Nghiên cứu mô phỏng trong chế độ không ổn định hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời áp dụng cho các hộ gia đình tại việt nam

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng
dẫn, TS. Nguyễn Nguyên An, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện và
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Viện Khoa học và Công
nghệ Nhiệt – Lạnh, đặc biệt là thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Lạnh và Điều hoà
Không khí, bộ môn tôi đang công tác đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện bản luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động
viên tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Trịnh Viết Thiệu

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

i


LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo TS. Nguyễn Nguyên An.
Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài những tài liệu tham khảo đã liệt kê,
tôi cam đoan không sao chép các công trình nghiên cứu, sử dụng bất cứ tài liệu nào

khác mà chưa được liệt kê.
Nếu sai phạm, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Trịnh Viết Thiệu

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

ii


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Các ký hiệu sử dụng trong luận văn
A – Diện tích, m2

Ta - Nhiệt độ môi trường xung quanh bình

COP - Hệ số bơm nhiệt

chứa, oC

C- Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K
F – Hệ số hấp thụ nhiệt, diện tích
trao đổi nhiệt, m

T - Nhiệt độ của nước, oC

fsol - Hệ số đáp ứng

Vdisp - Thể tích quét của pittong, m3/phút

HB - Tổng của trực xạ, W/m2

 -Thời gian, s

Ho - Bức xạ mặt trời đến mặt phẳng
nằm ngang ngoài khí quyển, W/m2

 - Gia số thời gian, s

Hs - Tán xạ lên mặt phẳng, W/m2

() - Tích số truyền dẫn hấp thụ

2

Hr - Phản xạ, W/m

U – Hệ số tổn thất, W/m2.K

p1 - Hiệu áp suất thuỷ tĩnh trong bộ thu năng

i - Số thứ tự của phân tố, Enthalpy,
kJ/kg

lượng mặt trời, Pa

IT – Cường độ bức xạ trên mặt
phẳng nghiêng, W/m2

p2 - Hiệu áp suất thuỷ tĩnh trong đường ống

k - Hệ số truyền nhiệt, W/m.K

kết nối, Pa

M - Khối lượng phân tố, kg

pf - Tổn thất áp suất do ma sát trong đường

m - Lưu lượng khối lượng, kg/s

ống của bộ thu năng lượng mặt trời

Nr - Công suất nén thực, W

 Hiệu suất của bộ thu tấm phẳng

N el - Công suất điện tiêu thụ, W

1 - Thể tích riêng của môi chất tại đầu vào máy

Ns - Nén đoạn nhiệt, W
lt - Chiều cao phần trụ đứng của vỏ

bình chứa, m
Q - Nhiệt lượng, W

nén, m3/kg

me - Hiệu suất cơ
el - Hiệu suất điện của máy nén

QLOAD Lượng nhiệt cần cung cấp
cho nhu cầu sử dụng, kJ/ngày

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

iii


Các ký hiệu chân
a– Không khí

r – Ra

c – Dàn ngưng, bộ thu

tth – toàn phần

e – Dàn bay hơi

v – Vào

hi - hữu ích

w – Nước

l - Tổn thất

i – bên trong

n - Nhận

o – bên ngoài

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống với môi chất nhận nhiệt trực tiếp từ bộ thu NLMT ...........4
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống với môi chất nhận nhiệt gián tiếp từ bộ thu NLMT ..........4
Hình 1.3. Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa nước nóng ....................5
Hình 1.4. Sơ đồ BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa........................................6
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên. .........9
Hình 1.6. Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa nước nóng ........................................10
Hình 2.1. Đồ thị lgp-i của chu trình bơm nhiệt .......................................................20
Hình 2.2. Chia lớp bình ngưng ống xoắn ruột gà theo chiều cao bình chứa ............26
Hình 2.3. Cân bằng nhiệt cho phân tố thứ i tại thời điểm ......................................27
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên ..........................32
Hình 2.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
...................................................................................................................................36
Hình 2.6. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán ....................................38

Hình 2.7. Thành phần bức xạ trên mặt phẳng nghiêng ............................................39
Hình 2.8. Kết nối TRNSYS với EES .......................................................................48
Hình 3.1. Mô hình bơm nhiệt sản xuất nước nóng ...................................................49
Hn

Lưu đồ thuật toán mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng ...................50

Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt với bình tích nhiệt ..........................................51
Hình 3.4 Mô hình bơm nhiệt với bình tích nhiệt ......................................................51
Hn

Lưu đồ thuật toán mô phỏng bơm nhiệt trong chế độ không ổn định ......52

Hình 3.6. Mô hình năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên.....................................54
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán mô phỏng tuần hoàn tự nhiên bộ thu năng lượng mặt
trời .............................................................................................................................55

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

v


Hình 3.8. Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng ..............58
Hình 3.9. Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt với bình chứa tích nhiệt .......59
Hình 3.10. Sơ đồ kết nối các bộ phận trong mô hình bộ thu năng lượng mặt trời ...60
Hình 3.11. Sơ đồ kết nối các mô-đun mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời trong
TRNSYS....................................................................................................................61
Hình 3.12. Sơ đồ kết nối các bộ phận mô hình BN kết hợp với NLMT ..................62
Hình 3.13. Sơ đồ kết nối các mô-đun mô phỏng xác định lượng nhiệt cần bù cho hệ
thống trong TRNSYS ................................................................................................63

