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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)
Trang 1LOI CAM DOAN
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 qua
nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bé trong bat ky công trình nào
Hà Nội ngày 26 tháng 7 năm 2017
Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh
Trang 2LOI CAM ON
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt —- Lạnh, các thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tơi hồn thành bản luận án này
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS.TS Nguyễn Nguyên An và PGS.TS Hà Mạnh Thư đã
hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận án
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!
Hà Nội, ngày 26 tháng 7 năm 2017 Tác giả luận án
Tạ Văn Chương
Trang 3MUC LUC
900) 29) 006 -.A ,ÔỎ i 0919) 19 À0 - HHẬ ,,ÔỎ ii
1 Tinh cap thiét ctha d@ thi .c.ccscsssccccssssssssessccsssssseescccssssssecsssasssssscsccesssensesss 1
2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu . - 3 E18/278901012)6-11112115111 0 TT“ 3
4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án - 4 GHUONG 1 TONG QUAN co ngoi nhan hiignhgtiatetleltokqasbisdgtiaiosgssaaegei 6 1.1 Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta :-: +222cvccvcvvvcvceevcee 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 - §
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước -«-+-<c++++-++s+ 8
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nưỚc ‹-c.cecetrsrterrsereeeereeriee &
1.42 Tình hình nghiên cứu trong nước -:-+++e+ecceveevvvrvrrtrrrrrtrrrrirree 22
1.4.3 Các vấn đề tồn tại i sraaeccar a ccoaresenscrcnass lS CHUONG 2 CO SG LY THUYET MO PHONG HE THONG SAN XUAT NƯỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NNMT KÉT HỢP VỚI BƠM NHIỆT 27
2.1 Lý thuyết chung về mô phỏng . ¿- + ©+ze£+vscez+czxe 27
2.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống NNMTBN .-. 29 2.2.1 Mô phỏng bơm nhiệt 20
2.2.1.1 Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp kết hợp
22.12 Mô phỏng bơm nhiệt theo phương pháp hàm đặc tính
2.2.2 Mô phỏng bình chứa nước nóng và bộ thu NLMT - 47
2.2.2.1 Phương pháp mô phỏng số CED,
Trang 42.2.2.4, Mo phong bé thu NLMT
2.2.3 Mô phỏng hệ thống NNMTBN 22t 2.2
2.3 Kết luận chương 2 -22¿++22EEE2++222222222112222221111322 22222122 61 CHUONG 3 XAY DUNG PHAN MEM MO PHONG HE THONG SAN XUAT NƯỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NLMT KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT 62
3.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiỆt -¿2 62 3.1.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng máy nén .22.:-2++.-.Ø2 3.1.2 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt - Ø3 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 ‡
3.2.3 Mô phỏng hoạt động của ống thủy tỉnh chân không
3.3 Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống NNMTBN 82
3.3.1 Xác định hàm đặc tính của bơm nhiệt 22:222.:sszersecr B2 3.3.2 Xác định hàm đặc tính của bộ thu NLMT
3.3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 nï 85
3.3.4 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNNLMT 8Ð 3.4 Két on nh ẽ 92
CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA KÉT QUẢ MÔ PHỎNG 93
4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm kiêm chứng - + 93
4.2 Hệ thông thí nghiệm của đề tài KC.05.03/11-15 - 101
4.2.1 Hệ thống NNMTBN tại Nha Trang -52steezeeersreaeeee TÔ 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 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 thông NNMTBN 30 mỶ 109
4.3.3 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng hệ thông NNNLMT 110
4.4 Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bơm nhiệt 114
4⁄5 Kết luận CHƯỜNB Ácococidth ga hit tgttt4tdtãiltni gang 119
Trang 5CHUONG 5_UNG DUNG PHAN MEM MO PHONG VAO THUC TE - 120 5.1 Nghiên cứu các thông số hoạt động của ống thủy tỉnh 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
hop VOl Dominate sacs ccsscssescssccunessusassnesavsssenssessecceccssvasssseeveseuvanceraseescaseveave 124
5.4, Két lain ChUOng 5 .csssscssssssssssesesssssnsssseesecsesssnseseesscsssseesseesenssneeseeseenss 134 KET LUAN VADE XUAT wessscssssssisesessncaarnenmnnnsicencncansnnnancnnamcsai 135
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CONG BO CỦA LUẬN ÁN 137
Trang 6DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT
Cac ky hiéu theo chir Latinh
Ky hiéu Tén dai luong Thứ nguyên
C, | Nhiét dung riêng khối lượng đẳng áp kJ/&gK)
COP _ | Hệ số bơm nhiệt -
đầu Đường kính ngoài của ống m
D, Đường kính trong của ống m
d Đường kính trong của ống m
Sia Tỷ lệ diện tích vùng bão hoà trong TBNT -
F Diện tích m
F,, | Diện tích bề mặt của bộ thu m
F,, | Dién tich bé mat trao d6i nhiét cua TBBH m
F„ | Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBNT m
Fr Hệ số lấy nhiệt của bộ thu §
G Cường độ BXMT hấp thụ trên một đơn vị diện tích W/m?
Hạ Tổng lượng tán xạ ngày trên mặt phẳng ngang kJ/(m ngày) H, Téng lượng bức xạ ngày trên mặt phẳng ngang kl/(m ngày) H, Téng lượng bức xạ ngày trên bề mặt bộ thu NLMT kJ/(m ngày)
i Entanpi kJ/kg
ữ Cường độ bức xạ toàn phần trên mặt phẳng bộ thu Wim 1 Cường độ bức xạ tổng xa trén mat phang ngang Wim?
bù Cường độ bức xạ trực xạ trên mặt phăng ngang Wim
lạ Cường độ bức xạ tán xạ trên mặt phẳng ngang Wim? 1, Cường độ bức xạ phản xạ trên mặt phẳng ngang Wim? 1 Cường độ bức xạ toàn phần trên mặt phẳng ngang Wim?
k Hệ số truyền nhiệt W/(m?K)
Ky Hệ số truyền nhiệt của TBBH W/(m°K)
Keen Hé số truyền nhiệt vùng bão hoà của TBNT W/(m’K)
k„„„ | Hệ số truyền nhiệt vùng quá nhiệt TBNT W/(m?K)
l, Chiều dài ống thủy tỉnh chân không m
Trang 7
te Công nén riêng thực của máy nén kl/kg
dg Công nén riêng đoạn nhiệt thuận nghịch của máy kJ/kg
M Lượng nước trong hệ thông kg
m Lưu lượng khối lượng môi chat kg/s
Nei Công suất điện của máy nén kW
Nine Công suất cơ của máy nén kW
N, Céng suất nén thực của máy nén kW
Ny Công suất nén thuận nghịch của máy nén kW
p Áp suất Pa
Oo Năng suất nhiệt kW
Qn Nang suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT kW Q,, | Năng suất nhiệt hấp thụ trên bề mặt bộ thu NLMT kW
do Năng suất lạnh riêng của TBBH kJ/kg
9, Năng suất lạnh kW
¿ — | Năng suất thải nhiệt riêng của TBNT kJ/kg
Ó, — | Năng suất thải nhiệt kW
Q, — | Nhiệt tổn thất kW
Th Hé sé chuyén đổi đối với thành phần trực xạ - Tạ Hệ số chuyền đổi đối với thành phần tán xạ 3
ry Hệ số chuyền đổi đối với thành phan phan xa -
Ry Tensor tng suat Reynolds kg/(ms)
t Nhiét do 88
ty Nhiệt độ mối hàn giữa tắm hấp thy và ống °C
tụ, Nhiệt độ môi trường °C
tnmin | Nhiét dO cuc tiéu trung binh thing SỐ
i, Nhiệt độ bay hơi của mơi chất lạnh °6
đ Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh tố
t, Nhiệt độ môi chất cắp nhiét cho TBBH ie
t, | Nhiệt độ môi chất làm mát TBNT °C 1 Nhiệt độ bề mặt °C
Trang 8
u Van téc m/s U, — | Hé sé t6n that nhiét toan phan cua bé thu W/(m°K) V_ |Thểtích mì
V; Thể tích quét của máy nén cm?
V,, Luu lượng thể tích lý thuyết tại đầu hút máy nén cmỶ⁄s
WwW Khoảng cách giữa tâm các ống m
A Sai lệch -
At,, | Chênh lệch nhiệt độ đơn vị Km?/W
Ar„„ | Trung bình ngày của chênh lệch nhiệt độ đơn vị Km?/W A/,u, | Chênh lệch nhiệt độ trung bình vùng bão hoà trong K Abin Chênh lệch nhiệt độ trung bình vùng quá nhiệt K At, Chênh lệch nhiệt độ trung binh trong TBBH K
At, Độ quá lạnh K
Aty, Độ quá nhiệt K
Các ký hiệu theo chữ Hy Lạp
Ký hiệu Tên đại lượng Thứ nguyên
Z Hệ số tỏa nhiệt đối lưu W/(m°K)
8 Góc nghiêng của bộ thu độ 9 Góc tới tia bức xạ độ ổ Góc vĩ độ mặt trời độ 6 Sai số tương đôi % y Góc phương vi độ ế Góc chắn tỉa trực xạ độ ¢ Góc vĩ độ độ oO Góc thời gian độ
Tầm Hệ số phản xạ của môi trường xung quanh -
a Hiệu suất thể tích của máy nén -
"stip Hệ số trượt của động cơ máy nén -
Net Hiệu suất điện của máy nén -
Nine Hiéu suất cơ của máy nén -
1, Hiéu suất không thuận nghịch của máy nén -
viii
Trang 9£ Hệ số làm lạnh = Thời gian Ss
Tmax Số giờ nang trong ngay h/ngay
(ca) | Tích số truyền - hấp thu -
Pp Khối lượng riêng kg/m?
