MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng nước nóng ở các khu dân cư, nhà hàng, khách sạn, xưởng giặt tẩy cũng như trong một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm là rất lớn và đa dạng. Tuy nhiên trong những thập kỷ vừa qua, việc sản xuất nước nóng chủ yếu được thực hiện theo các phương pháp truyền thống là sử dụng điện năng để gia nhiệt nước thông qua điện trở hay đốt các loại nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đốt để sản xuất nước nóng. Và chính quá trình sản xuất nước nóng bằng các phương pháp như trên đã góp phần làm lãng phí một lượng năng lượng khá lớn cũng như góp phần gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể.
Vì vậy, vài năm gần đây, các hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời đã được ứng dụng vào các thành phần như nêu ở trên, nhằm góp phần giảm chi phí tiêu thụ năng lượng. Vì xét trên mức độ kinh tế lâu dài thì đây là phương pháp mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, các hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt vẫn chiếm một tỷ trọng khá nhỏ vì chi phí đầu tư ban đầu cao. Do đó, cần phải nghiên cứu và cải tiến bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.
Thêm vào đó, với tốc độ phát triển kinh tế ở Việt Nam như hiện nay, vấn đề ưu tiên hàng đầu là bảo đảm chính sách an ninh năng lượng trên mọi thành phần. Theo tổng sơ đồ điện VII của ngành điện lực, dự báo tới năm 2020 nhu cầu tiêu thụ điện năng là khoảng 330 – 362 tỷ kWh, gấp 3 đến 4 lần nhu cầu tiêu thụ điện năm 2010 [1]; trong khi đó, các nguồn nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện năng đang dần cạn kiệt. Vì vậy, để đảm bảo được chính sách an ninh năng lượng thì yêu cầu quan trọng và cấp bách nhất lúc này phải là sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng trên mọi thành phần nói chung và sản xuất nước nóng nói riêng. Trước các bối cảnh trên về nhu cầu, các chính sách về tiết kiệm năng lượng, biến đổi khí hậu trên phạm vi toàn cầu ở mọi lĩnh vực nói chung cũng như trong lĩnh vực sản xuất nước nóng nói riêng, tác giả được sự chỉ dẫn và lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng”, nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng và giảm chi phí tiêu thụ năng lượng trong quá trình hoạt động của bơm nhiệt.
Mục tiêu của đề tài Hiện nay, với công nghệ ngày càng hiện đại và tiến tiến, nhiều nhà sản suất đã thương mại hóa và sản xuất các hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng với chu trình có các thông số nhiệt động siêu tới hạn, sử dụng môi chất lạnh là CO2 để đáp HV: NGUYỄN THANH DŨNG 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP ứng phù hợp cho nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống này rất cao. Vì vậy, mục đích của đề tài là nhắm đến lắp đặt bơm nhiệt sản xuất nước nóng từ việc tận dụng những vật tư có sẵn trên thị trường để lắp ráp, đáp ứng cho nhu cầu khi được đặt hàng lẻ tẻ, xa hơn nữa có thể thương mại hóa sản phẩm, đồng thời so sánh hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời với bơm nhiệt kiểu truyền thống và các phương pháp khác. Tính cấp thiết của đề tài Như đã nói ở trên, để đảm bảo được chính sách an ninh năng lượng thì việc sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng trong lĩnh vực sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt phải được tối ưu nhất.
Mà việc tích hợp năng lượng mặt trời, là một nguồn năng lượng có thể tái tạo, dễ tìm và rẻ vào trong hệ thống bơm nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng và góp phần tiết kiệm năng lượng là một điều vô cùng cần thiết và có ý nghĩa. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Việc nghiên cứu, xây dựng mô hình thực nghiệm thành công có thể làm cơ sở dữ liệu hay tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất chế tạo hàng loạt và nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt trong điều kiện ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn Việc tích hợp năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng có sẵn và rẻ tiền vào trong bơm nhiệt để nâng cao hiệu quả sản xuất nước nóng, đáp ứng cho các yêu cầu dựa trên các vật tư có sẵn là vô cùng cần thiết và thực tế. Vì hiện nay ở Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại bơm nhiệt sản xuất nước nóng kiểu truyền thống với nguồn nhiệt là không khí (Air soure heat pump), nên hệ thống chưa đạt đến chế độ tối ưu nhất.
Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài Tình hình nghiên cứu trên thế giới Quá trình tích hợp năng lượng mặt trời vào trong hệ thống bơm nhiệt, đã được bắt đầu nghiên cứu vào khoảng năm 1970 bởi một số nhà nghiên cứu trước khi các collector mặt trời được thương mại hóa trên thị trường. Tuy nhiên đến năm 1976, hai nhà nghiên cứu Charter và Taylor [13] mới báo cáo quá trình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt. Hai nhà nghiên cứu trên đã sử dụng một collector tấm phẳng không có khung kính làm dàn bay hơi để hấp thụ năng lượng mặt trời và sau đó đề nghị sử dụng một số loại collector khác để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Đến năm 1980, nhà nghiên cứu Chaturvedi và các cộng sự HV: NGUYỄN THANH DŨNG 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP [12] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm một hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời và chỉ ra rằng nhiệt độ bay hơi của môi chất trong dàn collector/dàn bay hơi phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường xung quanh.
Từ năm 1984 đến năm 1998, Chaturvedi và Abazeri [13] đã đưa ra các phương trình cân bằng năng lượng và vật chất cho hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời dựa trên lý thuyết và các thông số thực nghiệm. Dựa trên các nền tảng nghiên cứu của các nhà khoa học đi trước, từ năm 1984 đến năm 2004, có rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu mô phỏng tối ưu và thực nghiệm so sánh để đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời như cường độ bức xạ mặt trời, diện tích collector, tốc độ máy nén… Các nhà nghiên cứu như S. Từ đó cho đến nay, công việc nghiên cứu ứng dụng và tối ưu hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời ở nhiều điều kiện khác nhau vẫn được thực hiện bởi nhiều nhà nguyên cứu ở các nước trên thế giới. Hiện nay, tổ chức IEA (International Energy Agency) đã nghiên cứu ứng dụng mô hình bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng ở nhiều nước châu Âu, đặc biệt là ở Tây Ban Nha [11].
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Có thể nói việc tích hợp năng lượng mặt trời vào trong hệ thống bơm nhiệt để sản xuất nước nóng ở nước ta hiện nay hầu như còn rất mới mẻ. Và điều này có thể dể hiểu vì quá trình ứng dụng năng lượng mặt trời vào một số lĩnh vực ở nước ta còn rất hạn chế, do giới hạn về công nghệ cũng như kinh phí. Trong khi đó, tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam là vô cùng lớn. Đối tượng và nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng.
Và nội dung nghiên cứu bao gồm: nghiên cứu hiệu quả năng lượng đầu ra của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời, và so sánh với một số hệ thống sản xuất nước nóng khác. Cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời. Phương pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để sản xuất nước nóng sẽ bao gồm lý thuyết và thực nghiệm so sánh ở điều kiện thời tiết Việt Nam, thông qua việc xây dựng mô hình và đo đạc thông số nhiệt động. HV: NGUYỄN THANH DŨNG 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP 8.
Cấu trúc của luận văn Cấu trúc luận văn có 7 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng cũng như các phương pháp sản xuất nước nóng Chương 2: Cơ sở lý thiết về bơm nhiệt và tích hợp năng lượng mặt trời vào trong bơm nhiệt để sản xuất nước nóng Chương 3: Tính toán lý thuyết và xây dựng mô hình thí nghiệm Chương 4: Kết quả thực nghiệm của các hệ thống Chương 5: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất nước nóng của hệ thống bơm nhiệt có tích hợp năng lượng mặt trời Chương 6: So sánh và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các hệ thống Chương 7: Kết luận và kiến nghị. HV: NGUYỄN THANH DŨNG 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU VÀ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG CŨNG NHƯ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1. Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới Ngày nay, vì sự gia tăng dân số, nên mức độ tiêu thụ năng lượng của tất cả các thành phần trong xã hội có xu hướng ngày càng tăng lên để phục vụ cho các nhu cầu của con người cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội. Trong các nhu cầu đó, nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng chiếm một tỉ trọng khá lớn trong biểu đồ tiêu thụ năng lượng.
Và những thành phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào khu dân cư, dịch vụ thương mại và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp như hình 1. Mức độ tiêu thụ năng lượng để sản xuất nước nóng ở các thành phần này cũng sẽ khác nhau ở mỗi quốc gia và khu vực khác nhau.