Hiệu quả đun nước nóng bằng bơm nhiệt và bằng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời so với dùng bình đun điện trở

hẳng hoàng đạo 
dụng phổ biến hiện nay, thông qua thực nghiệm, thấy rằng và mặt phẳng xích đạo của trái đất), độ: 
hệ số hiệu quả năng lượng của BN (COP) thường chịu ảnh δ = 23,45.sin(360.(284+n)/365) (14) 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 119
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 n là số thứ tự của ngày trong năm (n = 1  365); là góc - Hiệu suất của bộ thu NLMT trung bình trong ngày: 
 vĩ độ nơi đặt bộ thu, độ; * * 2
 ηd= 0,691-0,83.tm,d-0,0035.IT.(tm,d) (22) 
 ω’s là góc giờ mặt trời mọc (lặn) ứng với mặt phẳng 
 Trong đó, IT là tổng lượng bức xạ trên mặt phẳng 
 nghiêng, độ: nghiêng của bộ thu trong 1 ngày, W.h/(m2.ngày), được xác 
 ω's= arccos(-tan(φ-β).tanδ) (15) định theo công thức (17). Chênh lệch nhiệt độ đơn vị được 
 ωs là góc giờ mặt trời mọc (lặn) ứng với mặt phẳng xác định theo công thức: 
 ngang, độ: * ti-ta 2
 tm,d= .ts , m .K/W (23) 
 IT
 ωs= arccos(-tanφ.tanδ) (16) 
 Ở đây, t là số giờ nắng trong ngày, xác định theo QCVN 
 Từ đây, tính tổng lượng bức xạ trên mặt phẳng bộ thu s
 02:2009/BXD, h/ngày. 
 trong 1 ngày: 
 - Năng lượng nhiệt hữu ích được cung cấp bởi bộ thu 
 1+ cos β 1- cos β
 I =I-I ⋅R +I ⋅   +I⋅ρ ⋅   , W.h/(m2.ngày) (17) 
 T d b d 2 g 2 NLMT trong 1 ngày: 
 Trong đó: I là cường độ bức xạ toàn phần (tổng xạ) trên Qu,d=ηd⋅Ac⋅IT.3,6 , kJ/ngày (24) 
 mặt phẳng nằm ngang (mặt bằng) tính trong 1 ngày, 3. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG VÀ MỨC GIẢM 
 2
 W.h/(m .ngày); Id là tán xạ trên mặt bằng trong 1 ngày, PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH 
 W.h/(m2.ngày); I là tổng xạ trên mặt nghiêng bộ thu trong 
 T 3.1. Hiệu quả năng lượng 
 1 ngày, W.h/(m2.ngày); 
 Tính chung cho các địa phương trên cả nước, lấy mức tiêu 
 2.3. Công suất và hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời thụ nước nóng bình quân đầu người là 45 lít/người/ngày. Lấy 
 Trên thị trường hiện nay có khá nhiều nhà cung cấp số người trung bình trong mỗi hộ gia đình là 4 người thì mức 
 thiết bị đun nước nóng bằng NLMT với rất nhiều chủng loại tiêu thụ nước nóng hàng ngày của 1 hộ sẽ là 4x45 = 180 lít. 
 về mẫu mã và giá cả. Hiệu suất nhiệt của các loại bộ thu 
 - Lượng nhiệt cần thiết để đun nước nóng trong 1 ngày 
 khác nhau dùng trong dân dụng của mỗi hãng cũng rất 
 được xác định như sau: 
 khác nhau, ở đây sử dụng giá trị hiệu suất trung bình theo 
 công thức [9]: Qn= Gn.Cpn.(tnn-tnl), kJ/ngày (25) 
 2
 η = 0,691 - 0,83.t* - 0,0035.G .(t* ) (18) Trong đó: tnn và tnl tương ứng là nhiệt độ nước nóng (lấy 
 m T m chuẩn là 60oC) và nhiệt độ nước lạnh (gần đúng lấy bằng 
 Trong đó, t * là độ chênh nhiệt độ đơn vị, là thông số 
 m nhiệt độ không khí); C là nhiệt dung riêng của nước, 
 đặc trưng cho chế độ vận hành của bộ thu: pn
 kJ/(kg.K), xác định theo giá trị nhiệt độ trung bình của nước 
 * tw-ta 2
 tm= , m .K/W (19) nóng và nước lạnh: tn = (tnn+tnl)/2; Gn là khối lượng nước 
 GT
 nóng cần đun trong ngày, kg/ngày: 
 GT là cường độ bức xạ tổng (tổng xạ) trên bề mặt bộ 
 2
 thu, W/m . Gn= Vn.ρn/1000, kg/ngày (26) 
 Vn là thể tích nước nóng, lít/ngày; n là khối lượng riêng 
 của nước nóng, kg/m3. 
 Sử dụng phần mềm EES [12], là một phần mềm chuyên 
 dụng để giải các phương trình và hệ phương trình kỹ thuật, 
 ở đó có tích hợp sẵn các hàm nhiệt động của nhiều môi 
 chất (nước, không khí, môi chất lạnh,), kết hợp với các dữ 
 liệu thời tiết (nhiệt độ không khí trung bình, tổng xạ trên 
 mặt bằng,) để giải các phương trình (13)  (26), xác định 
 Hình 2. Hiệu suất bộ thu phụ thuộc nhiệt độ môi trường và cường độ bức xạ được lượng nhiệt cần thiết để đun nước nóng trong 1 ngày 
 Quan hệ giữa hiệu suất bộ thu với nhiệt độ môi trường theo từng tháng ứng với 13 địa danh trên cả nước. 
 và cường độ bức xạ được thể hiện trên hình 2. - Điện năng tiêu thụ trong 1 tháng cho việc đun nước 
 Theo định nghĩa chung, hiệu suất của bộ thu NLMT còn bằng bình đun điện được tính theo công thức: 
 được xác định theo công thức [10]: Ebđ = Qn.Nd/(3600.bđ), kW.h/tháng (27) 
 Qu
 η= (20) Nd là số ngày trong tháng; bđ là hiệu suất của bình đun 
 Ac⋅GT
 điện, lấy trung bình bđ = 0,95. 
 Ở đây, Qu là công suất nhiệt hữu ích của bộ thu, W; Ac là 
 diện tích bề mặt hấp thụ bức xạ của bộ thu NLMT, m2. - Điện năng tiêu thụ hàng tháng để đun nước nóng 
 Vì vậy, công suất nhiệt của bộ thu NLMT có thể được xác bằng BN đơn thuần được xác định theo công thức: 
 Ebn= Qn.Nd/(3600.COP), kW.h/tháng (28) 
 định theo công thức: Qu= η⋅Ac⋅GT, W (21) 
 Để sử dụng các dữ liệu thời tiết đã được công bố trong Hệ số hiệu quả năng lượng COP của BN được xác định 
 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009/BXD [3], các theo công thức (10). 
 công thức (18), (19), (20), (21) sẽ chuyển sang dạng tính cho - Lượng nhiệt do NLMT cung cấp còn thiếu trong 1 ngày 
 1 ngày: cần được bổ sung bằng BN: Q = Qn-Q , kJ/ngày (29) 
 BN-MT MT
120 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
 Trong đó, Qn là lượng nhiệt cần thiết để đun nước nóng đối, nhỏ nhất là ở Sa Pa (68,7% và 84,9%) và lớn nhất ở Tân 
trong ngày, xác định theo công thức (25); QMT là lượng nhiệt Sơn Nhất (74,6% và 100%). Xét tổng thể thì tất cả 13 địa 
được cung cấp bởi bộ thu NLMT, có giá trị bằng Qu,d tính danh đặc trưng trên cả nước, việc đun nước nóng bằng BN 
theo công thức (24). kết hợp với NLMT đều đem lại hiệu quả rất cao (năng lượng 
 - Điện năng tiêu thụ trong tháng cho BN hỗ trợ được tiết kiệm được đều đạt trên 84% và thậm chí tới 100%). 
tính theo công thức: 3.2. Suất tiêu thụ điện năng và khả năng giảm phát thải 
 EBN-MT=QBN-MT.Nd/(3600.COP), kW.h/tháng (30) khi dùng bơm nhiệt hoặc dùng bơm nhiệt kết hợp với 
 - Điện năng tiết kiệm được trong 1 năm khi dùng BN so năng lượng mặt trời để đun nước nóng 
với dùng bình đun điện: - Một đại lượng quan trọng đặc trưng cho hiệu quả 
 12
 DE1= ∑i=1 (Ebđ,i-Ebn,i) , kW.h/năm (31) năng lượng của các hệ thống nói chung là suất tiêu thụ 
 Trong đó, Ebđ,i và Ebn,i tương ứng là điện năng tiêu thụ điện năng e, được định nghĩa là tỉ số giữa lượng điện năng 
của tháng thứ i (i = 1  12) cho phương án dùng bình đun tiêu thụ E và khối lượng vật chất cần gia công nhiệt G: 
 E
điện và phương án dùng BN, được xác định theo công thức e = , kW.h/kg (35) 
(27) và công thức (28). G
 Trên cơ sở định nghĩa này, xác định suất tiêu thụ điện 
 Hoặc đánh giá hiệu quả tiết kiệm ở dạng tương đối: năng cho hệ thống đun nước nóng dùng điện trở, hệ thống 
 DE1
 h1= 12 .100% (32) dùng BN và hệ thống dùng BN kết hợp với NLMT (số kilo 
 ∑i=1 Ebđ,i
 - Điện năng tiết kiệm trong 1 năm khi dùng BN kết hợp Watt giờ điện để đun 1 lít nước nóng từ nhiệt độ môi 
 o
với NLMT so với dùng điện trở truyền thống: trường đến nhiệt độ yêu cầu, lấy là 60 C): 
 E
 12 bđ
 DE = ∑ (E -E ) , kW.h/năm (33) ebđ = , kW.h/lít (36) 
 2 i=1 bđ,i BN-MT,i Gn
 Ebn
 Trong đó, EBN-MT,i là điện năng tiêu thụ của tháng thứ i ebn = , kW.h/lít (37) 
(i=112) cho phương án dùng BN kết hợp với NLMT, được Gn
 EBN-MT
xác định theo công thức (30). eBN-MT = , kW.h/lít (38) 
 Gn
 Hoặc đánh giá hiệu quả tiết kiệm ở dạng tương đối: 
 - Phát thải khí nhà kính (chủ yếu là CO2) của một hệ 
 DE2
 h2= 12 .100% (34) thống sử dụng điện năng được tính theo công thức: 
 ∑i=1 Ebđ,i
 Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 1. GCO2 = E.EF, kgCO2/năm (39) 
 Đà Lạt và Sa Pa là 2 địa danh có nhiệt độ trung bình Trong đó: E là điện năng sử dụng, kW.h/năm; EF là hệ số 
 o o
thấp nhất cả nước (tương ứng là 17,9 C và 15,3 C) nên kết phát thải của lưới điện, kgCO2/kW.h. 
quả tính toán theo bảng 1 cho thấy tiêu thụ điện năng để Theo thông báo của Cục Biến đổi khí hậu - Bộ Tài nguyên 
đun nước nóng hàng năm bằng điện trở ở đây cũng lớn và Môi trường [1], hệ số phát thải trung bình của lưới điện 
nhất (tương ứng là 3350,7kW.h và 3557,8kW.h). Điện năng Việt Nam năm 2018 là EF = 0,9130 tCO2/MW.h = 0,913 
tiết kiệm được khi dùng phương án đun nước bằng BN kgCO2/kW.h. Sử dụng số liệu này kết hợp với kết quả tính 
hoặc bằng BN kết hợp với NLMT so với dùng điện trở có giá toán lượng tiết kiệm điện năng ở trên, xác định được mức 
trị tuyệt đối là lớn nhất ở 2 địa danh này (tương ứng là giảm phát thải khí nhà kính khi dùng BN và khi dùng BN kết 
2360,7kW.h và 2444,3kW.h, hoặc 3253,9kW.h và hợp với NLMT để đun nước ứng với 13 địa danh trên cả nước. 