Hình 4.1. Phân tầng nhiệt độ trong ống tăng cường theo thời gian.........................68
Hình 4.2. Phân tầng nhiệt độ các điểm ngoài ống tăng cường theo thời gian ..........69
Hình 4.3. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ, bay hơi theo thời gian ...............................70
Hình 4.4. Sự thay đổi của năng suất gia nhiệt theo thời gian ...................................70
Hình 4.5. Sự thay đổi COP theo thời gian ................................................................71
Hình 4.6. Sai số nhiệt độ của phân tố cao nhất ngoài ống tăng cường T2 ...............72
Hình 4.7. Sai số nhiệt độ của phân tố cao nhất trong ống tăng cường T10 .............72
Hình 4.8. Kết quả thực nghiệm phân tầng nhiệt độ theo thời gian ..........................73
Hình 4.9. Kết quả mô phỏng phân tầng nhiệt độ theo thời gian ..............................73
Hình 4.10. Kết quả đo đạc và mô phỏng T2 (vị trí cao nhất) ..................................74
Hình 4.11. Kết quả đo đạc và mô phỏng T5 (Vị trí thấp nhất) ...............................74
Hình 4.12. Hiệu suất bộ thu phụ thuộc vào hệ số (T5-Ta)/I .....................................75
Hình 4.13. Năng lượng hữu ích của bộ thu theo thời gian .......................................76
Hình 4.14. Nhu cầu sử dụng theo giờ .......................................................................79
Hình 4.15. Cường độ bức xạ trong ngày ..................................................................79
Hình 4.16. Kết quả mô phỏng hệ thống BN kết hợp với NLMT .............................79

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Bảng thông số cấu tạo của bộ thu tấm phẳng ...........................................65
Bảng 4.2. Thống kê các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thí nghiệm ............................67
Bảng 4.3. Thông số mô tả của mô hình bơm nhiệt với bình tích nhiệt .....................67
Bảng PL1.1. Bảng kết quả mô phỏng phân tầng nhiệt độ BN với bình tích nhiệt ...86
Bảng PL1.2. Bảng kết quả mô phỏng BN với bình tích nhiệt. .................................87
Bảng PL1.3.

ảng kết quả thực nghiệm phân tầng nhiệt độ ....................................89

Bảng PL2.1. Bảng kết quả thực nghiệm NLMT tuần hoàn tự nhiên ........................90
Bảng PL2.2. Bảng kết quả mô phỏng NLMT tuần hoàn tự nhiên ............................92

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

vii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vii
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BƠM
NHIỆT VỚI BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƢỚC
NÓNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ....................................................................3
1.1. Các phương pháp kết hợp bơm nhiệt với bộ thu năng lượng mặt trời trong
sản xuất nước nóng..................................................................................................3
1.1.1. Sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn lạnh................3
1.1.2. Sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng với bơm nhiệt là
nguồn nhiệt dự phòng ..............................................................................................5
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng và vai trò của mô phỏng hệ thống bơm nhiệt kết hợp
với bộ thu năng lượng mặt trời trong sản xuất nước nóng ......................................8
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng trong hệ thống nước nóng 8
1.2.2. Vai trò của mô phỏng hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng

mặt trời trong sản xuất nước nóng ........................................................................12
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đề tài .....................13
1.3.1. Nghiên cứu trong nước................................................................................13
1.3.2. Nghiên cứu ngoài nước ...............................................................................13
1.4. Mục tiêu của luận văn ....................................................................................18

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

viii


CHƢƠNG

- CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BƠM NHIỆT

KẾT HỢP VỚI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƢỚC NÓNG ......20
2.1. Xây dựng mô hình toán học bơm nhiệt sản xuất nước nóng .........................20
2.1.1. Mô hình toán học máy nén pittong .............................................................21
2.1.2. Mô hình toán học dàn ngưng và dàn bay hơi ..............................................23
2.1.3. Mô hình toán học thiết bị tiết lưu ................................................................25
2.1.4. Hệ số bơm nhiệt ..........................................................................................25
2.2. Xây dựng mô hình toán học sự phân tầng nhiệt độ của nước trong bình
ngưng ở chế độ tính nhiệt ......................................................................................25
2.3. Xây dựng mô hình toán học tuần hoàn tự nhiên trong bộ thu năng lượng mặt
trời .........................................................................................................................31
2.4. Các mô hình khác trong TRNSYS được sử dụng để mô phỏng ....................34
2.4.1. Mô hình tính toán bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng (Type 16a) .....34
2.4.2. Mô hình xác định năng lượng hữu ích của bộ thu tấm phẳng (Type 1a) ....40
2.4.3. Mô hình khác...............................................................................................47
CHƢƠNG

- MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƢỚC NÓNG ............49

3.1. Xây dựng bổ sung các mô-đun mô phỏng trong hệ thống sản xuất nước nóng
...............................................................................................................................49
3.1.1. Mô-đun mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng .....................................49
3.1.2. Mô-đun mô phỏng bơm nhiệt với bình tích nhiệt .......................................51
3.1.3. Mô-đun mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên ............54
3.2. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình ..........................................................................55
3.2.1. Giới thiệu về EES ........................................................................................55
3.2.2. Giới thiệu về TRNSYS ...............................................................................56
3.3. Xây dựng chương trình phần mềm mô phỏng hệ thống sản xuất nước nóng 57

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

ix


3.3.1 Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt sản xuất nước nóng .................57
3.3.2. Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt bình chứa tích nhiệt ................58
3.3.3. Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời tuần hoàn tự
nhiên ......................................................................................................................59
3.3.4. Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng
mặt trời ..................................................................................................................61
CHƢƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................64
4.1. Mô tả thí nghiệm kiểm chứng ........................................................................64
4.1.1. Hệ thống năng lượng mặt trời .....................................................................64
4.1.2. Hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước nóng ....................................................65
4.2. Đánh giá kết quả thu được .............................................................................67
4.2.1. So sánh với kết quả thực nghiệm của hệ thống bơm nhiệt sản xuất nước

nóng .......................................................................................................................67
4.2.2. So sánh với kết quả thực nghiệm năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng
...............................................................................................................................72
4.3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng hệ thống sản xuất nước nóng .....................76
CHƢƠNG

- KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT............................................................80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................82
PHỤ LỤC .................................................................................................................86
PL1. Kết quả bơm nhiệt với bình tích nhiệt ..........................................................86
PL2. Kết quả NLMT tuần hoàn tự nhiên ..............................................................90
PL3. Bảng kết quả BN kết hợp NLMT sản xuất nước nóng .................................94
PL4. Code chương trình ......................................................................................101

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

x


MỞ ĐẦU
Xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng nước nóng phục vụ trong đời sống
con người cũng ngày càng được tăng cao. Nước nóng được sử dụng nhiều trong
sinh hoạt hàng ngày cho các mục đích như: nấu ăn, nước uống, tắm giặt … Hàng
loạt thiết bị cung cấp nước nóng có mặt trên thị trường như cây nước nóng lạnh, bể
bơi nóng lạnh… Nhờ tính thuận tiện, sẵn có nên điện năng đang chiếm đa số trong
các nguồn năng lượng cấp cho các thiết bị tiêu hao năng lượng đó. Cả nước hiện có
khoảng 2,5 triệu bình đun nước nóng bằng điện công suất trong khoảng 2 kW đến 5
kW, hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ
xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch [13]. Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị

trường đầy tiềm năng đối với thiết bị cung cấp nước nóng. Tuy nhiên, xét về nhiều
khía cạnh, việc lạm dụng nguyên nhiên liệu quá mức của con người đang làm cho
trái đất nóng lên, gây biến đổi khí hậu và nhiều hệ lụy khôn lường. Với sự tăng
trưởng kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam trong hơn thập kỷ qua đã khiến cho nhu cầu
về điện năng tăng thêm khoảng 15% mỗi năm. Sự thiếu hụt nguồn cung cấp điện
của Việt Nam cũng đang gia tăng nhanh, đặc biệt là vào mùa khô do sự phụ thuộc
quá lớn vào thủy điện.
Xu hướng những năm gần đây, nguồn năng lượng mặt trời được sử dụng
ngày càng nhiều nhằm thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống. Năng
lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ
lượng vô cùng lớn. Nâng cao sử dụng nguồn năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm
nguồn nhiên liệu truyền thống, bảo vệ môi trường và giảm thiểu việc khai thác tài
nguyên khoáng sản. Trên thế giới, tỷ lệ số người lắp đặt hệ thống cung cấp nước
nóng bằng năng lượng mặt trời đang gia tăng mạnh, đặc biệt là Trung Quốc, Nhật
ản, Israel, Sip, Australia… Là một nước có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng
mặt trời với lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m2 /ngày, Việt
Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời. Số giờ nắng
trung bình cả năm trong khoảng 1800 đến 2100 giờ [12]. Tuy nhiên, lượng bức xạ
mặt trời phụ thuộc theo mùa, ch có mùa hè việc sử dụng thiết bị cung cấp nước
nóng bằng năng lượng mặt trời mới đạt hiệu quả cao. Đối với miền

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

1

ắc nước ta,


vào mùa đông năng lượng mặt trời thường yếu ớt trong khi nhu cầu sử dụng nước
nóng lại gia tăng, và vào ngày mưa thì lượng bức xạ mặt trời cũng không đáp ứng

đủ nhu cầu. Với mục tiêu phát triển công nghệ sản xuất nước nóng bằng năng lượng
mặt trời có chi phí thấp và khả năng đáp ứng liên tục trong mọi dạng thời tiết, công
nghệ sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời ( N kết hợp với
NLMT) là một giải pháp rất hữu hiệu kết hợp được cả tiết kiệm điện năng và sử
dụng năng lượng tái tạo. Hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt có hệ số hiệu quả
sử dụng năng lượng cao gấp 3 đến 4 lần năng lượng thứ cấp nên có khả năng tiết
kiệm năng lượng vượt trội. Để sản xuất ra cùng lượng nước nóng với giá vận hành
bơm nhiệt ch bằng 1 3 đối với giá khi sử dụng điện năng [8]. Lợi ích về kinh tế, xã
hội của công nghệ kết hợp này là rất lớn, phù hợp với phạm vi lắp đặt và sử dụng
nhiều ở các hộ gia đình, nhà trẻ, khách sạn và nhà hàng…
Với sự phát triển của khoa học máy tính, công cụ toán học đã đạt được nhiều
thành tựu và nhằm phục vụ cho nhu cầu thiết kế hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ
thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng
trong chế độ không ổn định hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết
hợp với bộ thu năng lượng mặt trời áp dụng cho các hộ gia đình tại Việt Nam”
Với mục đích xác định khả năng cung cấp nước nóng và năng suất nhiệt của
bộ thu năng lượng mặt trời, luận văn sẽ tiến hành xây dựng các mô-đun cho từng bộ
phận và sau đó kết hợp chúng lại để mô phỏng hệ thống bơm nhiệt (BN) kết hợp với
bộ thu năng lượng mặt trời (NLMT) ở chế độ không ổn định. Từ đó, xác định nhu
cầu bổ sung lượng nhiệt mà bơm nhiệt sẽ phải đảm nhiệm. Kết quả được kiểm
nghiệm với mô hình thực tế tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường
Đại học Bách khoa Hà nội.

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

2


CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BƠM
NHIỆT VỚI BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT NƢỚC

NÓNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
1.1. Các p ƣơng p áp kết ợp bơm n iệt với bộ t u năng lƣợng mặt trời trong
sản xuất nƣớc nóng
Sự phát triển của khoa học công nghệ góp phần to lớn thúc đẩy ứng dụng năng
lượng mặt trời (NLMT) sản xuất nước nóng vào đời sống, phạm vi và giải pháp đáp ứng
năng lượng nhiệt cũng đa dạng và ngày càng được mở rộng. Hiện nay, trên thế giới có
hai xu hướng chính kết hợp bơm nhiệt (BN) với bộ thu NLMT dùng để tăng hiệu
quả của hệ thống cung cấp nước nóng:
- Sử dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ nguồn lạnh cấp cho bơm nhiệt, qua
đó làm tăng COP của bơm nhiệt.
- Sử dụng bộ thu NLMT làm nóng nước với bơm nhiệt là nguồn nhiệt dự
phòng.
1.1.1. Sử dụng bộ t u năng lƣợng mặt trời để tăng n iệt độ nguồn lạn
Đối với các nước ôn đới khi nhiệt độ môi trường xuống thấp thì năng suất
nhiệt nhận được từ dàn nóng giảm đáng kể, dẫn đến hệ số bơm nhiệt COP nhỏ. Nếu
nhiệt độ nguồn lạnh xuống nhỏ hơn 5oC thì hệ số COP < 3 [32]. Để tăng nhiệt độ
nguồn lạnh, có một giải pháp khá hữu hiệu là tăng nhiệt độ môi chất khi qua dàn
bay hơi của bơm nhiệt bằng cách hấp thụ thêm nhiệt trực tiếp hoặc gián tiếp từ bộ
thu năng lượng mặt trời. Đối với hệ thống nhỏ dùng cho gia dụng dàn bay hơi nhận
nhiệt trực tiếp từ bộ thu NLMT (Hình 1.1), c n đối với hệ thống lớn dàn bay hơi nhận
nhiệt gián tiếp từ bộ thu NLMT (Hình 1.2).
Môi chất lỏng giảm áp suất sau khi đi qua van tiết lưu và nhận nhiệt từ bộ thu
NLMT trở thành dạng hơi. Hơi quá nhiệt khi đi qua máy nén có nhiệt độ cao và áp suất
cao tiếp tục đi qua dàn ngưng, ở đây hơi môi chất truyền nhiệt cho nước trong bình chứa
nước nóng. Nhờ nhận nhiệt bức xạ từ mặt trời, COP của bơm nhiệt có thể tăng lên 2
đến 3 lần.

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

3

Máy nén

ặt

ay
h

trờ
i

ơi

tới tải

Vòng lặp chu
trình lạnh
Dàn ng-ng

Bình dự trữ
n-ớc nóng

Bộ

th

un

ăn

gl

-ợ

Dà

ng

nb

m

nguồn
nhiệt phụ

Van tiết l-u
n-ớc cấp

Hỡnh 1.1. S h thng vi mụi cht nhn nhit trc tip t b thu NLMT
Vòng lặp
chống đông

Tuần hoàn
tự nhiên

tới tải

rờ

i

Máy nén
lợn
g

m

ặt
t

nguồn
nhiệt phụ

Bộ

th
u

nă
ng

Bình dự trữ
n-ớc nóng

Dàn bay
hơi

Dàn ng-ng

Van tiết l-u

n-ớc cấp
Bơm

Hỡnh 1.2. S h thng vi mụi cht nhn nhit giỏn tip t b thu NLMT
Cụng ngh BN kt hp vi NLMT ny thớch hp hn c cho cỏc nc cú khớ
hu ụn i, ớt bc x mt tri. õy, nng lng bc x mt tri rt yu t ch
cung cp tng nhit ngun lnh ch khụng cung cp nng lng sn xut
nc núng. Trong khong 15 nm tr li õy h thng trờn ó c nghiờn cu,
phỏt trin mnh m cỏc nc c u v Nht n, nhng vựng cú khớ hu ụn i.
C n i vi cỏc nc nm vựng khớ hu nhit i trong ú cú Vit Nam, cụng
ngh ny khụng phự hp vỡ nú cú th lm tng nhit ngun lnh quỏ cao, gõy s
c v thm chớ lm hng bm nhit nờn cn c i sõu nghiờn cu thờm na.

Hc viờn: Trnh Vit Thiu

4


1.1.2. S dng b t u nng lng mt tri sn xut nc núng vi bm n it l
ngun n it d p ũng
i vi khu vc cú ngun NLMT di do nhng kh nng cung cp nc
núng khụng phi luụn ỏp ng c thỡ nờn s dng bm nhit lm ngun nhit d
phũng. H thng cung cp nc núng ny s cú ý ngha tit kim nng lng cao
hn, gim ti thiu nng lng in cn cung cp cho h thng m vn m bo
nng sut nc núng yờu cu. Hin nay, cú hai dng s s dng chớnh: s BN
kt hp vi NLMT vi mt bỡnh cha v BN kt hp vi NLMT vi hai bỡnh cha.
a) S BN kt hp vi NLMT vi mt bỡnh cha nc núng
Máy nén

Dàn ng-ng

Dàn bay hơi

Thiết bị trao
đổi nhiệt

Tới tải

Van tiết l-u

Bộ

th
u

nă

ng

l-

ợn

g

m

ặt

trờ

i

Bình chứa
n-ớc nóng

N-ớc cấp

Hỡnh 1.3. S BN kt hp vi NLMT vi mt bỡnh cha nc núng
S BN kt hp vi NLMT vi mt bỡnh cha nc núng c biu din nh
hỡnh 1.3 ó c G. Panaras, E. Mathiolakis v V. Belessiotis xut vo nm
2013, s ny c quan tõm v s dng Hy Lp [29]. u im ca s ny
l tn dng ti a nng lng nhit ca b thu mt tri. tng hiu qu thu nhit
ca b thu NLMT thỡ bm nhit c s dng cho quỏ trỡnh trao i nhit phớa
trờn ca bỡnh, trong khi b thu nng lng mt tri tớch nhit phớa di bỡnh. Ch
vn hnh thit b BN v b thu NLMT c iu khin bng thit b iu khin
thng mi cho h thng tớch hp NLMT v BN. Thit b iu khin tun hon

Hc viờn: Trnh Vit Thiu

5


nc trong b thu nng lng mt tri v trao i nhit vi dn ngng ca bm
nhit, nú cng cú chc nng bo v quỏ nhit b thu nng lng mt tri. Ch
vn hnh ca b thu c hot ng da trờn s khỏc nhau gia nhit u ra b
thu v nhit gia bỡnh Ts. Nú s ngng hot ng khi chờnh lch ny nh hn
giỏ tr t trc. Giỏ tr t thng l 5 oC v 2 oC. m nhit ngng hot ng khi
sensor nhit phớa nh bỡnh vt quỏ giỏ tr t v hot ng li khi nú nh hn
giỏ tr cho trc. Nhit t tng ng 55 oC v 52oC.

