Tài liệu ứng dụng vật liệu biến đổi pha để đáp ứng yêu cầu sử dụng hiệu quả năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------- TRẦN HỮU PHƯỚC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA ĐỂ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU SỬ DỤNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT MÃ NGÀNH: 60.52.80 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------- TRẦN HỮU PHƯỚC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA ĐỂ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU SỬ DỤNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT MÃ NGÀNH : 60.52.80 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC MSHV: 00604152 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS LÊ CHÍ HIỆP ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: …………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: …………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… 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 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày 29 tháng 11 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: TRẦN HỮU PHƯỚC Ngày, tháng, năm sinh : 24 – 05 – 1978 Giới tính : Nam Nơi sinh : HÀ TĨNH Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT Khoá: 2004 (CNNK15) 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA ĐỂ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU SỬ DỤNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 1. Nghiên cứu về các vật liệu biến đổi pha (PCM) và công nghệ bình tích trữ lạnh. 2. Khả năng ứng dụng các vật liệu biến đổi pha (PCM) vào công trình (dự án) cụ thể và phát triển mở rộng ứng dụng này vào hàng loạt các công trình (dự án) đã được phân loại để thấy được sự tích cực của việc ứng dụng vật liệu biến đổi pha (PCM) nhằm góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường trong công cuộc đổi mới đất nước thời kỳ hội nhập, nhằm đáp ứng hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hệ thống Điều hòa không khí trung tâm. 3. Rút ra các kết luận về kinh tế, kỹ thuật, môi trường và tiềm năng ứng dụng của công nghệ này. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 – 07 – 2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 29 – 11 – 2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS LÊ CHÍ HIỆP Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS. TS LÊ CHÍ HIỆP CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS. TS LÊ CHÍ HIỆP LỜI CẢM ƠN ---o0o--Trước tiên tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến toàn thể Thầy, Cô trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung, các Thầy, Cô bộ môn CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH, những người đã hướng dẫn, hỗ trợ và cung cấp giúp đỡ em trong suốt chương trình đào tạo Đại Học, hai năm khóa đào tạo chương trình Thạc sĩ của Bộ môn và Luận văn Thạc sĩ này. Em xin chân thành biết ơn Thầy PGS. TS LÊ CHÍ HIỆP, người đã hướng dẫn và hỗ trợ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn được hoàn thành. Xin cảm ơn các Anh, Chị và các bạn cùng lớp cao học khóa 15 chuyên ngành Công Nghệ Nhiệt, những người đã cùng tôi vượt qua những khó khăn và đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt khóa học. Xin chân thành cảm ơn các cơ quan, công ty bạn đã hỗ trợ tôi trong việc xác định các thông số và thông tin liên quan đến luận văn này, mà đặc biệt là công ty Tư vân thiết kế và quản lý dự án Meinhardt Philipin, Chủ đầu tư Công ty cổ phần ngoại thương và phát triển đầu tư Tp. Hồ Chí Minh (FIDECO). Sau cùng, xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này. Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 11 năm 2008 Người thực hiện TRẦN HỮU PHƯỚC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong xu thế phát triển của xã hội Việt Nam hiện nay, nhiệm vụ đặt ra cho mỗi ngành, và lĩnh vực để góp phần vào việc xây dựng đất nước là khác nhau. Chúng ta nói rất nhiều về các giải pháp tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng, thì luận văn này đang cố gắng đưa ra một giải pháp, đó là ứng dụng các vật liệu biến đội pha (PCM) để tích trữ năng lượng vào những giờ thấp điểm và sử dụng chúng vào những giờ cao điểm. Để làm được điều này thì chúng ta phải dựa rất nhiều vào công nghệ hóa học và lý thuyết nhiệt động lực học, thông qua vật liệu này chúng ta có thể trữ được năng lượng theo ý muốn tại những nhiệt độ mong muốn. Do nhu cầu phát triển hiện nay của các ngành dịch vụ nên nhu cầu về sự tiện nghi là không thể thiếu, do đó, luận văn này hướng chúng ta ứng dụng vật liệu biến đổi pha (PCM) vào các hệ thống Điều hòa không khí trung tâm, vì hệ thống này tiêu tốn một lượng năng lượng rất khổng lồ trong các tòa nhà. Tuy nhiên, thông qua giải pháp công nghệ này chúng ta sẽ không chỉ tiết kiệm và sử dụng được hiệu quả năng lượng mà còn giúp: - Tiết kiệm được chi phí đầu tư ban đầu thiết bị hệ thống; - Tăng tuổi thọ hệ thống; - Giảm chi phí bảo dưỡng; - Tăng hiệu suất hệ thống; - Tiết kiệm được chi phí năng lượng; - Thân thiện môi trường. Luận văn đã thực hiện các tính toán cho một công trình cụ thể để từ đó đánh giá phát triển mở rộng cho một loạt các công trình ở địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Nhằm nghiên cứu tính hiệu quả và khả thi của công nghệ vật liệu biến đổi pha (PCM). Tuy đã cố gắng thực hiện luận văn thạc sĩ này song do điều kiện thực tế về các thực nghiệm nên luận văn vẫn còn những hạn chế về nội dung và tính toán. Nhưng tôi tin rằng kết quả nghiên cứu sẽ mở rộng ra một con đường tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng cho đất nước ta hiện nay. Luận văn còn có giá trị cho các nhà đầu tư, các kỹ sư tham khảo cho hoạt động khoa học của mình cũng như tìm hiểu và vận dụng , áp dụng cho việc thiết kế các hệ thống Điều Hòa Không Khí Trung Tâm, trong quá trình xây dựng đất nước thời kỳ hiện đại hóa và hội nhập tổ chức thương mại thế giới (WTO). CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - dtlm 1 : độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong quá trình trữ (°C) - dtlm 2 : độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong quá trình giải phóng (°C) - DSTL : cường độ nhiệt tích trữ - kvfu : hệ số truyền nhiệt trong quá trình tan chảy (kW/°C/ m3) - kvcr : hệ số truyền nhiệt tới hạn (kW/°C/ m3) - P : tải yêu cầu (kW) - Pc : tải nạp (kW) - Pdst : cường độ giải phóng nhiệt trữ (kW) - Pm : tải tức thời cực đại (kW) - Pmin : tải tức thời cực tiểu (kW) - Pr : công suất của máy làm lạnh trung tâm (kW) - Pr1 hay Pr 2 : công suất tối thiểu của máy làm lạnh trung tâm (kW) - Pst : cường độ nạp (kW) - Qj : năng lượng tiêu thụ hằng ngày (kWh) - Ql : ẩn nhiệt của một đơn vị quả cầu đang xét (kWh/ m3) - Qsl : mức độ nhạy nhiệt của một đơn vị quả cầu đang xét tại trạng thái lỏng (kWh/ m3/°C) - Qss : mức độ nhạy nhiệt của một đơn vị quả cầu đang xét tại trạng thái rắn (kW/ m3/°C) - Qst : năng lượng cực đại tích trữ được (kWh) - Qdst : năng lượng giải phóng (kWh) - T1 : nhiệt độ đầu ra của chế độ nạp (°C) - T2 : nhiệt độ dầu vào của chế độ nạp (°C) - T3 : nhiệt độ đầu ra của chế độ giải phóng (°C) - T4 : nhiệt độ đầu vào của chế độ giải phóng (°C) - Td : nhiệt độ của lưu chất truyền nhiệt ra khỏi bình (°C) - Tm : nhiệt độ trung bình của bình trữ tại đầu cuối của chế độ nạp (°C) - Tst : nhiệt độ biến đổi pha của đơn vị quả cầu đang xét (°C) - tpd : hàm thời gian trong quá trình sản xuất trực tiếp (h) - tst : hàm thời gian của máy làm lạnh trung tâm trong quá trình trữ (h) - V : thể tích trữ (m3) LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT................................................................................... 7 LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 11 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA ......................................................................... 