báo cáo môn học năng lượng tái tạo thiết kế hệ thống hoạt động f chart

Các phương pháp thiết kế hệ thống cung cấp năng lượngở các nhiệt độ tối thiểu khác, như gặp phải trong điều hòa không khí hấp thụ năng lượng mặttrời hoặc các ứng dụng nhiệt quy trình côn

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

BÁO CÁO MÔN HỌC

MÔN: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

GVHD: Nguyễn Hiếu NghĩaSinh viên thực hiện:

Lê Đỗ Anh Khoa – 17031411Lê Võ Thành Trung – 18020621Trần Quốc Đạt – 20058951Nguyễn Thành Đạt – 20057321

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 11 năm 2022

Mục Lục

CHƯƠNG 20 1

Thiết kế hệ thống hoạt động: f-Chart 1

20.1 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 1

CHƯƠNG 20

Thiết kế hệ thống hoạt động: f-Chart

Các cấu hình hệ thống chất lỏng và không khí được mô tả trong Phần 13.2 là các cấu hìnhphổ biến và có nhiều thông tin cũng như kinh nghiệm làm cơ sở cho các thiết kế Đối với cácứng dụng ở quy mô dân cư, trong đó chi phí của dự án không đảm bảo chi phí mô phỏng, dựđoán hiệu suất có thể được thực hiện bằng các phương pháp “rút ngắn” Các quy trình thiết kếcó sẵn cho nhiều hệ thống này dễ sử dụng và cung cấp các ước tính đầy đủ về hiệu suất nhiệtdài hạn Trong chương này, chúng tôi lưu ý ngắn gọn một số phương pháp này Phương phápbiểu đồ f, áp dụng để sưởi ấm các tòa nhà có nhiệt độ tối thiểu để cung cấp năng lượng làkhoảng 20◦C, được trình bày chi tiết Các phương pháp thiết kế hệ thống cung cấp năng lượngở các nhiệt độ tối thiểu khác, như gặp phải trong điều hòa không khí hấp thụ năng lượng mặttrời hoặc các ứng dụng nhiệt quy trình công nghiệp, được trình bày trong Chương 21.

20.1 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Các phương pháp thiết kế cho các quá trình nhiệt mặt trời có thể được chia thành ba loạichung, tùy theo các giả định mà chúng dựa trên và cách thức thực hiện các tính toán Chúngtạo ra các ước tính về đầu ra hữu ích hàng năm của các quá trình năng lượng mặt trời, nhưngchúng không cung cấp thông tin về động lực học của quá trình.

Loại đầu tiên áp dụng cho các hệ thống trong đó nhiệt độ hoạt động của bộ thu đã biết hoặccó thể được ước tính và có thể thiết lập các mức bức xạ tới hạn Phương pháp đầu tiên trong sốnày, các phương pháp khả dụng, dựa trên phân tích dữ liệu thời tiết hàng giờ để thu được tỷ lệbức xạ của tổng tháng cao hơn mức tới hạn.1 Một ví dụ khác trong danh mục này là phươngpháp bảng nhiệt của Morse như được mô tả bởi Proctor (1975) Đây là một bảng đơn giản vềhiệu suất của bộ thu tích hợp như là một chức năng của các đặc tính, vị trí và hướng của bộthu, giả sử nhiệt độ đầu vào chất lỏng cố định.

