Tác nhân lạnh và sự ảnh hưởng đến môi trường

TÁC NHÂN LẠNH VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG Thứ năm, 10 Tháng 11 2011 11:29 HVACR - Môi trường, Năng lượng... Tác nhân lạnh Tác nhân lạnh là thuật ngữ dùng để chỉ đến các chất dùng trong các thiết bị, hệ thống làm lạnh trong dân dụng, công nghiệp và thương mại (trong máy lạnh dân dụng thường gọi là gas lạnh). Lịch sử của tác nhân lạnh Trong những ngày đầu tiên, ngành công nghiệp điều hòa (HVAC – viết tắt của từ Heating Ventilation and Air Conditioning) hầu như chỉ đặt mối quan tâm đến việc tìm ra môi chất có khả năng làm lạnh. Bất kỳ chất nào đáp ứng được nhu cầu đó đều có thể sử dụng (SO2, NH3, CCl4…). Thế nhưng sau một thời gian sử dụng, chúng gặp phải trở ngại do các môi chất này đều độc hại và có khả năng gây cháy nổ. Vào những năm 1930, tác nhân lạnh CFC (có thành phần cấu tạo từ Clo – Flo – Cacbon) được các nhà khoa học nghiên cứu sản xuất. Chúng nhanh chóng được sử dụng rộng rãi do hiệu suất cao, tính an toàn và sự bền vững. Đến những năm 1970, khi các vấn đề về môi trường được quan tâm, các nhà khoa học nhận ra rằng tác nhân lạnh CFC và sau này là HCFC, HFC đã ảnh hưởng đến sự suy giảm tầng ozone của trái đất và biến đổi khí hậu toàn cầu. Trước những tác động đó, 2 nghị định thư đã ra đời nhằm giảm thiểu hậu quả do chúng mang đến. Nghị định thư Montreal Ra đời vào năm 1987, vào thời điểm này sự suy giảm tầng ozone và đặc biệt là sự phát hiện lỗ thủng tầng ozone tại Nam Cực trở thành mối quan tâm chính của toàn cầu. Nghị định thư Montreal ra đời nhằm để bảo vệ tầng ozone bằng cách giới hạn dần việc sản xuất và sử dụng các chất được cho là liên quan đến sự suy giảm tầng ozone. Sự suy giảm tầng ozone làm gia tăng các tia cực tím ảnh hưởng đến sức khỏe con người và các loài sinh vật. Nghị định được ký kết vào ngày 16 tháng 9 năm 1987, trước tiên là giới hạn các chất CFC và sau đó là HCFC. Tác nhân lạnh CFC được giới hạn sản xuất hoàn toàn vào 1996. Do có hệ số làm ảnh hưởng đến tầng ozone thấp hơn, thời gian giới hạn sản xuất và sử dụng tác nhân lạnh HCFC chậm hơn (đến 2040 sẽ giới hạn sản xuất hoàn toàn). Thông qua việc giảm thải các khí CFC, dự báo vào năm 2015 lỗ thủng ozone ở Nam Cực sẽ giảm đi khoảng một triệu km2 trên 25 triệu km2 và phục hồi hoàn toàn nhanh nhất là vào năm 2050 hay chậm hơn. Mặc dù vậy vẫn còn một cảnh báo nhỏ, sự ấm lên toàn cầu được dự đoán sẽ làm lạnh tầng bình lưu. Hậu quả của việc này là sự gia tăng tương đối của việc thâm thủng ôzôn và chu kỳ của các lỗ thủng.(2) Nghị định thư Kyoto Vào nhữngnăm 1990, các nhà khoa học phát hiện thêm một đặc tính của tác nhân lạnh đó là khả năng làm nóng Trái Đất. Hiện tượng ấm dần lên toàn cầu (Global Warming) đã và đang gây ra những ảnh hưởng nặng nề. Không chỉ làm tan băng ở 2 cực Trái Đất và nâng cao mực nước biển, sự ấm dần lên toàn cầu còn gây ra những biến đổi to lớn về mặt sinh thái, tự nhiên. Số lượng cơn bão đang xuất hiện nhiều hơn với sức mạnh lớn hơn, thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến các loài sinh vật và có thể dẫn đến sự tuyệt chủng của một số loài, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn. Một nghiên cứu dự đoán khoảng 18% đến 35% trong tổng số 1.103 loài động thực vật có thể bị tuyệt chủng cho đến năm 2050, dựa trên các số liệu tiên đoán khí hậu trong tương lai (3) Điều này dẫn đến sự ra đời nghị định thư Kyotol vào năm 1997 nhằm giảm thiểu những khí gây ra hiệu ứng nhà kính (greenhouse gas) – nguyên nhân chính của sự ấm dần lên toàn cầu. Mặc dù được xem là chất không gây ảnh hưởng đến tầng ozone nhưng một số tác nhân lạnh HFC có tác động đến sự ấm lên toàn cầu và nằm trong danh mục các chất cần cắt giảm. Điển hình như tác nhân lạnh R134a, mặc dù gần như không gây ảnh hưởng đến tầng ozone nhưng do có hệ số làm nóng trái đất cao nên R134a đã bị cấm sử dụng cho các phương tiện giao thông tại Châu Âu. Ghi chú: Tác nhân lạnh “tái chế” bao gồm các tác nhân lạnh được thu hồi và tái sử dụng hoặc được lưu trữ trong kho, các tác nhân lạnh này được phép sử dụng mà không có sự giới hạn nào. Tác nhân lạnh “mới” là tác nhân lạnh được sản xuất mới hoàn toàn, loại tác nhân lạnh này bị giới hạn sử dụng. Yếu tố cân bằng Ảnh hưởng của tác nhân lạnh đến môi trường là rõ ràng. Tuy nhiên, có sự trớ trêu ở đây là các tác nhân lạnh không ảnh hưởng đến tầng ozone thì lại có khả năng gây ra hiệu ứng nhà kính khá cao (Hình 7). Ngoài ra, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, khí hậu, tác nhân lạnh còn có thể gián tiếp gây ra những biến đổi khí hậu. Yếu tố trực tiếp ở đây chỉ đến sự ảnh hưởng trực tiếp đến tầng ozone, hiện tượng ấm dần lên toàn cầu. Để xem xét đến khả năng gây nguy hại của một tác nhân lạnh người ta dùng 2 hệ số ODP (Ozone Depletion Potential – Khả năng làm suy yếu tầng ozone) và GWP (Global Warming Potential – Khả năng làm nóng trái đất). Ngoài ra, sự rò rỉ và thời gian tồn tại trong khí quyển của các chất này cũng là yếu tố cần được quan tâm. Đối với chỉ số ODP và GWP, các hệ số này càng cao nghĩ là khả năng tác động của tác nhân lạnh đó càng lớn. Thời gian tồn tại trong khí quyển càng lâu thì tác nhân đó càng ảnh hưởng mạnh đến môi trường. Sự rò rỉ, ngược lại, càng ít thì càng giảm thiểu tác động. Yếu tố gián tiếp ở đây chính là hiệu suất của một tác nhân lạnh hay nói cách khác là hiệu suất của thiết bị, hệ thống sử dụng tác nhân lạnh, mà ở đây chính là máy lạnh hay hệ thống lạnh mà ta vẫn sử dụng hằng ngày. Các thiết bị hay hệ thống lạnh đều tiêu tốn điện năng để vận hành, nếu hiệu suất của tác nhân lạnh càng cao, ta càng tiêu tốn ít điện năng tiêu thụ. Điều này không chỉ mang lại lợi ích cho cá nhân, doanh nghiệp. Nhìn xa hơn, điện năng tiêu thụ càng ít nghĩa là các nhà máy nhiệt điện giảm công suất hoạt động qua đó giảm lượng khí phát thải vào môi trường. Đa số các khí sinh ra sau quá trình cháy của nhà máy nhiệt điện đều là các khí gây nên hiện tượng nhà kính. Tham khảo thông số ở Bảng 1 và Hình 7, ta thấy tác nhân lạnh CFC mặc dù có hiệu suất cao nhưng lại ảnh hưởng nặng nề đến tầng ozone và sự biến đổi khí hậu. Do đó, CFC đã bị giới hạn sản xuất từ năm 1996. Các tác nhân lạnh HCFC có hệ số ODP, GWP thấp hơn nên thời gian giới hạn sản xuất và sử dụng kéo dài hơn. Tác nhân lạnh HFC gần như không ảnh hưởng đến tầng ozone nhưng lại có hệ số GWP khá cao. Một số tác nhân lạnh gần như hoàn hảo về yếu tố môi trường và hiệu suất nhưng lại dễ cháy và gây độc cho con người. Từ những yếu tố trên, việc lựa chọn sử dụng tác nhân lạnh cần dựa trên sự cân bằng. Sự cân bằng đó bao gồm các yếu tố sau: ODP – Khả năng ảnh hưởng đến tầng ozone GWP – Khả năng ảnh hưởng đến sự nóng lên toàn cầu Lượng rò rỉ Thời gian tồn tại trong khí quyển Hiệu suất Tác nhân lạnh và “Tòa nhà xanh” Tòa nhà xanh – Green Building là những tòa nhà đạt chuẩn về sử dụng năng lượng hiệu quả, bảo toàn nguồn nước, chống ô nhiễm tiếng ồn, nguồn nước, không khí, đất v.v… được xem là nơi có môi trường làm việc, sinh sống và vui chơi thân thiện với môi trường. (LCGWP + LCODP × 100,000) ≤ 100 LCGWP = [GWPr x (Lr x Life +Mr) x Rc]/Life LCODP = [ODPr x (Lr x Life +Mr) x Rc]/Life LCGWId: Lifecycle Direct Global Warming Index LCODI: Lifecycle Ozone Depletion Index GWPr: Global Warming Potential of Refrigerant ODPr: Ozone Depletion Potential of Refrigerant Lr: Refrigerant Leakage Rate (default of 2%) Mr: End-of-life Refrigerant Loss (default of 10%) Life: Equipment Life (23 years for centrifugal and screw chillers) Rc: Refrigerant Charge per ton of cooling capacity Một công trình được chứng nhận là “Tòa nhà xanh” cần phải thỏa mãn các tiêu chuẩn do các tổ chức có uy tín đề ra. Trên thế giới hiện nay có thể kể đến là LEED của Mỹ, Green Star của Úc, Green Mark của Singapore và tại Việt Nam hiện đang xây dựng một tiêu chuẩn riêng dựa trên các tiêu chuẩn của cộng động thế giới – tiêu chuẩn LOTUS. Trong các tiêu chuẩn này, loại tác nhân lạnh sử dụng cũng sẽ được đánh giá có thỏa mãn tiêu chí đề ra hay không. Theo công thức trên, tiêu chí lựa chọn tác nhân lạnh bao hàm tất cả các yếu tố cân bằng mà ta nói đến chứ không chỉ đánh giá riêng lẽ đến ODP hay GWP. Lời kết Con người hiện đang phải đối mặt với những ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu mà một trong những nguyên nhân gây ra chúng là tác nhân lạnh. Không chỉ ảnh hưởng đến tầng ozone, tác nhân lạnh còn góp phần gây ra sự ấm dần lên toàn cầu – là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ của khí hậu trong thời gian gần đây. Hầu hết các tác nhân lạnh hiện nay đều không phải là hoàn hảo, do đó cần quan tâm đến sự cân bằng trong việc sử dụng tác nhân lạnh. Bất kỳ tác nhân lạnh nào cũng có thể sử dụng được nếu chúng ta ứng dụng chúng một cách phù hợp. Hãy tham khảo những điều dưới đây để sử dụng và lựa chọn thiết bị lạnh phù hợp hơn. Đối với cá nhân: Đa số các hãng hiện nay đều có thêm loại tác nhân lạnh (gas lạnh) thân thiện với môi trường (R407C, R410A) và ứng dụng các công nghệ tiên tiến. Do đó ưu tiên chọn lựa các thiết bị hiệu suất cao, tiết kiệm điện nếu đủ khả năng. Sử dụng các thiết bị điện nói chung và thiết bị lạnh nói riêng một cách hiệu quả nhất: o Đừng cài đặt chế độ máy quá lạnh(160C), điều này gây lãng phí năng lượng và ảnh hưởng đến sức khỏe, thông thường nhiệt độ 250C là phù hợp. o Tắt các thiết bị điện khi không sử dụng Đối với doanh nghiệp: Hệ thống lạnh gần như chiếm 30 – 40% tiêu thụ điện năng trong tòa nhà. Hãy chắc rằng bạn đang sử dụng một hệ thống tiết kiệm năng lượng. Quan tâm đến công tác bảo trì, bảo dưỡng cho thiết bị. Thay thế thiết bị cũ hiệu suất kém. Đối với các công trình mới, hãy quan tâm đến các hệ thống tiết kiệm năng lượng: Hệ thống thu hồi nhiệt (sử dụng heat wheel, heat recovery) Hệ thống tích trữ lạnh (ice storage) Dùng heat pump thay cho lò hơi để cung cấp nước nóng Tham khảo các hướng dẫn thiết kế “xanh” để có một hệ thống hiệu suất cao Luôn xem xét đến yếu tố cân bằng của tác nhân lạnh trong đó đặc biệt là hiệu suất của hệ thống lạnh Nguồn tham khảo (1)The Next Generation of Refrigerants – Historical Review, Considerations, and Outlook - J. M. Calm (2) Sự_suy_giảm_ôzôn (3)Ấm_lên_toàn_cầu (4) (5)htttp://data.worldbank.org 6)