Nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp máy nước nóng năng lượng mặt trời cho các khách sạn và các khu du lịch

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGÔ THỊ MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG SỬ
DỤNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI CHO CÁC KHÁCH SẠN VÀ CÁC
KHU DU LỊCH
CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THẾ BẢO .................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: NGƠ THỊ MINH HIẾU
Ngày, tháng, năm sinh: 20-01-1986

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Địa chỉ liên lạc: 231G/30 Dương Bá Trạc, Q8, Tp.HCM
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO :
Từ năm 2004 đến 2009 : Học đại học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp.HCM
Từ năm 2009 đến 2011 : Học Cao học tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM
Q TRÌNH CƠNG TÁC :
Từ năm 2009 đến 2011 : Công tác giảng dạy tại trường Cao đẳng kỹ thuật Cao
Thắng Tp.HCM


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
----------------

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGÔ THỊ MINH HIẾU. . . . . . . . . . . . . …Phái: Nữ…………..
Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1986 . . . . . . . .

Nơi sinh: Quảng ngãi. . . . . . . . . . .

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MSHV: 09060398 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM
NHIỆT KẾT HỢP MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO CÁC
KHÁCH SẠN VÀ CÁC KHU DU LỊCH.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Nghiên cứu lý thuyết về bộ thu năng lượng mặt trời loại tấm phẳng và ống chân
không, lý thuyết về bơm nhiệt.
- Xây dựng phần mềm tính tốn lý thuyết hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm
nhiệt kết hợp máy nước nóng năng lượng mặt trời cơng suất lớn.
- Khảo sát cơng trình thực tế, đánh giá hiệu quả kinh tế.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05-07-2010 . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05 – 07 - 2011 . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): . . . . . . . . . . .
TS. NGUYỄN THẾ BẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP


GVHD: TS.NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những thập niên gần đây cả thế giới đau đầu về vấn đề tìm nguồn năng
lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Và năng lượng
mặt trời là nguồn năng lượng thay thế hiệu quả.
Ngày nay, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nói chung và hệ thống
nước nóng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt nói riêng ngày càng phát triển
cung cấp nước nóng cho các khách sạn, khu thương mại, chung cư cao cấp…nơi có
nhu cầu nước nóng ổn định và rất lớn. Việc tính tốn lắp đặt hệ thống sẽ giúp giảm
chi phí vận hành đáng kể so với sử dụng máy nóng lạnh dung điện gia nhiệt nước
trực tiếp.
Đó chính là lý do tác giả chọn đề tài này, trong luận văn tác giả đã nghiên
cứu lý thuyết và khảo sát cơng trình thực tế và mong muốn làm cơ sở để phát triển
hệ thống nhiều hơn nữa trong thực tế tại Việt Nam.

HVTH: NGUYỄN DUY TUỆ


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể, cá nhân đã giúp đỡ tận tình để luận

văn này được hoàn thành:
- Thầy TS.Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tác giả trong thời gian
làm luận văn.
- Các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình trong việc giảng dạy cho tác giả trong thời
gian học tập tại trường.
- Tập thể nhân viên phòng kỹ thuật khách sạn Đệ Nhất
- Tập thể giáo viên Bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Cao đẳng kỹ thuật Cao
Thắng.
- Các bạn đồng nghiệp đã nhiệt tình trao đổi, góp ý và cung cấp thơng tin tư liệu liên
quan đến luận văn.

Tác giả

Ngơ Thị Minh Hiếu

HVTH: NGƠ THỊ MINH HIẾU

Trang 1


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

MỤC LỤC
Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề........................................................................................................ 6

1.2.

Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 7

1.3.

Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 7

1.4.

Giới hạn đề tài ................................................................................................. 7

Chương 2: TỔNG QUAN
2.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta....................... 8
2.2. Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam .......................................................... 11
2.3. Khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu .......................................................... 11
2.4. Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới............. 15
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời ............................................................ 18
3.2. Lý thuyết tính tốn collector................................................................................ 21
3.3. Lý thuyết tính tốn bơm nhiệt ............................................................................. 45
Chương 4: TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG
BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM NHIỆT CƠNG SUẤT LỚN
4.1.Đặc điểm khí hậu của Việt Nam và tiềm năng ứng dụng hệ thống sản xuất nước nóng
bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cơng suất lớn....................................... 48
4.2. Đặc điểm khí hậu tại thành phố Hồ Chí Minh .................................................... 49
4.3. Khả năng ứng dụng hệ thống tại phố Hồ Chí Minh ............................................ 50
Chương 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN
5.1. Mơ tả khái qt chương trình tính tốn. .............................................................. 52
5.2. Xây dựng chương trình tính tốn cho hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng

mặt trời kết hợp bơm nhiệt sử dụng bộ thu tấm phẳng .............................................. 53

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 2


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

5.3. Xây dựng chương trình tính tốn cho hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng
mặt trời kết hợp bơm nhiệt sử dụng bộ thu ống chân không...................................... 61
5.4.Kết quả.................................................................................................................. 65
Chương 6: KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
KINH TẾ
6.1. Giới thiệu khái qt cơng trình khảo sát ............................................................. 102
6.2. Kết quả khảo sát .................................................................................................. 107
6.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế.................................................................................... 118
KẾT LẬN .................................................................................................................. 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 123

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 3


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng đóng vai trị hết sức quan trọng trong đời sống con người, quyết định đến
sự phát triển của xã hội. Vấn đề sử dụng năng lượng hiện nay không chỉ là vấn đề của mỗi
quốc gia mà là của cả nhân loại.
Nguồn năng lượng hóa thạch cung cấp hơn 80% nhu cầu năng lượng cho sự phát triển
kinh tế. Tuy nhiên nguồn năng lượng này bộc lộ nhiều nhược điểm như: không thể tái tạo
được và gây ra vấn đề về môi trường đặc biệt nghiêm trọng. Theo như dự đốn của các
nhà khoa học, nguồn năng lượng hóa thạch sẽ cạn kiệt trong thời gian tới. Do đó ngay từ
bây giờ chúng ta phải tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế cho nguồn năng lượng
này. Bên cạnh đó, sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng phát sinh những vấn đề về
môi trường: sự phát thải CO2 (khí thải do đốt các nhiên liệu hóa thạch: than, dầu mỏ, khí
thiên nhiên…) gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu theo chiều hướng xấu ảnh
hưởng đến cuộc sống con người. Đây là vấn đề được cả thế giới quan tâm, điều đó càng
thơi thúc các nhà khoa học tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế.
Những nguồn năng lượng mới từ thiên nhiên sẽ góp phần giải quyết những vấn đề
nêu trên. Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu, đưa vào ứng dụng các nguồn năng
lượng mới: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng đại
dương…. Tuy nhiên, những ứng dụng hiện nay chưa phát huy hết tìm năng của những
nguồn năng lượng vô biên này. Trong thời điểm hiện nay, một trong những nguồn năng
lượng mới được quan tâm nhiều nhất chính là năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng
mặt trời để biến đổi thành điện năng, nhiệt năng… phục vụ cho đời sống con người.
Như chúng ta đã biết, mức tiêu thụ năng lượng ở nước ta tương đối cao, chỉ nói riêng
nguồn điện năng sản xuất ra không đủ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cũng như sản xuất. Do
đó, để giải quyết vấn đề này, ngoài việc sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng chúng ta
cịn phải tìm cách thay thế tồn bộ hoặc một phần những thiết bị sử dụng năng lượng điện
bằng nguồn năng lượng mặt trời.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 4


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ở nước ta, nhu cầu sử dụng nước nóng tại các khách sạn hay các khu nghỉ dưỡng là rất
lớn. Việc sử dụng điện năng để gia nhiệt nước nóng làm cho chi phí vận hành hàng năm
tăng cao. Vì thế phương án đề ra để khắc phục điều này là sử dụng năng lượng mặt trời
gia nhiệt cho nước. Tuy nhiên, nguồn nhiệt từ mặt trời thay đổi theo giờ trong ngày, theo
tháng trong năm, trong khi đó nhu cầu về nước nóng ở các khách sạn, khu nghỉ dưỡng yêu
cầu rất lớn và ổn định. Vì vậy, cần có sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và bơm nhiệt
để đáp ứng nhu cầu trên.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 5


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề:
Ngày nay, cả thế giới đang lâm vào cuộc đấu tranh gây gắt về chiếm giữ các nguồn
năng lượng. Do sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng không thể tái sinh như than đá, dầu
mỏ sẽ đẩy thế giới lâm vào tình trạng thiếu năng lượng trầm trọng trong một thời gian
không xa. Sự tăng cường hoạt động kinh tế kèm theo sự phát triển dân số buộc các quốc

gia phải phát triển mạnh ngành năng lượng.
Cùng với việc nguồn năng lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, thế giới đang đối mặt với
vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng gây nên hiện tượng biến đổi khí hậu tồn cầu.
Chính vì thế việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch là
vấn đề cấp thiết hiện nay. Thế giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Theo bách
khoa toàn thư: năng lượng tái tạo, hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn
liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Trong các nguồn năng lượng tái tạo
có thể nói nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, có thể sản xuất điện
năng hay nước nóng.
Việt Nam cũng khơng tránh khỏi tình trạng chung về năng lượng của thế giới. Hiện
nay, nhà nước đang kêu gọi tiết kiệm năng lượng. Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng
tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống. Các nước trên thế giới đang phát triển
mạnh mẽ lĩnh vực điện mặt trời cũng như sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời
như Mỹ, Đức, Pháp, Tây Ban Nha, Trung Quốc… Ở Việt Nam tuy chúng ta chỉ mới ứng
dụng công nghệ mới này cách đây không lâu nhưng cũng thế hiện được tiềm năng rất lớn,
đặc biệt là cơng nghệ sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời.
Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn, đặc
biệt là ở thành phố Hồ Chí Minh, nơi mà nhu cầu sử dụng nguồn nước nóng rất lớn phục
vụ khơng chỉ cho hộ gia đình mà cịn cho các khách sạn, chung cư cao cấp, khu nghỉ
dưỡng. Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng thay cho
các phương thức cũ như dùng điện trở, lị hơi… có ý nghĩa hết sức to lớn. Tuy nhiên, đối

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 6


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

với nơi có nhu cầu cung cấp lượng nước nóng lớn như các khách sạn, khu nghĩ dưỡng thì
việc chỉ sử dụng năng lượng mặt trời cũng có nhược điểm đó là phụ thuộc vào thời tiết vì
vậy cần có phương án hỗ trợ khi lượng nước nóng khơng đủ đáp ứng nhu cầu. Đó cũng
chính là lý do em chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử
dụng bơm nhiệt kết hợp máy nước nóng năng lượng mặt trời cho các khách sạn và các
khu du lịch”
1.2 Nội dung nghiên cứu:
Nghiên cứu ứng dụng hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cung cấp
nước nóng cho các khách sạn và các khu du lịch:
-

Lý thuyết bức xạ mặt trời

-

Lý thuyết bộ thu năng lượng lượng mặt trời (solar collector)

-

Lý thuyết bơm nhiệt (heat pump)

-

Khảo sát và đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống

-

Viết chương trình tính tốn kiểm tra.

1.3 Phương pháp nghiên cứu:
- Khảo sát thực nghiệm
- Phân tích
- Đánh giá
1.4 Giới hạn đề tài
Trong đề tài này tác giả không đi sâu nghiên cứu lý thuyết về các loại bộ thu mà chỉ
giới hạn hai loại bộ thu là bộ thu tấm phẳng và bộ thu ống chân không. Khu vực nghiên
cứu ứng dụng là khách sạn, khu du lịch tại thành phố Hồ Chí Minh.

HVTH: NGƠ THỊ MINH HIẾU

Trang 7


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chương 2: TỔNG QUAN
2. 1.Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta:
2.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới:
* Tình hình năng lượng thế giới:
Vào đầu thế kỷ thứ 21 thế giới đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt.
Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất chính là sự khủng hoảng về năng lượng.
Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24
năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên tồn thế giới có thể
tăng thêm 54% (ước tính khoảng 404 nghìn triệu triệu Btu năm 2001 tới 623 nghìn triệu
triệu Btu vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang
phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.

Dân số tăng nhanh và tốc độ đơ thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu tố
ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5 tỷ
người trong năm 1993 lên tới gần 7 tỷ người vào năm 2010.
*Vài nét chung về nhu cầu năng lượng của thế giới:
Về vấn đề này, có 3 điểm chúng ta cần lưu ý. Một là, nhu cầu về năng lượng của
thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Thứ hai là, nguồn năng lượng
HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 8


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2010. Thứ ba là, nhu
cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau.

Tài liệu của Cơ quan Thông tin Năng lượng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ
tất cả các nguồn năng lượng đang có xu hướng tăng nhanh. Các nguồn năng lượng hóa
thạch trên thế giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là những vấn đề môi trường nảy sinh trong
quá trình khai thác đã dẫn đến việc khuyến khích sử dụng năng lượng để giảm bớt sự ô
nhiễm môi trường và tránh gây cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nhưng do chưa có
những điều luật cụ thể về vấn đề này, nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên vẫn được coi
là nguồn nhiên liệu chủ yếu để nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng lượng và chính điều
đó sẽ dẫn đến sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch trong một thời gian khơng xa. Hình
dưới đây sẽ minh họa tình hình tiêu thụ năng lượng cơ bản của thế giới phân theo nguồn
năng lượng từ năm 1970-2025.
Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn

đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu. Đây là vấn đề mà cả thế giới
đang rất quan tâm. Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng
hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 9


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Bảng: Tiêu thụ nhiên liệu khống trên tồn thế giới
thời kỳ 1950 – 2003 (triệu tấn dầu quy đổi)
Năm

Than đá

Dầu mỏ

Khí thiên nhiên

1950

1074

470

171

1960

1544

951

416

1970

1553

2254

924

1980

1814

2972

1304

1990

2270

3136

1774

2000

2217

3519

2158

2002

2304

3756

2412

2003

2398

3987

2675

2.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Việt Nam:
Theo một báo cáo của Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương), vào tháng 8
năm nay, nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần. Than chỉ còn 3,88 tỷ

tấn; dầu cịn 2,3 tỷ tấn… Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ
cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn
dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm. Tại Việt Nam, các nguồn
năng lượng tự nhiên này có thể cịn hết trước thế giới một vài chục năm. Trong bối cảnh
HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 10


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải
nhập khoảng 12%-20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt
nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa
vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc
vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác
động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Điện hạt nhân cịn đang trong q trình chuẩn bị
phương

án…

              Về xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, dự tính khi nhà máy lọc dầu
Dung Quất đưa vào sử dụng năm 2009-2010, mới chỉ cung cấp được khoảng trên 5 triệu
tấn xăng dầu cho giao thông vận tải trong tổng số nhu cầu 15-17 triệu tấn, vẫn phải nhập
trên 10 triệu tấn. Đến năm 2020, khi đưa tiếp 2 nhà máy lọc dầu vào hoạt động chúng ta
có chừng 15-16 triệu tấn xăng dầu trong tổng nhu cầu 30-35 triệu tấn. Vẫn phải nhập ít
nhất 15 triệu tấn! Rõ ràng, hiện nay chúng ta chưa tự chủ được nhiều trong vấn đề năng
lượng. Trong khi đó, những tác động của thiếu điện hay tăng giá xăng đều ảnh hưởng xấu

lập tức đến nền kinh tế.
Mặc dù chúng ta là nước đang phát triển nhưng cũng khơng nằm ngồi xu hướng
chung của thế giới. Ước tính nhu cầu năng lượng trung bình đến năm 2020 là 53,6 triệu
TOE, riêng nhu cầu điện là 168 tỷ kWh.
2.2. Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam:
Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta là rất lớn không chỉ trong ngành dịch vụ du lịch
mà cả các ngành công nghiệp.
Nhu cầu sử dụng nước nóng trong sinh hoạt, trong sản xuất rất lớn, tuy nhiên điều
đáng nói là nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình gia nhiệt thường là điện năng ( bình
nước nóng trong sinh hoạt), năng lượng hóa thạch cấp nhiệt cho q trình sản xuất nước
nóng phục vụ trong các ngành công nghiệp.
Những năm gần đây, một số hộ gia đình cũng như các khách sạn đã thay thế hệ thống
nước nóng cũ để sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời cũng như có nhiều dự án
lớn lắp đặt hệ thống sản xuất nước nóng kết hợp năng lượng mặt trời và bơm nhiệt.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 11


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

2.3. Khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu:
Hiện nay, ở phạm vi hộ gia đình thường sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt
trời hay máy nước nóng bằng bơm nhiệt.
Máy nước nóng bằng bơm nhiệt:
Làm nước nóng theo cơng nghệ bơm nhiệt giúp chúng ta tiết kiệm được 80% điện
năng so với khi sử dụng bình nước nóng dùng sợi đốt bằng điện.

Với chu trình bơm nhiệt, hệ số làm nóng được tính bằng cơng thức:
φ = Qk/W = 3 ÷ 4 (*)
Trong đó: φ: hệ số làm nóng
Qk: nhiệt lượng thải ra tại thiết bị ngưng tụ, (kW)
W: Công cấp cho máy nén (kW)
Chúng ta dể dàng thấy rằng: Với 1kW điện có thể sinh ra từ 3 ÷ 4 kW nhiệt, do đó
bình nước nóng bằng nhiệt tiết kiệm hơn rất nhiều so với bình nước nóng dùng sợi đốt
bằng điện (1kW điện tối đa sinh ra 1 kW nhiệt).

Hình 1: Sơ đồ ngun lý máy nước nóng bằng bơm nhiệt

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 12


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 2: Bình nước nóng bằng bơm nhiệt.
Ưu điểm của máy nước nóng bằng bơm nhiệt so với sử dụng bình nước nóng bằng
năng lượng mặt trời là có thể cung cấp nước nóng ổn định khơng phụ thuộc vào thời tiết.
Tuy nhiên, nếu áp dụng sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt ở những nơi có nhu cầu cao
như các khách sạn, nhà nghỉ, các khu nghỉ dưỡng thì lượng điện năng tiêu thụ khá lớn.

Hình 3: Biểu đồ so sánh về năng lượng giữa máy nước nóng bằng bơm nhiệt và
máy nước nóng năng lượng mặt trời vào những ngày khơng nắng.
Máy nước nóng năng lượng mặt trời:

HVTH: NGƠ THỊ MINH HIẾU

Trang 13


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 4: Sơ đồ sản xuất nước nóng dùng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có thể nói là nguồn năng lượng vô tận, sử dụng nguồn năng
lượng này để sản xuất nước nóng chúng ta có thể tiết kiệm được chi phí vận hành.

Hình 5: Biểu đồ so sánh chi phí sản xuất nước nóng bằng giữa nguồn năng lượng khác
nhau với nguồn năng lượng mặt trời.
HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 14


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trên đây là những ưu điểm của năng lượng mặt trời trong việc ứng dụng sản xuất
nước nóng. Tuy nhiên, để ứng dụng vào những nơi có nhu cầu nước nóng cao và ổn định
lại gặp khó khăn do nguồn năng lượng nhiệt từ mặt trời lại phụ thuộc vào thời tiết.
Do dó việc kết hợp năng lượng mặt trời và bơm nhiệt để sản xuất nước nóng cho
những nơi có nhu cầu cao là một giải pháp có tính khả quan cao. Với việc kết hợp này có
thể khắc phục được nhược điểm của hai hệ thống vừa phân tích ở trên.

Sau đây là một số kiểu kết hợp giữa năng lượng mặt trời và bơm nhiệt để sản xuất
nước nóng:

Hay:

Hình 6: Một số kiểu kết hợp giữa năng lượng mặt trời và bơm nhiệt để sản xuất nước
nóng.
2.4. Khái qt tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới:
Ở trong nước:

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 15


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ở nước ta tuy việc tiếp cận với công nghệ sản xuất nước nóng bằng năng lượng
mặt trời chỉ trong thời gian gần đây, song chúng ta đã đi tắt đón đầu. Hiện nay, đã có một
số nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng phù hợp trong điều kiện ở nước ta.
Một số trung tâm nghiên cứu đi đầu trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng
mặt trời để sản xuất nước nóng như:
-

RECTERE – Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới, đại học
bách khoa Tp Hồ Chí Minh: đây là nơi đã có những nghiên cứu và ứng dụng
đạt hiệu quả cao.

-

Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao cơng nghệ, đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp
Hồ Chí Minh.

-

Các trung tâm tiết kiệm năng lượng: tư vấn thiết kế các hệ thống sử dụng bơm
nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng…

Ở ngồi nước:
Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, bơm nhiệt hay kết hợp giữa năng lượng mặt
trời và bơm nhiệt để sản xuất nước nóng được ứng dụng từ rất sớm và rộng rãi ở các nước
trên thế giới như Mỹ, Úc, Nhật bản.
Một số nước ở Đông Nam Á đã ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt
để sản xuất nước nóng từ khá sớm và rộng rãi như: Singapo, Thái Lan…

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt
được lắp đặt tại khách sạn Royal Orchid Sheraton, Thái Lan.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 16


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 8 : Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt được lắp đặt

tại khách sạn Royal Orchid Sheraton.

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 17


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời:
™ Tính tốn năng lượng mặt trời:
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố: góc
nghiêng của các ta sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của
các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa
phương từ điểm quan sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố
cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng
đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp
thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:
360n ⎞
⎛
2
Eng = E0 ⎜1 + 0,033 cos
⎟ , W/m
365 ⎠
⎝

(1)[4]

Trong đó, Eng là bức xạ ngồi khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với tia
bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
™ Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ:
Một số khái niệm:
-

Hệ số khối khơng khí m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ
truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở
thiên đỉnh)

-

Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự sự
phát tán của bầu khí quyển.

-

Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ
trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

-

Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt
tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm
cường độ bức xạ trực xạ Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ
quang phổ Eqp

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 18


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian.

-

Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời,
với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát.

-

Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường
xích đạo trái đất, với hướng phái bắc là hướng dương.

-

900 ≤ φ ≤ 900

-

Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phương nằm ngang.

0 ≤ β ≤ 1800
(β >900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
-

Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt
phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến.

-1800 ≤ γ ≤ 1800
- Góc giị mặt trời ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc phía tây
của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá
trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy (-), buổi chiều lấy đấu (+)

Hình 9 : Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
-

Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.

HVTH: NGƠ THỊ MINH HIẾU

Trang 19


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Góc thiên đỉnh θZ : góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
trong trường họp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.

-

Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là
góc phụ của góc thiên đỉnh.

-

Góc phương vị γ (Azimuth angle): là góc trong mặt phẳng ngang được đo từ trục
phương Nam đến hình chiếu trên mặt ngang của tia mặt trời. Góc này lấy dấu (-)
nếu hình chiếu lệch về phía đơng và lấy dấu dương nếu lệch về phía tây.

-

Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giị mặt trời là 12 giờ so với mặt
phẳng xích đạo trái đất, với hướng phái bắc là hướng dương.
-23,450 ≤ δ ≤ 23,450

Góc lệch δ có thể tính tốn theo phương trình Cooper:
δ = 23,45 sin(360

284 + n
)
365

(2)[4]

Trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa
góc tới θ và các góc khác như sau:
Cosθ = sinδ.sinθ.cosβ - sin δ . cos φ . sin β . cos γ + cos δ . cos φ . cos β . cos ω
+ cos δ . sin φ . sin β . cos γ . cos ω + cos δ . sin β . sin γ . sin ω

(3)[4]

Và cosθ = cosθ z . cos β + sin θ z . sin β . cos(γ s − γ )
Trong đó: cos θ z = cos φ . cos δ . cos ω + sin φ . sin δ

(4)[4]

Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngồi khí quyển
được xác định theo phương trình:
360n ⎞
⎛
E0,ng = E0 ⎜1 + 0,033. cos
⎟ cos θ z
365 ⎠
⎝

(5)[4]

Năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:

HVTH: NGÔ THỊ MINH HIẾU

Trang 20