Máy bơm nhiệt nguồn không khí (ASHP) là một hệ thống sưởi ấm và làm mát hiệu quả cao. Tuy nhiên, để đảm bảo sự thoải mái trong nhà ổn định, nó thường được trang bị hệ thống sưởi điện dự phòng—còn được gọi là "sưởi phụ" hoặc "sưởi khẩn cấp." Sự cần thiết của hệ thống sưởi dự phòng này bắt nguồn từ các yếu tố liên quan đến nhiệt động lực học, cơ chế hoạt động và kinh tế.
1. Giảm công suất sưởi ấm trong thời tiết lạnh (Điểm cân bằng)
Máy bơm nhiệt hoạt động bằng cách hút nhiệt từ không khí ngoài trời và truyền vào trong nhà. Khi nhiệt độ ngoài trời giảm, hệ thống càng khó hút nhiệt, làm giảm công suất sưởi ấm của máy bơm nhiệt. Đồng thời, do nhiệt bị mất từ nhà ra môi trường lạnh bên ngoài, nhu cầu sưởi ấm của tòa nhà tăng lên. Nhiệt độ mà tại đó công suất sưởi ấm của máy bơm nhiệt khớp chính xác với tải sưởi ấm của ngôi nhà được gọi là "điểm cân bằng." Khi nhiệt độ ngoài trời giảm xuống dưới điểm này, máy bơm nhiệt không còn có thể đáp ứng nhu cầu sưởi ấm một mình; ở giai đoạn này, hệ thống sưởi điện dự phòng là cần thiết để duy trì nhiệt độ trong nhà.
2. Chu trình xả băng
Trong điều kiện lạnh, ẩm ướt, hơi ẩm từ không khí có thể ngưng tụ và tích tụ trên các cuộn dây ngoài trời của máy bơm nhiệt, tạo thành một lớp băng làm suy giảm công suất sưởi ấm của nó. Để loại bỏ lớp băng này, hệ thống tạm thời đảo ngược hoạt động của nó (chuyển sang chế độ làm mát) để làm tan băng. Trong chu trình xả băng này, hệ thống sưởi điện dự phòng sẽ tự động kích hoạt để ngăn không khí lạnh thổi vào nhà qua các lỗ thông hơi.
3. Kích thước hệ thống và các cân nhắc kinh tế
Khi xác định kích thước hệ thống HVAC, người ta phải tính đến cả tải làm mát mùa hè và tải sưởi ấm mùa đông. Ở nhiều vùng khí hậu, công suất thiết bị cần thiết cho việc làm mát đỉnh điểm mùa hè thấp hơn công suất cần thiết cho việc sưởi ấm đỉnh điểm mùa đông. Để tránh việc máy bơm nhiệt quá khổ—điều này có thể dẫn đến việc khử ẩm kém vào mùa hè, chi phí thiết bị ban đầu cao hơn và việc bật/tắt thường xuyên của thiết bị—các kỹ thuật viên thường xác định kích thước hệ thống để phù hợp hơn với tải làm mát hoặc tải sưởi ấm trung bình. Trong những ngày hoặc tuần lạnh nhất của mùa đông, hệ thống sẽ sử dụng hệ thống sưởi phụ bằng điện để tiết kiệm chi phí bù đắp bất kỳ sự thiếu hụt sưởi ấm nào.
4. Dự phòng khẩn cấp
Hệ thống sưởi phụ cũng đóng vai trò như một biện pháp an toàn quan trọng. Trong trường hợp máy nén chính của máy bơm nhiệt bị hỏng—hoặc nếu hệ thống gặp phải nhiệt độ cực lạnh vượt quá giới hạn thiết kế của nó—hệ thống sưởi phụ bằng điện sẽ đảm bảo rằng các đường ống trong nhà không bị đóng băng và vỡ, đồng thời giữ an toàn cho người ở trong nhà.
Sự đánh đổi về hiệu quả
Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống sưởi phụ bằng điện trở có hiệu quả thấp hơn đáng kể so với bản thân máy bơm nhiệt. Trong khi máy bơm nhiệt nguồn không khí hiện đại có thể duy trì Hệ số Hiệu suất (COP) từ 1,75 trở lên ngay cả trong thời tiết lạnh, thì hệ thống sưởi điện trở chỉ có COP là 1,0—nghĩa là nó tạo ra đúng một đơn vị nhiệt cho mỗi đơn vị điện năng tiêu thụ. Vì hệ thống sưởi phụ tốn kém hơn khi vận hành, bộ điều nhiệt hiện đại được thiết kế để chỉ kích hoạt nó khi thực sự cần thiết, chẳng hạn như khi cần tăng nhiệt độ trong nhà nhanh chóng hoặc trong thời gian cực lạnh.
Tiến bộ công nghệ
Khi công nghệ tiếp tục phát triển, một thế hệ mới của máy bơm nhiệt nguồn không khí "khí hậu lạnh" (ccASHPs) đã xuất hiện, có khả năng duy trì công suất sưởi ấm định mức ở nhiệt độ thấp hơn nhiều—ví dụ, xuống tới -13°F (-25°C). Mặc dù các mẫu máy tiên tiến này làm giảm tần suất cần sử dụng hệ thống sưởi phụ, nhưng hệ thống sưởi phụ bằng điện vẫn là một tính năng tiêu chuẩn và thiết thực trong hầu hết các cài đặt, đảm bảo sưởi ấm và sự thoải mái đáng tin cậy quanh năm.
Máy bơm nhiệt nguồn không khí (ASHP) là một hệ thống sưởi ấm và làm mát hiệu quả cao. Tuy nhiên, để đảm bảo sự thoải mái trong nhà ổn định, nó thường được trang bị hệ thống sưởi điện dự phòng—còn được gọi là "sưởi phụ" hoặc "sưởi khẩn cấp." Sự cần thiết của hệ thống sưởi dự phòng này bắt nguồn từ các yếu tố liên quan đến nhiệt động lực học, cơ chế hoạt động và kinh tế.
1. Giảm công suất sưởi ấm trong thời tiết lạnh (Điểm cân bằng)
Máy bơm nhiệt hoạt động bằng cách hút nhiệt từ không khí ngoài trời và truyền vào trong nhà. Khi nhiệt độ ngoài trời giảm, hệ thống càng khó hút nhiệt, làm giảm công suất sưởi ấm của máy bơm nhiệt. Đồng thời, do nhiệt bị mất từ nhà ra môi trường lạnh bên ngoài, nhu cầu sưởi ấm của tòa nhà tăng lên. Nhiệt độ mà tại đó công suất sưởi ấm của máy bơm nhiệt khớp chính xác với tải sưởi ấm của ngôi nhà được gọi là "điểm cân bằng." Khi nhiệt độ ngoài trời giảm xuống dưới điểm này, máy bơm nhiệt không còn có thể đáp ứng nhu cầu sưởi ấm một mình; ở giai đoạn này, hệ thống sưởi điện dự phòng là cần thiết để duy trì nhiệt độ trong nhà.
2. Chu trình xả băng
Trong điều kiện lạnh, ẩm ướt, hơi ẩm từ không khí có thể ngưng tụ và tích tụ trên các cuộn dây ngoài trời của máy bơm nhiệt, tạo thành một lớp băng làm suy giảm công suất sưởi ấm của nó. Để loại bỏ lớp băng này, hệ thống tạm thời đảo ngược hoạt động của nó (chuyển sang chế độ làm mát) để làm tan băng. Trong chu trình xả băng này, hệ thống sưởi điện dự phòng sẽ tự động kích hoạt để ngăn không khí lạnh thổi vào nhà qua các lỗ thông hơi.
3. Kích thước hệ thống và các cân nhắc kinh tế
Khi xác định kích thước hệ thống HVAC, người ta phải tính đến cả tải làm mát mùa hè và tải sưởi ấm mùa đông. Ở nhiều vùng khí hậu, công suất thiết bị cần thiết cho việc làm mát đỉnh điểm mùa hè thấp hơn công suất cần thiết cho việc sưởi ấm đỉnh điểm mùa đông. Để tránh việc máy bơm nhiệt quá khổ—điều này có thể dẫn đến việc khử ẩm kém vào mùa hè, chi phí thiết bị ban đầu cao hơn và việc bật/tắt thường xuyên của thiết bị—các kỹ thuật viên thường xác định kích thước hệ thống để phù hợp hơn với tải làm mát hoặc tải sưởi ấm trung bình. Trong những ngày hoặc tuần lạnh nhất của mùa đông, hệ thống sẽ sử dụng hệ thống sưởi phụ bằng điện để tiết kiệm chi phí bù đắp bất kỳ sự thiếu hụt sưởi ấm nào.
4. Dự phòng khẩn cấp
Hệ thống sưởi phụ cũng đóng vai trò như một biện pháp an toàn quan trọng. Trong trường hợp máy nén chính của máy bơm nhiệt bị hỏng—hoặc nếu hệ thống gặp phải nhiệt độ cực lạnh vượt quá giới hạn thiết kế của nó—hệ thống sưởi phụ bằng điện sẽ đảm bảo rằng các đường ống trong nhà không bị đóng băng và vỡ, đồng thời giữ an toàn cho người ở trong nhà.
Sự đánh đổi về hiệu quả
Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống sưởi phụ bằng điện trở có hiệu quả thấp hơn đáng kể so với bản thân máy bơm nhiệt. Trong khi máy bơm nhiệt nguồn không khí hiện đại có thể duy trì Hệ số Hiệu suất (COP) từ 1,75 trở lên ngay cả trong thời tiết lạnh, thì hệ thống sưởi điện trở chỉ có COP là 1,0—nghĩa là nó tạo ra đúng một đơn vị nhiệt cho mỗi đơn vị điện năng tiêu thụ. Vì hệ thống sưởi phụ tốn kém hơn khi vận hành, bộ điều nhiệt hiện đại được thiết kế để chỉ kích hoạt nó khi thực sự cần thiết, chẳng hạn như khi cần tăng nhiệt độ trong nhà nhanh chóng hoặc trong thời gian cực lạnh.
Tiến bộ công nghệ
Khi công nghệ tiếp tục phát triển, một thế hệ mới của máy bơm nhiệt nguồn không khí "khí hậu lạnh" (ccASHPs) đã xuất hiện, có khả năng duy trì công suất sưởi ấm định mức ở nhiệt độ thấp hơn nhiều—ví dụ, xuống tới -13°F (-25°C). Mặc dù các mẫu máy tiên tiến này làm giảm tần suất cần sử dụng hệ thống sưởi phụ, nhưng hệ thống sưởi phụ bằng điện vẫn là một tính năng tiêu chuẩn và thiết thực trong hầu hết các cài đặt, đảm bảo sưởi ấm và sự thoải mái đáng tin cậy quanh năm.
