Bài viết Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả làm mát sơ bộ không khí giải nhiệt máy điều hòa không khí bằng phương pháp bay hơi nước đưa ra giải pháp làm mát sơ bộ không khí bằng phương pháp bay hơi để làm giảm việc tiêu thụ năng lượng trong những ngày nắng nóng, cũng như tránh hình thành các đảo nhiệt.
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 5
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM MÁT SƠ BỘ KHÔNG KHÍ GIẢI NHIỆT MÁY ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BAY HƠI NƯỚC
STUDY, AND ASSESSMENT OF EFFICIENCY IN EVAPORATIVE AIR-PRECOOLING FOR
AIR CONDITIONERS
Nguyễn Thế Bảo 1 , Nguyễn Duy Tuệ 2 , Đào Huy Tuấn 3
1 Viện Phát triển Năng lượng Bền vững (ISED); drthebao@gmail.com
2 Trường Đại học Văn Lang; nguyenduytue1981@gmail.com
3 Trường Đại học Tôn Đức Thắng; daohuytuan1981@gmail.com
Tóm tắt - Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng gió được sử
dụng khá phổ biến tại Việt Nam, tuy nhiên, hệ số làm lạnh giảm
khá nhiều trong những ngày nắng nóng làm tăng lượng điện năng
tiêu thụ Ngoài ra, việc sử dụng một số lượng khá lớn và tập trung
các máy điều hòa không khí gây nên những đảo nhiệt, càng làm
gia tăng năng lượng tiêu thụ và giảm tuổi thọ của hệ thống Bài báo
đưa ra giải pháp làm mát sơ bộ không khí bằng phương pháp bay
hơi để làm giảm việc tiêu thụ năng lượng trong những ngày nắng
nóng, cũng như tránh hình thành các đảo nhiệt Kết quả cho thấy
rằng, có thể tiết kiệm được điện năng tiêu thụ cho máy điều hòa
không khí khoảng 15 - 30% và lượng nước tiêu thụ cho làm mát
trong khoảng 4 - 6 lít/h.HP Như vậy, ta có thể thu gom nước ngưng
từ dàn lạnh để sử dụng, với thông số thực nghiệm 1-3 lít/h hoặc
lắp đặt đường ống nước cấp để sử dụng
Abstract - Air cool air conditioners are very popular in Viet Nam;
nevertheless, their Cooling of Performance (COP) is severely reduced in hot weather, resulting in increasing electrical consumption Moreover, dense and large numbers of air conditioners could cause urban heat island, which increases energy consumption as well as air conditioners’ life-time reduction This paper presents a measure by using evaporative air-precool in order to cut down power consumption in hot days along with urban heat island The experimental result shows that electrical consumption could be saved about 15 - 30% in conjunction with air-precooling’s water demand approximately 4 - 6 l/h Hence, we can utilize condensing water from evaporator with experimental flowrate from 1-3 lit/h or install the separate hydraulic system for air-precooling
Từ khóa - làm lạnh bay hơi; làm mát phun sương; làm mát sơ bộ
không khí; nước ngưng giàn lạnh; điều hòa không khí Key words - evaporative cooling; water spraying system; evaporative air-precooling; condensing water collection from
evaporator; air conditioner
1 Đặt vấn đề
Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng không khí có
ưu điểm là sử dụng không khí xung quanh để làm mát,
không phải tiêu tốn nước giải nhiệt, dễ lắp đặt, dễ vận
hành khi sử dụng Tuy nhiên, ở những nước khí hậu nóng
như nước ta, trong những ngày nắng nóng làm tăng áp
suất ngưng tụ, tăng công nén và làm giảm hệ số làm lạnh
COP Nhiệt độ ngưng tụ tăng 1°C sẽ làm giảm COP
khoảng từ 2-4% Ngoài ra, vận hành máy trong điều kiện
áp suất ngưng tụ cao dễ làm hỏng và giảm tuổi thọ của
máy nén Trong những tòa nhà, căn hộ, việc tập trung
nhiều máy điều hòa không khí sẽ làm gia tăng nhiệt độ
không khí xung quanh, càng làm gia tăng nhiệt độ ngưng
tụ và tăng điện năng tiêu thụ Do đó, làm giảm nhiệt độ
ngưng tụ sẽ giúp giảm điện năng tiêu thụ Một phương
pháp khá đơn giản được sử dụng khá nhiều tại các nước
có khí hậu nóng là làm mát bay hơi, [1] không khí sau khi
được phun ẩm đoạn nhiệt sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ
nhiệt kế ướt Tuy nhiên, trên thực tế không khí sau khi
phun ẩm ít khi đạt được nhiệt độ trên
Có 2 cách làm mát thiết bị ngưng tụ bằng cách phun
ẩm, đó là dùng vòi tán sương làm mát không khí trước dàn
ngưng tụ hoặc nước được tưới trên các tấm tổ ong đặt trước
đầu hút của dàn nóng, rồi được làm mát và đi vào giải nhiệt
thiết bị Như vậy, cách thứ nhất khá đơn giản, rẻ, dễ lắp đặt
và cột áp của quạt giải nhiệt không cần phải lớn Tuy nhiên,
cần phải bảo trì các mũi phun sương thường xuyên để tránh
bị tắc nghẽn
Trên thế giới, làm mát sơ bộ không khí cho dàn ngưng
tụ được thực hiện khá nhiều, Goswami đã thực hiện phun
ẩm làm mát cho máy điều hòa không khí 2,5 ton lạnh bằng cách cho nước tưới lên tấm tổ ong để trao đổi nhiệt hiện
và nhiệt ẩn với dòng không khí đi vào Kết quả cho thấy,
hệ thống tiết kiệm được 20% khi nhiệt độ ngoài trời đạt 34°C [2]
Như vậy, bài báo sẽ thí nghiệm các chế độ phun sương với một số lưu lượng nước làm mát khác nhau để chọn lựa lưu lượng nước vừa đủ và mang lại hiệu quả năng lượng cho máy điều hòa không khí
2 Thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.1 Mô hình thí nghiệm
Thiết bị gồm có:
- Máy điều hòa không khí loại âm trần Casset, năng suất lạnh 24.000 Btu/h, môi chất R22
- Bơm phun sương công suất 25 W, điện áp 24 V, lưu lượng nước lớn nhất 1,8 l/p và các vòi phun sương
- Dimmer điều chỉnh lưu lượng bơm
- Các cảm biến áp suất để đo áp suất nén và áp suất hút
- Các cảm biến nhiệt độ lắp đặt tại: cửa gió vào và ra dàn lạnh, đầu vào và ra của thiết bị ngưng tụ, đường ống ra của thiết bị ngưng tụ
- Cảm biến độ ẩm được lắp tại đầu vào và ra của dàn lạnh
- Ampe kẹp để đo cường độ dòng điện máy nén
Trang 26 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn
Hình 1 Mô hình máy điều hòa không khí và bộ phun sương
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Các vòi phun sương được lắp đặt tại ngõ vào của thiết
bị ngưng tụ, nước được phun ra với các lưu lượng khác
nhau và làm mát không khi đi vào, bài báo sẽ đánh giá hiệu
quả của lưu lượng nước phun và việc tiết kiệm năng lượng
theo từng chế độ vận hành Các thông số được đo đạc dùng
để đánh giá năng suất lạnh, COP, nhiệt độ gió ra khỏi thiết
bị ngưng tụ theo từng chế độ phun sương Theo [1], khi đã
có lưu lượng khối lượng không khí qua dàn lạnh GkkDL
(kg/s), entanpi vào, ra IvDL, IrDL (kJ/s), lưu lượng quạt dàn
lạnh trong mô hình tính được là 16 m3/p
Qo = GkkDL.(IvDL – IrDN) (1)
Công suất máy nén N (W) dựa trên điện áp U (Volt) và
cường độ dòng điện đo được I (A), cùng với hệ số công
suất 0,85
Ngoài ra, để đánh giá hiệu suất quá trình phun ẩm, ta sử
dụng hệ số tạo ẩm với nhiệt độ không khí ban đầu cần làm mát
t1 (°C), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái không khí ban đầu
tư (°C), nhiệt độ đạt được sau khi được phun ẩm t2 (°C)
𝜂 =𝑡1 −𝑡2
Lưu lượng nước phun vào W (kg/s) được tính toán dựa
trên lưu lượng không khí GkkDN (kg/s), độ chứa hơi của
không khí vào d1 (kgh/kgkkk) và không khí sau khi được
phun ẩm d2 (kgh/kgkkk)
W = GkkDN.(d2-d1), (4)
Như vậy, ta có lưu lượng nước tiêu thụ trong khoảng
4-6 l/giờ.HP
3 Kết quả và thảo luận
Bài báo khảo sát một số chế độ vận hành hệ thống với
lưu lượng nước khác nhau để đánh giá sự ảnh hưởng và tìm
ra được lưu lượng nước thích hợp Ngoài ra, thí nghiệm
được tiến hành vào buổi trưa để có thể đưa ra đánh giá hợp
lý cho phương pháp làm mát này
3.1 Đánh giá sự thay đổi áp suất ngưng tụ khi sử dụng
hệ thống làm mát bay hơi
Hình 2 Sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo
lưu lượng nước phun (lít/h)
Khi chưa sử dụng chế độ phun sương, áp suất ngưng
tụ trong khoảng 19-19,8 bar, áp suất bay hơi trong khoảng 5,5-5,6 bar, sau khi phun sương áp suất ngưng tụ giảm dần theo lưu lượng nước phun vào (l/h) Trong vận hành,
áp suất bay hơi cũng suy giảm gần như tương ứng với áp suất ngưng tụ Theo Hình 2, áp suất ngưng tụ giảm với lưu lượng từ 8,2 (l/h) trở lên và nhiều nhất tại lưu lượng
13 (l/h), do lúc này không khí đầu vào được làm mát khá đáng kể
3.2 Đánh giá độ quá lạnh của hệ thống
Thông số độ quá lạnh khi vận hành trong khoảng 14 K,
và tăng lên khi không khí đi vào thiết bị ngưng tụ được gia
ẩm Lưu lượng nước phun càng tăng, độ quá lạnh càng tăng
do hiệu suất hiệu suất phun ẩm tăng lên Độ quá lạnh tăng
từ 21% đến 36% và tăng nhanh khi lưu lượng từ 10,5 lít/h trở lên
Hình 3 Sự gia tăng độ quá lạnh (%)
ứng với lưu lượng nước phun (l/giờ)
3.3 Đánh giá năng suất lạnh Q o
Độ quá lạnh của hệ thống tăng lên theo lưu lượng nước phun vào Do đó, năng suất lạnh của máy điều hòa cũng
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 7 tăng lên như hình sau:
Hình 4 Sự thay đổi năng suất lạnh theo lưu lượng nước phun
Năng suất lạnh ở chế độ phun sương tăng từ 11,17% đến
21%, nhưng gia tăng nhanh nhất khi lưu lượng từ 8,2 lít/h
trở lên Với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, năng suất lạnh
tăng không đáng kể (từ 20% đến 21%) Mặc dù có sự gia
tăng độ quá lạnh khá lớn, nhưng khi áp suất ngưng tụ giảm
thì áp suất bay hơi cũng giảm gần như tương ứng, nên năng
suất lạnh tăng chậm hơn so với sự gia tăng độ quá lạnh
3.4 Đánh giá hiệu suất phun ẩm của thiết bị
Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm và lưu lượng nước
phun vào được thể hiện ơHình 5
Hình 5 Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm
và lưu lượng nước phun
Do máy điều hòa không khí đang sử dụng có công suất
2,5 Hp, phun nước với lưu lượng 5,4 l/h nên hiệu suất phun
ẩm thấp, vì vậy, phun ẩm từ lưu lượng 8,2 l/h trở lên thì
hiệu suất phun ẩm tăng cao Ngoài ra, do các đầu phun
sương tán nhuyễn nước nên điều này giúp hiệu suất phun
ẩm tăng và không khí được làm mát rất đáng kể, làm giảm
áp suất ngưng tụ, tăng độ quá lạnh, nhiệt độ không khí ra
khỏi thiết bị ngưng tụ cũng được giảm theo mối quan hệ
dưới Hình 6
3.5 Sự suy giảm nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ (TBNT)
Hình 6 Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và nhiệt độ
không khí ra khỏi TBNT
Khi chưa được phun sương, nhiệt độ gió ra khỏi thiết
bị ngưng tụ là 47,7°C, với nhiệt độ ngoài trời 30,7°C Nhiệt độ này giảm dần ứng với sự gia tăng lưu lượng nước phun vào Với lưu lượng nước từ 8,2-9,5 l/h thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa không khí thổi ra khỏi thiết bị ngưng
tụ và không khí ngoài trời khoảng 9,1-9,3 K, và với lưu lượng từ 10,5 l/h trở lên thì độ chênh lệch nhiệt độ này còn 6,8-7,6 K Khi nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ giảm sẽ làm không khí xung quanh khu vực đặt dàn nóng giảm theo và tránh hình thành các vùng không khí nóng cục bộ
3.6 Đánh giá công nén của hệ thống
Hình 7 Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và công nén
Công nén giảm dần khi sử dụng chế độ phun sương làm mát không khí đi vào dàn ngưng tụ Ở chế độ phun thấp nhất (5,4 lít/h) thì công nén giảm 8,6%; với lưu lượng nước từ 6,1 lít/h đến 9,5 lít/h thì công nén giảm từ 13,4% đến 13,8% Công nén giảm nhanh khi phun ở chế
độ 10,5 lít/h đến 13 lít/h, lúc này công nén giảm từ 15,4% đến 19%
Như vậy, cùng với việc gia tăng năng suất lạnh và giảm công suất tiêu thụ của máy nén, ta có biểu đồ đánh giá hệ
số làm lạnh COP như Hình 8
Trang 48 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn
3.7 Đánh giá hệ thống COP khi làm mát không khí vào
thiết bị ngưng tụ
Hình 8 Sự phụ thuộc của COP vào lưu lượng nước phun
Khi phun ở chế độ từ 5,4 lít/h đến 6,1 lít/h thì COP tăng
từ 24% đến 36%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 19,4%
đến 26,5% Khi phun ở chế độ từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h thì
COP tăng khoảng 40% đến 43% Đây là hệ số COP của
máy điều hòa không khí, chưa tính đến công suất tiêu thụ
của bơm làm mát Do đó, ta sẽ phân tích, đánh giá hiệu quả
kinh tế dưới đây
3.8 Đánh giá hiệu quả kinh tế
Theo Hình 7, khi phun ẩm với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến
13 lít/h thì công nén giảm khoảng 15-19%, năng suất lạnh
cũng tăng lên do áp suất ngưng tụ giảm và độ quá lạnh tăng,
vì vậy COP tăng từ 40-43% (Hình 8), năng lượng tiết kiệm
khoảng 28,5% đến 30% Như vậy, trong hệ thống này,
trung bình 1 giờ ta tiết kiệm được 660 W -700 W
Ngoài ra, khi đo đạc thực nghiệm thì năng lượng tiêu
thụ của máy bơm trong khoảng từ 4 - 15 W, chiếm khoảng
từ 2 - 5% năng lượng của hệ thống Do đó, nếu trung bình
1 ngày ta vận hành 4 giờ, thì trong 1 tháng, điện năng sẽ
tiết kiệm được khoảng 78-82 kWh, tương ứng với
180.000VNĐ-200.000VNĐ/tháng
Tổng chi phí bơm, đường ống, vòi phun, dimmer chỉnh
lưu lượng cho hệ thống này khoảng 1,5 triệu VNĐ Như
vậy, thời gian hoàn vốn khoảng 8 tháng
4 Kết luận
a Để mang lại hiệu quả năng lượng, ta nên phun với
lưu lượng nước từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, tương ứng với 4 -
6 lít/h.HP, khi đó, áp suất ngưng tụ giảm từ 5-9%, COP tăng từ 40-43%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 28,5% đến 30%
b Khi vận hành hệ thống làm mát, công nén giảm xuống làm tăng tuổi thọ máy nén Ngoài ra, nhiệt độ không khí xung quanh cũng được giảm theo vì nhiệt độ không khí
ra khỏi dàn ngưng tụ chỉ khoảng 37-41°C Điều này tránh hình thành các đảo nhiệt ảnh hưởng đến sức khỏe và các hệ thống lạnh xung quanh
c Trên cơ sở phân tích ở phần trên, bài báo đề xuất 2 phương án sử dụng hệ thống làm lạnh bay hơi để làm mát thiết bị ngưng tụ như sau:
Phương án 1: Sử dụng phun ẩm trong khoảng 4 tiếng
nắng 1 ngày, nước dùng phun ẩm lấy từ nước ngưng tụ ở dàn lạnh với lưu lượng thực nghiệm đo được khoảng 1 lít/h.HP để giảm việc lắp đặt đường ống cấp nước lạnh Như vậy, ta sẽ tiết kiệm được khoảng 15% điện năng tiêu thụ trong 1 ngày
Phương án 2: Đối với các khu resort, khu văn phòng có
mức độ tập trung máy điều hòa không khí nhiều, ta sẽ phun sương làm mát liên tục trong ngày Năng lượng sẽ tiết kiệm được khoảng 30% so với khi chưa sử dụng
Với kích thước máy bơm nước nhỏ gọn, nhẹ nhàng nên
dễ tìm vị trí lắp đặt, và do bơm sử dụng điện 1 chiều 24 V, nên ta có thể sử dụng bình ắc quy hoặc tấm pin năng lượng mặt trời để giảm bớt chi phí lắp đặt đường dây điện Ngoài
ra, để tránh cho các vòi phun sương bị nghẹt, ta nên lắp đặt thêm các phin lọc nước, lọc các cặn bẩn gây nghẹt vòi phun
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hòa không khí, NXB Khoa học Kỹ thuật,
2007
[2] D.Y Goswami, G.D Mathur, S.M Kulkarni, “Experimental investigation of performance of a residential air conditioning system
with an evaporatively cooled condenser”, Journal of Solar Energy
Engineering, 115, 1993, pp 206-211
[3] E Hajidavalloo, Increasing COP of window air conditioner in very
hot weather of Khoozestan, Research Project Report to Management
and Programming Organization, 2001
[4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh cơ sở, NXB Giáo
dục, 2009
[5] Nguyễn Đức Lợi, Sửa chữa máy lạnh và điều hòa không khí, NXB
Khoa học Kỹ thuật, 2008.
(BBT nhận bài: 24/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 29/08/2017)