Loại phương pháp thiết kế thứ hai bao gồm những phương pháp tương quan giữa kết quảcủa một số lượng lớn các mô phỏng chi tiết Phương pháp f -chart của Klein et al (1976, 1977)và Beckman et al (1977) là một ví dụ Kết quả của nhiều thí nghiệm số (mô phỏng) tươngquan với nhau dưới dạng các biến không thứ nguyên dễ tính toán Các kết quả của phươngpháp biểu đồ f đã được dùng làm cơ sở cho các mối tương quan tiếp theo, ví dụ, của Ward(1976), người chỉ sử dụng các kết quả của tháng Giêng để mô tả đặc điểm của một năm vậnhành hệ thống; của Barley và Winn (1978), người đã sử dụng đường cong hai điểm để thuđược kết quả hàng năm phụ thuộc vào vị trí; và bởi Lameiro và Bendt (l978), những ngườicũng thu được kết quả hàng năm phụ thuộc vào vị trí với sự phù hợp của đường cong ba điểm.Các phương pháp SEU (Đơn vị năng lượng mặt trời của Đại học Cardiff) của Kenna (1984a,b)là các phương pháp tương quan được áp dụng để thiết kế các hệ thống sưởi ấm vòng hở vàvòng kín Một ví dụ khác trong loại thứ hai là phương pháp của Phòng thí nghiệm khoa họcLos Alamos (Balcomb và Hedstrom, 1976), là mối tương quan giữa các đầu ra của mô phỏngcho các hệ thống cụ thể và hai loại bộ thu.

Loại phương pháp thiết kế thứ ba dựa trên các mô phỏng ngắn hạn Trong các phương phápnày, mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng số ngày đại diện của dữ liệu khí tượng và kếtquả có liên quan đến hiệu suất dài hạn Phương pháp SOLCOST (Connelly et al., 1976) mô1

phỏng một ngày trong xanh và một ngày nhiều mây, sau đó cân nhắc các kết quả theo mức độmây trung bình để có được ước tính hiệu suất hệ thống hàng tháng

Trong những năm gần đây, các mô phỏng hàng năm đang thay thế các phương pháp thiết kếdo tốc độ tính toán ngày càng tăng của máy tính Tuy nhiên, các phương pháp thiết kế vẫnnhanh hơn nhiều và do đó rất hữu ích cho các nghiên cứu thiết kế ban đầu, nghiên cứu kiểukhảo sát tổng quát và thiết kế hệ thống khi mô phỏng quá đắt.

20.2 PHƯƠNG PHÁP BIỂU ĐỒ f

Phần này và các phần tiếp theo phác thảo phương pháp f-chart để ước tính hiệu suất nhiệthàng năm của các hệ thống sưởi chủ động cho các tòa nhà (sử dụng chất lỏng hoặc không khílàm chất lỏng hoạt động) trong đó nhiệt độ tối thiểu của việc cung cấp năng lượng là gần 20◦C.Các cấu hình hệ thống có thể được đánh giá bằng phương pháp f -chart dự kiến sẽ phổ biếntrong các ứng dụng dân dụng.

Phương pháp biểu đồ f cung cấp một phương tiện để ước tính tỷ lệ của tổng tải nhiệt sẽđược cung cấp bởi năng lượng mặt trời cho một hệ thống sưởi năng lượng mặt trời nhất định.Biến thiết kế chính là khu vực thu gom; các biến thứ cấp là loại bộ thu nhiệt, dung lượng lưutrữ, tốc độ dòng chất lỏng, tải và kích thước bộ trao đổi nhiệt bộ thu nhiệt Phương pháp này làsự tương quan giữa các kết quả của hàng trăm mô phỏng hiệu suất nhiệt của các hệ thống sưởiấm bằng năng lượng mặt trời Các điều kiện của các mô phỏng được thay đổi trong phạm vithích hợp của các tham số của các thiết kế hệ thống thực tế Các mối tương quan kết quả đưa raf, tỷ lệ tải nhiệt hàng tháng (để sưởi ấm không gian và nước nóng) được cung cấp bởi nănglượng mặt trời dưới dạng hàm của hai tham số không thứ nguyên Một liên quan đến tỷ lệ tổnthất của bộ thu đối với tải sưởi ấm và thứ hai liên quan đến tỷ lệ bức xạ mặt trời hấp thụ đốivới tải sưởi ấm.

Biểu đồ f đã được phát triển cho ba cấu hình hệ thống tiêu chuẩn, hệ thống chất lỏng vàkhông khí để sưởi ấm không gian (và nước nóng) và hệ thống chỉ phục vụ nước nóng Sơ đồnguyên lý của hệ thống sưởi ấm tiêu chuẩn sử dụng chất lỏng truyền nhiệt dạng lỏng được thểhiện trong Hình 20.2.1 Hệ thống này thường sử dụng dung dịch chống đông trong vòng thugom và nước làm môi trường lưu trữ Bộ thu nhiệt có thể bị cạn kiệt khi năng lượng khôngđược thu thập, trong trường hợp đó, nước được sử dụng trực tiếp trong bộ thu nhiệt và khôngcần bộ trao đổi nhiệt của bộ thu nhiệt Một bộ trao đổi nhiệt tải nước-không khí được sử dụngđể truyền nhiệt từ bể chứa sang hệ thống phụ nước nóng (DHW) trong nước Mặc dù Hình20.2.1 cho thấy hệ thống DHW hai bể, hệ thống một bể có thể được sử dụng như mô tả trongPhần 12.4 Lò sưởi phụ trợ được cung cấp để cung cấp năng lượng cho phụ tải sưởi ấm khônggian khi không thể đáp ứng được từ bình Phạm vi cho các biến thiết kế chính được sử dụng đểphát triển các mối tương quan được đưa ra trong Bảng 20.2.1.

Cấu hình tiêu chuẩn của hệ thống sưởi ấm không khí bằng năng lượng mặt trời với bộ lưu trữ bằng đá cuội được thể hiện trong Hình 20.2.2 Có thể sử dụng các bố trí tương đương khác của quạt và bộ giảm chấn để cung cấp các chế độ hoạt động tương tự Năng lượng cần thiết cho DHW được cung cấp bởi bộ trao đổi nhiệt không khí-nước trong ống dẫn khí nóng rời khỏi bộ thu nhiệt Trong quá trình vận hành vào mùa hè, tốt nhất là không lưu trữ năng lượng mặt trời trong lớp đá cuội và hệ thống này thường cung cấp một đường vòng lưu trữ vận hành thủ công để cho phép sưởi ấm nước vào mùa hè Phạm vi của các tham số thiết kế được sử dụng để phát triển các mối tương quan cho hệ thống này cũng được trình bày trong Bảng 20.2.1.

2

Hình 20.2.1 Sơ đồ cấu hình hệ thống tiêu chuẩn sử dụng phương tiệntruyền nhiệt và lưu trữ chất long

Relief valve: van cứu trợ

Collector-storage: bộ trao đổi nhiệt – lưu trữWater supply: bình cấp nước

Auxiliary: phụ trợHouse: nhà

Air supply: cung cấp không khíMain storage tank: bể chứa chínhPre-heat tank: bể gia nhiệt trước

Bảng 20.2.1 Phạm vi tham số thiết kế được sử dụng trong việc phát triển biểu đồ cho hệ thống chất lỏng và không khí.f

3

Từ Klein et al (1976, 1977)

Hình 20.2.2 Cấu hình hệ thống không khí tiêu chuẩn

Cấu hình tiêu chuẩn cho hệ thống đun nước nóng sinh hoạt bằng năng lượng mặt trời được thể hiện trong Hình 20.2.3 Bộ thu có thể làm nóng không khí hoặc chất lỏng Năng lượng mặt trời được truyền qua bộ trao đổi nhiệt đến bể gia nhiệt trước DHW, nơi cung cấp nước làm nóng bằng năng lượng mặt trời cho máy nước nóng thông thường hoặc máy sưởi ''zip'' điện dung thấp trong dòng, nơi nước được làm nóng thêm đến nhiệt độ mong muốn Nếu cần Một van ủ có thể được cung cấp để duy trì nước máy dưới nhiệt độ tối đa Những thay đổi này trong cấu hình hệ thống không có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống (xem Phần 12.4).

4

Hình 20.2.3 Cấu hình hệ thống tiêu chuẩn chỉ dành cho đun nước nónng.Bộ thu nhiệt có thể làm nóng không khí hoặc nước.

