Hệ thống mạng lưới hơi nước ở Manhattan, New York
(worksinprogress.co)- Manhattan đã cung cấp hơi nước sản xuất tập trung qua mạng lưới đường ống dài 105 dặm từ năm 1882, và đến nay vẫn hỗ trợ nhu cầu sưởi ấm, nước nóng và công nghiệp cho hơn 1.500 tòa nhà lớn cùng 500 triệu foot vuông không gian
- Mạng lưới này phát triển nhằm giảm số nồi hơi riêng lẻ và logistics than đá trong một đô thị ngày càng nhiều nhà cao tầng; khởi đầu từ thí nghiệm sưởi ấm khu vực của Birdsill Holly và việc thương mại hóa năm 1882 của New York Steam Company
- Hiện hệ thống của ConEd vận hành với công suất hơi nước khoảng 11,5 triệu pound mỗi giờ, gồm các cơ sở sản xuất tại 4 địa điểm ở Manhattan và 1 địa điểm ở Queens, cộng thêm phần mua từ nhà máy 322 MW ở Brooklyn
- Hơi nước khó bảo trì vì nhiệt độ và áp suất cao, yêu cầu quản lý nước ngưng và nguy cơ búa nước, nhưng có ưu điểm là di chuyển không cần bơm và có thể dùng trực tiếp trong các quy trình công nghiệp
- Sưởi ấm khu vực hiện đại nhìn chung đang chuyển sang hệ thống dựa trên nước nóng; mật độ nhu cầu nhiệt cao, khoản đầu tư ban đầu lớn và mức độ hỗ trợ chính sách quyết định khả năng triển khai
Vai trò hiện nay của mạng lưới hơi nước Manhattan
- Manhattan đã cung cấp hơi nước cho các tòa nhà dân cư và thương mại từ năm 1882
- Hơi nước được dùng cho nhiều chức năng đô thị, không chỉ sưởi ấm đơn thuần
- Là ủi khăn vải tại The Waldorf Astoria
- Rửa bát đĩa và hâm nóng thức ăn trong nhà hàng
- Giặt quần áo tại các tiệm giặt
- Tiệt trùng thiết bị y tế tại NewYork-Presbyterian Hospital
- Kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ quanh các tác phẩm tại Metropolitan Museum of Art
- Sưởi không gian và cung cấp nước nóng cho căn hộ và các tòa nhà biểu tượng
- Hệ thống này hoạt động theo mô hình sản xuất tập trung, đo đếm và cung cấp qua đường ống, giống như điện, nước thải và nước sạch
- Hiện hệ thống hỗ trợ nền tảng sinh hoạt cho hơn 1.500 tòa nhà, 500 triệu foot vuông bất động sản ở Manhattan và 3 triệu người thông qua mạng lưới đường ống dài 105 dặm
Vấn đề sưởi ấm trước thời sưởi ấm trung tâm
- Sưởi ấm chiếm khoảng một nửa mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu
- Trước sưởi ấm trung tâm hiện đại, lò sưởi âm tường hoặc bếp lò là chủ đạo, đốt các nhiên liệu như gỗ, than đá, cây trồng dư thừa và phân
- Lò sưởi âm tường truyền thống hút 300 foot khối không khí mỗi phút để duy trì quá trình cháy và thải tới 85% lượng nhiệt tạo ra qua ống khói, nên cực kỳ kém hiệu quả
- Việc đốn, vận chuyển và chẻ củi có thể cần tới hai tháng lao động mỗi người mỗi năm
- Nhiên liệu rắn cũng làm gia tăng ô nhiễm trong nhà và ngoài trời
- Một nghiên cứu tính rằng lò sưởi âm tường thải ra 58 mg PM2.5 cho mỗi 1 kg củi
- Việc ở trong phòng có lò sưởi củi đang cháy trong 1 giờ được tính là làm giảm tuổi thọ khoảng 18 phút, tương đương 1,5 điếu thuốc lá
Sự phát triển của sưởi ấm trung tâm và radiator
- James Watt đã đặt nền móng cho sưởi ấm trung tâm vào cuối những năm 1700 khi kết nối nồi hơi trung tâm với hệ thống ống dẫn trong nhà mình
- William Strutt năm 1805 đã dùng than để làm nóng không khí lạnh rồi cấp vào nhà qua ống gió
- Khoảng năm 1863, radiator đã có dạng thức quan trọng của hệ thống sưởi gia đình hiện đại
- Cho hơi nước chạy trong đường ống gấp khúc để có diện tích bề mặt lớn trong không gian nhỏ
- Truyền nhiệt vào phòng qua đối lưu và bức xạ
- Gắn van vào từng radiator để có thể điều khiển theo từng phòng
- Radiator cải thiện việc phân phối nhiệt bên trong tòa nhà, nhưng mỗi tòa nhà vẫn cần một nồi hơi
- Nồi hơi tại chỗ trong các tòa nhà lớn gây gánh nặng lớn về không gian và chi phí do cần phòng nồi hơi, khu lưu trữ than, đường ống và bảo trì bởi kỹ thuật viên lành nghề
Logistics than đá và ô nhiễm đô thị
- Để sưởi Empire State Building bằng than, mỗi ngày cần hơn 45 tấn than, khoảng bằng hai container
- Nhà máy điện Pearl Street của Thomas Edison khi khai trương năm 1882 cũng dùng hơn 20 tấn than mỗi ngày
- Giá đất Manhattan tăng khiến vấn đề không gian lưu trữ và xử lý than càng lớn hơn
- Từ thập niên 1790 đến thập niên 1880, giá đất ở các khu vực trọng điểm tăng gấp 10 lần
- Từ 400 USD mỗi acre vào năm 1825, giá tăng lên hơn 1 triệu USD mỗi acre vào cuối thế kỷ 19, tương đương hơn 30 triệu USD theo giá trị ngày nay
- Chủng loại than cũng hạn chế điều kiện vận hành
- Than anthracite có hàm lượng carbon 92–98%, cháy nóng và sạch nhưng khó mồi lửa
- Than bitum có hàm lượng carbon 45–86%, cháy kém nóng hơn và gây ô nhiễm nhiều hơn
- Các thành phố Mỹ bắt đầu quản lý muội than và khói từ thập niên 1880, nhưng quy định thường xuyên bị phớt lờ
- Khi cuộc đình công năm 1902 khiến giá than anthracite tăng, một số nhà máy ở New York City chuyển sang than bitum, làm khói bao phủ thành phố và gia tăng sự bất an của cư dân
Nhà cao tầng ở Manhattan và nhu cầu sưởi ấm
- Từ năm 1850 đến 1900, dân số Manhattan tăng từ 515.000 người lên 1,8 triệu người
- Mật độ dân số ở một số khu vực đạt 632.000 người mỗi dặm vuông, cao gấp 10 lần so với ngày nay
- Tình trạng quá tải dẫn đến các vấn đề đạo đức và y tế công cộng, còn quy định về khu ổ chuột càng làm trầm trọng thêm tình trạng thiếu không gian ở Manhattan
- Các tuyến đường sắt trên cao như Ninth Avenue Line, khai trương năm 1878, đã mở rộng quy mô thực tế của thành phố, nhưng giá vé không đủ rẻ để lao động lương thấp có thể đi lại thường xuyên
- Để Manhattan tiếp tục tăng trưởng, cần có cách xây dựng theo chiều cao
- Các tòa nhà cao tầng trở nên khả thi nhờ hai đổi mới
- Thang máy an toàn năm 1852 của Elisha Otis kích hoạt phanh an toàn khi cáp đứt, giảm nỗi sợ di chuyển lên cao
- Các tiến bộ trong sản xuất thép như quy trình Bessemer giúp khung thép có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao gấp 10 lần trở nên kinh tế
- Chiều cao các tòa nhà ở New York tăng nhanh
- Năm 1890, tòa nhà cao nhất có 18 tầng
- Năm 1899, Park Row Building có 31 tầng
- Năm 1908, Singer Building có 41 tầng
- Việc phát triển nhà cao tầng tạo thêm không gian dân cư và thương mại, nhưng những không gian đó cũng cần đi kèm sưởi ấm, điện và cấp nước sạch
Birdsill Holly và sự khởi đầu của sưởi ấm khu vực
- New York đáp lại vấn đề này bằng sưởi ấm khu vực, phát minh của Birdsill Holly
- Holly xử lý các vấn đề về nguy cơ cháy đô thị và cấp nước, và năm 1856 đã tạo ra một thiết bị tiền thân của bơm cứu hỏa hơi nước
- ‘Holly System of Direct Water Supply and Fire Protection for Cities, Towns and Villages’ của ông liên tục cấp nước áp lực cho nhà ở và trụ cứu hỏa, giảm nhu cầu về hồ chứa và ống đứng
- 23 thành phố đã mô phỏng hệ thống này, và sau đó U.S. Supreme Court yêu cầu bồi thường thiệt hại cho Holly
- Dựa trên kinh nghiệm về bơm hơi nước, đường ống và mật độ đô thị, Holly hình dung hệ thống sưởi ấm khu vực bằng hơi nước
- Cách làm là dùng một nồi hơi để sưởi nhiều tòa nhà, qua đó tập trung hóa rủi ro cháy và logistics sưởi ấm
- Ban đầu bắt đầu với đường ống 1,5 inch, sau đó mở rộng sang đường ống 3 inch đặt trong rãnh gỗ cách nhiệt bằng amiăng
- Hơi nước được gửi từ nồi hơi dưới tầng hầm tại 31 Chestnut Street sang các nhà lân cận
- Năm 1877, cuộc thử nghiệm thực tế đầu tiên ở quy mô khu vực bắt đầu
- Cần các thiết bị mới như van, bộ điều áp, bẫy hơi, giá đỡ giãn nở nhiệt và đồng hồ đo
- Đến mùa đông, 20 hộ gia đình đăng ký
- Mạng lưới gồm 3 dặm đường ống, 3 nồi hơi và áp suất 25–30 psi
- Sau khi thử nghiệm thành công, Holly Steam Combination Company được thành lập, và Holly được cấp bằng sáng chế cho hơn 50 phát minh
- Đến năm 1882, ít nhất 20 hệ thống hơi nước Holly đã vận hành, và hệ thống ở Denver tiếp tục hoạt động từ năm 1880
Sự phát triển của New York Steam Company
- Manhattan đã có các tiện ích đô thị như đường ống cấp nước từ sông Croton vào thập niên 1830 và đường ống dẫn khí đốt chính vào thập niên 1850
- Wallace Andrews và Charles E. Emery sau khi xem thiết kế của Holly đã quyết định triển khai hệ thống hơi nước tại New York City
- Andrews thúc đẩy việc huy động vốn và xin giấy phép từ hội đồng thành phố, trong khi công trình cáp điện của Edison cũng ảnh hưởng đến môi trường cấp phép đào đường
- Trong năm vận hành đầu tiên, năm 1882, New York Steam đạt tổng doanh thu 200.000 USD, tương đương khoảng 6 triệu USD sau khi điều chỉnh theo lạm phát
- Trạm hơi nước ban đầu được xây tại 172–176 Greenwich St, khu đất ngày nay là đài tưởng niệm World Trade Center
- 64 nồi hơi công suất 250 mã lực được bố trí trên 4 tầng
- Than được đưa lên các tầng trên rồi cấp cho nồi hơi qua máng trượt, còn tro cũng rơi xuống tầng hầm theo cách tương tự
- Đến năm 1884, 5 dặm đường ống đã đi vào hoạt động, cung cấp hơi nước cho 250 khách hàng từ Battery đến Murray St gần khu Civic Center hiện nay và bắt đầu có lãi
- Hệ thống trung tâm cũng mang lại lợi ích về quy hoạch đô thị và y tế công cộng
- New York Steam Corporation ước tính hệ thống trung tâm đã thay thế 1,2 triệu tấn than và khói từ hơn 2.500 ống khói
- Người ta tính rằng để xử lý than và tro, sẽ cần khối lượng vận chuyển tương đương 700 xe tải 5 tấn mỗi ngày trong 300 ngày
- Khi các tòa nhà mới kết nối vào mạng lưới, chi phí lắp đặt đường ống và vận chuyển than được phân bổ cho nhiều khách hàng hơn, làm tăng hiệu quả hệ thống
- Khách hàng ban đầu chủ yếu là các tòa nhà văn phòng như First National Bank, ngoài ra còn có nhà hàng, máy phát điện, tiệm giặt và nhà tắm công cộng
- Phần lớn các tòa nhà chọc trời Art Deco trong thập niên 1920–1930 đều được New York Steam Company cung cấp
- Standard Oil Building
- Ritz Tower Building
- New York Life Insurance Company
- Paramount Building
- Chrysler Building
- Waldorf-Astoria
- Rockefeller Center
- Empire State
- Lợi nhuận hằng năm đạt 2 triệu USD vào năm 1931, và đến năm 1932 hệ thống trở thành hệ thống sưởi khu vực lớn nhất thế giới với 65 dặm đường ống và hơn 2.500 tòa nhà
Hệ thống hơi nước hiện đại do ConEd vận hành
- Mạng lưới hiện nay thuộc sở hữu của Consolidated Edison, tức ConEd
- Các cơ sở sản xuất nằm tại 4 địa điểm ở Manhattan và 1 địa điểm ở Queens, đồng thời mua thêm hơi nước từ nhà máy 322 MW ở Brooklyn
- Cơ sở lớn nhất trên 14th Street ven East River chiếm phần lớn một ô phố
- 12 nồi hơi cỡ lớn đun nước lên khoảng 177°C
- Hơi nước được đẩy vào mạng lưới ở áp suất 150 psi, khoảng 10 atm
- Tổng công suất của 6 địa điểm nồi hơi là khoảng 11,5 triệu pound hơi nước mỗi giờ
- Vào giờ cao điểm, hệ thống sử dụng hơn 9 triệu pound mỗi giờ
- Vào mùa đông, lượng nước tiêu thụ mỗi giờ gần tương đương gần 2 bể bơi Olympic
- Hơi nước thường đi ra qua các đường ống chính lớn đường kính 2–3 foot, rồi lan tỏa vào mạng lưới 105 dặm ống nhỏ hơn
Đường ống ngầm và cách kết nối tòa nhà
- Các đường ống cũ làm bằng gang, và trong một số trường hợp vẫn còn lớp cách nhiệt asbestos mà Emery đã dùng, gây vấn đề khi bảo trì và khi xảy ra nứt vỡ
- Trong vụ vỡ lớn gần nhất năm 2023, New York City đã phong tỏa 7 ô phố và làm sạch các tòa nhà, đường phố xung quanh
- Đường ống mới được làm bằng hợp kim thép carbon, thường được bọc cách nhiệt bằng bông khoáng rồi đặt trong ống dẫn bê tông đúc sẵn
- Giảm thất thoát nhiệt
- Giảm ảnh hưởng lên các đường ống và dây cáp xung quanh
- Phần lớn đường ống nằm dưới lòng đất ở độ sâu 4–15 foot, sâu hơn các tiện ích khác
- Đường ống chính sâu nhất nằm dưới Park Avenue Tunnel, thấp hơn 30 foot so với các đoàn tàu chạy giữa Bronx và Grand Central
- Khi một tòa nhà mới kết nối vào mạng lưới, van dịch vụ và đường ống được lắp đặt, và áp suất hơi nước đi vào tầng hầm được giảm xuống khoảng 125 psi
- Sau đó, hầu hết các tòa nhà đưa hơi nước đã qua đồng hồ đo và thiết bị giảm áp vào bộ trao đổi nhiệt để phân phối tới từng căn hộ và phòng
Đo đếm, giá cước và hiệu ứng mật độ
- ConEd chủ yếu dùng đồng hồ đo orifice plate để tính phí khách hàng
- Một tấm kim loại mỏng có lỗ gia công chính xác được đặt thẳng đứng trong đường ống
- Cảm biến đo mức sụt áp khi hơi nước đi qua lỗ để tính lưu lượng
- Hơi nước được tính phí theo đơn vị megapound, tức 1 triệu pound
- Tính đến thời điểm bài viết, mọi kết nối tòa nhà căn hộ đều trả phí dịch vụ cố định 3.555,43 USD mỗi tháng
- Phí sử dụng dao động từ 11,35 USD mỗi megapound vào mùa hè đến 35,013 USD vào mùa cao điểm
- Ví dụ dựa trên dữ liệu của NYC Department of Buildings cho thấy tác động của mật độ lên chi phí
- Tòa nhà dân cư 70 căn tại Midtown, 201 East 62nd Street, tiêu thụ 5.962 megapound trong năm 2021, tốn khoảng 16.741,23 USD mỗi tháng, tương đương 239,16 USD mỗi căn mỗi tháng
- Lincoln Towers với 454 căn dùng 19.483 megapound, trả tối thiểu 47.370,80 USD mỗi tháng, tức 104,34 USD mỗi căn mỗi tháng
- Cấu trúc giá cước đặc biệt có lợi cho các tòa nhà mật độ cao
Kiểm soát áp suất và vấn đề nước ngưng
- Một thách thức lớn trong bảo trì mạng lưới hơi nước là quản lý áp suất, vốn thay đổi khi hơi nước di chuyển và thoát vào các tòa nhà
- Kỹ sư điều khiển chính xác áp suất đầu vào của từng khách hàng bằng các van ở hai bên van dịch vụ, đồng thời giám sát mức sử dụng hệ thống bằng cảm biến
- Nếu áp suất quá cao, van sẽ mở để xả hơi nước qua miệng lưới
- Nếu áp suất quá cao trong thời gian dài, ConEd sẽ tắt một số nồi hơi
- Nếu áp suất quá thấp, họ bật nồi hơi mới hoặc đóng van ở nơi khác để tăng nguồn cung
- Phần lớn cơ chế phản hồi này đã được tự động hóa, và các cảm biến điện tử cùng van độ chính xác cao giúp tăng hiệu quả hệ thống
- Hiệu suất đầu-cuối hiện tại của hệ thống là 60% {p:60}
- Khi hơi nước nguội đi, nước ngưng (condensate) dưới dạng giọt nước hình thành và tích tụ ở các điểm thấp của đường ống
- Nước ngưng hấp thụ oxy và carbon dioxide nên có tính ăn mòn mạnh
- Ở các đoạn cũ khó tiếp cận của hạ tầng ngầm, việc sửa chữa ăn mòn có thể tốn kém và nguy hiểm
- Vào mùa đông, nước ngưng có thể đóng băng, gây tắc nghẽn và vỡ đường ống
Water hammer và vụ nổ năm 2007
- Sự cố kịch tính nhất là water hammer
- Nước ngưng có thể hình thành thành khối nước lấp đầy toàn bộ tiết diện đường ống
- Khi khối nước này gặp hơi nước áp suất cao, nó bị đẩy dọc theo đường ống và có thể tăng tốc tới hơn 100 dặm/giờ, hơn 50 m/giây
- Khi nước di chuyển nhanh va vào van đóng, khúc cua gấp hoặc vật cản, nó tạo ra đỉnh áp suất lớn hơn nhiều so với áp suất vận hành bình thường
- Điều này có thể dẫn đến hư hại nghiêm trọng hoặc sự cố toàn hệ thống
- Sự cố nghiêm trọng gần nhất xảy ra năm 2007 tại 41st và Lexington
- Một đường ống 82 năm tuổi phát nổ, bắn mảnh vỡ khắp Midtown
- Mưa lớn làm nguội đường ống, khiến nước ngưng nhanh chóng hình thành với lượng lớn
- Do bẫy hơi bị tắc, nước không thoát ra được
- Áp suất bên trong tăng vọt và gây nổ
- Gần 50 người bị thương, và một phụ nữ tử vong vì đau tim khi đang chạy trốn
Vì sao sưởi khu vực hiện đại chuyển sang nước nóng
- Vào đầu thế kỷ 20, hơi nước dễ thu được từ các nhà máy điện hiện có, và nhờ nhiệt độ cao nên phù hợp cho cả quy trình công nghiệp lẫn nhu cầu gia dụng
- Vì hơi nước bốc lên, nó tự nhiên phù hợp với môi trường đô thị dày đặc nhiều nhà cao tầng
- Nhờ nhiệt độ ban đầu cao và hàm lượng năng lượng lớn, hơi nước có thể truyền đủ nhiệt trên khoảng cách dài dù có thất thoát nhiệt
- Từ thập niên 1930 trở đi, thiết kế các hệ thống mới nhìn chung chuyển sang dùng nước nóng làm môi chất truyền nhiệt
- Hệ thống nước nóng có thể vận hành ở áp suất cao tới 180°C, và ở mức thấp chỉ 40°C
- Nhiệt độ thấp làm giảm chênh lệch nhiệt độ với môi trường xung quanh, từ đó giảm thất thoát nhiệt
- Vật liệu cách nhiệt nhìn chung cũng hiệu quả hơn ở nhiệt độ thấp
- Trong khi hệ thống hơi nước mất 10–25% nhiệt trong quá trình phân phối, hệ thống nước nóng nhiệt độ thấp có thể giảm mức này xuống 3–5%
- Nhiệt độ và áp suất thấp hơn làm giảm nguy cơ tai nạn áp suất cao và rò rỉ, khiến việc lắp đặt và bảo trì dễ hơn, an toàn hơn và rẻ hơn
Chi phí thu hồi nước ngưng và thất thoát năng lượng
- Hệ thống hơi nước phải quản lý nước ngưng riêng, làm tăng độ phức tạp
- Nước ngưng phải được tách khỏi hơi nước rồi xả ra, hoặc được bơm qua đường ống hồi về nồi hơi để tái sử dụng
- Thông thường, 50–60% chi phí vốn của hệ thống sưởi khu vực dành cho đường ống và bơm
- Trong các hệ thống lớn, đường ống hồi có thể quá đắt
- Nếu xả nước ngưng ra ngoài, hệ thống mất 15% tổng năng lượng đầu vào, làm giảm hiệu suất vận hành
- So với hiệu suất 70–90% của các hệ thống hiện đại, chênh lệch hiệu suất 60% của hệ thống hơi nước New York chủ yếu đến từ thất thoát trong phân phối và việc xả nước ngưng
Sưởi ấm khu vực bằng nước nóng và các nguồn nhiệt mới
- Hệ thống nước nóng có thể dễ dàng làm nóng nước đến dưới điểm sôi bằng bộ gia nhiệt nhúng điện, nên dễ tích hợp với năng lượng tái tạo
- Nhà máy điện hạt nhân dùng nhiều nước để làm mát lò phản ứng; các lò phản ứng tại Beznau và Haiyang đã cung cấp hàng trăm GWh nhiệt mỗi năm cho hệ thống sưởi ấm khu vực
- Trung tâm dữ liệu cũng là nguồn nhiệt tiềm năng, vì gần như toàn bộ điện năng đầu vào đều chuyển thành nhiệt
- Một trung tâm dữ liệu lớn có thể tạo ra 20–50 MW nhiệt
- Năm 2024, các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới tiêu thụ tổng cộng 47 GW điện
- Một số dự án phát triển mới tận dụng nhiệt thải từ London Underground bằng bơm nhiệt để dùng cho sưởi ấm khu vực
- Nước lỏng 100°C có nhiệt dung riêng xấp xỉ gấp đôi hơi nước ở cùng nhiệt độ, nên lưu trữ năng lượng trên mỗi kg cho mỗi mức tăng nhiệt độ gần gấp đôi
- Các hệ thống dựa trên nước nóng có thể lưu trữ năng lượng vào những thời điểm nhu cầu điện thấp hoặc sản lượng điện tái tạo cao, rồi giải phóng thành nhiệt về sau
- Mạng lưới sưởi ấm đô thị cũng có thể đóng vai trò lưu trữ năng lượng quy mô đô thị, hỗ trợ lưới điện
Các ví dụ về sưởi ấm khu vực trên thế giới
- Trên thế giới có hàng chục nghìn hệ thống sưởi ấm khu vực, đặc biệt nhiều ở Bắc Âu và Đông Âu
- Quy mô đường ống tại các thành phố lớn rất lớn
- Helsinki: 870 dặm
- Copenhagen: hơn 1.000 dặm
- Stockholm: 1.200 dặm
- Vienna: hơn 750 dặm
- Moscow: hơn 10.000 dặm
- Copenhagen cung cấp hơn 99% nhu cầu sưởi ấm của thành phố bằng sưởi ấm khu vực
- Moscow United Energy Company cung cấp nhiệt cho 90% cư dân Moscow
- Vương quốc Anh có 2.000 hệ thống sưởi ấm phục vụ từ hai tòa nhà trở lên, trong đó hơn một phần ba nằm ở London
- Con số này chiếm khoảng 2% nhu cầu nhiệt của Vương quốc Anh
- Hệ thống nước nóng nổi tiếng ở Pimlico được khai trương năm 1950, dùng nhiệt thải từ Battersea Power Station để sưởi ấm cho hơn 3.000 hộ gia đình và hiện vẫn hoạt động
- Westminster đang xem xét cải tạo hoặc đóng cửa hệ thống Pimlico do tình trạng xuống cấp và cường độ carbon cao
Khi hơi nước vẫn có lợi thế
- Một số hệ thống đang rời bỏ hơi nước, và các hệ thống mới nhiều khả năng sẽ vận hành bằng nước nóng
- Dù vậy, hơi nước vẫn còn những ưu điểm rõ ràng
- Hơi nước tự di chuyển, nên không cần bơm đến nơi cần dùng
- Hệ thống nước nóng phải bơm nước trở lại
- Hệ thống hơi nước xả nước ngưng tụ chỉ cần khoảng một nửa lượng đường ống
- Nhiều quy trình công nghiệp cần trực tiếp hơi nước
- Trong những điều kiện nhất định, sưởi ấm khu vực bằng hơi nước vẫn có thể được ưu tiên
Điều kiện để sưởi ấm khu vực khả thi
- Sưởi ấm khu vực thực sự là công nghệ cấp khu vực, và cần mật độ nhu cầu nhiệt cao
- Do thất thoát nhiệt và chi phí hạ tầng, nếu mật độ nhiệt tuyến tính, tức lượng nhiệt bán ra trên mỗi 1 m đường ống mạng lưới, dưới 2–3 MWh mỗi năm thì nhìn chung tính kinh tế thấp
- Mức này tương ứng với mật độ tối thiểu khoảng 12 hộ trên mỗi acre, 30 hộ trên mỗi hecta
- Mức này gần với trung bình các dự án ngoại ô mới ở Vương quốc Anh, nhưng là mật độ khá cao đối với phát triển ngoại ô ở Mỹ
- Khu vực quy hoạch nhà ở R1 của Los Angeles có diện tích lô tối thiểu 0,114 acre nên không đạt tiêu chí này, khiến ba phần tư đất ở đô thị bị loại trừ
- Sưởi ấm khu vực thường nhắm đến các dự án nhỏ hơn và mật độ cao hơn
- Khu nhà ở
- Khu trung tâm thương mại
- Khu cơ quan chính phủ
- Khuôn viên trường/cơ sở
- Bệnh viện, đại học và cơ sở công nghiệp có thể đóng vai trò mỏ neo, cung cấp nhu cầu nhiệt nền ổn định và nâng cao tính kinh tế của hệ thống
Chi phí ban đầu và hỗ trợ chính sách
- Chi phí vốn ban đầu cao
- Theo một nghiên cứu năm 2014, chi phí mạng lưới sưởi ấm khu vực ở Vương quốc Anh vào khoảng 1.242 bảng Anh cho mỗi mét đường ống
- Chi phí xây dựng cao và hệ thống quy hoạch phức tạp ở các nước nói tiếng Anh càng làm chi phí tăng thêm
- Có các động lực thương mại để cư dân ủng hộ những hệ thống này
- Tại Đan Mạch, 94,4% năng lượng khu vực rẻ hơn so với nguồn nhiệt độc lập thay thế theo biểu giá được quản lý
- Một số tính toán ở Anh cho thấy có thể tiết kiệm 350 bảng Anh mỗi năm so với lò hơi gas và 950 bảng Anh mỗi năm so với bơm nhiệt nguồn không khí
- Để sưởi ấm khu vực mở rộng, nhiều khả năng cần hỗ trợ chính sách đáng kể và ưu đãi tài chính để vượt qua các rào cản ban đầu
- Chính phủ Anh đã quy định rõ thị trường trong Energy Act 2023 và bắt đầu tham vấn để xem xét heat network zoning
- Tóm tắt tham vấn cho rằng một ngày nào đó tối đa 20% nhiệt của Vương quốc Anh có thể được cung cấp qua các mạng lưới nhiệt
Vị trí của hệ thống hơi nước New York
- Hệ thống hơi nước của New York City là một di sản lỗi thời mang tính biểu tượng, đã trở thành một phần của đời sống thường nhật và ngôn ngữ thị giác của thành phố
- Nó từng là công nghệ thiết yếu vào thời điểm các tòa nhà Manhattan bắt đầu vươn lên trời cao
- Hệ thống này là một trong những nền tảng lịch sử của sưởi ấm khu vực đã được xuất khẩu và cải tiến trên toàn thế giới
- Các thành phố tương lai nhiều khả năng sẽ không vận hành bằng hàng trăm dặm đường ống hơi nước
- Tuy nhiên, một phần đáng kể nhu cầu sưởi ấm và làm mát đô thị trong tương lai có thể được đáp ứng bằng các hệ thống khu vực bơm nước qua những đường ống được cách nhiệt cao
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Bài viết giả định hiệu suất đầu cuối là 60%. Chưa kể còn phải cộng thêm chi phí bảo trì máy phát hơi nước và mạng lưới đường ống
Lưới truyền tải điện đến người tiêu dùng có hiệu suất khoảng 85%, còn các bộ tản nhiệt điện trở kiểu cũ có hiệu suất 100%. Vậy nên tôi thắc mắc liệu các tòa nhà mới xây có lý do gì để tham gia hệ thống hơi nước hay không
Nhưng nếu tính theo tiềm năng nhiệt, công nghệ cũ chỉ đạt khoảng 33%, còn công nghệ hiện đại tốt nhất cũng chỉ khoảng 45%. Khi đốt than hoặc khí tự nhiên sẽ sinh ra nhiều nhiệt, một phần dùng để quay turbine, nhưng một lượng đáng kể bị thải ra khí quyển qua bình ngưng hoặc khí thải
Đây là lúc phân phối hơi nước trở nên rất hay. Vì có thể dùng hiệu quả một phần nhiệt thải của quá trình sản xuất điện cho ngành sưởi thông qua đồng phát nhiệt-điện. Nhà máy điện cần hơi siêu tới hạn 1000F·1000 PSI, nhưng mạng lưới hơi nước chỉ cần hơi khoảng 150 PSI·350F; trong lượng hơi này vẫn còn nhiều năng lượng từ đầu đốt, nhưng lại tương đối ít hữu dụng đối với turbine
Vì vậy, sưởi bằng điện chẳng khác nào vứt bỏ nguồn nhiệt miễn phí. Tất nhiên mạng lưới phân phối nhiệt cũng không miễn phí
Nếu điện được sản xuất từ năng lượng mặt trời, gió và có thể lưu trữ, sưởi điện có thể trở nên có lợi về mặt kinh tế. Việc lưu trữ trực tiếp nhiệt mặt trời thì khó hơn nhiều
Usage fees are then added on top, paying anywhere from $11.35 per megapound in the summer to $35.013 during peak season.; hơi nước dưới 1112 BTU mỗi pound sẽ ngưng tụ so với nhiệt độ phòng, nên nhiệt lượng của một megapound hơi nước tối thiểu là 325.895 kWhTính theo chi phí biên, mức này là khoảng 1–3 cent mỗi MMBtu, hay 3,5–11 cent mỗi MWh. Phí kết nối $3.555 nhỏ hơn nhiều so với chi phí hơi nước $13k–$44k nêu trong bài
Để so sánh, khí tự nhiên có giá vài đô la mỗi MMBtu, còn điện bán buôn là $40–$60 mỗi MWh. Hơi nước rẻ hơn tới vài bậc độ lớn
Nếu giá trong bài là chính xác, Lincoln Towers có vẻ đang trả $2,43 mỗi megapound, thấp hơn nhiều so với mức phí sử dụng $11,35 vừa nêu, không rõ vì sao; nhưng hơi nước gần như là miễn phí. Có thể có trợ cấp hoặc quy định bắt buộc sản xuất. Vì một lượng đáng kể hơi nước đến từ đồng phát như nhiệt phụ phẩm của quy trình giảm ô nhiễm, chi phí thấp là hợp lý, nhưng để giải thích mức giá này thì gần như toàn bộ hơi nước có lẽ phải là phụ phẩm
Chi phí cơ hội kiểu “đáng ra có thể dùng vào việc khác” bằng 0
Phần này đặc biệt gây chú ý:
in 1962, the anthracite seam under Centralia, PA – 25 miles to the west of Lehigh County – caught on fire and is still burning today.)Thật đáng kinh ngạc khi một mỏ than ngầm đã bắt lửa hơn 60 năm mà đến nay vẫn còn cháy. Tôi tò mò mỏ đó còn cháy thêm bao lâu nữa. Ảnh trên Google cũng khá thú vị
https://www.dmr.nd.gov/ndgs/ndnotes/ndn13_h.htm và https://www.dmr.nd.gov/ndgs/documents/newsletter/2013Winter/...
Nhiều nhà thám hiểm thời kỳ đầu đã ghi chép về các đám cháy than ở vùng northern Great Plains, và qua nhiều năm, các đám cháy thảo nguyên đã nhiều lần làm bốc cháy các vỉa than non. Ở hai nơi gần Theodore Roosevelt National Park phía tây North Dakota và Amidon, các vỉa than non vẫn còn cháy trong nhiều năm cho đến gần đây; vỉa than non ở Buck Hill trong công viên cháy từ năm 1951 đến 1977
Nhưng đó chỉ là lịch sử hiện đại. Khi làm việc thực địa tại một butte lớn ở western North Dakota, tôi tìm thấy sỏi clinker trong Arikaree Formation; điều này cho thấy than đã cháy từ trước khi lớp đá đó được trầm tích, khoảng 25 triệu năm trước. Rất có khả năng từ khoảng 40 triệu năm trước, khi thảo nguyên lần đầu hình thành, các đám cháy đã quét qua đồng bằng North Dakota và làm bốc cháy các vỉa than
https://en.wikipedia.org/wiki/Yanar_Dagh
https://www.cnn.com/travel/article/yanar-dag-azerbaijan-land...
Seattle cũng có thứ như vậy. University of Washington cũng có, và thật ngạc nhiên là đến nay nó vẫn còn hiệu quả về mặt kinh tế
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Seattle_Steam_Company
Hồi nhỏ tôi hay đến trung tâm Indianapolis, và lúc nào cũng thấy sợ khi hơi nước bốc lên từ nắp cống và các song chắn trên đường. Hóa ra đó không phải là nỗi sợ vô căn cứ; thỉnh thoảng chúng cũng phát nổ [2]
0: https://en.wikipedia.org/wiki/Perry_K._Generating_Station
1: https://info.citizensenergygroup.com/thermal/history
2: https://www.wfyi.org/news/articles/locking-covers-installed-...
Khách hàng lớn nhất là các bệnh viện trên đồi, và hơi nước không chỉ dùng để sưởi mà còn để tiệt trùng dụng cụ y tế
Một trong ba cuốn sách tôi thích nhất hồi nhỏ có liên quan đến bài này. Nó cũng là một ngụ ngôn tuyệt vời về dòng chảy thời gian và công nghệ. Đáng để tìm một cuốn, và tôi vẫn còn giữ cuốn của mình
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Mike_Mulligan_and_His_Steam_...
Lần đầu tôi biết rằng việc phân phối hơi nước được phát minh ở Mỹ khoảng năm 1880, và đến nay vẫn được dùng ở NYC. Tôi chưa từng nghĩ “Steam Plants” theo nghĩa đen là cơ sở sản xuất hơi nước để phân phối; tôi tưởng đó là cách nói dí dỏm về việc chúng phun khói trắng
Không chỉ các mạng nhỏ mới vận hành bằng hơi nước. Hệ thống sưởi bằng hơi nước của Munich bắt đầu từ năm 1908, và từ năm 2022 đang được cải tạo với chi phí rất lớn sang phương thức nước nóng để tiếp nhận tốt hơn các nguồn nhiệt dựa trên địa nhiệt và các bơm nhiệt tái tạo khác. Lý do là những nguồn nhiệt này không thể nóng đến mức tạo ra hơi siêu tới hạn [1]
[1] https://www.swm.de/dam/doc/geschaeftskunden/fernwaerme/flyer...
Người New York có vẻ thật sự thích nhét mọi thứ vào đường ống. Những thứ bình thường như nước, nước thải, khí đốt là chưa đủ, nên họ nhét hơi nước vào ống; ở Roosevelt Island thì nhét hỗn hợp rác và chân không vào ống [1]; trước đây còn nhét cả thư tín vào ống [2]; có vẻ họ còn dẫn chuột qua đường ống vào nhà dân; đôi khi có người nhét thuốc nổ vào ống [3]; và thậm chí họ còn nhét chính mình vào ống [4]
Quá Freud đến mức có lẽ nên nói chuyện với chuyên gia trị liệu
[1] https://www.untappedcities.com/inside-roosevelt-islands-futu...
[2] https://www.untappedcities.com/pneumatic-tube-mail-new-york-...
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/George_Metesky
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Second_Avenue_Subway
Shoreham Nuclear Power Plant được Long Island Lighting Company (LILCO) xây dựng trong giai đoạn 1973–1984 với chi phí khoảng 6 tỷ USD, nhưng chưa từng được sử dụng và bị tháo dỡ hoàn toàn vào năm 1994. Đây thuộc nhóm những dự án công nghiệp đắt đỏ nhất đã hoàn thành nhưng không được dùng đúng mục đích ban đầu
Tôi tò mò hệ thống sưởi ấm khu vực phổ biến đến mức nào. Montpelier ở Vermont tạo hơi nước bằng lò đốt củi và cung cấp cho một phần đáng kể của khu trung tâm nhỏ: https://www.montpelier-vt.org/427/Project-Background
Tôi không rõ nguồn nhiên liệu của mạng Minneapolis, nhưng mạng St Paul dùng dăm gỗ, phế thải gỗ và khí tự nhiên
Minneapolis: https://cordiaenergy.com/our-networks/minneapolis/
St Paul: https://www.districtenergy.com/
Mạng hơi nước 30 năm tuổi thỉnh thoảng bị rò rỉ, có thể thấy mặt đất sôi ùng ục như suối nước nóng
Tôi muốn biết nếu dùng kiểu sưởi này cho nhà mình thì sẽ rẻ hơn sưởi bằng dầu bao nhiêu
(1) https://www.enwave.com/locations/pei.htm
Điều tôi thích nhất về hệ thống phân phối hơi nước là nó cũng có thể dùng để làm mát. Cách làm là dùng máy nén chạy bằng hơi nước hoặc làm lạnh hấp phụ
Ít nhất với cách đầu tiên, có vẻ ConEd ở NYC đã thực sự áp dụng hoặc nghiên cứu như một lựa chọn: https://web.archive.org/web/20071008014254/http://www.coned....