Hệ thống điều hòa không khí cho trang trại chăn nuôi heo sử dụng kết hợp Biogas với năng lượng địa nhiệt tầng nông
10:28 31/12/2015
Kỹ thuật mang tính sáng tạo đột phá ở đây là biến lòng đất thành nơi lưu tích nhiệt sử dụng cho sưởi ấm vào mùa đông và làm mát vào mùa hè.
Ưu điểm nổi bật của hệ thống điều hòa không khí sử dụng kết hợp năng lượng địa nhiệt tầng nông với biogas là không sử dụng điện năng, an toàn trong sử dụng và thân thiện với môi trường.
Hầu hết các giống heo cao sản siêu nạc ở nước ta hiện nay đều có nguồn gốc từ các nước xứ lạnh như Mỹ, Pháp, Bỉ…, chúng thích nghi với môi trường nhiệt độ thấp, đặc biệt đối với heo giống và heo con. Kinh nghiệm cho thấy đối với heo đực giống, nếu nhiệt độ trong chuồng luôn ở mức 26-27 0 C thì lượng tinh sản xuất nhiều hơn và thời gian sống của tinh trùng cũng sẽ kéo dài hơn, giúp tỉ lệ phối giống đạt cao hơn. Trong khi đó khu vực miền Trung lại có môi trường khí hậu khắc nghiệt, đặc biệt như ở Hà Tĩnh có mùa đông lạnh kéo dài, nhiệt độ có khi xuống đến 7 0 C, mùa hè có gió Lào khô nóng, nhiệt độ có thể lên ngưỡng 41 0 C và độ ẩm chỉ còn 30%. Dao động nhiệt độ và độ ẩm lớn có thể làm cho heo dễ mắc bệnh và hạn chế khả năng sinh sản, sinh trưởng và tăng trưởng.
Ông Wim Brunekreef, giám sát dự án COM4 của trung tâm nghiên cứu heo Nutreco tại St.Anthonis, Hà Lan cho biết: Sau khi thử nghiệm hệ thống chuồng mới được trang bị hệ thống điều hòa không khí, heo có thể tăng 10% trọng lượng và giảm từ 50 - 75% tỉ lệ tử vong. Không khí sạch, môi trường nhiệt độ và ẩm độ ít thay đổi sẽ tạo ra một nền tảng ổn định cho sự tăng trưởng và đảm bảo quản lý hiệu quả hơn hoạt động thải phân của heo, giúp ích cho việc vệ sinh chuồng trại.
1. Địa nhiệt tầng nông có thể sử dụng để làm mát hoặc sưởi ấm
Phía trên mặt đất nhiệt độ biến thiên theo mùa trong năm. Khi đi sâu vào lòng đất, các dao động nhiệt độ này sẽ tắt dần và tiệm cận đến một giá trị ổn định từ độ sâu 16m (bằng nhiệt độ trung bình năm trên mặt đất, ở Hà Tĩnh giá trị nhiệt độ này khoảng 23,9 0 C). Theo lý thuyết, hàm phân bố trường nhiệt độ (t) theo độ sâu (x) và thời gian (τ) là:
t(x, τ) = t o + t 1 exp[-x(ω /2a) 1/2 ]cos[ωτ-x(ω/2a) 1/2 ]
Trong đó: ω là tần số dao động nhiệt, t o là nhiệt độ trung bình năm và a là hệ số dẫn nhiệt độ của đất. Dao động nhiệt có biên độ tắt dần theo chiều sâu x là B(x) = t 1 exp[-x(ω / 2a) 1/2 ].
Nói chung từ độ sâu 50m trở xuống, nhiệt độ sẽ tăng thêm 3 0 C/100m. Năng lượng địa nhiệt tầng nông là nguồn địa nhiệt ở độ sâu nhỏ hơn 100m.
Có hai phương án chủ yếu để khai thác nguồn năng lượng này là:
1- Đặt các ống trao đổi nhiệt trong lòng đất từ độ sâu 30m đến 100m để gia nhiệt hoặc làm mát nước chảy bên trong ống rồi đưa đi sử dụng. Hệ thống kiểu này gọi là hệ thống kín (close system). Nhược điểm của hệ thống tuần hoàn kín là chi phí đầu tư cao.
2- Bơm nước trong lòng đất từ giếng cấp đi sử dụng và sau đó bơm trở lại lòng đất qua giếng nạp. Hệ thống này gọi là hệ thống mở (open system). Nhược điểm của hệ thống mở là cặn bám vào bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị nên chi phí bảo dưỡng cao, hệ thống vận hành không ổn định.