Mô phỏng chi tiết của các hệ thống này đã được sử dụng để phát triển mối tương quan giữa các biến số không thứ nguyên và f, phần phụ tải hàng tháng do năng lượng mặt trời mang theo.Hai nhóm không thứ nguyên là

Với: AC = Diện tích bộ thu (m )2

F’R = Hệ số hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ thuUL = Hệ số tổn thất tổng thể của bộ thu (W/m2OC)∆t = Tổng số giấy trong tháng

Ta = Nhiệt độ môi trường trung bình hàng tháng (OC)Tref = Nhiệt độ tham chiếu theo kinh nghiệm (100OC)

L = Tổng tải nhiệt hàng tháng cho sưởi ấm không gian và nước nóng (J)HT = Số bức xạ trung bình tháng trên bề mặt bộ thu trên 1 đơn vị diện tích (J/m )2

N = Ngày trong tháng

(τα) = Sản phẩm truyền hấp thụ trung bình hàng tháng

Phương trình 20.2.1 và 20.2.2 có thể được viết lại thành:

5

Trong đó FRUL và FR(τα)n thu được từ kết quả thử nghiệm bộ thu gom bằng các phương pháp được nêu trong Chương 6 Tỷ lệ F’ /F điều chỉnh cho các mức giảm nhiệt độ khác nhau RR

giữa bộ thu gom và bể chứa và được tính toán bằng các phương pháp được tóm tắt trong Chương 10 Tỷ lệ (τ α)/(τ α)n được ước tính bằng các phương pháp được nêu trong Mục 5.10 Nhiệt độ không khí trung bình T a thu được từ các bản ghi khí tượng trong tháng và vị trí mong muốn, và H được tìm thấy từ bức xạ trung bình hàng ngày hàng tháng trên bề mặt của T

bộ thu nhiệt như đã nêu trong Chương 2 Việc tính toán tải trọng hàng tháng L được thảo luận trong Chương 9 (Không có yêu cầu trong việc phát triển biểu đồ f mà bất kỳ phương pháp cụ thể nào được sử dụng để ước tính tải.) Khu vực thu gom là Ac Do đó, tất cả các số hạng trong hai phương trình này đều dễ dàng được xác định từ thông tin có sẵn Ngoài ra, từ phương trình 5.10.3 S có thể thay thế cho (τ α) H T và sau đó (τ α)n triệt tiêu.

Ví dụ 20.2.1

Một hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời sẽ được thiết kế cho Madison, Wisconsin (vĩ độ 43◦ N), sử dụng bộ thu nhiệt một lớp có FR(τα)n = 0,74 và FRUL = 4,00 W/m2 ◦C như được xác định từ các thử nghiệm bộ thu tiêu chuẩn Tốc độ dòng chảy đang sử dụng sẽ giống như trong các thử nghiệm Bộ thu hướng về phía nam với độ dốc 60◦ so với phương ngang Bức xạ trung bình hàng ngày trên bề mặt 60◦ trong tháng 1 ở Madison là 13,7 MJ/m2 (từ Ví dụ2.19.1) và nhiệt độ môi trường trung bình là −8◦C (từ Phụ lục D) Tải nhiệt là 36,0 GJ cho không gian và nước nóng Hệ số hiệu chỉnh bộ thu nhiệt FR /FR = 0,97 Đối với tất cả các tháng (τα)/(τα)n, tỷ lệ giữa tích số truyền qua-hấp thụ trung bình hàng tháng với tỷ lệ bình thường, được lấy bằng 0,96 đối với bộ thu gom một lớp, như đã lưu ý trong Phần 5.10 (Tỷ lệ này có thể được tính theo từng tháng, nếu muốn.) Tính X và Y cho các điều kiện này đối với các khu vực thu gom 25 và 50 m2?

