Bơm nhiệt là thiết bị vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác. Một số loại bơm nhiệt có thể vừa bơm nhiệt vào và ra một công trình để làm mát hoặc sưởi ấm. Máy điều hoà không khí (hoặc “máy làm lạnh” cho các hệ thống quy mô lớn) là bơm nhiệt mà chỉ có thể bơm nhiệt ra khỏi công trình, với hiệu suất cao hơn so với các máy bơm nhiệt hai chiều.

Máy bơm nhiệt cỡ nhỏ

Đối với các hệ thống HVAC hiệu quả cao, bơm nhiệt là thiết bị rất quan trọng do bởi vận chuyển nhiệt tiêu tốn ít năng lượng hơn so với phát nhiệt. Máy cấp nhiệt có thể không đạt được hiệu suất 100% do thiết bị này cần phải có năng lượng sử dụng trực tiếp để tạo ra nhiệt, trong khi bơm nhiệt hiệu quả ở chỗ  chỉ vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác. Tuy nhiên, tùy theo môi trường vận hành, đôi khi lò hơi có hiệu quả hơn trong trường hợp đặc biệt khi nhiệt độ ngoài trời lạnh (dưới 5 ° C hay 40 ° F).

Để dễ hình dung vận chuyển nhiệt hiệu quả hơn phát nhiệt, hãy tưởng tượng một chiếc xe tải chở dầu chuyển nhiên liệu từ nơi này đến nơi khác – chiếc xe tải này có thể chở hàng ngàn lít nhiên liệu như hàng hóa, nhưng bình xăng của chiếc xe tải chỉ có một vài chục lít, bởi vì xe tải cũng chỉ cần từng đó nhiên liệu cần thiết để đốt cháy và di chuyển tới đích. Tương tự, bơm nhiệt vận chuyển năng lượng nhiệt giống như hàng hóa trong khi chỉ cần sử dụng một chút năng lượng điện.

Với một đơn vị năng lượng điện tiêu thụ, bơm nhiệt có thể vận chuyển nhiều hơn một đơn vị năng lượng nhiệt

Với một đơn vị năng lượng điện tiêu thụ, bơm nhiệt có thể vận chuyển nhiều hơn một đơn vị năng lượng nhiệt

Đo lường hiệu suất

Có nhiều cách đo lường hiệu suất bơm nhiệt:

  • COP (hệ số hiệu quả) là phép đơn giản nhất và tính bằng lượng nhiệt được vận chuyển (tính theo W), chia cho điện năng được sử dụng để di chuyển lượng nhiệt đó (W), ở nhiệt độ ngoài trời xác định. Giá trị COP càng cao thì hệ thống càng hiệu quả. Máy sưởi điện trở sinh nhiệt đạt hiệu suất 100% tương ứng với COP = 1, trong khi một máy bơm nhiệt trong chế độ sưởi ấm có COP trong khoảng từ 2-5, và 3-12 khi vận hành ở chế độ làm mát.
  • EER (tỷ số hiệu suất năng lượng) tương tự như COP, nhưng chỉ sử dụng cho làm mát. EER đo lường hệ thống làm mát vận hành hiệu quả đến đâu. EER thường được sử dụng cho các máy điều hòa không khí cửa sổ, máy điều hòa cục bộ cỡ nhỏ và bơm nhiệt. EER là tỷ lệ năng suất làm mát Btu/giờ chia cho công suất điện tiêu thụ ở nhiệt độ bên ngoài là 95 ° F (35 ° C). Điều hòa không khí trong phòng nên có EER đạt ít nhất 9.0 đối với khí hậu ôn hòa và hơn 10.0 cho vùng khí hậu nóng.
  • SEER (tỷ số hiệu suất năng lượng theo mùa) đo lường hiệu quả máy điều hòa không khí dân dụng cỡ nhỏ hoặc bơm nhiệt vận hành xuyên suốt một mùa làm mát, ở nhiệt độ khác hẳn với nhiệt độ ngoài trời. Tương tự như EER, SEER càng cao thì hệ thống làm mát càng hiệu quả. SEER là tỷ số của tổng năng lượng làm mát mà hệ thống cung cấp xuyên suốt mùa (Btu) chia cho tổng số watt-giờ hệ thống tiêu thụ.
  • HSPF (hệ số hiệu quả sưởi ấm theo mùa) đo lường hiệu quả bơm nhiệt vận hành ở chế độ sưởi ấm qua xuyên suốt mùa sưởi ấm. Nó giống như SEER nhưng áp dụng cho sưởi ấm. HSPF càng cao, hệ thống càng hiệu quả. HSPF được tính bằng cách chia tổng năng lượng sưởi ấm (Btu) được cung cấp trong mùa cho tổng số watt-giờ điện cần thiết để cung cấp nhiệt.
  • kW / tấn đo lường năng lượng đầu vào tính bằng kW để sản xuất 1 tấn lạnh. Không giống như các hệ số trên, kW/tấn càng thấp, hiệu quả làm lạnh càng cao. Hệ số này thường được sử dụng để xác định hiệu quả của máy làm lạnh quy mô lớn.

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

Bơm nhiệt hoạt động tương tự như tủ lạnh – bằng cách ngưng tụ môi chất từ thể hơi thành thể lỏng và sau đó giãn nở một lần nữa, theo vòng ống dẫn gas được nối từ phía nóng sang phía lạnh. Nhiệt được vận chuyển theo định luật khí lý tưởng cho biết rằng khi áp suất tăng lên, nhiệt độ tăng lên; khi áp suất giảm đi, nhiệt độ giảm đi.

Vì vậy, khi môi chất giãn nở trên một phía của vòng ống, nhiệt độ của môi chất giảm và hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Đây được coi là phía lạnh của vòng ống. Khí sau khi được bơm từ phía khác của vòng ống và được nén chuyển thành môi chất lỏng nhờ máy nén. Áp suất tăng làm tăng nhiệt độ, do đó môi chất lỏng tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Đây được coi là phía nóng của vòng ống. Sau khi giải nhiệt ra bên ngoài, môi chất lỏng được giản nở thành thể khí khi qua van tiếp tục một phía vòng ống và bắt đầu lại chu trình.

Sơ đồ chu trình bơm nhiệt ở chế độ làm mát

Sơ đồ chu trình bơm nhiệt ở chế độ sưởi ấm

Sơ đồ chu trình bơm nhiệt ở chế độ sưởi ấm

Về lý thuyết, một bên của vòng ống đặt ở trong nhà và phía còn lại được đặt ở ngoài trời, nhưng trong thực tế điều này thường khá tốn kém và khó lắp đặt, vì “môi chất làm việc” của vòng ống là chất khí dễ bay hơi. Các chất khí này không được phép rò rỉ, bởi vì nó có tác động xấu đến môi trường như biến đổi khí hậu và suy giảm tầng ôzôn. Do đó, cả hai phía của vòng ống được đặt trong một thiết bị bơm nhiệt, và phía “trong nhà” tiếp xúc với không khí bên trong nhờ đường ống dẫn, hoặc tiếp xúc với vòng ống nước luân chuyển đến ống dẫn hoặc các hệ thống bức xạ.

Các nguồn cấp cho bơm nhiệt

Không khí

Bơm nhiệt không khí đem nhiệt thải ra không khí bên ngoài. Phần lớn hệ thống bơm nhiệt là bơm nhiệt không khí. Đối với máy làm lạnh cỡ lớn, thiết bị thải nhiệt ra không khí bên ngoài thường được gọi là tháp giải nhiệt.

Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung

Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung

Bơm nhiệt không khí rất phổ biến vì thiết bị loại này ít tốn kém nhất và dễ cài đặt nhất, không cần đào sâu vào lòng đất và các hệ thống đường ống lớn. Tuy nhiên, hiệu suất thiết không cao khi sưởi ấm công trình vào những ngày trời lạnh (dưới 5 ° C / 40 ° F).

Đất

Bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP) đem nhiệt thải vào đất thay vì không khí. Bởi nhiệt độ trong đất tương đối ổn định quanh năm nên thiết bị này có thể đạt hiệu quả cao hơn so với các bơm nhiệt không khí vào những ngày rất nóng hoặc rất lạnh.