11 1.1 Tổng quan về Điều Hòa Không Khí ............................................................................. 11 1.2 Tổng quan về tích trữ năng lượng và vật liệu biến đổi pha .......................................... 13 1.3 Lựa chọn vật liệu biến đổi pha phù hợp với ứng dụng Điều Hòa Không Khí.............. 22 1.4 Phân tích tính chất hóa học của vật liệu biến đổi pha ................................................... 24 1.5 Các phương trình và công thức tính toán liên quan đến quá trình biến đổi pha của vật liệu (PCM) .............................................................................................................. 28 1.6 Ứng dụng vật liệu biến đổi pha trên thế giới ................................................................ 31 CHƯƠNG 2 ........................................................................................................................... 39 HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ – THIẾT LẬP CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TẢI LẠNH, ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ VÀ SƠ ĐỒ CÁC HỆ THỐNG LẠNH .............. 39 2.1 Thiết lập đường đặc tính tải lạnh và công suất điện năng tiêu thụ ............................... 40 2.2 Thiết lập các sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ................................................................ 44 2.3 Tính toán bình tích trữ lạnh cho hệ thống ..................................................................... 50 2.4 Các phương trình và công thức tính toán ...................................................................... 52 CHƯƠNG 3 ........................................................................................................................... 55 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHAVÀO HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM CAO ỐC VĂN PHÒNG FEDICO (FEDICO TOWER – 81-85 HÀM NGHI, QUẬN 1, TP.HCM) ....................................................................................... 55 3.1 Tính tải lạnh tòa nhà ..................................................................................................... 55 3.2 Thiết lập đường đặc tính tải lạnh và điện năng tiêu thụ ............................................... 57 3.3 Lựa chọn các thiết bị và thiết lập hệ thống ................................................................... 76 3.4 Tính toán bình tích trữ và giàn trao đổi nhiêt ............................................................... 78 CHƯƠNG 4 ........................................................................................................................... 84 PHÂN TÍCH VÀ PHÁT TRIỂN RỘNG CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA (PCM) ................................................................................................................... 84 4.1 Các bảng thống kê và tính toán các thông số của các khách sạn và cao ốc văn phòng ............................................................................................................................ 84 4.2 Phân tích khả năng ứng dụng ........................................................................................ 95 CHƯƠNG 5 ........................................................................................................................... 97 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA (PCM) VÀ CÁC KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 97 5.1 Tình hình ứng dụng trong nước .................................................................................... 97 5.2 Kinh tế kỹ thuật ............................................................................................................. 99 5.3 Mỹ quan ...................................................................................................................... 102 5.4 Tác đông môi trường................................................................................................... 103 PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 105 Phụ lục 1 Các loại bình tích trữ lạnh chứa PCM ............................................................. 105 Phụ lục 2 – Các tính toán từ tải lạnh từ phần mềm TRACE 700 V6.0............................. 107 Phụ lục 3 – Lựa chọn máy làm lạnh trung tâm qua phần mềm E-20 Carrier ................... 140 Phụ lục 4 – Biểu giá điện do EVN phát hành ................................................................... 142 Phụ lục 5 – Phần mềm phân tích, tính toán và so sánh giữa các phương án .................... 145 Phụ lục 6 – Thiết lập đường đặc tính tải lạnh theo 24 giờ [2] .......................................... 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 149 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................................ 150 HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 8/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP LỜI NÓI ĐẦU Trong xu thế phát triển đất nước hiện nay các ngành công nghiệp, nông nghiệp và các dịch vụ đều phát triển mạnh cả theo chiều rộng và chiều sâu. Trước bối cảnh đó nhu cầu về tiêu thụ điện năng là vô cùng to lớn và có thể nói là phát triển theo cấp số nhân. Như vậy làm thế nào để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng ? Ở đề tài này chúng tôi cố gắng đưa ra giải pháp tối ưu để trả lời cho câu hỏi trên, và trình bày một cách cụ thể hơn về giải pháp. Đó là đưa công nghệ vật liệu hóa học vào bài toán nhiệt hay bài toán năng lượng nói chung. Vật liệu chúng tôi đưa vào là Vật Liệu Biến Đổi Pha (PCM) và lợi dụng tính chất vật lý này kết hợp với hiểu biết về kỹ thuật nhiệt – lạnh giải bài toán tối ưu về chi phí đầu tư cũng như khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng cho một quá trình, hay dự án trong thực tế. Vào thời điểm khi mà chúng ta nói ngày càng nhiều về những rủi ro nguy hại đến sinh thái và trong thời kỳ thiếu thốn năng lượng tiêu thụ, tích trự năng lượng hay sử dụng năng lượng có tính toán đến chiều sâu và bề rộng thì đây là một giải pháp kỹ thuật tích hợp với các hệ thống làm lạnh công nghiệp và điều hòa không khí. Các hệ thống cổ điển được thiết kế để đáp ứng yêu cầu tải định, ngay cả khi chúng ta chỉ dung máy làm lạnh trung tâm (Chiller) tại 100% tải chỉ trong một vài ngày hay chỉ vài giờ trong năm. Tích trữ ẩn nhiệt cho phép làm giảm công suất của máy làm lạnh trung tâm. Việc tích trữ này bổ sung phần năng lượng bị thâm hụt khi yêu cầu tải cao hơn của máy làm lạnh trung tâm. Vì vậy máy làm lạnh trung tâm hoạt động liên tục và hiệu suất đạt được cực đại. Tích trữ năng lượng cho phép quản lý được năng lượng lạnh theo yêu cầu. Và cũng tiết kiệm được đáng kể chi phí vận hành khi sử dụng điện năng ngoài giờ cao điểm. Giảm được kích cỡ máy làm lạnh trung tâm cũng có nghĩa là giảm môi chất lạnh sử dụng, vấn đề ngày càng được xem trọng khi mà các luật định hạn chế sử dụng môi chất CFC. Đề tài được chia làm năm chương với nội dung cơ bản như sau: HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 9/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ - GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Khái quát về vật liệu biến đổi pha – tính chất hóa – lý của vật liệu biến đổi pha và sự phân loại cho các dãy ứng dụng cụ thể. - Các sơ đồ nhiệt và thiết lập các đặc tính tải lạnh và điện năng tiêu thụ - Ứng dụng cho công trình cụ thể từ đó làm cơ sở cho các phân tích và nhận định. - Phát triển mở rộng từ kết quả nhận được từ việc phân tích đánh giá trên một dự án cụ thể. - Các thống kê và kết luận. Có thể nói rằng đây là một công nghệ thể hiện sự kết hợp tích cực giữa các ngành khoa học khác nhau để đi đến một lợi điểm chung trong thực tiễn. Vấn đề mà các nhà khoa học, những người làm kỹ thuật và đặc biệt là người sử dụng trực tiếp đang mong muốn hướng đến và muốn cụ thể hóa vào cuộc sống thực tiễn hiện nay. Tuy đã cố gắng thực hiện nhưng luận văn vẫn còn một số hạn chế nhất định, như các thông số thực nghiệm, và sự kết hợp với các bộ môn hóa học để khẳng định hơn nữa sự hiện diện của các vật liệu biến đổi pha (PCM) là một giải pháp cho công cuộc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường như tinh thần của hội nghị Bali ở Indonosia năm 2007. Luận văn cũng cần nên được viết theo một ngôn ngữ lập trình cấp trung để thuận tiện cho những người ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng tìm ra được kết quả về tài toán đầu tư hay nghiên cứu khả thi của dự án. Nhưng do có một số mặt hạn chế về thời gian và khả năng ngôn ngữ lập trình nên còn thiếu sót trong luận văn. HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 10/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP CHƯƠNG 1 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA 1.1 Tổng quan về Điều Hòa Không Khí Từ xa xưa ở các vùng sa mạc ở Ai Cập đã biết làm mát không khí bằng các phương tiện thô sơ, nhưng đến năm 1902 sau khi tiến sĩ người Mỹ Willis. H. Carrier đã thiết kế hệ thống điều hòa không khí đầu tiên lắp đặt ở nhà máy in Sacket Wilhelms để loại ẩm không khí thì điều hòa không khí mới thật sự trở thành một công cụ công nghiệp. Từ những thành quả ban đầu đó Tiến sĩ Willis. H. Carrier tiếp tục nghiên cứu và đến năm 1921 với việc phát minh ra máy lạnh ly tâm ông đã tạo ra một bước nhảy vọt trong kỹ thuật điều hòa không khí, và cũng từ đây kỹ thuật điều hòa không khí bắt đầu tham gia vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: trong các nhà máy công nghiệp, trại chăn nuôi, nhà điều dưỡng, các sinh hoạt hằng ngày của con người, nhà hát, trung tâm văn hóa, trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng, khách sạn, trường học và các dịch vụ khác như phòng sạch, bệnh viện và các nhà máy dược phẩm. Ngày nay, kỹ thuật điều hòa không khí không chỉ được xem như là một ngành khoa học mà còn được xem như là một nghệ thuật. Bởi lẽ ngoài khả năng tạo ra một môi trường làm việc thuận lợi tiện nghi mà nó còn là một nội thất ưa nhìn trong trang trí nội thất nghệ thuật. Do đó để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong các hoạt động sản xuất, gia công, chế biến nhằm mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, phục vụ các yêu cầu về công nghệ và cải thiện về điều kiện lao động người ta ứng dụng ngày càng nhiều kỹ thuật điều hòa không khí và trong sản xuất để tạo ra môi trường có nhiệt độ và độ ẩm thích hợp. Điều hòa không khí đã hỗ trợ nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp, kinh tế phát triển như là: in, dệt, sản xuất bánh kẹo, thuốc lá, chè, các trại chăn nuôi. Trong cuộc sống đời thường kỹ thuật điều hòa không khí cũng góp phần phục vụ cho cuộc sống hiện đại của con người trong các khu nhà ở, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà hang, vũ trường, HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 11/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP quán bar, cao ốc văn phòng, bệnh viện, phòng học, trên các phương tiện di chuyển như: ô tô, tàu thủy, tàu hỏa, máy bay.… HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 12/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP 1.2 Tổng quan về tích trữ năng lượng và vật liệu biến đổi pha 1.2.1 . Tích Trữ Năng Lượng 1.2.1.1 . Tại Sao Tích Trữ Năng Lượng ? Cho đến nay chưa có giải pháp tốt nhất cho việc tích trữ năng lượng nhiệt hay lạnh một cách hợp lý, dẫn đến việc dùng các máy làm lạnh trung tâm có công suất lớn để đáp ứng mong muốn điều kiện tải đỉnh; nhưng công suất lớn này của máy làm lạnh trung tâm chỉ được sử dụng trong một vài giờ trong ngày hay trong năm. Do vậy, điều này gây ra một sự lãng phí cũng như tốn kém về đầu tư ban đầu hệ thống lạnh/ nhiệt. Tích trữ năng lượng mỗi ngày cho phép chúng ta sử dụng các máy làm lạnh trung tâm có công suất nhỏ và thích hợp hơn. Năng lượng lạnh sẽ được tích trữ vào thời điểm thấp tải hay không tải và được giải phóng vào thời điểm có yêu cầu tải lớn (tải đỉnh). Với tải tuần hoàn một cách liên tục, việc tích trữ năng lượng nhiệt cho phép các máy làm lạnh trung tâm công suất nhỏ vận hành gần như liện tục; việc tích trữ năng lượng trong suốt thời gian không tải hay thấp tải là để sử dụng trong những giờ cao điểm hay tải đỉnh. 1.2.1.2. Năng Lượng Được Tích Trữ Như Thế Nào? Như chúng ta đã được biết, năng lượng nhiệt được hình thành dưới hai thành phần đó là nhiệt hiện và nhiệt ẩn: - Nhiệt hiện Phần lớn chúng ta xem nước là môi trường tích năng lượng nhiệt hiện và ẩn. Vì nước rẻ và rất phong phú, nước có nhiệt dung thể tích là 1.16 kWh/m3°C giá trị này lớn hơn nhiệt dung riêng thể tích của sắt hay đá. Tuy nhiện nó có những giới hạn nhất định về việc sử dụng, đặc biệt là với độ chênh lệch nhiệt độ và áp suất lớn. HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 13/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Trong các ứng dụng về làm lạnh, giá trị nhiệt dung thể tích thực tế đạt được tối đa là 6 kWh/m3°C. Giá trị này cho thấy rằng nước về khả năng tích trữ nhiệt hiện là không đáng kể. - Nhiệt ẩn Nhiệt ẩn là tên gọi của cả năng lượng được tích trữ hay giải phóng khi các vật chất thay đổi pha. Ví dụ: nước đá chuyển thành nước, nước chuyển thành hơi hay khí. Sự thay đổi pha này xảy ra tại nhiệt độ gần như không đổi hoặc biến đổi rất ít. Năng lượng được hấp thụ hay giải phóng trong suốt thời gian thay đổi pha là nhiều hơn năng lượng được yêu cầu để làm giảm hay gia tăng nhiệt độ vật chất thay đổi pha (nhiệt hiện). Dưới đây là biểu đồ năng lượng tiêu thụ ngày (hình 1.1) kW 100 80 60 Giaûi phoùng 40 20 0 Saûn xuaát tröïc tieáp Naïp 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Naïp 23 h Hình 1.1 Để làm tan chảy một vật liệu chúng ta cần năng lượng.Ví dụ để làm tan một gam nước đá yêu cầu 80 calo tại nhiệt độ không đổi. Năng lượng này được giải phóng khi vật liệu được làm lạnh hay chuyển về trạng thái rắn. Các vật liệu khác nhau có điểm nóng chảy khác nhau. Tích trữ năng lượng một cách hiệu quả, chúng ta phải sử dụng các vật liệu khác nhau để thỏa mãn các yêu cầu dãy ứng dụng rộng. Các vật liệu này được gọi là vật liệu biến đổi pha (PCM). Yêu cầu vật liệu biến đổi pha là phải thỏa mãn hai tính chất sau: 1.2.2. Vật liệu biến đổi pha là gì ? HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 14/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Vật liệu biến đổi pha là vật liệu có nhiệt độ nóng chảy và có thể tích trữ năng lượng dưới dạng ẩn nhiệt lớn, dẫn đến công suất tích trữ nhiệt trên một đơn vị thể tích lớn hơn các vật liệu thông thường. Khi nhiệt độ bên ngoài tăng lên, các liên kết trong các vật liệu biến đổi pha (PCM) bị phá vỡ, lúc này vật liệu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng (vì thật ra có nhiều dạng vật liệu biến đổi pha như rắn – lỏng, rắn – rắn, và lỏng – hơi). Biến đổi pha là một quá trình thu nhiệt và do đó vật liệu biến đổi pha hấp thụ nhiệt. Khi nhiệt độ môi trường được làm lạnh xuống, vật liệu biến đổi pha quay về trạng thái pha rắn và giải phóng năng lượng nhiệt đã hấp thụ. Vật liệu biến pha là vật liệu có nhiệt độ gần như không đổi trong quá trình biến đổi pha của nó. Và có khả tích trữ ẩn nhiệt lớn hơn nhiều so với nhiệt hiện. 1.2.3. Phân loại vật liệu biến đổi pha Việc sử dụng vật liệu biến đổi pha đã có từ rất lâu cũng nhằm mục đích về giải pháp các vấn đề năng lượng nhiệt trong các tòa nhà và các ứng dụng khác về tích trữ nhiệt/ lạnh. Lần đầu tiên được áp dụng là năm 1940 với mục đích kết hợp với năng lượng mặt trời để tích trữ nhiệt. Cho đến những năm gần đây, các nghiên cứu có liên quan cơ bản đến các vật liệu biến đổi pha (PCM) là các muối hydrat và chỉ áp dụng với các mục đích là vật liệu cho các công trình xây dựng. Vì các giải pháp tiết kiệm năng lượng cũng như nghiên cứu phát triển các vật liệu mới cần được nghiên cứu để đưa vào các công trình xây dựng công nghiệp và dân dụng. Những thập niện sau này, nghiên cứu thường hướng đến việc sử dụng các vật liệu biến đổi pha là các chất hữu cơ, nghiên cứu này đã mở ra triển vọng của các vật liệu xây dựng dạng xốp biến đổi pha, vì vậy tạo ra được các nhân tố tích trữ nhiệt. Nghiên cứu gần đây (Feldman cùng các cộng sự, 1993, Athienis cùng các công sự 1997, Peippo cùng các cộng sự) chỉ ra rằng vật liệu biến đổi pha (PCM) sử dụng làm vật liệu xây dựng cho thấy hứa hẹn rất lớn về khả năng tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó cũng làm giảm năng lượng điện tiêu thụ, mà đặc biệt là làm giảm yêu cầu năng lượng điện lúc giờ cao điểm. HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 15/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Các vật chất có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng và khí tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của điều kiện trữ. Ba pha cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng nhưng trạng thái hai pha thường được dùng trong thực tế. Biến đổi nhiệt ẩn của các chất thuần khiết có thể được sử dụng để trữ nhiệt hay lạnh để sử dụng vào lúc cần thiết. Vật liệu biến đổi pha có thể là chất hữu cơ hay vô cơ. Biến đổi pha phần lớn các chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng cho các ứng dụng tích trữ năng lượng trong các tòa nhà. Phân loại các vật liệu tích trữ năng lượng theo cách nhìn về hóa lý (hình 2.2): Vật liệu Nhiệt hiện Năng lượng hóa học Nhiệt ẩn Khí-Lỏng Lỏng-Khí Rắn-Lỏng Rắn-Rắn Vô cơ Hữu cơ Paraffin Axit béo Muối hydrat Hình 2.2 – Phân loại các vật liệu biến đổi pha Minh chứng cho việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu biến đổi pha (PCM) dưới đây là một số thống kê về các nhà cung cấp và trung tâm nghiên cứu về lĩnh vực này: HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 16/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ Stt Diễn giải/ Tên nhà GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Website Email Loại PCM cung cấp 1 PCM Energy P.Ltd www.pcmenergy.com [email protected] - Vô cơ - Hữu cơ 2 Cristopia www.cristopia .com [email protected] - Hữu cơ - Vô vơ - Parafin 3 Environmental www.epsltd.co.uk [email protected] process system - Vô cơ - Hữu cơ Limited 4 Chromerics www.chromerics.com [email protected] - Vô cơ - Hữu cơ 5 Energy institute www.energybooks.com [email protected] - press Climator www.climator.com [email protected] - Hữu cơ - Vô vơ - Parafin Bảng 1.1 Các nhà cung cấp vật liệu biến đổi pha (PCM) tiêu biểu 1.2.3.1 Vật liệu biến đổi pha (PCM) Cơ sở và nhìn chung hầu hết các vật liệu biến đổi pha được sử dụng là nước / nước đá biến đổi pha tại nhiệt độ 00C. Các muối hydrat, các chất hữu cơ và các dẫn suất hydro cacbon cũng được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp. 1.2.3.2 Các vật liệu vô cơ (Muối hydrat – Salt hydrates) Đã có những nổ lực từ rất sớm về việc phát triển các vật liệu tích trữ ẩn nhiệt sử dụng các vật liệu vô cơ. Muối hydrat là hỗn hợp của muối và nước có tính năng là tan chảy nhiệt ẩn cao do hàm lượng nước cao, bên cạnh có các muối cũng có những hạn chế về tuổi thọ trong việc hình thành sự chia tách pha trong suốt quá trình nạp và giải phóng năng lượng. Kết quả là muối nặng bị lắng xuống đáy dung dịch, do đó, làm giảm hiệu quả tích trữ HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 17/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP năng lượng của dung dịch. Quá trình này cứ như thế tăng dần và không thể thay đổi được. Các muối sun phát natri hydrat, được nghiên cứu rộng rãi trong giai đoạn đầu của các vật liệu biến đổi pha. Tính chất biến đổi pha của các vật liệu được trình bày trong bảng 1.2. Các vật liệu biến đổi pha có tính chất hấp dẫn phải là vật liệu có giá trị nhiệt ẩn cao, không cháy, khả năng ngậm nước cao và đặc biệt là chúng không đắt và là các vật liệu sẵn có trên thị trường. Tuy nhiên, chúng cũng có những tính chất không phù hợp dẫn đến việc phát triển nghiên cứu thêm các vật liệu biến đổi pha vô cơ này. Các tính chất là: tính ăn mòn, không ổn định, không thích hợp khi quay về lại trạng thái rắn và có khuynh hướng dẫn đến quá lạnh. Bảng 1.2. Các vật liệu biến đổi pha muối hydrat ngậm nước (các giá trị tiêu biểu) Vật liệu biến đổi pha (PCM) KF.4H2O Điểm nóng chảy Nhiệt nóng chảy (0C) (kJ/kg) 18.5 231 29.7 171 32.4 254 35.0 281 36.4 147 Potassium flouride tetrahydrate CaCl2.6H2O Calcium chloride hexahydrate Na2SO4.10H2O Sodium sulphate decahydrate Na2HPO4.12H2O Sodium orthophosphate dodecahydrate Zn(NO3)2.6H2O Zinc nitrate hexahydrate 1.2.3.3 Các Eutectic Nói cách khác các Eutectic là hỗn hợp hòa trộn của hai hay nhiều chất như là một cách để đạt được điểm đóng băng hay nóng chảy mong muốn. Hỗn hợp sẽ nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ thiết kế có thành phần cả ở pha lỏng lẫn pha rắn đó là tiêu chuẩn chính của vật liệu biến pha (PCM) Eutectic. HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 18/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Bảng 1.3. Thể hiện các thông số tiêu biểu của Eutetic Điểm nóng chảy Nhiệt nóng Ẩn nhiệt (0C) chảy (kJ/kg) (MJ/m3) MgCl2.6H2O 117 169 242 Mg(NO3)2.6H2O 89 163 252 CH3COONa.3H2O 58 226 287 MgCl2.6H2O/ 58 132 201 Na2HPO4.12H2O 34 265 379 Na2SO4.10H2O 32 251 335 Na2CO3.10H2O 32 233 340 28 đến 4 220 đến 245 170 đến 195 28 đến -15 146 đến 155 165 đến 175 27 191 298 24 đến 4 Dãy rộng Dãy rộng CaCl2.6H2O/ CaBr2.6H2O 15 140 249 H2 O 0 335 335 0 đến -64 Dãy rộng Dãy rộng Vật liệu (PCM) Mg(NO3)2.6H2O Waxes Polyethelene glycols CaCl2.6H2O Muối Clauber + Phụ gia Dãy của nước/ Muối Eutectic 1.2.3.4 Các vật liệu hữu cơ Các vật liệu biến đổi pha (PCM) hữu cơ có một số tính chất hữu ích trong việc tích trữ nhiệt trong các tòa nhà hiện hữu. Các vật liệu biến đổi pha (PCM) này có tính ổn định về hóa học hơn là các chất vô cơ, chúng nóng chảy đồng đều và vấn đề quá lạnh không ảnh hưởng đến quá trình tích trữ. Hơn nữa chúng phù hợp với các vật liệu khác của tòa nhà. Mặc dù vậy chi phí đầu tư ban đầu của các vật liệu hữu cơ thì cao hơn so với các vật liệu vô cơ. Tuy nhiên, vật liệu hữu cơ cũng có những tính chất không thích hợp là: có khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt thấp, dễ cháy và tạo ra nhiều hơi độc khi cháy. Hơn nữa là có thể tạo ra các phản ứng trong các vật liệu xây dựng, ôxi hóa trong môi trường nhiệt và làm lạnh thay đổi thể tích. HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 19/150 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Việc lựa chọn và thay đổi thích hợp sẽ loại được nhiều tính chất không mong muốn của vật liệu biến đổi pha (PCM) hữu cơ. Hầu hết các lựa chọn hứa hẹn các vật liệu biến đổi pha hữu cơ được chỉ định trong bảng 1.4. Bảng 1.4. Các vật liệu biến đổi pha hữu cơ (các giá trị tiêu biểu) Điểm nóng chảy (0C) Nhiệt nóng chảy (kJ/kg) 28 đến -15 146 đến 155 Waxes 28 đến 4 220 đến 245 Nước 0 335 0 đến -64 Dãy rộng Vật liệu biến đổi pha (PCM) Polyenthylen glycol Dãy nước/ muối eutectic 1.2.3.5 Các dẫn xuất hydrocacbon (Clathrates) Là hỗn hợp của các chất hóa học mà một trong các chất đó được bọc trong một chất khác. Trong thực tế, nước hình thành cấu trúc liên kết dạng lưới đối với các ứng dụng tích trữ năng lượng. Nhìn chung hầu hết các dẫn xuất được sử dụng là các môi chất lạnh R-11, R-12 và R-22. Bảng 1.5. Danh sách của các muối hydrat các vật liệu Biến Đối Pha (PCM) cơ bản được lựa chọn theo nhiệt độ điểm nóng. Điểm Cấp của PCM nóng Dãy ứng Nhiệt ẩn Nhiệt ẩn Tỷ dụng chảy (L.H.) trong dãy trọng KJ/Kg ứng dụng o C Ghi chú KJ/Kg -50oC Muối đóng băng -60 to -40oC 325 395 1.3 -23oC Muối đóng băng -30 to -15oC 330 380 1.2 -16oC Muối đóng băng -25 to -05oC 330 380 1.02 Chúng ta có thể chọn bất kỳ nhiệt độ nào trong bảng trên như -3oC hay 11oC HVTH: TRẦN HỮU PHƯỚC Trang 20/150