Máy bơm nhiệt công nghiệp Hàn Quốc vượt xa tiêu chuẩn thử nghiệm

Đề xuất mức 600 RT gặp thị trường đã sử dụng máy 1.000 RT

Tiêu chuẩn quốc gia được đề xuất tại Hàn Quốc cho máy bơm nhiệt nguồn nước sẽ áp dụng với thiết bị có công suất sưởi và làm mát định mức tối đa 2.110 kilowatt, tương đương khoảng 600 tấn lạnh (RT). Tuy nhiên, Trung tâm Thương mại Thế giới Hàn Quốc đã lắp đặt hệ thống công suất 1.000 RT, được mô tả là máy bơm nhiệt nguồn nước đầu tiên tại nước này đạt quy mô đó. Thiết bị từ 1.000 RT trở lên cũng đang được đưa vào các ngành như sản xuất giấy.

Đề xuất của Cơ quan Công nghệ và Tiêu chuẩn Hàn Quốc sẽ mở rộng phạm vi hiện hành khoảng 150 RT lên gấp bốn lần. Dù vậy, mức này vẫn thấp hơn nhiều công suất của các máy đang được lắp đặt. Một tổ máy 1.000 RT lớn hơn khoảng 67% so với ngưỡng 600 RT được đề xuất, tạo ra khoảng cách đáng kể giữa phạm vi của tiêu chuẩn và quyết định mua sắm thực tế.

Sự không tương thích này đáng lưu tâm khi chính phủ thúc đẩy máy bơm nhiệt phục vụ nhu cầu nhiệt công nghiệp sạch hơn và các tòa nhà lớn trong khuôn khổ sáng kiến chuyển đổi xanh K-GX. Trước khi đầu tư thiết bị, hạ tầng điện và công tác xây dựng, bên mua cần có dữ liệu hiệu suất và mức tiêu thụ điện có thể so sánh. Nếu chưa có khuôn khổ thử nghiệm chung cho các máy lớn hơn, những quyết định này sẽ khó kiểm chứng hơn.

Vấn đề này đã được ghi nhận từ trước. Một chương trình nghiên cứu khởi động vào tháng 10/2020 đặt mục tiêu phát triển máy bơm nhiệt nguồn nước 500 RT, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật và hệ thống chứng nhận. Bài viết về chương trình vào tháng 9/2022 xác định việc thiếu tiêu chí thử nghiệm hiệu suất trên 530 kilowatt, tương đương khoảng 150 RT, là trở ngại đối với việc sử dụng thiết bị công suất lớn đã được chứng nhận.

Đề xuất mới sẽ nâng đáng kể ngưỡng đó. Vấn đề cốt lõi là giới hạn 600 RT có đáp ứng được thị trường đã vượt quy mô mà nghiên cứu trước đây nhắm tới hay không.

Các con số công suất thực sự có nghĩa gì

Tấn lạnh là đơn vị đo công suất nhiệt, không phải trọng lượng thiết bị. Các mức trong tiêu chuẩn được đề xuất, gồm 2.110 kilowatt và khoảng 600 RT, cho biết lượng nhiệt sưởi hoặc làm mát mà máy có thể cung cấp. Chúng không có nghĩa là máy tiêu thụ 2.110 kilowatt điện.

Phân biệt này rất quan trọng với khách hàng công nghiệp. Máy bơm nhiệt sử dụng điện để truyền nhiệt, thay vì trực tiếp tạo ra toàn bộ lượng nhiệt hữu ích bằng điện trở. Nhu cầu điện phụ thuộc vào hiệu suất và điều kiện vận hành, trong đó có nhiệt độ của nguồn nước và mức nhiệt mà tòa nhà hoặc quy trình công nghiệp yêu cầu.

Vì vậy, hai máy có cùng công suất nhiệt định mức vẫn có thể cần lượng điện khác nhau. Muốn so sánh công bằng, cần có điều kiện thử nghiệm tương đương và quy định rõ thiết bị nào được tính trong phép đo. Chỉ riêng mức công suất không thể cho biết một địa điểm sẽ cần nguồn điện ra sao.

Tiêu chuẩn được đề xuất áp dụng cho các hệ thống trao đổi nhiệt giữa nguồn nước và mạch nước phục vụ tòa nhà hoặc quy trình sản xuất. Bản thân tiêu chuẩn này không giải quyết khoảng trống tiêu chuẩn riêng đã được xác định đối với máy bơm nhiệt nguồn không khí công suất lớn dùng trong công nghiệp. Các máy đó lấy nhiệt từ không khí và cần được thử nghiệm theo điều kiện vận hành riêng.

Khoảng trống chứng nhận hình thành ra sao

Năm 2022, máy bơm nhiệt nguồn nước chưa có tiêu chí chứng nhận riêng. Thay vào đó, tiêu chí lắp đặt sử dụng các tiêu chuẩn xây dựng cho máy bơm nhiệt địa nhiệt, vốn trao đổi nhiệt với lòng đất. Các tiêu chuẩn liên quan là KS B 8292, KS B 8293 và KS B 8294.

Phạm vi của chúng khác nhau tùy loại thiết bị. KS B 8292 áp dụng cho hệ thống truyền nhiệt giữa các mạch nước, công suất tối đa 530 kilowatt. KS B 8293 áp dụng cho hệ thống truyền nhiệt giữa nước và không khí, công suất tối đa 175 kilowatt; còn KS B 8294 áp dụng cho hệ thống nhiều cụm nước và không khí, với cùng giới hạn 175 kilowatt.

Những khác biệt này cho thấy không thể hiểu đơn giản rằng 150 RT là giới hạn áp dụng cho mọi loại máy bơm nhiệt. Mức khoảng 150 RT là ngưỡng liên quan đến thiết bị mạch nước được đề cập trong chương trình nghiên cứu máy bơm nhiệt nguồn nước công suất lớn. Các loại khác có giới hạn thấp hơn.

Việc thiếu tiêu chí thử nghiệm trên ngưỡng đó đồng nghĩa thiết bị công suất lớn đã chứng nhận trên thực tế không thể tiếp cận thông qua khuôn khổ được mô tả năm 2022. Điều đó không có nghĩa là không thể sản xuất hay lắp đặt máy lớn hơn. Hệ thống 1.000 RT được lắp sau đó cho thấy sự khác biệt giữa việc triển khai thiết bị trên thực tế và việc được bao quát trong hệ thống chứng nhận trong nước thống nhất.

Chương trình nghiên cứu đặt mục tiêu 500 RT

Nỗ lực phát triển trước đó do Tổng công ty Tài nguyên nước Hàn Quốc dẫn dắt, với sự hỗ trợ của Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng cùng Viện Đánh giá và Quy hoạch Công nghệ Năng lượng Hàn Quốc. Có 11 tổ chức tham gia, trong đó có Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc và Trung tâm Đánh giá Lạnh và Điều hòa Không khí Hàn Quốc.

Chương trình dự kiến kéo dài 39 tháng, từ tháng 10/2020 đến tháng 12/2023. Các mục tiêu gồm công nghệ trao đổi nhiệt bằng nước sông, máy bơm nhiệt công suất lớn sử dụng môi chất lạnh có tác động môi trường thấp hơn, hệ thống kết hợp tích trữ nhiệt với sưởi và làm mát, cùng tiêu chuẩn kỹ thuật và chứng nhận cho thiết bị công suất lớn.

Máy 500 RT dự kiến phát triển phản ánh kỳ vọng vào thời điểm đó về nhu cầu trong giai đoạn đầu mở rộng hệ thống sưởi và làm mát nguồn nước. Ý kiến chỉ trích gần đây đối với đề xuất 600 RT là mức này vẫn dựa trên nghiên cứu từ bốn năm trước, trong khi khách hàng hiện lắp đặt các máy có quy mô gấp đôi mục tiêu phát triển ban đầu.

