Bơm nhiệt là một thiết bị nhiệt động lực học hoạt động theo chu trình làm lạnh nén hơi đảo chiều, có khả năng hấp thu nhiệt lượng từ một môi trường có nhiệt độ thấp hơn và truyền nhiệt lượng đó sang một môi trường có nhiệt độ cao hơn thông qua việc tiêu tốn một lượng công năng cơ điện nhất định. Nhờ nguyên lý vận chuyển nhiệt thay vì đốt cháy nhiên liệu trực tiếp để sinh nhiệt, bơm nhiệt đạt hiệu suất năng lượng vượt trội và là công nghệ trọng tâm trong quá trình khử carbon hệ thống sưởi ấm toàn cầu.
Bốn thành phần cấu tạo và chu trình nén hơi
Một hệ thống bơm nhiệt tiêu chuẩn vận hành tuần hoàn liên tục qua bốn thiết bị chính:
| Thiết bị thành phần | Quá trình nhiệt động | Trạng thái của môi chất lạnh |
|---|---|---|
| Dàn bay hơi (Evaporator) | Hấp thu nhiệt lượng từ môi trường nguồn nhiệt thấp | Môi chất sôi và bay hơi từ thể lỏng sang thể khí ở áp suất thấp |
| Máy nén (Compressor) | Nén đoạn nhiệt khí môi chất bằng công cơ học từ động cơ điện | Áp suất và nhiệt độ của môi chất khí tăng vọt lên mức cao |
| Dàn ngưng tụ (Condenser) | Tỏa nhiệt lượng hữu ích cho không gian phòng hoặc bình chứa nước nóng | Môi chất khí nhiệt độ cao ngưng tụ thành thể lỏng ở áp suất cao |
| Van tiết lưu (Expansion Valve) | Giảm áp suất đột ngột môi chất lỏng | Nhiệt độ môi chất hạ thấp sâu dưới nhiệt độ nguồn nhiệt ngoài |
Hệ số hiệu năng và phân tích năng lượng
Theo tổng quan năm 2009 của Hepbasli và Kalinci trên Renewable and Sustainable Energy Reviews, hiệu quả hoạt động của bơm nhiệt được lượng hóa thông qua hệ số hiệu năng (Coefficient of Performance - COP). COP của chế độ sưởi được định nghĩa bằng tỷ số giữa nhiệt lượng tỏa ra ở dàn ngưng và điện năng cung cấp cho máy nén:
Trong điều kiện vận hành thực tế, bơm nhiệt thường đạt COP từ ba đến năm, nghĩa là tiêu thụ một kilowatt-giờ điện năng có thể sản sinh ra từ ba đến năm kilowatt-giờ nhiệt lượng hữu ích, vượt xa hiệu suất cực đại của các thiết bị sưởi điện trở thuần túy.
Các cấu hình nguồn nhiệt và ứng dụng địa nhiệt
Trong các công trình nghiên cứu toàn diện năm 2014 và 2016 của Sarbu và Sebarchievici, các hệ thống bơm nhiệt được phân loại theo môi trường nguồn nhiệt:
- Bơm nhiệt nguồn không khí (ASHP): Lấy nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời, chi phí lắp đặt thấp và linh hoạt, phổ biến trong các hộ gia đình.
- Bơm nhiệt nguồn đất / địa nhiệt (GSHP): Sử dụng mạng lưới đường ống chôn ngầm trong lòng đất hoặc nguồn nước ngầm. Do nhiệt độ trong lòng đất duy trì ổn định quanh năm, GSHP đạt hiệu suất cao vượt trội và vận hành êm ái ngay cả trong mùa đông khắc nghiệt.
- Bơm nhiệt công nghiệp: Thu hồi nhiệt thải từ các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực phẩm, hóa chất và sấy nông sản để tái sử dụng, tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể.