Các nhà khoa học tại Anh đang phát triển một loại chất làm lạnh thể rắn có khả năng thay thế hoàn toàn khí gas truyền thống trong điều hòa không khí giúp tiết kiệm năng lượng, an toàn cho môi trường.

Tủ lạnh và máy điều hòa không khí là những thiết bị hữu ích nhưng lại sử dụng chất làm lạnh ở thể khí như hydroflurocarbon (HFC). Ở thể khí, chất làm lạnh HFC sẽ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh để làm mát không gian phòng hoặc bên trong tủ lạnh hay điều hòa không khí. Sau đó, khí này đi vào một máy nén để được biến đổi thành chất lỏng và giải phóng nhiệt tích trữ ra bên ngoài. Khi áp suất giảm, chất lỏng được giãn nở trở lại thành chất khí để bắt đầu lại chu trình. Đây được gọi là hiệu ứng barocaloric.

Quy trình hiệu quả này đã được áp dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng khí HFC có thể bị rò rỉ ra khỏi thiết bị trong quá trình sử dụng, khi thiết bị bị hỏng, cũng như trong quá trình di chuyển hoặc vứt bỏ thiết bị. Khi ở trong bầu khí quyển, HFC gây biến đổi khí hậu mạnh hơn nhiều CO2, vì vậy việc tìm cách giảm lượng khí thải này là một phần quan trọng của các kế hoạch hành động vì môi trường. Lúc này chất làm lạnh dạng rắn vẫn có thể trải qua hiệu ứng barocaloric, giúp khắc phục tình trạng này.

Chất làm lạnh rắn có khả năng thay thế hoàn toàn khí gas truyền thống trong điều hòa không khí. Ảnh minh họa

Mới đây một phòng thí nghiệm tại Anh đang phát triển một loại chất làm lạnh rắn có khả năng thay thế hoàn toàn khí gas truyền thống trong điều hòa không khí. Công nghệ này không chỉ an toàn cho môi trường mà còn tiết kiệm năng lượng, mở ra triển vọng thay đổi ngành công nghiệp làm mát toàn cầu trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng.

Trong một phòng thí nghiệm khiêm tốn tại Đại học Cambridge (Anh), một chất rắn mềm, có vẻ ngoài giống như sáp đang mở ra tương lai mới cho ngành công nghiệp điều hòa không khí toàn cầu. Không cần dùng đến khí gas gây hiệu ứng nhà kính như hiện nay, loại chất làm lạnh rắn (solid refrigerant) này có khả năng thay đổi nhiệt độ đến hơn 50°C khi bị nén và đặc biệt là không rò rỉ khí độc hại ra môi trường.

Giáo sư Vật lý Vật liệu Xavier Moya, người dẫn đầu nghiên cứu tại Đại học Cambridge, chia sẻ: “Chúng không chỉ không gây nóng lên toàn cầu, mà còn tiết kiệm năng lượng hơn các chất làm lạnh hiện nay.” Trong bối cảnh toàn cầu có tới 2 tỷ máy điều hòa đang hoạt động và con số này tăng nhanh do biến đổi khí hậu, việc tìm ra một giải pháp làm lạnh thân thiện với môi trường là vô cùng cấp bách.

Giáo sư Moya và nhóm của ông đã nghiên cứu các tinh thể nhựa (plastic crystals) trong suốt 15 năm qua. Những tinh thể này có cấu trúc phân tử đặc biệt, với các phân tử có khả năng quay quanh trục của chính mình. Khi bị nén, chuyển động này dừng lại và năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt. Khi áp suất được giảm, chúng làm lạnh môi trường xung quanh – một hiện tượng được gọi là hiệu ứng barocaloric.

Một nguyên mẫu hệ thống làm lạnh đã được xây dựng thành công. Mặc dù có kích thước tương đương một chiếc vali lớn và phát ra tiếng ồn khá rõ khi hoạt động, nhưng hệ thống này đã làm lạnh thành công các lon nước ngọt bên trong một tủ lạnh nhỏ. Điều này cho thấy tiềm năng rất lớn trong việc thương mại hóa công nghệ.

Không chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm, Moya đã sáng lập công ty Barocal vào năm 2019 để thương mại hóa phát minh này. Công ty hiện có 9 nhân sự, đặt trụ sở tại một phòng thí nghiệm tạm bợ trong một bãi đỗ xe. Tuy nhiên, tiềm năng của công nghệ đã thu hút các nhà đầu tư lớn như Hội đồng Đổi mới châu Âu (EIC) và Breakthrough Energy – tổ chức do tỷ phú Bill Gates sáng lập nhằm giảm phát thải khí nhà kính.

Barocal đã gọi vốn thành công khoảng 4,5 triệu USD và dự kiến sẽ mở rộng quy mô nhân sự lên 25-30 người trong năm nay. Kỹ sư vật liệu Mohsen Elabbadi của công ty cho biết: “Mẫu thử này chưa được tối ưu về khối lượng, kích thước hay tiếng ồn. Nhưng hiệu suất của thiết bị hoàn thiện sẽ so sánh được, thậm chí vượt trội, so với điều hòa dùng gas truyền thống.”

Điều đáng chú ý là công nghệ barocaloric không chỉ làm mát, mà còn có thể tạo ra nhiệt, mở rộng phạm vi ứng dụng ra cả lĩnh vực sưởi ấm trong tương lai.

Theo ông Florian Schabus, Giám đốc thương mại của Barocal, sản phẩm đầu tiên sẽ ra mắt thị trường trong vòng ba năm tới. Giai đoạn đầu, công ty nhắm đến các khách hàng doanh nghiệp với thiết bị làm mát quy mô lớn dành cho trung tâm thương mại, nhà kho, trường học và trung tâm dữ liệu. Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao hơn, nhưng chi phí vận hành rẻ hơn sẽ là điểm hấp dẫn với các doanh nghiệp.

Mục tiêu dài hạn của Barocal là đưa công nghệ vào từng hộ gia đình, với giá bán tương đương các máy điều hòa truyền thống nhưng hoàn toàn không dùng khí gây hại, giúp người tiêu dùng tiết kiệm hóa đơn điện và bảo vệ môi trường.

Trước đó các kỹ sư tại Đại học Harvard, Hoa Kỳ đã trình diễn một mẫu thiết bị làm mát sử dụng vật liệu dạng rắn như chất làm lạnh. Nghiên cứu mới đã tìm ra loại vật liệu triển vọng từ một lớp perovskite kim loại-halogen, đã trở thành vật liệu của pin mặt trời thế hệ mới. Trong trường hợp này, vật liệu có thể được sử dụng để làm lạnh giống như cách chất làm lạnh dạng khí chuyển đổi giữa pha lỏng và pha khí, ngoại trừ nó vẫn ở thể rắn trong cả hai pha.

Bí mật nằm ở cấu trúc nguyên tử. Thông thường, các chất rắn barocaloric được tạo thành từ các chuỗi phân tử dài linh hoạt, bị rối và hơi mềm, nhưng trong điều kiện áp suất, chúng cứng lại theo trạng thái có trật tự và giải phóng nhiệt. Do đó, các chất rắn lại có thể hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.

Nhóm nghiên cứu đã trình diễn ý tưởng bằng một mẫu thiết bị. Chất làm lạnh thể rắn được bao gói trong một ống kim loại, cùng với chất lỏng trơ ​​như nước hoặc dầu. Một piston thủy lực tạo áp suất lên chất lỏng, rồi đến chất làm lạnh. Chất lỏng cũng giúp truyền nhiệt ra khỏi hệ thống.

Hệ thống này rất triển vọng, nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng cần khắc phục một số hạn chế. Ví dụ, áp suất liên quan có thể xảy ra với thủy lực, nhưng hơi quá cao đối với các thiết bị tiêu dùng - khoảng 2.900 psi, so với 150 psi mà một AC thông thường đạt được.

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5687:2024 về yêu cầu thiết kế thông gió và điều hòa không khí

Tiêu chuẩn này do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố yêu cầu khi thiết kế và lắp đặt các hệ thống thông gió và điều hòa không khí cho các gian phòng/không gian của công trình dân dụng khi xây dựng mới hoặc cải tạo. Theo đó hệ thống thông gió và điều hoà không khí phải được thiết kế để đảm bảo điều kiện tiện nghi nhiệt và yêu cầu vệ sinh cho người và mọi hoạt động dự kiến, đảm bảo sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Khi thiết kế thông gió và điều hoà không khí cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật, kể cả các giải pháp về công nghệ và kiến trúc, nhằm bảo đảm: Hệ thống thông gió và điều hoà không khí phải được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm trong nhà của phòng/không gian mà nó phục vụ khi hoạt động ở mức đầy tải hoặc ở mức tải một phần; Khi thiết kế hệ thống thông gió và điều hoà không khí trung tâm, cần tính toán tải lạnh, tải nhiệt hiện, tải nhiệt ẩn và tải thông gió; Chất lượng không khí trong nhà, trong vùng làm việc của công trình công cộng phù hợp với TCVN 13521:2022; Độ ồn và độ rung tiêu chuẩn phát ra từ các thiết bị và hệ thống thông gió và điều hoà không khí, trừ hệ thống thông gió sự cố và hệ thống thải khói phù hợp tiêu chuẩn lựa chọn áp dụng; Điều kiện tiếp cận để sửa chữa hệ thống thông gió và điều hoà không khí; Độ an toàn cháy nổ của hệ thống thông gió và điều hoà không khí theo quy định về an toàn cháy cho nhà và công trình.

Nguồn: vietq.vn