Nghiên cứu thực nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng dàn lạnh không khí trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH VỊNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG DÀN LẠNH
KHÔNG KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIÊT- LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

T.S HÀ ĐĂNG TRUNG

HÀ NỘI - 2005

Trang 1/12


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật lạnh và Điều hòa
không khí, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo TS. Hà Đăng Trung đã

hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện bản luận
văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS. TSKH Đặng Quốc Phú đã cho tôi
những ý kiến và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học quý báu. Tôi xin cảm ơn
TS Nguyễn Nguyên An đã cho ý kiến đóng góp và giúp đõ để tôi hoàn thành
bản luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Xuân Tiên và tập thể cán bộ Bộ
môn Kỹ thuật lạnh và Điều hòa không khí đã tạo điều kiện và thời gian để tôi
thực hiện bản luận văn này. Tôi xin cảm ơn Bác Nguyễn Đăng Nhâm, cán bộ
hưu trí của bộ môn, sinh viên Nguyễn Thế Mạnh đã giúp đỡ tôi trong việc xây
dựng thí nghiệm.Tôi xin cảm ơn những người bạn đã luôn quan tâm, động
viên và giúp đỡ tôi.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và gia đình tôi, những
người luôn bên tôi, luôn ủng hộ và động viên tôi cả về vật chất lẫn tinh thần
để tôi được như ngày hôm nay. Tôi xin dành tặng bản luận văn này cho bố mẹ
và gia đình tôi thay cho lời cảm ơn của mình.

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

LỜI CAM KẾT

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thày giáo TS. Hà Đăng Trung. Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài
những tài liệu tham khảo đã liệt kê, tôi cam đoan không sao chép các công
trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2005

Nguyễn Đình Vịnh

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

a

Hệ số dẫn nhiệt độ, K/m

ASHRAE

Hiệp hội lạnh, điều hòa không khí và sưởi ấm Mỹ

AXV

Van tiết lưu tự động

Cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kgK

Cv

Nhiệt dung riêng đẳng tích, kJ/m3K

Co

Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, Co = 5,67 W/m2K4

COP

Hệ số sử dụng năng lượng

D

Đường kính, kích thước xác định, m

d

Đường kính, kích thước xác định, m

d

Độ chứa ẩm, kg/kg

EF

Hệ số hiệu quả

F

Diện tích, m2

G

lưu lượng khối lượng, kg/h ; kg/s

g

Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

Gr

Tiêu chuẩn Grashof, Gr =

h

Chiều cao, kích thước xác định, m

I

Entanpi, kJ/kg

i

Entanpi, kJ/kg

k

Hệ số truyền nhiệt, W/m2K

kl

Hệ số truyền nhiệt trên mỗi mét dài, W/mK

kWh

Đồng hồ kWh

kWh

Công suất điện tiêu thụ

l

Chiều dài, kích thước xác định, m

M

Khối lượng, kg
iii

g. .t.l 3

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

N

Công suất, W / kW

Nu

Tiêu chuẩn Nusselt, Nu =

P

Đồng hồ áp suất

p

Áp suất, kPa / bar

Pr

Tiêu chuẩn Prandtl, Pr = = C p .

Q

Công suất nhiệt, W

Q

Nhiệt lượng, kJ

q

Mật độ dòng nhiệt, W/m2

ql

Mật độ dòng nhiệt trên mỗi mét dài, W/m

R

Bán kính cong, m

R

Môi chất lạnh freon

r

Nhiệt ẩn hóa hơi, kJ/kg

Re

Tiêu chuẩn Reynold, Re =

s

Entropi,

T

Nhiệt độ tuyệt đối, K

T

Đầu đo nhiệt độ loại T (Đồng – Constantan)

TXV

Van tiết lưu nhiệt

t

Nhiệt độ, oC

V

Thể tích, m3

v

Tốc độ, m/s

v

Thể tích riêng, m3/kg

W

Năng suất hút ẩm, kg/h

Các ký hiệu La mã
Δ

Độ chênh

φ

Độ ẩm tương đối, %
iv

.l




v

a



.l



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

φ

Hệ số bơm nhiệt

α

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, kJ/m2K

β

Hệ số giãn nở thể tích, 1/K

λ

Hệ số dẫn nhiệt, W/mK

ρ

Tỷ khối, kg/m3

μ

Độ nhớt động lực học, Ns/m2

ν

Độ nhớt động học, m2/s

ε

Độ đen bề mặt

ε

Hệ số làm lạnh

δ

Chiều dày, m

ω

tốc độ, m/s

τ

Thời gian, s

π

Hằng số pi, π = 3,14

Các chỉ số phụ
bx

Bức xạ

cn

Cách nhiệt

dl

Đối lưu

f

Môi trường

k

Ngưng tụ

kk

Không khí

mc

Môi chất

mn

Máy nén

m

Môi trường, trung bình

n

Nước

o

Bay hơi

on

Trước dàn

off

Sau dàn
v


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

q

Quạt

tb

Trung bình

tt

Tổn thất

w

Bề mặt

1, 2, 3, 4

Trạng thái/vị trí 1, 2, 3, 4

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

MỞ ĐẦU
1.

Vai trò của hiệu quả sử dụng năng lượng
Như chúng ta đã biết, giá và nguồn cung cấp nhiên liệu đang là một

vấn đề nóng bỏng hiện nay. Giá xăng dầu cũng như khí đốt đã cao nhất trong
lịch sử tới giờ, giá dầu thô đã đạt đỉnh điểm 60 USD/thùng vào tháng trước,
tăng hơn 2 lần so với 15 năm trước. Giá than cũng tăng mạnh trong vài năm
trở lại đây. Nền kinh tế của chúng ta cũng như của thế giới liên tục tăng
trưởng mạnh kéo theo nhu cầu năng lượng tăng lên không ngừng. Sự leo
thang của giá nhiên liệu cũng kéo theo giá điện tăng cao không ngừng 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 cao cũng như sự hạn chế
khả năng cung cấp năng lượng hiện tại. Rõ ràng rằng chưa bao giờ việc sử
dụng năng lượng một cách hiệu quả đóng vai trò quan trọng như hiện nay

trong chính sách cân bằng năng lượng và ổn định phát triển kinh tế.
Vai trò của hiệu quả sử dụng là rất to lớn và không thể phủ nhận được.
Hiệu quả sử dụng năng lượng đóng góp vai trò to lớn đối với sự phát triển
kinh tế xã hội và nâng cao mức sống của mỗi quốc gia. Chính sách và ứng
dụng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của nước Mỹ từ năm 1973 đến
năm 2002 đã tiết kiệm khoảng 26 quadrillion Btu (khoảng 23.810.000 MJ),
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. Từ năm 1996 đến
-1-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

2002, GDP của nước Mỹ tăng 21% trong khi nguồn năng lượng thô sử dụng
chỉ tăng 2% [14, 19].
Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là một yếu tố thiết yếu của một
nền kinh tế ổn định và phát triển. Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng 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,
làm cho giá nhiên liệu tăng cao, gây ra khả năng thiếu hụt năng lượng và khó
khăn cho nền kinh tế. Điều này luôn đúng 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, đất đai và tiền của rất hạn chế
để phát triển hạ tầng cung cấp năng lượng. Cho dù có nguồn năng lượng như

“rừng vàng biển bạc” thì cũng sẽ đến lúc cạn kiệt nếu chúng ta không sử dụng
chúng một cách hiệu quả. Hiệu quả sử dụng năng lượng đã và sẽ là bí quyết
thành công của mọi nền kinh tế năng lượng ổn định và vững mạnh.
Mặc dù hiệu quả sử dụng năng lượng đã cao hơn nhiều so với 25 năm
trước, nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng 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 [19].
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 (ACEEE) 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 20% hoặc hơn thế
[19]. 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
-2-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

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 3 cents/kWh
(khoảng 450 Đ/kWh). Chúng ta sẽ thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng này
còn lớn hơn nhiều lần nếu đem so với giá thành bán điện ở California là 8.41
cents/kWh (khoảng 1260 Đ/kWh) [14, 19].
2.

Nhu cầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình
Theo số liệu của Uỷ ban năng lượng Mỹ, tổng năng lượng tiêu thu

trong các hộ gia đình tại Mỹ năm 2001 là 20,12 quadrillion Btu (tương đương
19.162.000 MJ). Hình 1 biểu diễn tỷ lệ năng lượng sử dụng cho trang thiết bị
trong hộ gia
Tổng năng lượng sử dụng năm 2001:
20,12 quadrillion Btu
Máy tính, 1%
Đun nấu, 4%
Nước sinh
hoạt, 5%
Thiết bị điện
tử, 5%
Chiếu sáng,
12%
Tủ lạnh, 9%
Làm mát,
10%

Các thiết bị
khác, 4%
Điều chỉnh,
3%
Sưởi ấm,
30%

đình

ở

Mỹ,

trong đó năng
lượng sử dụng
cho thiết bị cấp
nước

nóng

chiếm tới 17%
Cấp nước
nóng, 17%

tổng

lượng

năng lượng sử
dụng.

Năng

Hình 1. Tỷ lệ năng lượng sử dụng năng lượng trong hộ gia

lượng sử dụng

đình tại Mỹ [4]

để cấp nước
nóng chỉ đứng

thứ 2 sau năng lượng sử dụng cho sưởi ấm tiện nghi.
Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê, tổng sản lượng điện tiêu
thụ năm 2004 của nước ta là 39.596 triệu kWh, trong đó 45,18 % (tương
-3-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

đương 17.889 triệu kWh) cho công nghiệp và xây dựng, 44,49% (17616 triệu
kWh) cho quản lý tiêu dùng dân cư [6]. Chúng ta chưa có nghiên cứu thống
kê cụ thể về tỷ lệ sử dụng năng lượng trong hộ gia đình. Tuy nhiên, nếu liệt
kê các trang thiết bị sử dụng thiết yếu trong gia đình điển hình tại các thành
phố lớn, chúng ta có thể kể đến 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 và 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 2 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.
Thiết bị cấp nước nóng cho gia đình, chủ yếu là bình nước nước nóng
sử dụng điện trở gia nhiệt, khí đốt hay gần đây mới có là thiết bị đun nước
nóng bằng năng lượng mặt trời, cũng chỉ đã và đang phổ biến hạn chế 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 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.
3.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa khoa
học của đề tài
Việt Nam chúng là một nước nhiệt đới có khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều.

Vị trí địa lý nước ta tạo ra sự khác biệt rõ rệt khí hậu hai miền Nam, Bắc.
Miền Nam khí hậu nắng nóng, ẩm và chia hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt. Miền
-4-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Bắc khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều về mùa hè, ẩm và không quá lạnh về mùa
đông, thời tiết giao mùa rất dài và ẩm. Nhu cầu về sưởi ấm, khử ẩm và làm
lạnh ở miền Bắc, cũng như nhu cầu về làm lạnh và khử ẩm ở miền Nam là rất
lớn.
Thiết bị 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… Thiết bị bơm nhiệt có thể sử dụng nhiều nguồn nhiệt cấp như địa
nhiệt, năng lượng mặt trời, nước và không khí. Việc sử dụng bơm nhiệt để
đun nước nóng đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới và có những kết quả
đáng khích lệ. Hàng loạt các 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 đun

nước nóng nói riêng có thể tiết kiệm 50 – 70% năng lượng sử dụng so với các
thiết bị cùng ứng dụng nói chung, thiết bị đun nước nóng thông thường như
bình nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt, bình nước nóng sử dụng khí đốt…
nói riêng [22].
Trong tất cả các nguồn nhiệt cấp cho bơm nhiệt, không khí là nguồn
nhiệt cấp quan trọng và phù hợp hơn cả với đặc thù khí hậu của nước ta. Bơm
nhiệt đun nước nóng sử dụng nguồn cấp nhiệt là không khí, ngoài việc sử
dụng nước nóng cho nhu cầu nước nóng sinh hoạt đang ngày càng tăng, còn
có thể sử dụng cả không khí sau khi đã bị thiết bị lấy đi nhiệt và tách ẩm
trong nó để sử dụng cho mục đích khử ẩm và làm lạnh, một nhu cầu rất lớn
trong điều kiện khí hậu nước ta. Hơn tất cả những lý do và ý nghĩa đó tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng
dàn lạnh không khí trong điều kiện Việt Nam”, một đề tài có ý nghĩa và khả
năng thực tiễn lớn, góp phần nhỏ bé vào việc thực hiện chính sách tiết kiệm
và nâng cao hiệu qủa sử dụng năng lượng ở nước ta.

-5-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Các loại bình nước nóng trong công nghiệp và dân dụng
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 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…
1.1.1. Bình nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt
Bình đun nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt 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 và 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.
-6-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

1.1.2. 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 và 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. Loại thiết bị này được chia làm hai loại,
Một loại quạt lấy gió từ ngoài trời còn loại kia 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 trược tiếp không
gặp phải.
Cũng 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) và 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.
1.1.3. Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời
Ưu điểm hơn hẳn hai loại trên ở chi phí vận hành rất thấp, bình nước
nóng sử dụng năng lượng mặt trời là loại bình nước nóng 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
-7-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

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 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 tại nhiều thành phố của Australia như Perth, Sydney,
Melbourne, Brisbane, Adelaide với hiệu quả tiết kiệm năng lượng đạt 35 –
45%.
1.1.4. 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 diezen 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. Hơi bão hoà từ lò hơi cũng đồng thời được cấp cho
các thiết bị giặt là.
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước
nóng trên thế giới
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. Trường kỹ thuật
Tổng hợp Melbourne kết hợp cùng Công ty Siddons Ramset Ltd thành lập
-8-


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Trung tâm nghiên cứu Siddons và chi ra nhiều triệu đôla để nghiên cứu và
quảng cáo thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có thể tiết kiệm năng lượng đến
70% so với bình nước nóng sử dụng điện trở. Trung tâm nghiên cứu này đã
được cổ phần hoá cho các nhân viên của trung tâm và thiết bị bơm nhiệt đun
nước nóng được đưa ra thi trường với tên thương mại là Quantum. Do khủng
hoảng kinh tế và ảnh hưởng của toàn cầu hoá, Quantum đã được bán cho
Singapore với giá 1,5 triệu đôla Mỹ. Một số khách sạn lớn ở Singapore như
Khách sạn Raffles đã sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng này. Hiện
nay ở 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 Watter$aver. Hệ số sử dụng năng lượng của thiết bị COP đạt
2,4 (tiết kiêm năng lượng khoảng 50 – 60%) [6, 10, 11, 14].
Hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng là
có thể dễ dàng thấy được, tuy nhiên hiện tại các thiết bị loại này giá thành còn
cao, khoảng 800 đến 1500 Đô la Mỹ tuỳ loại và hãng sản xuất. Các thiết bị

-9-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

bơm nhiệt đun nước nóng đang được đưa vào chương trình tiết kiệm năng
lượng của Mỹ và Australia.
1.2.1. Các loại bình đun nước nóng dùng bơm nhiệt
Hàng loạt các kiểu bơm nhiệt đun nước nóng đang được nghiên cứu và
đưa vào ứng dụng. Trong các loại này có thể kể đến:
1.2.1.1.

Thiết bị đun nước nóng có dàn lạnh không khí

Đây là loại phổ biến nhất với 2 loại: Loại tích nhiệt và loại làm
việc liên tục. Với loại tích nhiệt được chia làm 2 loại: Loại dàn lạnh có
quạt và loại dàn lạnh tự nhiên (không có quạt). Loại này đang được
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng ở Mỹ, Australia và Singapore với các
tên thương mại như E-tech, Nyle, Watter$aver (Mỹ), Solitaire
(Australia), Quantum (Singapore)… Ưu điểm nổi bật của loại này là
thiết bị đồng bộ lắp ráp và nạp môi chất tại nhà máy, lắp đặt tại hiện
trường chỉ cần nối ống nước nên rất đơn giản, dễ dàng vận hành. Với
loại có quạt ở dàn lạnh còn được ứng dụng đồng thời làm thiết bị khử
ẩm hay điều hòa tiện nghi nên hệ số sử dụng năng lượng còn cao hơn
nhiều.
Các thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng làm việc liên tục thường
được ứng dụng trong các hệ thống lớn và quy mô công nghiệp. Bình
ngưng có dạng ống lồng ống. Nước được bơm qua thiết bị liên tục và
được chứa trong một bình tích nhiệt bên ngoài hoặc sử dụng liên tục

như cấp nhiệt cho bể bơi. Các thíết bị này thường có dàn lạnh không
khí hoặc sử dụng địa nhiệt.

- 10 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1.2.1.2.

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Thiết bị đun nước nóng có dàn lạnh dùng 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)…
1.2.2. Các vấn đề còn tồn tại
Các nghiên cứu và thử nghiệm vẫn đang được tiếp tục tiến hành tại Mỹ,
Australia… để nâng cao hiệu quả, độ tin cậy của thiết bị cũng như các
chương trình tiết kiệm năng lượng, mở rộng thị trường sử dụng thiết bị bơm
nhiệt đun nước nóng tại các nước này. Việc nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun
nước nóng ở nước ta còn đang rất hạn chế, hay có thể nói chưa có các nghiên

cứu về loại thiết bị này. Thực 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 và đưa vào ứng dụng thiết bị này tại Việt Nam.

- 11 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Chương 2 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG
2.1

Chu trình nhiệt động của bơm nhiệt
Giống với chu trình nhiệt động của các máy điều hoà không khí hay tủ

lạnh, chu trình nhiệt động của thiết bị bơm nhiệt cũng được biểu diễn trên đồ
thị log p – h như trong Hình 2.1 và bao gồm các quá trình [1]:
- 1-2: Quá trình nén đa
biến trong máy nén.
- 2-3: Quá trình ngưng
tụ trong bình ngưng.
Trong đó 3’-3 là quá
trình quá lạnh trong
bình

ngưng.

Nhiệt

ngưng tụ được dùng
để làm nóng nước.
- 3-4: Quá trình tiết lưu

Hình 2.1 Chu trình bơm nhiệt trên đồ thị log P - i

đoạn nhiệt trong van
tiết lưu.
- 4-1: Quá trình bay hơi trong dàn lạnh. Môi chất nhận nhiệt của môi
trường để bay hơi.Quá trình 1”-1 là quá trình quá nhiệt trong dàn lạnh.
- 1, 2, 3, 4 là các trạng thái đặc trưng của môi chất trong chu trình.
Chu trình nhiệt động của bơm nhiệt có thể xác định các đại lượng đặc
trưng sau:
- Công suất lạnh của dàn lạnh Qo
Qo = Gmc .(i1 − i4 )

, kW

(2.1)

, kW

(2.2)

- Công suất của bình ngưng Qk
Qk = Gmc .(i2 − i3 )

- 12 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

- Công suất của máy nén Nmn
N mn = Gmc .(i2 − i1 )

, kW

(2.3)

Trong đó:
- Gmc: Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống, kg/s
- i1 , i2 , i3 , i4 : entanpy của môi chất ở trạng thái đặc trưng 1, 2, 3,
4 kJ/kg
Ở trạng thái cân bằng, nếu bỏ qua tổn thất, công suất lạnh của dàn lạnh
và công suất nhiệt của bình ngưng truyền cho môi trường có thể được xác
định theo:
Qo = G kk .(ikk 2 − ikk1 )

, kW

(2.4)

Qk = Gn .C p .(t n 2 − t n1 )

, kW

(2.5)

Trong đó:
- Gkk : Lưu lượng không khí tuần hoàn qua dàn lạnh, kg/s
- ikk1 , ikk2 : entanpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh, kJ/kg
- Gn : Lưu lượng nước tuần hoàn qua bình ngưng, kg/s
- Cp : Nhiệt dung riêng của nước, Cp = 4,146 kJ/kg.K
- tn1 , tn2 : Nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng, oC
Đại lượng đặc trưng cho chu trình bơm nhiệt đó là hệ số bơm nhiệt φ
được xác định theo:
ϕ=

2.2

Qk
N mn

(2.6)

Tính toán thiết kế bơm nhiệt đun nước nóng

2.2.1 Điều kiện thiết kế
Xem xét điều kiện khí hậu trên toàn lãnh thổ Việt nam để thiết kế thiết
bị bơm nhiệt đun nước nóng phù hợp. Ở thiết kế này, thiết bị bơm nhiệt đun
nước nóng được lắp đặt trong nhà có thể là hành lang, ban công có mái che,
- 13 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

bếp, khu vệ sinh... Theo TCVN 4088-85 và TCVN 5687-1992 chúng tôi lựa
chọn điều kiện môi trường của thiết bị như sau:
- Nhiệt độ môi trường: 10 – 35oC
- Độ ẩm tương đối: 60 – 80%
Điều kiện môi trường xung quanh này tương đương với điều kiện môi
trường cho hệ thống điều hoà không khí cấp 3.
Để lấy thông số tính toán, chọn môi trường xung quanh có nhiệt độ
20oC, độ ẩm tương đối 65%. Nhiệt độ không khí sau dàn lạnh là 10oC, độ ẩm
tương đối 95%.
Trong quá trình tính toán đối với không khí, ta sử dụng một số công thức
sau:
− Áp suất bão hòa của không khí ẩm Pb(t) (bar) tại trạng thái không khí
ẩm có nhiệt độ t (0C)
4062,42 ⎞
⎛
pb (t ) = exp⎜12 −
⎟
235,5 + t ⎠
⎝

, bar

(2.7)

− Nhiệt độ của không khí ẩm theo phân áp suất bão hoà của hơi nước:
t=

40262
− 235,5

12 − ln( pb (t ))

, oC

(2.8)

, kg/kg

(2.9)

− Độ chứa ẩm d (kg/kg)
d = 0,622.

ϕ . pb (t )
100 − ϕ . pb (t )

φ (%):Độ ẩm tương đối của không khí ẩm
− Entanpi I (kJ/kg) của không khí ẩm
I=1,004.t+d.(1,842.t+2500)

, kJ/kg

Thông số trạng thái của không khí được cho trong bảng sau:

- 14 -

(2.10 )


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Trạng thái

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

t

φ

D

I

(oC)

(%)

(kg/kg)

(kJ/kg)

Trước dàn lạnh, 1

20.0

65.0

0.0095682

44.39

Sau dàn lạnh, 2

10.0

95.0

0.0073336

28.53

Tương ứng với trạng thái không khí môi trường như trên, nhiệt độ nước
cấp cũng được chọn trong dải nhiệt độ 12 – 28oC. Trong tính toán coi như
nhiệt độ nước cấp có nhiệt độ 20oC. Nhiệt độ nước nóng ra khỏi thiết bị là
55oC. Thiết bị có khả năng cung cấp nước nóng 100 lít/h.
Môi chất lạnh sử dụng trong thiết bị là R22.
2.2.2 Tính toán lý thuyết thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng
Nhiệt nước nhận được trong bình ngưng xác định theo công thức (2.5)
Qk = Gn.Cp.∆tn = Gn.Cp.(tn2 – tn1)
= 100 . 4,186 . (55 – 20) /3600 = 4,07

, kW

Môi chất bay hơi ở nhiệt độ to = 5oC (tương ứng áp suất bay hơi po =
5,838 kPa), ngưng tụ ở nhiệt độ tk = 53,5oC (tương ứng áp suất ngưng tụ pk =
21,03 kPa). Độ quá lạnh của môi chất sau ngưng tụ ∆tql = 5oC, độ quá nhiệt
của môi chất sau bay hơi ∆tqn = 5oC. Các thông số trạng thái của môi chất tra
được bằng phần mềm CATT 2 [16] như sau:

- 15 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Trạng
thái

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

t

P

v

i

s

C

MPa

m3/kg

kJ/kg

kJ/kg.K

1”

5

0.5838

0.040360

251.70

0.9197

1

10

0.5838

0.041460

255.40

0.9330

2

79.24

2.1030

0.012890

288.50

0.9330

2”

53.5

2.1030

0.010660

262.70

0.8567

3’

53.5

2.1030

0.000937

112.80

0.3979

3

48.5

2.1030

0.000937

105.70

0.4203

4

5

0.5838

0.013040

105.70

0.4203

o

- Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống Gmc :
Gmc =

Qk
4,07

=0,02226
=
i2 − i3 288,5 − 105,7

, kg/s

- Năng suất lạnh ở dàn lạnh Qo :
Qo = Gmc.(i1 – i4) = 0,02226 . (255,4 – 105,7) = 3,33

, kW

- Công của máy nén Nmn :
Nmn = Gmc.(i2 – i1) = 0,02226 . (288,5 – 255,4) = 0,73 , kW
- Hệ số bơm nhiệt lý thuyết φ :
ϕ=

Qk
4,07
=
= 5,50
N mn 0,73

- Năng suất giải nhiệt ở phần hơi bão hoà và quá lạnh của bình
ngưng Qk1 :
Qk1 = Gmc . (i2” – i3) = 0,02226 . (262,7 – 105,7) = 3,496

, kW

- Năng suất giải nhiệt ở phần hơi quá nhiệt bình ngưng Qk2 :
Qk2 = Gmc . (i2 – i2”) = 0,02226 . (288,5 – 262,7) = 0,574

- 16 -

, kW


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

- Lưu lượng gió dàn lạnh Gkk:
Gkk =

Qo
3,33
= 0,21 kg/s = 630
=
ikk 2 − ikk1 44,39 − 28,53

, m3/h

- Năng suất hút ẩm của thiết bị Wa :
Wa = Gkk.(d2 – d1) = 0,21 . (0,0095682 – 0,0073336)
= 0,469 g/s = 1,688

, l/h

2.2.3 Tính toán truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ
Bình ngưng được chế tạo có dạng ống xoắn ruột gà bằng ống đồng có
đường kính ngoài 9,53 mm, chiều dày 0,5 mm. Hơi quá nhiệt của môi chất đi
vào phía bên trên của ống xoắn, môi chất lỏng ngưng tụ được đi ra ở phía bên

dưới của ống xoắn. Ống xoắn được cuộn tròn trong đường kính 240 mm.
Toàn bộ ống xoắn nhúng ngập trong nước của bình ngưng có đường kính
325mm. Nước lạnh sẽ vào bình ngưng từ phía đáy bình, nước nóng lấy ra ở
phía trên đỉnh bình. Với cách bố trí như vậy bình ngưng làm việc giống như
thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều. Mục đích là để sử dụng nhiệt của hơi quá
nhiệt để đun nóng nước ở đầu ra của bình ngưng đạt nhiệt độ cao hơn, có khả
năng đạt được nhiệt độ nước đầu ra cao hơn nhiệt độ ngưng tụ của môi chất.
Một điều dễ nhận thấy, hệ số toả nhiệt của môi chất ở trạng thái hơi quá
nhiệt nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất. Do đó
trong tính toán dàn ngưng ống xoắn này, ta sẽ phân đoạn ống xoắn bình
ngưng để tính toán.
Hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất cũng lớn hơn hệ số toả nhiệt
của môi chất ở trạng thái quá lạnh, Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra trong đoạn
ống bị quá lạnh 3’ – 3 là rất nhỏ:
Qk1’ = Gmc.(i3’ – i3) = 0,02226. (112,80 – 105,7) = 0,159 kW
Qk1’ < 5% Qk1 nên ta bỏ qua sự khác nhau của hệ số toả nhiệt khi ngưng
và hệ số toả nhiệt của môi chất quá lạnh.
- 17 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH NHIỆT – LẠNH

Như vậy, khi tính toán bình ngưng ta sẽ chia hai phần ống xoắn bình
ngưng để tính toán, phần 1 coi như môi chất trong ống ở trạng thái hơi bão
hòa toả nhiệt khi ngưng trong ống, đun nóng nước từ nhiệt độ vào tn1 = 20oC
đến nhiệt độ tn1’ < tk, phần 2 môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt toả nhiệt trong
ống tiếp tục đun nóng nước từ nhiệt độ tn1’ đến nhiệt độ nước ra tn2 = 55oC.
Nhiệt độ nước ra khỏi đoạn ống môi chất ngưng trong ống t1’ hoàn toàn

có thể xác định từ phương trình cân bằng nhiệt (2.5):
Qk1 = Gn . Cp . (tn1’ – tn1)
t n1' = t n1 +

2.2.3.1

Qk 1
3,337 x3600
= 20 +
= 50,1oC
Gn .C p
100 x 4,186

Tính toán truyền nhiệt bình ngưng cho phần hơi bão hoà

Trong phần hơi bão hoà, môi chất vào là hơi bão hoà khô, toả nhiệt và
ngưng trong ống có nhiệt độ vào t2” , môi chất ra là lỏng quá lạnh có nhiệt độ
t3, nước nóng chuyển động tự nhiên ngoài ống xoắn, coi như xấp xỉ vuông
góc với ống xoắn và có nhiệt độ vào t1 , nước nóng ra có nhiệt độ t1’.
Phương trình truyền nhiệt:
Qk1 = k1 . l1 . ∆t1

(2.11)

Trong đó:
- ∆t1 - độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa nước và môi chất,
K
- k1 - hệ số truyền nhiệt của dàn ngưng ống xoắn, W/mK
- l1 - chiều dài của phần ống xoắn có môi chất bão hoà ngưng
trong ống, m

Theo [9] có thể lấy nhiệt độ trên bề mặt ngoài vách ống đồng thấp hơn
nhiệt độ môi chất 1oC.
Thiết bị được coi là thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều, độ chênh nhiệt
độ trung bình logarit được xác định bằng:
- 18 -