Những công nghệ mới giúp máy điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng hơn

Tháng 7 vừa qua là tháng nóng nhất được ghi nhận trong lịch sử loài người. Sóng nhiệt đã phá vỡ kỷ lục nhiệt độ trên toàn thế giới và thậm chí mang mùa hè đến Chile và Argentina trong mùa đông ở Nam bán cầu. Không chỉ mang lại sự khó chịu, nắng nóng gay gắt còn là hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Chỉ riêng tại Mỹ, số người chết do nắng nóng mỗi năm còn nhiều hơn cả do lũ lụt, lốc xoáy và bão cộng lại. Khi tình trạng biến đổi khí hậu trở nên tồi tệ hơn, việc được sống trong không gian mát mẻ nhân tạo đang nhanh chóng trở thành nhu cầu cần thiết về sức khỏe và trở thành “quyền cơ bản” của con người.

Tuy nhiên, các hệ thống điều hòa không khí truyền thống đang khiến chúng ta rơi vào một vòng luẩn quẩn: trời càng nóng thì càng có nhiều người bật điều hòa và kết quả là càng sử dụng nhiều năng lượng thì càng thải ra nhiều khí nhà kính hơn. Nicole Miranda - một kỹ sư nghiên cứu về làm mát bền vững tại Đại học Oxford (Anh), nhận định: “Chúng ta đang ở trong một vòng luẩn quẩn, thậm chí là một vòng luẩn quẩn tăng tốc”.

Theo dữ liệu năm 2018 của IEA, làm mát là nguồn sử dụng năng lượng tăng trưởng nhanh nhất trong các tòa nhà. Với những gì đang diễn ra, IEA dự đoán rằng, nhu cầu năng lượng hằng năm trên toàn thế giới từ việc làm mát sẽ tăng hơn gấp 3 lần vào năm 2050. Đó là mức tăng hơn 4.000 TWh, tương đương với năng lượng mà toàn bộ nước Mỹ sử dụng trong một năm. Gần đây, IEA tiếp tục dự báo, trong vòng 3 thập kỷ tới, 2/3 số nhà trên thế giới có thể lắp điều hòa không khí. Khoảng một nửa số thiết bị này sẽ chỉ được lắp đặt tại: Ấn Độ, Trung Quốc và Indonesia.

Mọi người thường được nghe về tác hại của chất làm lạnh sử dụng phổ biến hiện nay là hydrofluorocarbons (HFC), có khả năng làm ấm Trái đất lên gấp 1.000 lần so với carbon dioxide. Nhiều dự án đã được triển khai nhằm mục đích thay thế dần chất này bằng những chất làm mát ít gây hại hơn. Tuy nhiên, ngay cả khi chúng ta thực hiện được triệt để điều này thì chất làm lạnh cũng chỉ là một phần nhỏ trong những vấn đề khí hậu mà máy điều hòa không khí gây ra. Nihar Shah, Giám đốc Chương trình hiệu quả làm mát toàn cầu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ, cho biết: khoảng 80% lượng khí thải làm nóng khí hậu của một thiết bị điều hòa thông thường đến từ việc năng lượng được sử dụng để cung cấp cho điều hòa. Shah giải thích, rất nhiều công việc gần đây đã tập trung vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của máy nén và bộ trao đổi nhiệt, vốn là một phần của thiết kế điều hòa tiêu chuẩn. Tuy nhiên, các dự án đầy tham vọng hơn lại nhằm mục đích giảm bớt khối lượng công việc mà đáng ra chúng phải được làm ngay từ giai đoạn đầu.