Giải pháp

Từ phương trình 20.2.3 và 20.2.4 với AC = 25 m2

Đối với 50m2, giá trị của X và Y cao hơn theo tỉ lệ:

6

Như sẽ được trình bày trong các phần sau, các biến X và Y được sử dụng để xác định fi, phần phụ tải hàng tháng do năng lượng mặt trời cung cấp Năng lượng đóng góp trong tháng làtích của fi và tải lượng nước nóng và sưởi ấm hàng tháng Li Tỷ lệ tải nhiệt hàng năm do nănglượng mặt trời cung cấp F là tổng của các khoản đóng góp năng lượng mặt trời hàng tháng chiacho tải hàng năm:

20.3 BIỂU ĐỒ CHO HỆ THỐNG CHẤT LỎNGf

Đối với các hệ thống có cấu hình như trong Hình 20.2.1, tỷ lệ f của tổng tải hàng tháng do hệ thống sưởi ấm nước và không gian năng lượng mặt trời cung cấp được cho dưới dạng hàm của X và Y trong Hình 20.3.1 Mối quan hệ của X, Y và f ở dạng phương trình là

Hình 20.3.1: Biểu đồ cho các hệ thống sử dụng phương tiện truyền nhiệt và lưu trữ chất lỏng.ftừ Beck-man et al (1977)

Do bản chất của sự phù hợp với đường cong của công thức 20.3.1, nó không nên được sử dụngngoài phạm vi được thể hiện bởi các đường cong của hình 20.3.1 Nếu một điểm được tínhtoán nằm ngoài phạm vi này, biểu đồ có thể được sử dụng để ngoại suy với kết quả khả quan.

7H thốống chấốt l ngệ ỏ

Ví dụ 20.3.1

Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời được mô tả trong ví dụ 20.2.1 là một hệ thống chấtlỏng Phần nào của tải nhiệt hàng năm sẽ được cung cấp bởi năng lượng mặt trời cho diện tíchbề mặt bộ thu là 50m ? Tải kết hợp mỗi tháng trên hệ thống được chỉ ra trong bảng sau ( xem2

ví dụ 2.19.1 để biết giá trị )Giải pháp

Từ ví dụ 20.2.1, giá trị của X và Y cho 50m lần lượt là 1.56 và 0.41 trong tháng Giêng Từ2

hình 20.3.1 ( hoặc công thức 20.3.1 ), = 0.28 Tổng tải nhiệt cho tháng 1 là 36.0 GJ Do đó,fviệc cung cấp năng lượng từ hệ thồng sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời trong tháng Giêng là:

Tỷ lệ tải nhiệt hằng năm do năng lượng mặt trời cung cấp được xác định bằng cách lặp lại phéptính X, Y và cho mỗi tháng và tính tổng các kết quả đã được tính ở công thức 20.2.5 Bảng f hiển thị kết quả của các phép tính này Từ phương trình 20.2.2, phần phụ tải mỗi năm do năng lượng mặt trời cung cấp là:

Hiệu suất hàng tháng và hàng năm của hệ thống sưởi bằng chất lỏng ở Madison

Những điểm này có tọa độ nằm ngoài phạm vi tương quan của biểu đồ- f

Để xác định khu vực thu gom tối ưu về kinh tế, phải xác định phần tải hàng năm đối với mộtsố khu vực thu gom khác nhau Phần tải hàng năm sau đó được vẽ dưới dạng một hàm của diệntích bộ thu như trong hình 20.3.2 Thông tin trong hình này sau đó có thể được sử dụng để tính toán về kinh tế như trong chương 11.

Đối với hệ thống chất lỏng, tính toán ở đồ thị- có thể được sửa đổ để ước tính những thay fđổi trong hiệu suất lâu dài do thay đổi dung tích bể chứ và đặc điểm của bộ trao đổi nhiệt Điềunày được thực hiện băng cách sửa đổi các giá trị của X hoặc Y như được mô tả bên dưới.

8

Hình 20.3.2 Phần phụ tải hàng năm so với diện tích bề mặt bộ thu

Khả năng lưu trữ

Hiệu suất hệ thống hàng năm tương đối không thay đổi nhiều với dung lượng lưu trữ miễn làdung lượng lớn hơn khoảng 50 lít chất lỏng trên một mét vuống của bộ thu Khi xem xét chiphí lưu trữ, có nhiều mức tối ưu trong khoảng từ 50 đến 200 lít chất lỏng trên một mét vuôngbộ thu.

