Công nghệ tiết kiệm năng lượng và kinh tế cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng hệ thống lạnh nén hơi | Môn Kinh tế năng lượng - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58707906
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TIỂU LUẬN KINH TẾ NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI:
Công nghệ tiết kiệm năng lượng và kinh tế cho hệ thống
điều hòa không khí sử dụng
hệ thống lạnh nén hơi NHÓM : 7 LỚP: THỨ 4 TIẾT 11-12
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THÀNH TRUNG SVTH MSSV Huỳnh Văn Thành Tín 21147240 Phạm Hà Hải Trinh 21147244 Nguyễn Quang Trung 21147246 Lê Anh Tuấn 21147248 lOMoAR cPSD| 58707906 MỤC LỤC
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH................................................................2
I/ Mở đầu.................................................................................2
II/ Nội dung.............................................................................6
1. Công nghệ làm lạnh bằng bức xạ nhiệt.......................6
2. Công nghệ lưu trữ lạnh..................................................7
3. Công nghệ rã đông và không tạo băng.....................10
3.1.Công nghệ rã đông.....................................................10
3. 2.Công nghệ không tạo băng.......................................13
4. Công nghệ điều khiển độ ẩm và nhiệt độ độc lập
(THIC)..................................................................................14
4.1.Hệ thống chất hút ẩm lỏng/rắn..............................14 4.2.Hệ thống điều
hòa không khí bằng chất hút ẩm
lỏng...................................................................................14
5. Công nghệ máy bơm địa nhiệt....................................14
6. Công nghệ lạnh làm nguội chất lỏng.........................18
7. Công nghệ khôi phục nhiệt từ hệ thống nhiệt động
ngưng..................................................................................24
7.1.Nước nóng sử dụng trong gia đình........................24
7.2.Tái tạo chất hút lỏng...............................................26
III/ Kết luận...........................................................................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................32 lOMoAR cPSD| 58707906
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Mức tiêu thụ năng lượng khu vực dân cư và thương mại [2]……………5
Hình 12: Khả năng giữ nước nóng chảy trên ba bề mặt lọc nước [80]………… 12
Hình 13: Sơ đồ phương pháp rã đông chu trình ngược mới dựa trên việc lưu trữ
năng lượng nhiệt [88]…………………………………………………………..13
Hình 14: Hình ảnh so sánh sự hình thành sương giá trên bề mặt phẳng lạnh [96]… 13
Hình 18: Nguyên lý hoạt động độc lập với nhiệt độ và độ ẩm điều khiển hệ thống điều hòa không khí [114]
……………………………………………………….16 Hình 19: Bánh xe quay chứa chất hút ẩm rắn [115]
……………………………..17
Hình 25. Máy tái sinh điện phân cho hệ thống điều hòa không khí hút ẩm chất
lỏng [132]………………………………………………………………………19
Hình 26: GSHP với bộ trao đổi nhiệt đất ngang để làm mát…………………… 20
Hình 27. GSHP với bộ trao đổi nhiệt đất đứng (GSHP đứng) để làm mát……..22
Hình 28: Bơm nhiệt nguồn mặt đất với bộ trao đổi nhiệt nền móng cọc để làm
mát……………………………………………………………………………..23
Hình 29: Sơ đồ hệ thống lạnh nén hơi có bộ trao đổi nhiệt bên trong/máy hút lỏng [162]
……………………………………………………………………………25
Hình 32: Sơ đồ phương pháp làm mát phụ hút ẩm bằng chất hút ẩm lỏng cho hệ
thống lạnh nén hơi [187]……………………………………………………….28 lOMoAR cPSD| 58707906 I/ Mở đầu TỔNG QUAN
Hệ thống lạnh nén hơi (VCRS) được sử dụng rộng rãi để làm mát hoặc cấp
đông cho các tòa nhà, siêu thị, trung tâm dữ liệu, …tiêu tốn 15% điện năng toàn
cầu và chiếm khoảng 10% lượng khí thải nhà kính trên toàn cầu. Có thông tin cho
rằng nhu cầu làm mát dự kiến sẽ tăng gấp 10 lần vào năm 2050. Do đó, điều quan
trọng là phải nâng cao hiệu quả của VCRS. Trong bài viết này, một đánh giá tổng
thể về các công nghệ tiên tiến và công nghệ nhiệt được áp dụng cho VCRS. Những
công nghệ này bao gồm làm mát bằng bức xạ, lưu trữ năng lượng lạnh, rã đông
và không tạo băng, kiểm soát độc lập nhiệt độ và độ ẩm (THIC), bơm nhiệt mặt
