Tính toán thiết kế hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt

ĐỒ ÁN NHIỆT

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG ................................................................. 4
DANH MỤC KÝ HIỆU........................................................................................ 6
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN ........................................................................... 7
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... 8
KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN
XUẤT NƯỚC NÓNG .......................................................................................... 8
1.1. Khái quát về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước
nóng ở các nước trên thế giới................................................................................ 8
1.2.Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiệu thụ cho quá trình sản xuất nước

nóng ở Việt Nam ................................................................................................. 11
1.3.Định hướng phát triển về năng lượng của Việt Nam.................................... 13
1.4 Các phương pháp được sử dụng để sản xuất nước nóng .............................. 14
1.4.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện năng .................................................. 14
1.4.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch ................................. 15
1.4.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời.................................. 16
1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt .................................................. 18
1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước trong công nghiệp: .................... 19
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................... 20
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT ............................................................ 20
2.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt: ................................................................ 20
2.2. Khái niệm bơm nhiệt: .................................................................................. 20

2.3. Cấu tạo của bơm nhiệt: ................................................................................ 21
2.4. Phân loại bơm nhiệt ..................................................................................... 22
2.4.1. Phân loại theo ứng dụng .................................................................... 22
2.4.2. Phân loại theo nguồn cho nhiệt .......................................................... 23
2.5. Nơi lấy năng lượng cung cấp cho bơm nhiệt ............................................... 25
2.6. Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: ................................... 26
2.6.1 Đo bằng phương pháp COP ................................................................ 26
2.6.2 Đo bằng phương pháp EER ................................................................. 26
2.6.3 Đo bằng phương pháp SEER ............................................................... 26
2.6.4 Đo bằng phương pháp HSPF .............................................................. 26
2.6.5 Đo bằng phương pháp Kw/ Tấn .......................................................... 27
2.7. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt ............................................................ 27

1

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

2.8. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt: ........................................................ 27
2.8.1 Môi chất lạnh:...................................................................................... 27
2.8.2. Máy nén lạnh ...................................................................................... 29
2.8.2.1. Máy nén piston ................................................................................ 29
2.8.2.2. Máy nén trục quay ........................................................................... 29

2.8.2.3. Máy nén trục vít ............................................................................... 30
2.8.2.4. Máy nén xoắn ốc.............................................................................. 31
2.8.2.5. Máy nén ly tâm ................................................................................ 32
2.9. Ứng dụng của bơm nhiệt:............................................................................. 32
2.10. Một số bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng trong gia đình: ............................. 33
2.11. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong công nghệ chế biến thực
phẩm....................................................................................................................36
2.11.1 Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất ........................................ 33
2.11.2 Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô
đặc, chưng cất, sấy… .................................................................................... 33
2.11.2.1. Công nghệ sản xuất bia .................................................................. 33
2.11.2.2. Sản xuất đường .............................................................................. 33

2.11.2.3. Công nghệ chế biến sữa ................................................................. 34
2.11.2.4. Công nghệ sản xuất nước khoáng có gas (CO2) ............................ 34
2.11.2.5. Công nghệ sản xuất rượu, cồn, dầu ăn .......................................... 34
2.11.2.6. Trong chưng cất ............................................................................. 35
2.11.2.7. Trong kỹ thuật sấy (sấy lạnh) ........................................................ 36
2.11.2.8. Trong thiết bị ổn nhiệt (tủ ổn nhiệt) .............................................. 36
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... 37
THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH
HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BƠM
NHIỆT ................................................................................................................. 37
3.1. Phương trình cân bằng nhiệt của bơm nhiệt ................................................ 37
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi đến các

thông số đặc trưng của bơm nhiệt ....................................................................... 37
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tk ................................................... 37
3.2.2. Ảnh hưởng của to ................................................................................ 38
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................... 40
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT GIA NHIỆT
NƯỚC NÓNG..................................................................................................... 40
4.1. Đặt bài toán .................................................................................................. 40
4.2. Tính toán nhiệt ............................................................................................. 40
4.3. Tính toán chu trình và chọn máy ................................................................. 40
4.4. Tính toán nhiệt máy nén .............................................................................. 41
4.5. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt.................................................................... 42
2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi ................................ 42
4.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng tụ ................................... 43
4.6 Hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt ............................................ 44
4.6.1 Dàn ngưng tụ: ...................................................................................... 44
4.6.2 Dàn bay hơi: ........................................................................................ 45
4.6.3 Máy nén lạnh: ...................................................................................... 45

4.6.4 Van tiết lưu: ......................................................................................... 45
4.6.5 Thông số hoạt động của hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng: .... 45
4.7. Tính nhiệt độ nước: ...................................................................................... 46
4.8. Tính hiệu suất nhiệt ...................................................................................... 47
CHƯƠNG 5 ......................................................................................................... 48
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ..................................................................................... 48
5.1. Hiệu quả kinh tế của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt so với
hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng điện ............................................................. 48
5.2. Hiệu quả về mặt xã hội, môi trường của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng
bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng điện trở. .......................... 49
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 51

3

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG
Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vực
châu âu [TL2]
9

Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu
dân cư, khác sạn ở mỹ
10
Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước (GJ/hộ
gia đình/năm)
10
Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ của một số nghành trong lĩnh vực công nghiệp
của một số nước trên thế giới [TL2]
11
Hình 1.1e Tiềm năng sử dụng nước nóng và quá trình làm nóng trong một số
ngành công nghiệp ở các nước châu âu (Đức) [TL2]
12

Hình 1.2a Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt
Nam [TL3]
13
Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn
ở Việt Nam [TL3]
14
Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam
[TL4]
14
Hình 1.4.1. Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng theo
kiểu truyền thống cơ bản
16

Hình 1.4.2 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa
thạch (dầu)
17
Bảng 1.4.2: Nhiệt trị của một số chất đốt
17
Hình 1.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước
nóng bằng năng lượng mặt trời
18
Bảng 1.4.3: Số giờ nắng trung bình trong tháng ở các địa phương
19
Hình 1.4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước
nóng bằng bơm nhiệt

20
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt
21
Hình 2.3a cấu tạo cơ bản của một bơm nhiệt
22
Hình 2.3b cấu tạo cơ bản của một máy lạnh
23
Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhận nhiệt và cho nhiệt
[TL8]
23
Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng và làm
nóng [TL9]

23
Hình 2.4.2a Phần trăm các nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [TL9]
24
Hình 2.4.2b Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung
24
Hình 2.4.2c Lắp đặt đường ống dọc của máy bơm nhiệt địa nhiệt
25
Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn 26
Hình 2.4.2e Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ
26
Hình 2.5 khái quát nơi lấy năng lượng
26

Hình 2.7 Chu trình làm việc của bơm nhiệt trên đồ thị
28
Hình 2.8.2.1a Máy nén piston
30
4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 2.8.2.1b Chu trình máy nén piston

30
Hình 2.8.2.2a Máy nén trục quay
31
Hình 2.8.2.2b Bánh răng máy nén trục quay
31
Hình 2.8.2.3 Các trục vít ăn khớp
32
Hình 2.8.2.4a Máy nén xoắn ốc
32
Hình 2.8.2.4b Đĩa xoắn ốc
32
Hình 2.8.2.5a Máy nén ly tâm

33
Hình 2.8.2.5b Cánh xoáy ly tâm
33
Hình 2.11.1 Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng
34
Hình 2.11.2.5a ứng dụng bơm nhiệt trong sản cô đặc ở áp sấu chân không 35
Hình 2.11.2.5b ứng dụng bơm nhiệt trong cô đặc
36
Hình 2.11.2.6 ứng dụng bơm nhiệt trong chưng cất
36
Hình 2.11.2.8 Ứng dụng bơm nhiệt trong thiết bị ổn nhiệt
37

Bảng 3.2.1a Hệ số nhiệt ϕ của các môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ
38
Bảng 3.2.1b Công nén l của các môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ
39
Bảng 3.2.2a Hệ số bơm nhiệt ϕ của môi chất theo nhiệt độ bay hơi
39
Bảng 3.2.2b Hệ số công nén l của môi chất theo nhiệt độ bay hơi
39
Bảng 3.2.2c Các thông số đặc trưng theo các loại môi chất lạnh
40
Hình 3.2.2 Biểu đồ thông số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng của các loại môi
chất

40
Hình 4.3 Biểu diễn chu trình làm việc trên đồ thị
41
Bảng 4.3 Các thông số của chu trình
42
Bảng 4.6.5 Các thông số hoạt động của hệ thống gía nhiệt nước nóng bằng bơm
nhiệt
47
Hình 4.6.5 Sự tăng nhiệt độ nước và áp suất môi chất theo thời gian của hệ
thống bơm nhiệt gia nhiệt nước
47
Bảng 5.1 So sánh lợi ích kinh tế của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm

nhiệt so với hệ thống gia nhiệt bằng điện trở
50

5

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

DANH MỤC KÝ HIỆU
KÍ HIỆU

CHÚ GIẢI

𝜃

Hệ số làm nóng

𝜑

Hệ số bơm nhiệt

∆𝑡𝑡𝑏

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

∆𝑡

Độ chênh nhiệt độ, oC

𝐶𝑝

Nhiệt dung riêng của nước, 𝐶𝑝 =4,18 kJ/kgK

F

Diện tích trao đổi nhiệt, 𝑚2

G

Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong chu trình,kg/s

i

Enthalpy, KJ/kg

k

Hệ số truyền nhiệt tại thiết bị bay hơi k = 17,5

l

Công tiêu tốn riêng máy nén cho mỗi 1 kg môi chất, KJ/kg

L

Công tiêu thụ cho máy nén

m

Khối lượng, Kg

q

Năng suất nhiệt riêng 1 kg môi chất, KJ/kg

Q

Nhiệt lượng, W

t

Nhiệt độ, oC

𝜏

Thời gian, s

𝜀

Hệ số lạnh

𝑞𝑛

Qúa nhiệt, oC

𝑞𝑙

Qúa lạnh, oC

6

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT

ĐỒ ÁN NHIỆT

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Trong cuộc sống ngày nay, yếu tố quan trọng quyết định đến sự sống trên
trái đất đó chính là năng lượng. Hằng ngày, chúng ta đều sử dụng năng lượng cho
việc phát triển kinh tế, kỹ thuật. Trong đó, các nhiên liệu như than đá, dầu mỏ,...
đang dần kiệt quệ. Đây là điều đáng báo động cho tình trạng hiện nay, có thể dẫn
đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảng kinh tế cũng như trật tự xã hội và quan
trọng hơn khi sử dụng quá nhiều dẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh
hưởng đến sức khoẻ con người và động vật.. Vì vậy, việc phát triển và nghiên
cứu nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cấp thiết, mang đến sự giảm tải cho
nguồn năng lượng truyền thống.

Trong các nhu cầu tiêu thụ năng lượng, thì nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho
quá trình sản xuất nước nóng cũng là một nhu cầu tất yếu, và cũng giống như các
nước trên thế giới nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào các thành
phần là khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp. Tuy nhiên vì
nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng trong
các khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu được sử dụng cho quá trình
sinh hoạt như tắm rửa, giặc tẩy…
Do đó, hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt được ra đời nhầm tạo ra
bước ngoặc mới cho việc phát triển công nghệ sản xuất nước nóng. Bơm nhiệt
gia nhiệt cho nước nóng có thể triển khai rộng rãi và tiết kiệm điện, góp phần bảo
vệ môi trường.

7

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG
1.1. Khái quát về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá
trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới

_ Ngày nay, khi mà mức độ tiêu thụ năng lượng của tất cả các thành phần
trong xã hội sẽ có xu hướng ngày càng tăng lên vì mức độ gia tăng dân số, để
phục vụ cho các nhu cầu của con người cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội,
trong đó nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản
xuất nước nóng cũng chiếm một tỉ trọng khá lớn. Nhưng hầu như, những thành
phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào khu dân cư, dịch vụ
thương mại và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp như hình 1.1a bên dưới
(khu vực châu âu). Và mức độ tiêu thụ năng lượng để sản xuất nước nóng ở các
thành phần này cũng sẽ khác nhau ở mỗi quốc gia và khu vực khác nhau, vì do vị
trí địa lý nên điều kiện khí hậu sẽ là yếu tố quyết định đến năng lượng tiêu thụ
cho quá trình sản xuất nước nóng trong các thành phần khu dân cư và thương mại
dịch vụ…

Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vực
châu âu [TL2]

_ Nhìn chung chúng ta có thể thấy rằng, hầu như năng lượng tiêu thụ ở
thành phần khu dân cư, hộ gia đình hay dịch vụ thương mại ở các nước có khí
hậu giá lạnh trên thế giới, chủ yếu tập trung cho việc sản xuất nước nóng và sưởi
ấm (tuy nhiên điều này cũng còn tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vực cụ thể).
Trong đó nước nóng ngoài việc dùng để sưởi ấm còn được sử dụng cho các nhu
cầu chủ yếu như tắm rửa, giặc tẩy, rửa chén dĩa…
8

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu
dân cư, khác sạn ở mỹ

_ Để có một cái nhìn tổng quan và khách quan hơn ta có thể thấy được
năng lượng tiêu thụ hàng năm của một hộ gia đình ở một số nước trên thế giới
cho quá trình sản xuất nước nóng là khá lớn và được thể hiện như hình 1.1c bên
dưới.

Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước (GJ/hộ gia
đình/năm)

_ Qua các số liệu đó ta có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng và
năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở thành phần khu dân cư
và dịch vụ thương mại là rất lớn. Và điều này có thể dể hiểu, vì như đã nói ở phần
trên do điều kiện khí hậu ở mỗi quốc gia là khác nhau, nên các nước có điều kiện
9

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT

ĐỒ ÁN NHIỆT

thời tiết giá lạnh sẽ có nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt hay
sưởi ấm cũng sẽ lớn hơn so với các nước có khí hậu nóng ẩm.
_ Thành phần đứng thứ hai cũng có nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt
độ không cao khá lớn, đó là một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp như hóa
chất, nhuộm, giặc tẩy, cấp nhiệt cán giấy, nấu nướng và cho các mục đích làm
sạch…Có thể nói với năng lượng tiêu thụ trung bình trong lĩnh vực công nghiệp
ở các nước châu âu là khoảng 27,5%, và điều này cho thấy lượng năng lượng tiêu
thụ cho quá trình sàn xuất nước nóng trong lĩnh vực công nghiệp nói trên là rất
lớn. Nhưng để thấy rõ được năng lượng tiêu thụ của các ngành nêu như trên trong

lĩnh vực công nghiệp ta có thể xem năng lượng tiêu thụ cho các ngành ở một số
nước trên thế giới như hình 1.1d và 1.1e bên dưới.

Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ của một số nghành trong lĩnh vực công nghiệp
của một số nước trên thế giới [TL2]

10

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.1e Tiềm năng sử dụng nước nóng và quá trình làm nóng trong một số ngành
công nghiệp ở các nước châu âu (Đức) [TL2]

_ Từ cái nhìn tổng quan về năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước
nóng ở các nước trên thế giới ta có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng là
một nhu cầu thiết yếu và quan trọng trong cuộc sống của con người, cũng như
trong lĩnh vực công nghiệp. Và không những thế ở một số quốc gia hay khu vực,
thì năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng, để phục vụ cho quá
trình sưởi ấm và sinh hoạt cá nhân trong các tòa nhà khách sạn, khu chung cư hay
hộ gia đình chiếm phần trăm lớn nhất và quan trọng nhất. Và điều này có thể dễ
hiểu vì do điều kiện khí hậu lạnh giá ở các nước hay khu vực đó.

1.2. Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiệu thụ cho quá
trình sản xuất nước nóng ở Việt Nam
_ Với tốc độ phát triển kinh tế, tình trạng đô thị hóa và mức độ gia tăng
dân số như ngày nay ở nước ta, thì có thể nói rằng nhu cầu tiêu thụ năng lượng
cho mọi thành phần sẽ có xu hướng ngày càng tăng lên. Và theo như một số dự
báo thì năng lượng tiêu thụ đến năm 2030 của Việt Nam là khoảng 100 triệu tấn
dầu tương đương. [TL3]

11

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT

ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.2a Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt
Nam [TL3]

_ Trong các nhu cầu tiêu thụ năng lượng, thì nhu cầu tiêu thụ năng lượng
cho quá trình sản xuất nước nóng cũng là một nhu cầu tất yếu, và cũng giống như
các nước trên thế giới nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào các thành
phần là khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp. Tuy nhiên vì
nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng trong

các khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu được sử dụng cho quá trình
sinh hoạt như tắm rửa, giặc tẩy…Chứ không phục vụ cho quá trình sưởi ấm vì
hầu như thời tiết ở nước ta là nóng ẩm.
_ Hiện nay theo các khảo sát, thì năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất
nước nóng của các khách sạn ở Việt Nam vào khoảng 4-5% tổng năng lượng tiêu
thụ của khách sạn [TL3]. Còn ở các khu dân cư và hộ gia đình thì năng lượng tiêu
Biểu đồ
tỷ lệ vào
sử dụng
năng lượng
tronggia
ngày

thụ cho quá trình sản xuất nước
nóng
khoảng
2 GJ/Hộ
đình/ Năm. [TL4]
Hệ thống thang
máy
Hệ thống máy
4.95%
nước nóng
4.41%

