Już w 1852 roku brytyjski matematyk, fizyk i inżynier Lord Kelvin zaproponował wykorzystanie systemów pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń. Pierwsza pompa ciepła została zaprojektowana i zbudowana kilka lat później i wykorzystywana przemysłowo do podgrzewania solanki w celu ekstrakcji soli z płynu.
Dziękujemy, że nas czytasz! Będziemy ogromnie wdzięczni, jeśli zdecydujesz się wesprzeć Srebrny Kompas na Zrzutce! Dziękujemy!
Inżynier Zhibin Yu od lat męczył się z pewnym technicznym problemem, jednak nie miał czasu, by się z nim rozprawić. Na szczęście nadeszła pierwsza covidowa kwarantanna i Yu mógł w końcu wziąć się za udoskonalenie swojej pompy ciepła: urządzenia, które przenosi ciepło z zewnątrz do domów.
Pompy są znacznie bardziej wydajne niż nagrzewnice gazowe, ale standardowe modele, które pochłaniają ciepło z powietrza są podatne na oblodzenie, co znacznie zmniejsza ich efektywność.
Yu, który pracuje na Uniwersytecie w Glasgow w Wielkiej Brytanii, zastanawiał się nad tym problemem przez wiele tygodni. Czytał artykuł za artykułem. I wtedy wpadł na pomysł.
Większość pomp ciepła marnuje część wytwarzanego przez siebie ciepła — ale gdyby udało się uchwycić ciepło odpadowe i przekierować je, zdał sobie sprawę, że mogłoby to rozwiązać problem odszraniania i zwiększyć ogólną wydajność pomp.
„Nagle znalazłem sposób na odzyskanie ciepła” — wspomina. „To był naprawdę niesamowity moment”.
Pompa ciepła. Urządzenie o 200 – letniej historii
Pomysł Yu jest jedną z kilku ostatnich innowacji, które mają na celu uczynienie 200 – letniej technologii pomp ciepła jeszcze bardziej wydajną niż obecnie, potencjalnie otwierając drzwi do znacznie szerszego zastosowania pomp ciepła na całym świecie.
Według Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) do tej pory tylko około 10 procent zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń na całym świecie było zaspokajane przez pompy ciepła. Ale ze względu na kryzys energetyczny i rosnącą presję na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych w celu zwalczania zmian klimatu, urządzenia te są prawdopodobnie ważniejsze niż kiedykolwiek.
Od czasu burzy mózgów związanej z kwarantanną w 2020 r. Yu i jego koledzy zbudowali działający prototyp pompy ciepła, która przechowuje resztki ciepła w małym zbiorniku na wodę.
W artykule opublikowanym latem 2022 roku opisują, w jaki sposób ich konstrukcja pomaga pompie ciepła zużywać mniej energii. Dodatkowo, poprzez oddzielne przekierowanie części tego resztkowego ciepła do części pompy ciepła wystawionej na działanie zimnego powietrza, urządzenie może się rozmrażać w razie potrzeby, bez konieczności przerywania dostarczania ciepła do domu.
Pomysł opiera się na zasadzie działania pomp ciepła: jeśli możesz wykorzystać ciepło, możesz je wykorzystać też w nieco inny sposób. To, co czyni pompy ciepła wyjątkowymi, to fakt, że zamiast tylko wytwarzać ciepło, wychwytują one ciepło z otoczenia i przenoszą je do domu — ostatecznie przekazując to ciepło na przykład do grzejników lub systemów grzewczych z wymuszonym obiegiem powietrza. Jest to możliwe dzięki czynnikowi chłodniczemu, który krąży wewnątrz pompy ciepła. Kiedy czynnik chłodniczy napotyka ciepło — nawet niewielką ilość w powietrzu w zimny dzień — pochłania tę odrobinę ciepła.
Następnie sprężarka wymusza wyższe ciśnienie czynnika chłodniczego, co podnosi jego temperaturę do punktu, w którym może ogrzać dom. Działa, ponieważ wzrost ciśnienia popycha cząsteczki czynnika chłodniczego bliżej siebie, zwiększając ich ruch. Czynnik chłodniczy później ponownie się rozpręża, ochładzając się przy tym i cykl się powtarza. Cały cykl może również przebiegać w odwrotnej kolejności, dzięki czemu pompy ciepła zapewniają chłodzenie, gdy latem jest gorąco.
Magia pompy ciepła polega na tym, że może przenosić wiele kilowatogodzin ciepła na każdą kWh zużytej energii elektrycznej. Sprawności pomp ciepła są generalnie mierzone na podstawie ich współczynnika wydajności (COP). Na przykład współczynnik COP wynoszący 3 oznacza, że 1 kWh soku daje 3 kWh ciepła — to efektywnie 300-procentowa wydajność. COP uzyskiwany z urządzenia może się różnić w zależności od pogody i innych czynników.
To potężna koncepcja, ale także stara. Już w 1852 roku brytyjski matematyk, fizyk i inżynier Lord Kelvin zaproponował wykorzystanie systemów pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń. Pierwsza pompa ciepła została zaprojektowana i zbudowana kilka lat później i wykorzystywana przemysłowo do podgrzewania solanki w celu ekstrakcji soli z płynu. W latach pięćdziesiątych członkowie brytyjskiego parlamentu dyskutowali o pompach ciepła, gdy zapasy węgla były na wyczerpaniu. A w latach następujących po kryzysie naftowym 1973 – 74 pompy ciepła były reklamowane jako alternatywa dla paliw kopalnych do ogrzewania.
„Nadzieja leży w przyszłej pompie ciepła ” — napisał jeden z komentatorów w „Annual Review of Energy” z 1977 roku .
Teraz świat czeka kolejny rozrachunek z dostawami energii. Kiedy Rosja, jedno z największych na świecie źródeł gazu ziemnego, najechała Ukrainę w lutym 2022 roku, cena gazu gwałtownie wzrosła – co z kolei skierowało uwagę na pompy ciepła, ponieważ z nielicznymi wyjątkami działają one na energię elektryczną, a nie na gaz.
W tym samym miesiącu ekolog Bill McKibben napisał szeroko rozpowszechniany post na blogu zatytułowany „Pompy ciepła dla pokoju i wolności ”, w którym odnosząc się do prezydenta Rosji argumentował, że Stany Zjednoczone mogą „pokojowo uderzyć Putina w nerki” wprowadzając pompy ciepła na masową skalę, jednocześnie zmniejszając zależność Amerykanów od paliw kopalnych. Pompy ciepła mogą pobierać energię na przykład z domowych paneli słonecznych lub sieci energetycznej zasilanej głównie ze źródeł odnawialnych.
Uruchamianie urządzeń na zieloną energię elektryczną może również pomóc w walce ze zmianami klimatycznymi- zauważa Karen Palmer, ekonomista i starszy pracownik Resources for the Future, niezależnej organizacji badawczej w Waszyngtonie, która jest współautorem analizy polityki mającej na celu poprawę efektywności energetycznej w roczny przegląd ekonomii zasobów 2018 .
„Przejście w kierunku większego wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby energetyczne w budynkach będzie musiało nastąpić, jeśli nie nastąpi przełom technologiczny w czymś innym” – mówi.
