Tìm hiểu chung về vai trò, cấu tạo của hệ thống địa nhiệt

I. Giới thiệu chung

Hệ thống địa nhiệt (Geothermal System) là một hệ thống sử dụng nhiệt độ từ lòng đất để tạo ra năng lượng nhiệt và điện. Nó tận dụng nhiệt năng được tích lũy trong lòng đất từ quá trình nhiệt hóa tự nhiên của đá và chất lỏng trong nền địa chất.

Hệ thống địa nhiệt có thể được sử dụng để tạo nhiệt hoặc làm mát không khí trong các hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) của các tòa nhà, hoặc để cung cấp năng lượng điện. Có hai loại chính của hệ thống địa nhiệt:

1. Hệ thống địa nhiệt sử dụng nhiệt độ đất để tạo nhiệt (Ground Source Heat Pump System)

Hệ thống này sử dụng một bơm nhiệt đất (Ground Source Heat Pump - GSHP) để trích xuất nhiệt độ từ đất và sử dụng nó để tạo nhiệt hoặc làm mát không khí trong hệ thống HVAC của tòa nhà. GSHP hoạt động bằng cách lấy nhiệt từ đất thông qua một hệ thống đường ống chứa chất lỏng tuần hoàn và truyền nhiệt cho không khí hoặc nước trong hệ thống HVAC.

2. Hệ thống địa nhiệt sử dụng nhiệt độ đất để tạo điện (Geothermal Power Generation System)

Hệ thống này sử dụng nhiệt độ từ đất để tạo điện. Nước nóng hoặc hơi nước từ các nguồn địa nhiệt sâu trong đất được truyền vào một hệ thống máy phát điện, như turbine hơi nước, để tạo ra điện năng. Hệ thống này yêu cầu các nguồn nước nóng hoặc nước nguồn để hoạt động và thường được sử dụng ở những vùng địa chất đặc biệt, ví dụ như các khu vực có núi lửa hoặc vùng địa chấn.

3. Hệ thống địa nhiệt sâu (Enhanced Geothermal System - EGS)

EGS là một hình thức phát triển mới trong công nghệ địa nhiệt, nơi nhiệt năng được tạo ra bằng cách tạo ra các đường hầm, khoan và hệ thống chảo để truyền nhiệt nhanh hơn từ lớp đất sâu hơn. EGS cho phép tiếp cận tới nhiệt độ cao hơn và mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ địa nhiệt.

4. Hệ thống địa nhiệt nông nghiệp (Geothermal Agriculture System)

Hệ thống này tận dụng nhiệt năng từ đất để cung cấp điều kiện môi trường ấm áp cho cây trồng. Nhiệt độ từ đất được sử dụng để làm ấm nước tưới cây, điều khiển nhiệt độ trong nhà kính hoặc tạo ra các hệ thống ấm áp để phát triển cây trồng trong môi trường khí hậu khắc nghiệt.

5. Hệ thống địa nhiệt khí quyển (Geothermal Air Conditioning System)

Hệ thống này sử dụng nhiệt độ từ đất để làm mát không khí trong các hệ thống điều hòa không khí. Nhiệt độ đất thường ổn định hơn so với nhiệt độ không khí bên ngoài, do đó, việc truyền nhiệt giữa đất và không khí có thể giúp làm mát không khí một cách hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng.

6. Hệ thống địa nhiệt trích xuất nước nóng (Geothermal Hot Water Extraction System)

Hệ thống này sử dụng nhiệt năng từ đất để trích xuất nước nóng để sử dụng cho các mục đích như sưởi ấm, làm nóng nước sinh hoạt và công nghiệp. Nước nóng được truyền qua một hệ thống đường ống chuyển nhiệt để truyền nhiệt từ đất đến nước.

II. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống địa nhiệt dựa trên việc sử dụng nhiệt độ từ lòng đất để cung cấp nhiệt cho các ứng dụng sưởi ấm hoặc làm lạnh.

Nguyên lý hoạt động:
Hệ thống địa nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt giữa nhiệt độ môi trường trong lòng đất và hệ thống nhiệt động. Công nghệ này sử dụng ống dẫn nhiệt hoặc bơm nhiệt để trích xuất nhiệt độ từ lòng đất và chuyển nhiệt vào hoặc ra khỏi hệ thống.

III. Cấu tạo cơ bản 

1. Bộ trích xuất nhiệt

Bộ trích xuất nhiệt bao gồm một hệ thống ống dẫn nhiệt hoặc bơm nhiệt chuyên dụng để trích xuất nhiệt từ lòng đất. Có hai loại hệ thống phổ biến là hệ thống ống dẫn nhiệt ngang và hệ thống bơm nhiệt đất.

Hệ thống ống dẫn nhiệt ngang (horizontal ground loop) :Hệ thống này sử dụng một mạng lưới ống dẫn nhiệt được đặt ngang dưới bề mặt đất. Ống dẫn nhiệt này chứa chất lưu truyền nhiệt, thường là dung dịch chất làm lạnh hoặc chất truyền nhiệt. Nhiệt độ của lòng đất truyền vào ống và chất lưu truyền nhiệt sẽ được chuyển đến hệ thống nhiệt động.

Hệ thống bơm nhiệt đất (ground source heat pump):Hệ thống này sử dụng một bơm nhiệt để trích xuất nhiệt từ lòng đất và chuyển đổi nó thành nhiệt độ phù hợp để sưởi ấm hoặc làm lạnh. Bơm nhiệt đất có thể sử dụng một hoặc nhiều giếng đất sâu để truyền nhiệt, và chúng có khả năng điều chỉnh nhiệt độ theo nhu cầu sử dụng.

2. Hệ thống phân phối nhiệt

Hệ thống này chịu trách nhiệm chuyển nhiệt từ bộ trích xuất nhiệt (hệ thống ống dẫn nhiệt hoặc bơm nhiệt) đến các ứng dụng sử dụng nhiệt đó. Hệ thống phân phối nhiệt bao gồm bơm nhiệt, ống dẫn nhiệt và bộ trao đổi nhiệt

Bơm nhiệt: Bơm nhiệt đảm nhận vai trò chuyển đổi nhiệt độ và tạo áp suất để dẫn dòng chất lưu truyền nhiệt qua hệ thống.

Ống dẫn nhiệt :Ống dẫn nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nhiệt từ chất lưu truyền nhiệt sang hệ thống nhiệt động hoặc ngược lại. Các ống này thường được làm bằng vật liệu chịu nhiệt như nhựa PEX hoặc đồng. Bộ trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt : được sử dụng để chuyển nhiệt độ giữa chất lưu truyền nhiệt và không khí hoặc nước sử dụng để sưởi ấm hoặc làm lạnh. Bộ trao đổi nhiệt có thể làm bằng các tấm kim loại hoặc ống đồng hoặc có thể sử dụng bộ trao đổi nhiệt không khí.

3. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển giúp kiểm soát hoạt động của hệ thống địa nhiệt. Nó bao gồm các cảm biến nhiệt độ và áp suất để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng chất lưu truyền nhiệt trong hệ thống.

4 Hệ thống điện và bảo vệ

Hệ thống điện và bảo vệ cung cấp nguồn điện cho hệ thống địa nhiệt và bảo vệ khỏi các tình huống nguy hiểm như quá nhiệt, quá áp hoặc cầu chì.

5. Hệ thống giếng đất

Trong hệ thống bơm nhiệt đất, các giếng đất được khoan sâu xuống dưới mặt đất để trích xuất nhiệt độ từ lòng đất. Các giếng đất này có thể có hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và điều kiện địa chất cụ thể.

Giếng đứng (vertical boreholes): Đây là loại giếng đất được khoan sâu xuống lòng đất theo hướng dọc. Chúng thường được sử dụng trong các khu vực có không gian hạn chế và có khả năng cung cấp nhiệt độ cao hơn so với các hệ thống khác.

Giếng ngang (horizontal trenches): Loại giếng này được khoan ngang hoặc đào ngang dưới bề mặt đất. Chúng thường được sử dụng trong các khu vực có không gian rộng và giúp giảm chi phí vì không yêu cầu sự sâu của giếng đứng.

Giếng xoắn ốc (spiral boreholes): Đây là một loại giếng đất có dạng xoắn ốc và được sử dụng để tăng diện tích tiếp xúc với lòng đất, từ đó tăng hiệu suất trích xuất nhiệt.

6. Hệ thống trao đổi nhiệt

Hệ thống trao đổi nhiệt trong hệ thống địa nhiệt bao gồm bộ trao đổi nhiệt và bộ quản lý nhiệt độ. Bộ trao đổi nhiệt là nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa chất lưu truyền nhiệt và nhiệt độ môi trường (không khí hoặc nước). Bộ quản lý nhiệt độ giúp điều chỉnh lưu lượng và nhiệt độ của chất lưu truyền nhiệt để đáp ứng yêu cầu sử dụng và tối ưu hiệu suất hệ thống.

7. Hệ thống phụ trợ

Ngoài các thành phần cơ bản, hệ thống địa nhiệt cũng có thể bao gồm các thành phần phụ trợ khác như bình chứa nước, bộ điều khiển tự động, van và bộ phận điều chỉnh áp suất.

8. Hệ thống bảo vệ và kiểm soát

Hệ thống địa nhiệt cần có các thiết bị bảo vệ và kiểm soát để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả. Điều này bao gồm cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển, van điều khiển, van an toàn, van xả nhiệt và các thiết bị đo và kiểm tra nhiệt độ và áp suất.

9. Hệ thống đường ống

Hệ thống đường ống chịu trách nhiệm vận chuyển chất lưu truyền nhiệt (như dung dịch làm lạnh hoặc chất truyền nhiệt) từ bộ trích xuất nhiệt đến bộ trao đổi nhiệt hoặc ngược lại. Các đường ống cần được thiết kế chính xác để đảm bảo lưu lượng chất lưu truyền nhiệt và sự ổn định của hệ thống.

10. Hệ thống bảo ôn

Để giảm thiểu mất nhiệt và tối ưu hóa hiệu suất nhiệt, hệ thống địa nhiệt cần có hệ thống bảo ôn. Điều này có thể bao gồm lớp cách nhiệt bên ngoài cho các ống dẫn nhiệt hoặc bề mặt tiếp xúc với lòng đất, cách nhiệt cho hệ thống trao đổi nhiệt và các biện pháp bảo ôn khác.

11. Hệ thống tản nhiệt

Nếu hệ thống địa nhiệt được sử dụng để làm lạnh, thì hệ thống cần có cơ chế tản nhiệt để loại bỏ nhiệt độ thừa. Điều này có thể bao gồm bể chứa nước, hệ thống xả nhiệt hoặc hệ thống tản nhiệt không khí để đảm bảo rằng nhiệt không cần thiết được loại bỏ.

12. Hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống địa nhiệt có thể được kiểm soát và điều chỉnh bằng các hệ thống điều khiển tự động. Các thiết bị cảm biến và bộ điều khiển được sử dụng để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ, lưu lượng

IV. Ưu, nhược điểm

1. Ưu điểm

1.1 Nguồn năng lượng tái tạo và bền vững

Hệ thống địa nhiệt sử dụng nhiệt độ từ lòng đất, một nguồn năng lượng tái tạo và không bị cạn kiệt. Năng lượng địa nhiệt có thể khả dụng suốt năm và không phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch.

1.2 Tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải carbon

Hệ thống địa nhiệt tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các hệ thống truyền thống như lò sưởi hoặc máy điều hòa không khí. Nó không sản xuất khí thải carbon, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.3 Hiệu suất cao

Hệ thống địa nhiệt có hiệu suất cao hơn so với các hệ thống nhiệt khác. Điều này đặc biệt đúng đối với hệ thống địa nhiệt sử dụng bơm nhiệt đất, nơi nhiệt năng có thể được chuyển đổi và tận dụng hiệu quả.

1.4 Độ tin cậy cao

Hệ thống địa nhiệt không phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu bên ngoài và ít chịu ảnh hưởng bởi biến đổi thời tiết hoặc điều kiện môi trường. Do đó, nó cung cấp một nguồn năng lượng ổn định và đáng tin cậy.

1.5 Khả năng tích hợp

Hệ thống địa nhiệt có thể tích hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo khác như hệ thống mặt trời nhiệt, năng lượng gió hoặc pin mặt trời. Việc kết hợp các nguồn năng lượng này giúp tăng hiệu suất và khả năng cung cấp năng lượng liên tục.

1.6 Ổn định nhiệt độ

Nhiệt độ trong lòng đất thường ổn định hơn so với nhiệt độ môi trường bên ngoài, đặc biệt là ở độ sâu lớn. Điều này giúp hệ thống địa nhiệt duy trì hiệu suất cao và ổn định trong thời gian dài.

1.7 Giảm phụ thuộc vào năng lượng ngoại vi

Hệ thống địa nhiệt giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng ngoại vi như dầu, khí đốt hoặc điện lưới. Điều này có thể giúp giảm sự ảnh hưởng của thay đổi giá cả năng lượng và sự không ổn định của nguồn cung cấp.

1.8 Tuổi thọ dài

Hệ thống địa nhiệt có tuổi thọ dài hơn so với các hệ thống nhiệt khác. Vì nó không phụ thuộc vào các thành phần cơ khích như máy móc chuyển động, nên hệ thống địa nhiệt có khả năng hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không cần nhiều sự bảo trì.

1.9 Không gian sử dụng linh hoạt

Hệ thống địa nhiệt không yêu cầu không gian lớn như các hệ thống năng lượng mặt trời hoặc gió. Nó có thể được cài đặt trong không gian nhỏ, chẳng hạn như sân trong hoặc trên mái nhà.

1.10 Tiềm năng phát triển công nghệ

Công nghệ địa nhiệt đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Các cải tiến trong việc trích xuất nhiệt từ lòng đất và ứng dụng mới, chẳng hạn như hệ thống địa nhiệt sâu (EGS), có thể mở ra tiềm năng lớn cho việc tận dụng năng lượng địa nhiệt.

2. Hạn chế

2.1 Chi phí ban đầu cao

Một trong những hạn chế chính của hệ thống địa nhiệt là chi phí ban đầu để cài đặt và xây dựng. Quá trình khoan và cài đặt hệ thống đòi hỏi công việc kỹ thuật phức tạp và đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn.

2.2 Điều kiện địa chất yêu cầu

Hệ thống địa nhiệt đòi hỏi điều kiện địa chất phù hợp để trích xuất nhiệt năng từ lòng đất. Không phải vùng địa lý đều phù hợp với hệ thống này, điều này có thể giới hạn khả năng triển khai của nó.

2.3 Giới hạn địa lý

Hệ thống địa nhiệt chỉ phù hợp với những vùng địa chất cụ thể. Điều kiện địa chất phải đủ để có thể truy cập nhiệt độ cao từ lòng đất. Do đó, không phải vùng đất đều thích hợp cho việc triển khai hệ thống địa nhiệt.

2.4 Ảnh hưởng môi trường

Một số hệ thống địa nhiệt có thể có ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, như việc xả nước nóng trở lại môi trường tự nhiên. Điều này có thể gây ra thay đổi nhiệt độ và thành phần hóa học trong các nguồn nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

2.5 Rủi ro kỹ thuật

Hệ thống địa nhiệt có thể đối mặt với các rủi ro kỹ thuật như hỏng hóc hoặc cạn kiệt nhiệt độ từ lòng đất. 

2.6 Chi phí bảo trì

Mặc dù hệ thống địa nhiệt có tuổi thọ lâu, nhưng việc bảo trì và sửa chữa có thể đòi hỏi chi phí cao. Các thành phần như bơm nhiệt và hệ thống ống dẫn nhiệt có thể cần được kiểm tra và bảo trì định kỳ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

2.7 Hạn chế về khả năng truyền nhiệt

Một hạn chế của hệ thống địa nhiệt là khả năng truyền nhiệt giữa đất và hệ thống truyền nhiệt. Điều này có thể làm giảm hiệu suất hệ thống và yêu cầu sử dụng kỹ thuật cách nhiệt tốt để tránh mất nhiệt.

2.8 Giới hạn khả năng cung cấp nhiệt lượng

Trong một số trường hợp, hệ thống địa nhiệt có thể gặp khó khăn trong việc cung cấp đủ nhiệt lượng để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Điều này có thể xảy ra khi nguồn nhiệt đất không đủ mạnh hoặc khi lưu lượng nước nóng cần thiết không được đảm bảo.

2.9 Tác động đến độ ẩm đất

Việc trích xuất nhiệt từ lòng đất có thể ảnh hưởng đến độ ẩm và chất lượng đất xung quanh. Sự thay đổi độ ẩm có thể gây ra sự co rút và sụt lún của đất, ảnh hưởng đến sự ổn định của cấu trúc và hạ tầng.

2.10 Hạn chế về quy mô

Hệ thống địa nhiệt thường yêu cầu không gian lớn để triển khai các hệ thống khoan và hệ thống truyền nhiệt. Điều này có thể là một hạn chế trong các khu đô thị đông đúc hoặc các khu vực có hạn chế không gian.

Tuy hệ thống địa nhiệt có một số hạn chế, nhưng với sự phát triển công nghệ và nỗ lực nghiên cứu, các vấn đề này có thể được vượt qua và hệ thống địa nhiệt có thể trở thành một nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai.

V. Kết luận

Hệ thống địa nhiệt là một hệ thống sử dụng nhiệt độ từ lòng đất để cung cấp nhiệt cho các ứng dụng sưởi ấm hoặc làm lạnh. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc trích xuất nhiệt từ lòng đất thông qua hệ thống ống dẫn nhiệt hoặc bơm nhiệt, sau đó chuyển nhiệt vào hoặc ra khỏi hệ thống nhiệt động. Cấu trúc cơ bản của hệ thống địa nhiệt bao gồm bộ trích xuất nhiệt (ống dẫn nhiệt hoặc bơm nhiệt), hệ thống phân phối nhiệt, hệ thống điều khiển, hệ thống điện và bảo vệ. Ngoài ra, hệ thống có thể bao gồm các thành phần và cấu trúc bổ sung như giếng đất, hệ thống trao đổi nhiệt, hệ thống bảo ôn, hệ thống tản nhiệt và hệ thống điều khiển tự động. Sử dụng hệ thống địa nhiệt không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm ô nhiễm môi trường và tạo ra một hệ thống sử dụng năng lượng bền vững.

Phạm Gia là một công ty tư vấn giám sát hàng đầu, chuyên cung cấp các dịch vụ chất lượng cao trong lĩnh vực này. Với đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm, chúng tôi cam kết đảm bảo sự chính xác, đáng tin cậy và hiệu quả cho các dự án của khách hàng. Chúng tôi tự hào là đối tác đáng tin cậy để đảm bảo thành công và tuân thủ quy định của dự án.