Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place

o kiểu “tháp năng lượng mặt trời”. Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lương mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất năng suất 200MW. 2.3. Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời Hiện nay NLMT được dùng khá phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm Nhằm giảm tỉ lệ hao hụt, tăng chất lượng sản phẩm ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn để sấy các loại vật liệu như gỗ. Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT 2.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các nước Châu Phi. 35 Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến. Năm 2000 Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30000USD) đưa bếp năng lượng Mặt trời – Bếp tiên lợi (BTL) vào sử dụng các vùng nông thôn ở tỉnh Quãng Nam, Quãng Ngãi dự án đã phát triển rất tốt Và ngày được đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT. 2.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Thiết bị chưng cất nước có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn. Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước dùng NLMT để chưng cất nước ngọt từ biển và cung cấp nước sạch cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước dùng NLMT có 36 gương phản xạ đạt hiệu suất cao tại Khoa Công Nghệ Nhiệt Điện Lạnh – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. 2.6. Động cơ stirling chạy bằng NLMT Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt – động cơ stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại. Động cơ stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam như động cơ stirling, bơm nước dùng NLMT. Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT 2.7. Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT Hình 1.21: Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới vì chúng mang lại hiệu quả khá hơn. Các hệ thống này đã tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng một số lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng 37 lượng và bảo vệ môi trường chung của nhân loại. Các thành phố lớn ở nước ta đã và đang sử dụng khá nhiều các hệ thống này. Với nhiệt độ nước sử dụng 600C thì hiệu suất của bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất sẽ thấp hơn. 2.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất đặc biệt là ở những vùng xa, hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu đắt so với thu nhập trung bình của người dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đọan hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi dù giá thành cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. 3. Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump) 3.1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 38 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt giống như máy lạnh, các thiết bị trong hệ thống giống nhau. Nhưng chúng có mục đích sử dụng hoàn toàn khác nhau. Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt lấy nhiệt thải ra ở dàn ngưng để phục vụ cho một quá trình công nghệ nào đó. Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt Phương trình cân bằng nhiệt: NQQ ok  Hệ số bơm nhiệt: )82(  N Qk . Trong điều kiện ở Việt Nam hệ số này thường vào khoảng )54(  như vậy khi sử dụng bơm nhiệt thì năng lượng tiêu tốn cho máy nén với công suất N (kw), ta thu được từ 4 đến 5N (kw) lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ và lượng nhiệt này sẽ phục vụ cho các công nghệ CBTP, nên khả năng tiết kiệm năng lượng khi dùng bơm nhiệt là rất lớn. Nguồn nhiệt thu Qo có thể lấy từ không khí bên ngoài môi trường, từ sông, hồ, biển, lòng đất hay nhiệt của các sản phẩm cháy. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong CNCBTP: Sản xuất nước nóng, sấy, gia nhiệt trong các quá trình như chưng cất, cô đặc 3.2. Đặc điểm cấu tạo của các thiết bị trong hệ thống bơm nhiệt 3.2.1. Máy nén 39 Máy nén chạy cho hệ thống bơm nhiệt giống như máy nén lạnh, nhưng yêu cầu môi trường làm việc khắc nghiệt hơn máy nén lạnh vì nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ của bơm nhiệt thường cao hơn máy lạnh. Thông thường: kt 40  55 C ot = 0  10 C Do điều kiện làm việc trên nên có thể lấy máy nén sử dụng trong điều hòa không khí để chạy cho hệ thống bơm nhiệt. Ngoài ra, dầu bôi trơn sủ dụng cho máy nén cũng đòi hỏi khắt khe hơn so với máy nén lạnh. Do nhiệt độ cuối tầm nén của bơm nhiệt cao hơn. 3.2.2. Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi Giống như trong máy lạnh nhưng do điều kiện nhiệt độ làm việc cao hơn nên áp suất trong thiết bị lớn hơn. Do vậy thiết bị yêu cầu phải dày hơn. Ta có thể sử dụng các thiết bị trong điều hòa không khí. 3.2.3. Van tiết lưu Van tiết lưu làm việc ở nhiệt độ cao hơn, hiện nay một số hãng sản xuất thiết bị tự động đã nghiên cứu chế tạo các loại van tiết lưu cho các môi chất freon với nhiệt độ lên tới .20 C 3.3. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt 3.3.1. Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất Bơm nhiệt thường được sử dụng để cấp nước nóng với quy mô lớn vì nó tiết kiệm điện năng và đạt hiệu suất cao. Hình 1.24: Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng 40 3.3.2. Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô đặc, chưng cất, sấy Công nghệ sản xuất bia: Nấu dịch đường. Cung cấp nước nóng sơ bộ cho nồi hơi. (lấy nước su làm mát thiết bị ngưng tụ). Kết hợp với làm lạnh: Làm lạnh dịch đường, tank lên men bia, bảo quản bia. Sản xuất đường: Làm lạnh để điều hòa không khí. Dùng nhiệt để: Cô đặc, đun nấu đường. Công nghệ chế biến sữa: Nguồn lạnh: Bảo quản sữa chua, làm lạnh và bảo quản dung dịch sữa tươi. Ctbq  64 . Nguồn nóng: Thanh trùng paster ở nhiệt độ C75 . Công nghệ sản xuất nước khoáng có gas (CO2): Nguồn lạnh: Để làm lạnh dung dịch từ nhiệt độ ban đầu xuống tới C 42 sau đó châm CO2, giúp CO2 dễ hấp thụ, đồng thời để điều hòa không khí cho phân xưởng. Nguồn nóng: dùng để thanh trùng, rửa chai lọ làm vệ sinh. Công nghệ sản xuất rượu, cồn, dầu ăn: Nguồn nóng: Thực hiện quá trình chưng, gia nhiệt cho dung dịch trước khi vào công đoạn sản xuất. Nguồn lạnh: Thực hiện quá trình ngưng tụ. Nhiệt độ sôi của trong nồi chưng C5550 thích hợp cho chưng chân không. Nếu Cts 55 thì thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt để làm nóng dung dịch tương tự phần cô đặc. 4. Tổng quan về công trình Nha Trang Place Hotel Nha Trang Palace Hotel đang được Công ty cổ phần du lịch thương mại Nha Trang đầu tư xây dựng theo phong cách hiện đại, sang trọng, trên diện tích 2.600m2, tại số 9 Yersin, phường Lộc Thọ, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa. Công trình được xây dựng với quy mô 17 tầng, 1 tầng hầm để xe, có 168 phòng ngủ, có đầy đủ các nhà hàng, hội trường, hồ bơi ngoài trời, sauna, steambath, massage và các dịch 41 vụ khác đi kèm theo tiêu chuẩn khách sạn 4 sao, dự kiến sẽ hoàn thành đưa vào hoạt động cuối năm 2013. Nha Trang Palace Hotel nằm ngay trung tâm thành phố Nha Trang, cách bãi biển Trần Phú 50m, nghỉ dưỡng yên tĩnh gần các khu vui chơi giải trí, tắm biển, mua sắm, có nhiều lợi thế cho việc phát triển kinh doanh du lịch thương mại. Khi khách sạn 4 sao Nha Trang Palace đi vào hoạt động sẽ thu hút trên 200 lao động làm việc tại Nha Trang Palace Hotel và gắn kết với các đơn vị khác trực thuộc Công ty là Khách sạn Hải Âu (3 sao) và Trung tâm kinh doanh Hải Đặc Sản Nha Trang, đẩy mạnh các hoạt động dịch vụ du lịch, khách sạn, nhà hàng, tạo thành điểm du lịch hấp dẫn, lý tưởng cho du khách đến nghỉ dưỡng, ăn uống, vui chơi giải trí, mua sắm hải sản, đặc sản và những sản phẩm cao cấp đặc trưng của xứ sở Trầm Hương, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa. Hình 1.25: Khách sạn Nha Trang Place 5. Khả năng ứng dụng bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời 5.1. Tính hiệu quả kinh tế 42 Sau đây ta làm phép tính so sánh tính năng giữa máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời với máy nước nóng sử dụng năng lượng điện sử dụng cho 4 - 5 người/2 phòng tắm sử dụng trong 15 năm. Bảng 1.3: So sánh tính kinh tế Hạng mục so sánh Máy nước nóng sự dụng năng lượng mặt trời Máy nước nóng sử dụng năng lượng điện Công suất sử dụng 50 lít/người/ngày x 4 = 200 lít 50 lít/người/ngày x 4 = 200 lít Số phòng sử dụng 1 máy dùng cho nhiều phòng Một máy sử dụng một phòng Nhiệt độ nước trung bình 650C 650C Chi phí sử dụng một tháng Không 2,8kW x 2 máy x 1h x 1.000đ x 30 ngày = 168.000đ Chi phí sử dụng một năm Không 168.000 x 12 = 2.016.000đ Chi phí sử dụng trong 15 năm Không 2.016.000 x 15 = 30.240.000đ Rủi ro khi sử dụng Không Có nguy cơ điện giật, cháy nổ Bảo hành 5 năm 1 năm Tuổi thọ của máy 15 năm 5 năm Chi phí đầu tư ban đầu 9 000 000đ/máy/2 phòng 2.000.000đ/máy x 2 phòng = 4.000.000đ Chi phí cho 10 năm kế tiếp Không 2 lần x 2 máy x 2.000.000 = 8.000.000đ Tổng chi phi 15 năm 9.000.000đ 42.240.000đ Số tiền tiết kiệm trong 15 năm 42.240.000 – 9.000.000 = 33.240.000 đ 43 Như vậy chỉ cần đầu tư một loại 200 lít cho hộ 4 - 5 người sử dụng, dùng cho hai phòng tắm khác nhau. Sau 4 năm và 5 tháng sử dụng bạn đã hoàn toàn thu hồi vốn, và 10 năm 7 tháng sau đó sử dụng miễn phí. 5.2. Tính ưu việt Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có tính năng ưu việt hơn hẳn các sản phẩm bình nước nóng sử dụng điện, ga hiện nay: - An toàn tuyệt đối khi sử dụng. - Tiết kiệm chi phí tối đa vì không sử dụng điện mà chỉ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, chỉ đầu tư một lần và không tốn thêm bất cứ chi phí phát sinh nào khác. - Đảm bảo sức khỏe lâu dài, thoải mái tiện lợi khi sử dụng. - Không chiếm không gian trong nhà vì lắp đặt ở ngoài trời. - Khi không có điện vẫn có nước nóng để sử dụng vì chỉ sử dụng năng lượng mặt trời. - Sản phẩm có tuổi thọ trung bình trên 20 năm. - Bảo vệ môi trường xanh, sạch. - Có tác dụng chống nóng cho các ngôi nhà, thay thế các mái chống nóng truyền thống như: mái tôn, mái ngói 5.3. Tính hạn chế - Máy năng lượng mặt trời không sợ những ngày đông lạnh giá mà sợ những ngày âm u, cả ngày không thấy mặt trời thì máy không thu được năng lượng. - Máy năng lượng mặt giá quá cao, rẻ nhất thì cũng khoảng bằng 5 cái máy nước nóng điện. Tuy nhiên, nếu tính bài toán kinh tế thì máy nước nóng năng lượng mặt trời rất nên dùng vì chỉ cần tiền điện bù lại tiền máy. - Chính vì vậy nên máy năng lượng mặt trời chưa được sử dụng phổ biến trong cuộc sống. Đối với một công trình khách sạn như công trình Nha Trang Palace Hotel việc sử dụng hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời sẽ giảm một phần chi phí đáng kể trong quá trình vận hành. 44 CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC 1. Tính toán lưu lượng nước cấp, tính thiết kế bể chứa, tính chọn két nước 1.1. Tính toán lưu lượng nước cấp sinh hoạt cho khách sạn Theo tiêu chuẩn “TCVN-4513-1998 cấp nước bên trong tiêu chuẩn thiết kế - trang 4”ta tính toán cho khách sạn hạng I tiêu chuẩn dùng nước nhiều nhất cho một người từ 200 – 250 l/ngày. Theo tiêu chuẩn “TCVN-4513-1998 cấp nước bên trong tiêu chuẩn thiết kế - mục 6 trang 5” nguồn nước nóng cấp sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời nên ta chọn hệ số cấp nước lạnh bằng 0,7 và hệ số cấp nước nóng bằng 0,3. Lưu lượng nước nóng cấp cho khách sạn trong một ngày đêm: Qnước nóng = (tiêu chuẩn cấp) x (số người ở) x (hệ số cấp nước) Qnước nóng = 250.336.0,3 = 25200 (lít) Lưu lượng nước lạnh cấp cho khách sạn trong một ngày đêm: Qnước lạnh = (tiêu chuẩn cấp) x (số người ở) x (hệ số cấp nước) Qnước lạnh = 250.336.0,7 = 58800 (lít) Lưu lượng nước nóng cung cấp cho các tầng của khách sạn trong một ngày đêm được thể hiện trong phụ lục 1. Lưu lượng nước lạnh cung cấp cho các tầng của khách sạn trong một ngày đêm được thể hiện trong phụ lục 2. Như vậy lượng nước cần cấp trong ngày dùng nước nhiều nhất cho khách sạn là Q = 58800 + 25200 = 84000 (l/ngày) = 84 (m3/ngày). 1.2. Tính toán thiết kế bể chứa Bể chứa nước được bố trí ngầm trong công trình hoặc trong khuôn viên lân cận. Các trường hợp phải bố trí bể thu nước là: - Áp dụng sơ đồ cấp nước từ trên đối với nhà cao tầng, có bơm nước cấp lên bể chứa mái. Tác dụng của bể chủ yếu là tách rời hoạt động của bơm ra khỏi mạng lưới nước cấp bên ngoài công trình. - Áp lực nước trong mạng lưới đường ống công cộng không ổn định, không đủ khản năng cấp nước thường xuyên. Trong trường hợp này bể thu nước có tác dụng điều tiết lưu lượng ngày. 45 Theo tiêu chuẩn “TCVN-4513-1998 cấp nước bên trong tiêu chuẩn thiết kế - mục 8.11 trang 25” dung tích điều hòa của bể chứa nước phục vụ cho máy bơm nước sinh hoạt, tăng áp cho công trình xác định theo công thức: WBC n Qngày.5,1  Trong đó: WBC – dung tích điều hòa lượng nước sinh hoạt của bể chứa nước (m3) Qngày – lượng nước sinh hoạt cần dùng trong ngày đối với công trình (m3) n – số lần đóng mở bơm trong ngày, ở đây ta chọn n = 2 Vậy dung tích bể chứa: WBC 63 2 84.5,1.5,1  n Qngày (m3) Như vậy ta cần xây dựng một bể chứa hình chữ nhật có dung tích 65(m3). 2. Chọn hệ thống cung cấp nước nóng Theo phụ lục 1, ta có lưu lượng nước nóng cần cung cấp cho khách sạn trong một ngày đêm là 25,2 m3. 2.1. Chọn thiết bị nước nóng năng lượng mặt trời Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần hoàn tự nhiên: Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần hoàn tự nhiên Nước lạnh sau khi được cấp vào bình tích nhiệt sẽ đi vào bộ thu NLMT. Bộ thu NLMT sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời làm nóng nước sau đó