Bơm nhiệt có chi phí vận hành hàng năm thấp hơn nhiều so với việc sử dụng điện hoặc ga để làm sản xuất nước nóng. Điều này có được là do thiết bị sử dụng điện không phải để đun nóng nước mà là để hấp thụ nhiệt từ không khí, gia tăng nhiệt cho nó và dùng nó để làm nóng nước. Khoảng ba phần tư nhiệt độ có được là do hấp thụ từ môi trường. Trong chu trình nêu trên, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng do bơm nhiệt tạo ra tương đương với nhiệt lượng QC đã được truyền vào nước lạnh trong bình chứa (bình bảo ôn).
Theo tính toán của các chuyên gia, nhiệt lượng được hấp thụ từ không khí QA bằng 3/4 QC và đây chính là phần năng lượng hệ thống tiết kiệm được. Hệ thống chỉ tiêu thụ lượng điện năng QB bằng 1/4 tổng khối lượng năng lượng tạo ra. Do vậy khi sử dụng công nghệ máy bơm nhiệt bể bơi làm nóng nước phục vụ cho sinh hoạt chúng ta có thể tiết kiệm đến 75% chi phí năng lượng so với việc sử dụng bình nước nóng thông thường.
Bảng giá thành phải trả cho 1 triệu BTU nhiệt
Gia nhiệt nước nóng cho bể bơi đã được ứng dụng phổ biến, đặc biệt đối với bể bơi thương mại. Giúp gia tăng thời gian hoạt động của bể bơi từ 4 tháng khi chưa có công nghệ gia nhiệt nước nóng lên đến 12 tháng.
Các phương pháp gia nhiệt được sử dụng trước đây chủ yếu là nồi hơi dầu, nồi hơi ga và nồi hơi điện, phương pháp này đảm bảo khả năng gia nhiệt công suất lớn tuy nhiên thường gặp hạn chế với vấn đề xin cấp phép do nguy cơ cháy nổ có thể xảy ra, vấn đề về không gian lắp đặt cũng cần được chú ý. Một thế hệ mới sử dụng năng lượng mặt trời để gia nhiệt nước nóng cũng được đưa vào ứng dụng tuy nhiên thiết bị gia nhiệt năng lượng mặt trời chỉ có thể hỗ trợ gia nhiệt nước nóng hiệu quả vơi chứ hoàn toàn không thể đứng độc lập ở công trình.
Ngày nay, Các chủ đầu tư chú ý hơn và thường lựa chọn công nghệ bơm nhiệt cho gia nhiệt nước nóng bể bơi. Hoạt động trên nguyên lý hấp thụ nhiệt từ môi trường và nhiệt lượng thu được có hiệu suất cao gấp 4 lần so với thiết bị gia nhiệt bằng điện cùng loại. Bơm nhiệt là thiết bị gia nhiệt gián tiếp cho nguồn nước do vậy khả năng an toàn cho người sử dụng được đảm bảo tuyệt đối. Máy nước nóng bơm nhiệt đảm bảo khả năng cung ứng cho mọi dung tích bể bơi do năng suất làm nóng cao.
Bơm nhiệt là một thiết bị dung để bơm dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp lên nhiệt độ cao hơn để sử dụng. Để duy trì hoạt động của bơm nhiệt cần phải tiêu tốn một năng lượng để chạy máy nén. Như vậy bơm nhiệt có nguyên lý và hoạt động như máy nén lạnh. Sự khác nhau chỉ là mục đích sử dụng, ở máy lạnh người ta sử dụng hiệu ứng lạnh do máy tạo ra ở dàn bay hơi, còn ở bơm nhiệt người ta sử dụng hiệu ứng nhiệt sinh ra ở dàn ngưng tụ hoặc đồng thời sử dụng cả lạnh và cả nhiệt.
Ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt chính là phần lớn nhiệt thu được ở dàn ngưng là được lấy từ môi trường bên ngoài như không khí hoặc nước luôn có sẵn xung quanh chúng ta. Hiệu quả năng lượng COP của bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi. Để đảm bảo COP của bơm nhiệt phải bằng 3 trở lên thì độ chênh nhiệt đọ không được quá 50oC-60oC. Cũng chính vì lí do hiệu quả năng lượng nên nhiệt độ nước nóng và không khí ra từ dàn ngưng tụ dung cho sấy sưởi và sinh hoạt thường không vượt quá 60oC. Trừ trường hợp nguồn nhiệt thải (môi trường) cao hơn cung cấp cho dàn bay hơi.
Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi
Môi chất lạnh được máy nén hút từ thiệt bị bay hơi với trạng thái p0 và t0, nén lên áp suất pk và đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Ở thiết bị ngưng tụ môi chất tỏa nhiệt qk cho môi trường để ngưng tụ lại thành lỏng ở nhiệt độ tk. Lỏng lại được tiết lưu trở lại thiết bị bay hơi, ở đây môi chất lại bay hơi thu nhiệt q0 của môi trường lạnh và lại được máy nén hút, khép kín vòng tuần hoàn của môi chất lạnh.
Đánh giá hiệu quả của máy bơm nhiệt qua hệ số φ
Hệ số nhiệt φ còn được gọi là COPheating là tỉ số giữa nhiệt hữu ích thu được ở giàn ngưng tụ trên điện năng tiêu tốn cho máy nén.
φ=q_k/l=(dòng nhiệt hữu ích)/(công tiêu tốn cho máy nén)=(q_0+l)/l=ε+1
Trong đó ε=q_0/l là hệ số lạnh của máy lạnh.
Hệ số nhiệt φ là chỉ tiêu đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt. Thông thường φ≥3 (nghĩa là mỗi 1kW điện tiêu tốn người ta phải thu được ít nhất 3kW nhiệt) thì bơm nhiệt mới có hiệu quả vì chi phí ban đầu để xây dựng bơm nhiệt so với một thanh điện trở là khá lớn. Cũng như máy lạnh hệ số bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hiệu nhiệt độ vận hành giữa giàn bay hơi và giàn ngưng. ∆t=t_k-t_0 (t_k nhiệt độ giàn ngưng, t_0 nhiệt độ giàn bay hơi).
Theo chu trình carnot ta có: φ_c=T_k/∆t, vì vậy ∆t ≤60K thì bơm nhiệt mới mang lại hiệu quả kinh tế, và ∆t càng nhỏ thì hiệu quả càng cao.
Lượng nhiệt cấp cần để làm nóng bể là: Q = m*c*∆t
- M là khối lượng nước cần gia nhiệt
- C là nhiệt dung riêng
- ∆t là độ chênh nhiệt độ giữa nước nóng và nước lạnh
Vấn đề gặp phải đối với bể bơi nước nóng đó là trong quá trình làm nóng nước sẽ có một lượng nhiệt bị mất do hiện tượng truyền nhiệt qua vách thành bể, đáy bể và do đối lưu giữa mặt nước với môi trường. Do đó ta cần phải tính toán lượng nhiệt bị tổn thất để bù lại nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệt độ của bể ở trong khoảng quy định tiêu chuẩn. Dưới dây là các công thức tính toán các dạng tổn thất.
Lượng nhiệt tổn thất qua thành bể và đáy bể: Q1 = k1*F1*∆t
- k1 là hệ số truyền nhiệt qua kết cấu
- k_1=1/(1/α_(t_1 ) +∑δ/λ+1/α_(t_n ) )
- F1 là diện tích thành bể và đáy
- ∆t=t_n-t_1
Lượng nhiệt tổn thất do bay hơi bề mặt bể: Q2 = k2*F2*∆t
- k_2 là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa nước và không khí
- F_2 là diện tích bề mặt bể
- ∆t là độ chênh nhiệt độ giữa nước và không khí
Tính thủy lực cho mạng nhiệt
- Xác định đường kính các ống.
- Tính tổn thất áp suất (hay tổn thất thuỷ lực).
- Tìm phân bố áp suất môi chất trên đường ống
- Kiểm tra áp suất và lưu lượng môi chất đến các hộ tiêu thụ ở cuối đường ống.
