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 החיים, במיוחד בארצות חמות: הכנת מזון, אחסונו ושיווקו, יצירת נוחות אקלימית בבניינים ובכלי תחבורה – כל אלה כרוכים באופן ניכר בשימוש במשאבות חום. ההידרשות למונח "משאבה" בהקשר של משאבת חום היא אנלוגיה לשאיבת מים: כפי שמים מטבעם זורמים ממקום גבוה למקום נמוך, כך עוברת אנרגיית חום מגוף בעל טמפרטורה גבוהה לגוף בעל טמפרטורה נמוכה. בהקשר זה, משאבה היא מתקן המאפשר היפוך של כיוון הזרימה או של מעבר האנרגיה. אפשר לסווג משאבות חום לפי מקור האנרגיה המשמשת לקיזוז האנטרופיה: חשמלית; מגנטית; תרמית; כימית; מכנית; סיווג אחר למשאבות חום – לפי הסביבה אליה נפלט החום בתהליך הקירור/המיזוג, או הסביבה ממנה נשאב החום בתהליך ההסקה: פליטת חום אל האוויר בסביבה; נידוף חום במגדל קירור (משמש רק לתהליכי קירור); החלפת חום עם אדמה או סלע; החלפת חום עם מאגר מים, כגון ים, אגם או נהר; שאיבת חום בעזרת אנרגיה חשמלית אך ללא מנוע חשמלי, היא תופעה תרמואלקטרית (אנ') 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. שאיבת חום מגנטית מבוססת על האפקט המגנטוקלורי המתבטא בכך שחומרים מסוימים משנים את הטמפרטורה שלהם, בהפעלת שדה מגנטי עליהם. המרת אנרגיה תרמית היא התהליך המתבצע במקרר ספיגה. 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. המערכות הקיימות הנפוצות ביותר הן מכניות, והן מתחלקות לשני סוגים: מערכות בהן יש מעבר ממצב צבירה גזי, למצב צבירה נוזלי, וחוזר חלילה במערכות ללא שינוי מצב צבירה, שאיבת החום נעשית על ידי דחיסה והתפשטות של אוויר. תהליך זה נקרא "מחזור אוויר", ומערכות אלה הן בעלות נצילות אנרגיה נמוכה, הן דורשות ספיקה גבוהה של אוויר, אך משקלן נמוך ולכן הן בשימוש במטוסים. 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. 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. כאשר דוחסים גז הוא מתחמם, כאשר מניחים לו להתפשט הוא מתקרר. במשאבת חום, דוחסים את הגז כך שהטמפרטורה שלו עולה על טמפרטורת הסביבה – ובהיותו חם, מצננים אותו על ידי החלפת חום עם הסביבה, ורק אז מאפשרים לו להתפשט, ולכן הטמפרטורה של הגז תרד מתחת לזו שהייתה לו לפני התחלת התהליך. ההתפשטות נעשית דרך שסתום, ישירות אל החלל המיועד למיזוג (במקרה של מחזור אוויר), או לתוך מחליף חום המותקן בתוך, או סמוך, לחלל המיועד למיזוג. מקרר ומזגן הם מתקנים בהם קירור הגז הדחוס הוא על ידי החלפת חום עם הסביבה, וההתפשטות היא לתוך מחליף חום אשר מחליף חום עם האוויר הנמצא בחלל אותו נרצה לקרר – חדר, או חלל המקרר. אותו מתקן עצמו יכול לשמש להסקה על ידי החלפת כיווני הפעולה – ואז הצד הקר של המערכת מחליף חום עם הסביבה, והצד החם משמש להסקה. התועלת לצרכן מושגת כאשר הטמפרטורות האופייניות לתהליך הן כאלה, בהן הצד החם – חם מהסביבה, והצד הקר – קר מהסביבה. העצמה של התהליך מושגת אם לתהליך נוסף שינוי מצב צבירה: שילוב של דחיסה ופליטת חום גורם לגז להתעבות למצב נוזל; החומר המבצע את העבודה בתהליך שאיבת החום נקרא "קרר" (Refrigerant). החלק במתקן בו מתרחשת ההתעבות קרוי "מעבה", ומהווה מחליף חום, לרוב צינור מתכת מפותל בצורת נחשון, אליו צמודות צלעות קירור לשיפור