Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thực nghiệm mô hình bơm nhiệt nguồn gió đun nước nóng gia dụng

M Ở ĐẦU Bơm nhiệt đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng trong hàng loạt các ứng dụng tiết kiệm năng lượng như: sưởi ấm, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, điều tiết không khí… Thiết bị bơm nh

PHAN THẾ HÙNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

MÔ HÌNH BƠM NHIỆT NGUỒN GIÓ ĐUN NƯỚC NÓNG GIA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS VŨ ĐỨC LỢI

HÀ NỘI – 2009

Trước tiên, em xin trân trọng cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Lợi - người đã trực tiếp dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, cung cấp những thông tin quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này

Trong quá trình nghiên cứu, mặc dầu đã có nhiều cố gắng, do hạn chế

về thời gian và trình độ nên bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu xót Em rất mong được sự đóng góp, chỉ bảo của thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2009

Phan Thế Hùng

Luận văn thạc sỹ này do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đức Lợi Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu tính toán và tham khảo trong luận văn là trung thực Nếu có gì sai phạm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2009

Phan Thế Hùng

M ỤC LỤC

Trang Trang ph ụ bìa

L ời cam đoan

L ời cảm ơn

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

M Ở ĐẦU 4

CH ƯƠNG 1 -TỔNG QUAN 6

1.1 Vai trò s ử dụng hiệu quả năng lượng 6

1.2 Nhu c ầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình 9

1.3 Phân lo ại các thiết bị cung cấp nước nóng 11

1.3.1 Bình nước nóng sử dụng điện 12

1.3.2 Bình nước nóng sử dụng khí đốt (gas) 12

1.3.3 Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời 13

1.3.4 Bình nước nóng sử dụng lò hơi và bộ trao đổi nhiệt 14

1.4 Tình hình nghiên c ứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế gi ới và ở Việt Nam 14

1.4.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế giới .14

1.4.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt ở Việt Nam 16

1.5 Phân lo ại bơm nhiệt đun nước nóng 19

1.6 Các v ấn đề còn tồn tại 23

CH ƯƠNG 2 - TÍNH TOÁN BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG NGUỒN GIÓ (B ƠM NHIỆT GIÓ NƯỚC) 25

2.1 Xác định chu trình lý thuyết của bơm nhiệt 26

2.2 Đánh giá thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng 46

2.2.1 Hệ số bơm nhiệt lý thuyết 46

2.2.2 Hệ số bơm nhiệt thực tế 46

CH ƯƠNG 3 48

NGHIÊN C ỨU THỰC NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG 48

3.1 Thi ết bị thí nghiệm 48

3.1.1 Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng 48

3.1.2 Thiết bị đo 50

3.2 Quy trình thí nghi ệm và xử lý số liệu thực nghiệm 53

3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 53

3.2.2 Thử nghiệm chế độ chạy theo từng bình (theo mẻ) 57

3.2.3 Thử nghiệm chế độ chạy liên tục 58

3.2.4 Xử lý số liệu thực nghiệm và đánh giá sai số 62

3.3 K ết quả và đánh giá 63

3.3.1 Thử nghiệm chế độ chạy theo từng bình (theo mẻ) 63

3.3.2 Thử nghiệm ở chế độ chạy đầy tải 67

CH ƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 69

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 70

TÓM T ẮT 72

SUMMARY 73

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hi ệu Tên đại lượng Th ứ nguyên

M Ở ĐẦU

Bơm nhiệt đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng trong hàng loạt các ứng dụng tiết kiệm năng lượng như: sưởi ấm, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, điều tiết không khí… Thiết bị bơm nhiệt có thể được sử dụng từ nhiều nguồn cấp như: năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, nước và không khí môi trường Việc sử dụng bơm nhiệt để đun nước nóng đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới và có những kết quả khả quan Nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn cho thấy, hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt nói chung và bơm nhiệt để chuẩn bị nước nóng nói riêng có thể tiết kiệm 50÷70% năng lượng sử dụng so với các thiết bị đun nước nóng thông thường

sử dụng điện trở gia nhiệt, hay sử dụng khí đốt Một khả năng ứng dụng rất hiệu quả khác là có thể sử dụng bơm nhiệt kết hợp, nguồn nhiệt dùng để làm nóng nước còn không khí lạnh đã được khử ẩm có thể sử dụng để điều hòa không khí phòng

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, miền Nam không có mùa đông, miền Bắc tuy có mùa đông nhưng không khắc nghiệt Các hộ gia đình ở miền Nam không dùng sưởi và hầu như không có thói quen dùng nước nóng Các gia đình ở miền Bắc gần đây mới bắt đầu dùng sưởi và sử dụng nước nóng Đây chính là cơ hội để chúng ta đi thẳng vào công nghệ bơm nhiệt mà không cần thử nghiệm với bình đung bằng gas hay bình đun bằng điện Bên cạnh đó với các ngành thương nghiệp và dịch vụ, du lịch đang phát triển rất mạnh mẽ tại nước ta trong nhưng năm gần đây với những toà nhà cao tầng, văn phòng, khách sạn, nhà hàng, trung tâm thương mại, bạnh viện, trường học tiện nghi hiện đại…Chúng ta có thể đưa bơm nhiệt vào ngay từ khâu thiết kế Đó cũng

là giải pháp tối ưu để tiết kiệm năng lượng sau này cũng như cả chi phí đầu tư ban đầu

