Máy bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt (tiếng Anh: heat pump, tiếng Pháp: pompe à chaleur) là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý Nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác. Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ "nóng" sang "lạnh" hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh... Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di chuyển của nhiệt lượng được gọi là Máy bơm nhiệt thuận nghịch.

Máy bơm nhiệt chủ yếu được sử dụng cho hệ thống sưởi trong phạm vi gia đình. Trong phạm vi lớn hơn, tại các đơn vị không trực tiếp tham gia sản xuất (ví dụ như văn phòng), người ta sử dụng máy bơm nhiệt thuận nghịch để sưởi ấm trong mùa đông và làm mát trong mùa hè.

Giới thiệu

Trong tự nhiên, nhiệt lượng di chuyển từ nhiệt độ cao tới thấp. Máy bơm nhiệt cho phép nhiệt lượng di chuyển theo chiều ngược lại mà chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ năng lượng cung cấp (từ điện, xăng...) Do đó máy bơm nhiệt có thể vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường tự nhiên (như trong không khí, trong nước, trong đất, hoặc từ những hoạt động của con người như sản xuất công nghiệp hay sinh hoạt trong gia đình) tới một căn hộ hoặc một khu nhà cao tầng.

Về lý thuyết, nhiệt lượng được vận chuyển bởi máy bơm nhiệt tới nơi cần cung cấp sẽ bằng nhiệt lượng lấy từ môi trường cộng với năng lượng dùng để chạy máy bơm. Một máy bơm nhiệt chạy điện điển hình có công suất 100 kWh nhiệt lượng với chỉ từ 20-40 kWh điện năng tiêu thụ. Một số máy bơm nhiệt dùng trong công nghiệp còn có thể đạt được hiệu năng lớn hơn, ví dụ như công suất 100 kWh chỉ tiêu thụ 3-10 kWh điện năng.^[1]

Nhờ ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng hơn những thiết bị cung cấp nhiệt thông thường, máy bơm nhiệt là một cải tiến kĩ thuật quan trọng trong việc giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường như khí CO2, khí SO2 (sulphur dioxide), khí Nox (nitrogen oxides). Tuy vậy, tác động đến môi trường của máy bơm nhiệt chạy điện còn phụ thuộc nhiều vào việc nguồn điện năng cung cấp được sản xuất như thế nào. Nếu nguồn điện được sản xuất từ khí hydro hay những dạng năng lượng tái tạo rõ ràng sẽ giảm ô nhiễm môi trường nhiều hơn là nguồn điện lấy từ than đá, xăng dầu...

Nguyên lý hoạt động

Máy bơm nhiệt bao gồm 4 bộ phận chính: thiết bị bay hơi, máy nén, máy ngưng tụ và van giảm áp nối với nhau tạo thành một vòng kín. Một luồng chất lưu dễ bay hơi, gọi là lưu chất vận động (working fluid) luân chuyển trong máy bơm với nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường ngoài cung cấp cho môi trường tiếp nhận.

Ở chế độ sưởi, máy bơm nhiệt hoạt động theo nguyên tắc sau:^[2]

Đầu tiên, máy bơm sẽ thu nhiệt lượng từ môi trường ngoài và được luồng lưu chất vận động (lúc này ở dưới dạng hơi, áp suất thấp, nhiệt độ khoảng 10 độ C) vận chuyển tới máy nén.
Tại máy nén, luồng lưu chất vận động bị nén sẽ tăng nhiệt độ (lên khoảng 80 độ C), đồng thời nhiệt lượng được luồng lưu chất vận động mang theo bên mình cũng sẽ tăng theo.
Sau đó luồng lưu chất vận động ở nhiệt độ cao này được chuyển tới máy ngưng tụ, tại đây lưu chất vận động khi ngưng tụ thành chất lỏng sẽ giải phóng nhiệt lượng mang theo bên mình (nhiệt lượng này thu được từ môi trường ngoài và từ quá trình nén tại máy nén) để cung cấp cho thiết bị sưởi.
Lúc này lượng lưu chất vận động (ở trạng thái lỏng, áp suất cao) sẽ đi qua van giảm áp để đưa lại về máy sấy, sau đó nó được sấy thành luồng lưu chất vận động mới (ở dạng hơi, áp suất thấp) và mang theo nhiệt lượng thu từ môi trường ngoài tiếp tục một chu trình mới.

Nguồn cung cấp nhiệt

Hiệu năng của một máy bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào những đặc tính của nguồn cung cấp nhiệt (nguồn nhiệt). Một nguồn nhiệt lý tưởng cho máy bơm nhiệt phải có nhiệt độ cao và ổn định trong mùa lạnh, sẵn có, số lượng nhiều, không gây ăn mòn hay ô nhiễm, có những tính chất nhiệt vật lý phù hợp, và yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí bảo dưỡng và hoạt động thấp. Trong hầu hết các trường hợp, sự sẵn có của nguồn nhiệt là một chìa khoá quyết định tới việc lắp đặt và sử dụng máy bơm nhiệt. Bảng dưới đây thể hiện những nguồn nhiệt thường được sử dụng hiện nay:^[3]

Nguồn nhiệt	Nhiệt độ của nguồn (độ C)
Không khí	-10 - 15
Khí xả	15 - 25
Nước ngầm	4 - 10
Nước hồ	0 - 10
Nước sông	0 - 10
Nước biển	3 - 8
Đá	0 - 5
Mặt đất	0 - 10
Nước thải	>10

Không khí thông thường, khí xả, đất và nước ngầm được sử dụng cho các máy bơm nhiệt công suất và phạm vi sử dụng nhỏ, trong khi nước lấy từ biển, sông, hồ.., đá và nước xả được sử dụng trong quy mô lớn.

Thông thường người ta dựa vào 3 nguồn nhiệt chính lấy từ không khí, nước và đất để phân loại các máy bơm nhiệt:

Không khí

Đây là một nguồn nhiệt miễn phí và được sử dụng rộng rãi, đồng thời là nguồn nhiệt phổ biến nhất trong các máy bơm nhiệt. Nhiệt lượng do máy bơm nhiệt dạng này cung cấp có thể sử dụng để làm ấm trực tiếp không gian bên trong, hoặc cung cấp cho các lò sưởi và các bình nước nóng.^[4] Loại máy bơm sử dụng nguồn nhiệt lấy từ không khí (máy bơm nhiệt-khí) có ưu điểm là lắp đặt dễ dàng, chi phí rẻ hơn các loại máy bơm khác, thích hợp để thay thế các loại lò sưởi điện thông thường.^[5]

Khí thải: Khí thải cũng là một nguồn nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các máy bơm ở các khu căn hộ và khu thương mại. Máy bơm thu nhiệt lượng từ hệ thống quạt gió để cung cấp cho hệ thống nước nóng hoặc hệ thống sưởi. Một vài loại máy bơm nhiệt được thiết kế để có thể sử dụng đồng thời 2 nguồn nhiệt từ không khí và khí thải.

Nước

Nước ngầm: nước ngầm thường đạt được nhiệt độ ổn định từ 4 tới 10 °C ở nhiều khu vực. Các máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nước có ưu điểm là lắp đặt dễ và hoạt động ổn định, hiệu suất tương đối. Tuy vậy cần phải tìm được nguồn nước thích hợp ở gần nơi lắp đặt, chỉ thích hợp với các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc các hệ thống sưởi cho sàn nhà, thêm vào đó khi lắp đặt cần lưu ý các vấn đề về chống ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm khu vực đất xung quanh.^[6]
Nước sông, hồ: theo lý thuyết đây là những nguồn cung cấp nhiệt tốt, nhưng có một hạn chế lớn là nhiệt độ vào mùa đông thường thấp (0 °C ở các nước ôn đới), và cần thiết kế một hệ thống chống đông lạnh hơi nước.
Nước biển: đây là một nguồn cung nhiệt rất tốt nếu đáp ứng được một số điều kiện cần thiết, thường được sử dụng cho những máy bơm cỡ vừa và lớn, trong công nghiệp. Ở độ sâu từ 25 tới 50 m, nhiệt độ nước biển đạt ổn định (từ 5-8 °C), k gây nên những vấn đề về đóng băng hơi nước. Việc lắp đặt hệ thống máy bơm nhiệt cần lưu ý tới việc chống ăn mòn cho các đường ống dẫn nhiệt có thể gây ô nhiễm cho môi trường nước biển.
Nước xả: thường có nhiệt độ cao và ổn định trong suốt các khoảng thời gian trong năm. Một vài ví dụ là nước xả từ các kênh hay các đường ống thoát nước (đã hoặc chưa qua xử lý), nước thải công nghiệp, nước thải từ các nhà máy điện, điện lạnh... Một trong những trở ngại trong việc sử dụng nguồn nhiệt này cho các khu căn hộ và thương mại là khoảng cách từ những nơi này tới các nguồn nước xả, do các khu công nghiệp thường được bố trí ở ngoại ô, xa khu dân cư. Tuy vậy với các máy bơm nhiệt dùng trong công nghiệp, nó ngược lại không phải là trở ngại mà còn là một thuận lợi cho phép tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong công nghiệp.

Đất

Mỗi ngày, ánh nắng mặt trời truyền năng lượng xuống Trái đất và được lưu trữ lại một lượng đáng kể trong lòng đất. Máy bơm nhiệt sử dụng nguồn năng lượng này được gọi là máy bơm địa-nhiệt, có ưu điểm là tận dụng được nguồn nhiệt năng tự nhiên có sẵn trong lòng đất của mỗi công trình, không chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh (do nhiệt lượng trong lòng đất thường ổn định) nhưng chi phí lắp đặt khá cao. Khi lắp đặt máy bơm địa-nhiệt, có hai cách bố trí hệ thống thu dẫn nhiệt là: theo chiều ngang (đặt sâu khoảng 0,6 tới 1,2m so với mặt đất, và chiếm một diện tích lớn, thường được đặt trong sân vườn nhà), và theo chiều dọc (không yêu cầu nơi lắp đặt phải có sân vườn nhưng cần đào sâu từ 80 tới 120m).^[4]

Hiệu suất

Đối với một máy bơm nhiệt, hiệu năng của máy COP (Coefficient Of Performance) được tính bằng tỉ số giữa nhiệt lượng mà máy bơm cung cấp được và năng lượng cần cung cấp để máy bơm hoạt động.^[7],^[8] Hiệu năng của lò sưởi điện thông thường luôn luôn bằng 1, trong khi với máy bơm nhiệt, hiệu năng sử dụng có thể lên tới 3 (với máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt từ đất) hoặc xấp xỉ 2 với máy bơm sử dụng nguồn nhiệt từ không khí.^[9] Trong công nghiệp, máy bơm nhiệt MVR (Mechanical Vapour Recompression) có thể cho hiệu năng từ 5 tới 80.^[10]

Lưu chất vận động

Như đã trình bày trong phần nguyên tắc hoạt động, mỗi máy bơm nhiệt cần sử dụng một loại chất lưu có nhiệm vụ mang theo nhiệt năng lấy từ nguồn nhiệt tới cung cấp cho các thiết bị nhận nhiệt (như lò sưởi, bình nước nóng...), gọi là lưu chất vận động. Hiện nay, những loại lưu chất vận động phổ biến nhất cho máy bơm nhiệt là:

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

Ứng dụng

Trong công nghiệp

Hiện nay máy bơm nhiệt đã bước đầu được sử dụng trong công nghiệp, nhưng chưa phổ biến. Tuy vậy, với những quy định bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt, máy bơm nhiệt công nghiệp có thể trở thành một ứng dụng công nghệ quan trọng trong việc giảm thiểu sự phát tán khí thải ra môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Máy bơm nhiệt công nghiệp được sử dụng cho các lĩnh vực:

Sưởi ấm: sưởi ấm các nhà kính hoặc các toà nhà công nghiệp, thường sử dụng nguồn nhiệt lấy từ nước thải công nghiệp.
Sản xuất nước nóng hoặc nước lạnh: rất nhiều ngành công nghiệp cần sử dụng tới nước nóng (40-90 °C) trong sản xuất, và trong các hoạt động lau rửa, và vệ sinh khu sản xuất. Nguồn nước nóng này có thể được cung cấp nhờ máy bơm nhiệt công nghiệp, những máy bơm nhiệt thuận nghịch còn dùng để làm lạnh nước.
Sản xuất hơi nước: nhiều ngành công nghiệp tiêu thụ một lượng khổng lồ hơi nước ở áp suất thấp, cao hoặc trung bình trong khoảng từ 100-200 °C. Những máy bơm nhiệt công nghiệp hiện nay có thể cung cấp hơi nước có nhiệt độ lên tới 150 °C (một mẫu máy bơm thử nghiệm thậm chí đã đạt tới 300 °C).
Sấy khô: máy bơm nhiệt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sấy khô và hút ẩm ở nhiệt độ thấp và trung bình (cao nhất là 100 °C) như sấy khô bột giấy, thực phẩm và mở. Những máy bơm nhiệt dùng cho công nghiệp sấy khô thường có hiệu năng cao (COP từ 5 tới 7), và thường giúp tăng chất lượng sản phẩm so với các phương pháp sấy khô truyền thống, ví dụ như giảm thiểu sự bay mùi của thực phẩm (do quá trình sấy khô hoàn toàn khép kín).
Bay hơi và chưng cất: trong công nghiệp hoá học và sản xuất thực phẩm, công đoạn làm bay hơi và chưng cất tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Máy bơm nhiệt công nghiệp giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ với hiệu năng cao (COP từ 6 tới 30).

Trong công nghiệp sấy khô và làm bay hơi, chưng cất, hơi nước được tái chế trong quá trình vận hành máy bơm nhiệt. Với công nghiệp sưởi ấm và sản xuất hơi nước, máy bơm nhiệt thường tận dụng những nguồn nhiệt như nước xả, nước thải, nước ngưng... Do nhiệt lượng lấy từ những nguồn cung này thường không ổn định nên cần phải xây dựng những kho lưu trữ nhiệt lượng để đảm bảo cho hoạt động ổn định của máy bơm nhiệt.