Nihar Shah cho biết, các hệ thống điều hòa không khí tiêu chuẩn đồng thời làm mát và hút ẩm thông qua một cơ chế tương đối kém hiệu quả, để ngưng tụ nước trong không khí, chúng đã làm mát không khí “quá mức”. Do đó, hiện nay nhiều thiết kế mới đã tách biệt quá trình hút ẩm và làm mát, giúp tránh phải làm mát quá mức. Ví dụ như, một số máy điều hòa không khí mới hút ẩm từ không khí bằng vật liệu hút ẩm (tương tự như silica gel). Không khí khô sau đó có thể được làm mát đến nhiệt độ hợp lý hơn. Quá trình này có thể cần thêm năng lượng vì chất hút ẩm cần được “tái tạo” lại bằng nhiệt. Để khắc phục vấn đề này, một số công ty đã tái sử dụng nhiệt lượng tạo ra từ quá trình làm mát để “tái tạo” chất hút ẩm. Công nghệ này có thể giúp tiết kiệm 35% năng lượng so với công nghệ truyền thống. Hiệu suất thậm chí còn có thể đạt được cao hơn khi kết hợp hút ẩm với làm mát bay hơi để loại bỏ hoàn toàn quy trình nén hơi tiêu tốn nhiều năng lượng ra khỏi chu trình hoạt động.

Để vừa giúp làm lạnh, vừa giữ lại độ ẩm cần thiết, tạo sự dễ chịu cho người sử dụng, gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Harvard, Mỹ đã thiết kế các thiết bị điều hòa không khí sử dụng rào cản kỵ nước để vừa có thể làm mát bay hơi vừa giữ lại độ ẩm cần thiết, hoàn toàn không cần dùng tới chất làm lạnh và tiết kiệm năng lượng tới 75%.

Công ty Blue Frontier có trụ sở tại Florida, Mỹ đang thử nghiệm hệ thống điều hòa không khí thương mại dựa trên cả chất hút ẩm (dung dịch muối lỏng) và làm mát bay hơi. Giám đốc điều hành của công ty, Daniel Betts giải thích: Thiết kế này làm khô không khí và sau đó chia nó thành 2 luồng. Không khí trong một luồng được làm mát trực tiếp thông qua việc đưa lại độ ẩm và bay hơi. Luồng khí còn lại được giữ khô và được làm mát bằng cách chạy qua một bức tường nhôm mỏng để hút hơi lạnh (nhưng không hút ẩm) từ luồng đầu tiên. Chất hút ẩm muối lỏng sau đó chạy qua hệ thống bơm nhiệt để được sạc lại. Để tối đa hóa hiệu quả, máy bơm nhiệt có thể chạy vào ban đêm, khi lưới điện ít bị căng thẳng nhất và chất hút ẩm sau đó có thể được lưu trữ để sử dụng vào thời điểm nóng nhất trong ngày. “Dựa trên các thử nghiệm thực địa của công ty, mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm 50-90%” -  Betts tuyên bố.

Mặc dù vậy, tất cả các nghiên cứu trên mới đang trong giai đoạn thử nghiệm, sẽ phải cần ít nhất vài năm nữa mới có thể đến giai đoạn thương mại. Khi đó, có thể có những trở ngại mới phát sinh như chi phí sản xuất và lắp đặt cao. Và ngay cả với những công nghệ tốt nhất, thì mức tăng hiệu quả này cũng không đủ để bù đắp cho sự gia tăng của việc sử dụng điều hòa không khí trong tương lai. IEA dự đoán việc làm mát trên toàn cầu sẽ cần năng lượng nhiều hơn 50% trong 25 năm tới so với hiện tại

Như vậy, một tương lai thực sự mát mẻ hơn sẽ cần đến những chiến lược thụ động khác dựa vào quy hoạch đô thị và thiết kế tòa nhà để giảm thiểu nhu cầu làm mát ngay từ đầu. Việc đưa cây xanh và mặt nước vào cảnh quan thành phố, che nắng cho cửa sổ, bố trí các tòa nhà mới để tận dụng luồng không khí tự nhiên và trang bị thêm cho các tòa nhà những tấm cách nhiệt và phản chiếu tốt hơn (có thể truyền nhiệt vào không gian) là rất quan trọng. Đặc biệt, mỗi người đều cần ý thức được rằng: những gì chúng ta đang làm ở một nơi trên thế giới sẽ tác động đến môi trường toàn cầu.