Công nghệ điều hòa không khí mới có thể là tương lai của sự mát mẻ

Bộ điều hòa tiêu chuẩn làm mát tòa nhà nhưng góp phần làm nóng lên toàn cầu. Công nghệ mới nhằm mục đích thay đổi điều đó

Tháng 7 vừa qua là tháng nóng nhất được ghi nhận trong lịch sử loài người. Các đợt nắng nóng đã phá vỡ kỷ lục nhiệt độ trên toàn thế giới và thậm chí còn mang nhiệt độ mùa hè đến Chile và Argentina trong mùa đông ở Nam bán cầu . Đó không chỉ là vấn đề khó chịu về mồ hôi. Nắng nóng gay gắt là hiện tượng thời tiết nguy hiểm nhất; chỉ riêng ở Mỹ, mỗi năm nó giết chết nhiều người hơn cả lũ lụt, lốc xoáy và bão cộng lại. Khi biến đổi khí hậu trở nên tồi tệ hơn, việc tiếp cận các không gian được làm mát nhân tạo đang nhanh chóng trở thành nhu cầu cần thiết về sức khỏe—và là vấn đề về quyền cơ bản của con người .

Tuy nhiên, các hệ thống điều hòa không khí tiêu chuẩn đã khiến chúng ta rơi vào một vòng phản hồi tiêu cực: trời càng nóng thì càng có nhiều người bật điều hòa – và kết quả là càng sử dụng nhiều năng lượng hơn (và thải ra khí nhà kính). Nicole Miranda, một kỹ sư nghiên cứu về làm mát bền vững tại Đại học Oxford, cho biết: “Chúng ta đang ở trong một vòng luẩn quẩn. Và “đó không chỉ là một vòng luẩn quẩn mà còn là một vòng luẩn quẩn đang tăng tốc.” Theo dữ liệu năm 2018 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), làm mát là nguồn sử dụng năng lượng tăng trưởng nhanh nhất trong các tòa nhà. Theo kịch bản diễn ra bình thường, IEA dự đoán rằng nhu cầu năng lượng hàng năm trên toàn thế giới từ việc làm mát sẽ tăng hơn gấp ba lần vào năm 2050. Đó là mức tăng hơn 4.000 terawatt giờ, tương đương với lượng năng lượng mà toàn bộ Hoa Kỳ sử dụng trong một năm .

Ngày càng rõ ràng rằng con người không thể vượt qua biến đổi khí hậu bằng chính công nghệ điều hòa không khí mà chúng ta đã sử dụng trong gần một thế kỷ. Việc phá vỡ chu kỳ này đòi hỏi những cải tiến mới giúp mang lại không khí mát mẻ hơn cho nhiều người hơn với ít tác động đến môi trường hơn.

Một vấn đề nổi tiếng với các hệ thống điều hòa không khí hiện nay là sự phụ thuộc của chúng vào hóa chất làm lạnh, nhiều trong số đó là khí nhà kính mạnh. Một số dự án nhằm mục đích thay thế những chất này bằng chất làm mát ít gây hại hơn—nhưng ngay cả khi thực hiện như vậy thì chất làm lạnh cũng chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổn thất khí hậu của điều hòa không khí. Nihar Shah, giám đốc Chương trình Hiệu quả Làm mát Toàn cầu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, cho biết khoảng 80% lượng khí thải làm ấm khí hậu của một thiết bị điều hòa tiêu chuẩn hiện đến từ năng lượng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nó. 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 AC tiêu chuẩn. Tuy nhiên, các dự án đầy tham vọng hơn lại nhằm mục đích giảm bớt khối lượng công việc mà các thành phần đó phải làm ngay từ đầu.

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, Shah nói, chúng làm mát không khí quá mức đến mức dễ chịu. Do đó, nhiều thiết kế mới tách biệt quá trình hút ẩm và làm mát, giúp tránh phải làm mát quá mức.

Ví dụ: một số thiết kế máy điều hòa không khí mới hơn hút độ ẩm từ không khí bằng vật liệu hút ẩm (tương tự như silica gel trong các gói mà bạn có thể tìm thấy trong túi thịt khô hoặc chai thuốc). 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 “nạp lại” bằng nhiệt. Nhưng một số công ty, bao gồm công ty khởi nghiệp Transaera có trụ sở tại Somerville, Mass., tái chế nhiệt lượng tạo ra từ quá trình làm mát để nạp lại chất hút ẩm. Transaera tuyên bố rằng hệ thống mà họ đang phát triển có thể sử dụng năng lượng ít hơn 35% so với hệ thống điều hòa tiêu chuẩn trung bình.

Hiệu suất thậm chí còn có thể đạt được cao hơn khi kết hợp hút ẩm với làm mát bay hơi, loại bỏ hoàn toàn quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng gọi là nén hơi ra khỏi phương trình. Nén hơi—hệ thống mà AC tiêu chuẩn hoạt động—di chuyển chất làm lạnh qua một chu trình trong đó chất làm lạnh được ngưng tụ và giãn nở thay đổi, cho phép nó hấp thụ nhiệt từ bên trong và giải phóng nhiệt đó ra bên ngoài. Ngược lại, làm mát bay hơi là một quá trình đơn giản hơn. Việc đổ mồ hôi làm mát da của chúng ta cũng giống như vậy: khi nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí, nó sẽ hấp thụ nhiệt. Máy làm mát đầm lầy, thiết bị DIY trong đó quạt thổi không khí qua băng, cũng hoạt động theo cách tương tự . Và ở vùng khí hậu khô, người ta đã sử dụng phương pháp làm mát bay hơi trong hàng nghìn năm. Ví dụ, ở Iran cổ đại, người ta đã thiết kế yakhch ā ls —cấu trúc đất sét hình nón lớn với ống khói mặt trời—khai thác sự lưu thông không khí và sự bay hơi của nước lân cận để hạ nhiệt độ xuống thấp đến mức họ có thể tạo ra băng vào mùa đông và lưu trữ nó trong suốt mùa đông. mùa hè.

Nhưng chiến lược này cũng làm tăng độ ẩm của không khí, vì vậy, với tư cách là một hệ thống làm mát, nó có xu hướng chỉ hoạt động khi thời tiết nóng và khô; nếu độ ẩm tăng vượt quá một điểm nhất định, nó sẽ làm mất đi cảm giác thoải mái khi nhiệt độ giảm. Để giải quyết vấn đề này, các nhóm nghiên cứu, bao gồm nhóm cSNAP của Đại học Harvard , đã thiết kế các thiết bị AC sử dụng rào cản kỵ nước để thực hiện làm mát bay hơi trong khi giữ lại độ ẩm. Như một phần thưởng, chất làm lạnh — thường là khí nhà kính mạnh gấp nhiều lần so với carbon dioxide — hoàn toàn không liên quan. Jonathan Grinham, trợ lý giáo sư kiến ​​trúc tại Harvard và là một trong những nhà thiết kế chính của cSNAP cho biết: “Chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp một máy điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng hơn 75%.

Trong khi đó, công ty Blue Frontier có trụ sở tại Florida đang thử nghiệm hệ thống điều hòa không khí thương mại dựa trên cả chất hút ẩm (trong trường hợp này là 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 hai luồng liền kề. 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, “chúng tôi đang xem xét mức giảm tiêu thụ năng lượng từ 50 đến 90%,” Betts tuyên bố.

Nhưng Blue Frontier, cSNAP và Transaera vẫn chưa đi từ giai đoạn thử nghiệm đến thị trường. Cả ba nhóm đều dự đoán rằng họ sẽ phải mất ít nhất vài năm nữa mới có thể ra mắt thương mại. Và thậm chí sau đó, sẽ có những trở ngại có thể ngăn cản các hệ thống mới thay thế điều hòa truyền thống. Chúng bao gồm chi phí sản xuất và lắp đặt tương đối cao hơn, quán tính của ngành và các chính sách khuyến khích các hệ thống giá rẻ hơn các hệ thống hiệu quả.

Ngay cả với một số công nghệ tốt nhất hiện có, chỉ riêng mức tăng hiệu quả có thể không đủ để bù đắp cho sự gia tăng được mong đợi rộng rãi trong việc sử dụng điều hòa không khí. Theo mô hình tốt nhất, IEA dự đoán rằng việc làm mát trên toàn thế giới sẽ cần năng lượng nhiều hơn 50% trong 25 năm tới so với hiện tại do nhu cầu ngày càng tăng, Shah nói. Sẽ không hiệu quả nếu chỉ thay thế mọi máy điều hòa không khí hiện có bằng một mẫu tốt hơn và kết thúc. Thay vào đó, một tương lai thực sự mát mẻ hơn sẽ phải sử dụng các 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. Cả Shah và Miranda đều cho biết, 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 các tòa nhà bằng các tấm cách nhiệt và phản chiếu tốt hơn có thể truyền nhiệt vào không gian đều rất quan trọng.

Sneha Sachar, chuyên gia về hiệu quả năng lượng tại tổ chức phi lợi nhuận ClimateWorks, cho biết: “Làm mát là một thách thức về nhiều mặt. “Không có một chiến lược hay một câu trả lời nào cả.” Chúng ta cần sự kết hợp giữa các tòa nhà và thành phố tốt hơn, công nghệ tốt hơn và hiểu rõ hơn rằng chi phí thực sự của điều hòa không khí không chỉ dừng lại ở hóa đơn tiền điện. Sachar nói: “Những gì chúng tôi làm ở một nơi trên thế giới sẽ tác động đến toàn bộ môi trường toàn cầu.