Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và hiện tượng nóng lên toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các hệ thống điều hòa không khí thân thiện với môi trường và hiệu quả năng lượng cao trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành kỹ thuật lạnh, môi chất CO2 (R744) với đặc tính thân thiện môi trường, không phá hủy tầng ozone (ODP = 0) và có hệ số làm nóng toàn cầu thấp (GWP = 1) đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí hiện đại. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống CO2 vận hành trên tới hạn vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc khai thác khả năng quá lạnh nhằm nâng cao năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng (COP).

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng quá lạnh cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 bằng nguồn địa nhiệt, một giải pháp tận dụng lợi thế khí hậu nóng ẩm và nền địa nhiệt tương đối thấp của Việt Nam. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của các thông số nhiệt động như nhiệt độ quá lạnh, áp suất làm mát và lưu lượng khối lượng môi chất đến hiệu suất hệ thống, đồng thời so sánh hiệu quả năng lượng khi sử dụng địa nhiệt với ống trơn và ống mềm bọc nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều hòa không khí có năng suất lạnh từ 2000 đến 3000 W, với độ quá lạnh dự kiến từ 2 đến 3°C và công suất địa nhiệt khoảng 100 W.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời mở ra hướng ứng dụng địa nhiệt trong kỹ thuật lạnh tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống điều hòa không khí CO2 hiệu quả, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp điện lạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Đặc tính nhiệt động của môi chất CO2 (R744): CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, có nhiệt độ tới hạn 31,1°C và áp suất tới hạn 73,8 bar. Chu trình lạnh CO2 vận hành trên tới hạn được mô tả qua sơ đồ áp suất-entalpi (p-h), trong đó môi chất không ngưng tụ mà chỉ làm mát hơi ở nhiệt độ trên tới hạn.

  • Cơ sở truyền nhiệt: Nghiên cứu truyền nhiệt bao gồm ba dạng chính: dẫn nhiệt, đối lưu (tự nhiên và cưỡng bức), và bức xạ. Việc hiểu rõ các cơ chế này giúp phân tích hiệu quả trao đổi nhiệt trong các thiết bị bay hơi và làm mát.

  • Chu trình lạnh CO2 trên tới hạn: Mô hình chu trình lạnh một cấp sử dụng máy nén Sanden, dàn lạnh và dàn ngưng của điều hòa không khí dân dụng. Các thông số nhiệt động như áp suất, nhiệt độ, entalpi được xác định để tính toán năng suất lạnh, công suất nén và hệ số hiệu quả năng lượng COP.

  • Khái niệm quá lạnh (subcooling): Quá lạnh là quá trình làm giảm nhiệt độ môi chất lỏng dưới điểm ngưng tụ, giúp tăng năng suất lạnh và cải thiện hiệu suất hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào khả năng quá lạnh bằng địa nhiệt, sử dụng ống trơn và ống mềm bọc nước để truyền nhiệt từ môi chất sang nền đất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình thực nghiệm được thiết kế và chế tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, sử dụng hệ thống điều hòa không khí CO2 với các cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và vận tốc.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được vận hành trong điều kiện kiểm soát, thay đổi các thông số nhiệt độ quá lạnh (2-30°C), áp suất làm mát (76-85 bar) và lưu lượng khối lượng môi chất (khoảng 75 kg/h). Các trường hợp so sánh gồm không sử dụng địa nhiệt, sử dụng địa nhiệt với ống trơn và ống mềm bọc nước.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) để mô phỏng chu trình lạnh, tính toán các đại lượng nhiệt động như năng suất lạnh, công suất nén, hệ số COP. Phân tích dữ liệu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết truyền nhiệt để đánh giá hiệu quả quá lạnh và ảnh hưởng của các thông số vận hành.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm giai đoạn thiết kế mô hình, lắp đặt hệ thống, thu thập dữ liệu thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của địa nhiệt đến hệ số COP: Hệ thống sử dụng địa nhiệt với ống mềm bọc nước đạt hệ số COP cao nhất là 5,69, trong khi sử dụng ống trơn đạt 4,71 và không sử dụng địa nhiệt chỉ đạt 4,53. Điều này cho thấy việc sử dụng địa nhiệt giúp cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống điều hòa CO2 lên đến 25,6% so với không sử dụng.

  2. Tác động của độ quá lạnh đến hiệu suất: Khi tăng độ quá lạnh từ 2°C đến 30°C, hệ số COP có xu hướng giảm đáng kể ở cả hai trường hợp sử dụng địa nhiệt. Ví dụ, khi độ quá lạnh tăng lên 30°C, COP giảm khoảng 15% so với mức quá lạnh thấp nhất, cho thấy cần kiểm soát độ quá lạnh trong phạm vi tối ưu để duy trì hiệu quả.

  3. Ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng: Giảm lưu lượng khối lượng môi chất từ mức cao nhất xuống khoảng 75 kg/h làm giảm độ quá lạnh, đặc biệt trong trường hợp sử dụng ống trơn, độ quá lạnh giảm mạnh hơn so với ống bọc nước. Điều này cho thấy lưu lượng môi chất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng quá lạnh và hiệu suất hệ thống.

  4. So sánh năng suất lạnh: Năng suất lạnh của hệ thống có sử dụng địa nhiệt cao hơn khoảng 12% so với hệ thống không sử dụng, với công suất địa nhiệt khoảng 100 W được cung cấp qua ống bọc nước. Điều này chứng minh hiệu quả của việc tận dụng nguồn địa nhiệt trong cải thiện năng suất làm lạnh.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng địa nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí CO2 vận hành trên tới hạn mang lại hiệu quả năng lượng rõ rệt. Sự khác biệt về hệ số COP giữa ống trơn và ống bọc nước xuất phát từ khả năng truyền nhiệt tốt hơn của ống bọc nước, giúp duy trì nhiệt độ quá lạnh ổn định và giảm tổn thất nhiệt.

Xu hướng giảm COP khi tăng độ quá lạnh phù hợp với các nghiên cứu trước đây, do quá lạnh cao làm tăng công suất nén và tổn thất nhiệt trong hệ thống. Việc giảm lưu lượng khối lượng làm giảm độ quá lạnh cũng đồng nghĩa với giảm năng suất lạnh, do đó cần cân bằng giữa lưu lượng và độ quá lạnh để tối ưu hiệu suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số COP theo các điều kiện vận hành khác nhau, biểu đồ biến thiên độ quá lạnh theo lưu lượng khối lượng, và bảng tổng hợp năng suất lạnh trong các trường hợp nghiên cứu. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả phù hợp và có tính ứng dụng cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh áp suất làm mát trong phạm vi cho phép: Để đạt hiệu quả năng lượng tối ưu, cần kiểm soát áp suất làm mát trong khoảng 76-85 bar, tránh áp suất quá cao gây giảm hệ số COP. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành hệ thống, thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

  2. Ưu tiên sử dụng ống mềm bọc nước cho hệ thống địa nhiệt: Do khả năng truyền nhiệt tốt hơn, ống bọc nước giúp duy trì độ quá lạnh ổn định và nâng cao hiệu suất. Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế và lắp đặt hệ thống, thời gian: trong giai đoạn thiết kế và cải tạo.

  3. Tối ưu lưu lượng khối lượng môi chất: Cân bằng lưu lượng để duy trì độ quá lạnh phù hợp, tránh giảm năng suất lạnh và hiệu suất. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành, thời gian: theo dõi và điều chỉnh định kỳ.

  4. Phát triển hệ thống giám sát và điều khiển tự động: Áp dụng công nghệ cảm biến và điều khiển thông minh để theo dõi các thông số nhiệt động và tự động điều chỉnh quá trình quá lạnh và áp suất làm mát. Chủ thể thực hiện: nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ, thời gian: trung hạn (1-2 năm).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điều hòa không khí: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về hiệu suất hệ thống CO2 sử dụng địa nhiệt, giúp tối ưu thiết kế và vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và điện lạnh: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm về quá lạnh và ứng dụng địa nhiệt, mở rộng hướng nghiên cứu mới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống điều hòa không khí: Tham khảo để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng, đáp ứng yêu cầu thị trường và chính sách xanh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp thông tin khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về sử dụng môi chất lạnh thân thiện và khai thác nguồn năng lượng tái tạo như địa nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá lạnh là gì và tại sao quan trọng trong hệ thống điều hòa CO2?
    Quá lạnh là quá trình làm giảm nhiệt độ môi chất lỏng dưới điểm ngưng tụ, giúp tăng năng suất lạnh và cải thiện hiệu suất hệ thống. Ví dụ, trong nghiên cứu, độ quá lạnh từ 2-3°C đã giúp nâng cao hệ số COP lên đến 5,69 khi sử dụng địa nhiệt.

  2. Tại sao sử dụng địa nhiệt lại hiệu quả cho hệ thống điều hòa CO2?
    Địa nhiệt cung cấp nguồn nhiệt độ ổn định và thấp, giúp làm mát môi chất hiệu quả hơn so với không khí. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống sử dụng địa nhiệt với ống bọc nước có COP cao hơn 25,6% so với không sử dụng.

  3. Ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng môi chất đến hiệu suất hệ thống như thế nào?
    Lưu lượng khối lượng ảnh hưởng trực tiếp đến độ quá lạnh và năng suất lạnh. Giảm lưu lượng làm giảm độ quá lạnh, đặc biệt trong trường hợp ống trơn, dẫn đến giảm hiệu suất hệ thống.

  4. Làm thế nào để kiểm soát áp suất làm mát trong hệ thống?
    Áp suất làm mát cần được duy trì trong phạm vi cho phép (khoảng 76-85 bar) thông qua hệ thống điều khiển tự động hoặc điều chỉnh thủ công để tránh giảm hiệu suất và tổn thất năng lượng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các hệ thống điều hòa khác không?
    Kết quả nghiên cứu chủ yếu áp dụng cho hệ thống điều hòa sử dụng môi chất CO2 vận hành trên tới hạn và có thể mở rộng cho các hệ thống tương tự tận dụng nguồn địa nhiệt, tuy nhiên cần điều chỉnh theo điều kiện cụ thể từng hệ thống.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh khả năng quá lạnh bằng địa nhiệt giúp nâng cao hiệu suất hệ thống điều hòa không khí CO2, với hệ số COP đạt tối đa 5,69 khi sử dụng ống mềm bọc nước.
  • Độ quá lạnh và lưu lượng khối lượng môi chất là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng suất lạnh và hiệu suất hệ thống.
  • Việc kiểm soát áp suất làm mát trong phạm vi cho phép là cần thiết để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
  • Ứng dụng địa nhiệt trong hệ thống điều hòa CO2 là hướng nghiên cứu mới, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam và xu hướng phát triển bền vững.
  • Đề xuất phát triển hệ thống giám sát và điều khiển tự động nhằm nâng cao hiệu quả vận hành trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm mở rộng, đồng thời phát triển các giải pháp công nghệ để ứng dụng địa nhiệt hiệu quả trong các hệ thống điều hòa không khí CO2 trên quy mô thực tế.