Khi thiết kế hệ thống bơm nhiệt không khí-nước, một trong những quyết định quan trọng nhất là cách bơm nhiệt được kết nối thủy lực với các bộ phận sưởi ấm và làm mát của tòa nhà.
Đối với các lắp đặt tương đối đơn giản, một hệ thống thủy lực chính hoặc trực tiếp có thể là đủ. Tuy nhiên, khi một dự án bao gồm nhiều loại bộ phận đầu cuối — chẳng hạn như hệ thống sưởi sàn, bộ tản nhiệt và bộ quạt — các yêu cầu thủy lực trở nên phức tạp hơn nhiều.
Đây là nơi một hệ thống thủy lực phụ trợ, thường sử dụng bình tích nhiệt và hai bơm tuần hoàn, trở nên đặc biệt hữu ích.
Nhưng liệu mọi hệ thống bơm nhiệt có cần hệ thống phụ trợ không?
Không nhất thiết.
Hệ thống thủy lực phụ trợ mang lại sự ổn định thủy lực tốt hơn, linh hoạt hơn và cải thiện điều kiện hoạt động của bơm nhiệt. Đồng thời, nó làm tăng chi phí hệ thống, tiêu thụ năng lượng bơm, độ phức tạp lắp đặt và có thể làm tăng tổn thất nhiệt.
Hiểu rõ những đánh đổi này là điều cần thiết để thiết kế một hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí hiệu quả.
Một hệ thống thủy lực phụ trợ điển hình chia mạch nước thành hai vòng thủy lực.
Vòng đầu tiên là mạch chính của bơm nhiệt:
Bơm nhiệt → Bình tích nhiệt → Bơm nhiệt
Vòng thứ hai là mạch tải của tòa nhà:
Bình tích nhiệt → Bơm tuần hoàn → Bộ phận sưởi/làm mát → Bình tích nhiệt
Do đó, bình tích nhiệt đóng vai trò là điểm kết nối chung giữa nguồn nhiệt và tải của tòa nhà.
Không giống như hệ thống trực tiếp, bơm tuần hoàn của bơm nhiệt không nhất thiết phải cung cấp toàn bộ lưu lượng nước mà hệ thống phân phối của tòa nhà yêu cầu.
Đây là một trong những khác biệt quan trọng nhất giữa thiết kế thủy lực chính và phụ trợ.
Bơm nhiệt và các bộ phận đầu cuối của tòa nhà không phải lúc nào cũng yêu cầu cùng một lưu lượng nước.
Hãy xem xét một tòa nhà được trang bị:
Bộ tản nhiệt
Bộ quạt
Hệ thống sưởi sàn
Mỗi bộ phận đầu cuối có thể hoạt động với nhiệt độ nước, chênh lệch nhiệt độ (ΔT), tốc độ dòng chảy, van điều khiển và lịch trình hoạt động khác nhau.
Ví dụ, các điều kiện thiết kế điển hình có thể trông như sau:
| Bộ phận đầu cuối | Nhiệt độ nước cấp điển hình | ΔT điển hình |
|---|---|---|
| Bộ tản nhiệt | 45–60°C hoặc cao hơn tùy thuộc vào thiết kế | 10–20 K |
| Hệ thống sưởi sàn | 30–45°C | 5–10 K |
| Bộ quạt | Phụ thuộc vào chế độ sưởi/làm mát | Khoảng 5 K |
Các số liệu này là tài liệu tham khảo thiết kế chứ không phải quy tắc phổ quát; giá trị thực tế luôn phải tuân theo lựa chọn bộ phận đầu cuối và tính toán tải nhiệt của dự án.
Vấn đề kỹ thuật cốt lõi rất đơn giản:
Lưu lượng mà bơm nhiệt yêu cầu có thể không bằng lưu lượng mà hệ thống bộ phận đầu cuối yêu cầu.
Mạch thủy lực phụ trợ giúp tách biệt hai yêu cầu thủy lực này.
Bơm nhiệt thường yêu cầu lưu lượng nước tối thiểu qua bộ trao đổi nhiệt.
Tuy nhiên, trong hệ thống trực tiếp, bộ điều nhiệt phòng, van khu vực, van tản nhiệt điều nhiệt hoặc van điều khiển bộ quạt có thể liên tục thay đổi lưu lượng hệ thống.
Hãy tưởng tượng một ngôi nhà có tám khu vực sưởi ấm.
Khi cả tám khu vực đều mở, lưu lượng nước có thể đủ.
Nhưng khi sáu khu vực đạt đến nhiệt độ cài đặt và đóng van, chỉ còn hai khu vực hoạt động.
Điện trở hệ thống thay đổi đáng kể và lưu lượng qua bơm nhiệt có thể giảm xuống dưới phạm vi hoạt động khuyến nghị.
Điều này có thể dẫn đến các vấn đề như:
Cảnh báo lưu lượng nước không đủ
Chênh lệch nhiệt độ cấp/trả quá mức
Áp suất ngưng tụ cao
Giảm công suất sưởi ấm
Hoạt động máy nén không ổn định
Chu kỳ hoạt động thường xuyên
Hệ thống phụ trợ giảm thiểu sự tương tác này vì bơm nhiệt có mạch tuần hoàn riêng của nó.
Bơm nhiệt nhìn thấy một môi trường thủy lực có thể dự đoán được hơn ngay cả khi lưu lượng phía tòa nhà thay đổi.
Đối với bơm nhiệt biến tần, điều này có thể đặc biệt có giá trị vì điều kiện nước ổn định giúp chiến lược điều chỉnh máy nén hoạt động hiệu quả hơn.
Một hệ thống sưởi thủy lực hiện đại có thể chứa nhiều loại bộ phận đầu cuối khác nhau.
Ví dụ:
Bơm nhiệt → Bình tích nhiệt → Bộ tản nhiệt + Bộ quạt + Hệ thống sưởi sàn
Các bộ phận đầu cuối này hiếm khi yêu cầu cùng một lưu lượng và nhiệt độ nước.
Hệ thống sưởi sàn thường hoạt động ở nhiệt độ nước tương đối thấp, trong khi bộ tản nhiệt truyền thống có thể yêu cầu nhiệt độ cao hơn đáng kể. Bộ quạt có thể hoạt động ở cả chế độ sưởi ấm và làm mát và thường sử dụng ΔT phía nước tương đối nhỏ.
Hệ thống phụ trợ giúp dễ dàng tạo ra các nhánh phân phối riêng biệt bằng cách sử dụng:
Bơm tuần hoàn độc lập
Van trộn
Van khu vực
Bộ chia
Bộ điều khiển nhiệt độ
Điều khiển chênh lệch áp suất
Điều này mang lại sự linh hoạt thiết kế lớn hơn đáng kể.
Một trong những thành phần quan trọng nhất trong nhiều hệ thống bơm nhiệt phụ trợ là bình tích nhiệt.
Nước có dung lượng lưu trữ nhiệt đáng kể.
Do đó, bình tích nhiệt làm tăng tổng thể tích nước của hệ thống thủy lực và bổ sung quán tính nhiệt.
Năng lượng nhiệt được lưu trữ có thể được ước tính bằng:
Q = m × Cp × ΔT
Trong đó:
Q = năng lượng nhiệt được lưu trữ
m = khối lượng nước
Cp = nhiệt dung riêng của nước
ΔT = chênh lệch nhiệt độ có thể sử dụng
Đối với các tính toán HVAC thực tế:
1 lít nước lưu trữ khoảng 1,16 Wh cho mỗi 1°C thay đổi nhiệt độ.
Do đó, một bình tích nhiệt 200 L hoạt động trong phạm vi nhiệt độ có thể sử dụng 5 K lưu trữ khoảng:
200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh
Điều này không có nghĩa là bình tích nhiệt là nguồn năng lượng.
Nó chỉ đơn giản là lưu trữ năng lượng tạm thời và giải phóng nó sau.
Sự phân biệt đó là quan trọng.
Chu kỳ hoạt động ngắn xảy ra khi bơm nhiệt khởi động, nhanh chóng đạt đến mục tiêu nhiệt độ, dừng lại và sau đó khởi động lại ngay sau đó.
Điều này thường xảy ra khi:
Công suất tối thiểu của bơm nhiệt > Nhu cầu nhiệt hiện tại của tòa nhà
Ví dụ, giả sử một bơm nhiệt biến tần có thể điều chỉnh xuống còn 5 kW, nhưng tòa nhà hiện chỉ yêu cầu 2 kW.
Nếu không có đủ thể tích nước hệ thống, nhiệt độ nước cấp có thể tăng nhanh.
Bộ điều khiển đạt đến nhiệt độ mục tiêu và dừng máy nén.
Tòa nhà tiếp tục rút nhiệt, nhiệt độ nước giảm và máy nén khởi động lại.
Kết quả có thể là:
Khởi động → Dừng → Khởi động → Dừng → Khởi động
Chu kỳ máy nén lặp đi lặp lại có thể:
Giảm hiệu suất theo mùa
Tăng tiêu thụ điện
Tăng số lần khởi động máy nén
Tăng hao mòn linh kiện
Gây ra nhiệt độ trong nhà không ổn định
Thể tích nước bổ sung từ bình tích nhiệt có kích thước phù hợp làm chậm sự thay đổi nhiệt độ nước.
Thay vì:
45°C → 50°C rất nhanh
hệ thống có thể mất nhiều thời gian hơn đáng kể để đạt đến giới hạn điều khiển.
Điều này cho phép bơm nhiệt có chu kỳ hoạt động dài hơn.
Các tòa nhà hiếm khi hoạt động ở 100% nhu cầu sưởi ấm liên tục.
Ví dụ, vào mùa xuân và mùa thu, chỉ một phần của tòa nhà có thể cần sưởi ấm.
Một số phòng có thể đạt đến nhiệt độ cài đặt trong khi những phòng khác vẫn cần nhiệt.
Điều này tạo ra điều kiện lưu lượng thay đổi.
Mạch phụ trợ cho phép bơm phía tòa nhà phản ứng với nhu cầu thay đổi này trong khi mạch phía bơm nhiệt duy trì lưu lượng mà bơm nhiệt yêu cầu.
Sự tách biệt thủy lực này có thể làm cho toàn bộ hệ thống dễ điều khiển hơn.
Hệ thống phụ trợ trở nên đặc biệt hữu ích khi dự án chứa:
Bơm nhiệt + Bình tích nhiệt + Nhiều khu vực sưởi ấm + Bộ quạt + Bộ tản nhiệt + Hệ thống sưởi sàn
Chúng cũng hữu ích cho:
Các tòa nhà dân cư lớn
Khách sạn
Các tòa nhà thương mại
Trường học
Biệt thự có nhiều khu vực sưởi ấm
Các dự án cải tạo
Hệ thống tản nhiệt/sưởi sàn kết hợp
Hệ thống sưởi và làm mát với nhiều loại bộ phận đầu cuối
Trong các dự án này, độ phức tạp thủy lực bổ sung thường được biện minh bởi khả năng kiểm soát được cải thiện.
Hệ thống phụ trợ không tự động hiệu quả hơn.
Đây là một điểm quan trọng.
Nhiều thành phần hơn có thể giải quyết các vấn đề thủy lực, nhưng mỗi thành phần bổ sung cũng mang lại chi phí và tổn thất năng lượng tiềm ẩn.
Một hệ thống trực tiếp điển hình có thể hoạt động với một bơm tuần hoàn chính.
Một hệ thống phụ trợ thường yêu cầu ít nhất hai:
Bơm 1: Bơm nhiệt ↔ Bình tích nhiệt
Bơm 2: Bình tích nhiệt ↔ Bộ phận đầu cuối tòa nhà
Các khu vực sưởi ấm bổ sung có thể yêu cầu nhiều bơm hơn nữa.
Mỗi bơm tuần hoàn tiêu thụ điện.
Do đó:
Hệ thống phụ trợ có thể cải thiện sự ổn định hoạt động của bơm nhiệt đồng thời tăng tiêu thụ điện phụ trợ.
Do đó, hệ thống nên được đánh giá dựa trên tổng mức tiêu thụ năng lượng theo mùa — không chỉ riêng COP của bơm nhiệt.
Bơm tuần hoàn hiệu suất cao ECM với điều khiển tốc độ biến đổi thường được ưu tiên.
So với kết nối trực tiếp đơn giản, hệ thống phụ trợ có thể yêu cầu:
Thường là hai hoặc nhiều hơn
Bơm tuần hoàn bổ sung
Nhiều đường ống hơn
Nhiều van cách ly hơn
Van một chiều
Cảm biến
Phụ kiện giãn nở
Van trộn
Bộ điều khiển bổ sung
Nhiều nhân công lắp đặt hơn
Điều này làm tăng chi phí dự án ban đầu.
Đối với một lắp đặt dân dụng nhỏ với một mạch sưởi sàn đơn giản, độ phức tạp bổ sung có thể không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích đủ lớn.
Tuy nhiên, đối với một dự án đa khu vực lớn, chi phí bổ sung có thể được biện minh.
Bình tích nhiệt không được cách nhiệt hoàn hảo.
Cũng không phải các đường ống, van và phụ kiện bổ sung cần thiết cho mạch phụ trợ.
Do đó, nhiệt có thể bị mất từ:
Thành bình tích nhiệt
Đường ống phân phối
Van và phụ kiện
Thân bơm
Phòng kỹ thuật
Cách nhiệt tốt có thể giảm thiểu những tổn thất này, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn.
Điều này đặc biệt quan trọng khi bình tích nhiệt được lắp đặt trong không gian không được điều hòa.
Thêm bình tích nhiệt không tự động tạo ra một hệ thống tốt.
Một vấn đề phổ biến xảy ra khi tốc độ dòng chảy chính và phụ trợ không cân bằng.
Đặt:
Vp = lưu lượng bơm nhiệt chính
Vs = lưu lượng tòa nhà phụ trợ
Nếu:
Vp > Vs
một số nước cấp nóng có thể quay trở lại trực tiếp qua bình tích nhiệt về phía bơm nhiệt.
Nếu:
Vs > Vp
một số nước hồi lạnh hơn có thể trộn vào nguồn cấp phụ trợ.
Hiện tượng này đôi khi được gọi là trộn thủy lực.
Trộn quá mức có thể làm thay đổi nhiệt độ nước được cung cấp cho các bộ phận đầu cuối và có thể buộc bơm nhiệt hoạt động ở nhiệt độ nước ra cao hơn.
Vì hiệu quả bơm nhiệt thường giảm khi nhiệt độ nước yêu cầu tăng lên, thiết kế thủy lực kém có thể làm giảm COP.
Hệ thống trực tiếp tương đối đơn giản.
Bơm nhiệt giám sát nhiệt độ nước và điều khiển một mạch thủy lực chính.
Hệ thống phụ trợ có thể liên quan đến:
Bộ điều khiển bơm nhiệt
Bơm tuần hoàn chính
Bơm tuần hoàn phụ trợ
Cảm biến bình tích nhiệt
Bộ điều nhiệt phòng
Van khu vực
Van trộn
Bù thời tiết
Bộ điều khiển bộ quạt
Bộ điều khiển hệ thống sưởi sàn
Các thành phần này phải hoạt động cùng nhau một cách chính xác.
Logic điều khiển kém có thể tạo ra các tình huống mà bơm chạy không cần thiết hoặc bơm nhiệt hoạt động khi có ít nhu cầu sưởi ấm thực tế.
Do đó, chiến lược điều khiển quan trọng không kém gì thiết kế thủy lực
14. Bình tích nhiệt có luôn cần thiết cho bơm nhiệt không?
Không.
Đây là một trong những quan niệm sai lầm phổ biến nhất trong thiết kế bơm nhiệt không khí-nước.
Bình tích nhiệt nên giải quyết một vấn đề kỹ thuật cụ thể.
Nó có thể hữu ích khi:
Thể tích nước hệ thống không đủ
Nhiều khu vực sưởi ấm thường xuyên đóng và mở
Lưu lượng tối thiểu của bơm nhiệt không thể được đảm bảo bằng cách khác
Công suất tối thiểu của bơm nhiệt vượt quá nhu cầu tải một phần thường xuyên
Nhiều loại bộ phận đầu cuối yêu cầu tách biệt thủy lực
Hoạt động xả băng yêu cầu thể tích nước có sẵn đầy đủ
Yêu cầu lưu lượng chính và phụ trợ khác biệt đáng kể
15. Bình tích nhiệt lớn hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn
Một quan niệm sai lầm phổ biến khác là:
“Nếu 100 lít là tốt, thì 500 lít chắc chắn tốt hơn.”
Điều đó không nhất thiết đúng.
Bình tích nhiệt quá khổ có thể:
Tăng chi phí hệ thống
Tăng tổn thất nhiệt
Tăng thể tích nước hệ thống không cần thiết
Tăng thời gian khởi động
Yêu cầu nhiều không gian lắp đặt hơn
Giảm khả năng phản hồi của điều khiển
Do đó, kích thước bình tích nhiệt nên được tính toán thay vì chọn theo thói quen.
Thể tích phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm:
Công suất bơm nhiệt
Công suất điều chỉnh tối thiểu
Thời gian chạy máy nén tối thiểu
Nhu cầu nhiệt tối thiểu của tòa nhà
Thể tích nước hệ thống
Độ biến động nhiệt độ cho phép
Yêu cầu xả băng
Yêu cầu thể tích nước tối thiểu của nhà sản xuất
Một mối quan hệ kỹ thuật đơn giản hóa là:
V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
trong đó thể tích yêu cầu liên quan đến sự mất cân bằng nhiệt phải được hấp thụ trong khoảng thời gian hoạt động tối thiểu mong muốn.
| 16. Hệ thống bơm nhiệt chính so với hệ thống phụ trợ | Yếu tố thiết kế | Hệ thống chính / Trực tiếp |
|---|---|---|
| Hệ thống phụ trợ | Mạch thủy lực | Một |
| Hai hoặc nhiều hơn | Bơm chính | Thường là một |
| Thường là hai hoặc nhiều hơn | Bình tích nhiệt | Tùy chọn |
| Phổ biến | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Linh hoạt đa khu vực | Trung bình |
| Cao | Khả năng chịu lưu lượng biến đổi | Nhạy cảm hơn |
| Tốt hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Ngăn ngừa chu kỳ ngắn | Phụ thuộc vào thể tích hệ thống |
| Nói chung dễ dàng hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Ứng dụng tốt nhất | Hệ thống đơn giản |
Hệ thống phức tạp / đa khu vực
Không có thiết kế nào tốt hơn một cách phổ quát.
17. Một ví dụ thực tế
Hãy xem xét một ngôi nhà sử dụng bơm nhiệt không khí-nước với:Khu vực A:
Hệ thống sưởi sànKhu vực B:
Bộ tản nhiệtKhu vực C:
Bộ quạt
Trong mùa đông, cả ba khu vực có thể hoạt động.
Trong thời tiết ôn hòa, chỉ hệ thống sưởi sàn có thể cần nhiệt.
Trong mùa hè, chỉ bộ quạt có thể hoạt động để làm mát.
Do đó, lưu lượng hệ thống thay đổi đáng kể trong suốt cả năm.
Thiết kế thủy lực phụ trợ có thể cho phép bơm nhiệt duy trì lưu lượng chính ổn định trong khi hệ thống phân phối phụ trợ phản ứng độc lập với nhu cầu của tòa nhà.
Một cấu hình điển hình có thể là:
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bộ tản nhiệt + Bộ quạt + Hệ thống sưởi sàn
Đối với mạch sưởi sàn, một bộ trộn cũng có thể cần thiết nếu nhiệt độ cấp yêu cầu của nó thấp hơn so với các bộ phận đầu cuối khác.
18. Nguyên tắc thiết kế quan trọng nhất
Mục đích của hệ thống phụ trợ không chỉ đơn giản là thêm bình tích nhiệt.
Mục đích thực sự của nó là quản lý mối quan hệ giữa:
Nguồn nhiệt ↔ Lưu lượng nước ↔ Lưu trữ nhiệt ↔ Tải tòa nhà
Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ giữ cho bốn yếu tố này cân bằng.
Nếu bơm nhiệt tạo ra nhiều nhiệt hơn mức tòa nhà tiêu thụ hiện tại, hệ thống cần đủ dung lượng nhiệt và logic điều khiển để ngăn chặn sự tăng nhiệt độ nhanh chóng và tắt máy nén.
Nếu tòa nhà yêu cầu nhiều nhiệt hơn mức bơm nhiệt hiện đang sản xuất, nhiệt được lưu trữ trong hệ thống có thể tạm thời giảm tốc độ giảm nhiệt độ nước.
Quán tính nhiệt này giúp làm mịn sự không khớp giữa công suất tức thời của bơm nhiệt và nhu cầu của tòa nhà.
Tuy nhiên, lưu trữ nhiệt không tạo ra năng lượng.
Cuối cùng:
Nhiệt do bơm nhiệt sản xuất = Nhiệt được cung cấp cho tòa nhà + Tổn thất hệ thống ± Thay đổi năng lượng nhiệt được lưu trữ
Kết luận: Khi nào nên chọn hệ thống thủy lực phụ trợ?
Hệ thống thủy lực phụ trợ có thể là một giải pháp tuyệt vời khi bơm nhiệt nguồn không khí phục vụ một tòa nhà phức tạp với lưu lượng nước biến đổi, nhiều khu vực sưởi ấm hoặc các bộ phận đầu cuối khác nhau.
Ưu điểm chính của nó là:
lưu lượng bơm nhiệt ổn định, tách biệt thủy lực, tăng thể tích nước hệ thống, giảm chu kỳ hoạt động ngắn và linh hoạt đa khu vực tốt hơn.
Nhược điểm chính của nó là:
chi phí ban đầu cao hơn, điện bơm bổ sung, độ phức tạp lắp đặt lớn hơn, tổn thất nhiệt bổ sung và khả năng trộn thủy lực nếu hệ thống được thiết kế kém.
Do đó, câu hỏi kỹ thuật không nên là:
“Mọi bơm nhiệt có nên có bình tích nhiệt không?”
Một câu hỏi tốt hơn là:
“Hệ thống cụ thể này có cần tách biệt thủy lực hoặc khối lượng nhiệt bổ sung để duy trì hoạt động bơm nhiệt ổn định và hiệu quả không?”
Hệ thống thủy lực phụ trợ là gì?
Tại sao sử dụng hai bơm tuần hoàn?
Bình tích nhiệt có cải thiện hiệu quả bơm nhiệt không?
Bơm nhiệt có thể hoạt động mà không cần bình tích nhiệt không?
Hệ thống phụ trợ có tốt hơn cho hệ thống sưởi sàn không?
Điều gì xảy ra nếu bình tích nhiệt quá lớn?
Khi thiết kế hệ thống bơm nhiệt không khí-nước, một trong những quyết định quan trọng nhất là cách bơm nhiệt được kết nối thủy lực với các bộ phận sưởi ấm và làm mát của tòa nhà.
Đối với các lắp đặt tương đối đơn giản, một hệ thống thủy lực chính hoặc trực tiếp có thể là đủ. Tuy nhiên, khi một dự án bao gồm nhiều loại bộ phận đầu cuối — chẳng hạn như hệ thống sưởi sàn, bộ tản nhiệt và bộ quạt — các yêu cầu thủy lực trở nên phức tạp hơn nhiều.
Đây là nơi một hệ thống thủy lực phụ trợ, thường sử dụng bình tích nhiệt và hai bơm tuần hoàn, trở nên đặc biệt hữu ích.
Nhưng liệu mọi hệ thống bơm nhiệt có cần hệ thống phụ trợ không?
Không nhất thiết.
Hệ thống thủy lực phụ trợ mang lại sự ổn định thủy lực tốt hơn, linh hoạt hơn và cải thiện điều kiện hoạt động của bơm nhiệt. Đồng thời, nó làm tăng chi phí hệ thống, tiêu thụ năng lượng bơm, độ phức tạp lắp đặt và có thể làm tăng tổn thất nhiệt.
Hiểu rõ những đánh đổi này là điều cần thiết để thiết kế một hệ thống bơm nhiệt nguồn không khí hiệu quả.
Một hệ thống thủy lực phụ trợ điển hình chia mạch nước thành hai vòng thủy lực.
Vòng đầu tiên là mạch chính của bơm nhiệt:
Bơm nhiệt → Bình tích nhiệt → Bơm nhiệt
Vòng thứ hai là mạch tải của tòa nhà:
Bình tích nhiệt → Bơm tuần hoàn → Bộ phận sưởi/làm mát → Bình tích nhiệt
Do đó, bình tích nhiệt đóng vai trò là điểm kết nối chung giữa nguồn nhiệt và tải của tòa nhà.
Không giống như hệ thống trực tiếp, bơm tuần hoàn của bơm nhiệt không nhất thiết phải cung cấp toàn bộ lưu lượng nước mà hệ thống phân phối của tòa nhà yêu cầu.
Đây là một trong những khác biệt quan trọng nhất giữa thiết kế thủy lực chính và phụ trợ.
Bơm nhiệt và các bộ phận đầu cuối của tòa nhà không phải lúc nào cũng yêu cầu cùng một lưu lượng nước.
Hãy xem xét một tòa nhà được trang bị:
Bộ tản nhiệt
Bộ quạt
Hệ thống sưởi sàn
Mỗi bộ phận đầu cuối có thể hoạt động với nhiệt độ nước, chênh lệch nhiệt độ (ΔT), tốc độ dòng chảy, van điều khiển và lịch trình hoạt động khác nhau.
Ví dụ, các điều kiện thiết kế điển hình có thể trông như sau:
| Bộ phận đầu cuối | Nhiệt độ nước cấp điển hình | ΔT điển hình |
|---|---|---|
| Bộ tản nhiệt | 45–60°C hoặc cao hơn tùy thuộc vào thiết kế | 10–20 K |
| Hệ thống sưởi sàn | 30–45°C | 5–10 K |
| Bộ quạt | Phụ thuộc vào chế độ sưởi/làm mát | Khoảng 5 K |
Các số liệu này là tài liệu tham khảo thiết kế chứ không phải quy tắc phổ quát; giá trị thực tế luôn phải tuân theo lựa chọn bộ phận đầu cuối và tính toán tải nhiệt của dự án.
Vấn đề kỹ thuật cốt lõi rất đơn giản:
Lưu lượng mà bơm nhiệt yêu cầu có thể không bằng lưu lượng mà hệ thống bộ phận đầu cuối yêu cầu.
Mạch thủy lực phụ trợ giúp tách biệt hai yêu cầu thủy lực này.
Bơm nhiệt thường yêu cầu lưu lượng nước tối thiểu qua bộ trao đổi nhiệt.
Tuy nhiên, trong hệ thống trực tiếp, bộ điều nhiệt phòng, van khu vực, van tản nhiệt điều nhiệt hoặc van điều khiển bộ quạt có thể liên tục thay đổi lưu lượng hệ thống.
Hãy tưởng tượng một ngôi nhà có tám khu vực sưởi ấm.
Khi cả tám khu vực đều mở, lưu lượng nước có thể đủ.
Nhưng khi sáu khu vực đạt đến nhiệt độ cài đặt và đóng van, chỉ còn hai khu vực hoạt động.
Điện trở hệ thống thay đổi đáng kể và lưu lượng qua bơm nhiệt có thể giảm xuống dưới phạm vi hoạt động khuyến nghị.
Điều này có thể dẫn đến các vấn đề như:
Cảnh báo lưu lượng nước không đủ
Chênh lệch nhiệt độ cấp/trả quá mức
Áp suất ngưng tụ cao
Giảm công suất sưởi ấm
Hoạt động máy nén không ổn định
Chu kỳ hoạt động thường xuyên
Hệ thống phụ trợ giảm thiểu sự tương tác này vì bơm nhiệt có mạch tuần hoàn riêng của nó.
Bơm nhiệt nhìn thấy một môi trường thủy lực có thể dự đoán được hơn ngay cả khi lưu lượng phía tòa nhà thay đổi.
Đối với bơm nhiệt biến tần, điều này có thể đặc biệt có giá trị vì điều kiện nước ổn định giúp chiến lược điều chỉnh máy nén hoạt động hiệu quả hơn.
Một hệ thống sưởi thủy lực hiện đại có thể chứa nhiều loại bộ phận đầu cuối khác nhau.
Ví dụ:
Bơm nhiệt → Bình tích nhiệt → Bộ tản nhiệt + Bộ quạt + Hệ thống sưởi sàn
Các bộ phận đầu cuối này hiếm khi yêu cầu cùng một lưu lượng và nhiệt độ nước.
Hệ thống sưởi sàn thường hoạt động ở nhiệt độ nước tương đối thấp, trong khi bộ tản nhiệt truyền thống có thể yêu cầu nhiệt độ cao hơn đáng kể. Bộ quạt có thể hoạt động ở cả chế độ sưởi ấm và làm mát và thường sử dụng ΔT phía nước tương đối nhỏ.
Hệ thống phụ trợ giúp dễ dàng tạo ra các nhánh phân phối riêng biệt bằng cách sử dụng:
Bơm tuần hoàn độc lập
Van trộn
Van khu vực
Bộ chia
Bộ điều khiển nhiệt độ
Điều khiển chênh lệch áp suất
Điều này mang lại sự linh hoạt thiết kế lớn hơn đáng kể.
Một trong những thành phần quan trọng nhất trong nhiều hệ thống bơm nhiệt phụ trợ là bình tích nhiệt.
Nước có dung lượng lưu trữ nhiệt đáng kể.
Do đó, bình tích nhiệt làm tăng tổng thể tích nước của hệ thống thủy lực và bổ sung quán tính nhiệt.
Năng lượng nhiệt được lưu trữ có thể được ước tính bằng:
Q = m × Cp × ΔT
Trong đó:
Q = năng lượng nhiệt được lưu trữ
m = khối lượng nước
Cp = nhiệt dung riêng của nước
ΔT = chênh lệch nhiệt độ có thể sử dụng
Đối với các tính toán HVAC thực tế:
1 lít nước lưu trữ khoảng 1,16 Wh cho mỗi 1°C thay đổi nhiệt độ.
Do đó, một bình tích nhiệt 200 L hoạt động trong phạm vi nhiệt độ có thể sử dụng 5 K lưu trữ khoảng:
200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh
Điều này không có nghĩa là bình tích nhiệt là nguồn năng lượng.
Nó chỉ đơn giản là lưu trữ năng lượng tạm thời và giải phóng nó sau.
Sự phân biệt đó là quan trọng.
Chu kỳ hoạt động ngắn xảy ra khi bơm nhiệt khởi động, nhanh chóng đạt đến mục tiêu nhiệt độ, dừng lại và sau đó khởi động lại ngay sau đó.
Điều này thường xảy ra khi:
Công suất tối thiểu của bơm nhiệt > Nhu cầu nhiệt hiện tại của tòa nhà
Ví dụ, giả sử một bơm nhiệt biến tần có thể điều chỉnh xuống còn 5 kW, nhưng tòa nhà hiện chỉ yêu cầu 2 kW.
Nếu không có đủ thể tích nước hệ thống, nhiệt độ nước cấp có thể tăng nhanh.
Bộ điều khiển đạt đến nhiệt độ mục tiêu và dừng máy nén.
Tòa nhà tiếp tục rút nhiệt, nhiệt độ nước giảm và máy nén khởi động lại.
Kết quả có thể là:
Khởi động → Dừng → Khởi động → Dừng → Khởi động
Chu kỳ máy nén lặp đi lặp lại có thể:
Giảm hiệu suất theo mùa
Tăng tiêu thụ điện
Tăng số lần khởi động máy nén
Tăng hao mòn linh kiện
Gây ra nhiệt độ trong nhà không ổn định
Thể tích nước bổ sung từ bình tích nhiệt có kích thước phù hợp làm chậm sự thay đổi nhiệt độ nước.
Thay vì:
45°C → 50°C rất nhanh
hệ thống có thể mất nhiều thời gian hơn đáng kể để đạt đến giới hạn điều khiển.
Điều này cho phép bơm nhiệt có chu kỳ hoạt động dài hơn.
Các tòa nhà hiếm khi hoạt động ở 100% nhu cầu sưởi ấm liên tục.
Ví dụ, vào mùa xuân và mùa thu, chỉ một phần của tòa nhà có thể cần sưởi ấm.
Một số phòng có thể đạt đến nhiệt độ cài đặt trong khi những phòng khác vẫn cần nhiệt.
Điều này tạo ra điều kiện lưu lượng thay đổi.
Mạch phụ trợ cho phép bơm phía tòa nhà phản ứng với nhu cầu thay đổi này trong khi mạch phía bơm nhiệt duy trì lưu lượng mà bơm nhiệt yêu cầu.
Sự tách biệt thủy lực này có thể làm cho toàn bộ hệ thống dễ điều khiển hơn.
Hệ thống phụ trợ trở nên đặc biệt hữu ích khi dự án chứa:
Bơm nhiệt + Bình tích nhiệt + Nhiều khu vực sưởi ấm + Bộ quạt + Bộ tản nhiệt + Hệ thống sưởi sàn
Chúng cũng hữu ích cho:
Các tòa nhà dân cư lớn
Khách sạn
Các tòa nhà thương mại
Trường học
Biệt thự có nhiều khu vực sưởi ấm
Các dự án cải tạo
Hệ thống tản nhiệt/sưởi sàn kết hợp
Hệ thống sưởi và làm mát với nhiều loại bộ phận đầu cuối
Trong các dự án này, độ phức tạp thủy lực bổ sung thường được biện minh bởi khả năng kiểm soát được cải thiện.
Hệ thống phụ trợ không tự động hiệu quả hơn.
Đây là một điểm quan trọng.
Nhiều thành phần hơn có thể giải quyết các vấn đề thủy lực, nhưng mỗi thành phần bổ sung cũng mang lại chi phí và tổn thất năng lượng tiềm ẩn.
Một hệ thống trực tiếp điển hình có thể hoạt động với một bơm tuần hoàn chính.
Một hệ thống phụ trợ thường yêu cầu ít nhất hai:
Bơm 1: Bơm nhiệt ↔ Bình tích nhiệt
Bơm 2: Bình tích nhiệt ↔ Bộ phận đầu cuối tòa nhà
Các khu vực sưởi ấm bổ sung có thể yêu cầu nhiều bơm hơn nữa.
Mỗi bơm tuần hoàn tiêu thụ điện.
Do đó:
Hệ thống phụ trợ có thể cải thiện sự ổn định hoạt động của bơm nhiệt đồng thời tăng tiêu thụ điện phụ trợ.
Do đó, hệ thống nên được đánh giá dựa trên tổng mức tiêu thụ năng lượng theo mùa — không chỉ riêng COP của bơm nhiệt.
Bơm tuần hoàn hiệu suất cao ECM với điều khiển tốc độ biến đổi thường được ưu tiên.
So với kết nối trực tiếp đơn giản, hệ thống phụ trợ có thể yêu cầu:
Thường là hai hoặc nhiều hơn
Bơm tuần hoàn bổ sung
Nhiều đường ống hơn
Nhiều van cách ly hơn
Van một chiều
Cảm biến
Phụ kiện giãn nở
Van trộn
Bộ điều khiển bổ sung
Nhiều nhân công lắp đặt hơn
Điều này làm tăng chi phí dự án ban đầu.
Đối với một lắp đặt dân dụng nhỏ với một mạch sưởi sàn đơn giản, độ phức tạp bổ sung có thể không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích đủ lớn.
Tuy nhiên, đối với một dự án đa khu vực lớn, chi phí bổ sung có thể được biện minh.
Bình tích nhiệt không được cách nhiệt hoàn hảo.
Cũng không phải các đường ống, van và phụ kiện bổ sung cần thiết cho mạch phụ trợ.
Do đó, nhiệt có thể bị mất từ:
Thành bình tích nhiệt
Đường ống phân phối
Van và phụ kiện
Thân bơm
Phòng kỹ thuật
Cách nhiệt tốt có thể giảm thiểu những tổn thất này, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn.
Điều này đặc biệt quan trọng khi bình tích nhiệt được lắp đặt trong không gian không được điều hòa.
Thêm bình tích nhiệt không tự động tạo ra một hệ thống tốt.
Một vấn đề phổ biến xảy ra khi tốc độ dòng chảy chính và phụ trợ không cân bằng.
Đặt:
Vp = lưu lượng bơm nhiệt chính
Vs = lưu lượng tòa nhà phụ trợ
Nếu:
Vp > Vs
một số nước cấp nóng có thể quay trở lại trực tiếp qua bình tích nhiệt về phía bơm nhiệt.
Nếu:
Vs > Vp
một số nước hồi lạnh hơn có thể trộn vào nguồn cấp phụ trợ.
Hiện tượng này đôi khi được gọi là trộn thủy lực.
Trộn quá mức có thể làm thay đổi nhiệt độ nước được cung cấp cho các bộ phận đầu cuối và có thể buộc bơm nhiệt hoạt động ở nhiệt độ nước ra cao hơn.
Vì hiệu quả bơm nhiệt thường giảm khi nhiệt độ nước yêu cầu tăng lên, thiết kế thủy lực kém có thể làm giảm COP.
Hệ thống trực tiếp tương đối đơn giản.
Bơm nhiệt giám sát nhiệt độ nước và điều khiển một mạch thủy lực chính.
Hệ thống phụ trợ có thể liên quan đến:
Bộ điều khiển bơm nhiệt
Bơm tuần hoàn chính
Bơm tuần hoàn phụ trợ
Cảm biến bình tích nhiệt
Bộ điều nhiệt phòng
Van khu vực
Van trộn
Bù thời tiết
Bộ điều khiển bộ quạt
Bộ điều khiển hệ thống sưởi sàn
Các thành phần này phải hoạt động cùng nhau một cách chính xác.
Logic điều khiển kém có thể tạo ra các tình huống mà bơm chạy không cần thiết hoặc bơm nhiệt hoạt động khi có ít nhu cầu sưởi ấm thực tế.
Do đó, chiến lược điều khiển quan trọng không kém gì thiết kế thủy lực
14. Bình tích nhiệt có luôn cần thiết cho bơm nhiệt không?
Không.
Đây là một trong những quan niệm sai lầm phổ biến nhất trong thiết kế bơm nhiệt không khí-nước.
Bình tích nhiệt nên giải quyết một vấn đề kỹ thuật cụ thể.
Nó có thể hữu ích khi:
Thể tích nước hệ thống không đủ
Nhiều khu vực sưởi ấm thường xuyên đóng và mở
Lưu lượng tối thiểu của bơm nhiệt không thể được đảm bảo bằng cách khác
Công suất tối thiểu của bơm nhiệt vượt quá nhu cầu tải một phần thường xuyên
Nhiều loại bộ phận đầu cuối yêu cầu tách biệt thủy lực
Hoạt động xả băng yêu cầu thể tích nước có sẵn đầy đủ
Yêu cầu lưu lượng chính và phụ trợ khác biệt đáng kể
15. Bình tích nhiệt lớn hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn
Một quan niệm sai lầm phổ biến khác là:
“Nếu 100 lít là tốt, thì 500 lít chắc chắn tốt hơn.”
Điều đó không nhất thiết đúng.
Bình tích nhiệt quá khổ có thể:
Tăng chi phí hệ thống
Tăng tổn thất nhiệt
Tăng thể tích nước hệ thống không cần thiết
Tăng thời gian khởi động
Yêu cầu nhiều không gian lắp đặt hơn
Giảm khả năng phản hồi của điều khiển
Do đó, kích thước bình tích nhiệt nên được tính toán thay vì chọn theo thói quen.
Thể tích phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm:
Công suất bơm nhiệt
Công suất điều chỉnh tối thiểu
Thời gian chạy máy nén tối thiểu
Nhu cầu nhiệt tối thiểu của tòa nhà
Thể tích nước hệ thống
Độ biến động nhiệt độ cho phép
Yêu cầu xả băng
Yêu cầu thể tích nước tối thiểu của nhà sản xuất
Một mối quan hệ kỹ thuật đơn giản hóa là:
V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
trong đó thể tích yêu cầu liên quan đến sự mất cân bằng nhiệt phải được hấp thụ trong khoảng thời gian hoạt động tối thiểu mong muốn.
| 16. Hệ thống bơm nhiệt chính so với hệ thống phụ trợ | Yếu tố thiết kế | Hệ thống chính / Trực tiếp |
|---|---|---|
| Hệ thống phụ trợ | Mạch thủy lực | Một |
| Hai hoặc nhiều hơn | Bơm chính | Thường là một |
| Thường là hai hoặc nhiều hơn | Bình tích nhiệt | Tùy chọn |
| Phổ biến | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Linh hoạt đa khu vực | Trung bình |
| Cao | Khả năng chịu lưu lượng biến đổi | Nhạy cảm hơn |
| Tốt hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Ngăn ngừa chu kỳ ngắn | Phụ thuộc vào thể tích hệ thống |
| Nói chung dễ dàng hơn | Tiêu thụ điện bơm | Thấp hơn |
| Cao hơn | Ứng dụng tốt nhất | Hệ thống đơn giản |
Hệ thống phức tạp / đa khu vực
Không có thiết kế nào tốt hơn một cách phổ quát.
17. Một ví dụ thực tế
Hãy xem xét một ngôi nhà sử dụng bơm nhiệt không khí-nước với:Khu vực A:
Hệ thống sưởi sànKhu vực B:
Bộ tản nhiệtKhu vực C:
Bộ quạt
Trong mùa đông, cả ba khu vực có thể hoạt động.
Trong thời tiết ôn hòa, chỉ hệ thống sưởi sàn có thể cần nhiệt.
Trong mùa hè, chỉ bộ quạt có thể hoạt động để làm mát.
Do đó, lưu lượng hệ thống thay đổi đáng kể trong suốt cả năm.
Thiết kế thủy lực phụ trợ có thể cho phép bơm nhiệt duy trì lưu lượng chính ổn định trong khi hệ thống phân phối phụ trợ phản ứng độc lập với nhu cầu của tòa nhà.
Một cấu hình điển hình có thể là:
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bơm phụ trợ / Bộ chia phân phối
↓
Bộ tản nhiệt + Bộ quạt + Hệ thống sưởi sàn
Đối với mạch sưởi sàn, một bộ trộn cũng có thể cần thiết nếu nhiệt độ cấp yêu cầu của nó thấp hơn so với các bộ phận đầu cuối khác.
18. Nguyên tắc thiết kế quan trọng nhất
Mục đích của hệ thống phụ trợ không chỉ đơn giản là thêm bình tích nhiệt.
Mục đích thực sự của nó là quản lý mối quan hệ giữa:
Nguồn nhiệt ↔ Lưu lượng nước ↔ Lưu trữ nhiệt ↔ Tải tòa nhà
Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ giữ cho bốn yếu tố này cân bằng.
Nếu bơm nhiệt tạo ra nhiều nhiệt hơn mức tòa nhà tiêu thụ hiện tại, hệ thống cần đủ dung lượng nhiệt và logic điều khiển để ngăn chặn sự tăng nhiệt độ nhanh chóng và tắt máy nén.
Nếu tòa nhà yêu cầu nhiều nhiệt hơn mức bơm nhiệt hiện đang sản xuất, nhiệt được lưu trữ trong hệ thống có thể tạm thời giảm tốc độ giảm nhiệt độ nước.
Quán tính nhiệt này giúp làm mịn sự không khớp giữa công suất tức thời của bơm nhiệt và nhu cầu của tòa nhà.
Tuy nhiên, lưu trữ nhiệt không tạo ra năng lượng.
Cuối cùng:
Nhiệt do bơm nhiệt sản xuất = Nhiệt được cung cấp cho tòa nhà + Tổn thất hệ thống ± Thay đổi năng lượng nhiệt được lưu trữ
Kết luận: Khi nào nên chọn hệ thống thủy lực phụ trợ?
Hệ thống thủy lực phụ trợ có thể là một giải pháp tuyệt vời khi bơm nhiệt nguồn không khí phục vụ một tòa nhà phức tạp với lưu lượng nước biến đổi, nhiều khu vực sưởi ấm hoặc các bộ phận đầu cuối khác nhau.
Ưu điểm chính của nó là:
lưu lượng bơm nhiệt ổn định, tách biệt thủy lực, tăng thể tích nước hệ thống, giảm chu kỳ hoạt động ngắn và linh hoạt đa khu vực tốt hơn.
Nhược điểm chính của nó là:
chi phí ban đầu cao hơn, điện bơm bổ sung, độ phức tạp lắp đặt lớn hơn, tổn thất nhiệt bổ sung và khả năng trộn thủy lực nếu hệ thống được thiết kế kém.
Do đó, câu hỏi kỹ thuật không nên là:
“Mọi bơm nhiệt có nên có bình tích nhiệt không?”
Một câu hỏi tốt hơn là:
“Hệ thống cụ thể này có cần tách biệt thủy lực hoặc khối lượng nhiệt bổ sung để duy trì hoạt động bơm nhiệt ổn định và hiệu quả không?”
Hệ thống thủy lực phụ trợ là gì?
Tại sao sử dụng hai bơm tuần hoàn?
Bình tích nhiệt có cải thiện hiệu quả bơm nhiệt không?
Bơm nhiệt có thể hoạt động mà không cần bình tích nhiệt không?
Hệ thống phụ trợ có tốt hơn cho hệ thống sưởi sàn không?
Điều gì xảy ra nếu bình tích nhiệt quá lớn?