Thiết bị điều hoà không khí dùng địa nhiệt tầng đất nông
I. Mở đầu
Khi mức sống của con người được nâng lên, nhu cầu điều hoà không khí để sưởi ấm và làm lạnh cho nhà ở và các toà nhà kiến trúc, công sở cũng tăng lên. Ở các nước phát triển năng lượng tiêu hao cho sưởi ấm và làm lạnh chiếm khoảng 25 % đến 30% tổng lượng năng lượng tiêu hao của toàn xã hội. Ở nhiều nước đang phát triển, năng lượng tiêu dùng cho dân sinh thường chiếm khoảng 30%~35% tổng lượng năng lượng phát ra, trong đó năng lượng dùng cho sưởi ấm và làm lạnh thường chiếm khoảng 30~40%, nghĩa là năng lượng dùng cho việc sưởi ấm và làm lạnh chiếm khoảng 10%~15% tổng lượng năng lượng phát ra.
Sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 70 của thế kỷ trước, ngoài việc tận lực tìm kiếm và sở hữu các nguồn năng lượng truyền thống và nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng phi truyền thống khác, các nước phát triển cũng ra sức tìm kiếm và thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng, trong đó tiêu dùng là rất cấp thiết.
Hơn 20 năm trước, với những giải pháp công nghệ mới người Mỹ đã làm sống lại một phát minh của người Thuỵ Sĩ năm 1912 và đưa vào sử dụng “Hệ thống điều hoà không khí bằng địa nhiệt” viết tắt là HĐKĐ, đồng thời biến nó thành một ngành kinh doanh thịnh vượng. Đến năm 1985 trên toàn nước Mỹ đã có 14.000 HĐKĐ, năm 1997 đã có 45.000 bộ, năm 2004 đã có hơn 400.000 bộ. Những năm gần đây loại thiết bị này có tỷ lệ tăng trưởng hàng năm từ 10% đến 15% trên toàn nước Mỹ. Năm 1998, 19% tổng số các toà nhà kiến trúc, trong đó có 30% là các toà nhà kiến trúc mới của nước Mỹ đã sử dụng loại thiết bị điều hoà này. Ở Bắc Âu, đến cuối năm 1999, các HĐKĐ đã chiếm tỷ lệ khá cao trong các thiết bị sưởi ấm, ở Thuỵ Sĩ là 96%, Áo là 38%, Đan Mạch là 27%... Bởi vì, nếu dùng để sưởi ấm các HĐKĐ có thể tiết kiệm 40%~50% điện năng, nếu để làm lạnh tỷ lệ đó là 30%~40% so với loại thiết bị làm lạnh truyền thống.
II. Nguyên lý làm việc, tính ưu việt của hệ thống điều hoà không khí bằng địa nhiệt
1 - Nguyên lý làm việc:
“Bơm nhiệt” là bộ phận chủ yếu của thiết bị điều hoà không khí. “Bơm nhiệt” gồm máy nén khí, các cụm bay hơi, ngưng tụ, các van điều tiết và các chi tiết phụ trợ khác. Giống như bơm nước từ chỗ có cao độ thấp đến chỗ có cao độ cao hơn, “bơm nhiệt” cũng chuyển tải nhiệt năng từ chỗ có nhiệt độ thấp đến chỗ có nhiệt độ cao hơn. Khi sưởi ấm, “bơm nhiệt” đưa nguồn nhiệt năng từ bên ngoài có nhiệt độ thấp vào sưởi ấm cho nhà ở và các toà nhà kiến trúc có nhiệt độ cao hơn; khi làm lạnh “bơm nhiệt” đưa nguồn nhiệt năng trong nhà với nhiệt độ thấp ra ngoài trời có nhiệt độ cao hơn. Có thể thấy rằng, “bơm nhiệt” trong thiết bị điều hoà không khí luôn luôn phải làm việc với tải trọng nhiệt lớn, do đó phải tiêu hao nhiều năng lượng.
Đã từ lâu, loài người đã sớm nhận ra một điều là, nguồn nước ngầm ngay dưới mặt đất có nhiệt độ ổn định hơn so với nhiệt độ không khí trên mặt đất. Mùa đông, nước ngầm ấm hơn không khí, mùa hè nước ngầm mát hơn không khí. Nói chung tầng nước ngầm dưới mặt đất có nhiệt độ dao đông trong khoảng 10 0C~25 0C tuỳ theo vị trí địa lý và theo mùa vụ. Ở các nước xứ lạnh, về mùa đông, khi nhiệt độ ngoài trời xuống dưới 0 0C, nguồn nước ngầm thường có nhiệt độ khoảng 10 0C sẽ là một nguồn nhiệt năng rất lớn và rẻ tiền có thể tham gia vào việc sưởi ấm. Về mùa hè, khi nhiệt độ ngoài trời lên đến 30 0C ở các nước xứ lạnh và 35 0C~40 0C ở các nước vùng nhiệt đới thì nguồn nước ngầm thường có nhiệt độ khoảng 25 0C, có thể tham gia vào làm mát. Nguồn nước ngầm dùng cho hệ thống điều hoà không khí sẽ làm giảm phụ tải nhiệt cho máy “bơm nhiệt”, từ đó tiết kiệm được điện năng.
2 - Tính ưu việt của hệ thống điều hoà không khí dùng địa nhiệt:
“ Địa nhiệt” được dùng ở đây để chỉ nguồn nhiệt năng của tầng nước ngầm, kể cả nguồn nước ao hồ sông biển. HĐKĐ là hệ thống dùng máy “bơm nhiệt” để hút “địa nhiệt” đưa vào sưởi ấm nhà ở và các toà nhà kiến trúc, hoặt hút nhiệt năng trong nhà ở hoặc các toà nhà kiến trúc xả xuống tầng ngầm dưới đất hoặc ao hồ sông biển.
HĐKĐ có một số ưu điểm nổi trội sau đây:
a- Tiết kiện năng lượng:
Hiệu suất sử dụng năng lượng của HĐKĐ khi làm lạnh thường cao hơn khoảng 30% – 40%, khi sưởi ấm ở các nước xứ lạnh thường cao hơn khoảng 40% - 50% so với hệ thống điều hoà truyền thống, tuỳ thuộc độ chênh nhiệt độ giữa không khí và nguồn nước.
b - Tiết kiệm chi phí:
Do giảm tiêu hao năng lượng, đồng thời do cấu tạo của HĐKĐ có độ tin cậy và độ bền cao, chi phí duy tu thường xuyên và chi phí sửa chữa thấp, nên tổng chi phí sử dụng của hệ thống này thường thấp hơn chi phí sử dụng của hệ thống điều hoà truyền thống khoảng 40% - 50%.
c - Hiệu quả bảo vệ môi trường:
Hệ thống làm lạnh truyền thống thải khí nóng từ trong nhà ra không khí bên ngoài còn hệ thống làm lạnh bằng địa nhiệt lại thải lượng nhiệt đó xuống tầng đất ngầm dưới mặt đất. Mặt khác, do cấu tạo bơm nhiệt gọn nhẹ hơn và kín hơn nên HĐKĐ ít khi rò rỉ khí gas làm lạnh, như ở hệ thống làm lạnh truyền thống. Vì vậy, hiệu quả bảo vệ môi trường của hệ thống này tốt hơn rất nhiều so với hệ thống làm lạnh truyền thống.
III. Nghiên cứu và sử dụng hệ thống điều hoà không khí bằng địa nhiệt trên thế giới.
Dẫn đầu việc nghiên cứu, sản xuất và sử dụng HĐKĐ là nước Mỹ, tiếp đến là các nước Bắc và Trung Âu. Mỹ đã thành lập “Hiệp hội Bơm nhiệt Địa nhiệt” bao gồm Bộ Nguồn Năng lượng Liên bang, Cục Bảo vệ Môi trường, Viện Nghiên cứu Điện lực E – đi – sơn và hàng loạt nhà máy chế tạo bơm nhiệt và hệ thống điều hoà không khí… Hàng năm Hiệp hội này đầu tư hàng trăm triệu USD cho việc sáng chế, nghiên cứu và mở rộng thị trường tiêu thụ.
Các nước Pháp, Thuỵ Điển, Áo, Hà Lan, Nhật Bản… cũng đã đầu tư rất lớn vào lĩnh vực này và cũng đã thu được nhiều kết quả khích lệ.
Hơn 10 năm lại đây Trung Quốc rất quan tâm đến HĐKĐ, nhất là từ năm 2000 đến nay, nhiều Viện nghiên cứu, các trường Đại học, và hàng loạt nhà máy, công ty đã đầu tư nhiều tiền của và công sức vào lĩnh vực này. Nhiều hãng nổi tiếng của Mỹ, Canada và của các nước Châu Âu đã mở đại lý hoặc đầu tư vào Trung Quốc với các phương thức khác nhau nhằm chiếm thị trường khổng lồ này. Các cơ quan nghiên cứu, các nhà sản xuất và kinh doanh của Trung Quốc đã nhập kỹ thuật, công nghệ của các nước phương tây đồng thời sáng tạo ra rất nhiều chủng loại hệ thống điều hoà không khí dùng năng lượng địa nhiệt, đã thu được nhiều kết quả khả quan. Sự phát triển mạnh mẽ của HĐKĐ sẽ góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng, từ đó giảm bớt chi phí đầu tư vào xây dựng mới nguồn năng lượng của Trung Quốc.