Nguồn năng lượng địa nhiệt tầng nông này có thể sử dụng để làm mát không khí vào mùa hè hoặc sưởi ấm vào mùa đông. Vì vào mùa hè nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ dưới lòng đất (xét cho độ sâu <100m), còn mùa đông thì ngược lại.
Nếu hệ thống này (H2.) áp dụng ở Hà Tĩnh thì vào mùa hè chỉ có thể hạ được nhiệt độ không khí xuống khoảng 28-29 0 C, mùa đông chỉ nâng được nhiệt độ không khí lên 19-20 0 C. Do đó cần thêm một nguồn năng lượng hỗ trợ khác để có thể duy trì nhiệt độ trong không gian điều hòa như mong muốn. Tác giả bài viết này cho rằng sẽ rất lí tưởng nếu sử dụng kết hợp năng lượng địa nhiệt với biogas khi hệ thống này được lắp đặt ở các trang trại chăn nuôi heo vốn có nguồn nhiên liệu biogas dồi dào là phân và các phụ thải khác từ heo.
2. Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy nén, bơm, quạt dùng trong hệ thống điều hòa kết hợp biogas-địa nhiệt
Được mệnh danh là "cuộc cách mạng nâu" trong lĩnh vực năng lượng mới (The Brown Revolution). Biogas hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển có khí hậu nhiệt đới (Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Việt Nam...) thích hợp cho quá trình lên men kỵ khí các chất thải hữu cơ để tạo khí sinh học. Quá trình lên men có 3 giai đoạn chính là thủy phân, sinh axit và sinh mêtan, các phản ứng hóa học chính có thể như sau:
C6H12O6 à 2CH3COCOOH + 2H2;
2CH3COCOOH + 2H2O à 2CH3COOH +        2H2O + 2CO2; 4H2 + CO2 à CH4 + 2H2O; 2CH3COOH à 2CH4 +2CO2.
Biogas cháy với ngọn lửa xanh, không sinh khói, nhiệt độ và nhiệt lượng cao (1m 3 khí cháy phát ra nhiệt lượng 4700-5900 kcal tùy theo hàm lượng CH4). Đối với trang trại chăn nuôi heo, cứ 300 con heo sẽ cho một nguồn nguyên liệu biogas đủ để chạy liên tục một động cơ 3 HP.
Biogas chứa phần lớn CH4 (50-75%), ngoài ra còn có CO2 (25-50%), H2 (0-1%), H2O (0-1%) và H 2 S (0-3%). Trong các thành phần trên, H 2 S dù chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ, nhưng là khí có hại nhất. H 2 S khi cháy tạo thành SO 2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H 2 S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp- thải và buồng đốt, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Khí CO 2 tuy không gây ăn mòn như H 2 S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Do đó cần phải tinh luyện khí biogas trước khi đưa vào động cơ đốt trong.
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt (phoi sắt tiện để ngoài không khí), H 2 S được tách ra theo các phản ứng sau:
Fe2O3 + 3H2S à Fe2S3 + 3H2O
Fe3O4 + 4H2S à FeS+Fe2S3 + 4H2O
FeO + H2S à FeS + H2O
Việc tách CO 2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của nước hoặc sử dụng dung dịch nước vôi Ca(OH) 2 :
Ca(OH)2 + CO2
à CaCO3 + H2O
Khí biogas sau khi tinh luyện được cung cấp cho các loại động cơ chạy biogas. Hiện nay ở Việt Nam người ta sử dụng công nghệ chuyển đổi động cơ xăng hoặc Diesel thành động cơ biogas rất dễ dàng nhờ các bộ chuyển đổi nhiên liệu GATEC, một phát minh nổi tiếng của GS. Bùi Văn Ga, sản phẩm có bán tại Đại học Đà Nẵng. Các động cơ dẫn động trực tiếp máy nén, bơm, quạt dùng trong hệ thống sẽ cho hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn và đơn giản hơn hệ thống động cơ à máy phát à môtơ à máy nén, bơm, quạt.
3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa kết hợp biogas-địa nhiệt
Hệ thống kết hợp biogas với địa nhiệt có thể giảm được 70% biogas ở chế độ sưởi ấm so với phương pháp đốt biogas để sấy không khí và có thể giảm được 30% biogas so với hệ thống làm mát sử dụng điện từ máy phát điện chạy bằng biogas. Hệ thống cho phép vận hành ổn định quanh năm, không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. Tuy chi phí đầu tư ban đầu cao nhưng chi phí vận hành rất thấp và giảm được đáng kể lượng khí nhà kính CO 2 phát thải vào khí quyển, góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Đây là hệ thống điều hòa không khí 2 chiều, việc lựa chọn chế độ làm mát hay sưởi ấm có thể được thực hiện tự động hoặc bằng tay nhờ van chuyển đổi (reversing valve). Ở chế độ làm mát thì nước tuần hoàn có tác dụng mang nhiệt từ không gian điều hòa xuống lòng đất. Ở chế độ sưởi ấm thì nước tuần hoàn lại mang nhiệt từ lòng đất vào không gian điều hòa.
3.1. Chế độ làm mát
Ở chế độ làm mát, hơi môi chất (MC) được nén lên áp suất và nhiệt độ cao, ra khỏi máy nén hơi MC nóng đi qua bộ hồi nhiệt (hoặc không dùng) để gia nhiệt cho nước sinh hoạt rồi đi vào dàn nóng nhả nhiệt cho nước tuần hoàn, ngưng tụ thành lỏng MC nóng. Nước tuần hoàn sau khi ra khỏi dàn nóng được bơm xuống lòng đất, nhả nhiệt cho môi trường nhiệt độ thấp trở thành nước mát rồi quay trở về dàn nóng theo một vòng tuần hoàn kín. Lỏng MC nóng đi qua van tiết lưu nhiệt để giảm áp suất và nhiệt độ trở thành lỏng MC lạnh rồi đi vào dàn lạnh làm mát cho không khí thổi vào không gian điều hòa. Hơi MC lạnh sinh ra từ dàn lạnh qua van chuyển đổi trở về đầu hút của máy nén, kết thúc 1 chu trình làm mát.
3.2. Chế độ bơm nhiệt sưởi ấm
Ở chế độ sưởi ấm, dàn nóng và dàn lạnh trong chu trình làm mát được hoán đổi chức năng cho nhau nhờ van chuyển đổi.
Hơi môi MC nóng ra khỏi máy nén, đi qua bộ hồi nhiệt (hoặc không dùng) để gia nhiệt cho nước sinh hoạt rồi đi vào dàn nóng để sấy không khí lạnh trước khi thổi vào không gian điều hòa. Trong dàn nóng, hơi MC ngưng tụ thành lỏng MC nóng rồi đi qua van tiết lưu nhiệt để giảm áp suất và nhiệt độ thành lỏng MC lạnh. Lỏng MC lạnh đi vào dàn lạnh nhận nhiệt từ nước tuần hoàn. Nước tuần hoàn lạnh được bơm trở lại lòng đất để gia nhiệt thành nước ấm rồi quay trở về dàn lạnh theo một vòng tuần hoàn kín. Hơi MC lạnh sinh ra từ dàn lạnh đi trở về đầu hút của máy nén qua van chuyển đổi, kết thúc 1 chu trình bơm nhiệt.
4. Lời kết:
Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng địa nhiệt cũng như biogas. Đây là những dạng năng lượng mới, có giá trị sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau không chỉ riêng trong lĩnh vực điều hòa không khí. Nhưng đến nay nó vẫn chưa được quan tâm đúng mức, đặc biệt là địa nhiệt. Việc không đầu tư nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như địa nhiệt, biogas là một lãng phí lớn trong khi nguy cơ thiếu điện luôn thường trực, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng kinh tế và năng lực cạnh tranh quốc gia. Để công nghệ được phát huy tác dụng nhằm phục vụ kinh tế - dân sinh thì trong thời gian tới những người làm khoa học cần dành sự chú ý thích đáng vào việc điều tra nghiên cứu chi tiết hơn.
Do khuôn khổ của bài viết, tác giả không có điều kiện mô tả sâu hơn về công nghệ, nhưng cũng hy vọng rằng bài viết sẽ mang lại cho quý độc giả những thông tin hữu ích.
Trọng Hà - Nhà máy lọc dầu Dung Quất
Tài liệu tham khảo
1. Burkhard Sanner , Justus-Liebig University, Giessen, Germany: Shallow geothermal energy, bulletin, July 200.
2. GS. Bùi Văn Ga và cộng sự, trung tâm NCBVMT-Đại học Đà Nẵng: Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP.
3. TS. Lê Chí Hiệp: Kỹ thuật điều hòa không khí, NXB KHKT 1998.
4. TS. Nguyễn Bốn, ĐH Đà Nẵng : các phương pháp tính truyền nhiệt, 2001.
5. Tạp chí chăn nuôi số 4-2007.

6. Website: www.allenhvacpro.co

    Ý kiến bạn đọc


    ĐĂNG NHẬP