trỡnh SIMPAC yờu cầu chi tiết đầu vào cỏc bộ phận của bơm nhiệt. Thuật toỏn SIMPAC được tớnh toỏn nhiều và khụng phải luụn hội tụ.
b) Mụ hỡnh mụ phỏng tuần hoàn tự nhiờn trong bỡnh chứa bộ t u năng lƣợng mặt trời.
Mụ hỡnh toỏn học của Morrison,G.L và Ranatunga [33] được xõy dựng thành type 45 trong phần mềm TRNSYS , ứng dụng phương trỡnh ernoulli cho tất cả cỏc phõn tố i, phương trỡnh thể hiện dưới vũng lặp ỏp suất.
Pi = i.g. hi+i.g.hLi
Ở trạng thỏi tức thời, tổng thay đổi ỏp suất thay đổi trong vũng lặp bằng khụng:
i 1 . i N i i h = i 1 . i N Li i h
Mật độ dũng nhiệt của chất lỏng được đỏnh giỏ ở từng điểm. Ống đầu vào và ra của bộ thu được coi như là những phõn tố đơn, với cụng suất nhiệt nhỏ. Ứng dụng định luật một nhiệt động học, cú thể biểu diễn nhiệt độ đầu ra và nhiệt độ trung bỡnh của ống theo phương trỡnh sau:
p p . (U.A) ( ). .(1 exp(- )) ( . ) m.C p p a pi a p m C T T T T U A p p (U.A) ( ).exp(- ) m.C po a pi a T T T T
Đối với bộ thu năng lượng mặt trời, từ phương trỡnh cõn bằng nhiệt đơn giản, cho quan hệ nhiệt độ đầu vào và ra bộ thu:
. u co ci p Q T T m C
c) Mụ hỡnh hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp với bơm n iệt
Khủng hoảng năng lượng năm 1970 đặt ra yờu cầu tỡm phương phỏp giảm năng lượng tiờu thụ và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Freeman, Mitchell và Audit [25] mụ phỏng hệ thống kết hợp bơm nhiệt với bộ thu năng lượng mặt trời dựng cho sưởi ấm và trữ nhiệt nước núng dõn dụng dựa trờn phần mềm TRNSYS. Tỏc giả đó đỏnh giỏ ba hệ thống BN kết hợp với NLMT: song song, nối tiếp và hỗn hợp song song và nối tiếp .
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 17
Những kết quả đú được so sỏnh với cỏc kết quả thực tế. Cả ba hệ thống kết hợp dựa trờn vũng lặp chống đụng (Hỡnh 1.2) của hệ thống năng lượng mặt trời, truyền nhiệt từ bộ thu năng lượng mặt trời đến bỡnh chứa. Vũng lặp tỏch cho khụng gian toà nhà dựa trờn sự trao đổi nhiệt nước – khụng khớ, và khi khụng gian nhiệt khụng cần thiết lưu chất sẽ chuyển sang gia nhiệt cho hệ thống nước núng. Sơ đồ NLMT song song đỏp ứng nhiều nhất cú thể hệ thống cho sưởi ấm. Nếu NLMT khụng cung cấp đủ, bơm nhiệt nguồn khụng khớ sẽ được bật. Đối với hệ thống nối tiếp, bỡnh bay hơi được đặt trong vũng lặp bỡnh chứa. ơm nhiệt sẽ tận dụng NLMT dự trữ khi nhiệt độ dưới điểm đặt, và khi nhiệt độ đủ cao sẽ đi tắt qua bơm nhiệt. Sơ đồ kết hợp (dual) dựng hai bỡnh bay hơi, một được đặt trong vũng lặp bỡnh chứa, dàn cũn lại được đặt bờn ngoài phũng. ơm nhiệt tăng hệ số bơm nhiệt COP bằng cỏch tăng nhiệt độ từ dàn lạnh, sử dụng nguồn khụng khớ hoặc nguồn năng lượng mặt trời.
Frank và Herkel [24], phõn loại cỏc loại hệ thống BN kết hợp với NLMT và miờu tả đỏnh giỏ cỏc nghiờn cứu cho nhiệt mặt trời và nhiệt nước núng bơm nhiệt, Mục đớch là xỏc định tiềm năng tiết kiệm năng lượng của cỏc hệ thống. Tỏc giả đó ch ra khả năng của hệ thống bơm nhiệt đỏp ứng yờu cầu năng suất đầu ra, phương phỏp điều khiển và khả năng sản xuất nước núng của năng lượng mặt trời.
Morrison và cộng sự [27] đó tiến hành nghiờn cứu bơm nhiệt sản xuất nước núng trong cả năm và so sỏnh với hệ thống NLMT sản xuất nước núng, và hệ thống BN kết hợp với NLMT sản xuất nước núng trờn phần mềm TRNSYS. Dàn bay hơi của hệ thống NLMT và hệ thống bơm nhiệt kết hợp với NLMT là bộ thu khụng gắn kớnh, và mụ hỡnh bỡnh chứa tớnh đến sự phõn tầng nhiệt độ. Cỏc kết quả ch ra rằng COP ở giữa 1,8 và 2,3 đối với hệ thống nguồn khụng khớ, tương ứng tiết kiệm năng lượng từ 44 đến 56 % đối với hệ thống NLMT gia nhiệt nước dạng tấm phẳng và đối với hệ thống BN kết hợp với bộ thu NLMT tiết kiệm từ 65 đến 75% cho cựng loại thời tiết và địa điểm. Cỏc hệ thống loại tương tự cũng được thực hiện ở cỏc địa điểm khỏc nhau của Australia.
Sterling và Collins [32] đó mụ phỏng hệ thống hai bỡnh kết hợp với bơm nhiệt nước núng năng lượng mặt trời dựa trờn phần mềm TRNSYS. Cỏc kết quả rất hứa hẹn với phạm vi sử dụng, tiềm năng tiết kiệm của hệ thống. Tỏc giả đó đỏnh giỏ
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 18
sự tiết kiệm năng lượng của hệ thống khi so sỏnh hệ thống gia nhiệt dựng ống ruột gà, hệ thống gia nhiệt đốt nhiờn liệu. Tiờu thụ năng lượng liờn quan tới sự vận hành của hệ thống được tớnh toỏn trờn cơ sở hàng năm, đưa ra cỏc thụng số thiết kế của hệ thống như diện tớch bộ thu lắp đặt, điểm đặt nhiệt độ của bơm nhiệt hoặc năng suất nhiệt của bơm nhiệt. Mụ hỡnh toỏn học cho cỏc bộ phận trong hệ thống đó được trỡnh bày và được hiệu ch nh trờn cơ sở cỏc dữ liệu đo đạc thực tế.
Túm lại, cỏc nghiờn cứu mới ch tập trung nghiờn cứu liờn quan tới trường hợp bộ thu năng lượng mặt trời hoạt động tăng nhiệt độ dàn bay hơi của bơm nhiệt chứ chưa đỏnh giỏ tiềm năng sử dụng với bơm nhiệt là nguồn nhiệt hỗ trợ hệ thống năng lượng mặt trời sản xuất nước núng.
1.4. Mục tiờu của luận văn
Ở Việt Nam, cho tới nay cỏc kết quả mới dừng ở mụ hỡnh lắp đặt thử nghiệm, chứ chưa đưa ra đỏnh giỏ sự thay đổi hệ thống theo điều kiện kiện mụi trường và đỏnh giỏ chế độ vận hành tối ưu. Ngoài ra, việc nghiờn cứu thiết kế ở trờn đều thực hiện ở điều kiện tiện nghi phự hợp hoặc lựa chọn thụng số theo yờu cầu cụng nghệ sao cho kết quả tớnh toỏn phản ỏnh một cỏch gần đỳng nhất điều kiện làm việc thực tế. Điều này ch đỳng với hệ thống cú phạm vi thay đổi thụng số hẹp, vớ dụ như hệ thống điều hoà khụng khớ khi thiết kế thường chọn ở một điều kiện làm việc tiện nghi nhất. Trong khi chế độ hoạt động hệ thống cung cấp nước núng khỏc nhiều so với điều kiện thiết kế, gõy sai số lớn bởi vỡ:
- Nhiệt độ mụi trường thay đổi phạm vi rất rộng theo mựa: mựa hố, mựa đụng.
- Nhiệt độ nước thay đổi rất rộng (thay đổi từ nhiệt độ nước mụi trường đến nhiệt độ nước núng cần đạt được).
Trờn thực tế, hiệu suất và cụng suất của cỏc thiết bị phụ thuộc rất lớn vào hai yếu tố nờu trờn. Do đú, chế độ hoạt động của hệ thống là khụng ổn định và thay đổi rất lớn theo sự thay đổi nhiệt độ mụi trường làm việc.
Trờn cơ sở bài toỏn dẫn nhiệt khụng ổn định kết hợp với điều kiện biờn, bằng phương phỏp phần tử hữu hạn xõy dựng mụ hỡnh toỏn học của từng phõn tố thể tớch
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 19
nước núng trong bỡnh chứa nước núng. Theo lý thuyết cơ học chất lỏng và tuần hoàn tự nhiờn xõy dựng mụ hỡnh toỏn học tớnh toỏn tốc độ nước tuần hoàn tự nhiờn trong hệ thống năng lượng mặt trời. Đề tài sẽ thực hiện:
- Mụ phỏng hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước núng khụng ổn định trong chế độ tớch nhiệt.
- Mụ phỏng hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước núng khụng ổn định trong chế độ tớch nhiệt nhằm đỏnh giỏ khả năng đỏp ứng nhu cầu của hệ thống.
- Mụ phỏng hoạt động của một hệ thống sản xuất nước núng kết hợp giữa bộ thu năng lượng mặt trời và bơm nhiệt.
Đối tượng nghiờn cứu chớnh của luận văn là hệ thống với sơ đồ nguyờn lý Hỡnh 1.4, sơ đồ Hỡnh 1.4 đó kế thừa và bao gồm đầy đủ cỏc phần tử của cả ba sơ đồ (Hỡnh 1.1, 1.2 và 1.3)
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 20
CHƢƠNG - CƠ SỞ Lí THUYẾT Mễ PHỎNG HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VỚI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƢỚC NểNG
Mục đớch của chương này là tập trung xõy dựng cơ sở lý thuyết cho cỏc mụ- đun chớnh của hệ thống BN kết hợp với NLMT: mụ hỡnh toỏn học bơm nhiệt sản xuất nước núng, mụ hỡnh toỏn học sự phõn tầng nhiệt độ của nước trong bỡnh chứa và mụ hỡnh toỏn học tuần hoàn tự nhiờn trong bộ thu năng lượng mặt trời. Dựa trờn cỏc mụ-đun này kết hợp với cỏc mụ-đun cú sẵn trong TRNSYS đề tài sẽ thực hiện cỏc phần mềm mụ phỏng.
2.1. Xõy dựng mụ hỡnh toỏn ọc bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
ơm nhiệt nộn hơi sản xuất nước núng hoạt động theo nguyờn lý nhiệt động lực học nhằm mục đớch lấy nhiệt từ mụi trường này sang mụi trường khỏc và đều gồm 4 thiết bị chớnh: mỏy nộn, dàn bay hơi, dàn ngưng tụ và thiết bị tiết lưu nối với nhau thành một vũng tuần hoàn kớn [8]. Sơ đồ chu trỡnh nhiệt động của bơm nhiệt được biểu diễn trờn đồ thị lgp – i.
i3=i4 i1 i2s i2r i lgp 1 1' 2r 2s 3' 3 4 x=0 x=1 te, pe tc, pc
Hỡnh 2.1. Đồ thị lgp-i của chu trỡnh bơm nhiệt Cỏc quỏ trỡnh trong chu trỡnh:
1 - 2s Quỏ trỡnh nộn đoạn nhiệt thuận nghịch 1 - 2r Quỏ trỡnh nộn thực
2 – 3 Quỏ trỡnh ngưng tụ đẳng ỏp 3 – 4 Quỏ trỡnh tiết lưu
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 21
Để dự đoỏn chớnh xỏc quỏ trỡnh vận hành của bơm nhiệt, cần tớnh toỏn sự thay đổi năng suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số bơm nhiệt COP theo sự thay đổi của mụi trường trao đổi nhiệt. Cú nhiều cỏch để xõy dựng một mụ hỡnh mụ phỏng bơm nhiệt. Đơn giản nhất mà vẫn cho kết quả mụ phỏng khỏ chớnh xỏc, một bơm nhiệt cú thể được mụ phỏng nhờ việc số hoỏ cỏc bảng thụng số làm việc do nhà sản xuất cụng bố. Phương phỏp này cú nhược điểm là cỏc bảng thụng số làm việc của bơm nhiệt như vậy khụng phải lỳc nào cũng sẵn cú và chắc chắn là khụng cú khi bơm nhiệt được mụ phỏng c n đang trong giai đoạn thiết kế. Vỡ vậy, phương phỏp mụ phỏng bơm nhiệt dựa trờn sự kết hợp của cỏc mụ hỡnh mụ phỏng cỏc bộ phận cấu thành nờn bơm nhiệt (mỏy nộn, dàn bay hơi, dàn ngưng, thiết bị tiết lưu...) thường hay được sử dụng, đặc biệt là trong quỏ trỡnh thiết kế, chế tạo bơm nhiệt. Đõy cũng chớnh là phương phỏp mụ phỏng bơm nhiệt được lựa chọn trong đề tài này.
2.1.1. Mụ hỡnh toỏn ọc mỏy nộn pittong
Nhiệm vụ của mỏy nộn là tạo ra d ng lưu động và làm biến đổi mụi chất đến cỏc trạng thỏi thớch hợp để lấy nhiệt từ mụi trường trong dàn bay hơi và gia nhiệt, làm núng nước trong dàn ngưng tụ. Đại lượng đầu tiờn ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ bơm nhiệt, do mỏy nộn quyết định, chớnh là lưu lượng khối lượng dũng mụi chất mà nú tạo ra (cũng chớnh là lưu lượng khối lượng mụi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt). Đối với quỏ trỡnh nộn thực do tổn thất thể tớch chết, tổn thất do dũ lọt qua van hỳt và van đẩy, tổn thất do hơi hỳt vào xi lanh bị đốt núng, tổn thất do rũ r mụi chất từ khoang nộn về khoang hỳt qua sộc măng, pittong và van nờn thể tớch thực tế của hơi nộn V1 luụn nhỏ hơn thể tớch lý thuyết do pittong quột Vdisp. Đặc trưng cho cỏc tổn thất này chớnh là hiệu suất thể tớch của mỏy nộn ηv [8] và do đú, lưu lượng khối lượng mụi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt, do mỏy nộn tạo ra, cú thể được tớnh bởi cụng thức (2.1) như sau:
is 1 . d p v r V m v , kg/s (2.1) Trong đú:
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 22
v