Việc nghiên cứu, sử dụng bơm nhiệt hợp lý có ý nghĩa và khả năng thực tiễn lớn, góp phần vào việc thực hiện chính sách tiết kiệm và nâng cao hiệu

quả sử dụng năng lượng ở nước ta Vì thế em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết

kế chế tạo và thực nghiệm mô hình bơm nhiệt nguồn gió đun nước nóng gia dụng” làm luận văn tốt nghiệp

CH ƯƠNG 1 -TỔNG QUAN

1.1 Vai trò sử dụng hiệu quả năng lượng

Hiện nay năng lượng đang là một vấn đề nóng bỏng trên toàn cầu Giá xăng dầu cũng như khí đốt ngày một tăng cao, tính theo USD của năm 2007 thì giá dầu thô đã tăng từ mức xấp xỉ 23 USD năm 2001 lên mức trên 130 USD vào tháng 7 năm 2008, gấp khoảng 6 lần mức giá năm 2001

Hình 1.1- Biểu đồ giá dầu thô thế giới tính theo USD năm 2007

Giá than cũng tăng mạnh trong vài năm trở lại đây Nền kinh tế nước ta cũng như của thế giới liên tục tăng trưởng mạnh kéo theo nhu cầu sử dụng năng lượng tăng lên không ngừng Giá nhiên liệu tăng cũng kéo theo giá điện

tăng cao do hơn 2/3 công suất cấp điện là từ các nhà máy nhiệt điện Các chuyên gia năng lượng dự đoán rằng giá nhiên liệu sẽ vẫn còn ở mức cao như hiện nay trong những năm tới do nhu cầu năng lượng tiếp tục tăng trong khi khả năng cung cấp năng lượng vẫn còn hạn chế Việc sử dụng năng lượng một cách có hiệu quả có vai trò quan trọng trong chính sách cân bằng năng lượng quốc gia

Sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng đóng góp vai trò to lớn đối với sự phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao mức sống của mỗi quốc gia mà minh chứng là tại Mỹ từ năm 1973 đến năm 2002 đã tiết kiệm khoảng 23.810.000

MJ khi áp dụng chính sách và ứng dụng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, tương đương với khoảng 26% lượng năng lượng sử dụng, nhiều hơn năng lượng hàng năm có được từ than, khí thiên nhiên và dầu của nước Mỹ Mức tiêu thụ năng lượng (năng lượng sử dụng trên GDP) của nước Mỹ giảm 43% từ năm 1973 đến 2001, khoảng 60% trong số này là nhờ vai trò của việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, phần còn lại do sự thay đổi cấu trúc nền kinh tế và việc chuyển đổi nguồn năng lượng sử dụng [9]

Ở Việt Nam, ngành năng lượng đã và đang được nhà nước chú trọng, đầu tư, phát triển và thực tế có những bước tiến đáng kể, tốc độ tiêu thụ năng lượng là 8,6% năm trong các năm 1996 – 2000 và năm 2003 là 12%, góp phần quan trọng vào công cuộc đổi mới và phát triển đất nước Tuy nhiên, ngành năng lượng Việt Nam còn nhỏ bé và bộc lộ nhiều vấn đề yếu kém, phát triển chưa cân đối giữa các phân ngành năng lượng như: điện, than, dầu khí Công nghệ cung cấp và tiêu thụ năng lượng còn nhiều khâu lạc hậu, dẫn tới hiệu quả của hệ thống năng lượng thấp, cường độ năng lượng cao hơn nhiều

so với các nước trong khu vực[12]

Mặc dù hiệu quả sử dụng năng lượng đã cao hơn nhiều so với 30 năm trước, nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng có thể phát triển và ứng dụng trong những năm tới Nâng cao hiệu quả

và tiết kiệm sử dụng năng lượng có thể giảm nhu cầu sử dụng năng lượng quốc gia của nước Mỹ đến 11% vào năm 2010 và 20% vào năm 2020 Hàng loạt các bài báo nghiên cứu gần đây về kỹ thuật, kinh tế và tiềm năng thực tế

để tiết kiệm năng lượng ở nước Mỹ của Uỷ ban kinh tế năng lượng hiệu quả

Mỹ cho thấy, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng có thể giảm nhu cầu

sử dụng điện và khí đốt của Mỹ đến hơn 20% Khả năng tiết kiệm năng lượng cũng có thể được kiểm chứng bằng kinh nghiệm của bang California, Mỹ vào năm 2001 Trước năm 2001, California là 1 trong số ít các bang sử dụng năng lượng hiệu quả nhất (xếp thứ 5 trong toàn nước Mỹ) Để giảm áp lực do nhu cầu sử dụng điện tăng cao, các giải pháp tiết kiệm và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đã được áp dụng cho các hộ gia đình và doanh nghiệp đã giảm nhu cầu sử dụng điện đến 6,7% vào mùa hè 2001 so với năm trước đó, trung bình tiết kiệm được 0,03USD/kWh[9].Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là một yếu tố thiết yếu của một nền kinh tế ổn định và phát triển Sử dụng hiệu quả năng lượng sẽ kìm hãm sự tăng trưởng nhu cầu năng lượng Nếu nhu cầu năng lượng tăng quá nhanh, các hệ thống và nguồn cung cấp năng lượng không thể phát triển kịp sẽ đẩy giá nhiên liệu tăng cao, gây ra khả năng thiếu hụt năng lượng và khó khăn cho nền kinh tế Cho dù năng lượng

sử dụng có thể là nhiên liệu hoá thạch, năng lượng hạt nhân hay các nguồn năng lượng tái sinh Chúng ta chỉ có một trữ lượng nhiên liệu rất hạn chế để phát triển cơ sở hạ tầng, cung cấp năng lượng Mặc dù nước ta có nguồn năng lượng được ví như “rừng vàng biển bạc” thì cũng sẽ đến lúc cạn kiệt nếu không sử dụng chúng một cách tiết kiệm và hiệu quả Hiệu quả sử dụng năng lượng tiết kiệm, hợp lý đã và sẽ là bí quyết thành công của mọi nền kinh tế ổn

định và vững mạnh

1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình

Theo số liệu của Uỷ ban năng lượng Mỹ, năng lượng sử dụng ở Nhật để cấp nước nóng đứng thứ 2 sau năng lượng sử dụng cho sưởi ấm [18,19]

Hình 1.2- Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình tại Mỹ

Hình 1.3- Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình tại Nhật Bản, 2008

Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê Việt Nam, tổng sản lượng điện tiêu thụ năm 2004 của nước ta là 39.596 triệu kWh, trong đó 45,18 %

(tương đương 17.889 triệu kWh) cho công nghiệp và xây dựng, 44,49% (17616 triệu kWh) cho quản lý tiêu dùng dân cư [7]

Hiện nay nước ta tuy chưa có nghiên cứu, thống kê cụ thể về tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình nhưng nếu liệt kê các trang thiết bị sử dụng thiết yếu trong gia đình điển hình tại các thành phố lớn như: đèn chiếu sáng, bếp ga, quạt, bình nước nóng, máy giặt, bàn là, bơm nước, tivi, tủ lạnh hay các thiết bị ít phổ biến hơn như máy điều hoà không khí, máy tính, bếp điện, lò vi sóng, máy xay sinh tố và xem xét đến công suất, tần suất sử dụng của các thiết bị này trong gia đình, chúng ta có thể ước lượng tương đối tỷ lệ năng lượng sử dụng cho cấp nước nóng vào khoảng 12÷20% tổng năng lượng

sử dụng trong gia đình (chỉ đứng thứ hai sau đun nấu) Giá trị này cũng tương đối phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế cấp điện, nước, khí đốt cho công trình dân dụng[9]

Thiết bị cấp nước nóng cho gia đình, chủ yếu là bình nước nước nóng sử dụng điện trở, gas hay năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng ở các thành phố, thị xã lớn ở nước ta Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế xã hội, mức sống và nhu cầu tiện nghi trong sinh hoạt của nhân dân được nâng cao, mở ra thị trường sử dụng thiết bị cấp nước nóng trong nước là rất lớn Như vậy sử dụng thiết bị cấp nước nóng có hiệu quả cao sẽ tiết kiệm đáng kể năng lượng sử dụng trong hộ gia đình nói riêng và giảm đáng kể nhu cầu năng lượng quốc gia nói chung Điều này có thể được chứng minh như trong hình 1.4, Khi cùng cần 100 đơn vị nhiệt, nếu dùng lò sưởi đốt gas ta phải tốn 111 đơn vị năng lướng cấp Nếu dùng bơm nhiệt ta chỉ cần sử dụng 46 đơn vị năng lượng sơ cấp để sản xuất ra 17 đơn vị năng lượng điện để chạy bơm nhiệt Với 17 đơn vị năng lượng điện, bơm nhiệt sẽ thu được từ môi trường 83 đơn vị nhiệt để cho ra đủ 100 đơn vị năng lượng nhiệt ở dàn ngưng Điều đó

có nghĩa khi sử dụng bơm nhiệt ta có thể giảm được 60% năng lượng sơ cấp

Hình 1.4- Giới thiệu cách phân tích tiêu thụ năng lượng sơ cấp của 2 hệ

thống sưởi bằng đốt gas và bằng bơm nhiệt

1.3 Phân loại các thiết bị cung cấp nước nóng

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại bình nước nóng được sử dụng trong dân dụng và công nghiệp, với công suất khác nhau và sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau

Bình đun nước nóng dùng điện trở gia nhiệt là loại bình phổ biến nhất trên thị trường, nhưng có chi phí vận hành cao nhất Bình nước nóng sử dụng khí đốt có chi phí vận hành thấp hơn, hiện cũng chưa phổ biến và chỉ áp dụng

ở những nơi có nguồn cung cấp khí đốt Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có chi phí vận hành rất thấp nhưng giá thành vẫn còn ở mức cao và khả năng cung cấp nước nóng phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết Các hệ thống thu hồi nhiệt thải rất phức tạp và chỉ mới được áp dụng trong quy mô

công nghiệp hay dân dụng có như cầu phụ tải lớn Việc lựa chọn thiết bị cấp nước nóng phù hợp và hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhu cầu nước nóng sử dụng, chi phí đầu tư ban đầu, khả năng cung cấp và loại nhiên liệu sử dụng, điều kiện thời tiết khu vực…

- Loại đun nước nóng tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng

Loại bình nước nóng tích nhiệt có khả năng cung cấp nước nóng ổn định hơn nhưng tốn năng lượng hơn do có tổn thất nhiệt ra môi trường từ vỏ bình ngay

cả khi không có nhu cầu dùng nước nóng Hệ số sử dụng năng lượng của thiết

bị cũng chỉ đạt tối đa 0,95÷0,97 nên có chi phí vận hành của thiết bị là cao nhất

- Một loại khói thải của thiết bị thải ra ngoài bằng thông gió tự nhiên

- Loại kia thải khói trực tiếp

Trong loại thải khói trực tiếp sử dụng quạt để cấp không khí cho sự cháy của khí đốt và đẩy khói thải ra ngoài Thiết bị này được chia làm hai loại:

+ Một loại quạt lấy gió từ ngoài trời

+ Loại lấy gió trong nhà để cấp cho sự cháy

Khói thải đều được đưa ra ngoài qua ống khói

Bình nước nóng sử dụng khí đốt thải khói trực tiếp an toàn hơn nhiều so với loại thải khói tự nhiên Trong nhà kín việc thải khói tự nhiên có thể dẫn đến

sự tuần hoàn trở lại của khói thải trong nhà (có thể do cả chiều dài ống khói quá dài), gây ra khả năng mất an toàn mà loại thải khói trực tiếp không gặp phải

* Theo nhu cầu sử dụng: giống như bình nước nóng sử dụng điện trở, bình nước nóng sử dụng khí đốt có hai loại:

+ Loại tích nhiệt (có bình chứa)

+ Loại tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng

Với loại có bình chứa (tích nhiệt) thì cũng có tổn thất nhiệt qua vỏ bình cả khi không có nhu cầu dùng nước nóng giống như bình nước nóng sử dụng điện trở Với loại tức thời thì giảm được tổn thất trên nhưng lại tốn khí đốt để cháy mồi trong thời gian sử dụng

1.3.3 Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời

Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời có ưu điểm: an toàn tuyệt đối khi sử dụng, tiết kiệm chi phí tối đa (chỉ đầu tư một lần) Loại bình này mới được đưa vào sử dụng và đang dần phổ biến Thiết bị sử dụng bức xạ Mặt Trời để đun nóng nước Có hai loại thiết bị đun nước nóng trực tiếp và đun nước nóng gián tiếp Ở loại bình đun nước nóng trực tiếp, là các hệ hở, nước được đun nóng trực tiếp trong tấm thu năng lượng mặt trời, đưa đến bình chứa hoặc vòi nước để sử dụng Còn ở bình nước nóng gián tiếp, tấm thu năng lượng mặt trời nung nóng môi chất trung gian, cũng có thể là nước Môi chất

trung gian này được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt, có thể bằng bơm, ống nhiệt hay đối lưu tự nhiên, để cấp nhiệt cho nước sử dụng cho sinh hoạt Môi chất trung gian tuần hoàn kín trong hệ thống để chuyển năng lượng (nhiệt năng) thu được trong tấm thu năng lượng cho nước sử dụng cho sinh hoạt Thiết bị loại này đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam

1.3.4 Bình nước nóng sử dụng lò hơi và bộ trao đổi nhiệt

Đây là hệ thống cấp nhiệt sử dụng trong công nghiệp và các toà nhà lớn hay hệ thống cung cấp năng lượng trung tâm Lò hơi thường sử dụng nhiên liệu là khí đốt, dầu DO hay than để sản xuất hơi (thường là hơi bão hoà) Hơi này được đưa đến các thiết bị trao đổi nhiệt, thường là loại ống xoắn, để đun nước nóng cấp cho sinh hoạt hay sưởi ấm tiện nghi Nước nóng, thường là nước tuần hoàn, được bơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt, nhận nhiệt từ hơi bão hoà rồi đi đến các hộ sử dụng nước nóng, phần dư còn lại được tuần hoàn trở lại Nước lạnh bổ sung vào hệ thống nước nóng tuần hoàn theo nhu cầu sử dụng nước nóng

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên

th ế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế giới

Công nghệ bơm nhiệt đang trên đà phát triển tại các khu vực khác nhau trên thế giới, khi sự tăng cao về giá nhiên liệu và các vấn đề cấp thiết về khí hậu thì tại các nước phát triển và đang phát triển là làm thế nào để sản sinh ra nhiệt và làm lạnh một cách bền vững đồng thời sử dụng năng lượng một cách hiệu quả Để có hiệu suất năng lượng lớn hơn trong hệ thống bơm nhiệt đòi hỏi phải tiết kiệm nhiều hơn về năng lượng đang sử dụng và do vậy cũng thải

ra ít CO2 Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) dự tính rằng bơm nhiệt có thể

tiết kiệm được 770 triệu tấn m3 CO2 vào năm 2050, đây là một phần trong nỗ lực làm giảm khí thải trên toàn cầu khoảng 50% so với mức độ hiện nay Chính vì vậy thị trường bơm nhiệt trên thế giới đang tăng nhanh và năm 2008, phỏng đoán về sự gia tăng của công nghệ bơm nhiệt đã gắn chặt với các sản phẩm mang tính đại chúng Tốc độ phát triển của công nghệ bơm nhiệt trở nên mạnh hơn tại các khu vực đông dân cư và các khu vực buôn bán nhỏ nơi

mà bơm nhiệt có thể tạo ra nhiều ảnh hưởng bằng việc cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho người sử dụng trong thời điểm điều kiện môi trường ngoài trời

Hình 1.5- Tình hình sử dụng bơm nhiệt trên thế giới

Hình 1.5 mô tả tình hình sử dụng bơm nhiệt trên thế giới Khoảng 1 triệu bơm nhiệt đã được bán trong năm 2008 Trên toàn cầu có 4 nhóm thị trường của bơm nhiệt là: Nhật Bản, Châu Âu, Trung Quốc và Úc Theo thống

kê của hiệp hội công nghệ điều hoà không khí và làm lạnh Nhật Bản (JRAIA)

có hơn 500.000 nghìn bơm nhiệt đã được tiêu thụ ở Nhật Theo đánh giá của JARN khoảng 300.000 ;190.300 và 10.000 bơm nhiệt lần lượt được bán tại

Châu âu, Trung Quốc và Úc vào năm 2008 Tại những khu vực khác trên thế giới, lượng bơm nhiệt được bán ra vào khoảng 5.000 chiếc [19]

Các thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng đã được nghiên cứu và ứng dụng

từ những năm đầu của thập niên 80 tai Mỹ và Australia Trung tâm nghiên cứu Siddons(do Trường kỹ thuật Tổng hợp Melbourne kết hợp cùng Công ty Siddons Ramset Ltd thành lập) đã nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có thể tiết kiệm năng lượng đến 70% so với bình nước nóng sử dụng điện trở Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng được đưa ra thi trường với tên thương mại là Quantum Một số khách sạn lớn ở Singapore như Khách sạn Raffles đã sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng này Australia cũng có hãng sản xuất thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng với tên thương mại Solitaire

và được triển lãm tại Hội trợ quốc tế hàng công nghiệp Việt Nam, Thành phố

Hồ Chí Minh tháng 10 năm 2004 Cùng thời gian này tại Mỹ cũng đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thành công thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng Do các thiết bị này thời gian đầu chưa có được độ tin cậy trong vận hành do chưa được thử nghiệm nên thị trường thiết bị này đã bị co hẹp nhiều, từ khoảng

10000 sản phẩm trong những năm 1980, đến những năm 2000 chỉ còn vài trăm sản phẩm được bán ra Năm 2002 Uỷ ban nghiên cứu và phát triển năng lượng New York (NYSERDA) đã thực hiện chương trình nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trên toàn bang California Chương trình kết thúc vào 15 tháng 4 năm 2004 để thử nghiệm độ tin cậy và hiệu quả của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng, đồng thời mở rộng thị trường cho thiết

bị này với tên thương mại Water Saver Hệ số sử dụng năng lượng của thiết bị COP đạt 2,4 (tiết kiệm năng lượng khoảng 50÷60%) [7, 9]

1.4.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt ở Việt Nam

Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng ở nước ta còn ít và khá mới mẻ Thực

hiện nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trong điều kiện nước ta là một sự đón đầu công nghệ mới của thế giới và mở ra khả năng sản xuất thiết

bị này từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam

Hiện tại ở Việt Nam hầu như chưa sử dụng bơm nhiệt đun nước nóng Trong lĩnh vực nghiên cứu có một số công trình nghiên cứu thực nghiệm về thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng như:

Bơm nhiệt đun nước nóng do Thạc sỹ Nguyễn Đình Vịnh thiết kế chế tạo:

Hình 1.6 Hình dáng bơm nhiệt do Thạc sỹ Nguyễn Đình Vịnh chế tạo

Phần máy nén và dàn bay hơi là tận dụng từ một máy điều hòa cửa sổ cũ còn dàn ngưng tụ là một ống xoắn ruột gà nhúng trong bình nước nóng Do dàn ngưng nhúng trong bình chứa nên có thể làm nóng nhanh và không cần sử dụng bơm nước:

+ Dung tích bình chứa nước nóng là 100 lít

+ Nhiệt độ nước nóng tối đa: 550C

+ Dung tích bình chứa: 50 lít nước (cấp nước nóng cho khoảng 2 buồng

tắm đứng, hoặc 1 bồn tắm, hoặc 1 chậu rửa bếp)

+ Nhiệt độ nước nóng tối đa: 60 °C

+ Thời gian nước trong bình đạt tới nhiệt độ 50 °C từ 27 °C: 120 phút

+ Tổng công suất điện cấp cho thiết bị (trung bình): 350 W

+ Công suất nhiệt cấp cho nước nóng (trung bình): 670 W

+ Hiệu suất COP trung bình: 1,91

Về cấu tạo cũng tương tự như hình 1.6 Phần máy nén và dàn bay hơi cũng là tận dụng từ máy điều hòa cũ còn dàn ngưng tụ là một ống xoắn ruột gà nhúng trong bình chứa nước nóng Riêng bình chứa nước nóng chỉ có dung tích là 50 lít

Công ty điều hoà Media cũng đưa ra sản phẩm bơm nhiệt có kết cấu và nguyên lý làm việc như biểu diễn trên hình 1.7: Cụm máy nén, dàn bay hơi, bình ngưng, và van tiết lưu được đặt trong 1 thiết bị còn bình chứa nước nóng được đặt riêng Môi chất sử dụng là R410A, năng suất cung cấp nước nóng từ 100÷500 lít nước nóng từ 45÷600C [20]

