I. Tổng Quan Tối Ưu Chiller Dòng Ngược để Tiết Kiệm Năng Lượng
Hệ thống điều hòa không khí (HVAC) chiếm phần lớn điện năng tiêu thụ trong các tòa nhà thương mại và dân cư, đặc biệt ở các quốc gia nhiệt đới. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng, như sử dụng chiller nước trung tâm dòng ngược (SSCF), ngày càng được quan tâm. Chiller SSCF có tiềm năng giảm công suất tiêu thụ của máy nén so với chiller song song truyền thống. Tuy nhiên, việc tăng chênh lệch nhiệt độ nước và giảm lưu lượng nước có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của dàn lạnh và tháp giải nhiệt. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô hình hóa và tối ưu hóa toàn bộ hệ thống HVAC, bao gồm chiller SSCF, dàn lạnh và tháp giải nhiệt, để đạt được hiệu quả năng lượng tổng thể cao nhất. Mục tiêu là tìm ra cấu hình và điều kiện vận hành tối ưu để giảm chi phí năng lượng và nâng cao hiệu suất chiller, đồng thời đảm bảo sự thoải mái và sức khỏe cho người sử dụng. Phân tích hiệu suất năng lượng là chìa khóa để xác định các điểm yếu và cơ hội cải thiện trong hệ thống HVAC hiện có.
1.1. Lịch sử phát triển và tầm quan trọng của HVAC R
Hệ thống điều hòa không khí đã được phát triển một cách có hệ thống bởi Tiến sĩ Carrier vào đầu những năm 1900. Do liên quan mật thiết đến sự thoải mái và sức khỏe của con người, điều hòa không khí đã trở thành một trong những yếu tố quan trọng nhất trong tiêu thụ năng lượng. Hầu hết các tòa nhà thương mại ở Hoa Kỳ đều được điều hòa không khí sau Thế chiến II (Wang, 2001). Trong những năm gần đây, tiết kiệm năng lượng đang được chú trọng trên toàn thế giới. Do xu hướng phát triển của thế giới và nhu cầu của con người, hệ thống điều hòa không khí ngày càng được lắp đặt phổ biến.
1.2. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống HVAC
Có rất nhiều giải pháp được đề xuất để tiết kiệm năng lượng và giảm nhu cầu điện của hệ thống điều hòa không khí như lưu trữ nhiệt lạnh (Fang et al., 2009; Erek and Dincer, 2008; Zhao et al., 2008; Habeebullah, 2007; Cliche and Lacroix, 2006; Ismail et al., 2003), hệ thống bơm nhiệt/lạnh hấp thụ và hệ thống bơm nhiệt/lạnh được điều khiển bằng động cơ khí đốt hoặc tuabin khí với hệ thống điện, nhiệt và lạnh kết hợp (Xu and Yang, 2009; Sun, 2008), điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời (Pongtornkulpanich et al., 2008) hoặc giảm tiêu thụ nước của tháp giải nhiệt (Al-Bassam and Maheshwari, 2011), v.v.
II. Thách Thức Phân Tích Hiệu Suất khi dùng Chiller Dòng Ngược SSCF
Mặc dù chiller nước trung tâm dòng ngược (SSCF) có tiềm năng tiết kiệm năng lượng, việc triển khai chúng cũng đặt ra một số thách thức. Thứ nhất, việc tăng chênh lệch nhiệt độ nước có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của dàn lạnh và tháp giải nhiệt. Cần phải có sự phối hợp tối ưu giữa các thành phần để đảm bảo hiệu suất tổng thể của hệ thống. Thứ hai, việc mô hình hóa và phân tích hiệu suất của hệ thống chiller SSCF phức tạp hơn so với hệ thống chiller song song truyền thống. Cần phải có các mô hình chính xác và các phương pháp phân tích hiệu quả để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Cuối cùng, việc điều khiển hệ thống chiller SSCF đòi hỏi các chiến lược điều khiển tiên tiến để duy trì hiệu suất tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau. Bài toán tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn khi xét đến sự tương tác giữa các thành phần.
2.1. So sánh chiller song song và chiller SSCF
Thông thường, chiller nước trung tâm trong hệ thống điều hòa không khí được bố trí song song như trong Hình. Độ nâng của chiller, tức là hiệu số giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi, là bằng nhau như trong Hình. Chiller cũng có thể được xây dựng nối tiếp như được mô tả trong các tài liệu (Wang, 2001 và Petchers, 2003).
2.2. Ưu điểm của chiller SSCF trong việc giảm công suất máy nén
Hình 1b cho thấy một cách bố trí nối tiếp khác, trong đó nước lạnh chảy qua chiller 1 và chiller 2 lần lượt; -1- trong khi đó, nước ngưng chảy qua chiller 2 và chiller 1 lần lượt. Do đó, nó có thể được gọi là cách bố trí đối lưu nối tiếp (SSCF). Trong cách bố trí SSCF, độ nâng của mỗi chiller có thể giảm so với chiller song song vì nhiệt độ nước rời khỏi thiết bị bay hơi của chiller 1 cao hơn và nhiệt độ nước rời khỏi bình ngưng của chiller 2 thấp hơn như trong Hình 2. Giảm...
III. Hướng Dẫn Tối Ưu Hóa Năng Lượng cho Chiller Nước Dòng Ngược SSCF
Để tối ưu hóa năng lượng cho hệ thống chiller nước trung tâm dòng ngược, một số phương pháp có thể được áp dụng. Thứ nhất, cần tối ưu hóa lưu lượng và nhiệt độ nước trong hệ thống. Việc tăng chênh lệch nhiệt độ nước và giảm lưu lượng nước có thể giảm công suất tiêu thụ của máy bơm, nhưng cũng cần đảm bảo hiệu suất của dàn lạnh và tháp giải nhiệt. Thứ hai, cần tối ưu hóa điều khiển chiller để đáp ứng nhu cầu làm mát của tòa nhà một cách hiệu quả nhất. Các chiến lược điều khiển tiên tiến, như điều khiển dự đoán và điều khiển thích ứng, có thể được sử dụng để duy trì hiệu suất tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau. Cuối cùng, cần thường xuyên bảo trì chiller để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
3.1. Mô hình hóa chiller bằng phương pháp LMTD
Mô hình chiller nước dựa trên phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD). Môi chất lạnh R134a ngưng tụ và bay hơi trên các bó ống của bình ngưng và thiết bị bay hơi của chiller; trong khi đó, nước lạnh và nước ngưng đi qua bên trong ống. Các ống là các ống nâng cao thương mại để diện tích truyền nhiệt có thể được giảm bớt và vấn đề có thể đạt được thực tế. Bỏ qua sự sụt áp của môi chất lạnh. Nhưng xem xét sự sụt áp của nước -iii-
3.2. Tối ưu hóa tháp giải nhiệt bằng lý thuyết Merkel
Mô hình tháp giải nhiệt được suy ra bằng cách sử dụng lý thuyết của Merkel cùng với các mối tương quan thực nghiệm về truyền và giảm áp suất không khí từ các nghiên cứu trước đây. Mô hình tối ưu hóa công suất của quạt tháp giải nhiệt. Bài toán tối ưu hóa được so sánh với nghiên cứu trước đây sử dụng gói tối ưu hóa DICOPT (Bộ tối ưu hóa rời rạc và liên tục).
3.3. Mô hình hóa dàn lạnh bằng phương pháp thế năng enthalpy
Mô hình cuộn dây làm mát dựa trên phương pháp thế năng enthalpy và các mối tương quan bền vững của McQuiston về vây tấm liên tục trong môi trường khô và ướt. Một bộ thiết bị thử nghiệm được thiết lập để xác thực mô hình và thực hiện các nghiên cứu sâu hơn. Từ phân tích, có thể suy ra rằng sự sụt áp không khí trong điều kiện hoàn toàn ướt và hoàn toàn khô được dự đoán tốt bởi các mối tương quan của McQuiston.
IV. Bí Quyết Giám Sát Hiệu Suất Chiller Nước Trung Tâm từ Xa Hiệu Quả
Để đảm bảo hệ thống chiller nước trung tâm luôn hoạt động ở hiệu suất cao nhất, việc giám sát hiệu suất chiller từ xa là rất quan trọng. Hệ thống BMS (Building Management System) có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu về hiệu suất của chiller, như nhiệt độ nước, áp suất, lưu lượng và công suất tiêu thụ. Dữ liệu này có thể được phân tích để xác định các điểm yếu và cơ hội cải thiện. Ngoài ra, các công nghệ IoT trong hệ thống HVAC có thể được sử dụng để kết nối chiller với đám mây, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Các thuật toán AI trong hệ thống HVAC có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu và đưa ra các khuyến nghị tối ưu hóa.
4.1. Sử dụng hệ thống BMS để thu thập dữ liệu chiller
Kết hợp các mô hình trên để mô phỏng hệ thống điều hòa không khí tổng thể sau đó được thực hiện trong nghiên cứu này. Nhiệt độ nước đi vào cuộn dây làm mát, nhiệt độ nước rời khỏi tháp giải nhiệt, lưu lượng nước ngưng tụ và số lượng chiller SSCF được chỉ định là các tham số chính. Kết quả có thể được nhìn thấy như sau.
