Biến tần & Máy nén điều hòa không khí

Tổng lượng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điều hòa không khí (ĐHKK) dân dụng và thương mại ước khoảng 2 tỷ kWh/năm, tương đương với gần 2% tổng sản lượng điện quốc gia. Trong các công trình dân dụng và thương mại hiện đại lượng tiêu thụ điện của hệ thống ĐHKK thường chiếm khoảng 50-60% tổng lượng tiêu thụ điện của công trình.

1. Tiềm năng tiết kiệm điện trong điều hòa không khí

 Các hệ thống và thiết bị ĐHKK thường được thiết kế để có thể hoạt động khi điều kiện môi trường bên ngoài là khó khăn nhất với suất phụ tải lớn nhất nên phần lớn thời gian các hệ thống ĐHKK làm trong ở điều kiện vận hành non tải. Do vậy nếu các bơm, quạt hay máy nén không được điều chỉnh thích hợp thì hệ thống và thiết bị ĐHKK sẽ không hoạt động ở điểm làm việc tối ưu và hiệu suất làm việc của hệ thống và thiết bị ĐHKK sẽ không cao dẫn tới hao phí điện.

Tốc độ động cơ không đồng bộ tỉ lệ với tần số của nguồn cấp. Vì vậy, để điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng và thuận tiện nhất là điều chỉnh tần số nguồn cấp qua các bộ biến tần.

Việc sử dụng biến tần trong hệ thống và thiết bị ĐHKK cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén. Do vậy các bộ biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị ĐHKK để hệ thống và thiết bị luôn hoạt động ở chế độ tối ưu với hiệu suất cao nhất và kết quả là hệ thống và thiết bị ĐHKK sẽ tiêu thụ ít điện nhất.

Đồ thị dòng áp chế độ AEO: Dòng áp giảm khi tải giảm, tốc độ không đổi

2. Tiết kiệm năng lượng trong ĐHKK 

2.1. Các tính năng cho phép tiết kiệm năng lượng

Tự động tối ưu hóa năng lượng

Đây là tính năng chuẩn được tích hợp sẵn trong biến tần Yaskawa. Tính năng này được thực hiện với mọi dải tốc độ, tải trọng trong quá trình điều khiển. Ngay sau khi khởi động, biến tần tự tính toán giảm điện áp đặt lên động cơ theo tải thực. Kết quả là dòng điện cấp cho động cơ giảm khi tải giảm và công suất tiêu thụ điện giảm tương ứng với mức giảm của tải trong khi các đặc tính vận hành của hệ thống vẫn được đảm bảo.

Đặt lịch vận hành

Được thực hiện qua đồng hồ thời gian thực (real time clock). Biến tần có thể thực hiện 10 tác vụ mỗi tuần phục vụ cho việc vận hành hệ thông theo lịch. Người dùng có thể đặt chế độ cho biến tần điều khiển bơm, quạt làm việc (chạy/dừng, đặt áp lực/lưu lượng/tốc độ/…) cho các ngày từ thứ 2 tới thứ 6.  Trong các ngày này người dùng lại có thể  tiếp tục đặt chế độ làm việc theo giờ cao điểm/thấp điểm…. Ngày cuối tuần thứ 7 và chủ nhật được đặt theo chế độ riêng.

Phân tích và kiểm toán năng lượng

Tính năng này được thực hiện với phần mềm cho phép lập báo cáo tài chính và kiểm toán năng lượng:
- Chi phí đầu tư thiết bị
- Chi phí lắp đặt
- Chi phí bảo dưỡng hàng năm và các ưu đãi của điện lực đối với các công trình lắp đặt sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng
- Thời gian hoàn vốn và khoản tài chính tiết kiệm theo thời gian
- Thu thập mức năng lương tiêu thụ và thời gian vận hành của thiết bị

2.2. Các tính năng tích hợp hệ thống cơ điện

Bao gồm các tính năng chuyên dụng sau:

Tính năng chuyên dụng cho bơm, bao gồm:

- Điều khiển tổ hợp bơm: Quản lý sắp xếp vận hành sao cho các bơm trong tổ hợp có tổng số giờ vận hành như nhau nhằm hạn chế hao mòn và bảo đảm điều kiện vận hành và bảo dưỡng cho tất cả các bơm trong tổ hợp.

Quan hệ giữa mô men tải và tốc độ động cơ (tải bơm) là: M=n2

Công suất:  P=M*n -->P≈ n3

Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80%. Thì công suất chỉ cần bằng (0.8)3 ≈ 0.5

Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là đạt được 80% lưu lượng tiết kiệm điện.

- Chạy chờ: Biến tần tự động phát hiện tình trạng dòng chảy thấp hay không có dòng chảy. Khi đó biến tần sẽ điều khiển bơm để tăng áp lực của hệ thống rồi ngừng bơm để tiết kiệm năng lượng. Biến tần sẽ tự động chạy bơm khi áp lực hệ thống giảm dưới mức đặt.

- Bảo vệ chạy khô và điểm cuối đường đặc tính: Khi bơm chạy mà áp suất hệ thống không đạt thì có nghĩa là giếng hết nước hay đường ống bị rò hoặc vỡ. Lúc này biến tần sẽ báo, dừng bơm hay thực hiện một chức năng được lập trình trước.

