CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hệ thống cấp nước nóng Nước nóng phục vụ nhu cầu rửa, tắm, chuẩn bị, sơ chế thức ăn với nhiệt độ dòng nước nóng cấp tới thường đạt từ 50-60oC nhiệt độ sử dụng sau hòa trộn tốt nhất 40-45oC. Hệ thống nước nóng thường được chia thành 2 thành phần chính [13]: - Bộ phận gia nhiệt có thể tích hợp trữ nước. - Hệ thống đường ống dẫn và thiết bị sử dụng. Bởi tính chất nhiệt độ dòng nước cao nên yêu cầu về đường ống và các phương pháp chống tổn thất nhiệt được quan tâm áp dụng.
Ngoài đường ống có yêu cầu chuyên biệt thì hệ thống thiết bị vệ sinh, thiết bị tiêu thụ nước cũng có các đặc thù riêng để đưa ra điểm sử dụng và hòa trộn nước đến nhiệt độ thích hợp trước khi sử dụng. Dựa theo quy mô của hệ thống người ta thường chia hệ thống cấp nước thành 2 loại như sau: - Thiết bị gia nhiệt cục bộ (Local Heating): có cấu tạo đơn giản chỉ bao gồm thiết bị gia nhiệt và đường ống đến thiết bị sử dụng rất ngắn nên có thể tận dụng áp lực của dòng nước lạnh cấp vào đến điểm sử dụng. Thiết bị gia nhiệt cục bộ có công suất giới hạn thường phục vụ cho nhu cầu ở quy mô hộ gia đình, cấu tạo thiết bị gia nhiệt đơn giản, thể tích lưu trữ thường nhỏ hơn 100 lít hoặc sử dụng điện trở gia nhiệt trực tiếp không qua lưu trữ nước nóng. Các thiết bị gia nhiệt cục bộ thường dùng điện trở đun nước để gia nhiệt và có các cơ chế cách ly chống rò điện để bảo vệ người sử dụng.
- Hệ thống cấp nước nóng tập trung (Centralized Heating): có công suất hoạt động lớn thường phục vụ nhu cầu nước nóng cho các công trình quy mô lớn như chung cư, viện an dưỡng, bệnh viện, khách sạn… Hệ thống có hệ thống gia nhiệt công suất lớn có thể kết hợp nhiều phương pháp gia nhiệt và lưu trữ nhiệt để đảm bảo nhiệt độ cấp nước và giảm thất thoát nhiệt. Mạng lưới đường ống cấp nước có thể kết hợp trạm tăng áp để truyền tải nước đến điểm sử dụng nước 5 bên cạnh đó còn có thể kết hợp hệ thống hồi nước nguội bằng bơm và van tuần hoàn để giữ nhiệt độ nước cấp đến nơi sử dụng được ổn định.1 Công nghệ gia nhiệt nước nóng Việc đun nước nóng để sử dụng là nhu cầu không thể thiếu trong lối sống của con người từ xưa, lúc này con người chủ yếu sử dụng than củi để đun nước với quy mô nhỏ phục vụ sinh hoạt hàng ngày. Năm 298 AD - 306 AD Người La Mã đã xây dựng những bồn tắm lớn với nước nóng, trong khi đây không phải là những bình đun nước nóng riêng lẻ mà người ta đã sử dụng các bếp đun lớn, đây là bước đầu tiên hướng tới việc làm nóng nước ở quy mô lớn.1 Nhà tắm có nước nóng tại La Mã Nguồn: https://interestingengineering.com Năm 1868 - Benjamin Waddy Maughan một họa sĩ người Anh được cấp bằng sáng chế cho chiếc máy nước nóng tức thời đầu tiên. Ông đã phát minh ra máy đun nước nóng tức thời Gas Gyser, nhưng thiết bị này chưa có lỗ thông hơi và rất nguy hiểm khi sử dụng.