4.2. Ứng dụng IoT trong giám sát và điều khiển chiller
COP (Hệ số hiệu suất) của toàn bộ hệ thống có thể đạt tối đa ở một số lượng chiller SSCF nhất định khi hệ thống chiller SSCF được vận hành với các thông số vận hành tương tự của hệ thống chiller song song thông thường và khi số lượng chiller SSCF lớn hơn 4, hệ thống điều hòa không khí với chiller SSCF là không hiệu quả.
4.3. Phân tích dữ liệu chiller bằng AI và Machine Learning
Sự đánh đổi của việc tiêu thụ điện năng đã được chỉ ra như các hàm của nhiệt độ nước đi vào cuộn dây làm mát, nhiệt độ nước rời khỏi tháp giải nhiệt và lưu lượng nước ngưng tụ để thấy rằng cần phải tối ưu hóa tổng thể. COP sau khi tối ưu hóa có thể lớn hơn tới 26% so với COP của chiller song song thông thường và COP giảm khi số lượng chiller trong SSCF tăng lên.
V. Phương Pháp Phân Tích Hiệu Quả Năng Lượng Hệ Thống Chiller Dòng Ngược
Việc phân tích hiệu quả năng lượng của hệ thống chiller nước trung tâm dòng ngược là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả và xác định các cơ hội cải thiện. Các phương pháp phân tích hiệu suất năng lượng có thể được sử dụng để tính toán COP chiller và các chỉ số hiệu suất khác. Phân tích dữ liệu chiller có thể được sử dụng để xác định các mẫu và xu hướng trong hiệu suất của chiller, giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra các quyết định bảo trì kịp thời. Big Data trong hệ thống HVAC có thể được sử dụng để phân tích lượng lớn dữ liệu từ nhiều chiller, cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về hiệu suất và độ tin cậy.
5.1. Tính toán COP Coefficient of Performance cho hệ thống chiller
Các tham số tối ưu tương ứng với số lượng chiller SSCF đã được hiển thị để chúng có thể được thiết lập trong thực tế. Phân tích exergy đã được thực hiện với các tham số tạo ra COP tối đa ở mỗi số lượng chiller SSCF. Kết quả cho thấy hiệu quả exergy của hệ thống chiller SSCF (83%) cao hơn so với hệ thống chiller song song (77%).
5.2. Phân tích dữ liệu chiller để xác định các vấn đề tiềm ẩn
Tính không thuận nghịch của các thành phần trong chiller SSCF thấp hơn so với các thành phần trong chiller song song. Nhưng tính không thuận nghịch của cuộn dây làm mát và tháp giải nhiệt trong chiller SSCF cao hơn và thấp hơn một chút so với các thành phần trong chiller song song, tương ứng.
VI. Kết Luận Tương Lai Của Tối Ưu Hiệu Suất Chiller Dòng Ngược
Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp tiếp cận toàn diện để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí với chiller nước trung tâm dòng ngược. Kết quả cho thấy rằng chiller SSCF có tiềm năng tiết kiệm năng lượng đáng kể so với chiller song song truyền thống, nhưng cần phải có sự phối hợp tối ưu giữa các thành phần và các chiến lược điều khiển tiên tiến để đạt được hiệu quả cao nhất. Tương lai của tối ưu hóa hiệu suất chiller sẽ tập trung vào việc sử dụng các công nghệ mới, như AI, IoT, và Big Data, để giám sát, phân tích và điều khiển hệ thống chiller một cách thông minh và hiệu quả hơn. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các mô hình chính xác hơn, các phương pháp tối ưu hóa hiệu quả hơn và các chiến lược điều khiển tiên tiến hơn để khai thác tối đa tiềm năng của chiller nước trung tâm dòng ngược.
6.1. Tiềm năng của AI IoT và Big Data trong tối ưu hóa chiller
Với tình hình ngày càng tăng cao về chi phí năng lượng và lo ngại về môi trường, việc triển khai chiller nước trung tâm dòng ngược (SSCF) trong các hệ thống HVAC trung tâm đang trở nên hấp dẫn hơn bao giờ hết. Sự tập trung vào các công nghệ và chiến lược tối ưu hóa tiên tiến sẽ thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi hệ thống chiller SSCF và đóng góp vào một tương lai bền vững hơn.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa hệ thống chiller
Nghiên cứu hiện tại cung cấp một nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu trong tương lai để tập trung vào một số lĩnh vực chính như: Phát triển các mô hình chính xác hơn cho các thành phần khác nhau của hệ thống HVAC, bao gồm chiller, tháp giải nhiệt và cuộn dây làm mát.Khám phá các phương pháp tối ưu hóa nâng cao, chẳng hạn như thuật toán di truyền và tối ưu hóa đàn kiến, để xác định cấu hình và thông số vận hành tối ưu của hệ thống.
