دليل القراءة
تحظى المضخات الحرارية بشعبية واسعة هذه الأيام، وخاصةً في أوروبا، حيث تسعى بعض الدول إلى حظر تركيب مواقد وغلايات الوقود الأحفوري، لصالح خيارات أكثر مراعاةً للبيئة، بما في ذلك المضخات الحرارية الموفرة للطاقة. (تسخن الأفران الهواء وتوزعه عبر أنابيب في جميع أنحاء المنزل، بينما تسخن الغلايات الماء لتوفير الماء الساخن أو التدفئة بالبخار). هذا العام، بدأت الحكومة الأمريكية بتقديم حوافز ضريبية لتركيب المضخات الحرارية، التي عادةً ما تكون تكلفتها أعلى في البداية من الأفران التقليدية، لكنها أكثر كفاءة على المدى الطويل.
في مجال مركبات الطاقة الجديدة، ونظراً لمحدودية سعة البطاريات، لجأت الصناعة أيضاً إلى المضخات الحرارية. لذا، ربما حان الوقت لنتعرف سريعاً على معنى المضخات الحرارية ووظائفها.
ما هو النوع الأكثر شيوعا من المضخات الحرارية؟
نظرًا للضجة الأخيرة، قد تتفاجأ عندما تعلم أنك تستخدم بالفعلمضخة حراريةربما لديك أكثر من واحدة في منزلك وفي سيارتك. لا تُسمّيها مضخات حرارية، بل تُسمّى "ثلاجة" أو "مكيف هواء".
في الواقع، هذه الآلات هي مضخات حرارية، أي أنها تنقل الحرارة من مكان بارد نسبيًا إلى مكان ساخن نسبيًا. تتدفق الحرارة تلقائيًا من الساخن إلى البارد. ولكن لتحويلها من بارد إلى ساخن، عليك "ضخها". أفضل تشبيه هنا هو الماء، الذي يتدفق من تلقاء نفسه إلى أسفل التل، ولكنه يحتاج إلى ضخه إلى أعلى التل.
عندما تضخ الحرارة المخزنة في نوع من التخزين البارد (هواء، ماء، إلخ) إلى التخزين الساخن، يزداد برودة التخزين البارد وسخونة التخزين الساخن. هذا هو جوهر ثلاجتك أو مكيف الهواء - فهو ينقل الحرارة من حيث لا حاجة لها إلى مكان آخر، ولا يهمك إن أهدرت القليل من الحرارة الزائدة.
كيفية صنع مبرد عملي باستخدام مضخة الحرارة؟
الرؤية الرئيسية التي أنتجتمضخات الحرارة ظهرت هذه التقنية في أوائل القرن التاسع عشر، عندما أدرك عدد من المخترعين، ومنهم جاكوب بيركنز، إمكانية تبريد شيء ما بهذه الطريقة دون إهدار السوائل المتطايرة التي تبخرت لتحقيق التبريد. وجادلوا بأنه بدلاً من إطلاق هذه الأبخرة في الغلاف الجوي، من الأفضل جمعها وتكثيفها إلى سائل، وإعادة استخدامه كمبرد.
هذا هو الغرض من الثلاجات ومكيفات الهواء. فهي تُبخّر سوائل التبريد وتستخدم البخار البارد لامتصاص الحرارة من داخل الثلاجة أو السيارة. ثم تضغط الغاز، الذي يتكثف مجددًا ليتحول إلى سائل. يكون هذا السائل الآن أكثر سخونة مما كان عليه عندما كان في البداية، لذا يمكن لبعض الحرارة التي يحتفظ بها أن تتدفق بسهولة (ربما بمساعدة مروحة) إلى البيئة المحيطة - سواءً في الهواء الطلق أو في أي مكان آخر في المطبخ.
مع ذلك: أنت على دراية كبيرة بمضخات الحرارة؛ فقط أنك تستمر في الإشارة إليها باسم مكيفات الهواء والثلاجات.
الآن، لنجرِ تجربةً فكريةً أخرى. إذا كان لديك مكيف هواء نافذة، يمكنك تجربته كتجربةٍ حقيقية. ركّبه بشكلٍ عكسي، أي ثبّت أدوات التحكم خارج النافذة. افعل ذلك في جوٍّ باردٍ وجاف. ماذا سيحدث؟
كما هو متوقع، فهو ينفخ هواءً باردًا إلى حديقتك الخلفية ويطلق حرارةً داخل منزلك. وهكذا، فهو لا يزال ينقل الحرارة، مما يجعل منزلك أكثر راحةً بتدفئته. صحيحٌ أنه يُبرّد الهواء الخارجي، لكن هذا التأثير يخفّ عند الابتعاد عن النوافذ.
لديك الآن مضخة حرارية لتدفئة منزلك. قد لا تكون الخيار الأمثل.مضخة حراريةلكنها ستعمل. علاوة على ذلك، مع حلول الصيف، يمكنك قلبها رأسًا على عقب واستخدامها كمكيف هواء.
بالطبع، لا تفعل ذلك. إذا حاولت، فسيفشل بالتأكيد عند أول هطول مطر ودخول الماء إلى وحدة التحكم. بدلًا من ذلك، يمكنك شراء مضخة حرارية تجارية تعمل بمصدر هواء، وتستخدم نفس المبدأ لتدفئة منزلك.
المشكلة، بالطبع، هي أن الفودكا غالية الثمن، وسرعان ما ينفد مخزونك منها لتبريد النبيذ. حتى لو استبدلت الفودكا بكحول مُحمرّ أرخص، فسرعان ما ستشتكي من ارتفاع سعره.
تحتوي بعض هذه الأجهزة على ما يسمى بصمامات عكسية، والتي تسمح لنفس الجهاز بأداء دور مزدوج: حيث يمكنها ضخ الحرارة من الخارج إلى الداخل أو من الداخل إلى الخارج، مما يوفر كل من الحرارة وتكييف الهواء، كما هو موضح أدناه.
لماذا تعتبر المضخات الحرارية أكثر كفاءة من السخانات الكهربائية؟
تُعد المضخات الحرارية أكثر كفاءة من السخانات الكهربائية لأنها لا تتطلب الكهرباء لتوليد الحرارة. الكهرباء التي يستهلكهامضخة حراريةيُولّد هذا المُضخّ بعض الحرارة، والأهم من ذلك أنه يضخّ الحرارة من الخارج إلى منزلك. تُسمّى نسبة الحرارة المُنبعثة إلى المنزل إلى الطاقة المُرسَلة إلى الضاغط الكهربائي مُعامل الأداء (COP).
يحتوي سخان كهربائي بسيط يوفر كل الحرارة التي يولدها عنصر التسخين الكهربائي على معامل أداء يساوي 1. من ناحية أخرى، يمكن أن يكون معامل الأداء لمضخة الحرارة أعلى من ذلك بكثير.
مع ذلك، فإن معامل الأداء لمضخة الحرارة ليس قيمة ثابتة، بل يتناسب عكسيًا مع فرق درجة الحرارة بين الخزانين اللذين تُضخ فيهما الحرارة. مع ذلك، إذا ضخت الحرارة من خزان ليس باردًا جدًا إلى مبنى ليس حارًا جدًا، فسيكون معامل الأداء كبيرًا، مما يعني أن مضخة الحرارة لديك فعالة جدًا في استخدام الكهرباء. ولكن إذا حاولت ضخ الحرارة من خزان شديد البرودة إلى مبنى دافئ أصلًا، فستنخفض قيمة معامل الأداء، مما يعني انخفاض الكفاءة.
النتيجة هي ما تتوقعه بشكل حدسي: من الأفضل استخدام أدفأ شيء يمكنك العثور عليه كخزان حرارة خارجي.
تُعدّ مضخات الحرارة الهوائية، التي تستخدم الهواء الخارجي كمخزن للحرارة، الخيار الأسوأ في هذا الصدد، لأن الهواء الخارجي يكون شديد البرودة خلال موسم التدفئة الشتوية. أما مضخات الحرارة الأرضية (المعروفة أيضًا باسم مضخات الحرارة الجوفية)، فهي أفضل، لأن الأرض، حتى في الشتاء، تبقى دافئة نسبيًا على أعماق متوسطة.
ما هو أفضل مصدر للحرارة للمضخات الحرارية؟
مشكلة مصدر الأرضمضخات الحرارةالمشكلة هي أنك تحتاج إلى طريقة للوصول إلى هذا الخزان الحراري المدفون. إذا كانت لديك مساحة كافية حول منزلك، يمكنك حفر خنادق ودفن مجموعة من الأنابيب على عمق مناسب، مثل بضعة أمتار. يمكنك بعد ذلك تدوير سائل (عادةً ما يكون مزيجًا من الماء ومضاد التجمد) عبر هذه الأنابيب لامتصاص الحرارة من الأرض. أو يمكنك حفر ثقوب عميقة في الأرض وتركيب أنابيب عمودية فيها. كل هذا سيكون مكلفًا.
هناك استراتيجية أخرى متاحة لقلة محظوظة، وهي استخلاص الحرارة من مسطح مائي قريب بغمر أنبوب فيه على عمق معين. تُسمى هذه المضخات الحرارية المائية. وتستخدم بعض المضخات الحرارية استراتيجية أكثر غرابة، وهي استخلاص الحرارة من الهواء الخارج من المبنى أو من الماء الساخن بالطاقة الشمسية.
في المناخات شديدة البرودة، يُنصح بتركيب مضخة حرارية أرضية إن أمكن. ولعل هذا هو سبب استخدام هذا النوع من المضخات في معظم مضخات الحرارة في السويد (التي تُعدّ من بين أعلى الدول من حيث عدد مضخات الحرارة للفرد). ولكن حتى السويد لديها نسبة كبيرة من مضخات الحرارة الهوائية، مما يُناقض الادعاء الشائع (على الأقل في الولايات المتحدة) بأن مضخات الحرارة مناسبة فقط لتدفئة المنازل في المناخات المعتدلة.
لذا، أينما كنت، إذا كنت تستطيع تحمل التكاليف الأولية الأعلى، في المرة القادمة التي تواجه فيها قرارًا حول كيفية تدفئة منزلك، فكر في استخدام مضخة حرارية بدلاً من الموقد أو المرجل التقليدي.
وقت النشر: ١٩ أكتوبر ٢٠٢٣