Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------- NGUYỄN DUY THẮNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ CHO HỘ GIA ĐÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Người hướng dẫn 1: PGS.TS Trần Gia Mỹ Người hướng dẫn 2: GS.TS Nguyễn Đức Lợi Hà Nội - 2017 Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa Học & Công Nghệ Nhiệt Lạnh. Tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới GS.TS.Nguyễn Đức Lợi và PGS.TS.Trần Gia Mỹ, đã luôn tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như công việc và đã rất tận tình hướng dẫn, giảng giải, chỉ bảo và bổ sung cho tôi rất nhiều kiến thức, kỹ năng chuyên nghành, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Để không những tôi đã hoàn thành luận văn tốt mà còn cảm nhận được các thầy là những nhà khoa học chân chính, nhiệt tình, trách nhiệm, thương mến và giàu tình cảm đối với học trò của mình, các thầy có những kho tàng kiến thức thật sự uyên thâm và rộng lớn. Để lại cho thế hệ sau chúng tôi sự ngưỡng mộ và kính trọng. Tôi cũng xin cảm ơn quý thầy, cô trong Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức cũng như giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy, cô và gia đình luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người cao quý. Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Duy Thắng Nguyễn Duy Thắng i Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung đề tài do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. TS Nguyễn Đức Lợi và PGS. TS Trần Gia Mỹ. Các số liệu và kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa có ai thực hiện. Hà Nội, Ngày 29 tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Duy Thắng Nguyễn Duy Thắng ii Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Thứ nguyên Pe kW Công suất điện máy nén tiêu thụ Qo kW Năng suất nhiệt dàn lạnh Qk kW Năng suất nhiệt dàn ngưng U V Điện áp I A Dòng điện to o Nhiệt độ bay hơi tk o Nhiệt độ ngưng tụ C C Tên đại lƣợng 1 W/(m2K) Hệ số trao đổi nhiệt giữa MCL và ống đồng 2 W/(m2K) Hệ số trao đổi nhiệt giữa nước và ống đồng k W/(m2K) Hệ số truyền nhiệt của ống đồng A A Đồng hồ đo dòng điện V V Đồng hồ đo điện áp Wh Wh Đồng hồ đo công suất tiêu tốn điện năng Mao dẫn Cs F Tụ điện C V Đầu chung (commen) R V Đầu chạy (Run) S V Đầu khởi động ( Start) Van điện từ Phin lọc Nguyễn Duy Thắng iii Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội BẢNG CHỮ VIẾT TẮT COP Hệ số hiệu quả năng lượng R22 Gas lạnh (Môi chất lạnh) MN Máy nén Q Quạt dàn ngưng T1 Senso cảm ứng nhiệt độ tại dàn lạnh T2 Senso bình nước nóng VCD ĐT ϵ Nguyễn Duy Thắng Van chuyển dòng Van điện từ Tiền tiết kiệm iv Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió ........... 4 Hình 1.2. Hiệu quả năng lượng trung bình của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió ........................................................................................................... 6 Hình 1.3. Biểu đồ dự đoán hệ số bơm nhiệt φ hay COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ ngưng tụ và hiệu nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi .................................. 6 Hình 1.4. Bơm nhiệt gió- gió ATA ................................................................. 11 Hình 1.5. Bơm nhiệt gió – nước ATW ........................................................... 11 Hình 1.6. Bơm nhiệt nước – gió WTA ........................................................... 12 Hình 1.7. Bơm nhiệt nước – nước WTW........................................................ 13 Hình 1.8. Bơm nhiệt nóng lạnh ....................................................................... 14 Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt nóng lạnh cải tạo từ hệ thống lạnh NH3 ......................................................................................................................... 15 Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống đun nước nóng ..................................................... 21 Hình 1.11. So sánh tiêu thụ điện giữa các phương án đun nước nóng khác nhau. ................................................................................................................ 22 Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sản xuất nước nóng.với dàn ngưng tụ kiểu ống xoẳn ruột gà đặt trong bình chứa...................................................... 25 Hình 2.1a. Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều hoạt động chế độ làm mát. ............... 29 Hình 2.1b. Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều chế độ sưởi ấm................................. 29 Hình 2.2a Giới thiệu dòng môi chất chuyển động cho chế độ làm lạnh. ....... 31 Hình 2.2b. Sưởi ấm ......................................................................................... 32 Hình 2.2c. Đun nước ....................................................................................... 32 Hình 2.2d. Làm lạnh và đun nước................................................................... 33 Hình 2.3: Chu trình tiêu chuẩn cho điều hòa không khí phòng RAC ............. 34 Hình 2.4: Chu trình bơm nhiệt đun nước nóng ............................................... 37 Hình 2.5: Đồ thị thể hiện độ chênh nhiệt độ của bình nước nóng .................. 43 Nguyễn Duy Thắng v Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hình 2.6: Thể hiện bình đun nước nóng có đường ống gas vào, ra và đường nước vào, ra ..................................................................................................... 44 Hình 2.7: Thể hiện đường ống dẫn gas bên trong bình đun nước nóng ......... 45 Hình 2.8: thể hiện đường kính của cuộn ống đồng ......................................... 45 Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo bình đun nước nóng.................................................. 46 Hình 2.10 Bình chứa nước nóng ..................................................................... 48 Hình 3.1 giới thiệu về van điện từ và bộ chia ống. ......................................... 49 Hình 3.2 Van chuyển dòng.............................................................................. 50 Hình 3.3 Mạch động điện của máy điều hòa. ................................................. 52 Hình 3.4a. Sơ đồ mạch điện điều khiển của máy điều hòa 2 chiều ................ 54 Hình 3.4b Khối nguồn trong mạch bảng mạch điều khiển máy điều hòa hai cụm hai chiều .................................................................................................. 55 Hình 3.5. Mạch điện chọn chế độ làm việc của bơm nhiệt đa năng ............... 57 Hình 3.6: Sơ đồ điện thiêt bị bơm nhiệt đa năng ............................................ 58 Hình 3.7: Giới thiệu máy đo nhiệt độ ............................................................. 59 Hình 3.8: Giới thiệu thiết bị đo nhiệt độ nước trong bình nước nóng ............ 60 Hình 3.9: Giới thiệu máy phát hiện dò khí gas ............................................... 60 Hình 3.10: Đồng hồ vạn năng ......................................................................... 61 Hình 3.11: Giới thiệu đồng hồ đo dòng điện của thiết bị ............................... 61 Đồ thị 3.1a: Hiển thị kết quả đo lần 1 ............................................................. 63 Đồ thị 3.1b: Hiển thị kết quả đo lần 2 ............................................................. 64 Đồ thị 3.1c: Hiển thị kết quả đo lần 3 ............................................................. 65 Hình 3.12: Hình ảnh thực nghiệm 1 ................................................................ 65 Hình 3.13: Hình ảnh thực nghiệm 2 ................................................................ 66 Hình 3.14: Hình ảnh thực nghiệm 3 ................................................................ 67 Hình 3.15: Hình ảnh thực nghiệm khi máy đã được lắp thêm van chuyển dòng và van vặn tay thay cho van điện từ. ............................................................... 68 Nguyễn Duy Thắng vi Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Giới thiệu phân loại các dạng bơm nhiệt khác nhau. ....................... 9 Bảng 1.2. Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng .................. 17 Bảng 1.3. Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp. ...... 18 Bảng 1.4. Một số khả năng sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt thải ở các nguồn nhiệt thải ............................................................................................... 20 Bảng 2.1: Điều kiện của chế độ tiêu chuẩn cho điều hòa không khí RAC ..... 34 Bảng 2.2: Giá trị các điểm của chu trình......................................................... 35 Bảng 2.3. Các giá trị chu trình tính theo bảng 2.2 .......................................... 36 Bảng 2.4: Điều kiện của chế độ bơm nhiệt đun nước nóng ............................ 37 Bảng 2.5: Giá trị các điểm của chu trình......................................................... 38 Bảng 2.6: Giá trị tính toán chu trình nhiệt đun nước nóng ............................. 38 Bảng 2.7: Bảng tra các thông số của c và m theo Ra ...................................... 40 Bảng 3.1a: Kết quả đo thực nghiệm lần 1 ....................................................... 62 Bảng 3.1b: Kết quả đo thực nghiệm lần 2....................................................... 63 Bảng 3.1c: Kết quả đo thực nghiệm lần 3 ....................................................... 64 Nguyễn Duy Thắng vii Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ ii BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................iii BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................. v DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................vii MỤC LỤC ..................................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT ĐUN NƢỚC NÓNG .............. 4 1.1 Tổng quan về bơm nhiệt .......................................................................... 4 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ......................... 20 1.3. Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................ 26 1.4. Mục tiêu của đề tài ............................................................................... 26 1.5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 26 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 26 1.7. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 26 CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG THIẾT BỊ BƠM NHIỆT ĐUN NƢỚC NÓNG ............................................................................................................ 28 2.1. Sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa không khí General ........................ 28 2.2. Cải tạo máy điều hòa 2 cụm 2 chiều có thêm chế độ đun nước nóng .. 29 2.2.1. Chế độ làm lạnh .............................................................................. 30 2.2.2. Chế độ sưởi ấm ............................................................................... 31 2.2.3 Chế độ đun nước .............................................................................. 32 2.2.4. Chế độ làm lạnh và đun nóng ......................................................... 33 2.3. Tính toán chu trình điều hòa không khí ............................................... 33 2.4. Tính chu trình bơm nhiệt đun nước nóng ............................................. 36 2.5. Tính toán bình đun nước nóng ............................................................. 39 Nguyễn Duy Thắng 1 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội 2.6.Thiết kế bình nước nóng........................................................................ 43 2.7. Tính toán cách nhiệt ............................................................................. 46 CHƢƠNG 3: LẮP RÁP, VẬN HÀNH, CHẠY THỬ & THỰC NGHIỆM .. 49 3.1. Lắp ráp và thi công ............................................................................... 49 3.1.1. Chuẩn bị vật tư như đã thiết kế, cải tạo thêm vào máy .................. 49 3.1.2. Một số hình ảnh thiết bị lắp thêm khi cải tạo lại hệ thống để đun nước nóng ................................................................................................. 49 3.1.3 Kĩ thuật hàn ống đồng ..................................................................... 50 3.1.4. Lắp ráp ( Hút chân không nạp dầu nạp gas) ................................... 50 3.2. Các thiết bị điện trong máy điều hòa nguyên bản ................................ 52 3.3. Vận hành, chạy thử ............................................................................... 52 3.4. Giới thiệu mạch điện điều khiển ĐHKK một pha, hai chiều ............... 54 3.5. Sơ đồ mạch điện điều khiển chế độ làm việc của bơm nhiệt đa năng . 57 3.6. Bố trí thiết bị đo.................................................................................... 57 3.7. Kết quả chạy thử thiết bị thực nghiệm. ................................................ 62 3.8. Một số hình ảnh thực nghiệm ............................................................... 65 3.9. Đánh giá hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt đa năng ............................... 68 3.9.1. Đun nước nóng mùa đông .............................................................. 68 3.9.2. Đun nước kết hợp với làm lạnh phòng ........................................... 69 3.9.3. Đo đạc thực tế ................................................................................. 70 3.10. Tính toán tổng tổn thất nhiệt thường xuyên cho bình đun nước nóng71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 73 A.Kết luận.................................................................................................... 73 B. Kiến nghị................................................................................................. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 74 Nguyễn Duy Thắng 2 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội LỜI NÓI ĐẦU Dân số thế giới càng tăng, kinh tế thế giới càng phát triển thì tiêu thụ năng lượng ngày càng nhiều. Các nguồn năng lượng hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên của thế giới là hữu hạn. Vì vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng được toàn thế giới quan tâm. Trong tương lai gần, con người phải nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo để bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng sơ cấp hóa thạch. Bơm nhiệt sẽ đóng góp vai trò quan trọng trong việc tận dụng nhiệt để giảm tiêu tốn nguồn năng lượng sơ cấp. Mặt khác, bơm nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi vào các mục đích sưởi ẩm phòng vào mùa đông, làm mát vào mùa hè, đun nước .. Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Cũng vì vậy mà các đề tài nghiên cứu tái tạo, phát triển để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng. Trong đó, bơm nhiệt cũng đã và đang được nghiên cứu ngày càng nhiều. Ở đề tài này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình, qua đó đã cải tạo thành công từ máy điều hòa không khí phòng để có thêm chức năng đun nước nóng. Nguyễn Duy Thắng 3 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT ĐUN NƢỚC NÓNG 1.1 Tổng quan về bơm nhiệt Lịch sử phát triển Năm1834, Perkin (người Anh) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh. Năm 1852, William Thomson, còn gọi là Lord Kelvin (cũng người Anh) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về bơm nhiệt trên thế giới. Mục đích sử dụng bơm nhiệt này là để sưởi ấm phòng vào mùa đông. Chu trình làm việc của bơm nhiệt giống như của máy lạnh. Đó là chu trình nhiệt động ngược chiều. Khác nhau giữa tên gọi máy lạnh bà bơm nhiệt chỉ là do mục đích sử dụng. Ở máy lạnh, người ta sử dụng nguồn lạnh ở dàn bay hơi, còn ở bơm nhiệt người ta sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở dàn ngưng tụ để sưởi ấm hoặc đun nước nóng. Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt đun nước nóng. Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió Bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió là một trong những loại bơm nhiệt gia dụng phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt do tính nhỏ gọn, hiệu suất cao và khả năng tự Nguyễn Duy Thắng 4 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội động hóa cao của chúng. Bơm nhiệt nguồn gió gồm 4 bộ phận chính là máy nén, bình đun nước nóng có dàn trao đổi nhiệt, van tiết lưu và dàn bay hơi thu nhiệt từ không khí. Bốn bộ phận chính này được kết nối với nhau hợp lý bằng đường ống thành một hệ thống kín. Bên trong hệ thống nạp môi chất lạnh, thường là freon, để vận chuyển nhiệt từ môi trường không khí vào bình đu nước nóng. Môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhờ sự làm việc của máy nén. Ở dàn bay hơi, môi chất sôi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp để thu nhiệt của môi trường, sau đó được máy nén nén lên áp suất cao đẩy vào dàn ngưng tụ đặt trong bình đun nước nóng. Tại đây, môi chất truyền nhiệt cho nước để ngưng tụ lại ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Lỏng ngưng sau đó được tiết lưu xuống áp suất thấp và nhiệt độ thấp, trở lại vào dàn bay hơi, khép kín vòng tuần hoàn trong hệ thống bơm nhiệt. Hiệu suất bơm nhiệt COP Hiệu suất bơm nhiệt là yếu tố quyết định khả năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp của bơm nhiệt. Chính vì vậy, COP của bơm nhiệt là yếu tố quyết định đối với việc có nên xây dựng công trình bơm nhiệt hay không. Theo kinh nghiệm, một công trình bơm nhiệt chỉ có hiệu quả kinh tế khi hiệu suất bơm nhiệt đạt từ 2,5 trở lên. [1] Với bằng phát minh của mình, Kelvin về lý thuyết đã chứng minh rằng, với nguồn lạnh 17oC và nguồn nóng 27oC dùng để sưởi ấm, hiệu suất bơm nhiệt COP (Coefficient of Performance) của ông lên đến 30. Nghĩa là khi tiêu tốn 1 kWh điện qua bơm nhiệt có thể thu được tới 30 kWh nhiệt để sưởi ấm hoặc đun nước nóng. Tuy nhiên, do trình độ khoa học công nghệ thời đó chưa cao, do giá thành của bơm nhiệt khi đó còn khá cao và đòi hỏi trình độ vận hành nhất định, do giá nhiên liệu khi đó còn khá rẻ..., nên bơm nhiệt chưa được chú ý phát triển. Trải qua các cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1972 và 2008, với sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, bơm nhiệt ngày nay đã đang bước vào một thời kỳ phát triển vô cùng rực rỡ. Hình 1.2 giới thiệu hiệu suất COP thông thường của bơm nhiệt trung bình đun nước nóng gia dụng nguồn gió. Nguyễn Duy Thắng 5 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hình 1.2. Hiệu quả năng lượng trung bình của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió Theo các nghiên cứu của Trung Quốc và Nhật Bản thì hiệu quả năng lượng trung bình COP của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió gia dụng, nhiệt độ nước nóng 50oC là khoảng 4[1]. Vào mùa đông khi nhiệt độ ngoài nhà giảm thì COP giảm 3 thậm chí 2, ngược lại vào mùa hè khi nhiệt độ ngoài nhà tăng thì COP tăng đến 5 hoặc 6 thậm chí đến 7[1]. Trên thực tế, hiệu suất bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ ngưng tụ tk và độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi Δt = tk - to. Nhiệt độ ngưng tụ càng cao và độ chênh nhiệt độ càng thấp thì COP của bơm nhiệt càng cao. Hình 1.3 giới thiệu biểu đồ dự đoán COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ ngưng tụ và độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi. Hình 1.3. Biểu đồ dự đoán hệ số bơm nhiệt φ hay COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ ngưng tụ và hiệu nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi Nguyễn Duy Thắng 6 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Các đường nét đứt phía trên biểu diễn hệ số bơm nhiệt của chu trình lý thuyết Carnot. Hệ số chu trình Carnot chỉ phụ thuộc tk và to. Các đường nét liền phía dưới là hệ số bơm nhiệt của chu trình thực. Đường nét liền phía trên là chu trình thực với nhiệt độ ngưng tụ là 60oC còn đường nét liền phía dưới là chu trình thực với nhiệt độ ngưng tụ là tk = 20oC. Với nhiệt độ ngưng tụ từ 20 đến 60oC, ta có thể nội suy từ các đường trên. Tuy nhiên nhiệt độ ứng dụng của bơm nhiệt sưởi ấm và đun nước nóng thường từ 50 đến 55oC, nếu chọn nhiệt độ ngưng tụ cho bơm nhiệt bằng 60oC là thích hợp. Tỷ số giữa hệ số bơm nhiệt thực và lý thuyết được gọi là hiệu suất exergy hay độ hoàn thiện chu trình ν: Khảo sát đồ thị hình 1.3 ta thấy biến thiên không nhiều từ 0,56 đến 0,59. Chính vì vậy, khi so sánh 2 chu trình bơm nhiệt về hiệu quả năng lượng có không cần dùng (có nghĩa chỉ dùng hiệu suất chu trình Carnot lý thuyết φc) mà vẫn thu được kết quả tương đối chính xác. Cũng nhờ Biểu đồ này, có thể đánh giá tương đối chính xác COP của bơm nhiệt bất kỳ dựa vào nhiệt độ ngưng tụ và độ chênh nhiệt độ ngưng tụ bay hơi. Cũng nhờ Biểu đồ này, có thể dễ dàng so sánh được COP của các phương án bơm nhiệt bất kỳ. Phân loại bơm nhiệt Như đã nói, chu trình của bơm nhiệt tương tự như chu trình máy lạnh là chu trình nhiệt động ngược chiều. Có bao nhiêu loại máy lạnh thì cũng có bấy nhiêu loại bơm nhiệt. Tương tự như trong kỹ thuật lạnh, máy lạnh nén hơi là phổ biến nhất sau đó đến các loại máy lạnh hấp thụ, mát lạnh ejector, máy lạnh nhiệt điện... thì bơm nhiệt nén hơi cũng là phổ biến nhất sau đó đến các loại bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt ejector, bơm nhiệt điện... Do bơm nhiệt nén hơi chiếm đến 95% các loại Nguyễn Duy Thắng 7 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội bơm nhiệt và do luận văn này chỉ nghiên cứu về bơm nhiệt nén hơi, nên ở đây, trong luận án này, khi nói đến bơm nhiệt có nghĩa là bơm nhiệt nén hơi. Tương tự như máy lạnh, bơm nhiệt nén hơi cũng được phân loại theo: - Môi chất lạnh sử dụng, - Kiểu máy nén (ví dụ: máy nén kín, hở, và nửa kín, pit tông, trục vít, rô to, xoắn ốc, tua bin...) - Theo cỡ năng suất bơm nhiệt cũng được chia ra loại nhỏ, trung bình, lớn và rất lớn. - Về ứng dụng, hơi khác so với máy lạnh, bơm nhiệt được phân loại theo mục đích sử dụng như sưởi, điều hòa không khí, hút ẩm, sấy, bay hơi cô đặc, chưng cất, tách chất..., cho công nghiệp, thương nghiệp hay gia dụng. - Khi người ta sử dụng đồng thời nguồn nóng và nguồn lạnh của bơm nhiệt thì khi đó bơm nhiệt được gọi là bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh. Hiệu suất sử dụng sẽ rất cao vì nó chính là tổng COP lạnh và COP nóng cộng lại, hiệu quả kinh tế gần như gấp đôi. - Theo đặc điểm cấu tạo, bơm nhiệt nén hơi đặc biệt còn được phân thành các dạng khác nhau như giới thiệu sau đây. Nguyễn Duy Thắng 8 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Các dạng bơm nhiệt ATA, ATW, WTA và WTW Các dạng bơm nhiệt được phân loại chủ yếu dựa trên nguồn lạnh (nhiệt cấp) và nguồn nóng (hữu ích) là nước hoặc không khí. Bơm nhiệt được phân làm 4 loại đó là: - Bơm nhiệt ATA (gió – gió) - Bơm nhiệt ATW (gió – nước) - Bơm nhiệt WTA (nước – gió) - Bơm nhiệt WTW ( nước – nước) Bảng 1.1. Giới thiệu phân loại các dạng bơm nhiệt khác nhau. Đặc điểm Tiếng Anh Bơm nhiệt ATA (Gió- Gió) Bơm nhiệt ATW Bơm nhiệt WTA Bơm nhiệt WTW (Gió – Nước) (Nước – Gió) ATA (Air- to- ATW (Air- to- Air) heat pump Water) heat pump Air) heat pump (Nước – Nước) WTA (Water- to- WTW (Waterto- Water) heat pump Thu nhiệt từ Thu nhiệt từ Thu nhiệt từ nước Thu nhiệt từ nước không khí môi không khí môi môi trường (nước môi trường (nước trường (Dàn bay trường (Dàn bay giếng, hồ, ao, giếng, hồ, ao, hơi trực tiếp) sông, suối hoặc sông, suối hoặc hơi trực tiếp) Dàn bay hơi Dàn ngưng tụ nước thải). Đây là nước thải). Đây là loại bình ngưng loại bình ngưng trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt giữa môi chất giữa môi chất lạnh và nước lạnh và nước Tỏa nhiệt vào Tỏa nhiệt vào Tỏa nhiệt vào Tỏa nhiệt vào không khí (Dàn nước. Bình ngưng không khí (Dàn nước. Bình ngưng tỏa nhiệt hoặc dàn ngưng ngưng tỏa nhiệt ngưng hoặc dàn trực tiếp cho tỏa nhiệt trực tiếp trực tiếp cho ngưng tỏa nhiệt không khí) cho nước không khí) trực tiếp cho nước Nguyễn Duy Thắng 9 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Ví dụ ứng dụng Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội - Sưởi ấm phòng - Sưởi ấm sàn - Sưởi ấm phòng - Sưởi ấm sàn - Sấy - Sấy - Đun nước nóng - Đun nước nóng - Hút ẩm - Hút ẩm Tên gọi theo Máy điều hòa hai Máy điều hòa hai Máy điều hòa hai Chiller hai chiều kỹ thuật điều chiều nóng lạnh chiều giải nhiệt gió chiều giải nhiệt giải nhiệt nước. hòa không khí giải nhiệt gió nước. Nguồn Nguồn nước giải đối với khí hậu nước giải nhiệt và nhiệt và cấp nhiệt Việt nam cấp nhiệt như như nước giếng, nước giếng, không phải nước không phải nước của tháp giải của tháp giải nhiệt nhiệt Khi nói bơm nhiệt ATA, ATW, WTA và WTW thì phải hiểu là máy chỉ có một chiều nóng. Các máy này chỉ thích hợp để sưởi hoặc đun nước nóng ở các vùng khí hậu ôn đới và hàn đới, không cần đến làm mát mùa hè. Tuy nhiên phần lớn ở các vùng ôn đới và nhiệt đới đều yêu cầu sưởi ấm vào mùa đông và làm lạnh vào mùa hè nên chúng thường được chế tạo theo dạng hai chiều nóng lạnh. Hình 1.4 đến hình 1.7 mô tả về nguyên lý cấu tạo và làm việc của 4 loại bơm nhiệt trên. Bởi vậy, chúng có thể là loại 1 chiều nóng hoặc hai chiều nóng lạnh. Nguyễn Duy Thắng 10 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hình 1.4. Bơm nhiệt gió- gió ATA Hình 1.5. Bơm nhiệt gió – nước ATW Nguyễn Duy Thắng 11 Cao Học 2015B Luận văn thạc sĩ khoa học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Loại này rất thích hợp cho các vùng khí hậu ôn đới và hàn đới không cần làm lạnh vào mùa hè. Đối với những khu vực cần làm lạnh mùa hè thì phải sử dụng loại máy ATW 2 chiều nóng lạnh và thay cho sưởi sàn 11 phải dùng FCU. Khi cần vẫn có thể bật sang chế độ đun nước nóng. Vào mùa hè sau khi đun xong nước nóng có thể chuyển sang chế độ làm lạnh phòng, chi tiết có thể xem phần bơm nhiệt đa năng. Hình 1.6. Bơm nhiệt nước – gió WTA 2. Tổ dàn ngưng tỏa nhiệt sưởi cho phòng; 3. Tổ dàn bay hơi (hoặc bình bay hơi) thu nhiệt của nước (gồm dàn bay hơi và máy nén, van tiết lưu); 5. Giếng cấp; 6. Giếng xả; 7. Bơm nước. Bơm nhiệt WTA thực chất là loại máy điều hòa giải nhiệt nước hai chiều. Tuy nhiên nguôn nước yêu cầu là phải có thể giải nhiệt vào mùa hè và cấp nhiệt Nguyễn Duy Thắng 12 Cao Học 2015B