Abecadlo - Klimatyzatory i pompy ciepła

Klimatyzatory i pompy ciepła - cz. 1

Technika i gadżety
2022 / 10 / 10

Naukowcy intensywnie pracują nad nowym sposobem chłodzenia pomieszczeń. Używana powszechnie technologia praktycznie nie zmieniła się przez ostatnie 100 lat. To zadziwiające przy porównaniu z niemal każdą inną dziedziną, gdzie przeważnie dokonała się już niejedna rewolucja. Tymczasem w klimatyzatorach poczyniono jedynie pewne ulepszenia, bez żadnych przełomowych zmian.

Technologia chłodzenia opiera się na prawie fizyki, które wiąże temperaturę gazu z jego ciśnieniem. Sprężanie powoduje podnoszenie temperatury, a rozprężanie jej obniżanie. Klimatyzator wyposażony jest w kompresor, który spręża gaz wypełniający zamknięty obwód klimatyzatora. W chwili sprężania gaz znajduje się w części urządzenia zainstalowanego na zewnątrz budynku. Tam też pozostaje wydzielone ciepło w procesie sprężania. Gaz następnie wędruje do części wewnątrz budynku, gdzie zostaje rozprężony. Proces ten powoduje ochłodzenie wnętrza, a gaz z powrotem wędruje do części zewnętrznej, aby ponownie być sprężonym.

Klimatyzatory zapewniają nam komfort, ale niestety są dużym obciążeniem dla środowiska. Sytuacja nieco się poprawiła dzięki umowie międzynarodowej z 1987 roku nazwanej Montreal Protocol. Uzgodniono wówczas stopniowe wycofywanie z używania w tych urządzeniach gazu określanego skrótem CFC (chlorofluorowęglowodoru). Gaz ten uwalniany do atomosfery powoduje bowiem powiększanie się dziury ozonowej.

CFC zastąpiono gazem HFC (wodorofluorowęglowodorem), który jednak wcale nie okazał się lepszy. Należy bowiem do tzw. gazów cieplarnianych i jest znacznie groźniejszy dla klimatu niż dwutlenek węgla. Poprawka do Protokołu z Montrealu zabrania używania HFC, ale stopniowe jego wycofywanie zakończy się dopiero w połowie lat 40-tych naszego wieku. Nowsze klimatyzatory używają środka o nazwie R-32, ale większość istniejących urządzeń wciąż zatruwa środowisko. A wszystkich klimatyzatorów na świecie jest już 2 miliardy. W New Jersey aż 95% domów używa klimatyzatorów, a 60% posiada centralny system chłodzenia.

Postępujące ocieplenie klimatu powoduje, że klimatyzatorów będzie jeszcze więcej. Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) ocenia, że do roku 2050 ich liczba osiągnie 5,6 miliarda. Ich używanie szkodzi środowisku również pośrednio, bo są to urządzenia wymagające dużej ilości energii. Energia ta jest w większości produkowana z paliw kopalnych. Według IEA, urządzenia chłodzące i wentylatory są odpowiedzialne za aż 10% światowej konsumpcji energii elektrycznej.

Klimatyzator LG LW8016ER używa czynnika chłodzącego R-32, chociaż informację o tym nie jest łatwo znaleźć. Urządzenie o mocy 8000 BTU można kupić w Home Depot za 289 dolarów.

Naukowcy próbują skonstruować doskonalsze klimatyzatory i mają w tym pewne sukcesy. Firmy Gree Electric Appliances i Daikin Industries zdobyły już nagrodę Global Cooling Prize. Została wyznaczona dla firmy, która zbuduje prototyp urządzenia 5-krotnie efektywniejszego od obecnie produkowanych klimatyzatorów. Obydwie firmy zastosowały tradycyjną technologię, ale z użyciem nowych gazów i różnych wynalazków konstrukcyjnych. Z kolei firma Blue Frontier eksperymentuje z urządzeniem, które zamiast gazu używa specjalnego płynu. Grupa naukowców z Harvard University zbudowała natomiast prototyp, który nazwała coldSNAP. Ma on ceramiczną platformę do odparowywania wody, mającej chłodzić powietrze, ale nie nawilżać go.

Nowe klimatyzatory to na razie prototypy i nie wiadomo, czy w ogóle trafią do produkcji. Istnieją jednak urządzenia, które mogą zastąpić tradycyjne klimatyzatory i zdobywają coraz większą popularność. Są to tzw. pompy ciepła. Ze względu na nazwę - po angielsku brzmi ona tak samo: heat pumps - kojarzone są raczej jako urządzenia służące do ogrzewania pomieszczeń. Ale "pompowanie ciepła" może odbywać się w dwóch kierunkach, a więc urządzenie może także pomieszczenia chłodzić.

W uproszczeniu, pompa ciepła działa na takiej samej zasadzie jak klimatyzator. Są jednak różne rodzaje tego urządzenia. Pompy powietrzne przypominają nawet wyglądem zwykły klimatyzator. Ale pompy geotermalne korzystają już ze stałej temperatury utrzymującej się pod ziemią. Już na głębokości 10 stóp wynosi ona stale około 54oF (12oC). Pompa ciepła wykorzystuje ją zimą do ogrzewania domu, a latem do jego chłodzenia.

Co najważniejsze, pompy ciepła są urządzeniami bardzo efektywnymi. W trybie ogrzewania, nawet najprostsze pompy powietrzne są oszczędniejsze od innego rodzaju ogrzewania. Jeszcze większe zalety ujawniają jako urządzenie zastępujące klimatyzator. Najlepsze pompy ciepła zużywają nawet pięć razy mniej energii elektryczniej niż klimatyzatory. Są nie tylko znacznie efektywniejsze w chłodzeniu, ale też lepiej zmniejszają wilgotność powietrza. Dzięki temu nie trzeba przesadnie chłodzić pomieszczenia, aby uzyskać komfortowe warunki.

Nic więc dziwnego, że pompy ciepła zaczynają cieszyć się coraz większą popularnością. Choć bynajmniej nie są jakąś nowością. W Stanach Zjednoczonych ma je zainstalowane 17,75 milionów domów (14%). Tyle że do niedawna inwestowali w nie przede wszystkim mieszkańcy południa kraju. Najwięcej pomp zainstalowanych jest w Teksasie i na Florydzie. Bo tam pompy wykorzystywane są przede wszystkim jako klimatyzatory. A funkcja ogrzewania jest traktowana tylko jako przydatny dodatek.

Na północy kraju ogrzewanie jest potrzebne. Ale przed szerszym wykorzystaniem pomp ciepła do ogrzewania powstrzymywała mieszkańców północy słaba ich sprawność przy bardzo niskich temperaturach. Postęp technologiczny spowodował jednak usunięcie tego problemu, choć przy dużych mrozach pompa ciepła musi wspierać się elektrycznym grzejnikiem, co oznacza wyższe koszty użytkowania.

Dane amerykańskiego urzędu Energy Information Administration pokazują, że zainteresowanie pompami ciepła migruje na północ. Najwyższy odsetek domów posiadających pompę ciepła jest w Karolinie Południowej - 46%. Ale w Karolinie Północnej pomp jest niewiele mniej - są one w 42% domów i stan ten znalazł się na drugim miejscu pod tym względem. W czołówce są inne południowe stany, jak Alabama (42%), Floryda (32%) i Mississippi (32%). Ale też stany wysunięte nieco bardziej na północ: Tennessee (39%) i Wirginia (30%). New Jersey jest na razie bardzo daleko, bo na czwartym od końca miejscu. Zaledwie 4% domów ma tu pompę ciepła. Na trzecim od końca miejscu jest Nowy Jork z wynikiem 3%.

Zainteresowanie pompami ciepła zależy od lokalnego klimatu, ale też od przepisów. W ich popularyzacji pomagają różne inicjatywy ustawodawcze, oferujące ulgi podatkowe. Przyjęty niedawno przez Kongres USA pakiet ustaw pod nazwą Inflation Reduction Act również zawiera takie rozwiązania na poziomie federalnym. Być może spowoduje to odwrócenie proporcji instalowanych klimatyzatorów i pomp ciepła. W 2021 roku w USA zainstalowano 6 milionów systemów centralnej klimatyzacji. Natomiast pomp ciepła sprzedano 4 miliony.

Z pewnością warto zaintersować się pompami ciepła, które stanowią energooszczędną alternatywę do ogrzewania i chłodzenia domu. W następnej rubryce "Technika i gadżety" opiszemy, jakie są rodzaje pomp ciepła, jakie mają zalety, a jakie wady. Podamy, na jakie funkcje warto zwrócić uwagę przy wyborze konkretnego modelu pompy ciepła, z czym wiąże się ich instalacja i jakie są ceny tych urządzeń.