Nghiên cứu mô phỏng trong chế độ không ổn định hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời áp dụng cho các hộ gia đình tại việt nam

1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP BƠM NHIỆT VỚI BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .... Các yếu tố ảnh hưởng và vai trò của mô phỏng hệ th

Học viên: Trịnh Viết Thiệu i

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, TS Nguyễn Nguyên An, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, đặc biệt là thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Lạnh và Điều hoà Không khí, bộ môn tôi đang công tác đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện bản luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Trịnh Viết Thiệu

Học viên: Trịnh Viết Thiệu ii

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo TS Nguyễn Nguyên An

Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài những tài liệu tham khảo đã liệt kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình nghiên cứu, sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà chưa được liệt kê

Nếu sai phạm, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Trịnh Viết Thiệu

Học viên: Trịnh Viết Thiệu iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

A – Diện tích, m2

COP - Hệ số bơm nhiệt

C- Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

M - Khối lượng phân tố, kg

m - Lưu lượng khối lượng, kg/s

QLOAD Lượng nhiệt cần cung cấp

cho nhu cầu sử dụng, kJ/ngày

Ta - Nhiệt độ môi trường xung quanh bình chứa, oC

T - Nhiệt độ của nước, oC

 Hiệu suất của bộ thu tấm phẳng

1 - Thể tích riêng của môi chất tại đầu vào máy nén, m3/kg

me - Hiệu suất cơ

el - Hiệu suất điện của máy nén

Học viên: Trịnh Viết Thiệu iv

Các ký hiệu chân

c – Dàn ngưng, bộ thu tth – toàn phần

Học viên: Trịnh Viết Thiệu v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống với môi chất nhận nhiệt trực tiếp từ bộ thu NLMT 4

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống với môi chất nhận nhiệt gián tiếp từ bộ thu NLMT 4

Hình 1.3 Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa nước nóng 5

Hình 1.4 Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa 6

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên 9

Hình 1.6 Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa nước nóng 10

Hình 2.1 Đồ thị lgp-i của chu trình bơm nhiệt 20

Hình 2.2 Chia lớp bình ngưng ống xoắn ruột gà theo chiều cao bình chứa 26

Hình 2.3 Cân bằng nhiệt cho phân tố thứ i tại thời điểm  27

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên 32

Hình 2.5 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 36

Hình 2.6 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 38

Hình 2.7 Thành phần bức xạ trên mặt phẳng nghiêng 39

Hình 2.8 Kết nối TRNSYS với EES 48

Hình 3.1 Mô hình bơm nhiệt sản xuất nước nóng 49

H n Lưu đồ thuật toán mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 50

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt với bình tích nhiệt 51

Hình 3.4 Mô hình bơm nhiệt với bình tích nhiệt 51

H n Lưu đồ thuật toán mô phỏng bơm nhiệt trong chế độ không ổn định 52

Hình 3.6 Mô hình năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên 54

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán mô phỏng tuần hoàn tự nhiên bộ thu năng lượng mặt trời 55

Học viên: Trịnh Viết Thiệu vi

Hình 3.8 Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 58

Hình 3.9 Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt với bình chứa tích nhiệt 59

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối các bộ phận trong mô hình bộ thu năng lượng mặt trời 60

Hình 3.11 Sơ đồ kết nối các mô-đun mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời trong TRNSYS 61

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối các bộ phận mô hình BN kết hợp với NLMT 62

Hình 3.13 Sơ đồ kết nối các mô-đun mô phỏng xác định lượng nhiệt cần bù cho hệ thống trong TRNSYS 63

Hình 4.1 Phân tầng nhiệt độ trong ống tăng cường theo thời gian 68

Hình 4.2 Phân tầng nhiệt độ các điểm ngoài ống tăng cường theo thời gian 69

Hình 4.3 Sự thay đổi áp suất ngưng tụ, bay hơi theo thời gian 70

Hình 4.4 Sự thay đổi của năng suất gia nhiệt theo thời gian 70

Hình 4.5 Sự thay đổi COP theo thời gian 71

Hình 4.6 Sai số nhiệt độ của phân tố cao nhất ngoài ống tăng cường T2 72

Hình 4.7 Sai số nhiệt độ của phân tố cao nhất trong ống tăng cường T10 72

Hình 4.8 Kết quả thực nghiệm phân tầng nhiệt độ theo thời gian 73

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng phân tầng nhiệt độ theo thời gian 73

Hình 4.10 Kết quả đo đạc và mô phỏng T2 (vị trí cao nhất) 74

Hình 4.11 Kết quả đo đạc và mô phỏng T5 (Vị trí thấp nhất) 74

Hình 4.12 Hiệu suất bộ thu phụ thuộc vào hệ số (T5-Ta)/I 75

Hình 4.13 Năng lượng hữu ích của bộ thu theo thời gian 76

Hình 4.14 Nhu cầu sử dụng theo giờ 79

Hình 4.15 Cường độ bức xạ trong ngày 79

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng hệ thống BN kết hợp với NLMT 79

Học viên: Trịnh Viết Thiệu vii

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Bảng thông số cấu tạo của bộ thu tấm phẳng 65

Bảng 4.2 Thống kê các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thí nghiệm 67

Bảng 4.3 Thông số mô tả của mô hình bơm nhiệt với bình tích nhiệt 67

Bảng PL1.1 Bảng kết quả mô phỏng phân tầng nhiệt độ BN với bình tích nhiệt 86

Bảng PL1.2 Bảng kết quả mô phỏng BN với bình tích nhiệt 87

Bảng PL1.3 ảng kết quả thực nghiệm phân tầng nhiệt độ 89

Bảng PL2.1 Bảng kết quả thực nghiệm NLMT tuần hoàn tự nhiên 90

Bảng PL2.2 Bảng kết quả mô phỏng NLMT tuần hoàn tự nhiên 92

Học viên: Trịnh Viết Thiệu viii

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỤC LỤC viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP BƠM NHIỆT VỚI BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3

1.1 Các phương pháp kết hợp bơm nhiệt với bộ thu năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng 3

1.1.1 Sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn lạnh 3

1.1.2 Sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng với bơm nhiệt là nguồn nhiệt dự phòng 5

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng và vai trò của mô phỏng hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng 8

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng trong hệ thống nước nóng 8 1.2.2 Vai trò của mô phỏng hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng 12

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đề tài 13

1.3.1 Nghiên cứu trong nước 13

1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước 13

1.4 Mục tiêu của luận văn 18

Học viên: Trịnh Viết Thiệu ix

CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 20

2.1 Xây dựng mô hình toán học bơm nhiệt sản xuất nước nóng 20

2.1.1 Mô hình toán học máy nén pittong 21

2.1.2 Mô hình toán học dàn ngưng và dàn bay hơi 23

2.1.3 Mô hình toán học thiết bị tiết lưu 25

2.1.4 Hệ số bơm nhiệt 25

2.2 Xây dựng mô hình toán học sự phân tầng nhiệt độ của nước trong bình ngưng ở chế độ tính nhiệt 25

2.3 Xây dựng mô hình toán học tuần hoàn tự nhiên trong bộ thu năng lượng mặt trời 31

2.4 Các mô hình khác trong TRNSYS được sử dụng để mô phỏng 34

2.4.1 Mô hình tính toán bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng (Type 16a) 34

2.4.2 Mô hình xác định năng lượng hữu ích của bộ thu tấm phẳng (Type 1a) 40

2.4.3 Mô hình khác 47

CHƯƠNG - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 49

3.1 Xây dựng bổ sung các mô-đun mô phỏng trong hệ thống sản xuất nước nóng 49

3.1.1 Mô-đun mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 49

3.1.2 Mô-đun mô phỏng bơm nhiệt với bình tích nhiệt 51

3.1.3 Mô-đun mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên 54

3.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 55

3.2.1 Giới thiệu về EES 55

3.2.2 Giới thiệu về TRNSYS 56 3.3 Xây dựng chương trình phần mềm mô phỏng hệ thống sản xuất nước nóng 57

Học viên: Trịnh Viết Thiệu x

3.3.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 57

3.3.2 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt bình chứa tích nhiệt 58

