Wenn Sie eine Mineralwasserflasche auf einen elektrischen Ventilator stellen, ist die Wirkung dann mit der einer Klimaanlage vergleichbar? Die Wahrheit ist...

In letzter Zeit haben viele kurze Videoplattformen Inhalte veröffentlicht, in denen behauptet wird, dass man mithilfe von Mineralwasserflaschen und Ventilatoren eine „Klimaanlage“ bauen könne, die Energie spart und Emissionen reduziert. Stimmt das also?

Zunächst einmal ist die „selbstgebaute Klimaanlage“ aus „elektrischem Ventilator + halber Mineralwasserflasche“, die in letzter Zeit im Internet kursiert, keine neue Erfindung.

Mineralwasserflaschen werden als „Klimaanlagen“ eingesetzt. Bereits im Juni 2016 tauchten ähnliche Geräte auf ausländischen Websites auf. Damals hießen sie „Zero Electricity“-Klimaanlage oder Öko-Kühler und behaupteten, sie könnten die Temperatur um 5 °C senken.

Dieses ausländische Gerät ist im Wesentlichen dasselbe wie die „selbstgebaute Klimaanlage“ aus „elektrischem Ventilator + halber Mineralwasserflasche“, die seit kurzem in China im Umlauf ist. Der Unterschied besteht darin, dass das externe Belüftungsgerät aus Plastikflaschen und Holzbrettern direkt an den Fenstern des Raumes installiert wird, den natürlichen Wind im Freien nutzt und nicht einmal einen elektrischen Ventilator benötigt. Daher ist es eine größere Spielerei. Wenn dies realisiert werden kann, handelt es sich tatsächlich um einen „Null-Energieverbrauch“.

Bild- und Informationsquelle: https://wonderfulengineering.com/guy-invents-an-air-conditioner-that-works-without-electricity/

Hat diese Art der „Klimaanlage“ also irgendeine Wirkung?

Ob es funktioniert oder nicht, die Wahrheit wird im Labor ans Licht kommen

Viele Menschen, darunter auch Physiklehrer an Mittelschulen, haben ähnliche Experimente durchgeführt, jedoch keinen offensichtlichen Kühleffekt gemessen. Im Jahr 2018 betreute ich als Verantwortlicher des postgradualen Studiengangs für das Fachdidaktikstudium (Physik) an der Shanghai Normal University und Professor am Fachbereich Physik der Fakultät für Mathematik und Physik eine Bachelorarbeit in Physik mit dem Titel „Test einer „Klimaanlage mit geringem Stromverbrauch““ und führte zu diesem Thema eingehende theoretische Analysen und experimentelle Tests durch.

Während des Experiments stellten die Studenten fest, dass der Temperaturabfall der Luft nach dem Durchströmen dieses Geräts im Wesentlichen bei 0,2 °C lag, was weit unter den im Internet kursierenden 5 °C lag, und dass die Temperatur der Luft nach dem Durchströmen dieses Geräts in den meisten Fällen eher anstieg.

Was den Fall „Ventilator + Mineralwasserflasche“ betrifft, können wir auch feststellen, dass sich die Lufttemperatur, die durch die Mineralwasserflasche strömt, nicht wesentlich ändert.

Viele Freunde haben jedoch berichtet, dass eine zusätzliche Mineralwasserflasche die Luft tatsächlich kühler macht. Ist das eine Illusion?

Gefühlte Temperatur ≠ Temperatur

Warum fühlen sich die Leute nach dem Hinzufügen dieses Geräts oft kühler? Hierzu ist zunächst eine Unterscheidung zwischen zwei Begriffen notwendig: der tatsächlichen Kühlwirkung und der wahrgenommenen Kühlwirkung.

Bei der tatsächlichen Kühlwirkung handelt es sich um die Kühlwirkung von realem Gas, die durch Temperaturmessgeräte erfasst werden kann. Bei realen Objekten kann die Temperatur durch direktes Auflegen eines Thermometers oder mithilfe eines Infrarotthermometers bzw. einer Infrarot-Wärmebildkamera gemessen werden. Wie bereits erwähnt, hat das Hinzufügen von Mineralwasserflaschen keinen nennenswerten Kühleffekt und kann sogar zu einem leichten Temperaturanstieg führen.

Der wahrgenommene Kühleffekt entsteht durch die Verdunstungskälte an der menschlichen Körperoberfläche. Durch die zusätzliche Plastikflasche wird der fächerförmige Luftauslass des elektrischen Ventilators kleiner, die Luftströmungsrate in einem bestimmten Bereich erhöht sich und die menschliche Körperoberfläche verdunstet schneller, sodass die Temperatur niedriger erscheint. Dies geht allerdings auf Kosten einer reduzierten Lüfteraustrittsfläche.

Darüber hinaus sind Verdunstungskühleffekt und Kühleffekt zwei Konzepte. Wenn der menschliche Körper durch eine trockene Metallkugel ersetzt wird, kann der Temperaturabfall der Kugel nicht gemessen werden. Wenn Sie den Ball mit einer Lage feuchtem Papiertuch/nassem Handtuch umwickeln, lässt sich natürlich auch der Temperaturabfall durch den Verdunstungskühlungseffekt messen. Außerdem können wir dem Video am Anfang dieses Artikels entnehmen, dass die durch die Luftströmung verursachte Verdunstung die Oberflächentemperatur der nassen Pappe um mehrere Grad Celsius senken kann.

