Nghiên cứu mô phỏng các quá trình nhiệt trong hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu năng lượng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt

Ứng dụng mô phỏng trong nghiên cứu hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt hệ thống NNMTBN có thể giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống, qua đó giảm chi phí về th

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 26 tháng 7 năm 2017 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh

PGS.TS Nguyễn Nguyên An PGS.TS Hà Mạnh Thư Tạ Văn Chương

Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

Tạ Văn Chương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta 6

1.2 Sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt 6

1.3 Vai trò của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN 8

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 8

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

1.4.3 Các vấn đề tồn tại 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NNMT KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT 27

2.1 Lý thuyết chung về mô phỏng 27

2.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống NNMTBN 29

2.2.1 Mô phỏng bơm nhiệt 29

2.2.1.1 Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp kết hợp 30

2.2.1.2 Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp hàm đặc tính 46

2.2.2 Mô phỏng bình chứa nước nóng và bộ thu NLMT 47

2.2.2.1 Phương pháp mô phỏng số CFD 47

2.2.2.2 Nghiên cứu mô phỏng đối tượng trong môi trường lập trình CFD 48

2.2.2.3 Mô phỏng bình chứa nước nóng 52

2.2.2.4 Mô phỏng bộ thu NLMT 53

2.2.3 Mô phỏng hệ thống NNMTBN 57

2.3 Kết luận chương 2 61

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NLMT KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT 62

3.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt 62

3.1.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng máy nén 62

3.1.2 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt 63

3.2 Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu NLMT 64

3.2.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa nước nóng 64

3.2.3 Mô phỏng hoạt động của ống thủy tinh chân không 79

3.3 Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống NNMTBN 82

3.3.1 Xác định hàm đặc tính của bơm nhiệt 82

3.3.2 Xác định hàm đặc tính của bộ thu NLMT 83

3.3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3 85

3.3.4 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNNLMT 89

3.4 Kết luận chương 3 92

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 93

4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm kiểm chứng 93

4.2 Hệ thống thí nghiệm của đề tài KC.05.03/11-15 101

4.2.1 Hệ thống NNMTBN tại Nha Trang 101

4.2.2 Hệ thống NNMTBN tại Hà Nội 104

4.3 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bộ thu NLMT và hệ thống NNMTBN 107

4.3.1 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 107

4.3.2 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3 109

4.3.3 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng hệ thống NNNLMT 110

4.4 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bơm nhiệt 114

4.5 Kết luận chương 4 119

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀO THỰC TẾ 120

5.1 Nghiên cứu các thông số hoạt động của ống thủy tinh chân không 120

5.2 Phân tích hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt 123

5.3 Đánh giá hiệu quả hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt 124

5.4 Kết luận chương 5 134

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 135

Kết luận 135

Đề xuất 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu theo chữ Latinh

p

C Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp kJ/(kgK)

F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBNT m2

G Cường độ BXMT hấp thụ trên một đơn vị diện tích W/m2

H d Tổng lượng tán xạ ngày trên mặt phẳng ngang kJ/(m2ngày)

H g Tổng lượng bức xạ ngày trên mặt phẳng ngang kJ/(m2ngày)

H t Tổng lượng bức xạ ngày trên bề mặt bộ thu NLMT kJ/(m2ngày)

k Hệ số truyền nhiệt vùng quá nhiệt TBNT W/(m2K)

l r Công nén riêng thực của máy nén kJ/kg

l s Công nén riêng đoạn nhiệt thuận nghịch của máy

nén

kJ/kg

N s Công suất nén thuận nghịch của máy nén kW

Q bt Năng suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT kW

Q ht Năng suất nhiệt hấp thụ trên bề mặt bộ thu NLMT kW

r b Hệ số chuyển đổi đối với thành phần trực xạ -

r d Hệ số chuyển đổi đối với thành phần tán xạ -

r r Hệ số chuyển đổi đối với thành phần phản xạ -

V Lưu lượng thể tích lý thuyết tại đầu hút máy nén cm3/s

mt Hệ số phản xạ của môi trường xung quanh -

μ Độ nhớt động lực học của môi chất Pa.s

Chỉ số trên, dưới Ý nghĩa

Hệ thống NNMTBN Hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu năng

lượng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt

Hệ thống NNNLMT Hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu năng

lượng mặt trời

TRNSYS Transient System Simulation Tool

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số lắp đặt bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít 66

Bảng 3.2 Mẫu số liệu thực nghiệm bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít 68

Bảng 3.3 Số liệu thực nghiệm (thu gọn) bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít 68 (thuộc đề tài KC.05.03/11-15 ở điểm Hà Nội) 68

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa 73

Bảng 3.5 Số liệu thực nghiệm của bộ thu NLMT không có bình chứa 75

Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 25 ống không có bình chứa 76

Bảng 3.7 Số liệu thực nghiệm (thu gọn) trong mô phỏng bộ thu NLMT 77

Bảng 3.8 Giá trị các thông số hoạt động trong mô phỏng 81

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng công suất gia nhiệt của bơm nhiệt 83

Bảng 3.10 Các thông số tính toán hàm đặc tính đặc tính của bộ thu NLMT 84 Bảng 3.11 Giá trị các thông số tính toán 87

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống 95

Bảng 4.2 Thông số lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời 95

Bảng 4.3 Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước trong bình chứa nước nóng 101

Bảng 4.4 Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước tại các điểm đo trên hệ thống và giá trị CĐBX 101

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của hệ thống NNMTBN 102

Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo được trang bị cho hệ thống đo 103

Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật của hệ thống sản xuất nước nóng NLMTBN tại Hà Nội 105

Bảng 4.8 Số liệu thực nghiệm và mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa (thuộc đề tài KC.05.03/11-15 ở điểm Hà Nội) 107

Bảng 4.9 Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của bộ thu NLMT không có bình chứa (hệ thống thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội) 108

Bảng 4.10 Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của hệ thống NNMTBN 30 m3 110 Bảng 4.11 Số liệu thực nghiệm của bơm nhiệt (ở Nha Trang) 116 Bảng 4.12 Số liệu mô phỏng của bơm nhiệt 117 Bảng 4.13 Đánh giá sai số kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bơm nhiệt 118 Bảng 5.1 Các thông số về điều kiện tự nhiên dùng tính toán hệ thống

NNMTBN 125 Bảng 5.2 Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng lượng bức xạ ngày cho địa điểm lắp đặt bộ thu NLMT (Nha Trang) 126 Bảng 5.3 Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng lượng bức xạ ngày cho địa điểm lắp đặt bộ thu NLMT (Hà Nội) 126 Bảng 5.4 Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng nhiệt trong ngày cho nhiệt hữu ích, nhiệt cần cấp và nhiệt bổ sung (Nha Trang) 128 Bảng 5.5 Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng nhiệt trong ngày cho nhiệt hữu ích, nhiệt cần cấp và nhiệt bổ sung (Hà Nội) 128 Bảng 5.6 Năng suất gia nhiệt và công suất tiêu thụ điện của bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ 131 Bảng 5.7 Số giờ chạy tương đương của một bơm nhiệt 131

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam 6

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống NNMTBN 7

Hình 1.3 Bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng 9

Hình 1.4 Bộ thu NLMT sử dụng ống thủy tinh chân không 11

Hình 1.5 Đồ thị logp - i của quá trình nén 14

Hình 1.6 Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong máy nén 14

Hình 1.7 Công suất tiêu thụ điện của máy nén 15

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống bơm nhiệt CO2 và các điểm đo 15

Hình 1.9 So sánh COP thực nghiệm và mô phỏng khi 16

nhiệt độ môi trường thay đổi 16

Hình 1.10 Mô phỏng sự phân tầng nhiệt và cân bằng năng lượng 17

Hình 1.11 Chi tiết chia lưới mô hình bình chứa trong mô phỏng CFD 18

Hình 1.12 Hệ thống NLMT sản xuất nước nóng và thiết bị đo 20

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu NLMT sản xuất nước nóng 21

