Pompa ciepła – początki naukowej koncepcji

W 1748 szkocki lekarz i chemik William Cullen  wykonał pierwszą udokumentowaną demonstrację sztucznego chłodzenia, które można uznać za początek prac naukowych, które zaowocowały opracowaniem pompy ciepła. W swojej demonstracji Cullen użył pompy, aby stworzyć małą próżnię nad pojemnikiem z eterem dietylowym. Gdy eter diteylowy zaczął się gotować, wchłaniał ciepło z otoczenia pojemnika, powodując jego ochłodzenie. Eksperyment Williama Cullena doprowadził do zrozumienia przeniesienia utajonego ciepła (które ma miejsce w parowniku pompy ciepła).

William Thomson (Lord Kelvin) – twórca skali Kelvina, jako pierwszy zaproponował zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń, a wraz z Jamesem Davidem Forbesem pracował nad zrozumieniem zachowania ciepła w ziemi. Lord Kelvin opracował ten pomysł w 1852 roku i jest powszechnie uważany za odpowiedzialnego za koncepcję naukową pompy ciepła.

Próbując ulepszyć proces mrożenia…

Był rok 1948 – rok pełen interesujących wydarzeń. W roku tym, sprzedano pierwszy magnetofon,  Harry Truman został ponownie wybrany na prezydenta USA, a człowiek o nazwisku Robert C. Webber pracował nad zamrażalnikiem w swojej piwnicy pod swoim domem.

Lodówki w domach zaczęły pojawiać się już 30 lat wcześniej, jednak dopiero nadchodził czas rozszerzenia się popularności i rozwinięcia technologii głębokiego mrożenia. Robert C. Webber pracował nad ulepszeniem swojej elektrycznej zamrażarki, tak by mógł przechowywać w niej mięso przez lata bez zepsucia. Przypadkowo poparzył sobie ręce podczas dotykania rur wylotowych układu chłodzenia. Intrygujący incydent, gdyż zamrażarka powinna wypierać zimną wodę, a nie gorącą i bardziej kojarzy się z odmrożeniami niż z oparzeniami.  Postanowił sprawdzić, czy mechanika może zostać odwrócona i w ten sposób odkrył, że głęboka zamrażarka produkuje gorącą wodę.

Współczesna wizualizacja gruntowej pompy ciepła (Vitocal 300-G Fot. Viessmann)

Następny krok: gorące kąpiele

Nie chcąc marnować czasu, Robert zastanawiał się, jak wykorzystać to ciepło ze swojej zamrażarki. Przyszło mu do głowy wiele pomysłów, a gdy wszystko wydawało się nieskuteczne, postanowił wysłać gorącą wodę do swojego kotła. Jego kocioł nie był w stanie zapewnić  wystarczającej ilości ciepłej wody dla jego rodziny na codziennie użytkowanie : prysznice, kąpiele, pranie i mycie rąk. Brak wystarczającej ilości ciepłej wody jest problemem, z którym napotykają wszystkie rodziny. Robert naprawił problem z kotłem, wysyłając do niego podgrzaną wodę z jego zamrażarki. I tak po prostu nie było więcej zimnych pryszniców dla jego rodziny.

Jednak w następstwie pojawił się kolejny problem – zbyt duża ilość ciepłej wody. Oczywiście, nie chcąc marnować pieniędzy, Robert musiał wysłać resztkę gorącej, gorącej wody z kotła gdzie indziej. Jako wynalazca jego umysł pracował w inny sposób niż przeciętny Amerykanin. Więc myślał i narzekał, rysował szkice. W końcu w jego głowie pojawił się pomysł na resztki zmarnowanej gorącej wody – ogrzewanie domu.

Jak ogrzać cały dom?

Robert poprowadził wrzącą wodę do zwiniętej miedzianej rury z małym elektrycznym wentylatorem. Gorąca woda podgrzała cewkę, a wentylator kręcił się i kręcił. W rzeczywistości wentylator był w stanie ogrzać cały dom. W 1948 roku Robert C. Webber stworzył pierwszą elektryczną pompę ciepła, wykorzystując zmarnowaną wrzącą wodę z zamrażarki o głębokim mrożeniu. Dla zwiększenia wydajności zastosował w późniejszych latach gaz freonowy i zakopywał miedziane rury.

W następnym roku Robert zastąpił tym urządzeniem piec węglowy w swoim domu, a pół wieku  później pompy ciepła znalazły się już w dużej części instalacji HVAC. Woda została zastąpiona przez czynniki robocze, a systemy stały się mniejsze i bardziej wydajne. Robert C. Webber zainspirował nową generację technologii elektrycznej skupionej wokół idei klimatyzacji i jest uważany za twórcę pierwszej gruntowej pompy ciepła.

W późniejszych projektach geotermalnych pomp ciepła zaczęto wykorzystywać dodatkową plastikową pętlę rurową do cyrkulacji wody w głębokich studniach, aby zebrać wystarczającą ilość ciepła dla dużych zastosowań przemysłowych. Stopniowo rozwijając się od lat 80. XX wieku, technologia przeżywa teraz wzrost popularności, częściowo ze względu na swoją prostotę, wydajność i kompaktowe rozmiary. Wzrasta również świadomość problemów środowiskowych i energetycznych szczególnie wśród mieszkańców miast i terenów podmiejskich.

Opracowanie: Justyna Bolek na podstawie tennessean.com

Redakcja GLOBEnergia