3022,2kW.h). Hiệu quả tiết kiệm năng lượng ở dạng tương 
 Bảng 1. So sánh tiêu thụ điện năng giữa các phương án (tính cho hộ gia đình có 4 người) 
 Dùng bơm nhiệt đơn thuần Dùng bơm nhiệt kết hợp NLMT 
 Dùng bình đun 
 TT Địa danh Điện năng tiêu thụ, Điện năng tiết Hiệu quả tiết Điện năng tiêu Điện năng tiết Hiệu quả tiết 
 điện, kW.h/năm 
 kW.h/năm kiệm, kW.h/năm kiệm, h1, % thụ, kW.h/năm kiệm, kW.h/năm kiệm, h2, % 
 1 Lai Châu 2942,0 805,2 2136,8 72,6% 114,1 2827,9 96,1% 
 2 Sơn La 3092,8 873,5 2219,3 71,8% 73,5 3019,3 97,6% 
 3 Sa Pa 3557,8 1113,5 2444,3 68,7% 535,6 3022,2 84,9% 
 4 Cao Bằng 3055,8 862,4 2193,4 71,8% 213,6 2842,2 93,0% 
 5 Hà Nội 2888,9 786,6 2102,3 72,8% 165,0 2723,9 94,3% 
 6 Phù Liễn 2937,0 806,4 2130,6 72,5% 212,5 2724,5 92,8% 
 7 Thanh Hóa 2889,8 786,0 2103,8 72,8% 163,4 2726,4 94,3% 
 8 Vinh 2866,9 776,2 2090,7 72,9% 228,7 2638,2 92,0% 
 9 Đà Nẵng 2715,9 708,5 2007,4 73,9% 66,1 2649,8 97,6% 
 10 Pleiku 3045,3 845,0 2200,3 72,3% 39,3 3006,0 98,7% 
 11 Đà Lạt 3350,7 990,0 2360,7 70,5% 96,8 3253,9 97,1% 
 12 Tân Sơn Nhất 2593,0 657,7 1935,3 74,6% 0,0 2593,0 100,0% 
 13 Cần Thơ 2650,7 679,7 1971,0 74,4% 2,2 2648,5 99,9% 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 121
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 Bảng 2. Phát thải CO2 hàng năm và mức giảm phát thải của các phương án đun nước (với 1 hộ gia đình có 4 người) 
 Dùng bình đun điện Dùng bơm nhiệt đơn thuần Dùng bơm nhiệt kết hợp NLMT 
 Suất tiêu thụ Lượng phát thải Suất tiêu thụ Lượng phát Mức giảm phát Suất tiêu thụ Lượng phát thải Mức giảm 
 TT Địa danh 
 điện năng, hàng năm, điện năng, thải hàng năm, thải, điện năng, hàng năm, phát thải, 
 kW.h/lít kgCO2/năm kW.h/lít kgCO2/năm kgCO2/năm kW.h/lít kgCO2/năm kgCO2/năm 
 1 Lai Châu 0,045 2686 0,012 735 1951 0,002 104 2582 
 2 Sơn La 0,047 2824 0,013 798 2026 0,001 67 2757 
 3 Sa Pa 0,054 3248 0,017 1017 2232 0,008 489 2759 
 4 Cao Bằng 0,047 2790 0,013 787 2003 0,003 195 2595 
 5 Hà Nội 0,044 2638 0,012 718 1919 0,003 151 2487 
 6 Phù Liễn 0,045 2681 0,012 736 1945 0,003 194 2487 
 7 Thanh Hóa 0,044 2638 0,012 718 1921 0,002 149 2489 
 8 Vinh 0,044 2617 0,012 709 1909 0,003 209 2409 
 9 Đà Nẵng 0,041 2480 0,011 647 1833 0,001 60 2419 
 10 Pleiku 0,046 2780 0,013 771 2009 0,001 36 2744 
 11 Đà Lạt 0,051 3059 0,015 904 2155 0,001 88 2971 
 12 Tân Sơn Nhất 0,039 2367 0,010 600 1767 0,000 0 2367 
 13 Cần Thơ 0,040 2420 0,010 621 1800 0,000 2 2418 
 Suất tiêu thụ điện năng có giá trị càng nhỏ thì càng tốt vì [2]. Nguyen Nguyen An, 2015. Nghien cuu thiet ke, che tao he thong cung cap 
 nó thể hiện khả năng tiết kiệm năng lượng càng nhiều. Theo nuoc nong su dung bom nhiet ket hop voi bo thu nang luong mat troi trong dieu 
 bảng 2, Tân Sơn Nhất và Cần Thơ có suất tiêu thụ điện năng kien Viet Nam. General report on State-level scientific and technological research 
 nhỏ nhất trong cả nước. Ở đó, suất tiêu thụ điện năng để projects, code KC.05.03/11-15. 
 đun nước bằng phương án BN chỉ là 0,01kW.h/lít và bằng [3]. Ministry of Construction, 2009. QCVN 02:2009/BXD - Vietnam Building 
 phương án BN kết hợp với NLMT thì bằng 0, tức là không cần Code Natural Physical & Climatic Data for Construction 
 dùng đến điện. Cũng theo kết quả tính toán ở đây, lượng [4]. Ministry of Construction, 2017. QCVN 09:2017/BXD - National Technical 
 giảm phát thải khí nhà kính khi đun nước nóng bằng BN kết Regulation on Energy Efficiency Buildings. 
 hợp với NLMT ở Đà Lạt là lớn nhất (2971kgCO2/năm). Ở các [5]. 
 địa phương khác, nếu đun nước bằng phương án này cũng that-dien-nang-tren-luoi-dien-truyen-tai-giam-009/374788.vgp. 
 đều giảm được rất nhiều, trên 2300kgCO2/năm. Đây sẽ là [6]. https://www.moit.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/viet-nam-co-the-
 một con số cực lớn nếu như hàng triệu hộ gia đình cùng sử phat-trien-nhiet-%C4%91ien-than-sieu-sach-nhu-nhat-ban--17370-3101.html. 
 dụng phương án đun nước nóng này. [7]. Daniel Carbonell, Michel Y. Haller, Daniel Philippen and Elimar Frank, 
 4. KẾT LUẬN 2014. Simulations of combined solar thermal and heat pump systems for domestic 
 Đun nước nóng bằng BN hoặc bằng BN kết hợp với hot water and space heating. Energy Procedia 48, 524 – 534. 
 NLMT đem lại hiệu quả về năng lượng cũng như khả năng [8]. D. Carbonell, M.Y. Haller, E. Frank, 2014. Potential benefit of combining 
 giảm phát thải khí nhà kính rất nhiều, nên được quan tâm heat pumps with solar thermal for heating and domestic hot water preparation. 
 sử dụng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, so với phương án Energy Procedia 57, 2656 – 2665. 
 đun nước bằng điện trở (với 1 hộ gia đình có 4 người): [9]. Jian Wang, Zhiqiang Yin, Jing Qi, Guangbai Ma, Xijie Liu, 2015. Medium-
 temperature solar collectors with all-glass solar evacuated tubes. Energy Procedia 
 - Điện năng tiết kiệm được hàng năm ít nhất là 
 70, 126 – 129. 
 1935,3kW.h/năm (nếu đun nước bằng BN ở Tân Sơn Nhất) 
 [10]. John A. Duffie (deceased), William A. Beckman, 2013. Solar Engineering 
 và nhiều nhất là 3253,9kW.h/năm (nếu đun nước bằng BN 
 of Thermal Processes. John Wiley & Sons, Fourth Edition. 
 kết hợp NLMT ở Đà Lạt); 
 [11]. Sara Eicher, Catherine Hildbrand, Annelore Kleijer, Jacques Bony, 2014. 
 - Lượng giảm phát thải hàng năm ít nhất là Life cycle impact assessment of a solar assisted heat pump for domestic hot water 
 1767kgCO2/năm (nếu dùng BN ở Tân Sơn Nhất) và nhiều nhất production and space heating. Energy Procedia 48, 813 - 818. 
 là 2971kgCO /năm (nếu dùng BN kết hợp NLMT ở Đà Lạt); 
 2 [12]. S. A. Klein, F. L. Alvarado. Engineering equation solver. 
 - Các địa phương ở Nam Bộ (Tân Sơn Nhất, Cần Thơ) chỉ  
 cần dùng NLMT là đã đủ đáp ứng nhu cầu nước nóng, [13]. Zhang Yin, Long Enshen, Zhao Xinhui, Jin Zhenghao, Liu Qinjian, Liang 
 không cần dùng đến điện để đun. Fei, Ming Yang, 2017. Combined solar heating and air-source heat pump system 
 with energy storage: thermal performance analysis and optimization. Procedia 
 Engineering 205, 4090–4097. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 [1]. Ministry of Natural Resources and Environment, Department of Climate AUTHORS INFORMATION 
 change, 2018. Official Dispatch No. 263/BĐKH-TTBVTOD, dated 12/03/2020 On Nguyen Quoc Uy, Bui Manh Tu 
 notice of emission factor of Vietnam's power grid in 2018 Faculty of Energy Technology, Electric Power University 
122 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn