Máy bơm nhiệt

Nhiệt độ có thể hiểu là mức độ tập trung của nhiệt năng trong một chất hay không gian bất kỳ. Nếu rất nhiều năng lượng bị dồn vào một không gian hay vật thể cụ thể, nó sẽ nóng. Nếu năng lượng phân tán tương đối rộng, nó sẽ lạnh.

Nhiệt độ cao hơn nghĩa là các phân tử của một chất có nhiều động năng hơn - tức là chúng rung nhanh hơn trong chất rắn, hoặc di chuyển nhanh hơn và va chạm thường xuyên hơn trong chất lỏng hay chất khí. Khi chúng rung hoặc va chạm, ta cảm nhận động năng này là nhiệt năng (tức là nhiệt). Vì vậy, nhiệt độ có thể tăng bằng cách chủ động bổ sung thêm năng lượng từ nguồn bên ngoài hoặc tập trung năng lượng đó bằng cách ép (thêm) các phân tử vào không gian nhỏ hơn.

Theo các định luật nhiệt động lực học cơ bản của vũ trụ, năng lượng luôn có xu hướng phân tán hoặc di chuyển từ nơi có nồng độ năng lượng cao sang nơi có nồng độ thấp, cho đến khi mọi thứ cân bằng và đồng đều (điều này gọi là Entropy - xem Video khác). Đó là lý do vào ngày lạnh, nhiệt năng thoát từ ngôi nhà ấm ra ngoài trời lạnh. Lớp cách nhiệt có thể làm chậm sự truyền nhiệt này, nhưng máy bơm nhiệt đảo ngược hẳn quá trình truyền nhiệt nhờ vận dụng khéo léo các nguyên lý đó và một chất lỏng đặc biệt có áp suất gọi là môi chất lạnh.

Điều khiến môi chất lạnh đặc biệt hữu ích ở đây là ta có thể dễ dàng thay đổi điểm sôi của chúng.

Điểm sôi

Hãy tìm hiểu khoa học về điểm sôi. Sôi là quá trình chất lỏng bay hơi thành chất khí, khi các phân tử nhận đủ động năng để thoát khỏi lực liên phân tử giữ chất lỏng lại với nhau. Trong chất lỏng, các lực này liên tục bị phá vỡ rồi hình thành lại, cho phép các phân tử lướt qua nhau. Biến chất lỏng thành chất khí cần đủ năng lượng để các phân tử tách hẳn ra. Điều này không nhất thiết phải xảy ra đúng ở 100 °C (212 °F) như thường thấy với nước, và thậm chí cũng không cần xảy ra khi chất lỏng nóng…

Ví dụ, nếu bạn đun ấm nước trên núi, bạn sẽ thấy nước thực ra sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Đó là vì áp suất khí quyển ở độ cao lớn thấp hơn ở mực nước biển, khiến các phân tử dễ phân tán và thoát ra hơn, nên nước cần ít năng lượng hơn để sôi. Ngược lại, dưới áp suất cao hơn, các phân tử nước bị ép sát vào nhau và cần nhiều năng lượng hơn - và do đó nhiệt độ cao hơn - để sôi và thoát ra. Vì vậy, áp suất có thể thay đổi điểm sôi của nước.

Nhiệt hiện và nhiệt ẩn

Thông thường, khi bạn làm nóng (hoặc làm lạnh) thứ gì đó như nước, việc thêm vào (hoặc lấy đi) năng lượng trước hết làm thay đổi nhiệt độ của nó, bằng cách tăng (hoặc giảm) động năng của các phân tử và khiến chúng chuyển động hoặc rung nhanh hơn (hoặc chậm hơn). Năng lượng này gọi là nhiệt hiện và là thứ ta cảm nhận khi chạm vào thứ gì đó nóng hay lạnh.

Nhưng còn một mẹo nữa - khi nước đạt điểm sôi, nhiệt độ của nó ngừng tăng. Thay vào đó, toàn bộ nhiệt năng ấy bất ngờ được dùng để phá vỡ các liên kết giữ các phân tử với nhau và tách chúng ra, biến nước thành hơi nước. Nhiệt độ của nước (hay đúng hơn là hơi nước tạo ra) sẽ không bắt đầu tăng lại cho đến khi toàn bộ nước đã bay hơi. Tương tự khi băng tan từ thể rắn thành thể lỏng. Đây gọi là nhiệt ẩn và là một lượng năng lượng rất lớn. Thực tế, cần năng lượng gấp 7 lần để làm nước bay hơi so với lượng năng lượng đã cần để nâng nhiệt độ nước lên điểm sôi ngay từ đầu.

