Значительно ли повышает энергоэффективность заполнение холодильника/морозильной камеры?

Меня удивляет, что этот вопрос до сих пор обсуждается. Независимо от содержимого или степени заполнения, потери тепла определяются изоляцией и площадью внешней поверхности. А это равносильно потреблению энергии при закрытой дверце.

Похоже, проблема в циркуляции воздуха при открывании и закрывании дверцы. В частично заполненном морозильном отделении больше холодного воздуха, который, скорее всего, будет вытесняться при каждом открывании дверцы. А поступающий теплый воздух нужно охлаждать. Значит, именно здесь происходит потеря энергии по сравнению с полностью заполненным морозильным отделением. Кроме того, это приводит к образованию большего количества конденсата.

Все эти расчёты вместо того, чтобы руководствоваться здравым смыслом. Теплоёмкость воздуха составляет четверть теплоёмкости воды. Это значит, что для охлаждения воды на каждый градус требуется в 4 раза больше энергии, чем для охлаждения воздуха. Если вода находится в тёплом помещении (или при открытой дверце холодильника), ей потребуется в 4 раза больше времени, чтобы нагреться, чем воздуху. Так что перестаньте говорить об энергоэффективности и других подобных эзотерических терминах.Только подумайте: если мой холодильник заполнен, то каждый раз, когда я открываю дверцу и/или кладу что-то внутрь, разница температур будет меньше, чем если бы он был пуст. Так что забудьте слово «эффективный» и замените его на «лучший». По сути, чтобы холодильникработал хорошо, то есть чтобы температура менялась как можно меньше, он должен быть заполнен. Конец истории.

Есть еще один фактор, который не был учтен. Вода/ лед в холодильнике быстрее охлаждают воздух внутри, когда дверца закрывается, что сокращает работу компрессора после каждого сбоя. Итак, яесли бы холодильник был заполнен льдом, собранным после снежной бури, это снизило бы энергопотребление, вызванное открыванием дверцы, и затраты на охлаждение 150 фунтов воды комнатной температуры никогда бы не возникли. Хотяможно только догадываться, сколько энергии требуется для поддержания температуры в заполненном и пустом холодильнике, мне кажется, что эти значения следует получать при закрытой дверце, чтобы определить базовый уровень энергопотребления, а затем отталкиваться от него.

Заполнять пустое пространство в холодильнике, чтобы он работал «эффективнее» или чтобы сэкономить деньги, неправильно. Подумайте об этомтак: вы едете на грузовике, что дешевле — ехать с полной загрузкой или порожняком? Пустое пространствоили заполненное пространство будет охлаждаться холодильником одинаково, но охлаждать пустое пространство (воздух) гораздо дешевле. Всётак просто.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ: Если я ничего не упустил и вы не делаете с холодильником что-то странное, то в лучшем случае вы сэкономите пару долларов в год, если будете держать холодильник/морозильную камеру заполненными. Более того, запасание водой (или другими продуктами) для заполнения холодильника/морозильной камеры не принесёт вам особой выгоды, если только вы не будете хранить их там ОЧЕНЬ долго, поскольку охлаждение воды само по себе требует больших затрат энергии.

Есть имеются веские причины для этого:

• Если вам нужно пережить перебои с электричеством (как отмечает TFD), положите в холодильник побольше льда или продуктов, чтобы он дольше оставался холодным


• Чем больше продуктов в холодильнике/морозильной камере, тем быстрее можно охладить или заморозить новые продукты, что иногда помогает сохранить их свежесть/пригодность к употреблению


• Аналогичным образом, если продуктов будет больше, это поможет свести к минимуму небольшие колебания температуры при частом открывании дверцы, что в некоторых случаях также способствует сохранению безопасности и качества продуктов


• если у вас очень неэффективный холодильник, который охлаждает неравномерно или плохо изолирован, то чем больше продуктов вы положите, тем реже он будет включаться и выключаться (хотя если холодильник слишкомзабит, это тоже может помешать его правильной работе)

Все это, пожалуй, веские причины для того, чтобы отдавать предпочтение более полному холодильнику. Но с точки зрения энергопотребления нет смысла намереннозаполнять холодильник лишней едой/водой, поскольку для охлаждения любых твердых или жидких продуктов обычно требуется гораздо больше энергии, чем для охлаждения воздуха.

Кроме того, если вас больше всего беспокоит то, что холодный воздух «выпадает» из холодильника, когда дверца открыта, я бы посоветовал заполнить его пустыми контейнерами , в которых только воздух. Так вы не потеряете избыток холодного воздуха, но при этом не будете тратить энергию на охлаждение ненужной жидкости. (Но опять же, вероятная выгода составит максимум пару долларов в год.)

Подробности ниже.

Я попытался найти достоверные статистические данные, и хотя я нашёл множество источников, подтверждающих это утверждение, я не нашёл реальных цифр, касающихся экономии энергии, или даже теоретических расчётов, подтверждающих логику этой практики.

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

1. МИФ: можно сэкономить электроэнергию, если не оставлять холодильник пустым, быстро закрывать его и регулярно чистить змеевики.

На самом деле все три этих действия не стоят затраченных усилий. В
исследовании, проведённом 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 морозильных камер сверхнизких температур):

ГОРОДСКАЯ ЛЕГЕНДА?
Для работы полностью заполненного морозильника требуется меньше энергии:
Очевидная причина такой идеи заключается в том, что тепловой массе требуется больше времени
для нагрева, поэтому компрессору не приходится работать так интенсивно. Подумайте
об этом: хотя содержимому требуется больше времени для нагрева, ему также требуется
больше времени для остывания, поэтому компрессор работает столько же каждый день.
Основные изоляционные факторы — толщина стенок и герметичность
не меняются при полной или пустой морозильной камере, так почему же это
должно влиять на теплообмен? В то время как частота циклов будет снижаться
, продолжительность цикла будет увеличиваться. Количество тепла, поступающего в корпус,
не изменится. В начале каждого цикла происходит скачок номинальной мощности.
цикл компрессора, поэтому большее количество циклов может правдоподобно увеличить потребление энергии
немного. Данные не получили широкого распространения, поэтому пока они остаются в статусе urban legend.
статус legend.

Логика этой последней ссылки, по-видимому, связана с вопросом о том, будет ли неоткрытый морозильник/холодильник работать эффективнее, если он заполнен (как иногда утверждают, что холодильнику якобы приходится «меньше работать»). Очевидно, что это не имеет особого смысла, как отмечается в этой цитате.

Однако, чтобы сделать точный вывод, нам нужно учесть, что происходит когда вы открываете холодильник/морозильную камеру. Вот отчёт группы по энергосбережению, которая провела ряд тестов (в том числе открывала дверцу на разное время). Они пришли к выводу, что морозильные камеры в холодильниках с верхней загрузкой потребляют меньше энергии, когда заполнены, хотя в своём анализе они отмечают, что это не включает в себя дополнительную энергию, необходимую для охлаждения продуктов. Но как только эти продукты охлаждаются и холодильник заполняется, появляется некотороеэнергосбережение для холодильников с верхней загрузкой. (Насколько оно велико, неизвестно, поскольку на их графиках нет цифр.) Для других типов моделей freezer результаты тестов были неоднозначными, поэтому нельзя сказать, что пустой холодильник лучше, чем заполненный. Они пришли к выводу: "Sо мы советуем не беспокоиться о том, чтобы холодильник был заполнен, а лучше следить за тем, чтобы дверца была закрыта."

Чтобы получить теоретическое представление о том, как открывается холодильник, давайте сделаем несколько разумных предположений:

Средний размер холодильника в США составляет около 20 футов³. Если предположить, что холодильник не заполнен до отказа и при открытии дверцы половина имеющегося воздуха замещается воздухом комнатной температуры, то получится примерно 10 футов³, или около 0,28 м³.

Используя статистику из здесь, мы можем подсчитать, что для охлаждения 10 футов³ воздуха на 20 °C (например, с «комнатной температуры» около 25 °C до 5 °C) потребуется около 6,8 кДж энергии, или 0,0019 кВт·ч. Для фризеразера такого же размера температуру воздуха, скорее всего, придётся снизить примерно до 40 °C, а не до 20 °C, так что эти цифры нужно удвоить.

Если мы будем открывать дверцу холодильника 20 раз в день, то за год это составит примерно 13,8 кВт⋅ч для холодильника объёмом 10 футов³, или 27,5 кВт⋅ч для морозильной камеры с таким же объёмом. Согласно статистике, приведённой в первом абзаце, за все открывания дверцы холодильника расходуется 50 кВт⋅ч в год, так что цифры, похоже, близки к истине. По сути, из-за потерь энергии при открывании холодильника мы ежегодно теряем пару долларов.

Теперь предположим, что вместо воздуха мы заполнили эти 10 футов³ водой. (Это невероятно большое количество воды, но я использую его, чтобы сохранить занимаемый объём для сравнения.)

Количество энергии, необходимое для охлаждения воды с комнатной температуры, можно рассчитать по этим цифрам. Для охлаждения 10 футов³ воды на 20 °C потребуется примерно 23 000 кДж. Для замораживания воды с 25 °C до -15 °C потребуется около 120 000 кДж. (Эта цифра значительно выше из-за избытка энергии, необходимой для превращения жидкой воды в твёрдый лёд.) Эффект от добавления большого количества воды был наглядно продемонстрирован в упомянутом выше исследовании, где добавление 150 фунтов воды комнатной температуры привело к тому, что температура в холодильнике поднялась примерно до 18 °C и возвращалась к нормальной температуре почти полтора дня.

Чтобы представить эти цифры в более удобном виде:

• Вам пришлось бы охладить воздух в холодильнике примерно 3500 раз, чтобы «оплатить» количество энергии, затраченное на охлаждение того же объёма воды.




• Вам пришлось бы охладить воздух в морозильной камере около 9000 раз, чтобы «оплатить» количество энергии, затраченное на заморозку того же объёма воды.

ОБНОВЛЕНИЕ: Как справедливо заметил в комментариях Джо, для упрощения расчётов я предположил, что воздух сухой. Но на кухне воздух влажный, и его влияние немаловажно. (Я предположил, что погрешность составит менее 50 %, но при разумных допущениях она, вероятно, будет в 1,5–3 раза больше, в зависимости от влажности на кухне и в холодильнике.)

В любом случае, если предположить, что относительная влажность на кухне составляет 50 % при температуре 25 °C, а в холодильнике температура опускается до 5 °C в холодильной камере и до -15 °C в морозильной камере при сохранении относительной влажности на уровне 50 % при этих температурах (что, очевидно, потребует удаления водяного пара), вот некоторые обновлённые статистические данные:

— Вам пришлось бы охладить воздух в холодильнике около 1800 раз, чтобы «оплатить» количество энергии, затраченное на охлаждение того же объёма воды.

— Вам пришлось бы охладить воздух в морозильной камере примерно 5500 раз, чтобы «оплатить» количество энергии, затраченное на замораживание того же объёма воды.

[Подробности см. в расчётах ниже.]

По сути, в зависимости от того, как часто вы открываете холодильник и какова температура в помещении, вам, вероятно, придётся хранить воду в холодильнике не менее нескольких месяцев, прежде чем вы заметите какую-либо экономию электроэнергии (если она вообще будет). Скорее всего, вам придётся хранить (ту же самую) воду в замороженном виде не менее года, чтобы получить какую-либо экономию электроэнергии. Даже в этом случае при разумном количестве воды (например, несколько галлонов) вы вряд ли сэкономите больше нескольких долларов в год на электроэнергии (а скорее всего, и меньше).

