Bơm nhiệt không khí: nguyên lý hoạt động, thiết kế, lựa chọn và tính toán

Bạn có muốn lắp đặt hệ thống sưởi đối lưu trong nhà mình, nơi sử dụng máy bơm nhiệt không khí để làm nóng chất làm mát, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sưởi ấm? Đồng ý rằng việc sưởi ấm toàn diện ở một công ty có nước nóng gần như miễn phí là một công việc rất hấp dẫn.

Nhưng bạn không biết làm thế nào để xây dựng một hệ thống như vậy để sưởi ấm các phòng theo cách khác và lấy nước nóng cho nhu cầu sinh hoạt?

Chúng tôi sẽ giúp bạn giải quyết vấn đề này - bài viết đề cập đến nguyên lý hoạt động và thiết kế của máy bơm. Một hệ thống như vậy sẽ chỉ tiêu tốn năng lượng cho hoạt động của máy nén và lượng nhiệt chính sẽ được lấy từ khí quyển từ đường phố mà chúng ta vẫn chưa được yêu cầu trả tiền.

Những ưu điểm của việc triển khai nó vào hệ thống và những nhược điểm đáng kể cũng được xem xét. Đặc biệt chú ý đến việc lựa chọn và tính toán máy bơm.

Và đối với những người thích làm mọi thứ bằng chính đôi tay của mình, chúng tôi khuyên bạn nên tự mình chế tạo một chiếc máy bơm như vậy bằng cách sử dụng các vật liệu có sẵn. Để trợ giúp, chúng tôi cung cấp các tài liệu ảnh và video đề xuất về thiết kế và vận hành máy bơm nhiệt không khí.

Đặc điểm của bơm nhiệt không khí

Bất kỳ máy bơm nhiệt nào cũng thuộc về thiết bị từ quả cầu năng lượng thay thế. Nó lấy năng lượng nhiệt của các khối không khí trên đường phố, từ không gian xung quanh trong nhà, để sưởi ấm các vật thể dân cư và phi dân cư bằng nó.

Nó không sử dụng bất kỳ nhiên liệu dễ cháy nào.

Bơm nhiệt bên ngoài (TN) air-to-air tương tự như máy điều hòa không khí biến tần, Hệ thống phân chia từ khối bên ngoài và bên trong.

Và theo nguyên lý hoạt động, nó gợi nhớ đến một chiếc tủ lạnh nhiều hơn, chỉ có điều nó hoạt động “ngược lại”. Nhưng không giống như cả hai, máy bơm nhiệt này có khả năng vừa làm mát vừa sưởi ấm khối không khí trong nhà.

Máy bơm nhiệt lấy năng lượng nhiệt cấp thấp từ không khí ngoài trời và làm nóng không khí trong phòng bằng nó đến nhiệt độ dễ chịu

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc bên trong

Hoạt động của HP không khí dựa trên một hiện tượng vật lý đơn giản của nhiệt động lực học - khi chất lỏng bay hơi, nó làm mát bề mặt mà nó bị phân tán. Ví dụ, xông hơi trên một cốc trà nóng cũng có tác dụng tương tự.

Một chiếc tủ lạnh thông thường hoạt động theo nguyên tắc này. Bên trong nó là những ống mà chất làm lạnh lưu thông dưới áp suất cao. Nó lấy nhiệt từ bên trong tủ đông, trở nên ấm hơn một chút.

Sau đó, nhiệt thu được sẽ được thải vào không khí trong phòng thông qua bộ trao đổi nhiệt (lưới tản nhiệt ở phía sau tủ lạnh).

Vào mùa đông, máy bơm nhiệt không khí làm nóng không khí trong phòng và vào mùa hè, nó có thể làm mát không khí

Và để chất làm lạnh nguội đến nhiệt độ vận hành, nó được nén trong máy nén. Hơn nữa, trong chu kỳ hoạt động freon bên trong hệ thống máy nén-bình ngưng-thiết bị bay hơi liên tục chuyển từ thể khí sang thể lỏng và ngược lại.

Máy bơm nhiệt nguồn không khí hoạt động theo cách tương tự. Chỉ có điều nó lấy nhiệt từ đường phố chứ không phải từ tủ đông kín. Ngay cả khi bên ngoài trời băng giá, vẫn có rất nhiều năng lượng nhiệt trong khí quyển.

Để tạo ra nhiệt, bơm nhiệt chỉ cần năng lượng tiêu hao để vận hành máy nén. Sơ đồ thể hiện chi tiết quá trình truyền nhiệt

Một máy bơm nhiệt không khí bao gồm các bộ phận sau:

• máy nén;
• thiết bị bay hơi có quạt gió cưỡng bức;
• van giãn nở;
• ống đồng để bơm freon giữa đường phố và nhà;
• bình ngưng có quạt cung cấp không khí nóng cho phòng.

Ba phần tử đầu tiên tạo nên bộ phận bên ngoài và phần tử cuối cùng thuộc về bộ phận bên trong của bơm nhiệt. Các ống đồng cách nhiệt được thiết kế để chất làm mát di chuyển liên tục giữa các mô-đun hệ thống phân chia này.

Chuyển động của freon trong bơm nhiệt diễn ra theo một vòng luẩn quẩn, do đó nó liên tục co lại và giãn ra

Thuật toán vận hành của máy bơm nhiệt không khí như sau:

1. Không khí ngoài trời được quạt hút vào dàn nóng và được đẩy qua các cánh tản nhiệt của thiết bị bay hơi bên ngoài. Freon lưu thông qua bộ trao đổi nhiệt sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt có sẵn trong nó, đồng thời chuyển sang trạng thái khí.
2. Khí sau đó đi vào bình ngưng, nơi nó được nén. Và sau đó nó được bơm qua ống đồng tới dàn lạnh.
3. Trong một thiết bị ngưng tụ trong nhà, khí chuyển thành chất lỏng, truyền nhiệt cho không khí trong nhà.
4. Sau đó, áp suất dư thừa được giải phóng qua van giãn nở và freon lỏng lại được đưa đến thiết bị bay hơi chính.

Nhiệt độ của freon đi vào dàn nóng luôn thấp hơn nhiệt độ môi trường. Vì vậy, nó luôn lấy nhiệt từ khí quyển.

Nhưng mức độ “làm mát” của chất làm mát trong hệ thống không đổi và nhiệt độ bên ngoài liên tục dao động.Vì lý do này, trong những đợt sương giá nghiêm trọng, TN mất đi hiệu quả.

Chu trình chuyển động của chất làm mát của bơm nhiệt không khí: 1. nó được nén bởi máy nén, 2. nó ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt, tỏa nhiệt, 3. nó đi vào bộ trao đổi nhiệt bên ngoài ở dạng của một chất lỏng, 4. nó bay hơi ở đó, thu năng lượng nhiệt của môi trường bên ngoài trong quá trình bay hơi, 5 . trở lại tụ điện

Để tăng công suất của bơm nhiệt, bề mặt của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi được làm lớn nhất có thể. Và để hoạt động không bị gián đoạn trong mùa đông, bộ trao đổi nhiệt bên ngoài được trang bị hệ thống rã đông riêng.

Ưu và nhược điểm của máy bơm nhiệt không khí

Mỗi hệ thống kỹ thuật phức tạp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tài liệu quảng cáo là một chuyện nhưng trên thực tế, chủ sở hữu máy bơm nhiệt có nguy cơ gặp phải một số vấn đề nhất định.

Các thiết bị sưởi ấm/làm mát không khí có lợi vì một số lý do.

Những ưu điểm chính bao gồm:

• Tính linh hoạt. Hệ thống cho phép bạn sưởi ấm và làm mát các phòng tùy thuộc vào mục đích của căn phòng, nhu cầu và mùa khí hậu.
• Thân thiện với môi trường. Chúng giúp ngăn chặn hoàn toàn việc đốt khí đốt tự nhiên, than đá, củi, v.v. gây ô nhiễm môi trường tự nhiên bằng các sản phẩm đốt cháy.
• Dễ dàng để cài đặt. Việc lắp ráp một hệ thống từ các bộ phận do nhà máy sản xuất không khó. Bạn có thể tự chế tạo một máy bơm nhiệt bằng vật liệu có sẵn.
• An toàn cháy nổ. Quá trình sinh nhiệt không liên quan đến việc sử dụng nhiên liệu. Ngay cả sự gián đoạn trong hoạt động lắp đặt cũng sẽ không dẫn đến hỏa hoạn.
• Tiết kiệm. Chúng hấp dẫn do hệ số truyền nhiệt cao với chi phí tối thiểu (đối với 1 kW điện tiêu thụ, chúng tạo ra 4–5 kW nhiệt). Ngoài ra, họ còn tự trả tiền một cách nhanh chóng.
• Khả năng chi trả. Chi phí của hệ thống do nhà máy sản xuất cho phép hầu hết mọi người mua máy bơm nhiệt. Việc cài đặt tự thực hiện sẽ gần như miễn phí.
• Dễ sử dụng. Thiết bị phức tạp nhất về mặt kỹ thuật trong hệ thống là máy nén, việc bảo trì rất khó khăn. Với tải trọng điển hình của máy bơm nhiệt, máy nén hiếm khi bị hỏng hóc trước thời gian mà nhà sản xuất đã hứa.

Tổ chức sưởi ấm trong một phòng là đủ cài đặt một hệ thống phân chia, treo một mô-đun bên ngoài trên mặt tiền và một bộ đối lưu trên tường bên trong. Để sưởi ấm nhiều phòng, bạn sẽ phải lắp đặt các kênh phân phối không khí nóng.

Đối với mỗi kilowatt điện tiêu thụ, bơm nhiệt tạo ra tới 5 kilowatt năng lượng nhiệt

Tất cả việc điều khiển bơm nhiệt không khí được thực hiện bằng tự động hóa tích hợp. Bạn sẽ không phải đặc biệt chú ý đến hoạt động và cấu hình của hệ thống này. Bạn chỉ cần thường xuyên vệ sinh bộ lọc không khí và thỉnh thoảng thay chúng.

Trong số các khía cạnh tiêu cực của máy bơm nhiệt là:

• mặc dù không đáng kể nhưng vẫn có tiếng ồn xung quanh;
• sự phụ thuộc trực tiếp của hiệu suất hệ thống vào nhiệt độ bên ngoài;
• tăng mức tiêu thụ điện khi trời trở lạnh;
• bụi liên tục lơ lửng trong không khí do quạt hoạt động liên tục và đối lưu không khí trong phòng;
• sự phụ thuộc vào nguồn điện (để hoạt động liên tục sẽ cần có máy phát điện).

Ở nhiệt độ bên ngoài xuống tới -10°C, mọi thứ đều hoạt động hoàn hảo, lượng nhiệt lấy từ ngoài đường khá đủ để tạo điều kiện thoải mái trong nhà. Nhưng khi làm mát thêm, hiệu suất của bơm cắt sẽ giảm.

Nếu ngôi nhà được xây dựng ở khu vực có khí hậu lạnh và sương giá nghiêm trọng vào mùa đông, thì bạn không thể thiếu một lò hơi hoặc lò sưởi bổ sung.

Ở vùng khí hậu ấm áp, máy bơm nhiệt nguồn không khí có thể đáp ứng các nhiệm vụ sưởi ấm của một ngôi nhà riêng mà không gặp vấn đề gì, nhưng trong những đợt sương giá nghiêm trọng, nguồn nhiệt bổ sung sẽ không gây hại gì

Vì bố trí sưởi ấm không khí Những hệ thống như vậy là lý tưởng. Tiêu thụ năng lượng tối thiểu, nỗ lực lắp đặt và các vấn đề bảo trì. Nhưng họ không thể làm nóng nước. Để làm điều này, bạn sẽ phải cài đặt thêm nồi hơi hoặc kết nối với mạng tập trung.

Máy bơm nhiệt không khí là cách tối ưu để sưởi ấm các tòa nhà làm bằng gỗ hoặc SIP. Những tòa nhà như vậy có mức thất thoát nhiệt thấp và khả năng bơm nhiệt không khí để sưởi ấm chúng rất dồi dào.

Vào mùa hè, có thể sử dụng máy bơm nhiệt không khí để làm nóng nước hồ bơi

Sự khác biệt cơ bản so với điều hòa không khí

Bên ngoài, máy bơm nhiệt không khí tương tự như máy điều hòa không khí gia đình. Nhưng nó có những đặc điểm thiết kế và đặc tính kỹ thuật riêng biệt.

Thiết bị đầu tiên được sử dụng làm nguồn sưởi ấm chính, hoạt động quanh năm. Và thứ hai nhằm mục đích làm mát không khí trong cái nóng mùa hè.

Chức năng chính của bơm nhiệt là sưởi ấm. Tuy nhiên, nhiều mẫu còn có khả năng làm mát không khí trong nhà. Nhưng ở chế độ vận hành này, chúng kém hơn đáng kể so với điều hòa về hiệu quả sử dụng năng lượng. Đây là một trường hợp cực đoan của việc sử dụng chúng.

Về hình thức, máy điều hòa và máy sưởi tương tự nhau nhưng có mục đích sử dụng và đặc tính hoạt động hoàn toàn khác nhau

Mặt khác, nhiều điều hòa không khí biến tần có thể làm nóng không khí trong nhà. Nhưng chúng tiêu thụ nhiều điện hơn máy bơm nhiệt. Mỗi thiết bị đều có mục đích riêng.

Việc sử dụng máy bay không đối không HP chủ yếu là sự chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo.

Những hệ thống này có hiệu quả về mặt chi phí, mặc dù số tiền đầu tư ban đầu rất lớn. Việc giảm hóa đơn sưởi ấm sẽ chi trả mọi chi phí ban đầu.

Lựa chọn và tính toán bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt không khí sẽ chỉ có hiệu quả nếu được chọn đúng. Cần phải tính toán trước công suất của nó tùy thuộc vào diện tích của ngôi nhà. Và chỉ sau đó nhìn vào giá của các nhà sản xuất khác nhau.

Các tính toán sử dụng hệ số hiệu quả năng lượng COP (tỷ lệ giữa công suất HP và năng lượng tiêu hao).

Trong “điều kiện nhà kính”, nó thường đạt 4–5 điểm, và các mẫu hiện đại nhất đạt 7–8. Tuy nhiên, khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống -15–20°C, con số này giảm mạnh xuống chỉ còn hai.

Máy bơm nhiệt tạo ra hiệu suất sưởi ấm tối ưu ở nhiệt độ bên ngoài -10...+10 độ C nên chiếm tới ¾ năng lượng nhiệt từ đường phố

Tại tính toán sưởi ấm không khí phải được tính đến:

• cách nhiệt và cách nhiệt của cơ sở;
• diện tích phòng;
• số người sống trong ngôi nhà;
• điều kiện khí hậu chung của khu vực nơi ngôi nhà tọa lạc.

Đối với hầu hết các ngôi nhà, cần khoảng 0,7 kW công suất bơm nhiệt cho mỗi 10 mét vuông. Nhưng mọi thứ ở đây khá tùy tiện. Nếu trần nhà cao hơn 2,7 m hoặc tường và cửa sổ cách nhiệt kém thì sẽ cần nhiều nhiệt hơn.

Có rất nhiều nhà sản xuất máy bơm nhiệt không khí ở cả Châu Á và Châu Âu.

Các hệ thống có đánh giá tốt từ Daikin, lúm đồng tiền, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Vận chuyển, Aertec, Panasonic Và Toshiba. Hầu như tất cả các mẫu xe của họ đều thích nghi với điều kiện vận hành trong nước và đã chứng tỏ bản thân tốt.

Ngay cả khi điện áp tăng vọt, chúng vẫn không bị hỏng và tiếp tục hoạt động bình thường sau khi bật điện.

Giá của máy bơm nhiệt không khí đang chạy dao động từ 90 đến 450 nghìn rúp. Ở đây, rất nhiều thứ không chỉ phụ thuộc vào sức mạnh của thiết bị mà còn phụ thuộc vào chức năng bổ sung và quốc gia sản xuất.

Các mô hình được chọn bổ sung:

• bộ lọc để lọc và khử trùng không khí;
• máy sưởi dự phòng;
• máy phát điện;
• Mô-đun GSM để quản lý hệ thống;
• máy ion hóa và máy ozon hóa.

Thực tiễn cho thấy rằng ở mức sương giá dưới -15 ° C, các phòng chỉ được sưởi ấm bằng máy bơm không khí nhiệt sẽ trở nên mát mẻ. Và không có máy sưởi bổ sung, các phòng thực sự không có mùi thoải mái.

Tuy nhiên, ở các khu vực phía Nam, nơi hiếm khi có sương giá như vậy, HP hoạt động khá hiệu quả và còn hơn cả biện minh cho số tiền chi ra bằng cách tiết kiệm tài nguyên năng lượng.

Tự chế từ tủ lạnh cũ

Việc lắp ráp một máy bơm nhiệt không khí từ các máy nén và bình ngưng riêng lẻ nếu không có kiến ​​thức kỹ thuật chuyên ngành là khá khó khăn. Nhưng đối với một căn phòng nhỏ hoặc nhà kính, bạn có thể sử dụng tủ lạnh cũ.

Máy bơm nhiệt không khí đơn giản nhất có thể được chế tạo từ tủ lạnh bằng cách kéo dài một ống dẫn khí từ ngoài đường vào tủ lạnh và treo quạt trên lưới tản nhiệt phía sau của bộ trao đổi nhiệt

Để làm điều này, bạn cần tạo hai lỗ ở cửa trước của tủ lạnh. Qua ngăn thứ nhất, không khí đường phố sẽ đi vào tủ đông, và qua ngăn thứ hai phía dưới, không khí sẽ được thải trở lại đường phố.

Đồng thời, khi đi qua khoang bên trong, nó sẽ tỏa một phần nhiệt có trong đó cho freon.

Bạn cũng có thể chỉ cần lắp máy làm lạnh vào tường với cửa mở ra bên ngoài và bộ trao đổi nhiệt ở phía sau vào phòng. Nhưng cần lưu ý rằng công suất của lò sưởi như vậy sẽ nhỏ và tiêu tốn nhiều điện.

Không khí trong phòng được làm nóng nhờ bộ trao đổi nhiệt ở phía sau tủ lạnh. Tuy nhiên, một máy bơm nhiệt như vậy chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ bên ngoài không thấp hơn 5 độ C.

Những thiết bị gia dụng này chỉ được thiết kế để sử dụng trong nhà.

Trong một ngôi nhà nhỏ, hệ thống sưởi ấm không khí sẽ phải được bổ sung các ống dẫn khí giúp phân phối không khí ấm đều khắp các phòng

Việc lắp đặt máy bơm nhiệt không khí cực kỳ đơn giản. Cần phải lắp đặt các khối bên ngoài và bên trong, sau đó kết nối chúng với nhau bằng mạch có chất làm mát.

Phần đầu tiên của hệ thống được lắp đặt ngoài trời: trực tiếp trên mặt tiền, mái nhà hoặc cạnh tòa nhà. Cái thứ hai trong nhà có thể được đặt trên trần hoặc tường.

Nên lắp đặt dàn nóng cách lối vào nhà vài mét và cách xa cửa sổ, đừng quên tiếng ồn do quạt tạo ra.

Và cái bên trong được lắp đặt sao cho luồng không khí ấm áp từ nó lan tỏa đều khắp phòng.

Nếu bạn dự định sưởi ấm một ngôi nhà có nhiều phòng ở các tầng khác nhau bằng máy bơm nhiệt không khí, bạn sẽ phải lắp đặt hệ thống ống thông gió cưỡng bức.

Trong trường hợp này, tốt hơn là nên đặt hàng dự án từ một kỹ sư có năng lực, nếu không công suất của lò sưởi có thể không đủ cho tất cả các cơ sở.

Đồng hồ đo điện và thiết bị bảo vệ phải có khả năng chịu được tải cực đại do bơm nhiệt tạo ra. Khi bên ngoài có đợt rét đậm đột ngột, máy nén bắt đầu tiêu thụ điện năng gấp nhiều lần bình thường.

Tốt nhất là đặt một đường cung cấp riêng biệt với bảng phân phối cho máy sưởi không khí như vậy.

Cần chú ý đặc biệt đến việc lắp đặt ống freon. Ngay cả những con chip nhỏ nhất bên trong cũng có thể làm hỏng thiết bị máy nén.

Bạn không thể làm gì nếu không có kỹ năng hàn đồng ở đây. Nói chung, việc nạp lại chất làm lạnh nên được giao cho chuyên gia để tránh các vấn đề rò rỉ chất làm lạnh sau này.

Hướng dẫn từng bước để chế tạo máy bơm nhiệt từ tủ lạnh được mô tả trong bài viết này.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân chia nhiệt không khí:

Máy bơm nhiệt không khí trong hệ thống sưởi ấm của ngôi nhà hai tầng:

Điều hòa biến tần hay bơm nhiệt không khí – cái nào tốt hơn?

Máy bơm nhiệt không khí là thiết bị có hiệu suất cao. Chúng dễ bảo trì, thuận tiện sử dụng và tiết kiệm.

Hiện nay có rất nhiều hệ thống tương tự được bán, bạn có thể chọn lắp đặt hệ thống sưởi cho bất kỳ ngôi nhà nào. Bạn chỉ cần tính toán chính xác sức mạnh của nó thì nó sẽ phục vụ hiệu quả trong nhiều năm.

Bạn nghĩ gì về hiệu quả và tính khả thi của việc sử dụng máy bơm nhiệt không khí? Chia sẻ ý kiến ​​của bạn, để lại phản hồi về việc sử dụng các đơn vị và đặt câu hỏi. Mẫu bình luận nằm ở bên dưới.