Использование KNO3, KCl и NaCl в качестве фазовых переходных материалов в холодильнике для экономии энергии

Почему скрытый холод в вашем холодильнике важен

Бытовые холодильники тихо работают день и ночь, часто в жарких кухнях, и вместе они потребляют значительную долю домашней электроэнергии. В этом исследовании рассматривается простая идея с большим потенциалом: поместить тонкий пакет специального охлаждающего материала под морозильную камеру, чтобы холодильник мог накапливать холод и легче переносить колебания температуры. За счёт более эффективного использования накопленного холода холодильник может поддерживать более стабильную внутреннюю температуру, переживать кратковременные отключения электроэнергии и снижать расходы на электричество без изменения привычек пользователей.

Накопление холода как батарея

Исследователи сосредоточились на «фазовых переходных» материалах — веществах, которые поглощают или выделяют большие количества теплоты при плавлении и кристаллизации, по принципу, похожему на лёд при переходе в воду. Вместо переработки конструкции холодильника они изготовили плоский контейнер из нержавеющей стали, который помещается под испарительными трубками морозильной камеры, не отнимая места на полках. В этот пакет заливали чистую воду или воду с добавлением небольшого количества (10 процентов по массе) знакомых солей: нитрата калия (KNO3), хлорида натрия (NaCl) и хлорида калия (KCl). Эти смеси выбраны потому, что их точки плавления и кристаллизации находятся на несколько градусов ниже нуля, близко к обычной температуре морозильной камеры, поэтому они могут незаметно аккумулировать и отдавать холод в ходе циклов работы холодильника.

Полевые испытания в жарком помещении

Чтобы увидеть реальный эффект от такого скрытого накопителя холода, команда протестировала стандартный однодверный холодильник объёмом 289 литров, работающий на распространённом хладагенте (R-134a). Его разместили в хорошо контролируемой камере при температуре 32 °C и умеренной влажности, имитирующей жаркую летнюю кухню. Прецизионные датчики регистрировали температуру в разных точках: внутри морозильной камеры, в пищевом отделении, в ящике для овощей, у двери, а также на поверхностях конденсора и компрессора. Измеряли также потребляемую мощность и давления в холодильном контуре. Сравнивали восемь сценариев: без фазового материала, с чистой водой и три варианта соляных растворов, каждый из которых испытывали при двух объёмах (1 литр и 1,5 литра) в контейнере.

Более холодная, более стабильная еда и мягче работа агрегата

Пакеты с фазовыми материалами заметно смягчили температурные колебания. В морозильной камере все соляные смеси поддерживали воздух холоднее и стабильнее, чем при отсутствии пакета, а в остальной части холодильника средняя температура снизилась примерно на 1–3 °C. Температура в ящике для овощей понизилась примерно на 22 процента относительно базового случая, что полезно для сохранения свежести продуктов. Хотя пакет располагался под морозильной камерой, он косвенно охлаждал и выравнивал температуры в основном отделении и у двери, поглощая всплески тепла и медленно отдавая холод. Одновременно середина конденсора и поверхность компрессора работали на несколько градусов холоднее — признак того, что агрегат работал менее интенсивно и испытывал меньший тепловой стресс.

Экономия энергии и устойчивость к отключениям питания

Поскольку фазовые материалы поглощали часть нагрузки по охлаждению, компрессор мог чаще отключаться. В лучшем случае использование 1 литра раствора KNO3 сократило время работы компрессора за сутки на 7,1 процента. Это привело к снижению потребления электроэнергии на 8,6 процента по сравнению с холодильником без пакета. Смеси KCl и NaCl также дали экономию, хоть и немного меньшую, а чистая вода обеспечила лишь скромный эффект. При моделируемом часовом отключении электроэнергии холодильники с пакетами держали морозильную камеру ниже нуля примерно полчаса и поддерживали температуру в холодильном отделении до 2 °C холоднее, чем немодифицированный агрегат, выигрывая дополнительное время до потепления продуктов.

Какая смесь работает лучше и почему это важно

Из всех протестированных вариантов наилучший общий баланс показал 1-литровый раствор KNO3: он увеличил коэффициент полезного действия холодильника примерно на 12 процентов и дал наибольшую экономию энергии. Более крупные пакеты объёмом 1,5 литра лучше выравнивали температуры в отделениях, но не улучшали энергопотребление пропорционально, поскольку избыток материала может стать тепловым балластом после полного плавления или кристаллизации. Для рядового пользователя вывод прост: тонкий, правильно подобранный пакет для накопления холода, размещённый рядом с морозильной камерой, может сделать обычный холодильник прохладнее внутри, надёжнее при отключениях и дешевле в эксплуатации. Работа показывает, что производители могли бы интегрировать такие пакеты с использованием недорогих солей, чтобы снизить потребление энергии в домах и поддержать более широкие цели по энергосбережению и борьбе с изменением климата.

Цитирование: 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

Ключевые слова: энергоэффективные холодильники, фазовые переходные материалы, тепловое накопление, охлаждение бытовых приборов, экономия электроэнергии