Máy điều hòa và tủ lạnh không tạo ra “hơi lạnh”; chúng bơm nhiệt từ chỗ lạnh sang chỗ nóng. Một chất lỏng đặc biệt gọi là môi chất lạnh bay hơi ở dàn lạnh trong nhà, hút nhiệt của không khí trong phòng, rồi được máy nén ép lên áp suất cao và nhả nhiệt ở dàn nóng ngoài trời khi ngưng tụ trở lại thành lỏng. Vòng tuần hoàn khép kín này gọi là chu trình nén hơi.
Điểm đáng ngạc nhiên là một chiếc điều hòa tốt chuyển được lượng nhiệt gấp ba đến năm lần điện năng nó tiêu thụ. Điều này không vi phạm bảo toàn năng lượng: điện không biến thành lạnh, điện chỉ là công để “khiêng” nhiệt ngược dốc nhiệt độ. Tỷ số giữa nhiệt chuyển được và điện tiêu thụ, gọi là COP, bị giới hạn bởi chênh lệch nhiệt độ giữa trong và ngoài, và hiểu giới hạn đó là chìa khoá để dùng điều hòa tiết kiệm.
Bốn bộ phận và một vòng tuần hoàn môi chất
Mọi máy điều hòa không khí, tủ lạnh, máy bơm nhiệt đun nước nóng đều dùng cùng một vòng gồm bốn bộ phận. Theo dòng môi chất, bắt đầu từ dàn lạnh:
- Dàn bay hơi (dàn lạnh): môi chất ở áp suất thấp, nhiệt độ thấp hơn không khí phòng, đi trong các ống đồng có lá nhôm tản nhiệt. Quạt thổi không khí phòng qua dàn; môi chất hấp thụ nhiệt và sôi, chuyển từ lỏng sang hơi. Nhiệt hoá hơi lớn nên một lượng môi chất nhỏ hấp thụ được nhiều nhiệt mà nhiệt độ gần như không đổi.
- Máy nén: hút hơi môi chất áp suất thấp và nén lên áp suất cao. Nén làm hơi nóng lên, vượt nhiệt độ ngoài trời. Đây là bộ phận tiêu thụ phần lớn điện năng, và là nơi “công” được đưa vào chu trình.
- Dàn ngưng tụ (dàn nóng): hơi nóng áp suất cao đi qua dàn ngoài trời, quạt thổi không khí ngoài qua. Vì môi chất nóng hơn không khí ngoài, nhiệt truyền ra ngoài; môi chất ngưng tụ thành lỏng, nhả cả nhiệt hút từ phòng lẫn nhiệt tương đương công nén.
- Van tiết lưu (hoặc ống mao): môi chất lỏng áp suất cao đi qua một chỗ thắt, áp suất tụt mạnh, một phần môi chất bay hơi tức thì làm cả dòng lạnh xuống dưới nhiệt độ phòng. Môi chất trở lại dàn lạnh, chu trình lặp lại.
Nguyên lý nén hơi được Jacob Perkins đăng ký sáng chế ở Anh năm 1834; hệ thống điều hòa không khí hiện đại đầu tiên thường được gắn với Willis Carrier, người năm 1902 thiết kế hệ thống kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm cho một nhà in ở New York. Tủ lạnh trong bếp nhà bạn là cùng một vòng, chỉ khác dàn lạnh nằm trong khoang tủ và dàn nóng thường giấu ở lưng hoặc hai bên hông tủ, đó là lý do hông tủ ấm khi chạm vào.
Vì sao bơm nhiệt chuyển được nhiều nhiệt hơn điện tiêu thụ: COP và giới hạn Carnot
Định luật hai nhiệt động học nói nhiệt không tự chảy từ lạnh sang nóng; muốn làm vậy phải tốn công. Nhưng định luật không nói công phải bằng nhiệt chuyển. Hệ số hiệu quả (COP) của máy làm lạnh bằng nhiệt lấy khỏi phòng chia cho điện năng tiêu thụ. COP bằng 4 nghĩa là mỗi kWh điện chuyển được 4 kWh nhiệt ra ngoài, và dàn nóng thải tổng cộng 5 kWh.
