Heat Pump là gì – vì sao 1 kWh điện có thể vận chuyển nhiều hơn 1 kWh nhiệt?

Ở bài trước, chúng ta đã thấy một điểm rất đặc biệt:

Điều hòa 2 chiều có thể dùng 1 kWh điện nhưng đưa vào phòng nhiều hơn 1 kWh nhiệt.

Nghe qua, điều này dễ khiến nhiều người nghĩ:

“Có phải máy tạo ra năng lượng nhiều hơn lượng điện nó dùng?”

Không phải vậy.

Bản chất là:

Heat Pump không dùng toàn bộ điện để tạo nhiệt. Nó dùng điện để vận chuyển nhiệt có sẵn từ môi trường bên ngoài vào trong phòng.

Đây chính là điểm cốt lõi cần hiểu về Heat Pump.

Heat Pump nghĩa là gì?

Heat Pump có thể hiểu đơn giản là:

Máy bơm nhiệt.

Giống như một máy bơm nước:

• không tạo ra nước;

• chỉ dùng năng lượng để chuyển nước từ nơi này sang nơi khác.

Heat Pump cũng tương tự:

• không tự tạo toàn bộ nhiệt;

• dùng điện để chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp hơn sang nơi cần nhiệt.

Trong chế độ sưởi:

Ngoài trời → nhiệt → trong phòng

Vì sao ngoài trời lạnh vẫn còn nhiệt để lấy?

Khi ngoài trời 5°C hay 10°C, chúng ta cảm thấy lạnh.

Nhưng không khí vẫn còn chứa rất nhiều năng lượng nhiệt.

Chỉ khi tiến gần tới độ không tuyệt đối thì vật chất mới gần như không còn năng lượng nhiệt.

Vì vậy, ở điều kiện mùa đông thông thường:

• không khí ngoài trời vẫn có nhiệt;

• môi chất lạnh vẫn có thể hấp thụ một phần nhiệt đó.

Điện được dùng vào đâu?

Điện trong Heat Pump dùng để vận hành:

• máy nén;

• quạt;

• bảng mạch;

• van;

• hệ thống điều khiển.

Phần điện này giúp chu trình lạnh hoạt động.

Nhờ đó, máy có thể:

• hấp thụ nhiệt ngoài trời;

• nâng nhiệt độ môi chất;

• truyền nhiệt vào phòng.

Do đó, tổng nhiệt đưa vào phòng có hai nguồn:

1. Điện năng cấp cho hệ thống

2. Nhiệt lấy từ môi trường bên ngoài

Vì sao 1 kWh điện có thể đưa vào phòng 3–4 kWh nhiệt?

Giả sử một Heat Pump có COP = 4.

Điều đó có nghĩa:

• dùng 1 kWh điện;

• đưa vào phòng khoảng 4 kWh nhiệt.

Trong đó có thể hiểu gần đúng:

• khoảng 1 kWh đến từ điện vận hành;

• khoảng 3 kWh còn lại được lấy từ môi trường.

Không có năng lượng nào được tạo ra từ hư không.

Năng lượng chỉ được:

thu từ bên ngoài → vận chuyển vào phòng.

COP là gì?

COP là viết tắt của:

Coefficient of Performance

Có thể hiểu đơn giản là:

Hệ số hiệu quả sưởi.

Công thức:

COP = Nhiệt hữu ích cung cấp / Điện năng tiêu thụ

Ví dụ:

• máy tiêu thụ 1 kWh điện;

• cung cấp 3,5 kWh nhiệt;

thì COP ≈ 3,5.

COP càng cao thì:

mỗi đơn vị điện vận chuyển được càng nhiều nhiệt hữu ích.

Vì sao COP có thể lớn hơn 1?

Bởi COP không phải là “hiệu suất chuyển điện thành nhiệt”.

Nếu chỉ xét điện trở:

• 1 kWh điện → khoảng 1 kWh nhiệt.

Nhưng với Heat Pump:

• điện chỉ là năng lượng vận hành hệ thống;

• còn nhiệt được lấy thêm từ môi trường.

Do đó:

COP > 1 là hoàn toàn bình thường.

Có phải Heat Pump vi phạm định luật bảo toàn năng lượng?

Không.

Ví dụ:

• 1 kWh điện cấp vào;

• 3 kWh nhiệt lấy từ ngoài trời;

tổng:

4 kWh năng lượng nhiệt đưa vào phòng.

Đây vẫn là:

1 + 3 = 4

Không có năng lượng nào tự sinh ra.

Chỉ là người dùng không trực tiếp trả tiền cho phần nhiệt lấy từ không khí ngoài trời.

Máy nén đóng vai trò gì?

Máy nén là bộ phận rất quan trọng.

Nó nén môi chất từ:

• áp suất thấp;

• nhiệt độ thấp;

lên:

• áp suất cao;

• nhiệt độ cao.

Sau đó môi chất nóng đi tới dàn trong nhà.

Tại đây, nó nhả nhiệt vào phòng.

Không có máy nén, Heat Pump không thể “nâng” nhiệt từ mức thấp ngoài trời lên mức cao đủ để sưởi phòng.

Môi chất lạnh giúp vận chuyển nhiệt như thế nào?

Môi chất lạnh liên tục thay đổi:

• áp suất;

• nhiệt độ;

• trạng thái lỏng – hơi.

Trong chế độ Heat:

Ngoài trời

Môi chất hấp thụ nhiệt và bay hơi.

Máy nén

Môi chất được nén lên nhiệt độ cao.

Trong phòng

Môi chất nhả nhiệt và ngưng tụ.

Sau tiết lưu

Áp suất giảm để chu trình bắt đầu lại.

Đây là một vòng tuần hoàn khép kín.

COP có cố định không?

Không.

COP thay đổi liên tục theo điều kiện vận hành.

Nó phụ thuộc vào:

• nhiệt độ ngoài trời;

• nhiệt độ trong phòng;

• nhiệt độ cài;

• tải sưởi;

• tốc độ máy nén;

• tình trạng dàn trao đổi nhiệt.

Vì vậy:

Không thể lấy một con số COP rồi áp dụng cho mọi thời điểm.

Vì sao trời càng lạnh COP càng dễ giảm?

Khi ngoài trời lạnh hơn:

• việc hấp thụ nhiệt khó hơn;

• chênh lệch nhiệt độ giữa ngoài trời và trong phòng lớn hơn;

• máy nén phải làm việc nhiều hơn.

Kết quả:

• điện tiêu thụ có thể tăng;

• lượng nhiệt lấy được từ ngoài trời giảm;

• COP giảm.

Do đó:

Heat Pump hiệu quả cao, nhưng hiệu quả thường giảm khi điều kiện ngoài trời khắc nghiệt hơn.

Defrost cũng ảnh hưởng COP

Khi trời lạnh và ẩm:

• dàn ngoài trời có thể đóng băng.

Máy phải thực hiện:

Defrost – xả băng

Trong thời gian này:

• một phần năng lượng dùng để làm tan băng;

• quá trình sưởi phòng bị gián đoạn tạm thời.

Nếu tính trung bình theo thời gian, COP thực tế sẽ thấp hơn so với lúc máy chỉ sưởi liên tục.

COP danh định và COP thực tế khác nhau

Catalogue thường công bố COP trong điều kiện thử tiêu chuẩn.

Trong thực tế:

• ngoài trời thay đổi;

• tải phòng thay đổi;

• máy chạy ở nhiều mức công suất khác nhau.

Do đó:

COP thực tế có thể cao hơn hoặc thấp hơn con số danh định tùy thời điểm.

Cần hiểu COP giống như EER ở chế độ lạnh:

• hữu ích để đánh giá;

• nhưng không phải con số cố định mọi lúc.

Vì sao Heat Pump Inverter có lợi thế?

Inverter giúp máy nén:

• thay đổi tốc độ;

• điều chỉnh công suất theo tải.

Khi phòng đã gần đạt nhiệt độ:

• máy có thể giảm công suất;

• không cần bật/tắt liên tục.

Nếu hệ thống được thiết kế tốt, điều này có thể giúp:

• duy trì nhiệt độ ổn định;

• tăng hiệu suất ở vùng tải phù hợp;

• giảm dao động.

Nhưng Heat Pump không phải lúc nào cũng có COP rất cao

Nếu:

• trời quá lạnh;

• dàn ngoài trời bẩn;

• máy thiếu công suất;

• dàn nóng bị chắn;

• Defrost xảy ra nhiều;

COP có thể giảm đáng kể.

Vì vậy, lợi thế của Heat Pump phụ thuộc vào:

điều kiện vận hành thực tế.

So sánh lại với máy sưởi điện

Máy sưởi điện

1 kWh điện:

→ khoảng 1 kWh nhiệt.

Heat Pump

1 kWh điện:

→ có thể đưa vào phòng nhiều hơn 1 kWh nhiệt.

Sự khác biệt nằm ở:

một bên tạo nhiệt trực tiếp, một bên vận chuyển thêm nhiệt từ môi trường.

Vì sao Heat Pump đặc biệt phù hợp khi sưởi lâu?

Nếu sử dụng:

• nhiều giờ;

• mỗi ngày;

• trong nhiều tháng;

phần chênh lệch hiệu suất sẽ tích lũy.

Ví dụ minh họa:

Nếu một căn phòng cần 12 kWh nhiệt mỗi ngày:

Máy sưởi điện

Có thể cần gần:

12 kWh điện

Heat Pump COP trung bình 3

Có thể cần khoảng:

4 kWh điện

Đây chỉ là ví dụ để hiểu nguyên lý, không phải dữ liệu cố định.

Nhưng nếu chỉ sưởi một người trong 20 phút thì sao?

Khi đó, máy sưởi điện cục bộ có thể hợp lý hơn.

Bởi:

• không cần làm ấm cả phòng;

• thiết bị bật nhanh;

• chỉ tập trung vào khu vực cần sưởi.

Vì vậy:

Hiệu suất cao không tự động có nghĩa luôn là lựa chọn tối ưu trong mọi nhu cầu.

Heat Pump càng phát huy giá trị khi phòng giữ nhiệt tốt

Nếu phòng thất thoát nhiệt lớn:

• Heat Pump vẫn phải chạy nhiều;

• điện năng vẫn cao.

Nếu:

• kính tốt;

• cửa kín;

• cách nhiệt ổn;

lượng nhiệt cần bổ sung giảm.

Khi đó Heat Pump có thể:

• giảm tải;

• chạy nhẹ hơn;

• duy trì COP tốt hơn.

Một cách hiểu dễ nhớ

Có thể hình dung:

Máy sưởi điện

Bạn dùng tiền điện để:

mua trực tiếp toàn bộ nhiệt.

Heat Pump

Bạn dùng tiền điện để:

trả “phí vận chuyển”, còn một phần lớn nhiệt được lấy miễn phí từ môi trường.

Đây là cách hiểu rất trực quan.

Vì sao Heat Pump được dùng ngày càng nhiều?

Bởi nó có thể:

• sưởi hiệu quả;

• giảm điện năng so với điện trở;

• làm lạnh vào mùa hè;

• sử dụng cùng một hệ thống quanh năm.

Đó là lý do Heat Pump được sử dụng rộng rãi trong:

• điều hòa 2 chiều;

• hệ thống sưởi trung tâm;

• máy nước nóng Heat Pump.

Khi đọc thông số Heat Pump cần nhìn gì?

Có thể quan tâm:

• công suất sưởi;

• công suất điện;

• COP;

• dải công suất;

• nhiệt độ ngoài trời cho phép;

• hiệu suất ở nhiệt độ thấp nếu hãng có công bố.

Không nên chỉ nhìn:

“Có chế độ Heat.”

Hai máy cùng có Heat nhưng khả năng sưởi thực tế có thể khác nhau.

Một lưu ý quan trọng về con số 3–4 lần

Không nên hiểu:

“Điều hòa nào cũng luôn cho COP 3–4.”

Thực tế có thể:

• cao hơn;

• thấp hơn;

tùy điều kiện.

Con số này chỉ giúp hiểu bản chất rằng:

Nhiệt hữu ích có thể lớn hơn điện năng tiêu thụ vì hệ thống lấy thêm nhiệt từ môi trường.

Chỉ cần nhớ

Heat Pump không tạo ra năng lượng từ hư không.

Nó hoạt động theo nguyên lý:

Dùng điện để vận chuyển nhiệt.

Vì vậy:

Điện năng

Nhiệt lấy từ môi trường

=

Nhiệt đưa vào phòng

Đây là lý do:

1 kWh điện có thể giúp hệ thống đưa vào phòng nhiều hơn 1 kWh nhiệt.

Chỉ số thể hiện điều này là:

COP.

Nhưng COP không cố định.

Nó thay đổi theo:

• thời tiết;

• tải sưởi;

• nhiệt độ cài;

• trạng thái vận hành.

Hiểu được điểm này sẽ giúp người dùng không còn thấy “Heat Pump hiệu suất trên 100%” là điều vô lý, mà hiểu đúng rằng:

Máy đang vận chuyển nhiệt chứ không chỉ chuyển điện thành nhiệt.

Tìm hiểu thêm

Nếu muốn hiểu sâu hơn về điều hòa 2 chiều và sưởi mùa đông, bạn có thể đọc thêm:

• Điều hòa 2 chiều sưởi ấm căn phòng bằng cách nào?

• Vì sao sưởi bằng điều hòa khác máy sưởi điện?

• Công suất sưởi và công suất điện khác nhau thế nào?

• Trời càng lạnh điều hòa sưởi có càng tốn điện không?

• Defrost là gì – tại sao đang sưởi máy lại dừng?

• Vì sao dàn nóng điều hòa chảy nước hoặc có hơi trắng khi sưởi?

• Vì sao gió điều hòa sưởi lúc mới bật chưa nóng ngay?

• Cài điều hòa sưởi 22°C, 24°C hay 28°C có gì khác?

• Điều hòa 2 chiều và máy sưởi điện – khi nào nên dùng loại nào?

• Nhà ở Hà Nội có nên mua điều hòa 2 chiều không?