פיזור החום. הנחשון המפותל נקרא גם בשם "סוללה"; מהסוללה זורם הנוזל אל שסתום התפשטות, המכוון כך שהלחץ ביציאה ממנו נמוך יותר מלחץ ההתעבות, ולכן מתרחשת רתיחה (רתיחה היא התהליך ההפוך מהתעבות). המעבר ממצב צבירה נוזלי לגזי מחייב שהקרר יקבל מהסביבה את החום הכמוס לרתיחה או התאיידות; תהליך זה קורה בחלק המתקן הנקרא "מאייד", שהוא סוללה הדומה לזו של המעבה. מזגן אוויר דו-תכליתי (לקירור ולחימום) מתוכנן כך שבו הסוללות יכולות להחליף תפקיד בעת המעבר ממזג אוויר חם לקר, זאת באמצעות שסתום תלת כיווני או ארבע כיווני, המורכב על קווי הצנרת המחברת את המזגן והסוללות, וגורם להיפוך כיוון הזרימה של הקרר. את הכוח המניע מספק המדחס: מצד אחד הוא דוחס את הקרר לתוך המעבה, ומצד שני יונק, או שומר על לחץ נמוך, במאייד. החלפת החום עם הסוללות נעזרת במפוח, ואפשר שתתבצע במספר שלבים: ישירות אל האוויר; אל מים, ורק אחר כך אל אוויר הסביבה באמצעות מגדל קירור; אל הסביבה, באמצעות החלפת חום עם נהר, אגם או האדמה; אל מים, ואחר כך באמצעות מחליפי חום אל הצרכן; מחליפי החום עצמם יכולים להיות: מערכת משולבת של צינורות ומשאבות מים, או שמן, נחשונים, מפוחים ותעלות לפיזור האוויר. על פי החוק השני של התרמודינמיקה חום זורם ממקום חם למקום קר יותר, לכן משאבת חום פועלת לכאורה בניגוד לחוק הטבע משום שזרימת חום ממקום קר למקום חם יותר מקטינה את האנטרופיה. הקטנת האנטרופיה מקוזזת בפעולת משאבת החום, כלומר האנטרופיה של החומר המקורר יורדת, אך האנטרופיה של המערכת כולה (האנטרופיה של הסביבה, העולם), גדלה. במקרר או מזגן הקיזוז מושג כאשר אנרגיה מכנית מומרת לחום. במקרר ספיגה הקיזוז נעשה במעבר חום ממקור חם עוד יותר אל אחד המאגרים. התרמודינמיקה של משאבת חום דומה לזו של מנוע חום, אולם כיווני זרימת החום והשקעת האנרגיה הפוכים. היחס בין הנפח, הלחץ והטמפרטורה בחומר, מיוצגת על ידי משוואת המצב של החומר. עבור גזים: p V T = m R {\displaystyle {\frac {pV}{T}}=mR} p {\displaystyle p} = הלחץ של הגז V {\displaystyle V} = נפח T {\displaystyle T} = הטמפרטורה m {\displaystyle m} = המסה R {\displaystyle R} = קבוע הגזים משוואת מצב זו אפשר להציג בצורה של משטח תלת-ממדי, בגז אמיתי המשטח ייקטע על ידי האזורים בהם החומר מחליף מצב צבירה. הקשר בין הנפח, הלחץ והטמפרטורה מוכתב גם על ידי קיבול החום של הגז, עבור תהליך אדיאבטי קווזיסטטי, כלומר תהליך איטי ללא איבוד חום לסביבה, מתקיים גם היחס הבא:    T p 1 − γ γ = c o n s t a n t {\displaystyle Tp^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}=constant} או לחלופין:    T V γ − 1 = c o n s t a n t {\displaystyle TV^{\gamma -1}=constant} כאשר    γ = C p C v {\displaystyle \gamma ={\frac {C_{p}}{C_{v}}}} C v {\displaystyle C_{v}} = מקדם קיבול החום הסגולי בנפח קבוע C p {\displaystyle C_{p}} = מקדם קיבול החום הסגולי בלחץ קבוע. מהמשוואות והיחסים האלו נובע שדחיסת גז גורמת לחימומו, ומאידך כאשר מניחים לו להתפשט הוא מתקרר. העבודה המושקעת בדחיסה היא: w = 1 γ − 1 ( p 2 v 2 − p 1 v 1 ) {\displaystyle w={\frac {1}{\gamma -1}}(p_{2}v_{2}-p_{1}v_{1})} אינדקס1 מציין מצב לפני הדחיסה, אינדקס2 מציין מצב לאחר הדחיסה. הערך של γ {\displaystyle \gamma } כפי שנמדד בניסויים הוא 1.2 עד 1.7 משוואות אלו נכונות עבור גז אידיאלי, לצורך תכנון הנדסי הערכים האלו מהווים קירוב טוב. התהליך של העברת חום ממאגר חם למאגר קר תוך הפקה של אנרגיה מכנית נקרא מנוע חום. התהליך ההפוך של העברת חום ממאגר קר למאגר חם נקרא משאבת חום, וכינויו המדעי: מנוע קרנו. נצילות משאבת חום בפעולתה כמקרר או כמזגן מוגדרת כיחס שבין כמות החום המוצאת מהמאגר הקר לבין העבודה שהושקעה לשם כך; ליחס זה קוראים גם "מקדם הביצועים של משאבת החום", COP: γ = Q L W = Q L Q H − Q L = T L T H − T L {\displaystyle \gamma ={\frac {Q_{L}}{W}}={\frac {Q_{L}}{Q_{H}-Q_{L}}}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}} הנצילות גדלה ככל שההפרש בין טמפרטורת הפנים לטמפרטורת הסביבה קטן, והיא הולכת וקטנה ככל שהפרש הטמפרטורות גדל. הנצילות של משאבת החום בפעולתה לחימום, מוגדרת כיחס שבין כמות החום Q המועברת למאגר החם, לבין העבודה W המושקעת לשם כך η c = W Q H = Q H − Q L Q H = T H − T L T H {\displaystyle \eta _{c}={\frac {W}{Q_{H}}}={\frac {Q_{H}-Q_{L}}{Q_{H}}}={\frac {T_{H}-T_{L}}{T_{H}}}} נוסחאות אלה מראות את הגבול התאורטי העליון לנצילות לפי מחזור קרנו; ניתן להסיק מהן שאפשר לשפר יעילותה של משאבת חום, היינו להפחית כמות העבודה הנדרשת אם שאיבת החום תתבצע ממאגר חם שהטמפרטורה שלו קרובה לטמפרטורה הרצויה לצרכן, למשל מעומק האדמה, במקום מהאוויר הסמוך לבניין. במערכות מיחזור אוויר הקרר (refrigerant) 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. הטורבינה והמדחס הנמצאים במתקני מחזור אוויר אינם חלק עקרוני במערכת, אלא נוספו כדי לשפר בה את היעילות, ולאפשר בקרה יעילה של הספיקה, הלחץ והטמפרטורה. ״המקרר של איינשטיין״ – פרק על המצאתו של מקרר הספיגה של אלברט איינשטיין ולאו סילארד בפודקאסט ״מינהר הזמן״, תאגיד השידור הישראלי, ״כאן״ משאבות חום יצילו אותנו ממשבר האקלים, דה מרקר (תורגם מבלומברג), 8 במאי 2021 Pitt V.H. (editor),Dictionary of Physics, Penguin books 1986, entry=thermoelectric effects, p.v380, ISBN 0-14-051071-0 Merritt S.F., Ricketts J.T., Building Design and Construction Handbook, 5th Ed., Mc-Graw-Hill 1994, p.13.63, ISBN 0-07-041596-x בסלנג של טכנאי מזגנים, שסתום זה מכונה בשם "משאבת חום". Lee F.S., Sears F.W.,Thermodynamics, 2nd Ed., Addison-Wesley 1969, pp.25-58 Lee F.S., Sears F.W.,Thermodynamics, 2nd Ed., Addison-Wesley 1969, pp.102-113 White F.M., Fluid Mechanics, 6th Ed., Mc-Graw-Hill 2008 ISBN 978-0-07-128645-9p.22 מחזור קרנו חושב לפי הנוסחאות בפסקה הקודמת; נתוני מזגנים לפי יצרנים ישראלים ב-2009 (אלקטרה, תדיראן, פרג-עצמה); נתונים לחימום ל-35ºC, ול-65ºC נלקחו מתוך הספר: מחלקת המשאבים הטבעיים של קנדה, Commercial Earth Energy Systems: A Buyer's Guide, 2002, ISBN 0-662-32808-6. (באנגלית) כאשר מטוס טס בגובה בו לחץ האוויר החיצוני נמוך, יש צורך להגביר את הלחץ בתא הנוסעים ובתא הטייס, וזה נעשה גם כן על ידי מערכת מיזוג האוויר של המטוס.