Zgodovina toplotnih črpalk

Popolnoma v nasprotju s proizvodnjo toplote zgorevanja je bilo v preteklosti v ospredju umetno hlajenje. V preteklosti so naraven led vozili na mednarodni in celo medcelinski ravni. Za umetno hlajenje ni bilo nobene možnosti do izuma hladilnih naprav pred približno 150 leti. Zato so bile razvojne prioritete v hlajenju. Toplotne črpalke za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode namene niso bile privlačne v tistem času zaradi nizke učinkovitosti pogona parnega stroja. Vendar je poznejši razvoj toplotnih črpalke  temelji na izumih, ki so vezani na pokritje velikega povpraševanje po hlajenju, še posebej v živilski industriji.

Tako kot v drugih tehnologijah so izumi in prvi tehnični razvoji so dognani od pametnih, usposobljenih strokovnjakov in vizionarjev.

Francoski fizik Nicolas Léonard Sadi Carnot je bil prvi vzpostavil natančno razmerje med toploto in delom. Leta 1824 je Sadi Carnot razvil termodinamični krožni proces, ki je v največji meri izkorišča (proizvaja) mehansko delo. Njegova mala knjiga iz leta 1824 je ostala neznana vse do svoje smrti 1832. Odločilen prispevek Carnotsovega "Reflections" je, da se mehansko energijo, lahko v celoti spremeni v toplotno energijo, vendar pa se toplotno energijo lahko le delno preoblikuje v mehansko energijo. Kasneje je Jakob Perkins s patentom hladnega parnega stroja ustvaril nov pojem, kjer je Carnotov krožni proces obrnil v levi krožni proces,ki danes velja za osnovo delovanja toplotne črpalke.

Že leta 1853 je izredno nadarjen irski znanstvenik William Thomson (pozneje znan kot Lord Kelvin) imel intuicijo glede toplotne črpalke in tako prvič opisal pojem toplotne črpalke in ga kot takega predlagal za ogrevanje in hlajenje stavb. Pripisujejo se mu zasluge  za koncept toplotne črpalke, čeprav ni imel sredstev za njeno gradnjo. Poudaril je, da bi takšna naprava za segrevanje potrebujejo manj primarne energije zaradi pridobivanja toplote iz okolja. Thompsonov model toplote uporablja zrak kot delovno snov. Zrak se sesa iz okolice v cilinder kjer ekspandira pri čemer se mu zmanjšata tlak in temperatura. Zrak v takem stanju potuje naprej skozi toplotni izmenjevalnik (zrak/zrak) kjer okoliški zrak odda toploto ekspandiranemu. Da bi bilo zrak možno vpihovati v prostor, ga je potrebno zopet komprimirati na atmosferski tlak, pri čemer se mu temperatura še dodatno zviša nad tisto v prostoru. Toda za ogrevanje prostorov je preteklo okoli 85 let, dokler niso bile narejene prve komercialne toplotne črpalke samo za ogrevanje.

Avstrijski inženir Peter Ritter von Rittinger je leta 1855 prvič razvil koncept toplotne črpalke. Odkril je, da je veliko lažje premikati in nadgraditi toploto s procesom tehnike hlajenja kot pa ustvarjanje toplote. Njegovi teoretični razmisleki leta 1855 so pokazali možne prihranke energije kar 80% z uporabo tehnologije toplotne črpalke v primerjavi z neposrednimi žganjem lesa. Z uporabo toplotne črpalke je von Rittinger razvil izjemno zanesljiv sistem, ki deluje dolgotrajno brez skrbi desetletja. Načrtoval in namestili je prvo znano pilotno toplotno črpalko za ogrevanje z zmogljivostjo 14 kW v vasi Ebensee v Zgornji Avstriji. Zagon je bil leta 1857, vendar je ostal bolj na nivoju eksperimenta. Tehnična zrelost namreč še ni bila dosežena.

Prvo toplotno črpalko, ki je koristila vir zemlje, je zgradil ameriški izumitelj Robert C. Webber. Vse se je pravzaprav zgodilo po nesreči, ko je v poznih 1940. Webber je eksperimentiral z svojim zamrzovalnikom in se je nehote dotaknil izstopne cevi za hlajenje sistema in si opekel roko. To ga je pripeljalo do ideje za osnovno mehanike toplotne črpalke. Spoznal je , da meče proč toploto, naredil je povezavo hladilnika z grelnikom vode in tako zagotavljal več tople vode, kot jo je njegova družina lahko porabila.

G. Webber je bil tako zadovoljen z rezultati, da se je odločil zgraditi popolno toplotno črpalko dovolj veliko za gretje celotnega doma. G. Webber tudi prišel z idejo, da toplotna črpalka koristila toploto iz zemeljskih tal, ker imajo dovolj visoko in konstantno temperaturo, kjer temperatura ne spreminja veliko skozi vse leto. Bakrene cevi je položil v zemljo skozi katere je tekel plin freon in zbiral toploto iz tal. Plin je v kleti kondenziral, oddal svojo toploto in prisilno razširil plin, da gre skozi tla tuljavo, in ponovno zbere toploto v razvodu cevi v zemlji. Zrak je bil prestavljen z ventilatorjem in se razdelil v dom. Naslednje leto, gospod Webber prodal svoje staro peč na premog.

Največji razmah so toplotne črpalke doživele v 70ih letih prejšnjega stoletja v času energetske krize. Povečano povpraševanje po njih je spodbudilo tudi razvoj, ki se do danes še vedno ni ustavil. Toplotne črpalke so vedno manjše, bolj učinkovite in ekonomične.