Tính c ấ p thi ế t c ủa đề tài
Đô thị hóa là quá trình không thể tránh khỏi ở mỗi quốc gia, và tại Việt Nam, tốc độ đô thị hóa đang diễn ra nhanh chóng Nhiều khu đô thị hiện đại đang được quy hoạch và đầu tư, cùng với sự gia tăng xây dựng các tòa nhà cao tầng Điều này dẫn đến nhu cầu ngày càng cao về nhà ở tại các chung cư, không gian làm việc tại các văn phòng, và dịch vụ sinh hoạt tại các khách sạn cao cấp.
Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tỷ lệ đô thị hóa của Việt Nam ước đạt khoảng 40% vào cuối năm 2020, với tổng số 862 đô thị trên toàn quốc, tăng từ 787 đô thị vào năm 2015 Diện tích bình quân nhà ở toàn quốc cũng được ước tính đạt mức cao vào năm 2020.
Diện tích sàn bình quân là 24 m2/người, trong đó nhà ở xã hội đạt 5,21 triệu m2 Với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng và quỹ đất có hạn, xây dựng các tòa nhà cao tầng đang trở thành xu thế tất yếu tại Việt Nam hiện nay.
Hệ thống cấp nước sinh hoạt là yếu tố thiết yếu cho các toà nhà cao tầng, trong đó máy bơm nước đóng vai trò như trái tim của hệ thống Tuy nhiên, thiết kế hệ thống cấp nước hiện tại chưa đáp ứng hiệu quả nhu cầu của Chủ đầu tư và người sử dụng, khi hầu hết các toà nhà phải sử dụng bể chứa nước lớn trên mái, gây áp lực lên kết cấu và tăng chi phí xây dựng Ngoài ra, các máy bơm nước thường gặp sự cố như rung ồn, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống và giảm tuổi thọ thiết bị, đồng thời gây lãng phí điện năng.
Nhận thấy các vấn đề tồn tại trong thiết kế, lựa chọn máy bơm và sơ đồ cấp nước cho tòa nhà, cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ của các tòa nhà cao tầng phân khúc cao cấp, tác giả đã chọn đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của máy bơm nước cho ứng dụng tòa nhà cao tầng" Mục tiêu của nghiên cứu là đưa ra giải pháp cải thiện tính kỹ thuật và nâng cao hiệu quả kinh tế cho hệ thống cấp nước của các tòa nhà cao tầng.
M ụ c tiêu c ủa đề tài
Nghiên cứu và đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống máy bơm cùng sơ đồ cấp nước cho toà nhà cao tầng nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của hệ thống cấp nước Việc lựa chọn máy bơm phù hợp sẽ góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động và giảm chi phí vận hành, từ đó cải thiện chất lượng cung cấp nước cho cư dân trong toà nhà.
Nghiên cứu và đề xuất giải pháp khắc phục các vấn đề kỹ thuật của máy bơm nước và sơ đồ hệ thống cấp nước cho toà nhà cao tầng nhằm tối ưu hóa lợi ích kinh tế và tiết kiệm năng lượng Các giải pháp này không chỉ áp dụng cho các dự án xây dựng mới mà còn giúp khắc phục sự cố kỹ thuật tại các toà nhà cao tầng đang hoạt động.
Đối tượ ng và ph ạ m vi nghiên c ứ u
Máy bơm nước và sơ đồ hệ thống cấp nước sinh hoạt cho tòa nhà cao tầng nhóm 3 (từ 26 đến 40 tầng) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước Từ năm 2016 đến 2020, phân khúc tòa nhà cao tầng đã được khai thác mạnh mẽ và dự kiến sẽ tiếp tục là xu thế đầu tư trong giai đoạn 2021 – 2030.
Hệ thống cấp nước sinh hoạt cho toà nhà cao tầng A2, thuộc dự án Aquabay Sky tại khu đô thị Ecopark, huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên, được thiết kế và xây dựng từ năm 2016 đến 2018 Dự án này bao gồm một toà nhà phức hợp thương mại và chung cư cao cấp, với sơ đồ cấp nước được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu sử dụng của cư dân.
Phương pháp nghiên cứ u
Để hoàn thành luận văn, tác giả áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp thu thập và phân tích số liệu, phương pháp thực nghiệm, và phương pháp hỏi ý kiến chuyên gia.
Ý ngh ĩ a khoa h ọ c và th ự c ti ễ n
Luận văn đề xuất giải pháp thiết kế và lựa chọn máy bơm nước, cùng sơ đồ cấp nước mới, nhằm khắc phục các vấn đề kỹ thuật tồn tại trong hệ thống máy bơm và sơ đồ cấp nước hiện hữu Cụ thể, các giải pháp này giúp giảm thiểu sự cố kỹ thuật như xâm thực và rung động, từ đó tăng tuổi thọ thiết bị Sơ đồ cấp nước mới cho các tòa nhà cao cấp cũng loại bỏ nước trên mái, giảm tải trọng cho kết cấu Đề xuất tập trung vào việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật thường gặp ở tòa nhà cao tầng từ 26 đến 40 tầng tại Việt Nam Hơn nữa, các giải pháp này không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao hơn mà còn có thể trở thành xu hướng thiết kế trong tương lai gần, phù hợp với điều kiện hiện tại của Việt Nam.
K ế t c ấ u c ủ a lu ận văn
Th ự c tr ạ ng h ệ th ố ng c ấp nướ c cho nhà cao t ầ ng hi ệ n nay t ạ i Vi ệ t Nam
Phân loại tòa nhà cao tầng
Tại Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCVN 323-2004 và dự thảo 2007, nhà cao tầng được định nghĩa là các công trình có từ 9 tầng trở lên Theo Uỷ ban Nhà cao tầng Quốc tế, nhà cao tầng là những ngôi nhà mà chiều cao của chúng quyết định các điều kiện thiết kế, thi công và sử dụng khác biệt so với các ngôi nhà thông thường.
Căn cứ vào chiều cao và số tầng nhà, Uỷ ban Nhà cao tầng Quốc tế phân nhà cao tầng ra 4 loại như sau:
Nhà cao tầng loại 1: từ9 đến 16 tầng (cao nhất 50m);
Nhà cao tầng loại 2: từ17 đến 25 tầng (cao nhất 75m);
Nhà cao tầng loại 3: từ26 đến 40 tầng (cao nhất 100m);
Nhà cao tầng loại 4: từ 40 tầng trở lên (gọi là nhà siêu cao tầng);
Theo TCVN 6160: 1996, nhà cao tầng được định nghĩa là các công trình có chiều cao từ 25m đến 100m, tương đương với 10 đến 30 tầng Những cấu trúc như tum, bến nước, buồng máy thang máy và thiết bị hút khói trên mái không được tính vào chiều cao hoặc số tầng của nhà Ngoài ra, tầng hầm hoặc tầng nửa ngầm có mặt trần cao hơn mặt vỉa hè không quá 1,5m cũng không được tính vào số tầng Do đó, để được coi là nhà cao tầng theo tiêu chuẩn này, công trình phải đáp ứng cả hai điều kiện về chiều cao và số tầng; cụ thể, nhà có chiều cao 25m nhưng chỉ có dưới 10 tầng sẽ không được xem là nhà cao tầng.
Hiện nay, các tòa nhà cao tầng phổ biến thường có chiều cao khoảng 40 tầng, tương đương 100 mét, thuộc loại 3 theo tiêu chuẩn TCVN Hệ thống cấp nước sinh hoạt tại các tòa nhà này có những đặc điểm riêng biệt.
Theo khảo sát thực tế, các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam hiện đang sử dụng hệ thống cấp nước sinh hoạt từ bể chứa nước tầng hầm, với máy bơm công suất lớn và cột áp cao để chuyển nước lên bể mái Nước từ bể mái được cấp xuống các chung cư, căn hộ phía dưới nhờ vào chênh lệch độ cao Tuy nhiên, đối với các tầng trên cùng (thường là ba tầng áp mái), áp lực nước yếu do chênh lệch địa hình thấp Vì vậy, một hệ thống bơm tăng áp đã được thiết kế để cung cấp nước trực tiếp cho các căn hộ ở tầng trên cùng.
Qua khảo sát hệ thống máy bơm cấp nước sinh hoạt tại các tòa nhà cao tầng, tác giả nhận thấy hệ thống hiện tại chủ yếu hoạt động theo nguyên lý cấp nước gián tiếp Hệ thống này tận dụng chiều cao của tòa nhà để cung cấp nước, đồng thời sử dụng bể chứa nước trên mái, giúp đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho cư dân một cách linh hoạt và chủ động, đặc biệt khi nguồn điện hoặc nước cấp vào tòa nhà bị gián đoạn.
Việc thiết kế hệ thống cấp nước cho các tòa nhà cao tầng lớn hơn 40 tầng gặp nhiều hạn chế Đầu tiên, việc chọn máy bơm có cột áp đủ lớn để cung cấp nước lên bể mái và các thiết bị đồng bộ như van chống nước va, van giảm áp trở nên khó khăn Thứ hai, cần có bể chứa nước trung gian ở các tầng giữa để đảm bảo hiệu quả cấp nước Hơn nữa, do chênh lệch địa hình lớn giữa bể chứa nước trên mái và các tầng dưới, việc thiết kế các van giảm áp là cần thiết để giảm áp lực khi cấp nước Cuối cùng, hiệu quả sử dụng máy bơm không cao, và tải trọng tác động lên công trình lớn do phải chứa hàng trăm khối nước trên bể mái để dự trữ.
Trong bối cảnh hiện nay, nhiều thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh đã phát triển đầy đủ cơ sở hạ tầng điện lưới và nguồn nước, đảm bảo cung cấp liên tục Vì vậy, trong tương lai, các tòa nhà cao tầng có thể áp dụng hệ thống cấp nước trực tiếp nhằm giảm thiểu nhược điểm hiện tại và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng sẵn có.
Th ự c tr ạ ng v ấn đề t ồ n t ạ i c ủa máy bơm và hệ th ố ng c ấp nướ c t ạ i tòa nhà A2,
Giới thiệu chung qui mô của dự án [2]
Khu căn hộ vịnh thủy được xây dựng tại khu đô thị Aquabay Ecopark, huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên.
Chủ đầu tư: Công ty cổ phần đầu tư và phát triển đô thị Việt Hưng (VIHAJICO), giai đoạn thực hiện từnăm 2016 tới 2018
Dự án bao gồm căn hộ Sân Golf và Mặt hồ Aqua Bay sky residences, tọa lạc tại trung tâm phân khu Aqua Bay, cửa ngõ phía Nam của Khu đô thị Ecopark.
Hình 1-1 Khu đô thị Aquabay Sky, Ecopark, Hưng Yên
Quần thể khu căn hộ Aquabay bao gồm 7 tòa nhà hiện đại nằm cạnh công viên nước trung tâm Mỗi tòa nhà có diện tích lên đến 1.200m2, cao từ 30 đến 36 tầng với thiết kế giật cấp hợp lý Mỗi tầng có 10 căn hộ và 6 thang máy, đảm bảo sự thuận tiện cho cư dân Các tháp A1, A2, A3 và A4 đều được xây dựng với 36 tầng nổi, tạo nên một không gian sống đẳng cấp và tiện nghi.
1 tầng hầm; các tháp B1, B2 và B3 được xây dựng với 30 tầng nổi và 1 tầng hầm
Mặt bằng tổng thểnhư Hình 1-2
Hình 1-2 Mặt bằng tổng thể khu căn hộ
Hệ thống máy bơm cấp nước sinh hoạt hiện hữu tại tháp A2
Vì các tháp căn hộ trong dự án có đặc điểm tương đồng, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu và phân tích hệ thống cấp nước sinh hoạt cho tháp căn hộ A2 làm đối tượng áp dụng trong luận văn này.
Dự án đang áp dụng hệ thống cấp nước sinh hoạt gián tiếp cho các căn hộ và công trình phụ liên quan, theo sơ đồ nguyên lý cấp nước cho tháp A1 và A2 trong phụ lục 01 của luận văn Mô hình cấp nước này được minh họa trong Hình 1-3 dưới đây.
Hình 1-3 Mô hình cấp nước sinh hoạt gián tiếp
Nguồn nước từ thành phố được cấp tự động vào bể nước ngầm 1.500 m3 ở tầng hầm, qua đồng hồ đo nước để theo dõi lượng sử dụng Nước từ bể ngầm được bơm lên bể trên mái 370 m3, sau đó tự động cung cấp xuống các căn hộ phía dưới Để đảm bảo áp lực nước cho các tầng thấp, nước sẽ chảy qua hệ thống van giảm áp, theo TCVN 4513:1988, mỗi 6 tầng chênh lệch cần một van giảm áp Đối với ba tầng áp mái, nước sinh hoạt được cấp qua hệ bơm tăng áp để đảm bảo áp lực đủ cho người dân.
Sơ đồ cấp nước tòa nhà sử dụng hai máy bơm công suất 45kW để bơm nước từ bể dự trữ lên bể trên mái qua ống PPR D160 PN16, với chiều cao chênh lệch lên đến 135m Để giảm lực va khi máy bơm dừng, hệ thống được trang bị van chống nước va Nước từ bể trung hòa trên mái sẽ được dẫn xuống các tầng dưới qua ống cấp nước PPR D110 PN16 và D90 PN16, cung cấp cho từng căn hộ qua hệ thống đồng hồ đo nước Đặc biệt, ba tầng trên cùng (34, 35 và 36) được thiết kế với đường nước riêng và sử dụng hệ bơm tăng áp để đảm bảo áp lực nước ổn định cho các khu căn hộ.
Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý cấp nước sinh hoạt tại tòa nhà
Hệbơm cấp nước trung chuyển tòa nhà sử dụng
Model: EVMS64 8-2LF5HQ1BEG E/45 với thông số hoạt động gồm lưu lượng 66 m3/h, cột áp 174.4 m; công suất: 45 kW/3x400x50/2 cực/IP55xClass F/ IE3
Nguyên lý vận hành hệbơm: cụm bơm gồm 02 máy bơm công suất 45kW,
Hệ thống bao gồm 01 bơm chính và 01 bơm dự phòng hoạt động luân phiên theo chế độ điều khiển được cài đặt sẵn trong tủ điện Chế độ dừng của máy bơm được kích hoạt thông qua tín hiệu từ bộ cảm biến báo mức nước trên bề mặt mái.
Khi mực nước trong bể mái giảm xuống mức khởi động của bơm WLc, bơm sẽ hoạt động liên tục cho đến khi mực nước đạt mức dừng WLd.
Và khi mực nước lại xuống tới WLc thì lức này bơm tiếp theo sẽ vào chạy và sẽ
9 dựng khi mực nước đạt WLd, các bơm sẽ luân phiên vận hành và dự tính mỗi bơm sẽ vận hành khoảng 4h/ ngày/ 1 bơm.
Bơm sẽ tự động dừng khi mực nước của bể nước ngầm giảm xuống dưới mức cho phép, nhằm bảo vệ máy bơm khỏi tình trạng hoạt động khi không có nước, tránh gây hư hại cho thiết bị.
Hình ảnh máy bơm trung chuyển thực tế của toà nhà A2 Hình 1-5 sau
Hình 1-5 Ảnh phòng bơm cấp nước trung chuyển
Hệ máy bơm tăng áp hoạt động dựa trên tín hiệu áp suất từ cảm biến áp suất trên đường ống xả Khi lượng nước tiêu thụ giảm, áp suất trong ống giảm, bình tích áp sẽ cung cấp nước dự trữ để bù đắp Nếu áp suất tiếp tục giảm xuống dưới mức cài đặt, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến tủ điện điều khiển để khởi động bơm Khi tiêu thụ nước dừng lại, áp suất trong ống tăng lên vượt mức cài đặt, bơm sẽ tự động dừng hoạt động.
Chu kỳ hoạt động của máy bơm sẽ lặp lại khi nước trong hệ thống được tiêu thụ và áp suất giảm Trong hệ thống bơm tăng áp với hai hoặc nhiều máy bơm, tủ điện sẽ điều khiển hoạt động luân phiên hoặc song song giữa các máy bơm.
Hình 1-6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cụm bơm tăng áp
Hệbơm tăng áp sử dụng Model: EVMS20 2N5Q1BEGE/3.0 thông số hoạt thiết kếlưu lượng 20 m3/h, cột áp 25m; Công suất: 3.0 kW/ 3x 400 x 50Hz / 2 cực/ IP55/ Class F/ IE3; Bình tích áp: 500 lít x 10 bar
Phòng bơm được trang bị hai máy bơm công suất 3.0 kW, trong đó có một máy bơm hoạt động và một máy bơm dự phòng, hoạt động luân phiên theo chế độ điều khiển từ tủ điện tích hợp biến tần Tín hiệu điều khiển được lấy từ cảm biến áp suất gắn trên hệ thống đường ống và truyền về tủ điều khiển, như thể hiện trong Hình 1-7.
Hình 1-7 Cụm bơm tăng áp tầng mái
Nguyên lý vận hành của hệ thống nước là khi lượng nước sử dụng nhỏ, bình tích áp sẽ co giãn để bù đắp lưu lượng nước này Khi lượng nước sử dụng tăng cao hơn, nếu áp suất trong đường ống giảm xuống 1.5 kgf/cm2, bơm số 1 sẽ tự động hoạt động để cung cấp nước cho hệ thống cho đến khi áp suất đạt 2.5 kgf/cm2 và bơm sẽ dừng Nếu áp lực tiếp tục giảm xuống 1.2 kgf/cm2 trong khi bơm số 1 đang hoạt động, bơm số 2 sẽ được kích hoạt để chạy song song, với tần số hoạt động được điều chỉnh dần dần qua hệ biến tần để bù đắp lượng nước cần thiết.
Khi đạt tới mức áp cài đặt dừng bơm, bơm số 2 sẽ dừng trước, trong khi bơm số 1 giảm dần Quá trình này lặp lại cho các lần sau, với thứ tự hoạt động của các bơm được luân phiên, như minh họa trong Hình 1-8 và Hình 1-9.
Hình 1-8 Mặt cắt phòng bơm tăng áp mái
Hình 1-9 mặt bằng phòng bơm tăng áp
Phương pháp tính toán lựa chọn hệ thống cấp nước sinh hoạt tại tòa nhà
Hệ thống tiêu chuẩn cho cấp thoát nước sinh hoạt bao gồm TCVN 4513 – 1988 về thiết kế cấp nước bên trong, TCXDVN 33-2006 quy định thiết kế mạng lưới đường ống và công trình cấp nước, cùng với TCXD 3989-1985 liên quan đến hệ thống tài liệu thiết kế xây dựng.
Cơ sở lý thuy ế t v ề máy bơm nướ c
Máy bơm ly tâm là thiết bị thiết yếu trong các hoạt động công nghiệp và dân dụng, với ứng dụng rộng rãi từ bơm nước tại nhà, bơm hút nước thải, nước ngầm, đến bơm hóa chất và chất lỏng có tạp chất Các loại máy bơm ly tâm bao gồm bơm trục đứng, bơm trục ngang, bơm giếng khoan, và bơm chìm nước thải, phục vụ cho nhiều mục đích như tưới tiêu, hệ thống điều hòa, và phòng cháy chữa cháy Sự đa dạng trong ứng dụng của máy bơm ly tâm cho thấy tầm quan trọng của nó trong nhiều ngành nghề khác nhau.
Máy bơm ly tâm là thiết bị thủy lực sử dụng cánh dẫn, hoạt động dựa trên nguyên lý lực ly tâm Nó tạo ra dòng chảy thủy động nhờ vào cơ năng của cánh quạt trong máy bơm.
Nước được đưa vào trung tâm quay của bánh công tác và nhờ lực ly tâm, dòng nước được đẩy ra mép cánh bơm Quá trình này tạo ra dòng chảy có động năng, đi ra ngoài theo thân máy bơm.
Máy bơm ly tâm bao gồm 6 bộ phận chính: trục, bánh công tác, bộ phận hướng ra phía, bộ phận hướng về phía, ống hút và ống đầy Các bộ phận này có thể dễ dàng tháo rời, tạo thuận lợi cho việc di chuyển Trục bơm thường được chế tạo từ thép kim loại tổng hợp và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then.
Bánh công tác của máy bơm ly tâm có ba dạng chính: cánh mở trọn vẹn, cánh mở một phần và cánh kín Được chế tạo từ gang và thép, cấu tạo này đảm bảo độ bền và an toàn cho thiết bị Các mặt phẳng của cánh dẫn và đĩa bánh công tác có độ nhẵn tốt, giúp giảm thiểu tổn thất và hao mòn Phần Roto của máy ly tâm được hình thành từ bánh công tác lắp ghép, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động.
Hình 2-1 Bơm ly tâm hiệu Ebara
Máy bơm ly tâm có cấu tạo đặc biệt với 22 chi tiết nhỏ được cố định chắc chắn trên trục, giúp bánh công tác và Roto hoạt động cân bằng tĩnh Thiết kế này ngăn chặn việc chà xát giữa bánh công tác và thân bơm, đồng thời các bộ phận dẫn hướng được gia công từ gang đúc, tôn hàn hoặc cao su Nhờ vào những ưu điểm vượt trội, máy bơm ly tâm mang lại hiệu suất làm việc cao và độ bền tốt.
Bánh công tác của bơm cấp nước cho tòa nhà cao tầng thường có thiết kế cánh kín, bao gồm một hoặc nhiều tầng cánh nối tiếp nhằm tạo ra áp lực cao.
Thông số chính của bơm ly tâm
Các thông số chính của bơm ly tâm cho tòa nhà cao tầng được thể hiện chính như
Thông số lưu lượng (Q) là thể tích chất lỏng mà máy bơm có khả năng chuyển tải trong một đơn vị thời gian Lưu lượng có thể được đo bằng các đơn vị như m³/giờ, m³/phút hoặc m³/giây.
Thông số cột áp (H) là áp lực nước mà máy bơm ly tâm có khả năng tạo ra tương ứng với một lưu lượng nhất định Trong ngành cấp nước, áp lực của máy bơm thường được quy đổi sang đơn vị mét (m), phản ánh áp lực do chiều cao cột nước tạo ra.
Công suất (P) : Là năng lượng cần thiết để đưa một lượng chất lỏng với lưu lượng Q (m 3 /phút) với áp lực H (m)
Tỷ trọng của chất lỏng (γ) được tính bằng kg/l Hiệu suất máy bơm (η) được xác định là tỷ lệ giữa công suất cần thiết (Pw) và công suất thực tế truyền tải tới trục bơm (P) từ động cơ, với công thức η = Pw/P (%).
Các thông số kỹ thuật của máy bơm có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu năng của nó, thường được biểu diễn qua sơ đồ các đường cong Hình 2-3 minh họa các thông số cần thiết của một máy bơm ly tâm điển hình.
Hình 2-2 Bánh công tác bơm ly tâm
1 Đường đặc tính công tác máy bơm
2 Đường đặc tính hệ thống ống
3 Đường hiệu suất máy bơm
Các sự cốthường xảy ra khi vận hành máy bơm
Mòn do mài xảy ra khi hai bề mặt chi tiết tiếp xúc và chuyển động tương đối dưới tải trọng, tạo ra lực ma sát tại bề mặt tiếp xúc Lực ma sát này sẽ làm phá vỡ và san bằng các nhấp nhô trên bề mặt của chi tiết.
Mòn do hạt mài là hiện tượng hư hại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết do sự chèn ép của các hạt mài có độ cứng lớn hơn bề mặt kim loại Khi hai chi tiết chuyển động, các hạt mài hoạt động như dao cắt, tạo ra vết xước và rãnh nhỏ trên bề mặt Mòn do gỉ xảy ra khi nước và oxy có mặt trong chất bôi trơn, dẫn đến sự hình thành lớp ôxít yếu hơn kim loại gốc Dưới tác động của tải trọng, lớp ôxít này bị bong ra, làm cho chi tiết bị hao mòn về kích thước.
Ăn mòn hóa học là quá trình phá hủy kim loại do tác động của các nguyên tố hóa học trong môi trường khí khô hoặc dung dịch không điện ly, dẫn đến sự hình thành lớp ôxít trên bề mặt kim loại Lớp ôxít này không chỉ phát triển trên bề mặt mà còn thâm nhập vào bên trong, làm thay đổi thành phần và tính chất của kim loại Kết quả là kim loại có thể bị phân hủy từng phần hoặc toàn bộ, và sản phẩm ăn mòn có thể xuất hiện dưới dạng kết tủa trên bề mặt.
Hình 2-3 Đường cong đặc tính bơm
24 sự phân giải thành phần cấu trúc, thay đổi tính chất cơ lý của kim loại, phá hủy mối liên kết giữa các mạng tinh thể
Ăn mòn điện hóa là quá trình phá hủy kim loại do tác động của các dung dịch điện phân và khí ẩm Quá trình này dẫn đến sự hình thành dòng điện, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của kim loại và hợp kim.
Cơ sở lý thuy ế t v ề sơ đồ c ủ a h ệ th ố ng c ấp nướ c cho tòa nhà cao t ầ ng
Hiện nay, các tòa nhà cao tầng trên thế giới và tại Việt Nam chủ yếu được thiết kế với các loại sơ đồ cấp nước khác nhau.
Sơ đồ cấp nước song song;
Sơ đồ cấp nước nối tiếp;
Và sơ đồ cấp nước kết hợp
Sơ đồ cấp nước song song
Phân chia số tầng nhà thành các vùng khác nhau giúp tạo áp lực đồng đều cho các vùng áp suất, với độ chênh áp lực giữa các tầng không lớn, do đó không cần khử áp lực dư Tất cả máy bơm được đặt ở tầng hầm hoặc tầng một, mỗi bơm đảm bảo cung cấp nước cho từng vùng với áp lực yêu cầu khác nhau Để tự động hóa quá trình đóng mở máy bơm và cho phép máy bơm hoạt động theo chu kỳ với thời gian nghỉ nhằm đảm bảo độ bền, cần có các két nước để điều hòa lưu lượng giữa chế độ bơm và tiêu thụ Ưu điểm của sơ đồ cấp nước này là sử dụng bơm và ống dẫn nước nhỏ hơn, giúp tiết kiệm chi phí vì các hãng bơm thường có sẵn những model nhỏ, đồng thời không tốn chi phí cho van giảm áp và ống chịu áp lực cao lớn.
Nhược điểm của hệ thống là cần nhiều bơm và bể nước mái, dẫn đến chi phí tủ điện có thể tăng cao Ngoài ra, các tầng gần bể chứa không có bơm để tăng áp cho những tầng có địa hình bất lợi.
Sơ đồ cấp nước nối tiếp
Khi xây dựng nhà cao từ 40 tầng trở lên, áp lực nước có thể đạt tới 200 mét cột nước, gây khó khăn trong việc lựa chọn máy bơm và lắp đặt hệ thống ống dẫn Ở áp lực cao, hiện tượng nước va có thể xảy ra, làm tăng áp lực vượt mức cho phép, dẫn đến hư hỏng các mối nối và thiết bị Để khắc phục tình trạng này, có thể áp dụng sơ đồ phân vùng nối tiếp để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hình 2-12 Sơ đồ cấp nước song song
Tại Việt Nam, các công trình tiêu biểu như KeangNam, Landmark 81 và Lotte Center Hà Nội áp dụng sơ đồ cấp nước phân vùng nối tiếp nhằm giảm thiểu việc sử dụng hệ thống bơm có công suất lớn.
Theo sơ đồ, nhà cao tầng được chia thành nhiều vùng, mỗi vùng từ 20 đến 30 tầng, với mỗi vùng có máy bơm riêng Áp lực của máy bơm được thiết kế để đáp ứng nhu cầu cấp nước cho từng vùng mà không vượt quá 100m cột nước Loại máy bơm này cùng với các ống và thiết bị chịu được áp lực 100m cột nước hiện có sẵn phổ biến trên thị trường.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống máy bơm nước là máy bơm ở vùng 1 không chỉ cung cấp nước cho vùng 1 mà còn bơm nước vào két chứa cho vùng 2 Máy bơm ở vùng 2, được đặt trên tầng cao nhất của vùng 1, có nhiệm vụ bơm nước cho vùng 2 và tiếp tục bơm vào két nước cho tầng 3, và quy trình này lặp lại cho các vùng trên Cột áp của các máy bơm ở các vùng trên chỉ cần tương đương với cột áp của máy bơm vùng 1, trong khi lưu lượng của máy bơm vùng dưới luôn lớn hơn các vùng trên Két nước của các vùng dưới cũng lớn hơn, giúp duy trì hiệu suất hoạt động Ưu điểm của hệ thống cấp nước theo sơ đồ này là giúp giảm cột áp bơm và đảm bảo hệ thống không quá cao, đặc biệt là trong các tòa nhà cao tầng, đồng thời làm cho máy bơm nhỏ gọn hơn so với việc sử dụng một bơm cấp nước lên bể mái.
Nhược điểm: Tốn kém vị trí đặt bể chứa trung gian, tốn chi phí nguồn nhà trạm bơm, rung ồn tại các vị trí đặt trạm bơm trung gian…
Sơ đồ cấp nước phân vùng kết hợp là hệ thống phổ biến cho các công trình nhà cao tầng tại Việt Nam Trong đó, trạm bơm có nhiệm vụ bơm nước lên két chứa, từ đó cung cấp nước cho toàn bộ ngôi nhà Để hoạt động hiệu quả, trạm bơm cần đảm bảo lưu lượng nước đủ cho toàn bộ công trình và duy trì áp lực thích hợp trong két.
Khi cấp nước cho nhà cao tầng theo vùng, hệ thống cấp nước lạnh phục vụ sinh hoạt và sản xuất hoàn toàn tách biệt với hệ thống cứu hỏa.
Hình 2-13 Sơ đồ cấp nước nối tiếp
Nếu độ tin cậy của hệ thống không cho phép ngừng cấp nước, hệ thống cấp nước lạnh phải là mạng vòng
Dải vận hành của máy bơm được thể hiện qua đường đặc tính H - Q, mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng và cột nước mà bơm tạo ra Trên đường này, có một điểm làm việc chung giữa bơm và đường ống, được gọi là điểm công tác.
Hệ thống cấp nước kết hợp mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc sử dụng ít bơm, giảm chi phí đầu tư và khả năng thu hồi vốn nhanh chóng cho chủ đầu tư Đặc biệt, đối với các tòa nhà cao tầng loại 2 và một số loại 3, hệ thống này sẽ đạt hiệu quả kinh tế cao ngay cả khi dung tích bể mái nhỏ.
Hệ thống cấp nước có nhược điểm như yêu cầu sử dụng ống áp lực cao và nhiều van giảm áp, dẫn đến nguy cơ mất nước toàn bộ tòa nhà khi bơm cấp nước chính hư hỏng Bể mái lớn có thể ảnh hưởng đến kết cấu móng của tòa nhà Ngoài ra, trạm bơm tăng áp mái gây ra tiếng ồn và rung lắc khi hoạt động, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của cư dân ở tầng áp mái.
Sơ đồ cấp nước trực tiếp mới là hệ thống cấp nước hiện đại, kết hợp giữa cấp nước phân vùng song song và việc điều chỉnh điểm làm việc để duy trì áp lực trong ống bằng biến tần.
Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu và tại Việt Nam đang gia tăng, dẫn đến nhiều nghiên cứu và khuyến cáo về tiết kiệm năng lượng Ngành cấp thoát nước hiện vẫn sử dụng công nghệ truyền động không hiệu quả và hệ thống điều khiển thụ động Chi phí điện cho việc bơm nước chiếm khoảng 30-35% trong tổng chi phí cung cấp nước Trước đây, việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng được coi là tốn kém và không hiệu quả Tuy nhiên, công nghệ biến tần tính toán đã chứng minh rằng đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho các trạm bơm cấp II tại các nhà máy là cần thiết và mang lại hiệu quả thiết thực.
Trạm bơm cục bộ cho các công trình cao tầng có thời gian hoàn vốn đầu tư ngắn, giúp giảm chi phí cho công tác quản lý và vận hành thiết bị.
Thi ế t k ế gi ả i pháp
Giải pháp khắc phục vấn đề tồn tại trong việc tính toán thông số máy bơm nước cho tòa nhà cao tầng
Hiện nay, thiết kế trạm bơm cấp nước tại Việt Nam có sự tham gia đa dạng từ các công ty tư vấn thiết kế nhà nước và tư nhân, như Công ty cổ phần nước và môi trường Việt Nam, đến các tổng thầu EPC và nhà thầu cung cấp thiết bị Việc tính toán và lựa chọn máy bơm dựa trên nhiều cơ sở lý thuyết khác nhau, tuy nhiên, sự không đồng nhất về nội dung, hiểu biết và cách áp dụng vẫn tồn tại.
Một số giáo trình của các Trường đại học hay được dùng để tham khảo khi thiết kế có thể kểđến như:
Giáo trình cấp nước của thầy Hoàng Huệ - Đại học kiến trúc
Giáo trình thiết kế công trình thu – cấp nước – Thầy Trịnh Xuân Lai- Đại học xây dựng
Việc thiết kế, thẩm tra phê duyệt tính toán thiết kế tùy quy mô dự án có thểcăn cứ theo hệ thống của Việt Nam như:
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT về Chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt;
Tiêu chuẩn TCXDVN33-2006: Cấp nước-Mạng lưới bên ngoài và công trình; Tiêu chuẩn TCVN 2622-1995: Tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy;
2-15 Sơ đồ cấp nước trực tiếp, mới
Các tiêu chuẩn thiết kế của các nước khác: Tiêu chuẩn của Nga, của Nhật, Tiêu chuẩn của Châu Âu, Tiêu chuẩn Mỹ
Theo TCVN 4513:1988, mỗi căn hộ cần có trang thiết bị vệ sinh đầy đủ, bao gồm bồn tắm và hệ thống cấp nước nóng cục bộ Tiêu chuẩn quy định mức tiêu thụ nước cao nhất trong ngày cho mỗi căn hộ là 200 lít.
Ta tính được lưu lượng nước cần thiết cấp nước sinh hoạt như sau:
Q sh (m3/h) = số tầng x sốcăn hộx 6 người x 200 lít/1 ngày/1 người
Theo tiêu chuẩn TCXDVN33:2006 về cấp nước, khi thiết kế hệ thống cấp nước, cần tính toán thêm lượng nước cho tưới cây, rửa đường, dịch vụ đô thị, khu công nghiệp, và thất thoát Ngoài ra, nước phục vụ cho nhà máy xử lý nước cũng cần được tính, cho phép lấy thêm 5-10% tổng lưu lượng nước để phục vụ nhu cầu ăn uống và sinh hoạt của cư dân Nếu dự phòng thêm 10%, tổng lượng nước cần thiết sẽ được xác định chính xác hơn.
Hệ sốlưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất trong ngày theo TCXDVN 33, áp dựng với khu đô thịnhư sau:
Theo TCXDVN33 ta tính toán lưu lượng cần thiết lớn nhất trong ngày:
Theo TCXDVN33 ta tính toán lưu lượng cần thiết nhỏ nhất trong ngày:
Phương án tính toán cột áp theo phương án hiện hữu tại các công trình ở
Việt Nam áp dụng theo tiêu chuẩn TCXDVN33:2006 tiêu chuẩn cấp nước, tiêu chuẩn thiết kế chung
H1: Cột áp địa hình của máy bơm
H2: Tổng tổn thất cột áp trên đường ống gồm: Tổn thất mat sát (Hf1) và Tổn thất cục bộ qua phụ kiện (Hf2)
H3: Cột áp phun nước tại đầu ra (thông thường lấy H3 = 1 m)
J: Hệ số tổn thất theo chiều dài (m/m); L: chiều dài tuyến ống; V: Vận tốc dòng chảy (m/s)
C: Hệ số tổn thất ma sát Hazen-William (tra theo phụ lục 14 – TCXD 33:2006) D: Đường kinh trong của ống (m) Ưu điểm : Việc tính toán theo tiêu chuẩn xây dựng 33 – 2006 này rất đơn giản và áp dụng đúng cho một sốtrường hợp không quá đặc biệt và cột địa hình không quá cao
Nhược điểm của các hệ số tính toán là chúng không chính xác cho tòa nhà cao tầng, vì được áp dụng cho nhiều trường hợp khác nhau Hơn nữa, các hệ số này không tương thích với vật liệu hiện đại, dẫn đến việc giảm ma sát do sự phát triển công nghệ Để xác định áp lực nước mà máy bơm cần tạo ra cho hoạt động của trạm bơm, thường được gọi là cột áp tổng, có thể tính toán theo công thức cụ thể, như đã trình bày trong hình [8].
Hình 2-16 Cột áp tổng của bơm
H : Cột áp tổng của máy bơm (m)
Hs: Tổng cột áp phía hút của máy bơm (m)
Hd: Tổng cột áp phía xả của máy bơm (m)
P2: áp lực nước lên bề mặt chất lỏng ở phía xả (kgf/cm 2 )
P1: áp lực nước lên bề mặt chất lỏng ở phía hút (kgf/cm 2 ) γ: tỷ trọng của chất lỏng cần bơm (kg/l)
Khi áp lực tác động lên bề mặt chất lỏng phía hút và phía xả là áp lực khí quyển ( bể hút, bể xả hở) thì giá trị P2-P1 =0
Ha: Cột áp địa hình thực tế (m) Mà Ha = Has +Had
Has: Cột áp địa hình thực tế từtâm bơm tới mực nước hút (m)
Cột áp địa hình thực tế từ tâm bơm tới mực nước xả được xác định bằng Had (m), trong đó hl là tổn thất áp lực của hệ thống ống (m) Công thức tính hl bao gồm hai thành phần: hls, tổn thất áp lực của hệ thống ống phía hút (m), và hld, tổn thất áp lực của hệ thống ống phía xả (m) Do đó, hl = hls + hld.
Trong trường hợp máy bơm lắp đặt có bánh công tác chìm dưới nước thì tổn thất áp lực phía hút hls= 0 , khi đó hl = hld
2𝑔𝑔 : là áp lực dư cuối ống (m) vd : Tốc độ dòng chảy của nước thoát ra khỏi ống xả (m/s)
T ổn thất áp lực do ma sát
Tổn thất áp lực do ma sát trên đường ống tăng tỷ lệ thuận với giá trị vận tốc 𝑉𝑉𝑉𝑉 2
(m) và hệ số tổn thất của đường ống λ Giá trị của hệ số tổn thất λ có thểxác định được thông quá giá trị của hệ số Reynold: Re = V.D/ν
V: Tốc độ dòng chảy trong ống (m/s)
D: Đường kính ống (mm) ν : Giá trịđộ nhớt kinematic của chất lỏng được bơm (m 2 /s)
* Công th ức tính tổn thất áp suất qua đoạn ống thẳng ngắn
Công thức này được sử dụng để tính toán tổn thất áp suất trong các đoạn ống thẳng ngắn khi dòng chảy là dòng chảy rối, đặc biệt trong phạm vi trạm bơm.
2𝑔𝑔(m) Trong đó: λ: Hệ số tổn thất ma sát của ống
2𝑔𝑔: Cột áp vận tốc (m) vd: vận tốc dòng chảy trong ống (m/s) g : gia tốc trọng trường =9,8(m/s 2 )
Hệ số tổn thất ma sát của đường ống (λ) có thể xác định qua công thức cụ thể và sẽ tăng lên theo thời gian sử dụng hệ thống ống Trung bình, hệ số này là 1,5 đối với các đường ống cũ, trong khi đối với đường ống mới, λ được tính là 0,02 + 1.
2000𝑥𝑥𝐷𝐷 Đối với đường ống cũ: λ = ( 0,02 + 1
Trong tính toán nhanh có thể sử dụng giá trị hệ số tổn thất ma sát cho đường ống cũ theo bảng dưới đây.
Bảng 2-1 Hệ số tổn thất ma sát
* Công th ức tính của Hazen-Williams
Công thức này áp dụng cho dòng chảy trong ống ở giai đoạn chuyển tiếp, khi dòng chảy ổn định hơn Nó thường được sử dụng để tính toán tổn thất cho các đoạn ống thẳng dài, như ống vận chuyển nước từ trạm bơm.
C : Hệ số vận tốc của ống ( Ống Sơn epoxy_ C0, ống nhụa_C0) D: Đường kính ống (m)
Hệ số vận tốc (C) chịu ảnh hưởng bởi chất lượng bề mặt bên trong của ống, là bề mặt tiếp xúc với dòng chảy Bảng giá trị hệ số vận tốc cho các loại ống khác nhau được phân loại theo vật liệu và lớp phủ lòng ống Tuy nhiên, giá trị này không tính đến tác động của các đoạn ống uốn cong hay thay đổi đường kính Do đó, khi tính toán tổn thất cột áp, cần bổ sung các giá trị tổn thất cục bộ bên cạnh tổn thất trên các đoạn ống thẳng Đối với ống thẳng dài ngoài trạm bơm, có thể sử dụng hệ số vận tốc gần đúng, bao gồm một số tổn thất cục bộ như các chỗ uốn cong Cụ thể, đối với ống gang có sơn lòng ống, C = 0; ống thép có sơn lòng ống, C = 110; và ống nhựa, C = 110.
Bảng 2-2 Hệ số vận tốc
Hệ số vận tốc của ống (C)
Giá trị tối đa Giá trị tối thiểu
Giá trị tiêu chuẩn Ống gang ( không sơn) 150 80 100 Ống thép ( không sơn) 150 90 100 Ống gang ( phủ nhựa đường)
145 80 100 Ống thép ( sơn epoxy) 130 Ống gang, thép ( tráng motar )
150 120 130 Ống bê tông 140 120 130 Ống nhựa 160 150 Đối với ống có đường kính nhỏhơn 150mm giá trịC0 được khuyến cáo sử dụng
* T ổn thất áp lực cục bộ
Tổn thất áp lực trên đường ống có thể phát sinh từ nhiều yếu tố như thay đổi tiết diện ống, vị trí cút cong, cũng như các đoạn ống thu hẹp hoặc mở rộng Theo lý thuyết thủy lực học của Weisbach, tổn thất áp lực cục bộ được xác định bằng một công thức cụ thể.
2𝑔𝑔(m) Trong đó : ζ: Hệ số tổn thất v: Vận tốc chất lỏng (m/s)
• Hệ số tổn thất cục bộ ζ theo hình dạng của miệng thu nước được tính theo bảng 2.10sau :
Bảng 2-3 Hệ số tổn thất cục bộ dạng miệng thu nước
Hình dáng miệng thu nước
Hệ số tổn thất cục bộ
• Hệ số tổn thất cục bộ ζ cho đoạn ống mở rộng đột ngột như hình 2.13 dưới đây:
Hình 2-17 Đoạn ống mở rộng đột ngột hL= ζ (𝑉𝑉 1 −𝑉𝑉 2 ) 2
Với ζ =1 ( đối với đoạn ống mở rộng đột ngột)
Hệ số tổn thất cục bộ ζ cho đoạn ống mở rộng có côn như hình 2.14 dưới đây.
Hình 2-18 Đoạn ống mở rộng có côn hL= ζ (𝑉𝑉 1 −𝑉𝑉 2) 2
Với góc côn θ ≥60 0 , tổn thất gần tương tựnhư ống mở rộng đột ngột_không có côn
Phổ biến góc mở của đoạn ống côn 7,5 0 ≤θ≤35 0 , hệ số tổn thất cục bộζ khi đó được tính theo công thức : ζ=0,0011x θ 1,22
Hệ số tổn thất cục bộ đạt giá trị tối ưu khi độ côn nằm trong khoảng :
Hệ số tổn thất cục bộ cho ống mở rộng với các độ mở khác nhau có thể được tra trên biểu đồnhư hình 2.15 dưới đây:
Hình 2-19 Biểu đồ hệ số tổn thất cục bộ qua đoạn ống côn có góc θ 2,5 có thể tham khảo giá trị của hệ số tổn thất cục bộζ theo bảng 2.13 sau đây
Bảng 2-6 Tổn thất cục bộ tại vị trí cút cong với R/D >2,5
• Tổn thất cục bộ tại vị trí ống chia dòng _ống chữT như hình 2.19 dưới đây.
Hình 2-23 Đoạn ống hợp dòng – chia dòng
Dòng chảy từ nhánh chính α phân chia thành hai nhánh β và γ, dẫn đến tổn thất cột áp cục bộ tại vị trí ống chia dòng Tổn thất này được xác định theo một công thức cụ thể.
Trong hệ thống ống dẫn, Hα và Hγ đại diện cho áp lực thủy lực trước và sau vị trí chia dòng, trong khi Hβ là áp lực trên ống nhánh sau vị trí chia Vận tốc dòng chảy tại vị trí trước chia dòng được ký hiệu là vα Các hệ số tổn thất cục bộ do chia dòng được biểu diễn bằng fd.β và fd.γ Góc giữa ống chính và ống nhánh được ký hiệu là θ, trong khi hệ số ϕ tính bằng tỷ lệ diện tích tiết diện ống nhánh so với ống chính Cuối cùng, hệ số ρ được tính bằng tỷ lệ giữa bán kính lượn của ống nhánh và đường kính ống chính, cụ thể là ρ = r/D.
𝑞𝑞β : hệ số tỷ lệ giữa lưu lượng trên nhánh phụ với nhánh chính
• Tổn thất cục bộ tại vị trí ống hợp dòng _ống chữT như hình nêu trên.
46 fc α = -𝑞𝑞β 2 �2,59 +�1,62− �ρ� � cos ϕ θ − 1� − 0,62ϕ� − 𝑞𝑞 β (1,94 −ϕ)+0,03 fc β =-𝑞𝑞β 2 ��1,2− �ρ� � cos ϕ θ − 1� + 0,8 �1 − ϕ 1 2 � − (1 −ϕ) cos ϕ θ �
Trong bài viết này, H α và H γ đại diện cho cột áp thủy lực (áp lực động) trên tuyến ống trước và sau vị trí hợp dòng, được đo bằng đơn vị mét (m) H β là áp lực trên tuyến ống nhánh trước vị trí hợp dòng Vận tốc dòng chảy trên ống chính tại vị trí sau hợp dòng được ký hiệu là v γ (m/s) Các hệ số tổn thất cục bộ do hợp dòng được ký hiệu là fc α và fc β.
𝑞𝑞β : hệ số tỷ lệ giữa lưu lượng trên nhánh phụ với nhánh chính
Áp d ụ ng gi ải pháp điề u ch ỉ nh thông s ố ho ạt độ ng c ủa bơm đố i v ới máy bơm
Hệ thống bơm cấp nước tại toà nhà A2, Aquabay Sky, Ecopark, Hưng Yên đang gặp nhiều vấn đề cần được giải quyết Trong chương 1, chúng ta đã chỉ ra thực trạng hiện tại của hệ thống này, và trong chương 2, các giải pháp đã được thiết kế và lựa chọn để cải thiện hiệu suất Bảng 3-1 dưới đây sẽ cung cấp thông tin chi tiết về những giải pháp này.
Bảng 3-1 Vấn đề tồn tại và giải pháp khắc phục đối với máy bơm trung chuyển
Hạng mục Vấn đề tồn tại Giải pháp khắc phục Máy bơm trung chuyển
Bơm ly tâm, trục đứng, đa tầng cánh
Cột áp hoạt động của máy bơm thấp hơn nhiều so với thiết kế
Bơm vận hành có thể gặp hiện tượng xâm thực, do đó cần điều chỉnh thông số hoạt động của máy bơm Một phương pháp hiệu quả là thay đổi tốc độ bơm thông qua việc sử dụng biến tần.
Thông số vận hành của máy bơm trung chuyển hiện hữu
Thực trạng vận hành của máy bơm trung chuyển đã nêu trong chương 1 và thể hiện như bảng Bảng 3-2 sau đây:
Bảng 3-2 So sánh thông số hoạt động của máy giữa thiết kế và vận hành thực tế
Thông số bơm trung chuyển F
Cột áp thực tế của bơm Hb-tt chỉ đạt 154.5 m, thấp hơn nhiều so với cột áp thiết kế 174.4 m của bơm Hb-tk Dựa vào đường cong đặc tính vận hành của máy bơm được trình bày trong Hình 3-1, chúng ta có thể nhận thấy sự chênh lệch này.
Khi máy bơm hoạt động với cột áp thấp, điểm hoạt động của bơm sẽ dịch chuyển về phía bên phải, xa điểm hiệu suất tốt nhất (BEP), dẫn đến giảm hiệu suất và tăng công suất tiêu thụ Tình trạng này có thể gây quá tải cho động cơ điện và làm giảm khả năng hút của bơm, đặc biệt khi mực nước tại bể hút giảm xuống mức thấp, có thể gây ra xâm thực.
Với thực tế vận hành Qb-tt = 75.2 m 3 /h x Hb-tt = 154.5 m và NPSHr = 5.0 m thì bơm sẽ bị xâm thực khi mực nước bể hút thấp hơn tâm bơm Ws-tt < 2.7 m
Hình 3-1 Đường cong đặc tính vận hành của máy bơm EVMS64 8-2LF5/45
Giải pháp điều chỉnh thông số hoạt động của máy bơm nhằm tối ưu hóa điểm vận hành thực tế, đưa nó vào phạm vi cho phép cho ứng dụng cụ thể Điều này không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy bơm mà còn giúp đạt được điểm vận hành tối ưu cho toàn bộ hệ thống.
Tính toán cột áp thiết kếbơm sử dụng phương pháp tính mới
Các hãng bơm lớn trên thế giới đang áp dụng phương pháp tính toán thủy lực để xác định thông số hoạt động của máy bơm Cụ thể, với lưu lượng bơm lựa chọn là Qb-tt = 66 m³/h, kết quả tính toán cho chiều cao bơm Hb-tk’ đạt 150 m.
Lựa chọn dải vận hành cho phép của máy bơm
Phương pháp tính toán khả năng hút sâu của máy bơm là rất quan trọng khi lắp đặt máy bơm với bể hút âm Đặc biệt, trong hệ thống cấp nước của toà nhà A2, việc xác định chính xác khả năng hút sâu sẽ đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy bơm và cung cấp nước ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Với lưu lượng thiết kế Qb-tk là 66 m³/h, bơm sẽ hoạt động ổn định mà không bị xâm thực ngay cả khi mực nước thấp nhất Ws-tn đạt -0.3 m, miễn là giá trị NPSHr không vượt quá 4.2 m.
51 nước có mực nước thiết kế Ws-tk = +1.0 m; Mực nước thấp nhất cho phép vận hành Ws-tn = - 0.5 m; Mực nước cao nhất của bể Ws-cn = + 2.5 m)
Máy bơm trung chuyển được lắp đặt tại tòa nhà A2 sẽ hoạt động ở mức lưu lượng Qb-tk là 66 m³/h, với chiều cao đẩy Hb-tk’ là 150 m và NPSHr.
≤ 3.5 m đểbơm đảm bảo vận hành không bị xâm thực và đạt hiệu quả cao nhất
Theo Bảng 3-3, thông số vận hành khi áp dụng giải pháp điều chỉnh hoạt động của bơm bằng cách thay đổi tốc độ quay thông qua biến tần được trình bày rõ ràng.
Bảng 3-3 Thông số vận hành bơm khi áp dụng giải pháp
Thông số bơm trung chuyển F
Thực tế vận hành 50 2970 75.2 154.5 71.5 43.0 5.0 Điều chỉnh thông số hoạt động 48.5 2880 70.2 151.1 72.6 39.0 4.2
Tương ứng là đường cong đặc tính vận hành máy bơm như hình Hình 3-2 dưới đây:
Hình 3-2 Đường cong đặc tính bơm điều khiển bằng biến tần
Theo phương án này, thì khi máy bơm trung chuyển vận hành tại tần số 48.5
Hz thì giá trịbơm đã không xảy ra hiện tượng xâm thực kể cảkhi đó mực nước tại bể hút ở giá trị thấp nhất
Khi máy bơm hoạt động ở tần số 47.3 Hz, các thông số vận hành gần gũi với thiết kế ban đầu, đồng thời giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ hiệu quả hơn.
So sánh chi phí của giải pháp
Để điều chỉnh thông số hoạt động của máy bơm thông qua việc thay đổi tốc độ động cơ điện bằng biến tần, cần nâng cấp tủ điện hiện có Việc này bao gồm việc thay thế 02 bộ biến tần cho 02 bộ khởi động mềm hiện tại và lắp đặt các thiết bị phụ trợ tương ứng như được trình bày trong Bảng 3-4 dưới đây.
Bảng 3-4 Chi phí cải tạo tủ điện điều khiển bơm trung chuyển
Thiết bị Miêu tả Số lượng Đơn giá (VNĐ)
Tủ điện hiện hữu Điều khiển 02 bơm x 45kW: 02 khởi động mềm điều khiển 02 bơm 45kW;
01 bơm chạy và 01 bơm dự phòng
Cải tạo, nâng cấp tủ điện hiện hữu
Thay thế 02 bộ khởi động mềm bằng 02 bộ biến tần của hãng Hitachi/ Nhật
Bản và phụ kiện kèm theo
Chi phí cải tạo và nâng cấp tủ điện hiện hữu là 40,3 triệu VNĐ (chưa bao gồm VAT), bao gồm thiết bị và nhân công, với thời gian thực hiện trong vòng 05 ngày Đánh giá giải pháp này cho thấy tính khả thi và hiệu quả trong việc nâng cao chất lượng hệ thống điện.
Giải pháp điều chỉnh thông số hoạt động của bơm thông qua việc sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ bơm mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đáng kể.
Về mặt kỹ thuật: máy bơm hoạt động tại điểm khuyến cáo và đảm bảo không xảy ra hiện tượng xâm thực
Việc áp dụng giải pháp điều chỉnh thông số hoạt động cho máy bơm trung chuyển giúp tiết kiệm điện năng tới khoảng 16%, tương đương với 7.0 kW/h so với mức tiêu thụ điện trước khi thực hiện giải pháp này.
Với chi phí phát sinh để nâng cấp cải tạo tủđiện như trên sẽđược hoàn vốn sau khi vận hành hệmáy bơm sau ~6.5 tháng hoạt động
Đánh giá giả i pháp thi ế t k ế h ệ c ấp nướ c s ử d ụng sơ đồ c ấp nướ c tr ự c ti ế p m ớ i
tiếp mới khi áp dụng cho toà nhà A2, Aquabay Sky
Thực trạng sơ đồ cấp nước của toà nhà A2, Aquabay Sky
Chương 2 đã trình bày vềsơ đồ cấp nước hiện hữu của toà nhà A2, Aquabay Sky đang sử dụng theo sơ đồ cấp nước kết hợp truyền thống như hình Hình 3-3 dưới đây
Hình 3-3 Sơ đồ cấp nước kết hợp hiện hữu của toà nhà A2
Sơ đồ cấp nước kết hợp sử dụng máy bơm trung chuyển để bơm nước từ bể chứa ngầm lên bể chứa trên mái Các tầng áp mái, thường là ba tầng, sẽ sử dụng máy bơm tăng áp để lấy nước từ bể mái và bơm trực tiếp đến các căn hộ Đối với các tầng thấp hơn, nước từ bể mái sẽ tự chảy qua đường ống và van giảm áp, cấp nước đến từng căn hộ Thông thường, mỗi năm tầng sẽ có một đường ống cấp nước riêng và một van giảm áp với áp lực cài đặt 1.5 bar sau van.
Các vấn đề tồn tại cũng như giải pháp đề xuất được tổng kết theo bảng Bảng 3-5 dưới đây.
Bảng 3-5 Vấn đề tồn tại của sơ đồ cấp nước hiện hữu và giải pháp sơ đồ cấp nước mới
Hạng mục Vấn đề tồn tại của sơ đồ cấp nước hiện hữu Đề xuất giải pháp
Sơ đồ hệ thống cấp nước của toà nhà A2,
(1) Bể chứa nước trên mái nhà lớn làm đòi hỏi kết cấu toà nhà chịu tải lớn
(2) Cụm bơm tăng áp trên mái gây ra tiếng rung, ồn cho các tầng áp mái
Sử dụng sơ đồ cấp nước trực tiếp mới giúp cải thiện hiệu quả cung cấp nước cho từng căn hộ Máy bơm tăng áp được lắp đặt tại tầng hầm, cung cấp nước trực tiếp mà không cần sử dụng bể chứa nước trên mái Điều này không chỉ tiết kiệm không gian mà còn nâng cao độ tin cậy trong hệ thống cấp nước.
Chương 2 cũng đã đề xuất giải pháp thiết kế toà nhà sử dụng sơ đồ cấp nước trực tiếp mới như hình Hình 3-4 sau
Hình 3-4 Sơ đồ nguyên lý cấp nước trực tiếp mới
Sơ đồ cấp nước trực tiếp mới sử dụng máy bơm tăng áp được lắp đặt tại tầng hầm, cung cấp nước từ bể chứa ngầm đến từng căn hộ mà không cần bể chứa trên mái.
Giải pháp sử dụng sơ đồ cấp nước trực tiếp mới
Lắp đặt các cụm máy bơm tăng áp tại tầng hầm giúp cung cấp nước trực tiếp đến từng căn hộ trong tòa nhà, loại bỏ nhu cầu sử dụng bể chứa nước sinh hoạt trên tầng mái Giải pháp này không chỉ giảm tải trọng cho kết cấu tòa nhà mà còn hạn chế tiếng ồn cho cư dân.
Toà nhà A2, Aquabay Sky, Ecopark, Hưng Yên gồm: 01 tầng hầm và 36 tầng nổi Trong đó, tầng hầm và khối đế của toà tháp A2 là chung với toà tháp A1
Mỗi tầng nổi của toà nhà A2 gồm có 10 căn hộ sinh sống
Toà nhà được chia thành 03 vùng áp suất, mỗi vùng áp suất lớn tương ứng với 12 tầng Trong mỗi vùng áp suất lớn này, tiếp tục phân chia thành 03 vùng áp suất nhỏ.
Mỗi khu vực áp suất lớn được thiết kế với một cụm bơm tăng áp gồm ba bơm hoạt động song song và luân phiên, nhằm cung cấp nước trực tiếp đến từng căn hộ.
Hình 3-5 Sơ đồ cấp nước trực tiếp mới áp dụng cho toà nhà A2
So sánh thiết bị của hệ thống cấp nước giữa sơ đồ cấp nước hiện hữu và sơ đồ cấp nước trực tiếp mới theo bảng Bảng 3-6 sau
Bảng 3-6 So sánh thiết bị hệ thống cấp nước giữa sơ đồ cấp nước hiện hữu và sơ đồ cấp nước trực tiếp mới
Sơ đồ cấp nước kết hợp, hiện hữu Sơ đồ cấp nước trực tiếp, mới Thiết bị tại tầng hầm
B ể nước ngầm 1,500 m 3 dùng chung toà A1&A2 :
Dung tích nước sinh hoạt 1,150 m 3 ;
Dung tích nước chữa cháy 350 m 3
Bể chứa nước ngầm 1,700 m 3 – chung toà A1&A2:
Dung tích nước sinh hoạt 1,350 m 3 ; Dung tích nước chữa cháy 350 m 3
02 máy bơm cấp nước trung chuyển bơm 45kW : cấp nước từ bểnước ngầm lên bể chứa mái
03 C ụm bơm (09 bơm/03 cụm) cấp nước trực tiếp tới từng căn hộ: cấp nước từ bểnước ngầm tới từng căn hộ
Thiết bị tại tầng mái
Dung tích nước sinh hoạt 200 m 3 ;
Dung tích nước chữa cháy 170 m 3
Không sử dụng bểnước mái
C ụm bơm nước tăng áp cho 03 tầng áp mái: 02 bơm chạy + 02 bơm dự phòng
Thiết bị đường ống hút/xả của bơm trong toà nhà bao gồm các thành phần quan trọng như ống hút, ống xả, van chặn, van một chiều, khớp nối mềm, van đáy và van chống va đập Những thiết bị này đảm bảo quá trình bơm nước diễn ra hiệu quả và an toàn, góp phần duy trì hoạt động của hệ thống cấp thoát nước trong toà nhà.
Van giảm áp được lắp đặt trên đường ống cấp nước từ bể nước mái đến từng cụm 05 tầng phía dưới Mục đích của việc sử dụng 01 van giảm áp là để đảm bảo áp suất đầu ra tại mỗi căn hộ đạt mức 1.5 bar.
Van giảm áp được lắp đặt trên đường ống cấp nước đến các căn hộ trong khu vực có áp suất nhỏ, thường thuộc các phụ thứ 2 và thứ 3 của hệ thống áp suất lớn.
Như bảng trên ta nhận thấy với phương án sơ đồ cấp nước mới này thì về thiết bị:
Bể nước ngầm đã được nâng dung tích lên 1.700 m³ nhằm đảm bảo cung cấp đủ lượng nước sử dụng và dự trữ cho toàn bộ tòa nhà, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, phòng cháy chữa cháy và tưới rửa trong 1,5 ngày.
Lượng máy bơm tăng thêm từ 04 máy bơm (02 máy bơm trung chuyển và
02 máy bơm tăng áp) thành 09 máy bơm cấp nước (09 bơm chia thành 03 cụm bơm cấp nước)
Tính toán thông số thiết kế và lựa chọn máy bơm cấp nước
Tính toán thông số thiết kếđể lựa chọn máy bơm cấp nước tăng áp trực tiếp, ta sử dụng công thức như sau:
Lưu lượng thiết kế Qb-tk cho bơm cấp nước tăng áp tầng mái của toà A2 được tính toán dựa trên tiêu chuẩn sử dụng nước TCBXDVN 33-2006, với mức tiêu thụ 200 lít/người/ngày, nhằm đảm bảo đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho từng vùng áp suất.
Cột áp thiết kế Hb-tk được xác định bằng phương pháp tính toán phổ biến mà các hãng bơm hàng đầu thế giới áp dụng, như đã trình bày ở chương 2, nhằm đảm bảo rằng các thông số thiết kế của bơm phù hợp và chính xác với điều kiện vận hành thực tế.
Từ các tính toán chi tiết như phụ lục kèm theo, chúng ta tổng hợp kết quả và lựa chọn máy bơm như Bảng 3-7 sau
Bảng 3-7 Phân chia vùng áp suất , tính toán và lựa chọn máy bơm cấp nước
Vùng áp suất Cấp nước Thông số bơm Q x
Lựa chọn máy bơm hãng Ebara
03 tầng thương mại khối đế +
(3 bơm vận hành song song và luân phiên)
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
(3 bơm vận hành song song và luân phiên)
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
(3 bơm vận hành song song và luân phiên)
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
Van giảm áp, đặt 1.5 bar
Vùng áp suất 1 chi tiết như sơ đồ cấp nước như hình Hình 3-6 dưới đây.
Hình 3-6 Sơ đồ cấp nước cho vùng áp suất 1 Đường cong đặc tính làm việc của cụm máy bơm tăng áp cho vùng áp suất
Máy bơm Ebara, sản xuất tại Italy, với kiểu bơm EVMS10 7F5/3.0, có thông số thiết kế là Qb1-tk = 7.0 m³/h và Hb1-tk = 70 m, hoạt động theo hình Hình 3-7.
Hình 3-7 Đường cong đặc tính của bơm EVMS10 7F5/3.0 cho vùng áp suất 1
Vùng áp suất 2 chi tiết như sơ đồ cấp nước như hình Hình 3-8 dưới đây
Cụm máy bơm tăng áp Ebara EVMS10 11F5/4.0, sản xuất tại Italy, có đường cong đặc tính làm việc cho vùng áp suất 2 với thông số thiết kế Qb2-tk = 7.0 m³/h và Hb2-tk = 110 m, như được thể hiện trong Hình 3-9.
Hình 3-9 Đường cong đặc tính máy bơm EVMS10 11F5/4.0 cho vùng áp suất 2
Vùng áp suất 3 chi tiết như sơ đồ cấp nước như hình Hình 3-10 dưới đây
