báo cáo môn học năng lượng tái tạo

Đối với các ứng dụng ở quy mô dân cư, trong đó chi phí của dự án không đảm bảo chị phí mô phỏng, dự đoán hiệu suất có thể được thực hiện bằng các phương pháp “rút ngắn”, Các quy trình th

; BQ CONG THUONG oo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHÓ HỎ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

(A

INDUSTRIAL

J Fl UNIVERSITY OF

BAO CAO MON HỌC

MON: NANG LUONG TAI TAO

GVHD: Nguyén Hiéu Nghia

Sinh viên thực hiện:

Lê Đỗ Anh Khoa - 17031411

Lê Võ Thanh Trung — 18020621

Tran Quéc Dat — 20058951

Nguyễn Thanh Dat — 20057321

Tp Hỗ Chi Minh, ngay 25 thang 11 nam 2022

Nhan xét

asi0/9)I/62777Ẽ7557a.aa.a.a ¡¡ñï.i.iaia nẳẫ 1

Thiét ké hé thống hoat d6ng: 9)ì†::a4EHHAAIlaaiắđắiitititẳìẳìẳẨ1Ầ1ẦẢẳỶẢẳẢỒẢ 1

20.1 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ - 52 + 121 EE11E115127127121122171211 1121 1E c tre 1 20.2 PHƯƠNG PHÁP BIÊU ĐÔ fi ccccccsccsccssessessessvsssssssessssseessvsursessessussevsnsstsensevsassussevsnsseceseveecevens 2 20.3 BIÊU ĐÔ ƒCHO HỆ THÔNG CHẤT LỎNG 2-5 S11 SE127111121121121121 121.1121222 rye 6 20.4 BIEU DO f CHO HE THONG KHONG KHÍ - 1 2122 111111217112112112117112121 E111 raeg 12 20.5 DICH VU HE THONG NUGC NÓNG - S1 1111211 11221 1211121 101121 11kg l6 20.6 TÔNG HỢP VỀ BIÊU ĐÔ ƒ 55 1222212212121 T121 1E E211 tru 18 20.7 HE THONG BOM NHIET-NANG LUGNG MAT TROI SONG SONG ceeccsccsecsscsseeseeseesen 20 PUN.N\9) (€Sa3adddadddaaẢẢẢŸẢ 23

THAM KHẢO - S121 15 115111111111515121112111115 1111211121121 111 1181 E121 1n tt ra 24

CHUONG 20

Thiet ke hé thong hoat dong: f-Chart

Các câu hình hệ thông chất lỏng và không khí được mé ta trong Phan 13.2 1a cac cau hinh phổ biến và có nhiều thông tin cũng như kinh nghiệm làm cơ sở cho các thiết kế Đối với các ứng dụng ở quy mô dân cư, trong đó chi phí của dự án không đảm bảo chị phí mô phỏng, dự đoán hiệu suất có thể được thực hiện bằng các phương pháp “rút ngắn”, Các quy trình thiết kế

có sẵn cho nhiều hệ thống này đễ sử dụng và cung cấp các ước tính đầy đủ về hiệu suất nhiệt đài hạn Trong chương này, chúng tôi lưu ý ngắn gọn một số phương pháp này Phương pháp biểu đồ £ áp dụng để sưởi ấm các tòa nhà có nhiệt độ tối thiếu để cung cấp năng lượng là khoảng 20°C, được trình bày chỉ tiết Các phương pháp thiết kế hệ thống cung cấp năng lượng

ở các nhiệt độ tối thiêu khác, như gặp phải trong điều hòa không khí hấp thụ năng lượng mặt trời hoặc các ứng dụng nhiệt quy trình công nghiệp, được trình bày trong Chương 21

20.1 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẺ

Các phương pháp thiết kế cho các quá trình nhiệt mặt trời có thể được chia thành ba loại chung, tùy theo các gia định mà chúng dựa trên và cách thức thực hiện các tính toán Chúng tạo ra các ước tính về đầu ra hữu ích hàng năm của các quá trình năng lượng mặt trời, nhưng chúng 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 hoặc

có thê được ước tính và có thê thiết lập các mức bức xạ tới hạn Phương pháp đầu tiên trong số này, các phương pháp khả dụng, dựa trên phân tích dữ liệu thời tiét hang gid dé thu được tý lệ bức xạ của tông tháng cao hơn mức tới hạn.I Một ví dụ khác trong danh mục nảy là phương pháp bảng nhiệt của Morse như được mô tả bởi Proctor (1975) Đây là một bảng đơn giản về hiệu suất của bộ thu tích hợp như là một chức năng của các đặc tính, vị trí và hướng của bộ thu, 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 quả của một số lượng lớn các mô phỏng chí 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) tương quan với nhau dưới dạng các biến không thứ nguyên dễ tính toán Các kết quả của phương pháp 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 vận hành hệ thống; của Barley và Winn (1978), người đã sử đụng đường cong hai điểm dé thu được kết quả hàng năm phụ thuộc vào vị trí; và bởi Lamerro va Bendt (1978), những người cũng thu được kết quả hàng năm phụ thuộc vảo vị trí với sự phù hợp của đường cong ba điểm Các phương pháp SEU (Đơn vị năng lượng mặt trời của Đại học CardIf) của Kemna (1984a,b)

là các phương pháp tương quan được áp dụng để thiết kế các hệ thống sưởi ấm vòng hở và vòng kín Một ví dụ khác trong loại thứ hai là phương pháp của Phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos (Balcomb va Hedstrom, 1976), là mối tương quan giữa các đầu ra của mô phỏng cho các hệ thống cụ thê và hai loại bộ thu

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

1

phỏng một ngày trong xanh và một ngày nhiều mây, sau đó cân nhắc các kết quả theo mức độ mây trung bình đê có được ước tính hiệu suât hệ thông hàng tháng

Trong những năm gần đây, các mô phỏng hàng năm đang thay thế các phương pháp thiết kế

do tốc độ tính toán ngày cảng tăng của máy tính Tuy nhiên, các phương pháp thiết kế vẫn nhanh hơn nhiều và do đó rất hữu ích cho các nghiên cứu thiết kế ban đầu, nghiên cứu kiểu khảo sát tổng quát và thiết kế hệ thống khi mô phỏng quá đắt

20.2 PHƯƠNG PHÁP BIÊU ĐỎ ƒ

Phan này và các phân tiếp theo phác thảo phương pháp f-chart để ước tính hiệu suất nhiệt hàng năm của các hệ thống sưởi chủ động cho các tòa nhà (sử dụng chất lỏng hoặc không khí làm chất lỏng hoạt động) trong đó nhiệt độ tối thiêu của việc cung cấp năng lượng là gần 20C Các cấu hình hệ thống có thế được đánh giá bằng phương pháp f -chart đự kiến sẽ phổ biến trong các ứng dụng dân dụng

Phương pháp biêu đồ f cung cấp một phương tiện để ước tính tý lệ của tổng tải nhiệt sẽ được cung cập 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 lưu trữ, tốc độ dòng chất lỏng, tải và kích thước bộ trao đôi nhiệt bộ thu nhiệt Phương pháp này là

sự tương quan giữa các kết quả của hàng trăm mô phỏng hiệu suất nhiệt của các hệ thống sưởi

ấm bằng năng lượng mặt trời Các điều kiện của các mô phỏng được thay đôi trong phạm vi thích hợp của các tham số của các thiết kế hệ thông thực tế Các mối tương quan kết quả đưa ra

f, ty 16 tải nhiệt hàng tháng (để sưởi 4m không gian và nước nóng) được cung cấp bởi năng lượng mặt trời dưới dạng hàm của hai tham sô không thứ nguyên Một liên quan đến tý lệ tôn thất của bộ thu đối với tải sưởi âm và thứ hai liên quan đến tý lệ bức xạ mặt trời hấp thụ đối với tải sưởi ấm

Biéu đồ f đã được phát triên cho ba cấu hình hệ thống tiêu chuẩn, hệ thống chất lỏng và không khí đề sưởi ấm không gian (và nước nóng) va hệ thống chỉ _phục vụ nước nóng Sơ đồ nguyên lý của hệ thông sưởi ấm tiêu chuân sử dụng chất lỏng truyền nhiệt dạng lỏng được thê hiện trong Hình 20.2.1 Hệ thống này thường sử dụng dung dịch chống đông trong vòng thu gom và nước làm môi trường lưu trữ Bộ thu nhiệt có thể bị cạn kiệt khi năng lượng không được thu thập, trong trường hợp đó, nước được sử dụng trực tiếp trong bộ thu nhiệt và không cần bộ trao đổi nhiệt của bộ thu nhiệt Một bộ trao đôi nhiệt tải nước-không khí được sử dụng

đề truyền nhiệt từ bế chứa sang hệ thống phụ nước nóng (DHW) trong nước Mặc dù Hình 20.2.1 cho thấy hệ thống DHW hai bẻ, hệ thống một bề có thể được sử dụng như mô tả trong Phần 12.4 Lò sưởi phụ trợ được cung cấp đề cung cấp năng lượng cho phụ tải sưởi am không gian khi không thê đáp ứng được từ bình Phạm vi cho các biến thiết kế chính được sử dụng để phát triển các mối tương quan được đưa ra trong Bảng 20.2 l

Cấu hình tiêu chuân của hệ thống sưởi âm 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 đề cung cấp các chế độ hoạt động tương tự Năng lượng cần thiết cho DHW được cung cấp bởi bộ trao đôi 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 đề cho phép sưởi ấm nước vào mùa hè Phạm vi của các tham số thiết kế được sử dung dé phat triển các mối tương quan cho hệ thống này cũng được trình bày trong Bảng 20.2.1

heat exchanger Auxiliary

Hình 20.2.1 Sơ đồ cấu hình hệ thống tiêu chuẩn sử dụng phương tiện

truyền nhiệt và lưu trữ chất long Relief valve: van cứu trợ

Collector-storàe: bộ trao đổi nhiệt - lưu trữ

Water supply: bình cấp nước

Auxiliary: phụ trợ

House: nhà

Air supply: cung cấp khơng khí

Main storage tank: bé chita chinh

Pre-heat tank: bé gia nhiệt trước

Bảng 20.2.1 Phạm vi tham số thiết kế được sử dụng trong việc

phát triển biếu đồ ƒ cho hệ thống chất lỏng và khơng khí

Hình 20.2.2 Cấu hình hệ thống không khí tiêu chuẩn

Cầu hình tiêu chuân cho hệ thống đun nước nóng sinh hoạt bằng năng lượng mặt trời được thê 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 đề duy trì nước máy dưới nhiệt độ tối đa Những thay đổi này trong cầu hình hệ thống không có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống (xem Phan 12.4)

Relief valves Tempering valve

Hinh 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 chỉ tiết của các hệ thống này đã được sử dụng đề 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 =Dién tich bé thu (m”)

Fˆạ = Hệ số hiệu suất trao đôi nhiệt của bộ thu

U¿ = Hệ số tôn thất tông thê của bộ thu (W/m? °C)

At = Tổng số giấy trong tháng

"Tạ = Nhiệt độ môi trường trung bình hàng thang (°C)

T„.¿ = Nhiệt độ tham chiếu theo kinh nghiém (100°C)

L = Tong tai nhiệt hàng tháng cho sưởi âm không gian vả nước nóng (J)

= Số bức xạ trung binh tháng trên bề mặt bộ thu trên 1 đơn vị diện tích (1m?)

N = Ngày trong thang

(ta) = San pham truyén hap thu trung binh hang thang

Phuong trinh 20.2.1 va 20.2.2 co thê được viết lại thành:

H;N x — (20.2.4)

Trong đó FsU; và Fa(zơ); thu được từ kết quả thử nghiệm bộ thu gom bằng các phương pháp được nêu trong Chương 6 Tý lệ Fˆa /Fa điều chỉnh cho các mức giảm nhiệt độ khác nhau giữa bộ thu gom và bê chứa và được tính toán bằng các phương pháp được tóm tắt trong Chương 10 Tỷ lệ (z œ)⁄(z œ)n được ước tính bằng các phương pháp được nêu trong Mục 5 l0 Nhiệt độ không khí trung bình T a thu được từ các bản ghi khí tượng trong tháng và vi tri mong muốn, và Hr được tìm thấy từ bức xạ trung bình hàng ngày hàng tháng trên bề mặt của

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 biêu đồ f mà bất kỳ phương pháp cụ thê nào được sử dụng đề ước tính tải.) Khu vực thu gom là Ac Do đó, tat cả các số hạng trong hai phương trình này đều đễ dàng được xác định từ thông tin có săn Ngoài ra, từ phương trình

5.10.3 § có thể thay thé cho (t a) HT va sau do (1 œ)n triệt tiêu

Vi du 20.2.1

Một hệ thống sưởi ấm băng năng lượng mặt trời sẽ được thiết kế cho Madison, Wisconsin (vĩ độ 43s N), sử dụng bộ thu nhiệt mot lop c6 FR(ta)n = 0,74 và FRUL = 4,00 W/m? °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 đốc 60° so với phương ngang Bức xạ trung bình hàng ngày trên bề mặt 60° trong tháng 1 ở Madison là 13,7 M1/m2 (từ Ví dụ

2.19.1) 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 voi tat ca các tháng (xơ)/(xœ)n, tý lệ giữa tích số truyền qua-hấp thụ trung bình hàng tháng với tý lệ bình thường, được lấy băng 0,96 đối với bộ thu gom một lớp, như đã lưu ý trong Phần 5.10 (Tỷ lệ này có thê 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?

0.779 x 50 X=———— = 1.56

25 0.203 x 50

Y = ———— = 041

25

Nhu sé duoc trinh bay trong cac phan sau, cac bién X va Y duoc str dụng để xác dinh fi, phần phụ tải hàng tháng do năng lượng mặt trời cung cấp Năng lượng đóng góp trong tháng là tích cua fi va tai lượng nước nóng và sưởi âm hàng tháng Li Tỷ lệ tải nhiệt hàng năm do năng lượng mặt trời cung cấp F là tông của các khoản đóng góp năng lượng mặt trời hàng tháng chia cho tai hang nam:

20.3 BIEU DO f CHO HE THONG CHAT LONG

Đối với các hệ thống có cấu hình như trong Hình 20.2 1, ty lệ f của tổng tải hàng tháng đo

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 fở dạng phương trình là

f =1.029Y —0.065X — 0.245Y? + 0.0018XỶ + 0.0215Y3 (20.3.1)

Hinh 20.3.1; Biéu d6 fcho cac hé théng str dung phuong tién truyén nhiét và lưu trữ chất lỏng

tir Beck-man et al (1977)

Do bản chất của sự phù hợp với đường cong của công thức 20.3.1, 26 không nên được sử dụng ngoài phạm vì được thê hiện bởi các đường cong của hình 20.3.!1 Nêu một điêm được tính toán năm ngoài phạm vi này, biếu đồ có thê được sử dụng để ngoại suy với kết quả khả quan

fL = 0.28 x 36.0 = 10.1 GJ

Tỷ lệ tải nhiệt hăng năm do năng lượng mặt trời cung cấp được xác định bằng cách lặp lại phép tính X, Y và ƒ cho mỗi tháng và tính tông các kết quả đã được tính ở công thức 20.2.5 Bảng

hién 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:

Những điểm này có tọa độ năm ngoai pham vi twong quan cua biéu dé-f

Đề xác định khu vực thu gom tối ưu về kinh tế, phải xác định phần tải hàng năm đối với một

số khu vực thu gom khác nhau Phần tải hàng năm sau đó được vẽ dưới dạng một hàm của diện

tích bộ thu như trong hình 20.3.2 Thông tin trong hình này sau đó có thê được sử đụng đề tính

toán về kinh tế như trong chương II

Đối với hệ thống chất lỏng, tính toán ở đồ thị-ƒ có thể được sửa đồ đề ước tính những thay đối trong hiệu suât lâu dài do thay đôi dung tích bê chứ và đặc điềm của bộ trao đôi nhiệt Điều này được thực hiện bang cach sửa đôi các giá trị của X hoặc Y như được mô tả bên dưới

bệ thu

Đồ thị-⁄' được phát triển cho khả năng lưu trữ tiêu chuân là 75 lít chất lỏng trên một mét vuông bộ thu Hiệu suất của các hệ thống có dung tích lưu trữ trong khoảng 37.5 đến 300 líưm?

có thê được xác định bằng cách nhân nhóm không thứ nguyên X với hệ số hiệu chỉnh kích

thước lưu trữ X.⁄X từ hình 20.3.3 hoặc công thức 20.3.2:

Xe ( Dung lượng lưu trữ thực tế )ˆ

Với 0.5 < ( Dung lượng lưu trữ thực tế ) < 4.0 (20.3.2)

Dung lượng lưu trữ tiêu chuẩn

Ví dụ 20.3.2

Đối với các điều kiện của ví dụ 20.3 I, lượng năng lượng mặt trời thu được hàng năm sẽ là bao

nhiêu nêu thê tích chứa của bê tăng gâp đôi, lên 150 líitm”?

Hình 20.3.3 Hệ số hiệu chỉn kích thước bình chứ cho các hệ thống chất lỏng Dung tích

tiêu chuân là 75 lim”

Lời giải

Đề tính đến những thay đôi về dung lượng lưu trữ, giá trị của X được tính trong các ví dụ trước phải được sửa đôi băng cách sử dung hinh 20.3.3 hoặc công thức 20.3.2 Ty lệ kích thước lưu trữ thực tê so với kích thước tiêu chuân là 2.0, vì vậy:

Lap lai cac tinh toan nay tring 11 thang con lại sẽ cho tỉ lệ thu năng lượng mặt trời hàng năm là

0.49 (so với 0.47 đối với kích thước lưu trữ tiêu chuẩn)

10

Kích thước bộ trao đổi nhiệt tải:

Khi bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để làm nĩng khơng khí trong tịa nhà bị giảm kích thước, nhiệt độ bê chứa phải tăng lên đề cung cáo cùng một lượng nhiệt, đẫn đến nhiệt độ bộ thu cao hơn và giảm sản lượng bộ thu nhiệt Phép đo kích thước của bộ trao đổi nhiệt cần thiết cho một tịa nhà cụ thê được cung cấp bởi tham số khơng thứ nguyên £¡C„⁄(UA)› trong đĩ Ø¡ là hiệu

suất của bộ trao đơi nhiệt tải nước khơng khí, C„„„ là ty lệ điện dung chất lỏng tối thiểu (khối

lượng tốc độ dịng chảy nhân với nhiệt riêng của chất lỏng) trong bộ trao đổi nhiệt tải và nĩi chung là của khơng khí, và (UA), là hệ số tổn thất năng lượng tổng thế - tích diện tích cho tịa nhà được sử dụng trong tải trọng sưởi âm khơng gian theo độ ngày

Từ các cân nhắc về nhiệt, giá trị tối ưu của &iCm(UAb là vơ cùng Tuy nhiên, hiệu suất

hệ thong tiém can phụ thuộc vào giá trị của tham số này và đối với ELCmin/(UA)n > > 10, hiệu suất về cơ bản sẽ giống như hiệu suất đối với giá trị lớn vơ hạn Việc giảm hiệu suất do bộ troa

đổi nhiệt tải khơng quá lớn sẽ cĩ ý nghĩa đối với các giá trị #/C„„/(UA)¿ nhỏ hơn khoảng |

Giá trị thực tế của £,C„„/(UA thường nằm trong khoảng từ I đến 3 khi chi phí của bộ trao đơi nhiệt được xem xét Xem Beckman và cộng sự (1977) đề thảo luận thêm

Đồ thị-ƒ cho các hệ thờns chất lỏng được phát triển với ELCmnin/(UA)n = =2 Hiệu suất của

hệ thống cĩ các giá trị khác £LCm/(UAh cĩ thê được ước tính từ biêu đồ ƒ bằng cách sửa đối

Y bằng bộ trao đổi nhiệt tải hệ số hiệu chỉnh Y ⁄Y, như được chỉ ra trong cơng thức 20.3.3 hoặc hình 20.3.4:

Đối với các điều kiện của ví dụ 20.3.1, mức đĩng gĩp năng lượng mặt trời sẽ là bao nhiêu nếu

bộ trao đổi nhiệt tải được sử dụng trong các trường hợp sau: Lưu lượng dịng khí là 520 líts,

lưu lượng nước là 0.694 lít/s và bộ trao đơi nhiệt hiệu quả ở các tốc độ dịng chảy này là 0.69

Hệ số tốn thất năng lượng tổng thể của tịa nhà - tích số dién tich (UA), = 463 W/C