Diễn biến cho thấy chính sách và thị trường thiết bị đã thay đổi như thế nào:

• Tháng 10/2019: Sửa đổi nghị định thi hành Luật Thúc đẩy Phát triển, Sử dụng và Phổ biến Năng lượng Mới và Tái tạo đưa nhiệt từ nước sông vào khuôn khổ năng lượng tái tạo.
• Tháng 10/2020: Chương trình nghiên cứu kéo dài 39 tháng bắt đầu, bao gồm phát triển máy bơm nhiệt 500 RT và tiêu chí chứng nhận.
• Tháng 4/2022: Bộ Môi trường và Tổng công ty Tài nguyên nước Hàn Quốc ký thỏa thuận thí điểm với tám tổ chức, áp dụng cho chín tòa nhà.
• Ngày 19/9/2022: Chương trình nghiên cứu được cho là vẫn đang triển khai; tiêu chí thử nghiệm trên khoảng 150 RT được xác định là một vấn đề.
• Tháng 12/2023: Thời điểm chương trình dự kiến hoàn tất.
• Tranh luận mới nhất về tiêu chuẩn: Đề xuất ngưỡng khoảng 600 RT đang bị chất vấn vì các hệ thống công suất 1.000 RT đã được đưa vào sử dụng.

Hệ thống tại Trung tâm Thương mại Thế giới Hàn Quốc được cho là lắp đặt vào năm trước thời điểm bài viết mới nhất, nhưng ngày xuất bản bài viết đó không được nêu. Chỉ dựa trên mô tả này thì không thể xác định năm dương lịch cụ thể. Thời điểm kết thúc chương trình theo kế hoạch cũng không cho biết khi nào các mục tiêu chứng nhận được hoàn thành hoặc thông qua.

Vì sao bên mua chọn ít máy nhưng công suất lớn

Máy bơm nhiệt cỡ lớn hấp dẫn vì nhiều lý do ngoài công suất định mức. Dùng ít máy hơn có thể giảm diện tích cần thiết trong phòng máy và giảm số lượng đường ống nước, van cũng như thiết bị riêng lẻ cần bảo trì. Những yếu tố này quan trọng tại các tòa nhà lớn, nơi không gian đặt thiết bị phải cạnh tranh với những mục đích sử dụng khác.

Chương trình phát triển năm 2022 dự kiến nhiều địa điểm thí điểm sẽ cần công suất sưởi hoặc làm mát trên 530 kilowatt. Dự kiến việc đáp ứng nhu cầu này bằng nhiều máy nhỏ sẽ làm tăng diện tích lắp đặt và khiến công tác bảo trì phức tạp hơn.

Thiết bị lớn hơn cũng có cấu tạo khác. Máy bơm nhiệt nhỏ thường dùng máy nén piston hoặc máy nén xoắn ốc. Khi công suất tăng, nhà sản xuất có thể dùng máy nén trục vít hoặc máy nén ly tâm, loại nén môi chất lạnh bằng cánh công tác quay nhanh.

Các hệ thống nguồn nước công suất lớn được mô tả trong tài liệu nghiên cứu dùng bộ trao đổi nhiệt riêng để tạo nước nóng và nước lạnh. Thay vì đảo chiều dòng môi chất lạnh để chuyển giữa chế độ sưởi và làm mát, hệ thống chọn mạch nước phù hợp bằng van. Nhờ vậy, mỗi bộ trao đổi nhiệt có thể được thiết kế cho nhiệm vụ riêng.

Các ứng dụng có thể gồm sưởi và làm mát tòa nhà, làm mát trung tâm dữ liệu, kho lạnh, sưởi nhà kính, sản xuất nước nóng và hơi nước. Đây là những ví dụ về công dụng của máy bơm nhiệt lớn, không phải bằng chứng rằng mọi ứng dụng đã có hệ thống 1.000 RT tại Hàn Quốc. Nhu cầu nhiệt độ khác nhau giúp lý giải vì sao máy lớn thường được thiết kế và sản xuất theo nhu cầu của từng khách hàng.

Lập kế hoạch điện cần dữ liệu hiệu suất đáng tin cậy

Hệ quả trước mắt nhất của khoảng trống tiêu chuẩn là sự bất định trong mua sắm. Bên mua cần biết liệu các máy cạnh tranh có cung cấp lượng nhiệt sưởi hoặc làm mát hữu ích như nhau trong khi tiêu thụ lượng điện tương đương hay không. Nếu điều kiện thử nghiệm không thống nhất, khác biệt trong thông số sản phẩm có thể phản ánh cả giả định đo lường khác nhau lẫn chênh lệch hiệu suất thiết bị.

Sự bất định còn liên quan đến hạ tầng điện tại địa điểm lắp đặt. Các hệ thống lớn có thể cần bổ sung thiết bị điện và rà soát hạ tầng tiếp nhận điện từ lưới. Ước tính nhu cầu điện ảnh hưởng đến quy mô nâng cấp và ngân sách lắp đặt.

Công suất nhiệt không thể thay thế cho đánh giá này. Nhà máy lựa chọn máy 1.000 RT cần biết mức tiêu thụ điện ở nhiệt độ và tải mà quy trình của mình yêu cầu. Hiệu suất máy bơm nhiệt cũng chỉ là một phần của bài toán nếu nước phải được vận chuyển qua mạng lưới đường ống rộng khắp.

Đại diện ngành kêu gọi cập nhật tiêu chuẩn nhanh hơn để hỗ trợ mua sắm công, dự án trình diễn và các công trình tư nhân quy mô lớn. Lập luận của họ là hoạt động kiểm chứng chung cần phát triển song song với nhu cầu thiết bị, để bên mua có thể so sánh sản phẩm trước khi cam kết những hạng mục thi công tốn kém tại địa điểm lắp đặt.

Khoảng trống được ghi nhận không chứng minh các máy lớn hiện có hoạt động kém. Nó chỉ ra cơ sở so sánh tiêu chuẩn hóa còn thiếu. Cảnh báo rằng tình trạng này có thể làm chậm việc ứng dụng trong nước hoặc xuất khẩu công nghiệp xanh là những quan ngại về hệ quả, chứ không phải bằng chứng về các trường hợp chậm trễ hay doanh số sụt giảm đã được định lượng.

Dự án thí điểm cho thấy tiềm năng, nhưng cũng có giới hạn

Thỏa thuận thí điểm tháng 4/2022 có tám tổ chức tham gia: Trung tâm Y tế Samsung, WTC Seoul, Mirae Asset Global Investments, Thành phố Sangju, NCSoft, Sàn giao dịch Điện lực Hàn Quốc, tỉnh Bắc Chungcheong và Văn phòng Giáo dục tỉnh Nam Gyeongsang. Các dự án bao phủ chín tòa nhà.

Phần hỗ trợ dành cho các tổ chức tham gia bao gồm 50% chi phí thiết bị nguồn nước, trong đó có đường ống dẫn nước nguồn, bộ trao đổi nhiệt, đường ống trong công trình và máy bơm nhiệt. Phạm vi hỗ trợ này quan trọng vì máy chỉ là một phần của hệ thống hoàn chỉnh. Khả năng tiếp cận nguồn nước phù hợp và chi phí đưa nước đến tòa nhà có thể ảnh hưởng đến toàn bộ dự án.

Với chín tòa nhà, lượng điện tiêu thụ hằng năm cho sưởi và làm mát được dự báo giảm từ 101,9 gigawatt giờ xuống còn 65,4 gigawatt giờ. Mức giảm là 36,5 gigawatt giờ, tương đương khoảng 35,8% tổng lượng ban đầu. Mức giảm phát thải khí nhà kính hằng năm được dự báo là 19.000 tấn.

Đây là những dự báo gắn với việc đưa các hệ thống vào sử dụng, không phải kết quả đã được xác minh sau khi vận hành hoàn tất. Các con số cho thấy lợi ích dự kiến, vốn góp phần thúc đẩy chương trình thí điểm, nhưng không thể xác nhận mức tiết kiệm tại mọi địa điểm công nghiệp hay hiệu suất của các máy 1.000 RT hiện nay.

Vị trí cũng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế. Một nghiên cứu năm 2020 của nhà nghiên cứu cấp cao Jo Hang-mun về mở rộng năng lượng nguồn nước tại Seoul xác định khoảng cách gần giữa nguồn nước và nơi tiêu thụ nhiệt là điều kiện then chốt. Khoảng cách xa hơn làm tăng chi phí vận chuyển nước và xây dựng đường ống, có thể làm giảm tính khả thi của một dự án vốn có triển vọng.

