Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ hệ thống nước water chiller để cải thiện hiệu suất bơm nhiệt

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu tận dụng nhiệt thải bình ngưng của hệ thống nước water chiller để nâng cao hiệu, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Văn Thái
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Nhựt
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Tận Dụng Nhiệt Thải Bình Ngưng Của Hệ Thống Water Chiller Để Nâng Cao Hiệu Suất Của Bơm Nhiệt
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
• 1.2. Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta
• 1.3. Lịch sử phát triển và các ứng dụng của bơm nhiệt
• 1.4. Khái quát về nhiệt thải
• 1.5. Nguồn nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller
• 1.6. Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam
• 1.7. Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước
• 1.8. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.9. Mục đích nghiên cứu của đề tài
• 1.10. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.11. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt
• 2.2. Tính toán chu trình bơm nhiệt
• 2.3. Một số phương pháp gia nhiệt nước nóng
• 2.3.1. Gia nhiệt nước nóng bằng điện trở
• 2.3.2. Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời
• 2.3.3. Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt
• 2.3.4. Gia nhiệt nước nóng bằng hơi từ lò hơi
• 2.3.5. Gia nhiệt nước nóng từ các nguồn nhiệt thải
• 2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi đến hiệu quả bơm nhiệt
• 2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ
• 2.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TẬN DỤNG NHIỆT THẢI BÌNH NGƯNG HỆ THỐNG WATER CHILLER CHO BƠM NHIỆT
• 3.1. Đặt bài toán
• 3.2. Tính toán chu trình nhiệt
• 3.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt
• 3.4. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ
• 3.5. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi
• 3.6. Kích thước bình nước nóng
• 3.7. Thời gian đun nước nóng
• 3.8. Hệ số hiệu suất năng lượng của bơm nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
• 4.1. Mục đích, ý nghĩa
• 4.2. Mô tả hệ thống thí nghiệm
• 4.3. Mô tả hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng ATW
• 4.4. Mô tả hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng WTW
• 4.5. Thiết minh các thiết bị đo
• 4.6. Thiết bị đo dòng điện và điện áp KYORITSU 2012R
• 4.7. Đồng hồ điều khiển nhiệt độ Ewelly EW-988H
• 4.8. Đồng hồ đo áp suất
• 4.9. Đồng hồ đo lưu lượng nước đa tia SENSUS kiểu cánh quạt
• 4.10. Đồng hồ điện một pha EMIC
• 4.11. Phương pháp thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Kết quả thí nghiệm của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng ATW
• 5.2. Kết quả thí nghiệm hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng WTW
• 5.3. Sự ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ nước thải đến hiệu suất của bơm nhiệt
• 5.4. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của bơm nhiệt ATW và bơm nhiệt WTW
• 5.5. Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống bơm nhiệt WTW so với hệ thống bơm nhiệt ATW
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• BÀI BÁO KHOA HỌC
• BẢNG PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhiệt thải và hệ thống water chiller

Nhiệt thải từ hệ thống water chiller là một nguồn năng lượng quan trọng có thể được tận dụng để nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt. Nhiệt thải này thường phát sinh trong quá trình làm lạnh và có thể đạt nhiệt độ từ 30°C đến 40°C. Việc tận dụng năng lượng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo nghiên cứu, việc sử dụng nhiệt thải từ hệ thống làm lạnh có thể cải thiện hiệu suất năng lượng lên đến 30%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc khai thác nguồn nhiệt này trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày càng cao.

1.1. Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam

Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, đặc biệt trong các lĩnh vực như khách sạn, bệnh viện và các khu công nghiệp. Việc sử dụng bơm nhiệt để cung cấp nước nóng từ nhiệt thải của hệ thống water chiller không chỉ đáp ứng nhu cầu này mà còn giúp tiết kiệm năng lượng. Theo thống kê, mỗi năm, lượng nước nóng tiêu thụ tại các cơ sở này có thể lên đến hàng triệu lít. Việc áp dụng công nghệ tái sử dụng nhiệt từ nước thải sẽ góp phần giảm thiểu chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Điều này cũng phù hợp với xu hướng phát triển bền vững mà nhiều quốc gia đang hướng tới.

II. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

Bơm nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và nguồn nhiệt. Trong quá trình này, nhiệt thải từ hệ thống water chiller được sử dụng để gia nhiệt cho nước, từ đó nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt. Hệ thống này bao gồm các thiết bị như máy nén, thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. Khi nhiệt độ nước thải từ hệ thống chiller tăng lên, hiệu suất của bơm nhiệt cũng được cải thiện. Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ nước thải vào dao động từ 33°C đến 37°C, hệ số hiệu suất (COP) của bơm nhiệt có thể đạt từ 5,7 đến 6,7. Điều này chứng tỏ rằng việc tận dụng nhiệt thải không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

2.1. Tính toán chu trình bơm nhiệt

Tính toán chu trình bơm nhiệt là một phần quan trọng trong việc thiết kế và vận hành hệ thống. Các thông số như nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và lưu lượng nước cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Việc sử dụng công nghệ làm lạnh hiện đại giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của bơm nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng. Điều này không chỉ có lợi cho các doanh nghiệp mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

III. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc sử dụng nhiệt thải từ hệ thống water chiller để cung cấp nước nóng cho bơm nhiệt mang lại hiệu quả rõ rệt. Các thí nghiệm đã được thực hiện với hai mô hình bơm nhiệt: ATW và WTW. Kết quả cho thấy, hệ thống bơm nhiệt WTW có hiệu suất cao hơn so với ATW, với COP đạt từ 5,7 đến 6,7. Điều này chứng tỏ rằng việc tận dụng nhiệt thải không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất của hệ thống. Việc áp dụng công nghệ này trong thực tế sẽ giúp giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường, đồng thời tiết kiệm chi phí cho các doanh nghiệp.

3.1. Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng

Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển bền vững. Việc sử dụng bơm nhiệt kết hợp với nhiệt thải từ hệ thống water chiller không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng công nghệ này có thể giảm thiểu lượng khí thải carbon, đồng thời tiết kiệm chi phí vận hành cho các doanh nghiệp. Điều này không chỉ có lợi cho doanh nghiệp mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Theo ước tính, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu có thể tăng thêm 54% từ năm 2001 đến 2025, với nhu cầu chủ yếu tập trung ở các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ. Tại Việt Nam, dân số khoảng 86 triệu người và nhu cầu năng lượng ngày càng lớn, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt. Dự báo đến năm 2020, Việt Nam sẽ trở thành quốc gia nhập khẩu năng lượng với tỷ lệ nhập khẩu có thể lên đến 20%, và đến năm 2050 có thể lên tới 60%.

Trong bối cảnh đó, việc tìm kiếm và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo, cũng như nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, trở thành vấn đề cấp thiết. Bơm nhiệt là một trong những công nghệ có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt trong việc gia nhiệt nước nóng phục vụ sinh hoạt và công nghiệp. Nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller, với nhiệt độ từ 35°C đến 43°C, là nguồn nhiệt thải có thể tận dụng hiệu quả để nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu quả mô hình bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller (WTW), đồng thời so sánh hiệu suất với bơm nhiệt nguồn gió (ATW). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình công suất 750 W, dung tích bình chứa 160 lít, nhiệt độ nước nóng yêu cầu 50°C, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng và ứng dụng bơm nhiệt tại Việt Nam, góp phần giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.

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 về bơm nhiệt và tận dụng nhiệt thải, bao gồm:

• Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt: Bơm nhiệt hoạt động theo chu trình nhiệt động ngược chiều, gồm các thành phần chính như máy nén, dàn bay hơi, dàn ngưng tụ và van tiết lưu. Chu trình này giúp bơm nhiệt chuyển nhiệt từ nguồn nhiệt độ thấp lên nguồn nhiệt độ cao để gia nhiệt nước hoặc không khí.

• Chu trình nhiệt động học của bơm nhiệt: Các quá trình nén, ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi được mô tả trên đồ thị T-s và LgP-h, với các thông số như công nén riêng, năng suất nhiệt ngưng tụ và năng suất lạnh riêng. Hệ số hiệu suất (COP) được tính bằng tỷ số giữa nhiệt lượng thu được và công tiêu thụ.

• Khái niệm nhiệt thải và phân loại nguồn nhiệt thải: Nhiệt thải là năng lượng nhiệt bị thải ra môi trường sau quá trình sử dụng năng lượng. Nguồn nhiệt thải được phân loại theo nhiệt độ thành nhiệt thế cao, trung bình và thấp. Nhiệt thải từ bình ngưng hệ thống water chiller thuộc loại nhiệt thế thấp, có nhiệt độ từ 35°C đến 43°C, phù hợp để tận dụng làm nguồn nhiệt cho bơm nhiệt.