đất (GSHP), làm mát phụ chất làm lạnh và thu hồi nhiệt ngưng. Làm mát bằng
bức xạ có thể tạo ra nguồn lạnh thấp hơn 8 °C so với môi trường xung quanh,
giúp giảm mức tiêu thụ điện của VCRS khoảng 21%; kho lưu trữ năng lượng lạnh
được sử dụng để thay đổi tải làm mát cao điểm, do đó mức tiêu thụ điện và chi phí
vận hành của VCRS có thể giảm lần lượt 12% và 32%; việc hình thành băng là một
vấn đề lớn của VCRS, đặc biệt đối với các ứng dụng có thể tạo băng, hơn 60%
điện năng tiêu thụ để rã đông có thể được tiết kiệm nhờ các công nghệ rã đông
và không tạo băng tiên tiến; THIC xử lý riêng tải cảm biến của tòa nhà, điều này
không chỉ làm tăng COP của VCRS lên 35% mà còn cải thiện tiện nghi của tòa nhà;
GSHP sử dụng mặt đất làm nguồn làm mát nhiệt độ thấp để ngưng tụ chất làm
lạnh trong VCRS vào mùa hè, điều này làm giảm nhiệt độ ngưng tụ xuống 5 °C và
làm tăng COP lên 14%; làm lạnh phụ và thu hồi nhiệt ngưng tụ có thể tăng công lOMoAR cPSD| 58707906
suất làm lạnh và đạt được nhiều chức năng của VCRS tương ứng. Đánh giá được
tóm tắt về mặt phân loại công nghệ, các ý tưởng cơ bản, ưu điểm/nhược điểm,
tình trạng nghiên cứu hiện tại và những nỗ lực thực hiện trong tương lai. GIỚI THIỆU
Hệ thống lạnh đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực như tòa nhà
dân dụng hoặc thương mại, công nghiệp, dây chuyền lạnh,.... Nó cung cấp sự
thoải mái về nhiệt độ cho tòa nhà, giữ thực phẩm hoặc thuốc ở nhiệt độ mong
muốn và rất cần thiết cho một số quy trình công nghiệp, chẳng hạn như hóa lỏng
không khí. Với sự gia tăng dân số và phát triển đô thị hóa, nhu cầu làm mát tăng
lên đáng kể, được báo cáo là sẽ tăng gấp 10 lần vào năm 2050 [1]. Do đó, dự kiến
mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống lạnh sẽ tăng lên. Tuy nhiên, theo triển
vọng năng lượng hàng năm năm 2017 (dự đoán đến năm 2050) [2], người ta
nhận thấy rằng mức tiêu thụ năng lượng của điện lạnh và làm mát, ở cả khu vực
dân cư và thương mại, vẫn tương đối ổn định hoặc giảm nhẹ từ năm 2016 đến
năm 2040, như được hiển thị trong Hình 1, mặc dù số lượng hộ gia đình và diện
tích sàn thương mại tăng lên. Điều này chủ yếu là do hiệu quả làm lạnh được cải
thiện nhờ sử dụng các công nghệ tiên tiến. Hình 1: Mức tiêu thụ năng lượng
khu vực dân cư và thương mại [2]
Tính đến thời điểm hiện tại, Hệ thống lạnh nén hơi (VCRS) là hệ thống làm
lạnh phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất, chiểm tỷ lệ 80% thị trường. Do đó,
điều quan trọng là phải nâng cao hiệu quả của VCRS để giảm mức tiêu thụ năng
lượng của việc làm lạnh. Trên thực tế, các công nghệ liên quan đã được nghiên
cứu từ rất sớm thế kỷ trước và một số trong chúng đã được áp dụng rộng rãi
trong VCRS. Những công nghệ này bao gồm làm mát bằng bức xạ, lưu trữ năng
lượng lạnh, rã đông và không tạo băng, kiểm soát độc lập nhiệt độ và độ ẩm lOMoAR cPSD| 58707906
(THIC), bơm nhiệt mặt đất (GSHP), làm mát phụ chất làm lạnh, và thu hồi nhiệt ngưng.
Ý tưởng cơ bản của công nghệ lưu trữ năng lượng lạnh là tạo ra năng lượng
lạnh vào thời điểm thấp điểm, lưu trữ nó bằng phương tiện lưu trữ năng lượng
và sau đó giải phóng nó vào thời gian cao điểm. Nó không chỉ có thể tiết kiệm
năng lượng bằng cách lưu trữ năng lượng lạnh dư thừa của VCRS mà còn giảm
chi phí vận hành do giá điện ngoài giờ cao điểm rẻ.
Sự hình thành băng là không thể tránh khỏi trong VCRS khi nhiệt độ bề mặt
của bộ trao đổi nhiệt dưới 0 ° C. Một mặt, đóng băng đáng kể làm giảm hiệu quả
hoạt động của VCRS do tang khả năng chịu nhiệt. Mặt khác, nó tiêu thụ một
lượng lớn năng lượng để rã đông. Do đó, cần phải có các công nghệ rã đông hoặc
không đóng băng tiết kiệm năng lượng.
THIC xử lý riêng tải cảm biến và tải ẩn của điều hòa không khí: tải ẩn được xử
lý bằng chất lỏng hoặc chất rắn hút ẩm; tải cảm biến có thể được xử lý bởi VCRS
có nhiệt độ bay hơi cao hơn nhiều ở 15°C (theo truyền thống là 5°C), giúp cải
thiện đáng kể hiệu suất của VCRS.
Có một lượng nhiệt ngưng tụ lớn trong VCRS, gấp 1,2 lần công suất làm lạnh.
Hơn nữa, nhiệt ngưng tụ có thể lên tới 80°C trong một số trường hợp, chẳng hạn
như hệ thống CO2. Vì vậy, cần thu hồi nhiệt ngưng tụ cho các ứng dụng khác.