Những vấn đề tiêu chuẩn không thể tự giải quyết

Máy bơm nhiệt nguồn nước tận dụng nhiệt độ tương đối ổn định của nước để hỗ trợ sưởi và làm mát. Vào mùa đông, máy lấy nhiệt từ nguồn nước; vào mùa hè, máy có thể truyền nhiệt từ tòa nhà vào nguồn nước. Tuy nhiên, chương trình nghiên cứu xác định một số vấn đề kỹ thuật cần xử lý, gồm nhiệt độ nước sông thấp vào mùa đông, rác vụn lọt vào hệ thống, hiện tượng sốc áp suất trong đường ống và tác động môi trường của nước xả.

Thiết kế máy nén và lựa chọn môi chất lạnh cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Chương trình xác định cần có thiết bị thử nghiệm chính xác, ổ trục đáng tin cậy cho máy nén quay nhanh và hệ thống điều khiển để tránh hiện tượng mất ổn định, vốn có thể làm gián đoạn hoạt động của máy nén. Vì vậy, mở rộng dải công suất của tiêu chuẩn cần có năng lực thử nghiệm phù hợp, bên cạnh việc điều chỉnh ngưỡng số.

Kinh tế lắp đặt liên quan đến những quyết định chính sách riêng. Năm 2022, năng lượng nguồn nước được mô tả là chưa thuộc diện áp dụng cơ chế hệ số cho chứng chỉ năng lượng tái tạo (REC). Nguồn vốn cho chi phí lắp đặt ban đầu, hỗ trợ tài chính và điều chỉnh giá năng lượng cũng được nêu là những vấn đề cần giải quyết. Những mô tả đó phản ánh các quan ngại ở thời điểm ấy, chứ không xác nhận tình hình hiện nay đã được xử lý ra sao.

Thiết bị sưởi hiện có có thể cần mức nhiệt độ không tương thích với nhiệt lượng đầu ra của máy bơm nhiệt được đề xuất. Nhiệt độ nước, lưu lượng và điều kiện môi trường cũng cần được đánh giá tại từng địa điểm. Chứng nhận có thể giúp việc so sánh hiệu suất thiết bị công bằng hơn, nhưng không thể đảm bảo một tòa nhà hay nhà máy cụ thể phù hợp để lắp đặt.

Vấn đề trước mắt chưa được giải quyết là Hàn Quốc sẽ thử nghiệm và chứng nhận thiết bị vượt ngưỡng 600 RT được đề xuất như thế nào, đặc biệt là các máy từ 1.000 RT trở lên. Chưa có lịch trình được xác nhận cho việc mở rộng phạm vi này, cũng chưa nêu thời hạn tham vấn tiếp theo hay ngày thông qua. Thách thức thực tế là kết nối mục tiêu triển khai của chính phủ với hoạt động kiểm chứng bao quát những máy khách hàng đang mua.

Điểm chính

• Tiêu chuẩn máy bơm nhiệt nguồn nước được đề xuất áp dụng cho công suất sưởi và làm mát định mức tối đa 2.110 kilowatt, tương đương khoảng 600 RT.
• Một hệ thống công suất 1.000 RT đã được lắp đặt tại Trung tâm Thương mại Thế giới Hàn Quốc; thiết bị quy mô này cũng đang được đưa vào ngành sản xuất giấy.
• Ngưỡng công suất được đề xuất cao gấp bốn lần giới hạn hiện hành khoảng 150 RT, nhưng vẫn thấp hơn các hệ thống lớn đang được lắp đặt.
• Chương trình nghiên cứu dự kiến kéo dài từ tháng 10/2020 đến tháng 12/2023, đặt mục tiêu phát triển máy 500 RT và khuôn khổ chứng nhận.
• Việc thiếu tiêu chí chung gây khó khăn cho so sánh hiệu suất, mua sắm và lập kế hoạch hạ tầng điện.
• Chín tòa nhà thí điểm được dự báo tiết kiệm 36,5 gigawatt giờ điện mỗi năm. Đây không phải kết quả vận hành đã được xác minh.
• Chưa có ngày được xác nhận cho việc ban hành tiêu chuẩn trong nước áp dụng với thiết bị vượt giới hạn 600 RT được đề xuất.