• Các phương pháp gia nhiệt nước nóng: So sánh các phương pháp như gia nhiệt bằng điện trở, năng lượng mặt trời và bơm nhiệt. Bơm nhiệt được đánh giá cao về hiệu quả năng lượng với chi phí vận hành thấp và khả năng sử dụng quanh năm, không phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hai mô hình bơm nhiệt đun nước nóng công suất 750 W, dung tích bình chứa 160 lít, gồm bơm nhiệt nguồn gió (ATW) và bơm nhiệt nguồn nước (WTW) tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng water chiller.

• Phương pháp phân tích: Phân tích hiệu suất hệ thống thông qua hệ số hiệu suất COP, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nước thải đến hiệu suất bơm nhiệt. So sánh hiệu quả năng lượng giữa hai hệ thống bơm nhiệt.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2015-2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, bao gồm thiết kế, chế tạo mô hình, thực nghiệm và phân tích số liệu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hai mô hình bơm nhiệt được thiết kế với công suất và điều kiện làm việc tương đương để đảm bảo tính so sánh khách quan. Các phép đo được thực hiện nhiều lần trong các ngày khác nhau để thu thập dữ liệu ổn định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hiệu suất bơm nhiệt ATW: Khi nhiệt độ môi trường dao động từ 28°C đến 32°C, hệ số hiệu suất COP của bơm nhiệt ATW thay đổi từ 2,5 đến 3,2. Điều này cho thấy hiệu suất bơm nhiệt nguồn gió phụ thuộc rõ rệt vào điều kiện thời tiết.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước thải đến hiệu suất bơm nhiệt WTW: Khi nhiệt độ nước thải vào thiết bị bay hơi tăng từ 33°C đến 37°C, COP của hệ thống bơm nhiệt WTW tăng từ 5,7 đến 6,7, cao hơn gấp đôi so với bơm nhiệt ATW trong cùng điều kiện công suất.

3. So sánh hiệu quả năng lượng giữa hai hệ thống: Bơm nhiệt WTW tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng water chiller có hiệu suất năng lượng vượt trội, tiết kiệm năng lượng tương đối khoảng 50% so với bơm nhiệt ATW.

4. Ảnh hưởng của lưu lượng nước thải: Lưu lượng nước thải ảnh hưởng đến hiệu suất bơm nhiệt WTW, với lưu lượng tối ưu giúp duy trì nhiệt độ nước thải ổn định và nâng cao COP.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất cao của bơm nhiệt WTW được giải thích bởi nguồn nhiệt thải ổn định và nhiệt độ nước thải cao hơn so với nhiệt độ môi trường, giúp giảm độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi, từ đó nâng cao hệ số hiệu suất COP. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tận dụng nhiệt thải trong bơm nhiệt, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp tận dụng nhiệt thải bình ngưng water chiller tại điều kiện khí hậu Việt Nam.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ nước thải vào và COP cho thấy xu hướng tăng COP theo nhiệt độ nước thải, minh chứng cho việc tận dụng nhiệt thải là giải pháp hiệu quả. Bảng so sánh số liệu thí nghiệm giữa hai hệ thống cũng làm rõ sự khác biệt về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng bơm nhiệt trong các ngành công nghiệp và dịch vụ tại Việt Nam, đặc biệt trong các khu vực có hệ thống water chiller hoạt động thường xuyên như khách sạn, bệnh viện, nhà máy chế biến thực phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi bơm nhiệt WTW tận dụng nhiệt thải: Khuyến khích các cơ sở công nghiệp, khách sạn và bệnh viện lắp đặt hệ thống bơm nhiệt WTW để tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng water chiller, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm.

2. Tối ưu hóa thiết kế bộ trao đổi nhiệt: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các thiết bị trao đổi nhiệt có khả năng chống ăn mòn và đóng cáu, phù hợp với đặc tính nước thải, nhằm duy trì hiệu suất truyền nhiệt ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức về bơm nhiệt: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, nhà quản lý và người tiêu dùng về lợi ích và cách vận hành hệ thống bơm nhiệt, đặc biệt là bơm nhiệt tận dụng nhiệt thải, nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng.

4. Chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư: Đề xuất các chính sách ưu đãi thuế, hỗ trợ tài chính cho các dự án đầu tư hệ thống bơm nhiệt sử dụng nhiệt thải, nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu và thúc đẩy phát triển bền vững. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thiết kế và kết quả thực nghiệm chi tiết về bơm nhiệt và tận dụng nhiệt thải, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị bơm nhiệt: Thông tin về hiệu suất và thiết kế mô hình bơm nhiệt WTW giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng.

3. Các cơ sở công nghiệp và dịch vụ sử dụng hệ thống water chiller: Khách sạn, bệnh viện, nhà máy chế biến thực phẩm có thể áp dụng giải pháp tận dụng nhiệt thải để tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích giúp xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ bơm nhiệt và sử dụng năng lượng hiệu quả tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Bơm nhiệt WTW tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng water chiller hoạt động như thế nào?
   Bơm nhiệt WTW sử dụng nhiệt thải nước nóng từ bình ngưng water chiller làm nguồn nhiệt cho thiết bị bay hơi, giúp nâng cao nhiệt độ bay hơi và giảm công suất tiêu thụ điện, từ đó tăng hệ số hiệu suất COP lên mức 5,7 đến 6,7 trong điều kiện nhiệt độ nước thải từ 33°C đến 37°C.

2. Hiệu suất của bơm nhiệt ATW và WTW khác nhau ra sao?
   Bơm nhiệt ATW có COP dao động từ 2,5 đến 3,2 khi nhiệt độ môi trường từ 28°C đến 32°C, trong khi bơm nhiệt WTW tận dụng nhiệt thải có COP cao hơn đáng kể, từ 5,7 đến 6,7, nhờ nguồn nhiệt ổn định và nhiệt độ cao hơn.

3. Nguồn nhiệt thải từ bình ngưng water chiller có ổn định không?
   Nguồn nhiệt thải này khá ổn định với nhiệt độ dao động từ 35°C đến 43°C, phù hợp để làm nguồn nhiệt cho bơm nhiệt hoạt động hiệu quả quanh năm, kể cả trong điều kiện thời tiết thấp.

4. Làm thế nào để duy trì hiệu suất truyền nhiệt trong hệ thống bơm nhiệt WTW?
   Cần thiết kế bộ trao đổi nhiệt chống ăn mòn và đóng cáu, đồng thời thực hiện bảo trì định kỳ để đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả và tuổi thọ thiết bị lâu dài.

5. Ứng dụng thực tế của bơm nhiệt WTW tại Việt Nam như thế nào?
   Các khách sạn, bệnh viện và nhà máy chế biến thực phẩm đã áp dụng hệ thống bơm nhiệt WTW kết hợp với nguồn nhiệt thải water chiller, giúp tiết kiệm năng lượng từ 50% trở lên và giảm chi phí vận hành đáng kể.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công hai mô hình bơm nhiệt đun nước nóng công suất 750 W, dung tích bình chứa 160 lít, gồm bơm nhiệt nguồn gió (ATW) và bơm nhiệt nguồn nước (WTW) tận dụng nhiệt thải bình ngưng water chiller.
• Hiệu suất COP của bơm nhiệt WTW đạt từ 5,7 đến 6,7, cao hơn gấp đôi so với bơm nhiệt ATW (2,5 đến 3,2), chứng minh hiệu quả vượt trội của việc tận dụng nhiệt thải.
• Nhiệt độ nước thải và lưu lượng nước thải là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất bơm nhiệt WTW.
• Giải pháp tận dụng nhiệt thải bình ngưng water chiller góp phần tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường tại các cơ sở công nghiệp và dịch vụ.
• Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, tối ưu thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, đào tạo nhân lực và xây dựng chính sách hỗ trợ để thúc đẩy phát triển công nghệ bơm nhiệt tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai các dự án thí điểm ứng dụng bơm nhiệt WTW tại các cơ sở có hệ thống water chiller, đồng thời nghiên cứu mở rộng quy mô và cải tiến công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 1. Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta 1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới Các nguồn năng lượng sơ cấp như năng lượng hóa thạch của thế giới ngày càng cạn kiệt. Toàn thế giới đang phải đối mặt nghiêm trọng với vấn đề tiết kiệm năng lượng sơ cấp.

Dân số thế giới càng tăng, kinh tế thế giới càng phát triển thì tiêu thụ năng lượng càng nhiều. Có 3 nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng hóa thạch, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng hóa thạch chiếm đến 78,4 % và năng lượng hạt nhân chiếm 2,6 % ( 2013 ). Nhiên liệu hóa thạch được coi là năng lượng sơ cấp.Trước đây năng lượng sơ cấp được tính theo tấn than đá tương đương, ký hiệu là tce (ton of coal equivalent, 1tce = 8,14 MWh lấy tròn là 8 MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của 1 kg than đá bằng 7000 kcal/kg), nhưng ngày nay được tính theo tấn dầu tương đương ký hiệu là toe ( ton of oil equivalent, 1 toe = 41,868 GJ = 11,63 MWh lấy tròn là 12 MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của 1 kg dầu bằng 10000 kcal/kg. Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thống kê vào năm 2013 [1] HVTH: NGUYỄN VĂN THÁI -1- LUẬN VĂN THẠC SĨ Luan van GVHD: TS.

LÊ MINH NHỰT Trong tương lai gần, toàn thế giới sẽ phải nỗ lực đi tìm kiếm những nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo để bù đắp cho sự thiếu hụt của năng lượng sơ cấp hóa thạch đang cạn kiệt. Vào đầu thế kỷ thứ 21 thế giới đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt. Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất chính là sự khủng hoảng về năng lượng. Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới có thể tăng thêm 54 % (ước tính khoảng 404 nghìn triệu triệu Btu năm 2001 tới 623 nghìn triệu triệu Btu vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.

Mức tiêu thụ năng lượng Hình 1. Tiêu thụ năng lượng phân theo của thế giới từ 1970 đến 2025 (đơn vị khu vực (đơn vị nghìn triệu Btu) [2] nghìn triệu Btu) [2] Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7,3 tỷ người vào năm 2015. Về vấn đề này, có 3 điểm chúng ta cần lưu ý.

Một là, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Thứ hai là, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn HVTH: NGUYỄN VĂN THÁI -2- LUẬN VĂN THẠC SĨ Luan van GVHD: TS. LÊ MINH NHỰT chiếm 90 % tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2015. Thứ ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau.

Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu. Đây là vấn đề mà cả thế giới đang rất quan tâm. Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách. Lượng khí thải CO2 sinh ra Hình 1.

Biểu đồ tiêu thu năng lượng thế do sử dụng năng lượng hóa thạch [2] giới của các nguồn năng lượng (%) [2] 1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Việt Nam Theo một báo cáo của Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương), vào tháng 8 năm nay, nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần. Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn; dầu còn 2,3 tỷ tấn… Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 – 200 năm. Việt Nam cũng là một quốc gia số dân khoảng 86.000 người - thứ 13 trên thế giới (có hai thành phố là TP Hồ Chí Minh và Hà Nội có dân số trên 5.000 dân), nên nhu cầu về năng lượng rất lớn. Số liệu do CIA World Factbook cung cấp cho thấy năm 2008, lượng điện năng tiêu thụ tại Việt Nam đứng thứ 25 trên thế giới (76,269TWh), lượng năng lượng sơ cấp được sử dụng tại Việt Nam là 1,699.1015 BTU HVTH: NGUYỄN VĂN THÁI -3- LUẬN VĂN THẠC SĨ Luan van GVHD: TS.

LÊ MINH NHỰT (tương đương 447,3TWh). Theo dự báo của Viện Khoa học năng lượng Việt Nam, từ năm 2010 đến 2030, trong giai đoạn 5 năm, nhu cầu năng lượng từ 27 % đến 40 %, trong đó, nhu cầu năng lượng sơ cấp để sản xuất điện tăng từ 37 % đến 55 %. Dự báo cũng cho thấy, để đáp ứng được các nhu cầu trên, đến năm 2020 Việt Nam sẽ trở thành quốc gia nhập khẩu năng lượng. Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm.

Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12 % – 20 % năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50 % – 60 %, chưa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án.Về xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, dự tính khi nhà máy lọc dầu Dung Quất đưa vào sử dụng năm 2009 – 2010, mới chỉ cung cấp được khoảng trên 5 triệu tấn xăng dầu cho giao thông vận tải trong tổng số nhu cầu 15 – 17 triệu tấn, vẫn phải nhập trên 10 triệu tấn.

Mặc dù chúng ta là nước đang phát triển nhưng cũng không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới. Ước tính nhu cầu năng lượng trung bình đến năm 2020 là 53,6 triệu TOE, riêng nhu cầu điện là 168 tỷ kWh. Lịch sử phát triển và các ứng dụng của bơm nhiệt 1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt Năm 1834, Perkin đăng ký bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh, tới năm 1852, William Thomson (còn gọi là Lord Kenvin) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về bơm nhiệt trên thế giới.

Perkin và thomson đều là người Anh. Mục đích sử dụng của bơm nhiệt này là để sưởi ấm phòng vào mùa đông. Chu trình làm việc của bơm nhiệt cũng giống như máy lạnh, đó là chu trình nhiệt động ngược chiều. Khác nhau giữa tên gọi máy lạnh và bơm nhiệt chỉ là mục đích sử dụng.

Ở máy lạnh, người ta sử dụng nguồn HVTH: NGUYỄN VĂN THÁI -4- LUẬN VĂN THẠC SĨ Luan van GVHD: TS. LÊ MINH NHỰT lạnh ở dàn bay hơi, còn bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở dàn ngưng để sưởi ấm hoặc đun nóng nước chẳng hạn. Thomson xây dựng thiết bị thử nghiệm với nguồn lạnh và nguồn nóng đều là nước.Theo tính toán lý thuyết, độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn chỉ cần 10 K, ví dụ, nguồn lạnh là 17 oC (290 K) và nguồn nóng là 27 oC (300 K), độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn nóng và nguồn lạnh 300 – 290 = 10 K, thì hệ số bơm nhiệt theo chu trình Canot sẽ là: Tk 300    30 kW nhiệt/kW điện (1) Tk  To 10 Điều đó có nghĩa là chỉ cần tiêu tốn 1 kW điện cho máy nén, ta thu được 30 kW nhiệt dùng để sưởi ấm. Rõ ràng ý nghĩa kinh tế của nó là to lớn.

Máy nén nén môi chất lạnh lên áp suất cao, đẩy vào ống xoắn trao đổi nhiệt đặt trong thùng nước nóng của nguồn nóng, sau đó tiết lưu xuống áp suất thấp để đưa vào dàn lạnh đặt trong bồn nước lạnh của nguồn lạnh. Đó là chu trình lạnh đơn giản và quen thuộc và có lẻ không có lý do gì để thất bại nếu như dùng các ga lạnh hiện đại. Thế nhưng, Thomson lại chọn chu trình bơm nhiệt nén khí với môi chất lạnh là không khí để nghiên cứu. Đó chính là lý do thất bại của Thomson, vì không khí có hệ số tỏa nhiệt rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 1 % so với hệ số tỏa nhiệt khi sôi và khi ngưng của các ga lạnh hiện đại, hơn nữa hiệu quả lạnh khi tiết lưu của không khí cũng rất thấp.

Sau nhiều lần vật lộn với thí nghiệm ông đã chịu bó tay và sáng chế của ông đã bị quên lãng quên gần một thế kỷ. Ngay cả khi kỹ thuật lạnh đã đạt được những phát triển huy hoàng với các môi chất lạnh như CO2, SO2, và NH3 mà bơm nhiệt vẫn không hề được nhắc lại. Mãi đến năm 1928, một người Mỹ là T. Haldane mới quay lại nghiên cứu bơm nhiệt và đã chế tạo bơm nhiệt đầu tiên để sưởi ấm cho chính văn phòng của ông.

Haldane là người cổ vũ nhiệt tình cho bơm nhiệt nhưng đáng tiếc là ông cũng không xây dựng được thêm hệ thống bơm nhiệt nào. Lý do cơ bản có lẻ là: - Giá tiền đầu tư cho một bơm nhiệt còn khá cao, trong khi giá than, ga, dầu, củi…và có thể điện còn rẻ hơn nhiều so với bơm nhiệt. HVTH: NGUYỄN VĂN THÁI -5- LUẬN VĂN THẠC SĨ Luan van GVHD: TS. LÊ MINH NHỰT - Mặt khác cũng có thể là do nhiệt độ ngoài trời xuống quá thấp trong những mùa đông khắc nghiệt làm cho hiệu quả bơm nhiệt giảm, nhiệt dàn ngưng thiết kế không đủ sưởi ấm phòng… - Những bơm nhiệt hoạt động có hiệu quả là những bơm nhiệt nén hơi.

Chúng đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật và hoạt động qua nhiều năm với hiệu quả nhiệt cao. Một bơm nhiệt tiêu biểu đầu tiên có thể kể đến là bơm nhiệt sưởi ấm cho văn phòng công ty Southern California Edison Co. Bơm nhiệt được xây dựng vào năm 1930, năng suất nhiệt 1050 kW và hệ số bơm nhiệt đạt 2,5.