IVNhững suy nghĩ ban đầu và kiến nghị
Tìm hiểu bước đầu về kỹ thuật công nghệ và thị trường, chúng tôi nhận thấy rằng nước ta hoàn toàn cso thể và cần thiết sử dụng rộng rãi hệ thống điều hoà không khí dùng địa nhiệt.
Trước hết, điều kiện sử dụng địa nhiệt tầng đất nông của nước ta rất tốt, mực nước ngầm nói chung đều rất cao, cách mặt đất không sâu lắm, đặc biệt hệ thống ao hồ sông biển nước ta có diện tích lớn và phân bố đều khắp, rất có lợi cho việc sử dụng nguồn địa nhiệt.
Mặt khác, nước ta có khí hậu nóng, nhiệt độ không khí thường niên rất cao thường là 20 0C~30 0C về mùa đông, 30 0C~40 0C về mùa hè. Tầng nước ngầm có nhiệt độ khoảng 20 0C~25 0C, độ chênh lệch giữa không khí và tầng nước ngầm là khá cao (khoảng 10 0C~15 0C). Điều kiện đó bảo đảm cho bơm nhiệt trong hệ thống điều hoà không khí dùng địa nhiệt có hiệu suất rất cao, từ đó tiết kiệm khá lớn lượng điện năng tiêu thụ và tiết kiệm chi phí sử dụng.
Tuy nhiên, cũng giống như các lĩnh vực khoa học công nghệ khác, để dẫn nhập kỹ thuật công nghệ về HĐKĐ vào nước ta, cũng cần phải đầu tư nghiêm túc vào nghiên cứu toàn diện các mặt kinh tế kỹ thuật, môi trường và xã hội. Trong đó cần chú ý chọn lựa các chủng loại thiết bị sao cho phù hợp với tình hình và đặc điểm của nước ta, phải tạo tiền đề cho việc mở rộng phạm vi sử dụng, từng bước vươn lên giảm dần nhập khẩu các mặt hàng có liên quan.
Bước đầu, chúng tôi xin nêu một số kiến nghị cụ thể sau đây:
1 - Yêu cầu tiết kiệm năng lượng của nước ta ngày càng cấp bách, Nhà nước cần có những chính sách cụ thể khuyến khích cho các hoạt động khoa học công nghệ nhằm tiết kiệm năng lượng nói chung, và cụ thể là cho việc nghiên cứu, sản xuất kinh doanh hệ thống điều hoà không khí dùng địa nhiệt nói riêng.
Nếu kể cả điện năng dùng cho quạt điện và bình nước nóng để tắm rửa, lượng điện năng dùng cho sưởi ấm và làm mát của nước ta có thể đạt đến mức 10% - 15% lượng điện phát ra. Nếu hiện tại chưa đạt đến mức đó, thì cũng sẽ nhanh chóng đạt tới trong một thời gian rất ngắn cho đời sống nhân dân được nâng lên. HĐKĐ chắc chắn sẽ có thể tiết kiệm được 20% - 30% lượng điện năng tiêu thụ, cũng có nghĩa là sẽ tiết kiệm được 2% - 3% tổng lượng điện phát ra của cả nước, thậm chí còn cao hơn. Năm 2005 tổng điện lượng phát ra của cả nước là 52 tỷ kWh, giả định cả nước sử dụng HĐKĐ sẽ tiết kiệm được 1 – 1,5 tỷ kWh điện, tức là đã tiết kiệm được khoảng hơn 1000 tỷ đồng. Thực là một con số rất có ý nghĩa.
2 - Nhà nước nên dành một khoảng tiền cần thiết cho các chương trình và đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết chung, điều tra cơ bản về tài nguyên địa nhiệt của nước ta, về việc sản xuất, lắp đặt và vận hành thử các mô hình chủng loại HĐKĐ khác nhau, lựa chọn những chủng loại thiết bị phù hợp với điều kiện cụ thể của nước ta nhằm đạt hiệu quả cao nhất về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