Hệ thống chiếu
sáng
9.11%

Hệ thống khác
6.70%

Hệ thống ĐHKK
74.83%

12

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn
ở Việt Nam [TL3]

Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam [TL4]

_ Trong khi đó với tốc độ phát triển công nghiệp như hiện nay, đặc biệt là
trong các lĩnh vực công nghệ thực phẩm, bia rượu, công nghệ nhuộm màu…thì

nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ không cao để phục vụ cho quy trình công
nghệ của nhà máy là rất lớn.
_ Qua cái nhìn tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình
sử dụng nước nóng ở các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Ta
có thể thấy rằng, năng lượng tiêu hao cho quá trình này cũng chiếm một tỉ lệ khá
đáng để và tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vực cụ thể. Nhưng trong bối cảnh
mức tiêu thụ năng lượng ở mọi thành phần ngày càng tăng lên, mà trong khi các
nguồn nhiên liệu dùng để sản xuất năng lượng ngày càng cạn kiệt. Vì vậy việc
tiết kiệm năng lượng ở mọi lĩnh vực nói chung và ngành nghề cụ thể ở đây là sản
xuất nước nóng nói riêng là hết sức cần thiết và cấp bách.

1.3. Định hướng phát triển về năng lượng của Việt Nam

_ Ngày 21 tháng 7 năm 2011, Thủ Tướng Chính phủ đã ban hành quyết
định số 1208/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia
giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030” – gọi tắt là Quy hoạch điện VII (QHĐ
VII).
13

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

_ Theo quy hoạch, tổng công suất nguồn điện gió sẽ khoảng 1.000MW vào

năm 2020 và khoảng 6.200MW vào năm 2030; điện từ gió chiếm tỷ trọng từ 0,7%
năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030. Quy hoạch cũng ưu tiên phát triển các nguồn
thủy điện, đưa tổng công suất các nguồn thủy điện từ 9.200MW hiện nay lên
17.400MW vào năm 2020. Ngoài ra, sẽ đưa tổ máy điện hạt nhân đầu tiên của
Việt Nam vào vận hành năm 2020 và đến năm 2030, dự kiến, nguồn điện hạt nhân
sẽ đạt đến công suất 10.700MW, sản xuất được khoảng 70,5 tỷ kWh (chiếm
10,1% sản lượng điện sản xuất).
Mục tiêu phát triển cụ thể trong giai đoạn tới:
_ Sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu năm 2015 khoảng 194210 tỷ kWh;
năm 2020 khoảng 330-362 tỷ kWh.
_ Ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện
từ nguồn năng lượng này lên 4,5% năm 2020 và 6,0% năm 2030 tổng điện

năng sản xuất.
_ Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2,0 hiện nay xuống còn bằng
1,5 vào năm 2015 và còn 1,0 vào năm 2020.
_ Đẩy nhanh chương trình điện khí hóa nông thôn, miền núi, hải đảo đảm
bảo đến năm 2020 hầu hết số hộ dân nông thôn có điện.

1.4 Các phương pháp được sử dụng để sản xuất nước nóng
1.4.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện năng
_ Chúng ta biết rằng điện năng là loại năng lượng có chất lượng cao nhất
và có thể dể dàng chuyển đổi thành nhiệt năng, do đó ưu điểm của phương pháp
này là dễ điều chỉnh nhiệt độ theo mong muốn, đáp ứng nhanh và liên tục cho các
yêu cầu cụ thể, dễ sử dụng và hệ thống thiết bị đơn giản. Nhưng như đã nói ở trên

nếu xét theo quan điểm hiệu quả sử dụng năng lượng thì phương pháp gia nhiệt
nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ gây lãng phí năng lượng
nhất, vì rõ ràng rằng ta đã dùng loại năng lượng có chất lượng cao nhất để sản
xuất ra loại năng lượng có chất lượng thấp nhất là nhiệt năng. Và hơn thế nữa nó
cũng góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể so với các phương pháp
còn lại. Vì điện năng được sản xuất chủ yếu từ quá trình chuyển đổi các loại nhiên
liệu hóa thạch, mà chính trong quá trình chuyền đổi đã gây ra nhiều tổn thất rất
lớn để tạo ra được điện năng, và cũng chính trong quá trình chuyển đổi mà nhiều
loại khí độc hại đã được phát thải vào trong môi trường như CO2, NOx…và chính
CO2 là nguyên nhân chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính vì vậy đây cũng là
nhược điểm của hệ thống này.
14

