Thiết bị bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt (tiếng Anh: heat pump, tiếng Pháp: pompe à chaleur) là một thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý Nhiệt động lực học để chuyển nhiệt từ một môi trường này sang môi trường khác. Thông thường, máy bơm nhiệt chỉ cho phép nhiệt di chuyển theo một hướng cố định (từ 'nóng' sang 'lạnh' hoặc ngược lại), chẳng hạn như lò sưởi hay tủ lạnh. Tuy nhiên, máy bơm nhiệt thuận nghịch cho phép điều chỉnh và chọn hướng di chuyển của nhiệt.

Máy bơm nhiệt chủ yếu được sử dụng để sưởi ấm trong các hộ gia đình. Trong các công trình lớn hơn như văn phòng, máy bơm nhiệt thuận nghịch được dùng để sưởi ấm vào mùa đông và làm mát vào mùa hè.

Giới thiệu chung

Trong tự nhiên, nhiệt luôn di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Máy bơm nhiệt có khả năng đảo ngược quá trình này, cho phép nhiệt di chuyển từ nơi lạnh sang nơi ấm bằng cách sử dụng một lượng nhỏ năng lượng bổ sung (như điện hoặc xăng). Nhờ vậy, máy bơm nhiệt có thể chuyển nhiệt từ môi trường tự nhiên (như không khí, nước, đất, hoặc từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt) đến các tòa nhà hoặc khu chung cư.

Theo lý thuyết, tổng nhiệt lượng mà máy bơm nhiệt cung cấp cho môi trường sẽ bằng nhiệt lượng lấy từ môi trường cộng với năng lượng tiêu thụ để vận hành máy. Ví dụ, một máy bơm nhiệt điện thông thường có thể cung cấp 100 kWh nhiệt lượng với chỉ từ 20-40 kWh điện năng tiêu thụ. Một số máy bơm nhiệt công nghiệp còn có hiệu suất cao hơn, với công suất 100 kWh chỉ tiêu tốn 3-10 kWh điện năng.

Với ưu điểm tiết kiệm năng lượng hơn so với các thiết bị sưởi ấm truyền thống, máy bơm nhiệt là một bước tiến quan trọng trong việc giảm phát thải khí độc hại như CO2, SO2 (dioxide lưu huỳnh) và NOx (oxit nitơ). Tuy nhiên, tác động của máy bơm nhiệt đối với môi trường còn phụ thuộc vào nguồn điện sử dụng. Nếu điện được sản xuất từ năng lượng tái tạo như hydro, sẽ ít ô nhiễm hơn so với nguồn điện từ than đá hoặc xăng dầu.

Nguyên lý hoạt động

Máy bơm nhiệt bao gồm 4 thành phần chính: thiết bị bay hơi, máy nén, máy ngưng tụ và van giảm áp, tất cả được kết nối trong một vòng kín. Một chất lỏng dễ bay hơi, gọi là chất tải nhiệt (working fluid), luân chuyển trong máy để chuyển nhiệt từ môi trường bên ngoài vào môi trường cần sưởi ấm hoặc làm mát.

Khi hoạt động ở chế độ sưởi, máy bơm nhiệt thực hiện các bước sau:

• Đầu tiên, máy bơm nhiệt thu nhiệt từ môi trường bên ngoài. Luồng chất tải nhiệt (lúc này ở dạng hơi, áp suất thấp và nhiệt độ khoảng 10 độ C) sẽ vận chuyển nhiệt lượng này đến máy nén.
• Tại máy nén, chất tải nhiệt sẽ được nén lại, làm tăng nhiệt độ của nó lên khoảng 80 độ C. Nhiệt lượng mà chất tải nhiệt mang theo cũng sẽ tăng theo.
• Tiếp theo, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao này được chuyển đến máy ngưng tụ. Tại đây, khi chất tải nhiệt ngưng tụ thành chất lỏng, nó sẽ giải phóng nhiệt lượng (nhận từ môi trường ngoài và quá trình nén tại máy nén) để cung cấp cho hệ thống sưởi.
• Cuối cùng, chất tải nhiệt (ở dạng lỏng và áp suất cao) sẽ đi qua van giảm áp và trở lại máy bay hơi, sau đó được làm bay hơi thành chất tải nhiệt mới (dạng hơi, áp suất thấp), mang theo nhiệt lượng thu được từ môi trường ngoài để bắt đầu chu trình mới.

