solar được đánh giá là tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật cho khách sạn Holiday.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai lắp đặt hệ thống kết hợp, đào tạo nhân viên vận hành và theo dõi hiệu quả thực tế để điều chỉnh phù hợp.

Hành động ngay: Chủ đầu tư và quản lý khách sạn nên xem xét áp dụng giải pháp kết hợp năng lượng mặt trời và heatpump, đồng thời đầu tư vào hệ thống điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí vận hành.