مضخة حرارية

المضخة الحرارية هي جهاز يستخدم لنقل الطاقة الحرارية من مصدر دافيء إلى خزان حراري. يتم تصميمها لنقل الطاقة الحرارية في الاتجاه المعاكس لانتقال الحرارة التقائي ، وذلك عن طريق امتصاص الحرارة من الجسم البارد ونقلها للجسم الساخن. الجهاز يستهلك كمية صغيرة من الطاقة الخارجية ، وذلك لإكمال شغل انتقال الطاقة من المصدر الدافيء أو البارد لخزان الحرارة.^[1]

يمكن قول أن مكيف الهواء والثلاجات من الأنواع الشهيرة للمضخة الحرارية ولكن لفظ المضخة الحرارية يمكن تطبيقه على العديد من أجهزة التدفئة والتهوية ومكيفات الهواء المستخدمة لتسخين أو تبريد وسط معين. عندما تستخدم المضخة الحرارية من أجل التسخين فهي تعمل بدورة التبريد المستخدمة بواسطة مكيف الهواء أو الثلاجة ولكن تقوم بطرد الحرارة في الوسط البارد بدلا من البيئة المحيطة.^[2] وعندما تستخدم للتسخين فإنها تعمل بكفاءة أكثر من مسخنات المقاومة الكهربية التي تسخدم نفس كمية الكهرباء المستهلكة. عادة تكون تكلفة تركيب المضخة الحراية تكون أكبر بأكثر من 20 مرة من تركيب مقاوات التسخين.^[3]^[4]

نظرة عامة

تنتقل الطاقة الحرارية طبيعيا من الجسم الساخن للجسم البارد ولكن تستخدم المضخة الحرارية لعكس تلك العملية عن طريق امتصاص الحرارة من الوسط البارد ونقلها للوسط الساخن. لا تحفظ الحرارة في هذه العملية وتحتاج إلى كمية من الطاقة الخارجية مثل الكهرباء للقيام بذلك. في عمليات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء فإن لفظ المضخة الحرارية تشير إلى أجهزة التبريد بالبخار المضغوط التي تعمل في كلا الاتجاهين لنقل الحرارة بكفاءة عالية حسب تصميمها. يمكن لهذه المضخات الحرارية أن تشتغل عكسيا ويمكن للشغل أن يستخدم سواء لتسيخن أو تبريد الوسط المطلوب ؛ وهذا الوسط قد يكون الماء أو سائل أو الهواء.

تستخدم المضخات الحرارية لنقل الحرارة لأنها تعمل وتستهلك طاقة أقل من الطاقة التي تطلقها على هيئة حرارة. معظم الحرارة المطلوبة لعملية التسخين تأتي من البيئة الخارجية (الوسط البارد) ، والمضخة تحتاج لقدر صغير من الطاقة مثل الكهرباء لعكس العملية الطبيعية وهي انتقال الحرارة من الوسط الساخن إلى الوسط البارد. في المضخات الحرارية التي تعمل بالكهرباء فإن الطاقة المنتقلة تكون أكبر من الطاقة الكهربية المستهلكة بثلاث أو أربع مرات ويكون معامل الأداء للنظام (الطاقة المستفادة / الطاقة المستهلكة) يساوي 3 أو 4 بينما يساوي 1 للمسخنات بالمقاومة الكهربية والتي بواسطتها تأتي الحرارة كلها الطاقة الكهربية.

تستخدم المضخات الحرارية مبرد (مائع النبخير والتكثيف) يعمل كمائع وسيط كي يمتص الحرارة من الوسط البارد حيث يتبخر في المبخر ، ثم يطلق الحرارة حين يتم تكثيفه في المكثف. يتحرك الوسط بين المبخر والمكثف في أنابيب معزولة فيسمح بانتقال الحرارة بكفاءة عالية ولمسافات طويلة.^[5]

مضخة حرارية عكسية

شكل 2: توضيح عمل مضخة حرارية لنقل الحرارة من وسط بارد إلى وسط ساخن :
1) ضاغط (يعمل بالكهرباء), 2) مكثف (تنشأ فيه حرارة تدفئة), 3) خانق (صمام تمدد), 4) مبخر (يمتص حرارة من الجو). ,
تغير حالة مائع التبخير والتكثيف:
أحمر غامق: غازي, ضغط عال, ساخن جدا
أحمر برتقالي: سائل, ضغط عال, دفيء
أزرق: سائل, ضغط منخفض, بارد جدا
أزرق فاتح: غازي, ضغط منخفض, بارد

تعمل المضخة الحرارية العكسية في كلا الاتجاهين سواء لتسخين أو تبريد المساحة المطلوبة. تستخدم المضخة الحرارية صمام عكسي لعكس سريان المائع من الضاغط للمكثف وملفات المبخر. الوسط المائع في الجهاز قد يكون ثاني أكسيد الكربون أو الأمونيا.

في حالة التسخين فإن البيئة المحيطة هي حول ملف المبخر والبيئة المراد تدفئتها هي حول المكثف . يتحرك المبرد (مائع التبخير والتكثيف) من المبخر (البيئة الخارجية) ويحمل معه الطاقة الحرارية من الهواء الخارجي. في المكثف تزداد درجة حرارة المبرد بسبب انضغاطه، و تنتقل الحرارة من المكثف إلى الهواء الداخلي المراد تدفئته. و تنتقل التدفئة في بقية المبنى بواسطة وحدة مناولة الهواء.

بدلا من ذلك، يمكن أن تنتقل الحرارة من المكثف إلى الماء ، ومن ثم يتم تسخين المبنى بواسطة مشعات يمر فيها الماء الساخن. بعد ذلك تبدأ دورة جديدة: يسمح للمبرد بالتمدد في المبخر ويمتص الحرارة من المحيط الخارجي وينقلها بانتقاله إلى المكثف حيث يتم ضغطه فيعطي الحرارة التي يحملها إلى الهوء أو الماء الداخلي. أي أن العملية تسير في دورات . هذه هي دورة التسخين الأساسية حيث يتم وضع المبخر بها خارجا حيث درجة الحرارة منخفضة ,اما المكثف فيكون داخل المبنى وتنتقل إليه الحرارة .

في الطقس البارد، نحتاج لإزالة السقيع من الوحدة الخارجية. هذا يؤدي إلى تشغيل عناصر تسخين إضافية. في نفس الوقت، ينصهر السقيع سريعا بسبب المبرد الساخن. في هذه الحالة لا تعمل مروحة المكثف والمبخر أثناء السقيع.

في نظام التبريد فإن الدورة تكون مماثلة، لكن الملف الخارجي يكون المكثف والملف الداخلي يكون المبخر. تلك هي الثلاجة. وهذا هو النظام الشائع لتشغيل مكيف الهواء (تبريد الهواء) .

مبدأ العمل

تستخدم المضخات الحرارية الخواص الفيزيائية لمائع التبخير و التكثيف والمعروف بالمبرد. تضغط المضخة الحرارية المبرد كي تجعله يسخن على الجانب المراد تدفئته ويقل الضغط في الجانب حيث تم امتصاص الحرارة.

رسم بسيط لمضخة حرارية تعمل بدورة التسخين بانضغاط البخار تتكون من: مكثف، صمام تمدد، مبخر، ضاغط.

منحنى الضغط والحجم لدورة تسخين : تبين تأثر المائع الوسيط بتغير الضغط والحجم وبالتالي تغير درجة حرارته: المنحنى المنقط يفرق بين ثلاثة حالات: في اليسار يوجد المائع في حالة سائلة ، وإلى اليمين يوجد المائع في الحالة الغازية (بخار) ،وفي الوسط يكون المائع في حالة سائل وبخار. في دورة الضغط والحجم للمائع تتغير أيضا درجة حرارته (أنظر مخطط الضغط والحجم).

يتم ضغط المائع العامل بالدورة والذي يكون في حالته الغازية ويتحرك خلال الدورة باستخادم ضاغط. في الجانب الآخر من الضاغط حيث يكون المائع ساخن وذو ضغط عالي يتم تبريده في مبادل حراري يسمى المكثف حثى يصبح سائل بضغط عالي ودرجة حرارة معتدلة. يمر المائع المتكثف هلال جهاز خفض الضغط وهو صمام يمكن أن يكون صمام تمدد، أنبوب أو عنفة. يدخل السائل ذو الضغط المنخفض مبادل حراري آخر يسمى المبخر حيث يمتص المائع الحرارة ويتبخر. يعود مرة أخرى المائع إلى الضاغط وتتكرر الدورة.^[6]

من الضروري وصول المبرد إلى درجة حرارة عالية عند انضغاطه كي تنتقل الحرارة خلال المبادل الحرارى (المكثف). بالمثل يجب أن تصل درجة حرارته إلى درجة منخفضة عند تمدده وإلا لن تنتقل الحرارة من المحيط البارد إلى المائع في المبادل الحراري البارد (المبخر). يجب أن يكون فرق الضغط كبير نسبيا لكي يتكثف المائع في الجانب الساخن ويتبخر في الجانب البارد ذو الضغط المنخفض. كلما كان فرق درجات الحرارة كبير، كلما كان فرق الضغط كبير وبالتالي نحتاج إلى طاقة أكبر لضغط المائع، لذلك جميع مضخات الحرارة يكون لها معامل أداء منخفض عندما يزداد فرق درجات الحرارة. يستخدم العازل كي يقلل من الشل والطاقة المطلوبة درجة حرارة منخفضة في الفراغ المطلوب تبريده.

انتقال الحرارة

تنتقل الحرارة خلال الأنظمة الهندسية للتسخين أو التبريد باستخدام الغاز أو السائل. أحيانا يستخدم الهواء ولكنه أصبح غير عملي لأنه يتطلب قنوات كبيرة وتنتقل كميات صغيرة من الحرارة. في الأنظمة المستخدمة للمبردات، يمكن استخدام المبرد لنقل لحرارة خلال مسافات طويلة ولكن هذا من الممكن أن يزيد التكلفة بسبب زيادة احتمالية تسرب المبرد. يستخدم الماء عند الاحتياج لنقل كميات كبيرة من الحرارة ويتم استخادام مواد تمنع تجمد الماء ومضادات للتآكل وإضافات أخرى.

مصادر / خزانات الحرارة

في التركيبات الصغيرة فأن الهواء الخارجي هو مصدر حراري ومصرف حراري حيث يستخدم بمضخة حرارية ذو مصدر هوائي. نحتاج إلى مروحة كي تتم عملية التبادل الحراري بكفاءة. التركيبات الكبيرة التي تتعامل مع كميات كبيرة من الحرارة أو في المساحات الضيقة تحتاج لمضخة حرارية بمصدر مائي. الماء هي المصدر الحراري أو المصرف الحراري في هذه الحالة وتكون قادرة على حمل كميات أكبر من الحرارة في الأنابيب أكثر مما يحمله الهواء. يمكن تسخين الماء بعيدا بواسطة غلايات أو طاقة الشمس أو بأي وسائل أخرى. يمكن تبريد الماء باستخدام أبراج التبريد أو تصريفها في خزان مائي كبير كالبحيرات أو المحيطات.

تستخدم المضخة الحرارية الأرضية المبادل الحراري الأرضي السطحي كمصدر حراري أو مصرف حراري والماء كوسيط لنقل الحرارة. هذا من الممكن حدوثه لأن تحت سطح الأرض تكون درجة الحرارة ثابتة تقريبا طوال العام وتكون الأرض قادرة على امتصاص أو إعطاء كميات كبيرة من الحرارة. تعمل المضخة الحرارية الأرضية بنفس عمل المضخة الحرارية ذو المصدر المائي ولكن تتبادل الحرارة مع الأرض من خلال الماء التي تضخ خلال الأنابيب في الأرض. المضخات الحرارية الأرضية ليست كالهوائية حيث أنها أبسط وأسهل في الاستخدام كونها لا تحتاج إلى مروحة أو نظام إزالة السقيع. على الرغم من ان المبادل الحراري الأرضي تحتاج إلى تكلفة ابتدائية عالية ولكن تكلفة التشغيل السنوية تكون منخفضة لأنها تعمل بكفاءة عالية وتبدأ عملها بدرجة حرارة عالية نسبيا عن الهواء في فصل الشتاء.

يمكن تركيب المضخة الحرارية الأرضية مع المسخنات الكهربية أو احتراق الغاز أو الزيت. المصدر المساعد يتم تركيبه واستخدامه في حالة الأحمال الحرارية العالية.

تطبيقات

هناك العديد من التركيبات المستخدمة للمضخات الحرارية ذو المصدر الهوائي.^[7] تستخدم مع التطبيقات التي تحتاج إلى تبريد أو تسخين معتدل.^[8]^[9]

التدفئة، التهوية وتكييف الهواء

تكون المضخة في هذا التطبيق عبارة عن دورة تبريد بانضغاط البخار تحتوي على صمام إرجاع ومبادلات حرارية لذلك يمكن عكس اتجاه السريان الحراري. يفتح الصمام في الاتجاه المطلوب وحسب الغرض سواء للتسخين أو التبريد في المباني. في الطقس البارد فإن الصمام يكون في اتجاه التسخين.يكون الاعداد الافتراضي للصمام في الطقس الدافئ هو التبريد. ولأنه يجب على المبادلات الحرارية، المكثف والمبخر، العمل في كلا الاتجاهين فيتم ضبطهما للعمل في كلا النظامين. يكون معدل الكفاءة للطاقة الموسمي في حالة الضخة الحرارية الانعكاسية منخفض عن النظام الذي نستخدم به نظامين منفصلين.^[10]

تسخين الماء

في تطبيقات تسخين الماء، فإن المضخة الحرارية تستخدم لتسخين الماء لحمام السباحة أو استخدامها في المنازل أو الصناعة. يتم استخلاص الحرارة من الهواء في الخارج وتسخين بها الماء الموجودة في الخزان. يمكن أيضا استخلاص الحرارة من الهواء الداخلي لتبريد الهواء في تلك المساحات.

تدفئة المنطقة

في هذها التطبيق يتم استخلاص الحرارة من زقاق بحري والذي درجة حرارته تقريبا 8 درجة سليزيوس باستخدام 3 أنظمة تعطي سعة تساوي 14 ميجاوات للمساكن والأبنية.

المبردات

حتي عام 1990، كانت المبردات المستخدمة (مائع التبخير والتكثيف) هي الكلوروفلوروكربون مثل R-12. واحد من تلك المبردات كان يسمى الفريون. تم وقف تصنيعه بسبب اتفاقية مونتريال في أغسطس 1987 بسبب إضراره لطبقة الأوزون عند انطلاقه في الجو.^[11]

تم استخدام بديل له يسمى هيدروفلور كربون يعرف بـR-134a. تم استبدال المضخات الحرارية R-12 بالنوع الثاني R-134a وكلاهما لهما نفس خواص الديناميكا الحرارية ولكن لا يسبب ضرر لطبقة الأوزون وليس له تأثير كبير في عملية الاحتباس الحراري.^[12] يمكن استخدام مواد أخرى مثل سائل الأمونيا R-717 المستخدمة بكثرة في الأنظمة الكبيرة أو أحيانا التي تسبب تآكل بشكل منخفض ولكنها قابلة للاشتعال مثل البروبان والبيوتان.^[13]

منذ عام 2001، تم استخدام أول أكسيد الكربون R-744 بشكل كبير على الرغم من احتياجه لشغل ضغط كبير. في التطبيقات التجارية، مازال هناك استخدام للهيدروكلوروفلوروكربون R-22 ولكن R-410a لا تستنفد طبقة الأوزون ولذلك تستخدم بشكل أكبر ولكنها من الغازات الدفيئة التي تسبب تغيرات للمناخ.^[14]^[15]

تستخدم معظم الثلاجات الحديثة R600A وهو البيوتان والذي لا يسبب تآكل لطبقة الأوزون أو ضرر للبيئة.^[16]

ضوضاء

لا تحتاج المضخة الحرارية الأرضية إلى وحدات خارجية بعناصر ميكانيكية متحركة لذلك لا ينتج عنها ضوضاء.

تحتاج المضخة الحرارية ذو المصدر الهوائي إلى عناصر ميكانيكية خارجية متحركة مثل المروحة التي ينتج عنها ضوضاء. بدأت اللجنة الأوروبية للقياسات بوضع قياسات للحماية ضد الضوضاء الناتج من عناصر مضخات الحرارة الخارجية.^[17] في الولايات المتحدة، مستوى الضوضاء المسموح به في الليل لا يتعدى 55 ديسيبل كي يحمي العامة من المخاطر الصحية. هناك أمر آخر في مضخات الحرارة العاملة بالهواء حيث أن المبادلات الحرارية الخارجية تحتاج لإيقاف المروحة من وقت لآخر لإزالة السقيع عند التسخين وبعدها يتم إعادة تشغيل المروحة مرة أخرى مما يسبب تغير مفاجئ في الضوضاء الناشئ من المروحة. يكون التأثير الصوتي على الجيران كبير خصوصا في البيئة الهادئة حيث يكون شدة الضوضاء بها يتراوح بين 0 إلى 10 ديسيبل.

اعتبارات الأداء

عند المقارنة بين المضخات الحرارية فإنه من الأفضل الابتعاد عن لفظ الكفاءة الذي لها تعريف محدد في الديناميكا الحرارية. يستخدم تعبير معامل الأداء لوصف كمية الحرارة المنتقلة بالنسبة للشغل المبذول. تستخدم معظم المضخات الحرارية محركات كهربية لإمداد الشغل المبذول.

تستطيع المضخات الحرارية الأرضية تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 44% مقارنة بالمضخة الحرارية هوائية المصدر وبنسبة تصل إلى 72% مقارنة بالسخانات الكهربية.^[18] يتراوح معامل الأداء للمضخات الحرارية بين 3.2 إلى 4.5 للمضخة الحرارية هوائية المصدر وللمضخة الحرارية الأرضية يتراوح بين 4.2 و 5.2.^[19]

عند استخدامها لتسخين مبنى ودرجة الحرارة الخارجية ولتكن 10 درجة مئوية فإن معامل أداء المضخة الحرارية الهوائية المصدر تتراوح بين 3 و 4 بينما السخانات الكهربية يكون معامل ادائها 1 ، وهذا يعني أن 1 جول من الطاقة الكهربية تلزم لإنتاج 1 جول من الحرارة المستفاد منها. في الظروف المثالية لمضخة حرارية ، فإن 1 جول من الطاقة الكهربية قادرة على تحويل 3 أو 4 جول من الحرارة من المكان البارد إلى المكان الساخن. لاحظ أن المضخات الحرارية هوائية المصدر تكون لها معامل أداء أكبر في الطقس الدافيء عن البارد ولذلك عندما يكون الطقس أكثر دفئا فإن معامل الأداء للمضخة يكون عالي حيث يكون هناك فرق درجات حرارة كبير بين الخزان الساخن والبارد. يصل معامل الأداء إلى 1 في الطقس البارد.

على الجانب الآخر فإن المضخة الحرارية الأرضية (تلتقط الحرارة من جوف الأرض) يكون لها معامل أداء على مدار السنة يتراوح بين 3.2 إلى 5 حيث يمكن الاستفادة من درجة الحرارة المعتدلة الموجودة باطن الأرض كمصدر للطاقة الحرارية.^[20]

عندما يكون هناك فرق درجات حرارة كبير ( على سبيل المثال استخدام مضخة حرارية هوائية المصدر لتسخين مبنى درجة الحرارة الخارجية 0 درجة سليزيوس) فإن المضخة تحتاج إلى شغل أكبر لنقل نفس كمية الحرارة إلى الداخل عن إذا كانت الحرارة الخارجية مرتفعة قليلا. طبقا لحدود كفاءة كارنو، فإن معامل الأداء سيقل عندما يكون الرق بين درجات الحرارة الداخلية والخارجية كبيرويصل إلى الحد النظري وهو 1 عند 273- سليزيوس.

عندما تأخذ المضخة الحرارية الحرارة من الهواء لطردها فإن بعض الرطوبة في الهواء الخارجي تتكثف ويحتمل حذوث تجمد على المبادل الحراري الخارجي. لابد من إذابة الثلج من وقت لآخر وهذا يمثل طاقة إضافية. عندما يكون الطقس بارد جدا بالخارج فإنه من الممكن عمل التسخين بطريقة أخرى مثل السخان الكهربي، أفران الزيت أو أفران الغاز بدلا من استخدام المضخة الحرارية هوائية المصدر.

تصميم المبادلات الحرارية سواء المكثف أو المبخر له أهمية كبيرة في تحديد الكفاءة الكلية للمضخة الحرارية. تؤثر مساحة السطح للمبادل الحراري وفرق درجات الحرارة بين المبرد والهواء على الضغط العامل وبالتالي على شغل الضاغط الذي يجب فعله لكي يعلم نفس تأثير التسخين أو التبريد. عامة، كلما زاد مساحة سطح المبادل كلما كان فرق درجات الحرارة منخفض وكانت الكفاءة عالية.

المبادلات الحرارية غالية وتتطلب مساحات كبيرة أو الحفر لها لبعض المضخات الحرارية وتتنافس المضخات الحرارية في ثمنها عن كفاءتها. يعتبر ثمن المضخة الحرارية من عيوبها عندما تأتي لاستثمار ابتدائي (غير طويل الأمد) مقارنة بالحلول الأخرى التقليدية مثل الغلايات. تقاس كفاءة المضخات الحرارية ومكيفات الهواء طبقا للقياسات التشريعية لمستويات أقل كفاءة ممكنة. تؤثر معدلات الكهرباء المستهلكة على مستوى الطلب على المضخات الحرارية.^[21]

في عملية التبريد، يتم وصف معامل التشغيل للمضخة الحرارية في النظام الأمريكي بنسبة كفاءة الطاقة وتقاس بوحدات الوحداة الحرارية البريطانية وتساوي 293. وات. كلما زادت هذه النسبة فإنها تدل على أن معامل الأداء كبير.

من المهم الحفاظ على ملفات المبخر والمكثف نظيفة كما هو الحال في أي جهاز يعتمد على ملفات لنقل الطاقة بين الهواء والمائع. تقل كفاءة المبادل الحراري إذا وجدت الأتربة والمخلفات على الملفات وبالتالي يجب تنظيفها دوما.

تكون المضخة الحرارية أكثر فاعلية لتسخين مساحة داخلية عن تبريدها إذا كان فرق درجات الحرارة يظل متساوي وذلك لأن الضاغط تتحول طاقته الداخلة إلى حرارة عندما يكون النظام في حالة التسخين وتتحرك إلى المساحة الداخلية خلال المكثف. في أثناء التبريد يكون المكثف بالخارج وشغل الضاغط يجب نقله إلى الخارج مستهلكا طاقة أكبر. لنفس السبب فإنه عند فتح ثلاجة طعام فأن تاثير تسخينها للحجرة يكون أكبر من تأثير التبريد لانها تطرد الحرارة إلى الهواء الموجود بالحجرة. هذه الحرارة تخرج من الضاغط بالإضافة إلى الحرارة المطرودة من الطعام إلى الخارج.

معامل الأداء يمكن حسابه من العلاقة الآتيه سواء للتسخين أو التبريد:

COP_{\text{heating}}={\frac {\Delta Q_{\text{hot}}}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\text{hot}}}{T_{\text{hot}}-T_{\text{cool}}}},

COP_{\text{cooling}}={\frac {\Delta Q_{\text{cool}}}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\text{cool}}}{T_{\text{hot}}-T_{\text{cool}}}},

where

$\Delta Q_{\text{cool}}$ هي كمية الحرارة المستخلصة من الخزان البارد عند درجة حرارة $T_{\text{cool}}$ ,
$\Delta Q_{\text{hot}}$ هي كمية الحرارة الداخلة لخزان حراري ساخن عند درجة حرارة $T_{\text{hot}}$ ,
$\Delta A$ شغل الضاغط الضائع.
جميع درجات الحرارة تقاس بالكلفن.

معامل الاداء والرفع

يزداد معامل الأداء عندما يقل فرق درجات الحرارة بين حرارة المصدر وحرارة التسخين. يمكن الوصول بمعامل الأداء لأقصي قيمة له عند اختيار نظام تسخين يتطلب درجة حرارة للماء منخفضة وباختيار مصدر حراري له درجة حرارة عالية نسبيا. تحتاج المشعات الناقلة للحرارة إلى ماء ذو درجة حرارة عالية مما يقلل من معامل الأداء ويؤثر على اختيار المضخة الحرارية.

اختلاف معامل الأداء مع درجة الحرارة
نوع المضخة والمصدر	الاستخدام	35 درجة سليزيوس	45 درجة سليزيوس	55 درجة سليزيوس	65 درجة سليزيوس	75 درجة سليزيوس	85 درجة سليزيوس
مضخة حرارية هوائية المصدر ذو كفاءة عالية، هواء عند 20- درجة سلويزس^[22]		2.2	2.0	‐	‐	‐	‐
مضخة حرارية هوائية المصدر ذو مرحلتين، هواء عند 20- درجة سلويزس^[23]	مصدر منخفض درجة الحرارة	2.4	2.2	1.9	‐	‐	‐
مضخة حرارية هوائية المصدر ذو كفاءة عالية، هواء عند 20- درجة سلويزس^[22]	درجة حرارة خارجة منخفضة	3.8	2.8	2.2	2.0	‐	‐
مضخة حرارية، مبرد R744 ومبرد غازي، مصدر عند 0 درجة سليزيوس^[24]	درجة حرارة خارجة عالية	3.3	‐	‐	4.2	‐	3.0
مضخة حرارية أرضية، ماء له درجة حرارة 0 سليزيوس^[22]		5.0	3.7	2.9	2.4	‐	‐
مضخة حرارية أرضية، أرض عند 10 درجة سليزيوس^[22]	درجة حرارة خارجة منخفضة	7.2	5.0	3.7	2.9	2.4	‐
دورة كارنو النظرية، مصدر عند 20- درجة سليزيوس		5.6	4.9	4.4	4.0	3.7	3.4
دورة كارنو النظرية، مصدر عند 0 درجة سليزيوس		8.8	7.1	6.0	5.2	4.6	4.2
دورة كارنو النظرية، مصدر عند 0 درجة سليزيوس		12.3	9.1	7.3	6.1	5.4	4.8

نلاحظ أن، أفضل معامل أداء تم الحصول عليه مع المضخات الحرارية الأرضية تعمل بين 0 و 35 درجة سليزيوس ويصل معامل الأداء لها إلى 4، أفضل معامل أداء كان لدورة كارنو وهو 8.8.

درجة سليزيوس = درجة مئوية

أنواع

انضغاط، امتصاص

تنقسم المضخات الحرارية إلى نوعين أساسين هما الانضغاط والامتصاص. تعمل المضخة الحرارية الانضغاطية على الطاقة الميكانيكية بينما المضخة الحرارية الامتصاصية يمكن أن تعمل بالحرارة كمصدر للطاقة. يمكن استخدام الغاز الطبيعي بها كمصدر للوقود. تصل كفاءة استخدام الغاز في مثل هذه الأنظمة وهي النسبة بين الطاقة الخارجة إلى الطاقة المستهلكة إلى 1.5 وهو أفضل من استخدام أفران الغاز الطبيعي التي تصل كفاءتها إلى 1.

مصدر الحرارة ومصارف الحرارة

يجب أن تكون درجة حرارة مصادر الحرارة للمضخة الحرارية أقل من درجة حرارة المساحة المراد تسخينها. تستمد معظم المضخات الحرارية الحرارة من الهواء سواء الداخلي أو الخارجي أو الأرض.

الحرارة المستمدة من الأرض تكون غالبيتها جناتجة عن الشمس بينما التسخين الأرضي المباشر فهو يساهم بنسبة بسيطة للحرارة الكلية في الأرض. عند استخدام الحرارة الأارضية فإننا نحتاج إلى مضخة تدوير وليست مضخة حرارية حيث أن درجة الحرارة للأرض تكون أعلى مندرجة حرارة المساحة المراد تسخينها لذا يتم التسخين عن طريق انتقال الحرارة بالحمل فقط.

يمكن استخدام مصادر أخرى للحرارة مثل الماء والمسطحات المائية الطبيعية، كما يمكن استخدام مياه الصرف التي تكون درجة حرارتها أكبر من درجة حرارة الماء في الطقس البارد.

مضخة حرارية هوائية المصدر

تستخلص مضخة الحرارة هوائية المصدر الحرارة من الهواء:
- مضخة حرارية هوائية - هوائية (تنقل الحرارة إلى الهواء الداخلي)
- مضخة حرارية هوائية - مائية

النوع الأول يتم اسخلاص الحرارة من الهواء الخارجي ونقله إلى الهواء الداخلي. تعتبر أكثر شيوعا وأرخصهم. النوع الثاني هو مشابه للنوع الأول ولكنه ينقل الحرارة المستخلصة إلى دائرة تسخين الماء ويمكنها أيضا نقل الحرارة إلى خزان ماء ساخن لاستخدامه في الاستحمام. لكن المضخة الحرارية الأرضية أكثر كفاءة في هذه العملية من المضخة الحرارية المائية - الوائية لذلك فهي خيار أفضل لتسخين الماء في المباني.

المضخة الحرارية هوائية المصدر سهلة ورخيصة في التركيب كما أنها تاريخيا تعد الأوسع انتشارا وكلنها لها حدود في الاستخدام حيث أنها تستخدم الهواء الخارجي كمصدر للحرارة. تقل الكفاءة كلما كان فرق درجات الحرارة كبير ويصل معامل الأداء لها إلى 4. عندما تصل درجة الحرارة إلى 0 درجة سليزيوس فإن معامل الأداء لها يكون 2.5.

مضخة حرارية أرضية

مضخة حرارية أرضية ( تستخلص الحرارة من الأرض أو مصدر مشابه)
- مضخة حرارية أرضية - هوائية ( تنقل الحرارة إلى الهواء الداخلي)
  - مضخة حرارية هوائية - طينية (تأخذ الحرارة من التربة الطينية)
  - مضخة حرارية هوائية - صخرية ( تأخذ الحرارة من الصخور)
  - مضخة حرارية هوائية - مائية ( مصدر مائي هو مصدر للحرارة)
- مضخة حرارية أرضية أرضية - مائية
  - مضخة حرارية طينية - مائية ( الأرض هي مصدر الحرارة)
  - مضخة حرارية صخرية - مائية (الضخور هي مصدر الحرارة)
  - مضخة حرارية مائية - مائية ( الماء هي مصدر الحرارة)

تمتلك المضخة الحراية الأرضية كفاءة أعلى من المضخة الحرارية هوائية المصدر. ذلك لأن مصدر الحرارة في الأول هي الأرض وهي ذو درجة حرارة ثابتة طوال العام على عمق تقريبا 9 أمتار. هذا يعني أن فرق درجات الحرارة منخفض وبالالي يؤدي إلى كفاءة عالية للمضخة. معامل الأداء للمضخة الحرارية الأرضية تقريبا يساوي 4 في بداية فصل التسخين وأقل قيمة لها تصل إلى 3. نظرا لأن تكلفة تركيبها عالية وذلك بسبب أعمال الحفر ولذلك فإنها غير منتشرة بصورة كبيرة.

عند المقارنة بين أنواع المضخة الحرارية الأرضية فإننا نجد أن المضخة الحرارية الأرضية المائية لها كفاءة أكبر من المضخة الحرارة المستخدمة للحرارة من التربة. تقوم المبادلات الحرارية الأرضية بتأثير بارد إذا كانت حلقة الأرض أقل من الحجم المراد. هذا من الممكن أن يسبب مشكلة إذا كان هناك مياه جوفية قريبة راكدة.

مضخة حرارية لهواء العادم

مضخة حرارية لهواء العادم (تستخلص الحرارة من الهواء الخارج من المبنى، تتطلب تهوية ميكانيكية)
- مضخة حرارية هواء - هواء العادم ( تنقل الحرارة إلى الهواء الداخل للمبنى)
- مضخة حرارة مائية - هواء العادم ( تنقل الحرارة إلى دائرة التسخين وخزان ماء ساخن منزلي)

مضخة حرارية مائية المصدر

يستخدم الماء كمصدر أو مصرف للحرارة
مسار واحد أو تدوير للماء.
- مسار واحد: مصدر الماء هو جسم من الماء والاء المستخدم يطرد عند درجات حرارة مختلفة بدون استخدام مرة أخرى
- التدير
  - عند التبريد، وسيط بدائرة مغلقة لنقل الحرارة في برج التبريد
  - عند التسخين، وسيط لنقل الحرارة بدائرة مغلقة من الغلايات ليولد حرارة من الاحتراق

انظر أيضًا

وصلات خارجية

(بالإنجليزية)Heat pumps Long Awaited Way out of the Global Warming - Information from Heat Pump & Thermal Storage Technology Center of Japan
(بالفرنسية)Ressourceo: مقارنة للطاقة الإيكولوجية
(بالإنجليزية)تسخين وتبريد بمضخة حرارية

مراجع

^ Bundschuh, Jochen; Chen, Guangnan (7 Mar 2014). Sustainable Energy Solutions in Agriculture (بالإنجليزية). CRC Press. p. 111. ISBN:9781315778716. Archived from the original on 2019-12-17.
^ Air-source heat pumps National Renewable Energy Laboratory June 2011 نسخة محفوظة 10 يوليو 2018 على موقع واي باك مشين.
^ Heaters | Canadian Tire | Canadian Tire نسخة محفوظة 05 فبراير 2016 على موقع واي باك مشين.
^ http://www.heatpumppriceguides.com/#sizes 18000btu/hr نسخة محفوظة 2020-12-01 على موقع واي باك مشين.
^ O'Keefe, Philip; O'Brien, Geoff; Pearsall, Nicola (1 Jan 2010). The Future of Energy Use (بالإنجليزية). Earthscan. p. 224. ISBN:9781844075041. Archived from the original on 2019-12-17.
^ Dincer, Ibrahim; Rosen, Marc A. (18 Sep 2007). EXERGY: Energy, Environment and Sustainable Development (بالإنجليزية). Elsevier. p. 98. ISBN:9780080531359. Archived from the original on 2019-12-17.
^ https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_roadmap.pdf pg16 نسخة محفوظة 2019-11-14 على موقع واي باك مشين.
^ Heat Pump Systems | Department of Energy نسخة محفوظة 04 يوليو 2017 على موقع واي باك مشين.
^ RHI - Renewable Heat Incentive Domestic | RHI Domestic | Renewable Heat Incentive | Renewable Heating | Ground source heat pumps نسخة محفوظة 08 مارس 2018 على موقع واي باك مشين.
^ "Heating And Cooling Mechanics and Terminology - R.F. Ohl" (بالإنجليزية الأمريكية). Archived from the original on 2019-04-02. Retrieved 2016-09-20.
^ "Handbook for the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer - 7th Edition". United Nations Environment Programme - Ozone Secretariat. 2007. مؤرشف من الأصل في 30 مايو 2016. اطلع عليه بتاريخ أكتوبر 2020. {{استشهاد ويب}}: تحقق من التاريخ في: |تاريخ الوصول= (مساعدة)
^ "Refrigerants - Environmental Properties". The Engineering ToolBox. مؤرشف من الأصل في 2019-04-02. اطلع عليه بتاريخ 2016-09-12.
^ Max Appl (2006). Ammonia, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. DOI:10.1002/14356007.a02_143.pub2.
^ R-410A
^ Ecometrica.com. "Calculation of green house gas potential of R-410A". مؤرشف من الأصل في 2015-07-13. اطلع عليه بتاريخ 2015-07-13.
^ r404a & dme eco-refrigerant blend as a new solution to limit the global warming effect archive 2012.03.14 نسخة محفوظة 05 يونيو 2014 على موقع واي باك مشين.
^ "HEAT PUMPS AND AIR CONDITIONING UNITS, Social Factors, CEN/TC 113 Business Plan, p. 2" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2017-02-12. اطلع عليه بتاريخ 2016-01-23.
^ "Choosing and Installing Geothermal Heat Pumps". Energy.gov. مؤرشف من الأصل في 2015-09-05. اطلع عليه بتاريخ 2014-09-30.
^ Fischer، David؛ Madani، Hatef (2017). "On heat pumps in smart grids: A review". Renewable and Sustainable Energy Reviews. ج. 70 ع. 2: 342–357. DOI:10.1016/j.rser.2016.11.182.
^ Thermal Banks store heat between seasons | Seasonal Heat Storage | Rechargeable Heat Battery | Thermogeology | UTES | Solar recharge of heat batteries نسخة محفوظة 14 أغسطس 2017 على موقع واي باك مشين.
^ BSRIA, "European energy legislation explained", www.bsria.co.uk, May 2010.
^ ^ا ^ب ^ج ^د The Canadian Renewable Energy Network 'Commercial Earth Energy Systems', Figure 29. . Retrieved December 8, 2009. نسخة محفوظة 11 مايو 2011 على موقع واي باك مشين.
^ Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences 'State of the Art of Air-source Heat Pump for Cold Region', Figure 5. . Retrieved April 19, 2008. نسخة محفوظة 14 أبريل 2016 على موقع واي باك مشين.
^ SINTEF Energy Research 'Integrated CO₂ Heat Pump Systems for Space Heating and DHW in low-energy and passive houses', J. Steen, Table 3.1, Table 3.3. . Retrieved April 19, 2008. نسخة محفوظة 08 مايو 2016 على موقع واي باك مشين.

[1] Bundschuh, Jochen; Chen, Guangnan (7 Mar 2014). Sustainable Energy Solutions in Agriculture (بالإنجليزية). CRC Press. p. 111. ISBN:9781315778716. Archived from the original on 2019-12-17.

[2] Air-source heat pumps National Renewable Energy Laboratory June 2011 نسخة محفوظة 10 يوليو 2018 على موقع واي باك مشين.

[3] Heaters | Canadian Tire | Canadian Tire نسخة محفوظة 05 فبراير 2016 على موقع واي باك مشين.

[4] ttp://www.heatpumppriceguides.com/#sizes 18000btu/hr نسخة محفوظة 2020-12-01 على موقع واي باك مشين.

[5] O'Keefe, Philip; O'Brien, Geoff; Pearsall, Nicola (1 Jan 2010). The Future of Energy Use (بالإنجليزية). Earthscan. p. 224. ISBN:9781844075041. Archived from the original on 2019-12-17.

[6] Dincer, Ibrahim; Rosen, Marc A. (18 Sep 2007). EXERGY: Energy, Environment and Sustainable Development (بالإنجليزية). Elsevier. p. 98. ISBN:9780080531359. Archived from the original on 2019-12-17.

[7] ttps://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_roadmap.pdf pg16 نسخة محفوظة 2019-11-14 على موقع واي باك مشين.

[8] Heat Pump Systems | Department of Energy نسخة محفوظة 04 يوليو 2017 على موقع واي باك مشين.

[9] RHI - Renewable Heat Incentive Domestic | RHI Domestic | Renewable Heat Incentive | Renewable Heating | Ground source heat pumps نسخة محفوظة 08 مارس 2018 على موقع واي باك مشين.

[10] "Heating And Cooling Mechanics and Terminology - R.F. Ohl" (بالإنجليزية الأمريكية). Archived from the original on 2019-04-02. Retrieved 2016-09-20.

[11] "Handbook for the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer - 7th Edition". United Nations Environment Programme - Ozone Secretariat. 2007. مؤرشف من الأصل في 30 مايو 2016. اطلع عليه بتاريخ أكتوبر 2020. {{استشهاد ويب}}: تحقق من التاريخ في: |تاريخ الوصول= (مساعدة)

[12] "Refrigerants - Environmental Properties". The Engineering ToolBox. مؤرشف من الأصل في 2019-04-02. اطلع عليه بتاريخ 2016-09-12.

[Ullmann2-13] Max Appl (2006). Ammonia, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. DOI:10.1002/14356007.a02_143.pub2.

[R-410A2-14] R-410A

[15] Ecometrica.com. "Calculation of green house gas potential of R-410A". مؤرشف من الأصل في 2015-07-13. اطلع عليه بتاريخ 2015-07-13.

[mecanica-dme2-16] r404a & dme eco-refrigerant blend as a new solution to limit the global warming effect archive 2012.03.14 نسخة محفوظة 05 يونيو 2014 على موقع واي باك مشين.

[17] "HEAT PUMPS AND AIR CONDITIONING UNITS, Social Factors, CEN/TC 113 Business Plan, p. 2" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2017-02-12. اطلع عليه بتاريخ 2016-01-23.

[18] "Choosing and Installing Geothermal Heat Pumps". Energy.gov. مؤرشف من الأصل في 2015-09-05. اطلع عليه بتاريخ 2014-09-30.

[Lowe2011-19] Fischer، David؛ Madani، Hatef (2017). "On heat pumps in smart grids: A review". Renewable and Sustainable Energy Reviews. ج. 70 ع. 2: 342–357. DOI:10.1016/j.rser.2016.11.182.

[20] Thermal Banks store heat between seasons | Seasonal Heat Storage | Rechargeable Heat Battery | Thermogeology | UTES | Solar recharge of heat batteries نسخة محفوظة 14 أغسطس 2017 على موقع واي باك مشين.

[21] BSRIA, "European energy legislation explained", www.bsria.co.uk, May 2010.

[CREN-22] ا ^ب ^ج ^د The Canadian Renewable Energy Network 'Commercial Earth Energy Systems', Figure 29. . Retrieved December 8, 2009. نسخة محفوظة 11 مايو 2011 على موقع واي باك مشين.

[TIPC-23] Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences 'State of the Art of Air-source Heat Pump for Cold Region', Figure 5. . Retrieved April 19, 2008. نسخة محفوظة 14 أبريل 2016 على موقع واي باك مشين.

[STEEN-24] SINTEF Energy Research 'Integrated CO₂ Heat Pump Systems for Space Heating and DHW in low-energy and passive houses', J. Steen, Table 3.1, Table 3.3. . Retrieved April 19, 2008. نسخة محفوظة 08 مايو 2016 على موقع واي باك مشين.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]