Tuy nhiờn, i vi s ny khi ti nhit cn tc thi thỡ bm nhit phi
hot ng cung cp nhit, do s trao i nhit ca nc trong bỡnh cha nờn
nhit ca nc ỏy bỡnh cha tng lờn dn n hiu qu thu nng lng mt tri
s gim. Nh vy, s ny ch phự hp i vi cỏc nc cú lng bc x rt ln,
tớch nhit nng lng mt tri ban ngy v s dng vo ban ờm.
b) S BN kt hp vi NLMT vi hai bỡnh cha
ống thông hơi
(xả khí)

Bình bảo ôn chứa n-ớc nóng
(bộ thu năng l-ợng mặt trời)

Van một chiều
N-ớc lạnh bổ sung
Bức xạ mặt trời

Bơm tuần hoàn
Bình bảo ôn n-ớc
nóng bơm nhiệt

Bộ thu dạng tấm
phẳng

N-ớc nóng sử dụng

Hệ thống bơm nhiệt
sản xuất n-ớc nóng

Hỡnh 1.4. S BN kt hp vi NLMT vi hai bỡnh cha

Hc viờn: Trnh Vit Thiu

6


Sơ đồ hình 1.4 này được TS. Nguyễn Nguyên An và cộng sự đề xuất, ứng
dụng trong đề tài cấp nhà nước KC.05.03/11-15. Trong chế độ hoạt động bình
thường, lượng bức xạ mặt trời đủ, nước nóng được tạo ra sẽ tích trong bình chứa
của bộ thu NLMT và đi qua bình chứa của bơm nhiệt trước khi đến nơi sử dụng.
Bình chứa của bơm nhiệt đóng vai tr như một bình phụ, tăng khả năng tích nhiệt
của toàn hệ thống. Sự lưu chuyển của nước ở chế độ này được tạo ra bởi lực trọng
trường giúp hệ thống có thể hoạt động ngay trong trường hợp nguồn điện lưới bị
mất. Ở chế độ làm việc này, nước nóng có thể không sử dụng trong thời gian dài.
Bình chứa tích trữ năng lượng để phục vụ cho nhu cầu sử dụng lần sau. Khi nhiệt độ
nước trong bình chứa của bơm nhiệt không đủ cao để đáp ứng nhu cầu sử dụng,
bơm tuần hoàn sẽ hoạt động giúp thay thế lượng nước “nguội” này bằng nước nóng
lấy từ bình chứa bộ thu năng lượng mặt trời.
Trong thời gian còn lại, khi lượng bức xạ mặt trời không đủ để cấp nhiệt cho
nhu cầu sử dụng, bơm nhiệt sẽ được bật. Hai chế độ hoạt động lựa chọn lúc này là:
(1) bơm nhiệt hoạt động đồng thời với bơm nước nóng tuần hoàn để nhiệt tạo ra
được tích trong toàn bộ dung tích chứa nước nóng của hệ thống và (2) bơm nhiệt
hoạt động đơn lẻ để nhiệt tạo ra ch được tích trong bình chứa của bơm nhiệt, nhờ
đó, giúp được nhiệt độ nước tăng nhanh hơn. Chế độ đầu tiên được vận hành khi
cần một lượng nước nóng lớn hơn nhiều so với khả năng đáp ứng tức thời của bơm
nhiệt. Ngược lại, chế độ thứ hai được vận hành khi cần một lượng nước nóng không
lớn, nhưng ngay tức thì mà bộ thu NLMT chưa kịp đáp ứng. Nhược điểm chính của
mô hình hệ thống hai bình chứa là vận hành tương đối phức tạp, đầu tư ban đầu lớn
nên hoàn toàn không thích hợp với quy mô nhỏ.
Sơ đồ hệ thống BN kết hợp với NLMT với hai bình chứa có các chế độ vận
hành khác nhau với điều kiện khác nhau như nhu cầu nhiệt, bức xạ mặt trời…, do

đó làm tăng lợi ích tối đa so với sơ đồ BN kết hợp với NLMT với một bình chứa:
-

Tận dụng năng lượng mặt trời một cách tối đa, khi năng lượng mặt trời cung
cấp đủ nhu cầu thì bơm nhiệt không cần thiết phải vận hành. Thời gian và số
lần vận hành bơm nhiệt sẽ giảm, do đó tiết kiệm năng lượng điện.

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

7


-

Tăng lợi ích của bộ thu ngay cả khi nhiệt độ và bức xạ thấp. Bộ thu năng
lượng mặt trời làm việc ở nhiệt độ thấp nên hiệu suất năng lượng tăng.

-

Bình chứa bộ thu năng lượng mặt trời cho phép tăng lợi ích năng lượng, tăng
khả tích trữ tối đa năng lượng cho sử dụng lần sau.
Đối với các nước nhiệt đới năng lượng bức xạ dồi dào như Việt Nam, thì sơ đồ

này rất phù hợp. Đây là sơ đồ sẽ được nghiên cứu mô phỏng trong đề tài này.
1.2. Các yếu tố ản

ƣởng và vai trò của mô p ỏng ệ t ống bơm n iệt kết ợp

với bộ t u năng lƣợng mặt trời trong sản xuất nƣớc nóng
1.2.1. Các yếu tố ản

ƣởng đến iệu quả năng lƣợng trong ệ t ống nƣớc

nóng
Ngoài việc lựa chọn hệ thống BN kết hợp với NLMT thích hợp với từng loại thời
tiết, thì việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất bộ thu NLMT là vô cùng
quan trọng. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu nhiệt của hệ thống NLMT
như góc nghiêng bộ thu NLMT, tấm hấp thụ (tấm phẳng, ống chân không…)… nhưng ở
đây ta ch đề cập đến hai vấn đề quan trọng nhất là ảnh hưởng của tốc độ tuần hoàn và
ảnh hưởng của bình chứa nước nóng.
a) Ảnh hưởng của tốc độ nước tuần hoàn
Hệ thống sử dụng NLMT cung cấp nước nóng bao gồm các thiết bị chính
như bộ thu năng lượng mặt trời và bình dự trữ năng lượng (Hình 1.5). Lưu chất
nhận nhiệt ở đây thường là nước. Nước chuyển động tuần hoàn trong hệ thống nhờ
hiệu ứng si-phong nhiệt (tuần hoàn tự nhiên) hoặc bơm (tuần hoàn cưỡng bức). Ở
hiệu ứng si-phong nước nhận nhiệt nóng lên và chuyển động lên trên vào bình dự
trữ, c n nước có nhiệt độ thấp hơn trong bình chuyển động xuống dưới rồi vào bộ
thu năng lượng mặt trời.
Hiện nay, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên ngày
càng được sử dụng rộng rãi do cấu tạo đơn giản và không cần phải bảo dưỡng khi
vận hành… Nước tuần hoàn tự nhiên giữa bộ thu NLMT và bình tích nhiệt là do
ảnh hưởng của trọng lực, tức là nước được đốt nóng trong bộ thu chuyển động lên
trên và đến bình chứa. Sự chuyển động lên của nước nóng kéo theo nước lạnh trong

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

8


bình chứa chuyển động xuống giống như ống si-phong vào bộ thu và tiếp tục chu kì

tuần hoàn. Điều này có tác dụng làm cho nước trong toàn bộ hệ thống nóng lên, quá
trình lưu thông tiếp tục tới chừng nào nhiệt độ của nước ở bộ thu còn lớn hơn nhiệt
độ nước ở bình chứa.
Tíi t¶i
B×nh b¶o «n
chøa n-íc
nãng (bé thu
n¨ng l-îng
mÆt trêi)

N-íc cÊp

Bøc x¹ mÆt trêi

Bé thu d¹ng
tÊm ph¼ng

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên.
Nghiên cứu hệ thống NLMT tuần hoàn tự nhiên đã được quan tâm và thực
hiện của nhiều tác giả. Trong đó, Bukola O.Bolaji [16], Salman.D, Hammadi .H
[22] và Morrison G.L[27] đã ch ra rằng khi tăng tốc độ nước tuần hoàn tự nhiên sẽ
làm tăng khả năng thu nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời và sự phân tầng nhiệt
độ trong bình chứa sẽ đáp ứng tới tải sớm hơn, do đó giảm sử dụng tối đa thiết bị
gia nhiệt phụ. Hiệu quả của bộ thu năng lượng mặt trời giảm khi nhiệt độ vào cao,
để tăng mức hấp thụ của NLMT ta nên tăng mức phân tầng trong bình dự trữ nước
nóng. Tốc độ nước tuần hoàn tự nhiên trong bộ thu mặt trời ảnh hưởng lớn đến
nhiệt độ nước dự trữ trong bình chứa nước nóng nên phân tích ảnh hưởng sơ đồ
nước tuần hoàn là việc làm quan trọng.
b) Ảnh hưởng của bình chứa nước nóng.
Bình chứa nước nóng của hệ thống cung cấp nước nóng có thể chia thành 2

loại là bình chứa hoà trộn đều (không phân tầng) và bình chứa phân tầng (theo nhiệt

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

9


độ). Trong thực tế, bình chứa phân tầng thường được sử dụng nhiều hơn do nó đáp
ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng nước nóng (do nước nóng được lấy ra ở phía trên, nơi
có nhiệt độ cao), cũng như duy trì được khả năng làm việc hiệu quả của các thiết bị
gia nhiệt (do nước nóng đến các thiết bị gia nhiệt được lấy ở phía dưới, nơi có nhiệt
độ thấp). Do vậy, việc mô phỏng bình chứa nước nóng phân tầng sẽ được ưu tiên
tiến hành.
Về cấu trúc hình học, bình chứa nước nóng có thể ở dạng trụ đứng, trụ nằm
ngang hoặc khối hộp chữ nhật. Bình chứa dạng trụ đứng thường có dung tích cỡ vài
nghìn lít, có phạm vi ứng dụng rộng nhất nên sẽ được ưu tiên lựa chọn để tiến hành
mô phỏng trong đề tài.
Sự phân tầng trong bình dự trữ nước nóng tức là tạo ra mức nhiệt độ khác
nhau trong bình chứa nước nóng. Năm 2002, Dincer và Rosen đã ch ra những đặc
điểm của mức phân tầng trong bình chứa nước là xác định gradient nhiệt độ (dT/dx)
và độ dày vùng trung gian.
Vùng nóng

Vùng trung
gian

Không
p ân tầng

Vùng lạn

a)

b)

Hình 1.6. Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa nước nóng
a) Bình phân tầng
b) Nhiệt độ đồng đều (không có sự phân tầng)
Theo hình 1.6, khi độ dày vùng trung gian càng nhỏ thì sự phân tầng càng
cao, ngược lại khi độ dày vùng trung gian càng lớn thì sự phân tầng càng nhỏ, bình
không có sự phân tầng khi nhiệt độ ở các vùng bằng nhau.
Phần lớn các nghiên cứu đã ch ra rằng sự phân tầng trong hệ thống dự trữ
nước nóng phụ thuộc vào tải sử dụng (Lavan và Thompson 1977, Phillips và Dave

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

10


1982, Hollands và Lighstone 1989, Cristofari 2003…). Bên cạnh lợi ích tối đa của
nhiệt độ và exergy (Van Berkel 1997, Rosengarten 1999, Rosen 1999, Shah và
Furbo 2003) trong bình chứa nước nóng năng lượng mặt trời, bình chứa phân tầng
nhiệt mặt trời ảnh hưởng rất lớn tới giá vận hành cũng như cấu trúc bình(Wildin và
cộng sự.. 1990) và đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cung cấp
nước nóng.
Để đánh giá về mức độ phân tầng, năm 1994 Davidson và cộng sự đã đưa ra
số MIX [20], số MIX được tính toán dựa trên một hệ số gọi là "moment năng
lượng". Moment năng lượng M là tổng năng lượng được tích trong bình chứa theo
trục thẳng đứng
N

M   yi .Ei
i 1

Trong đó:
yi

Chiều cao phân tố thứ i , m

Ei

Năng lượng chứa trong phân tố thứ i, J

Bằng cách này, với cùng một lượng năng lượng lưu trữ, moment năng lượng
cao thì năng lượng dự trữ cao. Nói cách khác, sự phân tầng cao thì năng lượng dự
trữ cao.
Đại lượng không nguyên MIX được định nghĩa là tỷ số của sự chênh lệch
giữa moment năng lượng của bình phân tầng (Mstr) và bình chứa thực tế (Mexp) với
sự chênh lệch moment năng lượng của bình phân tầng và bình hoàn toàn hỗn hợp
(Mmix). Con số này sẽ là 0 nếu là bình phân tầng hoàn toàn, và 1 nếu các bình là hỗn
hợp hoàn toàn.

MIX=

M str  M exp
M str  M mix

Do đó lượng năng lượng được chứa trong các bình hỗn hợp là nhỏ hơn so với
lượng năng lượng được chứa trong các bình phân tầng nếu Tv > Tr và lớn hơn nếu
T v < Tr .

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

11


Ở một khía cạnh khác, bình chứa nước nóng cũng có thể được tích hợp hoặc
không với một thiết bị gia nhiệt tạo đối lưu tự nhiên ở bên trong. Loại bình chứa
nước nóng có tích hợp thiết bị gia nhiệt bên trong thường được sử dụng cho các hệ
thống nhỏ, với quy mô gia đình nhưng lại có cấu tạo và các quá trình xảy ra bên
trong phức tạp hơn. Do vậy, xây dựng mô hình bình chứa nước nóng kiểu này cũng
được ưu tiên lựa chọn. Đối với bình chứa bên trong đặt hệ thống ống xoắn ruột gà
và ống tăng cường sẽ tạo điều kiện cho nước trong ống tăng cường nhận nhiệt thải
của thiết bị gia nhiệt được tốt hơn. Mặt khác, tạo được chênh lệch nhiệt độ tương
cao giữa các phân tố trong ống tăng cường và ngoài ống tăng cường, giúp khả năng
trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian bình chứa được mạnh hơn khi không làm
ống tăng cường.
Hiệu quả của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng đạt được khi nhiệt độ
đầu vào bộ thu giảm, do đó d ng nước tới bộ thu được lấy từ đáy của bình phân
tầng hoặc nơi thấp nhất có thể. Mặt khác, nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu phải được
giữ ở phía trên của bình để cung cấp nước nóng tới hộ tiêu thụ. Young và
Baughn(1998) tiến hành nghiên cứu so sánh giữa phương pháp thực nghiệm và mô
phỏng bài toán một chiều sự phân tầng nhiệt của bình nằm ngang. Các cặp nhiệt
được bố trí để đo phân tầng nhiệt độ trong bình. Nghiên cứu đã ch ra rằng, mô
phỏng đạt kết quả tốt ở đ nh của bình nhưng sai số hơi lớn ở đáy bình. Nghiên cứu
cũng ch tiến hành với bình loại nhỏ không được ứng dụng trong thực tế.
1.2.2. Vai trò của mô p ỏng ệ t ống bơm n iệt kết ợp với bộ t u năng lƣợng
mặt trời trong sản xuất nƣớc nóng
Hệ thống năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường, giảm nhu cầu đốt
nhiên liệu hoá thạch, giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Tuy

nhiên, chi phí hệ thống phụ thuộc vào vị trí địa hình. Để đảm bảo chi phí thấp nhất
thì kích cỡ tương ứng của các bộ phận trong hệ thống và điều kiện vận hành là các
thông số quan trọng cần tính toán. Để phục vụ mục tiêu về thiết kế chế tạo hệ thống
bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng cần thiết phải
tính toán để xác định được năng suất nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời tại các
thời điểm khác nhau trong năm và khả năng cung cấp nước nóng tương ứng với các

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

12


địa điểm khác nhau. Từ đó xác định được nhu cầu bổ sung lượng nhiệt mà bơm
nhiệt sẽ phải đảm nhiệm và xác định được chính xác năng suất nhiệt của bơm nhiệt,
qua đó có thể để tính toán thiết kế bơm nhiệt.
Trong nghiên cứu, phần mềm mô phỏng giúp cho các nhà nghiên cứu đánh
giá các quá trình xảy ra trong mô hình một cách nhanh chóng và thuận tiện. Thay
cho việc xác định các thông số bằng thực nghiệm và tiến hành xử lý số liệu, phần
mềm mô phỏng sẽ giúp giảm bớt rất nhiều chi phí cũng như thời gian thực hiên. Với
các thông số của mô hình người sử dụng ch cần nhập số liệu vào máy tính và chạy
phần mềm, sau vài giây hoặc vài phút, phần mềm sẽ đưa ra các thông số về thiết bị
mà thường vận hành thực tế hoặc chế tạo thiết bị mất khá nhiều thời gian và chi phí.
1.3. T n

n ng iên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan tới đề tài

1.3.1. Ng iên cứu trong nƣớc
Trong những năm gần đây có một số nghiên cứu của các tác giả như:
Nguyễn Đình Vịnh [11] đã tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị bơm nhiệt đun nước
nóng và tiến hành thử nghiệm hệ thống ở các chế độ vận hành khác nhau như chế

độ khởi động, chế độ vận hành liên tục đầy tải, chế độ vận hành liên tục bán tải và
chế độ non tải. Thiết bị có khả năng sản xuất được nước nóng có nhiệt độ 50 –
55oC, lưu lượng nước nóng định mức đạt 100 l/h, năng suất bình ngưng đạt 3,5 – 4
kW tuỳ chế độ vận hành, hệ số hiệu quả năng lượng COP đạt 3,3 – 3,8. Theo tác giả
thiết bị vận hành tiết kiệm đến 65 – 75% chi phí điện năng so với các bình đun nước
nóng bằng điện trở thông thường. Nguyễn Đức Lợi [7] nghiên cứu thiết kế bơm
nhiệt cung cấp nước nóng và Hoàng Dương Hùng [6] nghiên cứu sử dụng năng
lượng mặt trời để nấu ăn và cung cấp nước nóng dùng cho sinh hoạt – Một giải
pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Tác giả Đoàn Minh Hùng [5] trong
một nghiên cứu của mình đã chế tạo thử nghiệm hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu năng
lượng sản xuất nước nóng theo phương án kết nối giống như nước ngoài, tức là dùng bộ
thu năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn lạnh. Tuy nhiên với điều kiện khí hậu
nóng ẩm quanh năm như ở nước ta thì công nghệ này cần đầu tư nghiên cứu thêm.
1.3.2. Ng iên cứu ngoài nƣớc

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

13


a) Mô

n bơm n iệt
Allen và Hamilton [15] đã xây dựng mô hình toán học máy nén pittong ở

trạng thái ổn định. Mô hình này có thể mô phỏng hệ thống ở chế độ đầy tải và non
tải. Năng suất nhiệt của dàn bay hơi, dàn ngưng và công suất máy nén được biểu
diễn là hàm của nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dàn bay hơi và dàn ngưng. Các hệ số
được xác định từ dữ liệu thực nghiệm bằng phương trình hồi quy. Các dữ kiện đầu
vào như nhiệt độ nước vào dàn bay hơi TE1, lưu lượng khối lượng nước trao đổi

nhiệt với dàn bay hơi mE , nhiệt độ nước vào dàn ngưng TC1, và lưu lượng khối
lượng nước giải nhiệt dàn ngưng mC và năm phương trình nhiệt.
Năng suất lạnh ở dàn bay hơi được tính theo:
QE = mE .C p .(TE2  TE1 ) , W
QE =b1.TE2+b2.TC2+b3.TE2.TC2+b4. TE22 +b5 TC22 +b6, W
Công suất máy nén
P =b7.TE2+b8.TC2+b9.TE2.TC2+b10. TE22 +b11 TC22 +b12, W
Năng suất nhiệt ở dàn ngưng
QC=QE+P, W
QC= mC .C p .(TC 2  TC1 ) , W
Trong đó,
b1 – b12

Các hệ số của phương trình hồi quy đa thức

TE1, TE2

Nhiệt độ nước vào và ra dàn bay hơi, oC

TC1, TC2

Nhiệt độ nước vào và ra dàn ngưng, oC

Cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

P

Công suất máy nén, W

QE

Năng suất lạnh ở dàn bay hơi, W

QC

Năng suất nhiệt ở dàn ngưng, W

Năng suất nhiệt dàn ngưng và năng suất lạnh dàn bay hơi được tính theo
nhiệt độ đầu và đầu ra của dàn ngưng và dàn bay hơi. Các hệ số b1 – b12 phụ thuộc

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

14


vào các thông số trong catalog của máy nén, những thông số này không phải lúc nào
cũng có sẵn trong catalog. Ngoài ra, mô hình còn bỏ qua tổn thất nhiệt QL. Do đó,
mô hình này ch phù hợp với hệ thống được thiết kế tốt dựa trên các dữ liệu có sẵn
từ nhà sản xuất.
Năm 2002, chương trình phần mềm mô phỏng bơm nhiệt DOE-2 (DOE-2
Engineers Manual) đã được xây dựng, đây là mô hình đơn giản nhất với số các hệ
số ít nhất. Mô hình DOE-2 loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ
ngưng. Ở đây, công suất tiêu thụ là hàm bậc hai của năng suất dàn bay hơi QE.
Hệ số non tải được đưa ra:
PLR 
P
PNOM

QE
Q ENOM

 CT  LT .PLR  QT .PLR 2

Trong đó,
PLR

Hệ số non tải

QE

Năng suất lạnh, W

QENOM

Năng suất lạnh danh nghĩa của dàn bay hơi, W

PNOM

Công suất danh nghĩa của máy nén, W

CT, LT, QT

Các hệ số đa thức hồi quy

P

Công suất máy nén, W

Mô hình rất đơn giản, dễ sử dụng ch có hai phương trình và bốn hằng số,
không có ảnh hưởng của nhiệt độ nhưng kết quả thường cho lỗi lớn hơn so với thực
tế.
Ngoài ra, Parent và Larue (1989) đã phát triển mô hình bơm nhiệt SIMPAC
không khí – không khí ở trạng thái ổn định dựa trên trên mô hình của tác giả
Domanski (1986). Chương trình kết nối với các mô hình độc lập của các bộ phận
của hệ thống. Tính chất nhiệt động của môi chất lạnh tinh khiết và hỗn hợp được
đánh giá bằng ứng dụng phương trình trạng thái Carnaban Starling (CSD). Phương

Học viên: Trịnh Viết Thiệu

15