Lämpöpumput ovat laitteita, jotka toimivat kuten jääkaappi päinvastoin ja siirtävät lämpöä rakennuksen ulkopuolelta ilmasta tai maasta sen sisäpuolelle kylmäaineen kierron kautta. Esimerkiksi ilmalämpöpumpun tapauksessa ilmakehän lämpöenergia – vaikka se voi olla kylmempää kuin kyseisen rakennuksen sisäilma – on kuitenkin tarpeeksi lämmintä saamaan nestemäisen kylmäaineen haihtumaan kaasuksi. Tämä kaasu johdetaan sitten kompressorin läpi, mikä lisää kaasun painetta ja saa samalla sen lämpötilan nousemaan. Kaasun lämpöä voidaan sitten käyttää rakennuksen lämmittämiseen, kun taas kylmäaine jäähtyy ja palaa alkuperäiseen, nestemäiseen tilaan, jolloin prosessi voi alkaa alusta.
Lämpöpumppujen taustalla olevien tieteellisten periaatteiden alkuperä voidaan jäljittää Skotlannin valistukseen 1700-luvulla ja 1800-luvun alussa.
Vuonna 1756 kemisti professori William Cullen Edinburghin yliopistosta esitteli ensimmäisen julkisen keinotekoisen jäähdytyksen.
Hän loi pienen määrän jäätä luomalla pumppua käyttämällä osittaista tyhjiötä dietyylieetterisäiliön päälle, alentaen sen kiehumispistettä niin, että se kiehui ja absorboi lämpöä ympäristöstään prosessin aikana.
Professori Cullenin jäähdytysprosessi ei kuitenkaan löytänyt kaupallista sovellusta huolimatta konseptin todistelun menestyksestä.
Lähes sata vuotta myöhemmin vuonna 1852 brittiläinen matemaatikko William Thomson, Baron Kelvin kehitti idean ehdottaen laitetta, joka voisi pumpata energiaa alhaisen lämpötilan alueelta - esimerkiksi ulkona - lämpimämpään polttamalla polttoainetta työn suorittamiseksi.
Tällä tavalla lämpöpumput voivat ottaa lämpöä kylmemmästä ympäristöstä rikkomatta termodynamiikan toista pääsääntöä, jonka mukaan entropia kasvaa aina.
Lämpöpumput toimivat kuin jääkaappi päinvastoin siirtäen lämpöä ulkopuolelta sisälle (Kuva: Getty Images)
Ensimmäisen varsinaisen lämpöpumpun julkaisi itävaltalainen insinööri Peter von Rittinger neljä vuotta myöhemmin, vuonna 1856, vaikka hän kutsui sitä 'höyrypumpuksi'.
Aforismin mukaan välttämättömyys on keksinnön äiti – ja kone luotiin tarjoamaan taloudellisesti kannattava keino Ebenseen suolatehtaille suolan erottamiseksi suolavedestä paikallisen polttoainepulan vuoksi.
Kun tämä suljettu höyryastia oli kuumennettu 212 F (100 C) prosessin käynnistämiseksi, se hyödynsi suolavedestä kiehuneen vesihöyryn piilevän lämmön lämmittääkseen suolaliuosta edelleen.
Avain järjestelmään oli mekaaninen kompressori - vesipyörällä toimiva -, joka lisäsi höyryn painetta ja lämpötilaa ennen sen syöttämistä suolaliuosta sisältävän astian alla olevaan onteloon.
Tällä tavalla vettä kerääntyisi onteloon suolan saostuessa yllä olevaan astiaan.
Höyrypumpulla on yksi huomattava ero kodin lämmitysjärjestelmän seuraajiin - erityisesti siinä, kuinka suolaliuokseen sekoitettu vesihöyry toimii sekä kylmäaineena että lämmitettävänä nesteenä.
LUE LISÄÄ: Energiansäästö: Älykodin järjestelmä voi leikata 600 puntaa energialaskuista
Jatkoivat tätä konseptia kaksivaiheisella mäntäkompressorilla, sveitsiläinen fyysikko Antoine-Paul Piccard Lausannen yliopistosta ja insinööri Jules Weibel rakensivat höyryn puristusjärjestelmän, joka asennettiin Bexin suolatehtaan vuonna 1877.
Tämä ei ollut Sveitsin ainoa rooli lämpöpumppujen historiassa. Vuonna 1928 slovakialainen insinööri Aurel Stodola rakensi suljetun kierron lämpöpumpun, joka käytti Genevejärven vettä Geneven kaupungintalon lämmittämiseen. Se toimii edelleen tähän päivään asti.
Ja vuosina 1937–1945 Sulzer, Escher Wyss ja Brown Boveri asensivat noin 35 lämpöpumppua eri puolille Sveitsiä – tämä toimenpide auttoi lieventämään hiilipulaa.
Yksi tällainen järjestelmä, Escher Wyss -pumppu, joka lämmitti Zürichin kaupungintaloa, kesti 63 vuotta, kunnes se korvattiin nykyaikaisella mallilla vuonna 2001.
Yhdistyneessä kuningaskunnassa ensimmäisen suuren mittakaavan lämpöpumpun mukulaili pelastetuista osista vuonna 1945 Norwichin kaupunginvaltuuston sähköosaston insinööri John Sumner.
Järjestelmän – joka käytti vettä viereisestä Wensum-joesta ja rikkidioksidikylmäainetta – oli huipputeho 234 kW ja se pystyi kierrättämään vettä sähköosastorakennuksen ympärillä 50–55 astetta.
Vuonna 1948 Sumner asensi myös 12 maalämpöpumppua koteihin varakkaan brittiläisen hyväntekijän Lord Nuffieldin käskystä ja kehitti samanlaisen järjestelmän, jolla hän lämmitti omaa kotiaan 1950-luvun alussa.
Seuraavana vuonna insinööri rakensi kaksivaiheisen kaasukäyttöisen pumpun käyttämällä Merlin-lentokoneiden moottoreista muunnettuja kompressoreita, jotka käyttivät Thames-jokea lämmönlähteenä Lontoon Royal Festival Halliin.
Kuten hydrogeologi David Banks sanoi: '2,5 MW:n projektia kuvataan joskus hieman epäonnistuneeksi, vaikka ei aina tehdä selväksi, että ongelma oli se, että itse asiassa toimitetaan liikaa lämpöä.'
Pumppu, hän selitti, toimitti 'kuumaa vettä jopa 82 C [180 F]'.
Näiden järjestelmien tehokkuudesta huolimatta niitä ei kuitenkaan monistettu Yhdistyneessä kuningaskunnassa laajalti fossiilisten polttoaineiden, kuten hiilen ja myöhemmin Pohjanmeren öljyn ja kaasun, suhteellisen halvuuden vuoksi – toisin kuin Pohjoismaissa, kuten Ruotsissa, jossa ydinvoiman kehittäminen. 70- ja 80-luvun reaktorit mahdollistivat siirtymisen kohti tehokkaita, sähkökäyttöisiä lämmitysmenetelmiä.
Kuten brittiläinen kirjailija J Gordon Cook kirjoitti Spectator-lehdessä vuonna 1948: ”Näinä aineellisen kehityksen päivinä, jolloin tieteelle maksetaan niin paljon sananpalvelia vaurauden takaajana, vaikuttaa uskomattomalta, että lämmön kaltainen laite pumpun olisi pitänyt välttää ansaitsemansa huomio.'