Dựa trên khảo sát tài liệu và sự hiểu biết của các tác giả, gần đây chưa có
đánh giá nào được thực hiện trên VCRS về tóm tắt, mô tả và so sánh các công
nghệ này một cách chuyên sâu. II/ Nội dung
1.Công nghệ làm lạnh bằng bức xạ nhiệt
Công nghệ làm mát bằng bức xạ là chiến lược làm mát không tốn năng lượng
dựa trên nguyên tắc bầu khí quyển trái đất đóng vai trò như một lớp chịu nhiệt
trong suốt đối với sóng điện từ có bước sóng từ 8 đến 13 μm, là bước sóng bức
xạ nhiệt tối đa của cơ thể con người trong hoàn cảnh bình thường. nhiệt độ. lOMoAR cPSD| 58707906
Thông qua miếng chịu nhiệt này, cơ chế được làm mát bằng cách tỏa nhiệt ra
không gian bên ngoài mát hơn, nơi được coi là nguồn nhiệt vô hạn với nhiệt độ
273 K. Ví dụ, sương giá buổi sáng, băng và tuyết là kết quả trực tiếp của những tác động trên.
Công nghệ làm mát bằng bức xạ rất hấp dẫn vì khả năng tăng hiệu suất sử
dụng năng lượng của hệ thống lạnh chỉ sử dụng mức tiêu thụ năng lượng thấp
thông qua bơm tuần hoàn và có tiềm năng lớn để vận hành kết hợp với hệ thống.
Máy làm lạnh nén hơi VCRS đóng vai trò như một nguồn làm mát bổ sung, từ đó
giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống lạnh.
Tiêu thụ năng lượng của VCRS.
Làm mát bằng bức xạ là công nghệ làm mát tự nhiên sử dụng các bộ phận
trong suốt, chịu nhiệt của Trái đất. Làm mát bằng bức xạ về đêm đã được nghiên
cứu rộng rãi từ năm 1918. Nguyên nhân là do các vật liệu bức xạ cũng hấp thụ
ánh sáng mặt trời vào ban ngày, làm mất đi tác dụng làm mát. Để sử dụng vào
ban ngày, một cách tiếp cận tốt là lưu trữ năng lượng lạnh vào ban đêm và sau
đó phát ra nó vào ban ngày.
Việc làm mát bằng bức xạ ban ngày đã không được thực hiện cho đến năm
2013, với việc phát minh và ứng dụng vật liệu nanophotonic, có chức năng như
một tấm gương quang phổ rộng của ánh sáng mặt trời và đồng thời phát ra một
lượng năng lượng lớn. Sau đó vào năm 2017, vật liệu chất lượng cao đã được
phát triển với quy trình sản xuất dạng cuộn quy mô lớn, tiết kiệm cho các ứng
dụng quy mô lớn. Nó mang đến cơ hội tuyệt vời để kết hợp làm mát bằng bức
xạ ban ngày với nhiều hệ thống năng lượng nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng.
2.Công nghệ lưu trữ lạnh
Có sự khác biệt lớn về nhu cầu năng lượng làm mát giữa khoảng thời gian
cao điểm và thấp điểm, dẫn đến hiệu suất hệ thống lạnh kém. Ngoài ra, hệ thống
làm lạnh thường được thiết kế quá mức để đối phó với sự thay đổi của tải, trong
khi trong hầu hết các trường hợp, hệ thống hoạt động ở mức tải thấp. lOMoAR cPSD| 58707906
Một ý tưởng hay là tạo ra năng lượng lạnh vào ban đêm hoặc trong những
giờ thấp điểm và giải phóng nó vào ban ngày hoặc trong những giờ cao điểm.
Mặt khác, nó có thể giảm lượng điện sử dụng vào giờ cao điểm và do đó giảm
chi phí vận hành hệ thống làm mát vì điện ngoài giờ cao điểm rất rẻ. Tuy nhiên,
có sự chênh lệch về thời gian giữa việc tạo ra và sử dụng năng lượng lạnh, điều
này có thể được loại bỏ bằng hệ thống lưu trữ năng lượng lạnh. Đối với điện
lạnh, ba phương tiện lưu trữ phổ biến là nước lạnh, nước đá và vật liệu truyền nhiệt (PCM).
Bảng 3 tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng nước lạnh,
nước đá và vật liệu chuyển pha để lưu trữ nhiệt.Vật liệu chuyển pha là phổ biến
nhất và nước đông lạnh ít phổ biến nhất, chủ yếu do mật độ lưu trữ năng lượng
thấp, năng lượng thấp và pha lớn thay đổi khả năng lưu trữ năng lượng của đá,
có khả năng lưu trữ nhiệt lớn (334 kJ/kg) và giá thành rẻ.
Tuy nhiên, điểm nóng chảy của nó khó đạt tới 0°C và mức độ làm lạnh phụ
của nó là 4-6°C, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tăng lên cần thiết để giảm
nhiệt độ bay hơi của hệ thống lạnh. Kho lưu trữ năng lượng vật chất thay đổi pha
sử dụng các vật liệu thay đổi pha, chẳng hạn như các hợp chất hữu cơ (đặc biệt
là parafin), dung dịch muối và hydrate muối, và có thể phù hợp tốt với nhiệt độ
bốc hơi của hệ thống làm lạnh. Dung dịch muối và muối hydrat có mật độ lưu
trữ năng lượng cao và giá thành thấp, nhưng nhược điểm của chúng bao gồm
quá lạnh, tách pha và ăn mòn kim loại. Các hợp chất hữu cơ có ưu điểm là nhiệt
độ chuyển pha thích hợp, nhiệt độ chuyển pha lớn, độ ổn định tốt nên có tiềm
năng sử dụng làm môi chất làm lạnh, tuy nhiên giá thành cao và chỉ có thể sử
dụng để làm lạnh trên 0°. C.
Cả đá và vật liệu chuyển pha đều có độ dẫn nhiệt thấp, dẫn đến sự thay đổi
pha chậm vì nhiệt được truyền chủ yếu bằng sự dẫn nhiệt trong đá đứng yên Loại Ưu điểm Nhược Ứng dụng
Phương tiện lưu trữ lạ điểm
hoặc vật liệu chuyển pha. Hiện nay, có nhiều cách tiếp cận khác nhau để tăng tốc
độ truyền nhiệt, trong đó vật liệu/đá thay đổi pha có thể có tiềm năng nhất để lOMoAR cPSD| 58707906
lưu trữ năng lượng và truyền nhiệt trong các ứng dụng làm mát nhanh. Điều này Kho chứa nước (1) Cấu trúc hệ (1) Mậtđộ Điều hoà Nước lạnh(4-12C) thốngđơn giản lưu không khí trữ năng (2) Đầu tư thấp lượng thấp (3) Nhu cầu kỹ thuật (2) Chiếm ởmức độ thấp chỗ lớn Kho đá (1) Mật độ lưu trữ (1) COP Điều hoà Nước đá nănglượng cao máy nén thấp không khí (2) Nhiệt độ nóng chảyhẹp (3) Đầu tư thấp (4) Tính nhỏ gọn Lưu trữ PCM (1) Mật độ lưu trữ (1) Độdẫn Điều hoà Sáp parafin [55–59,63,64 nănglượng cao nhiệt thấp không khí, Dimethyl adipate [60–6 tủ (2) Nhiệt độ nóng (2) Ănmòn, lạnh và CaCl2·10H2O và KF·4H chảyhẹp làm mát phụ và tủ đông [67] phân (3) Tính nhỏ gọn thương chia pha CaCl2·6H2O [68] mại, xe (4)
Khả năng tươngthích (3) Mấtổn tải đông Dung dịch muối hydra thiết bị tốt định lạnh thương mại S15 [69] và [70] (4) Đầutư cao
Dung dịch nước mặn mới Dung dịch muối thương NaNO3 (Climsel-18) [7
Dung dịch nước mặn thư mại SN26 [75] Dung dịch 18% NaCl [7
là do chúng là chất lỏng và có thể chảy khi thay đổi pha. Do đó, sự truyền nhiệt
theo dòng thay vì dẫn nhiệt sẽ xảy ra trong quá trình nóng chảy và hóa rắn để
tăng cường truyền nhiệt.
Bảng 1: So sánh giữa lưu trữ nước lạnh, lưu trữ đá và lưu trữ PCMs.
3.Công nghệ rã đông và không tạo băng lOMoAR cPSD| 58707906
Đóng băng trên bề mặt trao đổi nhiệt là một vấn đề lớn trong hệ thống làm
lạnh nén hơi trong nhiều ứng dụng như xe tải lạnh, tủ lạnh và bơm nhiệt nguồn
không khí. Băng sẽ hình thành khi đáp ứng ba điều kiện cần thiết: (1) không khí
ẩm tiếp xúc với bộ trao đổi nhiệt; (2) nhiệt độ không khí phải dưới nhiệt độ điểm
sương của nó; (3) nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt dưới 0°C .
Sự tích tụ băng tạo ra rào cản nhiệt giữa các bức tường và không khí, làm
giảm hiệu suất của hệ thống. Để giải quyết các vấn đề trên, hai công nghệ thường
được sử dụng là công nghệ rã đông và công nghệ không đóng băng. Đối với công
nghệ rã đông, ý tưởng cơ bản là làm chậm sự phát triển của băng hoặc làm tan
băng đã hình thành nhưng việc hình thành băng là điều khó tránh khỏi; đồng
thời, đối với công nghệ không có băng, bề mặt trao đổi nhiệt sẽ không bị đóng băng.
3.1. Công nghệ rã đông
Hiện nay, có hai phương pháp chính để thực hiện rã đông: rã đông tự động
và rã đông chủ động. Rã đông tự động sử dụng lớp phủ bề mặt để trì hoãn sự
hình thành băng mà không tiêu tốn năng lượng bổ sung, trong khi rã đông chủ
động yêu cầu đầu vào năng lượng bổ sung và bao gồm các phương pháp tuần
hoàn ngược và rung siêu âm.
