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

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 nhiệt độ mùa hè đến Chile và Argentina trong mùa đông ở Nam bán cầu . Không chỉ là vấn đề khó chịu do đổ mồ hôi. Nắng nóng khắc nghiệt là hiện tượng thời tiết gây tử vong nhiều nhất; chỉ riêng tại Hoa Kỳ, nó giết chết nhiều người mỗi năm 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 thiết yếu 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 mắc kẹt trong một vòng phản hồi tiêu cực: trời càng nóng, càng nhiều người bật điều hòa—và càng nhiều năng lượng được sử dụng (và khí nhà kính được thải ra). “Chúng ta đang ở trong một vòng luẩn quẩn”, Nicole Miranda, một kỹ sư nghiên cứu về làm mát bền vững tại Đại học Oxford, cho biết. Và “đó không chỉ là một vòng luẩn quẩn mà còn là một vòng luẩn quẩn đang tăng tốc”. Theo dữ liệu năm 2018 từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), làm mát là nguồn năng lượng duy nhất phát triển nhanh nhất trong các tòa nhà. Theo kịch bản kinh doanh như thường lệ, IEA dự đoán rằng nhu cầu năng lượng hàng năm trên toàn thế giới từ làm mát sẽ tăng 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 chạy trốn khỏi biến đổi khí hậu với cùng 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 luồng không khí mát mẻ hơn cho nhiều người hơn với tác động ít hơn đến môi trường.

Một vấn đề nổi tiếng với các hệ thống AC hiện tại là sự phụ thuộc của chúng vào các hóa chất làm lạnh, nhiều trong số đó là khí nhà kính mạnh. Một số dự án nhằm mục đích thay thế các chất này bằng chất làm mát ít gây hại hơn—nhưng ngay cả khi chúng làm như vậy, chất làm lạnh chỉ chiếm một phần nhỏ trong số các chất gây ô nhiễm khí hậu của máy điều hòa không khí. Khoảng 80 phần trăm lượng khí thải làm nóng khí hậu của một đơn vị AC tiêu chuẩn hiện đến từ năng lượng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nó, Nihar Shah, giám đốc Chương trình Hiệu quả Làm mát Toàn cầu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cho biết. Shah giải thích rằng rất nhiều công trình gần đây đã được thực hiện để tăng hiệu quả 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 tham vọng hơn nhằm mục đích giảm lượng công việc mà các thành phần đó phải thực hiện ngay từ đầu.

Hệ thống điều hòa không khí tiêu chuẩn làm mát và hút ẩm đồng thời thông qua một cơ chế tương đối kém hiệu quả: để ngưng tụ nước ra khỏi không khí, Shah nói, chúng làm mát quá mức không khí đó vượt quá mức dễ chịu. Do đó, nhiều thiết kế mới tách biệt các quá trình hút ẩm và làm mát, tránh nhu cầu 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 gel silica trong các gói mà bạn có thể tìm thấy trong một túi thịt khô hoặc một lọ thuốc). Không khí khô sau đó có thể được làm mát đến nhiệt độ hợp lý hơn. Quá trình này có thể đòi hỏi một số năng lượng bổ sung vì chất hút ẩm cần được “sạc lại” bằng nhiệt. Nhưng một số công ty, bao gồm cả công ty khởi nghiệp Transaera có trụ sở tại Somerville, Mass., tái chế nhiệt tạo ra từ quá trình làm mát để sạc lại chất hút ẩm. Transaera tuyên bố rằng hệ thống mà họ đang phát triển có thể sử dụng ít hơn 35 phần trăm năng lượng so với một đơn vị AC tiêu chuẩn trung bình.

