Wykorzystanie KNO3, KCl i NaCl jako materiałów zmiany fazy w lodówce w celu oszczędzania energii

Dlaczego ukryte zimno w twojej lodówce ma znaczenie

Lodówki domowe pracują cicho przez całą dobę, często w gorących kuchniach, i łącznie zużywają zaskakująco dużą część energii gospodarstw domowych. W badaniu zbadano prosty pomysł o dużym potencjale: włożenie cienkiego wkładu ze specjalnego materiału chłodzącego pod zamrażarkę, aby lodówka mogła magazynować zimno i łagodnie przechodzić przez wahania temperatury. Lepsze wykorzystanie zgromadzonego chłodu pozwala utrzymać bardziej stabilne warunki wewnątrz, przetrwać krótkie przerwy w zasilaniu i obniżyć rachunki za prąd bez zmiany sposobu użytkowania.

Magazynowanie chłodu jak baterii

Naukowcy skupili się na materiałach „zmiany fazy” — substancjach, które absorbują lub uwalniają duże ilości ciepła podczas topnienia i krzepnięcia, podobnie jak lód zamieniający się w wodę. Zamiast przeprojektowywać lodówkę, zbudowali płaskie stalowe opakowanie mieszczące się pod wężownicami parownika, które nie zabiera miejsca na półkach. Wypełnili je samą wodą lub wodą zawierającą niewielkie ilości (10 procent masowych) dobrze znanych soli: azotan potasu (KNO3), chlorek sodu (NaCl) i chlorek potasu (KCl). Mieszanki te wybrano, ponieważ topią się i zamarzają kilka stopni poniżej zera, blisko typowej temperatury zamrażarki, dzięki czemu mogą dyskretnie magazynować i oddawać chłód w cyklach pracy lodówki.

Testy w warunkach rzeczywistych, w gorącym pomieszczeniu

Aby sprawdzić, jak duża różnica może wyniknąć z takiego ukrytego źródła chłodu, zespół przetestował standardową 289-litrową lodówkę jednoskrzydłową działającą na powszechnym czynniku chłodniczym (R-134a). Umieścili ją w precyzyjnie kontrolowanej komorze utrzymywanej w 32 °C i przy umiarkowanej wilgotności, naśladującej gorącą letnią kuchnię. Dokładne czujniki śledziły temperatury w wielu punktach: w zamrażarce, w komorze na żywność, w szufladzie na warzywa, na drzwiach oraz na powierzchniach skraplacza i sprężarki. Mierzono też zużycie energii i ciśnienia w obiegu chłodniczym. Porównano osiem scenariuszy: brak materiału zmiany fazy, sama woda oraz trzy mieszanki soli z wodą, każdą w dwóch objętościach (1 litr i 1,5 litra) w pojemniku.

Chłodniejsze, bardziej stabilne warunki dla żywności i łagodniejsza praca urządzenia

Wkłady z materiałami zmiany fazy wyraźnie zmniejszyły wahania temperatury. W zamrażarce wszystkie mieszanki solne utrzymywały powietrze chłodniejsze i bardziej stabilne niż przy braku wkładu, podczas gdy reszta lodówki ochłodziła się przeciętnie o około 1–3 °C. Szuflada na warzywa obniżyła temperaturę nawet o około 22 procent względem punktu odniesienia, co pomaga zachować świeżość produktów. Mimo że wkład znajdował się pod zamrażarką, pośrednio chłodził i wygładzał temperatury w głównej komorze i na drzwiach, pochłaniając napływy ciepła i stopniowo oddając chłód. Jednocześnie środkowa część skraplacza i powierzchnia sprężarki pracowały kilka stopni chłodniej, co świadczy o mniejszym obciążeniu i łagodniejszym stresie termicznym urządzenia.

Oszczędność energii i odporność na awarie zasilania

Dzięki temu, że materiały zmiany fazy przejmowały część ładunku chłodniczego, sprężarka mogła wyłączać się częściej. W najlepszym przypadku użycie 1 litra mieszanki KNO3 skróciło czas pracy sprężarki w ciągu doby o 7,1 procent. Przełożyło się to na 8,6-procentowy spadek zużycia energii elektrycznej w porównaniu z lodówką bez wkładu. Mieszanki KCl i NaCl również pozwoliły zaoszczędzić energię, choć nieco mniej, a sama woda dała jedynie umiarkowane korzyści. Podczas symulowanej jednej godzinnej przerwy w dostawie prądu lodówki z wkładami utrzymywały zamrażarkę poniżej zera przez około pół godziny i utrzymywały komorę chłodni do 2 °C chłodniejszą niż niezmodyfikowane urządzenie, zyskując dodatkowy czas, zanim żywność się ogrzeje.

Która mieszanka działa najlepiej i dlaczego to ma znaczenie

Wśród wszystkich przetestowanych opcji najlepszą ogólną równowagę zapewnił 1-litrowy roztwór KNO3: zwiększył współczynnik wydajności chłodniczej (COP) lodówki o około 12 procent i przyniósł największe oszczędności energii. Większe wkłady 1,5 litra pomogły jeszcze bardziej ujednolicić temperatury w komorach, ale nie poprawiły zużycia energii w takim stopniu, ponieważ dodatkowy materiał może stać się obciążeniem termicznym, gdy już całkowicie stopnieje lub zamarznie. Dla przeciętnego użytkownika wniosek jest prosty: cienki, dobrze dobrany wkład magazynujący chłód umieszczony w pobliżu zamrażarki może sprawić, że zwykła lodówka będzie chłodniejsza wewnątrz, bardziej odporna na przerwy w zasilaniu i tańsza w eksploatacji. Badanie sugeruje, że producenci mogliby włączyć takie wkłady z użyciem tanich soli, aby zmniejszyć zużycie energii w gospodarstwach domowych i wspierać cele oszczędności energii oraz działania klimatyczne.

Cytowanie: Samir, S., Salem, M., Mohamed, A.S.A. et al. Utilizing of KNO₃, KCl, and NaCl as phase change materials within the refrigerator for energy saving. Sci Rep 16, 9815 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41662-5

Słowa kluczowe: energooszczędne lodówki, materiały zmiany fazy, magazynowanie cieplne, chłodzenie domowe, oszczędność energii elektrycznej