Nguồn cung cấp nhiệt

Hiệu suất của máy bơm nhiệt phụ thuộc vào chất lượng của nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt lý tưởng cho máy bơm nhiệt cần có nhiệt độ cao và ổn định trong mùa lạnh, dễ tiếp cận, số lượng nhiều, không gây ăn mòn hoặc ô nhiễm, và có các tính chất nhiệt vật lý phù hợp. Đồng thời, chi phí đầu tư và bảo trì cũng phải thấp. Trong nhiều trường hợp, sự sẵn có của nguồn nhiệt là yếu tố quyết định trong việc lắp đặt và sử dụng máy bơm nhiệt. Dưới đây là các nguồn nhiệt thường được sử dụng:

Không khí, khí xả, đất và nước ngầm thường được dùng cho các máy bơm nhiệt có công suất và phạm vi nhỏ, trong khi nước biển, sông, hồ, đá và nước xả được sử dụng cho các hệ thống lớn hơn.

Thông thường, các máy bơm nhiệt được phân loại dựa trên ba nguồn nhiệt chính: không khí, nước và đất.

Không khí

Nguồn nhiệt từ không khí là miễn phí và rất phổ biến, thường được sử dụng nhất trong các hệ thống máy bơm nhiệt. Nhiệt lượng từ máy bơm nhiệt loại này có thể được sử dụng để làm ấm trực tiếp không gian sống hoặc cung cấp cho các lò sưởi và bình nước nóng. Máy bơm nhiệt sử dụng không khí (máy bơm nhiệt-khí) có ưu điểm là lắp đặt đơn giản và chi phí thấp hơn so với các loại máy bơm khác, rất phù hợp để thay thế các lò sưởi điện truyền thống.

• Khí thải: Khí thải cũng là một nguồn nhiệt quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các máy bơm tại các khu căn hộ và thương mại. Máy bơm nhiệt có thể thu nhiệt từ hệ thống quạt gió để cung cấp cho hệ thống nước nóng hoặc sưởi. Một số máy bơm nhiệt còn được thiết kế để khai thác đồng thời cả không khí và khí thải.

Nước

• Nước ngầm: Nước ngầm thường duy trì nhiệt độ ổn định từ 4 đến 10 °C tại nhiều khu vực. Máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nước này có ưu điểm là dễ lắp đặt và hoạt động ổn định với hiệu suất tốt. Tuy nhiên, cần phải có nguồn nước gần nơi lắp đặt và chỉ thích hợp cho các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc hệ thống sưởi sàn. Cần lưu ý các vấn đề về bảo vệ nguồn nước và môi trường xung quanh khi lắp đặt.
• Nước sông, hồ: Mặc dù lý thuyết cho thấy đây là nguồn nhiệt tốt, nhưng nhiệt độ nước vào mùa đông có thể rất thấp (0 °C ở các vùng ôn đới), và cần thiết kế hệ thống chống đông đặc biệt.
• Nước biển: Đây là nguồn nhiệt rất hiệu quả nếu đáp ứng các điều kiện nhất định, thường được sử dụng cho máy bơm cỡ vừa và lớn trong công nghiệp. Ở độ sâu từ 25 đến 50 m, nhiệt độ nước biển ổn định (từ 5-8 °C) và không gây hiện tượng đóng băng hơi nước. Tuy nhiên, cần chú ý chống ăn mòn cho các ống dẫn nhiệt để bảo vệ môi trường nước biển.
• Nước xả: Nước xả thường có nhiệt độ ổn định và cao quanh năm. Ví dụ như nước thải từ các kênh, đường ống thoát nước, nước thải công nghiệp, hoặc từ các nhà máy điện. Mặc dù khoảng cách từ nguồn nước xả đến khu dân cư có thể là một trở ngại, nhưng đối với các máy bơm công nghiệp, điều này có thể trở thành lợi thế trong việc tiết kiệm năng lượng.

Đất

Ánh sáng mặt trời hàng ngày truyền năng lượng xuống lòng đất và lưu trữ một lượng nhiệt đáng kể. Máy bơm nhiệt sử dụng năng lượng này được gọi là máy bơm địa-nhiệt, tận dụng nguồn nhiệt ổn định trong lòng đất. Mặc dù chi phí lắp đặt cao, máy bơm địa-nhiệt không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh. Có hai phương pháp lắp đặt: theo chiều ngang (đặt sâu từ 0,6 đến 1,2 m, chiếm diện tích lớn, thường lắp đặt trong sân vườn) và theo chiều dọc (đào sâu từ 80 đến 120 m, không yêu cầu sân vườn).

Hiệu suất

Hiệu suất của máy bơm nhiệt, hay COP (Coefficient Of Performance), là tỷ lệ giữa lượng nhiệt cung cấp và năng lượng tiêu thụ. Hiệu suất của lò sưởi điện thông thường luôn bằng 1, trong khi máy bơm nhiệt có thể đạt hiệu suất lên đến 3 (với nguồn nhiệt từ đất) hoặc xấp xỉ 2 (với nguồn nhiệt từ không khí). Trong công nghiệp, máy bơm nhiệt MVR (Mechanical Vapour Recompression) có thể đạt hiệu suất từ 5 đến 80.

Chất lỏng vận chuyển

Như đã giải thích trong phần nguyên lý hoạt động, mỗi máy bơm nhiệt cần một chất lỏng đặc biệt để vận chuyển nhiệt năng từ nguồn cung cấp đến thiết bị tiêu thụ (như lò sưởi hoặc bình nước nóng), gọi là chất lỏng vận chuyển. Hiện nay, các chất lỏng vận chuyển phổ biến nhất trong máy bơm nhiệt bao gồm:

• CFC-12, sử dụng cho máy bơm nhiệt cung cấp nhiệt độ thấp đến trung bình (tối đa 80 °C);
• CFC-114, dành cho máy bơm nhiệt cung cấp nhiệt độ cao (tối đa 120 °C);
• R-500, dùng cho máy bơm nhiệt cung cấp nhiệt độ trung bình (tối đa 80 °C);
• R-502, dành cho máy bơm nhiệt cung cấp nhiệt độ thấp (tối đa 55 °C);
• HCFC-22, sử dụng cho máy bơm nhiệt thuận nghịch và máy bơm nhiệt cung cấp nhiệt độ thấp (tối đa 55 °C).

Ứng dụng

Công nghiệp

Hiện tại, việc ứng dụng máy bơm nhiệt trong ngành công nghiệp đã bắt đầu nhưng vẫn còn hạn chế. Tuy nhiên, với các quy định môi trường ngày càng chặt chẽ, máy bơm nhiệt công nghiệp có thể trở thành giải pháp công nghệ quan trọng để giảm thiểu khí thải và tiết kiệm năng lượng.

Máy bơm nhiệt công nghiệp được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:

• Sưởi ấm: dùng để sưởi ấm nhà kính hoặc các tòa nhà công nghiệp, thường tận dụng nhiệt từ nước thải công nghiệp.
• Sản xuất nước nóng hoặc nước lạnh: nhiều ngành công nghiệp cần nước nóng (40-90 °C) cho sản xuất, vệ sinh và lau rửa. Máy bơm nhiệt công nghiệp có thể cung cấp nước nóng và các máy bơm nhiệt thuận nghịch còn có khả năng làm lạnh nước.
• Sản xuất hơi nước: các ngành công nghiệp thường tiêu thụ lượng lớn hơi nước ở áp suất thấp đến trung bình (100-200 °C). Các máy bơm nhiệt công nghiệp hiện tại có thể cung cấp hơi nước lên đến 150 °C, với một số mẫu thử nghiệm đạt 300 °C.
• Sấy khô: máy bơm nhiệt rất phổ biến trong ngành sấy khô và hút ẩm ở nhiệt độ thấp và trung bình (tối đa 100 °C), như sấy bột giấy, thực phẩm và dầu. Máy bơm nhiệt cho công nghiệp sấy khô thường có hiệu suất cao (COP từ 5 đến 7) và giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, ví dụ như giảm bay mùi thực phẩm nhờ quá trình sấy khô khép kín.
• Bay hơi và chưng cất: trong ngành hóa chất và thực phẩm, quá trình bay hơi và chưng cất tiêu tốn nhiều năng lượng. Máy bơm nhiệt công nghiệp giúp tiết kiệm năng lượng với hiệu suất cao (COP từ 6 đến 30).

Trong các ứng dụng công nghiệp như sấy khô và chưng cất, hơi nước thường được tái chế khi sử dụng máy bơm nhiệt. Đối với ngành sưởi ấm và sản xuất hơi nước, máy bơm nhiệt thường tận dụng nguồn nhiệt từ nước xả, nước thải, nước ngưng... Vì nhiệt lượng từ các nguồn này không ổn định, cần có kho lưu trữ nhiệt lượng để duy trì hoạt động ổn định của máy bơm nhiệt.

Trong đời sống

Ghi chú

Các liên kết bên ngoài

• Bơm nhiệt trong Từ điển bách khoa Việt Nam
• Heat pump (engineering) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Heat pump Lưu trữ 2014-06-13 tại Wayback Machine trong mục heating của Encyclopædia Britannica
• IEA Heat Pump Centre Lưu trữ 2014-03-11 tại Wayback Machine