Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

Lê Minh Nhựt

28

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG NƯỚC QUA BỘ THU TẤM PHẲNG
CỦA HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
EXPERIMENTAL VERIFICATION OF WATER FLOW RATE THROUGH
THE FLAT PLATE COLLECTOR LOOP OF SOLAR HOT WATER SYSTEM
Lê Minh Nhựt
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM;
Tóm tắt - Ngày nay, các hệ thống cấp nước nóng bằng năng lượng
mặt trời ngày càng phát triển do đời sống người dân, ngành du lịch
và các ngành công nghiệp ngày càng phát triển. Do đó, việc nghiêm
cứu nâng cao hiệu suất của các hệ thống này là điều cần thiết. Bài
báo trình bày kết quả thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua
vòng lặp bộ thu nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống nước nóng
năng lượng mặt trời. Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu
bộ thu tấm phẳng được chế tạo và lắp đặt tại Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Từ thực nghiệm cho thấy lưu lượng
qua vịng lặp bộ thu tại 7,92 lít/phút cho giá trị năng lượng hữu ích
cao nhất là 19.3 kWh ứng với năng lượng tiêu thụ của bơm là
2,3 kWh và nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích trữ là 30oC.

Abstract - Nowadays, the solar domestic hot water systems are
rapidly increasing due to the development of population, tourism, and
industries. Therefore, it is essential to improve the performance of
these systems. This paper presents the experiemtal results of the
verification of water flow rate through the collector loop to improve
the performance of the solar hot water system. This system was
designed and installed in campus of the HCMC University of
Technology and Education. The study results have indicated that the

value of the water flow rate through the collector loop at 7.92 lit/min
gives the highest value of useful heat gain of 19.38 kWh
corresponding to the energy consumption of pump of 2.3 kWh and
the initial water temperature in the storage tank of 30oC.

Từ khóa - Nước nóng; bộ thu; lưu lượng; bức xạ mặt trời; bình tích trữ

Key words - Hot water; collector; flow rate; solar radiation; storage tank

1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời
tuần hồn cưỡng bức được sử dụng ngày càng nhiều, do sử
dụng nguồn nhiệt năng lượng mặt trời miễn phí và thân
thiện với mơi trường. Nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu
suất của các hệ thống này là lưu lượng qua vòng lặp bộ thu.
Do đó, đã có nhiều nghiên cứu tập trung về vấn đề này.
Nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết tập trung bài toán
ảnh hưởng lưu lượng đến năng lượng hữu ích, sự hoạt động
và công tiêu tốn của bơm, hiệu suất thốt của vịng lặp bộ
thu, điều khiển on-off cho hoạt động của bơm nước vòng
lặp, ảnh hưởng hiệu suất thoát [1-5]. Nhựt và Park [6], đã
sử dụng phương pháp số để xác định ảnh hưởng của lưu
lượng dao động qua vịng lặp bộ thu ở điều kiện khí hậu
đảo Jeju, Hàn Quốc và kết luận rằng, nhiệt hữu ích của bộ
thu tăng 1,54% trong khi công cấp cho bơm giảm 65,61%.
Sara và cộng sự [7], đề xuất mơ hình điều khiển lưu lượng
n nước nóng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời. Khảo
sát đánh giá lưu lượng qua vịng lặp kín của hệ thống nước
nóng năng lượng mặt trời với bốn điều kiện thời tiết khác
nhau như vùng Nam Châu Âu, các mùa trong năm, ngày

nhiều mây và ngày bức xạ mặt trời dao đông mạnh cũng
được thực hiện bởi Badescu và cộng sự [8]. Phân tích lý
thuyết và thực nghiệm hiệu quả kinh tế và hiệu suất năng
lượng do ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp kín bộ thu
nước nóng năng lượng mặt trời cũng được thực hiện bởi
Mohamed và cộng sự [9]. Pang, Dembeck-Kerekes và cộng
sự [10-11], công bố nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
ảnh hưởng của lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng kiểu T để
giải nhiệt cho tấm Pin năng lượng mặt trời nhằm nâng cao
hiệu suất của tấm Pin và sản xuất nước nóng. Ngồi ra,
nghiên cứu điều khiển lưu lượng qua bộ thu dựa trên bức
xạ năng lượng mặt trời đến bộ thu, điều khiển bơm vòng
lặp theo phương pháp on-off, tỉ lệ theo nhiệt độ cũng được
đề cập [12-13]. Nhựt và Du [14], đã công bố nghiên cứu
thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết của

ngày nắng, có mây và ngày mưa đến năng lượng hữu ích
của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời. Ở trong nước
hiện nay cũng có nhiều cơng ty thiết kế và chế tạo các bộ
thu tấm phẳng và chân không tuần hoàn tự nhiên và cưỡng
bức để lắp đặt cho dân dụng và cơng nghiệp.
Mặc dù, có nhiều nghiên cứu trong và ngồi nước về các
hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu tuần hoàn tự
nhiên và cưỡng bức kiểu bộ thu tấm phẳng, chân không và
ống nhiệt, điều khiển lưu lượng qua vòng lặp bộ thu theo
phương pháp on-off, tỉ lệ … Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định lưu lượng qua các bộ
thu tấm phẳng ở trong nước. Do vậy, bài báo này nghiên cứu
thực nghiệm xác định lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng của hệ
thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng

lựu hữu ích thu được, giảm điện năng tiêu thụ bơm nước cho
vòng lặp và ứng dụng cho các hệ thống nước nóng năng
lượng mặt trời được lắp đặt ở điều kiện khí hậu Việt Nam.
2. Mơ hình hóa lý thuyết
Các thơng số tính tốn cho hệ thống được đưa bởi
[15,16] như sau:
Năng lượng hữu ích nhận được khi nước đi qua bộ thu:
Qu  Ac FR ( )It  k L (Tci  Ta )  mcp (Tco  Tci )

(1)

Trong đó, Ac là diện tích bộ thu, (τα) là hệ số hấp thụ
tích hợp của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ, It là cường
độ bức xạ chiếu tới bề mặt bộ thu, Tco và Tci là nhiệt độ
nước ra và nhiệt độ nước vào bộ thu, Ta là nhiệt độ môi
trường, m và cp là lưu lượng nước qua bộ thu và nhiệt dung
riêng của nước.
Hiệu suất thoát (hệ số dịch chuyển nhiệt) FR được tính
như sau:
FR =

mcp
Ac kL

[1 − exp (−

Ac kL F′
mcp

)]

F’ hiệu suất hiệu dụng của bộ thu được tính:

(2)


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020

F′ =

1
kL

L[

1
1
1
+ +
]
kL [Dng+(L−Dng)F] Cb πDtr αtr

(3)

Trong đó: Dtr, Dng là đường kính trong và đường kính ngồi
của ống đồng, Cb là hệ số dẫn nhiệt của mối hàn, αtr là hệ
số tỏa nhiệt từ ống vào chất tải nhiệt, L là khoảng cách giữa
hai ống (xem Hình 1).
Hiệu suất cánh F được tính:
F=

tanh[m(L−Dng )/2]
m(L−Dng )/2

(4)

Hệ số truyền nhiệt tổng của bộ thu kL được tính theo:
𝑘𝐿 = 𝑘𝑡 + 𝑘𝑏 + 𝑘𝑒
(5)
Trong đó, kt, kb, ke là hệ số truyền nhiệt qua mặt trên, đáy
và mặt bên của bộ thu.
Sự biến đổi nội năng của nước trong bình tích trữ được xác
định dựa vào sự cân bằng năng lượng như phương trình 6.

𝐶𝑡

𝑑𝑇𝑠
𝑑𝑡

= 𝑄𝑢 + 𝑄𝐴 − 𝑄𝑊 − ∆𝑄𝑠𝑡

29

và 0,013m. Thể tích bình tích trữ nước nóng được chọn
theo tỉ lệ 𝑉𝑠 /𝐴𝑐 ≈ 33,3 lít/m2 [17], đường kính và chiều cao
bình tích trữ là 820 mm và 1080 mm, bên ngoài được bọc
lớp cách nhiệt bằng polyurethane dày 15 mm, do đường
ống kết nối giữa bình tích trữ và bộ thu có chiều dài ngắn
nên trong nghiên cứu này bỏ qua tổn thất nhiệt của đường
ống. Nguyên lý hoạt động hệ được mô tả như sau: Khi sự

chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu T co
và nhiệt độ nước bình tích trữ Ts lớn hơn giá trị cài đặt ΔTon
(∆𝑇𝑜𝑛 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 ≥ 10℃) bơm nước hoạt động và sẽ dừng
khi sự chênh lệch này nhỏ hơn ΔT off (∆𝑇𝑜𝑓𝑓 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 ≤
2℃), trong thí nghiệm này giá trị ΔTon và ΔToff được chọn
theo [1, 18-19].

(6)

Trong đó, 𝐶𝑡 = 𝑀𝑐𝑝 ; M, cp là thể tích nước và nhiệt dung
riêng của nước trong bình tích trữ, Ts là nhiệt độ nước trong
bình tích trữ, QA là nguồn nhiệt phụ bổ sung khi nhiệt độ
nước nóng trong bình tích trữ khơng đạt nhiệt độ u cầu
(ở đây QA=0 vì hệ thống này khơng có nguồn nhiệt phụ),
QW là dịng nhiệt cấp cho người sử dụng.
Tổn thất nhiệt của bình tích trữ được tính:
∆𝑄𝑠𝑡 = 𝑘𝑠 𝐴𝑠 (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 )
(7)
Trong đó, As là diện tích bề mặt ngồi bình tích trữ, ks là
hệ số truyền nhiệt của bình tích trữ.
Cơng cấp cho bơm vịng lặp bộ thu được tính [4] :
𝐸𝑝 = 𝐾𝑝 𝑚3
(8)

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nước nóng năng lượng mặt
trời kiểu bộ thu tấm phẳng

Trong đó, Kp là hệ số của bơm.

Hình 1. Bố trí ống của bộ thu tấm phẳng [15, 16]

3. Thiết lập hệ thống thí nghiệm
3.1. Mơ tả hệ thống thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, hệ thống nước nóng năng lượng
mặt trời được lắp đặt tại sân trường Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Tp Phố Hồ Chí Minh như ở Hình 2 và 3.
Các bộ phận chính của hệ thống gồm bồn tích trữ nước
nóng, bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng, bơm
nước tuần hoàn, bộ điều khiển và thu thập dữ liệu. Bộ thu
năng lượng mặt trời có tổng diện tích là 8 m2 gồm 04 tấm
collector kiểu phẳng được kết nối song song và đặt nghiêng
một góc 450 so với mặt phẳng nằm ngang hướng về phía
Nam, mỗi tấm có chiều dài và rộng là 2mx1m, bên trong
bố trí 11 ống đồng có đường kính trong và ngồi là 0,08m

Hình 3. Hệ thống thí nghiệm nước nóng năng lương mặt trời
kiểu bộ thu tấm phẳng

Hình 4. Bộ điều khiển của hệ thống nước nóng năng lương mặt
trời kiểu bộ thu tấm phẳng


Lê Minh Nhựt

30

3.2. Phương pháp thí nghiệm
Trong thí nghiệm này, giá trị lưu lượng nước qua vòng
lặp bộ thu nằm trong khoảng 0,01-0,02 kg/m2s [15]. Giá trị
chọn thí nghiệm cho hệ thống này là 0,015 kg/m2s tương

đương 7,2 lít/phút. Các giá trị lưu lượng thí nghiệm là
5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút,
7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút. Các giá trị lưu
lượng này xoay quanh giá trị 7,2 lít/phút và tăng hoặc giảm
±10%. Thời gian thực hiện thí nghiệm trong các ngày nắng
từ 7h30 đến 16h30, nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích
trữ chọn là 30oC. Ở thí nghiệm này, cường độ bức xạ mặt
trời It được đo bằng Tenmars TM-207 (sai số ± 1,5%), các
giá trị nhiệt độ được đo bằng cảm biến DS18B20 (sai số
± 0,5%) và các giá trị nhiệt độ hiển thị ở màn hình LCD
như Hình 4. Lưu lượng nước được đo bằng đồng hồ lưu
lượng nước nóng đa tia SENSUS kiểu cánh quạt (sai số
± 2%), điện năng cho bơm nước được đo bằng được đo
bằng đồng hồ điện một pha EMIC (độ chính xác ±0,5). Các
số liệu thí nghiệm được ghi 10 phút/lần và được lưu vào
file excel trong máy tính để sử dụng tính tốn.
4. Kết quả nghiên cứu và đánh giá
Trong nghiên cứu này, giá trị năng lượng hữu ích Qu và
năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần hoàn Ep là tính tổng cho
một ngày thí nghiệm trong khoảng thời gian từ 7h30 đến
16h30 khi bơm hoạt động.
Hình 5 là kết quả biên dạng lưu lượng qua bộ thu trong
ngày nắng thí nghiệm. Các thí nghiệm cho các giá trị lưu
lượng 5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút,
7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút được thực hiện
trong các ngày nắng và có giá trị trung bình ngày thí
nghiệm nhiệt độ môi trường T a và cường độ bức bạ mặt
trời It là gần như nhau. Như biên dạng lưu lượng của Hình
5, tại các giá trị lưu lượng từ 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút,
7,2 lít/phút thì bơm nước tuần hồn qua vịng lặp bộ thu

có số lần chạy và thời gian chạy dài hơn, số lần nghỉ và
thời gian nghỉ ngắn hơn. Tại giá trị lưu lượng 7,92 lít/phút
thì biên dạng tương đối đều, điều này có nghĩa thời gian
bơm chạy và dừng lặp lại tương đối giống nhau. Tuy
nhiên, tại các giá trị lưu lượng 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút,
thì số lần chạy và thời gian chạy ngắn hơn, số lần bơm
dừng và thời gian dừng tăng lên. Điều này có thể giải thích
rằng, khi giá trị nhiệt độ qua vịng lặp bộ thu nhỏ hơn
7,92 lít/phút, khi bơm nước tuần hoàn chạy dẫn đến nhiệt
độ nước ra khỏi bộ thu Tco giảm chậm nên sự duy trì sự
hoạt động của bơm dài hơn do ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 tiến đến
ΔToff chậm, trong khi ở các giá trị lượng 8,64 lít/phút,
9,36 lít/phút khi bơm tuần hồn hoạt động nhiệt độ nước
ra khỏi bộ thu Tco giảm nhanh nên thời gian hoạt động của
bơm tuần hoàn ngắn do chênh lệch nhiệt độ ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠
tiến đến nhiệt độ ΔT off nhanh hơn. Tại giá trị lưu lượng
7,92 lít/phút do nhiệt độ Tco không giảm quá nhanh hay
quá chậm khi bơm hoạt động nên thời gian hoạt động và
nghỉ của bơm lặp lại tương đối đồng đều.
Hình 6 thể hiện nhiệt độ nước đầu vào Tci và nhiệt độ
nước đầu ra Tco của bộ thu trong các ngày nắng thí nghiệm

với các giá trị lưu lượng khác nhau. Kết quả cho thấy rằng,
với giá trị nhiệt độ nước ban đầu là 30oC thì nhiệt độ nước
vào Tci và ra Tco của bộ thu dao động trong khoảng từ 30oC
đến 65oC, chênh lệch nhiệt độ giữa Tci và Tco dao động
trong khoảng 3oC đến 7oC tùy thời điểm trong ngày khi
bơm nước tuần hoàn hoạt động. Nhiệt độ nước T ci và Tco
của bộ thu tăng dần từ buổi sáng đến buổi chiều do sự tăng
nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ. Nhìn chung, giá

trị lưu lượng nước qua bộ thu càng lớn thì sự giảm nhiệt độ
nước ra khỏi bộ thu Tco càng nhanh do sự giảm nhanh nhiệt
độ của tấm hấp thụ.
Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, sự ảnh hưởng của lưu lượng
đến nhiệt lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu thụ của bơm
nước tuần hoàn Ep tương ứng với giá trị nhiệt độ mơi
trường trung bình Ta và cường độ bức xạ năng lượng mặt
trời đến bề mặt bộ thu trung bình It của ngày thí nghiệm.
Từ Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, khi các giá trị lưu lượng
qua bộ thu tăng từ 5,04 lít/phút đến 7,92 lít/phút và từ
7,92 lít/phút đến 9,36 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu thu
được tăng tương ứng từ 11,22 kWh đến 19,3 kWh và sau
đó giảm dần đến 18,35 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn
của bơm nước tuần hoàn Ep tăng liên tục từ 0,73 kWh đến
3,8 kWh. Qua Bảng 1 ta cũng thấy, tại giá trị lưu lượng
7,92 lít/phút qua bộ thu thì năng lượng hữu ích thu được là
lớn nhất 19,3 kWh tương ứng với năng lượng tiêu tốn của
bơm nước tuần hồn là 2,3 kWh. Có thể giải thích điều này
rằng, khi tăng lưu lượng thì năng lượng hữu ích Q u và
Ep đều tăng (tốc độ tăng Qu nhanh hơn tốc độ tăng Ep) theo
công thức 1 nhưng khi tăng q mức, cụ thể là lớn hơn
7,92 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu giảm trong khi Ep
tiếp tục tăng, điều này do khi tăng lưu lượng dẫn đến giảm
hiêu suất thốt FR giảm (cơng thức 2). Tóm lại, giá trị lưu
lượng 7,92 lít/phút qua bộ thu được xem là giá trị cho năng
lượng hữu ích Qu lớn nhất.
Bảng 1. Ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp bộ thu đến
Qu và và Ep tương ứng với giá trị nhiệt độ môi trường Ta và
cường độ bức xạ It trung bình của ngày thí nghiệm
m(lít/phút) 5,04

Ta(oC)

5,76

6,48

35,01 34,84

34,3

7,2

7,92

8,64

9,36

34,46 34,51

34,2

34,32

667

665,5

It(W/m2) 666,03 664,5 665,6

663

661,3

Qu(kWh) 11,22 12,17 14,34

15,7

19,3

Ep(kWh)

1,73

2,3

0,73

0,89

1,26

18,95 18,35
3

3,8

Hình 8 thể hiện nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích
trữ ứng với các giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong
các ngày thí nghiệm. Từ đồ thị cho thấy, nhiệt độ nước

nóng Ts trong bình tích trữ tăng nhanh vào buổi sáng cho
đến 14h00 sau đó tăng chậm dần đến cuối ngày. Nhiệt độ
nước nóng cuối ngày nằm trong khoảng 60 oC đến 65oC.
Trong đó nhiệt độ nước nóng Ts cuối ngày ứng với giá trị
lưu 7,92 (lít/phút) là cao nhất. Có thể giải thích rằng, sự
tăng nhanh của nhiệt độ nước nóng Ts vào buổi sáng là do
nhiệt độ nước ban đầu Ts nhỏ, sự chênh lệch ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 −
𝑇𝑠 lớn, trong khi sau 14h30 độ chênh nhiệt độ này nhỏ do
cường độ bức xạ mặt trời giảm nên năng lượng hữu ích
bình tích trữ nhận được giảm.


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020
10

lưu lượng(5.04 lít/phút)

9

9

8

8

Lưu lượng (lít/phút)

Lưu lượng (lít/phút)

10

7
6
5
4
3

lưu lượng(5.76 lít/phút)

7
6
5
4
3

2

2

1

1
0

0
7:30

8:30

9:30

10:30

11:30

12:30

13:30

14:30

7:30

15:30 16:30

8:30

9:30 10:30 11:30 12:30 13:30

10

lưu lượng(6.48 lít/phút)

9

9

8

8

Lưu lượng (lít/phút)

Lưu lượng(lít/phút)

10

7
6
5
4
3

lưu lượng (7.2 lít/phút)

7
6
5
4
3

2

2

1

1
0

0
7:30

8:30

9:30 10:30 11:30 12:30

7:30

13:30 14:30 15:30 16:30

8:30

9:30

10:30 11:30

10

10

lưu lượng (7.92 lít/phút)

9

8

8

Lưu lượng (lít/phút)

9

7
6
5
4
3

lưu lượng(8.64 lít/phút)

7
6
5
4
3

2

2

1

1

0

12:30 13:30 14:30 15:30 16:30

Thời gian(h)

Thời gian(h)

Lưu lượng (lít/phút)

14:30 15:30 16:30

Thời gian(h)

Thời gian(h)

0
7:30

10

8:30

9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30

Thời gian(h)

7:30

8:30

9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30

lưu lượng(9.36 lít/phút)

9
8

Lưu lượng(lít/phút)

31

7
6
5
4
3
2
1
0
7:30

8:30 9:30

10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30

Thời gian(h)

Hình 5. Biên dạng lưu lượng qua vịng lặp bộ thu

Thời gian(h)

15:30 16:30

Lê Minh Nhựt

32

70
65
Nhiệt độ Tci, Tco (oC)

Hình 9 cho thấy, sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban
đầu trong bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Qu và năng
lượng tiêu tốn của bơm tuần hoàn Ep. Kết quả cho thấy, khi
nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ tăng từ 25 oC đến
45oC thì năng lượng hữu ích giảm từ 21,8 kWh đến
17,1 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn cho bơm nước tuần
hoàn giảm từ 3 kWh đến 1,55 kWh. Điều này có thể giải
thích, do sự tăng nhiệt độ nước ban đầu của bình tích trữ
dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước bào bộ thu Tci nên dẫn
đến tăng tổn thất nhiệt ra môi trường (công thức (1)) và
giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ thu và nước qua bộ thu, bên
cạnh đó thời gian hoạt động của bơm nước tuần hoàn cũng
ngắn hơn. Do vậy, đối với các hệ thống nước nóng năng
lượng mặt trời kiểu cưỡng bức cần thiết phải tăng cường sử
dụng vào ban ngày để tăng năng lượng hữu ích Qu của bộ
thu và giảm sử dụng vào ban đêm.

Tci(5.04)
Tci(5.76)
Tci(6.48)
Tci(7.2)
Tci(7.92)

Tci(8.64)
Tci(9.36)

60
55
50
45
40

Tco(5.04)
Tco(5.76)
Tco(6.48)
Tco(7.2)
Tco(7.92)
Tco(8.64)
Tco(9.36)

35
30
25
20

24

8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30

7:30

Thời gian(h)

22

Hình 6. Nhiệt độ Tco, Tci trong các ngày nắng thí nghiệm với
các giá trị lưu lượng khác nhau

3.5

20
3.0

6

Qu(kWh)

20
Qu
18

Ep

5

16

12
3
10
8

18

2.5
16
2.0

4

14

Ep(kWh)

14

Qu(kWh)

4.0

Ep(kWh)

75

2

Qu
12

Ep

1.5

10

1.0
25

30

35

40

45

Nhiệt độ nước ban đầu bình tích trữ( C)
o

6
1
4
2

0
5.04

5.76

6.48

7.20

7.92

Lưu lượng (lít/phút)

8.64

9.36

Hình 7. Ảnh hưởng của lưu lượng đến nhiệt lượng hữu ích Qu
và năng lượng tiêu thụ của bơm nước tuần hồn Ep
75
70
65

Nhiệt độ Ts(oC)

60
55
50
Ts(5.04)
Ts(5.67)
Ts(6.48)
Ts(7.2)
Ts(7.92)
Ts(8.64)
Ts(9.36)

45
40
35
30

25
20
7:30

Hình 9. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu trong
bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu tốn
của bơm tuần hoàn Ep

8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30

Thời gian(h)

Hình 8. Nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ ứng với các
giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong các ngày thí nghiệm

5. Kết luận
Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu
lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng
năng lượng mặt trời kiểu cưỡng bức có thể thấy:
- Lưu lượng nước qua vịng lặp bộ thu tấm phẳng được
xác định tại giá trị 7,92 lít/phút tương ứng với nhiệt lượng
hữu ích là 19,3 kWh và năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần
hoàn là 2,3 kWh.
- Nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ cuối ngày dao
động trong phạm vi 60oC đến 65oC.
- Khi nhiệt độ nước ban đầu tăng thì nhiệt lượng hữu
ích thu được sẽ giảm, do đó cần tăng cường xử dụng nước
nóng vào ban ngày để tăng hiệu quả của hệ thống nước
nóng năng lượng mặt trời.
Kết quả nghiên cứu này có thể được cung cấp cho các

cơng ty tư vấn thiết kế, nhà sản xuất sử dụng tham khảo khi
thiết kế và lắp đặt các hệ thống nước nóng năng lượng mặt
trời kiểu tấm phẳng ở Việt Nam.
Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại
học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ kinh phí
cho nghiên cứu này (T2017-30TĐ).


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Csordas, G.F., Brunger, A.P., et al, “Plume entrainment effects in
solar domestic hot water systems employing variable-flow-rate
control strategies”, Solar Energy, 49(6), 1992, 497-505.

[2] Kovarik, M., Lesse, P.F, “Optimal control of flow in low temperature
solar heat collector”, Solar Energy, 18(5), 1976, 431-435.
[3] Orbach, A., Rorres, C., et al, “Optimal control of a solar collector loop
using a distributed-lumped model” Automatica, 17(3), 1981, 535-539.
[4] Saltiel, C., Sokolov, M, “Optimal control of a multicomponent solar
collector system”, Solar Energy, 34(6), 1985, 529-534.

[5] Winn, C.B., Hull lll, D.E, “Optimal controllers of the second kind”,
Solar Energy, 23(6), 1979, 529-534.
[6] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A study on automatic optimal operation of
a pump for solar domestic hot water system”, Solar Energy, 98,
2013, 448–457.
[7] Sara, H and et al, “An optimal control strategy for a heat pump in an
integrated solar thermal system”, Journal of Process Control, 84,
2019, 35-45.

[8] Badescu and et al, “Empirical versus optimal control of flow in solar
domestic hot water system”, Journal of Energy Engineering 142(3),
2016.
[9] Mohamed, A.Z and et al, “Energic performance and economic
analysis of a solar water heating system for different flow rates
values: A case stude”, Solar Energy, 147(1), 2017, 164-180.
[10] Pang, W and et al, “Experimental effect of high mass flow rate and
volume cooling on performance of a water-type PV/T collector”,
Solar Energy, 188, 2019, 1360-1368.

33

[11] Dembeck-Kerekes, T and et al, “Performance of variable flow rates
for photovoltaic-thermal collectors and the determination of optimal
flow rates”, Solar Energy, 182, 2019, 148-160.
[12] Antonio, A and et al, “Solar thermal modeling for rapid estimation of
auxiliary energy requirements in domestic hot water production: onoff versus proportional flow rate control”, Solar Energy 177(1),
2019, 68-79.
[13] Sara, H and et al, “Simultaneous optimization of configuration and
controller parameters in an integrated solar thermal hydronic
system”, 2017, 2931-2936.
[14] Nguyễn Du, Lê Minh Nhựt, “Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời
tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt
trời”, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 39, 2016, 78-84.
[15] Duffie, J.A., Beckman, W.A. Beckman, Solar Engineering of
Thermal Processes, 3rd ed, John Wiley & Sons, New York, 2006.
[16] Nguyễn Thế Bảo, Giáo trình năng lượng tái tạo và sự phát triển bền
vững, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2017.
[17] Badescu, V, “Optimal control of flow in solar collector systems with
fully mixed water storage tanks”, Energy Conversion and

Management, 49(2), 2008, 169-184.
[18] Knudsen, S, “Consumers influence on the thermal performance of
small SDHW systems - Theoretical investigations” Solar Energy,
73(1), 2002, 33-42.
[19] Reindl, D and et al, “Experimental verification of a solar hot water
heating system with a spiral-jacketed storage tank”, Journal of
Mechanical Science and Technology, 22, 2008, 2228-2235.
[20] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A Study on Developing an Automatic
Controller with an Inverter Collector Pump for Solar-Assisted
Heating System”, Energies, 13(9), 2020, 2128.

(BBT nhận bài: 06/4/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/8/2020)