Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế phát triển và mức sống của người dân ngày càng được nâng cao, ngành điều hòa không khí đã trở thành một phần thiết yếu trong đời sống sinh hoạt và sản xuất tại Việt Nam – quốc gia có đặc trưng khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm. Nhu cầu sử dụng máy điều hòa không khí tại các hộ gia đình, tòa nhà văn phòng, khách sạn và chung cư tăng trưởng nhanh chóng kéo theo lượng điện năng tiêu thụ rất lớn. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả năng lượng và tối ưu hóa hệ số hiệu quả làm lạnh (COP - Coefficient of Performance) của hệ thống điều hòa không khí cục bộ là vấn đề mang tính thực tiễn cao.

Nhiều nghiên cứu trước đây đã tiếp cận các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh nhưng còn hạn chế trong việc ứng dụng các công cụ phân tích dữ liệu thống kê để đánh giá đa yếu tố một cách toàn diện. Nhóm tác giả lựa chọn không gian thực nghiệm là một phòng nhỏ hẹp nhằm mô phỏng sát với điều kiện thực tế của các căn hộ gia đình, văn phòng nhỏ hiện nay.

Mục đích chính của đề tài là xây dựng công cụ đánh giá khoa học, lượng hóa mức độ ảnh hưởng của các yếu tố vận hành và môi trường đến chỉ số COP cũng như mức tiêu thụ điện năng của máy điều hòa dân dụng 2 cục treo tường, từ đó đề xuất chế độ vận hành tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 2 nhiệm vụ chính:

  1. Tính tải nhiệt chọn máy, xác định các yếu tố, phương pháp nghiên cứu và lập bảng ma trận trực giao quy hoạch thực nghiệm cho đề tài.
  2. Thu thập số liệu từ mô hình thực nghiệm, tính toán các thông số nhiệt động, năng suất lạnh, công suất điện và phân tích thống kê bằng công cụ Minitab 18.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy điều hòa không khí 2 cục dạng treo tường thương hiệu Daikin, công suất định mức 2 HP (sử dụng môi chất lạnh Gas R22, nguồn điện 1 pha 220V–240V/50Hz, công suất tiêu thụ điện 5 kW).
  • Không gian nghiên cứu: Phòng thực nghiệm (phòng lab) tại xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, có kích thước hình học: chiều dài 6,6 m, chiều rộng 3,2 m và chiều cao 2,0 m.
  • Phạm vi khảo sát: Đề tài tập trung khảo sát 5 yếu tố ảnh hưởng ở 3 mức độ khác nhau: nhiệt độ cài đặt phòng (21 °C, 22 °C, 23 °C), tốc độ quạt dàn lạnh IDU (mức 1, mức 3, mức 5), phương pháp giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ ODU (giải nhiệt không khí tự nhiên, giải nhiệt bằng cách rưới nước ngưng lên tấm Coolpad, giải nhiệt bằng cách rưới trực tiếp nước ngưng lên dàn nóng), số lượng người trong phòng (2 người, 4 người, 6 người) và khung thời gian vận hành trong ngày (7h–10h, 12h–15h, 17h–20h).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết nhiệt động lực học máy lạnh nén hơi, lý thuyết truyền nhiệt truyền ẩm công trình và các phương pháp thống kê thực nghiệm hiện đại:

  • Khung lý thuyết chu trình nhiệt động: Tác giả sử dụng mô hình chu trình máy lạnh nén hơi một cấp lý thuyết và thực tế biểu diễn trên đồ thị $lgP-h$ (Logarit áp suất – Enthalpy) và đồ thị $T-s$ (Nhiệt độ – Entropy). Phân tích chu trình thực tế bao gồm các tổn thất áp suất trên đường ống hút ($1'-1''$), qua van hút ($1''-1'''$), quá trình nén thực tế có tăng entropy ($1'''-2''$), tổn thất qua clape van đẩy ($2''-2'''$), tổn thất áp suất dàn ngưng ($2'''-3$) và ống dẫn lỏng ($3-3'$).

