Xemtailieu Tải về Bơm nhiệt nguyễn đức lợi
NGUYỄN ĐỨC LỢI BƠM NHIÊT "HEAT PUMP SAVE THE EARTH... sơ ĐỒ BƠM NHIỆT ĐỊA NHIỆT SƯỞI ẤM MÙA ĐONG VỚI CHILLER 1 CHIỀU LẠNH NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM NGUYỄN ĐỨC LỢI BƠM NHIỆT NHÀ XUÁT BÀN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI CAM ƠN Cuốn sách này là một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài trọng điểm cấp Nhà nước HNghiên cứu đánh giá một số nguồn địa nhiệt triển vọng và có điều kiện khai thác cho phát triển năng lượng ở Việt NamM mã số KC 08.16/11-15. Tác giả xin cảm ơn vì Đề tài đã tài trợ kinh phí và cung cấp thông tin, tài liệu cần thiết để tác giả hoàn thiện cuốn sách. Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trẻ Bộ môn Nhiệt lạnh Trường Đại học Giao thông Vận tài đâ chỉnh sửa bản thảo, căn vẽ hình ảnh cho cuốn sách. Tác giả cũng cảm ơn Công ty cổ phần Sách Đại học và Dạy nghề Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam đã giúp đỡ để cuốn sách được hoàn thành và ra mắt bạn đọc. PGS.TS. Nguyễn Đức Lợi LỜI NÓI ĐẦU Trong bài "Heat Pumps save the Earth on the Verge of Global Warming" (Bơm nhiệt cứu Trái Đất trên bờ vực nóng lên toàn cầu), năm 2009, ba chuyên gia hàng đầu Nhật Bản về bơm nhiệt là Giáo sư Hiroshi Kato, Chủ tịch Trung tâm Khoa học Công nghệ Bơm nhiệt và Trữ nhiệt Nhật Bản, Giáo sư Kiyoshi Kurokawa - Đại học Keio, cố vấn đặc biệt của Chính phủ và nguyên Chủ tịch Hội đồng Khoa học của Nhật Bản và Giáo sư Hiroshi Komiyama, Chủ tịch Đại học tổng hợp Tokyo đã đánh giá bơm nhiệt là cứu tinh của Trái Đất trước thảm họa nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu do phát thải khí nhà kính vào khí quyển, bơm nhiệt là công nghệ sạch của thế kỷ 211 vì sử dụng bơm nhiệt thay cho các lò sưởi, bình nóng lạnh... truyền thống chạy bằng gas, dầu, điện... có thể tiết kiệm trên một nửa năng lượng sơ cấp và giảm được phát thải khí nhà kính đến gần 70% từ 189 triệu tấn/năm xuống còn 57,6 triệu tấn/năm trong khu vực gia đình và thương mại Nhật Bản. Năm 1984, chuyên đề uBơm nhiệt" lần đầu tiên được giảng dạy cho sinh viên ngành Nhiệt lạnh Đại học Bách khoa Hà Nội với thời lượng 30 tiết. Sau này “Bơm nhiệt” được biên soạn thành một chương của giáo trình môn "Kỹ thuật Lạnh ứng dụng” và được giảng dạy trong khuôn khổ môn học này Nhận thấy "Bơm nhiệf càng ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vì nó có khả năng tiết kiệm năng lượng cao, đặc biệt, trong lĩnh vực cấp nhiệt nhiệt độ thấp như sưởi ấm, đun nước nóng sinh hoạt, nước nóng công nghiệp, sấy, hút ẩm,... Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh đã đưa uBơm nhiệr thành một phần của giáo trình giảng dạy Cao học. Cuốn sách fíBơm nhiệV' đã được hình thành qua cả một quá trình phát triển như vậy. Cuốn sách có thể dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên và học viên cao học ngành Nhiệt lạnh; làm tài liệu cho sinh viên và học viên cao học làm ĐÒ án tốt nghiệp và しuận văn cao học; làm tàiliệu tham khảo cho cán bộ, kỹ sư và những người có quan tâm đến việc nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt vào các ngành kinh tế quốc dân như đun nước nóng, sấy, sưởi, hút ẩm, cô đặc, tinh luyện, tách chất và thu hồi nhiệt thải ... dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp, nõng lâm, thủy sản, thể thao, y tế ... Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song cuốn sách khó tránh khỏi còn thiếu sót, chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của độc giả nhằm hoàn thiện cuốn sách. Các ý kiến xin gửi về: Công ty cổ phần Sách Đại học và Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên quận Hai Bà Trưng, Hà Nội hoặc trực tiếp cho tác giả ở Viện Nhiệt lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, số 1 Đại cồ Việt, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội. Xin trân trọng cám ơn. PGS. TS. Nguyễn Đức Lọi M ob. 098228899 5 ,loidhbk@ yahoo.com Phó Chủ tịch H ội Lạnh và Điều hòa