Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng

- So sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với các phương pháp sản xuất nước nóng khác..  Phân tích ưu nhược điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Chuyên nghành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số: 60520115 I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO TRONG BƠM NHIỆT ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng ở điều kiện thời tiết Việt Nam, dựa trên các công trình nghiên cứu trên thế giới

- Chế tạo các mô hình thực nghiệm cho các hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời khác nhau

- Thực nghiệm các hệ thống bơm nhiệt, đo đạc các thông số nhiệt động và xử lý số liệu thành dạng bảng và biểu đồ so sánh

- Thực nghiệm và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời

- So sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với các phương pháp sản xuất nước nóng khác

- Rút ra kết luận và kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 14/06/2015 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 : GS.TS LÊ CHÍ HIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký)

nghiệm trong suốt quá trình học viên bước vào giảng đường đại học đến nay  Gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất, chia sẻ, động viên học

viên trong suốt thời gian qua  Các bạn bè thân thiết và đặc biệt là gia đình của bạn Hoàng Văn Viết đã tạo điều

kiện về cơ sở hạ tầng để học viên hoàn thành mô hình thực nghiệm trong luận văn

Học viên

NGUYỄN THANH DŨNG

Luận văn “Nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng” sẽ bao gồm những nội dung như sau:

 Tổng quan về nhu cầu sử dụng nước nóng cũng như hiện trạng sử dụng năng lượng cho quá trình sản xuất nước nóng ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới

 Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất nước nóng, để từ đó có thể thấy được vì sao cần phải nghiên cứu hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng như hiện nay

 Đưa ra các phương án tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt  Sử dụng cơ sở lý thuyết và các công thức tính toán phù hợp cho các hệ thống

bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời dựa trên phương pháp kế thừa từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của nhiều nhà khoa học đi trước

 Chế tạo các mô hình thực nghiệm cho các hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời

 Thực nghiệm và so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với các phương pháp sản xuất nước nóng khác

 Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng

ABSTRACT The thesis “ Study of integrating solar assisted heat pump to improve efficiency of hot water production” includes the following main contents:

 Overview of the demand for hot water as well as the current use of energy for the production of hot water in Vietnam and in countries around the world

 Analysis of the advantages and disadvantages of methods to produce hot water in order to understand the need to study integrating solar energy into heat pump to produce hot water, in the context of shortage energy

 Providing plans to integrate solar energy into heat pumps

Học viên xin cam đoan rằng những nội dung kiến thức và các số liệu thực nghiệm được trình bày trong luận văn này là do học viên tìm hiểu, nghiên cứu và đo đạc được trên mô hình thực nghiệm của học viên

Trong quá trình làm luận văn, học viên có sử dụng một số nguồn tài liệu của các tác giả khác ở Việt Nam cũng như trên thế giới, nhưng có trích dẫn nguồn gốc rõ ràng

Học viên

Nguyễn Thanh Dũng

mặt trời, nhưng có điện trở hỗ trợ COP: Coefficient Of Performance, hệ số hiệu quả LT: Lý thuyết

TT: Thực tế 2 CÁC KÝ HIỆU, Ý NGHĨA VÀ ĐƠN VỊ ĐO

Qk Nhiệt lượng hữu ích mà nước nhận được tại dàn ngưng W Qo Nhiệt lượng mà môi chất hấp thụ được tại dàn collector W

q0 Nhiệt lượng mà môi chất hấp thụ trên một đơn vị diện tích collector W/m2I Cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt collector W/m2

β Góc nghiêng collector α Hệ số hấp thụ của collector/dàn bay hơi qL Tổn thất nhiệt trên một đơn vị diện tích collector W/m2ε Hệ số phát xạ của collector

Ta Nhiệt độ môi trường không khí xung quanh K qe Sự chênh lệch giữa năng lượng phát xạ trên một đơn vị diện tích

từ vật đen ở nhiệt độ môi trường không khí xung quanh và năng

σ Hằng số Stefan-Boltzmann σ = 5,669.10-8 W/m2.K4 Ts Nhiệt độ hiệu dụng của bầu trời khi giả định bầu trời là vật đen

Tdp Nhiệt độ đọng sương của không khí ứng với nhiệt nhiệt độ môi

U Tổng hệ số tổn thất nhiệt từ collector/dàn bay hơi tới môi trường

hw Hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức do tác động của gió trên

S Sự chênh lệch giữa bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi collector

trên một đơn vị diện tích và tổng bức xạ nhiệt bị tổn thất từ bề

hif Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa tấm và ống W/m2.độ Cb Hệ số dẫn nhiệt mối hàn

η Hiệu suất collector

ρsuc Khối lượng riêng của môi chất lạnh kg/m3

pdis Áp suất ngưng tụ khi tính toán lý thuyết bar psuc Áp suất bay hơi khi tính toán lý thuyết bar

t1 Nhiệt độ nước dưới đáy thùng chứa condenser 0C t2 Nhiệt độ nước trên đỉnh thùng chứa condenser 0C

3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vực châu Âu Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu dân cư, khách sạn ở Mỹ

Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước Hình 1.4 Năng lượng tiêu thụ của một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp của một số nước trên thế giới

công nghiệp ở các nước châu Âu (Đức) Hình 1.6 Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt Nam Hình 1.7 Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn ở Việt Nam

Hình 1.8 Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam Hình 1.9 Định hướng tiêu thụ năng lượng cho quá trình sản xuất nước nóng (Australia)

Hình 1.10 Năng lượng tiêu thụ của các khu dân cư/hộ gia đình ở Việt Nam theo loại nhiên liệu

Hình 1.11 Tỷ lệ phần trăm của các phương pháp sản xuất nước nóng ở thành phần khu dân cư, khách sạn ở Mỹ

Hình 1.12 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống cơ bản

Hình 1.13 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch Hình 1.14 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Hình 1.15 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt Hình 2.2 Cách thức phân loại bơm nhiệt có máy nén hơi theo nguồn nhận nhiệt và cho nhiệt

Hình 2.3 Phần trăm ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng và làm nóng Hình 2.4 Phần trăm các nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt

Hình 2.5 Các nguồn cung cấp nhiệt và sự kết hợp các nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt

Hình 2.6 Hệ số hiệu suất theo mùa của hệ thống bơm nhiệt sử dụng nguồn cho nhiệt là không khí và không khí kết hợp với năng lượng mặt trời

Hình 2.7 Hệ số hiệu suất theo mùa của hệ thống bơm nhiệt sử dụng nguồn cho nhiệt là năng lượng mặt trời

Hình 2.8 Cấu tạo cơ bản của một bơm nhiệt Hình 2.9 Cấu tạo cơ bản của một máy lạnh Hình 2.10 Đồ thị p-v và T-s của bơm nhiệt Hình 2.11 Đồ thị T-s của hệ thống bơm nhiệt khi có sử dụng năng lượng mặt trời Hình 2.12 Cấu hình hệ thống bơm nhiệt kết hợp song song hệ thống năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng

Hình 3.3 Cấu tạo của một collector tấm phẳng/dàn bay hơi loại có khung kính dùng trong hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3.4 Cấu tạo của một collector chân không/dàn bay hơi dùng trong hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3.5 Cấu tạo của một collector PVT/dàn bay hơi dùng trong hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời (có sử dụng thêm ống nhiệt)

Hình 3.6 Cấu tạo của collector/dàn bay hơi sử dụng trong mô hình thí nghiệm bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời

Hình 3.7 Hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng không có tích hợp năng lượng mặt trời PA1 (phương án 1)

Hình 3.8 Hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu gián tiếp để sản xuất nước nóng PA2 (phương án 2)

Hình 3.9 Hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu trực tiếp để sản xuất nước nóng PA3 (phương án 3)

Hình 4.1a Mô hình thí nghiệm thực tế của PA3 (hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu trực tiếp để sản xuất nước nóng)

Hình 4.1b Mô hình thí nghiệm thực tế của PA3 (hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu trực tiếp để sản xuất nước nóng)

Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm thực tế của PA2 (hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu gián tiếp để sản xuất nước nóng )

Hình 4.3 Mô hình thí nghiệm thực tế của PA1 (hệ thống bơm nhiệt không có tích hợp năng lượng mặt trời )

Hình 4.4 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn bay hơi của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian

Hình 4.5 Biểu đồ so sánh nhiệt độ bay hơi của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian

gian Hình 4.7 Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu đẩy máy nén của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian

Hình 4.8 Biểu đồ so sánh nhiệt độ nước trong thùng chứa condenser của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian

Hình 4.9 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian Hình 4.10 Biểu đồ so sánh điện năng tiêu thụ của PA1, PA2 và PA3 theo thời gian Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện COPLT và COPTT theo nhiệt độ nước nóng trung bình trong thùng chứa condenser của PA3

Hình 4.12 Biểu đồ thể hiện COPLT và COPTT theo thời gian của PA3 Hình 4.13 Biểu đồ thể hiện COPLT và COPTT theo nhiệt độ nước nóng trung bình trong thùng chứa condenser của PA2

Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện COPLT và COPTT theo thời gian của PA2 Hình 5.1 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn bay hơi/collector của PA3 ở các diện tích collector Ac khác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.2 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn ngưng tụ của PA3 ở các diện tích collector Ac khác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.3 Biểu đồ so sánh nhiệt độ tấm hấp thụ của PA3 ở các diện tích collector Ackhác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.4 Biểu đồ so sánh nhiệt độ nước trong thùng chứa condenser của PA3 ở các diện tích collector Ac khác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.5 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện của PA3 ở các diện tích collector Ackhác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.6 Biểu đồ so sánh điện năng tiêu thụ của PA3 ở các diện tích collector Ackhác nhau khi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ITB gần bằng nhau

Hình 5.7 Biểu đồ so sánh cường độ bức xạ mặt trời của ngày 12/03/15 với ngày 13/03/15

Hình 5.8 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn bay hơi PA3 của ngày 12/03/15 với ngày 13/03/15

Hình 5.9 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn ngưng tụ PA3 của ngày 12/03/15 với ngày 13/03/15

Hình 5.15 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn bay hơi/collector của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.16 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn ngưng tụ của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.17 Biểu đồ so sánh nhiệt độ bay hơi của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.18 Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu đẩy máy nén của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.19 Biểu đồ so sánh nhiệt độ tấm hấp thụ của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.20 Biểu đồ so sánh nhiệt độ nước trong thùng chứa condenser của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.21 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.22 Biểu đồ so sánh điện năng tiêu thụ của PA3 ở các mức thể tích nước khác nhau khi có Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý cho thí nghiệm 9 – PA3 Hình 5.24 Sơ đồ bố trí hệ thống thực tế cho thí nghiệm 9 – PA3 Hình 5.25 Sơ đồ nguyên lý cho thí nghiệm 10 –PA3

Hình 5.26 Sơ đồ bố trí hệ thống thực tế cho thí nghiệm 10 – PA3 Hình 5.27 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn collector và tại đầu hút máy nén của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.28 Biểu đồ so sánh áp suất vào dàn ngưng tụ của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

suất bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau Hình 5.30 Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu đẩy máy nén của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.31 Biểu đồ so sánh nhiệt độ nước trong thùng chứa condenser của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau Hình 5.32 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 5.33 Biểu đồ so sánh điện năng tiêu thụ của PA3 khi thay đổi áp suất và nhiệt độ bay hơi trong khi Ac bằng nhau và ITB gần bằng nhau

Hình 6.1 Thông số kỹ thuật của Model XE30T06ST45U0 hãng Rheem Hình 6.2 Năng lượng tiêu thụ ước tính cho một năm của Model XE30T06ST45U0 hãng Rheem

4 BẢNG Bảng 3.1 So sánh các vấn đề liên quan đến môi trường, biến đổi khí hậu và chi phí môi chất lạnh

Bảng 3.2 So sánh áp suất ngưng tụ và bay hơi của môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi

Bảng 3.3 So sánh các loại collector/dàn bay hơi Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 12/03/2015 của PA3 Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 12/03/2015 của PA2 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 14/03/2015 của PA1 Bảng 4.4 So sánh hiệu quả sản xuất nước nóng của các phương án từ các kết quả thực nghiệm

Bảng 5.1 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 07/03/2015 của PA3 Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 25/03/2015 của PA3 Bảng 5.3 So sánh ảnh hưởng của diện tích collector Ac đến hiệu quả sản xuất nước nóng của bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời từ các kết quả thực nghiệm Bảng 5.4 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 13/03/2015 của PA3

Bảng 5.5 So sánh ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời đến hiệu quả sản xuất nước nóng của bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời từ các kết quả thực nghiệm

Bảng 5.6 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 18/03/2015 của PA3 Bảng 5.7 Kết quả thực nghiệm đo được ngày 19/03/2015 của PA3

Bảng 6.2 So sánh hiệu quả kinh tế của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời so với bơm nhiệt kiểu truyền thống

Bảng 6.3 Các chỉ số để đánh giá hiệu quả kỹ thuật của hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời và hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện trở

Bảng 6.4 So sánh hiệu quả kinh tế của hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng điện trở Bảng 6.5 Các chỉ số so sánh hiệu quả kỹ thuật của phương pháp sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Bảng 6.6 So sánh hiệu quả kinh tế của phương pháp sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Bảng 6.7 So sánh đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp sản xuất nước nóng theo bộ năng lượng Mỹ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Tính cấp thiết của đề tài 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 2

6 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 3

7 Phương pháp nghiên cứu 3

8 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU VÀ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG CŨNG NHƯ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 5

1.2.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch 13

1.2.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời 14

1.2.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt 15

1.3 Kết luận 16

CHƯƠNG 2 18

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT VÀ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO TRONG BƠM NHIỆT ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 18

2.1 Tổng quan về bơm nhiệt 18

2.2 Phân loại bơm nhiệt có máy nén hơi 18

2.2.1 Phân loại theo ứng dụng 19

TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 33

3.1 Xây dựng các điều kiện đầu vào và ra 33

3.1.1 Lựa chọn môi chất lạnh 33

3.1.2 Lựa chọn loại collector/dàn bay hơi 35

3.2 Tính toán lý thuyết 38

3.3 Mô tả và bố trí thí nghiệm 42

3.4 Phương pháp lấy số liệu và xử lý số liệu từ mô hình thí nghiệm 44

3.5 Tổng hợp các yếu tố bên ngoài và bên trong tác động, gây ảnh hưởng xấu đến số liệu trong quá trình thí nghiệm 44

CHƯƠNG 4 46

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN 46

4.1 Bố trí, mô tả mô hình thí nghiệm thực tế của các hệ thống bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng 46

4.1.1 Mô hình thí nghiệm thực tế của PA3 (hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu trực tiếp) 46

4.1.2 Mô hình thí nghiệm thực tế của PA2 (hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời kiểu gián tiếp để sản xuất nước nóng) 47

4.1.3 Mô hình thí nghiệm thực tế của PA1 (hệ thống bơm nhiệt không có tích hợp năng nượng mặt trời) 47

4.2 Kết quả thực nghiệm của các phương án 48

4.3 Kết luận 60

CHƯƠNG 5 62

NÓNG CỦA HỆ THỐNG BƠM NHIỆT CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI 62

5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng 62

5.1.1 Ảnh hưởng của diện tích collector 62

5.1.2 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời 71

5.1.3 Ảnh hưởng của thể tích nước trong thùng chứa condenser 77

5.1.4 Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ bay hơi 86

5.2 Kết luận chung 97

CHƯƠNG 6 98

SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA CÁC HỆ THỐNG 98

6 Tổng quan về so sánh và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống 98

6.1 Hiệu quả kinh tế kỹ thuật của bơm nhiệt có tích năng lượng mặt trời với bơm nhiệt truyền thống để sản xuất nước nóng 98

6.2 Hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng điện trở 102

6.3 Hiệu quả kinh tế kỹ thuật của bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời 106

6.4 Một số kết quả so sánh về hiệu quả kinh tế của các phương pháp sản xuất nước nóng hiện nay trên thế giới 110

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 118

nóng bằng các phương pháp như trên đã góp phần làm lãng phí một lượng năng lượng khá lớn cũng như góp phần gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể

Vì vậy, vài năm gần đây, các hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời đã được ứng dụng vào các thành phần như nêu ở trên, nhằm góp phần giảm chi phí tiêu thụ năng lượng Vì xét trên mức độ kinh tế lâu dài thì đây là phương pháp mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao Tuy nhiên, các hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt vẫn chiếm một tỷ trọng khá nhỏ vì chi phí đầu tư ban đầu cao Do đó, cần phải nghiên cứu và cải tiến bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành

Thêm vào đó, với tốc độ phát triển kinh tế ở Việt Nam như hiện nay, vấn đề ưu tiên hàng đầu là bảo đảm chính sách an ninh năng lượng trên mọi thành phần Theo tổng sơ đồ điện VII của ngành điện lực, dự báo tới năm 2020 nhu cầu tiêu thụ điện năng là khoảng 330 – 362 tỷ kWh, gấp 3 đến 4 lần nhu cầu tiêu thụ điện năm 2010 [1]; trong khi đó, các nguồn nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện năng đang dần cạn kiệt Vì vậy, để đảm bảo được chính sách an ninh năng lượng thì yêu cầu quan

trọng và cấp bách nhất lúc này phải là sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng

trên mọi thành phần nói chung và sản xuất nước nóng nói riêng Trước các bối cảnh trên về nhu cầu, các chính sách về tiết kiệm năng lượng, biến đổi khí hậu trên phạm vi toàn cầu ở mọi lĩnh vực nói chung cũng như trong lĩnh vực

sản xuất nước nóng nói riêng, tác giả được sự chỉ dẫn và lựa chọn đề tài “ Nghiên

cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng”, nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng và giảm

chi phí tiêu thụ năng lượng trong quá trình hoạt động của bơm nhiệt 2 Mục tiêu của đề tài

Hiện nay, với công nghệ ngày càng hiện đại và tiến tiến, nhiều nhà sản suất đã thương mại hóa và sản xuất các hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng với chu trình có các thông số nhiệt động siêu tới hạn, sử dụng môi chất lạnh là CO2 để đáp

ứng phù hợp cho nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống này rất cao

Vì vậy, mục đích của đề tài là nhắm đến lắp đặt bơm nhiệt sản xuất nước nóng từ việc tận dụng những vật tư có sẵn trên thị trường để lắp ráp, đáp ứng cho nhu cầu khi được đặt hàng lẻ tẻ, xa hơn nữa có thể thương mại hóa sản phẩm, đồng thời so sánh hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời với bơm nhiệt kiểu truyền thống và các phương pháp khác

3 Tính cấp thiết của đề tài Như đã nói ở trên, để đảm bảo được chính sách an ninh năng lượng thì việc sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng trong lĩnh vực sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt phải được tối ưu nhất Mà việc tích hợp năng lượng mặt trời, là một nguồn năng lượng có thể tái tạo, dễ tìm và rẻ vào trong hệ thống bơm nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng và góp phần tiết kiệm năng lượng là một điều vô cùng cần thiết và có ý nghĩa

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học

Việc nghiên cứu, xây dựng mô hình thực nghiệm thành công có thể làm cơ sở dữ liệu hay tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất chế tạo hàng loạt và nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt trong điều kiện ở Việt Nam

 Ý nghĩa thực tiễn Việc tích hợp năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng có sẵn và rẻ tiền vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng, đáp ứng cho các yêu cầu dựa trên các vật tư có sẵn là vô cùng cần thiết và thực tế Vì hiện nay ở Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại bơm nhiệt sản xuất nước nóng kiểu truyền thống với nguồn nhiệt là không khí (Air soure heat pump), nên hệ thống chưa đạt đến chế độ tối ưu nhất

5 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài  Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Quá trình tích hợp năng lượng mặt trời vào trong hệ thống bơm nhiệt, đã được bắt đầu nghiên cứu vào khoảng năm 1970 bởi một số nhà nghiên cứu trước khi các collector mặt trời được thương mại hóa trên thị trường Tuy nhiên đến năm 1976, hai nhà nghiên cứu Charter và Taylor [13] mới báo cáo quá trình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt Hai nhà nghiên cứu trên đã sử dụng một collector tấm phẳng không có khung kính làm dàn bay hơi để hấp thụ năng lượng mặt trời và sau đó đề nghị sử dụng một số loại collector khác để nâng cao hiệu suất của hệ thống Đến năm 1980, nhà nghiên cứu Chaturvedi và các cộng sự

dụng năng lượng mặt trời như cường độ bức xạ mặt trời, diện tích collector, tốc độ máy nén… Các nhà nghiên cứu như S ITO, K.WANG, B.J HUANG, M.N.A HAWLADER [12], [13], [16]…đã dựa vào kết quả lý thuyết và thực nghiệm của mình để chỉ ra rằng hệ số COPh của chu trình có thể đạt từ 3-9 (tương ứng với từng điều kiện cụ thể của các nhà nghiên cứu) Từ đó cho đến nay, công việc nghiên cứu ứng dụng và tối ưu hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời ở nhiều điều kiện khác nhau vẫn được thực hiện bởi nhiều nhà nguyên cứu ở các nước trên thế giới Hiện nay, tổ chức IEA (International Energy Agency) đã nghiên cứu ứng dụng mô hình bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng ở nhiều nước châu Âu, đặc biệt là ở Tây Ban Nha [11]

 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Có thể nói việc tích hợp năng lượng mặt trời vào trong hệ thống bơm nhiệt để sản xuất nước nóng ở nước ta hiện nay hầu như còn rất mới mẻ Và điều này có thể dể hiểu vì quá trình ứng dụng năng lượng mặt trời vào một số lĩnh vực ở nước ta còn rất hạn chế, do giới hạn về công nghệ cũng như kinh phí Trong khi đó, tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam là vô cùng lớn

6 Đối tượng và nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng Và nội dung nghiên cứu bao gồm: nghiên cứu hiệu quả năng lượng đầu ra của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời, và so sánh với một số hệ thống sản xuất nước nóng khác Cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời

7 Phương pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để sản xuất nước nóng sẽ bao gồm lý thuyết và thực nghiệm so sánh ở điều kiện thời tiết Việt Nam, thông qua việc xây dựng mô hình và đo đạc thông số nhiệt động

8 Cấu trúc của luận văn Cấu trúc luận văn có 7 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất

nước nóng cũng như các phương pháp sản xuất nước nóng Chương 2: Cơ sở lý thiết về bơm nhiệt và tích hợp năng lượng mặt trời vào trong

bơm nhiệt để sản xuất nước nóng Chương 3: Tính toán lý thuyết và xây dựng mô hình thí nghiệm Chương 4: Kết quả thực nghiệm của các hệ thống

Chương 5: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất nước nóng của

hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời Chương 6: So sánh và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các hệ thống Chương 7: Kết luận và kiến nghị

các thành phần trong xã hội có xu hướng ngày càng tăng lên để phục vụ cho các nhu cầu của con người cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội Trong các nhu cầu đó, nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng chiếm một tỉ trọng khá lớn trong biểu đồ tiêu thụ năng lượng Và những thành phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào khu dân cư, dịch vụ thương mại và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp như hình 1.1 bên dưới (khu vực châu Âu) Mức độ tiêu thụ năng lượng để sản xuất nước nóng ở các thành phần này cũng sẽ khác nhau ở mỗi quốc gia và khu vực khác nhau Vì do vị trí địa lý nên điều kiện khí hậu sẽ là yếu tố quyết định đến năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng trong các thành phần khu dân cư và thương mại dịch vụ…

Hình 1.1 Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vực châu Âu

[2] Nhìn chung, năng lượng tiêu thụ ở thành phần khu dân cư, hộ gia đình hay dịch vụ thương mại ở các nước có khí hậu giá lạnh trên thế giới chủ yếu tập trung cho việc sản xuất nước nóng và sưởi ấm (tuy nhiên điều này cũng còn tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vực cụ thể) Trong đó nước nóng ngoài việc dùng để sưởi ấm còn được sử dụng cho các nhu cầu chủ yếu như tắm rửa, giặt tẩy, rửa chén đĩa…

Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu dân

cư, khách sạn ở Mỹ Hình 1.3 bên dưới cho thấy năng lượng tiêu thụ hàng năm của một hộ gia đình ở một số nước trên thế giới cho quá trình sản xuất nước nóng là khá lớn

Hình 1.3 Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước (GJ/hộ gia

đình/năm) Qua các số liệu, có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở thành phần khu dân cư và dịch vụ thương mại là rất lớn vì như đã nói ở phần trên, do điều kiện khí hậu ở mỗi quốc gia là khác nhau nên các nước có điều kiện thời tiết giá lạnh sẽ có nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt hay sưởi ấm lớn hơn so với các nước có khí hậu nóng ẩm

Thành phần đứng thứ hai cũng có nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ không cao khá lớn, đó là một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp như hóa chất,

Hình 1.4 Năng lượng tiêu thụ của một số nghành trong lĩnh vực công nghiệp của

một số nước trên thế giới [2]

Hình 1.5 Tiềm năng sử dụng nước nóng và quá trình làm nóng trong một số ngành

công nghiệp ở các nước châu Âu (Đức) [2]

Từ tổng quan về năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới, có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng là một nhu cầu thiết yếu và quan trọng trong cuộc sống của con người cũng như trong lĩnh vực công nghiệp Không những thế, ở một số quốc gia hay khu vực, năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng để phục vụ cho quá trình sưởi ấm và sinh hoạt cá nhân trong các tòa nhà khách sạn, khu chung cư hay hộ gia đình chiếm phần trăm lớn nhất và quan trọng nhất Và điều này có thể dễ hiểu vì do điều kiện khí hậu lạnh giá ở các nước hay khu vực đó

1.1.2 Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiệu thụ cho quá trình sản xuất

nước nóng ở việt nam Với tốc độ phát triển kinh tế, tình trạng đô thị hóa và mức độ gia tăng dân số như hiện nay ở nước ta, thì có thể nói rằng nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho mọi thành phần sẽ có xu hướng ngày càng tăng lên Theo như một số dự báo, năng lượng tiêu thụ đến năm 2030 của Việt Nam là khoảng 100 triệu tấn dầu tương đương [3]

