Bài viết Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả làm mát sơ bộ không khí giải nhiệt máy điều hòa không khí bằng phương pháp bay hơi nước đưa ra giải pháp làm mát sơ bộ không khí bằng phương pháp bay hơi để làm giảm việc tiêu thụ năng lượng trong những ngày nắng nóng, cũng như tránh hình thành các đảo nhiệt.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM MÁT SƠ BỘ KHƠNG KHÍ GIẢI NHIỆT MÁY ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BAY HƠI NƯỚC STUDY, AND ASSESSMENT OF EFFICIENCY IN EVAPORATIVE AIR-PRECOOLING FOR AIR CONDITIONERS Nguyễn Thế Bảo1, Nguyễn Duy Tuệ2, Đào Huy Tuấn3 Viện Phát triển Năng lượng Bền vững (ISED); drthebao@gmail.com Trường Đại học Văn Lang; nguyenduytue1981@gmail.com Trường Đại học Tôn Đức Thắng; daohuytuan1981@gmail.com Tóm tắt - Máy điều hịa khơng khí giải nhiệt gió sử dụng phổ biến Việt Nam, nhiên, hệ số làm lạnh giảm nhiều ngày nắng nóng làm tăng lượng điện tiêu thụ Ngoài ra, việc sử dụng số lượng lớn tập trung máy điều hịa khơng khí gây nên đảo nhiệt, làm gia tăng lượng tiêu thụ giảm tuổi thọ hệ thống Bài báo đưa giải pháp làm mát sơ khơng khí phương pháp bay để làm giảm việc tiêu thụ lượng ngày nắng nóng, tránh hình thành đảo nhiệt Kết cho thấy rằng, tiết kiệm điện tiêu thụ cho máy điều hịa khơng khí khoảng 15 - 30% lượng nước tiêu thụ cho làm mát khoảng - lít/h.HP Như vậy, ta thu gom nước ngưng từ dàn lạnh để sử dụng, với thơng số thực nghiệm 1-3 lít/h lắp đặt đường ống nước cấp để sử dụng Abstract - Air cool air conditioners are very popular in Viet Nam; nevertheless, their Cooling of Performance (COP) is severely reduced in hot weather, resulting in increasing electrical consumption Moreover, dense and large numbers of air conditioners could cause urban heat island, which increases energy consumption as well as air conditioners’ life-time reduction This paper presents a measure by using evaporative air-precool in order to cut down power consumption in hot days along with urban heat island The experimental result shows that electrical consumption could be saved about 15 - 30% in conjunction with air-precooling’s water demand approximately - l/h Hence, we can utilize condensing water from evaporator with experimental flowrate from 1-3 lit/h or install the separate hydraulic system for air-precooling Từ khóa - làm lạnh bay hơi; làm mát phun sương; làm mát sơ khơng khí; nước ngưng giàn lạnh; điều hịa khơng khí Key words - evaporative cooling; water spraying system; evaporative air-precooling; condensing water collection from evaporator; air conditioner Đặt vấn đề Máy điều hịa khơng khí giải nhiệt khơng khí có ưu điểm sử dụng khơng khí xung quanh để làm mát, tiêu tốn nước giải nhiệt, dễ lắp đặt, dễ vận hành sử dụng Tuy nhiên, nước khí hậu nóng nước ta, ngày nắng nóng làm tăng áp suất ngưng tụ, tăng công nén làm giảm hệ số làm lạnh COP Nhiệt độ ngưng tụ tăng 1°C làm giảm COP khoảng từ 2-4% Ngoài ra, vận hành máy điều kiện áp suất ngưng tụ cao dễ làm hỏng giảm tuổi thọ máy nén Trong tòa nhà, hộ, việc tập trung nhiều máy điều hòa khơng khí làm gia tăng nhiệt độ khơng khí xung quanh, làm gia tăng nhiệt độ ngưng tụ tăng điện tiêu thụ Do đó, làm giảm nhiệt độ ngưng tụ giúp giảm điện tiêu thụ Một phương pháp đơn giản sử dụng nhiều nước có khí hậu nóng làm mát bay hơi, [1] khơng khí sau phun ẩm đoạn nhiệt có nhiệt độ nhiệt độ nhiệt kế ướt Tuy nhiên, thực tế không khí sau phun ẩm đạt nhiệt độ Có cách làm mát thiết bị ngưng tụ cách phun ẩm, dùng vịi tán sương làm mát khơng khí trước dàn ngưng tụ nước tưới tổ ong đặt trước đầu hút dàn nóng, làm mát vào giải nhiệt thiết bị Như vậy, cách thứ đơn giản, rẻ, dễ lắp đặt cột áp quạt giải nhiệt không cần phải lớn Tuy nhiên, cần phải bảo trì mũi phun sương thường xuyên để tránh bị tắc nghẽn Trên giới, làm mát sơ khơng khí cho dàn ngưng tụ thực nhiều, Goswami thực phun ẩm làm mát cho máy điều hịa khơng khí 2,5 ton lạnh cách cho nước tưới lên tổ ong để trao đổi nhiệt nhiệt ẩn với dòng khơng khí vào Kết cho thấy, hệ thống tiết kiệm 20% nhiệt độ trời đạt 34°C [2] Như vậy, báo thí nghiệm chế độ phun sương với số lưu lượng nước làm mát khác để chọn lựa lưu lượng nước vừa đủ mang lại hiệu lượng cho máy điều hịa khơng khí Thiết bị thí nghiệm phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình thí nghiệm Thiết bị gồm có: - Máy điều hịa khơng khí loại âm trần Casset, suất lạnh 24.000 Btu/h, môi chất R22 - Bơm phun sương công suất 25 W, điện áp 24 V, lưu lượng nước lớn 1,8 l/p vòi phun sương - Dimmer điều chỉnh lưu lượng bơm - Các cảm biến áp suất để đo áp suất nén áp suất hút - Các cảm biến nhiệt độ lắp đặt tại: cửa gió vào dàn lạnh, đầu vào thiết bị ngưng tụ, đường ống thiết bị ngưng tụ - Cảm biến độ ẩm lắp đầu vào dàn lạnh - Ampe kẹp để đo cường độ dòng điện máy nén Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn lý cho phương pháp làm mát 3.1 Đánh giá thay đổi áp suất ngưng tụ sử dụng hệ thống làm mát bay Hình Mơ hình máy điều hịa khơng khí phun sương 2.2 Phương pháp nghiên cứu Các vòi phun sương lắp đặt ngõ vào thiết bị ngưng tụ, nước phun với lưu lượng khác làm mát không vào, báo đánh giá hiệu lưu lượng nước phun việc tiết kiệm lượng theo chế độ vận hành Các thông số đo đạc dùng để đánh giá suất lạnh, COP, nhiệt độ gió khỏi thiết bị ngưng tụ theo chế độ phun sương Theo [1], có lưu lượng khối lượng khơng khí qua dàn lạnh G kkDL (kg/s), entanpi vào, IvDL, IrDL (kJ/s), lưu lượng quạt dàn lạnh mơ hình tính 16 m3/p Qo = GkkDL.(IvDL – IrDN) (1) Công suất máy nén N (W) dựa điện áp U (Volt) cường độ dòng điện đo I (A), với hệ số công suất 0,85 N = U.I.0,85 (2) Ngồi ra, để đánh giá hiệu suất q trình phun ẩm, ta sử dụng hệ số tạo ẩm với nhiệt độ khơng khí ban đầu cần làm mát t1 (°C), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái khơng khí ban đầu tư (°C), nhiệt độ đạt sau phun ẩm t2 (°C) 𝜂= 𝑡1 −𝑡2 𝑡1 −𝑡ư Hình Sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo lưu lượng nước phun (lít/h) Khi chưa sử dụng chế độ phun sương, áp suất ngưng tụ khoảng 19-19,8 bar, áp suất bay khoảng 5,5-5,6 bar, sau phun sương áp suất ngưng tụ giảm dần theo lưu lượng nước phun vào (l/h) Trong vận hành, áp suất bay suy giảm gần tương ứng với áp suất ngưng tụ Theo Hình 2, áp suất ngưng tụ giảm với lưu lượng từ 8,2 (l/h) trở lên nhiều lưu lượng 13 (l/h), lúc khơng khí đầu vào làm mát đáng kể 3.2 Đánh giá độ lạnh hệ thống Thông số độ lạnh vận hành khoảng 14 K, tăng lên khơng khí vào thiết bị ngưng tụ gia ẩm Lưu lượng nước phun tăng, độ lạnh tăng hiệu suất hiệu suất phun ẩm tăng lên Độ lạnh tăng từ 21% đến 36% tăng nhanh lưu lượng từ 10,5 lít/h trở lên (3) Lưu lượng nước phun vào W (kg/s) tính tốn dựa lưu lượng khơng khí GkkDN (kg/s), độ chứa khơng khí vào d1 (kgh/kgkkk) khơng khí sau phun ẩm d2 (kgh/kgkkk) W = GkkDN.(d2-d1), (4) Như vậy, ta có lưu lượng nước tiêu thụ khoảng 46 l/giờ.HP Kết thảo luận Bài báo khảo sát số chế độ vận hành hệ thống với lưu lượng nước khác để đánh giá ảnh hưởng tìm lưu lượng nước thích hợp Ngồi ra, thí nghiệm tiến hành vào buổi trưa để đưa đánh giá hợp Hình Sự gia tăng độ lạnh (%) ứng với lưu lượng nước phun (l/giờ) 3.3 Đánh giá suất lạnh Qo Độ lạnh hệ thống tăng lên theo lưu lượng nước phun vào Do đó, suất lạnh máy điều hòa ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển tăng lên hình sau: 3.5 Sự suy giảm nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị ngưng tụ (TBNT) Hình Sự ảnh hưởng lưu lượng nước phun nhiệt độ không khí khỏi TBNT Hình Sự thay đổi suất lạnh theo lưu lượng nước phun Năng suất lạnh chế độ phun sương tăng từ 11,17% đến 21%, gia tăng nhanh lưu lượng từ 8,2 lít/h trở lên Với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, suất lạnh tăng khơng đáng kể (từ 20% đến 21%) Mặc dù có gia tăng độ lạnh lớn, áp suất ngưng tụ giảm áp suất bay giảm gần tương ứng, nên suất lạnh tăng chậm so với gia tăng độ lạnh 3.4 Đánh giá hiệu suất phun ẩm thiết bị Mối quan hệ hiệu suất phun ẩm lưu lượng nước phun vào thể ơHình Hình Mối quan hệ hiệu suất phun ẩm lưu lượng nước phun Do máy điều hịa khơng khí sử dụng có cơng suất 2,5 Hp, phun nước với lưu lượng 5,4 l/h nên hiệu suất phun ẩm thấp, vậy, phun ẩm từ lưu lượng 8,2 l/h trở lên hiệu suất phun ẩm tăng cao Ngoài ra, đầu phun sương tán nhuyễn nước nên điều giúp hiệu suất phun ẩm tăng khơng khí làm mát đáng kể, làm giảm áp suất ngưng tụ, tăng độ q lạnh, nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị ngưng tụ giảm theo mối quan hệ Hình Khi chưa phun sương, nhiệt độ gió khỏi thiết bị ngưng tụ 47,7°C, với nhiệt độ trời 30,7°C Nhiệt độ giảm dần ứng với gia tăng lưu lượng nước phun vào Với lưu lượng nước từ 8,2-9,5 l/h độ chênh lệch nhiệt độ khơng khí thổi khỏi thiết bị ngưng tụ khơng khí ngồi trời khoảng 9,1-9,3 K, với lưu lượng từ 10,5 l/h trở lên độ chênh lệch nhiệt độ cịn 6,8-7,6 K Khi nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị ngưng tụ giảm làm khơng khí xung quanh khu vực đặt dàn nóng giảm theo tránh hình thành vùng khơng khí nóng cục 3.6 Đánh giá cơng nén hệ thống Hình Sự ảnh hưởng lưu lượng nước phun công nén Công nén giảm dần sử dụng chế độ phun sương làm mát khơng khí vào dàn ngưng tụ Ở chế độ phun thấp (5,4 lít/h) cơng nén giảm 8,6%; với lưu lượng nước từ 6,1 lít/h đến 9,5 lít/h cơng nén giảm từ 13,4% đến 13,8% Cơng nén giảm nhanh phun chế độ 10,5 lít/h đến 13 lít/h, lúc cơng nén giảm từ 15,4% đến 19% Như vậy, với việc gia tăng suất lạnh giảm công suất tiêu thụ máy nén, ta có biểu đồ đánh giá hệ số làm lạnh COP Hình Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn 3.7 Đánh giá hệ thống COP làm mát khơng khí vào thiết bị ngưng tụ Hình Sự phụ thuộc COP vào lưu lượng nước phun Khi phun chế độ từ 5,4 lít/h đến 6,1 lít/h COP tăng từ 24% đến 36%, lượng tiết kiệm khoảng 19,4% đến 26,5% Khi phun chế độ từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h COP tăng khoảng 40% đến 43% Đây hệ số COP máy điều hịa khơng khí, chưa tính đến cơng suất tiêu thụ bơm làm mát Do đó, ta phân tích, đánh giá hiệu kinh tế 3.8 Đánh giá hiệu kinh tế Theo Hình 7, phun ẩm với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h cơng nén giảm khoảng 15-19%, suất lạnh tăng lên áp suất ngưng tụ giảm độ lạnh tăng, COP tăng từ 40-43% (Hình 8), lượng tiết kiệm khoảng 28,5% đến 30% Như vậy, hệ thống này, trung bình ta tiết kiệm 660 W -700 W Ngoài ra, đo đạc thực nghiệm lượng tiêu thụ máy bơm khoảng từ - 15 W, chiếm khoảng từ - 5% lượng hệ thống Do đó, trung bình ngày ta vận hành giờ, tháng, điện tiết kiệm khoảng 78-82 kWh, tương ứng với 180.000VNĐ-200.000VNĐ/tháng Tổng chi phí bơm, đường ống, vòi phun, dimmer chỉnh lưu lượng cho hệ thống khoảng 1,5 triệu VNĐ Như vậy, thời gian hoàn vốn khoảng tháng Kết luận a Để mang lại hiệu lượng, ta nên phun với lưu lượng nước từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, tương ứng với lít/h.HP, đó, áp suất ngưng tụ giảm từ 5-9%, COP tăng từ 40-43%, lượng tiết kiệm khoảng 28,5% đến 30% b Khi vận hành hệ thống làm mát, công nén giảm xuống làm tăng tuổi thọ máy nén Ngồi ra, nhiệt độ khơng khí xung quanh giảm theo nhiệt độ khơng khí khỏi dàn ngưng tụ khoảng 37-41°C Điều tránh hình thành đảo nhiệt ảnh hưởng đến sức khỏe hệ thống lạnh xung quanh c Trên sở phân tích phần trên, báo đề xuất phương án sử dụng hệ thống làm lạnh bay để làm mát thiết bị ngưng tụ sau: Phương án 1: Sử dụng phun ẩm khoảng tiếng nắng ngày, nước dùng phun ẩm lấy từ nước ngưng tụ dàn lạnh với lưu lượng thực nghiệm đo khoảng lít/h.HP để giảm việc lắp đặt đường ống cấp nước lạnh Như vậy, ta tiết kiệm khoảng 15% điện tiêu thụ ngày Phương án 2: Đối với khu resort, khu văn phịng có mức độ tập trung máy điều hịa khơng khí nhiều, ta phun sương làm mát liên tục ngày Năng lượng tiết kiệm khoảng 30% so với chưa sử dụng Với kích thước máy bơm nước nhỏ gọn, nhẹ nhàng nên dễ tìm vị trí lắp đặt, bơm sử dụng điện chiều 24 V, nên ta sử dụng bình ắc quy pin lượng mặt trời để giảm bớt chi phí lắp đặt đường dây điện Ngoài ra, để tránh cho vòi phun sương bị nghẹt, ta nên lắp đặt thêm phin lọc nước, lọc cặn bẩn gây nghẹt vịi phun TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hịa khơng khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] D.Y Goswami, G.D Mathur, S.M Kulkarni, “Experimental investigation of performance of a residential air conditioning system with an evaporatively cooled condenser”, Journal of Solar Energy Engineering, 115, 1993, pp 206-211 [3] E Hajidavalloo, Increasing COP of window air conditioner in very hot weather of Khoozestan, Research Project Report to Management and Programming Organization, 2001 [4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh sở, NXB Giáo dục, 2009 [5] Nguyễn Đức Lợi, Sửa chữa máy lạnh điều hịa khơng khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 (BBT nhận bài: 24/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 29/08/2017) ... Đào Huy Tuấn lý cho phương pháp làm mát 3.1 Đánh giá thay đổi áp suất ngưng tụ sử dụng hệ thống làm mát bay Hình Mơ hình máy điều hịa khơng khí phun sương 2.2 Phương pháp nghiên cứu Các vòi phun... lên hiệu suất phun ẩm tăng cao Ngồi ra, đầu phun sương tán nhuyễn nước nên điều giúp hiệu suất phun ẩm tăng không khí làm mát đáng kể, làm giảm áp suất ngưng tụ, tăng độ lạnh, nhiệt độ không khí. .. khoảng 40% đến 43% Đây hệ số COP máy điều hòa khơng khí, chưa tính đến cơng suất tiêu thụ bơm làm mát Do đó, ta phân tích, đánh giá hiệu kinh tế 3.8 Đánh giá hiệu kinh tế Theo Hình 7, phun ẩm