Không khí V iệt Nam 4 Chưong 1 GIỚI THIỆU CHƯNG 1.1. LỊCH s ử PHÁT TRIỂN Năm 1834, Perkin đăng ký bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh, tới năm 1852, William Thomson (còn gọi là Lord Kelvin) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về bom nhiệt trên thế giơi. Perkin và Thomson đều là người Anh. Mục đích sử dụng cúa bơm nhiệt này là để sươi am 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 và bơm nhiệt chi là mục đích sử dụng. Ờ máy lạnh, người ta sử dụng nguồn lạnh ờ dàn bay hơi, còn ờ bơm nhiệt người ta sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ờ dàn ngưng đế sươi am hoặc đun nước nóng chẳng hạn. Thomson xây dựng thiết bị thử nghiệm với nguồn lạnh và nguồn nóng đều là nước. Theo tính toán lý thuyết, độ chênh nhiệt độ giữa hai nguồn chi cần 10 K, ví dụ, nguồn lạnh là 17 °c (290 K) và nguồn nóng là 27 °c (300 K), độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh 300 - 290 = 1 0 K, thì hệ số bơm nhiệt theo chu trình Camot sẽ là: Ọc = Tk / (Tk- T〇) = 300/10 = 30 kw nhiệưkw điện Điều đó cỏ nghĩa là chỉ cần tiêu tốn 1 kW điện cho máy nén, ta thu được 30 kW nhiệt dùng đề sưởi ấm. Rõ ràng ý nghĩa kinh tế của nó thật là to lớn. Hình 1.1 giới thiệu nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt thực nghiệm cúa Thomson. H ình 1.1.Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt thực nghiệm của Thomson với môi chấí lạnh là không khí: Ị - Máy nén; 2 - Thùng nước nóng với dàn nóng; 3 - Thiết bị tiết liru; 4 - Thùng nước lạnh với dàn lạnh; 5 - Nước nóng vào và ra; 6 - Nước lạnh (nguồn nhiệt) vào và ra. 5 Máy nén nén môi chất lạnh lên áp suất cao, đẩy vào ống xoắn trao đổi nhiệt đặt trong thùng nước nóng của nguồn nóng, sau đó tiết lưu xuống áp suất thấp để đưa vào dàn lạnh đặt trong thùng nưởc lạnh của nguồn lạnh. Đó là chu trình lạnh đơn giản và quen thuộc và có lẽ không có lý do gì để thất bại nếu như dùng các ga lạnh hiện đại. Thế nhưng, Thomson lại chọn chu trình bơm nhiệt nén khí với môi chất lạnh là không khí để nghiên cứu. Đó chính là lý do thất bại của Thomson, vì không khí có hệ số tỏa nhiệt rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 1% so với hệ số tỏa nhiệt khi sôi và khi ngưng của các ga lạnh hiện đại, hơn nữa hiệu quả lạnh khi tiết lưu của không khí cũng rất thấp. Sau nhiều lần vật ỉộn với thí nghiệm ông đã chịu bó tay và sáng chế của ông đã bị lãng quên gần một thế kỷ. Ngay cả khi kỹ thuật lạnh đã đạt được những phát triển huy hoàng với các môi chất lạnh mới như C 〇2, S 〇2 và NH3 mà bơm nhiệt vẫn không hề được nhắc lại. Mãi đến năm 1928, một người M ỳ là T.G. Haldane mới quay lại nghiên cứu bơm nhiệt và đã chế tạo bơm nhiệt đầu tiên để sưởi ấm cho chính văn phòng của ông. Haldane là người cổ vũ nhiệt tình cho bơm nhiệt nhưng đáng tiếc là ông cũng không xây dựng được thêm bất kỳ một hệ thống bơm nhiệt nào khác. Lý do cơ bản có lẽ là: - Giá tiền đầu tư cho một bơm nhiệt khi đó còn quá cao, trong khi giá than, ga, dầu, củi... và có thể cả điện còn rẻ hơn nhiều so với bơm nhiệt. - Mặt khác, cũng có thề do nhiệt độ ngoài trời xuống quá thấp trong những mùa đông khắc nghiệt làm cho hiệu quả bơm nhiệt giảm, nhiệt dàn ngưng thiết kế không đủ sươi am phòng... Những bơm nhiệt đầu tiên hoạt động có hiệu quả là các bơm nhiệt nén hơi. Chúng đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật và hoạt động qua nhiều năm với hiệu quả nhiệt cao. Một bơm nhiệt công nghiệp tiêu biểu đầu tiên có thể kể đến là bơm nhiệt sưởi ấm cho văn phòng Công ty Southern California Edison Co. ở Los Angeles. Bơm nhiệt được xây dựng vào năm 1930，năng suất nhiệt 1050 kw và hệ số bơm nhiệt đạt 2,5. Năm 1938 một bơm nhiệt năng suất 175 kw với hệ sổ bơm nhiệt 2,0 được lắp đặt tại tòa thị chính của Zurich và năm 1942 một bơm nhiệt khác được lắp đặt tại Trường Đại học Kỹ thuật ETH Zurich với năng suất 7000 kw và hệ số bơm nhiệt đạt 3,0. Bảng 1.1 giới thiệu một số hệ thống bơm nhiệt được lắp đặt tại Thụy Sĩ trước thế chiến 2. Và cũng chính từ những năm 1940, hàng loạt bơm nhiệt dã được xây dựng ở khắp châu Âu, đặc biệt là ở Anh, Pháp, Đức và ở cả M ỹ để sưởi ấm, đun nước nóng và đáp ứng các nhu cầu năng lượng nhiệt độ thấp khác nhau. 6 Bảng 1.L Một số hệ thống bơm nhiệt được lắp đặt tại Thụy Sĩ trước Thế chiến 2 Năm lắp đặt Nguồn nhiệt Noi lắp đặt Năng suất nhiệt, kW Nhiệt độ cấp, ° c i ứng dụng Sưởi ấm 1938 Nước sông Z urich 175 70 1939 K hông khí Z urich 58 30 + 40 ĐHKK Z urich 1500 23-45 Sưởi ấm bể bơi 1941 Nước sông và nước thải Cấp nhiệt cho nhà 1941 Nước hồ Skeckbom 1950 70 1941 K hông khí Landquart 122 一 1942 Nước sông Z urich 7000 70 Sưởi ấm 1943 Nước sông Z urich 1750 50 Sưởi ấm 1943 一 Schonenwert 250 50 Lagenthal 140 45 Sươi am - 一 Sươi am 1944 1945 Chuồng trại nuoi súc vật Nước hồ Lugano máy sợi nhân tạo Sấy fe lt trong nhà máy giấy Đ H K K trong nhà máy đóng giay , Việc sử dụng freon, đặc biệt R12 và R22 đã tạo điều kiện cho những bơm nhiệt năng suất nhò phát triền một cách rầm rộ. Nước M ỹ có thề được coi là cái nôi của bơm nhiệt loại này. Do điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, do điều kiện sống ở mức độ cao, cũng như do điều kiện thơi tiết thuận lợi nên bơm nhiệt cỡ nhỏ dùng đề làm mát vào mùa hè và sươi am vào mùa đông đã phát triền một cách nhanh chỏng. Đặc biệt khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào những năm 1970, bưm nhiệt lại càng có cơ hội phát triển mạnh mẽ hơn vì giá dầu càng tăng thì lợi ích kinh tế của bơm nhiệt càng được khẳng định. Cuối những năm 1970, thị trường tiêu thụ tới 850.000 bơm nhiệt. Đến giữa những năm 1980 đã có khoảng 30% hộ gia đình ờ M ỹ sử dụng bơm nhiệt hai chiều nóng lạnh. Nhờ giá dầu tăng kỷ lục trong những năm vừa qua và nhờ công nghệ chế tạo cũng như trình độ tự động hóa ờ mức độ rất cao nên chưa bao giờ bơm nhiệt được chú ý nghiên cứu và phát triến như ngày nay. Nó được ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, thể thao, y tế và đặc biệt trong khu vực gia đình để sưởi ấm và đun nước nóng. Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ bơm nhiệt đun nước nóng gia dụng thu nhiệt từ không khí ngoài irời đang rất thịnh hành trẽn thế giơi. Dàn bốc hơi thu nhiệt từ không khí môi trường H ình 1.2. Sư đổ bơm nhiệt đun mrớc nóng gia dụng thu nhiệt từ không khỉ ngoài trời Phần lớn bơm nhiệt làm việc với chu trình nén hơi có máy nén cơ và động cơ điện môi chất lạnh freon. Các bơm nhiệt loại này đặc biệt thích họp đối với năng suất nhỏ, sử dụng trong khu vực gia đình, văn phòng, công sở, nhà hàng, quây hàng thương nghiệp, công xưởng và khách sạn... Ngoài bơm nhiệt nén hơi chạy điện, người ta còn sử dụng bơm nhiệt nén hơi chạy bằng động cơ xăng, diesel, K h i đốt... trong công nghiệp. Tương tự như máy lạnh, ngoài bom nhiệt nén hơi còn có bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt ejector, bơm nhiệt nhiệl điện. Tuy nhiên bơm nhiệt ejector và nhiệt điện hau như không được ứng dụng trong thực tế. Riông bơm nhiệt hấp thụ là có nhiều ý nghĩa kinh tế và được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp (đặc biệt công nghiệp thực phẩm, dệt may...) và thương nghiệp (điều hòa không khí cho văn phòng, khách sạn, phân xưởng tận dụng nhiệt thải và hơi thừa trong các nhà máy có nước thải nhiệt độ cao và hơi thừa), năng suất nhiệt có thể lên đến hàng ngàn kw. Các chính phú và các tổ chức quốc tế đang có những chương trình đặc biệt đế nghiên cứu về bơm nhiệt bởi vi bơm nhiệt giúp chúng ta sử dụng năng lượng sơ cấp một cách hiệu quả hơn, thu hồi được các nguồn nhiệt thải, tận dụng được các nguồn nhiệt môi trường từ không khí, nước, địa nhiệt, nâng cấp chúng thành các nguồn nhiệt có ích phù hợp với các yêu cầu sử dụng năng lượng ở nhiệt độ thấp đê sưởi ấm, chuấn bị nước nóng, sấy, hút ẩm, xử lý bào quản rau quả, tẩy rửa, điều hòa không khí... 1.2. BƠM NHIỆT - CỨU TINH CỦA TRÁI ĐẤT Trong bài “ Heat Pump save the Earth on the Verge o f Global Warming” (Bơm nhiệt cứu Trái đất trên bờ vực nóng lên toàn cầu), ba chuyên gia hảng đầu của Nhật về bơm nhiệt là Giáo sư Hiroshi Kato, Chù tịch Trung tâm KHCN Bơm nhiệt và Trữ nhiệt Nhật Bản, Uiao sư Kiyoshi Kurokawa ~ Đại học Keio. cố vấn đặc biệt cùa chính phủ và nguyên Chủ tịch Hội đồng Khoa học của Nhật Bản và uiao sư Hiroshi Komiyama, Chủ tịch Đại học tổng họp Tokyo đã dánh giá bơm nhiệt sẽ là cứu linh cua 1 rai Đất trước thám họa môi trường, phát thái khí nhà kính vào khí quyển, nóng lên toàn cầu, biến đổi khí hậu, thiên tai hoành hành và ngập lụt. Vì phải nhập khẩu hầu như toàn bộ nhiên liệu các loại nên Nhật Bản nổi tiếng thế giới trong lĩnh vực tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng. Theo đánh giá của Trung tâm Nghiên cứu Bơm nhiệt và Trữ nhiệt Nhật Bản HPTCJ [3], nhờ liên tục nghiên cứu cải thiện hiệu quả năng lượng của các thiết bị trong các ngành công nghiệp mà suốt từ năm 1975 đến nay, GDP của Nhật liên tục tăng trướng nhưng tiêu thụ năng lượng và lượng phát thài C 〇2 hầu như không tăng. Tuy nhiên, tiêu thụ nhiên liệu chủ yếu là khí đốt và dầu trong khu vực gia đình Nhật Bản lại tăng đáng kể và chiếm một tỷ lệ khá lớn. Hình 1.3 giới thiệu tiêu thụ năng lượng gia dụng tại Nhật. Riêng tiêu thụ năng lượng để sưởi ấm và đun nước nóng chiếm từ 50 đến 60%. Tỷ lệ đó cũng tương tự như ở châu Au và Mỹ. Theo đánh giá của HPTCJ thì tới 90% năng lượng này đang được cung cấp từ đốt ga và dầu. Đây chính là lĩnh vực có thể ứng dụng bơm nhiệt với khả năng mang lại hiệu quả to lớn n% diên 69% dóu 24% sưỏi Ốm ctìiế u sang vỏ thiồt Dị dỉôn đ un nuỏc nong 9% diện 22% d ốu Hình Ị.3. Thành phấn íièu ihụ năng hrọng tạ i Nhật Bàn Hinh 1.4 giới thiệu hai phương pháp phân tích tiêu thụ năng lượng sơ cấp của hai hệ thống sưởi bằng đốt ga và bàng bơm nhiệt. Khi cùng cần 100 đơn vị nhiệt, nếu dùng lò sưới đốt ga ta phải tốn 111 đơn vị năng lương sơ cấp. Nếu dùng bơm nhiệt ta chi cần sử dụng 46 đơn vị năng lượng sơ cấp để sản xuất ra 9 17 đơn vị năng lượng điện đề chạy bơm nhiệt. Với 17 đơn vị năng lượng điện bơm nhiệt sẽ thu được từ môi trường 83 đơn vị nhiệt đề cho ra đù 100 đơn vị năng lượng nhiệt ờ dàn ngưng. Đieu đó có nghĩa khi sử dụng bơm nhiệt ta có thề giảm được tới 60 % năng lượng sơ cấp. Lượng phát thải khí C〇2 còn có thể giảm tới 70 % do nhiên liệu được xử lý tập trung tốt hơn. H ình 1.4. H ai phương pháp phán tích tiêu thụ năng lượng sơ cắp cho sưởi bằng đốt ga trực tiếp và qua bơm nhiệt Hình 1.5 giới thiệu khả năng cắt giảm phát thải khí C 〇2 ờ khu vực gia đình ờ Nhật cũng như ở các nước G7. Phát thải khu vực gia đình bao gồm đun nước nóng, điều hoà không khí, sưởi ấm gia dụng, thương nghiệp và tiểu thủ công nghiệp. Ở Nhật, tổng phát thải C 〇2 khu vực gia đình ước tính 189 triệu tấn/năm, ở các nước G 8 khoảng 2000 triệu tấn/năm. Nếu thay thế toàn bộ các thiết bị truyền thống bằng bơm nhiệt thì Nhật có thể giám phát thải dược 130 triệu tấn/năm (từ 189 triệu tấn/năm xuống còn 57,6 triệu tấn/năm) tương đương khoảng 70%. G 8 có thề giảm phát thài C 〇2 được khoảng 770 triệu tấn (từ 2000 triệu tấn/năm xuống 1230 triệu tấn/năm) tương đương khoáng 40%. Đó là những con số rất đáng khích lệ. Không kể hàng chục triệu bơm nhiệt điều hoà không khí gia dụng đang được tung ra thị trường hàng năm, Nhật nghiên cứu chế tạo thành công bơm nhiệt gia dụng nhiều chức năng môi chất tự nhiên C 〇2 với hiệu suất năng lượng cao có tên EC O -CU TE và con số xuất xưởng cũng lên đến hàng triệu chiếc mỗi năm. Nước Nhật hy vọng trong vòng vài chục năm tới có thể thay thế dược toàn bộ các thiết bị gia dụng đốt ga, đốt dầu bằng bơm nhiệt. 10 Wệ〇 rénC 〇2 trtệuténCCữ Hình 1.5. Khá năng cắt giám phát thải khí c o 2 ờ khu vực gia đình ở Nhật cũng như ớ các nước G8 1.3. BƠM NHIỆT PHÁT TRIẺN BÁT CHẤP SUY THOÁI KINH TÉ Ông Chủ tịch hãng Carrier Geraud Damis khẳng định trong bài "Carrier to launch Japanese Technology in the us” trên tạp chí JARN (Japan A ir Conditioning, Heating and Refrigeration News) tháng 7 năm 2010, đại ý: Ba năm qua (2007-2009) là ba năm tồi tệ đối với ngành điều hoà không khí, doanh thu sụt giảm, thị trường co hẹp... Năm 2005 Carrier bán được 2,1 triệu máy điều hoà gia dụng, nhưng năm 2009 chỉ bán được khoảng trên nửa triệu chiếc, giảm mất tới 75%. Còn so với năm 2008 thì giảm mất trên 20%, nhưng bù lại thị trường bơm nhiệt gia dụng lại đang phát triển rất nhanh chóng, với mức tăng từ 30 đến 50%. Bơm nhiệt dùng để đun nước nóng sinh hoạt và sưởi ấm gia dụng hiện tại có hai loại chù yếu là bơm nhiệt nước nước WTW (Water to Water heat pump) và gió nước A TW (A ir to Water heat pump). Bơm nhiệt nước nước còn dược gọi là bơm nhiệt địa nhiệt. Do kết cấu và lắp đặt, sử dụng đơn giản nên bơm nhiệt gió nước ATW đang có sự phát triển rất mạnh mẽ và chiếm gần như toàn bộ thị trường bơm nhiệt đun nước nóng gia dụng hiện nay. Hình 1.6 giơi thiệu con số bơm nhiệt gió nước A TW bán ra trên thế giới ở 5 vùng tiêu biểu lần lượt từ trẽn xuống là Nhật, Trung Quốc, châu Âu, úc và các vùng còn lại. Năm 2008 con số bán ra đạt 1 triệu chiếc, trong đó Nhật 500.200 chiếc, châu Ầu 300.000 chiếc, Trung Quốc 190.300 chiếc, úc 10.000 chiếc và các nước khác khoảng 5.000 chiếc, tăng khoảng 27,3% so với năm 2008. Châu Âu có tỷ lệ tăng mạnh nhất tới gần 50%. Ngoài các loại bơm nhiệt WTW, ATW và 11 các loại máy điều hoà không khí hai chiều có bơm nhiệt, người ta còn nghiên cứu các loại bơm nhiệt gia dụng với nhiều chức năng như bơm nhiệt ba trong một để sưởi ấm, dun nước nóng và làm mát; bơm nhiệt nhiều chức năng vừa sươi am. làm mát, đun nước nóng, tủ lạnh, tủ đông, đôi khi kết hợp cà với bộ thu năng lượng Mặt Trời với một máy nén biến tần duy nhất [10]. Đến tháng 9 năm 2009, riêng Nhật đã tiêu thụ được 2,02 triệu bơm nhiệt đun nước nóng kiểu gió nước (kiểu ECO - CUT ) gia dụng với môi chất là C〇2. X 1000 chiếc ITinìì 1.6. Số lượng bơm nhiệt giỏ nước ATW bản ra trên thế g iớ i ớ 5 vùng tiêu biếu I. 4. LÝ DO PHÁT TRIÈN CỦA BƠM NHIỆT Các nguồn năng lượng sơ cấp như năng lượng hoá thạch của thế giới ngày càng cạn kiệt. Toàn thế giới đang phải đối mặt nghiêm trọng với vấn đề tiết kiệm năng lượng sơ cấp. Dân số thế giới càng tăng, kinh tế thế giơi càng phát triển thì tiêu thụ nàng lượng càng nhiều. Có ba nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng hóa thạch, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng hóa thạch chiếm dến 83 %. Nhiên liệu hóa thạch được coi là năng lượng sơ cấp. Trước đây năng lượng sơ cấp được tính theo tấn than đá tương đương, ký hiệu !à tce (ton o f coal equivalent,1 tee = 8,14 MWh lấy tròn là 8MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của 1 kg than đá bằng 7.000 kcal/kg), nhưng ngày nay được tính theo tấn dầu tirơng đương ký hiệu toe (ton o f oil equivalent,1 toe = 41,868 GJ = I I , 63 MWh lấy tròn là 12MWh, giá trị này bắt nguồn từ nhiệt trị của 1 kg dầu bằng 10000 kcal/kg). Theo Tổ chức Năng lượng Thế giới IEA (International Energy Assessment) năm 1971 toàn thế giơi tiêu thụ khoảng 5500 tỷ tấn dầu tương đương, thì năm 1990 đã tăng lên 8755 tỷ tấn, năm 2005 là 11429 tỷ tấn. 12 IEA dự đoán tiêu thụ năm 2015 sẽ là 14.361 tỷ tấn và năm 2030 sẽ là khoảng 17.721 tý tấn đầu, tương đương với đà tăng trướng hàng năm là 15,5%. Hình 1.7 giới thiệu mức độ tiêu thụ năng lượng của cả thế giới. Trục tung là triệu tấn dầu tương đương (toe). Hình 1.7. Mức độ tiêu thụ nàng lượng của cà thế g iớ i (trục tung là tấn dầu tương đương ì toe - 12000 kWh) Năng lượng hoá thạch cùa thế giơi là hữu hạn. Với đà tiêu thụ như trên thì thời gian khai thác còn lại sẽ rất ngắn ngủi. Bảng 1.2 giới thiệu tình hình và thời gian khai thác còn lại của các nguồn nhiên liệu hoá thạch trên Trái Đất theo BP Statistics (2009) và ECCJ - Energy Conservation Handbook (2009). Báng 1.2. Tinh hình và thời gian khai thác còn lạ i của các nguồn nhiên liệu hóa thạch trên Trải Đất theo BP Statistics 2009 và ECCJ - Energ}> Conservation