Mantenere pieno un frigorifero / congelatore aiuta significativamente l'efficienza energetica?

Questa è una di quelle affermazioni che incontro spesso, ma non ho mai visto prove a supporto. Il consiglio va spesso oltre e afferma che se il tuo frigorifero / congelatore è relativamente vuoto, dovresti aggiungere qualcosa (ad esempio, bottiglie d'acqua).

Dichiarazioni del genere sono apparse anche qui, come nelle risposte a questa domanda , a questa domanda , a questa domanda e, più recentemente, a questa domanda .

Suppongo che in alcune circostanze ci possano essere dei piccoli risparmi energetici, ma è abbastanza significativo preoccuparsene davvero ? Inoltre, è sufficiente compensare l'energia persa, ad esempio nel raffreddare o congelare l'acqua (o altre cose) solo per riempire il frigorifero?

Nota: ho svolto alcune delle mie ricerche e l'avrei pubblicato nella domanda, ma penso che sarà più appropriato fornire ciò che ho trovato in una risposta di seguito. Tuttavia, se qualcuno ha fonti affidabili che danno una risposta diversa (e preferibilmente misurazioni effettive o studi a supporto), sono molto interessato.

EDIT: Dopo aver scritto la mia risposta, ho appena trovato questo , in cui Cecil Adams discute fortemente a favore dell'ipotesi del frigo completo. Raramente non sono d'accordo con Cecil, e fa riferimento a una serie di studi, anche se senza citazioni. Quindi sono interessato se qualcuno può indicare alcuni di questi studi.

SINTESI: A meno che non mi manchi qualcosa qui o tu non stia facendo cose molto strane con il tuo frigorifero, risparmierai al massimo un paio di dollari all'anno mantenendo pieno il tuo frigorifero / congelatore. Inoltre, fare scorta di acqua (o altre cose) per riempire lo spazio del frigorifero / congelatore non ti farà risparmiare molto a meno che tu non lo conservi per molto MOLTO tempo, dal momento che costa così tanta energia per raffreddare l'acqua innanzitutto.

Ci sono validi motivi per farlo:

• se hai bisogno di sopravvivere a interruzioni di corrente intermittenti (come osserva TFD), avere molto ghiaccio o cibo nel frigorifero manterrà il freddo più a lungo
• una maggiore quantità di cibo nel frigorifero / congelatore faciliterà il raffreddamento o il congelamento di nuovi alimenti più rapidamente, il che a volte può aiutare nella sicurezza / conservazione degli alimenti
• allo stesso modo, avere più cibo può aiutare a minimizzare le piccole fluttuazioni di temperatura quando si apre frequentemente la porta, forse anche in alcuni casi aiutando la sicurezza / qualità degli alimenti
• se hai un frigorifero molto inefficiente che si raffredda in modo irregolare o non è ben isolato, avere più cibo eviterà di accendere e spegnere la bicicletta (anche se imballare un frigorifero troppo pieno può anche impedirne il corretto funzionamento)

Tutti questi sono forse buoni motivi per avere una leggera preferenza per mantenere il frigorifero un po 'più pieno. Ma, dal punto di vista energetico, non esiste una logica per riempire deliberatamente il frigorifero con cibo / acqua in eccesso, poiché l'energia necessaria per raffreddare qualsiasi solido o liquido è generalmente molte, molte volte la quantità necessaria per raffreddare l'aria.

Inoltre, se la tua preoccupazione principale è che l'aria fredda "cada" dal frigorifero quando la porta è aperta, suggerirei di riempirla con contenitori vuoti che contengono solo aria. Ti daranno il vantaggio di non perdere quell'aria fredda in eccesso, ma senza il dispendio energetico per raffreddare un liquido che non è necessario. (Ma di nuovo, il probabile beneficio è probabilmente un paio di dollari all'anno al massimo.)

Dettagli sotto.

Ho provato a cercare alcune statistiche affidabili e, sebbene trovo molte, molte fonti che sostengono questa affermazione, in genere non vedo numeri reali riguardanti il ​​risparmio energetico o persino un calcolo teorico per supportare la logica della pratica.

In effetti, a volte sembra apparire nelle liste dei "miti" di gruppi energetici, come qui :

1. MITO: puoi risparmiare energia mantenendo pieno il tuo frigorifero, chiudendolo rapidamente e pulendo regolarmente le bobine.

In realtà, tutte e tre queste azioni non valgono la pena. Nello studio condotto da Balsnik è stato trovato:

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.

O da questo documento (sull'efficienza dei congelatori ultralowow):

LEGGENDA METROPOLITANA? Un congelatore pieno richiede meno energia per funzionare:Una ragione apparente per questa idea è che la massa termica impiega più tempo a riscaldarsi, quindi il compressore non deve lavorare sodo. Pensaci: mentre i contenuti impiegano più tempo per riscaldarsi, ci vuole anche più tempo per raffreddarsi, quindi il compressore funziona altrettanto a lungo ogni giorno. I fattori isolanti fondamentali dello spessore delle pareti e dell'integrità della guarnizione non cambiano con un congelatore pieno o vuoto, quindi perché dovrebbe fare la differenza nel trasferimento di calore? Mentre la frequenza del ciclo diminuirà, la durata del ciclo aumenterà. Il calore che entra nell'armadio non cambierà. C'è un picco di potenza nominale all'inizio di ogni ciclo del compressore, quindi un numero maggiore di cicli potrebbe aumentare un po 'plausibilmente il consumo di energia. I dati non sono stati ampiamente condivisi, quindi per ora rimangono nello stato di legenda urbana.

La logica di quest'ultimo riferimento sembra rispondere alla domanda se un congelatore / frigorifero non aperto sarà più efficiente quando è pieno (come si dice a volte - che il frigorifero dovrà "lavorare meno duramente" in qualche modo). Ovviamente non ha molto senso, come nota questa citazione.

Tuttavia, per giudicare con precisione ciò, dovremmo tenere conto di ciò che accade quando si apre il frigorifero / congelatore . Ecco un rapporto di un gruppo di risparmio energetico che ha provato una serie di test (inclusa l'apertura della porta per diversi periodi di tempo). Hanno concluso che i migliori modelli di congelatori di frigoriferi consumavano meno energia quando erano pieni , anche se nella loro analisi notano che non include l'energia aggiuntiva necessaria per raffreddare il cibo extra in primo luogo . Ma una volta che il cibo è fresco e il frigo è pieno, ce n'è un po 'vantaggio energetico per i migliori congelatori. (Quanto è sconosciuto, dal momento che i loro grafici non hanno numeri.) Per altri tipi di modelli di congelatori, i risultati dei test sono stati mescolati, quindi non ci sono stati chiari benefici di un frigorifero vuoto rispetto a quello pieno. La loro conclusione: "Quindi il nostro consiglio è di non preoccuparsi di tenere il frigo pieno e concentrarsi maggiormente sulla chiusura della porta."

Per una prospettiva teorica sull'apertura del frigorifero, proviamo alcune ipotesi ragionevoli:

La dimensione media del frigorifero negli Stati Uniti è di circa 20 piedi ³ . Se supponiamo che il frigorifero non sia pieno e che metà dell'aria presente venga sostituita dall'aria a temperatura ambiente quando la porta viene aperta, sarebbe circa 10 ft ³ o circa 0,28 m ³ .

Usando le statistiche da qui , possiamo calcolare quel raffreddamento che 10 ft ³ di aria giù di 20 ° C (ad esempio, da "temperatura ambiente" da circa 25 ° C a 5 ° C) richiederebbe circa 6,8 kJ di energia, o 0,0019 kWh . Per un congelatore di dimensioni simili, la temperatura dell'aria dovrebbe probabilmente essere abbassata di circa 40 ° C, anziché 20 ° C, quindi questi numeri sarebbero raddoppiati.

Se apriamo la porta del frigorifero 20 volte al giorno, nell'arco di un anno si aggiungerebbero circa 13,8 kWh per un frigorifero con 10 piedi ³ di spazio vuoto o 27,5 kWh per un congelatore con una quantità simile di spazio vuoto. Le statistiche nella prima citazione sopra stimano 50 kWh / anno per tutte le aperture delle porte del frigorifero, quindi i numeri sembrano essere nel campo giusto. Fondamentalmente, costa un paio di dollari ogni anno in perdita di energia per l'apertura del frigorifero.

Supponiamo ora che abbiamo caricato quel 10 ft ³ con acqua anziché aria. (Questa è una quantità ridicolmente grande di acqua, ma la sto usando per mantenere lo stesso volume occupato per un confronto.)

La quantità di energia richiesta per raffreddare l'acqua dalla temperatura ambiente può essere calcolata in modo simile da questi numeri . Raffreddare 10 ft ³ di acqua a 20 ° C richiederebbe circa 23.000 kJ. Il congelamento a -15 ° C da 25 ° C richiederebbe circa 120.000 kJ. (Questo numero è significativamente più alto, a causa dell'energia in eccesso richiesta per trasformare l'acqua liquida in ghiaccio solido.) L'effetto dell'aggiunta di grandi quantità di acqua è stato mostrato chiaramente nello studio sopra menzionato , dove l'aggiunta di 150 libbre. dell'acqua a temperatura ambiente ha causato un picco del frigorifero a circa 65 ° F e impiega quasi un giorno e mezzo per tornare alla temperatura normale.

Per mettere questi numeri in una forma più utile:

• Dovresti raffreddare l'aria nel frigorifero circa 3500 volte per "pagare" la quantità di energia spesa raffreddando lo stesso volume di acqua.

• Dovresti raffreddare l'aria nel congelatore circa 9000 volte per "pagare" la quantità di energia spesa nel congelare lo stesso volume di acqua.

AGGIORNAMENTO: Come Joe giustamente sottolinea nei commenti, ho assunto l'aria secca qui per semplificare i calcoli. Ma la vera aria della cucina sarà umida e il suo effetto non è insignificante. (Supponevo che l'errore sarebbe stato inferiore al 50% o giù di lì, ma con ipotesi ragionevoli, è probabilmente fuori da un fattore di 1,5-3, a seconda dell'umidità della tua cucina e di quanto sia umido il tuo frigorifero.)

Ad ogni modo, supponendo che iniziamo con un'umidità relativa del 50% in cucina a 25 ° C, e ipotizziamo che il frigorifero si raffreddi a 5 ° C in frigorifero e -15 ° C in congelatore mantenendo l'umidità relativa del 50% a quelle temperature (che richiederebbe ovviamente la rimozione del vapore acqueo), ecco alcune statistiche aggiornate:

- Dovresti raffreddare l'aria nel frigorifero circa 1800 volte per "pagare" la quantità di energia spesa raffreddando lo stesso volume di acqua.

- Dovresti raffreddare l'aria nel congelatore circa 5500 volte per "pagare" la quantità di energia spesa nel congelare lo stesso volume di acqua.

[Vedi i calcoli sotto per i dettagli.]

Fondamentalmente, a seconda della frequenza con cui apri il frigorifero e della temperatura ambiente, probabilmente dovrai refrigerare l'acqua per almeno diversi mesi prima di vedere qualsiasi risparmio energetico (affatto). Probabilmente avrai bisogno di mantenere (la stessa) acqua congelata per almeno un anno per ottenere un risparmio energetico. Anche allora, per quantità ragionevoli di acqua (ad esempio, pochi litri), è improbabile che risparmi più di qualche dollaro all'anno in costi energetici (e probabilmente meno).

Un'ultima nota sui frigoriferi pieni: anche supponendo che riesca a risparmiare qualche centesimo all'anno con un frigorifero pieno, la mia esperienza pratica mi dice che tengo la porta aperta più a lungo quando il frigorifero è pieno rispetto a quando è quasi vuoto, poiché spesso è necessario spostare le cose in giro o estrarre temporaneamente le cose per ottenere le cose nella parte posteriore. Quindi questi risparmi teorici si materializzerebbero davvero? Non lo so.

Per coloro che sono interessati, ecco il "lavoro" per i calcoli sopra. Presumo un volume di 10 piedi ³ = ~ 0,28 m ³ . Si noti che qui sono state utilizzate varie approssimazioni per ottenere una figura "a sfera" - in particolare, si presumeva che densità e calori specifici fossero costanti nell'intervallo di temperatura, il che potrebbe introdurre un errore del 5-10% per i calcoli dell'aria e molto meno per i calcoli dell'acqua.

(1) Aria di raffreddamento (secca) di 20 ° C

• 0,28 m ³ di aria × densità di 1,205 kg / m ³ a 20 ° C dalla tabella = 0,337 kg
• 0,337 kg × 20 ° C [uguale a 20 K] × calore specifico di 1,005 kJ / (kg K) = 6,8 kJ
• 6,8 kJ: 3600 = 0,0019 kWh

(2) Aria di raffreddamento (secca) di 40 ° C

• Stesso peso dell'aria iniziale
• 0,337 kg × 40 ° C × 1,005 kJ / (kg K) = 13,6 kJ

(3) Acqua di raffreddamento da 25 ° C a 5 ° C

• Stesso volume di 0,28 m ³
• 0,28 m ³ × densità di circa 1000 kg / m ³ = 280 kg
• 280 kg × 20 ° C × calore specifico di 4,18 kJ / (kg K) dalla tabella = 23400 kJ
• NOTA: Ovviamente non si può e non si deve riempire un frigorifero di casa con ~ 600 libbre. di acqua, ma qui ho usato lo stesso volume per produrre l'energia necessaria per volumi comparabili, poiché si afferma che la sostituzione dell'aria con un volume equivalente di acqua farà la differenza.

(4) Acqua di raffreddamento da 25 ° C a -15 ° C

• Il ghiaccio è meno denso dell'acqua, quindi per raggiungere un volume finale di 10 m ^ 3, dobbiamo iniziare con meno acqua.
• 0,28 m ³ × densità del ghiaccio di 916,8 kg / m ³ = 256 kg
• Raffreddare a 0 ° C: 256 kg × 25 ° C × calore specifico 4,18 kJ / (kg K) = 26800 kJ
• Congelamento: 256 kg × calore di congelamento 334 kJ / kg = 85700 kJ
• Ghiaccio freddo a -15 ° C: 256 kg × 15 ° C × calore specifico del ghiaccio 2.108 kJ / (kg K) = 8100 kJ
• Energia di raffreddamento totale: 120.700 kJ

(5) Raffreddare una quantità simile di acqua nell'aria in frigorifero = 23400 kJ ÷ 6,78 kJ = circa 3450 volte maggiore

(6) Raffreddamento di una quantità simile di acqua nell'aria nel congelatore = 120700 kJ ÷ 13,6 kJ = circa 8900 volte maggiore

(7) Aria di raffreddamento al 50% di umidità relativa di 20 ° C:

• Otteniamo frazioni di peso di vapore acqueo nell'aria al 50% di umidità da un diagramma di Mollier . Qui x con un'umidità di 0,5 è di circa 0,0098 kg / kg a 25 ° C e di circa 0,0026 kg / kg a 5 ° C.
• Seguiamo quindi il calcolo dell'entalpia (H) dell'aria umida come si trova al link di Joe qui .
• A 25 ° C: H = (1,005 kJ / kg ° C) (25 ° C) + (0,0098 kg / kg) [(1,84 kJ / kg ° C) (25 ° C) + (2501 kJ / kg)] = 50,1 kJ / kg
• A 5 ° C: H = (1,005 kJ / kg ° C) (5 ° C) + (0,0026 kg / kg) [(1,84 kJ / kg ° C) (5 ° C) + (2501 kJ / kg)] = 11,6 kJ / kg
• Delta H (variazione di entalpia) = 50,1 - 11,6 = 38,5 kJ / kg
• L'aria umida è leggermente meno densa dell'aria secca: usando i dati da qui , l'aria umida è di circa 1.199 kg / m ³ a 20 ° C.
• La massa d'aria che utilizza un'assunzione di volume superiore a 0,28 m ³ è 0,336 kg
• Energia richiesta per raffreddare = variazione dell'entalpia × massa = 38,5 kJ / kg × 0,336 kg = 12,9 kJ
• Nota che vari numeri qui possono variare leggermente al variare della temperatura, ma come nel link di Joe, possiamo supporre che siano abbastanza costanti da non influenzare la risposta finale di oltre il pochi percento.

(8) Aria di raffreddamento da 25 ° C a -15 ° C nel congelatore

• Usando il diagramma di Mollier collegato sopra, otteniamo una frazione in peso di circa 0.00055 kg / kg per un'umidità del 50% a -15 ° C
• Usa calcoli simili a quelli sopra
• H a -15 ° C = -13,7 kJ / kg
• delta H da 25 ° C a -15 ° C = 63,8 kJ / kg
• usando la massa e la densità come sopra, l'energia totale richiesta per il raffreddamento è = 21,4 kJ

(9) Calcoliamo i rapporti come sopra, finendo con 1800 volte più energia per raffreddare un volume equivalente di acqua in frigorifero e 5600 volte più energia per congelarlo.

(10) L'umidità relativa può variare sia in cucina che in frigorifero, quindi questi calcoli dovrebbero essere presi solo come una figura a sfera, forse con un fattore 2-3 in entrambe le direzioni in casi estremi. Indipendentemente da ciò, la quantità di energia necessaria per raffreddare anche l'aria umida è insignificante rispetto a quella necessaria per raffreddare qualsiasi alimento liquido o solido.

Un caso limite è se sei su un piano di alimentazione controllato per il tuo frigorifero o hai un misuratore di potenza intelligente e un frigorifero (entrambi molto rari)

Con questi piani puoi risparmiare denaro, ma non alimentare direttamente, stai solo salvando il tuo paese dall'inefficiente generazione di energia

Possono passare molte ore senza alimentazione per il tuo frigorifero, quindi un frigorifero o un congelatore ben fornito avranno meno oscillazioni di temperatura e questo potrebbe migliorare la conservazione degli alimenti

Ci sono molti fattori L'unico fattore che le persone raramente prendono in considerazione è la massa . Di seguito sto considerando solo questo fattore. Altri fattori, come le porte aperte, possono avere effetti maggiori, specialmente se considerati cumulativamente. Non lo so.

Se metto una bottiglia d'acqua a temperatura ambiente in un congelatore con dieci bottiglie di acqua congelata, la temperatura della nuova bottiglia scenderà molto più velocemente rispetto a un congelatore vuoto, perché c'è già più massa fredda. Tuttavia, questo ha un costo; la temperatura delle bottiglie congelate aumenterà in relazione diretta con il trasferimento di calore. L'unità di refrigerazione dovrà utilizzare l'energia per riportare la temperatura delle dieci bottiglie alla temperatura corretta. Quindi sì, abbiamo un congelamento più rapido. Ma no, basandoci solo su questo fattore, non abbiamo meno energia spesa per fare questo congelamento.

La funzione essenziale di un'unità di refrigerazione è quella di mantenere un differenziale di calore tra interno ed esterno. Maggiore è la massa di ciò che deve essere mantenuto a una temperatura inferiore, maggiore è la quantità di energia necessaria per farlo. L'aria ha pochissima massa, è necessaria pochissima energia per modificarne la temperatura. Al contrario, una bottiglia d'acqua ha una massa molto maggiore e sarà necessaria molta più energia per mantenere un differenziale di calore.

Uno dei motivi per cui è necessaria energia per mantenere una temperatura costante è dovuto al trasferimento di calore dalla temperatura ambiente all'esterno dell'unità di refrigerazione e dalla temperatura desiderata all'interno (possiamo anche pensare a questo come al freddo che filtra nella direzione opposta). In caso contrario, un congelatore chiuso non avrebbe mai bisogno di alcuna energia elettrica, una volta raggiunta la temperatura impostata.

Il contenuto di un congelatore vuoto tenuto a -20 ° centigradi ha una massa molto bassa, mentre quello di un congelatore riempito con bottiglie d'acqua ha una massa molto più elevata. Il congelatore pieno ha infatti "più freddo" all'interno, anche quando la temperatura è la stessa. Perde più freddo all'esterno e serve più energia per mantenerlo freddo.

Quindi, basato solo sul fattore di perdita di freddo, un congelatore pieno ha bisogno di più elettricità.

L'importanza di questo singolo fattore dipende da molte cose, tra cui l'efficienza della schermatura termica del congelatore, la temperatura ambiente (minore trasferimento di calore se la temperatura ambiente è 16 ° C rispetto a 30 ° C), ventilazione delle batterie di riscaldamento, ecc.

Il modo in cui ciò si interpone con altri fattori crea un'equazione multifattoriale piuttosto complicata, e sospetto che la risposta non sarà la stessa per ogni unità di refrigerazione e per ogni utilizzo.

Tutti questi calcoli invece di un semplice senso di buon senso. L'aria ha una capacità termica di un quarto di acqua. Ciò significa che per raffreddare l'acqua di ogni grado richiede 4 volte più energia del frigorifero dell'aria. Se l'acqua si trova in una stanza calda (o soggetta a una porta del frigorifero aperta) ci vorrà quattro volte più tempo per riscaldarsi dell'aria. Quindi smetti di parlare di efficienza energetica e di altri termini esoterici. Basti pensare: se il mio frigorifero è pieno, ogni volta che apro la porta e / o inserisco qualcosa, la variazione di temperatura sarà inferiore se è piena che se è vuoto. Quindi dimentica la parola "efficiente" e sostituiscila con "migliore". Fondamentalmente perché un frigorifero funzioni bene, in altre parole perché la temperatura vari il meno possibile, mantienila piena. Fine della storia.

C'è anche un altro fattore che non è stato considerato. L'acqua / ghiaccio in un frigorifero raffredderanno più rapidamente l'aria interna quando la porta si chiude, riducendo il lavoro richiesto dal compressore dopo ogni occorrenza. Quindi, se il frigorifero fosse pieno di ghiaccio raccolto dopo una tempesta di neve, ridurrebbe il consumo di energia causato dall'apertura della porta e la spesa per il raffreddamento di 150 libbre di acqua a temperatura ambiente non si verificherebbe mai. Sebbene si possa immaginare quanta energia sia necessaria per mantenere un frigorifero pieno rispetto a un frigorifero vuoto, mi sembra che questi valori debbano essere ottenuti mentre la porta rimane chiusa per stabilire una linea di base del consumo di energia, quindi passare da lì.

Riempire lo spazio vuoto in un frigorifero per renderlo più "efficiente" o per risparmiare denaro non è corretto. Pensaci in questo modo, quando guidi un camion semi, è più economico correre a vuoto o pieno. Lo spazio vuoto o lo spazio pieno sarà raffreddato dal frigorifero allo stesso modo, è molto più economico raffreddare lo spazio vuoto (aria). È così semplice.