Lý thuyết làm việc của máy bơm nhiệt không khí
Bơm nhiệt nguồn không khí
Một máy bơm nhiệt nguồn không khí có thể cung cấp hệ thống sưởi và làm mát hiệu quả cho ngôi nhà của bạn, đặc biệt nếu bạn sống trong khí hậu ấm áp. Khi được lắp đặt đúng cách, một máy bơm nhiệt nguồn không khí có thể cung cấp năng lượng nhiệt gấp rưỡi đến ba lần cho một ngôi nhà so với năng lượng điện mà nó tiêu thụ. Điều này là có thể bởi vì một máy bơm nhiệt di chuyển nhiệt thay vì chuyển đổi nó từ nhiên liệu, như trong các hệ thống sưởi đốt.
Mặc dù máy bơm nhiệt nguồn không khí có thể được sử dụng ở hầu hết các khu vực của Hoa Kỳ, nhưng nhìn chung chúng không hoạt động tốt trong thời gian kéo dài dưới nhiệt độ đóng băng. Ở những vùng có nhiệt độ mùa đông lạnh, có thể không hiệu quả về mặt chi phí để đáp ứng mọi nhu cầu sưởi ấm của bạn với một máy bơm nhiệt nguồn không khí tiêu chuẩn.
Tuy nhiên, các hệ thống mới với hệ thống sưởi gas như một bản sao lưu có thể khắc phục vấn đề này. Ngoài ra còn có một máy bơm nhiệt Climate Heat Climate Heat hứa hẹn, nhưng hiện đang phải đối mặt với các vấn đề sản xuất. Ngoài ra, một phiên bản có tên là Reverse Reverse Chiller ‘tuyên bố có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ dưới mức đóng băng.
Sơ đồ này của một chu trình làm mát bơm nhiệt hệ thống phân tách cho thấy chất làm lạnh lưu thông qua một vòng khép kín đi qua tường của một ngôi nhà. Bên trong ngôi nhà, gió lạnh thổi qua các cuộn dây trong nhà, với một chiếc quạt thổi ngang qua chúng, và bên ngoài ngôi nhà là một chiếc quạt khác và một cuộn dây khác, cuộn dây ngoài trời. Một máy nén nằm giữa các cuộn dây ở một nửa vòng lặp và một van giãn nở nằm giữa các cuộn dây ở nửa kia. Sơ đồ được giải thích trong chú thích.
Ở chế độ làm mát, bơm nhiệt nguồn không khí làm bay hơi chất làm lạnh trong cuộn dây trong nhà; khi chất lỏng bay hơi, nó kéo nhiệt từ không khí trong nhà. Sau khi khí được nén, nó đi vào cuộn dây ngoài trời và ngưng tụ, giải phóng nhiệt ra không khí bên ngoài. Sự thay đổi áp suất gây ra bởi máy nén và van giãn nở cho phép khí ngưng tụ ở nhiệt độ cao bên ngoài và bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn trong nhà
Bơm nhiệt làm việc như thế nào
Một hệ thống làm lạnh máy bơm nhiệt nhiệt bao gồm một máy nén và hai cuộn dây làm bằng ống đồng (một trong nhà và một bên ngoài), được bao quanh bởi các vây nhôm để hỗ trợ truyền nhiệt. Ở chế độ sưởi ấm, chất làm lạnh lỏng ở các cuộn dây bên ngoài sẽ hút nhiệt từ không khí và bay hơi thành khí. Các cuộn dây trong nhà giải phóng nhiệt từ chất làm lạnh khi nó ngưng tụ lại thành chất lỏng. Một van đảo chiều, gần máy nén, có thể thay đổi hướng của dòng chất làm lạnh để làm mát cũng như để rã đông các cuộn dây ngoài trời vào mùa đông.
Khi nhiệt độ ngoài trời xuống dưới 40 ㆬ, một bảng cuộn điện trở kém hiệu quả hơn, tương tự như trong lò nướng bánh của bạn, sẽ hoạt động để cung cấp sưởi ấm trong nhà. Đây là lý do tại sao máy bơm nhiệt nguồn không khí aren luôn luôn rất hiệu quả để sưởi ấm ở những khu vực có mùa đông lạnh. Một số đơn vị hiện có lò dự phòng chạy bằng khí thay vì cuộn kháng điện, cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn
Hiệu quả và hiệu suất của máy bơm nhiệt nguồn không khí ngày nay là một lần rưỡi đến gấp rưỡi đến hai lần so với những máy bơm có sẵn 30 năm trước. Sự cải thiện hiệu quả này có được nhờ những tiến bộ kỹ thuật và các lựa chọn như:
Sơ đồ này của một chu trình làm nóng bơm nhiệt hệ thống phân tách cho thấy chất làm lạnh lưu thông qua một vòng khép kín đi qua tường của một ngôi nhà. Bên trong ngôi nhà, gió lạnh thổi qua các cuộn dây trong nhà, với một chiếc quạt thổi ngang qua chúng, và bên ngoài ngôi nhà là một chiếc quạt khác và một cuộn dây khác, cuộn dây ngoài trời. Một máy nén nằm giữa các cuộn dây ở một nửa vòng lặp và một van giãn nở nằm giữa các cuộn dây ở nửa kia. Sơ đồ được giải thích trong chú thích.
Ở chế độ sưởi ấm, bơm nhiệt nguồn không khí làm bay hơi chất làm lạnh trong cuộn dây ngoài trời; khi chất lỏng bay hơi, nó kéo nhiệt từ không khí bên ngoài. Sau khi khí được nén, nó đi vào cuộn dây trong nhà và ngưng tụ, giải phóng nhiệt vào bên trong ngôi nhà. Sự thay đổi áp suất gây ra bởi máy nén và van giãn nở cho phép khí bay hơi ở nhiệt độ thấp bên ngoài và ngưng tụ ở nhiệt độ cao hơn trong nhà.
Van giãn nở nhiệt để kiểm soát chính xác hơn dòng chảy môi chất lạnh đến cuộn dây trong nhà
Máy thổi tốc độ thay đổi, hiệu quả hơn và có thể bù cho một số tác động bất lợi của ống dẫn bị hạn chế, bộ lọc bẩn và cuộn dây bẩn
Thiết kế cuộn cải tiến
Cải tiến thiết kế động cơ điện và máy nén hai tốc độ
Ống đồng, có rãnh bên trong để tăng diện tích bề mặt.
Hầu hết các máy bơm nhiệt trung tâm là hệ thống phân tách ?? nghĩa là, mỗi máy đều có một cuộn dây trong nhà và một ngoài trời. Cung cấp và ống dẫn trở lại kết nối với một quạt trung tâm, được đặt trong nhà.
Một số máy bơm nhiệt là hệ thống đóng gói. Chúng thường có cả cuộn dây và quạt ngoài trời. Không khí nóng hoặc lạnh được đưa vào bên trong từ ống dẫn nhô ra qua tường hoặc mái nhà.
Chọn bơm nhiệt
Mỗi máy bơm nhiệt dân dụng được bán tại quốc gia này đều có Nhãn EnergyGuide, có tính năng đánh giá hiệu suất làm mát và làm mát của máy bơm nhiệt, so sánh nó với các kiểu và kiểu dáng có sẵn khác.
Hiệu suất sưởi ấm cho máy bơm nhiệt điện nguồn không khí được biểu thị bằng hệ số hiệu suất mùa nóng (HSPF), là tỷ lệ của sản lượng sưởi ấm theo mùa tính bằng Btu chia cho mức tiêu thụ điện theo mùa tính bằng watt. Hiệu suất làm mát được biểu thị bằng tỷ lệ hiệu suất năng lượng theo mùa (SEER), là tỷ lệ nhiệt lượng theo mùa được loại bỏ trong Btu mỗi giờ so với mức tiêu thụ năng lượng theo mùa tính bằng watt.
Hệ số hiệu suất theo mùa sưởi ấm (HSPF) đánh giá cả hiệu quả của máy nén và các yếu tố kháng điện. Các bơm nhiệt hiệu quả nhất có HSPF từ 8 đến 10.
Tỷ lệ hiệu quả năng lượng theo mùa (SEER) đánh giá hiệu quả làm mát của bơm nhiệt. Nói chung, SEER càng cao, chi phí càng cao. Tuy nhiên, việc tiết kiệm năng lượng có thể trả lại khoản đầu tư ban đầu cao hơn nhiều lần trong suốt vòng đời bơm nhiệt. Thay thế một máy bơm nhiệt trung tâm, cổ điển của thập niên 1970 (SEER = 6) bằng một đơn vị mới (SEER = 12) sẽ cho phép sử dụng một nửa năng lượng để cung cấp cùng một lượng làm mát, giảm một nửa chi phí điều hòa không khí. Các bơm nhiệt hiệu quả nhất có SEER trong khoảng từ 14 đến 18.
Để chọn một máy bơm nhiệt điện nguồn không khí, hãy tìm nhãn ENERGY STAR®, được trao cho những đơn vị có SEER từ 12 trở lên và HSPF từ 7 trở lên. Nếu bạn đang mua một máy bơm nhiệt nguồn không khí điện và không chắc chắn liệu nó có đáp ứng các tiêu chuẩn của ENERGY STAR hay không, hãy nhìn vào nhãn EnergyGuide màu vàng sáng để đạt hiệu quả 12 SEER / 7HSPF hoặc cao hơn. Đối với các đơn vị có xếp hạng HSPF tương đương, hãy kiểm tra xếp hạng trạng thái ổn định của chúng ở -8,3 độ C, cài đặt nhiệt độ thấp. Đơn vị có xếp hạng cao hơn sẽ hiệu quả hơn.
Cân nhắc mua một máy bơm nhiệt có HSPF ít nhất là 7,7. Vào tháng 9 năm 2006, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ sẽ bắt đầu thực thi một tiêu chuẩn mới sẽ yêu cầu các máy bơm nhiệt trung tâm phải có mức xếp hạng tối thiểu là 7,7 HSPF. Ở vùng khí hậu ấm hơn, SEER quan trọng hơn HSPF; ở vùng khí hậu lạnh hơn, tập trung vào việc có được HSPF cao nhất khả thi.
Đây là một số yếu tố khác cần xem xét khi lựa chọn và lắp đặt máy bơm nhiệt nguồn không khí:
Chọn một máy bơm nhiệt có điều khiển rã đông theo yêu cầu. Điều này sẽ giảm thiểu các chu kỳ rã đông, do đó giảm sử dụng năng lượng bơm bổ sung và bơm nhiệt.
Nếu bạn thêm một máy bơm nhiệt vào lò điện, cuộn bơm nhiệt thường được đặt ở phía lạnh (ngược dòng) của lò để đạt hiệu quả cao nhất.
Quạt và máy nén tạo ra tiếng ồn. Xác định vị trí dàn nóng cách xa cửa sổ và các tòa nhà lân cận và chọn một máy bơm nhiệt có mức âm thanh ngoài trời là 7.6 bels hoặc thấp hơn. Bạn cũng có thể giảm tiếng ồn này bằng cách gắn thiết bị lên đế hấp thụ tiếng ồn.
Vị trí của các đơn vị ngoài trời có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của nó. Các đơn vị ngoài trời nên được bảo vệ khỏi gió lớn, có thể gây ra vấn đề rã đông. Bạn có thể chiến lược đặt một bụi cây hoặc một hàng rào theo chiều gió của cuộn dây để chặn thiết bị khỏi gió lớn.
Xem phần Chọn và Thay thế Hệ thống sưởi và làm mát để biết thông tin về cách chọn nhà thầu và xem phần Kích thước Hệ thống sưởi và điều hòa không khí của bạn để biết kích cỡ phù hợp với công nghệ
Các vấn đề về hiệu suất với bơm nhiệt
Theo một báo cáo về nghiên cứu do ENERGY STAR tài trợ, hơn 50% trong số tất cả các bơm nhiệt có vấn đề đáng kể với luồng khí thấp, ống dẫn rò rỉ và phí môi chất không chính xác.
Cần có khoảng 400? C500 feet khối mỗi phút (cfm) luồng khí cho mỗi tấn công suất điều hòa không khí của máy bơm nhiệt. Hiệu quả và hiệu suất sẽ giảm nếu luồng không khí nhỏ hơn 350 cfm mỗi tấn. Kỹ thuật viên có thể tăng luồng khí bằng cách làm sạch cuộn dây bay hơi hoặc tăng tốc độ quạt, nhưng thường cần một số sửa đổi của ống dẫn. Xem các phần về Giảm thiểu tổn thất năng lượng trong ống dẫn và trên ống dẫn cách điện.
Hệ thống lạnh nên được kiểm tra rò rỉ khi lắp đặt và trong mỗi cuộc gọi dịch vụ. Bơm nhiệt phòng và bơm nhiệt đóng gói được sạc bằng chất làm lạnh tại nhà máy. Họ hiếm khi tính phí không chính xác. Mặt khác, máy bơm nhiệt hệ thống phân chia được tích điện tại hiện trường, đôi khi có thể dẫn đến quá nhiều hoặc quá ít chất làm lạnh. Bơm nhiệt hệ thống phân chia có phí làm lạnh và luồng khí chính xác thường hoạt động rất gần với nhà sản xuất SEER và HSPF được liệt kê. Tuy nhiên, quá nhiều hoặc quá ít chất làm lạnh làm giảm hiệu suất và hiệu quả của bơm nhiệt.
Để có hiệu suất và hiệu quả thỏa đáng, một bơm nhiệt hệ thống phân chia phải nằm trong một vài ounce phí chính xác, được chỉ định bởi nhà sản xuất. Kỹ thuật viên phải đo lưu lượng khí trước khi kiểm tra phí môi chất vì các phép đo môi chất lạnh không chính xác trừ khi lưu lượng khí là chính xác. Khi sạc đúng, nhiệt độ và áp suất môi chất lạnh cụ thể được liệt kê bởi nhà sản xuất sẽ khớp với nhiệt độ và áp suất được đo bởi kỹ thuật viên dịch vụ của bạn. Xác nhận các phép đo với kỹ thuật viên. Nếu nhiệt độ và áp suất của nhà sản xuất don don phù hợp với nhiệt độ đo được, thì nên thêm hoặc rút chất làm lạnh, theo tiêu chuẩn quy định của EPA.
Công nghệ tiên tiến: Máy làm lạnh đảo ngược
Một trong những cải tiến đáng chú ý trong máy bơm nhiệt nguồn không khí được gọi là Máy làm lạnh ngược chu kỳ (RCC). Nó cung cấp những lợi thế của việc cho phép chủ nhà lựa chọn từ nhiều hệ thống phân phối sưởi ấm và làm mát, từ hệ thống sàn rạng rỡ đến hệ thống không khí cưỡng bức với nhiều vùng. Nó cũng cung cấp tiềm năng cho hóa đơn điện mùa đông thấp hơn và không khí nóng hơn từ các lỗ thông hơi cung cấp để thoải mái hơn.
Một RCC đặc biệt kinh tế cho các ngôi nhà hoàn toàn bằng điện hoặc trong các khu vực không có khí đốt tự nhiên. Tùy thuộc vào mức nhiên liệu khác, nó thậm chí có thể là lựa chọn sưởi ấm ít tốn kém nhất trong tất cả các lựa chọn nhiên liệu sưởi ấm còn lại.
Hệ thống này bao gồm 12 SEER tiêu chuẩn, tốc độ đơn, bơm nhiệt nguồn không khí, có kích thước phù hợp với tải nhiệt thay vì tải làm mát mùa hè nhỏ hơn thông thường. Máy bơm nhiệt được kết nối với một bể nước lớn, cách nhiệt mạnh mà bơm nhiệt làm nóng hoặc làm mát, tùy thuộc vào mùa trong năm. Hầu hết các hệ thống sẽ sử dụng một cuộn dây quạt với ống dẫn, sử dụng nước được lưu trữ để làm nóng hoặc làm mát không khí và phân phối nó vào nhà. Trong mùa nóng, nước nóng có thể được phân phối thông qua hệ thống sàn rạng rỡ.
RCC loại bỏ một trong những phàn nàn lớn nhất về máy bơm nhiệt nguồn không khí, đó là việc thổi khí lạnh định kỳ trong chu kỳ rã đông của chúng và trong giai đoạn khởi đầu của chu kỳ sưởi ấm khi ống phân phối nóng lên. Hệ thống RCC giải quyết những vấn đề này bằng cách sử dụng nhiệt được lưu trữ trong bể nước để rã đông các cuộn dây làm mát, thay vì không khí trong phòng.
Hệ thống RCC cũng cho phép bơm nhiệt hoạt động với hiệu suất cao nhất ngay cả ở nhiệt độ thấp. Điều này cung cấp sự thoải mái và kinh tế hơn mà không cần cuộn dây phụ trợ điện trở. Ví dụ, trong một lần lắp đặt ở Michigan, hệ thống RCC đã cung cấp 115 ㆠ nước cho bộ xử lý không khí và hệ thống sàn rạng rỡ mặc dù nhiệt độ ngoài trời âm 15?
Một lợi ích tiết kiệm năng lượng đáng kể khác là RCC có thể được trang bị bộ thu hồi nhiệt làm lạnh (RHR). Điều này tương tự như cuộn dây khử lưu thông thường được tìm thấy trên các máy bơm nhiệt và điều hòa không khí cao cấp (thảo luận dưới đây). Sự khác biệt chính là RHR không chỉ tạo ra nước nóng trong mùa làm mát, mà còn làm nó trong mùa nóng bằng cách sử dụng công suất dư thừa của dàn nóng trong thời tiết mùa đông ôn hòa để tạo ra nước nóng trong nước miễn phí. Vào mùa hè, nó tạo ra nước nóng miễn phí bằng cách thu hồi nhiệt thải từ nhà miễn là hệ thống cũng làm mát tòa nhà.
Hệ thống RCC và RHR kết hợp có giá cao hơn khoảng 25% so với bơm nhiệt tiêu chuẩn có kích thước tương tự. Việc hoàn vốn đơn giản cho chi phí bổ sung ở những khu vực không có khí đốt tự nhiên là trong khoảng 2 hoặc C3 năm.
Công nghệ tiên tiến: Bơm nhiệt khí hậu lạnh
Một công ty đã phát triển Máy bơm nhiệt khí hậu lạnh, có máy nén hai tốc độ, hai xi-lanh để vận hành hiệu quả; một máy nén Booster dự phòng cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả xuống tới 15? và một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gọi là bộ tiết kiệm tiết kiệm năng lượng giúp nâng cao hiệu suất của bơm nhiệt xuống dưới 0? ㆬ theo công ty.
Hệ thống này đã được thử nghiệm thuận lợi bởi một số tiện ích ở Tây Bắc, thông báo rằng bơm nhiệt cho thấy sự cải thiện hiệu suất 60% so với bơm nhiệt nguồn không khí tiêu chuẩn trong thử nghiệm sơ bộ.
Sản phẩm chưa bao giờ được cung cấp cho người tiêu dùng trên quy mô lớn, nhưng có vẻ như việc sản xuất có thể tiếp tục và máy bơm nhiệt sẽ sớm được cung cấp cho người tiêu dùng
Công nghệ tiên tiến: Bơm nhiệt toàn khí hậu
Một công nghệ khác hứa hẹn là Máy bơm nhiệt All Climate, nhà sản xuất cho biết có thể hoạt động trong những ngày lạnh nhất của mùa đông mà không cần nhiệt bổ sung, duy trì nhiệt độ trong nhà thoải mái ngay cả khi nhiệt độ ngoài trời xuống dưới 0. Máy bơm nhiệt có thể giảm chi phí sưởi ấm và làm mát 25%? C60%. Wenatchee Valley College ở Washington đã lắp đặt máy bơm nhiệt và khuôn viên trường và đã thử nghiệm nó từ tháng 10 năm 2006.
Trong khi thiết kế của hầu hết các bơm nhiệt đặt trọng tâm vào việc làm mát, thì Bơm nhiệt All Climate được thiết kế với hệ thống sưởi là trọng tâm chính. Chi phí ban đầu cho All Heat Climate Heat Pump là cao, nhưng nếu nó tiếp tục hoạt động đúng như dự đoán, việc tiết kiệm năng lượng trong suốt vòng đời của hệ thống sẽ nhiều hơn chi phí trả trước. Máy bơm nhiệt All Climate hiện có sẵn để mua hàng của người tiêu dùng.