3.3.3 Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên 59

3.3.4 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời 61

CHƯƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

4.1 Mô tả thí nghiệm kiểm chứng 64

4.1.1 Hệ thống năng lượng mặt trời 64

4.1.2 Hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng 65

4.2 Đánh giá kết quả thu được 67

4.2.1 So sánh với kết quả thực nghiệm của hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng 67

4.2.2 So sánh với kết quả thực nghiệm năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng 72

4.3 Ứng dụng phần mềm mô phỏng hệ thống sản xuất nước nóng 76

CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 86

PL1 Kết quả bơm nhiệt với bình tích nhiệt 86

PL2 Kết quả NLMT tuần hoàn tự nhiên 90

PL3 Bảng kết quả BN kết hợp NLMT sản xuất nước nóng 94

PL4 Code chương trình 101

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 1

MỞ ĐẦU

Xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng nước nóng phục vụ trong đời sống con người cũng ngày càng được tăng cao Nước nóng được sử dụng nhiều trong sinh hoạt hàng ngày cho các mục đích như: nấu ăn, nước uống, tắm giặt … Hàng loạt thiết bị cung cấp nước nóng có mặt trên thị trường như cây nước nóng lạnh, bể bơi nóng lạnh… Nhờ tính thuận tiện, sẵn có nên điện năng đang chiếm đa số trong các nguồn năng lượng cấp cho các thiết bị tiêu hao năng lượng đó Cả nước hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nước nóng bằng điện công suất trong khoảng 2 kW đến 5

kW, hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch [13] Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trường đầy tiềm năng đối với thiết bị cung cấp nước nóng Tuy nhiên, xét về nhiều khía cạnh, việc lạm dụng nguyên nhiên liệu quá mức của con người đang làm cho trái đất nóng lên, gây biến đổi khí hậu và nhiều hệ lụy khôn lường Với sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam trong hơn thập kỷ qua đã khiến cho nhu cầu

về điện năng tăng thêm khoảng 15% mỗi năm Sự thiếu hụt nguồn cung cấp điện của Việt Nam cũng đang gia tăng nhanh, đặc biệt là vào mùa khô do sự phụ thuộc quá lớn vào thủy điện

Xu hướng những năm gần đây, nguồn năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng nhiều nhằm thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn Nâng cao sử dụng nguồn năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm nguồn nhiên liệu truyền thống, bảo vệ môi trường và giảm thiểu việc khai thác tài nguyên khoáng sản Trên thế giới, tỷ lệ số người lắp đặt hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đang gia tăng mạnh, đặc biệt là Trung Quốc, Nhật

ản, Israel, Sip, Australia… Là một nước có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng mặt trời với lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m2 /ngày, Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1800 đến 2100 giờ [12] Tuy nhiên, lượng bức xạ mặt trời phụ thuộc theo mùa, ch có mùa hè việc sử dụng thiết bị cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời mới đạt hiệu quả cao Đối với miền ắc nước ta,

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 2

vào mùa đông năng lượng mặt trời thường yếu ớt trong khi nhu cầu sử dụng nước nóng lại gia tăng, và vào ngày mưa thì lượng bức xạ mặt trời cũng không đáp ứng

đủ nhu cầu Với mục tiêu phát triển công nghệ sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời có chi phí thấp và khả năng đáp ứng liên tục trong mọi dạng thời tiết, công nghệ sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời ( N kết hợp với NLMT) là một giải pháp rất hữu hiệu kết hợp được cả tiết kiệm điện năng và sử dụng năng lượng tái tạo Hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt có hệ số hiệu quả

sử dụng năng lượng cao gấp 3 đến 4 lần năng lượng thứ cấp nên có khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội Để sản xuất ra cùng lượng nước nóng với giá vận hành bơm nhiệt ch bằng 1 3 đối với giá khi sử dụng điện năng [8] Lợi ích về kinh tế, xã hội của công nghệ kết hợp này là rất lớn, phù hợp với phạm vi lắp đặt và sử dụng nhiều ở các hộ gia đình, nhà trẻ, khách sạn và nhà hàng…

Với sự phát triển của khoa học máy tính, công cụ toán học đã đạt được nhiều thành tựu và nhằm phục vụ cho nhu cầu thiết kế hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ

thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng trong chế độ không ổn định hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời áp dụng cho các hộ gia đình tại Việt Nam”

Với mục đích xác định khả năng cung cấp nước nóng và năng suất nhiệt của

bộ thu năng lượng mặt trời, luận văn sẽ tiến hành xây dựng các mô-đun cho từng bộ phận và sau đó kết hợp chúng lại để mô phỏng hệ thống bơm nhiệt (BN) kết hợp với

bộ thu năng lượng mặt trời (NLMT) ở chế độ không ổn định Từ đó, xác định nhu cầu bổ sung lượng nhiệt mà bơm nhiệt sẽ phải đảm nhiệm Kết quả được kiểm nghiệm với mô hình thực tế tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP BƠM NHIỆT VỚI BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƯỚC

NÓNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 1.1 Các p ương p áp kết ợp bơm n iệt với bộ t u năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng

Sự phát triển của khoa học công nghệ góp phần to lớn thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) sản xuất nước nóng vào đời sống, phạm vi và giải pháp đáp ứng năng lượng nhiệt cũng đa dạng và ngày càng được mở rộng Hiện nay, trên thế giới có hai xu hướng chính kết hợp bơm nhiệt (BN) với bộ thu NLMT dùng để tăng hiệu quả của hệ thống cung cấp nước nóng:

- Sử dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ nguồn lạnh cấp cho bơm nhiệt, qua

đó làm tăng COP của bơm nhiệt

- Sử dụng bộ thu NLMT làm nóng nước với bơm nhiệt là nguồn nhiệt dự phòng

1.1.1 Sử dụng bộ t u năng lượng mặt trời để tăng n iệt độ nguồn lạn

Đối với các nước ôn đới khi nhiệt độ môi trường xuống thấp thì năng suất nhiệt nhận được từ dàn nóng giảm đáng kể, dẫn đến hệ số bơm nhiệt COP nhỏ Nếu nhiệt độ nguồn lạnh xuống nhỏ hơn 5oC thì hệ số COP < 3 [32] Để tăng nhiệt độ nguồn lạnh, có một giải pháp khá hữu hiệu là tăng nhiệt độ môi chất khi qua dàn bay hơi của bơm nhiệt bằng cách hấp thụ thêm nhiệt trực tiếp hoặc gián tiếp từ bộ thu năng lượng mặt trời Đối với hệ thống nhỏ dùng cho gia dụng dàn bay hơi nhận nhiệt trực tiếp từ bộ thu NLMT (Hình 1.1), c n đối với hệ thống lớn dàn bay hơi nhận nhiệt gián tiếp từ bộ thu NLMT (Hình 1.2)

Môi chất lỏng giảm áp suất sau khi đi qua van tiết lưu và nhận nhiệt từ bộ thu NLMT trở thành dạng hơi Hơi quá nhiệt khi đi qua máy nén có nhiệt độ cao và áp suất cao tiếp tục đi qua dàn ngưng, ở đây hơi môi chất truyền nhiệt cho nước trong bình chứa nước nóng Nhờ nhận nhiệt bức xạ từ mặt trời, COP của bơm nhiệt có thể tăng lên 2 đến 3 lần

Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 4

Bộ th

u năng l-ợn

tới tải

n-ớc cấp

nguồn nhiệt phụ

Hỡnh 1.1 Sơ đồ hệ thống với mụi chất nhận nhiệt trực tiếp từ bộ thu NLMT

hơi

tới tải

n-ớc cấp

nguồn nhiệt phụ

Bơm

Máy nén

Van tiết l-u

Vòng lặp chống đông

Dàn ng-ng

Tuần hoàn

tự nhiên

Hỡnh 1.2 Sơ đồ hệ thống với mụi chất nhận nhiệt giỏn tiếp từ bộ thu NLMT

Cụng nghệ BN kết hợp với NLMT này thớch hợp hơn cả cho cỏc nước cú khớ hậu ụn đới, ớt bức xạ mặt trời Ở đõy, năng lượng bức xạ mặt trời rất yếu ớt ch đủ cung cấp tăng nhiệt độ nguồn lạnh chứ khụng đủ cung cấp năng lượng sản xuất nước núng Trong khoảng 15 năm trở lại đõy hệ thống trờn đó được nghiờn cứu, phỏt triển mạnh mẽ ở cỏc nước ắc u và Nhật ản, những vựng cú khớ hậu ụn đới

C n đối với cỏc nước nằm ở vựng khớ hậu nhiệt đới trong đú cú Việt Nam, cụng nghệ này khụng phự hợp vỡ nú cú thể làm tăng nhiệt độ nguồn lạnh quỏ cao, gõy sự

cố và thậm chớ làm hỏng bơm nhiệt nờn cần được đi sõu nghiờn cứu thờm nữa

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 5

1.1.2 Sử dụng bộ t u năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng với bơm n iệt là nguồn n iệt dự p òng

Đối với khu vực có nguồn NLMT dồi dào nhưng khả năng cung cấp nước nóng không phải luôn đáp ứng được thì nên sử dụng bơm nhiệt làm nguồn nhiệt dự phòng Hệ thống cung cấp nước nóng này sẽ có ý nghĩa tiết kiệm năng lượng cao hơn, giảm tối thiểu năng lượng điện cần cung cấp cho hệ thống mà vẫn đảm bảo năng suất nước nóng yêu cầu Hiện nay, có hai dạng sơ đồ sử dụng chính: sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa và BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa

a) Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa nước nóng

M¸y nÐn

Van tiÕt l-u

Bé th

u n¨ng l -îng mÆt t rêi

Hình 1.3 Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa nước nóng

Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa nước nóng được biểu diễn như

hình 1.3 đã được G Panaras, E Mathiolakis và V Belessiotis đề xuất vào năm

2013, sơ đồ này được quan tâm và sử dụng ở Hy Lạp [29] Ưu điểm của sơ đồ này

là tận dụng tối đa năng lượng nhiệt của bộ thu mặt trời Để tăng hiệu quả thu nhiệt của bộ thu NLMT thì bơm nhiệt được sử dụng cho quá trình trao đổi nhiệt ở phía trên của bình, trong khi bộ thu năng lượng mặt trời tích nhiệt ở phía dưới bình Chế

độ vận hành thiết bị BN và bộ thu NLMT được điều khiển bằng thiết bị điều khiển thương mại cho hệ thống tích hợp NLMT và BN Thiết bị điều khiển tuần hoàn

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 6

nước trong bộ thu năng lượng mặt trời và trao đổi nhiệt với dàn ngưng của bơm nhiệt, nó cũng có chức năng bảo vệ quá nhiệt ở bộ thu năng lượng mặt trời Chế độ vận hành của bộ thu được hoạt động dựa trên sự khác nhau giữa nhiệt độ đầu ra bộ thu và nhiệt độ ở giữa bình Ts Nó sẽ ngừng hoạt động khi chênh lệch này nhỏ hơn giá trị đặt trước Giá trị đặt thường là 5 oC và 2 oC ơm nhiệt ngừng hoạt động khi sensor nhiệt độ ở phía đ nh bình vượt quá giá trị đặt và hoạt động lại khi nó nhỏ hơn giá trị cho trước Nhiệt độ đặt tương ứng 55 oC và 52oC

Tuy nhiên, đối với sơ đồ này khi tải nhiệt cần tức thời thì bơm nhiệt phải hoạt động để cung cấp đủ nhiệt, do sự trao đổi nhiệt của nước trong bình chứa nên nhiệt độ của nước đáy bình chứa tăng lên dẫn đến hiệu quả thu năng lượng mặt trời

sẽ giảm Như vậy, sơ đồ này ch phù hợp đối với các nước có lượng bức xạ rất lớn, tích nhiệt năng lượng mặt trời ban ngày và sử dụng vào ban đêm

b) Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa

HÖ thèng b¬m nhiÖt s¶n xuÊt n-íc nãng

B¬m tuÇn hoµn

N-íc nãng sö dông

N-íc l¹nh bæ sung

B×nh b¶o «n n-íc nãng b¬m nhiÖt

Van mét chiÒu

B×nh b¶o «n chøa n-íc nãng (bé thu n¨ng l-îng mÆt trêi)

Bøc x¹ mÆt trêi

Bé thu d¹ng tÊm

ph¼ng

èng th«ng h¬i (x¶ khÝ)

Hình 1.4 Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 7

Sơ đồ hình 1.4 này được TS Nguyễn Nguyên An và cộng sự đề xuất, ứng dụng trong đề tài cấp nhà nước KC.05.03/11-15 Trong chế độ hoạt động bình thường, lượng bức xạ mặt trời đủ, nước nóng được tạo ra sẽ tích trong bình chứa của bộ thu NLMT và đi qua bình chứa của bơm nhiệt trước khi đến nơi sử dụng Bình chứa của bơm nhiệt đóng vai tr như một bình phụ, tăng khả năng tích nhiệt của toàn hệ thống Sự lưu chuyển của nước ở chế độ này được tạo ra bởi lực trọng trường giúp hệ thống có thể hoạt động ngay trong trường hợp nguồn điện lưới bị mất Ở chế độ làm việc này, nước nóng có thể không sử dụng trong thời gian dài Bình chứa tích trữ năng lượng để phục vụ cho nhu cầu sử dụng lần sau Khi nhiệt độ nước trong bình chứa của bơm nhiệt không đủ cao để đáp ứng nhu cầu sử dụng, bơm tuần hoàn sẽ hoạt động giúp thay thế lượng nước “nguội” này bằng nước nóng lấy từ bình chứa bộ thu năng lượng mặt trời

Trong thời gian còn lại, khi lượng bức xạ mặt trời không đủ để cấp nhiệt cho nhu cầu sử dụng, bơm nhiệt sẽ được bật Hai chế độ hoạt động lựa chọn lúc này là: (1) bơm nhiệt hoạt động đồng thời với bơm nước nóng tuần hoàn để nhiệt tạo ra được tích trong toàn bộ dung tích chứa nước nóng của hệ thống và (2) bơm nhiệt hoạt động đơn lẻ để nhiệt tạo ra ch được tích trong bình chứa của bơm nhiệt, nhờ

đó, giúp được nhiệt độ nước tăng nhanh hơn Chế độ đầu tiên được vận hành khi cần một lượng nước nóng lớn hơn nhiều so với khả năng đáp ứng tức thời của bơm nhiệt Ngược lại, chế độ thứ hai được vận hành khi cần một lượng nước nóng không lớn, nhưng ngay tức thì mà bộ thu NLMT chưa kịp đáp ứng Nhược điểm chính của

mô hình hệ thống hai bình chứa là vận hành tương đối phức tạp, đầu tư ban đầu lớn nên hoàn toàn không thích hợp với quy mô nhỏ

Sơ đồ hệ thống BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa có các chế độ vận

hành khác nhau với điều kiện khác nhau như nhu cầu nhiệt, bức xạ mặt trời…, do

đó làm tăng lợi ích tối đa so với sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa:

