مضخة حرارية

المضخة الحرارية هي جهاز يستخدم لنقل الطاقة الحرارية من مصدر ساخن 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. تستهلك كمية صغيرة من القدرة الخارجية وذلك لإكمال شغل انتقال الطاقة من المصدر الساخن لخزان الحرارة.
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 مساحة معينة. عندما تستخدم المضخة الحرارية من أجل التسخين فهي تعمل بدورة التبريد المستخدمة بواسطة مكيف الهواء أو الثلاجة ولكن تقوم بطرد الحرارة في المساحة التي تم تبريدها بدلا من البيئة المحيطة. 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.

نظرة عامة

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.

مضخة حرارية عكسية

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.
في حالة التسخين فإن البيئة المحيطة هي ملف المبخر والبيئة الداخلية هي المكثف. يتحرك المبرد من المبخر (البيئة الخارجية) ويحمل معه الطاقة الحرارية من الهواء الخارجي. تزداد درجة حرارة المبرد بسبب انضغاطه. تنتقل الطاقة الحرارية في المكثف (تشمل الطاقة من الضاغط) إلى الهواء الداخل والتي تنتقل إلى بقية المبنى بواسطة وحدة مناولة الهواء.
بدلا من ذلك، تنتقل الحرارة إلى الماء ومن ثم يتم تسخين المبنى بواسطة مشعات. بعد ذلك يسمح للمبرد بالتمدد، يبرد ويمتص الحرارة من المبخر وتعود الدورة مره أخرى. هذه هي دورة التبريد الأساسية حيث يتم وضع المبخر بها خارجا حيث درجة الحرارة منخفضة.
في الطقس البارد، نحتاج لإزالة السقيع من الوحدة الخارجية. هذا يؤدي إلى تشغيل عناصر التسخين الزائدة. 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. هذا هو النظام الشائع لتشغيل مكيف الهواء.

مبدأ العمل

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. 
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.
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 باسخدا 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 تمم 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. تستخدم مع التطبيقات التي تحتاج إلى تبريد أو تسخين معتدل.

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.

تسخين الماء

في تطبيقات تسخين الماء، فإن المضخة الحرارية يمكن استخدامها 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 ايتخلاص 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 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.
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. 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.
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.
تستخدم معظم الثلاجات الحديثة R600A وهو البيوتان والذي لا يسبب تآكل لطبقة الأوزون أو ضرر للبيئة.

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. 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.

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.