Các hệ thống nhiệt mặt trời Demax có thể kết hợp với bơm nhiệt không?

Tấm thu nhiệt Demax với bơm nhiệt: Hệ thống thủy lực và sưởi ấm

Việc hiểu cách tích hợp các hệ thống nêu trên đòi hỏi phải có kiến thức vững về thủy lực liên quan đến bộ thu nhiệt mặt trời và mạch bơm nhiệt. Về lý tưởng, ở một điều kiện vận hành nhất định, lưu lượng dòng chảy qua bộ thu và bơm nhiệt cần được duy trì chênh lệch không quá 10% so với nhau nhằm tránh các tổn thất phụ gây phiền toái do bơm hoạt động quá mức. Ngoài ra, để đảm bảo truyền nhiệt đầy đủ, chúng ta cần hướng tới việc duy trì chế độ chảy rối. Một nhận định rất phổ biến giữa nhiều kỹ sư thực hành là về gradient nhiệt (hay chênh lệch nhiệt độ) mà các bộ thu cung cấp. Các bộ thu Demax có thể đạt nhiệt độ đầu ra trong khoảng 50–80°C, trong khi phần lớn bơm nhiệt hoạt động kém hiệu quả hoặc thậm chí không hoạt động được trong dải nhiệt độ 25–35°C. Để thu hẹp hoặc giảm thiểu các gradient nhiệt này đồng thời cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt, người ta có thể phải sử dụng các bồn tích trữ phân tầng hoặc các bộ trao đổi nhiệt bản mỏng dạng tấm có độ chênh lệch nhiệt độ tiếp cận (temperature approach) không vượt quá 2°C. Các nghiên cứu chuyên ngành đã chỉ ra rằng, nếu thiếu thiết kế giao diện phù hợp trong các hệ thống lai, hiệu suất của hệ thống có thể suy giảm từ 15–22% so với hiệu suất thiết kế. Đây cũng là một trong những lý do chính khiến việc sử dụng van pha trộn nhiệt độ tự động (thermostatic mixing valves) trở nên then chốt nhằm duy trì ổn định nhiệt độ đầu vào khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi.

Tiếp thị tuân thủ: Logic ưu tiên, Phân tầng nhiệt độ và Quy định chống vận hành ngắn mạch

Hiệu suất dự báo đòi hỏi một hệ thống điều khiển thông minh, có khả năng điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng dựa trên các điều kiện thực tế đang diễn ra. Ba giao thức ưu tiên theo từng giai đoạn kiểm soát hoạt động của hệ thống:

Chế độ năng lượng mặt trời chính được kích hoạt khi nhiệt độ bộ thu cao hơn ít nhất 8 °C so với nhiệt độ nguồn yêu cầu của máy bơm nhiệt.

Chế độ hỗ trợ lai được kích hoạt trong điều kiện bức xạ mặt trời một phần và điều khiển nhiệt độ mạch bộ thu nhằm làm nóng sơ bộ vòng tuần hoàn nguồn mà không gây quá nhiệt.

Chế độ ưu tiên máy bơm nhiệt được kích hoạt khi năng lượng mặt trời không đủ và tốc độ dòng chảy của hệ thống được điều khiển để ngăn ngừa hư hại cho máy nén bằng cách duy trì/kiểm soát thời gian vận hành.

Các thử nghiệm thực địa tại châu Âu đã cho thấy việc điều khiển nhiệt độ theo giai đoạn làm giảm chu kỳ hoạt động của máy nén tới 40% và kéo dài tuổi thọ thiết bị tương ứng với khoảng thời gian đó. Các bộ điều khiển chống khởi động lặp ngắn (anti-short cycling) tích hợp các chức năng điều khiển dự báo tải và điều khiển chủ động, đồng thời dự báo nhu cầu nhiệt, từ đó giảm thiểu các lần khởi động không cần thiết—là nguyên nhân làm tăng chi phí bảo trì lên 740 USD/năm/máy (Viện Ponemon, 2023).

Lợi ích về hiệu suất của bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời (SAHPs)

Sự kết hợp giữa bộ thu nhiệt mặt trời và bơm nhiệt mang lại hiệu suất cộng hưởng nhờ những điểm mạnh khác biệt của từng thành phần, điều mà mỗi thành phần riêng lẻ không thể đạt được. Hãy coi đây như một hình thức làm việc nhóm giữa nhiều nguồn năng lượng. Các bộ thu mặt trời cung cấp nhiệt mà bơm nhiệt sau đó có thể sử dụng để thực hiện quá trình truyền nhiệt hiệu quả hơn. Ví dụ, tòa nhà cần tiêu tốn ít năng lượng hơn để vận hành bơm nhiệt, bởi vì lượng năng lượng cần thiết để vận hành bơm nhiệt giảm đi, do một phần năng lượng cần di chuyển đã được cung cấp sẵn bởi năng lượng mặt trời. Hơn nữa, cấu hình này cải thiện hiệu suất năng lượng của tòa nhà và thay đổi mô hình tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng tòa nhà và cải thiện biểu đồ phụ tải của tòa nhà. Nhờ đó, các bơm nhiệt được hỗ trợ bởi năng lượng mặt trời giúp tòa nhà giao tiếp hiệu quả hơn với lưới điện, đặc biệt trong các giai đoạn tiêu thụ năng lượng cao điểm.

Nâng cao COP: Thử nghiệm thực địa tại EU đối với các hệ thống bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời tích hợp Demax

Việc thử nghiệm hệ thống SAHP tại châu Âu kết hợp với công nghệ Demax cho thấy hệ số hiệu suất (COP) được cải thiện từ 20 đến 30% so với các bơm nhiệt hoạt động độc lập. Trong khi dàn bay hơi được cung cấp năng lượng nhiệt mặt trời, tổng mức tiêu thụ điện giảm xuống và nhiệt độ dàn bay hơi của máy nén giúp giảm tải làm việc cho bơm nhiệt từ 10 đến 15°C. Tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn nhất của công nghệ này nằm ở thời điểm trùng lặp giữa cường độ bức xạ mặt trời và nhu cầu sưởi ấm. Ngoài việc tiết kiệm điện, các hệ thống SAHP được cải tiến còn vận hành hiệu quả năng lượng hơn vào mùa đông vì chúng yêu cầu ít chu kỳ rã băng hơn, do đó tiêu tốn ít năng lượng hơn.

Dịch chuyển phụ tải và tăng cường độ bền lưới điện: Làm nóng sơ bộ nước nguồn để giảm nhu cầu điện đỉnh

Các máy bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời (SAHP) sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng nước, nhằm sử dụng vào buổi tối—khi giá điện cao hơn—và sạc pin (nhiệt) SAHP vào ban ngày—khi giá điện thấp hơn. Chúng tôi đã quan sát thấy các hệ thống thương mại có pin (nhiệt) giúp giảm 30–40% nhu cầu điện đỉnh. Ngoài việc giảm chi phí năng lượng, các máy bơm nhiệt SAHP còn nâng cao tính linh hoạt của lưới điện; đồng thời, việc tham gia chương trình phản ứng theo nhu cầu (demand response) tạo thêm nguồn thu nhập cho chủ sở hữu tòa nhà. Với máy bơm nhiệt, thiết bị sưởi vốn trước đây thường bị xem nhẹ nay trở thành yếu tố then chốt trong việc quản lý tải năng lượng của khách hàng và cải thiện hiệu quả tổng thể của toàn bộ lưới điện.

Tại sao chỉ sử dụng năng lượng mặt trời nhiệt là chưa đủ — và cách bơm nhiệt hoàn thiện chiến lược khử carbon. Các hệ thống năng lượng mặt trời nhiệt có khả năng thu nhiệt tái tạo từ mặt trời, nhưng chúng cũng tồn tại những hạn chế nhất định. Khả năng thu nhiệt của các hệ thống này bị ảnh hưởng bởi mây che phủ, mùa đông và ban đêm. Nếu phụ thuộc hoàn toàn vào các hệ thống nhiệt để thu nhiệt nhằm sản xuất năng lượng, các hệ thống này sẽ buộc phải sử dụng nhiên liệu hóa thạch — điều này làm mất đi mục tiêu giảm phát thải carbon ngay từ đầu. Trong bối cảnh này, bơm nhiệt trở nên đặc biệt hữu ích. Chúng có thể thu năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh và cung cấp nhiệt ngay cả khi năng lượng mặt trời đang được sản xuất. Bơm nhiệt hoạt động hiệu quả với hệ số hiệu suất (COP) có thể đạt tới 3,5 — cao hơn nhiều so với các hệ thống thông thường. Ngoài ra, hiệu suất của chúng còn được nâng cao hơn nữa khi kết hợp cùng hệ thống năng lượng mặt trời nhiệt: thiết bị năng lượng mặt trời nhiệt sẽ làm nóng nước trước khi nước đi vào bơm nhiệt, nhờ đó máy nén hoạt động hiệu quả hơn.

Theo các nghiên cứu, cấu hình này có thể giảm nhu cầu điện đỉnh từ 18%–34% trong những thời điểm lưới điện chịu áp lực cao (2023, Fraunhofer ISE). Theo số liệu của IEA năm 2024, hiện nay bơm nhiệt chỉ chiếm 10% tổng lượng sưởi ấm cho công trình trên toàn cầu — tỷ lệ này không phù hợp với các mục tiêu khí hậu của chúng ta. Tuy nhiên, việc tích hợp bơm nhiệt với công nghệ nhiệt mặt trời giúp nâng cao khả năng kiểm soát tải năng lượng, tăng tính độ tin cậy và cho phép sưởi ấm công trình đạt mức trung hòa carbon quanh năm. Hai công nghệ này đặc biệt bổ trợ lẫn nhau: năng lượng mặt trời làm tăng hiệu suất hoạt động của bơm nhiệt, trong khi bơm nhiệt đảm bảo vận hành ổn định trong những giai đoạn năng lượng mặt trời không đủ. Sự kết hợp đột phá này thực sự mang tính chuyển đổi trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế — điều mà các công nghệ khác không thể đạt được khi chỉ đơn thuần cộng gộp ‘một cộng một thành hai’.

Phần Câu hỏi Thường gặp

Câu hỏi 1: Thách thức chính khi tích hợp bộ thu Demax vào mạch bơm nhiệt là gì?

A1: Thách thức chính là cân bằng hệ thống thủy lực của các bộ thu nhiệt mặt trời và mạch bơm nhiệt nhằm tránh tổn thất phụ trợ và đảm bảo việc truyền nhiệt hiệu quả.

Sự khác biệt về nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến khả năng tích hợp giữa các hệ thống với nhau?

Các bộ thu Demax có thể đạt nhiệt độ lên tới 80°C, trong khi bơm nhiệt hoạt động hiệu quả nhất ở khoảng 25–35°C. Điều này đồng nghĩa với việc chúng cần các công cụ chuyên dụng để san lấp khoảng chênh lệch nhiệt độ đó mà vẫn duy trì hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Các bơm nhiệt được hỗ trợ bởi năng lượng mặt trời (SAHP) nâng cao hiệu suất như thế nào?

SAHP vận hành bằng năng lượng mặt trời như một cấp năng lượng ‘mới’ (dưới 6 năm). Loại năng lượng này rẻ hơn và đồng thời cho phép nhiệt dễ dàng ‘di chuyển’ bên trong một đơn vị.

Tại sao chỉ sử dụng năng lượng mặt trời dạng nhiệt lại chưa đủ?

Các hệ thống nhiệt mặt trời cũng giảm hiệu suất khi trời nhiều mây và vào ban đêm, do đó chúng cũng cần sự hỗ trợ từ nhiên liệu hóa thạch. Máy bơm nhiệt cũng có thể hỗ trợ hệ thống nhiệt mặt trời bằng cách cung cấp nhiệt khi mặt trời không có sẵn, góp phần hoàn thành đầy đủ mục tiêu khử các-bon.