Những yếu tố nào gây giảm hiệu suất của máy bơm nhiệt?
Được ca ngợi là giải pháp then chốt để thay thế hệ thống sưởi ấm bằng nhiên liệu hóa thạch, công nghệ bơm nhiệt đang được triển khai nhanh chóng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, vì nhiều cơ sở không đạt được mức hiệu quả lý thuyết trong hoạt động thực tế, nên nguyên nhân cơ bản đang được xem xét kỹ lưỡng.
Một cuộc khảo sát của Quỹ tiết kiệm năng lượng (EST) của Anh đã tiết lộ một sự thật đáng kinh ngạc: 83% máy bơm nhiệt được lắp đặt tại Vương quốc Anh đang hoạt động kém hiệu quả, trong đó 87% không đạt chuẩn hiệu suất năng lượng tối thiểu là 3 sao.
Nghiên cứu của ETH Zurich, hợp tác với một số trường đại học, đã phân tích dữ liệu hoạt động thực tế từ 1.023 máy bơm nhiệt trên 10 quốc gia Trung Âu. Họ phát hiện ra sự khác biệt đáng kể về hiệu suất giữa các đơn vị - trong điều kiện nhiệt độ giống hệt nhau, khoảng cách Hệ số hiệu suất (COP) giữa một số thiết bị đạt 2-3 lầnPhát hiện này đã thúc đẩy ngành công nghiệp xem xét lại các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của máy bơm nhiệt.
01 Vấn đề về thiết bị và lắp đặt
Thủ phạm chính gây ra hiệu suất bơm nhiệt thấp nằm ở chính thiết bị và chất lượng lắp đặt. Khảo sát EST đã xác định quản lý công nghiệp không có tổ chức trong lĩnh vực lắp đặt như là một vấn đề cốt lõi.
Simon Green, Trưởng phòng Phát triển Kinh doanh tại EST, đã thẳng thắn tuyên bố: "Khi được lắp đặt và sử dụng đúng cách, công nghệ bơm nhiệt có thể giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ của Vương quốc Anh. Tuy nhiên, tình hình hiện tại khác đáng kể so với ước tính của chúng tôi."
Tại Vương quốc Anh, Hội đồng Công nghiệp Sưởi ấm và Nước nóng (HHIC), chịu trách nhiệm lắp đặt máy bơm nhiệt dân dụng, đã công khai thừa nhận thiếu nhân lực đủ để giúp người tiêu dùng lựa chọn sản phẩm phù hợp. Việc thiếu hướng dẫn của chuyên gia dẫn đến tình trạng lựa chọn sai lầm thường xuyên, khi người dùng thường mua phải thiết bị không phù hợp với đặc điểm của tòa nhà.
Lão hóa thiết bị là một kẻ giết hiệu quả khác. Các nhà sản xuất máy bơm nhiệt nguồn không khí hiện đại lưu ý trong hướng dẫn bảo trì của họ rằng các thành phần chính như máy nén và bộ tản nhiệt bị mòn theo thời gian. Việc bịt kín kém gây rò rỉ chất làm lạnh, làm giảm hiệu quả sưởi ấm/làm mát, trong khi hệ thống điện cũ kỹ ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của hoạt động.
02 Yếu tố môi trường và thiết kế
Điều kiện môi trường là biến số chính thứ hai tác động đến hiệu quả. Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả sưởi ấm của máy bơm nhiệt nguồn không khí – nhiệt độ thấp hơn dẫn đến hiệu quả giảm đáng kể.
Vị trí lắp đặt cũng quan trọng không kém. Vị trí lắp đặt gần nguồn nhiệt hoặc bộ tản nhiệt hạn chế luồng không khí, làm giảm trực tiếp hiệu quả trao đổi nhiệt. Độ ẩm trong nhà và chất lượng không khí cũng tạo ra hiệu ứng lan tỏa lên hiệu suất sưởi ấm.
Phân tích dữ liệu quy mô lớn của ETH Zurich đã phát hiện ra rằng máy bơm nhiệt nguồn đất đạt được COP trung bình là 4,90, vượt xa mức trung bình 4,03 của các đơn vị nguồn không khí. Điều quan trọng là hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng mặt đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ ngoài trời, chứng tỏ hiệu suất ổn định hơn.
Nghiên cứu cũng phát hiện ra một lỗi thiết kế quan trọng: khoảng 7-11% hệ thống bơm nhiệt có kích thước quá khổ, trong khi khoảng 1% có kích thước quá nhỏSự không phù hợp về kích thước này ngăn cản hoạt động ở điều kiện tối ưu, gây lãng phí năng lượng.
03 Vận hành và bảo trì không đúng cách
Tình trạng bảo trì của hệ thống bơm nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả lâu dài của hệ thống. Bảo trì thường xuyên là chìa khóa để đảm bảo hoạt động bình thườngTuy nhiên, yêu cầu cơ bản này thường bị bỏ qua trong thực tế.
Việc bảo dưỡng kém có thể gây tắc nghẽn hoặc hư hỏng các bộ phận, trong khi các phương pháp bảo dưỡng không chuẩn lại gây ra các vấn đề mới. Mức nạp chất làm lạnh không đúng – dù nạp quá nhiều hay quá ít – làm giảm đáng kể hiệu suất sưởi ấm. Sử dụng chất tẩy rửa không phù hợp trên bộ trao đổi nhiệt cũng làm hỏng hiệu suất.
Nghiên cứu của Châu Âu chỉ ra rằng giảm cài đặt đường cong sưởi ấm xuống 1°C có thể tăng hiệu suất bơm nhiệt trung bình lên 0,11 COP và giảm mức tiêu thụ năng lượng của hộ gia đình xuống 2,61%. Nhiều người dùng không biết đến các phương pháp tối ưu hóa này, dẫn đến hoạt động không tối ưu kéo dài.
Các vấn đề về chất làm lạnh là một nguyên nhân phổ biến khác gây mất hiệu suất. Khả năng dẫn nhiệt không đủ của chất làm lạnh làm giảm trao đổi nhiệt hiệu quả trong mỗi chu kỳ. Một số nhà sản xuất sử dụng chất làm lạnh kém chất lượng để cắt giảm chi phí hoặc rò rỉ xảy ra trong quá trình vận chuyển, dẫn đến không đạt được nhiệt độ nước thiết kế.
04 Vấn đề về cấu hình hệ thống và kích thước
Cấu hình hệ thống không phù hợp là nguyên nhân sâu xa gây ra tình trạng kém hiệu quả. Máy bơm nhiệt chuyên dùng để sản xuất nước nóng sinh hoạt (DHW) cho thấy giá trị COP thấp hơn đáng kể so với máy bơm được sử dụng để sưởi ấm không gian, vì Nước nóng sinh hoạt đòi hỏi nhiệt độ dòng chảy cao hơn. Sự khác biệt về đặc điểm nhu cầu năng lượng này thường bị bỏ qua trong quá trình thiết kế.
Các vấn đề về kích thước đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng dân dụng. Nhóm của ETH Zurich đã phát triển các số liệu sử dụng để đánh giá tính phù hợp về kích thước, nhận thấy rằng hệ thống quá khổ hoặc quá nhỏ rất phổ biến.
Trong công nghiệp, các phương pháp tích hợp hệ thống tác động quan trọng đến hiệu quả chung. Các nghiên cứu trong các dự án thu giữ CO₂ của nhà máy xi măng cho thấy rằng việc tích hợp máy bơm nhiệt nhiệt độ cao có thể giảm chi phí clinker gia tăng tới 32%Tuy nhiên, để đạt được sự tối ưu hóa như vậy đòi hỏi khả năng thiết kế hệ thống và tích hợp chính xác, đặt ra thách thức cho nhiều người cài đặt.
Hệ thống "dual-supplyd" phổ biến của Trung Quốc (làm mát và sưởi ấm tích hợp) nâng cao hiệu quả năng lượng tổng thể thông qua thiết kế sáng tạo. Vào mùa hè, chất làm lạnh được phân phối thông qua các thiết bị trong nhà gắn tường; vào mùa đông, nước nóng lưu thông qua hệ thống sưởi ấm bức xạ dưới sàn, phù hợp với nguyên tắc sức khỏe truyền thống của Trung Quốc là "warm feet, cool head." Cấu hình được tối ưu hóa mang lại hiệu quả tăng đáng kể.
05 Giải pháp & Triển vọng tương lai
Để giải quyết những thách thức về hiệu quả của máy bơm nhiệt đòi hỏi cả đổi mới công nghệ và điều chỉnh chính sách. Một bước đột phá của các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) liên quan đến hợp kim đàn hồi Ti₇₈Nb₂₂, đạt hiệu suất thay đổi nhiệt độ cao hơn 20 lần so với kim loại thông thường, đạt 90% giới hạn hiệu suất Carnot.
Vật liệu này nóng lên và nguội đi thông qua biến dạng đàn hồi, mở ra một con đường mới cho công nghệ bơm nhiệt thể rắn. Nhóm nghiên cứu hiện đang phát triển một nguyên mẫu bơm nhiệt công nghiệp dựa trên hợp kim này.
Giám sát hoạt động và điều chỉnh thông minh mang lại hiệu quả thực tế. Các nhà nghiên cứu châu Âu khuyến nghị thiết lập quy trình đánh giá hiệu suất sau khi cài đặt được chuẩn hóa và phát triển các công cụ kỹ thuật số để giúp người dùng tối ưu hóa cài đặt. Những điều chỉnh đơn giản, như giảm đường cong nhiệt, mang lại khả năng tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Thiết kế chính sách cần được tinh chỉnh. Kinh nghiệm của Đức cho thấy rằng giá điện cao có thể cản trở việc áp dụng máy bơm nhiệt. Việc điều chỉnh hợp lý cơ cấu thuế năng lượng, giúp điện cạnh tranh hơn với khí đốt tự nhiên, sẽ đẩy nhanh quá trình thay thế hệ thống sưởi ấm bằng nhiên liệu hóa thạch.
Các ứng dụng công nghiệp có tiềm năng to lớn. Các dự án thu giữ CO₂ của nhà máy xi măng tích hợp máy bơm nhiệt nhiệt độ cao chứng minh khả năng giảm phát thải của công nghệ này trong khi cắt giảm 32% chi phí clinker gia tăng. Khi điện tái tạo mở rộng và công nghệ máy bơm nhiệt nhiệt độ cao phát triển, các giải pháp như vậy có thể trở thành công nghệ khử cacbon cốt lõi cho các ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng.
Con đường phát triển tương lai của công nghệ bơm nhiệt đang trở nên rõ ràng hơn. Hợp kim đàn hồi Ti₇₈Nb₂₂ do các nhà khoa học vật liệu của HKUST phát triển có hiệu suất đặc biệt trong phòng thí nghiệm. Các lĩnh vực công nghiệp đang khám phá những ranh giới mới. Các dự án thu giữ carbon của nhà máy xi măng kết hợp máy bơm nhiệt nhiệt độ cao với nén hơi cơ học (MVR) đã giảm Chi phí thu giữ CO₂ là 125,9 euro/tấnKhi những cải tiến này chuyển từ phòng thí nghiệm ra thị trường, máy bơm nhiệt sẽ thực sự trở thành động lực quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu.