Đề tài Bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN LẠNH
-------***-------
Báo Cáo Môn Học 
CHUYÊN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Đề Tài:
BƠM NHIỆT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Nhóm 4:
Phan Phú Lộc	12147200
Lê Xuân Nam 	12147211
Nguyễn Hữu Trí	12147318
Nguyễn Trần Trọng Tuấn	12147266
I. TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT.
1. Bơm nhiệt là gì ?
	Trong tự nhiên, nhiệt độ có xu hướng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn. Vậy dùng cách nào thu thập, để kiểm soát và điều khiển nhiệt độ theo ý muốn.
	Người ta dùng bơm nhiệt (Heat Pump) để di chuyển nhiệt từ một nguồn nhiệt thấp hơn (không khí trong môi trường xung quanh) tới nguồn nhiệt cao hơn (bình chứa nước nóng chẳng hạn) và ngược lại. Như vậy: bơm nhiệt là một thiết bị có sử dụng một lượng nhỏ năng lượng để hấp thụ, điều chỉnh nhiệt độ và di chuyển nó đến nơi mong muốn.
2. Nguyên lý hoạt động.
	Trong tự nhiên, nước luôn chảy từ cao xuống thấp, nhiệt luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhưng chúng ta có thể dung bơm để bơm nước từ dưới thấp lên cao và dùng bơm nhiệt để di chuyển nhiệt từ một nguồn nhiệt thấp (không khí môi trường xung quanh) tới nguồn nhiệt cao hơn (bình chứa nước nóng). Như vậy bơm nhiệt chính là một hệ thống làm tăng nhiệt lượng. Hệ thống này làm việc trên nguyên lý của điều hòa nhiệt độ 2 chiều, nhưng hoạt động theo nguyên lý ngược với quy trình làm lạnh.
	Máy bơm nhiệt bao gồm 4 bộ phận chính: máy sấy, máy nén, máy ngưng tụ và van giảm áp nối với nhau tạo thành một vòng kín. Một luồng chất lưu dễ bay hơi, gọi là lưu chất vận động (working fluid) luân chuyển trong máy bơm với nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường ngoài cung cấp cho môi trường tiếp nhận.
	Ở chế độ sưởi, máy bơm nhiệt hoạt động theo nguyên tắc sau:
	- Đầu tiên, máy bơm sẽ thu nhiệt lượng từ môi trường ngoài và được luồng lưu chất vận động (lúc này ở dưới dạng hơi, áp suất thấp, nhiệt độ khoảng 10 độ C) vận chuyển tới máy nén.
	- Tại máy nén, luồng lưu chất vận động bị nén sẽ tăng nhiệt độ (lên khoảng 80 độ C), đồng thời nhiệt lượng được luồng lưu chất vận động mang theo bên mình cũng sẽ tăng theo.
	- Sau đó luồng lưu chất vận động ở nhiệt độ cao này được chuyển tới máy ngưng tụ, tại đây lưu chất vận động khi ngưng tụ thành chất lỏng sẽ giải phóng nhiệt lượng mang theo bên mình (nhiệt lượng này thu được từ môi trường ngoài và từ quá trình nén tại máy nén) để cung cấp cho thiết bị sưởi.
	- Lúc này lượng lưu chất vận động (ở trạng thái lỏng, áp suất cao) sẽ đi qua van giảm áp để đưa lại về máy sấy, sau đó nó được sấy thành luồng lưu chất vận động mới (ở dạng hơi, áp suất thấp) và mang theo nhiệt lượng thu từ môi trường ngoài tiếp tục một chu trình mới.
3. Ứng dụng.
	a) Trong dân dụng.
	Với tính năng tiết kiệm và an toàn cao, bơm nhiệt được áp dụng trong dân dụng sẽ đảm bảo nhu cầu nước nóng quanh năm với chi phí ít hơn khoảng 65% so với sử dụng bình nước nóng dun điện thông thường. Một số loại máy bơm nhiệt của Midea còn được kết hợp giữa việc làm nước nóng và điều hòa đảm bảo cả nhu cầu làm mát, sưởi ấm và nước nóng quanh năm với chi phí thấp nhất.
	b) Trong thương mại và công nghiệp.
	Trong thương mại và công nghiệp, bơm nhiệt (Heat Pump) rất thích hợp ứng dụng cho những nghành cần lượng nước nóng lớn như khách sạn, khu tổ hợp chung cư, nhà máy sản xuất thực phẩm, nhà hàng, xưởng giặt là và bệnh viện.... 
	Với việc sử dụng nước nóng thường xuyên, chi  phí điện năng, dầu là rất lớn. Áp dụng công nghệ bơm nhiệt sẽ góp phần tiết kiệm đáng kể chi phí khổng lồ trên qua đó giúp giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh, tăng lợi nhuận. 
II. HỆ THỐNG BƠM NHIỆT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
	1. Giới thiệu về hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời.
	Là một ứng dụng phát triển gần đây trong việc tích hợp bơm nhiệt và công nghệ năng lượng mặt trời nằm trong việc sử dụng năng lượng mặt trời thu trực tiếp mở rộng để thay thế các thiết bị bay hơi giải nhiệt bằng không khí trong một hệ thống bơm nhiệt. Hệ thống bơm nhiệt này sử dụng bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt bốc hơi được gọi là hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời (SAHP). Ưu điểm của hệ thống này là nhiệt độ bay hơi cao của chất làm lạnh ở thiết bị bay hơi hay bộ thu do các tác động làm nóng của năng lượng mặt trời. Điều này làm tăng hệ số hiệu suất (COP) của các máy bơm nhiệt. Từ quan điểm công nghệ năng lượng mặt trời, các chất làm lạnh là chất lỏng làm việc tại các bộ thu năng lượng mặt trời trải qua giai đoạn thay đổi ở nhiệt độ tương đối thấp. Tổn thất nhiệt của các bộ thu giảm rõ ràng và do đó hiệu quả tiện ích năng lượng được cải thiện.
	Hệ thống SAHP lần đầu tiên được đề xuất bởi P. Spornon. Những năm gần đây, SAHP đã nhận được nhiều sự chú ý từ các vấn đề năng lượng, ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính đang ngày càng trầm trọng.
	Trong nhiều trường hợp, hệ thống bơm nhiệt có thể được kết hợp với hệ thống nhiệt mặt trời để năng lượng nhiệt mặt trời có thể được sử dụng để đáp ứng một phần lớn nhu cầu nước nóng vào mùa hè và một phần vào công việc gia nhiệt nước. Ngoài ra, hiệu quả của bơm nhiệt tăng lên đáng kể khi nhiệt độ của nguồn nhiệt được tăng lên với hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời.
	Hệ thống nhiệt mặt trời thường được thiết kế trong các tòa nhà dân cư sao cho diện tích bề mặt thu và lưu trữ của hồ đáp ứng được khoảng 60% nhu cầu nước nóng hàng năm. Hệ thống có kích thước lớn hơn cũng có thể được sử dụng để cung cấp hỗ trợ sưởi ấm không gian. Năng lượng còn lại cần để sưởi ấm nước trong nước và sưởi ấm không gian được cung cấp bởi một máy phát nhiệt thêm, ví dụ như một nồi hơi khí hoặc máy bơm nhiệt. Việc thu năng lượng mặt trời được kết nối với một bể chứa qua một mạch năng lượng mặt trời.
	Hệ thống bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời (SAHP) nhằm mục đích kết hợp các đặc tính có lợi của năng lượng nhiệt mặt trời để thu gom và bơm nhiệt vào nơi sử dụng với mục đích làm nóng nước và sưởi ấm không gian. Thêm vào đó, bơm nhiệt năng lượng mặt trời có khả năng hút năng lượng từ mặt trời, cải thiện phần nhỏ năng lượng của bơm nhiệt. Thêm một bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời vào bơm nhiệt có khả năng cải thiện hệ số hiệu suất bơm nhiệt trong quá trình hoạt động bằng cách tăng nhiệt độ bay hơi.
	2. Những đặc trưng của hệ thống SAHP.
	a) Nguyên lý hoạt động.
	Hệ thống SAHP hoạt động tương tự như hệ thống bơm nhiệt thông thường, nhưng ở tại giàn bay hơi được lắp thêm các tấm thu năng lượng mặt trời làm nguồn nhiệt.
Một hình ảnh về ứng dụng bơm nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời.
	b) Sự kết hợp truyền thống các hệ thống năng lượng mặt trời.
	Hình dưới cho thấy hệ thống kết hợp một hệ thống nhiệt mặt trời với một máy bơm nhiệt. Hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời tốn phí cho một bể chứa nước dân dụng - bất cứ khi nào cần thiết - cũng được đun nóng bằng bơm nhiệt. Trong ví dụ này, sưởi ấm không gian trực tiếp và duy nhất cung cấp bởi các máy bơm nhiệt, tức là không có một bể chứa nhiệt.
	Điều quan trọng là hệ thống điều khiển máy bơm nhiệt ưu tiên sử dụng nhiệt năng lượng mặt trời. Các chỉ số hiệu năng theo mùa của hệ thống nhiệt mặt trời cao có nghĩa là nhu cầu năng lượng điện giảm và tăng hiệu suất hệ thống. Những cải tiến trong hiệu quả và tiết kiệm chi phí hoạt động phụ thuộc vào nhiều thông số như bức xạ mặt trời, các loại thành phần chính và kích thước của chúng. Với hệ thống sử dụng bơm nhiệt lấy nguồn từ đất, hệ thống nhiệt mặt trời làm giảm nhiệt hấp thụ từ mặt đất vào mùa hè. Phụ thuộc mức độ mà điều này làm giảm sự sụt giảm nhiệt độ mặt đất trong các hoạt động sưởi ấm như một kết quả của việc này, hoặc mức độ mà các thiết bị trao đổi nhiệt lỗ khoan ngang mặt đất có thể được làm nhỏ hơn trong số những thứ khác trên giảm tương đối trong việc loại bỏ nhiệt và sự tồn tại của các dòng nước ngầm.
	c) Năng lượng nhiệt mặt trời như là một nguồn năng lượng cho máy bơm nhiệt.
	Một cách tiếp cận khác là để tích hợp các hệ thống nhiệt mặt trời dùng nhiệt mặt trời làm nguồn năng lượng cho bơm nhiệt để năng lượng mặt trời là một trong hai nguồn nhiệt duy nhất cho các máy bơm nhiệt hoặc cung cấp nhiệt bổ sung. Một số các hệ thống đã có sẵn trên thị trường trong nhiều năm nay mà đôi khi chỉ khác nhau ở mức độ nhẹ nhưng cũng đôi khi về cơ bản khác nhau. Sự khác biệt chính về các khía cạnh sau:
	- Nguồn nhiệt: Loại và kích thước của các nguồn nhiệt.
	- Hệ thống lưu trữ nhiệt: Là một bể lưu trữ kết nối với phía nguồn nhiệt? Các loại bể chứa được sử dụng?
	- Loại Collector: Hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời thích hợp với mức nhiệt độ nào ?
	- Ứng dụng: Ngoài việc được ứng dụng cho nguồn năng lượng bơm nhiệt, năng lượng nhiệt mặt trời cũng đã sử dụng vào bồn nhiệt, tức là cho trực tiếp đun nước nóng trong nước và nước để sưởi ấm không gian ?
	Ba ví dụ từ sự đa dạng các khái niệm của hệ thống hiện được mô tả dưới đây.
	Hình 2 cho thấy một hệ thống với một máy bơm nhiệt với nguồn địa nhiệt kết hợp bộ thu không bóng để cung cấp nhiệt hiệu quả ở mức nhiệt độ thấp. Năng lượng mặt trời được dành riêng bơm vào phía nguồn. Năng lượng nhiệt mặt trời được lưu trữ trong mùa hè có thể được sử dụng để tái tạo mặt đất. Điều này giúp ổn định các nguồn nhiệt có thể chống lại bất kỳ khả năng có thể xảy ra, việc gia tăng không lường trước được của nhiệt được loại bỏ và hơi, tăng nhiệt độ của nguồn nhiệt của bơm nhiệt.