- Tự động chỉnh định thông số cho bộ điều khiển PI: Biến tần sẽ tự động đặt giá trị cho hệ số tỉ lệ (P) và hệ số tích phân (I) của bộ điều khiển khi biến tần được tích hợp vào vòng điều khiển kín (theo áp suất hay lưu lượng đặt) sao cho đáp ứng của hệ nhanh và ổn định.

Tính năng chuyên dụng cho máy nén, gồm:

- Thay thế tổ hợp máy bằng một máy nén: Biến tần Mitsubishi điều khiển tất cả các máy nén ở những dải tốc độ được tối ưu đảm bảo điều chỉnh linh hoạt chế độ vận hành tối ưu của máy nén theo nhu cầu phụ tải. Vì vậy mà một máy nén lớn có thể được dùng thay cho tổ hợp của 2 hay 3 máy nén có công suất nhỏ hơn. Ta cũng có thể dùng tính năng điều khiển tổ hợp để điều chỉnh tốc độ của một máy nén và điều khiển chạy/dừng của hai máy nén khác theo nhu cầu phụ tải.

- Đặt chế độ vận hành theo nhiệt độ: Biến tần tính nhiệt độ của môi chất làm lạnh dựa trên áp suất đo và điều chỉnh hoạt động của máy nén qua bộ điều khiển PID được tích hợp sẵn. Nhiệt độ cũng có thể được đặt để điều chỉnh chế độ vận hành cho máy nén giống như áp suất.

- Giảm số lần khởi động và dừng máy: Đặt số lần chạy/dừng tối đa trong một khoảng thời gian cho phép kéo dài tuổi thọ của máy.

- Khởi động nhanh: Biến tần có khả năng mở van bypass để máy nén có thể khởi động không tải. Biến tần có khả năng cấp momen khởi động lớn trong thời gian ngắn (110% momen định mức trong 60s).

3. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của biến tần trong các hệ thống ĐHKK làm lạnh gián tiếp

3.1. Hiệu quả của biến tần đối với Chiller

Hiệu quả của việc áp dụng công nghệ biến tần đối với chiller thường được thể hiện qua chỉ số IPLV (Integrated Part Load Value). Nếu quy đổi theo lượng điện tiêu thụ thì trong cùng một điều kiện vận hành Chiller dùng biến tần sẽ có thể tiết kiệm được khoảng 10-20% so với Chiller không dùng biến tần.

3.2. Hiệu quả của biến tần đối với hệ thống điều hòa trung tâm với Chiller

Hiệu quả của việc sử dụng biến tần trong tiết kiệm năng lượng hệ thống điều hòa trung tâm phụ thuộc rất nhiều vào qui mô và thiết kế của hệ thống.  Với những thiết kế tốt thì lượng điện tiết kiệm có thể  đạt cỡ 30%. Thậm chí với những thiết kế dôi dư nhiều, lượng điện tiết kiệm có thể lên đến 50-60%. Điển hình là hệ thống bơm của hệ thống ĐHKK trung tâm của khách sạn Deawoo Hà Nội gồm 5 bơm với tổng công suất 236kW. Trước khi lắp đặt biến tần thì lượng điện tiêu thụ hàng tháng trung bình là 80200kWh. Sau khi lắp đặt biến tần của Danfoss thì con số này giảm còn 31300kWh  tiết kiệm được khoảng 60% lượng điện tiêu thụ [2].

Tại Nhà máy sợi Hòa Thọ (Thừa Thiên-Huế), có 2 máy nén công suất 110 kW vận hành luân phiên 12 giờ/ngày. Đây là 2 máy đã xuống cấp chạy rất tốn điện. Đơn vị đã lắp đặt biến tần điều khiển động cơ máy nén khí giúp tiết kiệm 172.588 kWh, tương đương 20% điện năng cho khu vực này.

4. Kết luận

Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng biến tần cho một hệ thống hay thiết bị ĐHKK phụ thuộc vào thiết kế và các đặc tính kỹ thuật của hệ thống hay thiết bị đó. Đối với những hệ thống thiết bị làm lạnh trực tiếp và chiller khả năng tiết kiệm điện của biến tần vào khoảng 10-20%, còn đối với các hệ thống bơm nước của các hệ thống ĐHKK trung tâm thì con số này có thể đạt khoảng 30% và cao hơn.q

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Thiện Hoàng, Đại học Xây dựng, Biến tần và tiềm năng tiết kiệm điện trong hệ thống điều hòa không khí, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây Dựng số 11/2013
2. Tài liệu biến tần các hãng ABB, Siemens.

Võ Hoàng Trung  
Công ty CP Tư vấn Công nghệ Nhà Bè

Số 172 (6/2015)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ VÀ THƯƠNG MẠI KIM HƯNG PHÚ
Địa chỉ: Số 26, ngõ 54 Kim Ngưu, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội.
Điện thoại: (024) 6253 3388
Email: buikhai1983@gmail.com - kimhungphu@gmail.com
Hotline: 0906137987 - 0962837810
Website: http://kimhungphu.vn/
Mã số thuế: 0105319202