Báo cáo tiết kiệm năng lượng cho bình nước nóng sử dụng bơm nhiệt

Với sự phát triển vượt bât của khoa học – công nghệ thì việc phát triển và nghiên cứu một thiết bị, hệ thống giúp tiết kiệm năng lượng và tránh lạm dụng vào nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ,... là vô cùng quan trọng. Máy nước nóng sử dụng bơm nhiệt là một thành phần trong số đó, giúp tiết kiệm điện năng sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường khi sử dụng. Với việc tận dụng năng lượng nhiệt sẵn có của không khí và truyền lượng nhiệt này cho nước trong bình ngưng nên bình nước nóng bơm nhiệt tiết kiệm được ¾ điện năng tiêu thụ. Vì vậy sử dụng bình nước nóng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng sinh hoạt là một giải pháp thiết thực góp phần vào việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hiện nay

Mục lục

Lời mở đầu 3

Chương 1 4

KHÁI NIỆM TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT 4

1 Khái niệm về bơm nhiệt: 4

2 Các nguồn cấp cho bơm nhiệt 4

2.1 Không khí 4

2.2 Đất 5

2.3 Nước 5

2.4 Máy làm lạnh hấp thụ 6

3 Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: 6

3.1 Đo bằng phương pháp COP 7

3.2 Đo bằng phương pháp EER 7

3.3 Đo bằng phương pháp SEER 7

3.4 Đo bằng phương pháp HSPF 7

3.5 Đo bằng phương pháp Kw/ Tấn 8

4 Một số hình ảnh về bơm nhiệt trong đời sống và sản xuất: .8

Chương 2 12

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO BÌNH NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT 12

1 Cấu tạo bình nước nóng sử dụng bơm nhiệt 12

2 Nguyên lý làm việc 13

3 Nơi lấy năng lượng 14

4 So sánh giữa máy năng lượng mặt trời và máy sử dụng bơm

nhiệt 15

5 Kết quả tính toán chu trình bơm nhiệt 16

5.1 Các thông số điểm nút của chu trình bơm nhiệt 16

5.2 Các thông số tính toán 17

5.3 Tính toán chu trình 17

6 Đánh giá hiệu quả ứng dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng 18

6.1 Cơ sở đánh giá 18

6.2 Chi phí đầu tư ban đầu 18

6.3 Chi phí vận hành 19

6.4 Về giá thành sản xuất nhiệt 20

7 Kết quả so sánh đánh giá các phương án sản xuất nước nóng 20

Kết luận 24

Tài liệu tham khảo 25

Lời mở đầu

Trong cuộc sống ta ngày nay, yếu tố quan trọng quyết định đến sự sốngtrên trái đất đó chính là năng lượng Hằng ngày, chúng ta đều sử dụngnăng lượng cho việc phát triển kinh tế, kỹ thuật Trong đó, các nhiên liệunhư than đá, dầu mỏ, đang dần kiệt quệ Đây là điều đáng báo động chotình trạng hiện nay, có thể dẫn đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảngkinh tế cũng như trật tự xã hội và quan trọng hơn khi sử dụng quá nhiềudẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ conngười và động vật Với sự phát triển vượt bât của khoa học – công nghệthì việc phát triển và nghiên cứu một thiết bị, hệ thống giúp tiết kiệmnăng lượng và tránh lạm dụng vào nguồn năng lượng truyền thống nhưthan đá, dầu mỏ, là vô cùng quan trọng Máy nước nóng sử dụng bơmnhiệt là một thành phần trong số đó, giúp tiết kiệm điện năng sử dụng,không gây ô nhiễm môi trường khi sử dụng Với việc tận dụng nănglượng nhiệt sẵn có của không khí và truyền lượng nhiệt này cho nướctrong bình ngưng nên bình nước nóng bơm nhiệt tiết kiệm được ¾ điệnnăng tiêu thụ Vì vậy sử dụng bình nước nóng bơm nhiệt trong sản xuấtnước nóng sinh hoạt là một giải pháp thiết thực góp phần vào việc sửdụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hiện nay Bài nghiên cứu sau đây,các thành viên trong nhóm sẽ đưa ra những phân tích, đánh giá một cáchtổng quan về nguyên lý, cấu tạo, các thành phần chi phí như vận hành,hoàn vốn, đầu tư

Chương 1

KHÁI NIỆM TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT

1 Khái niệm về bơm nhiệt:

_ Trong tự nhiên, nhiệt độ có xu hướng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đếnnơi có nhiệt độ thấp hơn Vậy dùng cách nào thu thập, để kiểm soát vàđiều khiển nhiệt độ theo ý muốn

_ Người ta dùng bơm nhiệt không khí (Heat Pump) để di chuyển nhiệt từmột nguồn nhiệt thấp hơn (không khí trong môi trường xung quanh) tớinguồn nhiệt cao hơn (bình chứa nước nóng chẳng hạn) và ngược lại Nhưvậy: bơm nhiệt là một thiết bị có sử dụng một lượng nhỏ năng lượng đểhấp thụ, điều chỉnh nhiệt độ và di chuyển nó đến nơi mong muốn

_ Một số loại bơm nhiệt có thể vừa bơm nhiệt vào và ra một công trình đểlàm mát hoặc sưởi ấm Máy điều hoà không khí (hoặc ” máy làm lạnh”cho các hệ thống quy mô lớn) là bơm nhiệt mà chỉ có thể bơm nhiệt rakhỏi công trình, với hiệu suất cao hơn so với các máy bơm nhiệt haichiều

2 Các nguồn cấp cho bơm nhiệt

2.1 Không khí

_ Bơm nhiệt không khí đem nhiệt thải ra không khí bên ngoài Phần lớn

hệ thống bơm nhiệt là bơm nhiệt không khí Đối với máy làm lạnh cỡ lớn,thiết bị thải nhiệt ra không khí bên ngoài được gọi là tháp giải nhiệt

2.2 Đất

_ Bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP) đem nhiệt thải vào đất thay vì không khí.

Bởi nhiệt độ trong đất tương đối ổn định quanh năm nên thiết bị này cóthể đạt hiệu quả cao hơn so với các bơm nhiệt không khí vào những ngàyrất nóng hoặc rất lạnh

Lắp đặt đường ống dọc của máy bơm nhiệt địa nhiệt

2.3 Nước

_ Một số máy bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng dòng sông, ao, vv… cho mục

đích tản nhiệt Hệ thống vòng kín sử dụng có hiệu quả các phần cứng vàhoạt động tương tự như các máy bơm nhiệt địa nhiệt

_ Tuy nhiên, cũng có thể cài đặt hệ thống “vòng mở” với các đường ống

mở ra suối Hệ thống này sẽ kéo nước ở một đầu, dẫn vào máy bơm nhiệtnơi nhiệt được hấp thụ hoặc giải nhiệt nhờ nước, và nước sau khi đượctrao đổi nhiệt (làm nóng hoặc làm mát) được bơm trở lại xuống sông ở hạlưu Hệ thống này cũng có thể sử dụng nước ngầm từ các giếng riêng biệt,bơm từ giếng này vào giếng khác

Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn

2.4 Máy làm lạnh hấp thụ

_ Máy làm lạnh hấp thụ là bơm nhiệt trong đó quá trình nén và bay hơimôi chất được kiểm soát bởi một nguồn nhiệt bên ngoài thay vì dùngbơm chạy bằng điện

_ Trong máy làm lạnh hấp thụ, môi chất khí trở lại trạng thái lỏng dođược hấp thụ hóa chất thứ cấp, như ammonia Sau đó, hóa chất thứ cấpđược tách ra do nhiệt môi chất trở lại cho các vòng lặp làm mát dưới dạngchất lỏng

Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ.

3 Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt:

_ Có 5 phương pháp đo chính: COP, EER, SEER, HSPF, kW / tấn

3.1 Đo bằng phương pháp COP

_ COP (Coefficient of Performance) là phép đơn giản nhất và tính bằng

lượng nhiệt được vận chuyển (tính theo W), chia cho điện năng được sửdụng để di chuyển lượng nhiệt đó (W), ở nhiệt độ ngoài trời xác định Giátrị COP càng cao thì hệ thống càng hiệu quả Máy sưởi điện trở sinh nhiệtđạt hiệu suất 100% tương ứng với COP = 1, trong khi một máy bơm nhiệttrong chế độ sưởi ấm có COP trong khoảng từ 2-5, và 3-12 khi vận hành

ở chế độ làm mát

3.2 Đo bằng phương pháp EER

_ EER (Energy Efficiency Ratio) tương tự như COP, nhưng chỉ sử dụng

cho làm mát EER đo lường hệ thống làm mát vận hành hiệu quả đến đâu.EER thường được sử dụng cho các máy điều hòa không khí cửa sổ, máyđiều hòa cục bộ cỡ nhỏ và bơm nhiệt EER là tỷ lệ năng suất làm mátBtu/giờ chia cho công suất điện tiêu thụ ở nhiệt độ bên ngoài là 95 ° F (35

° C) Điều hòa không khí trong phòng nên có EER đạt ít nhất 9.0 đối vớikhí hậu ôn hòa và hơn 10.0 cho vùng khí hậu nóng

3.3 Đo bằng phương pháp SEER

_ SEER (Summer Energy Efficiency Ratio) đo lường hiệu quả máy điều

hòa không khí dân dụng cỡ nhỏ hoặc bơm nhiệt vận hành xuyên suốt mộtmùa làm mát, ở nhiệt độ khác hẳn với nhiệt độ ngoài trời Tương tự nhưEER, SEER càng cao thì hệ thống làm mát càng hiệu quả SEER là tỷ sốcủa tổng năng lượng làm mát mà hệ thống cung cấp xuyên suốt mùa(Btu) chia cho tổng số watt-giờ hệ thống tiêu thụ

3.4 Đo bằng phương pháp HSPF

_ HSPF (Heating Seasonal Performance Factor) đo lường hiệu quả bơm

nhiệt vận hành ở chế độ sưởi ấm qua xuyên suốt mùa sưởi ấm Nó giốngnhư SEER nhưng áp dụng cho sưởi ấm HSPF càng cao, hệ thống cànghiệu quả HSPF được tính bằng cách chia tổng năng lượng sưởi ấm (Btu)

được cung cấp trong mùa cho tổng số watt-giờ điện cần thiết để cung cấpnhiệt.

3.5 Đo bằng phương pháp Kw/ Tấn

_ kW / tấn đo lường năng lượng đầu vào tính bằng kW để sản xuất 1 tấn

lạnh Không giống như các hệ số trên, kW/tấn càng thấp, hiệu quả làmlạnh càng cao Hệ số này thường được sử dụng để xác định hiệu quả củamáy làm lạnh quy mô lớn

4 Một số hình ảnh về bơm nhiệt trong đời sống

và sản xuất:

Bơm nhiệt solarBK

Bơm nhiệt công nghiệp MEGASUN MGS-25HP

Máy nước nóng bơm nhiệt JIKO

Máy nước nóng bơm nhiệt GIAHO

Máy nước nóng bơm nhiệt heat PUMP – JIKO

Máy bơm nhiệt SEAMAX SM-2HP-500 LÍT

Máy bơm nhiệt cho khách sạn WIKA

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO BÌNH NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG

BƠM NHIỆT

1 Cấu tạo bình nước nóng sử dụng bơm nhiệt

_ Cấu tạo của bơm nhiệt gồm có 4 phần chính là dàn nóng, van tiết lưu, dàn lạnh và máy nén gas

Bình đun sử dụng bơm nhiệt

2 Nguyên lý làm việc

_ Bơm nhiệt làm việc bằng cách truyền tải nhiệt không phải theo nguyên

tắc chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng

_ Một bơm nhiệt lấy năng lượng nhiệt từ nguồn nhiệt thấp (không khíxung quanh hoặc nguồn nước thải) và vận chuyển chúng đến bình chứanước nóng nhiệt độ cao

_ Điện năng được sử dụng để nâng chất lượng (nhiệt độ) của năng lượngnhiệt chứ không phải tạo ra năng lượng nhiệt

_ Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt hoàn toàn giống với nguyên lý củamáy điều hòa không khí Tuy nhiên, nếu điều hòa không khí sử dụngnhiệt lạnh tạo ra từ dàn lạnh thì bơm nhiệt sử dụng nhiệt nóng tạo ra từdàn nóng hoặc sử dụng cả nhiệt nóng tạo ra từ dàn nóng và nhiệt lạnh tạo

ra từ dàn lạnh Tùy theo nhu cầu sử dụng, công suất khác nhau mà cấu tạocủa bơm nhiệt khác nhau

_ Chất lỏng (môi chất làm lạnh) sôi ở nhiệt độ thấp trong bộ phận bayhơi Đầu ra có nhiệt độ thấp và áp suất khí thấp.

_ Áp suất và nhiệt độ của khí được tạo ra trong máy nén Mô tơ điệnđược sử dụng để vận hành máy nén Đầu ra này có áp suất khí cao vànhiệt độ cao

_ Trao đổi nhiệt trong bình chứa nước Đầu ra náy sẽ trao đổi nhiệt vớinước, làm nước trong bình nóng lên Ngay đầu ra của môi chất làm lạnh

là môi chất làm lạnh lỏng ấm

_ Chất lỏng quay trở lại bộ phận bay hơi sau khi đi qua van mở cục bộ(Van TX hay ống mao dẫn) Đầu ra là chất lỏng lạnh áp suất thấp và đangchuyển thành thể khí

3 Nơi lấy năng lượng

_ Một máy nước nóng sử dụng bơm nhiệt lấy “năng lượng miễn phí”,giống như máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời Năng lượngđược thu nhận từ không khí hoặc từ nước

_ Năng lượng được tách ra từ không khí hoặc từ nước ngưng tụ trongkhông khí vào thiết bị bay hơi

_ Một lượng nhỏ điện năng được sử dụng để vận hành máy nén Nhiệtlượng được phân phối đến bình chứa nước bằng khoảng từ 3 đến 5 lần

4 So sánh giữa máy năng lượng mặt trời và máy

sử dụng bơm nhiệt

Toàn bộ năng lượng miễn phí

trong mùa hè – “Cảm nhận tốt” Phải có điện để vận hành

Các tiện ích dùng điện phải cung

cấp công suất cao trong các ngày

mưa

Các tiện ích dùng điện sẽ chiếm

ưu thế do dùng công suất thấp tải

trên đường dây dẫn

Không ồn (kể cả trong trường hợp

nước sôi Có thể gây ồn do máy nén

VÌ SAO KHÁCH HÀNG THÍCH CHỌN MÁY NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT HƠN MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ?

_ Dễ lắp đặt

_ Máy có thể hoạt động bất cứ khi nào cần, kể cả ban đêm

_ Máy có thể cho nhiều nước nóng hơn trong một ngày (làm việc liêntục).

_ Với một hộ gia đình 4 người sử dụng điện hàng năm là tương tự nhưmáy nước nóng năng lượng mặt trời hiện tại (có hỗ trợ điện)

_ Với cách lắp đặt tối ưu, đường khí có thể được nối đầu ra của hệ thốngđiều hòa không khí nhằm tăng hiệu suất sử dụng

_ Máy có thể hoạt động tốt trong điều kiện khí hậu ẩm ướt

Hiệu suất trong các ngày mưa

5 Kết quả tính toán chu trình bơm nhiệt

5.1 Các thông số điểm nút của chu trình bơm nhiệt

Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi cấp 1

Đồ thị T-S và P-I của chu trình bơm nhiệt 1 cấp

5.2 Các thông số tính toán

5.3 Tính toán chu trình

 Như vậy để có một nhiệt lượng Qk (kW) để đun nước nóng thì bơmnhiệt đun nước nóng chỉ tiêu thụ công suất điện ít hơn 4,363 lần so vớiphương án đun nước nóng dùng điện

6 Đánh giá hiệu quả ứng dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng

6.1 Cơ sở đánh giá

_ Dựa vào việc tính toán các thông số điểm nút của chu trình bơm nhiệt,tổng lượng nước nóng tiêu thụ cho một hộ gia đình 4 người trong mộtngày V=200 lít/ ngày qua đó tính được tổng lượng nhiệt yêu cầu để sảnxuất đủ lượng nước nóng dùng trong một năm ( tính riêng cho mùa đông

và mùa hè) cho một hộ gia đình H= 4380 kWh Từ đó làm cơ sở cho khảosát tính toán hiệu quả của 3 phương án đun nước nóng phổ biến hiện nay

6.2 Chi phí đầu tư ban đầu

Biểu đồ chi phí đầu tư ban đầu và so sánh chi phí đầu tư giữa các

phương án

_ Chọn phương án điện làm chuẩn Nhìn vào đồ thị chi phí đầu tư và biểu

đồ so sánh các phương án sản xuất nước nóng ta nhận thấy: Phương án sửdụng bơm nhiệt có chi phí đầu tư cao nhất, mặc dù phương án sử dụngnăng lượng mặt trời kết hợp điện có chi phí đầu tư thấp hơn nhưng vàomùa đông hệ thống làm việc không liên tục, hơn 60% thời gian của mùađông thời tiết không thuận lợi nên phương án này không khả thi bằngphương án sử dụng bình nước nóng bơm nhiệt

6.4 Về giá thành sản xuất nhiệt

Biểu đồ giá thành sản xuất nhiệt và so sánh giá thành sản xuất nhiệt

của các phương án

Nhìn vào biểu đồ so sánh giá thành sản xuất nhiệt thì phương án đunnước nóng bằng bơm nhiệt kinh tế nhất mặc dù phương án này có mứcchi phí ban đầu cao nhưng với thời gian hoàn vốn ngắn 4,7 năm ( so vớiphương án điện)

7 Kết quả so sánh đánh giá các phương án sản xuất

nước nóng

_ Từ kết quả đánh giá so hiệu quả các phương án đun nước nóng ta rút rađược bảng kết quả đánh giá các phương án sản xuất nước nóng như sau:

1.052.090VNĐ

5 Số tiền tiết kiệm/

năm

2.453.261VNĐ

3.627.910VNĐ

6 Chi phí đầu tư

ban đầu

6.000.000VNĐ

16.500.000VNĐ

17.000.000VNĐ

8 Chi phí điện

trong 15 năm

70.200.000VNĐ

33.401.085VNĐ

15.781.350VNĐ

10 Chi phí đầu tư 10

49.901.085VNĐ

32.781.350VNĐ

12 Số tiền tiết kiệm

trong 15 năm

32.298.915VNĐ

49.418.650VNĐ

Bảng so sánh hiệu quả kinh tế của phương án đun nước nóng bằng bơm

nhiệt với các phương án đun nước nóng khác

Chi phí lắp đặt

+ Phương án dùng điện+ Phương án dùng NLMT +

Điện+ Phương án dùng bình nước

nóng bơm nhiệt

ChuẩnTăng 2,75 lần

Tăng 2,83 lần

Chi phí vận hành

+ Phương án dùng điện+ Phương án dùng NLMT +

Điện+ Phương án dùng bình nước

nóng bơm nhiệt

ChuẩnGiam 52,4%

Giam 77,5%

Gía thành sản

xuất nhiệt

+ Phương án dùng điện+ Phương án dùng NLMT +

Điện+ Phương án dùng bình nước

nóng bơm nhiệt

ChuẩnGiam 41,9%

Tuổi thọ [ năm]

Chi phí sảnxuất nhiệt[VND/kWhnhiệt]

Bảng thể hiện kết quả so sánh các phương án sản xuất nước nóng

Như vậy: chỉ cần đầu tư 1 máy sản xuất nước nóng kiểu bơm nhiệt (bình đun

tháng sử dụng đã hoàn toàn thu hồi vốn; và 10 năm 5 tháng sau đó vẫn sửdụng bình thường mà không phải tốn chi phí đầu tư lại từ đầu Tiết kiệm chobạn một khoản chi phí sau thời gian sử dụng miễn phí là: (390.000 – 87.000)

x 125 tháng= 37.873.000 (VNĐ) Và sau 15 năm thì tổng số tiền tiết kiệmđược là 49.418.650 VNĐ, nếu sử dụng ở quy mô lớn hơn như khách sạnhoặc khu chung cư thì số tiền tiết kiệm được khi đun nước nóng bằng bơmnhiệt sẽ còn lớn hơn rất nhiều

Kết luận

Bơm nhiệt đun nước nóng là thiết bị có nhiều ưu điểm nổi bật, ngoài ưu

kiệm được là 49.418.650 VNĐ, nếu sử dụng ở quy mô lớn hơn như kháchsạn hoặc khu chung cư thì số tiền tiết kiệm được khi đun nước nóng bằngbơm nhiệt sẽ còn lớn hơn rất nhiều Vì thế bơm nhiệt đun nước nóng làphương án sản xuất nước nóng sinh hoạt tiết kiệm và hiệu quả nhất đốivới nước ta để thay thế phương án đun nước nóng bằng điện trở đangđược sử dụng rộng rãi hiện nay, góp phần vào việc sử dụng năng lượngtiết kiệm và hiệu quả đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong giaiđoạn hội nhập kinh tế quốc tế

Tài liệu tham khảo

1 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật lạnh ứngdụng, Nhà Xuất Bản Giáo Dục

2 PGS.TS Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng,NXB khoa học kỹ thuật

3 Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt & Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt,Nhàxuất bản khoa học và kỹ thuật, 2001

4 Nguyễn Bốn- Hoàng Dương Hùng, Hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trongpanel mặt trời, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học kỹ