Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch là thách thức lớn đối với môi trường sinh thái. Theo thống kê năm 2014, lượng phát thải khí carbon dioxide ($CO_2$) toàn cầu đạt xấp xỉ 35,669 tỷ tấn. Các báo cáo từ Ban Thay đổi Khí hậu Liên chính phủ (IPCC) vào tháng 11/2007 cùng các hội nghị khí hậu quốc tế tại Indonesia (UNO) và Hội nghị thượng đỉnh G8 tại Nhật Bản (tháng 7/2008) đều nhấn mạnh sự cấp thiết của việc cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và chuyển dịch sang năng lượng tái tạo, năng lượng thu gom từ môi trường. Trong các công nghệ hiện hành, máy bơm nhiệt (heat pump) được xác định là giải pháp kỹ thuật có tiềm năng giảm phát thải $CO_2$ từ 40% đến 60% trong khu vực dân dụng và thương nghiệp so với việc đốt trực tiếp gas, dầu hay sưởi điện trở.
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng nước nóng phục vụ sinh hoạt, dịch vụ thương mại và các quy trình công nghiệp (lau rửa, sấy khô, chưng cất, chế biến thực phẩm) ngày càng tăng cao. Phương pháp đun nước nóng bằng thanh điện trở vẫn chiếm tỷ trọng lớn dù tiêu tốn năng lượng gấp khoảng 3 lần so với công nghệ bơm nhiệt. Tuy nhiên, hiệu quả làm việc của bơm nhiệt — đặc trưng bởi hệ số hiệu quả năng lượng COP (tỷ số giữa lượng nhiệt cấp cho nước tại dàn ngưng tụ và lượng điện năng tiêu thụ tại máy nén) — phụ thuộc chặt chẽ vào độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nhiệt thấp (không khí môi trường) và nguồn nhiệt cao (nước nóng cần sử dụng). Theo các nghiên cứu công bố trên thế giới, giá trị COP của bơm nhiệt có thể biến thiên trong dải rộng từ 1,8 đến 5,5.
Khí hậu Việt Nam mang đặc thù nhiệt đới gió mùa với sự phân hóa mạnh mẽ giữa các mùa và các vùng địa lý: khu vực miền Bắc vào mùa đông nhiệt độ có thể xuống dưới 5°C, trong khi mùa hè có thể vượt 40°C; các vùng miền Trung và miền Nam lại có nền nhiệt độ và độ ẩm hoàn toàn khác biệt. Sự biến đổi nhiệt độ môi trường ($t_{kk}$) và nhiệt độ nước yêu cầu ($t_n$) tác động trực tiếp đến chế độ làm việc nhiệt động của bơm nhiệt, khiến mức độ tiết kiệm điện năng tại từng địa phương có sự chênh lệch lớn. Dù trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về bơm nhiệt của các tác giả tại Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Đà Nẵng, việc đánh giá định lượng, chi tiết hiệu quả năng lượng COP và tính kinh tế của bơm nhiệt gắn liền với điều kiện khí hậu cụ thể của từng tỉnh thành ở Việt Nam vẫn còn phân tán và chưa đầy đủ.
Từ bối cảnh thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý, cấu tạo và tình hình ứng dụng, nghiên cứu bơm nhiệt sản xuất nước nóng trong và ngoài nước.
- Xây dựng mô hình toán học và chương trình mô phỏng hoạt động của bơm nhiệt sản xuất nước nóng; nghiên cứu sự tương tác giữa các bộ phận cấu thành và trao đổi nhiệt với môi trường.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước cấp vào dàn ngưng và nhiệt độ môi trường xung quanh đến hệ số hiệu quả năng lượng COP của bơm nhiệt ở chế độ vận hành ổn định và quá trình đun nước không ổn định từ nhiệt độ ban đầu.
- Tính toán, đánh giá định lượng hệ số COP và điện năng tiêu thụ của bơm nhiệt tại các vùng khí hậu khác nhau của Việt Nam.
- So sánh hiệu quả năng lượng và kinh tế giữa việc sử dụng bơm nhiệt với phương pháp đun nước bằng điện trở; đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng môi chất lạnh R134a, máy nén piston kín Danfoss MTZ18-5 và mô hình máy nén xoắn ốc kín.
- Phạm vi không gian: Điều kiện khí hậu tại các vùng miền của Việt Nam, khảo sát cụ thể tại 7 tỉnh/thành phố đại diện (Điện Biên, Bắc Kạn, Quảng Trị, Quảng Ngãi, Gia Lai, TP. Hồ Chí Minh và một trạm quan trắc phía Bắc).
- Phạm vi thông số: Nhiệt độ môi trường không khí khảo sát trong dải từ 5°C đến 25°C (và mở rộng theo số liệu quan trắc địa phương lên tới 38°C); nhiệt độ nước nóng gia nhiệt trong bình chứa dung tích 100 lít từ nhiệt độ môi trường đến dải 35°C – 60°C.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu dựa trên cơ sở nhiệt động học của chu trình bơm nhiệt nén hơi một cấp hoạt động theo đồ thị áp suất – entanpi ($\log p - i$). Chu trình khép kín bao gồm 4 quá trình cơ bản: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất bay hơi $p_o$ lên áp suất ngưng tụ $p_k$ trong máy nén; quá trình làm mát hơi quá nhiệt, ngưng tụ đẳng áp và quá lạnh lỏng trong thiết bị ngưng tụ; quá trình tiết lưu giảm áp đẳng entanpi ($i_3 = i_4$) qua van tiết lưu; quá trình nhận nhiệt từ môi trường không khí để bay hơi đẳng áp trong thiết bị bay hơi.
Môi chất lạnh được lựa chọn trong nghiên cứu là R134a. Đây là môi chất có chỉ số phá hủy tầng ozon bằng không ($ODP = 0$), nhiệt độ tự cháy cao (743°C), nhiệt độ cuối tầm nén trong điều kiện làm việc tại Việt Nam duy trì dưới 90°C (đảm bảo độ nhớt và tính chất bôi trơn của dầu máy nén), và có khả năng vận hành ổn định ở nhiệt độ ngưng tụ trên 70°C.
Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa toán học và xử lý số liệu thực nghiệm:
- Phương pháp kết hợp (component-based method): Đây là phương pháp chủ đạo, trong đó từng thiết bị thành phần (máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, van tiết lưu) được mô hình hóa chi tiết bằng các phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng, sau đó tích hợp thành một hệ phương trình mô tả toàn bộ hệ thống.
- Phương pháp hàm đặc tính: Ứng dụng dạng hàm đa thức hai biến bậc hai của Rice để mô tả công suất nhiệt và công suất điện theo nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi ($t_{kk,v}$) và nhiệt độ nước vào dàn ngưng ($t_{n,v}$) thông qua 6 hệ số thực nghiệm ($c_1$ đến $c_6$). Phương pháp này được sử dụng kết hợp để hiệu chỉnh và ngoại suy các đặc tính vận hành.
- Công cụ phần mềm và nguồn dữ liệu:
- Môi trường lập trình giải hệ phương trình kỹ thuật EES (Engineering Equation Solver) dùng để giải đồng thời hệ phương trình phi tuyến xác định nhiệt độ bay hơi $t_o$, nhiệt độ ngưng tụ $t_k$, lưu lượng khối lượng môi chất $m_r$, công suất điện tiêu thụ $N_{el}$, công suất nhiệt $Q_k$ và hệ số $COP$.
- Các phần mềm toán học chuyên dụng TableCurve 2D, TableCurve 3D và CurveExpert Professional dùng để xử lý hồi quy dữ liệu thực nghiệm và tối ưu hóa các phương trình giải tích mô tả đặc tính máy nén và hệ số trao đổi nhiệt.
- Nguồn số liệu kiểm chứng: Dữ liệu thực nghiệm của máy nén piston Danfoss MTZ18-5 công bố theo tiêu chuẩn ARI (độ quá nhiệt $\Delta t_{qn} = 11,1\text{ K}$, độ quá lạnh $\Delta t_{ql} = 8,3\text{ K}$, nhiệt độ bay hơi từ -10°C đến 20°C, nhiệt độ ngưng tụ từ 40°C đến 65°C) và dữ liệu chuỗi nhiệt độ khí hậu tại các trạm quan trắc của Việt Nam.
Thiết kế mô hình và công cụ mô phỏng kỹ thuật
Mô hình kỹ thuật được thiết lập thông qua việc liên kết các hệ phương trình giải tích cho từng bộ phận của bơm nhiệt:
-
Mô hình thiết bị ngưng tụ: Dàn ngưng tụ dạng ống xoắn ruột gà đặt trong bình chứa nước được chia thành hai vùng trao đổi nhiệt riêng biệt: vùng làm mát hơi quá nhiệt một pha (quá trình từ trạng thái hơi quá nhiệt đầu đẩy $2r$ về hơi bão hòa khô $3''$) và vùng ngưng tụ hai pha (từ hơi bão hòa khô $3''$ ngưng tụ thành lỏng sôi $3'$ và hóa lỏng quá lạnh $3$). Để phản ánh sự biến thiên vận tốc dòng chảy và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dọc theo chiều dài ống xoắn khi màng chất lỏng dày lên, nghiên cứu đưa vào hệ số hiệu chỉnh $\alpha(t_k, t_o)$ được xây dựng bằng phần mềm TableCurve 3D, từ đó xác định chính xác công suất truyền nhiệt dàn ngưng:
$$Q_k = f_{ng} \cdot k_{nt,ng} \cdot F_{nt} \cdot \Delta t_{nt,ng} + (1 - f_{ng}) \cdot k_{nt,qn} \cdot F_{nt} \cdot \Delta t_{nt,qn}$$
Trong đó $f_{ng}$ là tỷ lệ diện tích phần ngưng tụ; $k_{nt,ng}$, $k_{nt,qn}$ lần lượt là hệ số truyền nhiệt trung bình phần ngưng và phần quá nhiệt; $F_{nt}$ là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; $\Delta t_{nt}$ là độ chênh nhiệt độ trung bình logarit.
-
Mô hình thiết bị bay hơi: Công suất nhận nhiệt từ môi trường không khí $Q_o$ được cân bằng với biến thiên entanpi của môi chất ($i_1 - i_4$) và phương trình truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức qua bề mặt cánh $F_{bh}$. Để hạn chế sai số khi chế độ vận hành thay đổi, mô hình bổ sung hệ số hiệu chỉnh $\beta(t_k, t_o)$:
$$Q_o = \beta \cdot k_{bh} \cdot F_{bh} \cdot \Delta t_o = m_r \cdot (i_1 - i_4)$$
-
Mô hình máy nén:
- Với máy nén piston Danfoss MTZ18-5, lưu lượng khối lượng môi chất thực tế $m_r$ được xác định thông qua hiệu suất thể tích $\lambda$ và thể tích quét lý thuyết $V_h$:
$$m_r = \frac{\lambda \cdot V_h}{v_1}$$
Hiệu suất thể tích $\lambda$ và hiệu suất không thuận nghịch $\eta_s$ được biểu diễn giải tích dưới dạng hàm số của áp suất bay hơi $p_o$ và áp suất ngưng tụ $p_k$.
- Với mô hình máy nén xoắn ốc kín, nghiên cứu xây dựng sơ đồ nhiệt động chi tiết tính đến hiện tượng truyền nhiệt bên trong vỏ máy: quá trình gia nhiệt hơi đầu hút ($1 \rightarrow 1h$) nhận nhiệt $Q_h$ từ bề mặt chi tiết bên trong; quá trình nén thực tế ($1h \rightarrow 2r$); quá trình thải nhiệt hơi đầu đẩy ($2r \rightarrow 2$) tỏa nhiệt $Q_d$ cho các chi tiết có nhiệt độ thấp hơn. Bề mặt các chi tiết máy nén được giả thiết có nhiệt độ đẳng nhiệt $t_w$. Phương trình cân bằng năng lượng vỏ máy nén xác định qua tổn thất công suất cơ - điện $N_{tt}$ và nhiệt thải ra môi trường bên ngoài $Q_{mt}$:
$$Q_d + N_{tt} = Q_h + Q_{mt}$$
-
Thuật toán giải chu trình trên EES: Chương trình nhập các thông số đầu vào gồm nhiệt độ môi trường $t_{kk}$, nhiệt độ nước ban đầu $t_n$, thể tích bình chứa $V = 100\text{ lít}$. EES thiết lập vòng lặp lặp giải đồng thời hai phương trình cân bằng nhiệt tại dàn ngưng và dàn bay hơi để tìm ra cặp nghiệm ẩn ($t_o, t_k$). Từ đó, chương trình tính toán lưu lượng $m_r$, công suất nén thực $N_r$, công suất điện $N_{el}$, công suất nhiệt $Q_k$ và xác định hệ số $COP$:
$$COP = \frac{Q_k}{N_{el}}$$
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về bơm nhiệt sản xuất nước nóng
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về máy bơm nhiệt, phân tích các số liệu về phát thải khí nhà kính toàn cầu và tiềm năng tiết kiệm năng lượng của công nghệ bơm nhiệt trong khu vực dân dụng và công nghiệp. Tác giả phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhiệt thấp: bơm nhiệt không khí - nước (Air to Water - ATW) và bơm nhiệt nước - nước (Water to Water - WTW / bơm nhiệt địa nhiệt). Các ứng dụng thực tế được tổng kết chi tiết gồm sưởi ấm không gian, cấp nước nóng sinh hoạt, sấy khô nông sản thực phẩm khép kín giữ hương vị, và thu hồi nhiệt trong các hệ thống bay hơi, chưng cất công nghiệp.
Phần tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước nêu bật các công trình tiêu biểu: nghiên cứu của PGS. Nguyễn Đức Lợi (2010) về cấu tạo bơm nhiệt đun nước nóng và hệ thống đa năng; nghiên cứu thiết kế, chế tạo của PGS. Hoàng Ngọc Đồng (2012); nghiên cứu mô phỏng hoạt động bơm nhiệt theo nhiệt độ nước và môi trường của TS. Tạ Văn Chương (2016); các công trình của PGS. Nguyễn Nguyên An và cộng sự (giai đoạn 2013) về mô phỏng dàn ngưng đặt trong bình chứa ở chế độ không ổn định và đề tài cấp nhà nước nghiên cứu chế tạo hệ thống cấp nước nóng kết hợp bơm nhiệt và bộ thu năng lượng mặt trời. Từ việc phân tích các hạn chế của những công trình đi trước, chương 1 xác lập mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của đồ án.
Chương 2: Nghiên cứu mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng
Chương 2 trình bày chi tiết việc thiết lập mô hình toán học mô phỏng các cấu kiện trong chu trình bơm nhiệt nén hơi theo phương pháp kết hợp và phương pháp hàm đặc tính. Nội dung trọng tâm là việc xác định các hệ số hiệu chỉnh truyền nhiệt $\alpha$, $\beta$ và xây dựng các hàm đặc tính cho máy nén piston Danfoss MTZ18-5 sử dụng môi chất R134a. Từ dữ liệu đo đạc thực nghiệm tại 3 điểm làm việc theo tiêu chuẩn ARI, tác giả đã giải hệ phương trình để tìm các hệ số của hàm mô tả hiệu suất thể tích $\lambda$ và hiệu suất không thuận nghịch $\eta_s$.
| Nhiệt độ bay hơi $t_o$ (°C) |
Áp suất bay hơi $p_o$ (bar) |
Nhiệt độ ngưng tụ $t_k$ (°C) |
Áp suất ngưng tụ $p_k$ (bar) |
Hiệu suất thể tích $\lambda$ |
Hiệu suất không thuận nghịch $\eta_s$ |
| -10 |
2,007 |
40 |
10,17 |
0,5875 |
0,7913 |
| 5 |
3,499 |
65 |
18,91 |
0,5621 |
0,7606 |
| 20 |
5,721 |
40 |
10,17 |
0,8738 |
0,8534 |
Bảng: Số liệu tính toán hiệu suất thể tích và hiệu suất không thuận nghịch của máy nén MTZ18-5 từ thực nghiệm.
Bên cạnh máy nén piston, chương này xây dựng mô hình toán truyền nhiệt cho máy nén xoắn ốc kín, thiết lập quan hệ truyền nhiệt tại đường hút và đường đẩy với nhiệt độ vách đẳng nhiệt $t_w$, xác định các tổn thất công suất $N_{tt}$ và nhiệt lượng tỏa ra môi trường $Q_{mt}$. Cuối chương là thuật toán tích hợp giải chu trình nhiệt động trên phần mềm EES nhằm tìm kiếm nhiệt độ ngưng tụ $t_k$ và nhiệt độ bay hơi $t_o$ tại từng trạng thái làm việc.
Chương 3: COP của bơm nhiệt trong các điều kiện hoạt động khác nhau tại Việt Nam
Chương 3 tập trung xuất kết quả mô phỏng và phân tích định lượng hiệu quả năng lượng của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng gia dụng (dung tích bình chứa 100 lít, đun nước từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ yêu cầu).
Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt không ổn định cho thấy: khi nhiệt độ nước trong bình chứa tăng dần, độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi nới rộng, dẫn đến công suất nhiệt $Q_k$ giảm, công suất điện tiêu thụ $N_{el}$ tăng, và hệ số COP tức thời suy giảm rõ rệt.
| Nhiệt độ môi trường $t_{kk}$ (°C) |
Nhiệt độ nước $t_n$ (°C) |
Thời gian đun $\tau$ (giây) |
Công suất nhiệt $Q_k$ (kW) |
Công suất điện $N_{el}$ (kW) |
Hệ số hiệu quả COP |
| 5 |
35 |
3426,69 |
3,208 |
0,9359 |
3,428 |
| 5 |
40 |
4089,94 |
3,102 |
1,0170 |
3,050 |
| 5 |
45 |
4777,51 |
2,985 |
1,0900 |
2,739 |
| 5 |
50 |
5494,26 |
2,854 |
1,1530 |
2,476 |
| 5 |
55 |
6246,19 |
2,712 |
1,2060 |
2,250 |
| 5 |
60 |
7040,61 |
2,557 |
1,2470 |
2,051 |
| 10 |
35 |
2628,15 |
3,765 |
0,9957 |
3,781 |
| 10 |
60 |
5687,65 |
3,043 |
1,3830 |
2,200 |
| 15 |
35 |
1839,86 |
4,349 |
1,0410 |
4,180 |
| 15 |
60 |
4474,24 |
3,556 |
1,5060 |
2,361 |
| 20 |
35 |
1225,02 |
4,960 |
1,0700 |
4,634 |
| 20 |
60 |
3524,87 |
4,095 |
1,6160 |
2,534 |
| 25 |
35 |
731,49 |
5,594 |
1,0840 |
5,159 |
| 25 |
40 |
1110,59 |
5,446 |
1,2310 |
4,423 |
| 25 |
45 |
1500,87 |
5,278 |
1,3680 |
3,858 |
| 25 |
50 |
1904,47 |
5,091 |
1,4940 |
3,408 |
| 25 |
55 |
2323,98 |
4,885 |
1,6080 |
3,037 |
| 25 |
60 |
2762,59 |
4,657 |
1,7100 |
2,724 |
Bảng: Thông số vận hành của bơm nhiệt dung tích 100 lít theo nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước.
Khi nhiệt độ môi trường tăng từ 5°C lên 25°C, thời gian cần thiết để đun 100 lít nước đạt 60°C rút ngắn từ 7040,61 giây (khoảng 1,95 giờ) xuống chỉ còn 2762,59 giây (khoảng 0,77 giờ).
So sánh tổng điện năng tiêu thụ tích lũy giữa phương pháp bơm nhiệt ($W_{bn}$) và phương pháp dùng điện trở ($W_{đt}$) được tổng hợp dưới đây:
| Nhiệt độ môi trường $t_{kk}$ (°C) |
Nhiệt độ nước $t_n$ (°C) |
Điện năng tiêu thụ bơm nhiệt $W_{bn}$ (kJ) |
Điện năng tiêu thụ điện trở $W_{đt}$ (kJ) |
Tỷ số $W_{đt} / W_{bn}$ |
| 5 |
45 |
3796,30 |
16744 |
4,411 |
| 5 |
50 |
4591,55 |
18837 |
4,103 |
| 5 |
55 |
5472,82 |
20930 |
3,824 |
| 5 |
60 |
6452,57 |
23023 |
3,568 |
| 10 |
45 |
3171,87 |
14651 |
4,619 |
| 10 |
60 |
5637,84 |
20930 |
3,712 |
| 15 |
45 |
2561,37 |
12558 |
4,903 |
| 15 |
60 |
4842,81 |
18837 |
3,890 |
| 20 |
45 |
2036,51 |
10465 |
5,139 |
| 20 |
60 |
4150,43 |
16744 |
4,034 |
| 25 |
45 |
1576,57 |
8372 |
5,310 |
| 25 |
50 |
2153,63 |
10465 |
4,859 |
| 25 |
55 |
2804,15 |
12558 |
4,478 |
| 25 |
60 |
3532,55 |
14651 |
4,147 |
Bảng: So sánh điện năng tiêu thụ giữa đun bằng bơm nhiệt và đun bằng điện trở (bình 100 lít).
Số liệu chỉ ra rằng tỷ số tiết kiệm năng lượng $W_{đt} / W_{bn}$ dao động từ 3,568 đến 5,310 lần tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước yêu cầu. Điện năng tiết kiệm đạt mức cao nhất khi nhiệt độ môi trường lớn (25°C) và nhiệt độ nước đun ở mức vừa phải (45°C).
Đồ án tiếp tục tính toán hệ số COP của thiết bị tại 7 địa phương đại diện cho các vùng khí hậu: Điện Biên, Bắc Kạn, Quảng Trị, Quảng Ngãi, Gia Lai, TP. Hồ Chí Minh và một thành phố phía Bắc ở 3 mốc nhiệt độ điển hình: nhiệt độ thấp nhất năm, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất và nhiệt độ trung bình năm. Kết quả cho thấy tại các tỉnh vùng núi phía Bắc (như Điện Biên, Bắc Kạn) vào đợt rét hại thấp nhất năm, COP của thiết bị giảm xuống mức thấp nhất nhưng vẫn duy trì trên ngưỡng 2,0; trong khi tại TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ, nền nhiệt độ cao quanh năm giúp COP trung bình luôn đạt trên 3,5 đến 4,5.
Chương 4: Một số giải pháp tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành
Dựa trên các đặc tính suy giảm hiệu suất đã phân tích, chương 4 đề xuất 5 giải pháp kỹ thuật và vận hành nhằm tối ưu hóa chi phí:
- Kết hợp bơm nhiệt với hệ thống thu năng lượng mặt trời (NLMT): Sử dụng bộ thu NLMT để gia nhiệt sơ bộ nước hoặc nâng cao nhiệt độ nguồn nhiệt cấp cho dàn bay hơi, giảm thời gian vận hành máy nén trong những khung giờ có bức xạ mặt trời.
- Điều khiển độ non tải trong hệ thống bơm nhiệt: Ứng dụng biến tần điều khiển tốc độ quay của máy nén hoặc phân chia cụm máy nén nhiều cấp để duy trì hệ số COP ở mức cao khi phụ tải nhiệt suy giảm, hạn chế tổn thất do đóng ngắt liên tục.
- Kết hợp bơm nhiệt với thanh gia nhiệt điện trở: Sử dụng bơm nhiệt để đun nước từ nhiệt độ môi trường lên mức trung bình (khoảng 45°C - 50°C, vùng bơm nhiệt đạt COP cao từ 3,5 đến 5,0), sau đó kích hoạt điện trở phụ trợ để gia nhiệt tiếp lên nhiệt độ cao (trên 60°C - 70°C), tránh cho bơm nhiệt phải hoạt động ở áp suất ngưng tụ quá cao gây suy giảm mạnh COP và quá nhiệt máy nén.
- Tận dụng chênh lệch giá điện giữa các khung giờ: Dựa trên biểu giá điện kinh doanh và điện công nghiệp năm 2020 (chia thành giờ bình thường, giờ cao điểm và giờ thấp điểm), thiết kế hệ thống bình trữ nhiệt để bơm nhiệt vận hành tích trữ nước nóng chủ yếu vào khung giờ thấp điểm (có giá điện rẻ nhất), tránh vận hành vào giờ cao điểm nhằm cắt giảm chi phí tiền điện.
- Tận dụng nguồn năng lượng địa nhiệt: Ứng dụng mô hình bơm nhiệt nguồn nước (WTW) trao đổi nhiệt với lòng đất hoặc mạch nước ngầm để duy trì nhiệt độ nguồn nhiệt bay hơi ổn định quanh năm, không bị phụ thuộc vào sự suy giảm nhiệt độ không khí mùa đông tại miền Bắc.
Kết quả và đóng góp
Các kết quả định lượng chính được trích xuất từ đồ án:
- Thiết lập thành công chương trình mô phỏng chu trình bơm nhiệt sản xuất nước nóng trên môi trường lập trình EES, tích hợp các phương trình hiệu chỉnh truyền nhiệt $\alpha(t_k, t_o)$, $\beta(t_k, t_o)$ và đặc tính máy nén.
- Xác định quy luật biến thiên của COP tức thời: ở nhiệt độ môi trường 5°C, khi đun nước từ 35°C lên 60°C, COP giảm từ 3,428 xuống 2,051; ở nhiệt độ môi trường 25°C, COP giảm từ 5,159 xuống 2,724.
- Định lượng mức tiết kiệm điện năng vượt trội của bơm nhiệt so với điện trở: tổng điện năng tiêu thụ của điện trở gấp từ 3,568 lần (ở $t_{kk} = 5^\circ\text{C}, t_n = 60^\circ\text{C}$) đến 5,310 lần (ở $t_{kk} = 25^\circ\text{C}, t_n = 45^\circ\text{C}$) so với bơm nhiệt khi đun cùng dung tích 100 lít nước.
- Xây dựng bảng thông số vận hành và giá trị COP theo 3 mốc nhiệt độ thời tiết (thấp nhất năm, trung bình tháng lạnh nhất, trung bình năm) cho 7 tỉnh/thành phố đặc trưng của Việt Nam.
Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật:
- Phát triển mô hình mô phỏng kết hợp chi tiết từng cấu kiện, khắc phục nhược điểm bỏ qua biến thiên hệ số truyền nhiệt dàn ngưng và dàn bay hơi của các nghiên cứu trước đây.
- Xây dựng mô hình máy nén xoắn ốc có xét đến truyền nhiệt vách và tổn thất công suất, làm rõ cơ chế gia nhiệt đầu hút và thải nhiệt đầu đẩy ảnh hưởng đến chu trình nén thực tế.
- Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về đặc tính năng lượng của bơm nhiệt theo phân vùng khí hậu Việt Nam, hỗ trợ tính toán thời gian thu hồi vốn và lựa chọn công suất thiết bị phù hợp cho từng địa phương.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Các kết quả đánh giá tại 7 tỉnh thành được thực hiện thông qua mô phỏng toán học trên nền số liệu khí tượng quan trắc, chưa có điều kiện bố trí hệ thống đo đạc thực nghiệm đối chứng trực tiếp tại tất cả các địa phương này.
- Mô hình tính toán giả thiết nhiệt độ nước trong bình chứa dung tích 100 lít là hoàn toàn đồng đều tại mọi điểm, chưa xét đến hiện tượng phân tầng nhiệt độ (thermal stratification) thường xảy ra trong bình chứa nước nóng thực tế.
- Độ quá nhiệt tại dàn bay hơi ($\Delta t_{qn} = 11,1\text{ K}$) và độ quá lạnh tại dàn ngưng ($\Delta t_{ql} = 8,3\text{ K}$) được giả định là hằng số cố định theo tiêu chuẩn ARI, chưa phản ánh hết sự biến thiên động của van tiết lưu nhiệt hoặc van tiết lưu điện tử trong quá trình làm việc liên tục.
Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:
- Hoàn thiện mô hình động lực học có tính đến sự phân tầng nhiệt độ nước trong bình tích trữ nhiệt.
- Nghiên cứu thực nghiệm lắp đặt hệ thống quan trắc thực tế tại các vùng khí hậu khác nhau để đối chiếu và hiệu chỉnh các thông số mô phỏng.
- Mở rộng nghiên cứu điều khiển tối ưu hóa hệ thống bơm nhiệt kết hợp biến tần máy nén, van tiết lưu điện tử và các nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, địa nhiệt).
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho:
- Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Máy và thiết bị Nhiệt - Lạnh, Năng lượng tái tạo làm tài liệu học tập, nghiên cứu và tham khảo phương pháp mô hình hóa nhiệt động học.
- Các kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện (MEP), các đơn vị tư vấn năng lượng trong việc tính toán tải nhiệt, lựa chọn dung tích bình chứa và công suất bơm nhiệt nước nóng dân dụng, thương mại phù hợp với từng vùng khí hậu tại Việt Nam.
- Các nội dung đáng tham khảo nhất:
- Phương pháp xây dựng hệ phương trình mô phỏng chu trình nhiệt động trên phần mềm EES.
- Kỹ thuật hồi quy hàm đặc tính hiệu suất thể tích $\lambda$ và hiệu suất không thuận nghịch $\eta_s$ của máy nén bằng phần mềm TableCurve 2D và TableCurve 3D.
- Bảng số liệu chi tiết về thời gian đun, công suất điện, công suất nhiệt và tỷ lệ tiết kiệm năng lượng giữa bơm nhiệt và điện trở (Bảng 3.1 và Bảng 3.2).
Câu hỏi thường gặp
1. Đồ án sử dụng môi chất lạnh nào trong mô hình mô phỏng và lý do lựa chọn là gì?
Đồ án sử dụng môi chất lạnh R134a. Lý do lựa chọn gồm: chỉ số phá hủy tầng ozon bằng không ($ODP = 0$), nhiệt độ tự cháy cao (743°C, an toàn chống cháy nổ), nhiệt ẩn ngưng tụ riêng lớn giúp kết cấu thiết bị nhỏ gọn, nhiệt độ cuối tầm nén trong điều kiện khí hậu Việt Nam duy trì dưới 90°C bảo đảm chất lượng dầu bôi trơn máy nén, và có thể làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ trên 70°C, rất phù hợp cho dải nhiệt độ nước nóng yêu cầu từ 45°C đến 60°C.
2. Hiệu suất thể tích và hiệu suất không thuận nghịch của máy nén Danfoss MTZ18-5 được xác định như thế nào từ dữ liệu thực nghiệm?
Dựa trên số liệu thực nghiệm theo tiêu chuẩn ARI của hãng Danfoss tại 3 điểm chế độ, tác giả tính được: tại điểm $t_o = -10^\circ\text{C}, t_k = 40^\circ\text{C}$ thì $\lambda = 0,5875$ và $\eta_s = 0,7913$; tại điểm $t_o = 5^\circ\text{C}, t_k = 65^\circ\text{C}$ thì $\lambda = 0,5621$ và $\eta_s = 0,7606$; tại điểm $t_o = 20^\circ\text{C}, t_k = 40^\circ\text{C}$ thì $\lambda = 0,8738$ và $\eta_s = 0,8534$. Dữ liệu này được đưa vào phần mềm TableCurve 3D để thiết lập phương trình phi tuyến xác định $\lambda$ và $\eta_s$ theo áp suất bay hơi $p_o$ và áp suất ngưng tụ $p_k$.
3. Khi đun 100 lít nước lên 60°C, nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến thời gian đun và hệ số COP của bơm nhiệt?
Khi nhiệt độ môi trường $t_{kk} = 5^\circ\text{C}$, thời gian đun đạt 60°C là 7040,61 giây (hơn 1,95 giờ), công suất nhiệt giảm xuống 2,557 kW, công suất điện tăng lên 1,247 kW và COP tức thời ở thời điểm cuối giảm còn 2,051. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên $t_{kk} = 25^\circ\text{C}$, thời gian đun giảm mạnh xuống còn 2762,59 giây (khoảng 0,77 giờ), công suất nhiệt cuối quá trình đạt 4,657 kW, công suất điện là 1,710 kW và COP đạt 2,724 (trong khi ở đầu quá trình tại 35°C, COP đạt tới 5,159).
4. Mức độ tiết kiệm điện năng của bơm nhiệt so với thiết bị gia nhiệt bằng điện trở được định lượng cụ thể ra sao?
Khi đun cùng một thể tích 100 lít nước từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ yêu cầu, tổng điện năng tiêu thụ của điện trở ($W_{đt}$) lớn gấp từ 3,568 đến 5,310 lần so với bơm nhiệt ($W_{bn}$). Mức tiết kiệm đạt tỷ lệ cao nhất khi nhiệt độ môi trường cao ($t_{kk} = 25^\circ\text{C}$) đun nước lên 45°C ($W_{đt}/W_{bn} = 5,310$ lần), và thấp nhất khi nhiệt độ môi trường lạnh ($t_{kk} = 5^\circ\text{C}$) đun nước lên 60°C ($W_{đt}/W_{bn} = 3,568$ lần).
5. Những giải pháp nào được đề xuất trong Chương 4 để nâng cao hiệu quả kinh tế và vận hành bơm nhiệt?
Tác giả đề xuất 5 giải pháp: (1) Kết hợp bơm nhiệt với bộ thu năng lượng mặt trời; (2) Ứng dụng điều khiển biến tần giảm độ non tải của máy nén; (3) Kết hợp bơm nhiệt đun nước lên nhiệt độ trung bình rồi dùng điện trở phụ trợ đun tiếp lên nhiệt độ cao; (4) Tận dụng hệ thống tích nhiệt để vận hành bơm nhiệt vào khung giờ giá điện thấp điểm theo biểu giá điện kinh doanh/công nghiệp năm 2020; (5) Tận dụng nguồn năng lượng địa nhiệt qua chu trình bơm nhiệt nguồn nước (WTW).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Ngô Minh Đức đã nghiên cứu một cách hệ thống và toàn diện hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt sản xuất nước nóng trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Bằng việc xây dựng thành công mô hình toán học giải trên phần mềm EES kết hợp các công cụ tối ưu hóa TableCurve, nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết sự suy giảm của hệ số COP và công suất nhiệt theo sự tăng nhiệt độ nước và giảm nhiệt độ môi trường. Kết quả chứng minh công nghệ bơm nhiệt giúp tiết kiệm điện năng từ 3,5 đến 5,3 lần so với phương pháp đun điện trở truyền thống trên phạm vi toàn bộ 7 vùng khí hậu khảo sát. Các giải pháp kỹ thuật kết hợp năng lượng mặt trời, điện trở phụ trợ và bình trữ nhiệt theo khung giờ giá điện được đề xuất trong đồ án mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho việc phát triển hệ thống nước nóng tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.
