مضخة حرارية

تنتقل الطاقة الحرارية طبيعيا من الجسم الساخن للجسم البارد ولكن تستخدم المضخة الحرارية لعكس تلك العملية عن طريق امتصاص الحرارة من المساحة الباردة وونقلها للمساحة الساخنة. لا تحفظ الحرارة في هذه العملية وتحتاج إلى كمية من الطاقة الخارجية مثل الكهرباء. 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. يمكن لهذه المضخات الحرارية أن تكون عكسية ويمكن للشغل أن يستخدم سواء لتسيخن أو تبريد المساحة المطلوبة.

تستخدم المضخات الحرارية لنقل الحرارة لأنها تستهلك طاقة أقل من الطاقة التي تطلق على هيئة حرارة. معظم الحرارة المطلوبة لعملية التسخين تأتي من البيئة الخارجية وتأتي نسبة منها فقط من الكهرباء. 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 بها كل الحرارة تأتي من الطاقة الكهربية.

تستخدم المضخات الحرارية مبرد يعمل كمائع وسيط كي يمتص الحرارة حيث يتبخر في المبخر ومن ثم يطلق الحرارة حيث يتم تكثيفه في المكثف. يتحرك المبرد بين المبخر والمكثف في أنابيب معزولة فيسمح بانتقال الحرارة بكفاءة عالية ولمسافات طويلة.[5]

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

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

منحنى الضغط والحجم لدورة تبريد

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.

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

حتي عام 1990، كانت المبردات المستخدمة 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 هيردوفلورك 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 الجتارية، 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]

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.

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 لوحدة الشغل المبذول. تستخدم معظم المضخات الحرارية محركات كهربية لأجل 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 سليزيوس فإن معامل أداء المضخة الحرارية الهوائية المصدر تتراوح بين 3 و 4 بينما السخانات الكهربية يكون معامل اداؤها 1 ويعني أن 1 جول من الطاقة الكهربية تتسبب في إنتاج 1 جول من الحرارة المستفاد منها. في الظروف المثالية 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 الساخن 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 يكون لها معامل أداء على مدار السنة يتراوح بين 3.2 إلى 5 حيث يمكن الاستفادة من درجة الحرارة المعتدلة الموجودة أسفل 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:

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

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

where

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

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 دوارة
• خزان حراري لا نهائي
• مضخة نفاثة

• (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

• بوابة طاقة
• بوابة طبيعة
• بوابة علم البيئة