(Đề tài NCKH) Thiết kế và chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén hệ thống điều hòa không khí Water Chiller

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Thiết kế và chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén
hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller
Mã số: SV 2021-214
Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa đào tạo chất lượng cao
SV thực hiện: Bùi Chí Cường
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: Chất lượng cao tiếng việt
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt

Nam

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4

Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Xuân Viên

TP Hồ Chí Minh, 06/2021


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................................ . 11
1.1 Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 11
1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan ........................................................................... 12
1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................................ 12
1.2.2 Nghiên cứu trong nước ............................................................................................. 29
1.3 Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 33

1.4 Mục tiêu đề tài ............................................................................................................. 34
1.5 Phương pháp và đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 34
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 35
2.1 Lý thuyết trao đổi nhiệt ............................................................................................... 35
2.2 Lý thuyết tính tốn ....................................................................................................... 35
2.2.1. Xác định cơng suất của bơm nhiệt .............................................................. 35
2.2.2. Phương trình cân bằng nhiệt của bơm nhiệt ................................................ 36
2.2.3. Tính tốn chu trình và chọn máy .................................................................. 36
2.2.4. Tính tốn hệ số tỏa nhiệt của nước ............................................................... 37
2.2.5. Tính tốn hệ số toả nhiệt của R22 ................................................................ 37

1


2.2.6. Tính tốn hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ................................ 37
2.2.7. Tính tốn diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ............................................... 38
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT ..... 39
3.1 Đặt bài tốn .................................................................................................................. 39
3.2 Tính tốn nhiệt ............................................................................................................. 39
3.3 Tính tốn chu trình lạnh Water chiller ........................................................................ 39
3.4 Nguyên lý,sơ đồ,chu trình hệ thống bơm nhiệt ........................................................... 41
3.5 Tính tốn hệ số truyền nhiệt và chiều dài ống trao đổi nhiệt ...................................... 47
3.5.1 Tính tốn hệ số tỏa nhiệt của nước ................................................................ 47
3.5.2 Tính tốn hệ số tỏa nhiệt của ........................................................................ 51
3.5.3 Tính tốn hệ số truyền nhiệt ......................................................................... 51
3.6 Kết quả quá trình trao đổi nhiệt của toàn hệ thống ..................................................... 52
3.7 Máy nén ....................................................................................................................... 60
3.7.1 Máy nén ......................................................................................................... 60
3.7.2 Buồng nén (Xy lanh), Con lăn (Pít tơng), Lá van đẩy ................................... 61
3.7.3 Bình tách lỏng ................................................................................................ 62

3.7.4 Tính tốn cơng suất........................................................................................ 62

2


3.8 Thiết bị bay hơi ........................................................................................................... 64
3.8.1 Phin lọc .......................................................................................................... 65
3.8.2 Van tiết lưu .................................................................................................... 66
3.9 Thiết bị ngưng tụ ......................................................................................................... 66
3.10 Van chặn .................................................................................................................... 67
3.11 Thiết kế bồn trữ nhiệt ................................................................................................ 68
CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ............................................................................. 70
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ................................................................................................. 70

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Sơ đồ lắp đặt bơm nhiệt cho nhà máy xử lý nước thải. ...................................... 12
Hình 1.2: Sự thay đổi của COP 4 cho bơm nhiệt khơng khí (Vladivostok, AprileAugust
2011). ................................................................................................................................. 14
Hình 1.3: Biểu diễn xu hướng của nhiệt độ khơng khí bên ngồi, nhiệt độ nước thải và lưu
lượng (trung bình hàng giờ) được ghi lại trong ống dẫn "C" trong tháng 10. ................... 15
Hình 1.4: Biểu đồ chuỗi thời gian ghi từ ngày 28/09/2006 đến ngày 15/02/2007 trong ống
dẫn "C" của nhiệt độ trung bình hàng giờ của nước thải và của khơng khí bên ngồi. .... 16
Hình 1.5: Tổng chi phí của các cơng nghệ HVAC khác nhau được phân tích cho các vùng
khí hậu khác nhau. ............................................................................................................. 17
Hình 1.6: Biểu đồ sử dụng năng lượng chính của các chế độ sưởi ấm khác nhau trong các
điều kiện khác nhau. .......................................................................................................... 18
Hình 1.7: Biểu đồ đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng năm của các phương pháp sưởi

ấm khác nhau. .................................................................................................................... 19
Hình 1.8: Biểu đồ thể hiện xu hướng của nhiệt độ cấp nước, nhiệt độ nước thải và nhiệt độ
phịng xung quanh cứ sau 2 phút. ...................................................................................... 21
Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống xây dựng của bộ sưởi ấm bơm nhiệt từ nguồn nước thải với sự
chênh lệch nhiệt độ lớn. ..................................................................................................... 22
Hình 1.10: Sơ đồ chế độ hoạt động của bơm nhiệt. .......................................................... 25
Hình 1.11: Sơ đồ sử dụng HP và WWHEX trong hệ thống WWSHP. ............................. 25
Hình 1.12: Sơ đồ nguồn năng lượng của WWSHP. .......................................................... 26