Hình 2: Sơ đồ hệ thống cho một hệ thống bơm nhiệt với một bộ thu năng lượng mặt trời không bóng hấp thụ năng lượng mặt trời với mặt đất hoặc trực tiếp đến các máy bơm nhiệt như một nguồn nhiệt thứ hai.
	Hình 3 cho thấy một hệ thống sử dụng riêng biệt các hệ thống nhiệt mặt trời làm nguồn năng lượng cho các máy bơm nhiệt. Các tấm thu nhiệt phẳng trực tiếp làm nóng các bể chứa nước nóng. Nếu năng lượng nhiệt mặt trời tạo ra vượt hơn các yêu cầu hoặc nhiệt độ tạo ra là quá thấp, sức nóng năng lượng mặt trời được đưa vào một bể chứa đệm để được sử dụng như là nguồn năng lượng cho các máy bơm nhiệt. Các bể chứa đệm đảm bảo rằng năng lượng nhiệt mặt trời có thể được sử dụng ở mọi giai đoạn hay thời điểm khác nhau.
Hình 3: Sơ đồ hệ thống cho một hệ thống bơm nhiệt với tấm thu nhiệt phẳng để gia nhiệt các bể chứa nước nóng và như là một nguồn nhiệt chung cho các máy bơm nhiệt.
	Hình 4 minh họa một khái niệm hệ thống với một máy bơm nhiệt nguồn không khí và các tấm thu nhiệt dạng phẳng. Năng lượng nhiệt mặt trời chủ yếu làm nóng một bể chứa nước nóng. Nếu nhiệt độ tạo ra là không đủ, năng lượng nhiệt mặt trời được sử dụng trực tiếp như là một nguồn nhiệt bổ sung cho các máy bơm nhiệt trong quá trình hoạt động bơm nhiệt. Điều này làm tăng nhiệt độ của nguồn bơm nhiệt, máy bơm nhiệt nguồn không khí hoạt động rất thấp trong những ngày lạnh trong mùa nóng.
Hình 4. Sơ đồ hệ thống cho một hệ thống với một máy bơm nhiệt nguồn không khí và tấm thu năng lượng mặt trời để trực tiếp làm nóng nước nóng trong bể và là một nguồn nhiệt thứ hai.
	3. Đánh giá hệ thống SAHP.
	Đo đạc thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng cho thấy sự cải thiện trong hiệu quả khi sử dụng các hệ thống nhiệt mặt trời trong bơm nhiệt:
	- Hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
	- Bảo vệ môi trường.
	- Bảo tồn thiên nhiên và an toàn hạt nhân
	- Tiến đến các vấn đề thâm thiện với môi trường sinh học.
	Các dự án "Năng lượng mặt trời và nhiệt Hệ thống bơm" được tổ chức bởi Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) và kéo dài từ tháng 1 2010 đến tháng năm 2013. Nó là có liên quan với việc so sánh các hệ thống bơm nhiệt năng lượng mặt trời nhiệt, nhờ đó mà trong số những thứ khác, nó được phát triển thông số đánh giá và phương pháp để điều tra các hệ thống sử dụng phương pháp mô phỏng, đo lường trong phòng thí nghiệm và kiểm tra thực nghiệm. Dự án hợp tác này cũng được tích hợp các kết quả từ một dự án được thực hiện bởi Đại học Stuttgart và được tài trợ bởi Bộ Liên bang Đức về Môi trường, Bảo tồn Thiên nhiên và An toàn hạt nhân, mà là có liên quan với việc phát triển các bài kiểm tra và đánh giá sinh thái kết hợp các hệ thống bơm nhiệt năng lượng mặt trời (HPSol).
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
www.google.com
www.youtube.com