- Tận dụng năng lượng mặt trời một cách tối đa, khi năng lượng mặt trời cung cấp đủ nhu cầu thì bơm nhiệt không cần thiết phải vận hành Thời gian và số

lần vận hành bơm nhiệt sẽ giảm, do đó tiết kiệm năng lượng điện

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 8

- Tăng lợi ích của bộ thu ngay cả khi nhiệt độ và bức xạ thấp Bộ thu năng

lượng mặt trời làm việc ở nhiệt độ thấp nên hiệu suất năng lượng tăng

- Bình chứa bộ thu năng lượng mặt trời cho phép tăng lợi ích năng lượng, tăng

khả tích trữ tối đa năng lượng cho sử dụng lần sau

Đối với các nước nhiệt đới năng lượng bức xạ dồi dào như Việt Nam, thì sơ đồ này rất phù hợp Đây là sơ đồ sẽ được nghiên cứu mô phỏng trong đề tài này

1.2 Các yếu tố ản ưởng và vai trò của mô p ỏng ệ t ống bơm n iệt kết ợp với bộ t u năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng

1.2.1 Các yếu tố ản ưởng đến iệu quả năng lượng trong ệ t ống nước nóng

Ngoài việc lựa chọn hệ thống BN kết hợp với NLMT thích hợp với từng loại thời tiết, thì việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất bộ thu NLMT là vô cùng quan trọng Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu nhiệt của hệ thống NLMT như góc nghiêng bộ thu NLMT, tấm hấp thụ (tấm phẳng, ống chân không…)… nhưng ở đây ta ch đề cập đến hai vấn đề quan trọng nhất là ảnh hưởng của tốc độ tuần hoàn và ảnh hưởng của bình chứa nước nóng

a) Ảnh hưởng của tốc độ nước tuần hoàn

Hệ thống sử dụng NLMT cung cấp nước nóng bao gồm các thiết bị chính như bộ thu năng lượng mặt trời và bình dự trữ năng lượng (Hình 1.5) Lưu chất nhận nhiệt ở đây thường là nước Nước chuyển động tuần hoàn trong hệ thống nhờ hiệu ứng si-phong nhiệt (tuần hoàn tự nhiên) hoặc bơm (tuần hoàn cưỡng bức) Ở hiệu ứng si-phong nước nhận nhiệt nóng lên và chuyển động lên trên vào bình dự trữ, c n nước có nhiệt độ thấp hơn trong bình chuyển động xuống dưới rồi vào bộ thu năng lượng mặt trời

Hiện nay, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên ngày càng được sử dụng rộng rãi do cấu tạo đơn giản và không cần phải bảo dưỡng khi vận hành… Nước tuần hoàn tự nhiên giữa bộ thu NLMT và bình tích nhiệt là do ảnh hưởng của trọng lực, tức là nước được đốt nóng trong bộ thu chuyển động lên trên và đến bình chứa Sự chuyển động lên của nước nóng kéo theo nước lạnh trong

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 9

bình chứa chuyển động xuống giống như ống si-phong vào bộ thu và tiếp tục chu kì tuần hoàn Điều này có tác dụng làm cho nước trong toàn bộ hệ thống nóng lên, quá trình lưu thông tiếp tục tới chừng nào nhiệt độ của nước ở bộ thu còn lớn hơn nhiệt

độ nước ở bình chứa

B×nh b¶o «n chøa n-íc nãng (bé thu n¨ng l-îng mÆt trêi)

Bøc x¹ mÆt trêi

Bé thu d¹ng tÊm ph¼ng

N-íc cÊp Tíi t¶i

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên

Nghiên cứu hệ thống NLMT tuần hoàn tự nhiên đã được quan tâm và thực hiện của nhiều tác giả Trong đó, Bukola O.Bolaji [16], Salman.D, Hammadi H [22] và Morrison G.L[27] đã ch ra rằng khi tăng tốc độ nước tuần hoàn tự nhiên sẽ làm tăng khả năng thu nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời và sự phân tầng nhiệt

độ trong bình chứa sẽ đáp ứng tới tải sớm hơn, do đó giảm sử dụng tối đa thiết bị gia nhiệt phụ Hiệu quả của bộ thu năng lượng mặt trời giảm khi nhiệt độ vào cao,

để tăng mức hấp thụ của NLMT ta nên tăng mức phân tầng trong bình dự trữ nước nóng Tốc độ nước tuần hoàn tự nhiên trong bộ thu mặt trời ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ nước dự trữ trong bình chứa nước nóng nên phân tích ảnh hưởng sơ đồ nước tuần hoàn là việc làm quan trọng

b) Ảnh hưởng của bình chứa nước nóng

Bình chứa nước nóng của hệ thống cung cấp nước nóng có thể chia thành 2 loại là bình chứa hoà trộn đều (không phân tầng) và bình chứa phân tầng (theo nhiệt

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 10

độ) Trong thực tế, bình chứa phân tầng thường được sử dụng nhiều hơn do nó đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng nước nóng (do nước nóng được lấy ra ở phía trên, nơi

có nhiệt độ cao), cũng như duy trì được khả năng làm việc hiệu quả của các thiết bị gia nhiệt (do nước nóng đến các thiết bị gia nhiệt được lấy ở phía dưới, nơi có nhiệt

độ thấp) Do vậy, việc mô phỏng bình chứa nước nóng phân tầng sẽ được ưu tiên tiến hành

Về cấu trúc hình học, bình chứa nước nóng có thể ở dạng trụ đứng, trụ nằm ngang hoặc khối hộp chữ nhật Bình chứa dạng trụ đứng thường có dung tích cỡ vài nghìn lít, có phạm vi ứng dụng rộng nhất nên sẽ được ưu tiên lựa chọn để tiến hành

mô phỏng trong đề tài

Sự phân tầng trong bình dự trữ nước nóng tức là tạo ra mức nhiệt độ khác nhau trong bình chứa nước nóng Năm 2002, Dincer và Rosen đã ch ra những đặc điểm của mức phân tầng trong bình chứa nước là xác định gradient nhiệt độ (dT/dx)

và độ dày vùng trung gian

Vùng nóng

Vùng trung gian

Phần lớn các nghiên cứu đã ch ra rằng sự phân tầng trong hệ thống dự trữ nước nóng phụ thuộc vào tải sử dụng (Lavan và Thompson 1977, Phillips và Dave

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 11

1982, Hollands và Lighstone 1989, Cristofari 2003…) Bên cạnh lợi ích tối đa của nhiệt độ và exergy (Van Berkel 1997, Rosengarten 1999, Rosen 1999, Shah và Furbo 2003) trong bình chứa nước nóng năng lượng mặt trời, bình chứa phân tầng nhiệt mặt trời ảnh hưởng rất lớn tới giá vận hành cũng như cấu trúc bình(Wildin và cộng sự 1990) và đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cung cấp nước nóng

Để đánh giá về mức độ phân tầng, năm 1994 Davidson và cộng sự đã đưa ra

số MIX [20], số MIX được tính toán dựa trên một hệ số gọi là "moment năng lượng" Moment năng lượng M là tổng năng lượng được tích trong bình chứa theo trục thẳng đứng

yi Chiều cao phân tố thứ i , m

Ei Năng lượng chứa trong phân tố thứ i, J

Bằng cách này, với cùng một lượng năng lượng lưu trữ, moment năng lượng cao thì năng lượng dự trữ cao Nói cách khác, sự phân tầng cao thì năng lượng dự trữ cao

Đại lượng không nguyên MIX được định nghĩa là tỷ số của sự chênh lệch giữa moment năng lượng của bình phân tầng (Mstr) và bình chứa thực tế (Mexp)với

sự chênh lệch moment năng lượng của bình phân tầng và bình hoàn toàn hỗn hợp (Mmix) Con số này sẽ là 0 nếu là bình phân tầng hoàn toàn, và 1 nếu các bình là hỗn hợp hoàn toàn

str exp

ix

MIX=

M M

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 12

Ở một khía cạnh khác, bình chứa nước nóng cũng có thể được tích hợp hoặc không với một thiết bị gia nhiệt tạo đối lưu tự nhiên ở bên trong Loại bình chứa nước nóng có tích hợp thiết bị gia nhiệt bên trong thường được sử dụng cho các hệ thống nhỏ, với quy mô gia đình nhưng lại có cấu tạo và các quá trình xảy ra bên trong phức tạp hơn Do vậy, xây dựng mô hình bình chứa nước nóng kiểu này cũng được ưu tiên lựa chọn Đối với bình chứa bên trong đặt hệ thống ống xoắn ruột gà

và ống tăng cường sẽ tạo điều kiện cho nước trong ống tăng cường nhận nhiệt thải của thiết bị gia nhiệt được tốt hơn Mặt khác, tạo được chênh lệch nhiệt độ tương cao giữa các phân tố trong ống tăng cường và ngoài ống tăng cường, giúp khả năng trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian bình chứa được mạnh hơn khi không làm ống tăng cường

Hiệu quả của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng đạt được khi nhiệt độ đầu vào bộ thu giảm, do đó d ng nước tới bộ thu được lấy từ đáy của bình phân tầng hoặc nơi thấp nhất có thể Mặt khác, nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu phải được giữ ở phía trên của bình để cung cấp nước nóng tới hộ tiêu thụ Young và Baughn(1998) tiến hành nghiên cứu so sánh giữa phương pháp thực nghiệm và mô phỏng bài toán một chiều sự phân tầng nhiệt của bình nằm ngang Các cặp nhiệt được bố trí để đo phân tầng nhiệt độ trong bình Nghiên cứu đã ch ra rằng, mô phỏng đạt kết quả tốt ở đ nh của bình nhưng sai số hơi lớn ở đáy bình Nghiên cứu cũng ch tiến hành với bình loại nhỏ không được ứng dụng trong thực tế

1.2.2 Vai trò của mô p ỏng ệ t ống bơm n iệt kết ợp với bộ t u năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng

Hệ thống năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường, giảm nhu cầu đốt nhiên liệu hoá thạch, giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, chi phí hệ thống phụ thuộc vào vị trí địa hình Để đảm bảo chi phí thấp nhất thì kích cỡ tương ứng của các bộ phận trong hệ thống và điều kiện vận hành là các thông số quan trọng cần tính toán Để phục vụ mục tiêu về thiết kế chế tạo hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng cần thiết phải tính toán để xác định được năng suất nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời tại các thời điểm khác nhau trong năm và khả năng cung cấp nước nóng tương ứng với các

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 13

địa điểm khác nhau Từ đó xác định được nhu cầu bổ sung lượng nhiệt mà bơm nhiệt sẽ phải đảm nhiệm và xác định được chính xác năng suất nhiệt của bơm nhiệt, qua đó có thể để tính toán thiết kế bơm nhiệt

Trong nghiên cứu, phần mềm mô phỏng giúp cho các nhà nghiên cứu đánh giá các quá trình xảy ra trong mô hình một cách nhanh chóng và thuận tiện Thay cho việc xác định các thông số bằng thực nghiệm và tiến hành xử lý số liệu, phần mềm mô phỏng sẽ giúp giảm bớt rất nhiều chi phí cũng như thời gian thực hiên Với các thông số của mô hình người sử dụng ch cần nhập số liệu vào máy tính và chạy phần mềm, sau vài giây hoặc vài phút, phần mềm sẽ đưa ra các thông số về thiết bị

mà thường vận hành thực tế hoặc chế tạo thiết bị mất khá nhiều thời gian và chi phí

1.3 T n n ng iên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đề tài

1.3.1 Ng iên cứu trong nước

Trong những năm gần đây có một số nghiên cứu của các tác giả như: Nguyễn Đình Vịnh [11] đã tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng và tiến hành thử nghiệm hệ thống ở các chế độ vận hành khác nhau như chế

độ khởi động, chế độ vận hành liên tục đầy tải, chế độ vận hành liên tục bán tải và chế độ non tải Thiết bị có khả năng sản xuất được nước nóng có nhiệt độ 50 –

55oC, lưu lượng nước nóng định mức đạt 100 l/h, năng suất bình ngưng đạt 3,5 – 4

kW tuỳ chế độ vận hành, hệ số hiệu quả năng lượng COP đạt 3,3 – 3,8 Theo tác giả thiết bị vận hành tiết kiệm đến 65 – 75% chi phí điện năng so với các bình đun nước nóng bằng điện trở thông thường Nguyễn Đức Lợi [7] nghiên cứu thiết kế bơm nhiệt cung cấp nước nóng và Hoàng Dương Hùng [6] nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời để nấu ăn và cung cấp nước nóng dùng cho sinh hoạt – Một giải pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Tác giả Đoàn Minh Hùng [5] trong một nghiên cứu của mình đã chế tạo thử nghiệm hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu năng lượng sản xuất nước nóng theo phương án kết nối giống như nước ngoài, tức là dùng bộ thu năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn lạnh Tuy nhiên với điều kiện khí hậu nóng ẩm quanh năm như ở nước ta thì công nghệ này cần đầu tư nghiên cứu thêm

1.3.2 Ng iên cứu ngoài nước

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 14

a) Mô n bơm n iệt

Allen và Hamilton [15] đã xây dựng mô hình toán học máy nén pittong ở trạng thái ổn định Mô hình này có thể mô phỏng hệ thống ở chế độ đầy tải và non tải Năng suất nhiệt của dàn bay hơi, dàn ngưng và công suất máy nén được biểu diễn là hàm của nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dàn bay hơi và dàn ngưng Các hệ số được xác định từ dữ liệu thực nghiệm bằng phương trình hồi quy Các dữ kiện đầu vào như nhiệt độ nước vào dàn bay hơi TE1, lưu lượng khối lượng nước trao đổi nhiệt với dàn bay hơi m E, nhiệt độ nước vào dàn ngưng TC1, và lưu lượng khối lượng nước giải nhiệt dàn ngưng m C và năm phương trình nhiệt

Năng suất lạnh ở dàn bay hơi được tính theo:

QC=QE+P, W

QC= m C C. p.(T C2T C1), W Trong đó,

b1 – b12 Các hệ số của phương trình hồi quy đa thức

TE1, TE2 Nhiệt độ nước vào và ra dàn bay hơi, oC

TC1, TC2 Nhiệt độ nước vào và ra dàn ngưng, oC

Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

P Công suất máy nén, W

QE Năng suất lạnh ở dàn bay hơi, W

QC Năng suất nhiệt ở dàn ngưng, W

Năng suất nhiệt dàn ngưng và năng suất lạnh dàn bay hơi được tính theo nhiệt độ đầu và đầu ra của dàn ngưng và dàn bay hơi Các hệ số b1 – b12 phụ thuộc

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 15

vào các thông số trong catalog của máy nén, những thông số này không phải lúc nào cũng có sẵn trong catalog Ngoài ra, mô hình còn bỏ qua tổn thất nhiệt QL Do đó,

mô hình này ch phù hợp với hệ thống được thiết kế tốt dựa trên các dữ liệu có sẵn

QENOM Năng suất lạnh danh nghĩa của dàn bay hơi, W

PNOM Công suất danh nghĩa của máy nén, W

CT, LT, QT Các hệ số đa thức hồi quy

P Công suất máy nén, W

Mô hình rất đơn giản, dễ sử dụng ch có hai phương trình và bốn hằng số, không có ảnh hưởng của nhiệt độ nhưng kết quả thường cho lỗi lớn hơn so với thực

tế

Ngoài ra, Parent và Larue (1989) đã phát triển mô hình bơm nhiệt SIMPAC không khí – không khí ở trạng thái ổn định dựa trên trên mô hình của tác giả Domanski (1986) Chương trình kết nối với các mô hình độc lập của các bộ phận của hệ thống Tính chất nhiệt động của môi chất lạnh tinh khiết và hỗn hợp được đánh giá bằng ứng dụng phương trình trạng thái Carnaban Starling (CSD) Phương

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 16

trình SIMPAC yêu cầu chi tiết đầu vào các bộ phận của bơm nhiệt Thuật toán SIMPAC được tính toán nhiều và không phải luôn hội tụ

b) Mô hình mô phỏng tuần hoàn tự nhiên trong bình chứa bộ t u năng lƣợng mặt trời

Mô hình toán học của Morrison,G.L và Ranatunga [33] được xây dựng thành type 45 trong phần mềm TRNSYS , ứng dụng phương trình ernoulli cho tất cả các phân tố i, phương trình thể hiện dưới vòng lặp áp suất

Pi = i.g hi+i.g.hLi

Ở trạng thái tức thời, tổng thay đổi áp suất thay đổi trong vòng lặp bằng không:

i 1

i N

i i

Mật độ dòng nhiệt của chất lỏng được đánh giá ở từng điểm Ống đầu vào và

ra của bộ thu được coi như là những phân tố đơn, với công suất nhiệt nhỏ Ứng dụng định luật một nhiệt động học, có thể biểu diễn nhiệt độ đầu ra và nhiệt độ trung bình của ống theo phương trình sau:

c) Mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp với bơm n iệt

Khủng hoảng năng lượng năm 1970 đặt ra yêu cầu tìm phương pháp giảm năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng Freeman, Mitchell và Audit [25]

mô phỏng hệ thống kết hợp bơm nhiệt với bộ thu năng lượng mặt trời dùng cho sưởi ấm

và trữ nhiệt nước nóng dân dụng dựa trên phần mềm TRNSYS Tác giả đã đánh giá ba

hệ thống BN kết hợp với NLMT: song song, nối tiếp và hỗn hợp song song và nối tiếp

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 17

Những kết quả đó được so sánh với các kết quả thực tế Cả ba hệ thống kết hợp dựa trên vòng lặp chống đông (Hình 1.2) của hệ thống năng lượng mặt trời, truyền nhiệt từ bộ thu năng lượng mặt trời đến bình chứa Vòng lặp tách cho không gian toà nhà dựa trên sự trao đổi nhiệt nước – không khí, và khi không gian nhiệt không cần thiết lưu chất sẽ chuyển sang gia nhiệt cho hệ thống nước nóng Sơ đồ NLMT song song đáp ứng nhiều nhất có thể hệ thống cho sưởi ấm Nếu NLMT không cung cấp đủ, bơm nhiệt nguồn không khí sẽ được bật Đối với hệ thống nối tiếp, bình bay hơi được đặt trong vòng lặp bình 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) dùng hai bình bay hơi, một được đặt trong vòng lặp bình chứa, dàn còn lại được đặt bên ngoài phòng ơm nhiệt tăng hệ

số bơm nhiệt COP bằng cách tăng nhiệt độ từ dàn lạnh, sử dụng nguồn không khí hoặc nguồn năng lượng mặt trời

Frank và Herkel [24], phân loại các loại hệ thống BN kết hợp với NLMT và miêu tả đánh giá các nghiên cứu cho nhiệt mặt trời và nhiệt nước nóng bơm nhiệt, Mục đích là xác định tiềm năng tiết kiệm năng lượng của các hệ thống Tác giả đã

ch ra khả năng của hệ thống bơm nhiệt đáp ứng yêu cầu năng suất đầu ra, phương pháp điều khiển và khả năng sản xuất nước nóng của năng lượng mặt trời

Morrison và cộng sự [27] đã tiến hành nghiên cứu bơm nhiệt sản xuất nước nóng trong cả năm và so sánh với hệ thống NLMT sản xuất nước nóng, và hệ thống

BN kết hợp với NLMT sản xuất nước nóng trên phần mềm TRNSYS Dàn bay hơi của hệ thống NLMT và hệ thống bơm nhiệt kết hợp với NLMT là bộ thu không gắn kính, và mô hình bình chứa tính đến sự phân tầng nhiệt độ Các kết quả ch ra rằng COP ở giữa 1,8 và 2,3 đối với hệ thống nguồn không khí, 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 cùng loại thời tiết và địa điểm Các hệ thống loại tương tự cũng được thực hiện ở các địa điểm khác nhau của Australia

Sterling và Collins [32] đã mô phỏng hệ thống hai bình kết hợp với bơm nhiệt nước nóng năng lượng mặt trời dựa trên phần mềm TRNSYS Các kết quả rất hứa hẹn với phạm vi sử dụng, tiềm năng tiết kiệm của hệ thống Tác giả đã đánh giá

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 18

sự tiết kiệm năng lượng của hệ thống khi so sánh hệ thống gia nhiệt dùng ống ruột

gà, hệ thống gia nhiệt đốt nhiên liệu Tiêu thụ năng lượng liên quan tới sự vận hành của hệ thống được tính toán trên cơ sở hàng năm, đưa ra các thông số thiết kế của

hệ thống như diện tích bộ thu lắp đặt, điểm đặt nhiệt độ của bơm nhiệt hoặc năng suất nhiệt của bơm nhiệt Mô hình toán học cho các bộ phận trong hệ thống đã được trình bày và được hiệu ch nh trên cơ sở các dữ liệu đo đạc thực tế

Tóm lại, các nghiên cứu mới ch tập trung nghiên cứu liên quan tới trường hợp bộ thu năng lượng mặt trời hoạt động tăng nhiệt độ dàn bay hơi của bơm nhiệt chứ chưa đánh giá tiềm năng sử dụng với bơm nhiệt là nguồn nhiệt hỗ trợ hệ thống năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng

1.4 Mục tiêu của luận văn

Ở Việt Nam, cho tới nay các kết quả mới dừng ở mô hình lắp đặt thử nghiệm, chứ chưa đưa ra đánh giá sự thay đổi hệ thống theo điều kiện kiện môi trường và đánh giá chế độ vận hành tối ưu Ngoài ra, việc nghiên cứu thiết kế ở trên đều thực hiện ở điều kiện tiện nghi phù hợp hoặc lựa chọn thông số theo yêu cầu công nghệ sao cho kết quả tính toán phản ánh một cách gần đúng nhất điều kiện làm việc thực tế Điều này ch đúng với hệ thống có phạm vi thay đổi thông số hẹp, ví

dụ như hệ thống điều hoà không khí 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 nóng khác nhiều so với điều kiện thiết kế, gây sai số lớn bởi vì:

- Nhiệt độ môi trường thay đổi phạm vi rất rộng theo mùa: mùa hè, mùa đông

- Nhiệt độ nước thay đổi rất rộng (thay đổi từ nhiệt độ nước môi trường đến nhiệt độ nước nóng cần đạt được)

Trên thực tế, hiệu suất và công suất của các thiết bị phụ thuộc rất lớn vào hai yếu tố nêu trên Do đó, chế độ hoạt động của hệ thống là không ổn định và thay đổi rất lớn theo sự thay đổi nhiệt độ môi trường làm việc

Trên cơ sở bài toán dẫn nhiệt không ổn định kết hợp với điều kiện biên, bằng phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng mô hình toán học của từng phân tố thể tích

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 19

nước nóng trong bình chứa nước nóng Theo lý thuyết cơ học chất lỏng và tuần hoàn tự nhiên xây dựng mô hình toán học tính toán tốc độ nước tuần hoàn tự nhiên trong hệ thống năng lượng mặt trời Đề tài sẽ thực hiện:

- Mô phỏng hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng không ổn định trong chế

độ tích nhiệt

- Mô phỏng hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng không ổn định trong chế độ tích nhiệt nhằm đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu của hệ thống

- Mô phỏng hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng kết hợp giữa bộ thu năng lượng mặt trời và bơm nhiệt

Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là hệ thống với sơ đồ nguyên lý Hình 1.4,

sơ đồ Hình 1.4 đã kế thừa và bao gồm đầy đủ các phần tử của cả ba sơ đồ (Hình 1.1, 1.2 và 1.3)

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 20

CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

Mục đích của chương này là tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết cho các đun chính của hệ thống BN kết hợp với NLMT: mô hình toán học bơm nhiệt sản xuất nước nóng, mô hình toán học sự phân tầng nhiệt độ của nước trong bình chứa

mô-và mô hình toán học tuần hoàn tự nhiên trong bộ thu năng lượng mặt trời Dựa trên các mô-đun này kết hợp với các mô-đun có sẵn trong TRNSYS đề tài sẽ thực hiện các phần mềm mô phỏng

2.1 Xây dựng mô hình toán ọc bơm n iệt sản xuất nước nóng

ơm nhiệt nén hơi sản xuất nước nóng hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học nhằm mục đích lấy nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác và đều gồm 4 thiết bị chính: máy nén, dàn bay hơi, dàn ngưng tụ và thiết bị tiết lưu nối với nhau thành một vòng tuần hoàn kín [8] Sơ đồ chu trình nhiệt động của bơm nhiệt được biểu diễn trên đồ thị lgp – i

i 3 =i 4 i 1 i 2s i 2r

i

lgp

1 1'

2r 2s 3'

3

4 x= 0

x= 1

t e , p e

t c , p c

Hình 2.1 Đồ thị lgp-i của chu trình bơm nhiệt

Các quá trình trong chu trình:

1 - 2s Quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch

1 - 2r Quá trình nén thực

2 – 3 Quá trình ngưng tụ đẳng áp

3 – 4 Quá trình tiết lưu

4 – 1 Quá trình hóa hơi đẳng áp

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 21

Để dự đoán chính xác quá trình vận hành của bơm nhiệt, cần tính toán sự thay đổi năng suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số bơm nhiệt COP theo sự thay đổi của môi trường trao đổi nhiệt Có nhiều cách để xây dựng một mô hình mô phỏng bơm nhiệt Đơn giản nhất mà vẫn cho kết quả mô phỏng khá chính xác, một bơm nhiệt có thể được mô phỏng nhờ việc số hoá các bảng thông số làm việc do nhà sản xuất công bố Phương pháp này có nhược điểm là các bảng thông số làm việc của bơm nhiệt như vậy không phải lúc nào cũng sẵn có và chắc chắn là không có khi bơm nhiệt được mô phỏng c n đang trong giai đoạn thiết kế Vì vậy, phương pháp

mô phỏng bơm nhiệt dựa trên sự kết hợp của các mô hình mô phỏng các bộ phận cấu thành nên bơm nhiệt (máy nén, dàn bay hơi, dàn ngưng, thiết bị tiết lưu ) thường hay được sử dụng, đặc biệt là trong quá trình thiết kế, chế tạo bơm nhiệt Đây cũng chính là phương pháp mô phỏng bơm nhiệt được lựa chọn trong đề tài này

2.1.1 Mô hình toán ọc máy nén pittong

Nhiệm vụ của máy nén là tạo ra d ng lưu động và làm biến đổi môi chất đến các trạng thái thích hợp để lấy nhiệt từ môi trường trong dàn bay hơi và gia nhiệt, làm nóng nước trong dàn ngưng tụ Đại lượng đầu tiên ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ bơm nhiệt, do máy nén quyết định, chính là lưu lượng khối lượng dòng môi chất mà nó tạo ra (cũng chính là lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt) Đối với quá trình nén thực do tổn thất thể tích chết, tổn thất do dò lọt qua van hút và van đẩy, tổn thất do hơi hút vào xi lanh bị đốt nóng, tổn thất do rò r môi chất từ khoang nén về khoang hút qua séc măng, pittong và van nên thể tích thực tế của hơi nén V1 luôn nhỏ hơn thể tích lý thuyết do pittong quét Vdisp Đặc trưng cho các tổn thất này chính là hiệu suất thể tích của máy nén ηv [8] và do đó, lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt, do máy nén tạo ra, có thể được tính bởi công thức (2.1) như sau:

is 1

d p v r

V m

v



Trong đó:

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 22

v

 Hiệu suất thể tích của máy nén

Vdisp Thể tích quét của pittong, m3/s

1 Thể tích riêng của môi chất tại đầu vào máy nén, m3/kg

Với giá trị lưu lượng môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt đã xác định, kết hợp với trạng thái môi chất sau quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (điểm 2s) cũng đã được xác định khi biết áp suất hơi ở đầu đẩy máy nén, có thể tính được công suất nén đoạn nhiệt thuận nghịch của máy nén theo công thức (2.2) Công suất nén đoạn nhiệt của máy nén được tính theo quan hệ giữa lưu lượng môi chất tuần hoàn với độ chênh enthalpy đầu vào, đầu ra máy nén, tương ứng đối với từng quá trình nén

s r s

N N

cơ máy nén, cần thiết phải sử dụng 2 thông số đặc trưng khác của máy nén là hiệu

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 23

suất cơ me (kể đến ma sát giữa các chi tiết chuyển động cơ khí của máy nén) và hiệu suất điện el (kể đến tổn thất điện tại động cơ máy nén) [8]

Khi xác định được các hiệu suất cơ me và hiệu suất điện el của máy nén, có thể xác định công suất điện Nel cần cấp cho máy nén như sau:

Trong thực tế áp dụng, công suất cơ Nme của máy nén thường được sử dụng

để chọn động cơ cho máy nén hở và công suất điện Nel của máy nén được sử dụng

để tính toán công suất của hệ thống cấp điện động lực cho máy nén (cả hở và kín) Hiệu suất cơ và hiệu suất điện của máy nén tương đối ổn định và bị giới hạn bởi công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu Do đó, trong thực tế kết quả đáp ứng được tương ứng là 0,8 và 0,82 Hai thông số đặc trưng c n lại là hiệu suất không thuận nghịch s và hiệu suất thể tích v, do phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc của máy nén (cũng là của bơm nhiệt), nên ở đây, chúng có thể được xác định thông qua các hàm số phụ thuộc vào áp suất đầu hút po và áp suất đầu đẩy pc của máy nén theo [3] hoặc trong bài toán đơn giản có thể tra theo bảng, phụ thuộc vào tỷ số pc/pe và môi chất [8]

Mô hình máy nén, như vừa trình bày, có thể được sử dụng để xác định các thông số làm việc của bơm nhiệt như công suất điện tiêu thụ của máy nén và thông

số trạng thái hơi môi chất khi ra khỏi máy nén, i2r… Để thực hiện được việc này, với giả thiết độ quá nhiệt hơi môi chất khi vào máy nén đã biết (do hoạt động điều

ch nh của thiết bị tiết lưu quyết định), cần thiết phải biết 2 thông số làm việc quan trọng của bơm nhiệt là áp suất đầu hút po và áp suất đầu đẩy pc của máy nén Các thông số này sẽ được xác định khi kết hợp mô hình máy nén với mô hình thiết bị tiết lưu, mô hình dàn ngưng tụ và mô hình dàn bay hơi sẽ được trình bày ở phần sau

2.1.2 Mô hình toán ọc dàn ngƣng và dàn bay ơi

Năng suất nhiệt của dàn ngưng và năng suất lạnh dàn bay hơi đều được xác định từ 3 phương trình cơ bản: Theo hiệu enthalpy đầu vào và ra của môi chất lạnh,

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 24

theo môi trường truyền nhiệt từ phía môi chất sang môi trường làm mát và theo môi trường giải nhiệt [8]

Theo hiệu enthalpy đầu vào và ra của môi chất lạnh:

Năng suất lạnh của dàn bay hơi:

.( )

Q m i i , kW (2.6) Năng suất nhiệt của dàn ngưng tụ:

a

m Lưu lượng không khí tuần hoàn qua dàn lạnh, kg/s

i,a,v, ia,v Enthalpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh, kJ/kg

w

m Lưu lượng nước tuần hoàn qua dàn ngưng, kg/s

i

w,v , i

w,r Enthalpy của nước vào và ra khỏi dàn ngưng, kJ/kg

Theo môi trường giải nhiệt:

Q

Với

w,r w,v w,v w,r

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 25

Với

a,v a,r a,v a,r

và ke, Fe lần lượt là hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt của dàn ngưng tụ và dàn bay hơi Các thông số này phụ thuộc vào cấu tạo cũng như vật liệu chế tạo các dàn, được xem là có giá trị không đổi và được tính toán từ trước rồi nhập giá trị vào phần mềm mô phỏng

2.1.3 Mô hình toán ọc t iết bị tiết lưu

Thiết bị tiết lưu là thiết bị giãn nở, nó làm nhiệm vụ điều tiết lưu lượng của dòng môi chất lỏng cấp cho dàn bay hơi duy trì áp suất và nhiệt độ bay hơi phù hợp với yêu cầu công nghệ, trong đó enthalpy môi chất vào và ra bằng nhau

Q COP

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 26

của thiết bị ngưng được tốt hơn Mặt khác, tạo được chênh lệch nhiệt độ tương cao giữa các phân tố trong ống tăng cường và ngoài ống tăng cường, giúp khả năng trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian bình chứa được mạnh hơn khi không làm ống tăng cường Hệ thống ống xoắn ruột gà được bố trí theo vòng tròn dọc theo chiều cao bình chứa, hơi môi chất lạnh sau khi ngưng tụ đi qua hệ thống van tiết lưu để giảm áp suất rồi vào dàn bay hơi

Mô hình bình chứa nước nóng sẽ được xây dựng trong luận văn với những giả thiết sau:

- Bề mặt dàn gia nhiệt có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi chất chuyển động bên trong ống

- Bề mặt vỏ bình chứa có nhiệt độ bằng nhiệt độ nước trong bình, bỏ qua nhiệt trở đối lưu giữa nước với bề mặt bên trong của bình chứa cũng như nhiệt trở dẫn nhiệt qua vỏ bình chứa

- Bỏ qua quá trình truyền nhiệt giữa nước ở bên trong và bên ngoài vách ngăn

- Coi bình chứa nước nóng được cách nhiệt tuyệt đối ở các chỏm ở 2 đầu của bình chứa và bỏ qua sự thay đổi trạng thái của nước khi đi qua các chỏm này

Hình 2.2 Chia lớp bình ngưng ống xoắn ruột gà theo chiều cao bình chứa

Bình chứa nước nóng với dàn ngưng tụ trao đổi nhiệt trực tiếp với nước bên trong, được chia thành 2n phân tố theo chiều cao như hình 2.2 Các phân tố nằm bên trong vách ngăn hình trụ tròn với đường kính bằng đúng đường kính vách ngăn Di,

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 27

còn các phân tố nằm bên ngoài vách ngăn có hình trụ vành khăn với đường kính vách ngăn Do và đường kính vỏ bình Dt Để đơn giản, ở đây đã bỏ qua chiều dày của vách ngăn Với hình dáng của phân tố như vậy, khối lượng M của từng phân tố

dễ dàng xác định dựa vào kích thước hình học của bình chứa và số lượng phân tố được chia

i - Số thứ tự của phân tố

 - Thời gian của phần tử đang xét kể từ thời điểm bật máy, s

 - Gia số thời gian giữa 2 thời điểm xem xét kế tiếp nhau, s

M - Khối lượng phân tố, kg

Qn - Nhiệt do phân tố nhận được, W

Ql – Tổn thất nhiệt, W

,

w

m  - Lưu lượng khối lượng nước vào, ra (đi qua) phân tố, kg/s

Cw - Nhiệt dung riêng của nước trong bình chứa, J/kg.K Để đơn giản ở đây coi là hằng số

Tvi. - Nhiệt độ của nước khi vào phân tố thứ i tại thời điểm  đang xét, oC Nhiệt độ này được coi là có giá trị bằng nhiệt độ của nước khi ra khỏi phân

tố trước đó, phân tố i – 1,

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 28

Tri. - Nhiệt độ của nước khi ra khỏi phân tố thứ i tại thời điểm đang xét , oC Nhiệt độ này được coi là nhiệt độ trung bình của chính phân tố thứ i nhưng được xác định tại thời điểm trước đó tức thời điểm ( - )

Tmi. - Nhiệt độ trung bình của phân tố thứ i tại thời điểm , oC

Như vậy, có thể viết:

ra môi trường xung quanh và từ chất lỏng tới vách trong, W/mK

w, a, Dtcn, cn, t - Lần lượt là hệ số toả nhiệt của nước, W/m2K, hệ số toả nhiệt không khí, W/m2K, đường kính bình chứa có tính đến chiều dày cách nhiệt, m, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, W/m.K và hệ số dẫn nhiệt của bình chứa, W/m.K

lt - Chiều cao phần trụ đứng của vỏ bình chứa, m

Ta - Nhiệt độ môi trường xung quanh bình chứa, oC

Tương tự, với các phân tố bên trong vách ngăn, do ch nhân nhiệt của dàn ngưng

tụ và bỏ qua lượng nhiệt tổn thất do truyền ra ngoài qua vách ngăn nên:

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 29

,1

c n

Q Q n

1 ( 1)

Với i 2,n, cho các phân tố ở ngoài vách ngăn

Tương tự, thay (2.15), (2.16), (2.17), (2.18), (2.20) vào (2.14) ta được:

Với i n 2, 2n, cho các phân tố ở trong vách ngăn

Trong công thức (2.22 – 2.23), Mo và Mi là các giá trị cụ thể của khối lượng phân tố M, được tính tương ứng cho các trường hợp bên ngoài và bên trong vách ngăn

1 ( 1)

Học viên: Trịnh Viết Thiệu 30

Các công thức (2.22), (2.23) cho phép xác định nhiệt độ các phân tố thứ i bất

kỳ trong bình chứa nước nóng tại thời điểm  bất kỳ từ chính nhiệt độ của phân tố này tại thời điểm trước đó, Tmi.-, và nhiệt độ các phân tố liền kề trước đó tại thời điểm trước đó, Tmi-1.- Trường hợp riêng của (2.22), (2.23), tức là các công thức (2.26), (2.27) được áp dụng cho các phân tố có giá trị i bằng 2 và n+2

Các công thức (2.22) – (2.27) đã được tích hợp điều kiện biên, thể hiện qua các công thức (2.16), (2.18) – (2.21) và để áp dụng được, cần phải có thêm các điều kiện thời gian Để đơn giản nhưng vẫn mang đủ ý nghĩa thực tế, ở đây ta coi điều kiện thời gian là:

Tmi. = Ta với i = 1, 2n và =0 (2.28) Giá trị Ta trong công thức (2.28) cũng có thể được thay bằng một giá trị hoặc một bộ giá trị (phụ thuộc i) bất kỳ nào khác, nếu ta biết được (bằng cách đo đạc trực tiếp hoặc lấy từ một kết quả tính toán, mô phỏng cho các quá trình khác, xảy ra trước quá trình đang xem xét)

Ngoài ra, để áp dụng được (2.22) – (2.27), cũng c n cần biết thêm các điều kiện khác như điều kiện hình học, điều kiện vật lý… các điều kiện đó, được thể hiện qua các đại lượng còn lại chưa biết

Với trường hợp tuần hoàn tự nhiên như ở đây, mw, sẽ được xác định trên cơ

sở cân bằng lực “đẩy” tạo bởi sự chênh lệch mật độ giữa cột lỏng bên trong và bên ngoài vách ngăn với trở lực tuần hoàn hệ thống (do ma sát, do va chạm cục bộ) sinh