b Độ nhớt động học của môi chat m/s
# Độ nhớt động lực học của môi chât Pa.s
Trang 10qn Quá nhiệt r Ra, thực, môi chất lạnh Ss Doan nhiét tb Trung binh tt Ton that tu Tối ưu v Vào Các chữ viết tắt
Ký hiệu Tên đại lượng
ANNL An ninh năng lượng
BN Bom nhiét
BXMT Bức xạ mặt trời
CDBX Cường độ bức xạ
CFD Computational Fluid Dynamics
EES Engineering Equation Solver
ve rae Hệ thông sản xuât nước nóng dùng bộ thu năng
Hệ thong NNMTEN | trung mặt trời kết hợp với bơm nhiệt
Hệ thống NNNLMT Hệ thông sản xuat nước nóng dùng bộ thu nang lượng mặt trời
NLMT Năng lượng mặt trời
SSTD Sai số tương đối
TBBH Thiết bị bay hơi
TBNT Thiết bị ngưng tụ
TRNSYS Transient System Simulation Tool
Trang 11DANH MUC CAC BANG
Bảng 3.1 Thông só lắp đặt bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít - 66
Bang 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 líi 68 (thuộc đề tài KC.05.(03/11-15 ở điểm Hà Nội) ©ccccccccccccccccccee 68 Bang 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 Két 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 . - sl Bang 3.9 Kết quả mô phỏng công suất gia nhiệt của bơm nhiỆt 83
Bang 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 Bang 4.1 Thong số kỹ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống . - 95
Bảng 4.2 Thông số lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trỏi - 95
Bảng 4.3 Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước trong bình chứa nước NORE bong Hy G 60 1ã60:360031613580183864635108818151860831808 01381608080 168018.0006/40388803408y83.88 101 Bang 4.4 Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước tại các điểm đo trên hệ thống và giá trị CĐBX -:::+: 2222222EEEEEEErvrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrkrrrrvee 101 Bang 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 Bảng 4.6 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) cv 107 Bảng 4.9 Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của bộ thu NLMT không có bình chứa (hệ thông thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội) - 108
Trang 12Bảng 4.10 Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của hệ thông NNMTBN 30 mỉ”
Bang 4.11 Số liệu thực nghiệm của bơm nhiệt (ở Nha Trang) 116 Bảng 4.12 Số liệu mô phỏng của bơm nhiỆt . -ccccsccccsccccveccee 117 Bảng 4.13 Đánh giá sai số kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bơm nhiệt
Bảng 5.1 Các thông số
NINMEBN ‹:coxcognniingiangg ng 8611055 1616003010861616113586E668361351008140330E5363812050 30701564 125
Bảng 5.2 Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng lượng bức xạ ngày cho địa điểm lắp đặt bộ thụ NLMT (Nha TYAH) - cc-c<c<c+c+c<sesereree+ 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) - :555cccccccccccccvcececeee 126
Bang 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 can cdp và nhiệt bổ sững (HÀ NỘI aoeaenianasnannssaa 128 Bảng 5.6 Năng suất gia nhiệt và công suất tiêu thụ điện của bơm nhiệt phụ
wd wed OL
thuộc vào nhiệt độ
Bảng 5.7 Số giờ chạy tương đương của một bơm nhiệ
Trang 13DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ
Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam 6
Hình 1.2 Sơ đô nguyên lý hệ thống NNMTBN -©-ccccscccceecer 7 Hình 1.3 Bộ thu NLMT kiểu tắm phẩng, cccccccccccccccccererrrrseecvee 9
Hình 1.4 Bộ thu NLMT sử dụng ống thủy tỉnh chân không . - - 11 Hình 1.5 Dé thi logp ~ i của quá trình NE 1 ecseccccsssssssesssessvssssssseesesssssesseseesssvseee 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 . cccc5ccccvcvvvcvcvcee 15 Hình 1.8 Sơ đô khối hệ thông bơm nhiệt CO; và các điểm đo -.- đã Hình 1.9 So sánh COP thực nghiệm và mô phỏng khi
nhiệt độ môi trường thay 0A 16
Hình 1.10 Mô phỏng sự phân tầng nhiệt và cân bằng năng lượng 17 Hình 1.11 Chỉ 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 ẩo 20
Hình 1.13 Sơ đồ hệ thong bơm nhiệt kết hợp bộ thu NLMT sản xuất nước
HÓNG
Hình 2.1 Đồ thị logp-i của chu trình bơm nhiỆP 5< ccc<ererxexeeseer 30
Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén xoắn óc
Hình 2.3 Các quá trình nhiệt động của môi chất trong máy nén xoắn Ốc 36
Hình 2.4 Sơ đô liên hệ các đại lượng trong mơ hình tốn của máy nén xoắn
Hình 2.5 Lưu đỗ thuật toán giải hệ phương trình của máy nén xoắn Ốc
Hình 2.6 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trên do thi logp - i
Hình 2.7 Quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trên đồ thị logp - ỉ 41 Hình 2.8 Sơ đô 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