Vì lý do này, không khí có cảm giác ấm hơn vào những ngày ẩm dù nhiệt độ ngoài trời vẫn như nhau (hoặc vì sao dự báo thời tiết nói một nhiệt độ, nhưng ‘cảm giác như’ một nhiệt độ khác) - hơi nước thêm trong không khí chứa nhiều nhiệt năng hơn không khí khô (tức là nó chứa toàn bộ lượng nhiệt ẩn bổ sung này).

Đó cũng là cách mồ hôi làm bạn mát đi: Khi mồ hôi bay hơi, nó hấp thụ một lượng nhiệt cơ thể rất lớn dưới dạng năng lượng ẩn và mang nhiệt đó rời khỏi da bạn. Trong điều kiện ẩm, khi không khí đã có nhiều nước bay hơi, quá trình này chậm lại, khiến cảm giác nóng hơn nhiều.

Điều ngược lại xảy ra khi nước ngưng tụ từ hơi trở lại thành chất lỏng. Giống như khi bạn thêm nhiệt để đun sôi nước, nó giải phóng lại một lượng năng lượng rất lớn khi ngưng tụ. Theo cách này, khi bất cứ thứ gì chuyển pha - tức là sôi, tan chảy, ngưng tụ hoặc đông lại - nó cần hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt năng ‘ẩn’ trong quá trình đó khi các liên kết bị phá vỡ hoặc hình thành.

Nhiệt độ và áp suất

Vậy nên thêm hoặc lấy đi nhiệt sẽ thay đổi nhiệt độ, nhưng điều tương tự cũng xảy ra khi bạn thay đổi áp suất.

Áp suất có thể tác dụng lên chất rắn, chất lỏng và chất khí, nhưng chất khí dễ bị nén vì có khoảng trống giữa các phân tử vốn phân tán tương đối xa nhau. Ngược lại, chất lỏng và chất rắn không thể bị nén theo cách đó, vì bạn không thể ép các phân tử của chúng sát nhau hơn hiện tại. Với chất lỏng, thay vào đó áp suất khiến các phân tử khó tách ra thành chất khí hơn. Hơi là một dạng chất khí mà, dưới nhiệt độ tới hạn, có thể bị nén trực tiếp thành chất lỏng mà không cần chủ động làm lạnh. Điều này không thể áp dụng cho mọi chất khí tức là mọi hơi đều là chất khí, nhưng không phải mọi chất khí đều là hơi.

Ta biết hơi nước ngưng tụ dễ hơn khi chịu áp suất, vì điều đó giúp ép các phân tử lại gần nhau hơn. Nhưng với đủ áp suất, bạn có thể nén hơi nước thẳng trở lại thành chất lỏng mà không cần làm lạnh. Sau đó, khi hơi ngưng tụ thành chất lỏng, nó giải phóng toàn bộ năng lượng ẩn. Ngược lại, ở áp suất đủ thấp, các phân tử chất lỏng sẽ phân tán mà hoàn toàn không cần nhiệt. Sau đó khi chúng tách ra và bay hơi, chúng hấp thụ năng lượng ẩn từ môi trường xung quanh.

Tuy nhiên, điều này tạo ra một cuộc giằng co nho nhỏ. Khi nén chất khí và hơi, việc tạo áp suất cũng làm tăng nhiệt độ của chúng. Ép các phân tử vào không gian nhỏ hơn (hoặc nhiều phân tử hơn vào cùng một không gian) sẽ tăng nồng độ phân tử - các phân tử gần nhau hơn, va chạm xảy ra thường xuyên hơn, và nhiều động năng hơn tập trung trong không gian đó.

Vậy đây là chỗ mọi thứ trở nên phức tạp - khi tăng áp suất, bạn sẽ có các tác động trái ngược nhau: các phân tử hơi bị ép lại với nhau nên dễ ngưng tụ hơn, nhưng điều này cũng làm tăng nhiệt độ, khiến chúng ít có khả năng ngưng tụ hơn.

Điểm sôi (hoặc điểm ngưng tụ) của hơi lúc này đã được áp suất nâng lên, tức là cần nhiều năng lượng đầu vào hơn và nhiệt độ cao hơn để duy trì hơi ở trạng thái khí trong các điều kiện áp suất cao mới này.

Vì vậy, nếu nhiệt độ của nó không đổi, áp suất tăng thêm sẽ khiến nó tiến gần hơn nhiều đến trạng thái có nhiệt độ thấp hơn điểm sôi mới và ngưng tụ.

Nhưng tất nhiên, nhiệt độ của chính nó đã thay đổi, cũng tăng lên do áp suất. Vì vậy, dù áp suất làm tăng điểm sôi, nó cũng làm tăng nhiệt độ của hơi, và sự tăng nhiệt đồng thời này chống lại quá trình ngưng tụ, giữ hơi ở trạng thái khí trên điểm sôi đang không ngừng tăng.

Để hơi thực sự ngưng tụ, bạn cần hoặc tăng áp suất hơn nữa - cho đến khi điểm sôi tăng nhanh hơn mức tăng nhiệt độ đồng thời - hoặc làm lạnh nó, chủ động rút nhiệt đi, để toàn bộ động năng bổ sung đó phân tán và nhiệt độ hạ xuống dưới điểm sôi mới.

Điều này cho thấy nhiệt độ, điểm sôi và áp suất liên kết chặt chẽ với nhau. Bạn có thể buộc thứ gì đó thay đổi nhiệt độ (hoặc pha) bằng 1) chủ động thêm hoặc lấy đi nhiệt hiện (hoặc nhiệt ẩn) hoặc 2) thay đổi áp suất, từ đó có thể buộc nhiệt ẩn được hấp thụ hoặc giải phóng. Và nén một chất lỏng hoặc chất khí sẽ làm tăng điểm sôi của nó (tức là nhiệt độ mà tại đó nó bay hơi hoặc ngưng tụ).

Tất nhiên, tất cả điều này cũng áp dụng cho các hợp chất khác ngoài nước: Đó là lý do xịt chất khử mùi từ bình có áp suất lên da lại thấy lạnh - việc giảm áp nhanh khi nó được giải phóng cho phép các phân tử aerosol lỏng (và năng lượng của chúng) phân tán thành chất khí và khiến nhiệt độ của nó lao dốc.

Bơm nhiệt không tạo ra nhiệt như nồi hơi, lò sưởi hay thiết bị sưởi điện truyền thống. Thay vào đó, nó vận dụng các nguyên lý nhiệt động lực học này để di chuyển nhiệt vốn đã có sẵn ngược chiều tự nhiên, tức là thu nhiệt cấp-thấp (tức là bị phân-tán) từ bên ngoài rồi cô đặc vào trong nhà. Việc này được thực hiện bằng một môi chất lạnh trong hệ thống vòng-kín, với bốn bộ phận chính: máy nén, van tiết lưu, và hai bộ trao đổi nhiệt là thiết bị bay hơi cùng thiết bị ngưng tụ. Thực ra, đây chính xác là hệ thống dùng trong tủ lạnh và điều hòa, chỉ hoạt động theo chiều ngược lại (tức là tập trung nhiệt trong nhà thay vì đẩy nó ra ngoài). Hãy bắt đầu với bơm nhiệt không-khí-sang-không-khí, về cơ bản là điều hòa chạy ngược:

• Bước 1: Ở áp suất khí quyển thông thường, môi chất lạnh có điểm sôi cực thấp, khoảng -50 °C (-58 °F). Chu trình bắt đầu khi nó là hỗn hợp lỏng-hơi rất lạnh ở áp suất rất thấp, gần điểm sôi của nó.
  Nó đi qua một cuộn ống gọi là thiết bị bay hơi và bắt đầu hấp thụ nhiệt từ không khí bên ngoài (được quạt thổi qua cuộn ống). Vì môi chất lạnh rất lạnh, nó vẫn hấp thụ nhiệt khi bên ngoài tương đối lạnh - kể cả ở nhiệt độ không khí dưới-0 (°C)^† - miễn là không khí vẫn ấm hơn chính môi chất lạnh. Khi hấp thụ nhiệt, nó nóng lên và nhanh chóng vượt qua điểm sôi thấp của mình, rồi bay hơi thành khí. Khi đó, nó hấp thụ thêm nhiều năng lượng nữa, tức là nhiệt ẩn.
• Bước 2: Lúc này môi chất lạnh là hơi hoàn toàn ở áp suất thấp. Nó vẫn tương đối mát (cao nhất cũng chỉ bằng nhiệt độ không khí bên ngoài), nhưng nhờ lượng nhiệt ẩn đã hấp thụ thêm, nó chứa một lượng năng lượng đáng kể.
  Khí môi chất lạnh sau đó đi qua máy nén. Bộ phận này tăng áp và nén khí, ép các phân tử lại gần nhau hơn và dồn toàn bộ năng lượng của chúng vào không gian nhỏ hơn (tức là các phân tử va chạm thường xuyên hơn, nên động năng tăng lên), đồng thời nhiệt độ cũng tăng.
  Chính quá trình nén này làm nóng hơi. Giờ môi chất lạnh khá nóng, thường khoảng 50-70 °C (120-160 °F) - đủ nóng để vẫn ở dạng khí, dù điểm sôi của nó giờ cũng đã tăng.
• Bước 3: Môi chất lạnh sau đó đi vào bộ phận trong nhà và qua một cuộn ống khác gọi là thiết bị ngưng tụ. Giờ môi chất lạnh nóng hơn đáng kể (năng lượng của nó tập trung hơn) so với không khí trong nhà, nên nhiệt tự nhiên được giải phóng và truyền ra phòng. Khi đó, nó nguội đi. Nó không cần nguội nhiều trước khi giảm xuống dưới điểm sôi mới, vốn tăng lên do áp suất cao hơn trong cuộn ống ngưng tụ. Sau đó nó dễ dàng ngưng tụ lại thành chất lỏng và giải phóng lượng năng lượng ẩn khổng lồ đó - đủ để làm ấm cả một căn phòng hoặc ngôi nhà.
• Bước 4: Giờ môi chất lạnh là chất lỏng mát (gần nhiệt độ phòng) ở áp suất cao, đã mất phần lớn năng lượng nhiệt, và đi qua van tiết lưu giảm áp. Việc này giảm áp suất trong ống và cho phép môi chất lạnh giãn nở - nhờ vậy các phân tử có thể tỏa ra và phần năng lượng còn lại phân tán ra bên ngoài. Điều này đưa môi chất lạnh trở lại thành hỗn hợp lỏng-hơi và đột ngột làm nó rất lạnh, sẵn sàng bắt đầu chu trình mới rồi quay lại qua thiết bị bay hơi để thu thêm nhiệt.

Điều này cho thấy việc điều chỉnh áp suất, chuyển pha và nhiệt ẩn có thể di chuyển lượng năng lượng lớn, lớn hơn nhiều so với lượng chỉ có thể di chuyển nhờ chênh lệch nhiệt độ cơ bản bằng nhiệt hiện. Ngược lại, nước nóng trong bộ tản nhiệt nhanh chóng tỏa hết phần nhiệt hiện mà bạn có thể cảm nhận được (vốn khá ít so với nhiệt ẩn), nên để sưởi ấm cả căn phòng thì bộ tản nhiệt phải liên tục được cấp thêm nước nóng. Lưu lượng môi chất lạnh trong bơm nhiệt có thể thấp hơn nhiều mà vẫn cung cấp cùng lượng nhiệt. May mắn là bơm nhiệt cũng có thể kết hợp với nồi hơi và hệ thống sưởi dựa-trên-nước để truyền nhiệt cho nước tuần hoàn qua bộ tản nhiệt, sưởi sàn và nguồn nước sinh hoạt của bạn (xem Các loại bơm nhiệt).

^† Lưu ý: Nhiệt hay năng lượng nhiệt vẫn tồn tại ngay cả khi nhiệt độ dưới 0 °C - chỉ là rất phân-tán. Bản thân 0 °C là một mốc tùy chọn trên thang nhiệt độ liên tục (thang Celsius), dựa trên điểm nóng chảy/đóng băng của nước ở áp suất khí quyển thông thường. Vì vậy, thang Celsius có thể giảm xuống dưới 0 thành các số âm.

‘Không độ tuyệt đối’ dựa trên thang năng lượng tuyệt đối (thang Kelvin), xác định nhiệt độ thấp nhất về mặt lý thuyết của mọi hợp chất, khi năng lượng ở mức tối thiểu tuyệt đối. Thang Kelvin không giảm xuống dưới 0 K, tương đương -273 °C, vì không thể có năng lượng âm. Ở bất kỳ nhiệt độ nào cao hơn mức này, về lý thuyết bơm nhiệt đều có thể hoạt động. Trên thực tế, bơm nhiệt hiện đại có thể lấy năng lượng từ không khí lạnh tới -20 °C (tức là 253 K). Nếu hiệu suất kém ở nhiệt độ cao hơn mức này, nguyên nhân thường là do thiết kế hoặc lắp đặt chứ không phải công nghệ.

Máy bơm nhiệt dùng điện để chuyển nhiệt từ nơi này sang nơi khác, thay vì tạo ra nhiệt. Ngược lại, các hệ thống sưởi truyền thống tạo nhiệt, hoặc bằng điện trở (‘sưởi điện trở’, dùng trong máy sưởi điện) hoặc bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch như than hay khí đốt trong lò sưởi hoặc nồi hơi.

Điều này khiến máy bơm nhiệt hiệu quả hơn rất nhiều. Tối đa, một lò sưởi hoặc nồi hơi dùng khí đốt thông thường có thể đạt hiệu suất khoảng 90% - một phần năng lượng từ quá trình đốt cháy chắc chắn thất thoát theo khói nóng khi hơi nước được giải phóng (dưới dạng năng lượng ẩn không được thu lại). Với máy sưởi điện, dùng điện từ lưới - được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch và truyền qua máy biến áp cùng hàng dặm đường dây từ các nhà máy điện - chỉ tận dụng được khoảng 40% năng lượng hóa học ban đầu chứa trong số nhiên liệu hóa thạch ở xa đó.

Trong khi đó, bơm nhiệt chỉ dùng một lượng điện tương đối nhỏ để chạy quạt ở cụm trong nhà và ngoài trời, đồng thời cấp điện cho máy nén. Môi chất lạnh trong vòng tuần hoàn chuyển pha qua một quá trình tự nhiên, tự diễn ra - bơm nhiệt chỉ tạo đúng điều kiện để việc này xảy ra. Vì vậy, một bơm nhiệt được thiết kế và lắp đặt tốt có thể chuyển lượng năng lượng lớn hơn gấp 3 lần lượng điện nó tiêu thụ (tức 300%). Trong điều kiện lý tưởng (xem Hệ thống sưởi), con số này có thể tăng lên hơn 5 lần, thậm chí tới 8 lần (500-800%).

Hiệu suất = Năng lượng đầu ra (nhiệt bạn nhận được) ÷ Năng lượng hoặc nhiên liệu đầu vào (thứ bạn phải trả tiền)

Tùy nơi bạn sống, giá điện thường cao hơn đáng kể so với giá khí đốt. Ví dụ, ở Anh, điện có giá khoảng gấp 3 lần khí đốt. Nhưng vì máy bơm nhiệt có thể hoạt động với hiệu suất trên 300%, chi phí vận hành của chúng có thể thấp hơn nồi hơi dùng khí đốt - nhất là khi chênh lệch giá điện-khí đốt thu hẹp lại nhờ lưới điện xanh hơn và các chính sách xanh, khiến giá điện giảm xuống.

Cách rẻ nhất và hiệu quả nhất là chạy máy bơm nhiệt bằng điện tái tạo. Nhưng ngay cả khi máy bơm nhiệt dùng điện từ nhiên liệu hóa thạch, nó vẫn có thể hiệu quả hơn và có chi phí vận hành thấp hơn các hệ thống sưởi truyền thống. Một máy bơm nhiệt chỉ đạt mức hiệu suất 2,5 có thể chỉ dùng được 40% năng lượng ban đầu từ khí tự nhiên đốt ở nhà máy điện, nhưng nhờ dùng nguồn điện đó để chuyển lượng năng lượng gấp 2,5 lần lượng nó tiêu thụ, nó nâng 40% ấy lên 100% - và nhờ vậy còn vượt cả mức hiệu suất 90% khi đốt khí ngay tại chỗ.

Hiệu suất của máy bơm nhiệt chuyển thành hiệu quả thực tế và chi phí vận hành ra sao còn phụ thuộc vào:

• Diện tích nhà: nhà lớn hơn cần nhiều năng lượng hơn để sưởi ấm.
• Cách nhiệt: nhà được cách nhiệt tốt giữ nhiệt tốt hơn và giúp máy bơm nhiệt chạy ở nhiệt độ thấp hơn, hiệu quả hơn.
• Thiết kế và lắp đặt hệ thống: lắp đặt kém hoặc máy đời cũ có thể hoạt động tệ và tốn hơn nồi hơi, nhưng máy hiện đại được lắp đúng cách có thể tiết kiệm đáng kể.

Có vài loại máy bơm nhiệt khác nhau, nhưng tất cả đều dùng chung những nguyên lý cơ bản. Các loại phổ biến nhất lấy nhiệt từ không khí:

• Máy bơm nhiệt không khí-không khí về cơ bản là hệ thống điều hòa chạy ngược. Cả hai đều dùng hai bộ trao đổi nhiệt dàn quạt, trong đó quạt thổi không khí qua từng dàn chứa môi chất lạnh để hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt. Chúng gần như không khác điều hòa, trừ việc môi chất lạnh chuyển nhiệt theo hướng ngược lại - ở điều hòa, thiết bị bay hơi nằm trong nhà để hấp thụ nhiệt, còn thiết bị ngưng tụ nằm ngoài nhà để giải phóng nhiệt.
  Máy bơm nhiệt không khí-không khí có thể làm ấm phòng nhanh hơn và đôi khi có thể đảo chiều để làm mát. Ở đây, thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ có thể hoán đổi cho nhau, còn một van bổ sung đảo chiều dòng môi chất lạnh mà không cần đảo chiều máy nén. Điều này cũng có thể mang lại lợi ích điều hòa và hút ẩm: Thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt từ xung quanh nên khiến mọi thứ quanh nó rất lạnh - hơi nước trong không khí ngưng tụ khi chạm vào dàn, nhờ đó giảm độ ẩm trong phòng.
  Chúng rẻ hơn và dễ bố trí quanh đồ đạc; tuy vậy, nhìn chung chúng kém thoải mái hơn cho không gian sống (có thể ồn, gió thổi mạnh và tạo luồng khí rối, cũng như liên tục làm nhiệt độ vượt quá rồi thấp hơn mức cần thiết), và khó cân bằng nhiệt khắp nhà hơn, thường cần nhiều dàn trong nhà ở các phòng khác nhau, hoặc hệ thống ống gió để đưa không khí ấm khắp tòa nhà. Thêm nữa, bạn vẫn cần một dạng sưởi bổ sung cho nước nóng sinh hoạt.
• Máy bơm nhiệt không khí-nước dùng một dàn hoặc bộ trao đổi nhiệt tấm kim loại để truyền nhiệt từ môi chất lạnh sang nước lưu thông qua bộ tản nhiệt và hệ thống sưởi dưới sàn, hoặc sang nước trong bình nước nóng sinh hoạt của bạn (đây là các hệ riêng biệt - bạn đâu muốn tắm bằng nước từ bộ tản nhiệt!). Các hệ này làm nóng chậm hơn nhưng cũng nguội chậm hơn. Vì vậy, chúng hợp với môi trường ổn định, thoải mái hơn. Điều này cũng cho phép dùng bình nước nóng như một dạng lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, chúng đắt hơn nhiều và có thể cần nâng cấp đáng kể đường ống cùng bộ tản nhiệt (chiếm diện tích tường và có thể bị đồ đạc che mất). Thêm nữa, một số nơi như Mỹ có thể chưa lắp sẵn hệ thống dùng nước.
• Hệ kết hợp có thể dùng cả bộ tản nhiệt lẫn dàn quạt, tùy từng phòng, ví dụ bộ tản nhiệt đặt trong phòng tắm, còn dàn quạt ở các phòng khác. Trong khi đó, hệ thu hồi nhiệt có thể dùng nhiệt do hệ điều hòa lấy ra, vốn thường bị thải ra ngoài vào mùa hè, để đun nước nóng sinh hoạt thay vì thải nhiệt đi.

Các máy bơm nhiệt nguồn không khí cũng có nhiều kiểu bố trí khác nhau:

• Các máy khối tách rời trước đây là phổ biến nhất, với một bộ trao đổi nhiệt đặt trong nhà và một bộ ngoài nhà. Máy nén và van tiết lưu thường nằm trong cụm ngoài trời để giảm tiếng ồn và chiếm ít không gian trong nhà hơn. Đường ống môi chất lạnh sau đó chạy từ ngoài trời vào trong nhà, nơi các cụm có thể đặt cách nhau để tận dụng không gian tốt hơn.
• Các máy Monoblock hiện ngày càng phổ biến. Thường là máy bơm nhiệt không khí-nước, cả hai bộ trao đổi nhiệt và toàn bộ vòng môi chất lạnh đều nằm trong một cụm ngoài trời, với đường ống đưa nước nóng tới các bộ tản nhiệt bên trong. Nhờ vậy, không cần đường ống môi chất lạnh làm riêng đi vào và ra khỏi nhà, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và giảm rủi ro.

Máy bơm nhiệt nguồn không khí hoạt động hiệu quả trong hầu hết điều kiện, dù dưới -20 °C, chúng có thể gặp khó khăn. Tương tự cách điều hòa có thể hút ẩm không khí, vào mùa đông, nước có thể ngưng tụ và đóng băng trên dàn hoặc cụm ngoài trời, làm băng tích lại. Việc này có thể dễ xử lý (ví dụ hệ thống tự động và tạm thời đảo ngược chu trình làm lạnh để băng tan) nhưng có thể làm giảm hiệu suất trung bình theo thời gian (dù đã có các công nghệ mới chủ động rã băng hoặc ngăn băng hình thành).

Máy bơm nhiệt nguồn địa nhiệt thường hiệu quả hơn và hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ thấp, vì nhiệt độ dưới đất ổn định và nhất quán hơn trong không khí, nhất là vào mùa đông khi cần sưởi nhất. Chúng dùng một vòng kín khác chứa chất lỏng tuần hoàn (thường là hỗn hợp nước và chất chống đông) gọi là bộ thu nhiệt, bộ này hấp thụ nhiệt từ đất (hoặc truyền nhiệt vào đất nếu chạy ngược để làm mát) và truyền nhiệt sang môi chất lạnh qua thiết bị bay hơi. Có hai loại bộ thu chính:

• Mảng ngang gồm đường ống đặt trong các rãnh nông. Đường ống càng trải rộng (ít tập trung), chúng càng lấy được nhiều nhiệt, nên càng hiệu quả. Điều này cũng giảm nguy cơ hút quá nhiều nhiệt đến mức làm đất đóng băng (có thể rất gây hại). Những bộ thu hiệu quả nhất phủ trên diện tích đất lớn nhất có thể trong một vòng liên tục duy nhất.
• Mảng dọc cần ít không gian hơn nhiều và đi sâu vào lòng đất (sâu đến mức hạ tầng ngầm hiện có cho phép - cần khảo sát địa chất!). Chúng có hai kiểu bố trí khác nhau:
• • Vòng kín - một lỗ khoan sâu được đào, đặt một vòng ống dài duy nhất rồi lấp lại. Một ngôi nhà thông thường có thể cần vài lỗ khoan, tùy độ sâu của từng lỗ.
  • Vòng hở tận dụng các tầng chứa nước, tức là dùng trực tiếp nước ngầm làm chất truyền nhiệt chạy quanh vòng thu nhiệt. Chúng hiệu quả hơn (ít hơn một điểm/rào cản truyền nhiệt) nhưng cần chuyên môn và bảo trì nhiều hơn (nước bẩn đòi hỏi vệ sinh bộ lọc hệ thống thường xuyên).

Máy bơm nhiệt nguồn địa nhiệt thường phụ thuộc vào nước trong đất để dẫn và bổ sung nhiệt, điều này phụ thuộc vào độ rỗng và độ thấm của đất. Một lựa chọn dễ hơn là lấy nhiệt thẳng từ một vùng nước.

Máy bơm nhiệt nguồn nước có thể còn hiệu quả và ổn định hơn máy bơm nhiệt nguồn địa nhiệt, đồng thời dùng vòng kín hoặc hở theo cách tương tự: dùng một vòng kín riêng chứa chất lỏng thu nhiệt đi qua nước, hoặc dùng trực tiếp nước từ nguồn (một lần nữa giúp tăng hiệu suất nhưng cần vệ sinh thường xuyên). Tốc độ nước (và vì vậy là nhiệt sẵn có) được bổ sung lại rất quan trọng - nước chảy có thể hiệu quả hơn nước tù không có dòng chảy chủ động bổ sung nước xung quanh. Cũng tốt hơn nếu lấy nhiệt ở thượng nguồn và xả nước đã dùng, đã mất nhiệt ở hạ nguồn, để tối đa hiệu suất và tránh tuần hoàn lại nước mát hơn vốn đã được dùng.

Máy bơm nhiệt nguồn địa nhiệt và nguồn nước có chi phí lắp đặt ban đầu cao hơn nhiều, đồng thời cần đủ không gian hoặc nước để tiếp cận, nhưng nhờ hiệu suất cao hơn, chúng có thể giúp tiết kiệm chi phí vận hành nhiều hơn theo thời gian. Tuy nhiên, máy bơm nhiệt nguồn không khí đã cải thiện rất mạnh và thu hẹp khoảng cách với các loại khác - giờ đây người ta ít chú trọng hơn vào nhiệt độ và độ ổn định của nguồn nhiệt, mà chú trọng hơn vào việc tối ưu thiết kế thủy lực và chính hệ thống sưởi.

Cảm biến và điều khiển hệ thống:

• Bộ điều nhiệt thông minh - có thể giúp duy trì sưởi ấm ổn định bằng cách điều chỉnh nhiệt độ thật khéo qua những thay đổi nhỏ, thay vì liên tục tắt rồi bật lại hệ thống sưởi.
• Bù nhiệt theo thời tiết - hệ thống sưởi được điều chỉnh chủ động bằng cảm biến phát hiện nhiệt độ ngoài trời, trước khi nó ảnh hưởng đến nhiệt độ trong nhà bạn.

Nhiệt độ nước của hệ thống sưởi dùng nước:

• Bộ tản nhiệt lớn hơn và bồn nước lớn hơn có thể chứa nhiều nước hơn, nên cũng chứa nhiều năng lượng nhiệt hơn ở cùng một nhiệt độ. Điều này nghĩa là chúng có thể giữ nước ở nhiệt độ thấp hơn mà vẫn tích trữ lượng nhiệt bằng với các bồn hoặc bộ tản nhiệt nhỏ hơn (tức là ở mật độ nhiệt thấp hơn). Điều này làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa nước và môi trường xung quanh, khiến quá trình truyền nhiệt chậm lại. Dù làm chậm tốc độ hệ thống sưởi ấm ngôi nhà, bộ tản nhiệt lớn hơn cũng có diện tích bề mặt tỏa nhiệt lớn hơn, bù lại cho tốc độ truyền nhiệt chậm hơn. Điều này cũng tăng độ ổn định nhờ cung cấp nhiệt đều hơn và làm chậm thất thoát nhiệt không mong muốn, lãng phí từ các bồn và đường ống nối.
  Hơn nữa, điều này cho phép hệ thống sưởi vận hành với nhiệt độ nước cấp thấp hơn nói chung. Vì môi chất lạnh phải nóng hơn nước thì nhiệt mới truyền vào nước được, nước mát hơn giúp nhiệt độ mục tiêu của môi chất lạnh có thể giữ ở mức thấp hơn. Nguồn nhiệt luôn phải nóng hơn để thúc đẩy truyền nhiệt, nên nhiệt độ nước cấp hoặc nhiệt độ bồn cao hơn buộc máy bơm nhiệt phải chạy nóng hơn, còn nhiệt độ nước cấp hoặc bồn mát hơn thì nhiệt độ môi chất lạnh cũng có thể thấp hơn.
  Nhiệt độ mục tiêu của môi chất lạnh thấp hơn cũng đồng nghĩa với chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn so với nguồn nhiệt ngoài trời mà máy bơm nhiệt phải vượt qua. Vì vậy máy nén phải làm ít việc hơn để tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất lạnh, giảm điện năng tiêu thụ và tăng hiệu suất.
• Phân tầng nhiệt (tức là sự hình thành tự nhiên của một gradient nhiệt độ - hay ‘thermocline’ - bên trong bồn nước của bạn) có thể giúp hạ nhiệt độ của phần nước nhận nhiệt từ môi chất lạnh, từ đó tăng tốc độ truyền nhiệt hoặc giảm nhu cầu dùng môi chất lạnh nóng hơn. Vì thế, nên đặt cuộn trao đổi nhiệt ở đáy bồn, nơi nước mát nặng hơn nằm bên dưới lớp nước ấm hơn.
  Vì lý do này, nên dùng các bình trụ cao và mảnh hơn để làm rõ thermocline này, đồng thời dẫn nước lạnh hồi về từ các bộ tản nhiệt quanh nhà xuống đáy bồn cùng với phần nước lạnh còn lại (ở áp suất và tốc độ thấp để tránh khuấy lớp nước đã có trong bồn).

Đường ống và bộ trao đổi nhiệt:

• Bộ trao đổi nhiệt mạnh hơn có thể làm nóng nước nhanh hơn hoặc với chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn trong toàn hệ thống. Ví dụ, các cuộn ống dài hơn hoặc có gân có diện tích bề mặt lớn hơn nên có thể tăng truyền nhiệt. Tuy nhiên:
• • Làm đường dòng chảy quá dài hoặc quá hẹp thì sẽ hạn chế lưu lượng môi chất lạnh, và do đó lượng nhiệt được truyền đi. Khi đó máy bơm sẽ phải làm việc nhiều hơn, làm tăng nhiệt độ đầu vào cần thiết của môi chất lạnh trong máy bơm nhiệt.
  • Làm lòng ống cuộn quá rộng thì áp suất sẽ giảm và chất lỏng sẽ di chuyển quá chậm, tạo điều kiện cho một lớp cách nhiệt hình thành quanh thành ống, hạn chế truyền nhiệt.
  
  Điều này cũng áp dụng cho các ống nước và cuộn ống dẫn đến và chạy qua bộ tản nhiệt của bạn. Đường ống phải được tinh chỉnh và cân bằng để tối đa hóa truyền nhiệt tại bộ tản nhiệt nhưng giảm thiểu thất thoát nhiệt từ mọi đường ống nối.

(Tài liệu bổ sung dựa trên thông tin từ Technology Connections & Heat Geek)