Thiết bị chạy bằng khí Gas này là thiết bị đầu tiên làm nóng nước trước khi nước vào bồn tắm.2 Máy nước nóng của Waddy Maughan Nguồn: https://agentisplumbing.com/ Năm 1889 - Edmund Rudd đã sử dụng ý tưởng của ông Waddy Maughn nâng cấp thiết kế thêm van an toàn bổ sung vào máy nước nóng và sử dụng điện làm nguồn năng lượng cho ra máy nước nóng và thiết bị nước nóng có nguyên lý quen thuộc như ngày nay đã ra đời. Năm 1891 - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời thương mại phổ biến đầu tiên ra đời và được mở bán rộng rãi tại Califonia – USA. Thiết bị này là một bồn chứa nước được sơn đen để tối ưu hấp thụ bức xạ nhiệt làm nóng nước. Năm 1929 – Máy nước nóng không bồn chứa sử dụng điện có nguyên lý tương tự máy nước nóng trực tiếp ngày nay được Stiebel-Eltron phát minh.
Giữa thế kỷ XVIII các nhà khoa học lần lượt đưa ra các nghiên cứu đầu tiên về công nghệ nhiệt lạnh, bằng các thí nghiệm chứng minh được khả năng làm lạnh cưỡng bức bằng phương pháp nhân tạo thông qua quá trình bay hơi của một chất lỏng chẳng hạn như rượu hoặc ete có thể được dùng để giảm nhiệt độ của một vật thế xuống dưới điểm đóng băng của nước. Đến năm 1852 Lord Kelvin đưa ra các khái niệm cơ bản về máy bơm nhiệt với nguyên lý tương tự để giữ ấm môi trường không khí. 7 Năm 1855-1857 Peter von Rittinger lần đầu tiên nghiên cứu và chế tạo bơm nhiệt với nguồn nghiệt từ hơi nước cấp từ một lò hơi để sấy muối - đặt nền móng đầu tiên cho sự phát triển của heatpump sau này. Năm 1945 John Summer chế tạo heatpump sử dụng nguồn nhiệt nước (Water source heatpump) để sưởi ấm cho một công trình thực thụ với hiệu suất COP ước đạt 3.42, bất chấp hiệu quả cao nhưng giá nhiên liệu hóa thạch lúc này còn rất rẻ nên mô hình chưa được nhân rộng.
Tuy nhiên đây là bước đầu tiên của con người áp dụng hệ thống vào công trình. Năm 1950 John Sumner chế tạo heatpump sử dụng nguồn địa nhiệt (Ground source heatpump) đầu tiên bằng hệ thống ống đồng chôn ở độ sâu 1 m xung quanh nhà của mình và bao quanh bởi chất chống đông. Những năm 1970 cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra đe dọa nguồn nhiên liệu hóa thạch cho hệ thống sưởi. Sự kiện này thúc đẩy phát triển hệ thống heatpump và dần hoàn thiện đến ngày nay, đáp ứng quá trình sưởi ấm cho các nước xứ lạnh và gia nhiệt cung cấp nước nóng cho công trình.
Sau này sự phát triển về quy mô của các công trình xây dựng đòi hỏi phải có phương pháp đun nước với công suất lớn, tiết kiệm hơn phục vụ cho công trình. Thời điểm bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên con người đã biết sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ khí đốt để đun nóng vận hành các lò hơi cấp hơi với hiệu suất nhiệt cao hơn thời kỳ trước đó, giảm tổn thất nhiệt tốt hơn nên công suất đun nước nóng thời điểm này cũng lớn hơn và bắt đầu xuất hiện khái niệm về mạng lưới đường ống cấp nước nóng riêng biệt để cung cấp nước nóng. Tuy nhiên phương pháp đun bằng nhiên liệu hóa thạch cũng gây ra nhiều vấn đề môi trường do tro, khói sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu. Thời kỳ này con người chưa thật sự chú đến vấn đề ô nhiễm không khí do đốt nhiên liệu hóa thạch, người ta chỉ sử dụng ống khói cao để phát tán khói bụi lên cao.
Mãi sau này mới sử dụng các phương pháp giảm nhẹ khói bụi phát tán ra bằng các phương pháp hấp thu, hấp phụ khí trước khi phát thải. Đồng thời với sự phát triển của ngành nhiệt lạnh người ta bắt đầu ứng dụng công nghệ nhiệt lạnh vào hệ thống gia nhiệt nước nóng. Bởi tính an toàn, tiết kiệm và ô nhiễm 8 thấp, hệ thống gia nhiệt bằng các công nghệ nhiệt lạnh đã thay thế hệ thống gia nhiệt sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong cấp nước nóng sinh hoạt trong công trình. Hiện nay có rất nhiều công nghệ gia nhiệt nước nóng được sử dụng rộng rãi, các công nghệ sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau có nhiều ưu, nhược điểm khác nhau.
Các công nghệ gia nhiệt bao gồm: - Hệ thống gia nhiệt bằng lò hơi nhiên liệu hóa thạch; - Hệ thống gia nhiệt bằng điện trở đun; - Hệ thống gia nhiệt bằng bơm nhiệt nguồn nhiệt nước (Water source heatpump); - Hệ thống bơm nhiệt nguồn nhiệt khí (Air source heatpump); - Hệ thống bơm nhiệt nguồn địa nhiệt (Ground source heatpump); - Thiết bị gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt mặt trời (Solar heating). Công nghệ gia nhiệt nước nóng tuy đa dạng nhưng khả năng ứng dụng cũng như giới hạn về chi phí nên thường được áp dụng ở Việt Nam có chọn lọc các loại hình như sau: - Hệ thống gia nhiệt bằng điện trở đun; - Hệ thống gia nhiệt bằng bơm nhiệt giải nhiệt khí (Air source heatpump); - Hệ thống gia nhiệt bằng nguồn bức xạ nhiệt mặt trời (Solar heating); 1.2 Đặc điểm cấu tạo và tổn thất nhiệt trên mạng lưới cấp nước nóng Do tính chất vừa truyền tải lưu lượng nước vừa mang theo năng lượng ở dạng nhiệt năng đến điểm sử dụng nên đường ống nước nóng thường có yêu cầu khác so với nước lạnh. Đường ống có độ dày cao hơn, thường chọn các vật liệu bền nhiệt chịu được nhiệt độ t ≤ 120oC, không bị ăn mòn. Tính chất dòng nước mang nhiệt gây giãn nở biến dạng ống, đối với các tuyến ống thẳng đi quá dài cần bố trí điều giãn (khớp nối mềm) để hạn chế tác động của biến dạng do nhiệt độ [13].
9 Đường ống tuần hoàn có nhiệm vụ đưa nước khi sử dụng bị nguội đi từ mạng lưới phân phối về thiết bị làm nước độ yêu cầu. Đường ống hồi nước nóng cũng có tính chất nóng để tái gia nhiệt đến nhiệt tương tự ống cấp nước nóng [13]. Mạng lưới cấp nước bên trong công trình hiện nay theo quy mô có thể chia thành 2 hệ thống chính: Hệ thống cấp nước nóng cục bộ (Local heating): là hệ thống gia nhiệt và cấp nước ngay tại điểm sử dụng nước của khu vệ sinh, sử dụng bình đun với nguồn nhiệt thông thường là điện trở đun, có thể gia nhiệt lưu trữ nước hoặc cấp trực tiếp qua chế độ trộn nước và căn chỉnh nhiệt độ trộn đầu ra. Hệ thống sử dụng áp lực từ nguồn nước lạnh cấp tới để dẫn nước đến điểm sử dụng.
Tiêu biểu cho loại hình này là các thiết bị gia nhiệt cục bộ như máy nước nóng trực tiếp, gián tiếp. Hệ thống cấp nước nóng trung tâm (Centralized Heating): Đây là hệ thống cấp nước nóng quy mô lớn với mạng lưới đường ống cấp nước chuyên biệt, hệ thống gia nhiệt công suất lớn có cơ chế điều khiển và tăng áp riêng, trạm gia nhiệt công suất lớn, sử dụng các phương pháp gia nhiệt có thể kết hợp nhiều phương pháp để đảm bảo cung cấp nhiệt, tiết kiệm chi phí đầu tư và quản lý, vận hành. Hệ thống được kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng để cấp đến điểm sử dụng có nhiệt độ ổn định và liên tục. Mạng lưới cấp nước nóng tập trung thường chia thành 2 loại chính là mạng lưới cấp nước nóng kín và mạng lưới cấp nước nóng hở với đặc điểm thủy lực khác nhau.