Xuất phát từ sáng chế của Willis Haviland Carrier (người Mỹ) cách đây 110 năm, ban đầu nhằm mục đích kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong xưởng in để giữ cho giấy thẳng thớm và không bị lem mực, kỹ thuật làm lạnh nhanh chóng được mở rộng sử dụng để đem đến không khí mát mẻ nơi công sở, nhà ở và cả trong ôtô… Máy lạnh giờ đây là một trong những tiện nghi mà nhiều người không thể sống thiếu, nhất là trong mùa hè nóng bức.
Làm lạnh như thế nào?
Máy lạnh có nhiều dạng, từ một khối đến nhiều khối, từ làm lạnh riêng một phòng đến làm lạnh chung nhiều phòng trong tòa nhà… Nhưng nguyên tắc làm lạnh cơ bản giống nhau, nôm na là làm lạnh bằng cách rút nhiệt của không khí nóng một khu vực và thải ra vùng lân cận, việc này thực hiện liên tục cho đến khi không khí trong khu vực hạ đến nhiệt độ mong muốn.
Nguyên tắc làm lạnh cơ bản của máy lạnh
Một máy lạnh gồm các thành phần cơ bản: máy nén, dàn nóng và dàn lạnh kết hợp với hỗn hợp hóa chất (môi chất làm lạnh) có thể dễ dàng chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng và ngược lại. Điểm then chốt đó là môi chất làm lạnh ở trạng thái khí trong điều kiện nhiệt độ bình thường.
Khởi đầu quá trình làm lạnh, môi chất dạng khí được dẫn vào máy nén, máy nén làm tăng áp suất khiến môi chất biến thành dạng lỏng và tỏa nhiệt, sau đó môi chất được đưa sang hệ thống có trang bị quạt và lưới tản nhiệt để giải tỏa nhiệt (thường gọi là dàn nóng). Ra khỏi dàn nóng, môi chất mất nhiệt (trở nên lạnh) và được hạ áp qua van điều tiết (có chức năng kiểm soát lưu lượng môi chất chảy qua dàn lạnh và điều khiển nhiệt độ làm lạnh) trước khi được dẫn vào hệ thống lạnh (dàn lạnh). Khi đi qua dàn lạnh, môi chất hấp thu nhiệt của không khí và chuyển trở lại trạng thái khí và làm lạnh khu vực đặt dàn lạnh. Môi chất ở trạng thái khí được dẫn trở lại máy nén để bắt đầu lại chu trình.
Chu trình làm lạnh được thực hiện liên tục cho đến khi cảm biến nhiệt trong máy lạnh phát hiện khu vực cần làm lạnh đạt nhiệt độ thích hợp.
Máy lạnh hay máy điều hòa (ĐH) không khí thường được hiểu như nhau, vì máy đã được chế tạo khi cần có thể đổi chiều, mùa hè dàn trong nhà là dàn lạnh để làm mát, đến mùa đông thì ngược lại dàn phía trong nhà lại là dàn nóng để sưởi ấm.
Một khối hay nhiều khối
Máy ĐH “1 cục” hay “cửa sổ” (do phải khoét 1 lỗ to trên trường để lắp đặt) có dàn nóng và dàn lạnh nằm chung trong một khối, có nhược điểm là ồn và khó lắp đặt …
Máy ĐH dạng rời hay “2 cục” có dàn nóng và dàn lạnh nằm trong 2 khối riêng biệt, đã khắc phục được nhược điểm của máy ĐH 1 cục .
Một biến thể của máy ĐH dạng rời đó là dạng một dàn nóng ghép với nhiều dàn lạnh hoạt động độc lập.
Với ưu điểm dễ lắp đặt, dàn lạnh nhỏ gọn, không ồn và công suất làm lạnh lớn hơn, máy ĐH dạng rời hiện nay hầu như đánh bật máy ĐH 1 cục khỏi thị trường, nhất là thị trường máy ĐH gia đình.
Tuy nhiên, với các tòa nhà cao tầng hay nhiều phòng (như khách sạn), máy ĐH dạng rời không phải là giải pháp làm lạnh thích hợp vì đường ống nối giữa dàn nóng và dàn lạnh quá dài ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh và khó xử lý khi có sự cố. Trong trường hợp này cần đến giải pháp làm lạnh trung tâm.
Hệ thống lạnh trung tâm: phổ biến hiện nay là hệ thống dùng nước làm lạnh, có thể có thêm tháp làm mát. Hệ thống này vẫn dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt, nhưng môi chất không trực tiếp làm lạnh không khí mà được dùng để làm lạnh nước, sau đó nước lạnh sẽ làm lạnh không khí.
Toàn bộ hệ thống làm lạnh (gọi là chiller) được lắp đặt trên mái hoặc phía sau tòa nhà. Chiller làm lạnh nước đến khoảng 5-7 độ C. Nước lạnh sau đó được bơm qua đường ống đi khắp tòa nhà để đến các dàn trao đổi nhiệt (AHU - Air Handling Unit, có chức năng hút không khí nóng và thổi không khí lạnh). Đường ống này có vai trò giống như dàn lạnh ở máy ĐH thông thường. Nhiệt độ làm lạnh được kiểm soát qua lưu lượng nước và luồng không khí thông qua AHU. Hệ thống có thể thiết lập làm lạnh cho cả khu vực hay từng phòng trong tòa nhà (mỗi phòng sử dụng một AHU riêng để điều khiển độ lạnh độc lập).
Ưu điểm của hệ thống làm lạnh bằng nước là nước rẻ hơn nhiều so với làm lạnh trực tiếp từ môi chất, lúc ngừng thổi không khí, nước không hấp thu nhiệt nên vẫn còn lạnh, khi quay trở lại chiller sẽ giảm tải cho chiller.
Trong một số hệ thống lớn, cần hiệu suất giải nhiệt cao hơn, người ta dùng thêm tháp làm mát để tản nhiệt cho dàn nóng.
Tiết kiệm điện với inverter
Inverter thường được gọi là biến tần, là công nghệ điều khiển môtơ do Nhật phát triển cách đây hơn 20 năm, đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt là trong điều khiển tự động. Vài năm gần đây, công nghệ này nổi lên như một giải pháp tiết kiệm điện hiệu quả, được cho là có thể giảm lượng điện tiêu thụ từ 30% đến 50% so với máy ĐH thông thường.
Hầu hết các máy ĐH thông thường (không inverter) khi được bật điện, dàn nóng khởi động là chạy 100% công suất, sau một thời gian, khi đủ lạnh, cảm biến sẽ ngắt máy nén, máy ĐH tạm ngưng chức năng làm lạnh, khi đó công suất gần như là 0%. Một lúc sau phòng nóng lại, dàn nóng lại bật chạy 100% công suất để làm lạnh. Chu trình này lặp đi lặp lại khi máy ĐH vận hành.
Inverter giúp điều chỉnh tăng giảm công suất từ từ theo yêu cầu làm lạnh. Tiết kiệm điện của inverter chính là ở chỗ “từ từ” này. Vì với động cơ điện, việc khởi động bật-tắt tiêu tốn nhiều năng lượng.
Hiện nay, hầu hết máy ĐH sản xuất tại Nhật đều dùng công nghệ inverter. Tuy nhiên, do chi phí đầu tư ban đầu cao, máy ĐH inverter chưa được sử dụng nhiều ở các quốc gia khác. Theo Công ty Nghiên cứu Thị trường GFK, hiện nay cứ 4 máy ĐH bán ra tại thị trường Việt Nam thì có 1 máy inverter, cách đây 1 năm tỷ lệ này là 1/5.
Dùng môi chất làm lạnh nào tốt?
Về lý thuyết, môi chất làm lạnh hay thường gọi là gas sẽ luân chuyển trong một chu trình kín để làm lạnh nên máy ĐH có thể làm việc mãi mà không cần nạp thêm gas. Nhưng thực tế do rò rỉ ở các khớp nối, ống dẫn nên gas bị thất thoát sau một thời gian máy ĐH hoạt động.
Trong nửa cuối của thế kỷ 20, gần như tất cả máy ĐH đều sử dụng môi chất làm lạnh là chlorofluorocarbon (CFC). Do CFC gây tổn hại tầng ôzôn của Trái đất nên đã ngừng sản xuất (theo hiệp ước Montreal 1987). Gần như tất cả máy ĐH hiện nay đã chuyển qua dùng chất chlorofluorocarbon halogen hóa (HCFC, thường gọi là gas R22), nhưng chất này cũng đang dần bị loại bỏ do vẫn có ảnh hưởng đến tầng ôzôn (theo hiệp ước Kyoto 1997), và sẽ dừng sản xuất vào năm 2020. Môi chất hydro fluorocarbon (HFC, thường được gọi là gas 410a) an toàn cho tầng ôzôn dự kiến sẽ thay HCFC.
Nhưng lại có vấn đề khác: chất HFC gây nên hiệu ứng làm nóng Trái đất cao hơn chất HCFC. Các nhà khoa học đã tính toán rằng nếu tất cả các máy ĐH trên thế giới đều chuyển sang sử dụng loại HFC thì sẽ góp phần làm cho toàn cầu nóng thêm 27% vào năm 2050. Môi chất làm lạnh vừa không gây hại tầng ôzôn vừa không gây hiệu ứng làm nóng hiện chưa có.
Lựa chọn công suất máy ĐH: “ngựa” hay BTU?
Theo thói quen, người ta thường gọi công suất của máy ĐH theo mã lực hay HP (hay “ngựa”), đó chính là công suất của máy nén. Chính xác hơn, khả năng làm lạnh của máy ĐH được đo bằng đơn vị BTU (Bristish Thermal Unit), đây là lượng nhiệt cần để tăng nhiệt độ của 1 pound (0,45kg) nước lên 1 độ F (0,56 độ C). Chỉ số BTU của máy ĐH thực ra là BTU/h (hay BTU/1 giờ). Với các hệ thống ĐH lớn, người ta tính khả năng làm lạnh theo đơn vị “ton” (tấn) - lượng nhiệt cần thiết để làm tan 1 tấn nước đá trong 24 giờ. 1 tấn lạnh tương đương 12.000 BTU/h. 1 HP tương đương 9.000 BTU/h (cũng có hãng sản xuất tính 1 HP tương đương 9.600 BTU/h, tùy cường độ dòng điện).
Máy ĐH có BTU càng lớn thì khu vực có thể làm lạnh càng rộng. Nói chung, phòng rộng khoảng 9-15 m2, cao 3 m, có 2-3 người, cần công suất làm lạnh khoảng 9.000 BTU (1 ngựa).
Ngoài ra người ta còn dùng chỉ số EER (Energy Efficiency Ratio) để đánh giá hiệu quả sử dụng điện của máy ĐH. EER được tính theo lượng BTU trên mỗi Watt điện tiêu thụ. Ví dụ, nếu máy ĐH 10.000 BTU tiêu thụ 1.200 Watt thì chỉ số EER của nó là 8,3 (10.000 BTU / 1200 Watt). Chỉ số EER càng cao càng tốt vì sẽ giúp giảm hóa đơn tiền điện! Nhưng máy ĐH có chỉ số EER cao thường có giá cao.
Năm 2011, doanh số máy ĐH toàn cầu tăng 13% so với năm 2010, trong đó thị trường châu Á - Thái Bình Dương chiếm 55%. Tổ chức Global Industry Analysts Inc. dự báo thị trường ĐH toàn cầu sẽ đạt 114,3 triệu USD vào năm 2015.
Riêng tại VN, theo GFK trong 5 tháng đầu năm 2012 lượng máy ĐH bán ra tăng 22% so với cùng kỳ năm trước.
P.Nguyễn, STINFO Số 10/2012.