Xu hướng phát triển điều hòa không khí trung tâm với máy làm lạnh nước (chiller)

1. Giới thiệu

Lịch sử của hệ thống điều hòa không khí dùng nước lạnh bắt đầu bằng sáng kiến của ông tổ ngành điều hòa không khí W. Carrier cách đây đúng 100 năm khi ông dùng nước giếng lạnh bơm qua dàn sưởi để làm mát không khí phòng trong những ngày hè oi bức. Đây là dàn sưởi nước nóng vốn chỉ dùng để sưởi ấm cho mùa đông. Từ đó dàn được cải tiến dần, càng ngày càng nhỏ gọn và hiệu quả cả để sưởi trong mùa đông và làm mát trong mùa hè. Những nơi có nhiệt độ trung bình năm dưới 10 độ C có khả năng khai thác nước giếng sử dụng cho mùa hè còn những nơi có nhiệt độ trung bình cao hơn phải sử dụng máy làm lạnh nước (water chiller).

Các chiller đã được phát triển rất đa dạng về chủng loại và kích cỡ, kiểu dáng. Bên cạnh các chiller nén hơi với đủ các loại máy nén tuabin, pittông, trục vít, xoắn ốc, rôto, sử dụng môi chất R11, R134a, R123... đối với các loại chiller hấp thụ tác dụng đơn và tác dụng kép, cặp môi chất nước / brômualiti và chiller nén hơi chạy bằng động cơ diezel cũng được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ.

Như đã nói ở trên, chiller có rất nhiều loại. Sơ bộ có thể phân loại chiller theo các đặc điểm sau:

- Theo nguồn năng lượng tiêu thụ có thể phân ra chiller chạy điện, chạy động cơ diezel hoặc chiller hấp thụ.

- Theo mục đích sử dụng có thể phân ra chiller làm lạnh nước, bơm nhiệt và kết hợp sử dụng cả 2 nguồn nóng và lạnh.

- Chiller nén hơi lại có thể phân ra kiểu máy nén sử dụng như kiểu tuabin, trục vít, pittông, xoắn ốc hoặc roto.

- Theo cách giải nhiệt phân ra giải nhiệt nước hoặc giải nhiệt không khí.

2. Tổng quan về thị trường:

Bảng 1: Tỷ lệ các kiểu chiller của thế giới và 4 nước đứng đầu (%)

Chiller giải nhiệt gió kiểu bơm nhiệt năng suất nhỏ được sử dụng nhiều cho nhà ở và thương nghiệp ở Trung Quốc, Đài Loan, Nam Âu đặc biệt là Ý. Do khí hậu ôn hòa nên sưởi ấm mùa đông bằng bơm nhiệt của chiller là vừa đủ. Ở Trung Quốc, chiller bơm nhiệt phát triển mạnh do các dự án xây dựng nhà ở và thương mại phát triển và người ta đã quen với điều hòa trung tâm nước. Tuy nhiên các loại chiller như vậy đã biến mất ở Mỹ và Nhật. Ở Mỹ người ta sản xuất các hệ thống lạnh bay hơi trực tiếp có ống gió, còn ở Nhật sử dụng các loại VRV vì giá thành lắp đặt rẻ và hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao.

Các loại chiller năng suất từ 53 đến 700kW, giải nhiệt gió hoặc nước (nếu giải nhiệt gió thường có thêm chức năng bơm nhiệt) dùng máy nén pittông, trục vít và xoắn ốc là phổ biến nhất ở hầu hết các nước, trong đó máy nén trục vít ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn. Máy nén thường được cung cấp bởi các nhà máy chế tạo như Bitzer, Frascold, FuSheng, Hanbell và RefComp. Chiller bơm nhiệt giải nhiệt gió phát triển ở Trung Quốc và Nam Âu vì chính sách loại bỏ nồi hơi để tiết kiệm năng lượng so cấp của Chính phủ. Ở Nhật, chiller bơm nhiệt giảm xuống đáng kể do chuyển sang VRV vì Nhật đạt được các tiến bộ cơ bản với loại máy này như đơn giản trong lắp đặt, vận hành, tự động hóa, giá thành hạ, hiệu quả năng lượng cao, tiết kiệm diện tích và không gian lắp đặt.

Mỹ là nước sản xuất chiller lớn nhất thế giới cho các ứng dụng thương nghiệp nhưng hầu như không có chiller giải nhiệt gió bơm nhiệt bán trên thị trường. Lý do chính là khí hậu lạnh hơn và năng suất nhiệt của bơm nhiệt thường không đủ sưởi cho mùa đông lạnh giá.

Các chiller lớn (năng suất trên 350kW lạnh) có cả 2 loại giải nhiệt nước và giải nhiệt gió. Chiller năng suất đến 700kW vẫn còn loại giải nhiệt gió nhưng theo kiểu lắp ghép modul, phần lớn là máy nén trục vít và tuabin.

Mỹ là nước sản xuất một nửa số chiller tuabin của toàn thế giới, và chủ yếu cũng tiêu thụ tại Mỹ. Riêng ở châu Âu, hầu như người ta không sản xuất chiller tuabin. Các nhà sản xuất chiller tuabin ở Mỹ là Carrier, Trane, York và McQuay. Sản phẩm của họ xuất đi toàn thế giới, ngoài ra họ còn xây dựng các nhà máy sản xuất liên doanh ở Trung Quốc.

Chiller hấp thụ thường được sử dụng để cung cấp nước lạnh và nước nóng đồng thời kiểu trung tâm cho khu dân cư, công nghiệp và các xí nghiệp. Năng suất lạnh thường từ 35kW trở lên. Ba nước sản xuất hàng đầu là Trung Quốc, Nhật và Hàn Quốc (chiếm 83% sản lượng toàn thế giới). Số lượng chiller hấp thụ thế giới sản xuất năm 2001 là 6540 máy. Chiller hấp thụ năng suất nhỏ hơn 350kW lạnh chủ yếu được chế tạo tại Nhật và Hàn Quốc và chủ yếu đốt bằng dầu.

Có 3 kiểu chiller hấp thụ chính là:

a. Kiểu tác dụng đơn gia nhiệt bằng nước nóng (SEA - Single Effect) hoặc bằng hơi áp suất thấp:Kiểu tác dụng đơn thường được sử dụng ở những nơi có nguồn nhiệt thải như nước nóng hoặc hơi nhiệt độ 80 - 90 độ C; ví dụ nước thải hoặc khói thải từ các động cơ diezel chạy máy phát. Nước lạnh có thể sử dụng cho điều hòa không khí còn nước nóng dùng cho sinh hoạt.

b. Kiểu tác dụng kép gia nhiệt bằng hơi nước (DEA - Double Effect):Kiểu máy này rất phổ biến với năng suất lạnh tương đối lớn, áp suất hơi trung bình (đặc b iệt 0,8kPa), có hệ số nhiệt 1,2 đến 1,4. Nếu sử dụng hơi nước gia nhiệt vào mùa đông thì có thể sử dụng ngay nồi hơi đó để chạy máy chiller vào mùa hè mà không phụ thuộc vào nguồn điện. Hệ thống sưởi ấm và làm lạnh trung tâm với tuabin khí truyền động cho máy phát điện có thể sử dụng khí thải để sản xuất hơi chạy máy DEA theo kiểu đồng phát.

c. Kiểu tác dụng kép gia nhiệt trực tiếp bằng đốt dầu hoặc gas (DFA):Kiểu DFA rất thông dụng ở ba nước châu Á là Trung Quốc, Nhật và Hàn Quốc do chủ trương dùng gas để giảm tiêu thụ điện năng vào mùa hè. Ví dụ ở Nhật, DFA tăng nhanh do đường ống gas tới các tòa nhà được lắp đặt miễn phí và giá gas được giảm rất nhiều vào mùa hè. Như vậy DFA có lợi hơn rất nhiều cho người sử dụng so với máy điều hòa dùng máy nén hơi. Nhiều DFA được lắp đặt ngay trên tầng thượng tòa nhà nên còn tiết kiệm được không gian và diện tích, giảm nguy cơ cháy nổ. Các công ty gas còn giúp đỡ để phát triển kỹ thuật nâng cao hiệu suất của DFA đến 35% và DFA tác dụng ba (triple effect) với hệ số lạnh lên đến 1,60 mà chỉ tăng về kích thước cũng như giá cả chưa tới 20% so với máy cũ.

3. Phát triển chiller ở Nhật

Bảng 2: (theo số liệu của JARN 11/2003)

Số liệu năm 2002 cho thấy, so với năm 2001 sản lượng giảm khoảng 15,3% và giảm gần 42% so với năm 1995. Sự giảm sút đó có nhiều nguyên nhân khác nhau. Một mặt như trên đã nói có sự dịch chuyển từ sử dụng chiller sang hệ VRV, mặt khác là do ảnh hưởng của sự chuyển đổi môi chất lạnh. Ví dụ đối với máy nén tuabin, trước đây là R11. Do R11 bị cấm nên phải chuyển sang R134a là do môi chất không phá hủy ozôn. Tuy nhiên R134a có hiệu suất thấp nên ngày nay người ta v ẫn còn sử dụng R123 là chất thay thế tạm thời.

Chiller hấp thụ của Nhật được 7 hãng chế tạo là MHI, Sanyo, Kawasaki, Ebara, Hitachi , Yazaki và Takuma. Chiller hấp thụ như đã giới thiệu có rất nhiều loại và rất khó để đánh giá và so sánh. Sanyo vừa qua đã cho ra đời chiller hấp thụ có hệ số tới 1,45 thế hệ “Gene – link” sử dụng nhiệt thải. Các hãng khác cũng đang từng bước nâng cao hiệu suất năng lượng.