Um ein Phänomen zu verstehen, benötigen wir sowohl experimentelle Daten als auch theoretische Unterstützung. Als nächstes wollen wir sehen, wie es aus theoretischer Sicht erklärt werden kann.

Theoretische Berechnungen

Ist es theoretisch möglich, dass dieses am Fenster montierte Gerät einen Kühleffekt hat? Dies ist ein relativ komplexes Problem, das nur durch die theoretische Konstruktion eines idealen physikalischen Modells untersucht werden kann.

Im Jahr 2017 wurde dieses Problem in einem Artikel in der Zeitschrift „Physical Bulletin“ diskutiert. Der Prozess des strömenden Gases, das durch die schrumpfende Flaschenöffnung in den Raum eintritt, wurde als zwei adiabatische + zwei isobare reversible Kühler angenommen. Der berechnete Kältekoeffizient war:

Dabei ist α das Verhältnis des Drucks des Gases nach der Komprimierung an der Flaschenmündung zum Druck davor und γ das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazität. Für Luft,

γ = 7/5 = 1,4

Woher kommt die Energie für den Kühlschrank? Zur theoretischen Herleitung gehen wir davon aus, dass die kinetische Energie der strömenden Luft (Brise) die Arbeitsenergie des Kühlschranks liefert. Nehmen wir Folgendes an: Die Fensterfläche, in der die Mineralwasserflasche installiert ist, beträgt 1 Quadratmeter (m2), die Geschwindigkeit des elektrischen Ventilators bzw. des Windes im Freien beträgt im Allgemeinen 5 m/s und angenommen, die Windgeschwindigkeit steht senkrecht auf dem Fenster, dann blasen innerhalb einer Zeiteinheit von 1 s 5 m3 Luft (Masse ist 1,29 kg/m3 × 5 m3 ≈ 6,5 kg) mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s auf das Fenster zu und ihre kinetische Energie beträgt:

Angenommen, der Raum ist 4 Meter breit, 5 Meter lang und 3 Meter hoch, dann beträgt die Gesamtfläche 94 Quadratmeter. Die Wärmeleitfähigkeit κ allgemeiner Baustoffe liegt zwischen 0,2 und 1 W/(m·K). Nehmen Sie 0,5 W/(m·K) (zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ von Trockenziegeln etwa 0,27 W/(m·K). Angenommen, der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich beträgt 5 °C und die Wandstärke beträgt 0,2 m, dann

dT/dz = 5 °C/0,2 m = 25 °C/m

Nach dem Fourierschen Gesetz beträgt die in 1 Sekunde von außen nach innen übertragene Wärme:

Q = 0,5 W/(m·K) × 25 (℃/m) × 94 m² = 1175 J ≈ 1000 J

Diese Wärme muss über den Kühlschrank nach außen abgeleitet werden. Angenommen, die oben geschätzte kinetische Energie der Brise wird vollständig zur Energieversorgung des Kühlschranks genutzt (dies ist nur theoretisch und in der Praxis unmöglich zu erreichen),

Es lässt sich berechnen: α≈1,4, das heißt, der atmosphärische Druck des Brisenluftstroms oder der Brise vom elektrischen Ventilator muss während des Kompressionsprozesses des Blasens vom Flaschenboden zur Flaschenöffnung von 1 Atmosphäre auf 1,4 Atmosphären ansteigen, was schwierig zu erreichen ist. Aus einer theoretischen Analyse geht daher hervor, dass ein Kühleffekt vorliegt, der jedoch weit von einem Kühleffekt von 5 °C entfernt ist. In der obigen Diskussion geht es darum, dieses Gerät am Fenster anzubringen und die kinetische Energie der Brise draußen als Energie zu nutzen. Theoretisch ist dies möglich, der Kühleffekt ist jedoch sehr gering.

Zurück zu diesem Gerät „Mineralwasserflasche + Ventilator“, also einem Gerät, bei dem eine Mineralwasserflasche am Luftauslass eines elektrischen Innenventilators installiert ist. Wie oben erwähnt, hat dieses Gerät theoretisch keine Kühlwirkung. Dies liegt daran, dass elektrische Ventilatoren in Innenräumen aufgestellt werden und Energie verbrauchen. Aus Energiespargründen steigt die Innentemperatur immer weiter an und es ist unmöglich, den Raum wie mit einer Klimaanlage abzukühlen. Dieses Prinzip entspricht dem Öffnen der Kühlschranktür im Innenbereich. Offensichtlich wird der Raum dadurch nicht gekühlt. Stattdessen wird es im Raum immer heißer.

Anmerkung des Herausgebers: Dieses Experiment hat seine Grenzen. Dabei kamen zivile Messgeräte zum Einsatz und die Durchführung erfolgte nicht in einem professionellen Labor. Es können bestimmte Fehler auftreten. Jeder ist herzlich eingeladen, aktiv mitzudenken, zu hinterfragen und auszuprobieren.

Autor: Fang Wei, Außerordentlicher Professor, Fachbereich Physik, Fakultät für Mathematik und Physik, Direktor des Aufbaustudiengangs Fachdidaktik (Physik) an der Shanghai Normal University

Rezension丨Zhang Zhongbin Mitglied des Wissenschaftspopularisierungskomitees der Chinesischen Gesellschaft für Kältetechnik Professor der Nanjing Normal University