Lớp phủ bề mặt
Lớp phủ bề mặt kỵ nước hoặc siêu kỵ nước thu hút sự quan tâm lớn vì hiệu
suất rã đông tốt hơn. Nguyên nhân là do bề mặt kỵ nước có góc tiếp xúc lớn hơn
và năng lượng bề mặt thấp hơn nên cấu trúc băng trở nên tương đối dễ vỡ. Hiệu
suất rã đông của các bề mặt khác nhau, cụ thể là bề mặt trần, bề mặt ưa nước và
kỵ nước đã được so sánh. lOMoAR cPSD| 58707906 a. Bề mặt trần b. Bề mặt ưa nước c. Bề mặt kỵ nước
Hình 12: Khả năng giữ nước nóng chảy trên ba bề mặt lọc nước [80]
• Phương pháp rã đông tuần hoàn ngược
Phương pháp rã đông tuần hoàn ngược là phương pháp rã đông chủ động phổ
biến. Nó được thực hiện bằng cách đảo ngược bộ trao đổi nhiệt từ chế độ bay hơi
sang chế độ ngưng tụ bằng cách điều chỉnh van. Nói chung, giai đoạn rã đông
được kỳ vọng sẽ ngắn càng tốt. Phương pháp rã đông tuần hoàn ngược có thể gây
ra việc tắt máy ở áp suất thấp hoặc nén ẩm, có thể dẫn đến tắt hệ thống và gây
hỏng máy nén. Ngoài ra, nước tan băng ở các bề mặt trao đổi nhiệt phải được loại
bỏ để tránh sự hình thành băng.
Kết quả cho thấy rằng gần như không có cải thiện nào về việc rút ngắn thời
gian rã đông, nhưng hệ thống có thể trở lại chế độ làm việc bình thường mà không
cần kích hoạt công tắc hạ áp. Như được thể hiện trong Hình 13, một bộ trao đổi
nhiệt của vật liệu chuyển pha đã được thêm vào để lưu trữ năng lượng làm nóng
dư thừa ở các tải phần, sau đó được sử dụng như một thiết bị bay hơi trong quá
trình rã đông. Thời gian rã đông tương ứng được rút ngắn 38%, và nguy cơ tắt
máy nén đã được giảm thiểu. • Rung siêu âm
Rung siêu âm là một loại phương pháp rã đông chủ động khác. Ban đầu, đã
nghiên cứu việc rung ở tần số thấp từ 100 đến 200 Hz 93,94 . Nhưng đã phát hiện
ra rằng rung cơ học tần số thấp không có tác động tích cực đáng kể đối với việc
rã đông. Sau đó vào năm 2003, đã có nghiên cứu cho thấy sự tích tụ băng tại bề
mặt của một tấm hợp kim nhôm rung với tần số khoảng 37 kHz trong môi trường
có độ ẩm tương đối 100% và nhiệt độ 2 °C. Kết quả cho thấy rung siêu âm có
biên độ 3,4 mm đã kìm hãm việc tích tụ băng khoảng 60%. Tóm lại, tất cả các
nghiên cứu trước đó đã chứng minh rằng sóng siêu âm có tác động tích cực đối
với rã đông. Tuy nhiên, hệ thống rã đông sóng siêu âm cũng có nhược điểm. Ví
dụ, nó tiêu thụ năng lượng lớn, phát ra sóng điện từ lớn và có tiềm năng gây sự
hình thành băng phụ. Vì vậy, cần tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực này trước khi
ứng dụng thực tế sóng siêu âm trong rã đông. lOMoAR cPSD| 58707906
Hình 13: Sơ đồ phương pháp rã đông chu trình ngược mới dựa trên
việc lưu trữ năng lượng nhiệt [88]
Hình 14: Hình ảnh so sánh sự hình thành sương giá trên bề mặt phẳng lạnh [96]
3.2. Công nghệ không tạo băng
Mặc dù công nghệ rã đông trên có thể ngăn chặn sự đóng băng nhưng băng
vẫn tồn tại trên bề mặt bộ trao đổi nhiệt, làm giảm hiệu suất nhiệt. Vì vậy, công
nghệ không đóng băng đã được phát triển để loại bỏ hoàn toàn sự hình thành
băng. Hiện nay, công nghệ không có băng bao gồm việc tái sử dụng hệ thống làm
mát và sấy khô bằng chất hút ẩm.
Sự khác biệt giữa chất chống đông tái tạo trong tháp giải nhiệt và dung dịch
hút ẩm lỏng tái tạo trong máy tái tạo là gì? Một tháp làm mát phun đảo ngược lOMoAR cPSD| 58707906
đã được đề xuất bởi Cui. Trong tháp này, dung dịch nước được phun để giảm lực
cản và cải thiện hiệu suất. Công nghệ Ý tưởng cơ bản Ghi chú Rã đông Chu kỳ ngược lại Thiết bị bay hơi
Đây là phương pháp rã đông được sử được chuyển
dụng rộng rãi Được tích hợp với bộ thành thiết bị lưu trữ năng ngưng tụ bằng van
lượng nhiệt, thời gian rã đông giảm điều chỉnh
đáng kể và có thể tránh được nguy cơ cắt áp suất thấp Lớp phủ bề mặt Bề mặt kỵ nước có
Đây là 1 trong những phương pháp góc tiếp xúc
hứa hẹn nhất. Cơ chế rã đông không lớn hơn và năng hoàn toàn rõ ràng. lượng bề mặt thấp hơn nên cấu trúc băng giá trở nên dễ vỡ Rung siêu âm Siêu âm có tác dụng
Nó chưa được nghiên cứu rộng rãi và cơ học vẫn còn những nhược hoặc âm thanh
điểm cần khắc phục, như tiêu thụ phức tạp lên các
điện năng lớn hơn và bức xạ điện từ. tinh thể băng nhỏ. Không tạo băng Tháp giải nhiệt Dung dịch chống
Nó chủ yếu được sử dụng cho máy được sử dụng có đông được sử bơm hơi nhiệt nguồn thể đảo ngược dụng làm môi
không khí và gần như đã được phát trường tuần triển hoàn chỉnh hoàn giữa thiết bị bay hơi và không khí để tránh tiếp xúc trực tiếp với chúng lOMoAR cPSD| 58707906 Máy hút ẩm Không khí được hút
Nó thu hút nhiều sự chú ý gần đây và
ẩm để giảm nhiệt độ là một công nghệ điểm
không có sương giá đầy hứa hẹn cho sương trước khi
cả máy bơm nhiệt nguồn không khí chảy qua thiết bị bay
và không gian lạnh. Nhược điểm là hơi chiếm không gian rộng.
Bảng 2: Tóm tắt về các công nghệ đổi nhiệt và không tạo băng
4.Công nghệ điều khiển độ ẩm và nhiệt độ độc lập (THIC)
4.1. Hệ thống chất hút ẩm lỏng/rắn
Trong các hệ thống điều hòa không khí thông thường, tải cảm nhận nhiệt độ
và tải cảm nhận độ ẩm trong không khí được xử lý đồng thời. Nhiệt độ của không
khí ẩm được giảm xuống dưới nhiệt độ điểm sương bằng hệ thống tái tạo cơ bản
để làm khô không khí ẩm trước khi được làm ấm lại để đáp ứng yêu cầu thoải mái
của cư dân trước khi đi vào không gian đã điều chỉnh. Quá trình trên dẫn đến sự
lãng phí năng lượng đáng kể. Do đó, đề xuất xử lý tải cảm nhận nhiệt độ và tải
cảm nhận độ ẩm riêng biệt, tức là công nghệ điều khiển độ ẩm và nhiệt độ độc lập
(THIC). Nguyên tắc hoạt động được trình bày trong Hình 18.
Hình 18: Nguyên lý hoạt động độc lập với nhiệt độ và độ ẩm điều khiển hệ
thống điều hòa không khí [114]
Trong hệ thống THIC, không khí được làm khô bằng chất hút ẩm lỏng/rắn, tải
cảm nhận nhiệt độ có thể được xử lý bằng hệ thống VCRS ở nhiệt độ bay hơi cao lOMoAR cPSD| 58707906
hơn nhiều, làm tăng hiệu suất COP của hệ thống và tiết kiệm một lượng lớn năng
lượng. Sau khi làm khô không khí, chất hút ẩm lỏng/rắn để có thể sử dụng lại,
phải được tái tạo, chẳng hạn bằng năng lượng thải, năng lượng tái tạo hoặc điện trường.
Hệ thống điều hòa không khí sử dụng chất hút ẩm rắn
Như được hiển thị trong Hình 19, chất hút ẩm rắn được gắn trên một bánh xe
quay chậm giữa luồng không khí đưa vào và luồng không khí tái kích hoạt. Các
loại chất hút ẩm rắn có thể là gel silica, tổ chức phân tử, nhôm oxit hoạt tính, v.v.
Nói chung, ba phần tư thời gian quay được dùng để hấp thụ độ ẩm từ không khí
đưa vào, và phần thời gian còn lại để loại bỏ độ ẩm vào không khí tái kích hoạt
nóng. Quá trình truyền chất từ không khí ẩm và chất hút ẩm rắn được thúc đẩy
bởi sự khác biệt áp suất hơi. Để loại bỏ nước từ chất hút ẩm rắn, không khí tái
kích hoạt phải được làm nóng bằng các nguồn nhiệt ngoại vi. Còn về nguồn nhiệt,
hệ thống điều hòa không khí sử dụng chất hút ẩm rắn có thể chia thành hệ thống
chất hút ẩm rắn chạy bằng năng lượng mặt trời và hệ thống chất hút ẩm rắn chạy bằng máy nén nhiệt.
Hình 19: Bánh xe quay chứa chất hút ẩm rắn [115]
4.2. Hệ thống điều hòa không khí sử dụng chất hút ẩm lỏng
Không khí cũng có thể được làm khô bằng chất hút ẩm lỏng có nồng độ cao
nhờ vào sự khác biệt áp suất hơi giữa không khí và chất hút ẩm lỏng. Chất hút ẩm lOMoAR cPSD| 58707906
lỏng có thể là dung dịch LiCl, dung dịch LiBr, dung dịch CaCl2,…Khác với hệ
thống làm khô bằng chất hút ẩm rắn, hệ thống làm khô bằng chất hút ẩm lỏng
không có bộ phận chuyển động ngoại trừ các bơm chất lỏng. Ngoài ra, chất hút
ẩm lỏng còn có tính năng khử trùng.
Sau khi làm khô không khí, nồng độ dung dịch giảm do hấp thụ độ ẩm từ
không khí quá trình. Để tái sử dụng dung dịch, nó phải được tái tạo bằng các
nguồn năng lượng ngoại vi. Hiện nay, có ba loại chính của hệ thống chất hút ẩm
lỏng theo nguồn động: hệ thống chất hút ẩm lỏng động cơ nhiệt, hệ thống chất
hút ẩm lỏng được năng lượng mặt trời cung cấp và hệ thống chất hút ẩm lỏng
được điện trường cung cấp.
Hệ thống chất hút ẩm lỏng điều khiển bằng điện trường
Ngoài năng lượng nhiệt, chất hút ẩm lỏng cũng có thể được tái tạo bằng một
điện trường trực tiếp dựa trên lý thuyết điện phân (ED). Khác với phương pháp
tái tạo dựa trên nhiệt động, phương pháp dựa trên điện không bị ảnh hưởng bởi
các tham số không khí. Như được thể hiện trong Hình 25, trong bộ tái tạo ED, các
anion sẽ di chuyển qua màng trao đổi anion trong khi cation sẽ di chuyển qua
màng trao đổi cation dưới điện trường trực tiếp. Như vậy, nồng độ chất hút ẩm
lỏng tại các ô tái tạo tăng lên và chất hút ẩm lỏng mạnh có thể được sử dụng để làm khô không khí.
Cheng đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về một bộ tái tạo ED dưới tốc độ
dòng chất hút ẩm lỏng khác nhau. Kết quả cho thấy sự khác biệt tương tự về nồng
độ khối lượng lớn nhất của chất hút ẩm lỏng tập trung tại lối vào và lối ra của bộ
tái tạo ED là 0.03% sau 30 phút vận hành. Guo nghiên cứu tác động của tốc độ
dòng tuần hoàn, mật độ dòng điện cung cấp và nồng độ ban đầu của dung dịch
đối với bộ tái tạo ED. Cheng đã kiểm tra sự ảnh hưởng của sự khác biệt về nồng
độ giữa chất hút ẩm lỏng loãng và chất hút ẩm lỏng tập trung đối với hiệu suất bộ
tái tạo ED, và cho thấy rằng tăng sự khác biệt về nồng độ không có lợi cho hiệu
suất bộ tái tạo ED. Cheng và Xu cũng đã phát triển một hệ thống tái tạo chất hút lOMoAR cPSD| 58707906
ẩm lỏng nhiều chức năng tiên tiến. Kết quả cho thấy rằng COP lý tưởng của hệ
thống trên có thể lớn hơn 7
Ý tưởng cơ bản của hệ thống kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm độc lập (THIC) là
xử lý tải nhiệt và tải ẩm riêng biệt, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên,
hệ thống này phức tạp hơn hệ thống điều hòa không khí truyền thống do tích hợp
các thiết bị làm khô và tái tạo, dẫn đến kích thước lớn và vận hành khó khăn. Để
thúc đẩy việc áp dụng, cần phải có một số nỗ lực: thứ nhất, hiệu suất của các thiết
bị hiện có có thể được cải thiện thêm, đặc biệt là bộ tái tạo; thứ hai, vẫn còn một
vấn đề lớn về chiến lược kiểm soát vận hành hàng ngày và hàng năm; cuối cùng,
cần phải phát triển các hệ thống THIC quy mô nhỏ cho người dùng cá nhân. Khi
sử dụng chất kháng hình thể lỏng cho việc làm khô không khí, ăn mòn là một vấn
đề nghiêm trọng cần phải được giải quyết trong các nghiên cứu tương lai.
Hình 25. Máy tái sinh điện phân cho hệ thống điều hòa không khí hút ẩm chất lỏng [132]
5. Công nghệ máy bơm địa nhiệt
Máy bơm địa nhiệt (GSHP) ngày càng phổ biến do khả năng giảm tiêu thụ
năng lượng toàn cầu và phát thải khí nhà kính. GSHP giải phóng nhiệt từ tòa nhà lOMoAR cPSD| 58707906
vào đất vào mùa hè và hấp thụ nhiệt được lưu trữ trong đất vào tòa nhà vào mùa
đông.. Esen và cộng sự [136] cho thấy GSHP tiết kiệm hơn so với bơm nhiệt
nguồn không khí. Điều này dựa trên thực tế là mặt đất có nhiệt độ tương đối ổn
định, mát hơn không khí vào mùa hè và ấm hơn không khí vào mùa đông. Vào
mùa hè, mặt đất đóng vai trò là nguồn làm mát ở nhiệt độ thấp, làm giảm nhiệt độ
ngưng tụ của môi chất lạnh và từ đó cải thiện COP của VCRS. Dựa trên các loại
bộ trao đổi nhiệt mặt đất trong GSHP, nó có thể được phân loại thành bộ trao đổi
nhiệt đất ngang, dọc và móng cọc.
Hệ thống trao đổi nhiệt đất ngang
Hệ thống trao đổi nhiệt đất ngang bao gồm các ống song song và các giếng
khoan ngang. Việc cài đặt hệ thống trao đổi nhiệt đất ngang rẻ hơn, nhưng sẽ
chiếm nhiều không gian hơn. Ngoài ra, hệ thống bị ảnh hưởng bởi biến động nhiệt
độ chủ yếu do điều kiện môi trường.
Hình 26 thể hiện sơ đồ nguyên lý của GSHP với bộ trao đổi nhiệt nằm ngang
trên mặt đất ở chế độ làm mát mùa hè. Bộ trao đổi nhiệt mặt đất nằm ngang bao
gồm các ống song song (đường kính 19–38 mm và chiều dài 121,9– 182,9 m) và
các lỗ khoan nằm ngang (sâu 0,91–1,83 m). Nhìn chung, việc lắp đặt bộ trao đổi
nhiệt đất ngang sẽ rẻ hơn nhiều nhưng sẽ chiếm nhiều không gian. Ngoài ra, vì
nằm ở vùng đất nông nên nó chịu sự biến động nhiệt độ lớn, chủ yếu bị ảnh hưởng
bởi các điều kiện môi trường xung quanh, chẳng hạn như nhiệt độ không khí, độ
ẩm và tốc độ gió. Esen và cộng sự [137] đã thực hiện các thí nghiệm và phân tích
kinh tế về GSHP theo chiều ngang ở Thổ Nhĩ Kỳ. Họ báo cáo rằng GSHP tiết
kiệm hơn so với các hệ thống sưởi ấm truyền thống được điều khiển bằng điện
trở, dầu nhiên liệu, than và dầu, trong khi nó không phải là sự thay thế mang lại
lợi nhuận cho lò đốt khí đốt tự nhiên lOMoAR cPSD| 58707906
Hình 26: GSHP với bộ trao đổi nhiệt đất ngang để làm mát
Hệ thống trao đổi nhiệt đất đứng
Hình 27 thể hiện sơ đồ nguyên lý của GSHP với bộ trao đổi nhiệt mặt đất
thẳng đứng (GSHP dọc) ở chế độ làm mát mùa hè. Bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng
trên mặt đất bao gồm các lỗ khoan (sâu 30–120 m và đường kính 76–127 mm)
được lấp lại bằng vật liệu ngăn ngừa ô nhiễm nước ngầm và các ống hình chữ U
(đường kính 19–38 mm) qua đó chất lỏng truyền nhiệt chảy. Một trong những
khó khăn khi thiết kế GCHP thẳng đứng nằm ở độ sâu hố khoan thích hợp.
Các nghiên cứu sâu rộng đã được thực hiện trên GSHP theo chiều dọc. Shang
và cộng sự [142] đã tiến hành một thử nghiệm gián đoạn của GSHP thẳng đứng
và nhận thấy rằng thời gian phục hồi đất không đủ có thể dẫn đến hiệu suất hệ
thống suy giảm nhanh chóng. Do đó, thời gian gián đoạn tối ưu đã được đề xuất.
Zhang và cộng sự. [143] đã thử nghiệm hiệu suất của GSHP thẳng đứng trong
khu vực mùa hè nóng bức và gió lạnh ở Trung Quốc. Người ta nhận thấy rằng tải
làm mát cao góp phần tạo ra COP cao. Zhai và cộng sự. [144] đã thiết kế và lắp
đặt một GSHP loại nhỏ dọc ở Thượng Hải, Trung Quốc.
Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ mặt đất thấp hơn nhiệt độ không khí
vào mùa hè ∼6°C và COP của GSHP cao hơn 14,3% so với VCRS truyền thống. Lu
và cộng sự [145] đã thực hiện các phân tích kinh tế về tính khả thi của việc sử lOMoAR cPSD| 58707906
dụng GSHP theo chiều dọc ở Melbourne, Úc. Người ta nhận thấy rằng GSHP
thẳng đứng giúp tiết kiệm nhiều hơn đáng kể so với các hệ thống điều hòa không
khí thay thế khác với tuổi thọ thiết kế là 40 năm.
Xét rằng chi phí khoan lỗ khoan là đáng kể, các biện pháp đã được thực hiện
để giảm độ sâu lỗ khoan. Chu và cộng sự [146] so sánh các bộ trao đổi nhiệt mặt
đất thẳng đứng loại đơn và đôi U và kết luận rằng loại chữ U kép có thông lượng
truyền nhiệt cao hơn trên một đơn vị độ sâu lỗ khoan so với loại chữ U đơn.
Saeidi và cộng sự [147] đề xuất sử dụng ống xoắn ốc có vây nhôm để tăng cường
truyền nhiệt và giảm độ sâu lỗ khoan.
Mô hình số 3D cho thấy ống loại xoắn ốc là lựa chọn tốt nhất.
Hình 27. GSHP với bộ trao đổi nhiệt đất đứng (GSHP đứng) để làm mát
Bộ trao đổi nhiệt nền móng cọc
Việc đặt các bộ trao đổi nhiệt dưới lòng đất rất tốn kém và khó khăn, điều
này làm cho việc sử dụng móng cọc làm bộ trao đổi nhiệt trên mặt đất trở nên
hấp dẫn hơn. Bộ trao đổi nhiệt nền móng cọc xuất hiện vào cuối thế kỷ trước
[149]. Nó là một bộ trao đổi nhiệt tích hợp tận dụng tối đa không gian bên trong
móng cọc và có thể thu được lượng trao đổi nhiệt nhiều hơn trên một đơn vị
chiều dài so với bộ trao đổi nhiệt mặt đất truyền thống. Fadejev và cộng sự. [150]
đã báo cáo các ứng dụng của móng cọc và tiềm năng của chúng như một giải