  • Lý thuyết nhiệt ẩm và tính tải lạnh: Sử dụng phương pháp Carrier để tính toán các nguồn nhiệt hiện và nhiệt ẩn trong không gian điều hòa (nhiệt truyền qua kết cấu bao che, nhiệt bức xạ mặt trời qua cửa kính, nhiệt tỏa ra từ người và thiết bị điện). Quá trình xử lý không khí ẩm được phân tích dựa trên giản đồ nhiệt - ẩm ($t-d$) và phần mềm chuyên dụng Psychrometric Calculator để xác định chính xác enthalpy không khí trong phòng ($I_T$) và tại miệng thổi dàn lạnh ($I_S$).

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi: Nhằm giảm số lượng thí nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy, nghiên cứu áp dụng phương pháp Taguchi dựa trên bảng ma trận trực giao (Orthogonal Array). Với 5 yếu tố khảo sát, mỗi yếu tố có 3 mức độ, ma trận trực giao $L_{27}$ ($3^{13}$) được lựa chọn. Tác giả sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$ ratio) theo tiêu chuẩn "càng lớn càng tốt" (Larger-is-Better) để tối đa hóa hệ số COP: $$\text{SN}i = -10 \log \left( \frac{1}{N_i} \sum{u=1}^{N_i} \frac{1}{\bar{y}_u^2} \right)$$ Đồng thời, phần trăm đóng góp ($C%$) của từng yếu tố được xác định để xếp hạng mức độ ảnh hưởng.

  • Phương pháp phân tích phương sai (ANOVA): Phương pháp phân tích phương sai một yếu tố và hai yếu tố được áp dụng để kiểm định giả thuyết thống kê ($H_0$), xác định bậc tự do ($DF$), tổng bình phương độ lệch ($SS$), phương sai giữa các nhóm ($MSB$), phương sai nội nhóm ($MSW$) và so sánh giá trị kiểm định $F$ thực nghiệm với $F$ lý thuyết ($F\text{-value}$, $P\text{-value}$, $VIF$).

  • Nguồn dữ liệu và trang thiết bị thực nghiệm: Dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán được đo đạc trực tiếp từ mô hình thực tế thông qua các thiết bị đo chuyên dụng:

    • Áp kế cơ và kỹ thuật số đo áp suất hút, áp suất đẩy và áp suất trước van tiết lưu.
    • Cặp nhiệt điện kết hợp thiết bị đo nhiệt độ/độ ẩm môi trường và nhiệt độ bề mặt đường ống.
    • Thiết bị đo vận tốc gió tại miệng thổi dàn lạnh để xác định lưu lượng không khí qua công thức $G = \rho \cdot v_{tb} \cdot S$.
    • Ampe kìm đo cường độ dòng điện tiêu thụ ($I$) của máy lạnh.
    • Công cụ phần mềm hỗ trợ: Minitab 18, CoolPack và Psychrometric Calculator.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tổng quan về sự phát triển của ngành điều hòa không khí tại Việt Nam dưới tác động của khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Tác giả làm rõ tính cấp thiết của việc tiết kiệm điện năng đối với máy lạnh dân dụng – thiết bị chiếm tỷ trọng tiêu thụ điện lớn trong khu vực sinh hoạt gia đình và văn phòng nhỏ. Chương 1 xác định rõ mục đích nghiên cứu, đối tượng máy điều hòa Daikin 2 HP sử dụng Gas R22 đặt tại phòng lab xưởng Nhiệt (kích thước $6,6 \times 3,2 \times 2,0$ m), cùng 5 thông số biến thiên ở 3 mức độ nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Nội dung chương 2 chia thành hai phần lớn:

  • Cơ sở nghiên cứu trong và ngoài nước: Tổng hợp các công trình tiêu biểu gồm nghiên cứu của Phan Thị Thu Hường và cộng sự (ĐHBK Hà Nội) về ảnh hưởng của tốc độ gió dàn ngưng Chiller; nghiên cứu của Hoàng Thành Đạt về tiết kiệm năng lượng qua việc giảm nhiệt độ ngưng tụ và tăng nhiệt độ bay hơi; nghiên cứu của David Fridley về điều hòa phòng tại Trung Quốc; nghiên cứu của Jingjie Wang về mô hình Taguchi; và công trình của Ibrahim Atmaca (2022) về máy điều hòa có dàn ngưng làm mát bay hơi (evaporatively-cooled condenser) giúp tăng COP từ 10,2% đến 35,3% và giảm tiêu thụ điện 4% đến 12,4%.
  • Lý thuyết chuyên ngành và phương pháp thống kê: Trình bày nguyên lý hệ thống điều hòa cục bộ 2 khối, phân loại hệ thống (cấp I, II, III; giải nhiệt gió/nước; xử lý kiểu khô/ướt); phân tích chi tiết chu trình nhiệt động thực tế trên đồ thị $lgP-h$; thiết lập toàn bộ công thức toán học của phương pháp phân tích phương sai ANOVA và kỹ thuật thiết kế thực nghiệm Taguchi (bảng ma trận $L_4$ đến $L_{50}$, cách tính tỷ số $S/N$, phần trăm đóng góp $C%$).

Chương 3: Thu thập thực nghiệm, xử lý số liệu

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình thiết lập mô hình, thu thập và xử lý số liệu:

  • Tính toán tải nhiệt phòng: Áp dụng phương pháp Carrier để tính toán chi tiết kích thước phòng ($6,6 \times 3,2 \times 2,0$ m), diện tích tường, trần, sàn, thông số thiết bị tỏa nhiệt, giá trị bức xạ mặt trời qua kính theo hướng địa lý, và nhiệt hiện - nhiệt ẩn do số người ($2, 4, 6$ người) sinh hoạt tạo ra.
  • Lắp đặt hệ thống thực nghiệm: Bố trí máy điều hòa Daikin 2 HP, lắp đặt hệ thống thu gom và tuần hoàn nước ngưng từ dàn lạnh, lắp đặt hệ thống ống rưới nước ngưng lên tấm làm mát Coolpad đặt phía sau dàn ngưng và hệ thống rưới trực tiếp lên dàn nóng.
  • Xác định các thông số nhiệt động: Thiết lập quy trình đo áp suất, nhiệt độ tại các điểm nút chu trình, đo vận tốc gió trung bình miệng thổi dàn lạnh ($v_{tb}$), cường độ dòng điện ($I$). Hướng dẫn tra cứu enthalpy không khí vào ($I_T$) và không khí ra ($I_S$) bằng phần mềm Psychrometric Calculator để tính năng suất lạnh $Q_0$ qua công thức: $$Q_0 = G \cdot (I_T - I_S)$$ Tính công suất tiêu thụ điện $N$ và xác định hệ số COP thực nghiệm cho toàn bộ các lần thử nghiệm theo ma trận quy hoạch.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 trình bày các số liệu và phân tích định lượng thu được:

  • Trình bày bảng dữ liệu 27 thí nghiệm theo ma trận trực giao Taguchi với các kết quả tính toán cụ thể về năng suất lạnh $Q_0$, công suất điện tiêu thụ $N$ và hệ số $COP$.
  • Đưa ra so sánh định lượng giữa hệ số COP thu được từ thực nghiệm trong các điều kiện vận hành khác nhau với chỉ số COP danh định ghi trên Catalog của nhà sản xuất Daikin.
  • Ứng dụng phần mềm Minitab 18 để vẽ đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến COP, tính toán bảng phân tích phương sai ANOVA, xác định tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) và tỷ lệ đóng góp ($C%$) của 5 yếu tố: nhiệt độ cài đặt, tốc độ quạt IDU, phương pháp giải nhiệt dàn ngưng (CCM), số người trong phòng (SN) và khung thời gian (TIME). Qua đó chỉ ra tổ hợp thông số vận hành tối ưu nhất giúp hệ thống đạt COP cực đại và tiết kiệm điện năng.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tóm lược các kết quả đạt được của đề tài: khẳng định phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi kết hợp ANOVA trên Minitab 18 là công cụ đánh giá chính xác, tin cậy đối với hệ thống điều hòa cục bộ; xác nhận hiệu quả rõ rệt của giải pháp tận dụng nước ngưng để giải nhiệt bổ sung cho thiết bị ngưng tụ; đề xuất các kiến nghị cụ thể cho người sử dụng trong việc cài đặt thông số vận hành và định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp và lượng hóa thành công mối quan hệ giữa các yếu tố vận hành với hiệu quả năng lượng của máy điều hòa dân dụng 2 cục treo tường:

Yếu tố khảo sát Ký hiệu Mức độ 1 Mức độ 2 Mức độ 3
Nhiệt độ cài đặt phòng Temp 21 °C 22 °C 23 °C
Tốc độ quạt dàn lạnh Air velo Mức 1 (Thấp) Mức 3 (Trung bình) Mức 5 (Cao)
Phương pháp giải nhiệt dàn ngưng CCM Giải nhiệt gió thường Rưới nước ngưng lên tấm Coolpad Rưới trực tiếp nước ngưng lên dàn nóng
Số lượng người trong phòng SN 2 người 4 người 6 người
Khung thời gian thực nghiệm TIME 7h – 10h 12h – 15h 17h – 20h

Các kết quả và đóng góp chính của đề tài bao gồm:

  • Đánh giá định lượng hiệu quả giải nhiệt bổ sung: Kết quả thực nghiệm chứng minh việc sử dụng nước ngưng từ dàn lạnh để rưới qua tấm Coolpad hoặc rưới trực tiếp lên dàn nóng làm giảm đáng kể nhiệt độ và áp suất ngưng tụ ($P_k$), tăng độ quá lạnh môi chất, từ đó nâng cao năng suất lạnh $Q_0$, giảm công nén $N$ và tăng hệ số COP so với phương pháp giải nhiệt bằng không khí tự nhiên thông thường.
  • Xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số: Thông qua tỷ số $S/N$ và phân tích ANOVA trong Minitab 18, đề tài lượng hóa được tỷ lệ đóng góp của từng yếu tố, giúp người vận hành nhận biết yếu tố nào có ảnh hưởng mang tính quyết định đến điện năng tiêu thụ và hiệu suất lạnh.
  • Đóng góp về mặt phương pháp: Khác với các nghiên cứu thực nghiệm truyền thống chỉ khảo sát đơn biến (thay đổi một yếu tố và cố định các yếu tố còn lại), đề tài đã ứng dụng thành công ma trận trực giao Taguchi $L_{27}$ đa biến, giúp giảm thiểu số lượng thực nghiệm cần thực hiện mà vẫn bảo đảm độ tin cậy và bao quát toàn bộ tương tác giữa các yếu tố.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và điều kiện thực hiện được nêu trong văn bản, đề tài có một số giới hạn:

  • Hạn chế:

    • Mô hình thực nghiệm chỉ tiến hành trên một máy điều hòa cục bộ duy nhất (Daikin công suất 2 HP, sử dụng môi chất Gas R22 loại máy cơ truyền thống On/Off).
    • Không gian khảo sát giới hạn trong một phòng lab cố định ($6,6 \times 3,2 \times 2,0$ m) tại xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
    • Các thông số nghiên cứu được ấn định ở 3 mức độ rời rạc và các khung giờ cố định trong ngày, chưa khảo sát liên tục theo chu kỳ thời tiết cả năm.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Mở rộng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trên các dòng máy điều hòa không khí công nghệ biến tần (Inverter) và các loại môi chất lạnh thân thiện với môi trường thế hệ mới như R32, R410A.
    • Thiết kế hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh việc thu trữ, bơm và điều khiển phun rưới nước ngưng dựa trên cảm biến nhiệt độ và độ ẩm môi trường thực tế.
    • Mở rộng quy mô nghiên cứu cho các không gian có diện tích lớn hơn và các loại hình công trình khác nhau.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Cung cấp tài liệu thực tiễn về quy trình tính tải nhiệt công trình theo Carrier, phương pháp đo đạc thông số chu trình lạnh thực tế trên máy điều hòa cục bộ và các bước xử lý số liệu nhiệt ẩm bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách thức áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi và phân tích ANOVA trên phần mềm Minitab 18 để giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp với nhiều biến số ảnh hưởng.
  • Người sử dụng và đơn vị lắp đặt điều hòa dân dụng: Đưa ra cơ sở thực nghiệm rõ ràng về việc lựa chọn nhiệt độ cài đặt, tốc độ quạt và giải pháp cải tiến giải nhiệt dàn nóng để tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận nghiên cứu những yếu tố cụ thể nào ảnh hưởng đến COP và điện năng tiêu thụ?
Nghiên cứu khảo sát 5 yếu tố, mỗi yếu tố gồm 3 mức:

  • Nhiệt độ cài đặt phòng: 21 °C, 22 °C, 23 °C.
  • Tốc độ quạt dàn lạnh: mức 1, mức 3, mức 5.
  • Phương pháp giải nhiệt dàn ngưng: giải nhiệt không khí tự nhiên, rưới nước ngưng lên tấm Coolpad, rưới trực tiếp nước ngưng lên dàn nóng.
  • Số lượng người trong phòng: 2 người, 4 người, 6 người.
  • Khung thời gian thực nghiệm: 7h–10h, 12h–15h, 17h–20h.

2. Thiết bị thực nghiệm và không gian phòng thử nghiệm có thông số kỹ thuật như thế nào?
Thực nghiệm được thực hiện trên máy điều hòa Daikin 2 cục dạng treo tường công suất 2 HP, sử dụng môi chất Gas R22, điện áp 1 pha 220V–240V/50Hz, công suất tiêu thụ điện 5 kW. Phòng thử nghiệm đặt tại xưởng Nhiệt Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có kích thước dài 6,6 m, rộng 3,2 m và cao 2,0 m.

3. Tác giả đã sử dụng những giải pháp giải nhiệt bổ sung nào cho thiết bị ngưng tụ?
Bên cạnh phương pháp giải nhiệt bằng gió thông thường, tác giả thiết lập hệ thống thu hồi nước ngưng từ dàn lạnh để thực hiện 2 phương pháp giải nhiệt bổ sung: rưới nước ngưng lên tấm làm mát Coolpad lắp phía sau dàn nóng và rưới trực tiếp nước ngưng lên bề mặt trao đổi nhiệt của dàn nóng.

4. Những phần mềm nào đã được nhóm nghiên cứu sử dụng để xử lý dữ liệu và tính toán?
Nhóm tác giả sử dụng các công cụ phần mềm gồm: Minitab 18 (phân tích Taguchi, tính tỷ số $S/N$ và phân tích phương sai ANOVA), Psychrometric Calculator (tra cứu thông số trạng thái và enthalpy của không khí ẩm) và CoolPack (hỗ trợ phân tích chu trình lạnh).

5. Phương pháp tính năng suất lạnh $Q_0$ trong đồ án được thực hiện như thế nào?
Năng suất lạnh $Q_0$ được tính theo công thức $Q_0 = G \cdot (I_T - I_S)$, trong đó $G$ là lưu lượng khối lượng không khí qua dàn lạnh (xác định từ vận tốc gió trung bình $v_{tb}$ đo tại miệng thổi và tiết diện $S$), còn $I_T$ và $I_S$ lần lượt là enthalpy của không khí trong phòng và không khí tại miệng thổi dàn lạnh được tra cứu qua giản đồ nhiệt ẩm $t-d$ và phần mềm Psychrometric Calculator.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh COP cũng như mức tiêu thụ điện năng của máy điều hòa dân dụng 2 cục Daikin 2 HP. Bằng việc tích hợp phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích phương sai ANOVA và các công cụ tính toán nhiệt ẩm chuyên dụng, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả nâng cao COP rõ rệt của giải pháp tận dụng nước ngưng giải nhiệt dàn nóng và xác lập chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống. Toàn bộ nội dung công trình cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm và tài liệu tham khảo khoa học có giá trị cao cho ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt.