Nguyên lý làm việc của hệ thống Heat Pump CO2 và ưu điểm của nó.

Nguyên lý hoạt động của máy heat pump sử dụng môi chất lạnh CO2 (R744) tương tự như hầu hết các loại máy heat pump hiện nay sử dụng môi chất HFC (R410A, R407C, R134A), và nó dựa trên nguyên lý của nhiệt động học. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở việc môi chất CO2 sẽ được nén lên áp suất rất cao, đạt đến vùng vượt tới hạn (transcritical).

Máy heat pump hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi nhiệt từ một nguồn nhiệt thấp nhiệt độ sang một nguồn nhiệt cao nhiệt độ. Khi hoạt động ở chế độ làm lạnh, máy heat pump sẽ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, sau đó sử dụng môi chất lạnh CO2 để nén và làm nóng lên. Môi chất CO2 ở trạng thái lỏng sẽ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh và trở nên ở trạng thái khí.

Máy nén trong máy heat pump đóng vai trò quan trọng trong việc nén môi chất CO2 đến áp suất cao. Tại điểm này, CO2 vượt qua vùng vượt tới hạn, nghĩa là nhiệt độ và áp suất của CO2 đồng thời vượt quá ngưỡng mà nó có thể tồn tại ở trạng thái lỏng. Vùng vượt tới hạn là một phần quan trọng trong quá trình làm lạnh bằng CO2, và nó cho phép máy heat pump hoạt động hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ môi trường cao hơn.

Nhờ vào việc sử dụng môi chất CO2, máy heat pump có thể đạt được hiệu suất cao và ít tác động đến môi trường, vì CO2 không góp phần vào hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, việc nén CO2 lên áp suất cao đòi hỏi sự tinh vi trong thiết kế và điều khiển của máy, để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động trong điều kiện áp suất và nhiệt độ biến đổi.

Quá trình 1-2: Quá trình nén tới vùng vượt tới hạn

Quá trình 2-3: Quá trình làm mát môi chất trong vùng vượt tới hạn. Đây là quá trình làm nóng nước nóng.

Quá trình 3-4: Quá trình giảm áp suất thấp

Quá trình 4-5: Quá trình bay hơi nhờ thu nhiệt từ môi trường

Quá trình 5-1: Quá nhiệt trong thiết bị bay hơi.

Chính nhờ chu trình vượt tới hạn này mà heat pump CO2 có thể sản xuất nước nóng nhiệt độ cao lên tới 90°C và hiệu suất năng lượng COP rất cao.

Có thể kể đến các ưu điểm của máy heat pump CO2 như sau:

– Nhiệt độ nước nóng rất cao: Lên tới 90°C

– Hiệu suất năng lượng rất cao: Có thể gấp 2 lần so với máy heat pump thông thường ở cùng điều kiện.

– Bảo vệ môi trường: Chỉ số ODP=0, GWP=1

– Dễ dàng vận hàng – Độ tin cậy và tuổi thọ cao

Môi chất lạnh CO2 có một nhược điểm là áp suất ngưng tụ (áp suất đầu ra máy nén lạnh) rất cao. Ví dụ, nếu cần tạo nước nóng 50oC, áp suất ngưng tụ sẽ lên tới 100 bar. Điều này đòi hỏi sự chú trọng đặc biệt đối với vật liệu chế tạo đường ống dẫn môi chất lạnh và các vấn đề liên quan đến an toàn. Do đó, chi phí sản xuất máy heat pump sử dụng CO2 cũng cao hơn so với những loại máy thông thường sử dụng môi chất khác. Vì vậy, khi nhà đầu tư cần lắp đặt hệ thống heat pump CO2, họ cần cân nhắc và tìm hiểu kỹ về tính hiệu quả và chi phí đầu tư để đưa ra quyết định hợp lý.

Ứng dụng: Heat pump CO2 có thể được lắp đặt cho hầu hết các ứng dụng có yêu cầu nước nóng như: Giặt là, khách sạn, sản xuất thực phẩm, bệnh viện, trường học, giáo dụng, cơ sở dưỡng lão..vv. Đặt biệt là các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ nước nóng cao từ 70° trở lên.