Hőszivattyúk: Az évszázados rendszer immár a kormány energiastratégiájának középpontjában áll

Hőszivattyúk Olyan eszközök, amelyek úgy működnek, mint egy hűtőszekrény fordított irányban, és a hőt az épületen kívülről a levegőből vagy a talajból a hűtőközeg keringtetése révén az épület belsejébe szállítják. Például egy levegős hőszivattyú esetében a légkörből származó hőenergia – bár hidegebb lehet, mint a kérdéses épületben lévő levegő – ennek ellenére elég meleg ahhoz, hogy a folyékony hűtőközeg gázzá párologjon. Ezt a gázt azután egy kompresszoron vezetik át, ami megnöveli a gáz nyomását és egyidejűleg a hőmérséklet emelkedését idézi elő. A gáz hőjét ezután fel lehet használni az épület felmelegítésére, míg a hűtőközeg lehűl, és visszatér eredeti, folyékony állapotába, lehetővé téve a folyamat újraindítását.



A hőszivattyúk alapjául szolgáló tudományos elvek eredete a 18. századi és a 19. század eleji skót felvilágosodás idejére vezethető vissza.

1756-ban William Cullen vegyész professzor, az Edinburghi Egyetemről tartotta először nyilvánosan a mesterséges hűtést.

Kis mennyiségű jeget hozott létre úgy, hogy egy szivattyú segítségével részleges vákuumot hozott létre egy dietil-éter-tartály felett, így csökkentette annak forráspontját, hogy felforrjon, és a folyamat során hőt nyeljen el a környezetéből.

A bizonyítási koncepció sikere ellenére Prof. Cullen hűtési eljárása azonban nem talált kereskedelmi alkalmazásra.



Csaknem egy évszázaddal később, 1852-ben William Thomson brit matematikus, Kelvin báró dolgozta ki az ötletet, és olyan eszközt javasolt, amely egy alacsony hőmérsékletű régióból – mondjuk a szabadból – egy melegebbre pumpálhat energiát úgy, hogy üzemanyagot éget el a munka elvégzéséhez.

Ily módon a hőszivattyúk hőt tudnak kivonni a hidegebb környezetből anélkül, hogy megsértenék a termodinamika második főtételét, amely azt feltételezi, hogy az entrópia mindig növekszik.

  Egy hőszivattyú

A hőszivattyúk története több mint két évszázadra nyúlik vissza, és nagy brit befolyással bír (Kép: Getty Images)

  Egy diagram a hőszivattyúk működéséről



A hőszivattyúk úgy működnek, mint egy hűtőszekrény fordított helyzetben, és a hőt kívülről befelé szállítják (Kép: Getty Images)

Az első tényleges hőszivattyút Peter von Rittinger osztrák mérnök adta ki négy évvel később, 1856-ban, bár ő „gőzszivattyúként” emlegette.

Az aforizma szerint a szükség a találmány anyja – és a gépet azért hozták létre, hogy gazdaságilag életképes eszközt biztosítson az ebenseei sógyár számára a só kinyerésére a sóoldatból a helyi üzemanyaghiánnyal szemben.

Miután felmelegítették 212 F (100 C) hőmérsékletre, hogy a folyamat elinduljon, ez a zárt gőztartály a sóoldatból kifőtt vízgőz látens hőjét hasznosította a sóoldat további melegítésére.

A rendszer kulcsa egy vízikerék által hajtott mechanikus kompresszor volt, amely megnövelte a gőz nyomását és hőmérsékletét, mielőtt a sóoldatot hordozó edény alatti üregbe táplálta volna.



Ily módon a víz felhalmozódna az üregben, mivel a só kicsapódik a fenti edényben.

A gőzszivattyúnak van egy jelentős különbsége az otthoni fűtési rendszer utódjaihoz képest – különösen abban, hogy a sóoldattal kevert vízgőz hűtőközegként és fűtendő folyadékként is szolgál.

OLVASS TOVÁBB: Energiamegtakarítás: Az okosotthon rendszer 600 fonttal csökkentheti az energiaszámlákat

  William Cullen

1756-ban William Cullen tartotta az első nyilvános bemutatót a mesterséges hűtésről (Kép: Public Domain)

  William Thomson, báró Kelvin

Lord Kelvin olyan eszközt javasolt, amely képes energiát pumpálni egy alacsony hőmérsékletű régióból egy melegebb területre (Kép: Public Domain / Mrs. Dickinson, London, New Bond Street)

Ezt a koncepciót egy kétfázisú dugattyús kompresszorral továbbfejlesztve Antoine-Paul Piccard svájci fizikus, a Lausanne-i Egyetemről és Jules Weibel mérnök gőzsűrítő rendszert épített ki, amelyet 1877-ben telepítettek a Bex sógyárba.

Nem ez volt Svájc egyetlen szerepe a hőszivattyúk történetében. 1928-ban Aurel Stodola szlovák mérnök épített egy zárt hurkú hőszivattyút, amely a Genfi-tó vizét használta fel a genfi ​​városháza fűtésére. A mai napig működik.

1937 és 1945 között pedig a Sulzer, Escher Wyss és Brown Boveri cégek mintegy 35 hőszivattyút szereltek fel Svájcban – ez a lépés segített enyhíteni a szénhiányt.

Az egyik ilyen rendszer, a zürichi városházát fűtő Escher Wyss szivattyú 63 évig működött, mígnem 2001-ben egy modern modellre cserélték.

  A Norwich hőszivattyú

Az Egyesült Királyság első nagyméretű hőszivattyúját John Sumner építette Norwichban (Kép: Facebook / Finn Geotherm)

Az Egyesült Királyságban 1945-ben John Sumner mérnök építette össze az első nagyméretű hőszivattyút a megmentett alkatrészekből a norwichi városi tanács elektromos osztályának munkatársaként.

A rendszer – amely a szomszédos Wensum folyóból származó vizet és kén-dioxid hűtőközeget használt – 234 kW csúcsteljesítményű volt, és 122–131 F (50–55 C) hőmérsékletű vizet tudott keringetni az elektromos részleg épülete körül.

1948-ban Sumner úr 12 földi hőszivattyút is telepített otthonokba a gazdag brit emberbarát, Lord Nuffield utasítására, és kifejlesztett egy hasonló rendszert, amellyel az 1950-es évek elején saját otthona fűtésére használt.

A következő évben a mérnök egy kétlépcsős gázüzemű szivattyút épített Merlin repülőgép-hajtóművekből módosított kompresszorok felhasználásával, amelyek a Temzét használták hőforrásként a londoni Royal Festival Hallban.

Ahogy a hidrogeológus, David Banks fogalmazott: „A 2,5 MW-os projektet néha egy kis kudarcként írják le, bár nem mindig világos, hogy a probléma az volt, hogy valójában túl sok hőt szállítanak le.”

A szivattyú – magyarázta – „akár 82 C-os [180 F] meleg vizet szolgáltatott”.

Ezeknek a rendszereknek a hatékonysága ellenére azonban nem sokszorosították meg őket az Egyesült Királyságban a fosszilis tüzelőanyagok, például a szén, majd az északi-tengeri olaj és gáz viszonylag olcsósága miatt – ellentétben az olyan skandináv országokkal, mint Svédország, ahol a nukleáris energia fejlesztése. A 70-es és 80-as években a reaktorok elősegítették a hatékony, villamos energiával működő fűtési módszerek felé történő elmozdulást.

Ahogyan a brit író, J Gordon Cook írta a Spectator magazinban 1948-ban: „Az anyagi haladás napjainkban, amikor a jólét garanciájaként oly sok szót áldoznak a tudománynak, hihetetlennek tűnik, hogy egy olyan eszköz, mint a hő A pumpának el kellett volna kerülnie a megérdemelt figyelmet.”