Máy bơm nhiệt nguồn không khí đối phó với môi trường nhiệt độ cực thấp như thế nào?

Máy bơm nhiệt nguồn không khí đã thu hút được sự chú ý của thị trường nhờ hiệu quả và lợi ích môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất có thể thay đổi đáng kể dựa trên một số yếu tố. Ở vùng khí hậu lạnh hơn, hiệu suất của các máy bơm này giảm và sự hình thành sương giá trong quá trình sưởi ấm có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến cả hiệu quả và độ tin cậy. Để chống lại những thách thức này, những tiến bộ trong công nghệ và thiết kế đã được thực hiện, nâng cao chức năng và ứng dụng của bơm nhiệt nguồn không khí trong nhiều môi trường khác nhau.

Những tiến bộ trong công nghệ nén đa tầng

Công nghệ nén tần số thay đổi là một trong những phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng làm nóng của máy bơm nhiệt nguồn không khí. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, việc tăng tốc độ máy nén có thể làm tăng đáng kể lượng khí thải, từ đó cải thiện khả năng làm nóng của bơm nhiệt nguồn không khí. Tuy nhiên, công nghệ tần số thay đổi không cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. Để đồng thời cải thiện khả năng sưởi ấm và hiệu quả sử dụng năng lượng ở nhiệt độ thấp, công nghệ nén nhiều tầng đã được phát triển.

Tùy thuộc vào số giai đoạn nén và cấu trúc chu trình, bơm nhiệt nguồn khí nén nhiều tầng có thể được chia thành chu trình xếp tầng và nén kép/nhiều giai đoạn, v.v. Để cải thiện khả năng gia nhiệt của hệ thống nén một giai đoạn ở nhiệt độ môi trường thấp, chất làm lạnh có thể được bơm trực tiếp vào buồng nén trong quá trình nén, được gọi là nén gần như hai giai đoạn. Do chu kỳ nén gần như hai giai đoạn có đặc điểm của nén hai giai đoạn nên bài viết này sẽ đưa chúng vào phạm vi chu kỳ nén hai giai đoạn để thảo luận.

Máy bơm nhiệt nguồn không khí Cascade

Do nhiệt độ môi trường xung quanh thấp, tỷ lệ áp suất hệ thống cao, công suất nén lớn và tổn thất điều tiết đáng kể, cuối cùng dẫn đến hiệu suất năng lượng của bơm nhiệt thấp. Để giảm tổn thất và nâng cao hiệu suất, hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí nối tầng sử dụng hai chu trình nén hơi nối tiếp để thay thế một chu trình đơn, nhằm giảm tỷ lệ nén của chu trình một giai đoạn.

Như thể hiện trong hình, hệ thống xếp tầng bao gồm hai chu trình nén hơi độc lập, một là chu trình ở giai đoạn nhiệt độ thấp và hai là chu trình ở giai đoạn nhiệt độ cao. Hai chu trình này được kết nối thông qua một bộ trao đổi nhiệt trung gian chung, cũng đóng vai trò là thiết bị ngưng tụ cho chu trình nhiệt độ thấp và thiết bị bay hơi cho chu trình nhiệt độ cao. Vào mùa đông, chu trình nhiệt độ thấp sẽ hấp thụ nhiệt từ không khí xung quanh qua thiết bị bay hơi và nâng nhiệt lên nhiệt độ cao hơn để làm nguồn nhiệt cho chu trình nhiệt độ cao; trong chu trình nhiệt độ cao, nhiệt được nâng cao hơn nữa đến nhiệt độ cần thiết để sưởi ấm trong nhà.

Bằng cách sử dụng bơm nhiệt nguồn không khí theo tầng, tỷ lệ nén của chu trình giảm đáng kể, giảm tổn thất nén tổng thể và tổn thất điều tiết, từ đó cải thiện hiệu suất năng lượng của bơm nhiệt nguồn không khí. Hơn nữa, tùy thuộc vào điều kiện làm việc khác nhau, các giai đoạn nhiệt độ cao và thấp của chu trình phân tầng có thể sử dụng các chất làm lạnh khác nhau. Vì hệ thống xếp tầng có thể được thực hiện bằng hai hệ thống một giai đoạn đơn giản nên nó đã được sử dụng trong nhiều năm trong các ứng dụng cấp nhiệt và cấp nước nóng. Tuy nhiên, sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt trung gian trong chu trình ghép tầng chắc chắn sẽ dẫn đến những tổn thất hiệu suất nhất định; hơn nữa, chu trình xếp tầng cần có hai máy nén và một bộ trao đổi nhiệt bổ sung, điều này khiến cho chu trình này tốn kém hơn so với chu trình một giai đoạn.

Ưu điểm của máy bơm nhiệt nguồn khí nén giai đoạn kép

Máy bơm nhiệt nguồn khí nén hai giai đoạn kết nối hai chu trình làm lạnh với nhau và có thể được coi là một dạng đơn giản của hệ thống xếp tầng. Như thể hiện trong hình, dựa trên các bộ tiết kiệm khác nhau được sử dụng, bơm nhiệt nguồn khí nén hai giai đoạn có thể được chia thành hai loại: hệ thống Bể chứa Flash (FT) và hệ thống trao đổi nhiệt trung gian (IHX).

Đối với hệ thống bể flash, chất làm lạnh lỏng rời khỏi thiết bị ngưng tụ trong nhà được tiết lưu thành hai pha và sau đó đi vào bể flash, tại đây chất làm lạnh hai pha được tách thành hơi bão hòa và chất lỏng bão hòa; chất làm lạnh hơi bão hòa được trộn với khí thải môi chất từ ​​máy nén giai đoạn áp suất thấp và sau đó được nén lại bằng máy nén giai đoạn áp suất cao, chất lỏng bão hòa được điều tiết bằng van tiết lưu thứ hai và đi vào thiết bị bay hơi ngoài trời để bay hơi thành khí và sau đó đi vào máy nén giai đoạn áp suất thấp, sau đó trộn với khí áp suất trung bình từ bể flash.

Đối với hệ thống trao đổi nhiệt trung gian, chất làm lạnh lỏng từ đầu ra của thiết bị ngưng tụ được chia trực tiếp thành hai đường: dòng chính và dòng nhánh. Chất làm lạnh dòng nhánh được điều tiết đến áp suất trung gian và đi vào bộ trao đổi nhiệt trung gian, nơi chất làm lạnh nhiệt độ thấp làm mát chất làm lạnh dòng chính đến trạng thái làm lạnh phụ, chất làm lạnh dòng nhánh hấp thụ nhiệt và trở thành hơi bão hòa hoặc trạng thái quá nhiệt và trộn với khí thải từ máy nén giai đoạn áp suất thấp, sau đó đi vào máy nén giai đoạn áp suất cao để nén tiếp. Chất làm lạnh được làm lạnh phụ từ đầu ra dòng chính của bộ trao đổi nhiệt trung gian được điều tiết qua thiết bị bay hơi và cuối cùng quay trở lại máy nén giai đoạn áp suất thấp, được nén đến áp suất trung gian và trộn với chất làm lạnh dòng nhánh.

Nén giai đoạn gần như kép cho tính linh hoạt

Như thể hiện trong hình, máy bơm nhiệt nguồn khí nén gần như giai đoạn kép (còn được gọi là hệ thống trang điểm) rất giống với hệ thống nén hai giai đoạn. Sự khác biệt là ở giai đoạn nén gần như kép, chất làm lạnh từ bình chứa nhanh hoặc bộ trao đổi nhiệt trung gian được bơm vào buồng nén của máy nén, thay vì giữa hai máy nén nối tiếp.

Do đó, bơm nhiệt bán giai đoạn kép có thể được coi là một dạng bơm nhiệt hai giai đoạn đơn giản hóa, sử dụng máy nén trang điểm được thiết kế đặc biệt để thay thế hai máy nén, từ đó tránh được vấn đề cân bằng dầu giữa hai máy nén và giảm chi phí hệ thống. Quan trọng hơn, bằng cách đóng van trên nhánh trang điểm, hệ thống gần như giai đoạn kép có thể chuyển đổi linh hoạt sang chế độ chu trình một giai đoạn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của máy bơm nhiệt giai đoạn gần như kép trong mùa đông và mùa hè. Vì lý do này, công nghệ nén gần như giai đoạn kép đã được áp dụng rộng rãi trong máy bơm nhiệt nhiệt độ thấp trong những năm gần đây.

Thay thế chất làm lạnh

Việc hướng tới các chất làm lạnh hiệu quả và thân thiện với môi trường là mấu chốt trong sự phát triển của máy bơm nhiệt nguồn không khí. Các chất làm lạnh truyền thống như R22 và R410A đang được thay thế bằng các chất thay thế như R290, R32, R744 và R161, cùng với các chất làm lạnh khác. Mỗi chất làm lạnh này đều có những ưu điểm và cân nhắc riêng, đặc biệt liên quan đến tác động môi trường, hiệu quả và tiêu chuẩn an toàn. Khi công nghệ tiến bộ, việc áp dụng các giải pháp thay thế này, cùng với các thiết kế hệ thống tiên tiến, sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nguồn không khí.

Thông qua nghiên cứu và đổi mới liên tục, máy bơm nhiệt nguồn không khí ngày càng trở nên mạnh mẽ, hiệu quả hơn và phù hợp với nhiều loại khí hậu và ứng dụng hơn. Việc tích hợp các công nghệ nén tiên tiến và chuyển sang sử dụng chất làm lạnh thân thiện với môi trường là trọng tâm của quá trình phát triển này, mở đường cho các giải pháp sưởi ấm bền vững và hiệu quả.

Phần kết luận

Máy bơm nhiệt nguồn không khí luôn đi đầu trong công nghệ sưởi ấm và làm mát, mang đến giải pháp thay thế bền vững và hiệu quả cho các hệ thống truyền thống. Thông qua việc áp dụng công nghệ nén nhiều tầng và chất làm lạnh thân thiện với môi trường, các hệ thống này liên tục phát triển để mang lại hiệu suất, khả năng thích ứng tốt hơn và giảm tác động đến môi trường. Với nghiên cứu và đổi mới liên tục, máy bơm nhiệt nguồn không khí được thiết lập để trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn nữa cho nhiều ứng dụng dân dụng và thương mại, thúc đẩy tương lai của hệ thống sưởi và làm mát bền vững.