Hình 1.6 Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt Nam

[3] Nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng là một trong những điều tất yếu Giống như các nước trên thế giới, nhu cầu sử dụng nước nóng ở Việt Nam chủ yếu tập trung vào các thành phần khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp Tuy nhiên vì nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng trong các khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu được sử dụng cho quá trình sinh hoạt như tắm rửa, giặt tẩy…chứ không phục vụ cho quá trình sưởi ấm Mặt dù có những vùng vào mùa đông có thời tiết giá lạnh, nhưng hầu như chúng ta cũng chỉ sưởi ấm bằng các hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt không khí trực tiếp

Hệ thống chiếu sáng9.11%nước nóng

4.41%

Hệ thống ĐHKK74.83%

Hình 1.7 Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn ở

Việt Nam [3]

Hình 1.8 Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam [4]

Với tốc độ phát triển công nghiệp như hiện nay, đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghệ thực phẩm, bia rượu, công nghệ nhuộm màu…thì nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ không cao để phục vụ cho quy trình công nghệ của nhà máy là rất cao nên năng lượng tiêu thụ cho quá trình này cũng sẽ rất lớn

Qua cái nhìn tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sử dụng nước nóng ở các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, ta có thể thấy rằng năng lượng tiêu hao cho quá trình này cũng chiếm một tỉ lệ khá đáng kể, tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vực Nhưng trong bối cảnh mức tiêu thụ năng lượng ở mọi thành phần ngày càng tăng lên mà các nguồn nhiên liệu dùng để sản xuất năng lượng ngày càng cạn kiệt Vì vậy, việc tiết kiệm năng lượng ở mọi lĩnh vực nói chung và sản xuất nước nóng nói riêng là hết sức cần thiết và cấp bách 1.2 Các nguồn năng lượng và phương pháp được sử dụng để sản xuất nước

nóng Hiện nay, các nguồn năng lượng được sử dụng để sản xuất nước nóng chủ yếu là từ điện năng và năng lượng từ quá trình chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch Nhưng đứng trước các thách thức về nhu cầu năng lượng, con người đã không ngừng tận dụng các nguồn năng lượng có thể tái tạo để sản xuất nước nóng như năng lượng mặt trời hay phức tạp hơn là nước nóng từ nguồn năng lượng địa nhiệt Với tình trạng như trên, một số quốc gia đã đưa ra các định hướng sử dụng năng lượng cho quá trình sản xuất nước nóng trong tương lai là tăng dần tỷ lệ sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và giảm dần sử dụng điện năng

Hình 1.9 Định hướng tiêu thụ năng lượng cho quá trình sản xuất nước nóng của

nước Úc [5]

Hình 1.10 Năng lượng tiêu thụ của các khu dân cư/hộ gia đình ở Việt Nam theo loại

nhiên liệu [4] Nhìn chung các loại nhiên liệu hay các nguồn năng lượng được sử dụng để sản xuất nước nóng là rất đa dạng và phong phú, tuy nhiên tùy thuộc vào loại nhiên liệu hay năng lượng sử dụng mà hiệu quả sử dụng năng lượng và mức độ tiết kiệm năng lượng cũng sẽ khác nhau, và do đó chi phí đầu tư cho từng loại cũng sẽ khác nhau Hiện nay, với các phương pháp sản xuất nước nóng có hiệu quả sử dụng năng lượng và mức độ tiết kiệm năng lượng cao thì đồng nghĩa với việc chi phí đầu tư ban đầu sẽ cao hơn (ví dụ như các hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời hay bơm nhiệt so với phương pháp sản xuất nước nóng kiểu truyền thống bằng điện) và đây là một rào cản lớn cho các nhà đầu tư Tuy nhiên, chi phí vận hành của các phương pháp này lại thấp hơn Do đó nếu xét về tổng thể, việc sử dụng các phương pháp sản xuất nước nóng có hiệu suất cao sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế-kỹ thuật cũng như môi trường hơn

Từ trước đến nay, các phương pháp gia nhiệt nước nóng thường là bằng điện năng hoặc bằng nhiên liệu hóa thạch và gần đây là bằng năng lượng mặt trời Tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng mà các phương pháp gia nhiệt nước nóng trên sẽ được ứng dụng trong những trường hợp cụ thể Nhưng rõ ràng, ngay cả một số nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam thì hai phương pháp sản xuất nước nóng, là bằng điện năng và nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm tỉ lệ phần trăm khá lớn so với phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời Cụ thể, ở các nước trên thế giới (đặc biệt là nhóm nước phát triển) thì phương pháp sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt) chiếm phần trăm lớn hơn so với hai phương pháp còn lại (như hình 1.11 bên dưới), nhưng trong tương lai sẽ tiến tới tăng cường sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời và giảm dần sản xuất nước nóng bằng điện năng trong thành phần khu dân cư và khách sạn

Hình 1.11 Tỷ lệ phần trăm của các phương pháp sản xuất nước nóng ở thành phần

khu dân cư, khách sạn ở Mỹ [Nguồn: EIA 2012] 1.2.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện năng

Chúng ta biết rằng điện năng là loại năng lượng có chất lượng cao nhất và có thể dễ dàng chuyển đổi thành nhiệt năng, do đó ưu điểm của phương pháp này là dễ điều chỉnh nhiệt độ theo mong muốn, đáp ứng nhanh và liên tục cho các yêu cầu cụ thể, dễ sử dụng và hệ thống thiết bị đơn giản Nhưng nếu xét theo quan điểm hiệu quả sử dụng năng lượng thì phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ gây lãng phí năng lượng nhất, vì ta đã dùng loại năng lượng có chất lượng cao để sản xuất ra loại năng lượng có chất lượng thấp nhất là nhiệt năng Hơn thế nữa nó cũng góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể so với các phương pháp còn lại Vì điện năng được sản xuất chủ yếu từ quá trình chuyển đổi

Hình 1.12 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu

truyền thống cơ bản Mặc dù phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống gây ra nhiều lãng phí về năng lượng và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính nhưng khó có thể loại bỏ hoàn toàn và ngay lập tức Vì một số lý do như giá điện ở một số nước còn thấp, hay nhu cầu sử dụng nước nóng thấp…thì việc đầu tư cho một máy sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ hợp lý hơn

1.2.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch

Khác với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng, phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch được thực hiện bằng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than, củi…) để gia nhiệt cho nước Hiện nay trên thế giới, và đặc biệt ở một số nước phát triển, phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp và khu dân cư, khách sạn…vì một số ưu điểm của hệ thống như đáp ứng nhanh và liên tục cho các yêu cầu cụ thể, hiệu quả sử dụng năng lượng cao và khả năng gây hiệu ứng nhà kính là thấp hơn so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tổn thất nhiệt do quá trình cháy và nhiệt do khói mang ra ngoài, hệ thống phức tạp vì phải lắp đặt thêm hệ thống chứa nhiên

liệu, quá trình bảo trì bảo dưỡng cũng khó khăn hơn và chi phí đầu tư ban đầu cũng cao hơn so với phương pháp gia nhiệt bằng điện năng

Hình 1.13 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch

(dầu) Đối với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch, hiệu quả sử dụng năng lượng phụ thuộc rất nhiều vào loại nhiên liệu được sử dụng và chế độ hoạt động của hệ thống Nếu sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao và chế độ hoạt động tốt thì hiệu quả sử dụng năng lượng càng cao và do đó chi phí để vận hành hệ thống cũng sẽ khác nhau, nên khó có thể so sánh với phương pháp gia nhiệt nước bằng điện năng nếu không có một trường hợp cụ thể Tuy nhiên, cũng cần lưu ý thêm rằng mức độ nguy hiểm của phương pháp này do quá trình cháy nổ cao hơn nhiều so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng

1.2.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Tính đến thời điểm tháng 10/2014, nước ta có số giờ nắng trung bình trong một năm vào khoảng 1219,6 ÷ 2498 giờ/năm và cường độ bức xạ mặt trời khoảng 3,5 ÷ 5 kWh/m2/ngày, nhưng cũng tùy thuộc vào từng khu vực cụ thể [6] Điều đó cho thấy tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta là vô cùng lớn Thêm vào đó, dưới tác động của các chính sách về sử dụng năng lượng hiệu quả và bảo vệ môi trường được nhà nước ban hành đã làm cho các hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời phát triển một cách nhanh chóng và mạnh mẽ trong vài năm gần đây Có thể nói, phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời hầu

Hình 1.14 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng

bằng năng lượng mặt trời Nguyên lý hoạt động của hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời tương đối đơn giản Ban đầu nước từ bình chứa sẽ điền đầy vào các ống collector, tại đây, nước sẽ nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời và làm nước nóng lên Vì nước nóng có khối lượng riêng nhỏ hơn so với nước lạnh nên nước nóng sẽ có xu hướng di chuyển lên phía trên và quay về bình chứa Song song với quá trình này là nước lạnh từ bình chứa sẽ chuyển động xuống phía dưới ống và điền đầy vào phần thể tích của nước nóng đã rời đi Và cứ thế quá trình diễn ra liên tục khi có bức xạ mặt trời Tuy nhiên, vì quá trình trao đổi nhiệt của nước bên trong là đối lưu tự nhiên và cần phải có bức xạ mặt trời nên để có được đủ lượng nước nóng cần thiết cho quá trình sử dụng thì phải chờ một thời gian khá dài Vào những ngày mà bức xạ mặt trời thấp thì sẽ không đáp ứng đầy đủ cho các nhu cầu sử dụng, và đó chính là nhược điểm của hệ thống Mặc dù không tốn chi phí cho quá trình vận hành nhưng chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống là cao hơn rất nhiều so với hai phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống và bằng nhiên liệu hóa thạch

1.2.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt

Về cơ bản bơm nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống máy lạnh, nhưng lại khác nhau về mục đích sử dụng Đối với bơm nhiệt mục đích sử dụng là làm nóng, và nếu bơm nhiệt được sử dụng để sản xuất nước nóng thì nhiệt lượng mà nước nhận được do môi chất nhả ra tại dàn ngưng sẽ là nhiệt lượng hữu ích

Hình 1.15 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng

bằng bơm nhiệt Vì bơm nhiệt là một loại máy nhiệt nên nó sẽ nhận công từ bên ngoài (cụ thể là điện năng) để vận hành hệ thống tham gia vào quá trình sản xuất nước nóng Mặc dù bơm nhiệt cũng sử dụng điện năng, nhưng không giống với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống là trực tiếp sử dụng điện năng để sinh nhiệt, mà bơm nhiệt sử dụng điện năng để vận chuyển nhiệt lượng từ nơi này đến nơi khác Do đó so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống thì phương pháp sử dụng bơm nhiệt sẽ có hiệu suất cao hơn và do đó chi phí để vận hành hệ thống cũng sẽ thấp hơn Đặc biệt, phương pháp này có thể hoạt động ở mọi điều kiện thời tiết nên có thể đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ và nhu cầu sử dụng mọi lúc

1.3 Kết luận Qua các số liệu và phân tích như trong mục 1 và 2, có thể thấy rằng nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng là khá lớn Ở nước ta, tỷ lệ phần trăm của phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống vẫn còn cao, do đó phương pháp này sẽ góp phần làm gia tăng chi phí vận hành cho nhà đầu tư và gây lãng phí năng lượng cho đất nước đáng kể Các phương pháp gia nhiệt nước nóng có hiệu quả kinh tế cao hơn như bằng năng lượng mặt trời và bơm nhiệt đã được đưa vào sử dụng, nhưng do phương pháp sản xuất nước nóng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT VÀ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI VÀO TRONG BƠM NHIỆT ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 2.1 Tổng quan về bơm nhiệt

“Bơm nhiệt là loại máy nhiệt, nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng, cụ thể nhiệt lượng sẽ được vận chuyển từ môi trường xung quanh đến môi trường có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh” [7] như hình 2.1 bên dưới

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt người ta sử dụng hệ số làm nóng φ (hay nói cách khác là hiệu suất của chu trình cũng được thể hiện thông qua hệ số COP = φ) Vì mục đích của bơm nhiệt là làm nóng nên hệ số φ chính là tỷ số giữa QH và W

2.2 Phân loại bơm nhiệt có máy nén hơi Hiện nay, tùy theo công nghệ chế tạo và mục đích sử dụng mà có rất nhiều cách phân loại bơm nhiệt có máy nén hơi nhưng chủ yếu vẫn được phân loại theo ứng dụng và nguồn cho nhiệt

Hình 2.2 Cách thức phân loại bơm nhiệt có máy nén hơi theo ứng dụng và nguồn

cho nhiệt [8] 2.2.1 Phân loại theo ứng dụng

Khi phân loại theo ứng dụng thì bơm nhiệt có máy nén hơi chủ yếu được sử dụng để:

- Gia nhiệt cho nước của quá trình sản xuất nước nóng - Gia nhiệt cho không khí của quá trình sưởi ấm hay sấy

Hình 2.3 Phần trăm ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng và làm nóng

[9] Vì mục đích của bài luận là dùng để sản xuất nước nóng nên tác giả sẽ không phân tích quá trình gia nhiệt cho không khí cũng như không tập trung phân loại theo ứng

dụng, Do đó trong phần phân loại bơm nhiệt, tác giả chỉ tập trung phân loại theo nguồn cho nhiệt vì chúng quyết định đến hiệu suất của bơm nhiệt, nếu như mức độ nóng lạnh của nước ở đầu ra là giống nhau

2.2.2 Phân loại theo nguồn cho nhiệt

Trước đây, các hệ thống bơm nhiệt có máy nén hơi dùng để sản xuất nước nóng thường sử dụng các nguồn cho nhiệt là không khí tự nhiên, lòng đất, khí thải của các quá trình, nước ngầm, nước thải…Trong đó, nguồn cho nhiệt là không khí tự nhiên vẫn chiếm tỉ trọng khá lớn so với các loại còn lại vì đây là các nguồn cho nhiệt có sẵn, dễ sử dụng, hệ thống dễ bảo trì và đặc biệt là ít tốn chi phí trong quá trình lắp đặt so với các loại còn lại

Hình 2.4 Phần trăm các nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [9] Tuy nhiên hiện nay, trước tình trạng thiếu hụt năng lượng trầm trọng ở nhiều khu vực trên thế giới vì các nguồn nhiên liệu hóa thạch để sản xuất năng lượng đang dần cạn kiệt, nên việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt có máy nén hơi nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng là su hướng tất yếu Và cũng vì vậy mà nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã tập trung phân tích, đánh giá ưu nhược điểm của các “nguồn cho nhiệt” nhằm nâng cao hiệu quả của bơm nhiệt có máy nén hơi Chính vì vậy mà một nguồn năng lượng mới, có sẵn trong thiên nhiên và có thể tái tạo được, đã được các nhà nghiên cứu sử dụng làm nguồn cấp nhiệt cho bơm nhiệt có máy nén hơi đó là năng lượng mặt trời Đây là một nguồn năng lượng hội tụ đầy đủ các yếu tố lý tưởng của một nguồn cho nhiệt, vì nó có nhiệt độ cao, trữ lượng lớn, có thể tái tạo, dễ sử dụng Khi sử dụng năng lượng mặt trời là nguồn cho nhiệt, thì thiết bị bay hơi của những hệ thống bơm nhiệt tích hợp năng lượng mặt trời phải được thiết kế khác hơn hoặc được đặt trong những hệ thống có thể hấp thụ được năng lượng mặt trời