4


Hình 1.13: Sơ đồ máy bơm nhiệt từ nguồn nước thải. ...................................................... 27
Hình 1.14: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi COP của bơm nhiệt khi nhiệt độ tăng giảm. Một
loạt các hiệu suất Carnot từ 0,4 đến 0,6 được vẽ biểu đồ và vùng có exergy thấp được đánh
dấu [5,6]. ............................................................................................................................ 29
Hình 1.15:Mơ hình bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng sử dụng trong hộ gia đình. ............... 30
Hình 1.16: Phương án dùng điều hòa trung tâm và bơm nhiệt đun nước nóng. ............... 31
Hình 1.17: Phương án dùng điều hịa trung tâm đa năng (hệ City Multi). ........................ 32
Hình 2.1 Biểu diễn chu trình làm việc trên đồ thị ............................................................. 36
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt .................................................................................. 41
Hình 3.2 Đồ thị LogP-h chu trình lạnh 1 cấp .................................................................... 42
Hình 3.3: Đồ thị T-s chu trình lạnh 1 cấp .......................................................................... 43
Hình 3.4 Sơ đồ di chuyển của nước và R22 trong ống ....................................................... 49
Hình 3.5 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau thời
gian 20 (phút)..................................................................................................................... 53
Hình 3.6 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 20 phút. ............................. 53
Hình 3.7 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau thời
gian 40 (phút)..................................................................................................................... 54

Hình 3.8 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 40 phút .............................. 54

5


Hình 3.9 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau thời
gian 60 (phút)................................................................................................................ .... 55
Hình 3.10 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 60 phút .............................. 55
Hình 3.11 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau
thời gian 80 (phút) ............................................................................................................. 56
Hình 3.12 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 80 phút ............................. 56
Hình 3.13 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau
thời gian 100 (phút) ........................................................................................................... 57
Hình 3.14 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 100 phút ........................... 57
Hình 3.15 Sự thay đổi nhiệt độ của nước và môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt sau
thời gian 120 (phút) ........................................................................................................... 58
Hình 3.16 Sự chệnh lệch nhiệt độ của nước trong bồn giữa mô phỏng và thực nghiệm (khảo
sát nhiệt độ tại đỉnh bồn, giữa bồn, đáy bồn) trong thời gian 120 phút ............................ 58
Hình 3.17: Máy nén piston ................................................................................................ 60
Hình 3.18: Lá van hút của máy nén ................................................................................... 61
Hình 3.19: Piston của máy nén .......................................................................................... 61
Hình 3.20: Mặt cắt trong của bình tách lỏng ..................................................................... 62
Hình 3.21: Bình bay hơi .................................................................................................... 64
Hình 3.22: Phin lọc ............................................................................................................ 65
6

Hình 3.23: Bình ngưng tụ .................................................................................................. 66
Hình 3.24: Van chặn tay .................................................................................................... 67
Hình 3.25: Bồn chứa trước khi đổ foam ............................................................................ 68
Hình 3.26: Pha trộn dung dịch để đổ foam ........................................................................ 68
Hình 3.27: Bồn chứa sau khi đổ foam ............................................................................... 69
Hình 3.28: Lắp đặt bồn chứa vào hệ thống chiller ............................................................ 69

7


DANH MỤC VIẾT TẮT
COP
CHP
HP
WW
WWHEX
WWSPH
WWTP

coefficient of performance
combined heat and power generation
heat pump
wastewater
wastewater heat exchangers
wastewater source heat pump
wastewater treatment plant

Bảng ký hiệu và đơn vị
Đơn vị

Ký hiệu
F

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

m2

Qo

Năng suất lạnh bồn tích trữ

kW

k

Hệ số truyền nhiệt

W/m2.K

∆t

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

ºC

α

Hệ số tỏa nhiệt

W/ m2.K

ρ

Khối lượng riêng

kg/m3

ν

Hệ số nhớt động học

m2/s

λ

Hệ số dẫn nhiệt

W/m.K

Cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp

kJ/kg.K

G

Lưu lượng khối lượng

kg/s

d

Đường kính ống

mm

L

Chiều dài ống

mm

ω

Vận tốc chất tải lạnh

m/s

n

Số ống

Re

Hệ số Reynold

Ra

Hệ số Rayleigh

Nu

Hệ số Nusselt

Pr

Hệ số Prandtl

Gr

Hệ số Grashof

8


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy

nén hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller
- SV thực hiện:

Bùi Chí Cường
Mã số SV: 17147007
Phạm Thành Đạt
17147016

Nguyễn Thanh Tân
17147083
- Lớp: 17147CL1 Khoa: Chất lượng cao tiếng việt Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4
- Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Xuân Viên
2. Mục tiêu đề tài: Tận dụng nguồn nhiệt thừa từ đầu đẩy của hệ thống water chiller
3. Tính mới và sáng tạo: Thu hồi một phần nhiệt thừa để gia nhiệt nước nóng giúp cho
hiệu quả làm việc của hệ thống tăng lên
4. Kết quả nghiên cứu: Thiết kế - chế tạo bơm nhiệt với năng lượng được tận dụng từ nhiệt
năng thải ra từ đầu đẩy hệ thống điều hịa khơng khí water chiller
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài: Cung cấp nước nóng hằng ngày,giảm thiểu tiêu thụ năng lượng
điện và góp phần bảo vệ môi trường.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)
hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày
tháng
năm
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Bùi Chí Cường

9


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):
Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)
Nguyễn Xuân Viên

10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài.
Trong giai đoạn hiện nay, khoa học cơng nghệ đóng vai trị quan trọng trong việc

phát triển kinh tế và đời sống xã hội. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, kỹ
thuật được xem là nền tản tạo nên bước đà vững chắc ngày càng cải thiện nhu cầu đời sống
nước ta, nhưng bên cạnh đó thì vấn đề môi trường, nguồn năng lượng sạch hoặc tiết kiệm
năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu không những của nước ta mà là của toàn thế
giới nhằm giảm thiểu thiên tai do biến đổi khí hậu và ngăn ngừa hiện tượng trái đất đang
nóng dần lên. Một trong những yếu tố ảnh hưởng tới mơi trường đó là chúng ta đả thải một
lượng nhiệt đáng kể ra môi trường để giải nhiệt cho dàn ngưng của các hệ thống lạnh dân
dụng và trung tâm. Trong khi rất nhiều hộ gia đình và các tịa nhà khách sạn ở nước ta phải
sử dụng nước nóng cho sinh hoạt thơng qua việc sử dụng các nguồn nhiệt khác như điện
năng, nhiên liệu hoặc bằng năng lượng mặt trời…
Với phương pháp gia nhiệt nước bằng điện năng, ví dụ như máy nước nóng, phương
pháp này có ưu điểm là tạo ra nguồn nước nóng nhanh, liên tục và có nhiệt độ phù hợp với
nhu cầu sử dụng của từng cá nhân, thiết bị nhỏ gọn, đơn giản và dễ sử dụng nhưng do

phương pháp này sử điện năng mà điện năng chủ yếu được tạo ra từ các loại nhiên liệu và
trong q trình sản xuất điện cũng thải ra mơi trường khơng ít các chất độc hại làm ơ nhiễm
mơi trường và làm cho trái đất nóng lên. Với nhu cầu thiết yếu trên, nhóm chúng em với
mong muốn được tối ưu hóa nên đã quyết định chọn đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống
bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải từ đầu đẩy máy nén hệ thống điều hịa khơng khí Water
Chiller”. Với mục tiêu đưa ra hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải, đồng thời kết hợp với
nhiều giải pháp nhằm nâng cao công nghệ để cải thiện chi phí vận hành, giảm thải các chất
ơ nhiễm mơi trường và có hiệu quả năng lượng tốt hơn và lợi ích kinh tế. Vì vậy, việc
nghiên cứu và phát triển hệ thống bơm nhiệt là cần thiết để hệ thống này được sử dụng phổ
biến rộng rãi với những ưu điểm mà nó có.

11


1.2.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan.

1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước.
Các nguồn nhiệt có triển vọng để sử dụng trong máy bơm nhiệt (HP) là nước thải
công nghiệp và nhiệt thải từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị. Leonid N. Alekseiko và
cộng sự [1] đã nghiên cứu và phân tích về hiệu quả của các bơm nhiệt được lắp đặt trong
các nhà máy xử lý nước thải của Vladivostok được trình bày. Một sơ đồ của thiết bị sử dụng
nhiệt nước thải đô thị được hiển thị. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm
nhiệt sử dụng các nguồn nhiệt ở nhiệt độ thấp đã được xác định. Việc đánh giá kinh tế của
các giải pháp công nghệ được đề xuất đã được thực hiện. Các điều kiện thực tế của việc sử
dụng bơm nhiệt trên đối tượng được xác định trong nghiên cứu. Nghiên cứu đã xem xét các
đặc tính cơng nghệ của cốt liệu và xả nước thải đơ thị.

Hình 1.1: Sơ đồ lắp đặt bơm nhiệt cho nhà máy xử lý nước thải.

Sara Simona Cipolla và Marco Maglionico [2] đã nghiên cứu nước thải sinh hoạt
được đặc trưng bởi nhiệt độ cao hơn bởi vì bên trong các tịa nhà 60% nước được làm nóng
bằng vịi hoa sen, bồn tắm, bồn rửa, máy rửa chén và máy giặt quần áo. Nhiệt này, ngày
nay bị mất vào hệ thống thốt nước, có thể làm cho nước thải trở thành chất mang nhiệt.
Nhiệt này có thể được tái sử dụng, để sản xuất năng lượng nhiệt sạch và có thể tái tạo, thơng
qua các bộ trao đổi nhiệt và bơm nhiệt, để điều hịa và sưởi ấm các tịa nhà. Có một số lựa
chọn để thu hồi nhiệt này: trong nhà (ứng dụng quy mơ nhỏ), từ cống (ứng dụng quy mơ
trung bình) hoặc tại các nhà máy xử lý nước thải (ứng dụng quy mô lớn). Trong bài báo
12


này, kết quả của một khoảng thời gian theo dõi sáu tháng trong hệ thống cống của Bologna
(Ý) đã cho thấy sự thay đổi của tốc độ dòng chảy và nhiệt độ nước thải và xu hướng hàng
ngày của chúng. Xu hướng của dòng chảy (tỷ lệ giữa lưu lượng hàng giờ và lưu lượng trung
bình hàng ngày) cho ngày chung được liên kết với dân số, với các hệ số nằm trong khoảng
0,25 - 1,50 với các giá trị cao nhất nằm trong khoảng từ 1,30 đến 1,50; xu hướng của nhiệt
độ nước thải trong ngày chung có các hệ số trong khoảng từ 0,90 đến 1,05 và nó độc lập
với dân số. Lượng năng lượng nhiệt có thể thu được từ nước thải và thiết kế tối ưu các hệ
thống thu hồi nhiệt phụ thuộc vào kiến thức về tốc độ dòng chảy và nhiệt độ nước thải.
Nghiên cứu này có thể hữu ích để lập bản đồ năng lượng nhiệt tiềm năng của các hệ thống
nước thải và thiết kế các hệ thống thu hồi nhiệt.
Marco Lucentini và cộng sự [3] đã nghiên cứu kiểm sốt khí hậu trong nhà của các
tòa nhà hiện nay chiếm tỷ lệ tiêu thụ năng lượng cao nhất trong Liên minh châu Âu. Do đó,
việc đánh giá hệ thống HVAC hoạt động tốt nhất là mục tiêu chiến lược cho cả tiêu thụ
năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.
Zhang Qunlia [4] đã nghiên cứu một loại phương pháp gia nhiệt hỗn hợp cho việc
thu hồi nhiệt thải của nước thải để xây dựng nguồn cung cấp nhiệt. Bằng cách là liên kết
nhà máy xử lý nước thải và nhà máy sưởi kết hợp với vận hành sưởi ấm, thông qua hệ thống
bơm nhiệt nguồn nước thải để tái chế năng lượng nhiệt nước thải cho hệ thống sưởi ấm đô
thị. Kết quả nghiên cứu cho thấy so với hai phương pháp sưởi ấm khác, trong cùng một tải

