(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tận dụng nhiệt thải bình ngưng của hệ thống nước water chiller để nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT φ: Hệ số bơm nhiệt ttb: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆t: Độ chênh nhiệt độ, oC Cp: Nhiệt dung riêng của nước, Cp = 4.186 kJ/kgK F0: Diện tí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN THÁI

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT THẢI BÌNH NGƯNG CỦA HỆ THỐNG WATER CHILLER ÐỂ NÂNG CAO

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT- 60520115

S K C0 0 5 1 3 5

HIỆU SUẤT CỦA BƠM NHIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN THÁI

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT THẢI BÌNH NGƯNG CỦA HỆ THỐNG WATER CHILLER ĐỂ NÂNG CAO

HIỆU SUẤT CỦA BƠM NHIỆT

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT- 60520115

Hướng dẫn khoa học

TS LÊ MINH NHỰT

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Văn Thái Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20 – 09 – 1981 Nơi sinh: Bình Định

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 11B/17 Học Lạc, Phường 8, TP Mỹ Tho, TG

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Cao đẳng chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy Thời gian đào tạo từ 2001 đến 2004

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Thủy Sản Nha Trang

Ngành học: Cơ điện Lạnh

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2007 đến 2008

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Nha Trang

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt lạnh

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 2015 đến 2017

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP HCM

Ngành học: Kỹ Thuật Nhiệt

Tên luận văn: Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải bình ngưng của hệ thống water chiller

để nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 26 – 04 – 2017, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP HCM

Người hướng dẫn: TS Lê Minh Nhựt

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2009 – 2017 Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang Giảng viên

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

Bài báo khoa học:

1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải đến hiệu suất của bơm nhiệt đun nước nóng WTW

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN hoặc ĐỊA PHƯƠNG Ngày tháng năm 20……

Nguyễn Văn Thái

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Minh Nhựt Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 03 năm 2017

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Thái

- Các Thầy, Cô ở Bộ môn Nhiệt – Điện Lạnh đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt cho tác giả những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian học

- Tập thể giảng viên Bộ môn Nhiệt – Điện Lạnh, Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả chế tạo thành công mô hình bơm nhiệt

Cuối cùng tác giả xin cảm ơn đến các bạn cùng lớp KTN15A khóa 2015- 2017 đã nhiệt tình trao đổi, góp ý và cung cấp thông tin tư liệu trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 3 năm 2017

Tác giả

TÓM TẮT

Nhiệm vụ của đề tài là xây dựng hai mô hình bơm nhiệt đun nước nóng gồm

mô hình bơm nhiệt nguồn gió ATW và mô hình bơm nhiệt nguồn nước WTW, để đánh giá ảnh hưởng điều kiện thời tiết và nguồn nhiệt thải đến hiệu suất của bơm nhiệt, đồng thời so sánh hiệu suất của bơm nhiệt WTW so với hiệu suất của bơm ATW

Tác giả đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công mô hình bơm nhiệt đun nước nóng WTW và mô hình bơm nhiệt đun nước nóng ATW tại xưởng Nhiệt – Điện Lạnh, Trường Đại học sư Phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Hai mô hình bơm nhiệt đun nước nóng có công suất bằng nhau là 750 W, lượng nước cần gia nhiệt trong bình chứa là 160 lít, nhiệt độ nước nóng yêu cầu là 50 oC

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất (COP) hệ thống bơm nhiệt ATW phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt của môi trường dao động từ 28 oC đến 32 oC thì COP của hệ thống dao động từ 2,5 đến 3,2 Hiệu suất (COP) hệ thống bơm nhiệt WTW phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải vào, nhiệt độ nước thải vào dao động từ 33 oC đến 37 oC thì COP của hệ thống dao động từ 5,7 đến 6,7

ABSTRACT

In this thesis, two types of heat pump were designed, manufactured, and installed at thermal workshop in Ho Chi Minh City University of Technology and Education to evaluate the effects of weather condition on their coefficient

of performance (COP) The electrical capacity of each heat pump is 750 W, the capacity of storage tank is 160 liters and the required temperature of hot water

in storage tank is 50 oC

Experiment results show that the COP of the heat pump ATW depends on the ambient temperature, when the ambient temperature ranges from 28 oC to 32 oC, the COP of the heat pump ATW ranged from 2,5 to 3,2 Besides, the change of the cooling water temperatures of condenser of water chiller also influences to the COP of the heat pump WTW, when the cooling water temperature of condenser increases from 33 oC

to 37 oC, the COP of the heat pump system increases from 5,7 to 6,7

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

CẢM TẠ iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT i

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH SÁCH CÁC HÌNH i

DANH SÁCH CÁC BẢNG i

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 1

1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta 1

1.1.2 Lịch sử phát triển và các ứng dụng của bơm nhiệt 4

1.1.3 Khái quát về nhiệt thải 8

1.1.4.Nguồn nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller 10

1.1.5 Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam 11

1.1.6 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước 12

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 21

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài 23

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 23

1.5 Phương pháp nghiên cứu 23

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24

2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt 24

2.2 Tính toán chu trình bơm nhiệt 25

2.3 Một số phương pháp gia nhiệt nước nóng 26

2.3.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện trở 26

2.3.2 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời 27

2.3.3 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt 28

2.3.4 Gia nhiệt nước nóng bằng hơi từ lò hơi 29

2.3.5 Gia nhiệt nước nóng từ các nguồn nhiệt thải 29

2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi đến hiệu quả bơm nhiệt 30 2.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ t k 30

2 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi t o 32

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TẬN DỤNG NHIỆT THẢI BÌNH NGƯNG HỆ THỐNG WATER CHILLER CHO BƠM NHIỆT 35

3.1 Đặt bài toán 35

3.2 Tính toán chu trình nhiệt 35

3.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 37

3.3.1 Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ 37

3.3.2 Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi 40

3.4 Kích thước bình nước nóng 43

3.5 Thời gian đun nước nóng 43

3.6 Hệ số hiệu suất năng lượng của bơm nhiệt 44

Chương 4 THIẾT LẬP HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 45

4.1 Mục đích, ý nghĩa 45

4.1.1 Mục đích 45

4.1.2 Ý nghĩa 45

4.2 Mô tả hệ thống thí nghiệm 46

4.2.1 Mô tả hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng ATW 46

4.2.2 Mô tả hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng WTW 47

4.3 Thiết minh các thiết bị đo 49

4.3.1 Thiết bị đo dòng điện và điện áp KYORITSU 2012R 49

4.3.2 Đồng hồ điều khiển nhiệt độ Ewelly EW-988H 50

4.3.3 Máy đo nhiệt độ DT8016H 51

4.3.4 Đồng hồ đo áp suất 52

4.3.5 Đồng hồ đo lưu lượng nước đa tia SENSUS kiểu cánh quạt 53

4.3.6 Đồng hồ điện một pha EMIC 53

4.4 Phương pháp thực nghiệm 54

Chương 5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 55

5.1 Kết quả thí nghiệm của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng ATW (Bảng số liệu thí nghiệm được học viên trình bày trong mục phụ lục 1, 2, 3, 4, 5, 6) 55

5.2 Kết quả thí nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng WTW (Bảng số liệu thí nghiệm được học viên trình bày trong mục phụ lục 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16) 60

5.3 Sự ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ nước thải đến hiệu suất của bơm nhiệt (Bảng số liệu thí nghiệm được học viên trình bày trong mục phụ lục 17) 68

5.4 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của bơm nhiệt ATW và bơm nhiệt WTW (Bảng số liệu thí nghiệm được học viên trình bày trong mục phụ lục 18) 70

5.5 Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống bơm nhiệt WTW so với hệ thống bơm nhiệt ATW 71

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

6.1 Kết luận 73

6.2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

BÀI BÁO KHOA HỌC 78

BẢNG PHỤ LỤC 85

Phục lục 1 Bảng Các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW ngày 4-11-2016 85

Phục lục 2 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW ngày 5-11-2016 88

Phục lục 3 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW ngày 10-11-2016 91

Phục lục 4 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW ngày

11-5-2016 94 Phục lục 5 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW ngày 12-11-

2016 97 Phục lục 6 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt ATW trong các ngày 99 Phục lục 7 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW ngày 4-11-

2016 100 Phụ lục 8 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của bơm nhiệt của 5 lần đo ngày 4/11/2016 103 Phục lục 9 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW ngày 5-11-

2016 104 Phụ lục 10 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của bơm nhiệt của 5 lần đo ngày 5/11/2016 107 Phục lục 11 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW ngày 10-11-

2016 108 Phụ lục 12 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của bơm nhiệt của 5 lần đo ngày 10/11/2016 111 Phục lục 13 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW ngày 11-11-

2016 112 Phụ lục 14 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của bơm nhiệt của 5 lần đo ngày 11/11/2016 115 Phục lục 15 Bảng các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW ngày 12-11-

2016 116 Phụ lục 16 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của bơm nhiệt của 5 lần đo ngày 12/11/2016 118 Phục lục 17 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW trong các ngày thí nghiệm 119

Phục lục 18 Bảng giá trị trung bình các thông số làm việc của hệ thống bơm nhiệt WTW và hệ thống bơm nhiệt ATW trong các ngày 119

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

φ: Hệ số bơm nhiệt

ttb: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

∆t: Độ chênh nhiệt độ, oC

Cp: Nhiệt dung riêng của nước, Cp = 4.186 kJ/(kgK)

F0: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn lạnh, m2

Fk: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng tụ, m2

G: Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong chu trình, kg/s h: Enthalpy, kJ/kg

M: Lượng nước nóng cần dung, lít/ngày

Qk: Năng suất nhiệt của dàn ngưng tụ, W

Q0: Năng suất lạnh của thiết bị bay hơi,W

Qđun: Nhiệt lượng cần thiết để đun nước, W

tnn: Nhiệt độ nước nóng, 0C

tbđ: Nhiệt độ nước ban đầu, 0C

qk: Năng suất nhiệt riêng khối lượng, kJ/kg

q0: Năng suất lạnh riêng khối lượng, kJ/kg

Dvx: Đường kính vòng tròn xoắn ống đồng, m

D: Đường kính ống trao đổi nhiệt, mm

L0: Chiều dài ống trao đổi nhiệt, m

S: Số lượng vòng tròn, vòng

kdt Hệ số dự trữ

: Hệ số dẫn nhiệt W/m độ

Δ: Độ dày vách, m

∝1: Hệ số tỏa nhiệt (phía môi chất R22), W/(m2K)

∝2: Hệ số tỏa nhiệt (phía nước), W/(m2K)

C: Chu vi đường tròn vòng ống trao đổi nhiệt, m

tk: Nhiệt độ ngưng tụ, 0C

t0: Nhiệt độ bay hơi, 0C

Pk: Áp suất ngưng tụ, bar

P0: Áp suất bay hơi, bar

tntv: Nhiệt độ nước thải vào thiết bị bay hơi, 0C

tntr: Nhiệt độ nước thải ra khỏi thiết bị bay hơi, 0C

Pe: Điện năng tiêu thụ, kWh

Vdt: Thể tích dự trữ

Vtt: Thể tích thực tế

: Phần trăm thể tích dự trữ

NLMT: Năng lượng mặt trời

EIA: Energy Information Administration – Cơ quan thông tin về năng lượng

Hoa Kì

HP: Horse Power – Sức ngựa (mã lực)

BTU: British Thermal Unit – Đơn vị nhiệt Anh

TOE: Ton of oil equivalent – Tấn dầu tương đương

COP: Coefficient Of Performance – Hệ số hiệu quả năng lượng

ATW: Bơm nhiệt gió nước (Air to Water)

WTW: Bơm nhiệt nước nước (Water to Water)

IEC: Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế - International Electrotechnical

Commission

Rdg: Kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo hiện số - Random Data Generator

ISO: Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế - International Organization for

Standardization

ĐHKK: Điều hòa không khí

PIC: Công suất điện tiêu thụ riêng – Power Input Capacity = 1/COP

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thống kê vào năm 2013 1

Hình 1.2 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng của thế giới từ 1970 – 2025 2

Hình 1.3 Mức tiêu thụ năng lượng phân theo khu vực 2

Hình 1.4 Tiêu thụ năng lương thế giới theo nguồn năng lượng 3

Hình 1.5 Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thế giớ của nguồn năng lượng 3

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí water chiller 10

Hình 1.7 Hệ thống bơm nhiệt khách sạn Shareton Hà Nội……… 17

Hình.1.8 Hệ thống nước nóngnăng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt Bệnh viện Đa Khoa Mỹ Phước tỉnh Bình Dương 18

Hình 1.9 Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt công ty CP đường sông Mekong 19

Hình 1.10 Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt khách sạn Việt Úc tỉnh Bến Tre 19

Hình 1.11 Hệ thống bơm nhiệt khách sạn Riverside Saigon 20

Hình 1.12 Hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời tại khách sạn Xanh Nha Trang 20

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 24

Hình 2.2 Chu trình biểu diễn trên đồ thị T – s và đồ thị Lg P – h 25

Hình 2.3 Bình nước nóng điện trở loại gián tiếp 26

Hình 2.4 Nguyên lý làm việc bình nước nóng năng lượng mặt trời 27

Hình 2.5 Sơ đồ sản xuất nước nóng dùng năng lượng mặt trời 28

Hình 2.6 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt 28

Hình 2.7 Sản xuất nướng nóng bằng lò hơi 29

Hình 2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến hệ số nhiệt 32

Hình 2.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số nhiệt 33

Hình 2.10 Biểu đồ thông số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng của các loại môi chất

34

Hình 3.1 Đồ thị lgp-h của chu trình bơm nhiệt 35

Hình 3.2 Đồ thị biến thiên nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ 38

Hình 3.3 Đồ thị biến thiên nhiệt độ trong thiết bị bay hơi 41

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng ATW 46

Hình 4.2 Hệ thống thực nghiệm bơm nhiệt cấp nước nóng ATW 47

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng WTW 48

Hình 4.4 Hệ thống thực nghiệm bơm nhiệt cấp nước nóng WTW 49

Hình 4.5 Ampe kìm AC-DC KYORITSU 2012R 50

Hình 4.6 Đồng hồ điều khiển nhiệt độ Ewelly EW-988H 51

Hình 4.7 Máy đo nhiệt độ DT8016H 52

Hình 4.8 Đồng hồ đo áp suất 52

Hình 4.9 Đồng hồ đo lưu lượng nước 53

Hình 4.10 Đồng hồ điện một pha EMIC 54

Hình 5.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của bơm nhiệt ATW trong các ngày thí nghiệm 59

Hình 5.2 Sự thay đổi của áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 4/11/2016 60

Hình 5.3 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải, COP, nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 4/11/2016 60

Hình 5.4 Sự thay đổi COP, nhiệt độ nước thải vào và nhiệt độ nước thải ra của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng các lần đo trong ngày 4/11/2016 61

Hình 5.5 Sự thay đổi của áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 5/11/2016 61

Hình 5.6 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải, COP, nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 5/11/2016 62

Hình 5.7 Sự thay đổi COP, nhiệt độ nước thải vào và nhiệt độ nước thải ra của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng các lần đo trong ngày 5/11/2016 62

Hình 5.8 Sự thay đổi của áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 10/11/2016 63 Hình 5.9 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải, COP, nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 10/11/2016 63 Hình 5.10 Sự thay đổi COP, nhiệt độ nước thải vào và nhiệt độ nước thải ra của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng các lần đo trong ngày 10/11/2016 64 Hình 5.11 Sự thay đổi của áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 11/11/2016 64 Hình 5.12 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải, COP, nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 11/11/2016 65 Hình 5.13 Sự thay đổi COP, nhiệt độ nước thải vào và nhiệt độ nước thải ra của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng các lần đo trong ngày 11/11/2016 65 Hình 5.14 Sự thay đổi của áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 12/11/2016 66 Hình 5.15 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải, COP, nhiệt độ nước nóng theo thời gian ngày 12/11/2016 66 Hình 5.16 Sự thay đổi của COP theo nhiệt độ nước thải vào 67

Hình 5.17 Sự thay đổi của COP, nhiệt độ nước thải vào phụ thuộc vào lưu lượng

nước thải 68

Hình 5.18 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải vào và nhiệt độ môi trường đến

hiệu suất của bơm nhiệt ATW và bơm nhiệt WTW 69 Hình 5.19 So sánh COP của hệ thống bơm nhiệt WTW và hệ thống bơm nhiệt ATW trong các ngày thí nghiệm 70

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng 7 Bảng 1.2 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng 9 Bảng 1.3 Bảng so sánh hiệu quả năng lượng các phương pháp gia nhiệt 22

Bảng 2.1 Công nén l (kJ/kg) của các môi chất lạnh theo nhiệt độ ngưng tụ 31

Bảng 2.2 Hệ số bơm nhiệt φ của các loại môi chất lạnh theo nhiệt độ ngưng tụ 31 Bảng 2.3 Công nén l (kJ/kg) của các loại môi chất lạnh theo nhiệt độ bay hơi 32 Bảng 2.4 Hệ số bơm nhiệt φ của các loại môi chất lạnh theo nhiệt độ bay hơi 33 Bảng 2.5 Các thông số đặc trưng theo các loại môi chất lạnh 34 Bảng 3.1 Thông số các điểm nút của chu trình 36 Bảng 3.2 Thông số các điểm nút của chu trình bơm nhiệt 37 Bảng 5.1 Bảng kết quả thí nghiệm của bơm nhiệt đun nước nóng ATW 55 Bảng 5.2 Giá trị trung bình các thông số hoạt động của bơm nhiệt đun nước nóng ATW 58 Bảng 5.3 Bảng kết quả thí nghiệm hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng WTW 60 Bảng 5.4 Các bước tính tiết kiệm năng lượng tương đối của phương án dùng bơm nhiệt WTW so với phương án dùng bơm nhiệt ATW 71

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan

1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta

1.1.1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới

Các nguồn năng lượng sơ cấp như năng lượng hóa thạch của thế giới ngày càng cạn kiệt Toàn thế giới đang phải đối mặt nghiêm trọng với vấn đề tiết kiệm năng lượng sơ cấp Dân số thế giới càng tăng, kinh tế thế giới càng phát triển thì tiêu thụ năng lượng càng nhiều Có 3 nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng hóa thạch, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng hóa thạch chiếm đến 78,4 % và năng lượng hạt nhân chiếm 2,6 % ( 2013 ) Nhiên liệu hóa thạch được coi

là năng lượng sơ cấp.Trước đây năng lượng sơ cấp được tính theo tấn than đá tương đương, ký hiệu là tce (ton of coal equivalent, 1tce = 8,14 MWh lấy tròn là 8 MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của 1 kg than đá bằng 7000 kcal/kg), nhưng ngày nay được tính theo tấn dầu tương đương ký hiệu là toe ( ton of oil equivalent, 1 toe

= 41,868 GJ = 11,63 MWh lấy tròn là 12 MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của

1 kg dầu bằng 10000 kcal/kg

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thống kê vào năm 2013 [1]

Trong tương lai gần, toàn thế giới sẽ phải nỗ lực đi tìm kiếm những nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo để bù đắp cho sự thiếu hụt của năng lượng sơ cấp hóa thạch đang cạn kiệt

Vào đầu thế kỷ thứ 21 thế giới đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất chính là sự khủng hoảng về năng lượng Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới có thể tăng thêm 54 % (ước tính khoảng 404 nghìn triệu triệu Btu năm 2001 tới

623 nghìn triệu triệu Btu vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia

có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á

Hình 1.2 Mức tiêu thụ năng lượng

của thế giới từ 1970 đến 2025 (đơn vị

nghìn triệu Btu) [2]

Hình 1.3 Tiêu thụ năng lượng phân theo

khu vực (đơn vị nghìn triệu Btu) [2]

Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu

tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7,3 tỷ người vào năm 2015 Về vấn đề này,

có 3 điểm chúng ta cần lưu ý Một là, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua Thứ hai là, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn

chiếm 90 % tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2015 Thứ ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau

Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu Đây là vấn đề mà cả thế giới đang rất quan tâm Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách

Hình 1.4 Lượng khí thải CO2 sinh ra

do sử dụng năng lượng hóa thạch [2]

Hình 1.5 Biểu đồ tiêu thu năng lượng thế

giới của các nguồn năng lượng (%) [2]

1.1.1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Việt Nam

Theo một báo cáo của Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương), vào tháng 8 năm nay, nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần Than chỉ còn 3,88

tỷ tấn; dầu còn 2,3 tỷ tấn… Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng

ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế

giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 – 200 năm

Việt Nam cũng là một quốc gia số dân khoảng 86.020.000 người - thứ 13 trên thế giới (có hai thành phố là TP Hồ Chí Minh và Hà Nội có dân số trên 5.000.000 dân), nên nhu cầu về năng lượng rất lớn Số liệu do CIA World Factbook cung cấp cho thấy năm 2008, lượng điện năng tiêu thụ tại Việt Nam đứng thứ 25 trên thế giới

(76,269TWh), lượng năng lượng sơ cấp được sử dụng tại Việt Nam là 1,699.1015

BTU

(tương đương 447,3TWh) Theo dự báo của Viện Khoa học năng lượng Việt Nam, từ năm 2010 đến 2030, trong giai đoạn 5 năm, nhu cầu năng lượng từ 27 % đến 40 %, trong đó, nhu cầu năng lượng sơ cấp để sản xuất điện tăng từ 37 % đến 55 % Dự báo cũng cho thấy, để đáp ứng được các nhu cầu trên, đến năm 2020 Việt Nam sẽ trở thành quốc gia nhập khẩu năng lượng

Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12 % – 20 % năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50 % – 60 %, chưa kể điện hạt nhân Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án.Về xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, dự tính khi nhà máy lọc dầu Dung Quất đưa vào sử dụng năm 2009 – 2010, mới chỉ cung cấp được khoảng trên 5 triệu tấn xăng dầu cho giao thông vận tải trong tổng số nhu cầu 15 – 17 triệu tấn, vẫn phải nhập trên 10 triệu tấn

Mặc dù chúng ta là nước đang phát triển nhưng cũng không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới Ước tính nhu cầu năng lượng trung bình đến năm 2020 là 53,6 triệu TOE, riêng nhu cầu điện là 168 tỷ kWh

1.1.2 Lịch sử phát triển và các ứng dụng của bơm nhiệt

1.1.2.1 Lịch sử phát triển của bơm nhiệt

Năm 1834, Perkin đăng ký bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh, tới năm 1852, William Thomson (còn gọi là Lord Kenvin) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về bơm nhiệt trên thế giới Perkin và thomson đều là người Anh Mục đích sử dụng của bơm nhiệt này là để sưởi ấm phòng vào mùa đông Chu trình làm việc của bơm nhiệt cũng giống như máy lạnh, đó là chu trình nhiệt động ngược chiều Khác nhau giữa tên gọi máy lạnh và bơm nhiệt chỉ là mục đích sử dụng Ở máy lạnh, người ta sử dụng nguồn

lạnh ở dàn bay hơi, còn bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở dàn ngưng để sưởi

ấm hoặc đun nóng nước chẳng hạn

Thomson xây dựng thiết bị thử nghiệm với nguồn lạnh và nguồn nóng đều là nước.Theo tính toán lý thuyết, độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn chỉ cần 10 K, ví dụ, nguồn lạnh là 17 oC (290 K) và nguồn nóng là 27 oC (300 K), độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn nóng và nguồn lạnh 300 – 290 = 10 K, thì hệ số bơm nhiệt theo chu trình Canot sẽ là:

300

3010

Đó chính là lý do thất bại của Thomson, vì không khí có hệ số tỏa nhiệt rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 1 % so với hệ số tỏa nhiệt khi sôi và khi ngưng của các ga lạnh hiện đại, hơn nữa hiệu quả lạnh khi tiết lưu của không khí cũng rất thấp Sau nhiều lần vật lộn với thí nghiệm ông đã chịu bó tay và sáng chế của ông đã bị quên lãng quên gần một thế kỷ Ngay cả khi kỹ thuật lạnh đã đạt được những phát triển huy hoàng với các môi chất lạnh như CO2, SO2, và NH3 mà bơm nhiệt vẫn không hề được nhắc lại Mãi đến năm 1928, một người Mỹ là T.G Haldane mới quay lại nghiên cứu bơm nhiệt và đã chế tạo bơm nhiệt đầu tiên để sưởi ấm cho chính văn phòng của ông Haldane là người cổ vũ nhiệt tình cho bơm nhiệt nhưng đáng tiếc là ông cũng không xây dựng được thêm hệ thống bơm nhiệt nào Lý do cơ bản có lẻ là:

- Giá tiền đầu tư cho một bơm nhiệt còn khá cao, trong khi giá than, ga, dầu, củi…và có thể điện còn rẻ hơn nhiều so với bơm nhiệt

- Mặt khác cũng có thể là do nhiệt độ ngoài trời xuống quá thấp trong những mùa đông khắc nghiệt làm cho hiệu quả bơm nhiệt giảm, nhiệt dàn ngưng thiết kế không đủ sưởi ấm phòng…

- Những bơm nhiệt hoạt động có hiệu quả là những bơm nhiệt nén hơi Chúng đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật và hoạt động qua nhiều năm với hiệu quả nhiệt cao Một bơm nhiệt tiêu biểu đầu tiên có thể kể đến là bơm nhiệt sưởi ấm cho văn phòng công ty Southern California Edison Co ở Los Angerles Bơm nhiệt được xây dựng vào năm 1930, năng suất nhiệt 1050 kW và hệ số bơm nhiệt đạt 2,5

- Năm 1938 một bơm nhiệt năng suất 175 kW với hệ số bơm nhiệt 2,0 được lắp đặt tại tòa thị chính của Zurich và năm 1942 một bơm nhiệt khác được lắp đặt tại trường đại học kỹ thuật ETH Zurich với năng suất 7000 kW và hệ số bơm nhiệt đạt 3,0

1.1.2.2 Ứng dụng của bơm nhiệt

Ứng dụng rộng rãi nhất của bơm nhiệt là để sưởi ấm phòng vào mùa đông, làm mát vào mùa hè để trở thành máy điều hòa hai chiều Đây là loại bơm nhiệt có năng suất nhỏ từ vài kW đến vài chục kW sử dụng trong khu vực gia đình và thương nghiệp Dàn ngưng gió làm ấm trực tiếp không khí trong phòng, còn dàn bay hơi gió thu nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời Hầu hết bơm nhiệt loại này là bơm nhiệt nén hơi, dùng máy nén cơ chạy điện, máy nén dạng block piston, rôto hoặc xoắn ốc, có van đổi chế độ sưởi ấm mùa đông sang chế độ làm mát mùa hè Bơm nhiệt loại này còn được sử dụng trong công nghiệp sấy, hút ẩm…

Ứng dụng thứ hai là bơm nhiệt đun nước nóng từ 45 oC – 70 oC dùng cho gia đình, công sở, thương nghiệp và công nghiệp Bơm nhiệt loại này có dàn ngưng gia nhiệt cho nước trong bồn nước nóng, nước nóng sẽ được bơm đến hộ tiêu thụ Dàn bay hơi chủ yếu là loại gió thu nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời Cũng có loại dàn bay hơi là dàn nước thu nhiệt trực tiếp từ nước giếng khoan, nước máy, nước ao,

hồ, sông, suối hoặc nước thải có nhiệt độ cao, nước lấy từ bộ thu năng lượng mặt trời…

Trong công nghiệp, bơm nhiệt rất thích hợp ứng dụng cho những khu vực cần lượng nước nóng lớn như khách sạn, khu tổ hợp chung cư, nhà máy sản xuất thực

phẩm, nhà hàng, xưởng giặt ủi và bệnh viện Với việc sử dụng nước nóng thường xuyên, chi phí điện năng, dầu là rất lớn Áp dụng công nghệ bơm nhiệt sẽ góp phần cải thiện đáng kể chi phí khổng lồ trên

Bảng 1.1 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng

TT Mục đích sử dụng Năng suất

nhiệt, kW

Nhiệt độ nguồn lạnh,

o C

Nhiệt độ nguồn nóng,

Đun nước nóng gia dụng

bằng bơm nhiệt gió nước

(ATW heat pump)

2,3 – 14 Nhiệt độ môi

trường 45 – 50

3

Đun nước nóng thương

nghiệp và công nghiệp

(ATW heat pump)

14 – 250 Nhiệt độ môi

trường 45 – 70

Nhiệt và ẩm cùng gió tuần

5

Quay vòng dòng nhiệt trong

công nghiệp bay hơi cô đặc,

tháp chưng cất, xưởng giặt

ủi, tẩy rửa vệ sinh thiết bị

hoặc buồng sấy

250 – 1000 30 – 130 30 – 50

6

Thu hồi nhiệt thải từ các quá

trình công nghệ, khu đô thị,

khu dân cư, sản xuất hơi

công nghệ, kết hợp với trung

tâm cấp nhiệt, cấp lạnh, thu

hồi nhiệt ngưng tụ

1000 – 5000 30 – 70 50 – 120

1.1.3 Khái quát về nhiệt thải

1.1.3.1 Khái quát chung

Nhiệt thải là phần năng lượng ở dạng nhiệt năng trong phần chênh lệch giữa

phần năng lượng được cấp vào để chuyển hóa vào các mục tiêu có ích Nói cách khác,

nhiệt thải là dạng năng lượng ở phần nhiệt năng được thải bỏ ra ngoài môi trường sau

một quá trình sử dụng năng lượng bất kỳ

Tùy theo đặc điểm của nguồn nhiệt thải và không phải bất kỳ nguồn nhiệt thải

nào cũng đều có thể tận dụng được Để làm cho quá trình tận dụng nhiệt thải mang

tính khả thi hiệu quả và hợp lý, cần chú ý không chỉ đặc điểm của nguồn nhiệt thải,

mà còn chú ý đặc điểm phía sử dụng cụ thể lưu ý các yếu tố sau:

- Chủng loại, thành phần hóa học và các thông số cơ bản của nhiệt thải như:

áp suất, nhiệt độ và lưu lượng

- Mức độ ổn định và liên tục của nhiệt thải

- Mục đích và qui mô sử dụng

- Công nghệ và sơ đồ của hệ thống tận dụng nhiệt thải

- Hiệu quả kinh tế

Việc tận dụng nhiệt thải để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trong thực tế

là một trong những hướng đang được quan tâm Đây là một trong những giải pháp

then chốt góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

1.1.3.2 Các nguồn nhiệt thải

Tùy nguồn gốc phát sinh, người ta chia các nguồn nhiệt thải ra hai loại:

- Loại thứ nhất: bao gồm tất cả các nguồn nhiệt thải phát sinh từ các quá trình

sản xuất trong công nghiệp chủng loại các nguồn nhiệt thải này khá đa dạng, thường

là nước nóng, hơi nước, không khí nóng và khói thải

- Loại thứ hai: là các thành phần nhiệt thải do các động cơ nhiệt nhả ra môi

trường trong quá trình làm việc hoặc nhiệt lượng do các chất môi giới dùng để làm

mát động cơ và các thành phần khí thải khác mang ra

Khi sử dụng nhiệt thải nói chung các nhà thiết kế cần căn cứ vào nhiệt độ của

nguồn nhiệt thải để quyết định phương án tận dụng hoặc lựa chọn chuẩn loại thiết bị

thích hợp, tùy theo mức độ người ta chia các nguồn nhiệt thải ra làm ba loại: nhiệt

thế cao, nhiệt thế trung bình và nhiệt thế thấp

Bảng 1.2 Một số loại nhiệt thải và nhiệt thế tương ứng

điều hòa không khí water chiller Nước làm mát máy nén

1.1.3.3 Thiết bị sử dụng nhiệt thải

Việc khai thác và tận dụng các nguồn nhiệt thải có thể được thực bằng cách trực

tiếp hoặc gián tiếp Nếu nguồn nhiệt thải đảm bảo độ sạch và không gây ăn mòn thì

có thể sử dụng trực tiếp Ngược lại người ta sử dụng gián tiếp các nguồn nhiệt thải

thông qua trung gian các bộ trao đổi nhiệt phụ thuộc vào chuẩn loại và tính chất vật

lý của nguồn nhiệt thải mà các bộ trao đổi nhiệt được lựa chọn cũng sẽ khác nhau

- Nếu nguồn nhiệt thải ở thể khí như: khói thải từ động cơ đốt trong hoặc tuabin khí, bộ trao đổi nhiệt sẽ là loại khí – hơi (Exhaust gas – to – steam heat exchanger) hoặc khí – nước nóng (Exhaust gas – to – hot water heat exchanger)

- Nếu nguồn nhiệt thải ở thể lỏng như: Nước giải nhiệt bình ngưng của hệ water chiller hoặc nước làm mát máy nén tùy vào nhiệt độ chất lỏng mà bộ trao đổi nhiệt

có dạng lỏng – hơi nước hoặc lỏng – nước nóng

Dù cấp nhiệt trực tiếp hay gián tiếp, đều phải lưu ý đến mức độ trong sạch và khả năng đóng cáu và ăn mòn thiết bị của nguồn nhiệt thải Phụ thuộc vào mức độ ổn định và khả năng cấp nhiệt của các nguồn nhiệt thải, cần lắp đặt hệ thống cấp nhiệt

hổ trợ, để đảm bảo sự vận hành tin cậy của hệ thống

1.1.4 Nguồn nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí water chiller

Water chiller là một hệ máy làm lạnh nước công nghiệp Nhiệt độ nước tạo ra

từ 6 oC ~ 30 oC (nhiệt độ bình thường của nước là 30 oC, nếu chỉ cần nhiệt độ khoảng

30 oC cho nhu cầu sản xuất thì chỉ nên dùng tháp giải nhiệt nước cooling tower Cooling tower có khả năng hạ nhiệt độ nước nóng từ quá trình sản xuất từ 90 oC ~ 40

oC xuống nhiệt độ nước môi trường bình thường là 30 oC)

Hình 1.6 giới thiệu hệ thống điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt bằng nước

hệ thống trong đó dàn lạnh không trực tiếp xử lý không khí mà làm lạnh nước đến khoảng 7 oC Sau đó nước được dẫn theo đường ống có bọc đến các dàn trao đổi nhiệt

để xử lý không khí gọi là các FCU và AHU

Hai phần nhiệt nóng và nhiệt lạnh được tách riêng bởi công suất điện năng tiêu thụ Phần nhiệt lạnh sử dụng để tạo ra nước lạnh phục vụ các nhu cầu sau đây:

- Giải nhiệt công nghiệp: Sử dụng trong các nhà máy nhựa, làm lạnh in màu, giải nhiệt cầu máy cơ khí, cấp nước lạnh để trộn betong, làm lạnh quá trình qua trộn hóa chất nhờ có dãy điều chỉnh nhiệt độ nước rộng, từ 6 oC đến 30 oC

- Điều hòa không khí trung tâm nước: Phù hợp với môi trường nhà sách, siêu thị, không gian xưởng công nghiệp như nhà thuốc, bệnh viện hay các trung tâm thương mại vì nó có dãy điều chỉnh nhiệt độ nước hẹp, từ 7 oC đến 12 oC tạo ra được không gian trong lành dịu mát cho môi trường làm việc

Phần nhiệt nóng không sử dụng thải ra môi trường xung quanh bằng tháp giải nhiệt cooling tower: nước vào bình ngưng là 30 oC và nước ra khỏi bình ngưng từ 35 oC đến 43 oC Phần nhiệt thải này có thể sử dụng để cấp nhiệt cho thiết bị bay hơi của hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng

1.1.5 Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam

Là một quốc gia có bờ biển dài hơn 3.260 km, Việt Nam là một quốc gia rất có tiềm năng về phát triển du lịch Do đó, nhu cầu về xây dựng các khu nghỉ dưỡng khách sạn tăng lên hàng năm Thống kê cho thấy, chỉ riêng đối với TP Hồ Chí Minh, hiện tại

có 641 khách sạn với 17.646 phòng, trong đó 11 khách sạn 5 sao (Caravelle, Sheraton, Moevenpick (Omni cũ), New World, Equatorial, Legend, Renaissance Riverside, Windsor Plaza, Sofitel Plaza, Park Hyatt, Majestic) với tổng cộng 3.592 phòng, 8 khách sạn 4 sao với 1.281 phòng và 20 khách sạn 3 sao với 1.621 phòng Tuy nhiên,

số lượng phòng cao cấp này vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của du khách đến thành phố hàng năm Dự kiến đến năm 2020, thành phố sẽ xây thêm 10 nghìn phòng 4 hoặc 5 sao [3] Các số liệu trên cho thấy, dịch vụ du lịch cũng là thị trường tiềm năng, rất đáng quan tâm của các nhà cung cấp sản phẩm nước nóng sử dụng bơm nhiệt

Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta là rất lớn không chỉ trong ngành dịch vụ

du lịch mà cả các ngành công nghiệp Nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình gia nhiệt thường là điện năng (bình nước nóng trong sinh hoạt), năng lượng hóa thạch cấp nhiệt cho quá trình sản xuất nước nóng phục vụ trong các ngành công nghiệp Vì vậy bơm nhiệt cấp nước nóng sẽ đóng góp một vai trò quan trọng trong việc giảm tiêu tốn nguồn năng lượng

1.1.6 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước

1.1.6.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Liên quan tới các nghiên cứu bơm nhiệt cấp nước nóng, S.ITO và các cộng sự [4] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng hỗ trợ một bộ thu năng lượng mặt trời là thiết bị bay hơi tổng diện tích bộ thu năng lượng mặt trời là 3,24 m2, máy nén có công suất là 350 W Kết quả nghiên cứu đo được, khoảng giữa trưa vào mùa đông nhiệt độ bay hơi khoảng 17 oC và nhiệt độ nước nóng 40 oC thì COP của hệ thống là 5,3 Sun và các cộng sự [5] đã thực hiện nghiên cứu giữa hai hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng dưới điều kiện hoạt động khác nhau Kết quả phân tích cho thấy hiệu suất COP trung bình hàng năm của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng kết hợp năng lượng mặt trời cao hơn đáng kể so với các hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng không khí thông thường, đặc biệt là trong mùa đông Trong năm 2005, Xu Guoying và các cộng sự [6] đã đưa ra một nghiên cứu mô phỏng về ảnh hưởng của điều kiện hoạt động đến hiệu suất của một hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng được thiết kế đặc biệt bộ thu nhiệt tấm phẳng là thiết bị bay hơi với ống xoắn ốc thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời và cả không khí xung quanh để hổ trợ cho bơm nhiệt Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng không chỉ hiệu suất hoạt động tổng thể của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng được nâng cao mà còn có thể sản xuất nước nóng ở 55 oC trong tất cả các điều kiện thời tiết Y.W Li và các cộng sự [7] đã nghiên cứu tính toán, thiết kế mô hình thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng, máy nén công suất 0,75 kW sử dụng môi chất lạnh R22, bình chứa nước nóng

có thể tích 150 lít, thiết bị bay hơi là bộ thu tấm phẳng năng lượng mặt trời hỗ trợ cho bơm nhiệt diện tích 4,20 m2 Các kết quả nghiên cứu thực hiện trong điều kiện thời

tiết mùa xuân ở Thượng Hải cho thấy hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng COP lớn nhất đạt 6,61 khi gia nhiệt 150 lít nước từ 13,4 oC đến 50,5 oC trong 94 phút với nhiệt

độ môi trường xung quanh trung bình 20,6 oC và cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình 955 W/m2, vào một đêm mưa COP của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng có thể đạt 3,11 nhiệt độ trung bình môi trường xung quanh 17,1 oC, và COP trung bình theo mùa của hệ thống có thể đạt 5,25 Wei Chena và các cộng sự [8] đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và mô phỏng dựa trên chương trình MATLAB hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng hỗ trợ của bộ hồi nhiệt và thiết bị bay hơi có thể thu hồi nhiệt thải của nước tắm từ 30 đến 40 oC Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng này hoạt động ổn định trong bất cứ mùa nào của điều kiện thời tiết Hệ số COP tối ưu của hệ thống đạt 4,97, tương ứng với nhiệt

độ ngưng tụ là 51,5 oC và nhiệt bay hơi là 11,68 oC Huang và các cộng sự [9] đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng có sự kết hợp của ống nhiệt ở thiết bị bay hơi diện tích 3,78 m2, bình nước nóng thể tích 240 lít, công suất máy nén là 550 W Kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy rằng COP của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng hoạt động ở chế độ hỗ trợ của ống nhiệt có thể đạt 3,32 tăng 28,7 % so với COP của hệ thống hoạt động ở chế độ không hỗ trợ ống nhiệt (2,58) COP cao nhất thu được trong nghiên cứu này là 3,5 Sadasuke và Naokatsu [10] tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống bơm nhệt cấp nước nóng

sử dụng nguồn nhiệt kép nước và không khí được thiết kế song song cho thiết bị bay hơi Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống khi hoạt động ở chế độ nguồn nhiệt kép có hiệu suất nhiệt (COP) cao hơn so hệ thống khi hoạt động ở chế độ nguồn nhiệt đơn lẻ Kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá của Arif và Yildiz [11] đã kết luận rằng hệ thống bơm nhiệt nước nóng hỗ trợ năng lượng mặt trời sử dụng tấm collectors làm thiết bị bay hơi đạt hiệu suất nhiệt cao (COP) dao động từ 1,7 đến 6,0 Chyng và các cộng sự [12] đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng kết hợp với thực nghiệm về hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt nước nóng hỗ trợ năng lượng mặt trời Kết quả nghiên cứu, phân tích và đánh giá cho thấy rằng tổng hiệu suất nhiệt (COP) của hệ thống có thể đạt 2,5 quanh năm tùy thuộc vào mùa và điều kiện thời tiết

Yusuf và Bedri [13] đã nghiên cứu tận dụng nguồn nước thải địa nhiệt 35 oC lưu thông qua thiết bị bay hơi của hệ thống bơm nhiệt để cải thiện nhiệt độ môi trường thấp và tránh đóng băng xảy ra Kết quả cho thấy tổng hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống đạt 2,8 Chaturvede và các cộng sự [14] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng hỗ trợ bộ thu năng lượng mặt trời đóng vai trò là thiết bị bay hơi Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ảnh hưởng của nhiệt

độ môi trường đến hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt là rất lớn Hiệu suất (COP) của

hệ thống đạt được cao hơn (điều kiện mùa hè) so hiệu suất (COP) của hệ thống khi hoạt động trong điều kiện thời tiết xung quanh thấp (điều kiện mùa đông) Kết quả nghiên cứu cho thấy COP của hệ thống được cải thiện đáng kể dao động từ 2,5 đến 4,0 Hawlader cùng các cộng sự [15] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng hỗ trợ bộ thu năng lượng mặt trời đóng vai trò là thiết bị bay hơi Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng giá trị trung bình COP của hệ thống dao động từ 4,0 đến 9,0 khi hiệu quả sử dụng của bộ thu năng lượng mặt trời dao động từ 40 % đến 75 % và nhiệt bình chứa nước nóng dao động

từ 30 oC đến 50 oC Huang và Lee [16] đã nghiên cứu thực nghiệm so sánh và phân tích về hiệu suất dài hạn của hệ thống bơm nhiệt nước nóng hỗ trợ năng lượng mặt trời Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng thời gian hoạt động tích lũy hơn 20.000 giờ thí nghiệm thì việc tiêu thụ năng lượng trung bình của hệ thống là 0,019 kWh/lít nước nóng ở 57 0C, thấp hơn nhiều so với mức tiêu thụ năng lượng điện dự phòng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời thông thường

Ngoài ra ra các ảnh hưởng của các thông số khác nhau, bao gồm cả ánh nắng mặt trời, nhiệt độ môi trường xung quanh, khu vực thu, khối lượng lưu trữ và tốc độ của máy nén, đến hiệu suất nhiệt của hệ thống hệ bơm nhiệt cấp nước nóng hỗ trợ trực tiếp từ bộ thu năng lượng mặt trời đã được Kuang và các cộng sự [17] nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, kết quả đã cho thấy COP của hệ thống dao động từ 4,0 đến 6,0 Các thí nghiệm cũng được tiến hành trong thời gian mùa đông và hệ thống có thể đạt được COP lớn hơn 2,5 ngay cả ở nhiệt độ môi trường thấp và điều kiện bức xạ mặt trời kém Mặc dù hiệu suất của hệ thống được đánh giá thấp về mặt

lý thuyết nhưng hiệu suất thực tế của hệ thống trong mùa đông là tốt hơn nhiều do tăng nhiệt ẩn từ xung quanh Mete và Berrin [18] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm ảnh hưởng của nguồn khí hậu đến hiệu suất bơm nhiệt Hiệu suất hệ thống được đánh giá theo các vùng khí hậu khác nhau với sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm lần lượt tương ứng các giá trị như sau: 5, 10, 20, 30 và 40 %, 70 % và 80 % tương ứng để mô phỏng các điều kiện thời tiết thực tế bằng một chương trình MATLAB 7.3 Các thí nghiệm cho thấy, hiệu suất của toàn bộ hệ thống là tỷ lệ thuận với điều kiện môi trường Trong khi điều kiện môi trường xung quanh cao nhất với 30 oC và độ ẩm 80 % thì hiệu suất của bơm nhiệt là cao nhất, thời tiết xấu với 5 oC và độ ẩm 80 % làm cho hiệu suất của

hệ thống giảm Năm 1981 Morgan [19] đã nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời sử dụng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ môi trường ban ngày trên 25 oC và cho phép thiết bị bay hơi được vận hành ở nhiệt độ cao dao động từ 15 °C đến 50 °C tùy thuộc vào đầu vào năng lượng mặt trời Kết quả thực nghiệm thu được COP trung bình của hệ thống dao động từ 2,5 đến 3,5

Cao và các cộng sự [20] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi mối tương quan giữa các dữ liệu nhiệt độ đầu hút, nhiệt độ bay hơi, điện năng tiêu thụ và hệ số hiệu suất, khi nhiệt độ bay hơi tăng thì hệ số hiệu suất của hệ thống tăng và điện năng tiêu thụ giảm Ali và các cộng sự [21] đã nghiên cứu nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt ở điều kiện khí hậu thấpvới hỗn hợp môi chất lạnh Kết quả Phân tích hiệu suất theo mùa chứng minh rằng bằng cách sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh R32-CO2 (80/20) cho hệ thống bơm nhiệt ở điều kiện khí hậu thấp, có thể tiết kiệm đến 12 %về tiêu thụ năng lượng Với hỗn hợp môi chất lạnh R32-CO2 thay đổi tỷ lệ, có thể tiết kiệm về tiêu thụ năng lượng lên đến 23 % theo mùa Áp dụng hỗn hợp môi chất lạnh R32-CO2 trong bơm nhiệt không chỉ sẽ làm giảm tiêu thụ năng lượng mà còn sẽ làm giảm GWP bằng 16 %, so với R410A Oguzahan và các cộng

sự [22] đã nghiên cứu thiết kế ứng dụng bộ trao đổi nhiệt để thu hồi nhiệt thải từ

nguồn nhiệt nước thải như nước nóng trong đô thị đã qua sử dụng và hệ thống nước thải đã

xử lý và chưa xử lý để cấp nhiệt cho thiết bị bay hơi của hệ thống bơm nhiệt cho các tòa nhà Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng hệ thống này có thể thực hiện cho quá trình sưởi sưởi (ví dụ như hệ thống sưởi khu vực, sản xuất nước nóng ), và làm mát, làm giảm tới 40 % chi phí nhiệt, nếu không có công nghệ này thì gần 90 % năng lượng sẽ biến mất trong kênh nước thải Sử dụng các hệ thống này làm giảm thải cacbon, thải nhiệt vào môi trường, ô nhiễm không khí và tiêu thụ điện Hơn nữa, chi phí thấp, lắp đặt đơn giản, và chi phí bảo trì thấp Đó là những ưu điểm của các hệ thống này Tuy nhiên việc Thiết kế bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải là vô cùng quan trọng vì dựa trên yêu cầu về quá trình truyền nhiệt và hệ thống phải làm việc với nước thải nên các vấn đề thường phải đối mặt là ô nhiễm, sự cản trở, và ăn mòn Do đó, hệ thống yêu cầu một thiết kế phù hợp và một công nghệ làm sạch để duy trì sự truyền nhiệt hiệu quả

1.1.6.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta việc tiếp cận với công nghệ sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt vẫn hạn chế do nhiều nguyên nhân, trong đó một trong những nguyên nhân chính là giá thành cao Tuy chi phí đầu tư cao nhưng chi phí vận hành bơm nhiệt hàng năm thấp hơn nhiều so với việc sử dụng điện, gas, dầu để sản xuất nước nóng Nếu được lắp đặt hợp lý, sẽ tiết kiệm được chi phí vận hành, mang lại khả năng thu hồi vốn nhanh Ngoài ra, thị trường và người tiêu dùng còn xa lạ và chưa hiểu hết lợi ích kinh tế và

xã hội của bơm nhiệt nên việc sử dụng trở nên hạn chế Hoàng Ngọc Đồng [23] nghiên cứu được khả năng sử dụng bơm nhiệt để gia nhiệt nước nóng trong phạm vi nhiệt độ

lừ 35 °C đến 41 °C trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đối chứng, sử dụng bơm nhiệt

để gia nhiệt nước có hiệu quả cao hơn so với dùng dây điện trở để đốt nóng nước cũng

như các thiết bị gia nhiệt nước nóng hiện nay đang sử dụng Nguyễn Nguyên An [24] nghiên cứu chế tạo hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng dung tích 50 lít Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng dung tích 50 lít với nhiệt độ ban đầu là 34,2 oC sau khoảng thời gian 30 phút, nhiệt độ nước nóng là 44,7 oCđiện năng đo được trong khoảng thời gian tiêu thụ này là 0,19 kWh Hệ số hiệu quả của bơm nhiệt, COP trong trường hợp này tính được là 3,25 Phạm Minh Mận và Nguyễn

Công Vinh [25] nghiên cứu việc sử dụng máy bơm nhiệt tiết kiệm năng lượng để gia nhiệt hệ thống nước nóng Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian gia nhiệt 20 lít nước từ 26 oC lến đến 42 oC thực tế từ mô hình chế tạo là khoảng 60 đến 65 phút, điện năng tiêu thụ cho hệ thống bơm nhiệt gồm máy nén lạnh 160 W và quạt dàn bay hơi 20 W Vậy tổng lượng điện tiêu thụ để gia nhiệt 20 lít nước 26 oC lên đến 42 oC của hệ thống bơm nhiệt trong 1 giờ là 180 Wh Kết quả lượng điện năng tiêu thụ khi gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt tiết kiệm hơn 50 % so với gia nhiệt bằng điện trở Nguyễn Đình Vịnh và Hà Đăng Trung [26] đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống bơm nhiệt nước nóng sử dụng tác nhân lạnh là R22, dàn lạnh không khí ở điều kiện Việt Nam Các tác giả đã kết luận hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng

có COP đạt 3,3 đến 3,8 trong điều kiện môi trường trong nhà là 22 oC và độ ẩm 60 % tiết kiệm được 65 % đến 70 % năng lượng tiêu thụ so với bình gia nhiệt nước nóng bằng điện trở

Một số công trình ứng dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng như:

Tại khách sạn Sheraton Hà Nội, với 6 bộ bơm nhiệt được lắp đặt cho khu vực giặt là mỗi ngày khách sạn có thể tiết kiệm trên 300 lít dầu, tổng số tiền tiết kiệm cả năm từ bơm nhiệt là 53.000 USD

Hình 1.7 Hệ thống bơm khách sạn Sheraton Hà Nội [27]