Truy cập nội dung luôn

Quay lại

Ngành lạnh - Điều hòa không khí và công nghiệp 4.0

1. Ngành Lạnh và ĐHKK hiện nay

Hiện nay quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa đang diễn ra mãnh liệt trên toàn thế giới. Theo một số dự báo, tới năm 2050 gần 70% dân số thế giới sẽ sống trong các đô thị. Vì vậy nhu cầu điều hòa, làm lạnh cũng tăng cao. Theo nghiên cứu của IEA tiêu thụ điện cho lĩnh vực làm lạnh vào năm 2016 chiếm khoảng 16% sản lượng điện trên toàn thế giới, gấp hơn 3 lần so với năm 1990; con số này vào năm 2030 sẽ tăng lên tương ứng khoảng 30% vượt xa các ngành công nghiệp, dịch vụ truyền thống khác. Tính về số lượng thiết bị lạnh doanh số toàn thế giới năm 2016 xấp xỉ 1,1 tỉ bộ, năm 2030 sẽ xấp xỉ 2 tỉ bộ[1,2].

Ở Việt Nam cũng tương tự như trên thế giới, với tốc độ công nghiệp hóa cao, với số lượng các tòa nhà cao tầng tăng hàng năm từ 10-12%. Dẫn tới thị trường lạnh & ĐHKK của Việt Nam trong thời gian 1995-2018 có một giai đoạn tăng trưởng ngoạn mục với tốc độ 2 con số trong nhiều năm.

Trong 2 năm gần đây do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 nên tốc độ tăng trưởng của thị trường lạnh toàn thế giới có mức sụt giảm, đặc biệt khu vực ASEAN có mức giảm từ 17-21% tùy theo lĩnh vực. Trong bối cảnh đó Việt Nam nổi lên như một thị trường ít bị ảnh hưởng, nhờ chính sách chống dịch hợp lý của Nhà nước, với sự sụt giảm ước chừng 8% [2]. Tuy nhiên đây cũng là một thời điểm rất khó khăn cho nhiều doanh nghiệp sản xuất, cung ứng và đặc biệt các nhà thầu xây lắp. Tuy nhiên với dân số vàng, tỉ lệ ĐHKK trên hộ gia đình so với các nước trên thế giới và trong khu vực còn khá thấp và quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa đang tiếp tục mãnh liệt. Chúng ta hoàn toàn có thể hy vọng vào tương lai tươi sáng cho lĩnh vực lạnh và ĐHKK (Heating Ventilating Air conditioning & Refrigeration- HVACR).

2. Lĩnh vực Lạnh & ĐHKK trong nền công nghiệp 4.0

2.1 Lĩnh vực Lạnh & ĐHKK và thành phố thông minh

Do đô thị hóa mãnh liệt nên chất lượng sống trong các đô thị giảm sút nhiều vì vậy thế giới đã đưa ra giải pháp thành phố thông minh. Với cách tiếp cận từ hạ tầng kỹ thuật, thành phố thông minh gồm các yêu tố cốt lõi sau (i) hệ thống năng lượng thông minh -smart energy system;(ii) tòa nhà thông minh-smart buildings;(iii) hệ thống giao thông thông minh-smart transportation; (iv) người sử dụng thông minh-smart users. Tất cả các yếu tố nêu trên được xây dựng trên nền tảng công nghệ thông tin và truyền thông tích hợp ICT- Information and communication technology. Trong đó  ba yếu tố cơ bản nhất cấu thành nên thành phố thông minh chính là hệ thống năng lượng thông minh, tòa nhà thông minh và người sử dụng thông minh, với liên quan chặt chẽ tới lĩnh vực HVACR

Hình 1. Hạ tầng kỹ thuật cốt lõi của đô thị thông minh[4]

Hệ thống tòa nhà thông minh

Về bản chất hệ thống tòa nhà thông minh, được kế thừa trên nền tảng công nghệ “tòa nhà  xanh” thân thiện với môi trường, kết hợp hàng trăm cảm biến kiểm soát các thông số của tòa nhà được nối với hệ thống tự động quản lý tòa nhà- Building Management System(BMS). Tiếp theo hệ thống BMS lại được kết hợp với các hệ thống khác, như mạng năng lượng thông minh, người sử dụng thông minh thông qua hạ tầng ICT.

Trong các tòa nhà này, đã kết hợp giữa hệ thống điều khiển tòa nhà thông minh BMS hạ tầng ICT để tối ưu việc đáp ứng các nhu cầu làm mát, sưởi ấm và thông gió của tòa nhà bằng hệ thống năng lượng thông minh(microgrids) nhằm tối đa sử dụng điện mặt trời áp mái, nước nóng mặt trời cũng như hệ thống điều hòa-bơm nhiệt địa nhiệt /trữ nhiệt. Đảm bảo vấn đề sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng trong các tòa nhà[5].

Sử dụng tối ưu thông gió tự nhiên căn cứ theo mức độ ô nhiễm môi trường và nhu cầu khí tươi (giảm nồng độ tồn đọng CO2) nhằm giảm tải cho hệ thống điều hòa. Bên cạnh đó ánh sáng tự nhiên và chất lượng môi trường không khí trong nhà cũng là những yếu tố được hệ thống BMS kết hợp ICT / AI coi là những thông số chính cần đảm bảo.

 Đây là tập hợp những công nghệ mới nhất trong lĩnh vực Điều hòa không khí. Điều này đảm bảo việc giảm đáng kể việc sử dụng điện lưới, giảm lượng phát thải khí nhà kính-GHG, tiết kiệm năng lượng và đặc biệt tăng chất lượng sống của con người trong các tòa nhà.

 2.2 Lĩnh vực Lạnh & ĐHKK với giải pháp nâng cao chất lượng môi trường sống

Hiện nay các thành phố trên toàn thế giới đang đối mặt với các thách thức lớn: dân số của ngày càng gia tăng, sự quá tải của cơ sở hạ tầng. Tốc độ  đô thị hóa tăng nhanh làm cho cơ sở hạ tầng đã đạt đến công suất tối đa và ô nhiễm không khí là đạt đến mức nguy hiểm. Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO), gần 90% dân số đô thị của thế giới đang sống trong môi trường với mức độ ô nhiễm cao hơn nhiều hơn các ngưỡng cho phép. Khoảng 7 triệu người chết mỗi năm từ tác động của không khí sự ô nhiễm. Theo WHO, ô nhiễm là mối đe dọa toàn cầu lớn hơn nhiều so với đại dịch Ebola và HIV, Covid-19 [7].

Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), môi trường trong nhà độc hại gấp hai đến năm lần so với môi trường ngoài trời. Đây là một vấn đề rất lớn vì trung bình mọi người dành 90% thời gian của họ trong các tòa nhà [9]. Thật vậy, dưới tác động của chính sách tiết kiệm năng lượng ở các quốc gia, hiện nay lớp vỏ của các tòa nhà ngày càng kín hơn, việc thông gió tự nhiên cũng bị khống chế, trong khi đó ô nhiễm bụi mịn dạng PM.10 đặc biệt PM 2.5 ở các đô thị ngày càng tăng cao. Chính việc cấp không khí tươi không tính đến độ ô nhiễm ngoài trời cũng như sự tồn đọng các bụi mịn trong các tòa nhà do thiếu thông gió, làm tăng độ ô nhiễm không khí trong nhà, dẫn tới tăng nguy cơ phát triển bệnh ung thư.

Không chỉ đô thị của các nước đang phát triển đang trải nghiệm mức độ tập trung bụi mịn cao, mà nồng độ bụi mịn cũng rất cao ở các thành phố lớn của các nước phát triển. Nguồn chính phát thải bụi min là từ các nhà máy sử dụng nhiều nhiên liêuh hóa thạch và từ các phương tiện giao thông. Ví dụ, ở Milan, Ý, cứ sau hai tháng, nồng độ trung bình bụi mịn lại đạt đến mức không lành mạnh [9]. Năm 2016, chính quyền Pháp đã phải cấm xe ô tô vào thành phố Paris để kiểm soát mức độ ô nhiễm [10].

Chính chất lượng không khí trong nhà tại nhiều đô thị không đảm bảo, nên thị trường máy lọc khí trên thế giới rất phát triển.  Tại Nhật Bản, 60 phần trăm tất cả các hộ gia đình đô thị được trang bị máy lọc không khí độc lập [11]. Điều này tạo ra kỳ vọng rằng trong các tòa nhà văn phòng và khách sạn, không khí được lọc trong lành. Tuy nhiên, hiện tại các hệ thống thông gió tập trung của các tòa nhà thương mại thường không làm sạch không khí khỏi các chất ô nhiễm, trước khi chúng được hút vào. Do vậy trên thực tế việc chỉ sử dụng các máy lọc khí cục bộ cho các không gian cụ thể là chưa đảm bảo cho chất lượng.

Do đó việc tích hợp các bộ lọc bụi min vào hệ thống điều hòa thông gió cấp nhiệt- HVAC trong các tòa nhà thông minh đang mang lại những hiệu quả đáng kể: Máy lọc làm sạch không khí bằng cách thổi qua bộ lọc bằng quạt có tác dụng khử ô nhiễm bụi mịn tập trung tại nguồn cấp vào nhà. Tích hợp bộ lọc vào hệ thống cấp khí tươi của hệ thống HVAC cho phép tăng hiệu quả tổng thể đáng kể trong việc làm giảm ô nhiễm bụi mịn cũng như các khí SOx, NOx. Tuy nhiên, vì bụi mịn cũng xâm nhập qua nhiều lỗ nhỏ trong lớp vỏ công trình, nên cũng cần phải làm sạch không khí bằng việc kết hợp lọc khí cục bộ.

Các nghiên cứu phát triển gần đây cho thấy các hệ thống điều khiển của HVAC tích hợp trong BMS thế hệ tiếp theo sẽ kết hợp các khả năng đo lường đối với các yếu tố ô nhiễm như bụi mịn ở trong và ngoài nhà [11]. Điều này cho phép tối ưu giữa việc cung cấp không khí trong tươi (do đó giảm CO2 trong nhà) và gây ô nhiễm từ bên ngoài.

Các thuật toán thông minh cũng dự đoán ô nhiễm dựa trên dự báo thời tiết: từ đó quyết định có thể tòa nhà  sẽ được thông gió vào giữa đêm, khi ô nhiễm thường ở mức thấp hoặc ở trước một tình huống thời tiết  nghịch đảo nhiệt thường xảy ra đi kèm với nồng độ bụi mịn cao.

Các thuật toán điều khiển tiên tiến như vậy đòi hỏi một bộ điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt dựa trên nền tảng AI. Bằng cách thu thập các dữ liệu làm cơ sở các thư viện làm sẵn được cung cấp bởi bộ điều khiển này, người dùng có thể tự do lập trình cho các giải pháp tùy chỉnh hoặc sáng tạo để tối ưu hóa sức khỏe của người cư ngụ.

Tóm lại không khí mà chúng ta hít thở có tác động đáng kể đến sức khỏe và năng suất  làm việc của chúng ta. Vì chúng ta dành phần lớn thời gian trong các tòa nhà, điều quan trọng là phải đảm bảo không khí trong nhà sạch sẽ và trong lành. Thông gió đầy đủ giúp mọi người làm việc hiệu quả và tránh những gì được gọi là hội chứng bệnh văn phòng, kiểm soát độ ẩm tương đối trong các tòa nhà giúp giảm nguy cơ lây truyền vi-rút Covid-19 đáng kể, kiểm soát độ ô nhiễm không khí trong nhà thông qua kiểm soát bụi mịn tập trung bằng cách tích hợp bộ lọc khí với hệ thống HVAC trên nền tảng hệ BMS/AI thông minh, là một giải pháp tổng thể để tạo ra những nơi hoàn hảo cho sức khỏe và năng suất làm việc của cư dân trong các tòa nhà.

2.3. Lĩnh vực Lạnh & ĐHKK và hạ tầng kỹ thuật đảm bảo cho IoT, Big Data, AI

        Công nghiệp 4.0 bản chất chính là sự tích hợp những tiến bộ công nghệ của tất cả 3 cuộc cách mạng trước, giữa thực tế vật lý và thực tế ảo (mô phỏng) thông qua IoT, Big Data, AI và hạ tầng ICT.

         Để có hạ tầng IoT và để truyền tải thông tin Big Data cần có truyền tin băng thông rộng, để lưu trữ dữ liệu lớn cần phát triển số lượng rất nhiều các trung tâm dữ liệu, các trạm truyền thông tin. Tất cả các cơ sở hạ tầng kỹ thuật này đều có yêu cầu rất nghiêm ngặt về điều kiện hoạt động về nhiệt độ và độ ẩm(T, RH), do đó phải cần có điều hòa công nghệ hoạt động 24/7. Do đó càng phát triển công nghệ 4.0 thì nhu cầu điều hòa công nghệ càng lớn. Theo một nghiên cứu của [1] cho tới năm 2030 tiêu thụ điện năng thương phẩm của lĩnh vực ĐHKK ở Hoa Kỳ sẽ tăng tới trên 30% từ mức khoảng 17% hiện tại, chủ yếu để phục vụ cho hạ tầng của công nghiệp 4.0[1]. Do vậy có thể nói ngoài việc đảm bảo điều kiện tiện nghi cho con người để phát triển công nghiệp 4.0, lĩnh vực ĐHKK còn đang trực tiếp đảm bảo cho hạ tầng công nghệ ICT hoạt động liên tục và ổn định. Điều này một lần nữa lại khẳng định lại vai trò thiết yếu của lĩnh vực Lạnh & ĐHKK không chỉ trong quá khứ, hiện tại mà cả tương lai.

2.4. Lĩnh vực Lạnh và ĐHKK đối với nông nghiệp 4.0

Công nghiệp 4.0 không tách rời với việc phát triển nông nghiệp xanh. Trong đó việc phát triển công nghệ chế biến, bảo quản sau thu hoạch dành cho xuất khẩu và nội tiêu trở đã nên cấp thiết. Việc này đã thúc đẩy việc phát triển lĩnh vực công nghệ chế biến, bảo quản lạnh vì mọi thành công trong lĩnh vực xuất khẩu nông lâm, thủy hải đông lạnh luôn đồng hành cùng lĩnh vực lạnh công nghiệp.

3. Xu hướng chi phối phát triển của lĩnh vực Lạnh & ĐHKK

Đó là xu hướng nâng cao hiệu quả năng lượng (CSPF/SEER), cũng như thân thiện với môi trường và tích hợp AI.

Trong đó quan trọng nhất là việc thay thế môi chất lạnh. Hiện nay thế giới trong đó có Việt Nam đã thực thi hết sức hiệu quả việc loại trừ các chất làm suy giảm tầng Ô zôn, loại trừ xong  các chất CFC, và hiện nay đang tiếp tục loại trừ các chất HFCF (R-22) trong khuôn khổ  chương trình Quốc gia  HPMPII cho tới 2030-2040. Bên cạnh đó việc loại trừ các môi chất lạnh làm nóng lên toàn cầu có GWP cao, các chất HFCs cũng là một xu hướng chủ đạo. Trong xu hướng này nổi lên các định hướng sau(i) sử dụng môi chất lạnh tự nhiên (NH3/CO2/HC) trong lĩnh vực làm lạnh CN, thương mại (CO2/HC) -bơm nhiệt (ii) sử dụng R-32/ blended R-32-HFOs cho RACs và VRF (iii) HFO và Blended HFCs-HFOs cho chiller.

    4. Kết luận

Trước ngưỡng cửa của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.0, hoàn toàn có thể khẳng định vai trò không thể thay thế của lĩnh vực Lạnh & ĐHKK. Trước hết đó là vai trò đảm bảo cung cấp môi trường nhiệt độ thấp cũng như điều kiện vi khí hậu thích hợp cho hạ tầng ICT của các trụ cột của công nghệ 4.0. Bên cạnh đó giải pháp đô thị thông minh, nâng cao chất lượng không khí trong nhà (AIQ) nhằm nâng cao cuộc sống của người dân trong đô thị đều gắn chặt với lĩnh vực cung cấp lạnh, điều hòa xử lý không khí. Nền nông nghiệp 4.0 cũng đang đòi hỏi sự tham gia ngày càng gia tăng của lĩnh vực Lạnh & ĐHKK như một giải pháp bảo quản tốt nhất chất lượng sau thu hoạch, kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm mà không dùng hóa chất.

Với những lý do trên trong tương lai lĩnh vực HVACR sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, bền vững bất chấp những khó khăn do trước mắt do dịch bện Covid-19 đem lại.

PGS. Nguyễn Việt Dũng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tài liệu tham khảo

[1] Making cities livable. Siemens.com/Cities-2019

[2] World Energy Outlook 2020. International Energy Agency/https://www.iea.org/reports/

[3] Nguyen Viet Dzung. Refrigeration and Air conditioning Market Issues forward using low GWP  Refrigerants in Vietnam. Workshop on risk assessment and safety measures for RACHP using flammable refrigerants toward conversion to lower GWPs in ASEAN countries. Kobe 2018

[4] Gerd Pollhammer. Making Austria smarter. Siemens SI Austria and Central & Eastern Euro-2019

[5] Microgrids as the future of energy management. Wien-2019

[6] Siemens City Performance Tool. Wien-2019

[7] City Air Management, Predicting, Monitoring and Reducing Air Pollution. Siemens.com/cypt – 2018

[8] The National Human Activity Pattern Survey (NHAPS): a resource for assessing exposure to environmental pollutants, http://www.nature.com/jes/journal/v11/n3/full/7500165a.html

[9]Lanzani G. et al., PM10 and PM2,5 evaluation to support air quality plans and programs in Lombardy region, ARPA Environmental Protection Agency of Lombardy, 2008

[10] Euromonitor International, Air Treatment Products Japan report, 2015

[11] Simulation case study on new ventilation algorithms based on combined indoor and outdoor

pollution sensing, Philipp Kräuchi, Siemens Building Technologies, 2011


Sự kiện sắp diễn ra Sự kiện sắp diễn ra

1 2 3 ... 178 Next

Thư viện Media Thư viện Media

Thống kê truy cập Thống kê truy cập

3 9 8 3 4 4 3
Đang online: 278
Hôm nay: 9349
Trong tuần: 9349
Trong tháng: 82344