Oamenii care locuiesc cu chirie sau care nu au suficienți bani pentru a face modernizări majore ale locuințelor lor au fost, timp de mulți ani, excluși de la o schimbare majoră în tehnologia de încălzire și răcire, care poate îmbunătăți eficiența, economisi bani și fi mai bună pentru clima globală: pompele de căldură.
Încălzirea și răcirea clădirilor consumă 35% din întreaga energie folosită anual în Statele Unite. Multe locuințe și firme își transformă sistemele de încălzire și răcire alimentate cu combustibili fosili în sisteme electrice cu pompe de căldură, care folosesc electricitatea nu pentru a genera aer cald sau rece, ci pentru a muta căldura în spațiile care au nevoie de încălzire și în afara spațiilor care au nevoie de răcire.
Până de curând, acest proces a necesitat instalarea permanentă într-o clădire a unei cantități semnificative de echipamente voluminoase și scumpe, ceea ce presupune un contractor profesionist și poate costa până la 10.000 de dolari americani doar instalarea – pe lângă echipamentul propriu-zis. Numite adesea sisteme mini-split, aceste sisteme au, de obicei, un condensator în afara clădirii, care schimbă căldură cu aerul exterior, și un evaporator în interior, care schimbă căldură cu aerul din încăpere.
Dar acum pompele de căldură de fereastră devin disponibile în SUA. Asemenea unui aparat de aer condiționat de fereastră, aceste dispozitive autonome pot fi instalate fără ajutor profesionist și conectate la o priză de perete. Spre deosebire de aparatele de aer condiționat de fereastră, însă, ele pot asigura atât încălzire, cât și răcire. Costă mult mai puțin decât un sistem permanent – între 3.000 și 4.000 de dolari – și pot fi mutate într-o locuință nouă dacă proprietarul se mută.
Nu există încă multe opțiuni disponibile comercial, iar cele aflate pe piață nu pot încălzi sau răci singure spații foarte mari. Și funcționează mai puțin eficient când încălzesc locuințe în locuri cu temperaturi exterioare extrem de scăzute. Există pe piață câteva modele și mai ieftine, dar acestea nu au clasificări de eficiență, nu funcționează când temperaturile exterioare sunt foarte scăzute și sunt mai zgomotoase în funcționare.
Am proiectat și evaluat o gamă largă de tehnologii pentru eficiența energetică a clădirilor; iată cum funcționează aceste pompe de căldură de fereastră și de ce le-ar putea permite locatarilor de apartamente și locuitorilor caselor mai vechi să aducă, ușor și relativ ieftin, îmbunătățiri importante sistemelor de încălzire și răcire ale locuințelor lor. Subvențiile federale pentru acest tip de echipament au expirat în 2025, dar unele companii de utilități, state și administrații locale ar putea oferi în continuare bani pentru a ajuta la acoperirea costurilor.
Două pompe de căldură de fereastră disponibile acum sunt foarte asemănătoare
Capacitatea și eficiența pompelor de căldură variază în funcție de temperatura aerului exterior. Un model, produs de Midea, are o capacitate și o eficiență ușor mai mici, dar este și mai ieftin. O opțiune mai scumpă, produsă de Gradient, este ceva mai puternică și ușor mai eficientă în majoritatea situațiilor. Alte pompe de căldură de fereastră nu au clasificări oficiale de eficiență și nu funcționează la temperaturi foarte scăzute.
Mutarea căldurii dintr-un loc în altul
Pompele de căldură folosesc un ciclu frigorific reversibil și pot asigura încălzire și răcire similare cu cele oferite de radiatoarele electrice portabile, cuptoarele de încălzire și plintele electrice, folosind mai puțin de jumătate din electricitate.
Cele mai comune pompe de căldură transferă căldură între aerul din interior și cel din exterior, dar alte sisteme pot face schimb de căldură cu solul sau cu corpuri de apă, precum lacurile.
Capacitatea pompelor de căldură sunt definite prin cantitatea de căldură pe care o pot transfera într-o anumită perioadă. O pompă de căldură care deservește o întreagă locuință poate avea nevoie de o capacitate de 12.000 până la 60.000 de unități termice britanice, BTU, adică aproximativ 12.660 până la 63.300 de kilojouli, dar capacitățile unităților de fereastră sunt mult mai mici, ajungând doar până la aproximativ 9.000 BTU, adică 9.500 kJ.
Performanța variază în funcție de condițiile de afară, unde unitatea fie trimite excesul de căldură pentru a răci interiorul, fie preia căldură pentru a încălzi interiorul. În modul de răcire, pompele de căldură sunt evaluate prin raportul sezonier de eficiență energetică, o cifră care indică nivelul de răcire obținut pentru fiecare unitate de electricitate folosită. Măsura corespunzătoare pentru încălzire se numește factor sezonier de performanță la încălzire. În general, cu cât aceste numere sunt mai mari, cu atât performanțele vor fi mai bune. Departamentul Energiei din SUA a stabilit standarde minime pentru aceste valori.
Deși aceste unități funcționează chiar și când temperaturile exterioare sunt de -25 de grade Celsius, puterea lor de încălzire scade până la aproape jumătate din capacitatea nominală, iar eficiența energetică ajunge la o treime din performanța nominală la acea temperatură.
Controlul climatizării unui apartament costă mai puțin cu o unitate de fereastră
Folosirea unei unități de fereastră pentru încălzirea și răcirea unui apartament în cinci mari orașe din SUA ar consuma mai puțină energie și ar costa mai puțin atât anual, cât și pe o perioadă de 15 ani.
Pe lângă costul lor redus în comparație cu pompele de căldură split convenționale, pompele de căldură compacte de fereastră acoperă necesarul de încălzire și răcire cu un consum de energie și costuri mai mici. Dar fiecare unitate de fereastră deservește o singură cameră, în timp ce o unitate tip split poate deservi mai multe camere.
Pompele de căldură compacte de fereastră sunt ușor și ieftin de instalat și oferă opțiuni integrate de încălzire și răcire pentru apartamente și case mai vechi, cu o eficiență energetică mai mare decât sistemele tradiționale. Principalele lor limitări includ capacitățile reduse și eficiența energetică mai scăzută în climate sau condiții extrem de reci.
Traducere după How window‑mounted heat pumps can give tenants efficient heating and cooling de Moncef Krarti, Professor of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado Boulder.
Notă - completare a articolului de mai sus:
Pentru cei mai curioși este posibil ca pe timpul lecturii articolului să fi apărut întrebarea: cum e posibil ca o pompă de căldură să transfere căldură în casă de afară, dacă afară e mai frig decât în casă?
Am prezentat cum se întâmplă răcirea aerului la nivel atomic în articolul Cum răcește aerul, în fapt, un aparat de aer condiționat. Explicația este exact aceeași, doar că în acel caz se extrage căldura din casă și se elimină către exterior.
Iată mai jos o explicație și pentru procesul invers: transferul căldurii din exterior către interior, care, sunt convins, pare paradoxal la prima vedere. Dar nu e niciun mister.
Și mai e un articol util de citit, dacă vreți să înțelegeți toată fizica acestui fenomen: Care e diferența dintre temperatură și căldură.
Așadar, cum scoți căldură de afară, dacă afară e mai frig decât în casă?
Ok. Deci dacă afară sunt, să zicem, -5 °C, cum mai poate o pompă de căldură „extrage căldură” din aer?
De reținut că -5 °C nu înseamnă absența căldurii. La nivel molecular, moleculele de azot, oxigen, vapori de apă etc. se mișcă permanent. Temperatura este, în mare, o măsură a agitației lor medii. La -5 °C, aerul este încă la circa -273 °C, deci foarte departe de zero absolut, unde agitația termică s-ar opri.
Pompa de căldură ci exploatează o diferență de temperatură. În unitatea aflată spre exterior circulă un agent frigorific ales astfel încât, la presiunea potrivită, să fie mai rece decât aerul de afară. Iar asta este cheia: diferența de temperatură dintre aerul exterior și cel din conductele exterioare ale pompei de căldură.
Chiar dacă aerul are -5 °C, agentul frigorific poate fi adus, să spunem, la -15 °C sau -20 °C. Când moleculele aerului lovesc metalul schimbătorului de căldură, energia lor microscopică este transferată, prin ciocniri și vibrații atomice, către metal și apoi către agentul frigorific.
În esență, diferența de agitație dintre moleculele aerului exterior și ale agentului frigorific face posibilă extragerea căldurii exterioară. Molecule de aer își pierd o parte din energie prin lovirea de conductele recii ale pompei de căldură. Deci aerul pierde un pic de căldură, conducta cu agent frigorific câștigă un pic de căldură.
Agentul frigorific absoarbe această energie și, ulterior, se evaporă. La nivel molecular, moleculele lui trec din lichid în gaz: ele au nevoie de energie pentru a se desprinde unele de altele, iar energia aceasta este luată, în fapt, din aerul exterior. Aerul de afară, cum spuneam, se răcește puțin în urma procesului, pentru că o parte din agitația microscopică a moleculelor sale a fost „preluată” de agentul frigorific.
Dar energia nu ar curge de la sine din frigul de afară către interiorul mai cald. Aici intervine compresorul. El comprimă vaporii de agent frigorific, adică înghesuie moleculele într-un volum mai mic. Prin comprimare, crește presiunea și crește temperatura gazului. Cu alte cuvinte, pompa de căldură nu creează căldură din nimic, ci folosește lucru mecanic, alimentat electric, pentru a ridica energia termică la o temperatură utilă pentru încălzirea camerei.
În interior, agentul frigorific fierbinte trece prin alt schimbător de căldură. Acum el este mai cald decât aerul din cameră, așa că energia microscopică curge în sens invers: din agentul frigorific către aerul interior. Moleculele agentului frigorific pierd energie, se apropie unele de altele și condensează în lichid. Aerul din cameră primește această energie, iar moleculele lui se agită ceva mai intens: temperatura camerei crește.
De aceea o pompă de căldură poate funcționa și iarna. Desigur, când afară este foarte frig, agentul frigorific absoarbe mai greu energie, compresorul trebuie să muncească mai mult, iar eficiența scade.