- Chọn bơm quạt cho mạng nhiệt.
Tính chọn đường kính ống
Việc chọn đường kính d của dựa vào lưu lượng V(m3/s) hoặc G(kg/s) khốilượng riêng ρ(kg/m3) và vận tốc ω(m/s) của từng loại môi chất theo quan hệ sau: G = ρV = ρωf =ρω π/4 d^2, do đó:
d=2√(V/(π.ω))=2√(G/πρω) (m), với:
ω (m/s) là vận tốc trung bình của môi chất trong ống, cho theo bảng sau: (Nếu ống không tròn thì lấy đường kính =4f/u ). TT Môi chất ω (m/s)
1 Chất lỏng tự chảy 0,1÷1
2 Chất lỏng trong ống hút của bơm 0,8÷2
3 Chất lỏng trong ống đẩy của bơm 1,5÷2,5
4 Chất khí chảy tự nhiên 2÷4
5 Khí trong ống đẩy của quạt 4÷1,5
6 Khí trong ống đẩy của máy nén 15÷25
7 Hơi bão hòa 15÷50
8 Hơi quá nhiệt 30÷75
2. Tính sức cản thủy lực
Sức cản thủy lực được đo bằng hiệu số áp suất (hay tổn thất áp suất) ∆p (N/m^2 =Pa). Quan hệ tính đổi các đơn vị áp suất là: 1Pa = 1N/m2 = 10-5bar = 0,987.10-5 atm = 1,02.10-5 at = 0,102mmH2O (40C).
2.1. Các loại tổn thất áp suất
Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả các sức cản thuỷ lực trong hệ thống ống dẫn, thiết bị, của môi chất chảy đẳng nhiệt là: Δp=〖∆p〗_m+〖∆p〗_c+〖∆p〗_h+〖∆p〗_ω+〖∆p〗_t+〖∆p〗_f, trongđó:
+ ∆p_m=λ (ρω^2)/2.1/d, (N/m^2) là áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi môi chất chảy ổn định trong ống thẳng, trong đó l(m) chiều dài ống, d(m)=4f/u đường kính của ống, λ là hệ số ma sát thủy lực, (ρω^2)/2 động năng dòng chảy.
+ ∆p_c=ξ.(ρω^2)/2=λ.ρ^2/2.l_td/d, (N/m^2) là áp suất để khắc phục trở lực cục bộ tại các chi tiết, với ξ là hệ số trở lực cục bộ, l_td (m) là chiều dài tương đương, bằng chiều dài ống thẳng có trở lực bằng trở lực cục bộ của chi tiết.+ 〖∆p〗_h = fgh (N/m^2) là áp suất để nâng chất lỏng lên cao hoặc khắc phục áp suất thuỷ lực, với ρ (kg/m^3) khối lượng riêng chất lỏng, g = 9,81 m/s^2), h(m) chiều cao nâng chất lỏng hoặc cột chất lỏng.
+ ∆p_ω =(ρω^2)/2 (N/m^2) là áp suất động lực học, cần để tạo dòng ra khỏi ống với tốc độ ω(m/s).
+ 〖∆p〗_t (N/m^2) là áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị.
+ 〖∆p〗_f (N/m^2) là áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn khi cần đưa chất lỏng vào thiết bị có p > pk hoặc để phun chất lỏng vào thiết bị, v.v…
2.2 Hệ số trở lực ma sát λ
Nói chung λ = f (Re, độ nhám ε thành ống).
Khi chảy tầng Re <2320 (với R_e=ωd/γ=ωdρ/μ), λ=A/Re=Av/ωd=Aμ/ωdρ, với:
ν(m^2/s), μ(Ns/m^2) là độ nhớt động học, động lực của môi chất,
A là hệ số KTN phụ thuộc hình dạng mặt cắt ngang ống.
d=4f/u(m) là đường kính tương đương của ống.
Khi chảy quá độ 2320 4000 thì:
λ=1,8〖(lgRe-1,64)〗^(-2)khi 4000<Re<6(d/ε)^(8/7)
λ=〖(1,14+2lg d/ε)〗^(-1)khi 6(d/ε)^(8/7)<Re<220(d/ε)^(9/8)
Tính toán thiết kế sơ bộ
1. Các thông số ban đầu
– Thể tích bể: 213 m^3
– Nhiệt độ nước lạnh: 180C ± 20C
– Nhiệt độ nước nóng: 300C ± 20C
2. Tính toán
2.1.Gia nhiệt cho bể khi ở trạng thái lạnh
Tính toán nhiệt khi bể đang ở trạng thái lạnh là ta cần xác định lượng nhiệt cần thiết để nâng nước từ 200C lên 280C.
Q_1=M*C_p*∆T=V*ρ*C_p*∆T
t1= 200C, t2= 280C → ttb= 240C →C_p=4,181 kJ/(kg.K) , ρ=998,15 kg/m^3
Q_1=213*998,15*4,181*(28-20)=7111244 (kJ)
Khi kể đến hệ số tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường trong quá trình gia nhiệt cho nước ở trạng thái lạnh, ta lấy hệ số tổn thất nhiệt K¬¬¬¬¬¬¬¬tt = 1,1
Q_1^’=K_tt*Q_1=1,1*7111244=7822368,4 (kJ)
Do yêu cầu làm nóng nước trong 65 giờ, nên mỗi giờ bơm nhiệt phải cấp:
P_1=Q/(65*3600)=7822368,4/(65*3600)=33,43 (kW)
2.2 Gia nhiệt cho bể khi đã hoạt động
Khi bể đi vào hoạt động thì ta cần bù lại lượng nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường xung quanh chủ yếu là do đối lưu giữa bề mặt bể bơi với không khí.
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ nước ra không khí α=15 (W/(m^2 K))
Q_tt=α*F*∆t=15*170*(28-20)= 20400 W=20,4 (kW)
2.3 Lượng nhiệt cấp cho số người đến
Giả sử số người đến tắm là 120 người.
Tiêu chuẩn cấp cho 1 người đến tắm là q0= 60 (kcal).
W= q_0*N*∆T=60*120*(30-20)=72000 kcal=301464 (kJ)
Giả sử thời gian hoạt động của bể một ngày là 8 giờ.
→ Công suất cấp cho tắm tráng, P_ng=W/(8*3600)=301464/(8*3600)=10,47 (kW).
– Tổng công suất cần cung cấp là:
P= P_1+P_tt+P_ng=33,43+20,4+10,47=64,53 (kW)
Công suất của máy bơm nhiệt sẽ là:
P_bn=64,53/(4,5*0,9)=16 (kW)
Trong công thức trên ta có: 4,5 là hệ số chuyển đổi COP, 0,9 là hiệu suất của máy bơm nhiệt.
Các thiết bị cơ bản cho bể bơi bốn mùa
Thông số kỹ thuật máy bơm nhiệt Seilar Heat Pump
Phương án dùng 2 máy bơm nhiệt có công suất là Seilar 10 HP.
3. Tính toán thủy lực mạng nhiệt
– Tính chọn bơm.
Thể tích của bể là 213 m3, yêu cầu gia nhiệt trong 65 giờ.
G_b=1,25*213/65=4,1 〖(m〗^3/h)
Trong đó 1,25 là hệ số dự phòng.
Theo thông số của máy bơm nhiệt ta sẽ chọn 4 bơm, mỗi bơm có lưu lượng là:
G_1b=1,025 (m^3/h)
– Tính toán sơ bộ suất giáng áp của đường ống.
Chọn đường kính ống là: D =10 cm
Vận tốc nước chảy trong ống là: ω=(4*G)/(π*ρ*d^2 )=(4*4,1)/(π*975*〖0,1〗^2 )=0,535 m/s
Tiêu chuẩn Reynolds: Re=(ω*d)/ν=(0,535*0,1)/(0,805*〖10〗^(-6) )=66460
Ta thấy, Re<〖Re〗_th=568 d/k_td =568 0,1/(0,5*〖10〗^3 )=113600, đo đó hệ số ma sát thủy lực tính theo công thức: λ=0,11[k_td/d+68/Re]^0,25=0,03
Suất giáng áp đường dài:
R_dd=(λω^2 ρ)/2d=41,86 (Pa/m)
+ Tính kiểm tra
Dựa vào toán đồ tính toán thủy lực đường ống dẫn nước (k_td=0,5 mm; ρ=975 kg/m^3) ta tra được: R_dd=41,45 Pa/m
ω= 0,545 m/s
Sai số trong tính toán là không lớn, có thể chấp nhận được.
– Tính toán sơ bộ giáng áp, tổn thất cột áp của đường ống.
Tổng chiều dài sơ bộ đường ống là: l= 100 (m)
Giáng áp tổng: ∆p=R_dd*l_qd=41,86*100=4186 (Pa)
Tổn thất cột áp: ∆H=∆p/ρg=4186/9570=0,44 (m)
4 Sơ đồ, nguyên lý hoạt động của bể
4.1 Sơ đồ gia nhiệt cho bể
4.2 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiêt bể bơi
– Gia nhiệt cho bể: Nước được cấp vào máy bơm nhiệt nhờ những bơm lấy nước từ bể bơi. Trong máy bơm nhiệt diễn ra quá trình trao đổi nhiệt làm nóng nước, nước nóng được vận chuyển đến bể bơi để gia nhiệt cho nhiệt cho bể bơi trong 65 giờ.
– Bù nhiệt cho nước: Trong quá trình sử dụng có tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường làm giảm nhiệt độ của nước trong bể. Nước trong bể được dẫn quay trở lại bơm nhiệt qua đường nước hồi, tại bơm nhiệt nước được cấp một lượng nhiệt đúng bằng lượng nhiệt thất thoát. Quá trình cứ như vậy lặp lại, tạo thành một vóng tuần hoàn khép kín.
5. Tính toán phòng sưởi ấm
5.1. Thông số và yêu cầu kỹ thuật
_Diện tích : 22m2
_ Nhiệt độ 30-40oC
_An toàn và tiết kiệm điện năng
_Lắp đặt nhanh chóng, dễ dàng sử dụng
_ Thiết bị có thởi gian sử dụng và bảo hành lâu dài
5.2. Giải pháp
_ Sử dụng các loại đèn sưởi chức năng 3 trong 1: chiếu sáng, quạt thông gió và sưởi ấm tức thì (dùng mùa đông khi tắm), bởi vậy phòng tắm không cần dùng thêm quạt thông gió và bóng chiếu sáng nữa
_ Công suất: Cực đại 1240W
+ Chiếu sáng: bóng phản quang 40W
+ Quạt thông gió: lưu lượng 240m3/h, độ ồn < 40dB, công suất 100W
+ Sưởi ấm: 4 bóng hồng ngoại công suất 275W
+ Diện tích ≤ 8m2.
5.3. Tính toán thiết kế
Với 2 phòng diện tích mỗi phòng 22m2 ta sử dụng 6 đèn 4 bóng công suất 1240W
Tổng công suất 1240 x 6 = 7440W
Tham khảo các bài viết liên quan
Tags bơm nhiệt heatpump là gì, bơm nhiệt rẻ nhất, Cách chọn máy nước nóng trung tâm tốt nhất, máy bơm nhiệt heat pump nhập khẩu tốt nhất rẻ nhất, máy làm nóng nước bơm nhiệt heat pump, Máy làm nóng nước bơm nhiệt heatpump tốt nhất và rẻ nhất, máy làm nước nóng bơm nhiệt heatpump, máy nước nóng bơm nhiệt giá rẻ, Máy nước nóng bơm nhiệt Heat pump gia đình, , may nuoc nong trung tam, máy nước nóng trung tâm nhập khẩu tốt nhất, máy nước nóng trung tâm dân dụng, máy nước nóng trung tâm rẻ nhất, máy nước nóng trung tâm tốt nhất, Ưu điểm máy bơm nhiệt nhập Úc
