Đo lường lưu lượng và nhiệt độ nước sinh hoạt tần suất cao trong hai tòa nhà văn phòng và giáo dục
High frequency flow and temperature measurements of domestic water in two office and education buildings
| Tác giả | Martin Frandsen
Jakob Vind Madsen Rasmus Lund Jensen Michal Zbigniew Pomianowski |
| Ngày đăng tải | 25/08/2022 |
| DOI | 10.1016/j.enbuild.2022.112424 |
| Nguồn bài nghiên cứu | Science Direct |
| Từ khóa | Nước nóng sinh hoạt (DHW)
Nước lạnh sinh hoạt (DCW) Hiệu suất năng lượng DHW Lưu lượng nước Hồ sơ sử dụng nước Hệ thống tuần hoàn DHW Chiến dịch đo lường |
1 – GIỚI THIỆU
Trong thời gian dài, việc sử dụng năng lượng cho nước nóng sinh hoạt (DHW) trong các tòa nhà phi dân cư ít được chú ý. Khi nhu cầu năng lượng cho sưởi ấm không gian, thông gió và chiếu sáng giảm dần theo thời gian nhờ các biện pháp tiết kiệm năng lượng, tỷ lệ năng lượng dành cho sản xuất DHW lại ngày càng tăng. Trong bối cảnh các tòa nhà hướng tới hiệu suất năng lượng cao, hệ thống DHW cũng cần được cải thiện để đảm bảo cách tiếp cận tổng thể đối với hiệu quả năng lượng của công trình.
Nghiên cứu này trình bày kết quả đo lường tần suất cao về lưu lượng nước và nhiệt độ trong hai tòa nhà văn phòng và giáo dục tại Đan Mạch. Kết quả cho thấy ba hệ thống DHW chỉ sử dụng từ 3.4% đến 7.5% tổng năng lượng dành cho sản xuất DHW, trong khi hơn 85% tổng năng lượng bị thất thoát do hệ thống tuần hoàn giữ nhiệt độ nước nóng ổn định tại các điểm lấy nước. Tuy nhiên, đo lường nhiệt độ tại các điểm lấy nước cho thấy một phần đáng kể nhiệt bị mất qua các đường ống không được hệ thống tuần hoàn bảo vệ. Một nguyên nhân là thời gian lấy nước tại các bồn rửa tay và bồn rửa bếp thường rất ngắn, khoảng 50% thời gian dưới 10 giây. Ngoài ra, lưu lượng nước thực tế cũng thấp hơn nhiều so với lưu lượng thiết kế, gây ra lãng phí năng lượng trong hệ thống.
Các kết quả đo tần suất cao tại nhiều điểm lấy nước cung cấp hiểu biết quan trọng về mô hình sử dụng nước trong các tòa nhà văn phòng và giáo dục, góp phần phát triển các hệ thống DHW tiết kiệm năng lượng và cải thiện phương pháp sản xuất nước nóng sinh hoạt.
2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG
Hệ thống nghiên cứu được triển khai tại hai tòa nhà đại học hiện đại ở Aalborg, Đan Mạch. Hệ thống DHW trong các tòa nhà này sử dụng bộ trao đổi nhiệt (HEX) kết nối với hệ thống sưởi khu vực (DH) để sản xuất nước nóng tức thời. Hệ thống tuần hoàn DHW đảm bảo nước nóng luôn sẵn sàng tại các điểm lấy nước, tuy nhiên lại gây ra tổn thất nhiệt đáng kể.
Trong nghiên cứu, ba hệ thống DHW được khảo sát, với các điểm lấy nước chính bao gồm bồn rửa tay, bồn rửa bếp và bồn rửa vệ sinh. Các điểm lấy nước được đo lường để thu thập dữ liệu về lưu lượng, nhiệt độ nước nóng và lạnh, cũng như mức tổn thất năng lượng trong hệ thống phân phối. Đường ống dẫn nước trong hệ thống bao gồm ống thép không gỉ và ống polyethylene liên kết ngang (PEX), với lớp cách nhiệt bằng len khoáng có độ dày tối thiểu 20mm.
3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu sử dụng hệ thống đo lường tần suất cao tại nhiều điểm trong hệ thống DHW. Các thiết bị đo bao gồm:
- Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS): Thu thập dữ liệu về lưu lượng, nhiệt độ nước cấp và nước hồi của hệ thống DHW.
- Thiết bị đo lưu lượng siêu âm KATflow 100: Đo lưu lượng tuần hoàn và nhiệt độ nước lạnh sinh hoạt (DCW).
- Cảm biến lưu lượng Huba 236: Được lắp đặt ngay dưới vòi nước tại các điểm lấy nước để đo lưu lượng và nhiệt độ nước nóng, nước lạnh.
Dữ liệu được thu thập với tần suất 8Hz khi có dòng chảy và 5 phút/lần khi không có dòng chảy, đảm bảo ghi nhận chính xác cả những thay đổi nhỏ trong lưu lượng và nhiệt độ nước.
4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu cho thấy hệ thống DHW trong các tòa nhà khảo sát có hiệu suất sử dụng năng lượng rất thấp, với chỉ 3.4% – 7.5% tổng năng lượng dành cho sản xuất DHW thực sự được sử dụng cho mục đích sinh hoạt. Phần lớn năng lượng (hơn 85%) bị thất thoát do hệ thống tuần hoàn và quá trình truyền nhiệt trong đường ống.
Tại các bồn rửa tay, hơn 85% thời gian lấy nước kéo dài dưới 20 giây, và 56% dưới 10 giây, dẫn đến phần lớn nước lấy ra là nước đã nguội trong ống nối, thay vì nước nóng từ hệ thống. Điều này gây ra lãng phí năng lượng do nước nóng bị mất nhiệt trước khi đến tay người sử dụng.
Lưu lượng thực tế tại các điểm lấy nước cũng thấp hơn nhiều so với lưu lượng thiết kế. Ví dụ, đường ống cấp nước nóng cho bồn rửa tay được thiết kế với lưu lượng 6 lít/phút, nhưng trong thực tế, 99% thời gian lưu lượng này thấp hơn 5.3 lít/phút. Điều này đặt ra vấn đề về sự không phù hợp giữa thiết kế hệ thống và thực tế sử dụng.
Nhiệt độ nước nóng tại điểm lấy nước cũng không đạt yêu cầu. Trong 79% thời gian, nước nóng tại bồn rửa tay có nhiệt độ dưới 30°C, thấp hơn tiêu chuẩn thiết kế khuyến nghị.
5 – KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất năng lượng của hệ thống DHW trong các tòa nhà văn phòng và giáo dục là rất thấp, chủ yếu do tổn thất nhiệt trong hệ thống tuần hoàn và sự không phù hợp giữa lưu lượng thiết kế và lưu lượng thực tế. Để cải thiện hiệu suất, cần xem xét các giải pháp như tối ưu hóa chiến lược vận hành hệ thống tuần hoàn, điều chỉnh lưu lượng thiết kế theo dữ liệu thực tế, và sử dụng các phương án sản xuất DHW phân tán để giảm tổn thất nhiệt.
Ngoài ra, cần có các nghiên cứu tiếp theo để hiểu rõ hơn về hành vi sử dụng nước của người dùng và phát triển các tiêu chuẩn thiết kế DHW phù hợp với từng loại công trình phi dân cư. Việc tối ưu hóa hệ thống DHW không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển bền vững cho các tòa nhà hiện đại.
