Công Nghệ Làm Lạnh Elastocaloric Là Gì? Xu Hướng Thay Thế Gas Lạnh Truyền Thống Trong Tương Lai

Trong nhiều thập kỷ, phần lớn hệ thống điều hòa không khí và tủ lạnh hoạt động dựa trên chu trình nén hơi, sử dụng môi chất lạnh để hấp thụ và thải nhiệt. Công nghệ này đã đạt độ trưởng thành rất cao, nhưng bài toán về tác động khí hậu của một số môi chất có GWP cao vẫn thúc đẩy ngành HVAC tìm kiếm những hướng làm lạnh mới.

Một trong những hướng nghiên cứu đáng chú ý là công nghệ làm lạnh Elastocaloric – phương pháp tạo hiệu ứng nhiệt thông qua sự biến đổi của vật liệu rắn dưới tác động cơ học. Thay vì chỉ tìm một loại gas lạnh mới, giới nghiên cứu đang đặt ra câu hỏi lớn hơn: Liệu tương lai chúng ta có thể tạo lạnh bằng chính sự thay đổi trạng thái của vật liệu?

Đó cũng là nền tảng của nhóm công nghệ caloric cooling hay làm lạnh thể rắn – một hướng phát triển có thể góp phần định hình thế hệ HVAC tiếp theo.

1. Công nghệ làm lạnh Elastocaloric là gì?

Elastocaloric là gì? Hiểu đơn giản, đây là hiệu ứng nhiệt xảy ra khi một vật liệu phù hợp được kéo, nén hoặc giải phóng ứng suất. Khi trạng thái hoặc cấu trúc pha của vật liệu thay đổi, nó có thể giải phóng nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt. Bằng cách tổ chức quá trình này thành một chu trình, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra hiệu ứng làm lạnh.

1.1. Từ hiệu ứng nhiệt – cơ đến công nghệ làm lạnh thể rắn

Mối liên hệ giữa biến dạng cơ học và nhiệt độ vật liệu không phải phát hiện hoàn toàn mới. Các hiện tượng nhiệt đàn hồi đã được nghiên cứu từ thế kỷ XIX. Tuy nhiên, sự phát triển của vật liệu chức năng và đặc biệt là hợp kim nhớ hình dạng – Shape Memory Alloy (SMA) đã đưa Elastocaloric trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng của làm lạnh thể rắn.

Trong số đó, hợp kim Nickel-Titanium (NiTi) được nghiên cứu nhiều nhờ khả năng xảy ra biến đổi pha thuận nghịch dưới tác dụng của ứng suất.

Một bài tổng quan về Elastocaloric mô tả công nghệ này khai thác hiệu ứng nhiệt phát sinh từ quá trình chuyển pha do ứng suất của vật liệu SMA để thực hiện chu trình làm lạnh.

1.2. Elastocaloric tạo ra lạnh như thế nào?

Có thể hình dung nguyên lý công nghệ làm lạnh Elastocaloric qua một chu trình đơn giản:

Tác dụng ứng suất → vật liệu biến đổi trạng thái và giải phóng nhiệt → thải lượng nhiệt này ra môi trường → bỏ tải → vật liệu chuyển về trạng thái ban đầu và hấp thụ nhiệt → tạo hiệu ứng làm lạnh.

Với nhiều hệ SMA, quá trình quan trọng là sự chuyển pha martensitic thuận nghịch do ứng suất. Vì vậy, vật liệu Elastocaloric có thể được hình dung như một dạng “môi chất lạnh ở trạng thái rắn”.

Tuy nhiên, Elastocaloric không có nghĩa là máy lạnh không cần năng lượng. Thiết bị vẫn cần năng lượng để tạo lực kéo/nén, vận chuyển nhiệt, điều khiển và vận hành các bộ phận phụ trợ.

2. Xem ngay 3 nhóm công nghệ làm lạnh Caloric chính hiện nay

Elastocaloric không phải hướng nghiên cứu duy nhất. Nó thuộc một hệ sinh thái rộng hơn gọi là công nghệ nhiệt calo – caloric cooling.

Nguyên tắc chung là sử dụng một tác động bên ngoài để làm thay đổi trạng thái hoặc entropy của vật liệu nhiệt calo, từ đó tạo quá trình hấp thụ và giải phóng nhiệt. Các công nghệ thường được phân loại theo dạng tác động lên vật liệu.

2.1. Mechanocaloric – Làm lạnh bằng tác động cơ học

Mechanocaloric có hai hướng đáng chú ý là Elastocaloric và Barocaloric.

Với công nghệ làm lạnh Elastocaloric, tác động chủ yếu là ứng suất kéo hoặc nén. Một số vật liệu có thể tạo ra biến thiên nhiệt đáng kể thông qua chuyển pha hoặc đáp ứng nhiệt – cơ.

Barocaloric lại sử dụng sự thay đổi áp suất thủy tĩnh để tác động lên vật liệu.

Thách thức của Elastocaloric nằm ở việc vật liệu phải chịu số lượng chu kỳ tải rất lớn trong suốt vòng đời thiết bị. Mỏi cơ học, suy giảm đặc tính theo chu kỳ và lực tác động tương đối lớn ở một số loại vật liệu đều cần được giải quyết trước khi công nghệ có thể phổ biến trên quy mô thương mại.

2.2. Magnetocaloric – Làm lạnh bằng từ tính

Làm lạnh bằng từ tính – Magnetocaloric sử dụng sự thay đổi từ trường để làm thay đổi trạng thái nhiệt động của vật liệu.

Khi từ trường được đặt vào hoặc loại bỏ, entropy của vật liệu thay đổi và tạo ra quá trình sinh nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt. Đây là một trong những nhánh caloric được nghiên cứu rộng rãi và lâu đời.

Ưu điểm đáng chú ý là Magnetocaloric không phụ thuộc vào môi chất HFC truyền thống. Tuy nhiên, công nghệ vẫn phải giải quyết các vấn đề về vật liệu từ, hệ nam châm, trao đổi nhiệt, kích thước, chi phí và khả năng mở rộng công suất.

2.3. Electrocaloric – Làm lạnh bằng điện tính

Làm lạnh bằng điện tính – Electrocaloric sử dụng điện trường tác động lên vật liệu điện môi hoặc sắt điện.

Khi điện trường được đặt vào hoặc loại bỏ, trạng thái phân cực và entropy của vật liệu thay đổi, dẫn tới quá trình giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt.

Electrocaloric đặc biệt hấp dẫn đối với những ứng dụng cần thiết bị nhỏ gọn như điện tử và quản lý nhiệt. Tuy vậy, khoảng cách giữa một hiệu ứng nhiệt đáng chú ý ở cấp vật liệu và một hệ thống làm lạnh có công suất thực tế vẫn là bài toán kỹ thuật lớn.

Như vậy, Elastocaloric, Magnetocaloric, Electrocaloric và Barocaloric đều hướng tới một mục tiêu chung: phát triển các phương thức làm lạnh thể rắn có khả năng giảm phụ thuộc vào chu trình nén hơi truyền thống.

3. Vì sao công nghệ làm lạnh Elastocaloric được kỳ vọng?

3.1. Tiềm năng giảm phụ thuộc vào môi chất lạnh có GWP cao

Khác với hệ thống nén hơi, công nghệ làm lạnh Elastocaloric sử dụng vật liệu rắn làm thành phần trung tâm tạo hiệu ứng nhiệt.

Điều này mở ra tiềm năng phát triển công nghệ làm lạnh không dùng gas theo nghĩa không cần môi chất lạnh dạng khí như trong chu trình nén hơi truyền thống, qua đó loại bỏ nguồn phát thải trực tiếp do rò rỉ một số môi chất lạnh có GWP cao.

Đây là lý do Elastocaloric được quan tâm trong xu hướng giảm tác động khí hậu của ngành làm lạnh và điều hòa không khí.

>>> XEM THÊM: R-410A Đang Dần Được Thay Thế? Xu Hướng Chuyển Sang R-32 Và Môi Chất Lạnh Thế Hệ Mới?

3.2. Tiềm năng đạt hiệu suất năng lượng cao

Caloric cooling cũng thu hút sự chú ý bởi tiềm năng đạt hiệu suất nhiệt động cao. Tuy nhiên, cần phân biệt giữa tiềm năng lý thuyết và hiệu suất của một hệ thống HVAC hoàn chỉnh.

Ở thời điểm hiện tại, chưa nên kết luận rằng Elastocaloric luôn tiết kiệm điện hơn VRV/VRF hoặc Chiller. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào bộ truyền động, trao đổi nhiệt, tổn thất cơ học, điều khiển và nhiều thành phần khác.

3.3. Bước tiến từ phòng thí nghiệm lên quy mô kW

Một dấu mốc đáng chú ý xuất hiện năm 2025. Nghiên cứu công bố trên Nature đã xây dựng thiết bị công nghệ làm lạnh Elastocaloric sử dụng các ống NiTi chịu nén theo kiến trúc đa cell.

Hệ thống đạt công suất làm lạnh 1.284 W ở phía chất tải nhiệt tại điều kiện chênh nhiệt bằng 0 trong giai đoạn thử nghiệm 500.000 chu kỳ. Nghiên cứu cũng sử dụng kiến trúc “SMA nối tiếp – dòng chất tải nhiệt song song” nhằm tăng lượng vật liệu hoạt tính nhưng vẫn kiểm soát áp suất dòng chất tải nhiệt.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu còn sử dụng thiết bị để làm mát một mô hình không gian 2,7 m³, đưa nhiệt độ không khí bên trong xuống khoảng 21–22°C khi nhiệt độ ngoài trời khoảng 30–31°C.

Đây là bước tiến quan trọng từ các prototype công suất nhỏ lên quy mô kilowatt, nhưng không đồng nghĩa Elastocaloric đã sẵn sàng thay thế hệ thống điều hòa thương mại.

4. Tìm hiểu 3 rào cản lớn trước khi Elastocaloric có thể thương mại hóa

4.1. Tuổi thọ mỏi của vật liệu – Fatigue life

Một hệ thống điều hòa thực tế có thể phải hoạt động với số lượng chu kỳ rất lớn. Khi vật liệu liên tục bị kéo hoặc nén, hiện tượng mỏi, vi nứt, biến dạng hoặc suy giảm đặc tính nhiệt – cơ có thể xuất hiện.

Do đó, tuổi thọ vật liệu vẫn là một trong những vấn đề quan trọng mà công nghệ làm lạnh Elastocaloric phải giải quyết.

4.2. Chi phí vật liệu và chế tạo

Một vật liệu Elastocaloric tốt không chỉ cần tạo ra biến thiên nhiệt lớn. Nó còn phải có độ bền cao, hysteresis thấp, khả năng làm việc ổn định qua nhiều chu kỳ và có thể sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý.

Điều này khiến bài toán vật liệu gắn chặt với bài toán kinh tế khi thương mại hóa.

4.3. Scale-up từ vật liệu thành hệ HVAC hoàn chỉnh

Một vật liệu đạt ΔT lớn trong phòng thí nghiệm chưa đồng nghĩa máy lạnh sử dụng vật liệu đó sẽ có COP cao.

Để hình thành một hệ HVAC thương mại, nhà sản xuất còn phải giải quyết đồng thời bộ truyền động, thiết bị trao đổi nhiệt, tổn thất cơ học, điều khiển, kích thước, tiếng ồn, độ tin cậy, bảo trì và chi phí vòng đời.

Đây có thể là khoảng cách khó nhất giữa một hiệu ứng vật lý hấp dẫn và một sản phẩm HVAC thực sự cạnh tranh.

5. Tương lai ngành HVAC: Elastocaloric có thể thay thế máy lạnh dùng gas?

Nếu nhìn từ những tiến bộ gần đây, công nghệ làm lạnh Elastocaloric rõ ràng là một ứng viên đáng theo dõi. Nhưng sẽ chưa chính xác nếu xem đây là sự thay thế “một sớm một chiều” cho điều hòa nén hơi.

VRV/VRF, Chiller và các hệ thống nén hơi hiện nay sở hữu chuỗi cung ứng, tiêu chuẩn thiết kế, hệ thống bảo trì và kinh nghiệm vận hành đã phát triển trong nhiều thập kỷ.

Trong khi đó, tương lai HVAC cũng không chỉ có Elastocaloric. Ngành đang đồng thời phát triển môi chất GWP thấp, môi chất lạnh tự nhiên, heat pump, máy nén hiệu suất cao, điều khiển thông minh và những hướng solid-state cooling như Magnetocaloric, Electrocaloric hay Barocaloric.

Thậm chí, nghiên cứu Elastocaloric vẫn tiếp tục mở rộng giới hạn ứng dụng. Một công trình Nature gần đây đã trình diễn thiết bị sử dụng hợp kim NiTi có nhiệt độ chuyển pha thấp và đạt nhiệt độ nguồn lạnh -12°C, cho thấy hướng nghiên cứu đang tiến sang cả những ứng dụng dưới 0°C.

5.1. Góc nhìn từ Đông SaPa: Theo dõi công nghệ mới nhưng ưu tiên giải pháp khả thi

Đối với kỹ sư, nhà thầu và chủ đầu tư, Elastocaloric là gì không chỉ là một câu hỏi về một công nghệ mới. Nó cho thấy tương lai ngành làm lạnh có thể không còn chỉ xoay quanh việc tìm kiếm một loại gas lạnh tốt hơn.

Trong ngắn hạn, các công trình thực tế vẫn cần lựa chọn VRV/VRF, Chiller và những giải pháp HVAC hiện hành dựa trên tải lạnh, hiệu suất, công năng, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả năng vận hành và chi phí vòng đời.

Về dài hạn, sự phát triển của vật liệu nhiệt calo và các kiến trúc làm lạnh thể rắn có thể mở ra những phương thức điều hòa không khí hoàn toàn khác so với hệ thống chúng ta đang sử dụng.

6. Kết luận – Elastocaloric mở ra hướng đi mới cho công nghệ làm lạnh

Vậy Elastocaloric là gì? Đây là phương pháp tạo hiệu ứng nhiệt thông qua phản ứng của vật liệu dưới tác động cơ học và là một phần của hệ sinh thái caloric cooling cùng Magnetocaloric, Electrocaloric và Barocaloric.

Công nghệ làm lạnh Elastocaloric có tiềm năng giảm phụ thuộc vào môi chất lạnh có GWP cao và hướng tới thế hệ công nghệ làm lạnh không dùng gas mới. Tuy nhiên, những bài toán về tuổi thọ vật liệu, chi phí, trao đổi nhiệt, thiết kế hệ thống và thương mại hóa vẫn cần thêm thời gian để giải quyết.

Các bước tiến lên quy mô kilowatt cho thấy Elastocaloric đang dần chuyển từ nghiên cứu vật liệu sang những prototype có quy mô ngày càng thực tế hơn. Vì vậy, thay vì xem đây là “công nghệ sắp thay thế máy lạnh”, phù hợp hơn khi coi Elastocaloric là một trong những ứng viên đáng chú ý cho thế hệ công nghệ HVAC tương lai.

Hãy theo dõi dongsapa.com.vn để cập nhật thêm kiến thức, xu hướng công nghệ và các giải pháp mới trong thiết kế, thi công và vận hành hệ thống điều hòa không khí.

CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ ĐIỆN LẠNH ĐÔNG SAPA

• Showroom: 456/72 Cao Thắng (ND), Phường Hòa Hưng, TPHCM.
• Hotline dự án 24/7: 0988 200 200 (Mr. Vinh)
• Email: quangvinh@dongsapa.com.vn
• Website: dongsapa.com.vn