nhiệt, phương pháp gia nhiệt kiểu bơm nước thải kết hợp có ưu điểm là thu được nguồn
năng lượng cao, chi phí vận hành thấp, phù hợp cho việc sưởi ấm.
Hiệu quả của bơm nhiệt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ của nguồn nhiệt. Leonid N.
Alekseiko và các cộng sự [5] đã nghiên cứu vào mùa hè, nhiệt độ của nước thải cao. Nhờ
đó, hiệu suất chuyển đổi cao. Trong trường hợp này, bơm nhiệt có thể làm nóng nước với
chi phí năng lượng thấp. Vào mùa hè, hầu hết tải được giải quyết bởi các máy bơm nhiệt.
Với sự gia tăng tiêu thụ nhiệt, các lò hơi được sử dụng trong lị hơi khí. Các bơm nhiệt giảm
tiêu thụ nhiên liệu để chuẩn bị nước cho mạng lưới sưởi ấm.

13


Vào mùa đông, nhiệt độ của nước thải giảm xuống và mức tiêu thụ nhiệt tăng lên
đáng kể. Trong thời gian này, bơm nhiệt chỉ được sử dụng như một nguồn nhiệt bổ sung để
làm nóng nước. Lượng nhiệt cơ bản cho thành phố được cung cấp bởi các lò hơi. Hình 1.2
cung cấp một đánh giá về COP 4 của một bơm nhiệt khơng khí ở Vladivostok trong tháng
Tư ở nhiệt độ ngưng tụ Tc ¼ 70 C

Hình 1.2: Sự thay đổi của COP 4 cho bơm nhiệt không khí (Vladivostok,
AprileAugust 2011).
Sara Simona Cipolla và Marco Maglionico [2] đã nghiên cứu dữ liệu được ghi lại
sau mỗi 3 phút, được tính trung bình với bước thời gian là một giờ. Dữ liệu được ghi lại,
để loại bỏ sự cố có thể xảy ra của các thiết bị, đã được xử lý thơng qua một q trình lựa
chọn dựa trên đường trung bình động. Hình 3 cho thấy chuỗi thời gian trong tháng 10, cho
ba thông số được theo dõi: lưu lượng, nhiệt độ nước thải và nhiệt độ bên ngồi (nhiệt độ
khơng khí), đối với ống dẫn "C", để xác định các động thái theo thời gian.

14

Hình 1.3: Biểu diễn xu hướng của nhiệt độ khơng khí bên ngồi, nhiệt độ nước thải
và lưu lượng (trung bình hàng giờ) được ghi lại trong ống dẫn "C" trong tháng 10.
Lưu lượng và nhiệt độ nước thải có xu hướng gần như không đổi; các biến động
hàng ngày định kỳ có thể nhìn thấy rõ ràng. Rõ ràng là sự thay đổi nhiệt độ trong nước thải
bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tốc độ dòng chảy hơn là sự thay đổi của nhiệt độ khơng
khí bên ngoài. Trong các đợt mưa, kể từ khi hệ thống cống được kết hợp, có sự gia tăng tốc
độ dịng chảy và do đó nhiệt độ nước thải giảm. Phân tích dữ liệu nhiệt độ của nước thải
trong tồn bộ thời gian quan sát có sẵn, có thể xác định sự thay đổi của nó so với nhiệt độ
khơng khí ngồi trời. Hình 1.4 cho thấy nhiệt độ nước thải trong hệ thống cống, so với nhiệt
độ khơng khí bên ngoài, tương đối ổn định trong thời gian quan trắc. Nhiệt độ nước thải là
11-16 ° C vào mùa đông, cao hơn nhiệt độ khơng khí; Đặc biệt, nhiệt độ tối thiểu của nước
thải được ghi nhận trong khoảng thời gian từ cuối tháng 12 đến đầu tháng 1 khi nhiệt độ
khơng khí giảm xuống khoảng -2,5 ° C trong khi nhiệt độ nước thải luôn trên 11 ° C.

15


Hình 1.4: Biểu đồ chuỗi thời gian ghi từ ngày 28/09/2006 đến ngày 15/02/2007 trong
ống dẫn "C" của nhiệt độ trung bình hàng giờ của nước thải và của khơng khí bên ngồi.
Marco Lucentini và cộng sự [3] đã nghiên cứu khơng có sự thay đổi đáng kể ở các
vùng khí hậu khác nhau trong biểu đồ thể hiện trong Hình 1.5, vì sự gia tăng chi phí trong
một mùa nói chung được cân bằng với sự giảm trong mùa khác. Sự kết hợp giữa lò hơi với
máy bơm nhiệt khơng khí thể hiện sự khác biệt rõ ràng nhất giữa các vùng khí hậu khác
nhau, trên thực tế, nó đắt hơn ở các vùng khí hậu nóng, do hiệu suất của máy bơm nhiệt
khơng khí giảm do nhiệt độ bên ngoài tăng lên, trong thời gian mùa hè. Đối với các vùng
khí hậu khác, việc kết hợp máy bơm nhiệt với lò hơi sinh khối sẽ rẻ hơn, nhất là đối với
vùng khí hậu lạnh. Điều này liên quan đến một bất lợi cho các máy bơm nhiệt hấp thụ. Đây
là một công nghệ tương đối non trẻ cho lĩnh vực gia dụng và nó đang nổi lên trên thị trường
năng lượng, nhưng nó chưa thể cạnh tranh với các máy bơm nhiệt điện trưởng thành hơn
và độ tin cậy đã được thiết lập tốt của chúng. Một kết quả rất quan trọng liên quan đến máy

bơm nhiệt địa nhiệt luôn được coi là một công nghệ quá đắt tiền. Phân tích kinh tế chi tiết
được đề xuất đã đánh giá tất cả các thông số đưa ra chi phí vận hành tổng thể và nó đã làm
nổi bật một số khía cạnh chiến lược, chẳng hạn như tuổi thọ cao và mức tiêu thụ thấp, khiến
nó được coi là một công nghệ mới nổi trong số những công nghệ khác rẻ hơn nhưng tuổi
thọ ngắn hơn và chi phí vận hành cao hơn.

16


Hình 1.5: Tổng chi phí của các cơng nghệ HVAC khác nhau được phân tích cho các
vùng khí hậu khác nhau.
Nghiên cứu được thực hiện có giá trị chung và rất thú vị, nhưng mặt khác, nó khơng
xem xét các khía cạnh cụ thể trong một dự án thực tế. Trong thực tế, việc lắp đặt một nhà
máy có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài mà hầu hết thời gian là quyết định chủ
quan của người sử dụng hoặc do các giới hạn do các yếu tố bên ngồi đặt ra (chẳng hạn như
khơng gian trống). Ví dụ, các máy bơm nhiệt địa nhiệt cần một lượng đất đáng kể để lắp
đặt vòng nối đất và điều đó hồn tồn khơng thể thực hiện được trong khu vực đô thị. Một
điều rất quan trọng phải được thực hiện đối với các máy bơm nhiệt hấp thụ mặc dù khơng
có tính cạnh tranh nhưng chúng mang lại triển vọng tuyệt vời cho tương lai gần. Ngồi ra,
cơng nghệ này có nhiều cơ hội được thực hiện trong các nhà máy phát điện ba lần hoặc
trong các nhà máy làm mát bằng năng lượng mặt trời. Những giải pháp này có thể làm giảm
đáng kể mức tiêu thụ năng lượng cao cho điều hịa khơng khí vào mùa hè. Cơng nghệ này
cũng có thể sử dụng nguồn địa nhiệt, tăng hiệu quả với việc giảm trực tiếp chi phí vận hành
và khơng phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngồi, như đã thấy, là yếu tố quyết định đối với nó.
Khả năng sử dụng bất kỳ loại nhiên liệu nào sẽ mở ra các kịch bản rất thú vị, đặc biệt là với
việc sử dụng các viên nén mang lại chi phí tiêu thụ thấp và giảm tác động mơi trường.
Những cân nhắc này là điểm khởi đầu cho những phát triển tiếp theo như nghiên cứu sự
hấp thụ bơm nhiệt địa nhiệt với quá trình đốt trực tiếp các viên nén hoặc sử dụng nước nóng

17

được tạo ra bởi các tấm nhiệt mặt trời. Các giải pháp này thể hiện sự hợp nhất giữa các đặc
tính tích cực của tất cả các cơng nghệ được phân tích.
Zhang Qunlia [4] đã nghiên cứu tỷ lệ sử dụng năng lượng chính của các phương
pháp sưởi ấm này như trong Hình 1.6, phương pháp sưởi ấm phi tập trung bằng máy bơm
nhiệt nguồn nước thải có tỷ lệ sử dụng năng lượng sơ cấp cao nhất, tiếp theo là máy bơm
nhiệt nguồn nước thải kết hợp phương pháp sưởi ấm khu vực, phương pháp sưởi ấm khu
vực truyền thống có tỷ lệ sử dụng năng lượng sơ cấp thấp nhất. Phương pháp sưởi ấm phi
tập trung của máy bơm nhiệt nguồn nước thải bị giới hạn bởi khoảng cách sưởi ấm, chỉ có
thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà gần nhà máy xử lý nước thải và đối với hệ thống
sưởi ấm của toàn thị trấn, nó đóng góp ít hơn. Sau khi so sánh toàn diện, máy bơm nhiệt
nguồn nước thải kết hợp phương pháp sưởi ấm khu vực có tỷ lệ sử dụng năng lượng sơ cấp
cao và có khoảng cách sưởi ấm dài, là mơ hình tốt hơn cho hệ thống sưởi ấm đô thị. Trong
trường hợp lý thuyết, tức là nhiệt thải trong nước thải dùng để sưởi ấm, chế độ sưởi ấm
khác nhau của toàn bộ mức tiêu thụ năng lượng trong mùa sưởi như được trình bày trong
Bảng 1, Bảng này có thể được nhìn thấy so với chế độ sưởi truyền thống của huyện, tồn
bộ Mùa nóng tiêu thụ năng lượng của nguồn nước thải bơm nhiệt kiểu kết hợp phương pháp
sưởi ấm huyện đã giảm rất nhiều, có thể giảm khoảng 75%.