Chiller tuabin của Nhật tương đối nhỏ bé với ba nhà sản xuất chính là Hitachi , MHI và Ebara. Nhiều máy lớn được các bên liên doanh Nhật - Mỹ nhập từ Mỹ về, ví dụ trane Japan nhập “CenTraVac” hiệu suất cao của Trane trên cơ sở OEM. Toshiba – Carrier nhập khẩu chiller Carrier “Evergreen” môi chất R134a hiệu suất cao khi chạy một phần tải.

Chiller dùng máy nén pittông và trục vít có thị trường tốt hơn so với tuabin do gọn nhẹ hơn, khả năng bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng hơn và tự động hóa tốt hơn... và do môi chất R134a có hiệu quả. Daikin, Hitachi và Mitsubishi Electric Corp (Melco) là 3 nhà sản xuất chính chiller loại này, ngoài ra là các hãng MHI, Ebara, Toshiba - Carrier, Mayerkawa và Kobelco. Trong khi các nhà chế tạo khác sử dụng R134a thì Daikin Toshiba - Carrier và Hitachi sử dụng R407C trong các máy pittông cỡ trung và Mayerkawa lại đi vào chế tạo các máy chiller lớn sử dụng môi chất NH ₃. Một số hãng chế tạo chiller có chức năng trữ lạnh bằng nước đá như Daikin, Hitachi , Melco...

4. Phát triển chiller ở Mỹ:

Cũng giống như ở Nhật, thị trường Mỹ về chiller cũng càng ngày càng thu hẹp tuy Mỹ vẫn là thị trường lớn nhất thế giới, đặc biệt là loại chiller lớn và siêu lớn. Loại chiller nhỏ, năng suất lạnh 90 – 280kW sản xuất năm 2002 khoảng 11.000 máy. Máy nén chủ yếu là trục vít và xoắn ốc. Máy nén pittông càng ngày càng ít sử dụng hơn. Các loại chiller lớn ước tính xuất xưởng trong năm 2002 khoảng 45.000 chiếc. Máy nén chủ yếu là tuabin và trục vít, năng suất lạnh từ 350kW đến 1.750kW, đặc biệt đến 10.500kW.

Môi chất lạnh dùng cho chiller trục vít giải nhiệt nước chủ yếu là R134a còn cho tuabin là R123 và R134a.

Chiller hấp thụ có sản lượng khoảng 1.900 bộ năm 2002 và chia đều cho cả 2 loại lớn và nhỏ. Các nhà sản xuất chính vẫn là carrier, Trane, York và McQuay.

Trong năm 2002, nhiều ông chủ các tòa nhà ở Mỹ phải loại bỏ hoặc chuyển đổi chừng 2.594 chiller chạy bằng CFC đã bị cấm do phá hủy tầng ozôn. Trong số khoảng 38.800 bộ vẫn còn đang sử dụng CFC. Đầu những năm 90 thế kỷ trước con số này lên tới hơn 80.000 bộ chiller lớn làm việc với CFC. Hạn cuối cùng của Nghị định thư Montreal để chấm dứt sử dụng CFC cho các máy lạnh và điều hòa là 31/12/1995, nhưng do những yếu kém của nền kinh tế Mỹ nên mỗi năm chỉ thay thế hoặc chuyển đổi môi chất lạnh mới cho khoảng hơn 2.000 bộ, tuy rằng những chiller mới do được cải tiến và phát triển đã đạt được hiệu suất năng lượng cao hơn nhiều. Nếu so sánh với các loại chiller cách đây 20 năm, chiller ngày nay tiết kiệm được khoảng 30% năng lượng sơ cấp do hiệu suất tăng lên. Theo các khảo sát mới nhất thì năm 2003 sẽ thay thế khoảng 2.549 chiller và chuyển đổi môi chất cho 334 chiller khác, nâng con số chiller được chuyển đổi môi chất đến cuối năm lên 44.072 bộ, bằng khoảng 55% số chiller lớn (80.000 bộ) sử dụng CFC như R11, R12 sang môi chất HFC như R134a, R410a và R407 là các môi chất không phá hủy tầng ozôn.

Sản lượng chiller của Mỹ do nhiều điều kiện như nền kinh tế yếu ớt, môi chất lạnh thay đổi... đã giảm từ 7.171 bộ năm 2001 xuống 5.739 bộ vào năm 2002 (giảm 20%). Qua các con số trên ta cũng thấy Mỹ là nước chịu ảnh hưởng nhiều nhất của việc cấm môi chất CFC và cũng là nước không nghiêm chỉnh nhất trong việc thực hiện công ước quốc tế về bảo vệ môi trường.