Pompe de căldură sunt dispozitive care funcționează ca un frigider în sens invers, deplasând căldura din aer sau sol din exteriorul unei clădiri în interiorul acesteia, prin circulația unui agent frigorific. În cazul unei pompe de căldură cu sursă de aer, de exemplu, energia termică din atmosferă – deși poate fi mai rece decât aerul din interiorul clădirii în cauză – este totuși suficient de caldă pentru a face ca agentul frigorific lichid să se evapore într-un gaz. Acest gaz este apoi trecut printr-un compresor, care crește presiunea gazului și face ca temperatura acestuia să crească în același timp. Căldura de la gaz poate fi apoi utilizată pentru a încălzi clădirea, în timp ce agentul frigorific se răcește și revine la starea sa inițială, lichidă, permițând procesului să înceapă din nou.
Originile principiilor științifice care stau la baza pompelor de căldură pot fi urmărite până la iluminismul scoțian din secolul al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea.
În 1756, profesorul chimist William Cullen de la Universitatea din Edinburgh a dat prima demonstrație publică a refrigerarii artificiale.
El a creat o cantitate mică de gheață folosind o pompă pentru a crea un vid parțial peste un recipient de dietil eter, scăzând punctul de fierbere astfel încât să fiarbă și absorbind căldura din împrejurimile sale în acest proces.
Cu toate acestea, în ciuda succesului dovezii de concept, procesul de refrigerare al prof. Cullen nu a găsit nicio aplicație comercială.
Aproape un secol mai târziu, în 1852, matematicianul britanic William Thomson, baronul Kelvin a dezvoltat ideea, propunând un dispozitiv care ar putea pompa energie dintr-o regiune cu temperatură scăzută - să zicem, în aer liber - într-una mai caldă, prin arderea combustibilului pentru a face treaba.
În acest fel, pompele de căldură pot extrage căldură dintr-un mediu mai rece fără a încălca a doua lege a termodinamicii, care presupune că entropia crește întotdeauna.
Pompele de căldură funcționează ca un frigider în sens invers, mișcând căldura din exterior în interior (Imagine: Getty Images)
Prima pompă de căldură reală a fost lansată de inginerul austriac Peter von Rittinger patru ani mai târziu, în 1856, deși s-a referit la ea drept „pompă de abur”.
După cum spune aforismul, necesitatea este mama invenției - iar mașina a fost creată pentru a oferi un mijloc viabil din punct de vedere economic pentru salina Ebensee de a extrage sare din saramură în fața unei penurii locale de combustibil.
Odată încălzit până la 212F (100C) pentru a începe procesul, acest vas de abur închis a valorificat căldura latentă a vaporilor de apă fierți din saramură pentru a încălzi în continuare saramura.
Cheia sistemului a fost un compresor mecanic - acționat de o roată de apă - care a crescut presiunea și temperatura vaporilor înainte de a-l alimenta într-o cavitate de sub vasul cu saramură.
În acest fel, apa s-ar acumula în cavitate pe măsură ce sarea va precipita în vasul de deasupra.
Pompa de abur are o diferență notabilă față de succesorii săi de sistem de încălzire a locuinței - în special în modul în care vaporii de apă amestecați cu saramură servesc atât ca agent frigorific, cât și ca lichid de încălzit.
CITESTE MAI MULT: Economii de energie: sistemul de casă inteligentă ar putea reduce cu 600 de lire sterline la facturile de energie
Continuând acest concept cu un compresor cu piston cu două faze, fizicianul elvețian Antoine-Paul Piccard de la Universitatea din Lausanne și inginerul Jules Weibel au construit un sistem de compresie a vaporilor care a fost instalat în salina Bex în 1877.
Acesta nu a fost singurul rol al Elveției în istoria pompelor de căldură. În 1928, inginerul slovac Aurel Stodola a construit o pompă de căldură cu circuit închis care folosea apa din Lacul Geneva pentru a încălzi primăria Geneva. Funcționează și în zilele noastre.
Și între 1937 și 1945, firmele Sulzer, Escher Wyss și Brown Boveri au instalat aproximativ 35 de pompe de căldură în jurul Elveției - o mișcare care a ajutat la atenuarea penuriei de cărbune.
Un astfel de sistem, pompa Escher Wyss care a încălzit primăria din Zurich, a durat în funcțiune timp de 63 de ani, până când a fost înlocuită cu un model modern în 2001.
În Marea Britanie, prima pompă de căldură la scară largă a fost construită împreună din piesele recuperate de inginerul John Sumner pentru Departamentul de electricitate al Consiliului municipal din Norwich în 1945.
Sistemul – care folosea apă din râul adiacent Wensum și un agent frigorific cu dioxid de sulf – a avut o putere maximă de 234 kW și a putut să circule apa în jurul clădirii departamentului de electricitate la 122–131F (50–55C).
În 1948, domnul Sumner a instalat, de asemenea, 12 pompe de căldură terestre în case la ordinul bogatului filantrop britanic Lord Nuffield și a dezvoltat un sistem similar pe care l-a folosit pentru a-și încălzi propria casă la începutul anilor 1950.
În anul următor, inginerul a construit o pompă alimentată cu gaz în două trepte, folosind compresoare modificate de la motoarele de avioane Merlin care foloseau râul Tamisa ca sursă de căldură pentru Royal Festival Hall din Londra.
După cum a spus hidrogeologul, David Banks: „Proiectul de 2,5 MW este uneori descris ca un pic de eșec, deși nu este întotdeauna clar că problema a fost că de fapt este livrat prea multă căldură”.
Pompa, a explicat el, a furnizat „apă caldă la până la 82C [180F]”.
În ciuda eficienței acestor sisteme, totuși, ele nu au fost duplicate pe scară largă în Marea Britanie, ca urmare a relativ ieftinității combustibililor fosili precum cărbunele și, mai târziu, petrolul și gazele din Marea Nordului - spre deosebire de țările nordice precum Suedia, unde dezvoltarea nucleară. reactoarele din anii 70 și 80 au facilitat o împingere către metode de încălzire eficiente, alimentate cu energie electrică.
Așa cum scria autorul britanic J Gordon Cook în revista Spectator în 1948: „În aceste zile de progres material, când se plătește atât de mult știință ca garanție a prosperității noastre, pare incredibil că un dispozitiv precum căldura. pompa ar fi trebuit să scape de atenția pe care o merită.”