Thực đơn
Điều hòa không khí
Phương pháp điều hòa không khí đã xuất hiện từ thời tiền sử. Các tòa nhà Ai Cập cổ đại sử dụng nhiều loại kỹ thuật điều hòa không khí thụ động để làm mát.[5] Những kỹ thuật này sau đó đã trở nên phổ biến từ Bán đảo Iberia đến Bắc Phi, Trung Đông và Bắc Ấn Độ.[6]
Kỹ thuật làm mát thụ động vẫn phổ biến cho đến thế kỷ 20, khi đó kỹ thuật này không còn hợp thời và được thay thế bằng phương pháp điều hòa bằng điện. Nhờ vào các nghiên cứu kỹ thuật của các tòa nhà kiểu truyền thống trước đây, thiết kế thụ động đang dần được hồi sinh và sửa đổi để phù hợp với thiết kế kiến trúc thế kỷ 21.[6][7]
Những tòa nhà sử dụng thiết kế thụ động thường ít tốn kém hơn so với những tòa nhà sử dụng hệ thống HVAC thông thường, đồng thời chi phí bảo trì cũng thấp hơn.[8] Mặc dù kỹ thuật thụ động có thể giúp đạt được hàng chục lần trao đổi không khí mỗi giờ (air changes per hour – ACH) và giảm nhiệt độ hàng chục độ, nhưng khi đó phải tính toán đến điều kiện vi khí hậu tại địa điểm cụ thể, gây phức tạp hơn cho việc thiết kế tòa nhà.[6] Các hệ thống làm mát thụ động hầu như không gây ra tiếng ồn[8] (ngoại trừ hệ thống làm mát Salsabil).
Trong điều kiện khí hậu khô nóng, có thể tạo ra hiệu ứng làm mát bay hơi bằng cách đặt nước ở cửa hút gió, sao cho gió thổi qua mặt nước và thổi vào nhà. Vì lý do này, đôi khi người ta nói rằng đài phun nước trong kiến trúc khí hậu nóng khô, giống như lò sưởi trong kiến trúc của khí hậu lạnh.[5] Làm mát bằng bay hơi cũng giúp tăng độ ẩm cho không khí, hữu ích trong điều kiện khí hậu sa mạc khô hạn.
Con người cảm thấy mát hơn khi không khí chuyển động so với khi ở trong không khí tĩnh ở cùng nhiệt độ, bởi vì gió lùa phá vỡ vùng ranh giới không khí ấm và giúp làm bay hơi mồ hôi. Do đó, các kỹ thuật điều khiển luồng không khí liên tục rất phổ biến, như phương pháp làm mát bay hơi, chớp gió che chọn lọc, gió, đối lưu nhiệt và tích trữ nhiệt, có thể được sử dụng để tạo ra sự chênh lệch áp suất và giúp tuần hoàn không khí.
Ở những khu vực lạnh vào ban đêm hoặc một số nơi vào mùa đông, người ta áp dụng phương pháp trữ nhiệt. Nhiệt có thể được giữ trong đất hoặc vữa gạch xây; không khí được hút qua khối vữa gạch xây để làm nóng hoặc làm mát nó.[7]
Ở những khu vực mà nhiệt độ ban đêm xuống dưới điểm đông vào mùa đông, người ta thu thập và trữ tuyết, băng trong nhà trữ băng (ice house) để sử dụng sau này khi cần làm mát.[7] Kỹ thuật này đã có hơn 3.700 năm tuổi ở Trung Đông.[9] Vào đầu thế kỷ XVII, những người châu Âu giàu có đã bắt đầu thực hiện việc thu hoạch băng ngoài trời trong mùa đông rồi vận chuyển và lưu trữ để sử dụng vào mùa hè[10]; sau đó, phương pháp này dần trở nên phổ biến ở châu Âu và châu Mỹ vào cuối thế kỷ XVII.[11] Phương pháp này sau đó đã được thay thế bằng máy làm đá chu trình nén cơ học (xem bên dưới).
Quạt tay đã xuất hiện từ thời cổ đại.[12][13] Những chiếc quạt lớn chạy bằng sức người đã được thiết kế sử dụng trong nhà, như quạt punkah của Ấn Độ.[14]
Nhà phát minh người Trung Quốc Đinh Hoãn (Ding Huan, phồn thể: 丁緩) thời nhà Hán ở thế kỷ thứ II sau CN đã phát minh ra một chiếc quạt quay để điều hòa không khí, có bảy bánh xe đường kính 3 m và vận hành bởi những tù nhân.[15] Vào năm 747, Hoàng đế Đường Huyền Tông (712–762) của nhà Đường (618–907) cho xây dựng Lương Điện (nghĩa là cung điện mát lạnh, phồn thể: 涼殿) trong hoàng cung, mà Đường Ngữ Lâm (唐語林) mô tả là có bánh xe quạt chạy bằng sức nước giúp điều hòa không khí và có dòng nước phun lên từ đài phun nước. Trong thời nhà Tống sau đó (960–1279), nhiều nguồn tài liệu đã đề cập rằng quạt quay làm mát không khí thậm chí còn được sử dụng rộng rãi hơn.[16]
Sự chuyển pha dưới nhiệt độ mong muốn có thể được ứng dụng để làm lạnh đến nhiệt độ đó. Ứng dụng lâu đời nhất của phương pháp này là hiện tượng tan băng (chuyển từ pha rắn thành pha lỏng của nước), nhưng người ta cũng tiến hành thử nghiệm với những chất khác có nhiệt độ chuyển pha thấp hơn nước. Những môi chất làm lạnh được nghiên cứu từ sớm này, về cơ bản, cũng là một dạng trữ nhiệt; trong quá trình làm mát, những môi chất lạnh này được tiêu thụ hết (thu nhiệt từ môi trường) và, sau đó, cần phải được làm mát lại khi nhiệt độ ngoài trời cho phép.
Một phương pháp làm lạnh nước đá đến nhiệt độ thấp hơn điểm đóng băng của nước được thực hiện bằng cách trộn nước đá với kali nitrat (thời điểm đó được gọi là "nitre") được mô tả trong cuốn sách xuất bản năm 1558, Natural Magic (Phép thuật tự nhiên),[10] viết bởi nhà khoa học thực nghiệm Giambattista della Porta.[17][18] Giambattista della Porta cho rằng ông có trách nhiệm phải công khai những khám phá khoa học của mình và giải thích những hiện tượng "ma thuật" bằng cách sử dụng các quy luật tự nhiên;[18] tuy nhiên, nhà phát minh người Hà Lan, Cornelis Drebbel, tự cho rằng mình là một nhà ảo thuật và giữ bí mật những tác phẩm biểu diễn của mình. Năm 1620, ông trình diễn màn ảo thuật "Biến mùa hè thành mùa đông" cho vua James I của Anh,[19] làm lạnh một phần của Đại sảnh đường Tu viện Westminster với một hệ thống gồm máng và thùng. Francis Bacon, người đương thời với Drebbel, giống như della Porta, vốn là một người tin tưởng vào việc truyền bá kiến thức khoa học, có thể đã không có mặt tại cuộc biểu diễn ảo thuật của Drebbel, nhưng trong cuốn sách xuất bản vào cuối năm đó, ông đã mô tả cuộc biểu diễn đó là một "thí nghiệm về hiện tượng đông lạnh nhân tạo".[10]
Năm 1758, Benjamin Franklin cùng với John Hadley, một giáo sư hóa học tại Đại học Cambridge, đã tiến hành một thí nghiệm để khám phá nguyên lý bay hơi nhằm làm lạnh nhanh một vật thể. Franklin và Hadley xác nhận rằng sự bay hơi của các chất lỏng dễ bay hơi (như cồn và ete) có thể được sử dụng để làm giảm nhiệt độ của một vật thể đến nhiệt độ thấp hơn điểm đóng băng của nước. Họ đã sử dụng bầu nhiệt kế thủy ngân làm đối tượng nghiên cứu thí nghiệm và dùng một ống thổi để tăng tốc sự bay hơi. Họ hạ nhiệt độ của bầu nhiệt kế xuống −14°C trong khi nhiệt độ môi trường là 18°C. Franklin lưu ý rằng ngay sau khi họ hạ nhiệt độ qua điểm đóng băng của nước (0°C), một lớp băng mỏng hình thành trên bề mặt bầu của nhiệt kế và khi họ dừng thí nghiệm ở nhiệt độ −14°C, khối băng dày khoảng 6 mm. Franklin kết luận: "Từ thí nghiệm này, ta có thể thấy khả năng giết một người đàn ông bằng cách đóng băng người đó giữa một ngày hè ấm áp."[20]
Quá trình truyền nhiệt từ nguồn nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp là quá trình xảy ra tự nhiên và không cần dùng đến thiết bị đặc biệt để thực hiện. Tuy nhiên, quy trình ngược lại (truyền nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp sang vùng có nhiệt độ cao) không thể thực hiện được nếu không có công tác động từ bên ngoài, được sinh ra nhờ thiết bị làm lạnh. Môi chất lạnh được tuần hoàn bên trong thiết bị làm lạnh qua bốn giai đoạn gồm nén hơi, ngưng tụ, giãn nở, và bay hơi. Quá trình truyền nhiệt của môi chất lạnh được thực hiện nhờ quá trình cơ học, được gọi là làm lạnh nén hơi (vapor compression refrigeration).[21][22]
Năm 1820, nhà khoa học và nhà phát minh người Anh Michael Faraday phát hiện ra rằng việc nén và hóa lỏng amoniac có thể làm lạnh không khí khi dung dịch amoniac bay hơi.[23] Đến năm 1842, John Gorrie, một bác sĩ người Mỹ ở Florida, Hoa Kỳ, đã thiết kế và chế tạo một thiết bị làm mát không khí để điều trị bệnh nhân sốt vàng da. Nguyên tắc cơ bản của ông —khí được nén dưới áp suất, rồi được làm lạnh bằng cách dẫn qua các cuộn dây tỏa nhiệt bức xạ, và sau đó, khí giãn nở thể tích để hạ nhiệt độ xuống— là nguyên tắc thường được sử dụng trong tủ lạnh ngày nay. Ông được cấp bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ về làm lạnh cơ học vào năm 1851.[23][24]
Nhà phát minh người Mỹ Willis H. Carrier thường được ghi nhận là người đầu tiên phát minh ra hệ thống điều hòa không khí điện hiện đại và mở đầu ngành công nghiệp này.[25][26][27][28] Sau khi tốt nghiệp Đại học Cornell, Carrier làm việc tại Công ty Buffalo Forge. Tại đây, ông bắt đầu thử nghiệm điều hòa không khí nhằm giải quyết một vấn đề cho Công ty Quang khắc và Xuất bản Sackett-Wilhelms (Sackett-Wilhelms Lithographing and Publishing Company) ở Brooklyn, New York. Khi đó, độ ẩm không khí thay đổi làm thay đổi kích thước những cuộn giấy in và dẫn đến việc in mực không còn chính xác. Máy lạnh do Carrie thiết kế hoạt động bằng cách thổi không khí qua các giàn ống lạnh để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong phòng, giữ cho giấy không bị thay đổi kích thước và chất lượng in được cải thiện.[29][23] Máy điều hòa không khí đầu tiên, được thiết kế và chế tạo bởi Carrier, bắt đầu vận hành lần đầu tiên vào ngày 17 tháng 7 năm 1902.[29]
Năm 1906, Stuart Cramer, một kỹ sư dệt ở Bắc Carolina, tạo ra một thiết bị thông gió có khả năng bổ sung hơi nước vào không khí tại những nhà máy dệt. Độ ẩm giúp sợi dễ quay hơn và ít bị đứt hơn. Cramer được xem là người đầu tiên đặt tên quá trình này là "điều hòa không khí".[23][30]
Đến năm 1914, Charles Gates, một triệu phú ở thành phố Minneapolis, là người sử dụng điều hòa nhiệt độ tại nhà riêng đầu tiên.[23][29] Năm 1945, Robert Sherman ở thành phố Lynn, bang Massachusetts đã phát minh ra máy điều hòa không khí di động gắn cửa sổ dùng để làm mát, sưởi ấm, làm ẩm, hút ẩm và lọc không khí.[31] Vào năm 1947, học giả người Anh, S.F. Markham viết rằng, "Máy điều hòa không khí là thứ đóng góp to lớn nhất vào nền văn minh trong thế kỷ này – và Hoa Kỳ là nước đang dẫn đầu về lĩnh vực này."[23]
Vào cuối những năm 1960, hầu hết các ngôi nhà dân cư mới xây dựng ở Hoa Kỳ đều sử dụng máy lạnh trung tâm. Vào khoảng thời gian này, thiết bị điều hòa không khí dạng hộp cũng dần trở nên rẻ hơn, dẫn đến sự gia tăng dân số ở các bang Florida và Arizona. Tính đến năm 2015, gần 100 triệu ngôi nhà hoặc khoảng 87% hộ gia đình Hoa Kỳ đã lắp đặt hệ thống điều hòa không khí.[32]
Những máy điều hòa không khí và tủ lạnh đầu tiên sử dụng những môi chất lạnh vốn là các khí độc hoặc dễ cháy, chẳng hạn như amoniac, metyl clorua hoặc propan, có thể dẫn đến tai nạn chết người khi chúng bị rò rỉ. Thomas Midgley, Jr., một nhân viên của công ty Frigidaire thuộc hãng GM, đã tạo ra khí Freon (R-12), là loại khí chlorofluorocarbon không cháy, không độc hại đầu tiên, vào năm 1928.[33][34] Freon là tên nhãn hiệu thuộc sở hữu của hãng hóa chất DuPont cho các loại môi chất lạnh như chlorofluorocarbon (CFC), hydrochlorofluorocarbon (HCFC), hoặc hydrofluorocarbon (HFC). Trong tên chất làm lạnh, thông thường có thêm một số cho biết thành phần phân tử (ví dụ, R-11, R-12, R-22, R-134A). Hỗn hợp được sử dụng nhiều nhất trong việc làm mát trực tiếp cho nhà ở và các tòa nhà là hợp chất thuộc nhóm HCFC được gọi là chlorodifluoromethane (R-22).
Dichlorodifluoromethane (R-12) là hỗn hợp phổ biến nhất được sử dụng trong ô tô ở Hoa Kỳ cho đến năm 1994, khi hầu hết các mẫu xe sau đó thay đổi thành R-134A do R-12 có khả năng làm suy giảm tầng ozone.[35] R-11 và R-12 không còn được sản xuất ở Hoa Kỳ cho mục đích sử dụng này, nhưng vẫn được nhập khẩu và có thể được mua và sử dụng bởi các kỹ thuật viên HVAC.
Hiện nay, người ta đã phát triển các chất làm lạnh vốn an toàn với môi trường hơn những chất làm lạnh gốc chlorofluorocarbon được sử dụng vào đầu và giữa thế kỷ XX. Nhóm môi chất lạnh HCFC đang dần bị loại bỏ theo Nghị định thư Montreal và được thay thế bằng các chất HFC như R-410A, vốn không chứa clo trong phân tử.[36] Tuy nhiên, nhóm môi chất lạnh HFC lại góp phần gây ra các vấn đề biến đổi khí hậu. Hơn nữa, những chính sách và sự ảnh hưởng chính trị của các công ty ra sức chống lại sự thay đổi này.[37][38]
Năm 1995, ở Đức, những thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CFC bị xem là bất hợp pháp.[39] Vào năm 2011, EPA đã quyết định ủng hộ chất làm lạnh an toàn với ozone và khí hậu cho lĩnh vực sản xuất của Hoa Kỳ.[40][41] Các HFC như R-404a, R-134a và R-410a, kể từ năm 2020, sẽ được thay thế bằng HFO và chất làm lạnh hydrocacbon như R-1234ze trong các thiết bị làm lạnh cho hệ thống lạnh và điều hòa không khí thương mại,[42] R-1234yf trong ô tô,[43] R-32 trong khu dân cư điều hòa không khí thay thế R-22,[44] và CO2 (R-744) trong làm lạnh thương mại. R-600 (isobutane) đã được sử dụng rộng rãi trong điện lạnh dân dụng.[45]
Thực đơn
Điều hòa không khíLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Điều hòa không khí