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.