District Cooling System (DC)
Nguyên lý hệ thống DC
DC là một hệ thống trong đó nước lạnh từ một nguồn lạnh trung tâm được phân phối thông qua mạng lưới đường ống đến các khu vực cần làm lạnh. Một hệ thống DC gồm 3 thành phần chính: cooling source, distribution system và energy transfer systems (ETS).
Elements of a district cooling system
Cooling Source
Nước lạnh được tạo ra từ nhà máy làm lạnh nước trung tâm bởi các máy làm lạnh nước kiểu nén-bay hơi, hoặc máy lạnh loại hấp thụ hoặc từ các nguồn khác như “free cooling” từ deep lakes, rivers, aquifers hoặc oceans.
Hệ thống làm lạnh nước có thể được thiết kế kết hợp với các bộ phận trữ nhiệt nhằm làm giảm công suất cần thiết của chiller và tiết kiệm chi phí vận hành bằng cách dịch chuyển phụ tải đỉnh sang thời gian thấp điểm. Bộ phận trữ lạnh thông thường được thiết kế ở nhiệt độ 4°C. Bộ phận trữ lạnh kiểu đóng băng có thể đạt nhiệt độ 0.5 ~ 1°C.
Water cooled chiller system
Underground chilled water storage
Distribution System
Nước lạnh được vận chuyển từ cooling resource đến nơi sử dụng thông qua hệ thống đường ống cấp và sẽ hồi về sau khi hấp thu nhiệt từ hệ thống ống nước lạnh thứ cấp ở từng khối nhà.
Vật liệu ống thường là ống thép hàn hoặc ống HDPE. Các loại vật liệu ống khác cũng được sử dụng như là ống FRP hoặc ống thép dẻo.
Ống có thể được chôn thẳng xuống đất hoặc được đặt trong các tunnel và được bọc cách nhiệt toàn bộ.
Typical direct buried piping installation
Energy Transfer Station
Bộ phận kết nối giữa DC system và hệ thống lạnh của từng khối nhà được gọi là Energy Transfer Station (ETS). ETS bao gồm van cách ly, van điều khiển, các thiết bị đo, công tơ điện… và thiết bị chính là Heat Exchanger.
Heat exchanger and associated components
Heat exchanger
Phạm vi và mức độ sử dụng
Ở châu Âu, hai hệ thống DC đầu tiên được thiết lập vào cuối những năm 1960 ở Paris và Hamburg. Kể từ đó hệ thống DC đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn. Các số liệu thống kê cho thấy tính đến năm 1997 tổng công suất của tất cả các hệ thống DC ở châu Âu vào khoảng 750 MW với tổng chiều dài mạng ống khoảng 373 km. Công suất và chiều dài hệ thống đường ống rất đa dạng. Hệ thống DC nhỏ chỉ phục vụ cho 2 khối nhà và hệ thống DC lớn phục vụ cho cả khu trung tâm thương mại lớn như khu La Defénse ở Paris, với tổng công suất lạnh là 243 MW.
Ở Mỹ, hệ thống DC đầu tiên được lắp đặt vào năm 1962 ở Hartford, Connecticut. Tính đến năm 1997, có tổng cộng 2,943 hệ thống DC được đưa vào sử dụng, với tổng công suất là 50.4 GW và tổng chiều dài hệ thống ống phân phối là 3,534 kw.
Ở châu Á, Nhật là quốc gia đầu tiên lắp đặt hệ thống DC. Vào năm 1993, số lượng các hệ thống DC ở châu Á là 120, tổng công suất khoảng 350 MW và tổng chiều dài đường ống khoảng 100 km.
So sánh hệ thống DC và hệ thống làm lạnh thông thường
Centralised Chiller Plant
Localised Conventional Chiller Plant
Tổng công suất của Trạm làm lạnh trung tâm sẽ nhỏ hơn do sự đa dạng của nhu cầu sử dụng.
Tổng công suẩt của các chiller sẽ lớn hơn.
Chi phí vận hành sẽ thấp hơn do hiệu suất và khả năng điều khiển của hệ thống DC là rất cao.
Chi phí vận hành cao hơn do tổng công suất chiller cao hơn.
Chi phí bảo trì thấp hơn.
Chi phí bảo trì cao hơn do số lượng các thiết bị chính nhiều hơn.
Hệ thống vận hành có tính ổn định cao do thiết kế có tính dual và diversity.
Hệ thống vận hành kém ổn định do mỗi hệ thống của từng khối nhà độc lập với nhau.
Số lượng bơm nước và chiller sự phòng ít hơn.
Số lượng bơm nước và chiller dự phòng nhiều hơn.
Các lợi ích của hệ thống District Cooling
Hệ thống DC mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng. Ba thành phần hưởng lợi nhiều nhất từ việc áp dụng hệ thống DC là Chủ toà nhà, Chính quyền thành phố và toàn xã hội.
Property/Building Owners/Chủ toà nhà:
Với hệ thống DC, chủ toà nhà sẽ loại bỏ được phần chi phí vận hành và chi phí bảo trì cho hệ thống làm lạnh cục bộ.
Tổng chi phí xây dựng cho công trình trong tương lai sẽ giảm xuống do loại bỏ được chi phí đầu tư cho hệ thống lạnh, không gian dành cho hệ thống lạnh bây giờ được chuyển thành các không gian hữu ích để sinh lợi. Chi phí bảo hiểm cho công trình cũng giảm xuống do rủi ro được giảm thiểu.
Hệ thống DC được xây dựng với phần công suất lạnh dự phòng để đảm bảo cung cấp đủ công suất lạnh ở mọi thời điểm. Hệ thống đường ống phân phối nước lạnh được thiết kế thành nhiều mạch vòng hoặc các kiểu back up khác nhằm tăng tính hoạt động ổn định và tin cậy của hệ thống phân phối nước lạnh. Xét về toàn cục, độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống DC cao hơn đa số các hệ thống làm lạnh cục bộ đạt được.
Municipalities/Chính quyền thành phố:
Hệ thống DC mang lại những lợi ích đáng kể ở những nơi mà hệ thống này được áp dụng. Lợi ích lớn nhất là mang lại một cơ sở hạ tầng hoàn thiện cho cả cộng đồng dân cư. Cơ sở hạ tầng này mang lại cho cộng đồng dân cư ưu thế cạnh tranh trong việc phát triển mới hấp dẫn so với những nơi không áp dụng hệ thống DC.
Một lợi ích khác thường bị bỏ sót là hệ thống DC bắt giữ được lượng tiền mặt mà trước đây thường chảy ra khỏi cộng đồng dân cư. Về cơ bản, cộng đồng dân cư phải chi trả chi phí tiêu thụ năng lượng cho ga và điện những thứ thường không có sẵn tại địa phương. Hệ thống DC mở rộng cơ hội tận dụng nguồn năng lượng tại địa phương như kết hợp nhiệt và điện nhằm giữ lại 1 lượng tiền nhất định từ nguồn tiên chi tiêu cho việc tiêu thụ năng lượng để tái luân chuyển trong cộng đồng.
Society/Xã hội:
Việc phát triển hệ thống District Cooling là một đáp ứng cho nhu cầu cung cấp năng lượng cho tương lai ở ý nghĩa chính là kiên định theo đuổi mục tiêu bảo vệ môi trường. Nguồn năng lượng sử dụng cho hệ thống DC có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau là 1 cách hiệu quả nhất cho phép chúng ta giảm thiểu sự tác hại của sự phát xạ điện khí quyển, sự ấm lên của toàn cầu và giảm sự phát tán các khí ga làm thủng tầng ozone.
Các sơ đồ mẫu
Chiller Plant
Chilled Water System
Tham khảo:
Nguyên lý hệ thống DC
DC là một hệ thống trong đó nước lạnh từ một nguồn lạnh trung tâm được phân phối thông qua mạng lưới đường ống đến các khu vực cần làm lạnh. Một hệ thống DC gồm 3 thành phần chính: cooling source, distribution system và energy transfer systems (ETS).
Elements of a district cooling system
Cooling Source
Nước lạnh được tạo ra từ nhà máy làm lạnh nước trung tâm bởi các máy làm lạnh nước kiểu nén-bay hơi, hoặc máy lạnh loại hấp thụ hoặc từ các nguồn khác như “free cooling” từ deep lakes, rivers, aquifers hoặc oceans.
Hệ thống làm lạnh nước có thể được thiết kế kết hợp với các bộ phận trữ nhiệt nhằm làm giảm công suất cần thiết của chiller và tiết kiệm chi phí vận hành bằng cách dịch chuyển phụ tải đỉnh sang thời gian thấp điểm. Bộ phận trữ lạnh thông thường được thiết kế ở nhiệt độ 4°C. Bộ phận trữ lạnh kiểu đóng băng có thể đạt nhiệt độ 0.5 ~ 1°C.
Water cooled chiller system
Underground chilled water storage
Distribution System
Nước lạnh được vận chuyển từ cooling resource đến nơi sử dụng thông qua hệ thống đường ống cấp và sẽ hồi về sau khi hấp thu nhiệt từ hệ thống ống nước lạnh thứ cấp ở từng khối nhà.
Vật liệu ống thường là ống thép hàn hoặc ống HDPE. Các loại vật liệu ống khác cũng được sử dụng như là ống FRP hoặc ống thép dẻo.
Ống có thể được chôn thẳng xuống đất hoặc được đặt trong các tunnel và được bọc cách nhiệt toàn bộ.
Typical direct buried piping installation
Energy Transfer Station
Bộ phận kết nối giữa DC system và hệ thống lạnh của từng khối nhà được gọi là Energy Transfer Station (ETS). ETS bao gồm van cách ly, van điều khiển, các thiết bị đo, công tơ điện… và thiết bị chính là Heat Exchanger.
Heat exchanger and associated components
Heat exchanger
Phạm vi và mức độ sử dụng
Ở châu Âu, hai hệ thống DC đầu tiên được thiết lập vào cuối những năm 1960 ở Paris và Hamburg. Kể từ đó hệ thống DC đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn. Các số liệu thống kê cho thấy tính đến năm 1997 tổng công suất của tất cả các hệ thống DC ở châu Âu vào khoảng 750 MW với tổng chiều dài mạng ống khoảng 373 km. Công suất và chiều dài hệ thống đường ống rất đa dạng. Hệ thống DC nhỏ chỉ phục vụ cho 2 khối nhà và hệ thống DC lớn phục vụ cho cả khu trung tâm thương mại lớn như khu La Defénse ở Paris, với tổng công suất lạnh là 243 MW.
Ở Mỹ, hệ thống DC đầu tiên được lắp đặt vào năm 1962 ở Hartford, Connecticut. Tính đến năm 1997, có tổng cộng 2,943 hệ thống DC được đưa vào sử dụng, với tổng công suất là 50.4 GW và tổng chiều dài hệ thống ống phân phối là 3,534 kw.
Ở châu Á, Nhật là quốc gia đầu tiên lắp đặt hệ thống DC. Vào năm 1993, số lượng các hệ thống DC ở châu Á là 120, tổng công suất khoảng 350 MW và tổng chiều dài đường ống khoảng 100 km.
So sánh hệ thống DC và hệ thống làm lạnh thông thường
Centralised Chiller Plant
Localised Conventional Chiller Plant
Tổng công suất của Trạm làm lạnh trung tâm sẽ nhỏ hơn do sự đa dạng của nhu cầu sử dụng.
Tổng công suẩt của các chiller sẽ lớn hơn.
Tất cả các thiết bị trong hệ thống được lắp đặt tại 1 khu vực riêng biệt, cách xa các khối nhà khác.
Ít chiếm dụng không gian hữu ích
Ít gây ồn
Từng cụm chiller lắp đặt tại mỗi khối nhà tương ứng.
Chiếm dụng không gian hữu ích dành cho phòng máy.
Khó cách ly tiếng ồn và rung động.
Chi phí đầu tư cho Trạm làm lạnh trung tâm và hệ thống đường ống cao hơn khoảng 10% so với hệ thống thông thường.
Chi phí vượt trội trên sẽ được hoàn lại do giảm chi phí trong công tác cách âm.
Chi phí đầu tư thấp hơn
Chi phí lắp đặt từng phòng máy riêng cho từng khối nhà sẽ cao hơn và làm mất diện tích sử dụng hữu ích của khối nhà.
Chi phí vận hành sẽ thấp hơn do hiệu suất và khả năng điều khiển của hệ thống DC là rất cao.
Chi phí vận hành cao hơn do tổng công suất chiller cao hơn.
Chi phí bảo trì thấp hơn.
Chi phí bảo trì cao hơn do số lượng các thiết bị chính nhiều hơn.
Hệ thống vận hành có tính ổn định cao do thiết kế có tính dual và diversity.
Hệ thống vận hành kém ổn định do mỗi hệ thống của từng khối nhà độc lập với nhau.
Số lượng bơm nước và chiller sự phòng ít hơn.
Số lượng bơm nước và chiller dự phòng nhiều hơn.
Các lợi ích của hệ thống District Cooling
Hệ thống DC mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng. Ba thành phần hưởng lợi nhiều nhất từ việc áp dụng hệ thống DC là Chủ toà nhà, Chính quyền thành phố và toàn xã hội.
Property/Building Owners/Chủ toà nhà:
Với hệ thống DC, chủ toà nhà sẽ loại bỏ được phần chi phí vận hành và chi phí bảo trì cho hệ thống làm lạnh cục bộ.
Tổng chi phí xây dựng cho công trình trong tương lai sẽ giảm xuống do loại bỏ được chi phí đầu tư cho hệ thống lạnh, không gian dành cho hệ thống lạnh bây giờ được chuyển thành các không gian hữu ích để sinh lợi. Chi phí bảo hiểm cho công trình cũng giảm xuống do rủi ro được giảm thiểu.
Hệ thống DC được xây dựng với phần công suất lạnh dự phòng để đảm bảo cung cấp đủ công suất lạnh ở mọi thời điểm. Hệ thống đường ống phân phối nước lạnh được thiết kế thành nhiều mạch vòng hoặc các kiểu back up khác nhằm tăng tính hoạt động ổn định và tin cậy của hệ thống phân phối nước lạnh. Xét về toàn cục, độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống DC cao hơn đa số các hệ thống làm lạnh cục bộ đạt được.
Municipalities/Chính quyền thành phố:
Hệ thống DC mang lại những lợi ích đáng kể ở những nơi mà hệ thống này được áp dụng. Lợi ích lớn nhất là mang lại một cơ sở hạ tầng hoàn thiện cho cả cộng đồng dân cư. Cơ sở hạ tầng này mang lại cho cộng đồng dân cư ưu thế cạnh tranh trong việc phát triển mới hấp dẫn so với những nơi không áp dụng hệ thống DC.
Một lợi ích khác thường bị bỏ sót là hệ thống DC bắt giữ được lượng tiền mặt mà trước đây thường chảy ra khỏi cộng đồng dân cư. Về cơ bản, cộng đồng dân cư phải chi trả chi phí tiêu thụ năng lượng cho ga và điện những thứ thường không có sẵn tại địa phương. Hệ thống DC mở rộng cơ hội tận dụng nguồn năng lượng tại địa phương như kết hợp nhiệt và điện nhằm giữ lại 1 lượng tiền nhất định từ nguồn tiên chi tiêu cho việc tiêu thụ năng lượng để tái luân chuyển trong cộng đồng.
Society/Xã hội:
Việc phát triển hệ thống District Cooling là một đáp ứng cho nhu cầu cung cấp năng lượng cho tương lai ở ý nghĩa chính là kiên định theo đuổi mục tiêu bảo vệ môi trường. Nguồn năng lượng sử dụng cho hệ thống DC có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau là 1 cách hiệu quả nhất cho phép chúng ta giảm thiểu sự tác hại của sự phát xạ điện khí quyển, sự ấm lên của toàn cầu và giảm sự phát tán các khí ga làm thủng tầng ozone.
Các sơ đồ mẫu
Chiller Plant
Chilled Water System
Tham khảo:
World Bank Technical Paper 493
IEA District Heating and Cooling Handbook
