Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

Bài viết Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng lựu hữu ích thu được, giảm điện năng tiêu thụ bơm nước cho vòng lặp và ứng dụng cho các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời được lắp đặt ở điều kiện khí hậu Việt Nam.

28 Lê Minh Nhựt

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG NƯỚC QUA BỘ THU TẤM PHẲNG

CỦA HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

EXPERIMENTAL VERIFICATION OF WATER FLOW RATE THROUGH

THE FLAT PLATE COLLECTOR LOOP OF SOLAR HOT WATER SYSTEM

Lê Minh Nhựt

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM; nhutlm@hcmute.edu.vn

Tóm tắt - Ngày nay, các hệ thống cấp nước nóng bằng năng lượng

mặt trời ngày càng phát triển do đời sống người dân, ngành du lịch

và các ngành công nghiệp ngày càng phát triển Do đó, việc nghiêm

cứu nâng cao hiệu suất của các hệ thống này là điều cần thiết Bài

báo trình bày kết quả thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua

vòng lặp bộ thu nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống nước nóng

năng lượng mặt trời Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu

bộ thu tấm phẳng được chế tạo và lắp đặt tại Trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Từ thực nghiệm cho thấy lưu lượng

qua vòng lặp bộ thu tại 7,92 lít/phút cho giá trị năng lượng hữu ích

cao nhất là 19.3 kWh ứng với năng lượng tiêu thụ của bơm là

2,3 kWh và nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích trữ là 30 o C

Abstract - Nowadays, the solar domestic hot water systems are

rapidly increasing due to the development of population, tourism, and industries Therefore, it is essential to improve the performance of these systems This paper presents the experiemtal results of the verification of water flow rate through the collector loop to improve the performance of the solar hot water system This system was designed and installed in campus of the HCMC University of Technology and Education The study results have indicated that the value of the water flow rate through the collector loop at 7.92 lit/min gives the highest value of useful heat gain of 19.38 kWh corresponding to the energy consumption of pump of 2.3 kWh and the initial water temperature in the storage tank of 30 o C

Từ khóa - Nước nóng; bộ thu; lưu lượng; bức xạ mặt trời; bình tích trữ Key words - Hot water; collector; flow rate; solar radiation; storage tank

1 Đặt vấn đề

Ngày nay, các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

tuần hoàn cưỡng bức được sử dụng ngày càng nhiều, do sử

dụng nguồn nhiệt năng lượng mặt trời miễn phí và thân

thiện với môi trường Nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu

suất của các hệ thống này là lưu lượng qua vòng lặp bộ thu

Do đó, đã có nhiều nghiên cứu tập trung về vấn đề này

Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết tập trung bài toán

ảnh hưởng lưu lượng đến năng lượng hữu ích, sự hoạt động

và công tiêu tốn của bơm, hiệu suất thoát của vòng lặp bộ

thu, điều khiển on-off cho hoạt động của bơm nước vòng

lặp, ảnh hưởng hiệu suất thoát [1-5] Nhựt và Park [6], đã

sử dụng phương pháp số để xác định ảnh hưởng của lưu

lượng dao động qua vòng lặp bộ thu ở điều kiện khí hậu

đảo Jeju, Hàn Quốc và kết luận rằng, nhiệt hữu ích của bộ

thu tăng 1,54% trong khi công cấp cho bơm giảm 65,61%

Sara và cộng sự [7], đề xuất mô hình điều khiển lưu lượng

n nước nóng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời Khảo

sát đánh giá lưu lượng qua vòng lặp kín của hệ thống nước

nóng năng lượng mặt trời với bốn điều kiện thời tiết khác

nhau như vùng Nam Châu Âu, các mùa trong năm, ngày

nhiều mây và ngày bức xạ mặt trời dao đông mạnh cũng

được thực hiện bởi Badescu và cộng sự [8] Phân tích lý

thuyết và thực nghiệm hiệu quả kinh tế và hiệu suất năng

lượng do ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp kín bộ thu

nước nóng năng lượng mặt trời cũng được thực hiện bởi

Mohamed và cộng sự [9] Pang, Dembeck-Kerekes và cộng

sự [10-11], công bố nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

ảnh hưởng của lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng kiểu T để

giải nhiệt cho tấm Pin năng lượng mặt trời nhằm nâng cao

hiệu suất của tấm Pin và sản xuất nước nóng Ngoài ra,

nghiên cứu điều khiển lưu lượng qua bộ thu dựa trên bức

xạ năng lượng mặt trời đến bộ thu, điều khiển bơm vòng

lặp theo phương pháp on-off, tỉ lệ theo nhiệt độ cũng được

đề cập [12-13] Nhựt và Du [14], đã công bố nghiên cứu

thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết của

ngày nắng, có mây và ngày mưa đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời Ở trong nước hiện nay cũng có nhiều công ty thiết kế và chế tạo các bộ thu tấm phẳng và chân không tuần hoàn tự nhiên và cưỡng bức để lắp đặt cho dân dụng và công nghiệp

Mặc dù, có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về các

hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu tuần hoàn tự nhiên và cưỡng bức kiểu bộ thu tấm phẳng, chân không và ống nhiệt, điều khiển lưu lượng qua vòng lặp bộ thu theo phương pháp on-off, tỉ lệ … Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định lưu lượng qua các bộ thu tấm phẳng ở trong nước Do vậy, bài báo này nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng lựu hữu ích thu được, giảm điện năng tiêu thụ bơm nước cho vòng lặp và ứng dụng cho các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời được lắp đặt ở điều kiện khí hậu Việt Nam

2 Mô hình hóa lý thuyết

Các thông số tính toán cho hệ thống được đưa bởi [15,16] như sau:

Năng lượng hữu ích nhận được khi nước đi qua bộ thu:

Q A F ()I k (T T ) mc (T T ) (1) Trong đó, Ac là diện tích bộ thu, (τα) là hệ số hấp thụ tích hợp của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ, It là cường

độ bức xạ chiếu tới bề mặt bộ thu, Tco và Tci là nhiệt độ nước ra và nhiệt độ nước vào bộ thu, Ta là nhiệt độ môi trường, m và cp là lưu lượng nước qua bộ thu và nhiệt dung riêng của nước

Hiệu suất thoát (hệ số dịch chuyển nhiệt) FR được tính như sau:

FR = mcp

AckL[1 − exp(−AckLF

′

F’ hiệu suất hiệu dụng của bộ thu được tính:

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 8, 2020 29

1 kL

kL[Dng+(L−Dng)F]+

1

Cb+

1 πDtrαtr]

(3)

Trong đó: Dtr, Dng là đường kính trong và đường kính ngoài

của ống đồng, Cb là hệ số dẫn nhiệt của mối hàn, αtr là hệ

số tỏa nhiệt từ ống vào chất tải nhiệt, L là khoảng cách giữa

hai ống (xem Hình 1)

Hiệu suất cánh F được tính:

F =tanh[m(L−Dng)/2]

Hệ số truyền nhiệt tổng của bộ thu kL được tính theo:

Trong đó, kt, kb, ke là hệ số truyền nhiệt qua mặt trên, đáy

và mặt bên của bộ thu

Sự biến đổi nội năng của nước trong bình tích trữ được xác

định dựa vào sự cân bằng năng lượng như phương trình 6

Trong đó, 𝐶𝑡= 𝑀𝑐𝑝; M, cp là thể tích nước và nhiệt dung

riêng của nước trong bình tích trữ, Ts là nhiệt độ nước trong

bình tích trữ, QA là nguồn nhiệt phụ bổ sung khi nhiệt độ

nước nóng trong bình tích trữ không đạt nhiệt độ yêu cầu

(ở đây QA=0 vì hệ thống này không có nguồn nhiệt phụ),

QW là dòng nhiệt cấp cho người sử dụng

Tổn thất nhiệt của bình tích trữ được tính:

Trong đó, As là diện tích bề mặt ngoài bình tích trữ, ks là

hệ số truyền nhiệt của bình tích trữ

Công cấp cho bơm vòng lặp bộ thu được tính [4] :

Trong đó, Kp là hệ số của bơm

Hình 1 Bố trí ống của bộ thu tấm phẳng [15, 16]

3 Thiết lập hệ thống thí nghiệm

3.1 Mô tả hệ thống thí nghiệm

Trong nghiên cứu này, hệ thống nước nóng năng lượng

mặt trời được lắp đặt tại sân trường Trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật Tp Phố Hồ Chí Minh như ở Hình 2 và 3

Các bộ phận chính của hệ thống gồm bồn tích trữ nước

nóng, bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng, bơm

nước tuần hoàn, bộ điều khiển và thu thập dữ liệu Bộ thu

năng lượng mặt trời có tổng diện tích là 8 m2 gồm 04 tấm

collector kiểu phẳng được kết nối song song và đặt nghiêng

một góc 450 so với mặt phẳng nằm ngang hướng về phía

Nam, mỗi tấm có chiều dài và rộng là 2mx1m, bên trong

bố trí 11 ống đồng có đường kính trong và ngoài là 0,08m

và 0,013m Thể tích bình tích trữ nước nóng được chọn theo tỉ lệ 𝑉𝑠/𝐴𝑐≈ 33,3 lít/m2 [17], đường kính và chiều cao bình tích trữ là 820 mm và 1080 mm, bên ngoài được bọc lớp cách nhiệt bằng polyurethane dày 15 mm, do đường ống kết nối giữa bình tích trữ và bộ thu có chiều dài ngắn nên trong nghiên cứu này bỏ qua tổn thất nhiệt của đường ống Nguyên lý hoạt động hệ được mô tả như sau: Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu Tco

và nhiệt độ nước bình tích trữ Ts lớn hơn giá trị cài đặt ΔTon

(∆𝑇𝑜𝑛= 𝑇𝑐𝑜− 𝑇𝑠≥ 10℃) bơm nước hoạt động và sẽ dừng khi sự chênh lệch này nhỏ hơn ΔToff (∆𝑇𝑜𝑓𝑓= 𝑇𝑐𝑜− 𝑇𝑠≤ 2℃), trong thí nghiệm này giá trị ΔTon và ΔToff được chọn theo [1, 18-19]

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nước nóng năng lượng mặt

trời kiểu bộ thu tấm phẳng

Hình 3 Hệ thống thí nghiệm nước nóng năng lương mặt trời

kiểu bộ thu tấm phẳng

Hình 4 Bộ điều khiển của hệ thống nước nóng năng lương mặt

trời kiểu bộ thu tấm phẳng

30 Lê Minh Nhựt

3.2 Phương pháp thí nghiệm

Trong thí nghiệm này, giá trị lưu lượng nước qua vòng

lặp bộ thu nằm trong khoảng 0,01-0,02 kg/m2s [15] Giá trị

chọn thí nghiệm cho hệ thống này là 0,015 kg/m2s tương

đương 7,2 lít/phút Các giá trị lưu lượng thí nghiệm là

5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút,

7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút Các giá trị lưu

lượng này xoay quanh giá trị 7,2 lít/phút và tăng hoặc giảm

±10% Thời gian thực hiện thí nghiệm trong các ngày nắng

từ 7h30 đến 16h30, nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích

trữ chọn là 30oC Ở thí nghiệm này, cường độ bức xạ mặt

trời It được đo bằng Tenmars TM-207 (sai số ± 1,5%), các

giá trị nhiệt độ được đo bằng cảm biến DS18B20 (sai số

± 0,5%) và các giá trị nhiệt độ hiển thị ở màn hình LCD

như Hình 4 Lưu lượng nước được đo bằng đồng hồ lưu

lượng nước nóng đa tia SENSUS kiểu cánh quạt (sai số

± 2%), điện năng cho bơm nước được đo bằng được đo

bằng đồng hồ điện một pha EMIC (độ chính xác ±0,5) Các

số liệu thí nghiệm được ghi 10 phút/lần và được lưu vào

file excel trong máy tính để sử dụng tính toán

4 Kết quả nghiên cứu và đánh giá

Trong nghiên cứu này, giá trị năng lượng hữu ích Qu và

năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần hoàn Ep là tính tổng cho

một ngày thí nghiệm trong khoảng thời gian từ 7h30 đến

16h30 khi bơm hoạt động

Hình 5 là kết quả biên dạng lưu lượng qua bộ thu trong

ngày nắng thí nghiệm Các thí nghiệm cho các giá trị lưu

lượng 5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút,

7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút được thực hiện

trong các ngày nắng và có giá trị trung bình ngày thí

nghiệm nhiệt độ môi trường Ta và cường độ bức bạ mặt

trời It là gần như nhau Như biên dạng lưu lượng của Hình

5, tại các giá trị lưu lượng từ 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút,

7,2 lít/phút thì bơm nước tuần hoàn qua vòng lặp bộ thu

có số lần chạy và thời gian chạy dài hơn, số lần nghỉ và

thời gian nghỉ ngắn hơn Tại giá trị lưu lượng 7,92 lít/phút

thì biên dạng tương đối đều, điều này có nghĩa thời gian

bơm chạy và dừng lặp lại tương đối giống nhau Tuy

nhiên, tại các giá trị lưu lượng 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút,

thì số lần chạy và thời gian chạy ngắn hơn, số lần bơm

dừng và thời gian dừng tăng lên Điều này có thể giải thích

rằng, khi giá trị nhiệt độ qua vòng lặp bộ thu nhỏ hơn

7,92 lít/phút, khi bơm nước tuần hoàn chạy dẫn đến nhiệt

độ nước ra khỏi bộ thu Tco giảm chậm nên sự duy trì sự

hoạt động của bơm dài hơn do ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜− 𝑇𝑠 tiến đến

ΔToff chậm, trong khi ở các giá trị lượng 8,64 lít/phút,

9,36 lít/phút khi bơm tuần hoàn hoạt động nhiệt độ nước

ra khỏi bộ thu Tco giảm nhanh nên thời gian hoạt động của

bơm tuần hoàn ngắn do chênh lệch nhiệt độ ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜− 𝑇𝑠

tiến đến nhiệt độ ΔToff nhanh hơn Tại giá trị lưu lượng

7,92 lít/phút do nhiệt độ Tco không giảm quá nhanh hay

quá chậm khi bơm hoạt động nên thời gian hoạt động và

nghỉ của bơm lặp lại tương đối đồng đều

Hình 6 thể hiện nhiệt độ nước đầu vào Tci và nhiệt độ

nước đầu ra Tco của bộ thu trong các ngày nắng thí nghiệm

với các giá trị lưu lượng khác nhau Kết quả cho thấy rằng, với giá trị nhiệt độ nước ban đầu là 30oC thì nhiệt độ nước vào Tci và ra Tco của bộ thu dao động trong khoảng từ 30oC đến 65oC, chênh lệch nhiệt độ giữa Tci và Tco dao động trong khoảng 3oC đến 7oC tùy thời điểm trong ngày khi bơm nước tuần hoàn hoạt động Nhiệt độ nước Tci và Tco

của bộ thu tăng dần từ buổi sáng đến buổi chiều do sự tăng nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ Nhìn chung, giá trị lưu lượng nước qua bộ thu càng lớn thì sự giảm nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu Tco càng nhanh do sự giảm nhanh nhiệt

độ của tấm hấp thụ

Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, sự ảnh hưởng của lưu lượng đến nhiệt lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu thụ của bơm nước tuần hoàn Ep tương ứng với giá trị nhiệt độ môi trường trung bình Ta và cường độ bức xạ năng lượng mặt trời đến bề mặt bộ thu trung bình It của ngày thí nghiệm

Từ Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, khi các giá trị lưu lượng qua bộ thu tăng từ 5,04 lít/phút đến 7,92 lít/phút và từ 7,92 lít/phút đến 9,36 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu thu được tăng tương ứng từ 11,22 kWh đến 19,3 kWh và sau

đó giảm dần đến 18,35 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn của bơm nước tuần hoàn Ep tăng liên tục từ 0,73 kWh đến 3,8 kWh Qua Bảng 1 ta cũng thấy, tại giá trị lưu lượng 7,92 lít/phút qua bộ thu thì năng lượng hữu ích thu được là lớn nhất 19,3 kWh tương ứng với năng lượng tiêu tốn của bơm nước tuần hoàn là 2,3 kWh Có thể giải thích điều này rằng, khi tăng lưu lượng thì năng lượng hữu ích Qu và

Ep đều tăng (tốc độ tăng Qu nhanh hơn tốc độ tăng Ep) theo công thức 1 nhưng khi tăng quá mức, cụ thể là lớn hơn 7,92 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu giảm trong khi Ep

tiếp tục tăng, điều này do khi tăng lưu lượng dẫn đến giảm hiêu suất thoát FR giảm (công thức 2) Tóm lại, giá trị lưu lượng 7,92 lít/phút qua bộ thu được xem là giá trị cho năng lượng hữu ích Qu lớn nhất

Bảng 1 Ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp bộ thu đến

Q u và và E p tương ứng với giá trị nhiệt độ môi trường T a và cường độ bức xạ I t trung bình của ngày thí nghiệm

Hình 8 thể hiện nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ ứng với các giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong các ngày thí nghiệm Từ đồ thị cho thấy, nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ tăng nhanh vào buổi sáng cho đến 14h00 sau đó tăng chậm dần đến cuối ngày Nhiệt độ nước nóng cuối ngày nằm trong khoảng 60oC đến 65oC Trong đó nhiệt độ nước nóng Ts cuối ngày ứng với giá trị lưu 7,92 (lít/phút) là cao nhất Có thể giải thích rằng, sự tăng nhanh của nhiệt độ nước nóng Ts vào buổi sáng là do nhiệt độ nước ban đầu Ts nhỏ, sự chênh lệch ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜−

𝑇𝑠 lớn, trong khi sau 14h30 độ chênh nhiệt độ này nhỏ do cường độ bức xạ mặt trời giảm nên năng lượng hữu ích bình tích trữ nhận được giảm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 8, 2020 31

Hình 5 Biên dạng lưu lượng qua vòng lặp bộ thu

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30

7:30

Thời gian(h)

lưu lượng(5.04 lít/phút)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30 7:30

Thời gian(h)

lưu lượng(5.76 lít/phút)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30

Thời gian(h) 7:30

lưu lượng(6.48 lít/phút)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30 7:30

Thời gian(h) lưu lượng (7.2 lít/phút)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30

7:30

Thời gian(h)

lưu lượng (7.92 lít/phút)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30 7:30

Thời gian(h)

lưu lượng(8.64 lít/phút)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30

7:30

Thời gian(h)

lưu lượng(9.36 lít/phút)

32 Lê Minh Nhựt

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Thời gian(h)

Tci(5.04)

Tci(5.76)

Tci(6.48)

Tci(7.2)

Tci(7.92)

Tci(8.64)

Tci(9.36)

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30

8:30

7:30

Tco(5.04) Tco(5.76) Tco(6.48) Tco(7.2) Tco(7.92) Tco(8.64) Tco(9.36)

o C

Hình 6 Nhiệt độ T co , T ci trong các ngày nắng thí nghiệm với

các giá trị lưu lượng khác nhau

5.04 5.76 6.48 7.20 7.92 8.64 9.36

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Qu

Lưu lượng (lít/phút)

0 1 2 3 4 5

6

Ep

Hình 7 Ảnh hưởng của lưu lượng đến nhiệt lượng hữu ích Qu

và năng lượng tiêu thụ của bơm nước tuần hoàn Ep

Hình 8 Nhiệt độ nước nóng T s trong bình tích trữ ứng với các

giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong các ngày thí nghiệm

Hình 9 cho thấy, sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu tốn của bơm tuần hoàn Ep Kết quả cho thấy, khi nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ tăng từ 25oC đến

45oC thì năng lượng hữu ích giảm từ 21,8 kWh đến 17,1 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn cho bơm nước tuần hoàn giảm từ 3 kWh đến 1,55 kWh Điều này có thể giải thích, do sự tăng nhiệt độ nước ban đầu của bình tích trữ dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước bào bộ thu Tci nên dẫn đến tăng tổn thất nhiệt ra môi trường (công thức (1)) và giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ thu và nước qua bộ thu, bên cạnh đó thời gian hoạt động của bơm nước tuần hoàn cũng ngắn hơn Do vậy, đối với các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu cưỡng bức cần thiết phải tăng cường sử dụng vào ban ngày để tăng năng lượng hữu ích Qu của bộ thu và giảm sử dụng vào ban đêm

25 30 35 40 45 10

12 14 16 18 20 22 24

Qu

Nhiệt độ nước ban đầu bình tích trữ( o C)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Ep

Hình 9 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu trong

bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Q u và năng lượng tiêu tốn

của bơm tuần hoàn E p

5 Kết luận

Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu cưỡng bức có thể thấy:

- Lưu lượng nước qua vòng lặp bộ thu tấm phẳng được xác định tại giá trị 7,92 lít/phút tương ứng với nhiệt lượng hữu ích là 19,3 kWh và năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần hoàn là 2,3 kWh

- Nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ cuối ngày dao động trong phạm vi 60oC đến 65oC

- Khi nhiệt độ nước ban đầu tăng thì nhiệt lượng hữu ích thu được sẽ giảm, do đó cần tăng cường xử dụng nước nóng vào ban ngày để tăng hiệu quả của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

Kết quả nghiên cứu này có thể được cung cấp cho các công ty tư vấn thiết kế, nhà sản xuất sử dụng tham khảo khi thiết kế và lắp đặt các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng ở Việt Nam

Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại

học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã hỗ trợ kinh phí cho nghiên cứu này (T2017-30TĐ)

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 9:30 8:30

7:30

oC)

Thời gian(h)

Ts(5.04) Ts(5.67) Ts(6.48) Ts(7.2) Ts(7.92) Ts(8.64) Ts(9.36)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 8, 2020 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Csordas, G.F., Brunger, A.P., et al, “Plume entrainment effects in

solar domestic hot water systems employing variable-flow-rate

control strategies”, Solar Energy, 49(6), 1992, 497-505

[2] Kovarik, M., Lesse, P.F, “Optimal control of flow in low temperature

solar heat collector”, Solar Energy, 18(5), 1976, 431-435

[3] Orbach, A., Rorres, C., et al, “Optimal control of a solar collector loop

using a distributed-lumped model” Automatica, 17(3), 1981, 535-539.

[4] Saltiel, C., Sokolov, M, “Optimal control of a multicomponent solar

collector system”, Solar Energy, 34(6), 1985, 529-534

[5] Winn, C.B., Hull lll, D.E, “Optimal controllers of the second kind”,

[6] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A study on automatic optimal operation of

a pump for solar domestic hot water system”, Solar Energy, 98,

2013, 448–457

[7] Sara, H and et al, “An optimal control strategy for a heat pump in an

integrated solar thermal system”, Journal of Process Control, 84,

2019, 35-45

[8] Badescu and et al, “Empirical versus optimal control of flow in solar

domestic hot water system”, Journal of Energy Engineering 142(3),

2016

[9] Mohamed, A.Z and et al, “Energic performance and economic

analysis of a solar water heating system for different flow rates

values: A case stude”, Solar Energy, 147(1), 2017, 164-180

[10] Pang, W and et al, “Experimental effect of high mass flow rate and

volume cooling on performance of a water-type PV/T collector”,

Solar Energy, 188, 2019, 1360-1368

[11] Dembeck-Kerekes, T and et al, “Performance of variable flow rates

for photovoltaic-thermal collectors and the determination of optimal

flow rates”, Solar Energy, 182, 2019, 148-160

[12] Antonio, A and et al, “Solar thermal modeling for rapid estimation of auxiliary energy requirements in domestic hot water production:

on-off versus proportional flow rate control”, Solar Energy 177(1),

2019, 68-79

[13] Sara, H and et al, “Simultaneous optimization of configuration and controller parameters in an integrated solar thermal hydronic system”, 2017, 2931-2936

[14] Nguyễn Du, Lê Minh Nhựt, “Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt

trời”, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 39, 2016, 78-84 [15] Duffie, J.A., Beckman, W.A Beckman, Solar Engineering of

[16] Nguyễn Thế Bảo, Giáo trình năng lượng tái tạo và sự phát triển bền

vững, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2017

[17] Badescu, V, “Optimal control of flow in solar collector systems with

fully mixed water storage tanks”, Energy Conversion and

Management, 49(2), 2008, 169-184

[18] Knudsen, S, “Consumers influence on the thermal performance of

small SDHW systems - Theoretical investigations” Solar Energy,

73(1), 2002, 33-42

[19] Reindl, D and et al, “Experimental verification of a solar hot water

heating system with a spiral-jacketed storage tank”, Journal of

Mechanical Science and Technology, 22, 2008, 2228-2235

[20] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A Study on Developing an Automatic Controller with an Inverter Collector Pump for Solar-Assisted

Heating System”, Energies, 13(9), 2020, 2128

(BBT nhận bài: 06/4/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/8/2020)