Đồ án mô phỏng bơm nhiệt và các giải pháp tiết kiệm năng lượng

Mô phỏng đánh giá hiệu quả thiết bị bơm nhiệt và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống HVAC

TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

Giới thiệu về bơm nhiệt

Biến đổi khí hậu hiện nay đang trở thành một trong những vấn đề cấp bách nhất Sự lạm dụng nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến việc phát thải 35,669 tỷ tấn khí CO2 vào môi trường vào năm 2014, gây ra những biến đổi nghiêm trọng cho môi trường và hệ sinh thái Trái Đất Theo IPCC, các hoạt động của con người, đặc biệt là việc đốt nhiên liệu, đang làm gia tăng lượng khí nhà kính, khiến nhiệt độ Trái Đất tăng cao Hệ quả của hiện tượng này sẽ là những tác động khó lường đối với khí hậu toàn cầu.

Hội nghị về biến đổi khí hậu do UNO tổ chức tại Indonesia đã thu hút sự tham gia của các đại biểu từ khắp nơi trên thế giới Tại đây, các đại biểu đã thảo luận sôi nổi và đạt được sự đồng thuận cao về các biện pháp mới nhằm ngăn chặn biến đổi khí hậu, phù hợp với nội dung và tinh thần của nghị định Kyoto.

Vào tháng 7 năm 2008, các nhà lãnh đạo G8 đã họp tại Nhật Bản để thảo luận về các biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, với tình trạng nóng lên toàn cầu là một vấn đề trọng tâm trong chương trình nghị sự.

Để cải thiện tình trạng môi trường ngày càng xấu đi trên Trái Đất, chúng ta cần giảm phát thải khí CO2 nhằm hạn chế nguy cơ nóng lên toàn cầu Điều này có thể đạt được bằng cách thay đổi thói quen sử dụng nhiên liệu hữu hạn và chuyển sang các nguồn năng lượng mới cũng như năng lượng tái tạo Trong số đó, năng lượng thu được từ môi trường thông qua bơm nhiệt có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Bơm nhiệt là giải pháp hiệu quả giúp giảm phát thải CO2 từ 40 đến 60% trong khu vực gia dụng và thương nghiệp So với các nguồn năng lượng như gas, dầu hay điện, bơm nhiệt mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội Quá trình chế tạo và vận hành bơm nhiệt được tự động hóa, đơn giản hóa việc sử dụng Đây là một trong những biện pháp tích cực nhất để đối phó với biến đổi khí hậu hiện nay, và với xu hướng tự động hóa, bơm nhiệt sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu trong tương lai.

Máy bơm nhiệt là thiết bị sử dụng nguyên lý nhiệt động lực học để chuyển nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác Cụ thể, bơm nhiệt hoạt động bằng cách tiêu tốn năng lượng để lấy nhiệt từ môi trường bên ngoài, sau đó nâng nhiệt độ nước lên cao, cung cấp nước nóng phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất.

Một thiết bị bơm nhiệt bao gồm bốn bộ phận chính: máy nén, dàn ngưng tụ, van tiết lưu và dàn bay hơi, cùng với một số thiết bị phụ như bình chứa cao áp và phễu lọc Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bơm nhiệt được thể hiện cụ thể trong hình 1.1 Thiết bị này tiêu tốn năng lượng ở máy nén, nhận nhiệt từ môi trường qua dàn bay hơi và thải nhiệt ra môi trường cần cấp nhiệt, thường là nước trong bình chứa.

Hình TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.1: Mô hình bơm nhiệt đun nước nóng

Trong thiết bị bơm nhiệt, máy nén đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện năng thành công, tiêu tốn một lượng năng lượng nhất định để nén môi chất Quá trình này giúp truyền nhiệt từ môi trường bên ngoài vào môi trường cần cung cấp nhiệt, như được thể hiện trong hình 1.2.

Hình TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.2: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

Ứng dụng của bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt công nghiệp đang trở thành công nghệ quan trọng trong việc giảm thiểu khí thải và tiết kiệm năng lượng, nhờ vào việc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện nay Sự phát triển này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn nâng cao hiệu quả kinh doanh, khiến máy bơm nhiệt ngày càng được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

+ Sưởi ấm: sưởi ấm các nhà kính hoặc các toà nhà công nghiệp, thường sử dụng nguồn nhiệt lấy từ nước thải công nghiệp.

Trong nhiều ngành công nghiệp, việc sản xuất nước nóng hoặc nước lạnh là rất cần thiết cho các quy trình sản xuất, lau rửa và vệ sinh khu vực làm việc Nguồn nước nóng này thường được cung cấp bởi các máy bơm nhiệt công nghiệp, trong khi những máy bơm nhiệt thuận nghịch cũng có khả năng làm lạnh nước.

Máy bơm nhiệt được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp sấy khô và hút ẩm ở nhiệt độ thấp và trung bình, như sấy khô bột giấy và thực phẩm Những thiết bị này thường có hệ số hiệu quả năng lượng (COP) cao, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm so với các phương pháp sấy khô truyền thống Đặc biệt, máy bơm nhiệt giúp giảm thiểu sự bay mùi của thực phẩm nhờ quy trình sấy khô hoàn toàn khép kín, đồng thời ngăn chặn sự xâm nhập của mùi hôi, bụi bẩn và tạp chất từ môi trường bên ngoài.

Trong ngành công nghiệp hóa học và sản xuất thực phẩm, quá trình bay hơi và chưng cất tiêu tốn một lượng lớn năng lượng Việc sử dụng máy bơm nhiệt công nghiệp không chỉ giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ mà còn nâng cao hiệu quả năng lượng, mang lại lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường.

Trong ngành công nghiệp sấy khô, làm bay hơi và chưng cất, việc tái chế hơi nước trong quá trình vận hành máy bơm nhiệt là rất quan trọng Đối với các ứng dụng sưởi ấm và sản xuất hơi nước, máy bơm nhiệt thường sử dụng nguồn nhiệt từ nước xả, nước thải và nước ngưng Tuy nhiên, do nhiệt lượng từ những nguồn này thường không ổn định, cần thiết phải xây dựng các kho lưu trữ nhiệt lượng để đảm bảo hoạt động ổn định cho máy bơm nhiệt.

Thị trường bơm nhiệt gia dụng đã có sự phát triển mạnh mẽ ngay cả trong cuộc khủng hoảng tài chính toàn cầu 2007-2008, khi lượng tiêu thụ điều hòa không khí giảm xuống chỉ còn 25% so với trước đó Điều này cho thấy sự bền vững và tiềm năng tăng trưởng của ngành bơm nhiệt trong bối cảnh kinh tế khó khăn.

Bơm nhiệt là thiết bị quan trọng để cung cấp nước nóng sinh hoạt và sưởi ấm gia đình, hiện có hai loại chính: bơm nhiệt nước (WTW) và bơm nhiệt không khí (ATW) Bơm nhiệt nước, hay còn gọi là bơm nhiệt địa nhiệt, hoạt động ổn định và hiệu quả cao, nhưng có cấu tạo phức tạp và chi phí lắp đặt cao Ngược lại, bơm nhiệt không khí với kết cấu đơn giản đang phát triển mạnh mẽ trên thị trường hiện nay.

Ngoài các loại bơm nhiệt WTW và ATW, thị trường còn phát triển các máy điều hòa không khí 2 chiều tích hợp bơm nhiệt Đặc biệt, bơm nhiệt gia dụng 3 trong 1 đang được nghiên cứu, cho phép sưởi ấm, đun nước nóng và làm mát hiệu quả Các bơm nhiệt đa chức năng không chỉ cung cấp sưởi ấm và làm mát mà còn có khả năng đun nước nóng, hoạt động như tủ lạnh và tủ đông Đặc biệt, một số sản phẩm còn kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời và sử dụng máy nén biến tần duy nhất, mang lại hiệu quả năng lượng cao.

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt đun nước nóng

Hình TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.3: Đồ thị logp-i biểu diễn chu trình làm việc của bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt bao gồm bốn bộ phận chính: máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu và thiết bị bay hơi, tạo thành một chu trình kín được biểu diễn trên đồ thị logp-i Trong chu trình này, môi chất luân chuyển có nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng từ môi trường bên ngoài đến môi trường tiếp nhận Đầu tiên, môi chất lạnh ở dạng hơi quá nhiệt được đưa vào máy nén.

Trong quá trình nén, nhiệt độ và áp suất của môi chất tăng, trong khi thể tích riêng giảm Môi chất ra khỏi máy nén ở trạng thái hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao Quá trình nén gần như là đoạn nhiệt, nhưng thực tế có những tổn thất năng lượng không mong muốn, dẫn đến entropi của môi chất đầu ra cao hơn so với đầu vào, làm giảm hiệu quả năng lượng của chu trình Hiện nay, các thiết bị máy nén đang được tối ưu hóa để hạn chế những tổn thất này và nâng cao hiệu suất hoạt động.

Sau khi nén, môi chất lạnh được đưa vào bình ngưng tụ, nơi nó nhả nhiệt cho nước, trở thành dạng lỏng quá lạnh để phục vụ nhu cầu sinh hoạt, kinh doanh và công nghiệp Tiếp theo, môi chất lạnh đi đến van tiết lưu, nơi nó chuyển từ trạng thái lỏng quá lạnh với áp suất cao sang trạng thái hơi bão hòa ẩm với áp suất và nhiệt độ thấp Quá trình tiết lưu này được coi là một quá trình đẳng entanpi.

Môi chất lạnh ở dạng hơi bão hòa ẩm với áp suất thấp sẽ được đưa vào thiết bị bay hơi, nơi nó nhận nhiệt từ môi trường thông qua quá trình trao đổi nhiệt với không khí Sau khi hấp thụ nhiệt, môi chất chuyển thành hơi quá nhiệt áp suất thấp và tiếp tục di chuyển vào đầu hút máy nén để thực hiện các chu trình tiếp theo.

Tổng quan về bơm nhiệt sản xuất nước nóng và mục đích của đề tài

Biến đổi khí hậu đang diễn ra phức tạp với sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch và gia tăng khí thải nhà kính Các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng CO2 lớn, góp phần vào ô nhiễm môi trường và sự phát triển của vi sinh vật đột biến Việc tiết kiệm năng lượng điện không chỉ giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch mà còn giảm khí thải, bảo vệ môi trường và tạo ra không gian sống lành mạnh cho nhân loại Bơm nhiệt được coi là một giải pháp hiệu quả trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo.

Bơm nhiệt sản xuất nước nóng đang trở thành lựa chọn phổ biến trên toàn cầu nhờ vào chi phí năng lượng thấp và hiệu quả hoạt động cao So với phương pháp dùng điện trở, bơm nhiệt tiêu thụ chỉ khoảng một phần ba điện năng Tuy nhiên, cấu tạo phức tạp và sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố khiến mức tiết kiệm năng lượng của bơm nhiệt thay đổi theo điều kiện hoạt động Hệ số hiệu quả năng lượng COP, tỷ lệ giữa nhiệt lượng nhận được và điện năng tiêu thụ, phụ thuộc vào nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi và nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ COP tăng khi nhiệt độ không khí tăng và nhiệt độ nước giảm, với độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt nóng và lạnh càng nhỏ thì COP càng lớn Tại Việt Nam, nhiệt độ môi trường biến đổi mạnh theo mùa, với miền Bắc có thể xuống dưới 5°C vào mùa Đông và lên tới gần 40°C vào mùa Hè, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của bơm nhiệt.

COP của bơm nhiệt cũng rất khác nhau Ngoài ra, hoạt động và COP của bơm nhiệt phụ thuộc nhiều bởi nhiệt độ nước nóng đi vào bơm nhiệt

Việc đánh giá hiệu quả năng lượng (COP) của bơm nhiệt dựa trên nhiệt độ nước và nhiệt độ môi trường là cần thiết để xác định hiệu quả năng lượng tại từng vị trí địa lý, giúp giải quyết bài toán kinh tế về thời gian thu hồi vốn và hiệu quả dự án Nghiên cứu này cho phép xác định thời điểm vận hành tối ưu và các khu vực địa lý có hiệu quả cao nhất, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng tại Việt Nam.

Với sự gia tăng quy mô sử dụng và xu hướng phát triển bơm nhiệt sản xuất nước nóng trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam, các kết quả nghiên cứu từ đề tài này có thể được triển khai và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực.

Tổng quan tình hình nghiên cứu về bơm nhiệt trong nước

Nghiên cứu ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng đang thu hút sự quan tâm và đầu tư từ nhiều nhóm nghiên cứu trong nước Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này đã được thực hiện và mang lại những kết quả đáng chú ý.

PGS.TS Nguyễn Đức Lợi (2010), nghiên cứu bơm nhiệt cấu tạo, hoạt động của bơm nhiệt đun nước nóng và bơm nhiệt đa năng;

PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng (2012) đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế thiết bị đun nước nóng sử dụng bơm nhiệt, đồng thời thực hiện các thí nghiệm để khảo sát ứng dụng của bơm nhiệt trong việc làm nóng nước.

TS Tạ Văn Chương (2016) đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt sản xuất nước nóng, nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng của thiết bị này trong các điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm các mức nhiệt độ nước và nhiệt độ môi trường khác nhau.

PGS.TS Nguyễn Nguyên An và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về lý thuyết và thuật toán mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng với dàn ngưng tụ trong bình chứa ở chế độ không ổn định, cũng như chế tạo bơm nhiệt cho gia đình và xây dựng hệ thống sản xuất nước nóng kết hợp bộ thu năng lượng mặt trời (NLMT) và bơm nhiệt Đặc biệt, vào năm 2013, nhóm nghiên cứu đã thành công với đề tài cấp nhà nước về thiết kế và chế tạo hệ thống cung cấp nước

Tổng kết lại, hiện tại, các nghiên cứu về hiệu quả sử dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng ở Việt Nam vẫn còn nhiều thiếu sót và chưa đầy đủ, rõ ràng trong điều kiện thời tiết và thói quen sử dụng phổ biến.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về bơm nhiệt sản xuất nước nóng nhằm xây dựng mô hình mô phỏng và nghiên cứu hoạt động của bơm nhiệt trong các điều kiện khí hậu và yêu cầu nhiệt độ nước nóng khác nhau Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ nước vào dàn ngưng và nhiệt độ môi trường đến hệ số hiệu quả năng lượng COP, từ đó đánh giá hiệu quả thiết bị trong chế độ vận hành ổn định và tổng điện năng tiêu thụ khi sử dụng bơm nhiệt so với điện trở Kết quả nghiên cứu sẽ giúp đánh giá hiệu quả sử dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng tại các tỉnh thành Việt Nam, đồng thời đưa ra các kết luận và đề xuất hợp lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu và phát triển mô hình mô phỏng bơm nhiệt nhằm sử dụng số liệu thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh Mô hình này giúp phân tích hoạt động của bơm nhiệt trong việc sản xuất nước nóng dưới các điều kiện nhiệt độ môi trường và yêu cầu nước nóng khác nhau, từ đó đánh giá hiệu suất năng lượng và mức tiêu thụ năng lượng của bơm nhiệt theo các điều kiện khí hậu tại các tỉnh thành Việt Nam Qua đó, nghiên cứu sẽ so sánh hiệu quả của bơm nhiệt ở từng vùng khí hậu và lượng điện năng tiết kiệm được so với thiết bị điện trở.

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

Giới thiệu các phương pháp mô phỏng

Trong nghiên cứu này, có hai phương pháp chính để mô phỏng bơm nhiệt: phương pháp kết hợp, trong đó mô phỏng từng bộ phận và sự tương tác của chúng với môi trường, và phương pháp hàm đặc tính, sử dụng bảng thông số hoạt động từ thực tế hoặc nhà sản xuất Phương pháp kết hợp cung cấp thông tin chi tiết về ưu nhược điểm của từng bộ phận, nhưng yêu cầu nhiều công sức và thời gian để đạt độ chính xác cao Ngược lại, phương pháp hàm đặc tính dễ dàng đạt độ chính xác nhưng không hỗ trợ cải tiến thiết kế Do đó, phương pháp đầu tiên thường được áp dụng trong nghiên cứu phát triển bơm nhiệt mới, trong khi phương pháp thứ hai thường được sử dụng cho phân tích tiêu thụ năng lượng trong hệ thống lớn hơn.

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một phần mềm mô phỏng để nghiên cứu hoạt động của bơm nhiệt, nhằm hiểu rõ hơn sự tương tác giữa các bộ phận và ảnh hưởng của từng bộ phận đến hiệu suất chung của máy Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp mô phỏng kết hợp, đồng thời mở rộng ứng dụng và tăng độ chính xác của quá trình mô phỏng bằng cách áp dụng phương pháp hàm đặc tính Phương pháp này cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu khác bằng cách xử lý chúng dưới dạng hàm đặc tính để tích hợp vào mô hình.

Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp kết hợp

2.2.1 Mô phỏng thiết bị ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ diễn ra ở áp suất không đổi (p k) trong suốt quá trình trao đổi nhiệt Môi chất lạnh, sau khi nén ở trạng thái hơi quá nhiệt với nhiệt độ cao và áp suất p k (điểm 2r), được đưa vào thiết bị ngưng tụ Tại đây, nó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với nước trong bình chứa, dẫn đến sự chuyển đổi từ hơi quá nhiệt (điểm 2r) sang hơi bão hòa khô (điểm 3”) và sau đó là hơi bão hòa ẩm (từ điểm 3).

Tại điểm 3’, môi chất lạnh chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng sôi và cuối cùng trở thành dạng lỏng quá lạnh ở điểm 3 Trong thiết bị bơm nhiệt cấp nước nóng, quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh diễn ra trong thiết bị ngưng tụ, được thể hiện trên đồ thị logp – i như hình 2.1.

Hình NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.4: Quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trên đồ thị logp-i

Môi chất được đưa ra khỏi máy nén thực và chuyển vào thiết bị ngưng tụ, trong khi môi chất lý thuyết thoát ra khỏi máy nén Tại đây, môi chất sẽ ở trạng thái bão hòa khô và sau đó chuyển sang trạng thái lỏng sôi.

3: môi chất ở trạng thái lỏng quá lạnh ra khỏi dàn ngưng và đi vào van tiết lưu.

Quá trình ngưng tụ là một quá trình đẳng áp, trong đó môi chất lạnh chuyển từ trạng thái 2r về điểm 3 (hình 2.1) Công suất nhiệt ngưng tụ riêng được xác định theo công thức (2.1).

Giả sử độ quá nhiệt và độ quá lạnh là hằng số, giá trị của i3 chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ tk Trong khi đó, giá trị của i2r phụ thuộc vào cả nhiệt độ ngưng tụ tk và nhiệt độ bay hơi to.

Lượng nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và thành ống phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt Khi hơi môi chất lạnh chuyển từ trạng thái hơi quá nhiệt sang hơi bão hòa khô, hệ số trao đổi nhiệt giữa hơi và thành ống thấp Tuy nhiên, trong quá trình ngưng tụ từ hơi bão hòa khô thành lỏng sôi và tiếp tục giải phóng nhiệt để trở thành lỏng quá lạnh, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của môi chất tăng lên đáng kể Để nâng cao độ chính xác trong việc tính toán lượng nhiệt ngưng tụ, quá trình trao đổi nhiệt trong dàn ngưng được chia thành hai giai đoạn.

Quá trình trao đổi nhiệt một pha của hơi quá nhiệt diễn ra khi môi chất lạnh nhả nhiệt và chuyển đổi từ trạng thái hơi quá nhiệt sang hơi bão hòa khô Trong giai đoạn này, quá trình trao đổi nhiệt chủ yếu diễn ra thông qua cơ chế trao đổi nhiệt đối lưu của dòng một pha.

Quá trình ngưng là quá trình chuyển đổi của môi chất lạnh từ trạng thái hơi bão hòa khô sang lỏng sôi, và sau đó thành lỏng quá lạnh Quá trình ngưng tụ diễn ra từ điểm 3” (hơi bão hòa khô) đến điểm 3’ (lỏng sôi) Trong tính toán, quá trình này thường được xem là sự thay đổi trạng thái của môi chất lạnh từ điểm 3” đến điểm 3.

2 phần như trên, lượng nhiệt tỏa ra từ môi chất lạnh khi ngưng cũng được chia làm 2 thành phần tương ứng được xác định bởi hệ phương trình (2.2), (2.3) và (2.4).

Trong dàn ngưng tụ, khi môi chất lạnh di chuyển trong ống xoắn ruột gà, lực ly tâm của các hạt lỏng và hơi bão hòa khô là tương đương, nhưng khối lượng riêng của hạt lỏng lớn hơn nhiều so với hơi, khiến chúng bị cuốn sát vào vòng ngoài của ống Nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi khác nhau sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng, thể tích riêng và các thông số vật lý của môi chất lạnh, dẫn đến sự thay đổi tốc độ, hệ số đồng dạng và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên trong ống Dọc theo chiều dài của thiết bị, môi chất trong dàn ngưng tụ sẽ nhả nhiệt ra môi trường và dần ngưng tụ thành dạng lỏng, làm tăng độ dày lớp lỏng trên thành ống Đối với các thiết bị tĩnh, hệ số trao đổi nhiệt giảm dần, trong khi khối lượng riêng của dòng môi chất bên trong thiết bị ngưng tụ cũng tăng theo, theo phương trình liên tục.

Vận tốc chuyển động của dòng môi chất giảm dần theo chiều dài của thiết bị ngưng tụ, như thể hiện trong hình 2.2.

Hình NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG BƠM NHIỆT SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.5: Tốc độ của dòng môi chất đi trong dàn ngưng

Trong quá trình ngưng tụ từ hơi bão hòa khô thành lỏng sôi, lớp môi chất lỏng trên thành ống tăng dần theo chiều dài dòng chảy, dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giảm dần trong dàn ngưng tụ Hệ số này có thể được mô tả bằng công thức (2.6) cho loại ống đứng với môi chất ở trạng thái tĩnh.

Trong đó λ, δ x , r, ρ, g, v, t s , t w , x lần lượt là hệ số dẫn nhiệt của lớp lỏng

Trong nghiên cứu này, các yếu tố quan trọng bao gồm độ dẫn nhiệt [W/mK], chiều dày lớp lỏng [m], bán kính ống [m], khối lượng riêng lớp lỏng [kg/m³], gia tốc trọng trường [m/s²], độ nhớt động học [m²/s], nhiệt độ sôi [°C], nhiệt độ vách ống [°C] và vị trí xét từ điểm 3” [m] Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Mặt khác hệ số truyền nhiệt theo chiều dài của thiết bị được tính toán như công thức (2.7).

Trong bài viết này, các ký hiệu d1 và d2 lần lượt đại diện cho đường kính bên trong và bên ngoài ống của dàn ngưng, được đo bằng mét Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của môi chất bên trong và bên ngoài ống được ký hiệu là α1 và α2, với đơn vị là kW/m²K Cuối cùng, λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm dàn ngưng, cũng được tính bằng kW/mK.

Hệ số truyền nhiệt k [kW/m² K] thay đổi dọc theo chiều dài của thiết bị ngưng tụ, ảnh hưởng đến lượng nhiệt trao đổi giữa dòng môi chất bên trong và nước trong bình chứa Lượng nhiệt này có thể được tính toán theo công thức (2.8).

Trong bài viết này, các ký hiệu x, k(x) và Δt(x) được định nghĩa như sau: x là vị trí của điểm xét trên dàn ngưng tính bằng mét [m], k(x) là hệ số truyền nhiệt theo chiều dài ống tại vị trí x được đo bằng kilowatt trên mét vuông trên kelvin [kW/m²K], và Δt(x) là độ chênh nhiệt độ giữa môi chất và nước tại vị trí x, được thể hiện bằng độ Celsius [°C].

Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp hàm đặc tính

Để mô phỏng bơm nhiệt một cách chi tiết, cần thu thập nhiều thông số cấu tạo của thiết bị Khi có bảng thông số hoạt động từ thực nghiệm hoặc nhà sản xuất, phương pháp mô phỏng sẽ dựa vào các bảng này Đặc biệt, để mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng, các hàm số mô tả năng suất nhiệt và công suất điện được xây dựng dựa trên nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi (t kk,v) và nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ (t n,v) Theo nghiên cứu của S K Fischer và C K Rice, năng suất nhiệt của bơm nhiệt có thể được biểu diễn dưới dạng hàm đặc tính.

Trong công thức mô tả đặc tính của bơm nhiệt, các hệ số c1, c2, c3, c4, c5, c6 đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán năng suất nhiệt trong các chế độ khác nhau Để xác định các hệ số này, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm việc khai thác bảng thông số hoạt động, sử dụng môi trường lập trình EES, Excel, hoặc các phần mềm toán học để giải hệ phương trình và tìm ra các hệ số trong hàm đặc tính của bơm nhiệt.

Mô phỏng bơm nhiệt nước nóng sử dụng môi chất R134a

Trong điều kiện hoạt động tại Việt Nam với nhiệt độ môi trường từ 5 oC đến 38 oC và nhiệt độ nước nóng yêu cầu từ 45 oC đến 60 oC, môi chất R134a là lựa chọn phù hợp R134a có khả năng hoạt động ở nhiệt độ ngưng tụ trên 70 oC, giá thành rẻ và chỉ số ODP bằng 0, giúp bảo vệ tầng ozon Với nhiệt ẩn ngưng tụ lớn, thiết bị sử dụng R134a trở nên nhỏ gọn và an toàn, vì nhiệt độ cuối tầm nén dưới 90 oC đảm bảo độ nhớt của dầu trong máy nén Nhiệt độ tự cháy của R134a lên đến 743 oC, cho thấy tính an toàn trong điều kiện vận hành bình thường Đối với quá trình bơm nhiệt, chúng ta sẽ xem độ quá lạnh và độ quá nhiệt là hằng số Máy nén pistong MTZ18-5 của Danfoss, sử dụng R134a, có phạm vi hoạt động từ -10 oC đến 20 oC cho độ bay hơi và từ 40 oC đến 55 oC cho nhiệt độ ngưng tụ Tại các điểm thực nghiệm, độ quá lạnh và độ quá nhiệt đều không đổi theo tiêu chuẩn ARI, với giá trị Δt qn = 1 oC và Δt ql = 8,3 oC.

2.4.1 Tìm nhiệt độ ngưng tụ t k và nhiệt độ bay hơi t o của chu trình

Dựa vào các công thức mô tả nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi được xác định thông qua hệ phương trình cân bằng nhiệt.

Các giá trị k bh, F bh, f ng, k nt,ng, F nt, k nt,qn là các thông số cố định phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị Trong khi đó, các đại lượng khác lại phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ t k và nhiệt độ bay hơi t o Chúng ta sẽ diễn đạt tất cả các đại lượng này dưới dạng hàm liên quan đến nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi.

Công nén thực được xác định bằng cách so sánh công nén lý thuyết với hiệu giữa công suất nén riêng thực và công suất nén riêng lý thuyết, được tính theo công thức (2.62).

(2.62) Như cậy công suất nhiệt ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ có thể viết dưới dạng như (2.63).

Lưu lượng khối lượng khối lượng môi chất lạnh m r được xác định thông qua nhiệt độ bay hơi t o qua công thức sau:

Giá trị thể tích lý thuyết của máy nén được xác định dựa trên các thông số cấu tạo và là hằng số đã cho Hiệu suất thể tích λ được biểu diễn dưới dạng hàm số, phụ thuộc vào áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi.

Giá trị của các hệ số a λ, b λ, c λ là các hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của máy nén, được coi là cố định Áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi được biểu diễn theo nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi thông qua phần mềm tối ưu tablecurves 2D.

Thay các công thức tính áp suất ngưng tụ p k (2.64) và áp suất bay hơi p o

Bằng cách thay thế (2.65) vào phương trình (2.63), chúng ta có thể xác định hiệu suất thể tích dựa trên nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi Tiếp theo, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Tablecurve 2D để tối ưu hóa hàm số biểu diễn thể tích riêng tại điểm 1, v1, theo nhiệt độ bay hơi t0 như được mô tả trong (2.68).

Kết hợp các công thức từ (2.62) đến (2.66), chúng ta có thể xác định phương trình lưu lượng khối lượng thực m r dựa trên nhiệt độ ngưng tụ t k và nhiệt độ bay hơi t o.

Tiếp theo, entanpi điểm 1, i 1 được biểu diễn theo nhiệt độ bay hơi t o như (2.69).

Do độ quá lạnh là không đổi nên entanpi điểm 3 (i 3 ) được biểu diễn theo nhiệt độ ngưng tụ t k như (2.70).

Chúng ta sẽ tiến hành tối ưu hóa hàm số entanpi tại điểm 2s dựa trên entropi tại điểm 1 (s1) và áp suất ngưng tụ pk, sử dụng phần mềm Tablecurve 3D.

Trong công thức (2.69), entanpi của điểm 2s được xác định dựa trên áp suất ngưng tụ pk và entropi của điểm 1 (s1) Để biểu diễn entanpi của điểm 2s theo nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi, cần phải chuyển đổi entropi của điểm 1 theo nhiệt độ bay hơi to và áp suất ngưng tụ pk theo nhiệt độ ngưng tụ tk (2.64) Việc tối ưu hóa entropi của điểm 1 theo nhiệt độ bay hơi to được thực hiện thông qua phần mềm Talblecurve 2D như được nêu trong (2.72).

Kết hợp các công thức từ (2.62) đến (2.72), hệ phương trình (2.61) có thể được chuyển đổi thành dạng hai phương trình hai ẩn với các biến t o và t k Việc giải hệ phương trình này cho phép chúng ta xác định nhiệt độ ngưng tụ t k và nhiệt độ bay hơi t o.

Khi xác định được t o và t k, chúng ta có thể dễ dàng xác định trạng thái các điểm nút trong chu trình hoạt động của bơm nhiệt Từ các công thức (2.64), (2.65) và (2.68), ta tính được lưu lượng khối lượng thực tế m r Kết hợp với công thức (2.62) và (2.63), chúng ta có thể xác định công suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ Q k cũng như công suất nén thực.

2.4.2 Tính COP của hệ thống bơm nhiệt

Ta có hệ số hiệu quả bơm nhiệt COP được xác định theo công thức (2.73).

Giá trị công suất nhiệt ngưng tụ và công nén thực được xác định từ các mục trước, trong khi hiệu suất điện và hiệu suất cơ ít bị ảnh hưởng bởi chế độ hoạt động, được xem như các hằng số tùy thuộc vào loại máy nén Nhờ đó, có thể dễ dàng xác định hệ số hiệu quả năng lượng COP cho từng chế độ hoạt động của thiết bị.

COP CỦA BƠM NHIỆT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAU TẠI VIỆT NAM

Đánh giá hiệu quả năng lượng theo điều kiện hoạt động của thiết bị

Để đánh giá hiệu quả năng lượng của thiết bị, tôi sẽ phát triển một chương trình mô phỏng trên nền tảng lập trình EES Chương trình này sẽ bao gồm tất cả các thông số cấu tạo và các hàm đặc tính của thiết bị bơm nhiệt Kết quả tính toán sẽ dựa trên các công thức liên hệ giữa các bộ phận trong thiết bị bơm nhiệt và mối quan hệ với môi trường làm việc được thiết lập ở chương 2 Đầu vào của chương trình là nhiệt độ môi trường t kk và nhiệt độ nước vào dàn ngưng t n, trong khi đầu ra sẽ bao gồm các thông số như nhiệt độ ngưng tụ t k, nhiệt độ bay hơi t o và công suất điện tiêu thụ.

N el , công suất nhiệt Q k , công suất lạnh Q o , và hệ số hiệu quả năng lượng COP như trên giao diện của chương trình được biểu diễn trong hình 3.1.

Hình COP CỦA BƠM NHIỆT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAU

TẠI VIỆT NAM.14: Giao diện chương trình mô phỏng bơm nhiệt

Chương trình hỗ trợ tạo bảng tính toán nhanh chóng và hiệu quả, giúp xác định các thông số hoạt động của thiết bị một cách đơn giản Kết quả tính toán có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị, giúp hình dung rõ ràng sự tương tác giữa các đại lượng đầu vào và đầu ra Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát hiện khuyết điểm và sai phạm, từ đó đưa ra giải pháp phát triển và cải tiến thiết kế thiết bị mới, nâng cao hiệu quả hoạt động.

Chương trình mô phỏng bơm nhiệt không chỉ cung cấp kết quả mà còn giúp xác định hàm đặc tính của bơm nhiệt Bằng cách tính toán công suất nhiệt ở các điều kiện hoạt động khác nhau, chương trình này cho phép tìm ra các hệ số trong hàm đặc tính, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của bơm nhiệt.

Nhiệt độ môi trường t kk được đo bằng cảm biến nhiệt độ, với giả định rằng nhiệt độ nước trong bình chứa đồng nhất ở mọi vị trí Dựa trên hàm đặc tính của thiết bị bơm nhiệt đã được trình bày trong chương 2, có thể nhận thấy rằng hàm đặc tính này có thể được biểu diễn dựa trên nhiệt độ nước tại mỗi thời điểm xác định.

Ngoài ra công suất nhiệt của bơm nhiệt còn có thể biểu diễn bằng lượng biến thiên entanpi của nước như (3.2).

Trong đó, V; ρ; C p lần lượt là thể tích bình chứa [m 3 ], khối lượng riêng của nước [kg/m 3 ] và nhiệt dung riêng của nước thường lấy giá trị là 4,186 [kJ/kgK].

Việc sử dụng bơm nhiệt trong gia đình để cung cấp nước nóng cho tắm rửa thường diễn ra không liên tục và chỉ trong khoảng thời gian nhất định Để tiết kiệm năng lượng, bơm nhiệt được khởi động khi có nhu cầu, bắt đầu từ nhiệt độ môi trường và tăng dần cho đến khi đạt nhiệt độ yêu cầu trong bình chứa Trong quá trình này, hệ số hiệu suất năng lượng (COP) chỉ phản ánh hiệu quả tức thời của thiết bị Để đánh giá toàn bộ quá trình hoạt động và cải thiện tính chính xác của hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt khi cảm biến nhiệt bị hỏng, chúng ta cần xác định thời gian cần thiết để cấp nhiệt cho nước và tự động ngắt thiết bị sau khoảng thời gian đã xác định.

Kết hợp với chương trình mô phỏng thiết bị bơm nhiệt, chúng ta có thể xác định nhiệt độ nước theo thời gian đun ở các nhiệt độ môi trường khác nhau, cụ thể với dung tích bình chứa 100 lít Dưới các điều kiện vận hành khác nhau, bảng 3.1 trình bày nhiệt độ nước trong bình, công suất nhiệt, công suất điện tiêu thụ và hệ số hiệu quả năng lượng COP của thiết bị theo thời gian tương ứng với nhiệt độ môi trường.

Nhiệt độ môi trường, tkk

Thời gian đun, τ (s) Công suất nhiệt, Qk

Bảng COP CỦA BƠM NHIỆT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAU TẠI VIỆT NAM.2: Nhiệt độ nước trong bình chứa theo thời gian vận hành

Nhiệt độ nước trong bình chứa thay đổi theo từng mức nhiệt độ môi trường trong quá trình vận hành thiết bị Dựa trên kết quả từ bảng 3.1, đồ thị trong hình 3.2 minh họa sự biến đổi nhiệt độ nước theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ môi trường khác nhau.

TẠI VIỆT NAM.15: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ nước theo thời gian đun

Công suất nhiệt của thiết bị thay đổi theo nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước trong bình chứa Khi nhiệt độ nước biến đổi trong quá trình vận hành, công suất nhiệt cũng sẽ thay đổi tương ứng Bằng cách kết hợp bảng 3.1 và chương trình mô phỏng bơm nhiệt, chúng ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa công suất nhiệt và thời gian vận hành theo nhiệt độ môi trường, như thể hiện trong hình 3.3.

TẠI VIỆT NAM.16: Công suất nhiệt của thiết bị theo thời gian đun

Hệ số COP của thiết bị bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước trong bình chứa, với sự thay đổi theo thời gian vận hành Khi nhiệt độ nước tăng dần theo thời gian đun, hệ số COP cũng sẽ biến đổi tương ứng với từng nhiệt độ môi trường khác nhau Dựa trên bảng thông số tính toán 3.1, đồ thị biểu diễn hệ số COP theo thời gian đun và nhiệt độ môi trường được thể hiện trong hình 3.4.

Trong quá trình vận hành thiết bị tại Việt Nam, hệ số COP theo thời gian đun cho thấy nhiệt độ của nước trong bình tăng dần, dẫn đến sự thay đổi trong công suất điện tiêu thụ Để đánh giá hiệu quả, có thể dựa vào biểu đồ điện năng tiêu thụ theo thời gian đun tương ứng với từng nhiệt độ môi trường Hình 3.5 minh họa rõ nét sự biến thiên của công suất điện tiêu thụ trong suốt thời gian hoạt động của thiết bị.

TẠI VIỆT NAM.18: Công suất điện tiêu thụ theo thời gian

Dựa vào hình 3.5, công suất điện tiêu thụ biến đổi theo thời gian, với mỗi nhiệt độ môi trường tương ứng có một đường biểu diễn công suất theo thời gian Trong khoảng thời gian đun ngắn, nhiệt độ môi trường có thể coi là không đổi Do đó, tổng điện năng tiêu thụ được xác định theo công thức (3.4).

Công suất điện tiêu thụ theo thời gian được biểu diễn bằng N el (τ) [kW], dựa trên bảng số liệu tính toán 3.1 và phần mềm Tablecurve 2D Hàm số này cho phép xác định công suất nhiệt theo thời gian, và tổng điện năng tiêu thụ có thể được thể hiện qua phần gách chéo như trong hình 3.6.

TẠI VIỆT NAM.19: Tổng điện năng tiêu thụ của bơm nhiệt

Dựa vào bảng số liệu tính toán 3.1, ta có thể xác định giá trị nhiệt độ nước trong bình chứa tương ứng với từng nhiệt độ môi trường và thời gian vận hành Từ đó, chúng ta cũng xác định được công suất điện tiêu thụ, và các kết quả này được tổng hợp bằng phần mềm Tablecurve 2D để xây dựng hàm số tính toán công suất điện tiêu thụ theo thời gian Hàm số này sẽ được áp dụng vào công thức (3.4), giúp xác định điện năng tiêu thụ cho từng nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước trong bình chứa Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.2, cho thấy sự so sánh tổng điện năng tiêu thụ khi đun cùng một lượng nước từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ yêu cầu, giữa phương pháp sử dụng thiết bị bơm nhiệt và phương pháp đun nóng bằng thiết bị điện trở với dung tích bình chứa 100 lít.

Nhiệt độ nước (tn) Điện năng tiêu thụ của bơm nhiệt (kJ) Điện năng tiêu thụ của điện trở (kJ)

Bảng COP CỦA BƠM NHIỆT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAU

TẠI VIỆT NAM.3: So sánh điện năng tiêu thụ của hai phương pháp

Khác với thiết bị điện trở, năng lượng tiêu thụ của bơm nhiệt khi đun nước không tỷ lệ trực tiếp với biến thiên nhiệt độ Để đơn giản hóa việc xác định điện năng tiêu thụ của bơm nhiệt khi gia nhiệt nước trong bình từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ yêu cầu, em sẽ sử dụng bảng số liệu tính toán 3.2 để xây dựng đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng điện năng tiêu thụ, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước yêu cầu, như được minh họa trong hình 3.7.

TẠI VIỆT NAM.20: Điện năng tiêu thụ theo điều kiện vận hành

Hệ số hiệu quả năng lượng COP chỉ phản ánh chính xác mức tiết kiệm năng lượng trong điều kiện vận hành cân bằng hoặc thời gian tức thời Tuy nhiên, bơm nhiệt trong gia dụng thường không hoạt động trong trạng thái cân bằng Để đánh giá chính xác mức tiết kiệm năng lượng của hệ thống, tôi sẽ sử dụng bảng số liệu tính toán 3.2 để xây dựng đồ thị so sánh tỷ lệ điện năng tiêu thụ giữa phương pháp đun nước nóng bằng điện trở và phương pháp bơm nhiệt, như thể hiện trong hình 3.8.

TẠI VIỆT NAM.21:Hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt so với điện trở

Thông thường, nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt có giá trị từ 50 o C đến 60 o C.

Từ bảng số liệu tính toán 3.2 ta có thể thấy bơm nhiệt giúp tiết kiệm từ 71,97% đến79,41% điện năng tiêu thụ khi nhiệt độ môi trường trong khoảng 5 o C đến 25 o C.

Tính toán COP của bơm nhiệt tại các khu vực khí hậu của Việt Nam

Dựa theo tài liệu [8], ta thu được bảng thông số khí hậu của một số tỉnh thành như sau:

STT Địa phương Nhiệt độ trung bình năm ttb, ( o C) ttbmin

Tại Việt Nam, thông số khí hậu của một số tỉnh thành được xác định qua nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất trong năm (ttbmin) và nhiệt độ thấp nhất trong năm (tmin), được đo bằng độ C.

Việt Nam, mặc dù nằm trong vùng nhiệt đới, nhưng có ba vùng khí hậu chính: miền Bắc và Bắc Trung Bộ có khí hậu cận nhiệt đới ẩm với bốn mùa rõ rệt; miền Trung và Nam Trung Bộ mang khí hậu nhiệt đới gió mùa; trong khi miền cực Nam Trung Bộ và Nam Bộ có đặc điểm nhiệt đới xavan Sự phân bố nhiệt độ trong từng vùng khí hậu chịu ảnh hưởng lớn từ gió mùa và địa hình đa dạng, bao gồm nhiều đồi núi và bờ biển dài Để dễ dàng đánh giá, Việt Nam thường được chia thành 7 khu vực khí hậu dựa trên các bản tin dự báo thời tiết.

TẠI VIỆT NAM.22: Bản đồ Việt Nam

 Vùng Tây Bắc Bắc Bộ:

Vùng Đông Bắc Bộ bao gồm các tỉnh Lai Châu, Điện Biên, Sơn La và Hòa Bình, như được thể hiện trong hình 3.9 Để đánh giá hiệu quả sử dụng thiết bị bơm nhiệt tại khu vực Tây Bắc Bộ, tôi sẽ thực hiện tính toán cho tỉnh Điện Biên, với các thông số liên quan đến nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm, được trình bày trong bảng 3.4.

Công suất điện, Nel, (kW)

TẠI VIỆT NAM.5: Thông số tính toán cho tỉnh Điện Biên

Dựa trên số liệu từ bảng 3.4, chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện công suất nhiệt của bơm nhiệt tương ứng với các mức nhiệt độ nước khác nhau Đồ thị này được xác định trong điều kiện nhiệt độ môi trường là nhiệt độ trung bình hàng năm, nhiệt độ trung bình của tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại tỉnh Điện Biên, như được trình bày trong hình 3.10.

TẠI VIỆT NAM.23: Công suất nhiệt của thiết bị tại tỉnh Điện Biên

Dựa vào bảng số liệu 3.4, đồ thị trong hình 3.11 thể hiện mối quan hệ giữa lượng năng lượng tiêu thụ và nhiệt độ nước vào dàn ngưng Các điều kiện nhiệt độ được xem xét bao gồm nhiệt độ môi trường trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ lạnh nhất trong năm tại tỉnh Điện Biên.

Hình COP CỦA BƠM NHIỆT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAU TẠI VIỆT NAM.24: Công suất điện tiêu thụ của thiết bị tại tỉnh Điện Biên

Dựa trên bảng số liệu 3.4, đồ thị trong hình 3.12 thể hiện mối quan hệ tương quan giữa hệ số hiệu quả năng lượng COP với nhiệt độ nước và nhiệt độ môi trường, được tính dựa trên nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm của tỉnh Điện Biên.

TẠI VIỆT NAM.25: COP của thiết bị tại tỉnh Điện Biên

 Khu vực Đồng bằng Sông Hồng:

Khu vực Đồng bằng Sông Hồng bao gồm các tỉnh như Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Quảng Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình và Hà Nội Để đánh giá hiệu quả sử dụng thiết bị bơm nhiệt trong vùng khí hậu này, bài viết sẽ tập trung vào Hà Nội, cung cấp các thông số tính toán về nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm của thành phố.

Công suất nhiêt Qk, (kW)

Công suất điện Nel, (kW)

TẠI VIỆT NAM.6: Thông số tính toán cho TP Hà Nội

Dựa trên số liệu từ bảng 3.5, chúng tôi đã xây dựng đồ thị thể hiện công suất nhiệt của thiết bị bơm nhiệt trong các điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm nhiệt độ nước và các mức nhiệt độ môi trường như nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất, cũng như nhiệt độ thấp nhất trong năm tại TP Hà Nội, như được minh họa trong hình 3.13.

TẠI VIỆT NAM.26: Công suất thiết bị tại TP.Hà Nội

Dựa trên số liệu từ bảng 3.5, đồ thị trong hình 3.14 thể hiện mối quan hệ giữa công suất nhiệt của thiết bị và nhiệt độ nước ở các điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm nhiệt độ môi trường trung bình hàng năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại TP Hà Nội.

TẠI VIỆT NAM.27: Công suất điện tiêu thụ của thiết bị tại TP Hà Nội

Thông qua bảng số liệu tính toán, chúng tôi đã xây dựng đồ thị biểu diễn hệ số hiệu suất (COP) của thiết bị dựa trên các nhiệt độ nước khác nhau Đồ thị này cũng xem xét nhiệt độ môi trường, bao gồm nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại thành phố.

Hà Nội biểu diễn như trên hình 3.15.

TẠI VIỆT NAM.28: COP của thiết bị tại TP Hà Nội

 Khu vực Đông Bắc Bộ:

Khu vực Đông Bắc Bộ bao gồm các tỉnh như Lào Cai, Yên Bái, Hà Giang, Tuyên Quang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Phú Thọ, Thái Nguyên, Lạng Sơn, Bắc Giang và Quảng Ninh Để đánh giá hiệu quả sử dụng thiết bị bơm nhiệt tại khu vực này, bài viết sẽ tập trung vào tỉnh Bắc Cạn, với các thông số tính toán về nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm.

Công suất nhiêt Qk, (kW)

Công suất điện Nel, (kW)

TẠI VIỆT NAM.7: Thông số tính toán cho tỉnh Bắc Cạn

TẠI VIỆT NAM.29: Công suất nhiệt của thiết bị tại tỉnh Bắc Cạn

Dựa trên số liệu từ bảng 3.6, chúng tôi đã xây dựng đồ thị thể hiện công suất nhiệt của thiết bị bơm nhiệt dưới các điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm nhiệt độ nước và nhiệt độ môi trường Nhiệt độ môi trường được xác định là nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình của tháng lạnh nhất, và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại tỉnh Bắc Cạn, như được minh họa trong hình 3.16.

Dựa trên số liệu từ bảng 3.6, đồ thị hình 3.17 thể hiện mối quan hệ giữa công suất nhiệt của thiết bị và các điều kiện nhiệt độ nước khác nhau, bao gồm nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại Bắc Cạn.

TẠI VIỆT NAM.30: Công suất điện tiêu thụ của thiết bị tại tỉnh Bắc Cạn

Bảng số liệu tính toán 3.6 cho thấy đồ thị biểu diễn hệ số hiệu suất (COP) của thiết bị theo các nhiệt độ nước khác nhau, với nhiệt độ môi trường được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất trong năm tại Bắc Cạn, như thể hiện trong hình 3.18.

TẠI VIỆT NAM.31: COP của thiết bị tại tỉnh Bắc Cạn

 Khu vực Bắc Trung Bộ:

Khu vực Bắc Trung Bộ, bao gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị và Huế, sẽ được đánh giá hiệu quả sử dụng thiết bị bơm nhiệt Để đơn giản hóa quá trình này, tỉnh Quảng Trị được chọn làm đại diện với các thông số tính toán như nhiệt độ trung bình năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ nhỏ nhất trong năm, được trình bày trong bảng 3.7.

Nhiệt độ môi Nhiệt độ nước, tn

Công suất Công suất COP trường, tkk

(kW) điện Nel, (kW) ttb= 25,0

TẠI VIỆT NAM.8: Thông số tính toán cho tỉnh Quảng Trị

TẠI VIỆT NAM.32: Công suất nhiệt của thiết bị tại tỉnh Quảng Trị

Nhận xét

Tại cùng một nhiệt độ nước t_n, các tỉnh thành có nhiệt độ môi trường t_kk cao hơn sẽ có công suất nhiệt thiết bị Q_k, công suất điện tiêu thụ N_el và hệ số hiệu quả năng lượng COP cao hơn Khi nhiệt độ môi trường t_kk được giữ nguyên, việc tăng nhiệt độ nước yêu cầu sẽ dẫn đến giảm công suất nhiệt của thiết bị Q_k và công suất điện tiêu thụ.

N el tăng lên và hệ số hiệu quả năng lượng COP giảm xuống.

Hiệu quả năng lượng của thiết bị bơm nhiệt sẽ được tối ưu hóa khi hoạt động trong môi trường có nhiệt độ cao và yêu cầu nhiệt độ nước thấp Sử dụng thiết bị bơm nhiệt có thể tiết kiệm đến 81,7% điện năng so với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở truyền thống.

MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH

Kết hợp bơm nhiệt với năng lượng mặt trời

Hình MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH 50:

Sản xuất nước nóng từ năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

Năng lượng cho sản xuất nước nóng chiếm tỷ lệ lớn trong các tòa nhà và hộ dân cư, do đó, việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong lĩnh vực này góp phần quan trọng vào an ninh năng lượng và giảm thiểu biến đổi khí hậu Hiện nay, nhiều phương pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất nước nóng đang được áp dụng, trong đó nổi bật là việc kết hợp bộ thu năng lượng mặt trời với bơm nhiệt Phương pháp này đã được nghiên cứu và đang thử nghiệm tại khách sạn Thế giới xanh, TP Nha Trang.

4.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống năng lượng mặt trời hấp thu bức xạ năng lượng mặt trời, làm tăng nhiệt độ nước tại các bộ thu Khi nhiệt độ đạt mức cần thiết, bơm nước tuần hoàn sẽ hoạt động, tích trữ nhiệt năng vào bình chứa nước nóng Nếu nhiệt năng từ năng lượng mặt trời không đủ đáp ứng nhu cầu, bơm nhiệt sẽ được kích hoạt để bổ sung nhiệt năng, đảm bảo cung cấp nước nóng trong mọi điều kiện.

Hệ thống hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như nhiệt độ môi trường và cường độ bức xạ năng lượng mặt trời Tùy thuộc vào những yếu tố này, hệ thống có thể hoạt động ở ba trạng thái: cả bộ thu năng lượng mặt trời và bơm nhiệt cùng hoạt động, chỉ bộ thu năng lượng mặt trời hoạt động, hoặc chỉ bơm nhiệt hoạt động Thông thường, trạng thái chỉ có bộ thu năng lượng mặt trời hoạt động xảy ra khi trời nắng, trong khi trạng thái chỉ có bơm nhiệt hoạt động thường diễn ra vào ban đêm, sáng sớm, hoặc khi trời mưa, khi nhiệt độ nước trong hệ thống thấp và không có năng lượng mặt trời.

Năng lượng nhiệt cần thiết để sản xuất nước nóng phục vụ nhu cầu của hộ tiêu thụ được xác định dựa trên thể tích nước sử dụng và nhiệt độ đầu vào - đầu ra của nước, theo công thức (4.1).

Thể tích nước nóng sử dụng (V_sd) và nhiệt độ nước lạnh cấp cùng với hệ thống t_nc, cũng như nước nóng đi sử dụng (t_sd) có thể được đo trực tiếp qua hệ thống thí nghiệm Khối lượng riêng (ρ_n,sd) và nhiệt dung riêng đẳng áp (C_p,sd) của nước sử dụng là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ Có thể xác định ρ_n,sd và C_p,sd một cách gần đúng dựa trên nhiệt độ trung bình của nước trong hệ thống theo công thức (4.2).

Năng lượng nhiệt để sản xuất nước nóng được tổng hợp từ nhiệt năng thu được từ các bộ thu năng lượng mặt trời và các bơm nhiệt, theo phân tích hoạt động của hệ thống Công thức tính toán năng lượng này được xác định trong (4.3).

(4.3) Trong công thức (4.3), năng lượng nhiệt cung cấp bởi bộ thu năng lượng mặt trời được xác định bởi công thức (4.4).

Q hp là năng lượng do bơm nhiệt cung cấp, được tính dựa trên cân bằng năng lượng trong thiết bị ngưng tụ giữa nước và môi chất lạnh Công thức tính toán năng lượng này được thể hiện qua công thức (4.5).

Nhiệt độ trung bình của nước có thể được xác định thông qua bộ thu năng lượng mặt trời và bơm nhiệt, dựa vào công thức (4.6) và (4.7).

(4.7) Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống là khả năng giảm phát thải

CO2 là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính, và lượng phát thải CO2 phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, hiệu suất của nhà máy nhiệt điện, cũng như lượng CO2 phát thải khi tiêu thụ một đơn vị nhiên liệu Do sự khác biệt trong loại nhiên liệu và hiệu suất chuyển hóa năng lượng của các nhà máy điện, có thể xác định lượng CO2 phát thải thông qua lượng điện tiêu thụ của hệ thống và hệ số phát thải CO2 trong quá trình sản xuất điện.

Hệ số phát thải CO2 trong sản xuất điện từ nhà máy thứ i được tính bằng 0,5764 kg/kW.h, theo tài liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trường Nhật Bản cung cấp cho Chi cục Bảo vệ môi trường Đà Nẵng Dữ liệu này đã được nghiên cứu dựa trên đặc thù của mạng lưới điện Việt Nam và áp dụng trong chương trình Eco Action 21.

4.1.2 Đánh giá hiệu quả của hệ thống

Khi thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời cho sản xuất nước nóng, thường dựa vào cường độ bức xạ trung bình tháng nhỏ nhất Điều này đảm bảo rằng trong hầu hết các tháng, sẽ có những ngày có cường độ bức xạ mặt trời cao, giúp thiết bị đáp ứng đầy đủ nhu cầu nước nóng Tuy nhiên, vào những ngày có thời tiết xấu như dông bão hoặc mây đen, bức xạ mặt trời bị cản trở, dẫn đến nhiệt độ nước không đạt yêu cầu Trong trường hợp này, nước nóng sẽ được sản xuất hoàn toàn bằng thiết bị bơm nhiệt.

Dựa theo “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2019/BXD” ta có nhiệt độ trung bình các tháng trong năm của Nha Trang như trong bảng 4.1.

Nhiệt độ trung bình tháng ( o C) 23,9 24,

Nhiệt độ trung bình tháng ( o C) 28,4 28,

Bảng MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH 12:

Nhiệt độ trung bình tháng của Nha Trang

Trong quá trình đun nước đến nhiệt độ 50 o C, nhiệt độ trong bình chứa liên tục gia tăng Công suất nhiệt của thiết bị cũng thay đổi tương ứng với sự tăng nhiệt độ của nước, từ mức ban đầu cho đến 50 o C Sử dụng chương trình mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt, chúng ta có thể khảo sát và thể hiện điều này trong bảng 4.2.

Công suất nhiệt, Q k (kW) 5,693 5,581 5,453 5,306 5,142 4,958 Công suất điện tiêu thụ, N el (kW) 0,768 0,930 1,083 1,226 1,359 1,481 Bảng MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH 13:

Công suất nhiệt và công suất điện tiêu thụ theo nhiệt độ nước

Dựa trên bảng số liệu tính toán 4.2 và việc áp dụng hàm đặc tính bơm nhiệt cùng với chương trình tìm hàm tối ưu Tablecurves 2D, chúng tôi đã xác định được hàm số biểu diễn công suất nhiệt theo nhiệt độ nước, được thể hiện qua công thức (4.9).

Sử dụng phương trình cân bằng nhiệt, công suất nhiệt do dàn ngưng nhả ra (Qk) tương đương với lượng công suất nhiệt mà nước nhận được Bằng cách biến đổi phương trình, chúng ta có thể xác định thời gian đun nước dựa trên nhiệt độ nước trong bình chứa theo công thức (4.10).

Dựa trên công thức (4.10) và bảng số liệu tính toán 4.2, bảng 4.3 trình bày kết quả tính toán công suất điện tiêu thụ theo thời gian Cụ thể, tại các nhiệt độ t n (°C) 25, 30, 35, 40, 45, và 50, thời gian τ (s) tương ứng lần lượt là 80,7; 451,9; 831,2; và 1220.

Công suất điện tiêu thụ theo thời gian

Điều khiển độ non tải trong hệ thống bơm nhiệt

Công nghệ bơm nhiệt đun nước nóng đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các dự án lớn do nhu cầu sử dụng nước nóng cao Để đáp ứng đủ lượng nước nóng cần thiết, một thiết bị bơm nhiệt đơn lẻ không đủ khả năng Vì vậy, việc kết hợp nhiều bơm nhiệt theo hình thức ghép tổ hợp song song là giải pháp hiệu quả để đảm bảo cung cấp nước nóng đáp ứng nhu cầu sử dụng.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt lớn

Các bơm nhiệt được kết nối song song, cho phép dòng nước cấp được tổng hợp từ tất cả các bơm trong hệ thống, tức là lưu lượng tổng bằng tổng các lưu lượng của từng bơm nhiệt Công suất nhiệt tiêu thụ để làm nóng nước cho toàn bộ hệ thống được tính theo công thức (4.13).

Lưu lượng khối lượng nước (G) được đo bằng đồng hồ đo lưu lượng nước (FM) với đơn vị [kg/s] Nhiệt dung riêng của nước (Cp) gần như không đổi, có giá trị 4,186 [kJ/kgK] Độ chênh lệch nhiệt độ (Δt) giữa nước ra khỏi hệ thống bơm nhiệt và nước lạnh cấp vào được xác định theo công thức (4.14) Nhiệt độ của nước lạnh cấp vào và nước ra khỏi hệ thống được ghi nhận bằng cảm biến nhiệt độ (TS).

Nhu cầu sử dụng nước nóng thay đổi theo thời gian, do đó công suất của từng thiết bị trong hệ thống không luôn đạt 100% Hệ số hiệu quả năng lượng COP cũng phụ thuộc vào độ non tải của hệ thống, vì vậy việc điều chỉnh độ non tải cho từng thiết bị bơm nhiệt là cần thiết Giải pháp này giúp tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ hệ thống Để điều khiển độ non tải của bơm nhiệt, có thể sử dụng biến tần máy nén để điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh và điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào bình ngưng bằng máy bơm biến tần.

Trong điều kiện vận hành tương tự, lưu lượng môi chất tăng theo vận tốc vào các dàn một cách tuyến tính, nhưng hệ số truyền nhiệt lại tăng chậm do vận tốc giảm, dẫn đến việc nhiệt độ ngưng tụ t_k tăng và nhiệt độ bay hơi t_o giảm Điều này làm gia tăng độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất trong dàn bay hơi và không khí, cũng như giữa môi chất trong dàn ngưng và nước, khiến hệ số COP tăng chậm rồi giảm Hơn nữa, khi lưu lượng môi chất lạnh và nước tăng, tổn thất cột áp và năng lượng cấp cho thiết bị tăng áp cũng tăng, dẫn đến giảm hệ số COP của thiết bị.

Khi lưu lượng môi chất lạnh và nước cấp tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất và thành ống trong giàn ngưng cũng như giữa nước và thành ống tăng lên, dẫn đến việc tăng cường khả năng truyền nhiệt giữa môi chất lạnh và nước trong bình ngưng Điều này giúp hạn chế sự gia tăng nhiệt độ ngưng tụ t_k, đảm bảo lượng nhiệt nước mang đi từ môi chất lạnh tương đương với lượng nhiệt nước nhận được Tương tự, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở giàn bay hơi cũng tăng, giúp hạn chế sự giảm t_o và từ đó giảm thiểu sự suy giảm hệ số hiệu suất COP khi lưu lượng nước tăng.

Hệ số truyền nhiệt của dàn bay hơi và dàn ngưng phụ thuộc vào loại ống sử dụng, dẫn đến giới hạn giá trị tối đa mà hệ số này có thể đạt được Khi tốc độ nước trong bình ngưng, môi chất lạnh trong ống và không khí qua dàn bay hơi tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ tiến dần đến giá trị tới hạn Việc tăng lưu lượng môi chất lạnh hoặc độ non tải sẽ làm giảm đáng kể hệ số hiệu suất COP Dựa trên khảo sát hệ số COP của các thiết bị bơm nhiệt thực tế theo độ non tải, chúng ta có thể xây dựng đồ thị biểu diễn hiệu quả năng lượng tương ứng.

Giá trị COP phụ thuộc vào độ non tải của thiết bị bơm nhiệt

Trong một hệ thống gồm n bơm nhiệt, tại thời điểm m bơm nhiệt đang hoạt động với hệ số non tải x i (i=1÷m) Dựa vào hình 4.4, có thể biểu diễn hệ số hiệu quả năng lượng của mỗi bơm nhiệt theo độ non tải Cụ thể, hệ số hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt thứ m (COP m) được xác định thông qua hàm đặc tính của bơm nhiệt đó theo công thức (4.15).

Công suất ngưng tụ của thiết bị bơm nhiệt thứ m được tính toán dựa trên độ non tải x m và công suất nhiệt khi hoạt động ở chế độ đầy tải 100%, theo công thức (4.16).

Công suất ngưng tụ của bơm nhiệt thứ m trong chế độ hoạt động phun tải 100% được ký hiệu là Q m Trong khoảng thời gian rất nhỏ 𝛿τ, tổng công suất nhiệt của hệ thống được xem là không đổi (Q Σ =const) Độ non tải của bơm nhiệt thứ m được xác định bằng tỷ lệ giữa công suất nhiệt thực tế và công suất nhiệt khi hoạt động ở chế độ phun tải, được biểu diễn qua công thức (4.17).

Từ công thức (4.11) và (4.12), chúng ta có thể xác định tổng công suất điện tiêu thụ tại một thời điểm cụ thể Tổng công suất này bao gồm công suất tiêu thụ của từng thiết bị bơm nhiệt trong hệ thống, và được thể hiện qua biểu thức (4.18).

Để đạt được hệ số hiệu quả năng lượng COP tối ưu cho toàn bộ hệ thống, tổng công suất điện tiêu thụ L cần phải được giữ ở mức tối thiểu, trong khi tổng công suất nhiệt của hệ thống được coi là không đổi trong khoảng thời gian tức thời Điều này được thể hiện qua biểu thức (4.19).

Để tối ưu hóa giá trị công suất điện tiêu thụ của toàn bộ hệ thống, độ non tải của từng thiết bị bơm nhiệt trong hệ thống cần đạt giá trị từ x1 đến xm-1, và phải là nghiệm của hệ phương trình (4.20).

Giá trị của m sẽ dao động từ 1 đến n, tương ứng với số lượng bơm nhiệt hoạt động, và lượng điện năng tiêu thụ lần lượt là L1, L2, … Ln cho từng giá trị của m Cuối cùng, tiến hành so sánh các giá trị này để rút ra kết luận.

L đó chọn ra giá trị L k nhỏ nhất và lấy cá nghiệm x i của hệ phương trình trên làm giá trị điều khiển hệ số non tải cho từng bơm nhiệt.

Từ khảo sát thực tế ta thu được hàm số biểu diễn hệ số hiệu quả năng lượng

COP theo độ non tải của thiết bị bơm nhiệt ở từng chế độ hoạt động được xác định như công thức (4.21).

Hàm g(x) xác định sự biến thiên của hệ số hiệu quả năng lượng (COP) theo độ non tải, với COP o là giá trị hiệu quả năng lượng của thiết bị trong các điều kiện khảo sát và hoạt động Nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt thường được lấy là 50 oC, và mỗi giá trị nhiệt độ môi trường sẽ tương ứng với một giá trị COP o khác nhau Để đánh giá hiệu quả của phương pháp, bài viết sẽ tính toán cho một hệ thống gồm 3 bơm nhiệt với thông số hoạt động tương tự như thiết bị trong chương 3 Điều kiện môi trường được chọn là nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất của Nha Trang, 23,9 oC, với nhiệt độ nước là 50 oC Hệ số COP của thiết bị sẽ được xác định thông qua hàm số (4.22).

Kết hợp bơm nhiệt với điện trở để đun nước lên nhiệt độ cao

Hình MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH

55:Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt kết hợp với điện trở

Bơm nhiệt không chỉ cung cấp nước nóng cho nhu cầu tắm rửa mà còn đáp ứng nhu cầu lớn về nước sôi cho uống và các mục đích khác, đặc biệt là trong các cơ sở kinh doanh và bệnh viện Tuy nhiên, với nhiệt độ ngưng t k cao, nhiệt độ cuối tầm nén t 2r cũng tăng, dẫn đến giảm độ nhớt của dầu trong máy nén, gây ra ma sát và làm giảm khả năng chèn của dầu, gây rò rỉ môi chất Để khắc phục điều này, có thể kết hợp bơm nhiệt với điện trở nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ và giữ nhiệt độ cuối tầm nén ở mức an toàn, đảm bảo độ nhớt của dầu bôi trơn Sơ đồ nguyên lý của thiết bị được thể hiện trong hình 4.7.

Nhiệt độ nước trong quá trình hoạt động

Trong quá trình đun nước, nhiệt độ nước tại thiết bị bơm nhiệt tương đương với nhiệt độ môi trường t kk Sau khi được gia nhiệt đến nhiệt độ t n nhất định, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, nước sẽ tiếp tục được làm nóng bằng điện trở cho đến khi đạt trạng thái sôi Diễn biến nhiệt độ nước được minh họa trong hình 4.8.

Giả định rằng nước cung cấp vào hệ thống có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường t kk, giá trị này được đo bằng cảm biến nhiệt độ và coi là đã biết Nước sau đó được gia nhiệt đến nhiệt độ tn và sử dụng điện trở để cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt đến nhiệt độ sôi Do đó, tổng điện năng cần thiết được xác định theo công thức (4.30).

W bn và W dt lần lượt đại diện cho nhiệt lượng mà thiết bị bơm nhiệt và thiết bị điện trở cung cấp cho nước Nguồn điện năng cung cấp cho thiết bị gia nhiệt bằng điện trở được tính toán theo công thức (4.31).

Công suất điện tiêu thụ của thiết bị bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường t kk và nhiệt độ nước cấp vào dàn ngưng t n Tại mỗi thời điểm, nhiệt độ môi trường có thể coi là không đổi trong thời gian ngắn, do đó, điện năng tiêu thụ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nước trong bình chứa Nhiệt độ nước này sẽ gia tăng theo thời gian hoạt động của thiết bị, dẫn đến việc điện năng tiêu thụ có thể được biểu diễn theo thời gian Công thức xác định điện năng tiêu thụ của thiết bị bơm nhiệt được nêu trong (4.32).

(4.32) Kết hợp công thức (4.30), (4.31) và (4.32) lại ta được công thức xác định tổng lượng điện năng cần cung cấp để đun sôi nước được xác định như công thức (4.33)

Tại nhiệt độ môi trường t kk xác định, thời gian nước lưu lại trong bơm nhiệt cho đến khi ra khỏi thiết bị được tính theo công thức (4.34).

Và lượng điện năng tiêu thụ để đun sôi nước trong bình đó có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị như trên hình 4.9.

Hình MỘT SỐ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VẬN HÀNH 57: Điện năng tiêu thụ theo nhiệt độ nước trong chứa

Theo đồ thị trong hình 4.9, khi nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt tăng, điện năng tiêu thụ giảm Do đó, để tiết kiệm điện năng, cần chọn nhiệt độ nước ra từ bơm nhiệt ở mức cao nhất có thể, phù hợp với nhiệt độ môi trường tại thời điểm hoạt động, đồng thời đảm bảo nhiệt độ cuối tầm nén của môi chất không vượt quá giới hạn cho phép.

4.3.2 Đánh giá hiệu quả Để đánh giá hiệu quả thiết bị em sẽ đánh giá theo hai định hướng sau: + Thứ nhất, ưu tiên hiệu quả và công nghệ của hệ thống.Khi đó nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt sẽ được xác định thông qua nhiệt độ môi trường sao cho nhiệt độ cuối tầm nén không vượt qua giá trị quy định đồng thời đạt giá trị cao nhất có thể để đảm bảo an toàn thiết bị đồng thời tăng hiệu quả hoạt động thiết bị đến mức cao nhất có thể như hình 4.9

Để đảm bảo an toàn và đơn giản cho hệ thống, nhiệt độ nước ra khỏi máy nén sẽ được giữ cố định ở 55 oC, tương tự như nước từ thiết bị bơm nhiệt thông thường Điều này giúp hệ thống điều khiển trở nên đơn giản hơn, đồng thời nhiệt độ cuối tầm nén không cao, góp phần làm cho thiết bị hoạt động ổn định và an toàn hơn so với phương án trước đó.

Cụ thể với môi chất được sử dụng ở đầy là R134a, là một freon, theo tài liệu

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho thiết bị, nhiệt độ cuối tầm nén của freon không được vượt quá 110 o C Trong quá trình vận hành, nhiệt độ cuối tầm nén an toàn sẽ được xác định là 100 o C.

Nước lạnh được cung cấp cho thiết bị bơm nhiệt sẽ dần tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động Khi nhiệt độ ngưng tụ tăng lên, cuối cùng đạt khoảng 100 oC, nước nóng sẽ được chuyển đến thiết bị điện trở để đun sôi.

Trạng thái môi chất tại điểm 2r cuối tầm nén thực được xác định qua nhiệt độ môi trường t kk, ảnh hưởng đến nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt Bằng cách sử dụng chương trình mô phỏng bơm nhiệt trên phần mềm EES và kết hợp với phần mềm tối ưu hóa tablecurves 2D, chúng ta có thể xây dựng phương trình biểu diễn nhiệt độ nước ra khỏi bơm nhiệt theo nhiệt độ môi trường như (4.35).

(4.35) Ngoài ra nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị bơm nhiệt để vào thiết bị điện trở cũng được biểu diễn dưới dạng đồ thị như hình 4.10.

Để đảm bảo an toàn cho bơm nhiệt trong quá trình hoạt động, cần lắp đặt cảm biến nhiệt độ ở cuối tầm nén để ngắt bơm khi cần thiết Bên cạnh đó, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ nước trong bình chứa sẽ giúp xác định giá trị nhiệt độ nước trong bình ngưng tụ tối đa tương ứng với từng mức nhiệt độ môi trường Khi nước trong bình đạt đến giá trị này, bơm nhiệt sẽ được ngắt và nước sẽ được gia nhiệt tiếp bằng thiết bị điện trở cho đến khi sôi.

Theo công thức (4.34), chúng ta có thể xác định nhiệt độ nước trong bình chứa dựa trên thời gian vận hành và thời gian từ khi nước lạnh được cấp vào hệ thống cho đến khi nước được gia nhiệt bằng thiết bị điện trở, tương ứng với các nhiệt độ môi trường khác nhau như được trình bày trong bảng (4.5).

Nhiệt độ nước ra khỏi bình chứa t n

Nhiệt độ nước trong bình chứa

Thời gian nước ra khỏi bơm nhiệt (s)

Nhiệt độ nước theo thời gian đun

Theo bảng 4.7, nhiệt độ môi trường cao hơn dẫn đến thời gian đun nóng nước trong thiết bị bơm nhiệt ngắn hơn, điều này được minh họa qua đồ thị trong hình 4.11.

Thời gian đun bằng bơm nhiệt theo nhiệt độ môi trường

Tận dụng chênh lệch giá điện giữa các khung giờ

Bơm nhiệt là giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả, nhưng việc lắp đặt và vận hành trong hộ gia đình gặp nhiều khó khăn do cấu tạo phức tạp Do đó, bơm nhiệt thường được áp dụng trong các lĩnh vực quy mô lớn như dịch vụ tắm nước nóng, khu nghỉ dưỡng, bệnh viện và khách sạn Đáng chú ý, giá điện cho các hộ tiêu thụ này có sự chênh lệch lớn theo từng khung giờ và cấp điện áp sử dụng, như được thể hiện trong bảng 4.12 và 4.13.

Cấp điện áp Dưới 6 kV 6 kV ÷ 22 kV Trên 22 kV

Giá điện kinh doanh năm 2020 (đồng/kWh)

Cấp điện áp Dưới 6 kV 6 kV ÷ 22 kV 22 kV ÷ 110 kV Trên 110 kV Giờ thấp điểm

Giá điện cộng nghiệp năm 2020 (đồng/kWh)

Giá điện trong khung giờ cao điểm có thể cao gấp ba lần so với khung giờ thấp điểm, vì vậy để tiết kiệm chi phí năng lượng, chúng ta nên vận hành hệ thống bơm nhiệt trong các khung giờ thấp điểm Nước nóng sẽ được chứa trong các bình lớn được bọc cách nhiệt cẩn thận, đảm bảo dung tích bình chứa đủ cung cấp lượng nước nóng cần thiết cho sử dụng.

Nguyên lý làm việc của phương pháp tích nhiệt

Các khung giờ sử dụng điện được phân chia thành ba loại: khung giờ cao điểm, khung giờ bình thường và khung giờ thấp điểm Theo quy định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, thông tin chi tiết về các khung giờ tiêu thụ điện được đăng tải trên trang evn.com.vn.

+ Khung giờ cao điểm: Từ thứ 2 đến thứ 7 gồm các khung giờ: từ 9h30- 11h30, 17h00-20h00; Chủ nhật không có giờ cao điểm

+ Khung giờ bình thường: Từ thứ 2 đến thứ 7 gồm các khung giờ từ 04h00- 9h30; 11h30-17h00; 20h00-22h00; Chủ nhật từ 04h00-22h00.

+ Khung giờ thấp điểm: Tất cả các ngày trong tuần từ 22h00 hôm trước đến 04h00 hôm sau.

Trong ngành kinh doanh và sản xuất, nước nóng đóng vai trò quan trọng trong việc tắm rửa, vệ sinh cơ sở vật chất và cung cấp dịch vụ tắm nước nóng thư giãn.

… giá điện trung bình mỗi số điện được xác định như công thức (4.37)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí điện năng trong các khung giờ khác nhau Cụ thể, τ cd là thời gian vận hành thiết bị trong khung giờ cao điểm, $ cd là giá mỗi số điện trong khung giờ cao điểm, τ bt là thời gian vận hành thiết bị trong khung giờ bình thường, $ bt là giá mỗi số điện trong khung giờ bình thường, τ td là thời gian vận hành thiết bị trong khung giờ thấp điểm, và $ td là giá mỗi số điện trong khung giờ thấp điểm Những thông tin này sẽ giúp người tiêu dùng tối ưu hóa chi phí điện năng của mình.

Nếu đặt ϕ cd [%] là tỷ lệ thời gian vận hành trong khung giờ cao điểm và ϕ tb [%] là tỷ lệ thời gian vận hành trong khung giờ bình thường, thì giá mỗi số điện sẽ được xác định theo công thức (4.38).

Theo tài liệu [14], điện năng tiêu thụ trung bình trong ngày đã được khảo sát thông qua các thiết bị đo tự động tại các phân xưởng và xí nghiệp, và kết quả được tổng kết, tính toán, biểu diễn trong hình 4.14.

Công suất điện tiêu thụ trung bình theo khung giờ trong ngày

Dựa trên đồ thị công suất điện tiêu thụ trung bình theo thời gian trong ngày, chúng ta có thể xác định tỷ lệ điện năng tiêu thụ trong từng khung giờ thông qua diện tích giữa trục hoành và hàm số điện năng tiêu thụ Kết quả cho thấy tỷ lệ tiêu thụ trong khung giờ cao điểm là 26,988 %, bình thường là 57,049 %, và thấp điểm là 15,953 % Áp dụng công thức (4.38) cho các số liệu này, chúng ta có thể xác định giá điện cho từng mục đích sử dụng của hộ tiêu thụ và điện thế cần thiết, như thể hiện trong bảng 4.14.

6 kV ÷ 22 kV 22 kV ÷ 110 kV Trên 110 kV

Giá điện năng trung bình [đồng/kWh]

Kết hợp dữ liệu về giá điện trung bình từ bảng 4.14 với giá điện quy định của Bộ Công Thương trong bảng 4.12 và 4.13, chúng ta có thể tính toán được chi phí điện năng tiết kiệm, như thể hiện trong bảng 4.15.

Cấp điện Dưới 6 6 kV ÷ 22 kV 22 kV ÷ 110 kV Trên 110 kV áp kV

Chi phí điện năng tiết kiệm được

Theo kết quả tính toán trong bảng 4.15, phương pháp tích nhiệt có khả năng tiết kiệm chi phí điện năng cho bơm nhiệt từ 39,7% đến 44,2% cho các hộ tiêu thụ kinh doanh, và từ 37,1% đến 38,5% cho các hộ tiêu thụ công nghiệp.

Tận dụng năng lượng địa nhiệt

4.5.1 Nguyên lý làm việc của thiết bị

Trái đất tồn tại trong trạng thái cân bằng nhờ vào hoạt động tích và phóng địa nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ lớp vỏ địa cầu ổn định Trong những tháng nắng nóng, lớp vỏ hấp thu nhiệt từ bức xạ mặt trời nhiều hơn so với lượng nhiệt tỏa ra, dẫn đến việc tích trữ nhiệt Ngược lại, trong mùa lạnh, lượng nhiệt từ địa nhiệt được giải phóng để duy trì nhiệt độ bề mặt, khiến nhiệt độ lòng đất cao hơn so với môi trường Nhờ vậy, điều kiện khí hậu tự nhiên của trái đất luôn được duy trì xung quanh một vị trí cân bằng, với phương trình cân bằng năng lượng thể hiện tổng lượng nhiệt hàng năm mà trái đất hấp thụ và tỏa ra.

Cuộc cách mạng công nghiệp đã dẫn đến việc lạm dụng nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí gas, gây ra sự phát thải lớn khí CO2 vào môi trường Những khí này tích tụ trong tầng khí quyển, hạn chế khả năng xuyên thấu của bức xạ mặt trời, từ đó làm tăng nhiệt độ trái đất Nếu tình trạng này không được cải thiện, trái đất sẽ đạt đến một trạng thái cân bằng mới với nhiệt độ cao hơn, không còn phù hợp cho sự sống của con người.

Nhu cầu sử dụng bơm nhiệt tăng cao vào mùa lạnh nhờ vào việc tận dụng nguồn năng lượng địa nhiệt, khi nhiệt độ trong lòng đất ấm hơn so với bề mặt Việc sử dụng năng lượng địa nhiệt để gia nhiệt cho dàn bay hơi giúp tăng nhiệt độ bay hơi của môi chất, từ đó nâng cao hệ số hiệu quả năng lượng COP và giảm điện năng tiêu thụ Điều này không chỉ giúp giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường mà còn góp phần bảo vệ môi trường Tuy nhiên, chi phí lắp đặt bơm nhiệt địa nhiệt cao hơn nhiều so với bơm nhiệt gió, nên thường chỉ được lắp đặt trong các dự án có nhu cầu lớn.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm nhiệt địa nhiệt

Bơm nhiệt địa nhiệt hoạt động tương tự như bơm nhiệt thông thường, nhưng thay vì trao đổi nhiệt với không khí, môi chất trong dàn bay hơi sẽ nhận nhiệt từ nước ấm được bơm từ lòng đất Nước này sau khi nhận nhiệt sẽ được đưa vào bình bay hơi, nơi môi chất chuyển pha từ hơi bão hòa ẩm thành hơi quá nhiệt Ở vùng đồng bằng sông Hồng, địa chất ổn định với nhiệt độ từ 25 o C đến 26 o C ở độ sâu 10m đến 15m đã được tận dụng cho các dự án bơm nhiệt địa nhiệt Trong mùa đông, với nhiệt độ môi trường thấp, hệ số trao đổi nhiệt của nước cao hơn không khí giúp giảm diện tích thiết bị bay hơi, đồng thời tăng hệ số hiệu quả năng lượng COP của bơm nhiệt, nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị.

Các hộ kinh doanh và sản xuất công nghiệp cần sử dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng quanh năm Vào mùa hè, khi nhiệt độ môi trường cao hơn lòng đất, thiết bị bơm nhiệt sẽ chuyển sang chế độ nhận nhiệt từ không khí để nâng cao hiệu quả Ngược lại, vào mùa đông, khi nhiệt độ có thể xuống gần 0°C do ảnh hưởng của gió mùa Đông-Bắc, hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của các thiết bị bơm nhiệt thông thường sẽ giảm Tuy nhiên, bơm nhiệt địa nhiệt không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, vẫn duy trì hệ số COP ổn định và không thay đổi trong các điều kiện vận hành ổn định.

Thiết bị bơm nhiệt sử dụng năng lượng địa nhiệt mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng vượt trội, giảm đến 44% so với bơm nhiệt gió và 72% so với thiết bị điện trở Ba dự án bơm nhiệt địa nhiệt tại Bắc Kinh đã giúp giảm 11,2 tấn SO2, 473 tấn CO và CO2, 41 tấn bụi trong không khí, cùng 176 tấn chất thải bã mỗi năm Nhờ đó, thiết bị này góp phần giảm ô nhiễm môi trường đến 40% so với bơm nhiệt gió và 70% so với thiết bị gia nhiệt bằng điện.

Ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang trở thành những vấn đề cấp bách toàn cầu Nếu không có biện pháp cải thiện, Trái Đất sẽ không còn phù hợp cho con người và hệ sinh thái hiện tại Việc chuyển đổi công nghệ sang sử dụng bơm nhiệt cho các công trình cũ và xây dựng hệ thống bơm nhiệt cho dự án mới là rất cần thiết Tuy nhiên, việc áp dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng hiện còn hạn chế do cấu tạo phức tạp, chi phí cao và sự hiểu biết hạn chế của người dân Chương trình mô phỏng bơm nhiệt giúp tính toán hệ số hiệu quả năng lượng COP trong các điều kiện hoạt động khác nhau, từ đó tính toán thời gian thu hồi vốn và hiệu quả kinh tế Điều này sẽ thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang sử dụng bơm nhiệt cho các dự án cũ và mới một cách hiệu quả trên toàn quốc.

Các sản phẩm bơm nhiệt tại Việt Nam chủ yếu đến từ các doanh nghiệp nước ngoài, nhưng thị trường này vẫn mang lại nhiều tiềm năng Chương trình mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt không chỉ giúp tối ưu hóa thiết bị mà còn nâng cao hiệu quả trong quá trình thiết kế và vận dụng.

Khi sử dụng bơm nhiệt, cần kết hợp với các biện pháp tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành như tận dụng nhiệt từ khói thải, nhiệt thải từ dàn ngưng điều hòa không khí và nhiệt bức xạ mặt trời Ngoài ra, việc thường xuyên vệ sinh thiết bị và vận hành vào các khung giờ ngoài giờ cao điểm cũng rất quan trọng Đối với các hệ thống lớn, việc điều chỉnh độ non tải thiết bị sẽ giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn.

Bản nhiệt sản xuất nước nóng chủ yếu chỉ phục vụ cho việc sản xuất nước nóng, trong khi nhu cầu về nước sôi và hơi nước ở nhiệt độ cao đang gia tăng mạnh mẽ Điều này cho thấy tiềm năng lớn của bơm nhiệt kết hợp với điện trở trong việc sản xuất nước sôi và nước có nhiệt độ cao Để nâng cao hệ số hiệu quả năng lượng COP của thiết bị, cần giảm nhiệt độ ngưng tụ và tăng nhiệt độ bay hơi bằng cách mở rộng diện tích trao đổi nhiệt và cải thiện hệ số truyền nhiệt giữa môi chất và nước tại dàn ngưng, cũng như giữa môi chất và môi trường tại giàn bay hơi.

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Đánh Giá Hiệu Quả Sử Dụng Bơm Nhiệt Sản Xuất Nước Nóng Trong Các Vùng Khí Hậu Của Việt Nam
Tác giả	Ngô Minh Đức
Người hướng dẫn	TS. Tạ Văn Chương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	4,68 MB