EN
Nguyên lý hoạt động và thiết kế của hệ thống có áp lực
Các hệ thống sưởi năng lượng mặt trời có áp suất sử dụng hệ thống vòng kín. Chất dẫn nhiệt (có thể là nước hoặc hỗn hợp nước và propylene glycol) được bơm ở áp suất 50–100 psi qua tấm thu nhiệt lắp trên mái và bồn chứa nước nóng cách nhiệt. Ưu điểm chính của các hệ thống này là khả năng kết nối với hệ thống cấp nước sinh hoạt tiêu chuẩn trong nhà. Điều này có nghĩa là tất cả các vòi nước và vòi sen đều cung cấp áp lực nước và nhiệt độ ổn định, ngay cả khi nhiều người cùng lúc sử dụng nước nóng và nước lạnh trong các tòa nhà nhiều tầng. Để đáp ứng sự giãn nở do nhiệt gây ra, các hệ thống này được trang bị bình giãn nở đặc biệt. Trong phần lớn các công trình lắp đặt, vật liệu ống được lựa chọn chủ yếu là thép không gỉ hoặc đồng vì những vật liệu này có khả năng chống ăn mòn rất cao. Nhờ đó, chúng trở thành lựa chọn phù hợp cho hiệu suất vận hành lâu dài, cả trong hệ thống cấp nước dân dụng lẫn thương mại.
Các hệ thống tuần hoàn nhiệt (thermosiphon) hoạt động dưới áp lực dựa trên quá trình đối lưu tự nhiên. Theo quá trình này, các bộ thu năng lượng mặt trời lắp trên mái nhà làm nóng nước; nước đã được làm nóng sẽ tự nhiên dâng lên bồn chứa đặt ở vị trí cao hơn các bộ thu. Điều này đồng nghĩa với việc hệ thống không cần sử dụng bơm và cũng không cần các bộ phận chịu áp lực đắt tiền. Phần lớn vật liệu xây dựng được sử dụng là những loại chi phí thấp (ví dụ: cao su EPDM và polypropylene). Loại cấu tạo này hoàn toàn phù hợp vì hệ thống vận hành ở áp suất bình thường (áp suất khí quyển). Các hệ thống này được trang bị các tính năng đặc biệt nhằm xử lý tình huống nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đóng băng (mùa đông giá lạnh): chúng tự động xả và rửa sạch nước khỏi các ống dẫn của bộ thu để ngăn ngừa hư hỏng do đóng băng gây nứt vỡ ống.
Sự khác biệt chính về vật liệu và trao đổi nhiệt
Sự khác biệt về vật liệu và cấu tạo là kết quả của những nguyên lý vận hành cơ bản khác nhau. Do tồn tại áp lực liên tục, các hệ thống chịu áp lực đòi hỏi sử dụng kim loại có độ bền cao (chống ăn mòn), chẳng hạn như thép không gỉ, cho đường ống và bộ trao đổi nhiệt. Ngược lại, các hệ thống không chịu áp lực không cần đáp ứng những yêu cầu này, do đó cho phép sử dụng nhiều hơn các vật liệu polymer. Điều này không chỉ làm giảm đáng kể chi phí xây dựng mà còn tăng tính dễ dàng trong lắp đặt.
Các hệ thống khác nhau có những cách khác nhau để truyền nhiệt. Các thiết bị hoạt động dưới áp suất thường được trang bị cuộn dây bên trong hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng áo khoác (jacketed heat exchangers) đặt trong các bồn cách nhiệt tốt. Những thiết kế này giúp giữ nước sinh hoạt tách biệt với vòng tuần hoàn glycol. Mặc dù thiết kế này làm giảm nguy cơ đóng băng, nhưng lại làm tăng độ phức tạp trong bảo trì. Hệ thống không chịu áp lực thì khác. Một số hệ thống làm nóng nước ngay trong bộ thu, gọi là hệ thống đối lưu nhiệt trực tiếp (direct thermosiphon). Các hệ thống khác được trang bị bộ trao đổi nhiệt bên ngoài đơn giản. Hệ thống không chịu áp lực thường hoạt động hiệu quả hơn khi nhiệt độ môi trường ôn hòa và có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, những thay đổi đột ngột về nhiệt độ sẽ làm suy giảm hiệu suất và khả năng chịu đựng thời tiết của chúng.
Lựa chọn Máy Năng Lượng Mặt Trời Phù Hợp Nhất Cho Điều Kiện Địa Điểm Của Bạn
Áp Lực Nước, Loại Hệ Thống Ống Dẫn Và Kiến Trúc Công Trình
Việc hiểu rõ hệ thống cấp nước hiện tại là điều thiết yếu khi xác định tính phù hợp của một hệ thống. Hầu hết các công trình xây dựng hiện đại đều sử dụng hệ thống có áp lực, trong đó nước được dẫn đến các đơn vị thông qua các đường ống cấp nước chính. Do đó, bình đun nước có áp lực là lựa chọn lý tưởng cho chung cư, căn hộ dịch vụ và các tòa nhà dân dụng nhiều tầng, nơi yêu cầu áp lực nước ổn định trên mỗi tầng. Các hệ thống này cũng rất phù hợp trong quá trình cải tạo các tòa nhà cũ, vì chúng giúp tránh phải thực hiện những thay đổi mở rộng hơn đối với cấu trúc hiện hữu — điều mà các phương pháp lắp đặt truyền thống thường đòi hỏi, chẳng hạn như việc tận dụng khu vực mái hoặc gác xép.
Các hệ thống trọng lực hoạt động rất tốt cho các hệ thống không có áp lực, chẳng hạn như ở khu vực nông thôn, các ngôi nhà cũ có bể chứa nước lạnh đặt trên mái hoặc các hệ thống hoàn toàn độc lập với lưới điện. Vấn đề phát sinh khi khoảng cách theo chiều dọc giữa điểm thu nước và đầu vào của điểm thu không đủ lớn. Thông thường, bạn cần một chênh lệch chiều cao tối thiểu là 0,5 mét. Điều này có thể gây khó khăn đối với các tòa nhà có mái dốc thấp hoặc mái bằng. Một hệ thống cấp nước không có áp lực có thể hoạt động kém hiệu quả khi áp lực nước thấp (khoảng 20 pound trên inch vuông — psi), do nước trong các hệ thống này chảy rất chậm và chỉ rỉ ra từng giọt. Trong khi đó, một hệ thống có áp lực xử lý tình huống này tốt hơn. Luôn kiểm tra kỹ hệ thống cấp thoát nước hiện hữu trước khi lắp đặt nhằm giảm thiểu nhu cầu sử dụng bơm và van. Đây là yêu cầu bắt buộc đối với các tòa nhà cũ, nơi bạn muốn can thiệp vào hệ thống cấp thoát nước càng ít càng tốt. Khả năng chịu tải của mái, điều kiện khí hậu và đánh giá nguy cơ đóng băng
Chúng tôi đã nhận thấy độ bền cấu trúc và khả năng chống chịu thời tiết là những yếu tố then chốt cần xem xét trước khi lựa chọn công trình để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời. Hệ thống mái bằng thường làm tăng tải trọng từ 30 đến 50 kilôgam trên mỗi mét vuông. Các hệ thống không có áp lực thường nhẹ hơn vì chúng sử dụng các bồn chứa nhỏ hơn được tích hợp ngay trong thiết kế hệ thống, nhờ đó việc lắp đặt lên các công trình hiện hữu trở nên thuận tiện hơn. Phần lớn các hệ thống năng lượng mặt trời đều phù hợp với mái dốc. Tuy nhiên, có một yếu tố quan trọng cần lưu ý: các kỹ thuật viên lắp đặt cần biết rằng ở khu vực ven biển, lực gió mạnh hơn, dẫn đến yêu cầu về hệ thống giá đỡ tăng khoảng 15–20%. Điều này đồng nghĩa với việc tại những khu vực này, bắt buộc phải sử dụng giá đỡ được chứng nhận và do các kỹ thuật viên lắp đặt được chứng nhận chuyên biệt thực hiện nhằm đảm bảo hệ thống có khả năng chịu bão.
Nguy cơ đóng băng là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn hệ thống sưởi. Các khu vực có nhiệt độ xuống dưới 0°C trong hơn hai ngày liên tiếp mỗi năm thường sử dụng các hệ thống có áp suất kết hợp với dung dịch chống đông glycol. Hỗn hợp này ngăn ngừa hiện tượng đóng băng trong đường ống. Ngược lại, các hệ thống không có áp suất phụ thuộc vào hệ thống xả ngược hiệu quả, bao gồm: đường ống được bố trí dốc đúng cách để thoát nước, van an toàn, dự phòng vận hành nếu xảy ra sự cố và hệ thống nguồn điện phụ trợ cho hệ thống điều khiển. Các yêu cầu về hệ thống xả và hệ thống điều khiển dẫn đến nhiều lo ngại hơn về bảo trì trong những vùng khí hậu như vậy. Ngược lại, ngoại trừ một vài khu vực có khí hậu đóng băng cực đoan, các vùng khí hậu nhiệt đới và những nơi không bao giờ xảy ra hiện tượng đóng băng đều có thể sử dụng các hệ thống đối lưu nhiệt (thermosiphon) đơn giản không có áp suất, vốn hoạt động hiệu quả trong thời gian dài mà không cần các cơ chế phức tạp. Đối với các khu vực có ít hơn 200 ngày nắng mỗi năm, các hệ thống có áp suất là lựa chọn tốt hơn vì chúng hiệu quả hơn các hệ thống không có áp suất trong điều kiện thời tiết nhiều mây. Điều này là do các hệ thống có áp suất cho phép tuần hoàn liên tục trong các khoảng thời gian kéo dài có cường độ ánh sáng mặt trời thấp, từ đó cuối cùng làm giảm khả năng xảy ra sự cố hệ thống trong những giai đoạn thời tiết xấu.
Sử dụng thực tế và hiệu quả của các loại máy sưởi nước mặt trời khác nhau
Có hai loại máy sưởi nước mặt trời chính: áp suất và không áp suất. Có nhiều cách khác nhau để xây dựng và cấu hình hai loại máy nước nóng mặt trời này, và việc xây dựng và điều kiện thời tiết mà chúng phải đối mặt, cũng như kỹ năng của người lắp đặt, có thể ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của chúng. Các thiết bị chất lượng thường lấy từ 50 đến 75% nhu cầu nước nóng từ mặt trời. Các mô hình áp suất có xu hướng đạt được tỷ lệ phần trăm cao hơn vì thiết kế của bộ trao đổi nhiệt của chúng tốt hơn, cho phép duy trì dòng chảy hiệu quả hơn thông qua các đường ống. Điều này cũng làm cho chúng hiệu quả hơn khi thời tiết lạnh hơn hoặc biến động nhiệt độ hiện diện.
Các hệ thống có áp suất và không có áp suất hoạt động khác nhau về mặt truyền nhiệt. Các hệ thống đối lưu tự nhiên (thermosiphon) không có áp suất hoạt động tốt hơn khoảng 10–15% khi thời tiết ấm áp, đồng thời không chịu ảnh hưởng tiêu cực từ bơm hoặc hiệu quả truyền nhiệt từ các thành phần giảm sút. Mặt khác, các hệ thống có áp suất duy trì hiệu suất ổn định trong suốt cả năm, trung bình theo từng mùa và đặc biệt vượt trội hơn khoảng 30% về hiệu suất tổng thể vào mùa đông và trong điều kiện nhiệt độ đóng băng. Tuy nhiên, điều ngược lại xảy ra ở các khu vực nhiệt đới hoặc ấm áp, nơi phương pháp gia nhiệt trực tiếp đơn giản của các hệ thống không có áp suất lại hiệu quả hơn.
Khi các hệ thống được lắp đặt, hiệu suất hoạt động của chúng phụ thuộc nhiều hơn vào mức độ chú ý dành cho quá trình lắp đặt chứ không phải vào loại hệ thống đang được xem xét. Việc xác định đúng góc lắp đặt hệ thống là rất quan trọng và thậm chí có thể làm tăng sản lượng đầu ra của hệ thống lên tới 25%. Tuy nhiên, các vấn đề như che khuất do các tòa nhà khác gây ra, kích thước đường ống không phù hợp và cách nhiệt kém có thể làm giảm doanh thu từ hệ thống nhiều hơn đáng kể so với các yếu tố khác được tích hợp sẵn trong hệ thống. Bảo trì đóng vai trò hết sức quan trọng. Cặn bám (scale) tích tụ bên trong bộ trao đổi nhiệt có áp lực, và nếu các bộ trao đổi nhiệt này không được làm sạch định kỳ, hiệu suất sẽ suy giảm với tốc độ 12% mỗi năm. Các hệ thống không có áp lực ít gặp vấn đề về cặn bám hơn, nhưng lại dễ hình thành túi khí và tích tụ trầm tích trong các bể mở. Các tiến bộ mới nhất trong công nghệ bộ thu ống chân không hiện nay hiệu quả hơn khoảng 15% so với bộ thu tấm phẳng, do đó đây là lựa chọn tiên tiến và tối ưu nhất hiện nay. Các tiến bộ mới nhất trong công nghệ bộ thu đều có thể áp dụng cho cả hai loại hệ thống, miễn là chúng đều được lắp đặt đúng cách.
Tổng Chi Phí Sở Hữu: Khoản Đầu Tư Ban Đầu, Chi Phí Bảo Trì và Lợi Tức Trên Vốn Đầu Tư cho Hệ Thống Nóng Nước Mặt Trời
Khi tính toán chi phí dài hạn, nhiều người thường bỏ qua các khoản chi phí ngoài giá niêm yết. Giá trị thực tế bao gồm chi phí lắp đặt, bảo trì định kỳ và khoản tiết kiệm mà hệ thống mang lại trong nhiều năm. Hầu hết chủ nhà lắp đặt hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời phải chi từ 3.000 đến 8.000 USD, mức chi phí này đã bao gồm giá thành của toàn bộ hệ thống. Các thiết bị có áp lực dường như nằm ở mức cao hơn trong khoảng giá nêu trên. Nguyên nhân là do cần thêm các bộ phận chuyên dụng như bộ trao đổi nhiệt, bình giãn nở, cũng như van glycol được thiết kế chịu được nhiệt độ cao và yêu cầu công sức lắp đặt lớn hơn. Ngược lại, các mô hình không có áp lực—chẳng hạn như các mô hình thủy lưu nhiệt cơ bản—ban đầu có vẻ rẻ hơn. Tuy nhiên, nếu một số điều kiện tại vị trí lắp đặt không được đáp ứng, chi phí phát sinh có thể xuất hiện. Khoảng cách từ mái nhà đến mặt đất quá thấp và nhiệt độ đóng băng có thể gây chậm trễ thi công cũng như làm tăng chi phí cho các giải pháp điều khiển xả ngược và gia nhiệt bắt buộc phải bổ sung.
việc bảo trì đúng cách tốn khoảng nửa phần trăm chi phí lắp đặt tổng thể của hệ thống. Chi phí này tương đương khoảng 15–40 USD mỗi năm cho các kiểm tra trạng thái hệ thống, bổ sung dung dịch glycol có áp lực và kiểm tra van định kỳ ba đến năm năm một lần. Nhìn chung, các hệ thống có áp lực yêu cầu ít chuyến thăm của kỹ thuật viên hơn so với các hệ thống không có áp lực—những hệ thống này cần hệ thống xả ngược cơ học—đặc biệt khi được lắp đặt ở khu vực có khí hậu lạnh. Hai vấn đề vận hành lớn nhất ảnh hưởng đến các hệ thống không có áp lực là hiện tượng bám cặn (scale trapping) và lắng đọng trầm tích. Vì vậy, việc thực hiện các xét nghiệm chất lượng nước là rất quan trọng, đặc biệt nếu độ cứng của nước tại địa phương vượt quá bảy hạt trên mỗi gallon. Xử lý nước nhằm giảm thiểu sự tích tụ khoáng chất là yếu tố then chốt để ngăn ngừa các sự cố vận hành trong tương lai.
Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, khoản tiết kiệm từ máy nước nóng năng lượng mặt trời là khá đáng kể. Các nghiên cứu đầu tư của họ cho thấy máy nước nóng năng lượng mặt trời giúp giảm 50% đến 80% chi phí làm nóng nước. Nếu một hộ gia đình thay thế thiết bị làm nóng nước điện thông thường có Hệ số Hiệu suất Năng lượng Chuẩn (Uniform Energy Factor) là 1,0 bằng một hệ thống năng lượng mặt trời, dựa trên mức giá điện trung bình toàn quốc, hộ gia đình đó sẽ tiết kiệm được 274 đô la Mỹ mỗi năm — và con số này thậm chí còn cao hơn đối với một số hộ gia đình khác. Ngay cả khi có những khoản tiết kiệm như vậy, vẫn còn nhiều yếu tố khác cần xem xét để phân tích lợi tức đầu tư. Giá năng lượng dự kiến tăng từ 2% đến 5% mỗi năm, qua đó làm tăng thêm khoản tiết kiệm. Ngoài ra, hiệu suất của hệ thống sẽ suy giảm theo thời gian; trung bình, các hệ thống mất từ 0,5% đến 1% hiệu suất mỗi năm. Các ưu đãi cũng cần được tính đến, ví dụ như ưu đãi thuế liên bang bằng 30% chi phí đầu tư và các khoản hoàn lại (rebates) tại địa phương. Tất cả những yếu tố này cho thấy các máy nước nóng năng lượng mặt trời chất lượng cao sẽ hoàn vốn trong vòng từ 6 đến 12 năm. Tại những khu vực có khí hậu lạnh và đặc biệt là trong các tòa nhà nhiều tầng, các mô hình mới mua có áp lực (pressurized models) có thể đắt hơn một chút, nhưng lại hiệu quả hơn và bền bỉ hơn.
Các hệ thống này duy trì độ tin cậy không đổi trong suốt các giai đoạn đóng băng, đảm bảo áp suất đồng đều trên toàn bộ tòa nhà và giúp bạn tránh được các gián đoạn dịch vụ sửa chữa và bảo trì mà các hệ thống khác gây ra.
Câu hỏi thường gặp
Điểm khác biệt giữa hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời có áp lực và không có áp lực là gì?
Điểm phân biệt hai loại hệ thống này nằm ở nguyên lý vận hành. Trong các hệ thống có áp lực, nước được giữ ở một áp suất nhất định trong cấu hình mạch kín, trong khi ở các hệ thống không có áp lực, nước di chuyển nhờ đối lưu tự nhiên, do đó không cần bơm và áp suất được duy trì ở mức áp suất khí quyển.
Vật liệu nào được sử dụng trong các hệ thống có áp lực để tránh ăn mòn?
Để đảm bảo khả năng chống ăn mòn trong các hệ thống có áp lực, người ta sử dụng các kim loại chất lượng cao như đồng và thép không gỉ nhằm chứa an toàn áp lực trong đường ống, bộ trao đổi nhiệt và bồn chứa.
Các hệ thống không có áp lực có phù hợp với khí hậu lạnh không?
Các hệ thống không chịu áp lực thường ít phù hợp hơn cho khí hậu lạnh do có thể gặp phải vấn đề đóng băng. Chúng yêu cầu tính năng xả ngược hiệu quả để ngăn ngừa hư hỏng đường ống do nước đóng băng.
Loại mái ảnh hưởng như thế nào đến việc lắp đặt bình nước nóng năng lượng mặt trời?
Góc nghiêng của mái có thể ảnh hưởng đến việc lắp đặt bình nước nóng năng lượng mặt trời. Mái bằng làm tăng một số tải trọng nhất định, trong khi mái dốc thường thuận lợi hơn cho việc lắp đặt. Tuy nhiên, ở các khu vực ven biển, cần sử dụng hệ thống gắn đặc biệt do tác động của lực gió mạnh hơn.
Bình nước nóng năng lượng mặt trời cần bảo trì tiêu chuẩn nào?
Việc bảo trì thường bao gồm kiểm tra thiết bị, bổ sung chất lỏng cho các hệ thống chịu áp lực và kiểm tra tình trạng bám cặn và lắng đọng. Việc kiểm tra chất lượng nước định kỳ là bắt buộc nhằm tránh hình thành các loại cặn bám.