Nienke Beintema behandelt in de NRC vragen van lezers. In de krant van 31 mei 2023 gaat het over het energieverbruik van een koelkast. Ze schrijft dat er op internet felle discussies over zijn. Een lege koelkast zou energie vreten: elke keer dat je de deur opent stroomt koude lucht uit de koelkast, en de warme lucht die ervoor in de plaats komt, moet afgekoeld worden.
a) Waarom stroomt koude lucht naar buiten als je de deur van de koelkast opent?
De dichtheid van koude lucht is groter dan die van warme lucht. Als je de deur opent, zakt de koude lucht uit de koelkast onder de buitenlucht. En warme lucht van buiten vult de vrijgekomen ruimte in de koelkast op.
Sommigen zeggen dat het beter is de koelkast goed gevuld te houden.
b) Geef een argument daarvoor.
Als de koelkast goed gevuld is, is er veel minder (koude) lucht die naar buiten kan stromen. Er komt dan ook minder warme lucht binnen die gekoeld moet worden.
c) Geef ook een tegenargument.
Misschien zeg je: de deur gaat zó kort open, dat er weinig koude lucht uitstroomt. Of: zo veel energie kost het niet om lucht te koelen. Of: de meeste energie gaat verloren doordat de isolatie van de wanden niet perfect is, en dat gaat dag en nacht door.
We zoeken nu uit hoe het zit. Eerst kijken we naar de werking van een eenvoudige koelkast (zie figuur 1). A is de kamer waarin de koelkast staat. B is de koelkast. Een ‘koudemiddel’ (vloeistof en/of damp) doorloopt in een buis een kringloop met de wijzers van de klok mee. We beginnen bij de compressor (4). Hier komt het koudemiddel uit de koelkast, dat een lage druk heeft, in de buizen aan de achterkant. De compressor perst de damp samen, waardoor de druk toeneemt en de temperatuur stijgt. De hete samengeperste damp gaat dan door de condensor (1) en geeft warmte af aan de kamerlucht. De damp koelt af en condenseert. De druk is nog hoog. Bij het passeren van het expansieventiel (2) krijgt het koudemiddel een groter volume en daardoor een lagere temperatuur. Het gaat de koelkast in, neemt in de verdamper (3) warmte op van de spullen in de koelkast en verdampt.
Daarna herhaalt de cyclus zich. Zo wordt voortdurend warmte uit de spullen in de koelkast opgenomen en aan de achterkant afgegeven.
d) Op welke plek in deze kringloop wordt van buiten energie toegevoerd?
Bij de compressor. Deze werkt op elektriciteit.
Als de compressor aanstaat, neemt hij 200 W vermogen op. Beintema geeft in haar artikel nog meer gegevens waar we mee kunnen rekenen. Een moderne energiezuinige koelkast, schrijft ze, gebruikt jaarlijks zo’n 150 kWh elektrische energie.
e) Bereken het gemiddeld vermogen gedurende een jaar.
$E=Pt\rightarrow P=\frac{E}{t}=\frac{150~\mathrm{kWh}}{(365\cdot 24~\mathrm{h})}=0,017~\mathrm{kW}=17~\mathrm{W}$
f) Verklaar waardoor dit afwijkt van 200 W.
De compressor werkt alleen als er gekoeld moet worden. Zo lang de temperatuur niet boven de ingestelde waarde komt, hoeft er niet gekoeld te worden.
Nu gaan we verder met de inhoud van de koelkast. Neem een koelkast met een binnenruimte van 100 dm3. De thermostaat is ingesteld op 5 oC.
We kijken eerst naar een lege koelkast, waarin je één pak melk van 1 dm3 gaat zetten met de temperatuur de buitenlucht, neem 25 oC. Neem aan dat na het openen van de deur alle koude lucht de koelkast uitstroomt en dat lucht van 25 oC ervoor in de plaats komt.
g) Bereken hoeveel energie aan de lucht onttrokken wordt om deze af te koelen tot 5 oC.
Naast het pak melk is er nog 99 dm3 lucht.
$m=99\cdot 10^{-3}\cdot 1,293=1,28\cdot 10^{-1}~\mathrm{kg}$ (Binas tabel 12)
$Q=cm\Delta T = 1,00\cdot 10^3\cdot 1,28\cdot 10^{-1}\cdot (25-5)=2,56\cdot 10^3~\mathrm{J}$
h) En bereken hoeveel energie moet worden onttrokken aan het pak melk.
$Q=cm\Delta T=3,9\cdot 10^3\cdot 1,03\cdot 20=8,03\cdot 10^4~\mathrm{J}$
i) Hoeveel is dat samen?
Samen is dat: $0,256\cdot 10^4+8,03\cdot 10^4=8,29\cdot 10^4~\mathrm{J}$
Vervolgens kijken we naar de situatie dat de koelkast vrijwel vol is. De inhoud heeft een temperatuur van 5 oC. Er past nog precies één pak van 1 dm3 bij. Neem weer een pak melk van 25 oC en zet dat erin.
j) Bereken hoeveel energie aan het pak onttrokken moet worden.
Natuurlijk is dit gelijk aan de uitkomst van vraag h: ook weer 8,03 . 104 J.
k) Waarom hoef je geen rekening te houden met het vervangen van de lucht die uit de koelkast stroomde toen je hem opende?
De koelkast is nu tot de nok gevuld. Er kan geen lucht meer bij.
Stel het duurt vijf kwartier voor het pak tot 5 oC is afgekoeld. Neem aan dat al die tijd de compressor in bedrijf is.
l) Bereken hoeveel energie per seconde dan afgevoerd is.
In vijf kwartier wordt 8,03 . 104 J onttrokken, dit betekent 8,03 . 104 / (75 · 60) = 17,8 J/s.
m) Vergelijk dat met het vermogen van de compressor.
Het vermogen van de compressor is 200 J/s. Veel meer dan 17,8 J/s dus. Dit lijkt dus een erg onvoordelig proces. Maar je moet bedenken dat de compressor alleen aanstaat tijdens het koelen. Als de isolatie van de koelkast goed is, hoeft de compressor daarna nauwelijks meer te werken. En de inhoud blijft koud.
Terug naar de vraag of een volle koelkast energiezuiniger is dan een lege. Wat is slim?
n) Welk antwoord geef jij?
Als je het pak melk in een lege koelkast legt, moet 8,29 . 104 J onttrokken worden (antwoord i.).
Als je het in een volle koelkast legt is het 8,03 . 104 J (antwoord h.).
De volle koelkast verliest minder energie bij open en dichtdoen. Maar het verschil is klein. (In dit geval 3 %.)
Aan het eind van haar artikel zet Beintema ons met de voeten op aarde. “Hoe vol je koelkast is, maakt véél minder uit dan de allerbelangrijkste factor: de zuinigheid van de koelkast. Een moderne koel-vriescombinatie gebruikt jaarlijs 150 kilowattuur; een vijftien jaar oude gebruikt 360 kilowattuur.”
o) Bedenk hoe een moderne koelkast zo veel zuiniger kan zijn.
Er zijn enkele factoren:
- betere isolatie (minder warmte van buiten dringt door)
- minder ijsafzetting (een ijslaag op het koelelement belemmert het onttrekken van warmte)
- efficiëntere compressor (zuiniger met energie)
Misschien heb je al dit rekenwerk voor niets gedaan (behalve dat het een goede oefening is).
