Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thực nghiệm mô hình bơm nhiệt nguồn gió đun nước nóng gia dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------------PHAN THẾ HÙNG
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
MÔ HÌNH BƠM NHIỆT NGUỒN GIÓ ĐUN NƯỚC NÓNG GIA
DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS VŨ ĐỨC LỢI

HÀ NỘI – 2009


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin trân trọng cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Lợi người đã trực tiếp dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, cung cấp những
thông tin quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Trong quá trình nghiên cứu, mặc dầu đã có nhiều cố gắng, do hạn chế
về thời gian và trình độ nên bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
xót. Em rất mong được sự đóng góp, chỉ bảo của thầy cô cùng các bạn đồng
nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2009

Phan Thế Hùng


LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ này do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn
của PGS.TS Nguyễn Đức Lợi. Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công
trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu tính toán và tham khảo trong luận
văn là trung thực. Nếu có gì sai phạm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2009

Phan Thế Hùng


-1Luận Văn Thạc Sỹ

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................3
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................4
CHƯƠNG 1 -TỔNG QUAN............................................................................6
1.1 Vai trò sử dụng hiệu quả năng lượng.......................................................6
1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình......................................9
1.3 Phân loại các thiết bị cung cấp nước nóng.............................................11
1.3.1. Bình nước nóng sử dụng điện ............................................................12
1.3.2. Bình nước nóng sử dụng khí đốt (gas) ...............................................12
1.3.3. Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời .................................13
1.3.4. Bình nước nóng sử dụng lò hơi và bộ trao đổi nhiệt .........................14
1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế
giới và ở Việt Nam....................................................................................14
1.4.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế

giới ............................................................................................................14
1.4.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt ở Việt Nam ................16
1.5 Phân loại bơm nhiệt đun nước nóng ......................................................19
1.6 Các vấn đề còn tồn tại..............................................................................23
CHƯƠNG 2 - TÍNH TOÁN BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG NGUỒN
GIÓ (BƠM NHIỆT GIÓ NƯỚC).................................................................25
2.1 Xác định chu trình lý thuyết của bơm nhiệt..........................................26
2.2 Đánh giá thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng..........................................46
2.2.1. Hệ số bơm nhiệt lý thuyết...................................................................46
2.2.2. Hệ số bơm nhiệt thực tế......................................................................46

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-2Luận Văn Thạc Sỹ
CHƯƠNG 3.....................................................................................................48
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG ....48
3.1 Thiết bị thí nghiệm ...................................................................................48
3.1.1 Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng .....................................................48
3.1.2 Thiết bị đo ..........................................................................................50
3.2 Quy trình thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm ..............................53
3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm...........................................................................53
3.2.2 Thử nghiệm chế độ chạy theo từng bình (theo mẻ)............................57
3.2.3 Thử nghiệm chế độ chạy liên tục .......................................................58
3.2.4 Xử lý số liệu thực nghiệm và đánh giá sai số ....................................62
3.3 Kết quả và đánh giá .................................................................................63
3.3.1 Thử nghiệm chế độ chạy theo từng bình (theo mẻ)............................63
3.3.2 Thử nghiệm ở chế độ chạy đầy tải .....................................................67
CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT...................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................70

TÓM TẮT .......................................................................................................72
SUMMARY.....................................................................................................73

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-3Luận Văn Thạc Sỹ
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên đại lượng

Ký hiệu

Thứ nguyên

G

Lưu lượng

[kg/s]

t

Nhiệt độ

[0C]

ω

Tốc độ

[m/s]

p

Áp suất

[bar]

I,i

Entanpy

[kJ], [kJ/kg]

τ

Thời gian

[s]

COP

Hệ số hiệu quả

Q

Lượng nhiệt

Chỉ số dưới

Tên gọi

o

Bay hơi

k

Ngưng tụ

kk

Không khí

mc

Môi chất

n

Nước

[W]

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-4Luận Văn Thạc Sỹ

MỞ ĐẦU

Bơm nhiệt đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng trong hàng loạt các
ứng dụng tiết kiệm năng lượng như: sưởi ấm, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, điều
tiết không khí… Thiết bị bơm nhiệt có thể được sử dụng từ nhiều nguồn cấp
như: năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, nước và không khí môi
trường. Việc sử dụng bơm nhiệt để đun nước nóng đang được nghiên cứu
nhiều trên thế giới và có những kết quả khả quan. Nhiều công trình nghiên
cứu và ứng dụng thực tiễn cho thấy, hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm
nhiệt nói chung và bơm nhiệt để chuẩn bị nước nóng nói riêng có thể tiết kiệm
50÷70% năng lượng sử dụng so với các thiết bị đun nước nóng thông thường
sử dụng điện trở gia nhiệt, hay sử dụng khí đốt.... Một khả năng ứng dụng rất
hiệu quả khác là có thể sử dụng bơm nhiệt kết hợp, nguồn nhiệt dùng để làm
nóng nước còn không khí lạnh đã được khử ẩm có thể sử dụng để điều hòa
không khí phòng.
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, miền Nam không có mùa đông,
miền Bắc tuy có mùa đông nhưng không khắc nghiệt. Các hộ gia đình ở miền
Nam không dùng sưởi và hầu như không có thói quen dùng nước nóng. Các
gia đình ở miền Bắc gần đây mới bắt đầu dùng sưởi và sử dụng nước nóng.
Đây chính là cơ hội để chúng ta đi thẳng vào công nghệ bơm nhiệt mà không
cần thử nghiệm với bình đung bằng gas hay bình đun bằng điện. Bên cạnh đó
với các ngành thương nghiệp và dịch vụ, du lịch đang phát triển rất mạnh mẽ
tại nước ta trong nhưng năm gần đây với những toà nhà cao tầng, văn phòng,
khách sạn, nhà hàng, trung tâm thương mại, bạnh viện, trường học tiện nghi
hiện đại…Chúng ta có thể đưa bơm nhiệt vào ngay từ khâu thiết kế. Đó cũng

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-5Luận Văn Thạc Sỹ
là giải pháp tối ưu để tiết kiệm năng lượng sau này cũng như cả chi phí đầu tư
ban đầu.

Việc nghiên cứu, sử dụng bơm nhiệt hợp lý có ý nghĩa và khả năng thực
tiễn lớn, góp phần vào việc thực hiện chính sách tiết kiệm và nâng cao hiệu
quả sử dụng năng lượng ở nước ta. Vì thế em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết
kế chế tạo và thực nghiệm mô hình bơm nhiệt nguồn gió đun nước nóng
gia dụng” làm luận văn tốt nghiệp.

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-6Luận Văn Thạc Sỹ

CHƯƠNG 1 -TỔNG QUAN
1.1 Vai trò sử dụng hiệu quả năng lượng
Hiện nay năng lượng đang là một vấn đề nóng bỏng trên toàn cầu. Giá
xăng dầu cũng như khí đốt ngày một tăng cao, tính theo USD của năm 2007
thì giá dầu thô đã tăng từ mức xấp xỉ 23 USD năm 2001 lên mức trên 130
USD vào tháng 7 năm 2008, gấp khoảng 6 lần mức giá năm 2001.

Hình 1.1- Biểu đồ giá dầu thô thế giới tính theo USD năm 2007
Giá than cũng tăng mạnh trong vài năm trở lại đây. Nền kinh tế nước ta
cũng như của thế giới liên tục tăng trưởng mạnh kéo theo nhu cầu sử dụng
năng lượng tăng lên không ngừng. Giá nhiên liệu tăng cũng kéo theo giá điện

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-7Luận Văn Thạc Sỹ
tăng cao do hơn 2/3 công suất cấp điện là từ các nhà máy nhiệt điện. Các
chuyên gia năng lượng dự đoán rằng giá nhiên liệu sẽ vẫn còn ở mức cao như
hiện nay trong những năm tới do nhu cầu năng lượng tiếp tục tăng trong khi

khả năng cung cấp năng lượng vẫn còn hạn chế. Việc sử dụng năng lượng
một cách có hiệu quả có vai trò quan trọng trong chính sách cân bằng năng
lượng quốc gia.
Sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng đóng góp vai trò to lớn đối với sự
phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao mức sống của mỗi quốc gia mà minh
chứng là tại Mỹ từ năm 1973 đến năm 2002 đã tiết kiệm khoảng 23.810.000
MJ khi áp dụng chính sách và ứng dụng nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng, tương đương với khoảng 26% lượng năng lượng sử dụng, nhiều hơn
năng lượng hàng năm có được từ than, khí thiên nhiên và dầu của nước Mỹ.
Mức tiêu thụ năng lượng (năng lượng sử dụng trên GDP) của nước Mỹ giảm
43% từ năm 1973 đến 2001, khoảng 60% trong số này là nhờ vai trò của việc
nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, phần còn lại do sự thay đổi cấu trúc
nền kinh tế và việc chuyển đổi nguồn năng lượng sử dụng [9].
Ở Việt Nam, ngành năng lượng đã và đang được nhà nước chú trọng,
đầu tư, phát triển và thực tế có những bước tiến đáng kể, tốc độ tiêu thụ năng
lượng là 8,6% năm trong các năm 1996 – 2000 và năm 2003 là 12%, góp
phần quan trọng vào công cuộc đổi mới và phát triển đất nước. Tuy nhiên,
ngành năng lượng Việt Nam còn nhỏ bé và bộc lộ nhiều vấn đề yếu kém, phát
triển chưa cân đối giữa các phân ngành năng lượng như: điện, than, dầu khí.
Công nghệ cung cấp và tiêu thụ năng lượng còn nhiều khâu lạc hậu, dẫn tới
hiệu quả của hệ thống năng lượng thấp, cường độ năng lượng cao hơn nhiều
so với các nước trong khu vực[12].

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-8Luận Văn Thạc Sỹ
Mặc dù hiệu quả sử dụng năng lượng đã cao hơn nhiều so với 30 năm
trước, nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng có thể phát triển và ứng dụng trong những năm tới. Nâng cao hiệu quả

và tiết kiệm sử dụng năng lượng có thể giảm nhu cầu sử dụng năng lượng
quốc gia của nước Mỹ đến 11% vào năm 2010 và 20% vào năm 2020. Hàng
loạt các bài báo nghiên cứu gần đây về kỹ thuật, kinh tế và tiềm năng thực tế
để tiết kiệm năng lượng ở nước Mỹ của Uỷ ban kinh tế năng lượng hiệu quả
Mỹ cho thấy, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng có thể giảm nhu cầu
sử dụng điện và khí đốt của Mỹ đến hơn 20%. Khả năng tiết kiệm năng lượng
cũng có thể được kiểm chứng bằng kinh nghiệm của bang California, Mỹ vào
năm 2001. Trước năm 2001, California là 1 trong số ít các bang sử dụng năng
lượng hiệu quả nhất (xếp thứ 5 trong toàn nước Mỹ). Để giảm áp lực do nhu
cầu sử dụng điện tăng cao, các giải pháp tiết kiệm và nâng cao hiệu quả sử
dụng năng lượng đã được áp dụng cho các hộ gia đình và doanh nghiệp đã
giảm nhu cầu sử dụng điện đến 6,7% vào mùa hè 2001 so với năm trước đó,
trung bình tiết kiệm được 0,03USD/kWh[9].Nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng là một yếu tố thiết yếu của một nền kinh tế ổn định và phát triển. Sử
dụng hiệu quả năng lượng sẽ kìm hãm sự tăng trưởng nhu cầu năng lượng.
Nếu nhu cầu năng lượng tăng quá nhanh, các hệ thống và nguồn cung cấp
năng lượng không thể phát triển kịp sẽ đẩy giá nhiên liệu tăng cao, gây ra khả
năng thiếu hụt năng lượng và khó khăn cho nền kinh tế. Cho dù năng lượng
sử dụng có thể là nhiên liệu hoá thạch, năng lượng hạt nhân hay các nguồn
năng lượng tái sinh. Chúng ta chỉ có một trữ lượng nhiên liệu rất hạn chế để
phát triển cơ sở hạ tầng, cung cấp năng lượng. Mặc dù nước ta có nguồn năng
lượng được ví như “rừng vàng biển bạc” thì cũng sẽ đến lúc cạn kiệt nếu
không sử dụng chúng một cách tiết kiệm và hiệu quả. Hiệu quả sử dụng năng
lượng tiết kiệm, hợp lý đã và sẽ là bí quyết thành công của mọi nền kinh tế ổn

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


-9Luận Văn Thạc Sỹ
định và vững mạnh.

1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình
Theo số liệu của Uỷ ban năng lượng Mỹ, năng lượng sử dụng ở Nhật để
cấp nước nóng đứng thứ 2 sau năng lượng sử dụng cho sưởi ấm [18,19].

Hình 1.2- Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình tại Mỹ.

Hình 1.3- Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình tại Nhật Bản, 2008
Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê Việt Nam, tổng sản lượng
điện tiêu thụ năm 2004 của nước ta là 39.596 triệu kWh, trong đó 45,18 %
Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 10 Luận Văn Thạc Sỹ
(tương đương 17.889 triệu kWh) cho công nghiệp và xây dựng, 44,49%
(17616 triệu kWh) cho quản lý tiêu dùng dân cư [7].
Hiện nay nước ta tuy chưa có nghiên cứu, thống kê cụ thể về tỷ lệ sử
dụng năng lượng trong các hộ gia đình nhưng nếu liệt kê các trang thiết bị sử
dụng thiết yếu trong gia đình điển hình tại các thành phố lớn như: đèn chiếu
sáng, bếp ga, quạt, bình nước nóng, máy giặt, bàn là, bơm nước, tivi, tủ lạnh
hay các thiết bị ít phổ biến hơn như máy điều hoà không khí, máy tính, bếp
điện, lò vi sóng, máy xay sinh tố... và xem xét đến công suất, tần suất sử dụng
của các thiết bị này trong gia đình, chúng ta có thể ước lượng tương đối tỷ lệ
năng lượng sử dụng cho cấp nước nóng vào khoảng 12÷20% tổng năng lượng
sử dụng trong gia đình (chỉ đứng thứ hai sau đun nấu). Giá trị này cũng tương
đối phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế cấp điện, nước, khí đốt cho
công trình dân dụng[9].
Thiết bị cấp nước nóng cho gia đình, chủ yếu là bình nước nước nóng sử
dụng điện trở, gas hay năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng ở các
thành phố, thị xã lớn ở nước ta. Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế xã
hội, mức sống và nhu cầu tiện nghi trong sinh hoạt của nhân dân được nâng

cao, mở ra thị trường sử dụng thiết bị cấp nước nóng trong nước là rất lớn.
Như vậy sử dụng thiết bị cấp nước nóng có hiệu quả cao sẽ tiết kiệm đáng kể
năng lượng sử dụng trong hộ gia đình nói riêng và giảm đáng kể nhu cầu năng
lượng quốc gia nói chung. Điều này có thể được chứng minh như trong hình
1.4, Khi cùng cần 100 đơn vị nhiệt, nếu dùng lò sưởi đốt gas ta phải tốn 111
đơn vị năng lướng cấp. Nếu dùng bơm nhiệt ta chỉ cần sử dụng 46 đơn vị
năng lượng sơ cấp để sản xuất ra 17 đơn vị năng lượng điện để chạy bơm
nhiệt. Với 17 đơn vị năng lượng điện, bơm nhiệt sẽ thu được từ môi trường 83
đơn vị nhiệt để cho ra đủ 100 đơn vị năng lượng nhiệt ở dàn ngưng. Điều đó
có nghĩa khi sử dụng bơm nhiệt ta có thể giảm được 60% năng lượng sơ cấp.
Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 11 Luận Văn Thạc Sỹ

Hình 1.4- Giới thiệu cách phân tích tiêu thụ năng lượng sơ cấp của 2 hệ
thống sưởi bằng đốt gas và bằng bơm nhiệt
1.3 Phân loại các thiết bị cung cấp nước nóng
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại bình nước nóng được sử
dụng trong dân dụng và công nghiệp, với công suất khác nhau và sử dụng các
nguồn năng lượng khác nhau.
Bình đun nước nóng dùng điện trở gia nhiệt là loại bình phổ biến nhất
trên thị trường, nhưng có chi phí vận hành cao nhất. Bình nước nóng sử dụng
khí đốt có chi phí vận hành thấp hơn, hiện cũng chưa phổ biến và chỉ áp dụng
ở những nơi có nguồn cung cấp khí đốt. Bình nước nóng sử dụng năng lượng
mặt trời có chi phí vận hành rất thấp nhưng giá thành vẫn còn ở mức cao và
khả năng cung cấp nước nóng phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết. Các hệ
thống thu hồi nhiệt thải rất phức tạp và chỉ mới được áp dụng trong quy mô

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

- 12 Luận Văn Thạc Sỹ
công nghiệp hay dân dụng có như cầu phụ tải lớn. Việc lựa chọn thiết bị cấp
nước nóng phù hợp và hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhu cầu
nước nóng sử dụng, chi phí đầu tư ban đầu, khả năng cung cấp và loại nhiên
liệu sử dụng, điều kiện thời tiết khu vực…
1.3.1. Bình nước nóng sử dụng điện
Bình đun nước nóng sử dụng điện là thiết bị phổ biến nhất. Thiết bị sử
dụng thanh đốt là điện trở ngập trong nước để đun nước nóng và có hai loại:
- Loại bình nước nóng tích nhiệt có dung tích 30 lít, 50 lít dùng cho gia
đình.
- Loại đun nước nóng tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng.
Loại bình nước nóng tích nhiệt có khả năng cung cấp nước nóng ổn định hơn
nhưng tốn năng lượng hơn do có tổn thất nhiệt ra môi trường từ vỏ bình ngay
cả khi không có nhu cầu dùng nước nóng. Hệ số sử dụng năng lượng của thiết
bị cũng chỉ đạt tối đa 0,95÷0,97 nên có chi phí vận hành của thiết bị là cao
nhất.
1.3.2. Bình nước nóng sử dụng khí đốt (gas)
Thay cho bình nước nóng sử dụng điện trở có chi phí vận hành cao, bình
nước nóng sử dụng khí đốt là một lựa chọn tốt hơn nhiều.
* Theo cách thoát khói, có thể chia ra hai loại bình nước nóng dùng khí
đốt:
- Một loại khói thải của thiết bị thải ra ngoài bằng thông gió tự nhiên
- Loại kia thải khói trực tiếp.
Trong loại thải khói trực tiếp sử dụng quạt để cấp không khí cho sự cháy của
khí đốt và đẩy khói thải ra ngoài. Thiết bị này được chia làm hai loại:

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

- 13 Luận Văn Thạc Sỹ
+ Một loại quạt lấy gió từ ngoài trời
+ Loại lấy gió trong nhà để cấp cho sự cháy.
Khói thải đều được đưa ra ngoài qua ống khói.
Bình nước nóng sử dụng khí đốt thải khói trực tiếp an toàn hơn nhiều so với
loại thải khói tự nhiên. Trong nhà kín việc thải khói tự nhiên có thể dẫn đến
sự tuần hoàn trở lại của khói thải trong nhà (có thể do cả chiều dài ống khói
quá dài), gây ra khả năng mất an toàn mà loại thải khói trực tiếp không gặp
phải.
* Theo nhu cầu sử dụng: giống như bình nước nóng sử dụng điện trở,
bình nước nóng sử dụng khí đốt có hai loại:
+ Loại tích nhiệt (có bình chứa).
+ Loại tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng.
Với loại có bình chứa (tích nhiệt) thì cũng có tổn thất nhiệt qua vỏ bình cả khi
không có nhu cầu dùng nước nóng giống như bình nước nóng sử dụng điện
trở. Với loại tức thời thì giảm được tổn thất trên nhưng lại tốn khí đốt để cháy
mồi trong thời gian sử dụng.
1.3.3. Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời
Bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời có ưu điểm: an toàn tuyệt
đối khi sử dụng, tiết kiệm chi phí tối đa (chỉ đầu tư một lần). Loại bình này
mới được đưa vào sử dụng và đang dần phổ biến. Thiết bị sử dụng bức xạ Mặt
Trời để đun nóng nước. Có hai loại thiết bị đun nước nóng trực tiếp và đun
nước nóng gián tiếp. Ở loại bình đun nước nóng trực tiếp, là các hệ hở, nước
được đun nóng trực tiếp trong tấm thu năng lượng mặt trời, đưa đến bình chứa
hoặc vòi nước để sử dụng. Còn ở bình nước nóng gián tiếp, tấm thu năng
lượng mặt trời nung nóng môi chất trung gian, cũng có thể là nước. Môi chất

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

- 14 Luận Văn Thạc Sỹ
trung gian này được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt, có thể bằng bơm, ống
nhiệt hay đối lưu tự nhiên, để cấp nhiệt cho nước sử dụng cho sinh hoạt. Môi
chất trung gian tuần hoàn kín trong hệ thống để chuyển năng lượng (nhiệt
năng) thu được trong tấm thu năng lượng cho nước sử dụng cho sinh hoạt.
Thiết bị loại này đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam
1.3.4. Bình nước nóng sử dụng lò hơi và bộ trao đổi nhiệt
Đây là hệ thống cấp nhiệt sử dụng trong công nghiệp và các toà nhà lớn
hay hệ thống cung cấp năng lượng trung tâm. Lò hơi thường sử dụng nhiên
liệu là khí đốt, dầu DO hay than để sản xuất hơi (thường là hơi bão hoà). Hơi
này được đưa đến các thiết bị trao đổi nhiệt, thường là loại ống xoắn, để đun
nước nóng cấp cho sinh hoạt hay sưởi ấm tiện nghi. Nước nóng, thường là
nước tuần hoàn, được bơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt, nhận nhiệt từ hơi
bão hoà rồi đi đến các hộ sử dụng nước nóng, phần dư còn lại được tuần hoàn
trở lại. Nước lạnh bổ sung vào hệ thống nước nóng tuần hoàn theo nhu cầu sử
dụng nước nóng.
1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên
thế giới và ở Việt Nam.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên
thế giới
Công nghệ bơm nhiệt đang trên đà phát triển tại các khu vực khác nhau
trên thế giới, khi sự tăng cao về giá nhiên liệu và các vấn đề cấp thiết về khí
hậu thì tại các nước phát triển và đang phát triển là làm thế nào để sản sinh ra
nhiệt và làm lạnh một cách bền vững đồng thời sử dụng năng lượng một cách
hiệu quả. Để có hiệu suất năng lượng lớn hơn trong hệ thống bơm nhiệt đòi
hỏi phải tiết kiệm nhiều hơn về năng lượng đang sử dụng và do vậy cũng thải
ra ít CO2. Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) dự tính rằng bơm nhiệt có thể

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

- 15 Luận Văn Thạc Sỹ
tiết kiệm được 770 triệu tấn m3 CO2 vào năm 2050, đây là một phần trong nỗ
lực làm giảm khí thải trên toàn cầu khoảng 50% so với mức độ hiện nay.
Chính vì vậy thị trường bơm nhiệt trên thế giới đang tăng nhanh và năm 2008,
phỏng đoán về sự gia tăng của công nghệ bơm nhiệt đã gắn chặt với các sản
phẩm mang tính đại chúng. Tốc độ phát triển của công nghệ bơm nhiệt trở
nên mạnh hơn tại các khu vực đông dân cư và các khu vực buôn bán nhỏ nơi
mà bơm nhiệt có thể tạo ra nhiều ảnh hưởng bằng việc cung cấp nhiệt lượng
cần thiết cho người sử dụng trong thời điểm điều kiện môi trường ngoài trời.

Hình 1.5- Tình hình sử dụng bơm nhiệt trên thế giới
Hình 1.5 mô tả tình hình sử dụng bơm nhiệt trên thế giới. Khoảng 1
triệu bơm nhiệt đã được bán trong năm 2008. Trên toàn cầu có 4 nhóm thị
trường của bơm nhiệt là: Nhật Bản, Châu Âu, Trung Quốc và Úc. Theo thống
kê của hiệp hội công nghệ điều hoà không khí và làm lạnh Nhật Bản (JRAIA)
có hơn 500.000 nghìn bơm nhiệt đã được tiêu thụ ở Nhật. Theo đánh giá của
JARN khoảng 300.000 ;190.300 và 10.000 bơm nhiệt lần lượt được bán tại

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 16 Luận Văn Thạc Sỹ
Châu âu, Trung Quốc và Úc vào năm 2008. Tại những khu vực khác trên thế
giới, lượng bơm nhiệt được bán ra vào khoảng 5.000 chiếc. [19]
Các thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng đã được nghiên cứu và ứng dụng
từ những năm đầu của thập niên 80 tai Mỹ và Australia. Trung tâm nghiên
cứu Siddons(do Trường kỹ thuật Tổng hợp Melbourne kết hợp cùng Công ty
Siddons Ramset Ltd thành lập) đã nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước

nóng có thể tiết kiệm năng lượng đến 70% so với bình nước nóng sử dụng
điện trở. Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng được đưa ra thi trường với tên
thương mại là Quantum. Một số khách sạn lớn ở Singapore như Khách sạn
Raffles đã sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng này. Australia cũng có
hãng sản xuất thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng với tên thương mại Solitaire
và được triển lãm tại Hội trợ quốc tế hàng công nghiệp Việt Nam, Thành phố
Hồ Chí Minh tháng 10 năm 2004. Cùng thời gian này tại Mỹ cũng đã nghiên
cứu và đưa vào ứng dụng thành công thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng. Do
các thiết bị này thời gian đầu chưa có được độ tin cậy trong vận hành do chưa
được thử nghiệm nên thị trường thiết bị này đã bị co hẹp nhiều, từ khoảng
10000 sản phẩm trong những năm 1980, đến những năm 2000 chỉ còn vài
trăm sản phẩm được bán ra. Năm 2002 Uỷ ban nghiên cứu và phát triển năng
lượng New York (NYSERDA) đã thực hiện chương trình nghiên cứu và thử
nghiệm thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trên toàn bang California. Chương
trình kết thúc vào 15 tháng 4 năm 2004 để thử nghiệm độ tin cậy và hiệu quả
của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng, đồng thời mở rộng thị trường cho thiết
bị này với tên thương mại Water Saver. Hệ số sử dụng năng lượng của thiết bị
COP đạt 2,4 (tiết kiệm năng lượng khoảng 50÷60%) [7, 9].
1.4.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt ở Việt Nam
Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng ở nước ta còn ít và khá mới mẻ. Thực

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 17 Luận Văn Thạc Sỹ
hiện nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trong điều kiện nước ta là
một sự đón đầu công nghệ mới của thế giới và mở ra khả năng sản xuất thiết
bị này từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam.
Hiện tại ở Việt Nam hầu như chưa sử dụng bơm nhiệt đun nước nóng.
Trong lĩnh vực nghiên cứu có một số công trình nghiên cứu thực nghiệm về

thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng như:
Bơm nhiệt đun nước nóng do Thạc sỹ Nguyễn Đình Vịnh thiết kế chế
tạo:

Hình 1.6 Hình dáng bơm nhiệt do Thạc sỹ Nguyễn Đình Vịnh chế tạo.
Phần máy nén và dàn bay hơi là tận dụng từ một máy điều hòa cửa sổ cũ
còn dàn ngưng tụ là một ống xoắn ruột gà nhúng trong bình nước nóng. Do
dàn ngưng nhúng trong bình chứa nên có thể làm nóng nhanh và không cần sử
dụng bơm nước:

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 18 Luận Văn Thạc Sỹ
+ Dung tích bình chứa nước nóng là 100 lít.
+ Nhiệt độ nước nóng tối đa: 550C.
+ Hệ số COP = 3,3 ÷ 3,8.
+ Thời gian nước trong bình đạt tới nhiệt độ 50÷550C từ 20÷240C là 60
phút.
Công ty COSMO đã chế tạo và thử nghiệm thành công 01 mẫu thiết bị
cấp nước nóng dùng bơm nhiệt với những thông số sau:
+ Dung tích bình chứa: 50 lít nước (cấp nước nóng cho khoảng 2 buồng
tắm đứng, hoặc 1 bồn tắm, hoặc 1 chậu rửa bếp).
+ Nhiệt độ nước nóng tối đa: 60 °C.
+ Thời gian nước trong bình đạt tới nhiệt độ 50 °C từ 27 °C: 120 phút
+ Tổng công suất điện cấp cho thiết bị (trung bình): 350 W
+ Công suất nhiệt cấp cho nước nóng (trung bình): 670 W.
+ Hiệu suất COP trung bình: 1,91
Về cấu tạo cũng tương tự như hình 1.6. Phần máy nén và dàn bay hơi cũng là
tận dụng từ máy điều hòa cũ còn dàn ngưng tụ là một ống xoắn ruột gà nhúng

trong bình chứa nước nóng. Riêng bình chứa nước nóng chỉ có dung tích là 50
lít.
Công ty điều hoà Media cũng đưa ra sản phẩm bơm nhiệt có kết cấu và
nguyên lý làm việc như biểu diễn trên hình 1.7: Cụm máy nén, dàn bay hơi,
bình ngưng, và van tiết lưu được đặt trong 1 thiết bị còn bình chứa nước nóng
được đặt riêng. Môi chất sử dụng là R410A, năng suất cung cấp nước nóng từ
100÷500 lít nước nóng từ 45÷600C [20]

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 19 Luận Văn Thạc Sỹ

Nước
nóng

45-60℃

Máy nén
Môi
trường

Bình chứa
nước

Dàn lạnh Bình ngưng

Nước nóng đến
hộ tiêu thụ

Tiết lưu

Nước
lạnh

Hình 1.7. Bơm nhiệt do Công ty Media giới thiệu
1.5 Phân loại bơm nhiệt đun nước nóng
Bơm nhiệt đun nước nóng
gia dụng

Nguồn không khí môi
trường

Cưỡng
bức

Tự
nhiên

Nguồn nước

Nguồn
nước
năng
lượng
Mặt
Trời

Nguồn
nước

thải có
nhiệt
độ cao

Nguồn
nước
môi
trường
ao, hồ

Nguồn
nước
địa
nhiệt
(giếng
khoan)

Hình 1.8 Phân loại bơm nhiệt đun nước nóng
Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

Nguồn
địa
nhiệt
(dàn
lạnh đặt
trong
lòng
đất)

- 20 Luận Văn Thạc Sỹ
Có thể phân loại bơm nhiệt đun nước nóng theo nhiều đặc tính khác
nhau. Trước hết theo nguồn nhiệt có thể phân ra bơm nhiệt nguồn không khí
môi trường và nguồn nước (hình 1.8).
- Bơm nhiệt nguồn không khí còn có thể phân ra loại cưỡng bức (có
quạt) và loại tự nhiên.
- Bơm nhiệt nguồn nước cũng có thể phân ra nhiều loại khác nhau theo
đặc điểm của nguồn như nguồn nước năng lượng Mặt Trời, nước thải,
nước ao hồ, nước địa nhiệt…
1.5.1

Thiết bị bơm nhiệt nguồn gió cưỡng bức

Heat pump unit
Hình 1.9-Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt gió nước CO2 của Nhật
Heat pump unit: Bơm nhiệt; Evaporator: Dàn lạnh; Compressor: Máy nén;
Gas cooler: Làm mát gas; Ambient air: Môi trường không khí; Water Pump:
Bơm nước; Mixing valve: Van hoà trộn;Cold water: Nước lạnh; Hot water:
Nước nóng.

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009


- 21 Luận Văn Thạc Sỹ
Bơm nhiệt sử dụng dàn lạnh có quạt với ưu điểm nổi bật là có thể ứng dụng
đồng thời để đun nóng nước và làm thiết bị khử ẩm hay điều hòa tiện nghi.
Ở Nhật Bản có thiết bị đun nước nóng gia dụng môi chất lạnh CO2 và đã
bán rộng rãi trên thị trường. Sản phẩm bán ra năm 2006 là 200.000 bộ với giá
thành 2600USD/bộ. Các nhà sản xuất hy vọng số máy bán ra mỗi năm sẽ là
1,5 triệu chiếc thì giá thành mỗi chiếc sẽ giảm đi nhiều.

Hình 1.9 Giới thiệu sơ đồ nguyên lí hệ thống bơm nhiệt CO2 cung cấp nước
nóng của Nhật.
1.5.2

Thiết bị bơm nhiệt nguồn không khí tự nhiên

Loại dàn lạnh tự nhiên (không có quạt) được nghiên cứu và đưa vào ứng
dụng nhiều ở Mĩ, Australia và Singapore với các tên thương mại như E-tech,
Nyle[9]…
1.5.3

Thiết bị bơm nhiệt nguồn năng lượng Mặt Trời.

Loại này có dàn lạnh dạng tấm thu năng lượng Mặt Trời. Môi chất bay
hơi trong tấm thu năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho thiết bị bơm nhiệt. Đặc
điểm cơ bản của loại này đó là môi chất bay hơi ở nhiệt độ cao hơn, nâng cao
được tuổi thọ của thiết bị và không tốn công của quạt dàn lạnh. Nhược điểm
cơ bản của thiết bị là phức tạp trong lắp đặt khi phải nạp môi chất tại hiện
trường như máy điều hoà không khí hai cục. Thiết bị loại này được nghiên
cứu và ứng dụng nhiều tại Singapore và Australia với các tên thương mại như
Solitaire (Australia), Quantum (Singapore)9].
1.5.4

Các loại bơm nhiệt đun nước nóng đa năng khác

Trong thực tế sử dụng, chúng ta có thể kết hợp các thiết bị đun nước
nóng hay có thể sử dụng bơm nhiệt kết hợp 3 trong 1(3 chức năng trong 1
thiết bị): sưởi ấm, làm lạnh và cung cấp nước nóng.Năng lượng sử dụng của

Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009

- 22 Luận Văn Thạc Sỹ
loại bơm nhiệt này có thể là năng lượng Mặt Trời, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng điện (hoặc gas)... Mô hình bơm nhiệt này có thể được mô tả như trong
hình 1.10, hình 1.11 và hình 1.12.

Hình 1.10- Sơ đồ bơm nhiệt 3 trong 1 (sưởi ấm, làm lạnh và cấp nước nóng)

Hình 1.11 Bơm nhiệt sử dụng năng lượng Mặt Trời với 3 chức năng: sưởi
ấm, làm lạnh và cấp nước nóng
Phan Thế Hùng – Cao Học Nhiệt Lạnh 2007 - 2009