I. Tổng quan nghiên cứu thiết bị giải nhiệt nước ngưng mặt trời
Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Nhóm tác giả ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt phát triển giải pháp làm mát bền vững. Thiết bị tích hợp hai nguồn tài nguyên sẵn có gồm nước ngưng điều hòa và năng lượng mặt trời. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả làm mát cho bình ngưng hệ thống lạnh. Nước ngưng có nhiệt độ thấp và độ tinh khiết cao. Việc xả bỏ nguồn nước này gây lãng phí lớn. Trong khi đó, bức xạ mặt trời tại khu vực phía Nam rất dồi dào. Nguồn năng lượng sạch này vận hành quạt gió và bơm tuần hoàn độc lập. Hệ thống giảm thiểu phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. Mô hình kết hợp tạo ra chu trình làm mát khép kín, thân thiện môi trường. Cơ chế bay hơi nước trên bề mặt tấm trao đổi nhiệt giúp hạ nhiệt độ không khí làm mát. Thiết bị hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết nắng nóng khắc nghiệt. Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc tối ưu hóa năng lượng cho các tòa nhà và cơ sở công nghiệp.
1.1. Bối cảnh khoa học tại ĐH SPKT TP.HCM
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là cơ sở đào tạo trọng điểm về kỹ thuật nhiệt. Khoa Cơ khí Động lực luôn chú trọng nghiên cứu ứng dụng thực tiễn. Nhu cầu sử dụng điều hòa không khí tăng mạnh kéo theo mức tiêu thụ điện kỷ lục. Dàn nóng giải nhiệt gió truyền thống gặp khó khăn khi nhiệt độ môi trường tăng cao. Hiệu suất hệ thống lạnh suy giảm đáng kể vào giờ cao điểm. Đồ án tốt nghiệp khóa 2021 hướng tới giải quyết bài toán cấp bách này. Nhóm nghiên cứu tập trung khai thác nước xả ngưng để tăng cường giải nhiệt trực tiếp. Ý tưởng khoa học kết hợp công nghệ xanh đáp ứng xu thế tiết kiệm năng lượng toàn cầu.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật và tính cấp thiết đề tài
Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán quá nhiệt của bình ngưng trong các chu trình lạnh. Đề tài đặt mục tiêu chế tạo thành công mô hình giải nhiệt thực nghiệm quy mô nhỏ. Hệ thống tận dụng trọn vẹn lưu lượng nước ngưng thải ra từ dàn lạnh. Tấm pin quang điện cung cấp toàn bộ nguồn điện cho quạt và bơm nước. Mục tiêu kỹ thuật then chốt là kiểm soát chính xác nhiệt độ không khí trước khi đi vào dàn ngưng. Thiết bị giúp duy trì áp suất ngưng tụ ở mức thấp ổn định. Từ đó máy nén tiêu hao ít công suất cơ học hơn. Công trình mang lại giải pháp công nghệ khả thi, chi phí vận hành thấp và bảo vệ môi trường bền vững.
II. Phân tích thực trạng thiết bị giải nhiệt nước ngưng mặt trời
Hệ thống điều hòa không khí truyền thống thường sử dụng dàn ngưng giải nhiệt gió cưỡng bức. Phương pháp này bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi thời tiết mùa hè nóng bức. Không khí ngoài trời có nhiệt độ quá cao khiến quá trình truyền nhiệt bị suy giảm nghiêm trọng. Áp suất ngưng tụ tăng vọt làm máy nén phải làm việc quá tải. Lượng điện năng tiêu thụ gia tăng nhanh chóng, gây nguy cơ quá nhiệt động cơ. Đồng thời, lượng nước ngưng lạnh sinh ra từ quá trình khử ẩm thường bị xả trực tiếp ra ngoài cống rãnh. Nguồn nước này có nhiệt độ dao động từ 12 đến 18 độ C. Việc lãng phí nguồn nhiệt dung tiềm năng này đi ngược lại nguyên lý tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, việc dùng điện lưới cho quạt phụ trợ giải nhiệt tiếp tục làm tăng hóa đơn năng lượng. Sự kết hợp giữa bức xạ mặt trời gay gắt và nước ngưng bỏ đi đặt ra yêu cầu phải tái cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt. Cần có thiết bị tích hợp để xử lý đồng thời hai nguồn năng lượng này.
2.1. Hạn chế của dàn ngưng giải nhiệt gió truyền thống
Dàn ngưng làm mát bằng không khí đối lưu phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ khí quyển xung quanh. Khi nhiệt độ môi trường vượt quá 35 độ C, chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt bị thu hẹp đáng kể. Tác nhân lạnh không thể ngưng tụ hoàn toàn ở áp suất thiết kế ban đầu. Hiện tượng này khiến áp suất nén tăng cao và giảm lưu lượng môi chất tuần hoàn. Máy nén phải tiêu tốn nhiều điện năng hơn để duy trì năng suất làm lạnh. Tuổi thọ của các thiết bị cơ khí giảm nhanh do vận hành liên tục trong điều kiện áp suất cao. Hơn nữa, bề mặt dàn trao đổi nhiệt dễ bị bám bụi bẩn, làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng quát theo thời gian.
2.2. Lãng phí nguồn nước ngưng và tiềm năng mặt trời
Quá trình làm lạnh và khử ẩm của máy điều hòa sinh ra lượng nước ngưng liên tục mỗi giờ. Nước ngưng là nguồn nước cất sạch, không chứa cặn khoáng và có nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, phần lớn các công trình xây dựng đều thải bỏ trực tiếp lượng nước này. Điều đó gây lãng phí nghiêm trọng một nguồn chất tải lạnh quý giá. Mặt khác, thời điểm hệ thống điều hòa tải nặng nhất cũng chính là thời điểm nắng gắt nhất trong ngày. Năng lượng mặt trời dồi dào sẵn có tại cùng một thời điểm với nhu cầu giải nhiệt cực đại. Việc không khai thác đồng bộ hai nguồn lực tự nhiên này là một thiếu sót lớn trong thiết kế kỹ thuật nhiệt hiện đại.
III. Giải pháp thiết kế thiết bị giải nhiệt nước ngưng mặt trời
Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Thiết bị sử dụng tấm làm mát bay hơi (cooling pad) đặt trước dàn ngưng tụ. Nước ngưng thu gom được bơm tuần hoàn tưới đều lên bề mặt tấm đệm sợi cellulose. Không khí nóng bên ngoài đi qua tấm đệm ướt sẽ bay hơi một phần nước, giúp nhiệt độ không khí giảm sâu trước khi tiếp xúc với dàn ngưng. Nguồn năng lượng cung cấp cho quạt hút và bơm nước lấy từ tấm pin quang điện mặt trời gắn kèm. Để tối ưu hóa hoạt động, nhóm áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi với bảng trực giao chuẩn. Các thông số vận hành như độ dày tấm đệm, vận tốc gió từ 1,8 đến 4 m/s và lưu lượng phun nước được phân tích kỹ lưỡng. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N và phân tích phương sai ANOVA xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Mô hình bảo đảm tính tối ưu và hoạt động ổn định.
3.1. Nguyên lý bay hơi và tích hợp pin quang điện
Nguyên lý làm mát bay hơi dựa trên sự truyền nhiệt và truyền khối trực tiếp giữa dòng nước và không khí. Nước ngưng hấp thụ ẩn nhiệt hóa hơi từ không khí nóng, khiến nhiệt độ bầu khô của không khí giảm nhanh chóng. Không khí mát này làm tăng đáng kể tốc độ tản nhiệt của dàn ngưng tụ. Hệ thống pin năng lượng mặt trời được lắp đặt với góc nghiêng tối ưu để đón bức xạ cao nhất. Nguồn điện một chiều từ pin cấp thẳng cho động cơ quạt DC và bơm nước mini. Thiết kế này tạo nên khả năng tự điều tiết rất thông minh. Khi bức xạ mặt trời càng mạnh, quạt và bơm hoạt động càng mạnh để đáp ứng nhu cầu tản nhiệt tăng cao.
3.2. Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi
Phương pháp Taguchi giúp rút gọn số lượng thí nghiệm cần thiết mà vẫn thu được kết quả khoa học chính xác. Nghiên cứu sử dụng bảng trực giao để sắp xếp các yếu tố ảnh hưởng chính. Các yếu tố khảo sát bao gồm tốc độ gió qua dàn, độ dày miếng đệm làm mát và lưu lượng nước cấp. Tỷ số S/N cùng giá trị trung bình Means được tính toán chi tiết cho từng trường hợp. Phép phân tích phương sai ANOVA chỉ ra yếu tố có mức tác động lớn nhất đến lượng nước bay hơi và độ giảm nhiệt. Thông qua việc so sánh giá trị Delta và xếp hạng Rank, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn được bộ thông số vận hành hoàn hảo nhất cho thiết bị.
IV. Kết luận ứng dụng của thiết bị giải nhiệt nước ngưng mặt trời
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính hiệu quả vượt trội của thiết bị. Khi độ dày tấm làm mát và vận tốc dòng khí được tối ưu, lượng nước ngưng bay hơi tăng giúp hạ nhiệt độ không khí đầu vào từ 3 đến 6 độ C. Nhiệt độ ngưng tụ thấp hơn kéo theo sự suy giảm áp suất nén, bảo vệ động cơ máy nén hoạt động bền bỉ. Hệ số hiệu quả năng lượng COP của hệ thống tăng lên từ 12% đến 18%. Mức điện năng tiêu thụ giảm rõ rệt trong các khung giờ nắng gắt có phụ tải cao điểm. Thiết bị hoạt động hoàn toàn bằng nguồn điện năng lượng mặt trời tự sản tự tiêu, không phát sinh chi phí điện lưới bổ sung. Giải pháp này có tiềm năng ứng dụng rất lớn cho các hệ thống điều hòa cục bộ, hệ thống VRV/VRF và kho lạnh công nghiệp. Đề tài cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy để sản xuất thương mại hóa các bộ giải nhiệt phụ trợ tiết kiệm năng lượng.
4.1. Hiệu quả tiết kiệm điện và nâng cao hệ số COP
Hạ thấp nhiệt độ làm mát giúp nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh giảm tương ứng. Mỗi độ C suy giảm ở nhiệt độ ngưng tụ mang lại mức tiết kiệm khoảng 2% điện năng máy nén. Nhờ tận dụng nước ngưng lạnh và cơ chế bay hơi, hệ thống ghi nhận mức tăng chỉ số COP trung bình trên 15%. Thiết bị giảm tải nhiệt đáng kể cho môi trường xung quanh các dàn nóng tòa nhà. Mô hình sử dụng nguồn quang điện độc lập nên không gây áp lực tải lên lưới điện sinh hoạt. Đây là giải pháp kỹ thuật tối ưu vừa cắt giảm chi phí tiền điện vừa gia tăng độ bền vận hành cho thiết bị lạnh.
4.2. Khả năng nhân rộng và phát triển thực tế
Thiết bị có kết cấu cơ khí gọn nhẹ, dễ dàng tích hợp lắp thêm vào các dàn ngưng hiện hữu mà không cần can thiệp chu trình môi chất bên trong. Giải pháp đặc biệt thích hợp với các đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc và cường độ bức xạ mặt trời cao như TP.HCM. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển thêm hệ thống điều khiển tự động thông minh bằng vi điều khiển. Cảm biến nhiệt ẩm sẽ tự động điều tiết lượng nước phun và tốc độ quạt theo điều kiện thời tiết thực tế. Việc thương mại hóa công nghệ này mang lại giá trị kinh tế thiết thực và đóng góp giảm phát thải khí nhà kính.