Handbook - 2009 Nhiên liệu hóa thạch Dầu mỏ Khí tự nhiên Than đá Uranium 1.258 185.020 826 5,47 tý thùng tỷ m 3 tỷ tấn triệu tấn T rữ lượng đã chứng m inh, R 29,9 tỷ thùng K hai thác hàng năm, p 3.070 (81,8 triệu tỷ m 3 7,08 tỳ tấn 44.000 tấn thùng/ngày) Thời gian còn khai thác được, R/P 41,4 năm 60,3 năm 117 năm 132 năm 13 Trong tương lai gần, toàn thế giới sẽ phai nỗ lực đi tìm kiếm những nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo đề bù đắp cho sự thiếu hụt của năng lượng sơ cấp hóa thạch đang cạn kiệt. Bơm nhiệt sẽ đóng góp một vai trò quan trọng trong việc tái sinh, nâng cấp nhiệt từ môi trường đề giảm tiêu tốn nguồn năng lượng sơ cấp. về mặt môi trường, để bào vệ môi trường, làm chậm quá trình nóng lên của Trái Đất, phải giảm phát thải khí nhà kính. Muốn giảm phát thải khí nhà kính phải giảm đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Đe đàm bảo an ninh năng lượng, việc sử dụng năng lượng với hiệu quả cao được coi là vấn đề then chốt. Hiện nay hiệu suất trung bình mới đạt khoảng 37%, nghĩa là khi đốt 100 tấn dầu chúng ta mới sử dụng được 37% nhiệt năng có ích, 63% nhiệt năng còn lại bị thất thoát vào môi trường. Ví dụ ở các nhà máy nhiệt điện đốt th a n ,100 % nhiệt năng sinh ra chỉ có khoảng 30% được biến thành điện, còn 70% bị tồn thất vào môi trường qua khói lò, nồi hơi, ống dẫn, tuabin, máy phát. 30% điện đó lại bị hao hụt mất khoảng 3% ở đường dây truyền tải, máy biến áp cao và hạ thế. Đen tới hộ tiêu thụ chỉ còn lại khoảng 27% hữu ích. Nếu sử dụng bơm nhiệt sươi am hoặc đun nước nóng với hiệu quả nhiệt cả năm bằng 6 thì hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp được nâng lên 6 lần bằng 6 X 27% = 162% . Hình 1.8 giới thiệu hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp cua bơm nhiệt sưởi ấm theo tính toán của các chuyên gia Nhật, khi sử dụng bơm nhiệt với hệ số hiệu quả năng lượng cả năm APF = 6 (Annual Performance Factor), với nhu cầu nhiệt sưởi là 100% thì chí cần 17% điện năng, và đế có 17% điện năng ta chỉ cần 46% năng lượng sơ cấp (các quá trình chuyển hóa năng lượng sơ cấp ở các nhà máy điện khác nhau trung bình ở Nhật đạt 17/46 = 37%). Đó là ưu thế không thể phủ nhận của bơm nhiệt. 100 % N h iệ t sưởi hữu ích 17% N ăng lượng sơ cấp Nhà máy điện Điện năng APF = 6 N h iệ t sưởi hữu ích H ình 1.8. Hệ số sứ dụng nâng lượng sơ cấp cùa bơm nhiệt sươi am và đun nước nóng với hệ số hiệu quà năng lượng cá nâìĩì của bơm nhiệt AP F = 6 !4 Việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quà ngày nay trên thế giới chưa đồng đều. Đề sản xuất ra khối lượng hàng hóa trị giá 1 tỷ USD mỗi nước đang tiêu tốn năng lượng sơ cấp tính ra tấn dầu tương đương rât khác nhau. Hình 1.9 giới thiệu tiêu tốn năng lượng sơ cấp tính ra tấn dầu tương đương (toe) rất khác nhau của các nước và khu vực theo “sồ tay Tiết kiệm năng lượng Nhật Bán， ECCJ 2009” （Japan Energy Conservation Handbook, ECCJ 2009). Tiêu thụ ít năng lượng nhất là Nhật với khoảng hơn 100 tấn toe/1 tý USD và cao nhất là Liên bang Nga gấp khoảng 16,7 lần (khoáng 1750 toe/1 tỷ USD). toe しấy mốc cường độ năng lượng cúa Nhật Bán là 1 20 ASEAN... Brunei, Indonesia, Malaysia^ Philippines Singapore, Thailan, Việt Nam 15 Trung Dông... Bahrain, Iran. Iraq, Israel, Jordan, Kuwait Libang, Oman, Qatar, Arập Xê-Út, Syria, UAE, Yemen 10 5 0 Nhật …n EU USA Canada Hàn OnẢr ASEAN Trung F)ồnp Trung Ouốc LB. Nga H ình 1.9. Tiêu tốn nàng lượng sơ cắp tính ra tắn dầu tương đương (toe) đê đạt ì tỷ USD 1.5. ỨNG DỤNG CỦA BƠM NHIỆT ủng dụng rộng rãi nhất của bơm nhiệt như đã trình bày ở trên là để sươi am phòng vào mùa đông, làm mát vào mùa hè để trở thành máy aieu hòa hai chieu. Đây là loại bơm nhiệt có năng suất nhỏ từ vài k w đến vài chục kW sử dụng trong khu vực gia đình và thương nghiẹp. Dan ngưng gio làm ấm trực tiep không khí trong phòng, còn dàn bay hơi gió thu nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời. Hầu hết bơm nhiệt loại này đều là bơm nhiệt nén hơi, dùng máy nén cơ chạy điện, máy nén dạng blôc pittông, rôto hoặc xoắn ốc, có van đồi dòng 4 ngả để chuyển 001 từ che độ làm mát mùa hè sang chế độ sưởi ấm mùa đông. Bơm nhiẹt loại này còn được sử dụng trong công nghiệp say, hút ẩm... 15 ủng dụng thứ hai cũng không kém phần quan trọng hiện nay là bơm nhiệt đun nước nóng từ 45 + 70 0C dùng cho gia đình， công sở， thương nghiệp và công nghiệp. Bơm nhiệt loại này có dàn ngưng gia nhiệt cho nước trong bồn nước nóng. Nước nóng sẽ được bơm bơm đến hộ tiêu thụ. Dàn bay hơi chủ yếu là loại gió thu nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời. Cũng có loại dàn bay hơi là dàn nước thu nhiệt trực tiếp từ nước giếng khoan, nước máy, nước ao, hồ, sông, suối hoặc nước thải có nhiệt độ cao, nước lấy từ bộ thu năng lượng Mặt Trời... Những hệ thống bơm nhiệt lớn sử dụng trong công nghiệp hoặc thương nghiệp, thể dục thể thao, năng suất nhiệt lên đến hàng chục ngàn kW thường sử dụng máy nén tuabin, chu trình nén hơi. V í dụ, năm 1959 hãng York của M ỳ đã lắp đặt một bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh ờ Square Walley phục vụ Olympic mùa đông. Đây là bơm nhiệt hai chiều nóng lạnh. Nguồn lạnh có năng suất 1919 kw để làm lạnh nước muối CaCỈ2 ờ nhiệt độ trung bình -10 °c, được bơm cấp cho 4 sân trượt băng nghệ thuật. Nguồn nóng phát ra từ 6 dàn ngưng không khí dùng để sưởi ấm cho các phòng thể thao và các bể bơi. Bơm nhiệt nóng lạnh là phương án bơm nhiệt hiệu quà nhất vì có thể sử dụng cà nguồn nóng và nguồn lạnh của bơm nhiệt, hệ số bơm nhiệt có thể nói là tăng lên gấp đôi. Ví dụ trong lò mổ, lạnh dùng đề bảo quản thịt, còn nước nóng dùng đế tẩy rửa. Trong các xí nghiệp chế biến thủy sản cũng vậy, lạnh dùng để bào quản cá, còn nước nóng dùng để tẩy rửa. Trong tháp chưng cất, tách chất dàn ngưng bố trí ờ đáy tháp để gia nhiệt cho đáy tháp, còn dàn bay hơi bố trí ờ đinh tháp đề thu chất dễ bay hơi ở đinh tháp. Đối với một nước với nền công nghiệp còn non tré như nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng bơm nhiệt hấp thụ chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao do công nghệ chế tạo bơm nhiệt hấp thụ đơn giản, hoàn toàn nằm trong tầm tay ngành cơ khí chế tạo, tạo điều kiện sử dụng hợp lý các nguồn nhiệt thải, khí thải, hơi thừa của các cơ sở công nghiệp khác nhau hiện nay. Nói chung, bơm nhiệt có thề sử dụng hiệu quả ở các trường hợp sau: - Khi nơi đó có nguồn nhiệt thải có nhiệt độ cao hom nhiệt độ môi trường nhưng vẫn còn quá thấp để có thể sử dụng trực tiếp. - Khi nơi đó có nhu cầu đồng thời nguồn nóng và nguồn lạnh như đã nói ờ trên, nguồn nóng đề chuẩn bị nước nóng, để sưởi, sấy; còn nguồn lạnh để bảo quản. - Trong các cơ sở công nghiệp sử dụng nhiều nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau, phù hợp với bơm nhiệt để có thể sử dụng nhiệt thải ở đầu ra cấp ngay cho nhu cầu nhiệt ở đầu vào, ví dụ trong điều hòa không khí mùa hè, thu nhiệt từ 16 các phòng cần làm mát để đun nước nóng sinh hoạt; thu nhiệt từ đỉnh tháp chưng cất đế cấp cho đáy tháp; sử dụng nhiệt thải của khu chiết chai, thanh trùng trong các nhà máy bia. nước giải khát để cấp cho khu rứa chai... - Trong các cơ sở công nghiệp đã có sẵn thiết bị hồi nhiệt mà bơm nhiệt có khá năng cải thiện việc thu hồi nhiệt thải. - Khi phải truyền tái một dòng nhiệt đi xa, việc sử dụng bơm nhiệt ở cuối nguồn của dòng nhiệt đề đảm bảo nhiệt độ đầu ra, có thế giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu. Bàng 1.3 giới thiệu một số khả năng ứng dụng cùa bơm nhiệt thông dụng, bảng 1.4 giới thiệu một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp và bảng 1.5 giới thiệu một số khả năng sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt thài ở các nguồn nhiệt thải. Bảng L3. M ột số khá năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng TT Mục đích sử dụng của bom nhiệt 1 Sưởi ấm nhà ở bàng bơm nhiệt Năng suất nhiệt, kW 2,3 - 1 4 Nhiệt độ nguồn nóng, ° c N hiệt độ 45-50 m ôi trường g ió g ió (A T A heat pum p) 2 Nhiệt độ nguồn lạnh, ° c Đun nước nóng gia dụng bằng 2 ,3 + 14 N hiệt độ ị 45 + 50 m ôi trường bơm nhiệt gió nước (A T W heat pump) Đun nước nóng thương nghiệp và cồng nghiệp (A T W 14 + 250 heat N h iệ t độ 45-70 ! m ôi trường pum p) 4 Công nghiệp sấy 2,3-250 N hiệt và ấm của 15-50 gió tuần hoàn 5 Quay vòng dòng nhiệt trong 250 - 1 0 0 0 30+130 30-50 1000+ 5000 30 + 70 50+120 công nghiệp bay hơi cô đặc, tháp chưng cất, xưởng giặt là, tẩy rửa vệ sinh th iế t bị hoặc buồng sấy 6 Thu hồi nhiệt thải từ các quá trình cồng nghệ, khu đồ thị, khu dân cư, sàn xuất hơi công nghệ, kết họp với trung tâm cấp nhiệt, cấp lạnh, thu hồi nhiệt ngưng tụ... 2-BƠM NHIỆT-A 17 Báng 1.4. Một số kha năng ứng dụng cùa bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp B o m nhiệt nóng lạnh Điều hòa không khí Nhu cầu lạnh Nhu cầu nóng Sươi am mùa đông Làm mát mùa hè hai chiều Đun nước nóng gia Đun nước nóng dụng しàm mát phòng mùa hè, tủ lạnh gia đình Bơm nhiệt đa năng Sươi am mùa đông, đun nước Làm mát mùa hè nóng cả năm, có thể kết họp với bộ thu năng lượng Mặt Trời Nhà máy chế biến cá Nước nóng đế vệ sinh, tẩy rửa Bảo quản lạnh và sán xuất nước đá Nhà máy chế biến thịt Nước nóng để vệ sinh, tầy rửa Bảo quán lạnh và sản xuất nước đá X í nghiệp giết mồ Nước nóng đề vệ sinh, tẩy rửa Làm lạnh, bảo quản lạnh, kết đông và bào quản đông Xí Nước nóng để vệ sinh, tẩy rứa Làm lạnh và bảo quản lạnh sữa nghiệp chế biến và sinh hoạt sữa Các nhà máy chế biến Nước nóng để vệ sinh, tẩy rửa Bào quản lạnh, làm lạnh và rau quà, nông sản và dùng cho máy rửa bảo quản sản phẩm Sưởi ấm phòng hoặc bán nhiệt Làm lạnh phòng K ho lạnh ngưng tụ dạng nước nóng, gió nóng Xưởng bia Nước nóng Lạnh nhanh dịch bia, làm lạnh bia lên men và thành phẩm, i bảo quản nuôi cấy men... T rung tâm cấp nhiệt, Nước nóng Nước lạnh Công trình thề thao Sưởi phòng, sươi am bể bơi Sân trượt băng Tháp chưng cất, tinh Cấp nhiệt cho đáy tháp Thu nhiệt ở đỉnh tháp Bay hơi, cô đặc với Cấp nhiệt cho quá trình bay Thu nhiệt ở quá trình ngưng tụ chu trình hở hơi mạng nhiệt luyện, tách chất 18 2-BƠM NHIỆT-B BátìỊỊ 1.5. M ột só kha năng sử dụng bơm nhiệt đé thu hòi nhiệt thái ớ các nguồn nhiệt thài Cơ sở kinh tế Nguồn nhiệt thải Nhu cầu nhiệt nhiệt độ thấp X í nghiệp giặt là Nước nóng Nước thải Khách sạn, bệnh viện Nước nóng và nước sinh hoạt Nước thải Xưởng nhuộm và sợi Nước nóng Nước thải Nước nóng và nhiệt cấp cho Nước thải và khí thải dệt Nhà máy giấy và bột máy sấy Xưởng sản xuất mạch N hiệt cấp cho máy sấy K hí thải Sươi am và nước nóng N hiệt nha Điều hòa không khí trong xí nghiệp và chuồng trại thải từ chuồng trại, buồng ấp trứng, buồng giống, nồng buồng dấm hoa quả... nghiệp Xướng dấm chuối, dấm Buồng dấm chuối, dấm hoa Buồng bảo quản chuối, hoa hoa quả quả quả Xướng sấy Gia nhiệt không khí cấp cho K hí thải, ẩm thải từ buồng buồng sấy sấy 1.6. THỊ TRƯỜNG BƠM NHIỆT GIA DỤNG VÀ THƯƠNG NGHIỆP THẾ GIỚI 1.6.1. Thị trường thế giới Theo tạp chí JARN trang l số 520-S ngày 25 tháng 5 năm 2012, tổng .sản lượng máy điều hòa phòng RAC (Room A ir Conditioner) và máy điều hòa tổ hợp gọn PAC (Packaged A ir Conditioner) cua toàn thé giới sản xuẩt năm 2011 là khoảng 96,7 triệu máy. tăng khoảng 7,5% so với năm 2010, trong đó máy điều hòa hai chiều (bơm nhiệt) chiếm khoảng 30%. Trung Quốc đã củng cố vị trí dẫn đầu với 41,0 triệu máy. Thị trường M ỹ đã tiêu thụ khoảng 13,6 triệu máy, tăng 7,7% so với năm 2010. Thị trường châu Âu đã tiêu thụ khoảng 7,2 triệu máy， tãng I 1， 5% so với năm 2010. Thị trường Nhật đã tiêu thụ gần 9， 1 triệu máy, tăng nhẹ so với năm 2010. Thị trường châu Á (ngoại trừ Trung Quốc và Nhật) đã tiêu thụ khoảng 12， 1 triệu máy. Hình 1.10 giới thiệu biểu đồ phát triển máy điều hòa không khí RAC/PAC của Trung Quốc, Mỳ, Nhật và châu Âu từ năm 2006 đến 2012. Hình 1.11 giới thiệu dự đoán sản lượng máy điều hòa RAC/PAC năm 2012 cho các khu vực trên thế giới. 19 Tải về bản full