Содержит ли холодильник / морозильник полный заряд энергии?

Это одно из тех утверждений, с которыми я часто сталкиваюсь, но я никогда не видел доказательств, подтверждающих это. Совет часто идет еще дальше, говоря, что если ваш холодильник / морозильник относительно пуст, вы должны что-то добавить (например, бутылки с водой).

Такие заявления появились и здесь, как и в ответах на этот вопрос , на этот вопрос , на этот вопрос , и совсем недавно на этот вопрос .

Я предполагаю, что в некоторых обстоятельствах может быть некоторая небольшая экономия энергии, но достаточно ли это важно, чтобы на самом деле заботиться ? Кроме того, достаточно ли компенсировать потерю энергии, например, при охлаждении или замерзании воды (или других вещей) только для заполнения холодильника?

Примечание: я проводил некоторые собственные исследования и собирался опубликовать их в этом вопросе, но я думаю, что было бы более уместно представить то, что я нашел в ответе ниже. Однако, если у кого-то есть надежные источники, которые дают другой ответ (и желательно фактические измерения или исследования, подтверждающие его), я очень заинтересован.

РЕДАКТИРОВАТЬ: После написания моего ответа, я только что нашел это , где Сесил Адамс решительно выступает в пользу гипотезы полного холодильника. Я редко не согласен с Сесилом, и он ссылается на ряд исследований, но не цитирует. Поэтому мне интересно, может ли кто-нибудь указать на некоторые из этих исследований.

РЕЗЮМЕ: Если я не пропустил что-то здесь или вы не делаете очень странные вещи с вашим холодильником, вы, в лучшем случае, сэкономите пару долларов в год, сохраняя ваш холодильник / морозильник полным. Более того, запас воды (или других вещей) для заполнения пространства холодильника / морозильника совсем не спасет вас, если вы не будете хранить его там ОЧЕНЬ долгое время, так как для охлаждения воды требуется столько энергии на первом месте.

Там являются веские причины , чтобы сделать это:

• если вам нужно пережить периодические перебои с питанием (как отмечает TFD), наличие большого количества льда или еды в холодильнике будет держать его дольше охлажденным
• большее количество продуктов в холодильнике / морозильнике облегчит более быстрое охлаждение или замораживание новых продуктов, что иногда может помочь в обеспечении безопасности / сохранности продуктов
• аналогично, наличие большего количества пищи может помочь минимизировать небольшие колебания температуры при частом открытии дверцы, что, возможно, в некоторых случаях также способствует безопасности / качеству продуктов питания.
• если у вас очень неэффективный холодильник, который охлаждается неравномерно или плохо утеплен, наличие большего количества пищи предотвратит столько же цикличного включения и выключения (хотя упаковка слишком заполненного холодильника также может помешать правильной работе)

Все это, пожалуй, веские причины для того, чтобы сделать холодильник более наполненным. Но с энергетической точки зрения нет никакого смысла для преднамеренного наполнения вашего холодильника избытком пищи / воды, поскольку энергия, необходимая для охлаждения любых твердых частиц или жидкостей, обычно во много раз превышает количество, необходимое для охлаждения воздуха.

Кроме того, если ваша основная проблема - холодный воздух, «выпадающий» из холодильника, когда дверь открыта, я бы предложил заполнить его пустыми контейнерами , в которых есть только воздух. Они дадут вам преимущество не потери лишнего холодного воздуха, 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 пытался найти некоторые надежные статистические данные, и, хотя я нахожу много, много источников, которые заявляют об этом, я обычно не вижу фактических цифр, касающихся экономии энергии или даже теоретических расчетов, подтверждающих логику практики.

На самом деле, иногда кажется, что он появляется в «мифических» списках энергетических групп, таких как здесь :

1. МИФ: Вы можете экономить энергию, заполняя холодильник, быстро его закрывая и регулярно чистя теплообменники.

На самом деле, все эти три действия не стоят ваших проблем. В исследовании, проведенном Balsnik, 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 морозильников сверхнизкой температуры):

ГОРОДСКАЯ ЛЕГЕНДА? Полный морозильник требует меньше энергии для работы:Явной причиной этой идеи является то, что тепловая масса нагревается дольше, поэтому компрессору не приходится работать так же усердно. Подумайте об этом: в то время как содержимое нагревается дольше, охлаждение также занимает больше времени, поэтому компрессор работает одинаково долго каждый день. Фундаментальные изолирующие факторы, такие как толщина стенки и целостность прокладки, не меняются при полной или пустой морозильной камере, так почему это должно иметь значение для теплопередачи? В то время как частота цикла будет уменьшаться, продолжительность цикла будет увеличиваться. Тепло, поступающее в шкаф, не изменится. В начале каждого цикла компрессора имеется номинальный скачок мощности, поэтому большее количество циклов может немного увеличить потребление энергии. Данные не получили широкого распространения, поэтому они остаются в статусе городских легенд.

Логика этой последней ссылки, по-видимому, касается вопроса о том, будет ли нераспечатанный морозильник / холодильник более эффективным, когда он заполнен (как иногда утверждают - что холодильнику придется как-то «работать не так усердно»). Очевидно, что это не имеет особого 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 от группы по энергосбережению, которая провела ряд тестов (включая открытие двери в течение различного времени). Они пришли к выводу, что модели холодильников с верхней морозильной камерой при заполнении расходуют меньше энергии , хотя отмечают в своем анализе, что в первую очередь она не включает дополнительную энергию, необходимую для охлаждения дополнительной пищи . Но как только эта еда остынет, а холодильник полон, есть некоторыеэнергетическая выгода для лучших морозильников. (Сколько неизвестно, так как их графики не имеют чисел.) Для других типов моделей морозильников результаты тестов были смешанными, поэтому не было явного преимущества пустого холодильника против полного. Их вывод: «Поэтому мы советуем не беспокоиться о том, чтобы холодильник был заполнен, и больше сосредоточиться на том, чтобы держать дверь закрытой».

Для теоретической перспективы открытия холодильника, давайте попробуем некоторые разумные предположения:

Средний размер холодильника в США составляет около 20 футов ³ . Если предположить, что холодильник не заполнен полностью, а половина присутствующего воздуха заменяется воздухом комнатной температуры при открытии двери, это будет примерно 10 фут ³ или около 0,28 м ³ .

Используя приведенные здесь статистические данные , мы можем рассчитать, что для охлаждения 10 футов ³ воздуха на 20 ° C (например, от «комнатной температуры» около 25–5 ° C) потребуется около 6,8 кДж энергии или 0,0019 кВт-ч. , Для морозильника аналогичного размера температуру воздуха, вероятно, придется снизить примерно на 40 ° C, а не на 20 ° C, поэтому эти цифры будут удвоены.

Если мы открываем дверцу холодильника 20 раз в день, то в течение года это составит около 13,8 кВт-ч для холодильника с 10 футами ³ пустого пространства или 27,5 кВт-ч для морозильника с таким же количеством пустого пространства. Статистика в первой цитате выше оценивает 50 кВтч / год для всех открытий дверей холодильника, поэтому цифры, похоже, находятся в правильном поле. В принципе, затраты на открытие холодильника составляют пару долларов в год.

Теперь предположим, что вместо этого мы загрузили эти 10 футов ³ водой, а не воздухом. (Это смехотворно большое количество воды, но я использую ее, чтобы сохранить для сравнения занятый объем.)

Количество энергии, необходимое для охлаждения воды от комнатной температуры, можно рассчитать аналогично из этих чисел . Для охлаждения 10 футов ³ воды на 20 ° C потребуется около 23 000 кДж. Замораживание этого до -15 ° C от 25 ° C потребовало бы приблизительно 120000 кДж. (Это число значительно выше из-за избытка энергии, необходимой для превращения жидкой воды в твердый лед.) Эффект от добавления большого количества воды был четко продемонстрирован в исследовании, упомянутом выше , где добавление 150 фунтов. воды комнатной температуры вызвали скачок температуры в холодильнике примерно до 65 ° F, и потребовалось почти полтора дня, чтобы вернуться к нормальной температуре.

Чтобы поместить эти числа в более полезную форму:

• Вам придется охлаждать воздух в холодильнике примерно 3500 раз, чтобы «заплатить» за количество энергии, затраченной на охлаждение того же объема воды.

• Вы должны охладить воздух в морозильной камере около 9000 раз, чтобы «заплатить» за количество энергии, затраченное на замораживание того же объема воды.

ОБНОВЛЕНИЕ: Как справедливо отмечает Джо в комментариях, я предположил, что здесь сухой воздух, чтобы упростить вычисления. Но настоящий кухонный воздух будет влажным, и его влияние не будет незначительным. (Я предположил, что ошибка будет менее 50% или около того, но при разумных допущениях, она, вероятно, отклоняется в 1,5-3 раза, в зависимости от влажности на кухне и степени влажности вашего холодильника.)

Во всяком случае, если предположить, 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 , сохраняя при этом относительную влажность 50% при этих температурах. (что, очевидно, потребует удаления водяного пара), вот некоторые обновленные характеристики:

- Вам придется охлаждать воздух в холодильнике примерно 1800 раз, чтобы «заплатить» за количество энергии, затраченной на охлаждение того же объема воды.

- Вам нужно охладить воздух в морозильной камере около 5500 раз, чтобы «заплатить» за количество энергии, затраченное на замораживание того же объема воды.

[См. Расчеты ниже для деталей.]

В основном, в зависимости от того, как часто вы открываете холодильник и температуру в помещении, вам, вероятно, потребуется охлаждать воду в течение как минимум нескольких месяцев, прежде чем вы заметите какую-либо экономию энергии (вообще). Вы, вероятно, должны были бы держать (ту же самую) воду замороженной в течение по крайней мере года, чтобы получить любую экономию энергии. Даже тогда для разумного количества воды (например, несколько галлонов) маловероятно, что вы сэкономите больше, чем несколько долларов в год на затратах энергии (и, вероятно, меньше).

Последнее замечание о полных холодильниках: даже если предположить, что вам удается сэкономить несколько центов в год с полным холодильником, мой практический опыт подсказывает мне, что я держу дверь открытой гораздо дольше, когда холодильник заполнен, чем когда он почти пуст, так как я часто нужно что-то передвигать или временно снимать, чтобы получить вещи в спину. Так будет ли эта теоретическая экономия когда-либо на самом деле? Я не знаю.

Для тех, кому это интересно, вот «работа» для приведенных выше расчетов. Я предполагаю, что объем 10 фут ³ = ~ 0,28 м ³ . Обратите внимание, что здесь использовались различные приближения для получения «приблизительного» показателя - в частности, плотность и удельная теплота считались постоянными во всем диапазоне температур, что могло бы привести к ошибке 5-10% для расчетов воздуха и гораздо меньше для расчетов воды.

(1) Охлаждение (сухой) воздух на 20 ° C

• 0,28 м ³ воздуха × плотность 1,205 кг / м ³ при 20 ° С из таблицы = 0,337 кг.
• 0,337 кг × 20 ° C [аналогично 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 исходного 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 заполнять домашний холодильник на ~ 600 фунтов. воды, но я использовал тот же объем здесь, чтобы сделать энергию, необходимую для сопоставимых объемов, так как 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 для достижения конечного объема 10 м ^ 3 мы должны начать с меньшего количества воды.
• 0,28 м ³ × плотность льда 916,8 кг / м ³ = 256 кг
• Охлаждение до 0 ° С: 256 кг × 25 ° С × удельная теплоемкость 4,18 кДж / (кг К) = 26800 кДж
• Замораживание: 256 кг × тепло замораживания 334 кДж / кг = 85700 кДж
• Охлажденный лед до -15 ° C: 256 кг × 15 ° C × удельная теплоемкость льда 2,108 кДж / (кг К) = 8100 кДж
• Общая энергия охлаждения: 120 700 кДж

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

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

(7) Охлаждающий воздух при относительной влажности 50% и температуре 20 ° C:

• Из диаграммы Молье мы получаем массовые доли водяного пара в воздухе при влажности 50% . 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
• Дельта Н (изменение энтальпии) = 50,1 - 11,6 = 38,5 кДж / кг
• Влажный воздух немного менее плотный, чем сухой воздух: по показателям отсюда влажный воздух составляет около 1,199 кг / м ³ при 20 ° C.
• Масса воздуха с использованием вышеуказанного объема при допущении 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 значения здесь могут незначительно отличаться в зависимости от изменения температуры, но, как и в ссылке Джо, мы можем предположить, что они достаточно постоянны, чтобы не повлиять на окончательный ответ более чем на несколько процентов.

(8) Охлаждающий воздух от 25 ° C до -15 ° C в морозильной камере

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

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

(10) Относительная влажность может варьироваться как на кухне, так и в холодильнике, поэтому эти расчеты следует принимать только как приблизительную цифру, возможно, изменяющуюся в 2-3 раза в любом направлении в крайних случаях. Независимо от этого, количество энергии, необходимое для охлаждения даже влажного воздуха, незначительно по сравнению с количеством, требуемым для охлаждения любой жидкой или твердой пищи.

Один крайний случай - если у вас есть контролируемая схема питания для вашего холодильника или у вас есть интеллектуальный измеритель мощности и холодильник (оба очень редкие)

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

Может потребоваться много часов без питания для вашего холодильника, поэтому у хорошо укомплектованного холодильника или морозильника будет меньше перепад температур, и это может улучшить сохранность пищи

Есть много факторов. Один фактор, который люди редко принимают во внимание, - это масса . Ниже я рассматриваю только этот фактор. Другие факторы, такие как открытые двери, могут оказывать большее влияние, особенно если рассматривать их совокупно. Не знаю.

Если я помещу бутылку с водой комнатной температуры в морозильник с десятью бутылками замороженной воды, температура новой бутылки понизится намного быстрее, чем в пустой морозильной камере, потому что там уже больше холодной массы. Однако это имеет цену; Температура замороженных бутылок будет расти в прямой зависимости от передачи тепла. Холодильный агрегат должен будет использовать энергию, чтобы вернуть температуру десяти бутылок к их правильной температуре. Так что да, мы быстрее замерзаем. Но нет, исходя только из этого фактора, у нас не меньше энергии затрачивается на это замораживание.

Основная функция холодильной установки - поддерживать разность температур внутри и снаружи. Чем больше масса того, что должно храниться при более низкой температуре, тем больше энергии требуется для этого. Воздух имеет очень небольшую массу, для изменения его температуры требуется очень мало энергии. Напротив, бутылка с водой имеет гораздо большую массу, и для поддержания перепада тепла 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 закрытой морозильной камеры не нужно будет никакого электричества, когда он достиг значения температуры.

Содержимое пустого морозильника, хранящегося при -20 ° С, имеет очень низкую массу, тогда как содержимое морозильника, заполненного бутылками с водой, имеет гораздо большую массу. Фактически, в полной морозильной камере «холоднее» , даже при одинаковой температуре. Он теряет больше холода снаружи, и для его охлаждения требуется больше энергии.

Поэтому, основываясь только на факторе потери холода, полный морозильник нуждается в большем количестве электроэнергии.

Насколько важен этот единственный фактор, зависит от многих факторов, включая эффективность теплозащиты морозильной камеры, температуру окружающей среды (меньшую теплопередачу, если комнатная температура составляет 16 ° C, чем 30 ° C), вентиляцию теплообменников 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 здравого смысла. Воздух имеет тепловую емкость на четверть воды. Это означает, что на каждый градус охлаждения воды требуется в 4 раза больше энергии холодильника, чем воздуха. Если вода находится в теплой комнате (или при открытой дверце холодильника), для прогрева потребуется в четыре раза больше времени, чем для воздуха. Так что перестаньте говорить об энергоэффективности и других подобных эзотерических терминах. Просто подумайте: если мой холодильник заполнен, каждый раз, когда я открываю дверь и / или кладу что-то, изменение температуры будет меньше, если оно заполнено, чем если бы оно было пустой. Поэтому забудьте слово «эффективный» и замените его на «лучший». В основном, чтобы холодильник работал хорошо, иными словами, чтобы температура менялась как можно меньше, сохраняйте его полным. Конец истории.

Есть еще один фактор, который не был рассмотрен. Вода / лед в холодильнике будет охлаждать внутренний воздух быстрее, когда дверца 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 затраты на охлаждение 150 фунтов воды комнатной температуры никогда бы не возникли. Хотя никто и не догадывается, сколько энергии требуется для поддержания полного холодильника по сравнению с пустым холодильником, мне кажется, что эти значения следует получить, пока дверь остается закрытой, чтобы установить базовый уровень энергопотребления, а затем перейти оттуда.

Заполнение пустого пространства в холодильнике, чтобы сделать его более «эффективным» или сэкономить деньги, просто не правильно. Подумайте об этом, когда вы едете на полу грузовике, дешевле ли работать полностью или пусто. Пустое пространство или полное пространство будет охлаждаться холодильником точно так же, гораздо дешевле охлаждать пустое пространство (воздух). Это так просто.