Hình 1.6: Biểu đồ sử dụng năng lượng chính của các chế độ sưởi ấm khác nhau trong
các điều kiện khác nhau.
18


Về kinh tế, đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng năm của các chế độ sưởi ấm
khác nhau được thể hiện trong Hình 1.7.

Hình 1.7: Biểu đồ đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng năm của các phương pháp
sưởi ấm khác nhau.

Trong điều kiện đặt ra, so với phương pháp gia nhiệt truyền thống, mức đầu tư ban
đầu của bơm nhiệt nguồn nước thải kết hợp phương pháp gia nhiệt cấp huyện cao hơn,
nhưng bơm nhiệt nguồn nước thải có thể tận dụng hết nguồn nhiệt năng trong nước thải, có
thể giảm việc sử dụng năng lượng hóa thạch, do đó giảm lượng khí thải carbon dioxide, có
thể làm giảm ơ nhiễm mơi trường và chi phí vận hành của nó thấp hơn, thời gian hồn vốn
là 7,8 năm, như được trình bày trong Bảng 3. Đầu tư ban đầu và chi phí vận hành của máy
bơm nhiệt phân cấp nguồn nước thải Phương pháp nên được ưu tiên trong hệ thống sưởi
cho tòa nhà gần nhà máy xử lý nước thải, nhưng nó bị giới hạn bởi khoảng cách sưởi ấm,
và nó khơng thể đạt được mức sưởi ấm của toàn thị trấn.
Theo <Quy tắc thiết kế cấp thốt nước cơng trình>, một sinh viên sẽ sử dụng 30 - 50
lít nước nóng để tắm trong phịng tắm cơng cộng mỗi lần. Qunli Zhang và các cộng sự [5]
đã nghiên cứu tỷ lệ sử dụng trung bình hàng ngày trong tổng số học sinh là khoảng 25%.
Bằng cách sử dụng tổng số sinh viên trong các trường cao đẳng và đại học, là 981900,
chúng ta có thể biết rằng tổng lượng nước nóng để tắm của các phòng tắm đại học ở Bắc
Kinh là 12.274,1 tấn mỗi ngày. Khi xét đến một số ngày lễ, có 350 ngày làm việc một năm
và tiêu thụ 4.295.935 tấn nước nóng một năm, có nghĩa là lượng nước thải tắm rửa được
19


tạo ra tương đương. Nhiệt độ của nước máy là 15 ℃ hoặc thậm chí thổi; tắm nước nóng,
40 oC - 42 oC. Sau khi tắm nhiệt độ của nước thải là 28 oC - 35 oC. Nếu nước thải nhà tắm
được xả trực tiếp như bình thường, sẽ có tới 83% lượng nhiệt bị lãng phí. Đồng thời, theo
tiêu chuẩn quốc gia về xả nước thải, nước thải có nhiệt độ trên 35 oC sẽ làm hỏng cân bằng
sinh thái [5]. Xả nước thải tắm trực tiếp sẽ không tiết kiệm năng lượng cũng như bảo vệ
môi trường; cách tốt nhất là sử dụng máy bơm nhiệt nguồn nước thải để thu hồi nhiệt từ
nước thải nhà tắm. Nếu tất cả các trường đại học ở Bắc Kinh sử dụng máy bơm nhiệt nguồn
nước thải để thu hồi nước thải nhà tắm, thì sẽ có 144.343,5GJ nhiệt được thu hồi.
Zhibin Liu và cộng sự [6] đã nghiên cứu hệ thống bơm nhiệt được vận hành với
chênh lệch nhiệt độ lớn và lưu lượng lớn, và phạm vi chênh lệch nhiệt độ thường được kiểm
soát trong khoảng 10 ° C. Hơn nữa, các tuyến đường ống vận chuyển đang kêu gọi vốn đầu

tư lớn. Để thực hiện cùng mục đích sưởi ấm trong cùng điều kiện, tiêu thụ năng lượng vận
chuyển [5] của hệ thống bơm nhiệt cao hơn ít nhất 1,5 lần so với các nồi hơi truyền thống
để sưởi ấm do tiêu thụ năng lượng của máy bơm tỷ lệ thuận với lưu lượng. Điều này ảnh
hưởng đến tiềm năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống. Khoảng cách nguồn nhiệt hoặc
nguồn nước càng xa các tòa nhà thì mức đầu tư vào mạng lưới đường ống vận chuyển và
mức tiêu thụ năng lượng vận hành của máy bơm càng cao. Khi khoảng cách lớn, các khoản
đầu tư và tiêu tốn nhiều năng lượng thì việc xây dựng hệ thống bơm nhiệt là khơng hợp lý.
Do đó, khoảng cách thích hợp đối với nguồn nhiệt hoặc nguồn nước bị hạn chế và khoảng
cách thích hợp tối đa được gọi là giới hạn khoảng cách. Bài toán tiêu thụ năng lượng vận
chuyển đề cập đến tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của cả hệ thống bơm nhiệt chứ không phải là
đại lượng tuyệt đối. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ tiêu thụ năng lượng
vận chuyển và nó có giới hạn. Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng vận chuyển của hệ thống bơm nhiệt
nên nằm trong khoảng hợp lý từ 15% đến 20%, điều này rất quan trọng để đảm bảo hiệu
quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống bơm nhiệt.
Với mục đích kiểm tra tiềm năng thu hồi nhiệt năng trong nhà, điều quan trọng là
phải xác định các yếu tố chính có thể ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt độ nước thải. Samir
Alnahhal cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu chuỗi thời gian 2 min trong khoảng thời gian
quan sát đối với nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ nước thải và nhiệt độ phòng được thể hiện
20


