Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt ở mức độ nhiệt độ thấp lên mức độ nhiệt độ cao hơn đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt ở dải nhiệt độ thấp (40 ÷ 95oC) như sấy, sưởi ấm, đun nước nóng... Bơm nhiệt và máy lạnh cùng có chung một nguyên lý làm việc theo chu trình nhiệt động ngược chiều. Để duy trì bơm nhiệt hoạt động, cần tiêu tốn cho nó một dòng năng lượng khác. Chúng chỉ khác nhau ở mục đích sử dụng. Gọi là máy lạnh khi sử dụng nguồn lạnh sản ra ở dàn bay hơi, còn gọi là bơm nhiệt khi sử dụng nguồn nóng sản ra ở dàn ngưng tụ. Bơm nhiệt thông dụng nhất hiện nay đó là máy điều hòa 2 chiều nóng lạnh, làm lạnh phòng vào mùa hè và sưởi ấm phòng vào mùa đông. Bơm nhiệt thông dụng thứ 2 hiện nay chính là bơm nhiệt đun nước nóng.

Các chuyên gia Nhật đánh giá, có thể tiết kiệm trên 50% năng lượng sơ cấp và giảm được đến 70% phát thải khí nhà kính trong khu vực gia đình nếu sử dụng bơm nhiệt thay cho các lò sưởi, bình nóng lạnh... truyền thống chạy bằng gas, dầu, điện.

Hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng (Hình 1) gồm bốn thành phần chính là dàn bay hơi, máy nén, dàn ngưng tụ và van tiết lưu; hoạt động dựa trên đặc tính riêng của môi chất, cùng sự luân chuyển môi chất liên tục theo một vòng tuần hoàn kín bao gồm bốc hơi  – nén – ngưng tụ  – tiết lưu – bay hơi, bơm nhiệt có thể thu nhiệt của môi trường (không khí hoặc nước) ở dàn bốc hoi để đun nước ở dàn ngưng; đến khi đạt được nhiệt độ yêu cầu nước sẽ được đưa đến bình bảo ôn hoặc được dẫn truyền đến phụ tải cần sử dụng nước nóng.

Thân thiện môi trường và được coi là môi chất lạnh có ODP (Tiềm năng suy giảm tầng ôzôn) bằng 0 và GWP (Tiềm năng gây nóng toàn cầu) bằng 1.
Nhiệt độ nước tối đa đạt được tới 95˚C chứa trong các bể chứa lắp kèm và đáp ứng các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ cao như máy rửa bát;
Nhiều mô hình tăng nhiệt độ từ nhiệt độ nước cấp lên nhiệt độ cao chỉ với một mô hình vận hành đơn giản (một số kiểu máy cũng hỗ trợ sưởi ấm tuần hoàn).

HFC là môi chất lạnh quá độ, sẽ bị loại bỏ vì tuy ODP = 0 nhưng GWP khá cao.
Nhiệt độ nước tối đa đạt được tới 70°C;
Vận hành với độ tin cậy cao, chi phí tương đối thấp vì nhiều bộ phận giống với các thiết bị bơm nhiệt khác, chẳng hạn như máy điều hòa không khí, dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa.

Ứng dụng Bơm nhiệt có thể tiết kiệm đến 75% điện năng so với bình nóng lạnh đun điện do thu được khoảng 3/4 nhiệt từ môi trường, có chi phí vận hành hàng năm thấp hơn nhiều so với việc sử dụng điện, gas hay dầu để sản xuất nước nóng.

 

                                    Hình 1. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt - heat pump

Thiết bị bơm nhiệt có thể ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, tòa nhà thương mại, nhà hàng, khách sạn, bệnh viện, công nghệ thực phẩm… giúp giảm tối đa năng lượng tiêu thụ.

Với các tính năng ưu việt như tiết kiệm điện năng, thân thiện với môi trường, an toàn cho người sử dụng, độ bền cao; dễ dàng trong việc lắp đặt, sửa chữa, bảo dưỡng; vận hành ổn định với thời tiết, môi trường khác nhau; Bơm nhiệt được khuyến khích sử dụng trong các lĩnh vực thương mại và công nghiệp, có thể cạnh tranh với các thiết bị sử dụng điện hoặc gas để đun nước nóng.

Theo công bố của Energy Star và được Jonathan Trout dẫn lại trong một bài viết công bố trên consumeraffairs.com cho thấy, nếu mọi hộ gia đình ở Hoa Kỳ sử dụng bơm nhiệt đun nước nóng dưới 250 lít (55 gallon), tiết kiệm chi phí năng lượng sẽ lên tới 8.2 tỷ đô la mỗi năm. Một máy nước nóng bơm nhiệt có thể tiết kiệm cho gia đình bốn người khoảng 330 đô la một năm trên hóa đơn tiền điện. Điều đó làm tăng thêm khoản tiết kiệm khoảng 3.400 đô la trong suốt vòng đời của một máy nước nóng bơm nhiệt thông thường. Nếu gia đình càng lớn, càng nhanh chóng thấy được lợi tức đầu tư.

Tại Nhật Bản, bơm nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà thương mại, đặc biệt là trong các bệnh viện, khách sạn, và thậm chí trở nên phổ biến ngay với cả hộ gia đình. Các thử nghiệm của các công ty Mayekawa, Misubishi, Daikin, Nippon… cho thấy, Bơm nhiệt có hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và có nhiều ưu điểm so với các thiết bị cấp nước nóng thông thường. Thiết bị này đang dần thay thế nồi hơi và các thiết bị nước nóng truyền thống khác.

Với hiệu suất cao hơn so với lò hơi truyền thống, bơm nhiệt có thể được sử dụng để tích trữ nước nóng trong bể chứa, tạm dừng hệ thống vào giờ cao điểm và vận hành vào giờ thấp điểm có giá điện rẻ hơn, giúp cân bằng biểu đồ phụ tải và giảm chi phí vận hành hệ thống điện.

Có rất nhiều loại máy bơm nhiệt khác nhau, từ các mẫu nhỏ gọn dùng trong dân dụng đến các mẫu thương mại lớn hơn cho bể bơi và spa. Về nhiệt độ làm việc, một số máy bơm nhiệt có thể tạo ra nước nóng 90OC, thậm chí từ nguồn nhiệt môi trường xung quanh ở mức -25OC. Cũng có thể sử dụng hệ thống cấp nước nóng hỗn hợp kết hợp máy bơm nhiệt với lò hơi truyền thống.

Một bệnh viện ở tỉnh Ishikawa, có diện tích 11.665 m2, 199 giường (Hình 2), hoạt động từ năm 1970, đã lắp đặt các máy bơm nhiệt EcoCute thương mại có tổng công suất 240 kW (30kW × 8 máy) và bể chứa 32m3 để thay thế các nồi hơi đốt dầu với mục đích giảm chi phí vận hành. Kết quả của việc thay thế này là tiêu thụ năng lượng sơ cấp đã giảm khoảng 31%.

  Hình 2. Lắp  đặt các máy bơm nhiệt EcoCute thương mại tại một bệnh viện

Bơm nhiệt công nghiệp được xác định là một trong những biện pháp tiết kiệm năng lượng quan trọng được xác định trong Triển vọng cung cấp và nhu cầu năng lượng dài hạn của Nhật Bản, chiếm 8% tổng mức giảm năng lượng của ngành công nghiệp ở Nhật Bản. Như đã đề cập ở trên, tiềm năng giảm phát thải CO2 là lớn nhất trong lĩnh vực gia nhiệt công nghiệp.

Máy bơm nhiệt nhiệt độ cao có thể cung cấp nước nóng lên đến 120oC đã được phát triển và cho phép hệ thống máy bơm nhiệt phi tập trung thay thế các hệ thống nồi hơi tập trung thông thường. Năng lượng tiết kiệm đáng kể đạt được không chỉ nhờ bản chất tiết kiệm năng lượng của máy bơm nhiệt mà còn bằng cách giảm thất thoát nhiệt trên đường ống do hệ thống phân tán mang lại.

Nhiệt thải không thể sử dụng ở nhiệt độ vài chục độ có thể được sử dụng như một nguồn nhiệt hữu hiệu.
Trong trường hợp có sự chênh lệch thời gian giữa quá trình sinh nhiệt thải và nhu cầu nhiệt, có thể sử dụng nhiệt thải từ hệ thống các bể chứa nước nóng.

Bơm nhiệt cung cấp đồng thời nước nóng và lạnh [hiệu quả cho việc làm mát và sưởi ấm]:

Công nghệ bơm nhiệt có thể được sử dụng để cung cấp đồng thời nhiệt năng nóng và lạnh.
Trong trường hợp có cả nhu cầu sưởi ấm và làm mát (ví dụ: nhà máy chế biến thực phẩm), việc cung cấp đồng thời nước nóng và lạnh giúp giảm năng lượng đáng kể với hiệu suất năng lượng gấp đôi so với ứng dụng bơm nhiệt một phía thông thường, vì hiệu quả năng lượng được coi như tăng gấp đôi.

(Hình 3 và 4 giới thiệu các ứng dụng của Bơm nhiệt trong công nghiệp tại Nhật Bản)

 

 Hình 3. Hai ứng dụng chính của máy bơm nhiệt công nghiệp (HPTCJ)           

               

 

Hình 4. Cung cấp đồng thời nước nóng và nước lạnh tại nhà máy sản xuất mì (HPTCJ)

Chương trình “Trợ cấp để khuyến khích lắp đặt máy bơm nhiệt hiệu suất cao trong các lĩnh vực thương mại và công nghiệp” được Nhật Bản công bố vào ngày 15/12/2020, trong đó các máy bơm nhiệt có hiệu suất nhất định góp phần tiết kiệm năng lượng trong các nhà máy, cung cấp nước nóng và các tiện nghi khác sẽ được trợ giá. Đây sẽ là khoản trợ cấp đầu tiên của Nhật Bản áp dụng cho các máy bơm nhiệt công nghiệp.

Hiện nay, chưa có thống kê chính thức về số lượng Bơm nhiệt được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng trong những năm gần đây việc sử dụng máy Bơm nhiệt để cung cấp nước nóng thay thế cho những thiết bị như: bình nóng lạnh, máy nước nóng năng lượng mặt trời trong các khách sạn, tòa nhà thương mại và hộ gia đinh tại Việt Nam đang trở thành một xu hướng mới mang lại rất nhiều tiện ích và được rất nhiều người tiêu dùng tin tưởng và quan tâm.

Trên thị trường, Bơm nhiệt đang được quảng bá và cung cấp bởi nhiều công ty, đơn vị cung cấp dịch vụ trong nước và nước ngoài. Số lượng đơn vị cung cấp thiết bị Bơm nhiệt và các dịch vụ lắp đặt Bơm nhiệt đang có xu hướng tăng lên, phân bố chủ yếu ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.

Thị trường Bơm nhiệt ở Việt Nam cũng rất đa dạng về chủng loại, xuất xứ khác nhau, bao gồm cả nhập khẩu và chế tạo trong nước, các thương hiệu chủ yếu đang được giới thiệu tại thị trường Việt Nam như: Jiko, Dainyo, Mitsubishi (Nhật Bản), Green Heat (Mỹ), Accent (Úc); các thương hiệu có xuất sứ tại Việt Nam như: SEAMAX, Megasun,  Heat Pump MIMICO…

          

 

Hình 5. Một số loại Bơm nhiệt được giới thiệu tại thị trường Việt Nam

Theo đánh giá của các chuyên gia, sản phẩm Bơm nhiệt còn khá mới lạ ở thị trường Việt Nam nên gây ra khá nhiều khó khăn cho người tiêu dùng khi có nhu cầu sử dụng. Ngoài sự hướng dẫn của các nhà cung cấp Bơm nhiệt về kỹ thuật sử dụng, chính sách bảo trì bảo dưỡng và giá cả đối với người tiêu dùng khi có nhu cầu lắp đặt, chưa có sự vào cuộc thật sự của cơ quan Quản lý chất lượng đối với sản phẩm đặc thù này.

Việt Nam với khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền Bắc có mùa đông lạnh nên nhu cầu sưởi ấm và dùng nước nóng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp là rất lớn. Bơm nhiệt với những đặc tính ưu việt nêu trên cần được khuyến khich sử dụng, các cơ quan quản lý Nhà nước về chất lượng sản phẩm cần sớm vào cuộc để đánh giá, phân tích hiệu quả của thiết bị bơm nhiệt làm cơ sở cho việc xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật chi tiết về sử dụng bơm nhiệt trong các công trình xây dựng và công nghiệp./.

Hội KHCN sử dụng năng lượng TK&HQ Việt Nam