Giới hạn trên do chu trình Carnot đặt ra: COP tối đa = T_lạnh / (T_nóng − T_lạnh), với nhiệt độ tính bằng kelvin. Điểm cần chú ý là nhiệt độ ở đây là nhiệt độ của môi chất, không phải của không khí. Ví dụ giả định: để phòng 27 °C, môi chất trong dàn lạnh cần sôi ở khoảng 10 °C (283 K) để nhiệt truyền đủ nhanh; ngoài trời 35 °C, môi chất trong dàn nóng cần ngưng tụ ở khoảng 45 °C (318 K). COP Carnot = 283 / 35 ≈ 8. Máy thực tế đạt khoảng một nửa con số này do tổn thất ở máy nén, van tiết lưu, quạt và truyền nhiệt.
Công thức chỉ ra hai đòn bẩy. Thứ nhất, chênh lệch nhiệt độ càng nhỏ thì COP càng cao. Hạ nhiệt độ đặt từ 26 xuống 22 °C buộc môi chất sôi ở nhiệt độ thấp hơn, mẫu số tăng, COP giảm, trong khi lượng nhiệt cần lấy ra cũng tăng vì nhiệt từ ngoài thấm vào nhiều hơn. Hai hiệu ứng nhân nhau, nên mỗi độ đặt thấp hơn tốn điện nhiều hơn tưởng tượng. Thứ hai, dàn trao đổi nhiệt lớn hơn cho phép môi chất làm việc gần nhiệt độ không khí hơn, thu hẹp chênh lệch. Một phần lý do máy hiệu suất cao có dàn to và đắt hơn chính là vậy.
Cùng nguyên lý chạy ngược là máy bơm nhiệt sưởi và bình nước nóng bơm nhiệt: lấy nhiệt từ không khí ngoài trời (kể cả khi trời mát) đưa vào nước hoặc vào phòng, với COP thường từ 3 trở lên, nghĩa là tốn điện chỉ bằng một phần ba so với thanh điện trở đốt nóng trực tiếp.
Máy nén inverter khác máy thường ở đâu
Máy thường chỉ có hai trạng thái. Máy nén tốc độ cố định chạy hết công suất cho đến khi phòng đạt nhiệt độ đặt, rồi tắt hẳn, đợi phòng ấm lên vài độ mới bật lại. Nhiệt độ phòng dao động, và mỗi lần khởi động máy nén tốn dòng khởi động lớn và mất một khoảng thời gian chạy kém hiệu quả trước khi áp suất ổn định.
Inverter điều chỉnh tốc độ liên tục. Bộ biến tần thay đổi tần số điện cấp cho mô-tơ máy nén, cho nó quay nhanh khi phòng còn nóng và chậm dần khi gần nhiệt độ đặt, duy trì công suất làm lạnh bằng đúng lượng nhiệt thấm vào phòng.
Lợi ích lớn nhất nằm ở tải từng phần. Khi máy nén chạy chậm, lưu lượng môi chất nhỏ đi trong khi dàn trao đổi nhiệt vẫn to như cũ. Dàn “dư” diện tích so với lượng nhiệt cần chuyển, nên môi chất làm việc gần nhiệt độ không khí hơn, chênh lệch nhiệt độ giảm, COP tăng. Đây là lý do máy inverter tiết kiệm nhiều nhất khi chạy lâu ở tải vừa phải, ví dụ để qua đêm.
Chỉ số mùa phản ánh đúng hơn chỉ số tức thời. Vì hiệu quả thay đổi theo tải và nhiệt độ ngoài trời, các tiêu chuẩn dán nhãn năng lượng hiện nay dùng chỉ số hiệu suất theo mùa (như CSPF) tính trên phân bố nhiệt độ cả năm, thay vì một điểm đo ở điều kiện danh định. Khi so hai máy cùng công suất, chỉ số mùa là thông số đáng tin hơn.
Inverter không phải lúc nào cũng thắng. Phòng chỉ dùng vài chục phút, đóng mở cửa liên tục, hay máy chọn công suất quá nhỏ so với phòng khiến máy nén luôn chạy tối đa, đều làm lợi thế của inverter thu hẹp.
Hút ẩm: nửa kia của việc làm mát ở khí hậu Việt Nam
Dàn lạnh làm việc ở nhiệt độ thấp hơn điểm sương của không khí phòng, nên hơi nước ngưng tụ trên lá tản nhiệt và chảy ra ống thoát nước. Một chiếc điều hòa trong mùa nồm ẩm miền Bắc hay mùa mưa miền Nam có thể thải ra vài lít nước mỗi ngày. Năng lượng dùng để ngưng tụ hơi nước, gọi là tải ẩn, không làm giảm nhiệt độ nhưng chiếm một phần đáng kể công suất máy ở khí hậu nóng ẩm.
Cảm giác dễ chịu phụ thuộc cả nhiệt độ lẫn độ ẩm, vì mồ hôi bay hơi chậm khi không khí ẩm. Phòng 28 °C với độ ẩm vừa phải có thể dễ chịu hơn phòng 26 °C rất ẩm. Chế độ hút ẩm (dry) cho quạt dàn lạnh chạy chậm để không khí tiếp xúc lâu với dàn lạnh, ngưng tụ được nhiều nước hơn trong khi nhiệt độ phòng giảm ít.
Hai sai lầm hay gặp liên quan đến độ ẩm. Một là chọn máy công suất quá lớn so với phòng: máy làm lạnh nhanh rồi ngắt (hoặc chạy rất chậm), chưa kịp hút ẩm, để lại cảm giác lạnh mà nhớp. Hai là bỏ bê vệ sinh: lá tản nhiệt và máng nước luôn ẩm ướt là môi trường cho nấm mốc và vi khuẩn phát triển, gây mùi và giảm lưu lượng gió, buộc máy chạy lâu hơn.
Tủ lạnh có vấn đề tương tự theo kiểu khác: hơi ẩm trong khoang đóng băng trên dàn lạnh thành tuyết, làm giảm truyền nhiệt. Tủ không đóng tuyết giấu dàn lạnh sau vách, dùng quạt thổi khí lạnh vào khoang và định kỳ bật điện trở xả đá tự động.
Môi chất lạnh qua các thế hệ: từ tầng ozon đến khí nhà kính
Môi chất lý tưởng phải có nhiệt độ sôi phù hợp ở áp suất hợp lý, nhiệt hoá hơi lớn, bền, không độc, khó cháy, và không hại môi trường. Không chất nào hội đủ, nên lịch sử môi chất là chuỗi đánh đổi.
| Thế hệ | Ví dụ | Ưu điểm | Vấn đề |
|---|---|---|---|
| Môi chất tự nhiên đời đầu | Amoniac, sulfur dioxide, methyl chloride | Hiệu quả nhiệt động tốt | Độc hoặc dễ cháy, tai nạn rò rỉ trong gia đình |
| CFC | R12 (tủ lạnh đời cũ) | Không độc, không cháy, rất bền | Phá huỷ tầng ozon; bị loại bỏ theo Nghị định thư Montreal (1987) |
| HCFC | R22 (điều hòa đời cũ) | Ít hại ozon hơn nhiều | Vẫn hại ozon và là khí nhà kính mạnh; đang bị loại dần |
| HFC | R410A, R134a | Không hại ozon | Tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP) cao gấp hàng nghìn lần CO2; bị cắt giảm theo Bản sửa đổi Kigali (2016) |
| HFC GWP thấp hơn | R32 | GWP khoảng một phần ba R410A, hiệu quả tốt, nạp ít hơn | Cháy nhẹ, cần tiêu chuẩn lắp đặt phù hợp |
| Môi chất tự nhiên đời mới | R290 (propane), R600a (isobutane), CO2 | GWP rất thấp | Hydrocarbon dễ cháy nên giới hạn lượng nạp; CO2 cần áp suất rất cao |
Hầu hết điều hòa gia dụng bán ở Việt Nam hiện nay dùng R32, còn tủ lạnh nhiều dòng dùng R600a. Với môi chất dễ cháy, thợ lắp đặt và sửa chữa cần được đào tạo đúng quy trình; tự nạp gas hoặc hàn ống tại nhà là không an toàn.
Dùng điều hòa hiệu quả: những gợi ý suy ra từ nguyên lý
Mỗi gợi ý dưới đây tương ứng với một yếu tố trong công thức COP hoặc tải nhiệt của phòng.
- Đặt nhiệt độ vừa phải và dùng quạt trần, quạt đứng hỗ trợ: gió làm tăng bay hơi mồ hôi, cho phép đặt cao hơn vài độ mà vẫn dễ chịu. Theo công thức COP, mỗi độ chênh thu hẹp đều có lợi kép.