Hiệu quả thậm chí còn lớn hơn nữa khi kết hợp khử ẩm với làm mát bay hơi, giúp loại bỏ hoàn toàn quá trình tiêu tốn năng lượng gọi là nén hơi. Nén hơi – hệ thống mà AC tiêu chuẩn hoạt động – di chuyển chất làm lạnh qua một chu trình trong đó nó được ngưng tụ và giãn nở không ngừng, 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. Đây là quá trình mà mồ hôi làm mát da của chúng ta: khi nước chuyển từ dạng lỏng sang dạng khí, nó hấp thụ nhiệt. Máy làm mát đầm lầy, thiết bị tự chế trong đó quạt thổi không khí qua đá, hoạt động theo cùng một cách . Và ở những vùng khí hậu khô, con người đã sử dụng làm mát bay hơi trong hàng nghìn năm. Ví dụ, ở Iran cổ đại, con người đã chế tạo yakhch ā ls – những cấu trúc đất sét hình nón lớn với ống khói năng lượng mặt trời – khai thác lưu thông không khí và sự bốc hơi của nước liền kề để hạ nhiệt độ xuống mức thấp hơn đến mức họ có thể tạo ra đá vào mùa đông và lưu trữ trong suốt 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 hủy bỏ lợi ích 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. Một lợi thế nữa là chất làm lạnh – thường là khí nhà kính mạnh hơn carbon dioxide nhiều lần – 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 phần trăm”.

Trong khi đó, công ty Blue Frontier có trụ sở tại Florida đang thử nghiệm một 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. Thiết kế này làm khô không khí và sau đó chia thành hai luồng liền kề, theo lời giải thích của CEO của công ty, Daniel Betts. Không khí trong một luồng được làm mát trực tiếp thông qua việc đưa lại độ ẩm và hơi nước. Luồng không khí còn lại được giữ khô và được làm mát bằng cách chạy qua một bức tường nhôm mỏng kéo hơi lạnh vào—nhưng không phải độ ẩm—từ luồng đầu tiên. Chất hút ẩm muối lỏng sau đó chạy qua hệ thống bơm nhiệt để được nạp lại. Để tối đa hóa hiệu quả, bơm nhiệt có thể được chạy vào ban đêm, khi lưới điện ít bị căng thẳng nhất và sau đó chất hút ẩm 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, Betts tuyên bố “chúng tôi đang hướng tới mục tiêu giảm 50 đến 90 phần trăm mức tiêu thụ năng lượng”.

Nhưng Blue Frontier, cSNAP và Transaera vẫn chưa chuyển từ thử nghiệm sang thị trường. Cả ba nhóm đều dự đoán rằng họ phải mất ít nhất vài năm nữa mới có thể ra mắt thương mại. Và ngay cả khi đó, vẫn sẽ có những trở ngại có thể ngăn cản các hệ thống mới thay thế các máy điều hòa không khí truyền thống. Những trở ngại này bao gồm chi phí sản xuất và lắp đặt tương đối cao, sự trì trệ 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, thì chỉ riêng việc tăng hiệu quả có thể không đủ để bù đắp cho sự gia tăng dự kiến ​​rộng rãi trong việc sử dụng máy điều hòa không khí. Theo mô hình tốt nhất, IEA dự đoán rằng việc làm mát trên toàn thế giới sẽ cần nhiều năng lượng hơn 50 phần trăm trong 25 năm tới so với hiện tại do nhu cầu tăng cao, Shah nói. Sẽ không hiệu quả nếu chỉ thay thế mọi máy điều hòa không khí hiện có bằng một mẫu tốt hơn và coi như xong. Thay vào đó, một tương lai thực sự mát mẻ hơn sẽ phải sử dụng các chiến lược thụ động khác dựa trên 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 các vùng nước vào cảnh quan thành phố, che nắng cho cửa sổ, định vị các tòa nhà mới để tận dụng luồng không khí tự nhiên và trang bị thêm cho các tòa nhà lớp cách nhiệt và tấm phản quang tốt hơn có thể truyền nhiệt vào không gian đều rất quan trọng.

“Làm mát là một thách thức đa diện”, Sneha Sachar, một chuyên gia về hiệu quả năng lượng tại tổ chức phi lợi nhuận ClimateWorks cho biết. “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 giới hạn ở hóa đơn tiền điện. “Những gì chúng ta làm ở một nơi trên thế giới sẽ tác động đến toàn bộ môi trường toàn cầu”, Sachar cho biết.