Hình 1.7 Bơm nhiệt do Công ty Media giới thiệu

1.5 Phân loại bơm nhiệt đun nước nóng

Hình 1.8 Phân loại bơm nhiệt đun nước nóng

Nước nóng

Nước lạnh

Bình chứa nước

Nước nóng đến

hộ tiêu thụ 45-60℃

Nguồn không khí môi

Nguồn nước năng lượng Mặt Trời

Nguồn nước thải có nhiệt

độ cao

Nguồn nước môi trường

ao, hồ

Nguồn nước địa nhiệt (giếng khoan)

Nguồn địa nhiệt (dàn lạnh đặt trong lòng đất) Bơm nhiệt đun nước nóng

gia dụng

Có thể phân loại bơm nhiệt đun nước nóng theo nhiều đặc tính khác nhau Trước hết theo nguồn nhiệt có thể phân ra bơm nhiệt nguồn không khí môi trường và nguồn nước (hình 1.8)

- Bơm nhiệt nguồn không khí còn có thể phân ra loại cưỡng bức (có quạt) và loại tự nhiên

- Bơm nhiệt nguồn nước cũng có thể phân ra nhiều loại khác nhau theo đặc điểm của nguồn như nguồn nước năng lượng Mặt Trời, nước thải,

nước ao hồ, nước địa nhiệt…

1.5.1 Thiết bị bơm nhiệt nguồn gió cưỡng bức

Hình 1.9-Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt gió nước CO 2 của Nhật

Heat pump unit: Bơm nhiệt; Evaporator: Dàn lạnh; Compressor: Máy nén; Gas cooler: Làm mát gas; Ambient air: Môi trường không khí; Water Pump: Bơm nước; Mixing valve: Van hoà trộn;Cold water: Nước lạnh; Hot water: Nước nóng

Heat pump unit

Bơm nhiệt sử dụng dàn lạnh có quạt với ưu điểm nổi bật là có thể ứng dụng đồng thời để đun nóng nước và làm thiết bị khử ẩm hay điều hòa tiện nghi

Ở Nhật Bản có thiết bị đun nước nóng gia dụng môi chất lạnh CO2 và đã bán rộng rãi trên thị trường Sản phẩm bán ra năm 2006 là 200.000 bộ với giá thành 2600USD/bộ Các nhà sản xuất hy vọng số máy bán ra mỗi năm sẽ là 1,5 triệu chiếc thì giá thành mỗi chiếc sẽ giảm đi nhiều

Hình 1.9 Giới thiệu sơ đồ nguyên lí hệ thống bơm nhiệt CO2 cung cấp nước nóng của Nhật

1.5.2 Thiết bị bơm nhiệt nguồn không khí tự nhiên

Loại dàn lạnh tự nhiên (không có quạt) được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều ở Mĩ, Australia và Singapore với các tên thương mại như E-tech, Nyle[9]…

1.5.3 Thiết bị bơm nhiệt nguồn năng lượng Mặt Trời

Loại này có dàn lạnh dạng tấm thu năng lượng Mặt Trời Môi chất bay hơi trong tấm thu năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho thiết bị bơm nhiệt Đặc điểm cơ bản của loại này đó là môi chất bay hơi ở nhiệt độ cao hơn, nâng cao được tuổi thọ của thiết bị và không tốn công của quạt dàn lạnh Nhược điểm

cơ bản của thiết bị là phức tạp trong lắp đặt khi phải nạp môi chất tại hiện trường như máy điều hoà không khí hai cục Thiết bị loại này được nghiên cứu và ứng dụng nhiều tại Singapore và Australia với các tên thương mại như Solitaire (Australia), Quantum (Singapore)9]

1.5.4 Các loại bơm nhiệt đun nước nóng đa năng khác

Trong thực tế sử dụng, chúng ta có thể kết hợp các thiết bị đun nước nóng hay có thể sử dụng bơm nhiệt kết hợp 3 trong 1(3 chức năng trong 1 thiết bị): sưởi ấm, làm lạnh và cung cấp nước nóng.Năng lượng sử dụng của

Hình 1.11 Bơm nhiệt sử dụng năng lượng Mặt Trời với 3 chức năng: sưởi

ấm, làm lạnh và cấp nước nóng

loại bơm nhiệt này có thể là năng lượng Mặt Trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng điện (hoặc gas) Mô hình bơm nhiệt này có thể được mô tả như trong hình 1.10, hình 1.11 và hình 1.12

Hình 1.10- Sơ đồ bơm nhiệt 3 trong 1 (sưởi ấm, làm lạnh và cấp nước nóng)

Hình 1.12-Đun nước nóng bằng bộ thu năng lượng Mặt Trời và bằng điện

(hoặc gas- khi không có mặt trời thì dùng điện)

Hiện tại các thiết bị loại này giá thành còn tương đối cao so với các thiết

bị đun nước nóng thông thường khác Tuy nhiên với khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO2 bơm nhiệt đun nước nóng chắc chắn sẽ được đưa vào sử dụng để thay thế toàn bộ các loại bình đun nước nóng khác trong tương lai

1.6 Các vấn đề còn tồn tại

Các nghiên cứu và thử nghiệm vẫn đang được tiếp tục tiến hành tại các quốc gia trên thế giới với mục đích nâng cao hiệu quả, độ tin cậy của thiết bị cũng như các chương trình sử dụng hiệu quả, tiết kiệm nguồn năng lượng, mở rộng thị trường sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng

Do thói quen sử dụng ở Việt Nam nên khi đưa vào thực tế, bơm nhiệt cần quan tâm đến các vấn đề như: giá cả, độ tin cậy, tuổi thọ, ga lạnh dùng

cho thiết bị, tính linh hoạt, mềm dẻo trong lắp đặt, trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa Làm thế nào để tận dụng được không khí lạnh đã khử ẩm để điều hòa không khí trong phòng cũng như dùng chính nước nóng để sưởi ấm là vấn

đề cần được quan tâm trong tương lai

2

6

Trong bơm nhiệt này, chúng tôi chọn hướng nghiên cứu bơm nhiệt để chuẩn bị nước nóng mà có thể tận dụng được không khí đã khử ẩm để điều hoà phòng

Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm Ưu điểm của bơm nhiệt này là rất linh hoạt trong lắp đăt và sửa chữa

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí bơm nhiệt đun nước nóng

7- Đến hộ tiêu thụ 8- Bình chứa nước

8

7

5

Ở đây, bơm nhiệt chúng tôi sử dụng một máy điều hòa cửa sổ cũ năng suất 2,64kW (9000Btu/h) hiệu National của Nhật Giữ nguyên máy nén, quạt dàn bay hơi lồng sóc và dàn bay hơi, nhưng dàn ngưng tụ giải nhiệt gió được ngắt ra và thay bằng một dàn ngưng ống xoắn giải nhiệt nước kiểu ống lồng ống Điều này sẽ giúp việc di chuyển lắp đặt được thuận tiện hơn

Nước trong bình nước nóng sẽ được tuần hoàn qua dàn ngưng nhờ một bơm nước Như vậy giữa bơm nhiệt và bình nước nóng chỉ nối với nhau bằng hai ống nước đi về

2.1 Xác định chu trình lý thuyết của bơm nhiệt

2→ 3: ngưng tụ trong bình ngưng

(Trong đó 2→ 2’ là quá trình giảm nhiệt độ quá nhiệt xuống nhiệt độ bão hòa;

2’→ 3 là quá trình ngưng tụ; nhiệt ngưng tụ được dùng để gia nhiệt đun nóng nước)

3→ 4: tiết lưu trong van tiết lưu

4→1: quá trình bay hơi trong dàn lạnh, môi chất nhận nhiệt của môi

trường để bay hơi

1’→1: quá nhiệt hơi trước khi vào máy nén

lgp,MPa

i,kJ/kg

1 1'

2 2'

3

4

Hình 2.2 Chu trình bơm nhiệt trên đồ thị lgp-i

Nhờ chu trình nhiệt động của bơm nhiệt vẽ trên đồ thị lgp-i, ta có thể xác định các đại lượng đặc trưng sau:

- Năng suất lạnh của dàn lạnh Q0

Gmc: lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống, kg/s

i1, i4 : entanpy của môi chất ở trạng thái đặc trưng 1; 4, kJ/kg

- Năng suất nhiệt của bình ngưng Qk

i2,i3: entanpy của môi chất ở trạng thái đặc trưng 2;3, kJ/kg

- Công nén lý thuyết của máy nén theo chu trình đoạn nhiệt Ns

Ở trạng thái cân bằng, nếu bỏ qua tổn thất, năng suất lạnh của dàn lạnh

và năng suất nhiệt của bình ngưng truyền cho môi trường có thể xác định theo

Gkk: lưu lượng không khí tuần hoàn qua dàn lạnh, kg/s

ikk1, ikk2: entanpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh, kJ/kg

Gn: lưu lượng nước tuần hoàn qua bình ngưng, kg/s

Cp: nhiệt dung riêng của nước, Cp = 4,186 kJ/kg.K

tn1 , tn2 : nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng, 0C Đại lượng đặc trưng cho chu trình bơm nhiệt đó là hệ số bơm nhiệt φ được

Hệ số bơm nhiệt thực có thể được xác định theo:

φtt = Năng suất nhiệt hữu ích thu được Qk/Tổng tiêu tốn điện năng Nt

k tt

Q Nt

Tổng tiêu tốn điện năng bằng điện năng tiêu tốn cho máy nén, quạt, bơm nước

và hệ thống tự động hóa

Nt = Ne+N1+N2+N3 Trong đó:

Ne – Công suất tiêu thụ điện của động cơ máy nén, kW

N1 – Công suất của quạt, kW

N2 – Công suất của bơm nước tuần hoàn, kW

N3 – Công suất của thiết bị phụ, kW

2.1.2 Xác định các đại lượng trong chu trình bơm nhiệt

Chọn địa điểm lắp đặt bơm nhiệt tại Hà Nội Theo TCVN 4088-85 và TCVN 5687-1992 chúng tôi lựa chọn điều kiện môi trường như sau: nhiệt độ môi trường 100C ÷350C, độ ẩm tương đối 60÷80%

Để lấy thông số tính toán thiết kế, chọn môi trường xung quanh có nhiệt

độ 200C, độ ẩm tương đối 65% Nhiệt độ không khí sau dàn lạnh là 100C, độ

.p ( )

d 0,622

100 p ( )

t t

ϕϕ

Tương ứng với trạng thái không khí môi trường như trên, nhiệt độ nước

cấp cũng được chọn trong dải nhiệt độ 12÷350C Trong tính toán thiết kế, coi

như nhiệt độ nước cấp có nhiệt độ 220C Nhiệt độ nước nóng ra khỏi thiết bị

là 500C Môi chất lạnh sử dụng trong thiết bị là R22

I kJ/kg

Bảng 1- Bảng thông số trạng thái của không khí

Do sử dụng bơm nhiệt là máy điều hòa cửa sổ 2,64kW (9000Btu/h) với các thông số kĩ thuật sau [11]:

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều dạng ống xoắn

ruột gà Ống xoắn kiểu ống lồng ống với nước làm mát đi bên trong ống nhỏ

và môi chất đi bên ngoài khoảng không gian giữa hai ống để tăng cường trao

đổi nhiệt

Nước lạnh vào từ bên dưới, nước nóng lấy ra ở phía trên ống xoắn Môi

chất đi ngược chiều với nước tức là vào từ bên trên và ra ở bên dưới ống

xoắn

Mục đích là sử dụng nhiệt của hơi quá nhiệt để gia nhiệt đun nóng nước

Biến thiên nhiệt độ của R22 ngưng tụ và nước được đun nóng trong bình

ngưng ống lồng ống biểu diễn trên hình 2.3

Hình 2.3 Biến thiên nhiệt độ nước và môi chất R22 trong bình ngưng

(t n -nhiệt độ trung bình của nước)

Khi chọn hiệu nhiệt độ hơi ngưng và nước ởđầu ra của bình ngưng ∆tmin

=50C (∆tmin≥ 30C) và với nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tn2=500C, ta có:

tk = tn2+∆tmin = 50 + 5 = 550C

Môi chất bay hơi ở nhiệt độ t0 = 50C (tương ứng áp suất bay hơi p0 = 0,5838,Mpa), ngưng tụở nhiệt độ tk = 550C (tương ứng áp suất ngưng tụ pk = 2,174, MPa)

Các thông số trạng thái của môi chất được tra bằng phần mềm CATT 2 [25]

được biểu diễn như trong Bảng 2

Trạng

thái

t (0C)

p (MPa)

v (m3/kg)

i (kJ/kg)

s (kJ/kgK)

k n

2.1.3 Tính toán kiểm tra dàn ngưng ống lồng ống

Trong khi xây dựng thiết bị thí nghiệm chúng tôi đã tìm được một dàn ngưng ống lồng ống có sẵn với các kích thước như sau:

+ Ống ngoài bằng đồng có đường kính ngoài Da=21,5mm, đường kính trong Di=19,5mm

+ Ống trong không cánh cũng bằng đồng có đường kính ngoài là

- k: hệ số truyền nhiệt, K

- ∆ttb : độ chênh nhiệt độ trung bình, K

Từ hình 2.4, ta có thể tính ∆ttb theo trung bình số học: ∆ttb = tk - tn

Trong đó: tk= 550C; tn – nhiệt độ trung bình của nước:

αn: hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước chảy trong ống, W/m2K

αk: hệ số tỏa nhiệt khi hơi R22 ngưng bên ngoài ống nhỏ, W/m2K

δ = 0,5(da-di) = 0,5(8,5-7,5) = 0,5mm (chiều dày vách ống nhỏ)

λ = 200W/mK: hệ số dẫn nhiệt của đồng

Để tính αn ta tiến hành như sau: Từ nhiệt độ trung bình của nước

tn=360C, theo bảng 44 [14] Tính chất vật lí của nước trên đường bão hòa ta có:

λn = 0,621 W/mK νn = 0,717.10-6 m2/s

ρn = 993,6 kg/m3 Prn = 4,796

Từ lưu lượng nước làm mát bình ngưng đã tính:

k n

G d

n m n

d

ων

−

Vì 2.103 < Re = 6,65.103 <1.104 nên nước chảy ở chế độ quá độ trong ống, ta

có phương trình tiêu chuẩn:

0,43

0.(Pr )

Nu =K Aε ε

Vì nhiệt độ của nước thay đổi ít (từ nhiệt độ bề mặt ống bên ngoài tw tới nhiệt

độ trung bình của nước tn) nên tiêu chuẩn Pr của nước cũng hầu như không đổi, vậy có thể coi hệ số hiệu chỉnh chiều dòng nhiệt A=1 Đoạn ống nằm ngang có chiều dài l ≥50d m =50.7, 5=375mm =0, 375m, hệ số hiệu chỉnh chiều dài ống; ε1=1 Hệ số hiệu chỉnh độ cong của ống (thiết bịống xoắn ruột

K0 = f(Ref) - K0 = 24

Vậy :

0,4324.(4,31) 1.1.1,3 58, 48

Để tính hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của R22 bên ngoài ống nằm ngang αk,

ta nhận thấy ở đây có thể dùng công thức ngưng màng bên trong ống nằm ngang của Nusselt:

1, 2

2 3 4

1

.0,728

ρ λα

R22 láng R22 h¬i

A-A

A

A