Hình 2.1 Đồ thị logp-i của chu trình bơm nhiệt 30

Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén xoắn ốc 35

Hình 2.3 Các quá trình nhiệt động của môi chất trong máy nén xoắn ốc 36

Hình 2.4 Sơ đồ liên hệ các đại lượng trong mô hình toán của máy nén xoắn ốc 37

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình của máy nén xoắn ốc 39

Hình 2.6 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trên đồ thị logp - i 40

Hình 2.7 Quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trên đồ thị logp - i 41

Hình 2.8 Sơ đồ liên hệ các thông số vào, ra trong mô hình bơm nhiệt 44

Hình 2.9 Sơ đồ tương tác giữa các đại lượng trong mô hình bơm nhiệt 45

Hình 2.10 Sơ đồ tương tác giữa các đại lượng trong mô hình bơm nhiệt sử dụng phương pháp hàm đặc tính 46

Hình 2.11 Đặc trưng của dòng chảy rối 50

Hình 2.12 Các phương pháp tính rối trong dòng chảy 51

Hình 2.13 Mô hình bình chứa nước nóng 52

Hình 2.14 Mô hình bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không 54

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN 58

Hình 2.16 Sơ đồ tương tác các đại lượng trong mô phỏng hệ thống NNMTBN58 Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán mô phỏng hệ thống NNMTBN 60

Hình 3.1 Giao diện phần mềm mô phỏng máy nén 63

Hình 3.2 Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt 64

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không 65

Hình 3.4 Cấu tạo bộ thu NLMT với bình chứa 200 lít 65

Hình 3.5 Xây dựng mô hình bộ thu NLMT có bình chứa 66

Hình 3.6 Chia lưới mô hình bộ thu NLMT có bình chứa 67

Hình 3.7 Phân bố nhiệt độ trong bình chứa tại thời điểm ban đầu 69

Hình 3.8 Nhiệt độ môi trường trong thời gian mô phỏng 69

Hình 3.9 Hệ số trao đổi nhiệt từ hệ thống ra môi trường 70

Hình 3.10 CĐBX mặt trời hấp thụ trên bề mặt bộ thu NLMT 70

Hình 3.11 Quá trình trao đổi nhiệt trên bề mặt ống thủy tinh chân không 70

Hình 3.12 Thiết lập chế độ mô phỏng cho bộ thu NLMT có bình chứa 71

Hình 3.13 Quá trình chạy bộ giải mô hình bộ thu NLMT có bình chứa 71

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa 72

Hình 3.15 Xây dựng mô hình bộ thu NLMT 25 ống 74

Hình 3.16 Chia lưới mô hình bộ thu NLMT 25 ống 74

Hình 3.17 Thiết lập bộ giải cho mô hình mô phỏng 75

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 25 ống 76

Hình 3.19 Xây dựng và chia lưới mô hình mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống 78

Hình 3.20 Thiết lập bộ giải cho mô hình mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống 78

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống 79

Hình 3.22 Chia lưới mô hình mô phỏng 80

Hình 3.23 Thiết lập các điều kiện biên cho mô hình 80

Hình 3.24 Phân bố nhiệt độ trong mô hình 81

Hình 3.25 Phân bố vận tốc của nước tại mặt cắt dọc theo tâm ống 81

Hình 3.26 Phân bố vận tốc của nước tại miệng ống 82

Hình 3.27 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN 85

Hình 3.28 Các thông số vào, ra trong mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN86 Hình 3.29 Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thống NNMTBN 30 m3 88

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3 88

Hình 3.31 Xây dựng mô hình hệ thống NNNLMT 89

Hình 3.32 Chia lưới mô hình hệ thống NNLNMT 90

Hình 3.33 Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thống NNNLMT 91

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng hệ thống NNNLMT 92

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm 94

Hình 4.2 Chế tạo và lắp đặt các đầu đo phân tầng nhiệt độ trong bình 95

Hình 4.3 Chế tạo và ca-líp các đầu đo nhiệt độ lắp trên hệ thống 96

Hình 4.4 Các bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cho LM335 96

Hình 4.5 Các bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cho cặp nhiệt loại T 96

Hình 4.6 Tủ chứa bộ chuyển đổi tín hiệu 97

Hình 4.7 Hệ thống bơm, quạt giải nhiệt 97

Hình 4.8 Thiết bị đo bức xạ trên mặt phẳng ngang 97

Hình 4.9 Các mô-đun trong hệ thống điều khiển và ghi số liệu 98

Hình 4.10 Màn hình cảm ứng DOP-B03S211 98

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối các thiết bị trong hệ thống điều khiển và ghi số liệu 99 Hình 4.12 Tủ điều khiển hệ thống đo và tự ghi số liệu 100

Hình 4.13 Hệ thống thí nghiệm kiểm chứng mô hình mô phỏng 100

sản xuất nước nóng dùng NLMT 100

Hình 4.14 Hệ thống NNMTBN tại thành phố Nha Trang 102

Hình 4.15 Các bơm nhiệt trong hệ thống NNMTBN 103

Hình 4.16 Lắp đặt các cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi tín hiệu 104

Hình 4.17 Lắp đặt cảm biến đo bức xạ mặt trời 104

Hình 4.18 Tủ điện đo, tự ghi số liệu và điều khiển của hệ thống 104

Hình 4.20 Hệ thống NNMTBN tại Hà Nội 106

Hình 4.21 Cảm biến đo nhiệt độ nước trên đường ống 106

Hình 4.22 Cảm biến đo CĐBX mặt trời 106

Hình 4.23 Tủ điện đo và tự ghi số liệu 106

Hình 4.24 Nhiệt độ nước đầu vào và ra của bình chứa nước nóng 108

bộ thu NLMT có bình chứa 108

Hình 4.25 Nhiệt độ nước qua bộ thu NLMT 109

Hình 4.26 Nhiệt độ nước đi sử dụng của hệ thống NNMTBN 110

Hình 4.27 Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa theo thời gian 111

Hình 4.28 Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa theo chiều cao 111

Hình 4.29 Phân bố nhiệt độ nước theo trục ngang 112

Hình 4.30 Phân bố nhiệt độ nước trong chế độ hoạt động theo chiều cao 113

Hình 4.31 Đánh giá sai số kết quả tính toán lưu lượng khối lượng 114

môi chất lạnh với số liệu thực nghiệm 114

Hình 4.32 Đánh giá sai số kết quả tính toán năng suất lạnh 115

với số liệu thực nghiệm 115

Hình 4.33 Đánh giá sai số kết quả tính toán công suất điện tiêu thụ 115

của máy nén với số liệu thực nghiệm 115

Hình 5.1 Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và CĐBX do ống hấp thụ 121

Hình 5.2 Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và góc chắn tia trực xạ 121

Hình 5.3 Năng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc nhiệt độ nước và CĐBX do ống hấp thụ 122

Hình 5.4 Năng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc nhiệt độ nước và góc chắn tia trực xạ 122

Hình 5.5 Chỉ số COP của bơm nhiệt phụ thuộc tkk,v và tn,v 123

Hình 5.6 Năng lượng cần thiết để sản xuất nước nóng 129

Hình 5.7 Phân bố năng lượng trong hệ thống ở Nha Trang 130

Hình 5.8 Phân bố năng lượng trong hệ thống ở Hà Nội 130

Hình 5.9 Tiêu thụ điện năng của hệ thống 132

Hình 5.10 Tỷ lệ sử dụng điện năng của hệ thống (Nha Trang) 132

Hình 5.11 Tỷ lệ sử dụng điện năng của hệ thống (Hà Nội) 133

Hình 5.12 Lượng giảm phát thải CO2 của hệ thống NNMTBN 133

so với phương án dùng điện trở 133

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

An ninh năng lượng (ANNL) ngày nay và trong một vài thế kỷ tới đang là mối lo ngại của nhiều quốc gia Ngoại trừ một số ít quốc gia như Nga, Mỹ và một

số quốc gia Trung Đông, nhiều nước đang và sẽ phải đối mặt với thiếu hụt năng lượng [9] Tình hình cung cầu năng lượng, nói chung, là những vấn đề nan giải cần giải quyết để đảm bảo mục tiêu phát triển kinh tế của mọi quốc gia Vì vậy, giải quyết vấn đề ANNL là vấn đề không chỉ của Nhà nước, Chính phủ mà là trách nhiệm của mọi người dân Năng lượng được sử dụng chủ yếu hiện nay ở nước ta là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một

số ít năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT) Quá trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng luôn kèm theo việc phát thải ra các chất độc hại như CO2, NOx…, là những chất gây hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cũng như sức khỏe con người Để ứng phó với các vấn đề nêu trên, “Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến 2050” đã được chính phủ phê duyệt ngày 27/12/2007 Theo đó, các quan điểm phát triển năng lượng dài hạn đã được đưa ra nhấn mạnh đến nội dung tiết kiệm, sử dụng hiệu quả và đa dạng nguồn năng lượng, cũng như phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trong đó có NLMT [9] Ngoài ra, theo “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng

sử dụng năng lượng hiệu quả”, QCVN 09:2013/BXD, tất cả các công trình sử dụng nước nóng có công suất lắp đặt trên 50 kW hoặc tiêu thụ năng lượng trên 50000 kWh/năm không được phép sử dụng phương pháp cấp nước nóng bằng điện trở [1] Một trong các giải pháp thay thế được ưu tiên là sử dụng NLMT kết hợp với bơm nhiệt