Nhiệt độ lòng đất tương đối ổn định trong khi nhiệt độ không khí thay đổi

Nhiệt độ lòng đất tương đối ổn định trong khi nhiệt độ không khí thay đổi

Toàn bộ bơm nhiệt địa nhiệt hoạt động bằng cách bơm môi chất lỏng dẫn nhiệt (thường là nước hay propylene glycol) thông qua các vòng ống đặt trong đất. Các hệ thống “ngang” có lắp đặt các đường ống bằng cách đào ở độ sâu từ 1-3 m hoặc 3-8 ft, với rãnh đủ rộng để đặt các vòng xoắn của đường ống, và phủ lại bằng đất. Các hệ thống “dọc” được đào sâu và hẹp (thường ở độ sâu 30-150 m / 100-500 ft). Hệ thống ngang ít tốn kém hơn trong lắp đặt, nhưng mất diện tích đất nhiều hơn và nhiệt độ mặt đất không được ổn định so với hệ thống dọc.

bơm nhiệt

 

Lắp đặt đường ống ngang (hình trên) và đường đống dọc (hình dưới) của máy bơm nhiệt địa nhiệt

Lắp đặt đường ống ngang (hình trên) và đường đống dọc (hình dưới) của máy bơm nhiệt địa nhiệt

Hạn chế của thiết bị bơm nhiệt địa nhiệt là tốn chi phí đào đất và đặt đường ống dẫn. Một công trình thương mại cỡ trung bình có thể cần hàng trăm giếng để đào và đặt đường ống cho hệ thống GSHP.

Nước

Một số máy bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng dòng sông, ao, vv… cho mục đích tản nhiệt. Hệ thống vòng kín sử dụng có hiệu quả các phần cứng và hoạt động tương tự như các máy bơm nhiệt địa nhiệt.

Tuy nhiên, cũng có thể cài đặt hệ thống “vòng mở” với các đường ống mở ra suối. Hệ thống này sẽ kéo nước ở một đầu, dẫn vào máy bơm nhiệt nơi nhiệt được hấp thụ hoặc giải nhiệt nhờ nước, và nước sau khi được trao đổi nhiệt (làm nóng hoặc làm mát) được bơm trở lại xuống sông ở hạ lưu. Hệ thống này cũng có thể sử dụng nước ngầm từ các giếng riêng biệt, bơm từ giếng này vào giếng khác.

Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn

Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn

Máy bơm nhiệt nước mang những ưu điểm hiệu quả của bơm nhiệt địa nhiệt, và thậm chí tốt hơn bởi nước có khả năng mang nhiệt và dẫn nhiệt cao. Hệ thống này cũng có thể ít tốn kém để cài đặt, tùy thuộc vào điều kiện địa phương. Tuy nhiên, bị giới hạn do cần đặt ở vị trí nguồn nước (hoặc nước ngầm), và việc sưởi ấm hoặc làm mát không phá vỡ hệ sinh thái của nước.

Máy làm lạnh hấp thụ

Máy làm lạnh hấp thụ là bơm nhiệt trong đó quá trình nén và bay hơi môi chất được kiểm soát bởi một nguồn nhiệt bên ngoài thay vì dùng bơm chạy bằng điện.

Trong máy làm lạnh hấp thụ, môi chất khí trở lại trạng thái lỏng do được hấp thụ hóa chất thứ cấp, như ammonia. Sau đó, hóa chất thứ cấp được tách ra do nhiệt môi chất trở lại cho các vòng lặp làm mát dưới dạng chất lỏng.

Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ

Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ

Máy làm lạnh hấp thụ hiệu quả thấp hơn hơn so với các bơm nhiệt chạy  điện (COP khoảng 0.7-1.2), nhưng thiết bị này có thể hoạt động hoàn toàn bằng nhiệt thải. Trong những trường hợp này, hiệu quả của thiết bị không còn quá quan trọng nữa bởi nguồn năng lượng cho vận hành là hoàn toàn miễn phí và không gây ra bất kỳ tác động môi trường trong quá trình hoạt động.

Bạn muốn nâng cao kiến thức cơ điện? => Tham khảo ngay tại đây
Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !