משאבת חום

משאבת חום היא התקן המוציא חום ממאגר חום אחד ומעבירו לאחר, לרוב ממאגר "קר" למאגר "חם". משאבת חום היא הרכיב החשוב ביותר במנגנוני מקררים, מזגנים, והתקנים רבים אחרים כגון: מצנני מים, חדרי קירור, מכונות לייצור קרח, ועוד. כל שאר הרכיבים במכשירים אלה הם אמצעי עזר לנידוף האוויר הקר, לפיזור החום או לבידוד, כולם מבוססים על טכנולוגיות שהיו כבר קיימות בטרם המצאת משאבת החום.
המונח "משאבת חום" משמש בשפת הדיבור, בדרך כלל, לציון אמצעי חימום מים לצורך הסקה מרכזית, בריכות שחייה, חימום תת-רצפתי ושימושים אחרים.
לפיתוח משאבות החום ולשימוש בהן השפעה רבה על רמת חיינו, במיוחד על החיים בארצות חמות: הכנת מזון, אחסונו ושיווקו, יצירת נוחות אקלימית בבניינים ובכלי תחבורה – כל אלה השתנו באופן דרמטי בזכות השימוש במשאבות חום.
המונח "משאבה" בהקשר של משאבת חום מתאר אנלוגיה לשאיבת מים: מים מטבעם זורמים ממקום גבוה למקום נמוך, חום מטבעו עובר ממקום בעל טמפרטורה גבוהה למקום בעל טמפרטורה נמוכה. משאבה, לצורך העניין, היא מכשיר היכול להפוך את כיוון המעבר, או הזרימה.

משאבת חום חשמלית

שאיבת חום בעזרת אנרגיה חשמלית אך ללא מנוע חשמלי, היא תופעה תרמואלקטרית הקרויה אפקט פלטייה (Peltier). אפקט זה מתקבל כשמעבירים זרם ישר דרך צומת של שני סוגי מתכת שונות, או של מתכת ומוליך-למחצה; במקרה זה, צד אחד של הצומת מתקרר והשני מתחמם
 שיטה זו נמצאת בשימוש במקררים ניידים קטנים, אך שימושה העיקרי נועד לקירור רכיבים אלקטרוניים.

משאבת חום מגנטית

שאיבת חום מגנטית מבוססת על האפקט המגנטוקלורי המתבטא בכך שחומרים מסוימים משנים את הטמפרטורה שלהם, בהפעלת שדה מגנטי עליהם.

משאבת חום תרמית

המרת אנרגיה תרמית היא התהליך המתבצע במקרר ספיגה.

משאבת חום כימית

במקורות שונים מתואר מקרר ספיגה כמתקן כימי, כי עיקר תהליך הקירור בו מבוסס על המסה והפרדה של חומרים בעלי טמפרטורות התאדות שונות. הפוטוסינתזה עושה דבר הדומה לשאיבת חום: המרה של אנרגיית קרינה אלקטרומגנטית הבאה מן השמש, לאנרגיה כימית. אנרגיה זו מומרת לאנרגיה מכנית (למשל, בתוך שריר החיה שאכלה מהעשב או מפרי הצמח), או תומר לאנרגיה תרמית כשהעץ ייכרת, למשל, ויישרף בתנור). הטמפרטורה קרוב לצמח נמוכה מאשר בסביבתו, כיוון שהוא בולע קרינה כאמור לעיל, והוא סופח מים מהאוויר וגורם בכך להורדת הלחות – שני גורמים אלה משפרים את הנוחות התרמית של האדם החוסה בצילו של העץ.

היסטוריה

ההיסטוריה של משאבות החום חופפת להיסטוריה של מתקני ומכשירי קירור: בתי חרושת לקרח, מקררים ומזגנים. משאבת החום פתחה פרק חדש בהיסטוריה החל מסוף המאה ה-20, כשמשאבות חום הוכנסו לשימוש בהסקה.
האקלים השורר בשטחן של רוב המדינות המפותחות הוא יחסית קר; היוצאים מכלל זה הן מדינות הדרום בארצות הברית, וכן אזורים בדרום יפן, בצפון אוסטרליה, בהונג-קונג, בסינגפור ובישראל. ברוב הארצות האלה הטמפרטורה בחורף נמוכה באופן המונע שימוש במשאבת חום, לפחות כל עוד המאגר הקר הוא אוויר הסביבה. לכן פיתוח השימוש במשאבת חום בארצות קרות תלוי באפשרות לנצל מאגר קר בטמפרטורה גבוהה יחסית, כמו מאגר מים גדול, אגם, או קרקע האדמה.

שיקולים סביבתיים וכלכליים

מחקרים כלכליים מראים כי שימוש בחשמל לחימום הוא יקר מחימום בגז או בסולר, משום שייצור חשמל נעשה על ידי שריפת דלק: האנרגיה הכימית שבדלק מומרת לאנרגיה תרמית, וזו מומרת באמצעות מנועים לאנרגיה מכנית, אשר מומרת באמצעות גנרטור לאנרגיה חשמלית. בנוסף, יש גם הפסדי אנרגיה בהולכת החשמל לאורך קווי המתח והשנאים – כל המרה כרוכה בהפסד, לעומת תנור ההסקה הביתי המפיק ישירות את החום הנדרש.
משאבת חום משנה את התמונה, כי תפוקת החום שלה מוכפלת בגורם נצילות אנרגיה של משאבות החום (COP). ואולם, הנצילות יורדת ככל שהטמפרטורה בחוץ נמוכה יותר, לכן השימוש במשאבות חום לצורך הסקה מוגבל לאזורים בהם טמפרטורת החוץ בחורף אינה יורדת לאפס מעלות צלזיוס (או פחות) למשל: דרום ארצות הברית וארצות אגן הים התיכון, בהן ישראל.
בארצות הברית ההסקה הביתית מבוססת בדרך כלל על מערכות אוויר חם, לכן התקנת משאבת חום להסקה פחות יקרה מאשר באירופה, כי משתמשים שם בחלק מהתשתית הקיימת. קיים פיתוי כלכלי פוטנציאלי בהתקנת משאבת חום, שכן היא יכולה לשמש גם לקירור בקיץ. החל מהעשור האחרון של המאה ה-20 פועלות משאבות חום בארצות הברית בימים חמים לקירור, ובחורף (כל עוד הטמפרטורה בחוץ אינה נמוכה מדי) הן פועלות לחימום. עם ירידת הטמפרטורה, עוברת המערכת לחימום מאולץ באמצעות דוד חימום.
שאיבת חום ממאגר מים קרוב – נהר, אגם, או מתוך האדמה – משפרת את יעילות משאבת החום, ותורמת להפצת השימוש בה. אולם שיטות אלו כלכליות רק בהימצאות מאגר מים בקרבת מקום, או לחלופין שטח אדמה גדול דיו, שהוא גם נוח לחפירה.

מחזור אוויר

במערכות מיחזור אוויר הקרר הוא האוויר. עקרון הפעולה דומה למה שתואר לעיל, אך ללא שינוי מצב צבירה. התהליך אינו במעגל סגור, אלא לאחר שהאוויר עשה את עבודת הקירור, הוא נפלט אל מחוץ למטוס. האוויר הקר משמש: (1) למיזוג ודיחוס האוויר במטוס הטס בגובה רב, הן בתא הנוסעים והן בתא הצוות; (2) לקירור מכשירי המטוס וכן מקררי המזון והמשקאות (במטוס המוביל מטען הדורש קירור, וגם לרווחת הנוסעים).
הטורבינה והמדחס הנמצאים במתקני מחזור אוויר אינם חלק עקרוני במערכת, אלא נוספו כדי לשפר בה את היעילות, ולאפשר בקרה יעילה של הספיקה, הלחץ והטמפרטורה.