trong Hình 1.8. Rõ ràng là sự thay đổi nhiệt độ của nước thải trong nhà không bị ảnh hưởng
bởi nhiệt độ của nguồn cung cấp nước uống. Để hiểu rõ hơn về hành vi của nhiệt độ nước
thải, nhiệt độ nước thải được so sánh với nhiệt độ môi trường xung quanh phòng và tốc độ
dòng nước. Các phép so sánh được sắp xếp trên cơ sở trung bình hàng ngày và trung bình
hàng giờ như trong hình 5. Nhiệt độ nước thải dao động trong khoảng 0,5 -1,5 C. Dựa trên
mức trung bình hàng giờ, rõ ràng là sự thay đổi nhiệt độ nước thải bị ảnh hưởng đáng kể
bởi nhiệt độ phòng xung quanh và ở một mức độ nào đó bị ảnh hưởng bởi dịng nước. Dữ
liệu trung bình hàng ngày cho thấy nhiệt độ phịng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể nhất đến
nhiệt độ nước thải. Theo quan điểm khác, dữ liệu thu được và phân tích có thể được coi là

dữ liệu đầu vào cần thiết cho việc thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt nước thải trong nhà.

Hình 1.8: Biểu đồ thể hiện xu hướng của nhiệt độ cấp nước, nhiệt độ nước thải
và nhiệt độ phòng xung quanh cứ sau 2 phút.
Qunli Zhang và các cộng sự [8] đã nghiên cứu hiệu suất của thiết bị tăng khi nhiệt
độ đầu vào tăng và giảm khi nhiệt độ nước tuần hoàn tăng. Mức tiêu thụ năng lượng của
máy bơm không thể thay đổi với sự thay đổi của tải. Để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, nên
sử dụng máy bơm có tần số thay đổi để phù hợp với sự thay đổi của tải. Để bộ phận hoạt
động hiệu quả hơn, cần phải làm sạch cặn bẩn của dàn trao đổi nhiệt.
So với hệ thống làm lạnh bằng khơng khí và lị hơi đốt than, hệ thống bơm nhiệt của
khách sạn bằng nguồn nước thải tiêu thụ năng lượng sơ cấp một năm tiết kiệm 53%, chi phí
vận hành hàng năm giảm 11%, thời gian thu hồi vốn đầu tư tăng dần. là 4,7 năm, đồng thời
21


giảm phát thải các chất ơ nhiễm và có hiệu quả năng lượng tốt hơn, lợi ích kinh tế và lợi
ích giảm phát thải.
Xét về ưu điểm của máy bơm nhiệt nguồn nước thải, chúng ta nên ưu tiên sử dụng
máy bơm nhiệt nguồn nước thải ở khu vực có điều kiện.
Liangdong Ma cùng các cộng sự [9] đã nghiên cứu trong điều kiện làm việc mùa
đông, tác giả tiến hành thiết kế và tính tốn chi tiết đến tổ máy. Công suất nhiệt thiết kế của
tổ máy là 35kW, chọn R134a làm môi chất lạnh. Như được thể hiện trong Hình 1, Hai bộ
chuỗi đơn vị tuần hồn chất làm lạnh sưởi ấm độc lập ở phía nước nóng và phía nước thải.
Bên trái của nước nóng là thiết bị 1 và bên phải của nước nóng là thiết bị 2. Về phía nước
thải, bộ trao đổi nhiệt hoạt động như thiết bị bay hơi. Nhiệt độ là 30 ℃ trên đầu vào nước
thải và 60 ℃ trên đầu ra. Về phía người dùng, bộ trao đổi nhiệt hoạt động như một bình
ngưng. Nhiệt độ là 5 ℃ trên đầu vào nước nóng và 45 ℃ trên đầu ra. Cả nhiệt độ siêu lạnh
và quá nhiệt của chất làm lạnh đều giữ ở mức 5 ℃. Và một số thiết bị khác: máy nén, van
tiết lưu.

Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống xây dựng của bộ sưởi ấm bơm nhiệt từ nguồn nước thải với
sự chênh lệch nhiệt độ lớn.
Xem xét hình thức hệ thống và khía cạnh kinh tế, thiết bị làm nóng máy bơm nhiệt
nguồn nước thải xử lý sự chênh lệch nhiệt độ lớn có thể làm giảm nước thải từ nhiệt độ cao
22


(khoảng 30 ℃) xuống nhiệt độ xả (khoảng 6 ℃) trong một lần, và tăng chênh lệch nhiệt độ
giữa phía nước nóng và phía nước thải trong bơm nhiệt vào và ra, do đó nó có thể hoạt động
ở mức chênh lệch nhiệt độ lớn và lưu lượng nhỏ.
Thông qua mô phỏng các điều kiện khác nhau, khi nhiệt độ nước nóng giữa hai bình
ngưng là 25 ℃, hiệu suất của đơn vị nước nóng là tốt nhất với COP đạt tới 5,4. khi nhiệt
độ nước nóng giữa hai bình ngưng là 25 ℃, diện tích truyền của bình ngưng và dàn bay hơi
đạt cực đại. Nhiệt độ đầu vào càng cao, COP của tồn bộ nước nóng càng thấp.
Oguzhan Culha và các cộng sự [10] đã nghiên cứu HP (bơm nhiệt) là thiết bị truyền
nhiệt từ nguồn nhiệt cấp thấp (mặt lạnh) (ví dụ: nước ngầm, nước bề mặt, đất, khơng khí
ngồi trời, WW, v.v.) sang chất lỏng hoạt động và bằng cách áp dụng dạng cấp cao hơn
năng lượng (ví dụ năng lượng cơ học), làm tăng nhiệt độ hoặc tăng hàm lượng nhiệt của
chất lỏng làm việc trước khi giải phóng nhiệt của nó để sử dụng (bên nóng). Các thành phần
chính của chu trình nén hơi HP là: máy nén, bình ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu. Hệ
thống HP có cả chế độ làm mát và sưởi ấm [8]. Hình 1.10 chỉ ra sự phân loại các hệ thống
HP theo chế độ hoạt động của chúng. Hệ thống sưởi HP đơn hóa trị (hệ thống sưởi HP
khơng có hệ thống sưởi bổ sung) là một hệ thống, trong đó HP cung cấp nhiệt một mình
trong mùa sưởi. Hệ thống sưởi HP hai lần (hệ thống sưởi HP kết hợp, hệ thống sưởi HP với
hệ thống sưởi bổ sung) là một hệ thống, trong đó HP có thể được bổ sung bằng thiết bị sưởi
khác (sưởi ấm bổ sung), ví dụ như đáp ứng hoặc hỗ trợ sưởi ấm cuộc họp nhu cầu vào
những ngày lạnh bất thường hoặc khi HP không hoạt động. Thuật ngữ “hai hóa trị” được
sử dụng vì theo quy luật, hệ thống sưởi bổ sung dựa trên nguồn cung cấp năng lượng khác
với nguồn năng lượng được sử dụng để vận hành HP. Hệ thống HP đa hóa trị có thể được
sử dụng song song với hệ thống đồng phát (CHP) trong các tòa nhà lớn hơn [10].

Hiệu suất của hệ thống WWSHP thay đổi theo từng hệ thống tùy theo điều kiện hoạt
động như nhiệt độ nước thải, nhiệt độ nước sạch, thiết bị HP. COP của hệ thống WWSHP
liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của Weijie et al. [11] báo cáo rằng giá trị COP của WWSHP
hầu như được giữ khơng đổi vì sự biến thiên của nhiệt độ WW không lớn lắm. Giá trị COP
của hệ thống WWSHP nằm trong khoảng 1,77–10,63 đối với mùa đông ở chế độ sưởi ấm
23


trong khi chúng nằm trong khoảng từ 2,23 đến 5,35 vào mùa hè đối với mục đích làm mát
[5]. Ngồi ra, khi so sánh hệ thống WWSHP với hệ thống đun nóng sử dụng khí, hệ thống
WWSHP kinh tế hơn và giảm trực tiếp lượng khí tiêu thụ để sưởi ấm và cung cấp nước
nóng [12]. WW cơng nghiệp có phạm vi nhiệt độ từ 30 đến 40 ◦C và giá trị COP của hệ
thống HP trong trường hợp này ít nhất là 7–8. Nhưng các hệ thống này có thể chứa các
thành phần có tính ăn mịn cao và yêu cầu xử lý đặc biệt, trong khi lượng lưu lượng không
lớn so với nước thải đô thị [13]. Khả năng kinh tế của hệ thống WWSHP phụ thuộc vào giá
của các nguồn năng lượng truyền thống hiện tại, kích thước của hệ thống WWSHP (công
suất sưởi cần thiết) và nhiệt thu hồi từ nước thải liên quan đến chiều dài đường ống [4] Hình
1.11 cho thấy việc sử dụng WWHEX và HP trong toàn bộ hệ thống WWSHP. Hoạt động
cơ bản có thể được tóm tắt như sau:
(I) HEX thu hồi nhiệt thải trong WW, và chuyển nó sang mơi trường HEX tuần hồn (chu
trình thứ cấp, nước hoặc hỗn hợp nước-glycol). Trong bước này, WW nguội đi bằng cách
truyền nhiệt của nó sang mơi trường HEX (1).
(II) Mơi chất HEX truyền nhiệt của nó đến mơi chất làm việc HP (mơi chất lạnh có nhiệt
độ sơi thấp) trong thiết bị bay hơi (2) để tạo thành hơi. (Công suất HEX = công suất thiết
bị bay hơi). Với sự trợ giúp của máy nén (3), hơi được nén để tăng nhiệt. Máy nén được
dẫn động bên ngoài. Các đơn vị khác của HP với yêu cầu điện năng thấp hơn là máy bơm
tuần hoàn và máy sưởi chảo dầu.
(III) Trong bình ngưng (4), hơi nước được đốt nóng (trong chất lỏng chu trình này ở dạng
khí) từ HP truyền nhiệt của nó sang chất lỏng tuần hồn của mơi trường làm nóng (mạch
sơ cấp, nước vừa đun nóng). Sau khi truyền nhiệt trong bình ngưng, chất làm lạnh có áp

được hóa lỏng trở lại.
(IV) Trong van giãn nở (5) HP, áp suất của chất làm lạnh giảm và chu trình quay trở lại
điểm (2).
(V) Hỗn hợp được làm nóng đến điểm cần thiết để làm nóng mơi trường (6) với sự trợ giúp
của bộ tản nhiệt, hoặc thiết bị sưởi dưới sàn. Sau khi giải phóng nhiệt ra mơi trường xung
24