NLMT có thể hiểu là bức xạ nhiệt nhận từ mặt trời So với các dạng năng lượng khác, NLMT có ưu điểm là có trữ lượng rất lớn và không gây ô nhiễm môi trường Năng lượng trái đất nhận được từ mặt trời có công suất khoảng 8 x 1016

W, lớn gấp mười nghìn lần so với lượng tiêu thụ hiện tại của tất cả các nguồn năng lượng thương mại trên thế giới [28] Do đó, về lý thuyết, NLMT đủ để cung cấp cho tất cả các nhu cầu năng lượng trên thế giới Ngoài ra, NLMT còn sẵn có với số lượng đáng kể ở hầu hết các vùng trên thế giới có con người sinh sống NLMT được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất nước nóng,

ứng dụng trong hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí, trong chưng cất

xử lý nước, sử dụng để nấu ăn, sản xuất điện, trong lĩnh vực hóa học, lĩnh vực giao thông vận tải… Tuy nhiên, việc sử dụng NLMT cũng còn có nhiều vấn đề cần khắc phục và lý do chính là nguồn NLMT rất không tập trung Ngay cả ở những vùng nhận nhiều bức xạ nhất trên trái đất, cường độ bức xạ (CĐBX) rất hiếm khi đạt 1 kW/m2, một giá trị tương đối thấp đối với nhiều công nghệ [28] Do đó, các ứng dụng NLMT thường đòi hỏi diện tích thu năng lượng lớn làm tăng chi phí Ngoài ra, NLMT còn là nguồn năng lượng không ổn định phụ thuộc vào vị trí địa lý, chu kỳ ngày và đêm, chu kỳ các mùa trong năm Do vậy hệ thống cung cấp nhiệt sử dụng NLMT luôn cần có các bộ phận trữ nhiệt dẫn đến làm tăng hơn nữa chi phí của hệ thống [26], [69], [89]

Bơm nhiệt có nguyên lý cấu tạo và làm việc như máy lạnh, chỉ khác ở mục đích sử dụng Ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt là phần lớn nhiệt hữu ích mà bơm nhiệt tạo ra được lấy từ môi trường Do đó, hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt rất lớn [11] Sử dụng bơm nhiệt để cấp nước nóng thì điện năng tiêu thụ chỉ bằng khoảng 1/3 so với phương án dùng điện trở [11] Tuy nhiên sử dụng bơm nhiệt cũng có một số nhược điểm như việc yêu cầu cao về vận hành, bảo trì bảo dưỡng và chi phí đầu tư ban đầu cũng cao

Năng lượng tiêu thụ dùng để sản xuất nước nóng luôn chiếm tỷ lệ lớn trong tổng tiêu thụ năng lượng [39], [75], [77], [93] Vì vậy việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả trong sản xuất nước nóng có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu thụ năng lượng nói chung Sử dụng bộ thu NLMT sản xuất nước nóng không tiêu tốn năng lượng nhưng chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết Sử dụng bơm nhiệt cấp nước nóng giúp tiết kiệm năng lượng nhưng chi phí đầu tư cao, vận hành bảo dưỡng phức tạp Do vậy, việc kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất nước nóng là một giải pháp vừa giúp tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải CO2, vừa

có thể cung cấp nước nóng trong mọi điều kiện Tuy nhiên, khi đó hệ thống lại có hai đặc điểm hạn chế là việc vận hành, bảo trì bảo dưỡng phức tạp và chi phí đầu tư ban đầu cao Do đó, muốn mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống bắt buộc phải giải quyết được hai hạn chế trên

Mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu đối tượng Thay cho việc nghiên cứu đối tượng thực, mà nhiều khi không thể thực hiện được hoặc thực hiện được nhưng với chi phí tốn kém, người ta xây dựng mô hình cho đối tượng rồi tiến hành các nghiên cứu trên mô hình [10] Mô phỏng là phương pháp

mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải [10]

Ứng dụng mô phỏng trong nghiên cứu hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ

thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt (hệ thống NNMTBN) có thể giúp tối ưu hóa thiết

kế hệ thống, qua đó giảm chi phí về thời gian và nguyên vật liệu xây dựng hệ thống Ngoài ra, mô phỏng hệ thống còn giúp ta vận hành hệ thống một cách mềm dẻo và phù hợp với thực tế Điều này góp phần làm cho hoạt động của hệ thống được ổn định và tiết kiệm năng lượng Các ưu điểm của việc mô phỏng hệ thống nêu trên chính là chìa khóa để giải quyết hai hạn chế của hệ thống sản xuất nước nóng dùng

bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt hiện nay Do đó, để giải quyết vấn đề đặt ra ở

trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng các quá trình nhiệt trong hệ

thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt” để nghiên

cứu

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống NNMTBN được sử dụng phổ biến tại Việt Nam (hệ thống kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song)

- Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết để xây dựng mô hình

mô phỏng kết hợp với xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu, thí nghiệm qua đó kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng Sử dụng các phần mềm mô phỏng đã được xây dựng để nghiên cứu ứng dụng

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết từng quá trình nhiệt xảy ra bên trong hệ thống NNMTBN thông qua việc nghiên cứu các thiết bị chính trong hệ thống như bình chứa nước nóng, bơm nhiệt và bộ thu NLMT Sau đó, tùy thuộc vào đặc điểm của thiết bị chính, nghiên cứu sâu hơn về các bộ phận cấu thành sẽ được tiến hành

- Xây dựng các mô-đun mô phỏng các thiết bị trong hệ thống bao gồm: bình chứa nước nóng, bơm nhiệt và bộ thu NLMT Các mô-đun này lại có thể được xây dựng bằng cách kết hợp các mô-đun mô phỏng các bộ phận cấu thành nên nó Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống từ các mô-đun trên

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm vừa để đánh giá độ tin cậy của các phần mềm mô phỏng, vừa để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng đã được xây dựng vào thực tế

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

- Giúp làm sáng tỏ một số quá trình nhiệt xảy ra bên trong hệ thống NNMTBN như: quá trình nén hơi môi chất lạnh trong máy nén của bơm nhiệt, quá trình lưu động của nước trong ống thủy tinh chân không của bộ thu NLMT, quá trình tích nhiệt trong bình chứa nước nóng

- Các hàm toán học mô tả hai thông số đặc trưng của máy nén là hiệu suất thể tích

và hiệu suất không thuận nghịch được xây dựng trong luận án góp phần nâng cao độ chính xác khi tính toán, mô phỏng hoạt động của máy nén

- Đã đề xuất được phương pháp và lựa chọn được công cụ, cũng như đã xây dựng được các mô-đun mô phỏng cho từng thiết bị riêng lẻ trong hệ thống, bao gồm: bơm nhiệt sản xuất nước nóng, bộ thu NLMT và bình chứa nước nóng

- Đã đưa ra phương pháp kết nối các mô-đun mô phỏng, được xây dựng đơn lẻ, để

mô phỏng hoạt động của hệ thống NNMTBN Cụ thể, các mô-đun mô phỏng đơn sẽ được kết hợp với nhau theo nguyên tắc mô-đun cấp thấp sẽ chạy và xuất ra hàm đặc tính thiết bị để nạp vào mô-đun cấp cao hơn, mô-đun cấp cao nhất cũng là phần mềm mô phỏng toàn hệ thống được xây dựng trong môi trường lập trình CFD (Computational Fluid Dynamics)

5 Điểm mới của luận án

- Xây dựng mới các hàm toán học mô tả hai thông số đặc trưng của máy nén là hiệu suất thể tích và hiệu suất không thuận nghịch Điều này góp phần nâng cao độ chính xác khi tính toán máy nén và xây dựng phần mềm mô phỏng máy nén

- Đưa ra phương pháp kết nối các hàm đặc tính để kết nối các mô-đun đơn lẻ trong

mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN Phương pháp này là công cụ để kết nối các phần mềm, các kết quả nghiên cứu khác nhau trong mô phỏng hệ thống Đề xuất và xây dựng một mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN sử dụng bình chứa nước nóng là trung tâm trong môi trường lập trình CFD Trong môi trường lập trình này,

mô hình mô phỏng có thể thay đổi một cách linh hoạt góp phần hỗ trợ tính toán các phương án thiết kế mới hoặc tối ưu hóa hệ thống

- Xây dựng một hệ thống thí nghiệm đủ độ tin cậy để kiểm chứng kết quả mô phỏng

- Nghiên cứu được quá trình phân tầng nhiệt độ của nước trong bình chứa nước nóng Các kết quả thu được có thể ứng dụng trong việc tối ưu hóa thiết kế bình chứa nước nóng nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống NNMTBN

- Nghiên cứu thông số hoạt động của ống thủy tinh chân không thu NLMT cho thấy: với ống thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không hai lớp, đường kính ngoài 58 mm (loại ống được sử dụng phổ biến ở Việt Nam) được gắn trực tiếp vào bình chứa thì lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn qua ống lớn nhất là 0,0145 kg/s, năng suất nhiệt hữu ích của ống lớn nhất là 96,88 W Các kết quả này có thể ứng dụng trong thiết kế cũng như tối ưu hóa bộ thu NLMT

- Ứng dụng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt để phân tích hiệu quả năng lượng của một bơm nhiệt cụ thể (bơm nhiệt sử dụng trong đề tài KC.05.03/11-15) cho thấy: trong điều kiện hoạt động phổ biến ở nước ta, nhiệt độ môi trường từ 20 oC đến 30 o

C, nhiệt độ nước nóng vào từ 40 oC đến 50 o

C thì COP của bơm nhiệt này khá cao,

đạt từ 2,98 đến 4,58 chứng tỏ việc sử dụng bơm nhiệt để cấp nước nóng là hiệu quả; khi nhiệt độ môi trường thấp, từ 8 oC đến 10 oC, COP của bơm nhiệt thấp, để tăng

hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt cần giảm nhiệt độ nước nóng sử dụng

- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng để phân tích hiệu quả của hệ thống sản xuất nước nóng sử dụng NLMT kết hợp với bơm nhiệt cho thấy: với hệ thống được lắp đặt ở Nha Trang, trung bình trong năm, NLMT có thể đáp ứng 83,7 % tổng năng lượng cần thiết để sản xuất nước nóng, tiêu thụ điện của hệ thống chỉ bằng 5,7 % so với phương pháp dùng điện trở; với hệ thống lắp đặt ở Hà Nội, NLMT đáp ứng được 66 % và tiêu thụ điện của hệ thống là 13,3 % Lượng giảm phát thải CO2 khi sản xuất 1 m3 nước nóng trong một năm của hệ thống NNMTBN so với hệ thống sản xuất nước nóng dùng điện trở là 8,407 tấn/m3năm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam

1.2 Sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt

Hiện nay trên thế giới có ba phương pháp chính kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt để tăng hiệu quả của hệ thống sản xuất nước nóng [16], cụ thể là: sử dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ nguồn lạnh [81], [92], [97], [98]; kết hợp pin mặt trời để phát điện bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất nước nóng [45], [64], [102] và kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song để sản xuất nước nóng [16], [74], [77], [91] Phương án sử dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ nguồn lạnh phù hợp với những vùng có khí hậu ôn đới như Nhật Bản, Bắc Âu Khi

nhiệt độ môi trường xuống quá thấp, hệ số hiệu quả COP của bơm nhiệt giảm đáng

kể, việc ghép dàn bay hơi với bộ thu NLMT sẽ làm tăng nhiệt độ không khí qua dàn bay hơi nhờ đó tăng hiệu quả bơm nhiệt Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới, nơi có CĐBX và số giờ nắng cao, phương pháp kết hợp này không phù hợp [16] Phương pháp kết hợp pin mặt trời để phát điện, bộ thu NLMT và bơm nhiệt để cấp nước

nóng cũng không phù hợp với điều kiện tự nhiên nước ta, ngoài ra việc triển khai hệ thống phức tạp với chi phí đầu tư ban đầu lớn cũng chưa phù hợp với mức độ phát triển và trình độ công nghệ của nước ta hiện nay [16] Do đó, luận án chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song để sản xuất nước nóng

Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt (hệ thống NNMTBN) điển hình được giới thiệu trên hình 1.2

Hệ thống gồm hai phần chính, kết nối song song với bình chứa nước nóng, là các bộ thu NLMT và các bơm nhiệt dự phòng

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống NNMTBN

Về nguyên lý hoạt động của hệ thống, khi có bức xạ mặt trời (BXMT), nhiệt năng hấp thụ được tại các bộ thu NLMT sẽ làm tăng nhiệt độ của nước Khi độ tăng nhiệt độ này đủ lớn, các bơm nước tuần hoàn của hệ thống NLMT sẽ hoạt động, nhờ đó nhiệt năng mà nước hấp thụ được ở các bộ thu NLMT sẽ được tích vào trong bình chứa nước nóng Trường hợp nhiệt năng thu được từ NLMT không đáp ứng đủ cho nhu cầu sử dụng, các bơm nhiệt sẽ được kích hoạt và nhiệt năng mà nó tạo ra cũng được tích vào bình chứa nước nóng để đáp ứng nhu cầu sử dụng Với nguyên lý hoạt động như trên, hệ thống có khả năng cung cấp nước nóng trong mọi điều kiện thời tiết

Dùng bộ thu NLMT sản xuất nước nóng không tiêu tốn điện năng nhưng chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện thời tiết Dùng bơm nhiệt sản xuất nước nóng tiết kiệm điện năng nhưng chi phí đầu tư cao, vận hành bảo dưỡng phức tạp Việc kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất nước nóng là một giải pháp tiết kiệm năng lượng điện, giảm phát thải CO2 nhưng chi phí đầu tư cao, vận hành hệ thống

phức tạp Do đó, muốn mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống NNMTBN cần phải giải quyết được các hạn chế trên

1.3 Vai trò của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN

Mô phỏng ngày càng phát triển rộng trên thế giới bởi nó có nhiều ưu điểm như: giúp tiết kiệm thời gian, kinh phí và nguyên vật liệu trong quá trình xây dựng

hệ thống; giúp quá trình vận hành hệ thống được hiệu quả hơn…

Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học như: toán, vật

lý, cơ khí, năng lượng nhiệt, tự động hóa, điều khiển, công nghệ thông tin… Đây là công cụ đa dạng, linh hoạt và đặc biệt hiệu quả trong thiết kế, chế tạo sản phẩm, nghiên cứu thử nghiệm, nghiên cứu hoạt động, tối ưu hóa mô hình…

Ứng dụng mô phỏng vào hệ thống NNMTBN có thể đem lại nhiều lợi ích cụ thể như sau:

+ Nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN giúp nghiên cứu các đặc tính của nó trong nhiều chế độ hoạt động khi thiết kế của hệ thống cũng như các điều kiện vận hành của hệ thống thay đổi Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống, tiết kiệm thời gian, chi phí, nguyên vật liệu… xây dựng hệ thống, làm giảm giá thành của hệ thống

+ Nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN giúp nghiên cứu hoạt động của

hệ thống phụ thuộc vào các điều kiện tự nhiên (vị trí địa lý, cường độ bức xạ, nhiệt

độ môi trường…) trong thời gian dài Đây là cơ sở để nghiên cứu, tính toán đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống đồng thời cũng góp phần điều khiển hoạt động của hệ thống (một đối tượng có quán tính nhiệt lớn) phù hợp với điều kiện thực tế, giúp hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng

Các lợi ích của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN nêu trên góp phần giải quyết các đặc điểm hạn chế của hệ thống NNMTBN như đã trình bày ở mục 1.2 Do

đó, việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN là có ý nghĩa thực tiễn

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN khá đa dạng, ngày càng nhiều Chúng có thể chia thành hai nhóm chính là mô phỏng các bộ phận cấu thành

hệ thống như: bộ thu NLMT, hệ thống bơm nhiệt, bộ phận trữ nhiệt và mô phỏng hệ thống kết hợp các bộ phận trên

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

a Nghiên cứu mô phỏng về bộ thu NLMT cấp nước nóng

Đây là các nghiên cứu mô phỏng về hoạt động của bộ thu NLMT, xác định các thông số hoạt động của bộ thu: năng suất nhiệt, phân bố nhiệt độ, lưu lượng khối

lượng và sự tuần hoàn môi chất trong bộ thu… hoặc tối ưu hóa cấu tạo cũng như chế độ làm việc của bộ thu

Bộ thu NLMT được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay là bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng và kiểu ống chân không Trong lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng các kiểu

bộ thu nói trên có thể kể ra một số nghiên cứu tiêu biểu dưới đây

- Năm 2002, Duffie và Beckman [51] đã nghiên cứu về việc xây dựng các phương trình mô phỏng, tính toán bộ thu NLMT dạng tấm phẳng

Hình 1.3 Bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng

Cấu tạo của một bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng điển hình được mô tả trên hình 1.3 [51] Khi bức xạ mặt trời đi qua lớp kính trong suốt đến tấm hấp thụ, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi tấm, sau đó truyền cho nước lạnh trong ống, làm nước trong ống nóng lên Phần dưới bộ thu và hai bên vỏ là các lớp cách nhiệt để giảm tổn thất dẫn nhiệt Tấm kính phía trên được sử dụng để giảm tổn thất nhiệt đối lưu của lớp không khí và ngăn các tia bức xạ nhiệt sóng dài phát ra từ tấm hấp thụ (hiệu ứng nhà kính)

Bằng cách thiết lập phương trình cân bằng năng lượng cho một phân tố trên tấm kết hợp các điều kiện biên, các tác giả đã xác định được các thông số quan trọng của bộ thu NLMT như: nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ, năng suất nhiệt của bộ thu, hiệu suất của bộ thu, cụ thể là:

+ Năng suất nhiệt của bộ thu NLMT:

t h - nhiệt độ mối hàn giữa tấm hấp thụ và ống, oC

t n,v - nhiệt độ nước vào bộ thu, oC

I ht - bức xạ mặt trời hấp thụ trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, W/m2

I - bức xạ mặt trời tới trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, W/m2

U tt - hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của bộ thu, W/m2.K

/

L

m  U k  với k và  lần lượt là hệ số dẫn nhiệt và chiều dày của tấm

x - tọa độ theo phương x, m

W - khoảng cách giữa tâm các ống, m

D n - đường kính ngoài của ống, m

Q bt - năng suất lấy nhiệt của bột thu NLMT, W

F bt - diện tích bề mặt của bộ thu NLMT, m2

F R - hệ số lấy nhiệt của bộ thu NLMT

bt

 - hiệu suất của bộ thu NLMT

Các tác giả đã xác định được các thông số hoạt động quan trọng của bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, để sản xuất nước nóng, chủ yếu dùng các bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không bởi nó có nhiều ưu điểm nổi trội so với bộ thu kiểu tấm phẳng như giá thành hợp lý, hiệu suất cao, làm việc

ổn định, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa, thay thế

Việc tính toán bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không thông qua bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng tương đương vẫn thường được áp dụng và sử dụng các công thức nêu trên tuy nhiên việc này sẽ dẫn đến những sai số tính toán lớn Do đó, các nghiên cứu mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không có ý nghĩa thực tiễn Khi nghiên cứu mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không, các

khái niệm, định nghĩa trong các công thức trên vẫn được sử dụng tuy giá trị của chúng đã thay đổi

- Năm 2009, Runsheng Tang, Wenfeng Gao, Yamei Yu, Hua Chen [78] nghiên cứu về góc nghiêng tối ưu của các bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không Nhóm tác giả đã tính toán góc nghiêng tối ưu cho một số địa điểm tại Trung Quốc Các kết quả nghiên cứu trên góp phần nâng cao hiệu suất của các bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không

Góc nghiêng tối ưu của bộ thu phụ thuộc vào vị trí địa lý lắp đặt bộ thu nên việc tính toán, nghiên cứu về góc nghiêng tối ưu này phù hợp với các địa điểm ở nước ta là cần thiết Việc mô phỏng bộ thu NLMT bằng CFD sẽ giúp mở rộng các nghiên cứu góp phần giải quyết các vấn đề trên

- Năm 2010, Zhiyong Li, Chao Chen, Hailiang Luo, Ye Zhang, Yaning Xue [103] đã nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của bộ thu ống thủy tinh chân không trong hệ thống đun nước nóng bằng bộ thu NLMT tuần hoàn cưỡng bức

Hình 1.4 [103] mô tả cấu tạo và hoạt động của bộ thu NLMT kiểu ống chân không Để tăng hiệu quả lấy nhiệt và giảm tổn thất, các ống nhận nhiệt được cấu tạo

là ống thủy tinh 2 lớp, ở giữa được hút chân không Phía bên trong ống được phủ một lớp hấp thụ bức xạ Nước trong ống nhận nhiệt bức xạ mặt trời và chuyển động lên xuống theo cơ chế đối lưu tự nhiên Các ống được kết nối với bình chứa nước nóng hoặc ống góp

Hình 1.4 Bộ thu NLMT sử dụng ống thủy tinh chân không

Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm tác giả đã xây dựng mô hình truyền nhiệt của bộ thu NLMT kiểu ống chân không, trong đó nước chuyển động cưỡng bức qua

hệ thống ống góp Quá trình truyền nhiệt được nghiên cứu bao gồm quá trình trao

đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong ống chân không và quá trình trao đổi nhiệt cưỡng bức trong các ống góp

Từ mô hình truyền nhiệt, các tác giả đã xây dựng được phương trình cân bằng nhiệt và xác định được liên hệ giữa nhiệt độ nước tại đầu ra của bộ thu NLMT với nhiệt độ trung bình của nước trong bộ thu

+ Phương trình cân bằng nhiệt của bộ thu NLMT:

Trong đó:

M - lượng nước trong hệ thống, kg

C p - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của nước, J/kg.K

t n,tb - nhiệt độ nước trung bình trong các ống của bộ thu, oC

t n,v - nhiệt độ nước vào bộ thu, oC

t n,r - nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, oC

t mt - nhiệt độ môi trường xung quanh, oC

 - thời gian, s

m - lưu lượng khối lượng của nước tuần hoàn trong bộ thu NLMT, kg/s

m tn – lưu lượng khối lượng nước đối lưu tự nhiên trong ống thủy tinh chân không, kg/s

I - bức xạ mặt trời tới trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, W/m2

()- tích số truyền – hấp thụ của bộ thu NLMT

F tt - diện tích có tổn thất nhiệt, m2

F ht - diện tích hấp thụ nhiệt của bộ thu NLMT, m2

l o - chiều dài của ống, m

Kết quả mô hình được kiểm nghiệm và hiệu chỉnh với kết quả thực nghiệm trong điều kiện mùa đông ở Bắc Kinh với sai số nhỏ hơn 5 %

Các tác giả đã xác định được nhiệt độ nước tại đầu ra của bộ thu theo nhiệt

độ trung bình của nước trong bộ thu và nhiệt độ đầu vào (công thức 1.5) Điều này giúp ta xác định nhiệt độ trung bình trong cả bộ thu nếu biết nhiệt độ đầu vào và đầu

ra là đại lượng có ý nghĩa thực tiễn Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, việc giả thiết quá trình trao đổi nhiệt đối lưu trong các ống là như nhau và tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang của nước nóng trên diện tích mặt cắt ngang của ống là 0,5 sẽ dẫn đến những sai số trong kết quả tính toán bởi trong thực tế quá trình trao đổi nhiệt trong các ống

là khác nhau và khi xét trên mặt cắt ngang của ống, tỉ lệ diện tích giữa dòng nước nóng và dòng nước lạnh cũng khác nhau Việc mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không bằng CFD có thể tính toán, khắc phục được các hạn chế trên

- Ngoài ra còn nhiều nghiên cứu có giá trị của các nhóm nghiên cứu khác như: nghiên cứu của C A Estrada-Gasca và các cộng sự (1992) [31] về thay đổi vị trí lớp hấp thụ của bộ thu nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của chúng tới hiệu suất của

bộ thu; nghiên cứu mô phỏng của Weidong Huang, Peng Hu, Zeshao Chen (2012) [95] về hoạt động của bộ thu NLMT kiểu máng parabol nhằm xác định tổn thất nhiệt và hiệu suất của bộ thu; nghiên cứu thực nghiệm của Ruobing Liang (2012) [79] về hiệu suất nhiệt của ống thủy tinh chân không kèm ống chữ U; nghiên cứu

mô phỏng CFD của A.C Mintsa Do Ango, M Medale, C Abid (2013) [22] nhằm mục đích tối ưu hóa thiết kế bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng chế tạo từ polymer; nghiên cứu mô phỏng của Keguang Yao và các cộng sự về hoạt động của ống thủy tinh chân không hấp thụ nhiệt có băng xoắn (2015) [60]…

b Nghiên cứu mô phỏng về hệ thống bơm nhiệt

Muốn nghiên cứu mô phỏng được hệ thống bơm nhiệt thì cần phải mô phỏng được các bộ phận chính của nó Chất lượng mô phỏng hệ thống phụ thuộc vào việc

mô phỏng các bộ phận thành phần Do đó, khi nghiên cứu mô phỏng bơm nhiệt, ngoài các nghiên cứu mô phỏng cả hệ thống, người ta thường quan tâm nghiên cứu

mô phỏng sâu các bộ phận của bơm nhiệt, đặc biệt là máy nén, bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt, [12], [32], [44], [47], [63] từ đó nâng cao chất lượng việc mô phỏng hệ thống Trong lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng bơm nhiệt có rất nhiều nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, tiêu biểu có thể kể đến các nghiên cứu sau:

- Năm 2007, Marie-Eve Duprez và các cộng sự [71], [72] đã nghiên cứu mô phỏng hoạt động của máy nén pít tông và máy nén trục xoắn, xác định các thông số làm việc của máy nén

Hình 1.5 Đồ thị logp - i của quá trình nén

Quá trình nén trong một máy nén được biểu diễn như hình 1.5 [71] Hơi

trong máy nén trước đầu hút là điểm i có áp suất p o, qua van hút áp suất hơi bị giảm

một lượng là p xuống điểm 1 Tại đầu hút, do có quá trình trao đổi nhiệt với vỏ ống, hơi bị đốt nóng đẳng áp đến điểm 2 Quá trình nén đoạn nhiệt của hơi diễn ra theo đường 2-3 Sử dụng tính chất đoạn nhiệt của quá trình nén kết hợp với việc thiết lập các phương trình truyền nhiệt, cân bằng năng lượng, cân bằng khối lượng trong máy nén, các tác giả đã xác định được lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh (hình 1.6), công suất tiêu thụ điện của máy nén (hình 1.7) trong dải nhiệt độ bay hơi

từ -20 oC đến 15 oC, nhiệt độ ngưng tụ từ 15 oC đến 60 oC Sai số trung bình giữa kết quả tính toán và các số liệu thực nghiệm của lưu lượng khối lượng môi chất lạnh

và công suất tiêu thụ điện của máy nén lần lượt là 1,1 % và 1,69 % [71]

Hình 1.6 Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong máy nén

Hình 1.7 Công suất tiêu thụ điện của máy nén

Kết quả tính toán lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh và công suất tiêu thụ điện của máy nén có độ chính xác cao tuy nhiên trong nghiên cứu này, để tính được các đại lượng trên, cần biết đầy đủ các thông số cấu tạo cũng như các thông số nhiệt vật lý của máy nén

Trong thực tế, thường khó có đầy đủ các thông số nêu trên nên việc xây dựng một phương pháp mô phỏng khác khi thiếu chúng là cần thiết và có ý nghĩa

- Năm 2011, Seiichi Yamaguchi, Daisuke Kato, Kiyoshi Saito, Sunao Kawai [87] nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm chế độ ổn định của bơm nhiệt CO2 sản xuất nước nóng

Sơ đồ khối hệ thống bơm nhiệt CO2 sản xuất nước nóng được thể hiện trên hình 1.8 [87] Hệ thống bao gồm một máy nén, một dàn bay hơi, một bộ trao đổi nhiệt bên trong và một dàn ngưng Quá trình gia nhiệt cho nước được thực hiện trong dàn ngưng Các thiết bị đo nhiệt độ và áp suất được bố trí cụ thể như hình vẽ

Các tác giả xây dựng một mô hình mô phỏng chế độ tĩnh của bơm nhiệt CO2trên Trong mô hình mô phỏng, các phần tử như máy nén, van tiết lưu, dàn bay hơi,

bộ trao đổi nhiệt đều được mô phỏng

Hình 1.9 So sánh COP thực nghiệm và mô phỏng khi

nhiệt độ môi trường thay đổi

Để chuẩn hóa mô hình và kết quả mô phỏng, nhóm tác giả đã sử dụng một bơm nhiệt CO2 thực tế để gia nhiệt nước (năng suất nhiệt là 22,3 kW, nhiệt độ nước nóng là 90 oC) Sai số về COP giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm lớn

nhất là 5,1 % và sai số trung bình là 1,5 % (hình 1.9) [87]

Bơm nhiệt dùng môi chất CO2 có thể sản xuất nước nóng có nhiệt độ lên đến

90 oC Ở nước ta, nhiệt độ nước nóng yêu cầu cho các nhu cầu cơ bản thường nhỏ hơn 60 oC do đó số lượng các bơm nhiệt dùng môi chất CO2 chưa nhiều Để sản xuất nước nóng dưới 60 oC, phổ biến có thể dùng các bơm nhiệt sử dụng môi chất lạnh R134a, R407C… Các bơm nhiệt này có sự khác biệt so với bơm nhiệt CO2 nên việc mô phỏng chúng cần những thay đổi, điều chỉnh cho phù hợp

Ngoài ra còn có một số nghiên cứu mô phỏng tiêu biểu khác liên quan đến bơm nhiệt như nghiên của Long Fu, Guoliang Ding, Chunlu Zhang (2003) [65] về

mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt với máy nén trục vít trong chế độ không ổn định Nghiên cứu của E Navarro và các cộng sự về xây dựng mô hình để phân tích hoạt động của máy nén pít-tông (2007) [38] Nghiên cứu năm 2011 của Mingliu Jiang, jingyi Wu, Ruzhu Wang, Yuxingong Xu [73] về các quy luật điều khiển của van tiết lưu điện tử (EEV) trong hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng Nghiên cứu năm 2012 của S.J Sterling, M.R Collins [84] về phân tích tính khả thi của bơm nhiệt gián tiếp hỗ trợ hệ thống nước nóng NLMT Đánh giá về mô phỏng các chu trình lạnh của S Anand (2013) [80] Nghiên cứu của K Huchtemann và D Muller

(2013) [58] về mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt theo điều kiện môi trường để xác định nhiệt độ nước nóng tối ưu

c Nghiên cứu mô phỏng về bộ phận trữ nhiệt (bình chứa nước nóng)

Đây là các nghiên cứu mô phỏng về quá trình truyền nhiệt, nhiệt động của bình trữ nhiệt bao gồm: sự phân tầng nhiệt độ, phân bố nhiệt độ, tổn thất nhiệt và lưu động của chất lỏng trong bình… Khi mô phỏng bình trữ nhiệt, các nhóm nghiên cứu thường kết hợp nghiên cứu các chế độ làm việc của bình với các thông số cấu tạo thay đổi như: kích thước bình chứa, tỷ lệ chiều cao/đường kính, lớp cách nhiệt… Kết quả mô phỏng trong các trường hợp này có thể được sử dụng để tối ưu hóa bình trữ nhiệt

Có rất nhiều nghiên cứu mô phỏng bình trữ nhiệt phục vụ hệ thống bơm nhiệt cũng như hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT Tiêu biểu có thể kể đến các nghiên cứu sau:

- Năm 2010, Cynthia A Cruickshank, Stephen J Harrison [36] đã nghiên cứu mô phỏng sự phân bố nhiệt độ và tổn thất nhiệt trong bình chứa nước nóng của

bộ thu NLMT dùng cho hộ gia đình

Trong mô hình nghiên cứu các tác giả đã giả thiết phân bố nhiệt độ trong bình chứa là một chiều và bỏ qua dẫn nhiệt bên trong lớp vỏ bình

Hình 1.10 Mô phỏng sự phân tầng nhiệt và cân bằng năng lượng

Theo hình 1.10 [36], các tác giả đã thiết lập được phương trình cân bằng năng lượng cho các phân tố từ đó xác định được phân bố nhiệt độ của nước trong bình chứa, gradient nhiệt độ trong bình và hệ số truyền nhiệt trung bình của nước trong bình chứa Mô phỏng được thực hiện trong hai trường hợp: làm nguội bình chứa và chế độ khuếch tán nhiệt trong bình chứa

Việc giả thiết phân bố nhiệt độ trong bình chứa là một chiều sẽ khiến kết quả thiếu chính xác vì tại các vị trí nước vào bình, (vị trí nước cấp hoặc vị trí nước qua

bộ trao đổi nhiệt vào bình) nhiệt độ nước vào khác nhiều nhiệt độ nước trong bình

Do chênh lệch nhiệt độ, trong quá trình chuyển động, chúng sẽ trao đổi nhiệt với nước xung quanh Nghiên cứu mô phỏng bình chứa nước nóng trong môi trường lập trình CFD có thể tính toán được quá trình trao đổi nhiệt này

- Nghiên cứu mô phỏng CFD của Jianhua Fan, Simon Furbo [54] về dòng đối lưu tự nhiên trong bình chứa nước nóng do tổn thất nhiệt

Các tác giả đã sử dụng phương pháp số cũng như nghiên cứu thực nghiệm về

sự thay đổi trạng thái nhiệt trong một bình chứa nước nóng kiểu hình trụ đặt đứng phụ thuộc vào tổn thất nhiệt của bình Kết quả sự phân bố hệ số tổn thất nhiệt cho các vùng khác nhau từ thực nghiệm được sử dụng như đầu vào của một mô phỏng CFD dùng tính toán dòng chuyển động trong bình

Hình 1.11 Chi tiết chia lưới mô hình bình chứa trong mô phỏng CFD

Các tác giả xây dựng mô hình, chia lưới (hình 1.11) và tiến hành mô phỏng [54] Dựa trên kết quả mô phỏng, nhóm tác giả đã xác định được phương trình để tính vận tốc và lưu lượng khối lượng nước chuyển động dọc theo bình phụ thuộc vào gradient nhiệt độ trong bình

Việc sử dụng mô phỏng CFD để nghiên cứu chuyển động của nước trong bình chứa nước nóng mang lại hiệu quả cao Có thể phát triển nghiên cứu bằng cách thay đổi chế độ hoạt động, thể tích, lớp cách nhiệt, của bình chứa trong mô phỏng

để tối ưu hóa thiết kế bình

- Ngoài ra trong lĩnh vực mô phỏng bình trữ nhiệt này còn một số nghiên cứu

có tính ứng dụng cao như các nghiên cứu của Simon Levers, Wenxian Lin (2009) [89] về mô phỏng ba chiều dòng lưu động trong bình chứa nước nóng phụ thuộc vào tỉ số H/D (chiều cao/đường kính) bình chứa, lưu lượng khối lượng môi chất và

vị trí vào ra môi chất Các mô phỏng CFD của Wahiba Yaici, Mohamed Ghorab, Evueniy Entchev, Skip Hayden (2013) [94] về chế độ nhiệt không ổn định của bình trữ nhiệt phụ thuộc vào các thông số hình học, thông số vận hành của bình nhằm tối

ưu hóa thiết kế bình Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số của Lana Kenjo, Chistina Inard, Dominique Caccavelli (2007) [62] về sự phân tầng nhiệt trong lớp

vỏ bình chứa nước nóng của hệ thống sản xuất nước nóng bằng bộ thu NLMT

d Nghiên cứu mô phỏng về hệ thống kết hợp

Hệ thống kết hợp có thể hiểu là: (1) Hệ thống kết hợp giữa bộ phận trữ nhiệt với bộ thu NLMT hoặc với bơm nhiệt, (2) Hệ thống kết hợp đồng thời cả ba thành phần trên Xuất phát từ nhu cầu của thực tế, các nghiên cứu mô phỏng hệ thống kết hợp trên thường tiến hành theo hai hướng chính là mô phỏng hoạt động và phân tích hiệu quả năng lượng của hệ thống Một số nghiên cứu tiêu biểu về mô phỏng hệ thống kết hợp có thể kể ra như sau:

- Năm 2012, M.C Rodriguez-Hidalgo và các cộng sự [69] nghiên cứu mô phỏng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong hộ gia đình và tích trữ NLMT trong chế độ không ổn định phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nhu cầu sử dụng nước nóng của các hộ tiêu thụ, sau đó sử dụng kết quả mô phỏng để tối ưu hóa kích thước bình chứa

Các bộ phận và phương pháp kết nối thành hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT được nhóm tác giả trình bày trên hình 1.12 [69] Ở đây, hệ thống nước nóng có thể chia thành 3 vòng: vòng sơ cấp từ bộ thu NLMT đến thiết

bị trao đổi nhiệt, vòng thứ 2 từ thiết bị trao đổi nhiệt đến bình chứa và vòng thứ 3 là

từ bình chứa đến các hộ tiêu thụ nước nóng Các thiết bị đo nhiệt độ và lưu lượng cũng được thể hiện chi tiết trên hình 1.12

Hình 1.12 Hệ thống NLMT sản xuất nước nóng và thiết bị đo

Sử dụng các đường đặc tính phân bố năng lượng theo thời gian các tác giả tiến hành mô phỏng hoạt động của hệ thống trong chế độ không ổn định Xử lý kết quả mô phỏng, các tác giả tính được tỷ lệ NLMT đáp ứng nhu cầu sản xuất nước nóng, tổn thất nhiệt qua bình, hiệu suất của bộ thu cũng như hiệu suất của hệ thống

theo tỷ lệ V/F (tỷ lệ thể tích bình chứa nước nóng trên diện tích bộ thu NLMT), từ

đó xác định được tỷ lệ V/F tối ưu (V/Ftư = 0,08 m) Các số liệu thời tiết phục vụ mô phỏng dựa theo điều kiện địa lý tại thủ đô Madrid, Tây Ban Nha

Các tác giả chỉ nghiên cứu bộ thu NLMT kết với bình chứa nước nóng Trong thực tế, khi có thiết bị gia nhiệt bổ sung, hoạt động của hệ thống sẽ thay đổi dẫn đến kết quả thiếu chính xác

Do hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và địa lý nên các kết quả thu được chỉ có giá trị ứng dụng trong điều kiện địa lý trên

- Năm 2013, G Panaras, E Mathioulakis, V.Belessiotis [42] đã nghiên cứu hiệu quả năng lượng của việc kết hợp bộ thu NLMT với bơm nhiệt để sản xuất nước nóng

Trong mô hình mô phỏng, bơm nhiệt, bộ thu NLMT và bình chứa đều được nghiên cứu phụ thuộc vào điều kiện môi trường Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm TRNSYS (Transient System Simulation Tool) để mô phỏng hệ thống cấp nước nóng dân dụng dài hạn tại Athens, Hy Lạp Để kiểm tra kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu xây dựng một mô hình thực nghiệm như hình 1.13 [42]

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu NLMT sản xuất nước nóng Kết quả so sánh hệ số hiệu quả năng lượng COP và năng suất nhiệt của bơm nhiệt Q bn giữa mô phỏng và thực nghiệm sai số đều nhỏ hơn 5 % Ngoài ra các tác

giả cũng đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống, kết quả nghiên cứu cho thấy năng lượng tiết kiệm được hàng năm có thể đạt được tới 70 %

Việc sử dụng phần mềm TRNSYS để mô phỏng hệ thống cấp nước nóng giúp tính toán năng lượng trong hệ thống Tuy nhiên, khi hệ thống có sự thay đổi về thiết kế thì cần xây dựng lại mô hình mô phỏng trên phần mềm TRNSYS, việc này rất phức tạp Sử dụng môi trường lập trình CFD, cho phép thay đổi mô hình mô phỏng hệ thống một cách linh hoạt, phù hợp hơn trong các trường hợp tính toán thiết kế hoặc tối ưu hóa hệ thống

Ngoài các nghiên cứu trên, một số nghiên cứu của các tác giả khác cũng có tính ứng dụng cao như: năm 2003, B.J Huang, C.P Lee [29] phân tích hiệu quả dài hạn của hệ thống NNMTBN Năm 2005, A Georgiev [21] nghiên cứu mô phỏng hoạt động của bộ thu NLMT dùng ống chân không kết hợp bình trữ nhiệt Năm

2006, Xu Guoying, Zang Xiaosong, Deng Shiming [97] nghiên cứu mô phỏng hoạt động của hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng dùng bộ thu NLMT gia nhiệt dàn bay hơi (SAS-HPWH) trong các điều kiện khí hậu đặc trưng Năm 2010, Hong Li, Hongxing Yang [46] nghiên cứu, phân tích hiệu quả năng lượng của hệ thống NNMTBN ở Hồng Kông Năm 2011, Chen Xi, Lu Lin, Yang Hongxing [33] nghiên cứu mô phỏng hoạt động của hệ thống NLMT hỗ trợ bơm nhiệt địa nhiệt để sưởi ấm

và cấp nước nóng trong chế độ dài hạn Năm 2012, T L Freeman, J W Mitchell,

T E Audit [91] nghiên cứu các phương án kết hợp bộ thu NLMT với bơm nhiệt Năm 2012, Andreas Genkinger, Ralf Dott, Thomas Afjei [26] nghiên cứu mô phỏng các phương án kết hợp bơm nhiệt với bộ thu NLMT để sản xuất nước nóng, từ đó phân tích tính kinh tế và sự ảnh hưởng đến môi trường

e Một số nhận xét, đánh giá chung về các nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN trên thế giới

- Cùng với sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng nói chung, các nghiên cứu mô phỏng về hệ thống NNMTBN hoặc một bộ phận cấu thành hệ thống (bộ thu NLMT, hệ thống bơm nhiệt, bình chứa nước nóng) ngày càng nhiều

- Các nghiên cứu mô phỏng trên đã góp phần giải quyết hầu hết các vấn đề thực tế gặp phải trong việc xây dựng và vận hành của hệ thống NNMTBN thể hiện trên một số lợi ích mà nó mang lại như: giúp tính toán, xác định các thông số hoạt động của hệ thống; hỗ trợ thiết kế, tối ưu hóa thiết kế hệ thống; nghiên cứu, đánh giá hoạt động của hệ thống trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau…

- Việc nghiên cứu mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không (loại bộ thu được sử dụng phổ biến ở Việt Nam) thường được thực hiện bằng 2 phương pháp là phương pháp giải tích, sử dụng mô hình bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng tương đương, hoặc phương pháp số (mô phỏng bằng CFD) Các nghiên cứu thực hiện theo phương pháp giải tích có sai số tính toán tương đối lớn do phải chấp nhận nhiều giả thiết gần đúng khi nghiên cứu Gần đây, nhờ sự phát triển mạnh của khoa học máy tính, các nghiên cứu mô phỏng loại bộ thu này thường được thực hiện bằng CFD đem lại kết quả nghiên cứu chính xác hơn và giải quyết được nhiều bài toán tối ưu hóa hoạt động của bộ thu

- Hoạt động của các hệ thống NNMTBN phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý, điều kiện khí hậu nơi lắp đặt do đó các nghiên cứu mô phỏng hệ thống thường gắn với một vùng địa lý, khí hậu nhất định và các kết quả nghiên cứu chỉ có thể áp dụng trong các điều kiện tương đồng Việc thực hiện các nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN cho các vùng khí hậu khác nhau là có ý nghĩa thực tiễn

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo xu hướng chung của thế giới, các hướng nghiên cứu ứng dụng bộ thu NLMT để sản xuất nước nóng ở nước ta cũng được một số tác giả quan tâm và nghiên cứu Mặc dù số lượng nghiên cứu còn hạn chế nhưng đã có một số nghiên cứu có tính ứng dụng cao Tiêu biểu trong lĩnh vực này có thể kể đến các nghiên

- Năm 2001, Nguyễn Quân [19] nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ ứng dụng trong kỹ thuật lạnh Đây là công trình nghiên cứu về bộ thu NLMT có ý nghĩa cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn,

là một trong những nghiên cứu ứng dụng NLMT vào thực tế đầu tiên ở nước ta

- Năm 2006, Đỗ Trần Hải [3] đã nghiên cứu sử dụng BXMT ở Việt Nam cho cấp nhiệt phục vụ sản xuất và tiêu dùng trong chiến lược khai thác năng lượng sạch bảo vệ môi trường Tác giả đã tính toán phân bố và tiềm năng ứng dụng BXMT trên

cơ sở số liệu quan trắc bức xạ cho các địa phương ở Việt Nam Ngoài ra, tác giả cũng đánh giá tiềm năng khai thác BXMT, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và hiệu quả giảm ô nhiễm, bảo vệ môi trường và xây dựng phương pháp xác định chuẩn hợp lý khai thác năng lượng trong các công nghệ khai thác NLMT khác nhau Các kết quả nghiên cứu trên giúp việc tính toán, thiết kế… các hệ thống sử dụng NLMT nói chúng đơn giản hơn, góp phần nâng cao các công trình sử dụng NLMT

ở nước ta

- Năm 2007, Hoàng An Quốc, Lê Chí Hiệp, Hoàng Dương Hùng [5] đã nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm bộ thu NLMT dạng ống nhiệt chân không trong điều kiện Việt Nam Trên cơ sở các nguyên lý, cấu tạo của một ống nhiệt mặt trời chân không, các tác giả đã xây dựng các phương trình toán học, bản vẽ thiết kế rồi tiến hành chế tạo một bộ thu NLMT Tiến hành thí nghiệm với bộ thu NLMT được chế tạo, kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất trung bình của loại bộ thu NLMT này

có thể đạt đến 55 %, nhiệt độ nước nóng có thể đạt được từ 85 o

C đến 95 oC tương ứng với CĐBX mặt trời 800 W/m2

Đây là một trong số ít các nghiên cứu thực nghiệm có khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế ở nước ta

- Năm 2009, Lê Chí Hiệp, Hoàng An Quốc, Hoàng Dương Hùng [8] nghiên cứu đánh giá khả năng cấp nhiệt của các collector mặt trời kiểu ống nhiệt Tiến hành thí nghiệm với năm loại bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt, các tác giả đã phân tích,

xử lý kết quả từ đó đánh giá khả năng cấp nhiệt của từng loại bộ thu Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng phân tích ưu nhược điểm của từng loại bộ thu NLMT nói trên và đưa ra các nhận định về khả năng ứng dụng của chúng trong điều kiện Việt Nam

- Năm 2009, Hoàng Dương Hùng, Lê Thị Châu Duyên, Trần Ngọc Lân [7] nghiên cứu hệ thống gương tập trung bức xạ định vị theo phương mặt trời ứng dụng cho mục đích cấp nhiệt Nhóm tác giả thiết kế một mô-đun gương tập trung bức xạ mặt trời loại vừa Gương được thiết kế là một phần của parabol tròn xoay có biên