Hình 2.10 Sơ đồ tương tác giữa các đại lượng trong mô hình bơm nhiệt sử
dụng phương pháp hàm đặc Ính - «5< 5sSxsk+tstek+kekexekerersrrrerkrkrksxer 46
Trang 14Hình 2.11 Đặc trưng của dòng chảy rồi . -. :-52cccccceccccccvecccesrcree 50
Hình 2.12 Các phương pháp tinh rồi trong dòng chảy -.-. - 51
Hình 2.13 Mô hình bình chứa NƯỚC HÓIg .- c5 eccc+x+eecerezererereresxer 32 Hình 2.14 Mô hình bộ thu NLMT kiểu Ống thủy tỉnh chân không 54
Hình 2.15 Mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN . - : c - 58
Hình 2.16 Sơ đồ tương tác các đại lượng trong mô phỏng hệ thống NNMTBNSS Hình 2.17 Lưu đơ thuật tốn mô phóng hệ thông NNMTBN 60
Hình 3.1 Giao diện phần mêm mô phỏng máy Hén - : -c5ccccc:+ 63 Hình 3.2 Giao diện phần mêm mô phỏng bơm nhiệt -.-.-: -+ 64
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của bộ thu NLMT kiểu Ống thủy tỉnh chân không 65
Hình 3.4 Cấu tạo bộ thu NLMT với bình chứa 200 ÏÍt +-+-s-+-s= 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 bó nhiệt độ trong bình chứa tại thời điểm ban đẫu 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 IFWÒNg -.- 70
Hình 3.10 CĐBX mặt trời hấp thụ trên bê mặt bộ thu NLMT 70
Hình 3.11 Quá trình trao đổi nhiệt trên bê mặt ông thủy tỉnh chân không TỦ 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 LTC ARES 74 Hình 3.16 Chia lưới mô hình bộ thu NLMT 2Š Ống -: -5-+- 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 T8 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 50 Ống -: c - 79
Trang 15Hình 3.23 Thiết lập các điều kiện biên cho mô hình -. : 80
Hình 3.24 Phân bố nhiệt độ trong mô hÌHÏ., -s-cssscvkvsseeetekerererrrrrvree 81 Hình 3.25 Phân bồ vận tốc của nước tai mat cat dọc theo tâm ong savenearasaneene 81 Hình 3.26 Phân bó vận tốc của nước tại miệng ống à Lteuyssu2u545/0998616039853632012050gu7 82 Hình 3.27 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thông NNMTBN 85
Hình 3.28 Các thông só vào, ra trong mô hình mo phong hé thong NNMTBN86 Hình 3.29 Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thống NNMTBN 30 nỶ 88
Hình 3.30 Kết quả mô phỏng hệ thong NNMTBN 30 mỶ - - 88
Hình 3.31 Xây dựng mô hình hệ thông NNNLMT c-sc5cccssc+cc+ 89 Hình 3.32 Chia lưới mô hình hệ thống NNLNMT -ccccccc -e+ 90 Hình 3.33 Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thông NNNLMIT 91
Hình 3.34 Kết quả mô phỏng hệ thống NNNLIMT -c-+- 92 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thong thí nghiệm . -.-. -: -c -c -+ 94
Hình 4.2 Chế tạo và lắp đặt các đầu do phân tầng nhiệt độ trong bình 95
Hình 4.3 Chế tạo và ca-líp các đâu 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 -cce:©ccccesccccceecccveeerrreeee 97 Hình 4.7 Hệ thong DOM, GUAT BiG ANC biccccc cisco 97 Hình 4.8 Thiết bị đo bức xạ trên mặt phẳng ngangg -c : -+ 97
Hình 4.9 Các mô-đun trong hệ thống điều khiển và ghỉ số liệu . 98
Hình 4.10 Màn hình cảm ứng DOP-B035211 Hình 4.11 Sơ đô kết nói các thiết bị trong hệ thông điều khiển và ghỉ số liệu 99 Hình 4.12 Tủ điều khiển hệ thống đo và tự ghỉ số liệu : 100
Hình 4.13 Hệ thống thí nghiệm kiểm chứng mô hình mô phỏng 100
sân xuất nuữc nông dùng NIMTT ccocciodgg hung gin ta dị gà 0 La G0 00002440.14cágg 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
Trang 16Hình 4.17 Lắp đặt cảm biến ẩo bức xạ mặt trời -s.cccc 104 Hình 4.18 Tủ điện đo, tự ghỉ số liệu và điều khiển của hệ thống 104
Hình 4.20 Hệ thống NNMTBN tại Hà NỘI .-.cccccsrererererertrrrrsee 106 Hình 4.21 Cảm biến đo nhiệt độ nước trên đường Ống .- .-: 106 Hình 4.22 Cảm biến đo CĐBX mặt trời : ©ccscScszt2ExstSEsesrrkesrrrcee 106 Hình 4.23 Tủ điện đo và tự ghỉ số liệu
Hình 4.24 Nhiệt độ nước đâu vào và ra của bình chứa nước nóng 108 Độ TH NH MT tố DĨNH CN onntainaciLiah n4 31111550 8u0280858610106016005130468004800077140180 108 Hình 4.25 Nhiệt độ nước qua bộ thu NLMT 5+ se Sc+v+e+xevexeevxvxve 109 Hình 4.26 Nhiệt độ nước đi sử dụng của hệ thẳng NNMTPBN - 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 chiêu cao II
Hình 4.29 Phân bố nhiệt độ nước theO trC HgđHg, -«c55<5<5<+xcc+cse+ 112
Hình 4.30 Phân bồ nhiệt độ nước trong chế độ hoạt dong theo chiéu cao 113 Hình 4.31 Đánh giá sai số kết quả tính toán lưu lượng khối lượng 114 môi chất lạnh với số LE ThULONQHIEM sc ccvecesevavinersessaiensvesasecarassvsecawisrnsneoesenses 114 Hình 4.32 Đánh giá sai số kết quả tính toán năng suất lạnh - 115 với số liệu thực nghiệm
Hình 4.33 Đánh giá sai số kết quả tính tốn cơng suất điện tiêu thụ của máy nén với số liệu thực nghiệm Hình 5.1 Lưu lượng khối lượng nước tuân hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và CĐBX do ống hấp thụ Hình 5.2 Lưu lượng khối lượng nước tuân hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và sóc chắn tÌA FC XẠ cv Chư 121
Hình 5.3 Năng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc nhiệt độ nước và CĐBX do ống
DED TBE tconhggthauiEtE1DIBGEGRGHGHIAGGRNIIGUEDRS.GRIOLNGRRGĐAB SEIGURNGOiNdingg 122
Trang 17
Hình 5.6 Năng lượng cân thiết để sản xuất nước nóng . - - 129 Hình 5.7 Phân bó năng lượng trong hệ thống ở Nha Trang - - 130 Hình 5.8 Phân bó năng lượng trong hệ thống ở Hà Nội 130 Hình 5.9 Tiêu thụ điện năng của hệ thống Íttttosz3G03450003911.09385008046103465603g3160X6g 132 Hình 5.10 Tỷ lệ sử dụng điện năng của hệ thong (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 CÓ của hệ thong NNMTBN:suasaeiaaaaas 133
SÔiVØpliaữnt'ồ0HDNgG: TIẾN THỦ tcaoccnicdhgggĩggH ánh 0141801555 0010003854 0 28063,18148164 486 133
Trang 18MO DAU
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 yêu hiện nay ở nước ta là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một sé it năng lượng tái tạo như năng lượng gid, nang lugng mat troi (NLMT) Qua trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng luôn kẻm theo việc phát thải ra các chất độc hại như CO;, NO, , là những chất gây hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triền 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 đuyệt 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 1019 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,
Trang 19ứng 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 ca ở những vùng
nhận nhiều bức xạ nhất trên trái đất, cường độ bức xạ (CĐBX) rất hiếm khi dat 1
kW/m’, một giá trị tương đối thấp đối với nhiều công nghệ [28] Do đó, các ứng
dụng NLMT thường đòi hỏi điện tích thu năng lượng lớn làm tăng chỉ phí Ngoài ra, NLMT con là nguồn năng lượng không ồn 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 chỉ 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 cắp 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 chỉ 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 chỉ 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 chỉ 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
Trang 20mô 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 thong NNMTBN) co thé giúp tối ưu hóa thiết
kế hệ thống, qua đó giảm chỉ phí về thời gian và nguyên vật liệu xây dựng hệ thống Ngồi ra, mơ 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 on định và tiết kiệm năng lượng Các ưu điểm của việc mô phỏng hệ thống nêu trên chính là chìa khóa dé 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: “Wghiên 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)
- Phuong pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết đê 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 cầu 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 đề tiền hành nghiên cứu thực nghiệm
Trang 214 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 tỉnh chân không của bộ thu NLMT, quá trình tích nhiệt trong bình chứa nước nóng
- Các hàm tốn học mơ 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 tốn, mơ 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 Cu thé, 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)
Ý nghĩa thực tiễn:
- Đã xây dựng được một hệ thống thí nghiệm giúp kiểm chứng các kết quả mô phỏng và nghiên cứu đặc tính của hệ thống
- Phần mềm mô phỏng có thể sử dụng để nghiên cứu, tính toán các hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và giúp tránh được những rủi ro đầu tư không hiệu quả
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 nay gop phan 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 thông 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,
Trang 22mô hình mô phỏng có thể thay đổi một cách linh hoạt góp phần hỗ trợ tinh toán các phương án thiết kế mới hoặc tối ưu hóa hệ thông
- 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 thê 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 tỉnh chân không thu NLMT cho thấy: với ống thu NLMT kiểu ống thủy tỉnh chân không hai lớp, đường kính ngoài 58 mm (loại ống được sử dụng phô 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, nang 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
- Ung dụng phan mém m6 phong bom nhiét 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 biên ở nước ta, nhiệt độ môi trường từ 20 °C đến 30 °C, nhiệt độ nước nóng vào từ 40 °C đến 50 °C thi COP cia bom nhiét 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 °C đến 10 °C, CỚP của bơm nhiệt thấp, đề 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 dé 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 % tống năng lượng cần thiết đề sản xuất nước nóng, tiêu thụ điện của hệ thống chi bằng 5,7 % so
Trang 23CHUONG 1
TONG QUAN
1.1 Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta
Việt Nam tuy là đất nước ở vùng nhiệt đới nhưng nhu cầu sử dụng nước
nóng trong các hộ gia đình, các nhà cao tầng, khách sạn, bệnh viện rất lớn, nhất là
về mùa đông ở miền Bắc Năng lượng dùng đề sản xuất nước nóng luôn chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng tiêu thụ năng lượng Theo số liệu được công bố trong hội thảo bơm nhiệt và công nghệ trữ nhiệt châu Á (2013), tỷ lệ này trong phạm vi các hộ gia
đình (nhà riêng) và trong khách sạn tại Việt Nam lần lượt là 18 % và 30 % (hình
1.1) [75] Do đó, có thể thấy, việc tiết kiệm năng lượng trong sản xuất nước nóng ở nước ta có ý nghĩa lớn
Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình Nhu cẩu năng lượng trong khách sạn
+ Điểu bòa không khí Diba ba khong ta
Hơn © Chibe sing
ø Nước nông = Nude nông
+Khic
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 dé 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 đề sản xuất nước
nóng [16], [74], [77], [91] Phuong án sử dụng bộ thu NLMT đề 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 cua bơm nhiệt giảm đáng kể, việc ghép đàn 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
Trang 24nóng cũng không phù hợp với điều kiện tự nhiên nước ta, ngoài ra việc triển khai hệ thống phức tạp với chỉ 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 dé san 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 thông NNMTBN) điển hình được giới thiệu trên hình 1.2
Hệ thống gồm hai phân chính, kết nối song song với bình chứa nước nóng, là các bộ thu NLMT và các bơm nhiệt dự phòng Nước nóng di sir dung Bom nhiệt Bình chứa nước nóng Bom tua ”——————— ——————— Bơemtuẳn hoàn hoàn
Hình 1.2 Sơ đô 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 đê 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
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 chỉ 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
Trang 25phuc tap Do do, 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 phóng 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, chỉ phí, nguyên vật liệu xây dựng hệ thống, làm giảm giá thành của hệ thống
+ Nghiên cứu mô phỏng hệ thông 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 thông NNMTTBN như đã trình bày ở mục 1.2 Do đó, việc nghiên cứu mô phỏng hệ thông 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 thong bơm nhiệt, bộ phận trữ nhiệt và mô phỏng hệ
thống kết hợp các bộ phận trên
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
a Nghiên cứu mơ phỏng về bộ thu NLMT cáp nước nóng
Đây là các nghiên cứu mô phỏng về hoạt động của bộ thu NLMT, xác định các
Trang 26lượng và sự tuần hồn mơi 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
tắm 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
- Nam 2002, Duffie và Beckman [51] đã nghiên cứu về việc xây dựng các phương trình mô phỏng, tính toán bộ thu NLMT dạng tắm phẳng Nước ra Tấm hấp thụ /ˆ Lớp cách nhiệt / Ống nước Ống góp Hình 1.3 Bộ thu NLMT kiểu tắm 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 tắm hấp thụ, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi tắm, 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 tôn that dẫn nhiệt Tắm kính phía trên được sử dụng đẻ giảm tổn thất nhiệt đối lưu của lớp không khí và ngăn các tia bức xạ nhiệt sóng đài phát ra từ tắm
hấp thụ (hiệu ứng nhà kính)
Trang 27+ Nang suất nhiệt của bộ thu NLMT:
On, = Foy Fe-| Ey —Un-(ty 4») d2)
+ Hiệu suất của bộ thu NLMT:
,
Ny E1 (1.3)
bt
Trong do:
/„„ - nhiệt độ môi trường, °C
¿„ - nhiệt độ mối hàn giữa tắm hap thụ và ống, °C
£„„ - nhiệt độ nước vào bộ thu, °C
1 - bức xạ mặt trời hấp thụ trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, W/m” 1- bức xạ mặt trời tới trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, W/m?
Ư„ - hệ số tôn thất nhiệt toàn phần của bộ thu, W/m”.K
mx \U,!kö với k và ö lần lượt là hệ số dẫn nhiệt và chiều dày của tắm
x - tọa độ theo phương x, m
W - khoảng cách giữa tâm các ống, m D, - đường kính ngoài của ống, m
Ó/„ - năng suất lây nhiệt của bột thu NLMT, W
F,„ - diện tích bề mặt của bộ thu NLMT, m?
F; - hệ số lây nhiệt của bộ thu NLMT ??,, - 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 tâm phẳng Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, để sản xuất nước nóng, chủ yếu dùng các bộ thu NLMT kiểu ống thủy tỉnh chân không bởi nó có nhiều ưu điểm
nổi trội so với bộ thu kiểu tắm phẳng như giá thành hợp lý, hiệu suất cao, làm việc 6n 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 tắm 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
Trang 28khái niệm, định nghĩa trong các công thức trên vẫn được sử dụng tuy giá trị của chúng đã thay đồi
- Nam 2009, Runsheng Tang, Wenfeng Gao, Yamei Yu, Hua Chen [78] nghién cứu về góc nghiêng tối ưu của các bộ thu NLMT kiểu ống thủy tỉnh 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 phan nâng cao hiệu suất của các bộ thu NLMT
kiểu ống thủy tỉnh 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
- Nam 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 tỉnh chân không trong hệ thống đun nước nóng bằng bộ thu NLMT tuần hoàn cưỡng bức
Hình 1.4 [103] mô tả cầu tạo và hoạt động của bộ thu NLMT kiểu ống chân
không Đề tăng hiệu quả lấy nhiệt và giảm tổn thất, các ống nhận nhiệt được cấu tạo là ống thủy tỉnh 2 lớp, ở giữa được hút chân không Phía bên trong ống được phủ
một lớp hắp thụ bức xạ Nước trong ống nhận nhiệt bức xạ mặt trời và chuyên động
lên xuống theo cơ chế đối lưu tự nhiên Các ống được kết nối với bình chứa nước nóng hoặc ống góp
“—~ va thay tinh
Hình 1.4 Bộ thu NLMT sử dung ống thủy tỉnh 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 chuyền động cưỡng bức qua hệ thống ống góp Quá trình truyền nhiệt được nghiên cứu bao gồm quá trình trao
Trang 29đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong ống chân không và quá trình trao đổi nhiệt cưỡng bức trong các ống gop
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 b6 thu NLMT với nhiệt độ trung bình của nước trong bộ thu
+ Phương trình cân bằng nhiệt của bộ thu NLMT:
M.C„(di, nth /dt)=mC,,.(t,, —t,,)+1-( 202) Fy —Uy-(ty5 ~be ) Fr ht U (1.4)
+ Nhiệt độ nước tại đầu ra của bộ thu NLMT theo nhiệt độ trung bình:
t„„ =2, +l,kăm, I(2m)—1,.k.e!2)—t, (1.5)
Trong do:
M - lugng nước trong hệ thống, kg
C, - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của nước, J/kg.K f„„„ - nhiệt độ nước trung bình trong các ống của bộ thu, °C t,y - nhiệt độ nước vào bộ thu, °C
:„„ - nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, °%C
t„„ - nhiệt độ môi trường xung quanh, °C 7- thời gian, s
m - lưu lượng khối lượng của nước tuần hoàn trong bộ thu NLMT, kg/s m„„ — lưu lượng khối lượng nước đối lưu tự nhiên trong ống thủy tinh chân không, kg/s
1- bức xạ mặt trời tới trên một đơn vị diện tích bộ thu NLMT, Wim (xơ) - tích số truyền — hấp thụ của bộ thu NLUMT
E„ - diện tích có tồn thất nhiệt, m”
Fi - diện tích hấp thụ nhiệt của bộ thu NLMT, m?
1„ - chiều dài của ông, m
k=1.D,(ra)/(m,.C,) hệ số, K/m
D,~ đường kính trong của ống, m
£- tỉ số trung bình giữa diện tích mặt cắt ngang của phần nước nóng so với diện tích mặt cắt ngang của Ống trên toàn bộ chiều dài ống
Trang 30Kết 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 đẫn 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 tốn thất nhiệt và hiệu suất của bộ thu; nghiên cứu thực nghiệm của Ruobing Liang (2012) [79] về hiệu suất nhiệt của ống thủy tỉnh chân không kèm ống chữ U; nghiên cứu mô phỏng CED của A.C Mintsa Do Ango, M Medale, C Abid (2013) [22] nhằm
mục đích tối ưu hóa thiết kế bộ thu NLMT kiểu tắm phẳng ché tao tir polymer; nghiên cứu mô phỏng của Keguang Yao và các cộng sự về hoạt động của ống thủy tỉnh chân không hắp thụ nhiệt có băng xoắn (2015) [60]
b Nghiên cứu mô phỏng về hệ thống bơm nhiệt
Muốn nghiên cứu mô phỏng được hệ thông 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, ngồi các nghiên cứu mơ 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:
Trang 31- Nam 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 logp Pk 3 Ap Po gil aT ph 12 i
Hinh 1.5 Dé thi logp - ¡ 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 ¡ có áp suất p„, qua van hút áp suất hơi bị giảm
một lượng là Ap 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 đải nhiệt độ bay hơi
từ -20 °C đến 15 °C, nhiệt độ ngưng tụ từ 15 °C đến 60 °C Sai số trung bình giữa
kết quả tính toán và các số liệu thực nghiệm của lưu lượng khối lượng môi chất lạnh
Trang 32~ = 00 ” Pa
TemdsM -Temde#C +Tawwls4f€ -Teends4dSC +ieendzðЀ -TeandrlS€ +Teemds#EC a # 5 —r— = ; f# tay ễ we $y pt pt in i ° ‘ * mel, tt o—* “ “ |e _ - _ | 5 ® s a 4 0 Tovap PCD Tou C1
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, đề 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
- Nam 2011, Seiichi Yamaguchi, Daisuke Kato, Kiyoshi Saito, Sunao Kawai [87] nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm chế độ ồn định của bơm nhiệt CO; sản xuất nước nóng 6 L Máy nán ° ©}“ trao đối nhiệt : 33 @@® @- gi 2 @ C 1 2 ® TU ng
Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống bơm nhiệt CO> va các điểm đo
Sơ đồ khối hệ thông bơm nhiệt CO; 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 đàn ngưng Các thiết bị đo nhiệt độ và áp suất được bồ trí cụ thẻ như hình vẽ
Trang 33Các tác giả xây dựng một mô hình mô phỏng chế độ tĩnh của bơm nhiệt CO; trên 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 40 3 Nhiệt độ môi trường: 13 - 28 °C 2 a COP mé phỏng ° ° 25 Sai số trung bình : 1,5% L L 3.0 35 40 COP thực nghiệm
Hình 1.9 So sánh COP thực nghiệm và mô phóng khi nhiệt độ môi trường thay đổi
Đề chuẩn hóa mô hình và kết quả mô phỏng, nhóm tác giả đã sử dụng một bơm nhiệt CO; thực tế để gia nhiệt nước (năng suất nhiệt là 22,3 kW, nhiệt độ nước nóng là 90 °C) Sai sé vé COP giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm lớn
nhất là 5, % và sai số trung bình là 1,5 % (hình 1.9) [87]
Bơm nhiệt dùng môi chất CO; có thể sản xuất nước nóng có nhiệt độ lên đến 90 °C Ở nước ta, nhiệt độ nước nóng yêu cầu cho các nhu cầu cơ bản thường nhỏ hơn 60 °C do đó số lượng các bơm nhiệt dùng môi chất CO; chưa nhiều Để sản xuất nước nóng dưới 60 °C, 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 CO; 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 dé 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
Trang 34(2013) [58] về mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt theo điều kiện môi trường để xác định nhiệt độ nước nóng tối ưu
e 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:
- Nam 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
Trang 35Theo 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 CED có thể tính toán được quá trình trao đổi nhiệt này
- Nghiên cứu mô phỏng CED của Jianhua Fan, Simon Furbo [54] về dòng
đối lưu tự nhiên trong bình chứa nước nóng do tôn 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 tốn 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 ding tính toán đòng chuyền động trong bình
(A) Mat cắt dọc của bình _(B) Mặt cắt ngang của bình
Trang 36Các tác giả xây dựng mô hinh, 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 chuyên động dọc theo bình phụ thuộc vào gradient nhiệt độ trong bình
Việc sử dụng mô phỏng CFD để nghiên cứu chuyên động của nước trong bình chứa nước nóng mang lại hiệu quả cao Có thẻ phát triển nghiên cứu bằng cách
thay đổi chế độ hoạt động, thẻ 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 ôn 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] vé su phan tang 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 hop
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 ché độ
không ổn định phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nhu cầu sử dụng nước nóng của
các hộ tiêu thy, 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
Trang 37bị 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 chỉ tiết trên hình 1.12
Nước cấp
Hinh 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 ồn định Xứ lý kết quả mô phỏng, các tác giả tính được tỷ lệ NLMT đáp ứng nhu cầu sản xuất nước nóng, tôn 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 W⁄F tối ưu (V/F„ = 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 đồi dẫn đến kết quả thiếu chính xác
Do hoạt động của hệ thông 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 tai Athens, Hy Lap Dé kiém tra kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu xây dựng một mô hình thực nghiệm như hình 1.13 [42]
Trang 38tả eo Mì Thpin bi Máy nén œ-] é a 2 š 2h 2 a ẻ = = Binh chứa nước nóng Van tiết lưu m2 Ee Fhp ut [ Lưu lượng kế Œ Bơm tuần hoàn Te Œ nhiệt kế
Hình 1.13 Sơ đô hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu NLMT sản xuất mước nóng Kết quả so sánh hệ số hiệu quả năng lượng CÓP và năng suất nhiệt của bơm nhiệt Ởự„ 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 thay năng lượng tiết kiệm được hàng năm có thẻ 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] nghién ctru mô phỏng hoạt động của hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng dùng bộ thu NLMT gia nhiệt dàn bay hơi (SAS-HPWH) trong cac điều kiện khí hậu đặc trung Nam 2010, Hong Li, Hongxing Yang [46] nghiên cứu, phân tích hiệu qua nang 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
Trang 39va cap 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 voi 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 chưng 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 phân giải quyết hầu hết các van đề
thực tế gặp phải trong việc xây dựng và vận hành của hệ thống NNMTBN thé 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 tỉnh chân không (loại bộ thu được sử dụng pho 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 tắm phẳng tương đương, hoặc phương pháp số (mô phỏng bằng CED) Các nghiên cứu thực hiện theo phương pháp giải tích có sai số tính toán tương đối lớn do phải chấp nhận nhiều giá 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 cứu sau:
Trang 40- Năm 2001, Nguyễn Quân [19] nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu NLMT kiéu
hộp phẳng mỏng có định có gương phản xạ ứng dụng trong kỹ thuật lạnh Đây là
công trình nghiên cứu vẻ 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 bồ 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 [Š] 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 tiễn 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 thé đạt đến 55 %, nhiệt độ nước nóng có thể đạt được từ 85 °C đến 95 °C tương ứng với CĐBX mặt trời 800 Wim’ 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, xứ 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 thông 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