- Giữ dàn nóng mát và thoáng: dàn nóng đặt trong hộp kín, sát tường hướng tây hay cục nóng nhà này thổi thẳng vào cục nóng nhà kia làm nhiệt độ ngưng tụ tăng, COP giảm và máy có thể tự ngắt bảo vệ. Ở chung cư và nhà ống, vị trí dàn nóng là quyết định lắp đặt quan trọng nhất.
- Vệ sinh lưới lọc và dàn trao đổi nhiệt định kỳ: bụi làm giảm lưu lượng gió và cản truyền nhiệt, buộc chênh lệch nhiệt độ tăng.
- Giảm tải nhiệt của phòng: rèm chắn nắng, cách nhiệt mái, đóng kín cửa. Nhiệt không vào phòng là nhiệt không phải bơm ra.
- Chọn công suất phù hợp diện tích và hướng phòng: quá nhỏ thì chạy tối đa liên tục, quá lớn thì hút ẩm kém và tốn tiền đầu tư.
- Bật tắt hợp lý với máy inverter: rời phòng vài chục phút thì để máy chạy ở nhiệt độ cao hơn thường hợp lý hơn tắt hẳn rồi bật lại hạ nhiệt toàn bộ khối tường, đồ đạc đã nóng; rời phòng nhiều giờ thì tắt.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao dàn nóng vẫn quay khi điều hòa đang chạy chế độ sưởi?
Ở chế độ sưởi, van đảo chiều bốn ngả đổi hướng dòng môi chất: dàn trong nhà thành dàn ngưng tụ nhả nhiệt, dàn ngoài trời thành dàn bay hơi hút nhiệt từ không khí ngoài. Quạt dàn ngoài vẫn cần chạy để thổi không khí qua dàn bay hơi. Khi trời lạnh ẩm, dàn ngoài có thể đóng băng và máy định kỳ đảo chiều ngắn để xả băng.
Máy điều hòa có thể làm nóng thêm thành phố không?
Có ở quy mô cục bộ. Mọi nhiệt lấy khỏi nhà cộng điện năng tiêu thụ đều được thải ra ngoài trời, làm không khí quanh các dãy dàn nóng ấm hơn và góp phần vào hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Ngoài ra, điện sản xuất từ nhiên liệu hoá thạch và môi chất rò rỉ góp phần vào biến đổi khí hậu, một vòng phản hồi khiến nhu cầu làm mát tăng.
Một mã lực trên điều hòa có nghĩa là gì?
Trên điều hòa gia dụng, ngựa hay HP là cách gọi quen thuộc cho công suất làm lạnh khoảng 9.000 BTU mỗi giờ, xấp xỉ 2,6 kW nhiệt, không phải công suất điện của máy nén. Với COP khoảng 3 đến 4, máy một ngựa tiêu thụ chỉ khoảng 0,7 đến 0,9 kW điện khi chạy hết công suất.
Vì sao điều hòa nhỏ nước vào trong phòng?
Nước ngưng tụ trên dàn lạnh phải chảy theo máng và ống thoát ra ngoài. Khi ống thoát bị tắc bởi bụi, rêu, hay lắp đặt không đủ dốc, nước tràn khỏi máng. Dàn lạnh bẩn hoặc thiếu gas cũng có thể làm dàn đóng băng rồi tan chảy ồ ạt. Vệ sinh máng và kiểm tra độ dốc ống thường giải quyết được.
Tủ lạnh để gần tường hoặc gần bếp có tốn điện hơn không?
Có. Tủ lạnh thải nhiệt qua dàn ngưng ở lưng hoặc hông tủ; thiếu khoảng trống thông gió hay đặt cạnh nguồn nhiệt làm nhiệt độ ngưng tụ tăng và COP giảm, máy nén chạy lâu hơn. Nên để khoảng hở theo hướng dẫn của nhà sản xuất và tránh ánh nắng trực tiếp chiếu vào tủ.
Có thật làm mát bằng bay hơi nước rẻ hơn điều hòa không?
Quạt hơi nước làm mát nhờ nước bay hơi hấp thụ nhiệt, tốn rất ít điện, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào độ ẩm không khí. Ở vùng khô, nó hạ nhiệt độ rõ rệt; ở khí hậu nóng ẩm như phần lớn Việt Nam vào mùa hè, không khí gần bão hoà nên hiệu quả hạn chế và còn làm phòng ẩm thêm.