Влияет ли поддержание полного заполнения холодильника/морозильной камеры на энергоэффективность?

РЕЗЮМЕ: Если я что-то не упустил или вы делаете очень странные вещи со своим холодильником, вы сэкономите максимум пару долларов в год, если ваш холодильник / морозильник будет заполнен. Кроме того, запас воды (или других вещей), чтобы заполнить место в холодильнике / морозильной камере, совсем не сэкономит вам много, если вы не будете хранить ее там ОЧЕНЬ долгое время, поскольку для охлаждения воды требуется так много энергии. в первую очередь.

Для этого есть веские причины:

• если вам нужно пережить периодические перебои в подаче электроэнергии (как отмечает TFD), наличие большого количества льда или еды в холодильнике будет дольше сохранять его прохладным.
• большее количество продуктов в холодильнике/морозильной камере облегчит охлаждение или заморозку новых продуктов быстрее, что иногда может помочь в безопасности/хранении продуктов
• Точно так же наличие большего количества еды может помочь свести к минимуму небольшие колебания температуры при частом открывании двери, что опять же, возможно, в некоторых случаях способствует безопасности / качеству пищевых продуктов.
• если у вас очень неэффективный холодильник, который охлаждает неравномерно или плохо изолирован, наличие большего количества продуктов предотвратит столько циклов включения и выключения (хотя слишком полное заполнение холодильника также может помешать его правильному циклу)

Все это, возможно, веские причины для того, чтобы иметь умеренное предпочтение держать холодильник немного более полным. Но, с точки зрения энергии, нет смысла намеренно заполнять холодильник избытком еды/воды, поскольку энергия, необходимая для охлаждения любых твердых веществ или жидкостей, обычно во много раз превышает количество, необходимое для охлаждения воздуха.

Кроме того, если вас больше всего беспокоит холодный воздух, «выпадающий» из холодильника, когда дверь открыта, я бы посоветовал заполнить его пустыми контейнерами , в которых есть только воздух. Они дадут вам преимущество в том, что вы не потеряете избыточный холодный воздух, но без затрат энергии на охлаждение жидкости, которая вам не нужна. (Но опять же, вероятная выгода, вероятно, составляет максимум пару долларов в год.)

Подробности ниже.

Я попытался найти какую-нибудь надежную статистику, и, хотя я нахожу множество источников, которые делают это заявление, я обычно не вижу фактических цифр, касающихся энергосбережения, или даже теоретических расчетов, подтверждающих логику практики.

Фактически, иногда кажется, что он фигурирует в списках «мифов» энергетических групп, таких как здесь :

1. МИФ: Вы можете сэкономить энергию, если будете держать холодильник полным, быстро его закрывать и регулярно чистить змеевики.

Собственно, все эти три действия не стоят ваших хлопот. В исследовании, проведенном Балсником, было обнаружено:

Total use from ALL fridge door openings adds up to <50 kWh/yr, or about $5.
Putting water bottles in your fridge to keep it full adds up to <0.1 kWh/yr.
Cleaning coils – no actual savings found.

Или из этого документа (об эффективности сверхнизкотемпературных морозильников):

ГОРОДСКАЯ ЛЕГЕНДА? Для работы полной морозильной камеры требуется меньше энергии:Явная причина этой идеи заключается в том, что тепловой массе требуется больше времени для прогрева, поэтому компрессор не должен работать так усердно. Подумайте об этом: хотя содержимое нагревается дольше, остывание также занимает больше времени, поэтому компрессор работает одинаково долго каждый день. Фундаментальные изолирующие факторы, такие как толщина стенок и целостность прокладок, не меняются при полной или пустой морозильной камере, так почему же это должно влиять на теплопередачу? В то время как частота цикла будет снижаться, продолжительность цикла будет увеличиваться. Тепло, поступающее в шкаф, не изменится. В начале каждого цикла компрессора происходит всплеск номинальной мощности, поэтому большее количество циклов может немного увеличить потребление энергии. Данные не были широко распространены, поэтому пока они остаются в статусе городской легенды.

Логика этого последнего упоминания, кажется, касается вопроса о том, будет ли закрытый морозильник/холодильник более эффективным, когда он полон (как иногда утверждают, что холодильник должен каким-то образом «работать менее усердно»). Очевидно, что это не имеет большого смысла, как отмечает эта цитата.

Однако, чтобы судить об этом точно, нам нужно принять во внимание, что происходит, когда вы открываете холодильник/морозильник . Вот отчет группы по энергосбережению, которая провела ряд тестов (включая открытие двери на разное время). Они пришли к выводу, что модели холодильников с верхней морозильной камерой действительно потребляли меньше энергии, когда они были заполнены , хотя они отмечают в своем анализе, что это не включает дополнительную энергию, необходимую для охлаждения дополнительных продуктов . Но как только еда остынет , а холодильник полон,энергетическая выгода для верхних морозильных камер. (Насколько неизвестно, поскольку на их графиках нет цифр.) Для других типов моделей морозильных камер результаты испытаний были неоднозначными, поэтому явного преимущества пустого холодильника перед полным не было. Их вывод: «Поэтому мы советуем не беспокоиться о том, чтобы холодильник был полным, и больше сосредоточиться на том, чтобы дверь была закрыта».

Для теоретической перспективы открытия холодильника давайте попробуем сделать несколько разумных предположений:

Средний размер холодильника в США составляет около 20 футов ³ . Если мы предположим, что холодильник не заполнен до отказа и половина присутствующего воздуха заменяется воздухом комнатной температуры, когда дверь открывается, это будет примерно 10 футов ³ , или около 0,28 м ³ .

Используя статистику отсюда , мы можем рассчитать, что для охлаждения этих 10 футов ³ воздуха на 20°C (например, от «комнатной температуры» примерно 25°C до 5°C) потребуется около 6,8 кДж энергии, или 0,0019 кВтч. . Для морозильной камеры аналогичного размера температуру воздуха, вероятно, придется понизить примерно на 40°C, а не на 20°C, поэтому эти цифры удвоятся.

Если мы открываем дверцу холодильника 20 раз в день, в течение года это составит около 13,8 кВтч для холодильника с 10 футами ^{свободного} пространства или 27,5 кВтч для морозильной камеры с таким же количеством пустого пространства. Статистика в первой приведенной выше цитате оценивает 50 кВтч/год для всех открываний дверцы холодильника, поэтому цифры кажутся правильными. По сути, открытие холодильника обходится в пару долларов в год из-за потери энергии.

Теперь предположим, что вместо воздуха мы загрузили эти 10 футов ³ водой. (Это смехотворно большое количество воды, но я использую его, чтобы сохранить занимаемый объем одинаковым для сравнения.)

Количество энергии, необходимое для охлаждения воды от комнатной температуры, можно рассчитать аналогичным образом из этих чисел . Для охлаждения 10 футов ³ воды на 20°С потребуется примерно 23 000 кДж. Чтобы заморозить его до -15°C с 25°C, потребуется около 120 000 кДж. (Это число значительно выше из-за избыточной энергии, необходимой для превращения жидкой воды в твердый лед.) Эффект добавления большого количества воды был ясно показан в упомянутом выше исследовании , где добавление 150 фунтов. воды комнатной температуры заставил холодильник подняться примерно до 65 ° F, и потребовалось почти полтора дня, чтобы вернуться к нормальной температуре.

Чтобы представить эти числа в более удобной форме:

• Вам пришлось бы охлаждать воздух в холодильнике около 3500 раз, чтобы «окупить» количество энергии, затраченное на охлаждение такого же объема воды.

• Вам придется охладить воздух в морозильной камере примерно 9000 раз, чтобы «окупить» количество энергии, затраченное на замораживание того же объема воды.

ОБНОВЛЕНИЕ: Как справедливо отмечает Джо в комментариях, я предположил здесь сухой воздух, чтобы упростить расчеты. Но настоящий кухонный воздух будет влажным, и его влияние немаловажно. (Я предполагал, что ошибка будет менее 50% или около того, но при разумных предположениях она, вероятно, отличается в 1,5-3 раза, в зависимости от влажности на вашей кухне и от того, насколько влажно ваш холодильник.)

Во всяком случае, предположим, что мы начинаем с относительной влажности 50% на кухне при 25°C, и мы предполагаем, что холодильник охлаждается до 5°C в холодильнике и -15°C в морозильной камере , поддерживая при этих температурах относительную влажность 50% (что, очевидно, потребует удаления водяного пара), вот некоторые обновленные статистические данные:

- Вам пришлось бы охлаждать воздух в холодильнике около 1800 раз, чтобы «окупить» количество энергии, затраченное на охлаждение такого же объема воды.

- Вам пришлось бы охлаждать воздух в морозильной камере около 5500 раз, чтобы «окупить» количество энергии, затраченное на замораживание такого же объема воды.

[Подробности см. в расчетах ниже.]

По сути, в зависимости от того, как часто вы открываете холодильник и от температуры в помещении, вам, вероятно, потребуется охлаждать воду в течение как минимум нескольких месяцев, прежде чем вы заметите какую-либо экономию энергии (вообще). Вам, вероятно, придется держать (одну и ту же) воду замороженной в течение как минимум года, чтобы получить экономию энергии. Даже в этом случае для разумного количества воды (например, нескольких галлонов) маловероятно, что вы сэкономите больше нескольких долларов в год на затратах на электроэнергию (и, вероятно, меньше).

И последнее замечание о полных холодильниках: даже если вам удастся сэкономить несколько центов в год с полным холодильником, мой практический опыт говорит мне, что я держу дверь открытой гораздо дольше, когда холодильник полон, чем когда он почти пуст, поскольку я часто нужно переместить вещи или временно вынести вещи, чтобы получить вещи в задней части. Так материализуется ли когда-нибудь эта теоретическая экономия? Я не знаю.

Кому интересно, вот "работа" для расчетов выше. Я предполагаю, что объем 10 футов ³ = ~0,28 м ³ . Обратите внимание, что здесь использовались различные приближения, чтобы получить приблизительную цифру - в частности, плотность и удельная теплоемкость предполагались постоянными в диапазоне температур, что могло привести к ошибке 5-10% для расчетов воздуха и намного меньше. для расчета воды.

(1) Охлаждение (сухой) воздух на 20°C

• 0,28 м ³ воздуха × плотность 1,205 кг/м ³ при 20°С по таблице = 0,337 кг
• 0,337 кг × 20°C [то же, что и 20 K] × удельная теплоемкость 1,005 кДж/(кг K) = 6,8 кДж
• 6,8 кДж ÷ 3600 = 0,0019 кВтч

(2) Охлаждение (сухой) воздух на 40°C

• Тот же вес начального воздуха
• 0,337 кг × 40 °C × 1,005 кДж/(кг·К) = 13,6 кДж

(3) Охлаждающая вода от 25°C до 5°C

• Тот же объем 0,28 м ³
• 0,28 м ³ × плотность около 1000 кг/м ³ = 280 кг
• 280 кг × 20 °C × удельная теплоемкость 4,18 кДж/(кг·К) из таблицы = 23400 кДж
• ПРИМЕЧАНИЕ. Очевидно, что нельзя и не следует наполнять домашний холодильник примерно 600 фунтами. воды, но я использовал тот же объем здесь, чтобы получить энергию, необходимую для сопоставимых объемов, поскольку утверждается, что замена воздуха эквивалентным объемом воды будет иметь значение.

(4) Охлаждающая вода от 25°C до -15°C

• Лед менее плотный, чем вода, поэтому, чтобы получить конечный объем 10 м^3, мы должны начать с меньшего количества воды.
• 0,28 м ³ × плотность льда 916,8 кг/м ³ = 256 кг
• Охладить до 0°C: 256 кг × 25°C × удельная теплоемкость 4,18 кДж/(кг·К) = 26800 кДж
• Заморозка: 256 кг × теплота замерзания 334 кДж/кг = 85700 кДж.
• Охладить лед до -15°C: 256 кг × 15°C × удельная теплоемкость льда 2,108 кДж/(кг·К) = 8100 кДж
• Суммарная энергия охлаждения: 120 700 кДж

(5) Охлаждение аналогичного количества воды воздуху в холодильнике = 23400 кДж ÷ 6,78 кДж = примерно в 3450 раз больше.

(6) Охлаждение аналогичного количества воды воздуху в морозильной камере = 120700 кДж ÷ 13,6 кДж = примерно в 8900 раз больше

(7) Охлаждение воздуха при относительной влажности 50% на 20°C:

• Массовые доли водяного пара в воздухе при влажности 50 % получаем из диаграммы Молье . Здесь х при влажности 0,5 составляет около 0,0098 кг/кг при 25°С и около 0,0026 кг/кг при 5°С.
• Затем мы следуем расчету энтальпии (H) влажного воздуха, который можно найти по ссылке Джо здесь .
• При 25°C: H = (1,005 кДж/кг°C)(25°C) + (0,0098 кг/кг)[(1,84 кДж/кг°C)(25°C)+(2501 кДж/кг)] = 50,1 кДж/кг
• При 5°C: H = (1,005 кДж/кг°C)(5°C) + (0,0026 кг/кг)[(1,84 кДж/кг°C)(5°C)+(2501 кДж/кг)] = 11,6 кДж/кг
• Delta H (изменение энтальпии) = 50,1 - 11,6 = 38,5 кДж/кг
• Влажный воздух немного менее плотный, чем сухой воздух: по цифрам отсюда плотность влажного воздуха составляет около 1,199 кг/м ³ при 20°C.
• Масса воздуха при указанном выше допущении объема 0,28 м ³ составляет 0,336 кг .
• Энергия, необходимая для охлаждения = изменение энтальпии × масса = 38,5 кДж/кг × 0,336 кг = 12,9 кДж.
• Обратите внимание, что различные числа здесь могут немного отличаться в зависимости от изменения температуры, но, как и в ссылке Джо, мы можем предположить, что они достаточно постоянны, чтобы это не повлияло на окончательный ответ более чем на несколько процентов.

(8) Охлаждение воздуха от 25°C до -15°C в морозильной камере

• Используя приведенную выше диаграмму Молье, мы получаем массовую долю приблизительно 0,00055 кг/кг для 50% влажности при -15°C.
• Используйте аналогичные расчеты выше
• H при -15°C = -13,7 кДж/кг
• дельта H от 25°C до -15°C = 63,8 кДж/кг
• используя массу и плотность, как указано выше, общая энергия, необходимая для охлаждения, составляет = 21,4 кДж.

(9) Мы рассчитываем отношения, как указано выше, и в итоге получаем в 1800 раз больше энергии для охлаждения эквивалентного объема воды в холодильнике и в 5600 раз больше энергии для ее замораживания.

(10) Относительная влажность может варьироваться как на кухне, так и в холодильнике, поэтому эти расчеты следует воспринимать только как примерную цифру, которая в крайних случаях может варьироваться в 2-3 раза в любом направлении. Несмотря на это, количество энергии, необходимое для охлаждения даже влажного воздуха, незначительно по сравнению с тем, что требуется для охлаждения любой жидкой или твердой пищи.

Один крайний случай — если вы используете контролируемую схему питания для своего холодильника или у вас есть интеллектуальный измеритель мощности и холодильник (оба очень редки).

С этими планами вы можете сэкономить деньги, но не электроэнергию напрямую, вы просто спасаете свою страну от неэффективной пиковой выработки электроэнергии.

Ваш холодильник может находиться без электричества много часов, поэтому в хорошо укомплектованном холодильнике или морозильной камере колебания температуры будут меньше, и это может улучшить сохранность продуктов.

Есть много факторов. Единственный фактор, который люди редко принимают во внимание, — это масса . Ниже я рассматриваю только этот фактор. Другие факторы, такие как открытые двери, могут иметь большее влияние, особенно если рассматривать их в совокупности. Я не знаю.

Если я положу бутылку с водой комнатной температуры в морозильник с десятью бутылками замороженной воды, температура новой бутылки понизится намного быстрее, чем в пустой морозилке, потому что холодной массы уже больше. Однако это имеет свою цену; температура замороженных бутылок будет повышаться в прямой зависимости от передачи тепла. Холодильному агрегату придется использовать энергию, чтобы вернуть температуру десяти бутылок к их правильной температуре. Так что да, у нас более быстрая заморозка. Но нет, исходя только из этого фактора, мы не тратим меньше энергии на это замораживание.

Важнейшей функцией холодильной установки является поддержание разницы температур внутри и снаружи помещения. Чем больше масса того, что нужно поддерживать при более низкой температуре, тем больше энергии требуется для этого. Воздух имеет очень маленькую массу, и для изменения его температуры требуется очень мало энергии. Напротив, бутылка с водой имеет гораздо большую массу, и для поддержания разницы температур потребуется гораздо больше энергии.

Одна из причин , по которой энергия необходима для поддержания постоянной температуры, заключается в передаче тепла от температуры окружающей среды снаружи холодильной установки и желаемой температуры внутри (мы также можем думать об этом как о холоде, просачивающемся в противоположном направлении). В противном случае закрытому морозильнику никогда не понадобится электричество , как только он достигнет установленной температуры.

Содержимое пустого морозильника, хранящегося при температуре -20° по Цельсию, имеет очень небольшую массу, в то время как содержимое морозильника, наполненного бутылками с водой, имеет гораздо большую массу. На самом деле в полной морозильной камере «более холодно» , даже если температура одинакова. Он теряет больше холода наружу, и для его поддержания требуется больше энергии.

Таким образом, исходя только из фактора потери холода, полной морозильной камере требуется больше электроэнергии.

Насколько важен этот единственный фактор, зависит от многих факторов, включая эффективность теплозащиты морозильной камеры, температуру окружающей среды (теплопередача меньше, если температура в помещении 16°C, чем 30°C), вентиляцию нагревательных змеевиков и т. д.

То, как это взаимодействует с другими факторами, создает довольно сложное многофакторное уравнение, и я подозреваю, что ответ не будет одинаковым для каждой холодильной установки и каждого использования.

Все эти расчеты вместо прямой доли здравого смысла. Теплоемкость воздуха составляет четверть воды. Это означает, что на каждый градус для охлаждения воды требуется в 4 раза больше энергии холодильника, чем воздуха. Если вода находится в теплом помещении (или при открытой дверце холодильника), она нагревается в четыре раза дольше, чем воздух. Так что перестаньте говорить об энергоэффективности и других подобных эзотерических терминах. Просто подумайте: если мой холодильник полон, то каждый раз, когда я открываю дверь и/или что-то туда кладу, изменение температуры будет меньше, если он полон, чем если бы он был заполнен. пустой. Поэтому забудьте слово «эффективный» и замените его на «лучший». По сути, чтобы холодильник работал хорошо, другими словами, чтобы температура менялась как можно меньше, держите его полным. Конец истории.

Есть еще один фактор, который не был учтен. Вода/лед в холодильнике охлаждает воздух внутри быстрее, когда дверь закрывается, что уменьшает работу, требуемую компрессором после каждого случая. Таким образом, если бы холодильник был заполнен льдом, собранным после снежной бури, это уменьшило бы потребление энергии, вызванное открытием двери, и расходы на охлаждение 150 фунтов воды комнатной температуры никогда не возникнут. Хотя можно только догадываться, сколько энергии требуется для поддержания полного холодильника по сравнению с пустым, мне кажется, что эти значения должны быть получены, когда дверь остается закрытой, чтобы установить базовый уровень энергопотребления, а затем исходить из этого.

Заполнять пустое место в холодильнике, чтобы сделать его более «эффективным» или сэкономить деньги, просто неправильно. Подумайте об этом так: вы едете на полуприцепе, дешевле ли ездить полным или пустым? Пустое пространство или полное пространство будет охлаждаться холодильником одинаково, намного дешевле охлаждать пустое пространство (воздух). Это так просто.