Đồ thị- được phát triển cho khả năng lưu trữ tiêu chuẩn là 75 lít chất lỏng trên một métfvuông bộ thu Hiệu suất của các hệ thống có dung tích lưu trữ trong khoảng 37.5 đến 300 lít/m2

có thể được xác định bằng cách nhân nhóm không thứ nguyên X với hệ số hiệu chỉnh kíchthước lưu trữ X /X từ hình 20.3.3 hoặc công thức 20.3.2:c

Phụ tải hằng năm đượccung cấp bởi năng lượng

Hình 20.3.3 Hệ số hiệu chỉn kích thước bình chứ cho các hệ thống chất lỏng Dung tíchtiêu chuẩn là 75 lít/m2

Lời giải

Để tính đến những thay đổi về dung lượng lưu trữ, giá trị của X được tính trong các ví dụ trướcphải được sửa đổi bằng cách sử dụng hình 20.3.3 hoặc công thức 20.3.2 Tỷ lệ kích thước lưu trữ thực tế so với kích thước tiêu chuẩn là 2.0, vì vậy:

Đối với tháng Giêng, giá trị hiệu chỉnh của X khi đó là:

Giá trị của Y còn lại là 0.41 Từ biểu đồ f, f =0.30 Lượng thu năng lượng mặt trời cho thánggiêng là:

Lặp lại các tính toán này tring 11 tháng còn lại sẽ cho tỉ lệ thu năng lượng mặt trời hàng năm là0.49 (so với 0.47 đối với kích thước lưu trữ tiêu chuẩn).

10Hệ số hiệu chỉnh dung lượng lưu trữ = XH thốống chấốt l ngệ ỏ c/X

Kích thước bộ trao đổi nhiệt tải:

Khi bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để làm nóng không khí trong tòa nhà bị giảm kích thước,nhiệt độ bể chứa phải tăng lên để cung cấo cùng một lượng nhiệt, dẫn đến nhiệt độ bộ thu caohơn và giảm sản lượng bộ thu nhiệt Phép đo kích thước của bộ trao đổi nhiệt cần thiết cho mộttòa nhà cụ thể được cung cấp bởi tham số không thứ nguyên ꜪLCmin/(UA)h, trong đó là hiệuꜪL

suất của bộ trao đổi nhiệt tải nước không khí, C là tỷ lệ điện dung chất lỏng tối thiểu (khốimin

lượng tốc độ dòng chảy nhân với nhiệt riêng của chất lỏng) trong bộ trao đổi nhiệt tải và nóichung là của không khí, và (UA) là hệ số tổn thất năng lượng tổng thế - tích diện tích cho tòah

nhà được sử dụng trong tải trọng sưởi ấm không gian theo độ ngày.

Từ các cân nhắc về nhiệt, giá trị tối ưu của ꜪLCmin/(UA)h là vô cùng Tuy nhiên, hiệu suấthệ thống tiệm cận phụ thuộc vào giá trị của tham số này và đối với ꜪLCmin/(UA)h > 10, hiệusuất về cơ bản sẽ giống như hiệu suất đối với giá trị lớn vô hạn Việc giảm hiệu suất do bộ troađổi nhiệt tải không quá lớn sẽ có ý nghĩa đối với các giá trị ꜪLCmin/(UA)h nhỏ hơn khoảng 1.Giá trị thực tế của ꜪLCmin/(UA)h thường nằm trong khoảng từ 1 đến 3 khi chi phí của bộ trao đổinhiệt được xem xét Xem Beckman và cộng sự (1977) để thảo luận thêm.

Đồ thị- cho các hệ thôgns chất lỏng được phát triển với f ꜪLCmin/(UA)h = 2 Hiệu suất củahệ thống có các giá trị khác ꜪLCmin/(UA)h có thể được ước tính từ biểu đồ bằng cách sửa đổifY bằng bộ trao đổi nhiệt tải hệ số hiệu chỉnh Y /Y, như được chỉ ra trong công thức 20.3.3 hoặcc

11Hệ số điều chỉnh kích thước bộ

trai đổi nhiệt tải = Yc/Y