Cấu tạo và nguyên lý máy nước nóng trung tâm Heat Pump

Máy nước nóng trung tâm heat pump không đun nước bằng điện trở. Máy chuyển nhiệt sẵn có trong không khí vào nước, còn điện chỉ dùng để chạy máy nén và quạt gió. Một kilôoát điện đổi được ba đến bốn kilôoát nhiệt, và toàn bộ phần chênh lệch đó lấy từ không khí ngoài trời.

Mục lục

• Máy nước nóng trung tâm heat pump là gì
• Cấu tạo: hai khối và bốn bộ phận
• Nguyên lý hoạt động: bốn bước của một vòng tuần hoàn
• Vì sao môi chất là CO2 chứ không phải gas lạnh thường
• Bình chứa và cách nước nóng xếp lớp
• Đọc con số hiệu suất cho đúng
• Các loại máy trên thị trường Nhật
• Các hãng Nhật nội địa và công nghệ riêng
• Điều kiện dùng ở Việt Nam
• Năm điểm hay nhầm
• Các model đang bán tại Kanto
• Hỏi đáp

Máy nước nóng trung tâm heat pump là gì

Máy nước nóng trung tâm heat pump là thiết bị đun nước bằng cách bơm nhiệt từ không khí ngoài trời vào nước, gồm một cụm bơm nhiệt đặt ngoài trời và một bình chứa nước nóng đặt cạnh, cấp nước nóng cho toàn bộ các điểm dùng trong nhà qua một mạng ống chung.

Chữ “trung tâm” nằm ở chỗ một máy phục vụ cả nhà. Bình nóng lạnh thường gắn từng phòng tắm, mỗi phòng một máy, mỗi máy một đường điện. Máy trung tâm đun sẵn một khối nước nóng vào ban đêm rồi phân phối tới bếp, các phòng tắm và khu giặt qua đường ống.

Nhật Bản gọi nhóm máy này là máy nước nóng bơm nhiệt gia dụng và tiêu chuẩn hóa năm 2011 bằng JIS C 9220, tiêu chuẩn Nhật quy định phương pháp thử và cách công bố hiệu suất của máy nước nóng bơm nhiệt gia dụng. Corona bán chiếc máy thương mại đầu tiên trên thế giới vào tháng 4 năm 2001. Denso giữ nhóm bằng sáng chế cơ bản của chu trình. Tới tháng 6 năm 2020, tổng lượng máy xuất xưởng tại Nhật vượt bảy triệu bộ.

Cấu tạo: hai khối và bốn bộ phận

Một bộ máy gồm hai khối rời, nối với nhau bằng hai ống môi chất, một dây điều khiển và đường nước.

Cụm bơm nhiệt

Đặt ngoài trời, hình dáng và kích thước gần giống dàn nóng điều hòa. Bên trong là bốn bộ phận nối thành một vòng kín chứa môi chất CO2.

• Máy nén — ép môi chất từ áp suất thấp lên áp suất cao. Đây là bộ phận tiêu thụ phần lớn lượng điện của máy.
• Dàn trao đổi nhiệt với không khí — dàn ống lá nhôm, có quạt thổi qua. Môi chất trong dàn lạnh hơn không khí nên nhiệt đi từ không khí sang môi chất.
• Bộ trao đổi nhiệt nước — hai đường ống lồng nhau hoặc áp sát nhau, một đường chạy môi chất nóng, một đường chạy nước. Nhiệt đi từ môi chất sang nước tại đây.
• Van tiết lưu — hạ áp suất môi chất xuống mức thấp để môi chất lạnh trở lại và tiếp tục hút được nhiệt của không khí.

Kích thước cụm bơm nhiệt của ba hãng đang bán tại Kanto nằm trong khoảng 635 x 800 x 285 mm tới 672 x 825 x 300 mm, khối lượng 43 tới 53 kg.

Bình chứa nước nóng

Một bình thép không gỉ bọc cách nhiệt, có đầu vào nước máy ở đáy, đầu ra nước nóng ở đỉnh, và hai đầu nối chạy vòng qua cụm bơm nhiệt. Dọc thân bình gắn một dãy cảm biến nhiệt độ. Corona ghi bảy cảm biến trên dòng máy của hãng.

Chiều cao bình quyết định vị trí lắp. Bình 370 lít cao 1.825 mm, bình 460 lít cao 2.175 mm, cùng rộng 630 mm và sâu 730 mm. Bình dạng dẹt đổi chiều: Panasonic HE-H37KQS cao 1.843 mm, rộng 1.078 mm và chỉ sâu 440 mm, lọt được vào hành lang hông nhà mà bình vuông không vào nổi.

Nguyên lý hoạt động: bốn bước của một vòng tuần hoàn

Nhiệt tự đi từ chỗ nóng sang chỗ lạnh. Bơm nhiệt tạo ra chênh lệch nhiệt độ theo ý muốn bằng cách nén và giãn nở một chất khí, nhờ đó lấy được nhiệt của không khí 25 độ C và đẩy nó vào khối nước 80 độ C.

Bước 1 — hút nhiệt

Quạt kéo không khí ngoài trời qua dàn trao đổi nhiệt. Môi chất trong dàn ở áp suất thấp khoảng 3 MPa, nhiệt độ thấp hơn không khí. Nhiệt đi từ không khí sang môi chất, không khí thổi ra lạnh hơn không khí hút vào vài độ.

Bước 2 — nén

Máy nén ép môi chất lên áp suất trên 10 MPa. Nén khí làm khí nóng lên, và nhiệt độ khí ra khỏi máy nén đạt khoảng 90 độ C. Máy nén của máy nước nóng bơm nhiệt dùng kết cấu nén hai cấp để chịu chênh áp lớn giữa hai phía.

Bước 3 — nhả nhiệt

Môi chất nóng chạy trong bộ trao đổi nhiệt nước. Nước từ đáy bình chứa được bơm chạy ngược chiều với môi chất trong bộ trao đổi này. Nhiệt đi từ môi chất sang nước, môi chất nguội dần trên suốt chiều dài đường ống.

Bước 4 — giãn nở

Van tiết lưu hạ áp suất môi chất từ trên 10 MPa xuống khoảng 3 MPa. Khí giãn nở thì lạnh đi, và môi chất trở về đủ lạnh để lại hút được nhiệt của không khí ở bước 1.

Daikin EQN46YV cho công suất nhiệt 6 kW với công suất điện tiêu thụ 1,5 kW. Bốn kilôoát nhiệt trong đó lấy từ không khí.

Vì sao môi chất là CO2 chứ không phải gas lạnh thường

CO2 có điểm tới hạn ở 31,1 độ C và 7,38 MPa. Máy chạy phía cao áp trên 10 MPa, tức trên áp suất tới hạn, nên CO2 không ngưng tụ thành lỏng mà chỉ nguội dần trong lúc nhả nhiệt. Chu trình đó gọi là chu trình siêu tới hạn, và chính nó cho phép đun nước tới 90 độ C.

Gas lạnh thường nhả nhiệt bằng cách ngưng tụ

Gas lạnh nhóm R410A hay R32 nhả nhiệt bằng cách chuyển từ khí sang lỏng. Trong suốt quá trình ngưng tụ, nhiệt độ giữ gần như không đổi. Nước chạy ngược chiều chỉ có thể nóng lên tới sát nhiệt độ ngưng tụ đó rồi dừng, và trên máy gia dụng mức đó nằm ở 55 tới 60 độ C.

CO2 nhả nhiệt bằng cách nguội dần

Ở áp suất trên 7,38 MPa, CO2 không còn ranh giới giữa lỏng và khí. Khi nhả nhiệt, CO2 không ngưng tụ mà tụt nhiệt độ liên tục từ khoảng 90 độ C xuống gần nhiệt độ nước cấp. Ghép ngược dòng với dòng nước, đường nhiệt độ môi chất nằm trên đường nhiệt độ nước ở mọi điểm, nên nước ra đạt được nhiệt độ sát với nhiệt độ khí ra khỏi máy nén.

Nước nóng hơn là nhiệt tích được nhiều hơn trong cùng một bình

Một lít nước ở 90 độ C cho ra nhiều nước ấm 40 độ C hơn hẳn một lít nước ở 55 độ C, vì nước nóng được pha loãng với nước lạnh trước khi ra vòi. Với nước cấp 25 độ C, phần nhiệt dùng được của nước 90 độ C là 65 độ, của nước 55 độ C là 30 độ — hơn gấp đôi trên cùng một thể tích bình.

Điểm tới hạn thấp của CO2 vừa là điều kiện để có chu trình siêu tới hạn, vừa là lý do máy phải chịu áp suất cao. Áp suất làm việc trên 10 MPa gấp ba tới bốn lần máy điều hòa thông thường, và đó là chỗ khó của kết cấu máy nén cùng đường ống.

Bình chứa và cách nước nóng xếp lớp

Nước nóng nhẹ hơn nước lạnh nên nổi lên trên. Bình chứa để nguyên hiện tượng đó thay vì khuấy trộn, và một ranh giới nhiệt độ nằm ngang chia bình thành lớp nóng ở trên với lớp lạnh ở dưới.

Lúc đun, bơm hút nước từ đáy bình, đẩy qua bộ trao đổi nhiệt trong cụm bơm nhiệt và trả về đỉnh bình ở 65 tới 90 độ C. Nước nóng nằm đè lên nước lạnh, ranh giới tụt dần xuống cho tới khi cả bình đầy nước nóng.

Lúc dùng, nước nóng ra từ đỉnh bình, nước máy bù vào đáy bình, ranh giới dâng lên. Van pha trộn ở đầu ra trộn nước nóng với nước máy để hạ xuống nhiệt độ đặt trước khi tới vòi.

Bình bọc cách nhiệt bằng vật liệu chân không và bọt xốp. Lớp cách nhiệt không giữ được toàn bộ nhiệt: khối nước đun xong ban đêm nguội dần trong ngày, và phần nguội đi đó là lý do hiệu suất tính cả năm luôn thấp hơn hệ số hiệu suất đo tức thời.

Đọc con số hiệu suất cho đúng

Hệ số hiệu suất COP là công suất nhiệt chia cho công suất điện, đo tại một bộ điều kiện cố định. Hiệu suất cả năm là lượng nhiệt cấp được chia cho lượng điện tiêu thụ trong cả năm, tính cả tổn thất nhiệt của bình chứa. Hai con số không thay thế nhau.

Nhật công bố hệ số COP cho các đời máy từ 2001 tới 2005. Từ 2006 chuyển sang thước hiệu suất cả năm, và từ 2012 dùng bộ thước của JIS C 9220. Con số trên catalogue đời mới vì vậy nhỏ hơn con số trên catalogue đời cũ dù máy chạy tốt hơn.

Máy chỉ cấp nước nóng và máy tự động hoàn toàn dùng hai thước khác nhau, nên hai con số không đặt cạnh nhau để so. Daikin dòng chỉ cấp nước nóng ghi hiệu suất cấp nước nóng cả năm 3,5. Panasonic HE-H37KQS thuộc nhóm tự động hoàn toàn bình dẹt, ghi hiệu suất cấp nước nóng và giữ ấm cả năm 2,8 — con số này đã cộng phần giữ ấm bồn tắm và chịu thêm tổn thất của bình dẹt vốn có diện tích vỏ lớn hơn bình vuông cùng dung tích.

Các loại máy trên thị trường Nhật

Theo chức năng với bồn tắm

Theo cách đưa nước ra vòi

Đây là chỗ quyết định lực nước ở vòi sen, và là điểm khác nhau lớn nhất giữa các hãng.

Kiểu giảm áp lấy thẳng nước nóng trong bình rồi trộn với nước máy. Bình chứa không chịu được áp lực nguyên của đường nước nên nước cấp phải qua van giảm áp. Áp lực ra vòi nằm trong khoảng 170 tới 400 kPa tùy dòng máy. Nước trong bình đun nóng nhiều giờ nên clo dư bay hết, và luật Nhật xếp nước này ngoài nhóm nước uống.

Kiểu trực áp nước máy giữ nước trong bình thành một vòng riêng, chỉ dùng để cấp nhiệt. Nước máy chạy thẳng qua một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và nóng lên tức thời trên đường ra vòi. Áp lực giữ nguyên mức 500 kPa của đường nước cấp, và nước ra vòi là nước máy nên uống được. Hitachi đưa cách này vào máy gia dụng năm 2006.

Theo hình dáng bình chứa

• Bình vuông — mặt bằng khoảng 630 x 730 mm, cao 1,8 tới 2,2 m. Dạng phổ biến nhất, cách nhiệt tốt nhất trên cùng dung tích.
• Bình dẹt — sâu 440 mm, bù lại rộng hơn 1 m. Dùng khi lối đi bên hông nhà hẹp. Diện tích vỏ lớn hơn nên tổn thất nhiệt cao hơn.
• Bình gọn — dung tích 180 tới 300 lít, thấp hơn, dùng cho nhà ít người hoặc chỗ đặt bị khống chế chiều cao.

Theo dung tích

Cách chia này tính theo nếp sinh hoạt Nhật, trong đó mỗi nhà xả một bồn tắm khoảng 180 lít mỗi ngày và cả nhà dùng chung bồn đó. Nhà Việt Nam tắm vòi sen, phần bồn tắm không có, nên cùng số người thì lượng nước nóng dùng ít hơn.

Các hãng Nhật nội địa và công nghệ riêng

Sáu hãng chia phần lớn thị trường máy nước nóng bơm nhiệt gia dụng tại Nhật. Cấu tạo cốt lõi và chu trình CO2 giống nhau; khác nhau nằm ở áp lực cấp nước, cách giữ sạch nước bồn tắm và cách điều khiển lịch đun.

Điều kiện dùng ở Việt Nam

Điện một pha 200V cắm thẳng lưới 220V

Máy nội địa Nhật chạy điện một pha 200V, dải làm việc trải tới 220V. Điện lưới Việt Nam 220V nằm trong dải đó nên máy cắm thẳng, không cần bộ hạ áp. Bảy mã đang bán tại Kanto đều thuộc nhóm 200V này.

Phần phải chuẩn bị là đường điện. Máy nén chạy liên tục nhiều giờ mỗi đêm ở công suất 0,9 tới 1,5 kW, nên cụm bơm nhiệt cần một đường dây riêng kéo từ tủ điện và một aptomat riêng, không đấu chung với ổ cắm sinh hoạt.

Giá điện Việt Nam không có khung giờ đêm

Máy Nhật đặt lịch đun ban đêm vì Nhật có biểu giá điện đêm rẻ cho hộ dùng điện toàn phần. Biểu giá điện sinh hoạt Việt Nam chia theo bậc lũy tiến và không phân biệt giờ, nên phần tiết kiệm ở Việt Nam đến hoàn toàn từ hệ số hiệu suất chứ không từ khung giờ.

Bù lại, biểu bậc thang khiến lượng điện cắt được rơi vào bậc đắt nhất trong hóa đơn. Bậc 4 từ 401 tới 700 kWh có giá 3.570 đồng mỗi kWh, bậc 5 từ 701 kWh trở lên có giá 3.967 đồng mỗi kWh, cả hai chưa gồm thuế giá trị gia tăng.

Không khí nóng quanh năm nâng hiệu suất thực

Con số hiệu suất trên catalogue Nhật đo với không khí ngoài trời 16 độ C và nước cấp 17 độ C. Không khí Việt Nam trên 25 độ C gần như cả năm và nước máy khoảng 27 độ C. Cả hai điều kiện đều thuận cho bơm nhiệt: không khí ấm hơn thì môi chất hút nhiệt dễ hơn, nước cấp ấm hơn thì quãng nhiệt độ phải nâng ngắn hơn. Hiệu suất thực ở Việt Nam nằm trên con số công bố.

Chất lượng nước cấp

Hãng Nhật giới hạn nước cấp là nước máy đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt. Nước giếng và nước ngầm nằm ngoài phạm vi bảo hành trên phần lớn dòng máy. Canxi và magiê trong nước cứng bám thành cặn trong bộ trao đổi nhiệt nước và làm tụt dần công suất; nước có sắt hòa tan gây ố; cát và bùn lắng trong bình. Hitachi có dòng riêng chịu được nước độ cứng cao.

Vị trí đặt cụm bơm nhiệt

Máy nén chạy liên tục nhiều giờ và phát tiếng ở dải tần thấp. Tiếng tần thấp truyền qua tường và qua nền tốt hơn tiếng tần cao. Tại Nhật, khiếu nại về tiếng máy nước nóng bơm nhiệt chạy đêm đã thành đối tượng điều tra và có kết luận năm 2014. Độ ồn công bố của các mã đang bán tại Kanto là 38 tới 43 dB, đo ở khoảng cách tiêu chuẩn của hãng. Cụm bơm nhiệt nên tránh đặt sát vách phòng ngủ của nhà mình và của nhà bên.

Nền đặt bình chứa

Bình 460 lít đầy nước nặng khoảng 524 kg dồn trên diện tích 630 x 730 mm. Vị trí đặt cần nền cứng và phẳng, có chân đế và bắt bu lông neo theo hướng dẫn của hãng.

Năm điểm hay nhầm

Các model đang bán tại Kanto

Danh mục máy nước nóng trung tâm bơm nhiệt hiện có 7 mã của ba hãng. Sáu mã Daikin và Mitsubishi Electric thuộc nhóm chỉ cấp nước nóng, bình vuông; một mã Panasonic thuộc nhóm tự động hoàn toàn, bình dẹt.

Cả bảy mã chạy điện một pha 200V, độ ồn công bố 38 tới 43 dB, bảo hành 24 tháng.

Hỏi đáp

Máy nước nóng trung tâm heat pump khác bình nóng lạnh thường ở đâu?

Bình nóng lạnh thường đun bằng điện trở, một kilôoát điện cho một kilôoát nhiệt. Máy bơm nhiệt chuyển nhiệt từ không khí vào nước, một kilôoát điện cho ba tới bốn kilôoát nhiệt. Bình nóng lạnh gắn từng phòng tắm, máy bơm nhiệt cấp cho cả nhà qua một mạng ống.

Máy điện 200V của Nhật cắm vào điện 220V Việt Nam được không?

Được, cắm thẳng. Máy một pha 200V nội địa Nhật có dải làm việc trải tới 220V, và điện lưới Việt Nam nằm trong dải đó nên không cần bộ hạ áp. Thứ cần chuẩn bị là một đường dây riêng và một aptomat riêng cho cụm bơm nhiệt, vì máy nén chạy liên tục nhiều giờ mỗi đêm.

Máy có chạy được khi trời lạnh không?

Có. Bản tiêu chuẩn của các hãng Nhật làm việc tới không khí âm 10 độ C, bản cho vùng lạnh tới âm 25 độ C. Hiệu suất tụt khi không khí lạnh đi vì môi chất khó hút nhiệt hơn. Điều kiện Việt Nam nằm cách xa vùng làm việc khó này.

Máy đun một bình đầy mất bao lâu?

Bình 370 lít có công suất nhiệt 4,5 kW, bình 460 lít có 6 kW. Nâng 370 lít từ 27 lên 80 độ C cần khoảng 22,8 kWh nhiệt, tức khoảng 5 giờ ở công suất 4,5 kW. Máy đun rải trong đêm nên thời gian này nằm gọn trong khung giờ ngủ.

Nước trong bình có uống được không?

Nước trong bình của máy kiểu giảm áp giữ ở nhiệt độ cao nhiều giờ nên clo dư bay hết, và luật Nhật xếp ngoài nhóm nước uống. Máy kiểu trực áp nước máy cho nước ra vòi là nước máy đun tức thời, uống được. Sáu mã Daikin và Mitsubishi Electric đang bán tại Kanto thuộc kiểu giảm áp.

Máy có cần bảo dưỡng gì định kỳ?

Bình chứa cần xả cặn đáy theo chu kỳ hãng ghi trong sách hướng dẫn. Van an toàn cần kiểm tra hoạt động. Dàn trao đổi nhiệt của cụm bơm nhiệt cần làm sạch lá tản nhiệt khi bám bụi. Bộ lọc đường nước cấp cần vệ sinh, và ở khu vực nước nhiều cặn thì chu kỳ ngắn hơn.

Có dùng chung với điện mặt trời được không?

Được. Các dòng đời mới có chế độ chuyển lịch đun sang ban ngày để tiêu thụ phần điện mặt trời dư thay vì phát ngược lên lưới. Panasonic và Daikin đều có chế độ này trên các dòng đang bán tại Nhật.

Máy chiếm bao nhiêu diện tích lắp đặt?

Cụm bơm nhiệt khoảng 0,8 x 0,3 m mặt bằng, đặt ngoài trời cần chừa khoảng trống trước mặt quạt để không khí thoát. Bình vuông chiếm 0,63 x 0,73 m và cao tới 2,18 m ở bản 460 lít. Bình dẹt chỉ sâu 0,44 m nhưng rộng 1,08 m.

Vì sao máy đun tới 90 độ C rồi lại pha xuống 40 độ C?

Đun nóng hơn là tích được nhiều nhiệt hơn trong cùng thể tích bình. Với nước cấp 27 độ C, một lít nước 80 độ C pha ra khoảng hai lít rưỡi nước ấm 40 độ C. Van pha trộn ở đầu ra hạ nhiệt độ xuống mức đặt trước khi nước tới vòi.