И последнее замечание о полных холодильниках: даже если предположить, что вам удастся сэкономить несколько центов в год, мой практический опыт подсказывает, что я держу дверцу открытой гораздо дольше, когда холодильник полон, чем когда он почти пуст, потому что мне часто нужно переставлять продукты или временно доставать их, чтобы положить что-то в заднюю часть холодильника. Так возможно ли, что эта теоретическая экономия когда-нибудь воплотится в жизнь? Я не't знаю.

Для тех, кому интересно, вот «работа» для приведённых выше расчётов. Я предполагаю, что объём составляет 10 футов³ = ~0,28 м³. Обратите внимание, что здесь использовались различные приближения для получения «приблизительных» значений — в частности, плотность и удельная теплоёмкость считались постоянными в диапазоне температур, что может привести к ошибке в 5–10 % при расчётах для воздуха и гораздо меньшей ошибке при расчётах для воды.

(1) Охлаждение (сухого) воздуха на 20 °C

• 0,28 м³ воздуха × плотность 1,205 кг/м³ при 20 °C из таблицы = 0,337 кг


• 0,337 кг × 20 °C [то же самое, что 20 К] × удельная теплоёмкость 1,005 кДж/(кг К) = 6,8 кДж


• 6,8 кДж ÷ 3600 = 0,0019 кВт⋅ч

(2) Охлаждение (сухого) воздуха до 40 °C

• Тот же вес исходного воздуха


• 0,337 кг × 40 °C × 1,005 кДж/(кг К) = 13,6 кДж

(3) Охлаждение воды с 25 °C до 5 °C

• Тот же объём — 0,28 м³


• 0,28 м³ × плотность около 1000 кг/м³ = 280 кг


• 280 кг × 20 °C × удельная теплоёмкость 4,18 кДж/(кг К) из таблицы = 23 400 кДж


• ПРИМЕЧАНИЕ: очевидно, что нельзя и не следует наполнять домашний холодильник примерно 272 кг. воды, но здесь я использовал тот же объём, чтобы рассчитать энергию, необходимую для сопоставимых объёмов, поскольку утверждается, что замена воздуха эквивалентным объёмом воды изменит ситуацию.

(4) Охлаждение воды с 25 °C до -15 °C

• Лёд менее плотный, чем вода, поэтому, чтобы получить конечный объём в 10 м³, нам нужно взять меньше воды.


• 0,28 м³ × плотность льда 916,8 кг/м³ = 256 кг


• Охлаждение до 0 °C: 256 кг × 25 °C × удельная теплоёмкость 4,18 кДж/(кг К) = 26 800 кДж


• Заморозка: 256 кг × теплота заморозки 334 кДж/кг = 85 700 кДж


• Охлаждение льда до -15 °C: 256 кг × 15 °C × удельная теплоёмкость льда 2,108 кДж/(кг К) = 8100 кДж


• Общая энергия охлаждения: 120 700 кДж

(5) Охлаждение такого же количества воды в холодильнике = 23 400 кДж ÷ 6,78 кДж = примерно в 3450 раз больше

(6) Охлаждение такого же количества воды в морозильной камере = 120 700 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 % можно получить с помощью диаграммы Молье. Здесь x при влажности 0,5 составляет около 0,0098 кг/кг при 25 °C и около 0,0026 кг/кг при 5 °C.


• Затем мы проводим расчёт энтальпии (H) влажного воздуха 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 H (изменение энтальпии) = 50,1 – 11,6 = 38,5 кДж/кг


• Влажный воздух немного менее плотный, чем сухой: согласно данным из здесь, плотность влажного воздуха составляет около 1,199 кг/м³ при температуре 20 °C.


• Масса воздуха при указанном выше объёме 0,28 м³ составляет 0,336 кг


• Энергия, необходимая для охлаждения = изменение энтальпии × масса = 38,5 кДж/кг × 0,336 кг = 12,9 кДж


• Обратите внимание, что некоторые цифры здесь могут незначительно меняться в зависимости от температуры, но, как и в случае со ссылкой Джо, мы можем предположить, что они достаточно постоянны и не повлияют на конечный ответ более чем на несколько процентов.

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

• Используя приведённую выше диаграмму Молье, мы получаем весовую долю примерно 0,00055 кг/кг при влажности 50 % и температуре -15 °C


• Используйте расчеты, аналогичные приведенным выше


• H при -15 °C = -13,7 кДж/кг


• Дельта H при температуре от 25 °C до -15 °C = 63,8 кДж/кг


• при тех же массе и плотности общая энергия, необходимая для охлаждения, составляет = 21,4 кДж

(9) Мы рассчитываем соотношения, как указано выше, и получаем, что для охлаждения эквивалентного объёма воды в холодильнике требуется в 1800 раз больше энергии, а для её замораживания — в 5600 раз больше энергии.

(10) Относительная влажность может варьироваться как на кухне, так и в холодильнике, поэтому эти расчёты следует воспринимать лишь как приблизительные, которые в крайних случаях могут отличаться в 2–3 раза в большую или меньшую сторону. Тем не менее количество энергии, необходимое для охлаждения даже влажного воздуха, незначительно по сравнению с количеством энергии, необходимым для охлаждения любой жидкой или твёрдой пищи.

Существует множество факторов. Один из факторов, 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 в совокупности. Я не знаю.

Если я положу бутылку с водой комнатной температуры в морозильную камеру с десятью бутылками замороженной воды, температура новой бутылки будет снижаться гораздо быстрее, чем в пустой морозильной камере, потому что там уже есть более холодная масса. Однако за это приходится платить: температура замороженных бутылок будет повышаться в прямой зависимости от передачи тепла. Холодильнику придётся тратить энергию, чтобы вернуть температуру десяти бутылок в нужное значение. Так что да, у нас более быстрая заморозка. Но нет, исходя только из этого фактора, мы не можем сказать, что на заморозку тратится меньше энергии.

Основная функция холодильной установки — поддерживать разницу температур между внутренней и внешней средой. Чем больше масса того, что нужно поддерживать при более низкой температуре, тем больше энергии для этого требуется. У воздуха очень маленькая масса, и для изменения его температуры требуется очень мало энергии. Для сравнения: у бутылки с водой гораздо большая масса, и для поддержания разницы температур потребуется гораздо больше энергии.

Одна из причин необходимости в энергии для поддержания постоянной температуры заключается в передаче тепла от температуры окружающей среды за пределами холодильной установки к желаемой температуре внутри (можно также представить это как распространение холода в обратном направлении). В противном случае закрытой морозильной камере никогда не понадобилось бы никакого электричества после того, как она достигла заданной температуры.

Содержимое пустого морозильника, хранящегося при температуре -20 °C, имеет очень малую массу, в то время как масса морозильника, заполненного бутылками с водой, намного больше. В заполненном морозильнике на самом деле «холоднее» внутри, даже если температура такая же. Он теряет мо больше холода, и для поддержания низкой температуры требуется больше энергии.

Таким образом, исходя только из фактора потери холода, полностью заполненному морозильнику требуется больше электроэнергии.

Насколько важен этот единственный фактор, зависит от многих обстоятельств, в том числе от эффективности теплоизоляции морозильной камеры, температуры окружающей среды (при температуре в помещении 16 °C теплопередача будет меньше, чем при 30 °C), вентиляции тепловых змеевиков и т. д.

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

Единственный случай, когда это возможно, — если у вас есть тарифный план с регулируемой мощностью для холодильника или интеллектуальный счётчик электроэнергии и холодильник (и то, и другое встречается крайне редко)

Благодаря этим планам вы можете сэкономить деньги, но не электроэнергию напрямую. Вы просто спасаете свою страну от неэффективного производства электроэнергии в пиковые часы

Ваш холодильник может оставаться без электричества в течение многих часов, поэтому чем больше продуктов в нём или в морозильной камере, тем меньше будут колебания температуры, а это может улучшить сохранность продуктов