Cung cấp những kiến thức cơ bản về công nghệ bơm nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng; tính toán, thiết kế hệ thống cung cấp nước nóng dùng bơm nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời; lắp đặt hệ thống cung cấp nước nóng dùng bơm nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời; một số lợi ích khi áp dụng công nghệ bơm nhiệt và năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Sản xuất nước nóng bang bom nhiét
Công nghệ lấy nhiệt từ môi trường bằng bơm nhiệt
Một bơm nhiệt lấy nhiệt từ môi trường, với sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 1.1, bao gồm
4 bộ phận cơ bản, ghép nối tiếp nhau thành chu trình kín là thiết bị hơi, máy nén, thiết bị ngưng
12 tụ và thiết bị tiết lưu Do bên trong có môi chất sôi ở nhiệt độ thấp, thiết bị bay hơi sẽ nhận một lượng nhiệt từ môi trường xung quanh, trường hợp này đóng vai trò nguồn lạnh Quá trình nhận nhiệt này sẽ làm tăng entanpy của môi chất và kết quả là làm cho môi chất sôi hoàn toàn đến trạng thái là hơi bão hòa khô hoặc hơi quá nhiệt ở đầu ra (trạng thái 1) Môi chất ở trạng thái 1, sau đó, sẽ được máy nén “bơm” lên áp suất cao và nhiệt độ cao (trạng thái 2) để sẵn sàng nha nhiệt cho môi trường cần gia nhiệt, trường hợp này đóng vai trò nguồn nóng Trong quá trình này, môi chất sẽ nhận năng lượng từ máy nén làm cho entanpy của nó tiếp tục tăng Bằng quá trình ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ, môi chất sẽ cấp toàn bộ lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh và lượng năng lượng do máy nén cung cấp cho nguồn nóng và trở lại mức năng lượng ban đầu như trước khi vào thiết bị bay hơi nhưng với áp suất cao hơn (trạng thái 3) Để có thể quay về trạng thái vào thiết bị bay hơi ban đầu (trạng thái
4) và kết thúc một chu trình làm việc, môi chất sẽ được cho qua thiết bị tiết lưu như trình bày trên hình 1.1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của bơi št lưu
Máy nén 2 Điện năng n nhiệt lẫy nhiệt từ môi trường.
Hình 1.2 là đồ thị lgp — i biểu diễn các quá trình thay đổi trạng thái của môi chất xảy ra bên trong bơm nhiệt Có thể thấy ở đây, các quá trình bay hoi (4 — 1) va ngung tụ (2s — 3) hoặc (2r — 3) được coi là đẳng áp ở áp suất tương ứng là p, (ap suất bay hơi) và ứ¿ (ỏp suất ngưng tụ) Trờn thực tế, luôn tồn tại các ton thất áp suất do ma sát bên trong các ống dẫn, kênh dẫn cũng như tại các vị trí dòng chảy bị chuyển hướng, bị thay đổi tiết diện lưu động nên trong các quá trình này luôn có sự suy giảm áp suất nhất định Tuy nhiên, với mức độ không đáng kê, kéo theo một ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị entanpy cũng như các tính toán về năng lượng, sự suy giảm áp suất này hoàn toàn có thể được bỏ qua Cũng trên hình 1.2, biến đổi trạng thái môi chất trong van tiết lưu (3 - 4) được xem là đẳng entanpy và vì đây là một quá trình không thuận nghịch nên về lý thuyết, chỉ có trạng thái đầu và cuối là được xác định và toàn bộ quá trình này được biểu diễn bởi I đường “đứt đoạn” Về quá trình xảy ra trong
15 máy nén, như đã trình bày, nếu bỏ qua ma sát và không tính đến sự trao đổi nhiệt giữa môi chất với môi trường xung quanh, có thé coi day 1a qua trình đoạn nhiệt thuận nghịch (đẳng entropy) và được biểu diễn bởi đường cong (1 — 2s) Tuy nhiên, trong thực tế hoạt động, quá trình nén chịu ảnh hưởng rất lớn bởi hiện tượng ma sát và sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Vì vậy ở đây, quá trình nén sẽ được xem xét kể đến cả hai ảnh hưởng vừa nêu và được biểu diễn bằng đường cong nén thực (1 — 2r) Trên thực tế hoạt động, quá trình sôi trong thiết bị bay hơi thường kết thúc ở trạng thái I với độ quá nhiệt từ 7 K đến 11 K và quá trình ngưng tụ trong thiết bi ngưng tụ thường kết thúc ở trạng thái 3 với độ quá lạnh từ 3 K đến 5 K Các mức quá nhiệt và quá lạnh này là để đảm bảo tối ưu về hiệu quả cũng như an toàn trong hoạt động của bơm nhiệt
Khi bỏ qua các tổn thất, hơi ra khỏi máy nén (trạng thái 2s) sẽ có độ quá nhiệt từ vài chục cho đến khoảng 100 K Tuy nhiên trên thực tế, môi
16 chât khi ra khỏi máy nén sẽ có trạng thái 2r với entanpy và độ quá nhiệt cao hơn một chút so với trạng thái 2s, như trình bày trên hình 1.2 algp—i K
Hình 1.2 Đồ thị lgp - ¡ của chu trình bơm nhiệt las l2rl TA
Có thê tính các đại lượng đặc trưng cho chu trình bơm nhiệt dựa trên các công thức sau đây
Năng suất lẫy nhiệt riêng của dàn bay hơi:
Năng suất gia nhiệt riêng của dàn ngưng tụ: qu=b„— (1.2)
Công nén riêng thực của máy nén:
Công nén riêng đoạn nhiệt thuận nghịch của máy nén: l, =i,, -i, (1.4)
Trong thực tế tính toán, quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (1 — 2s) thường được xác định dễ dàng và dựa vào đó, có thê xác định quá trình nén thuc (1 — 2r) thông qua hiệu suất không thuận nghịch ;„_ được xác định như sau:
Có thể thấy rõ qua công thức (1.5) rằng
COP của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1 Điều này có thể được giải thích rằng nhiệt hữu ích thu được ở dàn ngưng tụ của bơm nhiệt không hoàn toàn sinh ra bởi năng lượng J, cap
18 vào cho máy nén mà một phần (chiếm tỉ lệ lớn trong thực tế) của nó, chính bằng năng suất lấy nhiệt g„ của dàn bay hơi, được lấy từ môi trường xung quanh.
Công nghệ sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt 5-5: 19 1.2 Sản xuất nước nóng bằng năng lượng 1.2.1 Nguyên lý làm việc và phân loại các thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời
Sử dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng đã được đề xuất ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, trước đây khi nhiên liệu hóa thạch còn có giá thành thấp với trữ lượng dồi dào, công nghệ sử dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng chưa thật sự được quan tâm Lý do chính là nhiệt độ nước cấp ra không cao, thông thường chỉ đạt từ 60 °C đến 70 °C Thời gian gần đây, vì những nguyên nhân đã nêu ở phần trên mà bơm nhiệt sản xuất nước nóng lại được ứng dụng hết sức rộng rãi trên thế giới
Bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng hiện tại có 2 loại chủ yếu là bơm nhiệt “nước — nước”
(WTW - Water To Water heat pump), với dàn bay hơi nhận nhiệt từ một nguôn nước nảo đó, và
19 bơm nhiệt “gió — nước” (ATW — Air to Water heat pump), với dàn bay hơi nhận nhiệt từ nguồn không khí Bơm nhiệt “nước — nước” linh hoạt hơn trong việc lấy nhiệt từ các nguồn nhiệt khác nhau nhưng lại có khó khăn trong vận hành cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa nên thường được ứng dụng trong công nghiệp Do nguồn nhiệt từ không khí có ở mọi nơi nên bơm nhiệt
“gió — nước” thuận tiện hơn trong việc lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa và vì vậy, phù hợp hơn với các ứng dụng phục vụ sinh hoạt Ngoài 2 loại phổ biến vừa nêu, trên thị trường còn có bơm nhiệt địa nhiệt, một dạng bơm nhiệt với dàn bay hơi nhận nhiệt trực tiếp từ các nguồn nhiệt ở dưới lòng đất, sông, hô Do nhiệt độ của các nguồn nhiệt này kha 6n định nên các bơm nhiệt địa nhiệt ít chịu những ảnh hưởng có hại thường xảy ra vào mùa đông như đóng băng dàn bay hơi và/hoặc sụt giảm hệ số hiệu qua COP quá mức
Vì vậy, bơm nhiệt địa nhiệt phù hợp hơn với các vùng khí hậu ôn đới
Do kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt, hoạt động tương đối ôn định nên bơm nhiệt “gió — nước” là sự lựa chọn cho điều kiện sử dụng tại Việt Nam
Một điểm cũng rất đáng lưu ý ở đây là ngoài tính dễ lắp đặt, vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng như đã trình bày, các bơm nhiệt kiểu “gió — nước” còn rất có tiềm năng trong việc tận dụng nguồn nhiệt (lạnh) do dàn bay hơi tạo ra để phục vụ các nhu cầu khác của con người về làm lạnh như bảo quản thực phẩm, điều hòa không khí
1.2 Sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời
Sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng là một trong những ứng dụng lâu đời
Tùy vào cầu tạo thiết bị và cường độ bức xạ mặt trời tại VỊ trí lắp đặt mà nhiệt độ nước nóng tạo ra có thể đạt từ 70 °C đến trên 100 °C và năng lượng tiết kiệm được nhờ sử dụng năng lượng mặt trời có thể lên tới 60% so với các phương pháp sản xuất nước nóng truyền thống Mặc dù vậy, nhược điểm lớn nhất của phương pháp sản
21 xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời là vào mùa lạnh, khi nhu cầu nước nóng tăng thì cường độ bức xạ mặt trời lại yếu nên hệ thống thường không đáp ứng đủ nhu cầu Vì vậy, hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời luôn phải đi kèm các thiết bị gia nhiệt truyền thống khác như lò hơi đốt ga, dầu hoặc thiết bị gia nhiệt bằng điện trở Chính điều này đã làm giảm hiệu quả cũng như khả năng phổ biến của phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời
1.2.1 Nguyên lý làm việc và phân loại các thiết bị đun nước nóng băng năng lượng mặt trời
Các thiết bị thu năng lượng mặt trời, nói chung, đều dựa trên một nguyên lý làm việc cơ bản là sử dụng một bề mặt “đen” đặt dưới bức xạ mặt trời và năng lượng bức xạ hấp thụ được bởi bề mặt này sẽ được truyền cho chất tải nhiệt, là một lưu chất ở dạng lỏng hoặc dạng khí Trong các thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt oe, trời, chất tải nhiệt chính là nước cần được đun nóng và thường ở dạng lỏng Khi thiết bị không sử dụng hệ thống quang học để tập trung năng lượng mặt trời, nó được gọi là bộ thu phẳng Bộ thu phang là một kiểu thiết bị thu năng lượng mặt trời rất phổ biến vì nó có kết cấu đơn giản, không có chi tiết chuyển động và ít phải bảo dưỡng trong quá trình vận hành Khoảng nhiệt độ mà các bộ thu phẳng có thể đáp ứng là từ
40 °C đến 100 °C Đối với các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ cao, trên 100 °C, cần thiết phải trang bị hệ thống tập trung các tia bức xạ mặt trời Các bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tập trung hay bộ thu hội tụ
1.2.1.1 Bộ thu phẳng a) Bộ thu phẳng truyền thông
Nguyên lý làm việc của một bộ thu phẳng truyền thống được trình bày trên hình 1.3, theo đó, bộ thu bao gồm một tắm hấp thụ có nhiệm vụ hứng bức xạ mặt trời và biến nó thành nhiệt năng Một phần nhiệt năng đó truyền cho chất
22 lỏng chảy trong các ống gắn với tắm hấp thụ Đây là phần năng lượng hữu ích Phần còn lại của nhiệt hấp thụ là lượng tôn thất do quá trình dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ tới môi trường xung quanh qua mặt trên, do dẫn nhiệt và đối lưu qua mặt bên cũng như mặt đáy của bộ thu Các tắm chan trong suốt có nhiệm vụ hạn chế tôn thất do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Cách nhiệt ở đáy và các mặt bên có tác dụng làm giảm tốn thất nhiệt do dẫn nhiệt Bộ thu phăng thường được đặt nghiêng so với mặt phẳng ngang và cố định nhờ hệ thống đỡ, đồng thời hướng về phía nam nếu điểm đặt ở bắc bán cầu và về phía bắc nếu điểm đặt ở nam bán câu
Tắm chắn trong suốt trực tiép
Bức xạ mặt trời khuêch tán
Bề mặt hấp th ge ep any chat long i
Hình 1.3 Cấu tạo bộ thu phang truyén thong
Ngoài cấu trúc truyền thống trình bày ở trên, ngày nay người ta đã chế tạo hàng loạt dạng bộ thu khác có nguyên tắc hoạt động tương tự
Tam hap thu : chat long
Tam hap thy Ong dan chat long
Hình 1.4 Các biến thê của bộ thu phẳng truyền thống
26 b) Các biến thể của bộ thu phẳng truyền thống
Bộ thu phăng truyền thống có bề mặt nhận bức xạ phăng, các ống dẫn chất lỏng được gắn ở phía dưới của tắm hấp thụ (hình 1.3) Có thể nhận thay rang, các ống dẫn chất lỏng không nhận trực tiếp bức xạ mặt trời nên hiệu quả biến đổi năng lượng của thiết bị như vậy sẽ không cao do quá trình truyền nhiệt phải chịu một nhiệt trở của chất kết dính tại liên kết giữa ống và tắm hấp thụ Đề giải quyết vấn đề đó, người ta đã đưa ra
2 thiết kế khác (hình 1.4) với các ống nằm ở giữa và phía trên bề mặt hấp thụ Trường hợp này hiệu suất của thiết bị có cao hơn nhưng không đáng kể vì lượng bức xạ mà ống nhận trực tiếp chiếm tỉ lệ nhỏ so với lượng bức xạ nhận được của cả thiết bị c) Các bộ thu kiểu ống chân không
Bằng cách tạo chân không trong thiết bị, người ta có thé giảm được tổn thất do truyền nhiệt qua tam chan phía trên bộ thu Thông thường, trong trường hợp đó, các tâm chắn trong suốt cần thiết phải có dạng ống trụ để chịu được chênh lệch áp suất
Hình 1.5 Các bộ thu kiêu é
Vỏ thủy tính chân không
Bề mặt hấp thụ Ông chất lỏng vào
