Wynalazek Einsteina ogrzewa domy - krótka historia pomp ciepła

Pompy ciepła to dziś wysoko efektywne urządzenia stosowane do ogrzewania i chłodzenia budynków oraz do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Dzięki nim ciepło można dziś czerpać z energii słonecznej zakumulowanej w gruncie, powietrzu czy wodzie. Umożliwiają one również odzysk ciepła ze ścieków, tuneli czy lodu. Zanim jednak pompy ciepła stały się atrakcyjnym, a przede wszystkim konkurencyjnym w stosunku do innych źródłem ciepła, nad ich technologią pracowało kilka pokoleń wybitnych naukowców, praktyków i wizjonerów. Historia pomp ciepła sięga 200 lat!

Jako pierwszy Nicolas Sadi Carnot w roku 1824 zwrócił uwagę na fakt, że energia mechaniczna może być w całości zamieniona na ciepło, natomiast ciepło tylko częściowo może być zamienione w energię mechaniczną. Teorię tą udoskonalił Rudolf Julius Emanuel Clausius i znana jest obecnie jako II zasada termodynamiki.

Zasada działania pomp ciepła często tłumaczona jest na zasadzie odwrócenia działania lodówki. W przypadku lodówki ciepło pobierane jest z jej wnętrza i odprowadzane na zewnątrz przez wymiennik ciepła, zwykle znajdujący się z tyłu urządzenia. Za pomocą obiegu chłodniczego następuje przekazanie ciepła na zewnątrz. Do pracy lodówki wykorzystywana jest energia elektryczna służąca jako napęd sprężarki. W przypadku pompy ciepła mamy do czynienia z sytuacją odwrotną. Pompa ciepła pobiera ciepło poza budynkiem – z otoczenia np. z gruntu czy powietrza i dostarcza je do budynku (grzanie, chłodzenie lub podgrzewanie wody użytkowej). Całe ciepło pobrane z zewnątrz jest traktowane jako energia ze źródeł odnawialnych. Czynnik roboczy przekazuje ciepło z dolnego do górnego źródła ciepła. Dodatkowa energia potrzebna jest do zasilenia sprężarki i pomp obiegowych.

Rozwój technologii pomp ciepła zawdzięczamy urządzeniom służącym do produkcji lodu. W roku 1834 Jacob Perkins zbudował pierwszą chłodziarkę sprężarkową. Urządzenie Perkinsa, w którym czynnikiem chłodniczym był eter, zbudowane było z czterech podstawowych elementów: sprężarki, parownika, zaworu rozprężnego i skraplacza. O jego osiągnięciu nie wspomniano przez blisko 50 lat, ponieważ w tym czasie nie było zapotrzebowania na tego typu urządzenia. Jeszcze 200 lat temu chłodzenie było możliwe jedynie dzięki lodowi z lodowców, który transportowany był na skalę międzynarodową i międzykontynentalną. W roku 1890 po raz pierwszy zwrócono uwagę na problem kurczenia się pokrywy lodowej lodowców. Jako priorytet uznano wówczas znalezienie sposobu chłodzenia, wymagał tego zwłaszcza przemysł spożywczy.

Duży wkład w historię pomp ciepła wniósł William Thompson (znany również jako Lord Kelvin) – twórca skali Kelvina.  Jako pierwszy zwrócił on uwagę, że „odwrócony silnik cieplny” może być użyty nie tylko do chłodzenia, ale również do ogrzewania. Uznał, że tego typu urządzenie grzewcze potrzebowałoby mniej energii pierwotnej w stosunku do znanych dotychczas urządzeń, za sprawą pozyskiwania ciepła z otoczenia. Zanim jednak pomysł ten został wcielony w życie i pierwsze pompy ciepła zastosowano do ogrzewania pomieszczeń musiało upłynąć jeszcze wiele lat.

Dopiero kryzys gospodarczy końca lat 20-tych XX wieku sprawił, że podejmowano coraz liczniejsze próby konstruowania bardziej efektywnych instalacji grzewczych. Okres rozkwitu technologii pomp ciepła przypada na lata 1919 -1950. W tym czasie pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej przeszły drogę od pierwszych prototypów do niezawodnych, efektywnych, dostosowanych do indywidualnych potrzeb, a nawet opłacalnych ekonomicznie urządzeń grzewczych. W Zurychu modelowymi pompami ciepła, wybudowanymi w latach 1938-1945 ze względu na poważne braki węgla, ogrzewane były między innymi: ratusz, budynek kongresu, urzędy miejskie, kryta pływalnia. Pompy ciepła pobierały energię z powietrza oraz z rzeki Limmat płynącej przez stolicę Szwajcarii.

W roku 1930 Albert Einstein i Leo Szilard uzyskali patent dotyczący urządzenia chłodniczego, które miało możliwość przekazywania ciepła z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o temperaturze wyższej, dzięki m.in. różnicy ciśnień, różnicy gęstości zastosowanego absorbentu oraz dostarczaniu ciepła napędowego, np. przez spalanie gazu czy podłączenie elektrycznego elementu grzejnego. Na patencie Einsteina oparta jest współczesna technologia absorpcyjnych pomp ciepła.

Jak widać ojców sukcesu technologii pomp ciepła było wielu. To właśnie im zawdzięczamy zaawansowane technologicznie urządzenia grzewcze, które pobierając ciepło z otoczenia zapewniają dziś komfort w wielu domach.  Pompy ciepła na całym świece cieszą się coraz większą popularnością. W krajach takich jak Szwecja, Szwajcaria czy Austria ich udział w nowych budynkach przekracza 70%. Duży potencjał dla wykorzystania pomp ciepła stanowią również budynki istniejące. Użytkownicy doceniają ich zalety do których zaliczyć należy m.in. ich długą żywotność (urządzenie ponad 20 lat, dolne źródła dla pomp ciepła ponad 50 lat), bezobsługowość, niskie koszty eksploatacyjne czy brak tzw. niskiej emisji zanieczyszczeń.

Więcej informacji dotyczących historii pomp ciepła znajdziecie Państwo na stronie internetowej Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) w zakładce Technologia.