Nghiên cứu mô phỏng các quá trình nhiệt trong hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu năng lượng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, đƣợc thực
hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của tập thể hƣớng dẫn. Các số liệu và kết quả
nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Hà Nội, ngày 26 tháng 7 năm 2017
Tập thể hƣớng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Nguyên An

Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Hà Mạnh Thƣ

i

Tạ Văn Chƣơng


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, các thầy cô
và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu
giúp tôi hoàn thành bản luận án này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai Thầy
hƣớng dẫn khoa học, PGS.TS. Nguyễn Nguyên An và PGS.TS. Hà Mạnh Thƣ đã
hết lòng hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn gia đình và ngƣời thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 26 tháng 7 năm 2017
Tác giả luận án

Tạ Văn Chƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 1
2. Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu .................................. 3
3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 3
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án ................................... 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ......................................................................................... 6
1.1. Nhu cầu sử dụng nƣớc nóng ở nƣớc ta ................................................... 6
1.2. Sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt ........... 6
1.3. Vai trò của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN ..................................... 8
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ............................................. 8
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ............................................................................. 8
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc............................................................................22
1.4.3. Các vấn đề tồn tại.......................................................................................................25
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT
NƢỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NNMT KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT ............. 27
2.1. Lý thuyết chung về mô phỏng .............................................................. 27
2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng hệ thống NNMTBN.................................... 29

2.2.1. Mô phỏng bơm nhiệt.................................................................................................29
2.2.1.1. Mô phỏng bơm nhiệt theo phƣơng pháp kết hợp..................................................30
2.2.1.2. Mô phỏng bơm nhiệt theo phƣơng pháp hàm đặc tính .......................................46
2.2.2. Mô phỏng bình chứa nƣớc nóng và bộ thu NLMT.............................................47
2.2.2.1. Phƣơng pháp mô phỏng số CFD...............................................................................47
2.2.2.2. Nghiên cứu mô phỏng đối tƣợng trong môi trƣờng lập trình CFD..................48
2.2.2.3. Mô phỏng bình chứa nƣớc nóng ...............................................................................52
iii


2.2.2.4. Mô phỏng bộ thu NLMT ............................................................................................53
2.2.3. Mô phỏng hệ thống NNMTBN..............................................................................57
2.3. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................. 61
CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT
NƢỚC NÓNG DÙNG BỘ THU NLMT KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT.............. 62
3.1. Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt........................................... 62
3.1.1. Xây dựng phần mềm mô phỏng máy nén.............................................................62
3.1.2. Xây dựng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt..........................................................63
3.2. Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu NLMT .................................... 64
3.2.1. Xây dựng phần mềm mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa nƣớc nóng ......64
3.2.3. Mô phỏng hoạt động của ống thủy tinh chân không...........................................79
3.3. Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống NNMTBN .......................... 82
3.3.1. Xác định hàm đặc tính của bơm nhiệt....................................................................82
3.3.2. Xác định hàm đặc tính của bộ thu NLMT ............................................................83
3.3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3................................85
3.3.4. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNNLMT............................................89
3.4. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................. 92
CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............ 93
4.1. Xây dựng hệ thống thí nghiệm kiểm chứng.......................................... 93
4.2. Hệ thống thí nghiệm của đề tài KC.05.03/11-15 ................................ 101

4.2.1. Hệ thống NNMTBN tại Nha Trang.................................................................... 101
4.2.2. Hệ thống NNMTBN tại Hà Nội .......................................................................... 104
4.3. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bộ thu NLMT và hệ thống
NNMTBN .................................................................................................. 107
4.3.1. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bộ thu NLMT.............................. 107
4.3.2. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3 ...... 109
4.3.3. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng hệ thống NNNLMT .................. 110
4.4. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng bơm nhiệt ....................... 114
4.5. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................... 119
iv


CHƢƠNG 5 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀO THỰC TẾ ......... 120
5.1. Nghiên cứu các thông số hoạt động của ống thủy tinh chân không ... 120
5.2. Phân tích hiệu quả năng lƣợng của bơm nhiệt .................................... 123
5.3. Đánh giá hiệu quả hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu NLMT kết
hợp với bơm nhiệt ...................................................................................... 124
5.4. Kết luận chƣơng 5 ............................................................................... 134
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................... 135
Kết luận......................................................................................................................................... 135
Đề xuất.......................................................................................................................................... 136
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 137
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 138

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu theo chữ Latinh
Tên đại lượng

Ký hiệu
Cp

Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp

Thứ nguyên
kJ/(kgK)

Hệ số bơm nhiệt

-

Dn

Đƣờng kính ngoài của ống

m

Dt

Đƣờng kính trong của ống

m

d

Đƣờng kính trong của ống

m

f nt

Tỷ lệ diện tích vùng bão hoà trong TBNT

-

F

Diện tích

m2

Fbt

Diện tích bề mặt của bộ thu

m2

Fbh

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBBH

m2

Fnt

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của TBNT

m2

FR

Hệ số lấy nhiệt của bộ thu

G

Cƣờng độ BXMT hấp thụ trên một đơn vị diện tích

Hd

Tổng lƣợng tán xạ ngày trên mặt phẳng ngang

kJ/(m2ngày)

Hg

Tổng lƣợng bức xạ ngày trên mặt phẳng ngang

kJ/(m2ngày)

Ht

Tổng lƣợng bức xạ ngày trên bề mặt bộ thu NLMT

kJ/(m2ngày)

i

Entanpi

kJ/kg

I

Cƣờng độ bức xạ toàn phần trên mặt phẳng bộ thu

W/m2

Ig

Cƣờng độ bức xạ tổng xạ trên mặt phẳng ngang

W/m2

Ib

Cƣờng độ bức xạ trực xạ trên mặt phẳng ngang

W/m2

Id

Cƣờng độ bức xạ tán xạ trên mặt phẳng ngang

W/m2

Ir

Cƣờng độ bức xạ phản xạ trên mặt phẳng ngang

W/m2

Is

Cƣờng độ bức xạ toàn phần trên mặt phẳng ngang

W/m2

k

Hệ số truyền nhiệt

W/(m2K)

kbh

Hệ số truyền nhiệt của TBBH

W/(m2 K)

knt,ng

Hệ số truyền nhiệt vùng bão hoà của TBNT

W/(m2K)

knt,qn

Hệ số truyền nhiệt vùng quá nhiệt TBNT

W/(m2K)

COP

lo

Chiều dài ống thủy tinh chân không

vi

W/m2

m


lr

Công nén riêng thực của máy nén

kJ/kg

ls

kJ/kg

M

Công nén riêng đoạn nhiệt thuận nghịch của máy
nén

Lƣợng nƣớc trong hệ thống

m

Lƣu lƣợng khối lƣợng môi chất

kg/s

Nel

Công suất điện của máy nén

kW

Nme

Công suất cơ của máy nén

kW

Nr

Công suất nén thực của máy nén

kW

Ns

Công suất nén thuận nghịch của máy nén

kW

p

Áp suất

Pa

Q

Năng suất nhiệt

kW

Qbt

Năng suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT

kW

Qht

Năng suất nhiệt hấp thụ trên bề mặt bộ thu NLMT

kW

qo

Năng suất lạnh riêng của TBBH

Qo

Năng suất lạnh

qk

Năng suất thải nhiệt riêng của TBNT

Qk

Năng suất thải nhiệt

kW

Qtt

Nhiệt tổn thất

kW

rb

Hệ số chuyển đổi đối với thành phần trực xạ

-

rd

Hệ số chuyển đổi đối với thành phần tán xạ

-

rr

Hệ số chuyển đổi đối với thành phần phản xạ

-

Rij

Tensor ứng suất Reynolds

kg

kJ/kg
kW
kJ/kg

kg/(ms2)

t

Nhiệt độ

o

th

Nhiệt độ mối hàn giữa tấm hấp thụ và ống

o

tkk

Nhiệt độ môi trƣờng

o

tm,min

Nhiệt độ cực tiểu trung bình tháng

o

to

Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh

o

tk

Nhiệt độ ngƣng tụ của môi chất lạnh

o

tv

Nhiệt độ môi chất cấp nhiệt cho TBBH

o

tr

Nhiệt độ môi chất làm mát TBNT

o

tw

Nhiệt độ bề mặt

o

C
C
C
C
C
C
C
C
C

vii


u

Vận tốc

Utt

Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của bộ thu

V

Thể tích

m3

Vq

Thể tích quét của máy nén

cm3

Vlt

Lƣu lƣợng thể tích lý thuyết tại đầu hút máy nén

W

Khoảng cách giữa tâm các ống

m

Δ

Sai lệch

-

tm

m/s
W/(m2K)

cm3/s

Chênh lệch nhiệt độ đơn vị

Km2/W

tm,m

Trung bình ngày của chênh lệch nhiệt độ đơn vị

Km2/W

tk,bh

K

to

Chênh lệch nhiệt độ trung bình vùng bão hoà trong
TBNT
Chênh lệch nhiệt độ trung bình vùng quá nhiệt
TBNT

Chênh lệch nhiệt độ trung bình trong TBBH

tql

Độ quá lạnh

K

tqn

Độ quá nhiệt

K

tk,qn

K
K

Các ký hiệu theo chữ Hy Lạp
Tên đại lượng

Ký hiệu

Thứ nguyên

𝛼

Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu

W/(m2K)



Góc nghiêng của bộ thu

độ



Góc tới tia bức xạ

độ



Góc vĩ độ mặt trời

độ



Sai số tƣơng đối

%

γ

Góc phƣơng vị

độ



Góc chắn tia trực xạ

độ



Góc vĩ độ

độ


mt

Góc thời gian

độ

Hệ số phản xạ của môi trƣờng xung quanh

-



Hiệu suất thể tích của máy nén

-

slip

Hệ số trƣợt của động cơ máy nén

-

el

Hiệu suất điện của máy nén

-

me

Hiệu suất cơ của máy nén

-

s

Hiệu suất không thuận nghịch của máy nén

-

viii


e

Hệ số làm lạnh

-



Thời gian

s

t,max

Số giờ nắng trong ngày

h/ngày

()
ρ

Tích số truyền – hấp thụ

-



Độ nhớt động học của môi chất

m2/s

μ

Độ nhớt động lực học của môi chất

Pa.s

Chỉ số trên, dƣới
a

kg/m3

Khối lƣợng riêng

Ý nghĩa
Môi trƣờng

bd

Ban đầu

bh

Bão hòa, bay hơi

bn

Bơm nhiệt

bt

Bộ thu NLMT

d

Đẩy

e

Bay hơi

el

Điện

h

Hút

ht

Hấp thụ

hi

Hữu ích

k

Ngƣng tụ

kk

Không khí

mt

Mặt trời, môi trƣờng

me

Cơ khí

n

Nƣớc, năm

ng

Ngƣng

nn

Nƣớc nóng

nt

Ngƣng tụ

o

Thông số ban đầu, bay hơi

ql

Quá lạnh
ix


qn

Quá nhiệt

r

Ra, thực, môi chất lạnh

s

Đoạn nhiệt

tb

Trung bình

tt

Tổn thất

tƣ

Tối ƣu

v

Vào

Các chữ viết tắt
Ký hiệu

Tên đại lượng

ANNL

An ninh năng lƣợng

BN

Bơm nhiệt

BXMT

Bức xạ mặt trời

CĐBX

Cƣờng độ bức xạ

CFD

Computational Fluid Dynamics

EES

Engineering Equation Solver

Hệ thống NNMTBN
Hệ thống NNNLMT

Hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu năng
lƣợng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt
Hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu năng
lƣợng mặt trời

NLMT

Năng lƣợng mặt trời

SSTĐ

Sai số tƣơng đối

TBBH

Thiết bị bay hơi

TBNT

Thiết bị ngƣng tụ

TRNSYS

Transient System Simulation Tool

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số lắp đặt bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít ..................... 66
Bảng 3.2. Mẫu số liệu thực nghiệm bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít......... 68
Bảng 3.3. Số liệu thực nghiệm (thu gọn) bộ thu NLMT có bình chứa 200 lít. 68
(thuộc đề tài KC.05.03/11-15 ở điểm Hà Nội) ................................................ 68
Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa .............................. 73
Bảng 3.5. Số liệu thực nghiệm của bộ thu NLMT không có bình chứa .......... 75
Bảng 3.6. Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 25 ống không có bình chứa ....... 76
Bảng 3.7. Số liệu thực nghiệm (thu gọn) trong mô phỏng bộ thu NLMT ....... 77
Bảng 3.8. Giá trị các thông số hoạt động trong mô phỏng ............................ 81
Bảng 3.9. Kết quả mô phỏng công suất gia nhiệt của bơm nhiệt ................... 83
Bảng 3.10. Các thông số tính toán hàm đặc tính đặc tính của bộ thu NLMT 84
Bảng 3.11. Giá trị các thông số tính toán ....................................................... 87
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống .................... 95
Bảng 4.2. Thông số lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời ................................. 95
Bảng 4.3. Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước trong bình chứa nước
nóng ............................................................................................................... 101
Bảng 4.4. Mẫu số liệu thực nghiệm về nhiệt độ nước tại các điểm đo trên hệ
thống và giá trị CĐBX ................................................................................... 101
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật của hệ thống NNMTBN ................................... 102
Bảng 4.6. Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo được trang bị cho hệ thống đo
....................................................................................................................... 103
Bảng 4.7. Thông số kỹ thuật của hệ thống sản xuất nước nóng NLMTBN tại
Hà Nội ........................................................................................................... 105
Bảng 4.8. Số liệu thực nghiệm và mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa (thuộc

đề tài KC.05.03/11-15 ở điểm Hà Nội) ......................................................... 107
Bảng 4.9. Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của bộ thu NLMT không có bình
chứa (hệ thống thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội) ......................... 108

xi


Bảng 4.10. Số liệu thực nghiệm và mô phỏng của hệ thống NNMTBN 30 m3
....................................................................................................................... 110
Bảng 4.11. Số liệu thực nghiệm của bơm nhiệt (ở Nha Trang) .................... 116
Bảng 4.12. Số liệu mô phỏng của bơm nhiệt................................................. 117
Bảng 4.13. Đánh giá sai số kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bơm nhiệt
....................................................................................................................... 118
Bảng 5.1. Các thông số về điều kiện tự nhiên dùng tính toán hệ thống
NNMTBN ....................................................................................................... 125
Bảng 5.2. Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng lượng bức xạ ngày cho
địa điểm lắp đặt bộ thu NLMT (Nha Trang) ................................................. 126
Bảng 5.3. Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng lượng bức xạ ngày cho
địa điểm lắp đặt bộ thu NLMT (Hà Nội) ....................................................... 126
Bảng 5.4. Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng nhiệt trong ngày cho
nhiệt hữu ích, nhiệt cần cấp và nhiệt bổ sung (Nha Trang) ......................... 128
Bảng 5.5. Tính toán giá trị trung bình tháng của tổng nhiệt trong ngày cho
nhiệt hữu ích, nhiệt cần cấp và nhiệt bổ sung (Hà Nội) ............................... 128
Bảng 5.6. Năng suất gia nhiệt và công suất tiêu thụ điện của bơm nhiệt phụ
thuộc vào nhiệt độ ......................................................................................... 131
Bảng 5.7. Số giờ chạy tương đương của một bơm nhiệt ............................... 131

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam .. 6
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống NNMTBN .................................................. 7
Hình 1.3. Bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng ............................................................ 9
Hình 1.4. Bộ thu NLMT sử dụng ống thủy tinh chân không ............................. 11
Hình 1.5. Đồ thị logp - i của quá trình nén ....................................................... 14
Hình 1.6. Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong máy nén ................. 14
Hình 1.7. Công suất tiêu thụ điện của máy nén ................................................ 15
Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống bơm nhiệt CO2 và các điểm đo......................... 15
Hình 1.9. So sánh COP thực nghiệm và mô phỏng khi..................................... 16
nhiệt độ môi trường thay đổi ............................................................................. 16
Hình 1.10. Mô phỏng sự phân tầng nhiệt và cân bằng năng lượng ................. 17
Hình 1.11. Chi tiết chia lưới mô hình bình chứa trong mô phỏng CFD .......... 18
Hình 1.12. Hệ thống NLMT sản xuất nước nóng và thiết bị đo ........................ 20
Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt kết hợp bộ thu NLMT sản xuất nước
nóng ................................................................................................................... 21
Hình 2.1. Đồ thị logp-i của chu trình bơm nhiệt............................................... 30
Hình 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén xoắn ốc..................... 35
Hình 2.3. Các quá trình nhiệt động của môi chất trong máy nén xoắn ốc ....... 36
Hình 2.4. Sơ đồ liên hệ các đại lượng trong mô hình toán của máy nén xoắn
ốc ....................................................................................................................... 37
Hình 2.5. Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình của máy nén xoắn ốc ......... 39
Hình 2.6. Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trên đồ thị logp - i .................. 40
Hình 2.7. Quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trên đồ thị logp - i................ 41
Hình 2.8. Sơ đồ liên hệ các thông số vào, ra trong mô hình bơm nhiệt ........... 44
Hình 2.9. Sơ đồ tương tác giữa các đại lượng trong mô hình bơm nhiệt ......... 45
Hình 2.10. Sơ đồ tương tác giữa các đại lượng trong mô hình bơm nhiệt sử
dụng phương pháp hàm đặc tính....................................................................... 46

xiii

Hình 2.11. Đặc trưng của dòng chảy rối .......................................................... 50
Hình 2.12. Các phương pháp tính rối trong dòng chảy .................................... 51
Hình 2.13. Mô hình bình chứa nước nóng ........................................................ 52
Hình 2.14. Mô hình bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không ................... 54
Hình 2.15. Mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN .......................................... 58
Hình 2.16. Sơ đồ tương tác các đại lượng trong mô phỏng hệ thống NNMTBN58
Hình 2.17. Lưu đồ thuật toán mô phỏng hệ thống NNMTBN ........................... 60
Hình 3.1. Giao diện phần mềm mô phỏng máy nén .......................................... 63
Hình 3.2. Giao diện phần mềm mô phỏng bơm nhiệt ....................................... 64
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của bộ thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không .. 65
Hình 3.4. Cấu tạo bộ thu NLMT với bình chứa 200 lít ..................................... 65
Hình 3.5. Xây dựng mô hình bộ thu NLMT có bình chứa ................................. 66
Hình 3.6. Chia lưới mô hình bộ thu NLMT có bình chứa ................................. 67
Hình 3.7. Phân bố nhiệt độ trong bình chứa tại thời điểm ban đầu ................. 69
Hình 3.8. Nhiệt độ môi trường trong thời gian mô phỏng ................................ 69
Hình 3.9. Hệ số trao đổi nhiệt từ hệ thống ra môi trường ................................ 70
Hình 3.10. CĐBX mặt trời hấp thụ trên bề mặt bộ thu NLMT ......................... 70
Hình 3.11. Quá trình trao đổi nhiệt trên bề mặt ống thủy tinh chân không ..... 70
Hình 3.12. Thiết lập chế độ mô phỏng cho bộ thu NLMT có bình chứa........... 71
Hình 3.13. Quá trình chạy bộ giải mô hình bộ thu NLMT có bình chứa.......... 71
Hình 3.14. Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT có bình chứa ............................... 72
Hình 3.15. Xây dựng mô hình bộ thu NLMT 25 ống ......................................... 74
Hình 3.16. Chia lưới mô hình bộ thu NLMT 25 ống ......................................... 74
Hình 3.17. Thiết lập bộ giải cho mô hình mô phỏng ........................................ 75
Hình 3.18. Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 25 ống......................................... 76
Hình 3.19. Xây dựng và chia lưới mô hình mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống ... 78
Hình 3.20. Thiết lập bộ giải cho mô hình mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống...... 78
Hình 3.21. Kết quả mô phỏng bộ thu NLMT 50 ống......................................... 79

Hình 3.22. Chia lưới mô hình mô phỏng .......................................................... 80
xiv


Hình 3.23. Thiết lập các điều kiện biên cho mô hình........................................ 80
Hình 3.24. Phân bố nhiệt độ trong mô hình ........................................................ 81
Hình 3.25. Phân bố vận tốc của nước tại mặt cắt dọc theo tâm ống ................ 81
Hình 3.26. Phân bố vận tốc của nước tại miệng ống ........................................ 82
Hình 3.27. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN .......................... 85
Hình 3.28. Các thông số vào, ra trong mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN86
Hình 3.29. Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thống NNMTBN 30 m3 ............... 88
Hình 3.30. Kết quả mô phỏng hệ thống NNMTBN 30 m3 ................................. 88
Hình 3.31. Xây dựng mô hình hệ thống NNNLMT............................................ 89
Hình 3.32. Chia lưới mô hình hệ thống NNLNMT............................................ 90
Hình 3.33. Thiết lập bộ giải cho mô hình hệ thống NNNLMT.......................... 91
Hình 3.34. Kết quả mô phỏng hệ thống NNNLMT ........................................... 92
Hình 4.1 . Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm ............................................... 94
Hình 4.2. Chế tạo và lắp đặt các đầu đo phân tầng nhiệt độ trong bình ......... 95
Hình 4.3. Chế tạo và ca-líp các đầu đo nhiệt độ lắp trên hệ thống .................. 96
Hình 4.4. Các bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cho LM335 .............................. 96
Hình 4.5. Các bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cho cặp nhiệt loại T ................ 96
Hình 4.6. Tủ chứa bộ chuyển đổi tín hiệu ......................................................... 97
Hình 4.7. Hệ thống bơm, quạt giải nhiệt........................................................... 97
Hình 4.8. Thiết bị đo bức xạ trên mặt phẳng ngang ......................................... 97
Hình 4.9. Các mô-đun trong hệ thống điều khiển và ghi số liệu ...................... 98
Hình 4.10. Màn hình cảm ứng DOP-B03S211 ................................................. 98
Hình 4.11. Sơ đồ kết nối các thiết bị trong hệ thống điều khiển và ghi số liệu 99
Hình 4.12. Tủ điều khiển hệ thống đo và tự ghi số liệu ................................... 100
Hình 4.13. Hệ thống thí nghiệm kiểm chứng mô hình mô phỏng .................... 100
sản xuất nước nóng dùng NLMT ...................................................................... 100

Hình 4.14. Hệ thống NNMTBN tại thành phố Nha Trang ............................... 102
Hình 4.15. Các bơm nhiệt trong hệ thống NNMTBN....................................... 103
Hình 4.16. Lắp đặt các cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi tín hiệu .............. 104
xv


Hình 4.17. Lắp đặt cảm biến đo bức xạ mặt trời ............................................. 104
Hình 4.18. Tủ điện đo, tự ghi số liệu và điều khiển của hệ thống ................... 104
Hình 4.20. Hệ thống NNMTBN tại Hà Nội ...................................................... 106
Hình 4.21. Cảm biến đo nhiệt độ nước trên đường ống .................................. 106
Hình 4.22. Cảm biến đo CĐBX mặt trời .......................................................... 106
Hình 4.23. Tủ điện đo và tự ghi số liệu ............................................................ 106
Hình 4.24. Nhiệt độ nước đầu vào và ra của bình chứa nước nóng ................ 108
bộ thu NLMT có bình chứa .............................................................................. 108
Hình 4.25. Nhiệt độ nước qua bộ thu NLMT ................................................... 109
Hình 4.26. Nhiệt độ nước đi sử dụng của hệ thống NNMTBN ........................ 110
Hình 4.27. Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa theo thời gian ....................... 111
Hình 4.28. Phân tầng nhiệt độ trong bình chứa theo chiều cao ...................... 111
Hình 4.29. Phân bố nhiệt độ nước theo trục ngang ......................................... 112
Hình 4.30. Phân bố nhiệt độ nước trong chế độ hoạt động theo chiều cao .... 113
Hình 4.31. Đánh giá sai số kết quả tính toán lưu lượng khối lượng ............... 114
môi chất lạnh với số liệu thực nghiệm ............................................................. 114
Hình 4.32. Đánh giá sai số kết quả tính toán năng suất lạnh.......................... 115
với số liệu thực nghiệm .................................................................................... 115
Hình 4.33. Đánh giá sai số kết quả tính toán công suất điện tiêu thụ ............. 115
của máy nén với số liệu thực nghiệm ............................................................... 115
Hình 5.1. Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và
CĐBX do ống hấp thụ. ..................................................................................... 121
Hình 5.2. Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn phụ thuộc nhiệt độ nước và
góc chắn tia trực xạ. ......................................................................................... 121

Hình 5.3. Năng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc nhiệt độ nước và CĐBX do ống
hấp thụ. ............................................................................................................. 122
Hình 5.4. Năng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc nhiệt độ nước và góc chắn tia
trực xạ............................................................................................................... 122
Hình 5.5. Chỉ số COP của bơm nhiệt phụ thuộc tkk,v và tn,v .............................. 123
xvi


Hình 5.6. Năng lượng cần thiết để sản xuất nước nóng .................................. 129
Hình 5.7. Phân bố năng lượng trong hệ thống ở Nha Trang........................... 130
Hình 5.8. Phân bố năng lượng trong hệ thống ở Hà Nội ................................ 130
Hình 5.9. Tiêu thụ điện năng của hệ thống ...................................................... 132
Hình 5.10. Tỷ lệ sử dụng điện năng của hệ thống (Nha Trang) ...................... 132
Hình 5.11. Tỷ lệ sử dụng điện năng của hệ thống (Hà Nội) ............................ 133
Hình 5.12. Lượng giảm phát thải CO2 của hệ thống NNMTBN ...................... 133
so với phương án dùng điện trở ....................................................................... 133

xvii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
An ninh năng lƣợng (ANNL) ngày nay và trong một vài thế kỷ tới đang là
mối lo ngại của nhiều quốc gia. Ngoại trừ một số ít quốc gia nhƣ Nga, Mỹ và một
số quốc gia Trung Đông, nhiều nƣớc đang và sẽ phải đối mặt với thiếu hụt năng
lƣợng [9]. Tình hình cung cầu năng lƣợng, nói chung, là những vấn đề nan giải cần
giải quyết để đảm bảo mục tiêu phát triển kinh tế của mọi quốc gia. Vì vậy, giải
quyết vấn đề ANNL là vấn đề không chỉ của Nhà nƣớc, Chính phủ mà là trách
nhiệm của mọi ngƣời dân. Năng lƣợng đƣợc sử dụng chủ yếu hiện nay ở nƣớc ta là
năng lƣợng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một

số ít năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời (NLMT)... Quá
trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lƣợng luôn kèm theo việc phát
thải ra các chất độc hại nhƣ CO2, NOx…, là những chất gây hiệu ứng nhà kính và
làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hƣởng trực tiếp đến sự phát triển cũng nhƣ sức
khỏe con ngƣời. Để ứng phó với các vấn đề nêu trên, “Chiến lƣợc phát triển năng
lƣợng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến 2050” đã đƣợc chính
phủ phê duyệt ngày 27/12/2007. Theo đó, các quan điểm phát triển năng lƣợng dài
hạn đã đƣợc đƣa ra nhấn mạnh đến nội dung tiết kiệm, sử dụng hiệu quả và đa dạng
nguồn năng lƣợng, cũng nhƣ phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo trong đó có
NLMT [9]. Ngoài ra, theo “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng
sử dụng năng lƣợng hiệu quả”, QCVN 09:2013/BXD, tất cả các công trình sử dụng
nƣớc nóng có công suất lắp đặt trên 50 kW hoặc tiêu thụ năng lƣợng trên 50000
kWh/năm không đƣợc phép sử dụng phƣơng pháp cấp nƣớc nóng bằng điện trở [1].
Một trong các giải pháp thay thế đƣợc ƣu tiên là sử dụng NLMT kết hợp với bơm
nhiệt.
NLMT có thể hiểu là bức xạ nhiệt nhận từ mặt trời. So với các dạng năng
lƣợng khác, NLMT có ƣu điểm là có trữ lƣợng rất lớn và không gây ô nhiễm môi
trƣờng. Năng lƣợng trái đất nhận đƣợc từ mặt trời có công suất khoảng 8 x 10 16 W,
lớn gấp mƣời nghìn lần so với lƣợng tiêu thụ hiện tại của tất cả các nguồn năng
lƣợng thƣơng mại trên thế giới [28]. Do đó, về lý thuyết, NLMT đủ để cung cấp cho
tất cả các nhu cầu năng lƣợng trên thế giới. Ngoài ra, NLMT còn sẵn có với số
lƣợng đáng kể ở hầu hết các vùng trên thế giới có con ngƣời sinh sống. NLMT đƣợc
ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ sản xuất nƣớc nóng,
1


ứng dụng trong hệ thống sƣởi ấm, thông gió và điều hòa không khí, trong chƣng cất
xử lý nƣớc, sử dụng để nấu ăn, sản xuất điện, trong lĩnh vực hóa học, lĩnh vực giao
thông vận tải… Tuy nhiên, việc sử dụng NLMT cũng còn có nhiều vấn đề cần khắc
phục và lý do chính là nguồn NLMT rất không tập trung. Ngay cả ở những vùng

nhận nhiều bức xạ nhất trên trái đất, cƣờng độ bức xạ (CĐBX) rất hiếm khi đạt 1
kW/m2, một giá trị tƣơng đối thấp đối với nhiều công nghệ [28]. Do đó, các ứng
dụng NLMT thƣờng đòi hỏi diện tích thu năng lƣợng lớn làm tăng chi phí. Ngoài ra,
NLMT còn là nguồn năng lƣợng không ổn định phụ thuộc vào vị trí địa lý, chu kỳ
ngày và đêm, chu kỳ các mùa trong năm. Do vậy hệ thống cung cấp nhiệt sử dụng
NLMT luôn cần có các bộ phận trữ nhiệt dẫn đến làm tăng hơn nữa chi phí của hệ
thống [26], [69], [89].
Bơm nhiệt có nguyên lý cấu tạo và làm việc nhƣ máy lạnh, chỉ khác ở mục
đích sử dụng. Ƣu điểm vƣợt trội của bơm nhiệt là phần lớn nhiệt hữu ích mà bơm
nhiệt tạo ra đƣợc lấy từ môi trƣờng. Do đó, hiệu quả sử dụng năng lƣợng của bơm
nhiệt rất lớn [11]. Sử dụng bơm nhiệt để cấp nƣớc nóng thì điện năng tiêu thụ chỉ
bằng khoảng 1/3 so với phƣơng án dùng điện trở [11]. Tuy nhiên sử dụng bơm nhiệt
cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ việc yêu cầu cao về vận hành, bảo trì bảo dƣỡng và
chi phí đầu tƣ ban đầu cũng cao.
Năng lƣợng tiêu thụ dùng để sản xuất nƣớc nóng luôn chiếm tỷ lệ lớn trong
tổng tiêu thụ năng lƣợng [39], [75], [77], [93]. Vì vậy việc sử dụng năng lƣợng một
cách tiết kiệm và hiệu quả trong sản xuất nƣớc nóng có ý nghĩa lớn trong việc giảm
tiêu thụ năng lƣợng nói chung. Sử dụng bộ thu NLMT sản xuất nƣớc nóng không
tiêu tốn năng lƣợng nhƣng chịu ảnh hƣởng của điều kiện thời tiết. Sử dụng bơm
nhiệt cấp nƣớc nóng giúp tiết kiệm năng lƣợng nhƣng chi phí đầu tƣ cao, vận hành
bảo dƣỡng phức tạp. Do vậy, việc kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất
nƣớc nóng là một giải pháp vừa giúp tiết kiệm năng lƣợng, giảm phát thải CO2, vừa
có thể cung cấp nƣớc nóng trong mọi điều kiện. Tuy nhiên, khi đó hệ thống lại có
hai đặc điểm hạn chế là việc vận hành, bảo trì bảo dƣỡng phức tạp và chi phí đầu tƣ
ban đầu cao. Do đó, muốn mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống bắt buộc phải
giải quyết đƣợc hai hạn chế trên.
Mô hình hóa là một phƣơng pháp khoa học để nghiên cứu đối tƣợng. Thay
cho việc nghiên cứu đối tƣợng thực, mà nhiều khi không thể thực hiện đƣợc hoặc
thực hiện đƣợc nhƣng với chi phí tốn kém, ngƣời ta xây dựng mô hình cho đối
tƣợng rồi tiến hành các nghiên cứu trên mô hình [10]. Mô phỏng là phƣơng pháp

2


mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phƣơng pháp số để tìm các
lời giải [10].
Ứng dụng mô phỏng trong nghiên cứu hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng bộ
thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt (hệ thống NNMTBN) có thể giúp tối ƣu hóa thiết
kế hệ thống, qua đó giảm chi phí về thời gian và nguyên vật liệu xây dựng hệ thống.
Ngoài ra, mô phỏng hệ thống còn giúp ta vận hành hệ thống một cách mềm dẻo và
phù hợp với thực tế. Điều này góp phần làm cho hoạt động của hệ thống đƣợc ổn
định và tiết kiệm năng lƣợng. Các ƣu điểm của việc mô phỏng hệ thống nêu trên
chính là chìa khóa để giải quyết hai hạn chế của hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng
bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt hiện nay. Do đó, để giải quyết vấn đề đặt ra ở
trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng các quá trình nhiệt trong hệ
thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt” để nghiên
cứu.

2. Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là hệ thống NNMTBN đƣợc sử dụng phổ biến
tại Việt Nam (hệ thống kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song).
- Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết để xây dựng mô hình
mô phỏng kết hợp với xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu, thí nghiệm qua đó
kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng. Sử dụng các phần mềm mô phỏng đã
đƣợc xây dựng để nghiên cứu ứng dụng.

3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết từng quá trình nhiệt xảy ra bên trong hệ thống NNMTBN
thông qua việc nghiên cứu các thiết bị chính trong hệ thống nhƣ bình chứa nƣớc
nóng, bơm nhiệt và bộ thu NLMT. Sau đó, tùy thuộc vào đặc điểm của thiết bị
chính, nghiên cứu sâu hơn về các bộ phận cấu thành sẽ đƣợc tiến hành.

- Xây dựng các mô-đun mô phỏng các thiết bị trong hệ thống bao gồm: bình chứa
nƣớc nóng, bơm nhiệt và bộ thu NLMT. Các mô-đun này lại có thể đƣợc xây dựng
bằng cách kết hợp các mô-đun mô phỏng các bộ phận cấu thành nên nó. Xây dựng
phần mềm mô phỏng hệ thống từ các mô-đun trên.
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm vừa để đánh giá độ tin cậy của các phần mềm mô
phỏng, vừa để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm.
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng đã đƣợc xây dựng vào thực tế.
3


4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
- Giúp làm sáng tỏ một số quá trình nhiệt xảy ra bên trong hệ thống NNMTBN nhƣ:
quá trình nén hơi môi chất lạnh trong máy nén của bơm nhiệt, quá trình lƣu động
của nƣớc trong ống thủy tinh chân không của bộ thu NLMT, quá trình tích nhiệt
trong bình chứa nƣớc nóng.
- Các hàm toán học mô tả hai thông số đặc trƣng của máy nén là hiệu suất thể tích
và hiệu suất không thuận nghịch đƣợc xây dựng trong luận án góp phần nâng cao độ
chính xác khi tính toán, mô phỏng hoạt động của máy nén.
- Đã đề xuất đƣợc phƣơng pháp và lựa chọn đƣợc công cụ, cũng nhƣ đã xây dựng
đƣợc các mô-đun mô phỏng cho từng thiết bị riêng lẻ trong hệ thống, bao gồm: bơm
nhiệt sản xuất nƣớc nóng, bộ thu NLMT và bình chứa nƣớc nóng.
- Đã đƣa ra phƣơng pháp kết nối các mô-đun mô phỏng, đƣợc xây dựng đơn lẻ, để
mô phỏng hoạt động của hệ thống NNMTBN. Cụ thể, các mô-đun mô phỏng đơn sẽ
đƣợc kết hợp với nhau theo nguyên tắc mô-đun cấp thấp sẽ chạy và xuất ra hàm đặc
tính thiết bị để nạp vào mô-đun cấp cao hơn, mô-đun cấp cao nhất cũng là phần
mềm mô phỏng toàn hệ thống đƣợc xây dựng trong môi trƣờng lập trình CFD
(Computational Fluid Dynamics).
Ý nghĩa thực tiễn:
- Đã xây dựng đƣợc một hệ thống thí nghiệm giúp kiểm chứng các kết quả mô

phỏng và nghiên cứu đặc tính của hệ thống.
- Phần mềm mô phỏng có thể sử dụng để nghiên cứu, tính toán các hệ thống sản
xuất nƣớc nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt thực tế, giúp tiết kiệm
thời gian và giúp tránh đƣợc những rủi ro đầu tƣ không hiệu quả.

5. Điểm mới của luận án
- Xây dựng mới các hàm toán học mô tả hai thông số đặc trƣng của máy nén là hiệu
suất thể tích và hiệu suất không thuận nghịch. Điều này góp phần nâng cao độ chính
xác khi tính toán máy nén và xây dựng phần mềm mô phỏng máy nén.
- Đƣa ra phƣơng pháp kết nối các hàm đặc tính để kết nối các mô-đun đơn lẻ trong
mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN. Phƣơng pháp này là công cụ để kết nối các
phần mềm, các kết quả nghiên cứu khác nhau trong mô phỏng hệ thống. Đề xuất và
xây dựng một mô hình mô phỏng hệ thống NNMTBN sử dụng bình chứa nƣớc
nóng là trung tâm trong môi trƣờng lập trình CFD. Trong môi trƣờng lập trình này,
4


mô hình mô phỏng có thể thay đổi một cách linh hoạt góp phần hỗ trợ tính toán các
phƣơng án thiết kế mới hoặc tối ƣu hóa hệ thống.
- Xây dựng một hệ thống thí nghiệm đủ độ tin cậy để kiểm chứng kết quả mô
phỏng.
- Nghiên cứu đƣợc quá trình phân tầng nhiệt độ của nƣớc trong bình chứa nƣớc
nóng. Các kết quả thu đƣợc có thể ứng dụng trong việc tối ƣu hóa thiết kế bình chứa
nƣớc nóng nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống NNMTBN.
- Nghiên cứu thông số hoạt động của ống thủy tinh chân không thu NLMT cho thấy:
với ống thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không hai lớp, đƣờng kính ngoài 58 mm
(loại ống đƣợc sử dụng phổ biến ở Việt Nam) đƣợc gắn trực tiếp vào bình chứa thì
lƣu lƣợng khối lƣợng nƣớc tuần hoàn qua ống lớn nhất là 0,0145 kg/s, năng suất
nhiệt hữu ích của ống lớn nhất là 96,88 W. Các kết quả này có thể ứng dụng trong
thiết kế cũng nhƣ tối ƣu hóa bộ thu NLMT.

- Ứng dụng phần mềm mô phỏng bơm nhiệt để phân tích hiệu quả năng lƣợng của
một bơm nhiệt cụ thể (bơm nhiệt sử dụng trong đề tài KC.05.03/11-15) cho thấy:
trong điều kiện hoạt động phổ biến ở nƣớc ta, nhiệt độ môi trƣờng từ 20 oC đến 30
o

C, nhiệt độ nƣớc nóng vào từ 40 oC đến 50 oC thì COP của bơm nhiệt này khá cao,

đạt từ 2,98 đến 4,58 chứng tỏ việc sử dụng bơm nhiệt để cấp nƣớc nóng là hiệu quả;
khi nhiệt độ môi trƣờng thấp, từ 8 oC đến 10 oC, COP của bơm nhiệt thấp, để tăng
hiệu quả sử dụng năng lƣợng của bơm nhiệt cần giảm nhiệt độ nƣớc nóng sử dụng.
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng để phân tích hiệu quả của hệ thống sản xuất
nƣớc nóng sử dụng NLMT kết hợp với bơm nhiệt cho thấy: với hệ thống đƣợc lắp
đặt ở Nha Trang, trung bình trong năm, NLMT có thể đáp ứng 83,7 % tổng năng
lƣợng cần thiết để sản xuất nƣớc nóng, tiêu thụ điện của hệ thống chỉ bằng 5,7 % so
với phƣơng pháp dùng điện trở; với hệ thống lắp đặt ở Hà Nội, NLMT đáp ứng
đƣợc 66 % và tiêu thụ điện của hệ thống là 13,3 %. Lƣợng giảm phát thải CO2 khi
sản xuất 1 m3 nƣớc nóng trong một năm của hệ thống NNMTBN so với hệ thống
sản xuất nƣớc nóng dùng điện trở là 8,407 tấn/m3năm.

5


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Nhu cầu sử dụng nƣớc nóng ở nƣớc ta
Việt Nam tuy là đất nƣớc ở vùng nhiệt đới nhƣng nhu cầu sử dụng nƣớc
nóng trong các hộ gia đình, các nhà cao tầng, khách sạn, bệnh viện… rất lớn, nhất là
về mùa đông ở miền Bắc. Năng lƣợng dùng để sản xuất nƣớc nóng luôn chiếm tỷ lệ
đáng kể trong tổng tiêu thụ năng lƣợng. Theo số liệu đƣợc công bố trong hội thảo
bơm nhiệt và công nghệ trữ nhiệt châu Á (2013), tỷ lệ này trong phạm vi các hộ gia

đình (nhà riêng) và trong khách sạn tại Việt Nam lần lƣợt là 18 % và 30 % (hình
1.1) [75]. Do đó, có thể thấy, việc tiết kiệm năng lƣợng trong sản xuất nƣớc nóng ở
nƣớc ta có ý nghĩa lớn.

Hình 1.1. Nhu cầu năng lượng trong hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam

1.2. Sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt
Hiện nay trên thế giới có ba phƣơng pháp chính kết hợp bộ thu NLMT và
bơm nhiệt để tăng hiệu quả của hệ thống sản xuất nƣớc nóng [16], cụ thể là: sử
dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ nguồn lạnh [81], [92], [97], [98]; kết hợp pin
mặt trời để phát điện bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất nƣớc nóng [45], [64],
[102] và kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song để sản xuất nƣớc
nóng [16], [74], [77], [91]. Phƣơng án sử dụng bộ thu NLMT để tăng nhiệt độ
nguồn lạnh phù hợp với những vùng có khí hậu ôn đới nhƣ Nhật Bản, Bắc Âu... Khi
nhiệt độ môi trƣờng xuống quá thấp, hệ số hiệu quả COP của bơm nhiệt giảm đáng
kể, việc ghép dàn bay hơi với bộ thu NLMT sẽ làm tăng nhiệt độ không khí qua dàn
bay hơi nhờ đó tăng hiệu quả bơm nhiệt. Nƣớc ta nằm trong vùng nhiệt đới, nơi có
CĐBX và số giờ nắng cao, phƣơng pháp kết hợp này không phù hợp [16]. Phƣơng
pháp kết hợp pin mặt trời để phát điện, bộ thu NLMT và bơm nhiệt để cấp nƣớc
6


nóng cũng không phù hợp với điều kiện tự nhiên nƣớc ta, ngoài ra việc triển khai hệ
thống phức tạp với chi phí đầu tƣ ban đầu lớn cũng chƣa phù hợp với mức độ phát
triển và trình độ công nghệ của nƣớc ta hiện nay [16]. Do đó, luận án chỉ tập trung
nghiên cứu hệ thống kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt theo kiểu song song để sản
xuất nƣớc nóng.
Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng bộ thu NLMT
kết hợp với bơm nhiệt (hệ thống NNMTBN) điển hình đƣợc giới thiệu trên hình 1.2.
Hệ thống gồm hai phần chính, kết nối song song với bình chứa nƣớc nóng, là các bộ

thu NLMT và các bơm nhiệt dự phòng.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống NNMTBN
Về nguyên lý hoạt động của hệ thống, khi có bức xạ mặt trời (BXMT), nhiệt
năng hấp thụ đƣợc tại các bộ thu NLMT sẽ làm tăng nhiệt độ của nƣớc. Khi độ tăng
nhiệt độ này đủ lớn, các bơm nƣớc tuần hoàn của hệ thống NLMT sẽ hoạt động,
nhờ đó nhiệt năng mà nƣớc hấp thụ đƣợc ở các bộ thu NLMT sẽ đƣợc tích vào
trong bình chứa nƣớc nóng. Trƣờng hợp nhiệt năng thu đƣợc từ NLMT không đáp
ứng đủ cho nhu cầu sử dụng, các bơm nhiệt sẽ đƣợc kích hoạt và nhiệt năng mà nó
tạo ra cũng đƣợc tích vào bình chứa nƣớc nóng để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Với
nguyên lý hoạt động nhƣ trên, hệ thống có khả năng cung cấp nƣớc nóng trong mọi
điều kiện thời tiết.
Dùng bộ thu NLMT sản xuất nƣớc nóng không tiêu tốn điện năng nhƣng
chịu ảnh hƣởng lớn của điều kiện thời tiết. Dùng bơm nhiệt sản xuất nƣớc nóng tiết
kiệm điện năng nhƣng chi phí đầu tƣ cao, vận hành bảo dƣỡng phức tạp. Việc kết
hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt để sản xuất nƣớc nóng là một giải pháp tiết kiệm
năng lƣợng điện, giảm phát thải CO2 nhƣng chi phí đầu tƣ cao, vận hành hệ thống
7


phức tạp. Do đó, muốn mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống NNMTBN cần
phải giải quyết đƣợc các hạn chế trên.

1.3. Vai trò của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN
Mô phỏng ngày càng phát triển rộng trên thế giới bởi nó có nhiều ƣu điểm
nhƣ: giúp tiết kiệm thời gian, kinh phí và nguyên vật liệu trong quá trình xây dựng
hệ thống; giúp quá trình vận hành hệ thống đƣợc hiệu quả hơn…
Mô phỏng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học nhƣ: toán, vật
lý, cơ khí, năng lƣợng nhiệt, tự động hóa, điều khiển, công nghệ thông tin… Đây là
công cụ đa dạng, linh hoạt và đặc biệt hiệu quả trong thiết kế, chế tạo sản phẩm,

nghiên cứu thử nghiệm, nghiên cứu hoạt động, tối ƣu hóa mô hình…
Ứng dụng mô phỏng vào hệ thống NNMTBN có thể đem lại nhiều lợi ích cụ
thể nhƣ sau:
+ Nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN giúp nghiên cứu các đặc tính
của nó trong nhiều chế độ hoạt động khi thiết kế của hệ thống cũng nhƣ các điều
kiện vận hành của hệ thống thay đổi. Điều này giúp tối ƣu hóa thiết kế hệ thống, tiết
kiệm thời gian, chi phí, nguyên vật liệu… xây dựng hệ thống, làm giảm giá thành
của hệ thống.
+ Nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN giúp nghiên cứu hoạt động của
hệ thống phụ thuộc vào các điều kiện tự nhiên (vị trí địa lý, cƣờng độ bức xạ, nhiệt
độ môi trƣờng…) trong thời gian dài. Đây là cơ sở để nghiên cứu, tính toán đánh
giá hiệu quả năng lƣợng của hệ thống đồng thời cũng góp phần điều khiển hoạt
động của hệ thống (một đối tƣợng có quán tính nhiệt lớn) phù hợp với điều kiện
thực tế, giúp hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lƣợng.
Các lợi ích của việc mô phỏng hệ thống NNMTBN nêu trên góp phần giải
quyết các đặc điểm hạn chế của hệ thống NNMTBN nhƣ đã trình bày ở mục 1.2. Do
đó, việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN là có ý nghĩa thực tiễn.

1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Các nghiên cứu mô phỏng hệ thống NNMTBN khá đa dạng, ngày càng
nhiều. Chúng có thể chia thành hai nhóm chính là mô phỏng các bộ phận cấu thành
hệ thống nhƣ: bộ thu NLMT, hệ thống bơm nhiệt, bộ phận trữ nhiệt và mô phỏng hệ
thống kết hợp các bộ phận trên.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
a. Nghiên cứu mô phỏng về bộ thu NLMT cấp nước nóng
Đây là các nghiên cứu mô phỏng về hoạt động của bộ thu NLMT, xác định các
thông số hoạt động của bộ thu: năng suất nhiệt, phân bố nhiệt độ, lƣu lƣợng khối
8