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.4.1. Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng
theo kiểu truyền thống cơ bản

_ Mặc dù phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu
truyền thống gây ra nhiều lãng phí về năng lượng và làm gia tăng hiệu ứng nhà
kính, nhưng cũng không thể loại bỏ hoàn toàn và ngay lập tức được. Vì một số lý

do như giá điện còn thấp, hay nhu cầu sử dụng nước nóng thấp…thì việc đầu tư
cho một máy sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ hợp
lý hơn.
1.4.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch
_ Khác với gia nhiệt nước nóng bằng điện năng, phương pháp gia nhiệt
nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch được thực hiện chính bằng nhiệt lượng sinh
ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than, củi…) để
gia nhiệt cho nước. Hiện nay trên thế giới, và đặc biệc ở một số nước phát triển
thì phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp và
khu dân cư, khách sạn,..vì một số ưu điểm của hệ thống như đáp ứng nhanh và
liên tục cho các yêu cầu cụ thể, hiệu quả sử dụng năng lượng cao và khả năng gây
hiệu ứng nhà kính là thấp hơn so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện

năng. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tổn thất nhiệt do quá trình
15

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

cháy và nhiệt do khói mang ra ngoài, hệ thống phức tạp vì phải lắp đặt thêm hệ
thống chứa nhiên liệu, quá trình bảo trì bảo dưỡng cũng khó khăn hơn và chi phí
đầu tư ban đầu cũng cao hơn so với phương pháp gia nhiệt bằng điện năng. [TL5]

Hình 1.4.2 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu
hóa thạch (dầu)

Chất đốt

Nhiệt trị
(J/kg)

Chất đốt

Nhiệt trị
(J/kg)

Củi khô

10.106

Gas

44.106

Than bùn

14.106

Dầu hỏa

44.106

Than đá

27.106

Xăng

46.106

Than củi

34.106

Hiđrô

120.106

Bảng 1.4.2: Nhiệt trị của một số chất đốt

1.4.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời

_ Ở nước ta hiện nay, tính đến thời điểm tháng 10/2014 thì nước ta có số
giờ nắng trung bình trong một năm vào khoảng 1219,6 ÷ 2498 giờ/năm và cường
độ bức xạ mặt trời vào khoảng 3,5 ÷ 4,5 kWh/m2/ngày nhưng cũng tùy thuộc vào
16

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

từng khu vực cụ thể [TL6]. Rõ ràng ta có thể thấy tiềm năng sử dụng năng lượng
mặt trời ở nước ta là vô cùng lớn, và thêm vào đó dưới tác động của các chính

sách về sử dụng năng lượng hiệu quả và bảo vệ môi trường được nhà nước ban
hành, đã làm cho các hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời phát
triển một cách nhanh chóng và mạnh mẽ trong vài năm gần đây. Có thể nói,
phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời hầu như không tốn
chi phí trong quá trình vận hành, vì năng lượng mặt trời là miễn phí và có thể tái
tạo được.

Hình 1.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước
nóng bằng năng lượng mặt trời

_ Nguyên lý hoạt động của hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng
mặt trời tương đối đơn giản, ban đầu nước từ bình chứa sẽ điền đầy vào các ống

collector, tại đây nước sẽ nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời và làm nước nóng lên, vì
nước nóng nên sẽ có khối lượng riêng nhỏ hơn so với nước lạnh, nên nước nóng
sẽ có xu hướng di chuyển lên phía trên và quay về bình chứa và song song với
quá trình này là nước lạnh từ bình chứa sẽ chuyển động xuống phía dưới ống và
điền đầy vào phần thể tích của nước nóng đã rời đi, và cứ thế quá trình diễn ra
liên tục khi có bức xạ mặt trời. Tuy nhiên vì quá trình trao đổi nhiệt của nước bên
trong là đối lưu tự nhiên và cần phải có bức xạ mặt trời, nên để có được đủ lượng
nước nóng yêu cầu cho quá trình sử dụng thì phải chờ một thời gian khá dài hoặc
vào những ngày mà bức xạ mặt trời thấp thì sẽ không đáp ứng đầy đủ cho các yêu
cầu sử dụng, và đó chính là nhược điểm của hệ thống vì quá phụ thuộc vào điều
17

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

kiện thời tiết. Mặc dù không tốn chi phí cho quá trình vận hành nhưng chi phí đầu
tư ban đầu của hệ khá cao so với hai phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện
kiểu truyền thống và bằng nhiên liệu hóa thạch.

Bảng 1.4.3: Số giờ nắng trung bình trong tháng ở các địa phương

1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt

_ Về cơ bản bơm nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống máy
lạnh, nhưng lại khác nhau về mục đích sử dụng. Đối với bơm nhiệt mục đích sử
dụng là làm nóng, nếu bơm nhiệt được sử dụng để sản xuất nước nóng thì nhiệt
lượng mà nước nhận được do môi chất nhả ra tại dàn ngưng sẽ là nhiệt lượng
hữu ích.

18

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 1.4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất
nước nóng bằng bơm nhiệt

_ Rõ ràng bơm nhiệt là một loại máy nhiệt do đó nó sẽ nhận công từ bên
ngoài (cụ thể là điện năng) để vận hành hệ thống tham gia vào quá trình sản xuất
nước nóng. Mặc dù bơm nhiệt cũng sử dụng điện năng, nhưng không giống với
phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống là trực tiếp
sử dụng điện năng để sinh nhiệt, mà bơm nhiệt sử dụng điện năng để vận chuyển
nhiệt lượng từ nơi này đến nơi khác. Do đó so với phương pháp gia nhiệt nước
nóng bằng điện năng kiểu truyền thống thì phương pháp sử dụng bơm nhiệt sẽ có
hiệu suất cao hơn và do đó chi phí để vận hành hệ thống cũng sẽ thấp hơn. Và

đặc biệt phương pháp này hầu như không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, có thể
đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ và nhu cầu sử dụng mọi lúc.
1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước trong công nghiệp:
_ Gia nhiệt nước nóng bằng hơi từ lò hơi.
_ Gia nhiệt nước nóng từ các nguồn nhiệt thải.
_ Gia nhiệt nước nóng bằng điện.
_ Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt.

19

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT

ĐỒ ÁN NHIỆT

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT
2.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt:
_ Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên. Ngày
nay, bơm nhiệt đã phát triển một cách nhanh chóng về cả chủng loại, công suất,
số lượng, chất lượng và được ứng dụng trong các ngành kinh tế như: Công nghệ
sấy và hút ẩm; công nghệ chưng cất, tách chất; các quá trình thu hồi nhiệt thải;
công nghệ thực phẩm.

2.2. Khái niệm bơm nhiệt:
_ “Bơm nhiệt là loại máy nhiệt, nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt
lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng, cụ thể nhiệt lượng sẽ
được vận chuyển từ môi trường xung quanh đến môi trường có nhiệt độ cao hơn
môi trường xung quanh” [TL7] như hình 2.2 bên dưới.

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

_ Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt người ta sử dụng hệ số làm nóng φ
(hay nói cách khác là hiệu suất của chu trình cũng được thể hiện thông qua hệ số
COP = φ). Vì mục đích của bơm nhiệt là làm nóng nên hệ số φ chính là tỷ số giữa
QH và W.



QH
W



QH
QH  QL

(2.2)

_ Từ công thức 2.2 ta thấy rằng, hệ số làm nóng sẽ luôn luôn lớn hơn 1
nhưng sẽ không bao giờ tiến đến vô cùng, và nó chỉ có thể tiệm cận giá trị tương
20

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

ứng của chu trình Carnot ngược chiều ở điều kiện có cùng nhiệt độ nguồn nóng
và nguồn lạnh. Nhưng trong thực tế hệ số φ sẽ không bao giờ đạt đến giá trị của
chu trình Carnot ngược chiều khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh vì

tính không thuận nghịch của các quá trình.

2.3. Cấu tạo của bơm nhiệt:
_ Về cơ bản bơm nhiệt có cấu tạo tương đối giống với máy lạnh và cùng
được xếp vào một nhóm, nhưng lại không hoàn toàn giống nhau vì mục đích sử
dụng của chúng là khác nhau, với bơm nhiệt thì được dùng để làm nóng trong khi
máy lạnh được sử dụng để làm lạnh như hình 2.3a và 2.3b bên dưới. Về cấu tạo
bơm nhiệt cũng có 4 thiết bị chính như máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tiết lưu
và thiết bị bay hơi.

Hình 2.3a cấu tạo cơ bản của một bơm nhiệt

21

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 2.3b cấu tạo cơ bản của một máy lạnh

2.4. Phân loại bơm nhiệt
_ Hiện nay, tùy theo công nghệ chế tạo và mục đích sử dụng mà có rất
nhiều cách phân loại bơm nhiệt đó là theo ứng dụng (nguồn nhận nhiệt), nguồn

cho nhiệt, kiểu lưu trữ nhiệt… Nhưng chủ yếu vẫn được phân loại theo ứng dụng
và nguồn cho nhiệt.

Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhận nhiệt và cho
nhiệt [TL8]

2.4.1. Phân loại theo ứng dụng
Trong kiểu phân loại theo ứng dụng thì bơm nhiệt chủ yếu được sử dụng để:
_ Gia nhiệt cho nước của quá trình sản xuất nước nóng
_ Gia nhiệt cho không khí của quá trình sưởi ấm hay sấy

Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng và làm nóng

[TL9]

22

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

2.4.2. Phân loại theo nguồn cho nhiệt
_ Trước đây, các hệ thống bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng thường
sử dụng các nguồn cho nhiệt là không khí tự nhiên, lòng đất, khí thải của các quá

trình, nước ngầm, nước thải…Trong đó các nguồn cho nhiệt là không khí tự
nhiên, lòng đất vẫn chiếm tỉ trọng khá lớn so với các loại còn lại, bởi vì đây là
các nguồn cho nhiệt có sẵn, dễ sử dụng, dễ bảo trì và đặc biệt là ít tốn chi phí
trong quá trình lắp đặt như các loại còn lại và đặc biệt nó còn phụ thuộc vào điều
kiện khí hậu ở mỗi khu vực.

Hình 2.4.2a Phần trăm các nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [TL9]

 Không khí
_ Bơm nhiệt không khí đem nhiệt thải ra không khí bên ngoài. Phần lớn hệ
thống bơm nhiệt là bơm nhiệt không khí. Đối với máy làm lạnh cỡ lớn, thiết bị
thải nhiệt ra không khí bên ngoài được gọi là tháp giải nhiệt.

Hình 2.4.2b Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung
23

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

 Đất
_ Bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP) đem nhiệt thải vào đất thay vì không khí.
Bởi nhiệt độ trong đất tương đối ổn định quanh năm nên thiết bị này có thể đạt

hiệu quả cao hơn so với các bơm nhiệt không khí vào những ngày rất nóng hoặc
rất lạnh.

Hình 2.4.2c Lắp đặt đường ống dọc của máy bơm nhiệt địa nhiệt

 Nước
_ Một số máy bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng dòng sông, ao, vv… cho mục
đích tản nhiệt. Hệ thống vòng kín sử dụng có hiệu quả các phần cứng và hoạt
động tương tự như các máy bơm nhiệt địa nhiệt.
_ Tuy nhiên, cũng có thể cài đặt hệ thống “vòng mở” với các đường ống
mở ra suối. Hệ thống này sẽ kéo nước ở một đầu, dẫn vào máy bơm nhiệt nơi
nhiệt được hấp thụ hoặc giải nhiệt nhờ nước, và nước sau khi được trao đổi nhiệt

(làm nóng hoặc làm mát) được bơm trở lại xuống sông ở hạ lưu. Hệ thống này
cũng có thể sử dụng nước ngầm từ các giếng riêng biệt, bơm từ giếng này vào
giếng khác.

24

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT


ĐỒ ÁN NHIỆT

Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn

 Máy làm lạnh hấp thụ
_ Máy làm lạnh hấp thụ là bơm nhiệt trong đó quá trình nén và bay hơi môi
chất được kiểm soát bởi một nguồn nhiệt bên ngoài thay vì dùng bơm chạy bằng
điện.
_ Trong máy làm lạnh hấp thụ, môi chất khí trở lại trạng thái lỏng do được
hấp thụ hóa chất thứ cấp, như ammonia. Sau đó, hóa chất thứ cấp được tách ra do
nhiệt môi chất trở lại cho các vòng lặp làm mát dưới dạng chất lỏng.

Hình 2.4.2e Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ

2.5

Nơi lấy năng lượng cung cấp cho bơm nhiệt

Hình 2.5 khái quát nơi lấy năng lượng

25

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT