ما هي مضخة الحرارة وكيف تعمل مضخة الحرارة؟

ما هي مضخة الحرارة؟

نظام المضخات الحرارية، كجزء من التدفئة والتبريد المنزلي، لا يقتصر دوره على تبريد المنزل فحسب، بل يوفر التدفئة أيضًا. يستخدم هذا النظام المبردات لنقل الحرارة من المساحات الداخلية إلى الخارجية، وفي الأشهر الأكثر دفئًا، يستخرج الحرارة من الهواء الداخلي. تُركّب هذه الأنظمة خارج المنزل وتعمل بالكهرباء، مما يحافظ على درجات حرارة داخلية مريحة على مدار العام دون الحاجة إلى أنظمة تدفئة إضافية.

ما هي أنواع المضخات الحرارية؟

هناك 3 أنواع من المضخات الحرارية:

1.مضخات الحرارة الهوائية (ASHP):

• تستخرج مضخات الحرارة الهوائية (ASHPs) الحرارة من الهواء الخارجي وتستخدمها لأغراض التدفئة الداخلية. تعمل هذه المضخات عن طريق امتصاص الحرارة من الهواء المحيط ونقلها إلى الداخل عبر دورة تبريد.
• تُستخدم عادةً في المناخات المعتدلة حيث لا تنخفض درجات الحرارة عادةً بشكل كبير. تُعد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (ASHPs) فعّالة واقتصادية لأغراض التدفئة والتبريد.

هناك مصطلح آخر، وهو "مضخة الحرارة ATW"، وهو اختصار لـ "مضخة الحرارة من الهواء إلى الماء". وهو النوع الأكثر شيوعًا من مضخات الحرارة التي تستخرج الحرارة من الهواء الخارجي وتنقلها إلى الماء، عادةً لتدفئة المساحات الداخلية أو لتسخين المياه المنزلية.
تعمل مضخة الحرارة ATW بشكل مشابه لمضخة الحرارة الهوائية (ASHP)، التي تسحب الحرارة من الهواء الخارجي. إلا أن الفرق الرئيسي يكمن في كيفية استخدام الحرارة المستخرجة. فبينما قد توزع مضخة الحرارة الهوائية الحرارة مباشرةً إلى الهواء الداخلي، تنقل مضخة الحرارة ATW الحرارة المجمعة إلى نظام مائي.
يُستخدم هذا النوع من المضخات الحرارية عادةً في أنظمة التدفئة المائية، حيث يتم تدوير الماء عبر أنظمة التدفئة الأرضية أو المشعات، أو يُستخدم لتسخين الماء المنزلي. تُنقل الحرارة المستخرجة من الهواء الخارجي إلى الماء، الذي يُوزّع بدوره عبر المبنى لتوفير الدفء.
تشتهر مضخات الحرارة ATW بكفاءتها وتعدد استخداماتها، حيث توفر إمكانيات التدفئة والتبريد المحتملة من خلال استغلال الحرارة الكامنة في الهواء المحيط. وتحظى بشعبية خاصة في المناخات المعتدلة، حيث يمكنها استخلاص الحرارة من الهواء بكفاءة حتى في درجات الحرارة المنخفضة.

2.مضخات الحرارة المعتمدة على مصدر المياه (WSHP):

• تعمل محطات الطاقة الحرارية الأرضية (WSHPs) بشكل مشابه لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية (GSHPs) ولكنها تستخرج الحرارة من مصدر مائي مثل البئر أو البحيرة أو النهر بدلاً من الأرض.
• يستخدمون الماء كوسيلة لتبادل الحرارة لنقل الحرارة إلى داخل المبنى أو لتوفير التدفئة أو التبريد.
• تُعد محطات الطاقة الحرارية المائية مفيدة في المناطق التي تتوفر فيها مصادر المياه ويمكنها توفير التدفئة والتبريد بشكل متسق وفعال.

3.مضخات الحرارة الأرضية (GSHP أو مضخات الحرارة الحرارية الأرضية):

• تعتمد محطات الطاقة الحرارية الأرضية على تسخين الأرض أو المسطح المائي، وذلك باستخدام نظام حلقة أرضية مدفونة تحت الأرض أو مغمورة في الماء.
• إنها فعالة للغاية لأن درجات الحرارة تحت الأرض مستقرة نسبيًا على مدار العام، مما يوفر التدفئة أو التبريد بشكل ثابت بغض النظر عن الظروف الجوية الخارجية.
• تتطلب محطات الطاقة الحرارية الأرضية تكاليف تركيب أولية أعلى بسبب نظام الحلقة الأرضية ولكنها توفر توفيرًا طويل الأمد للطاقة.

يتمتع كل نوع من المضخات الحرارية بمزاياه وهو مناسب لظروف بيئية ومواقع جغرافية مختلفة، ويلبي احتياجات التدفئة والتبريد المختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، ووفقًا لتصميم وتركيب نظام المضخة الحرارية، يمكن تقسيمها إلى مضخة حرارية منفصلة ومضخة حرارية أحادية الكتلة. في حين تجمع المضخة الحرارية أحادية الكتلة معظم مكوناتها في وحدة واحدة، تفصل المضخة الحرارية المنفصلة مكوناتها الرئيسية إلى وحدتين داخليتين وخارجيتين متصلتين بخطوط تبريد.

مضخة الحرارة المنقسمة:

• ميزات التصميم: تتكون مضخة الحرارة المنفصلة من وحدتين منفصلتين: وحدة داخلية ووحدة خارجية. تحتوي الوحدة الخارجية على الضاغط والمكثف، بينما تحتوي الوحدة الداخلية على المبخر وصمام التمدد.
• الخصائص: تربط مضخة الحرارة المنفصلة الوحدات الداخلية والخارجية عبر خطوط التبريد. يتطلب هذا التصميم خطوات تركيب ومساحة أكبر، وقد يتضمن صيانة أكثر تعقيدًا، ولكنه يوفر مرونة في التكيف مع مختلف متطلبات التركيب.

مضخة الحرارة أحادية الكتلة:

• مميزات التصميم: تدمج مضخة الحرارة أحادية الكتلة معظم المكونات الأساسية داخل وحدة خارجية واحدة، بما في ذلك عادةً الضاغط والمبادلات الحرارية (المبخر والمكثف) وصمام التمدد ونظام التحكم.
• الخصائص: تصميم مضخة الحرارة أحادية الكتلة بسيط، التركيب والصيانة سهلان نسبيًا، كما أنها توفر مظهرًا أنيقًا، ولها عمومًا بنية أكثر إحكاما.

ما هي المكونات الرئيسية لنظام المضخة الحرارية؟

1. ضاغطهذا هو جوهر نظام المضخة الحرارية. يضغط الضاغط مادة التبريد ويدورها، مما يُسهّل عملية التبادل الحراري. في المضخة الحرارية أحادية الكتلة، يُدمج الضاغط في الوحدة الخارجية، عادةً بتصميم مُدمج ومُغلق.
2. المبادل الحراري (ملفات المكثف والمبخّر): تحتوي مضخات الحرارة أحادية الكتلة على ملفات مبادل حراري لتكثيف وتبخير مادة التبريد. تُطلق ملفات المكثف الحرارة إلى البيئة الداخلية أثناء التدفئة، وتمتص الحرارة من الداخل أثناء التبريد. أما ملفات المبخّر فتمتص الحرارة من الهواء الخارجي أو الأرض أثناء التدفئة، وتُطلقها في مادة التبريد.
3. صمام التمدد: ينظم هذا المكون تدفق مادة التبريد، ويتحكم في ضغطها ودرجة حرارتها. يسمح لها بالتمدد من سائل عالي الضغط إلى خليط منخفض الضغط من سائل وغاز قبل دخولها إلى ملف المبخر لامتصاص الحرارة من البيئة الخارجية.
4. وحدة التحكم و الإلكترونياتتتولى وحدة التحكم والإلكترونيات في مضخة الحرارة أحادية الكتلة إدارة تشغيل النظام. فهي تراقب درجة الحرارة وتنظمها، وتُشغّل مكونات مختلفة مثل الضاغط والمراوح، وقد تتضمن ميزات ذكية لتحسين الكفاءة ومراقبة النظام.

تعمل هذه المكونات معًا لتسهيل عملية تبادل الحرارة، مما يُمكّن مضخة الحرارة من استخلاص الحرارة من البيئة الخارجية (الهواء، الأرض، أو الماء) ونقلها إلى المساحة الداخلية للتدفئة أو سحبها من الداخل لأغراض التبريد. يُسهّل تصميم الوحدة الواحدة التركيب والصيانة، حيث إن معظم المكونات الأساسية موجودة في وحدة خارجية واحدة.

كيف تعمل مضخة الحرارة؟

مضخات الحرارة الهوائية هي أجهزة ثورية مصممة لنقل الحرارة بكفاءة من الهواء المحيط لتوفير التدفئة والماء الساخن للمساحات السكنية والتجارية. تعمل هذه المضخات وفقًا لمبدأ مشابه لمبدأ الثلاجة، ولكن بشكل معاكس.

1. امتصاص الحرارة:
   تبدأ العملية بسائل التبريد في مضخة الحرارة، وهو عادةً مركب مثل R32، والذي يدور داخل النظام. عندما تكون المضخة في وضع التسخين، يمرّ سائل التبريد عبر ملف المبخر، ممتصًا الطاقة الحرارية من الهواء الخارجي حتى في درجات الحرارة المنخفضة التي تصل إلى -25 درجة مئوية.
2. الضغط وزيادة درجة الحرارة:
   تُسبّب الحرارة المُمتصة تبخّر المُبرّد إلى غاز. ثم يُضغط هذا الغاز منخفض الحرارة بواسطة الضاغط داخل مضخة الحرارة، مما يرفع درجة حرارته بشكل ملحوظ. تُحوّل هذه العملية الغاز إلى حالة ضغط ودرجة حرارة عاليتين.
3. إطلاق الحرارة:
   يمر غاز التبريد الساخن عبر ملف مكثف، حيث يُطلق حرارته المتراكمة إلى المساحة الداخلية أو لتسخين الماء. تُوزّع هذه الحرارة بعد ذلك في جميع أنحاء المبنى عبر نظام مراوح، أو تُستخدم لتسخين الماء في خزان للأغراض المنزلية.
4. تكرار الدورة:
   بعد إطلاق حرارته، يعود المُبرِّد إلى الحالة السائلة ويتدفق عائدًا إلى المُبخِّر لبدء الدورة من جديد. تُشكِّل هذه العملية المُستمرة، من امتصاص الحرارة، وضغط المُبرِّد، وإطلاق الحرارة، ثم العودة إلى نقطة البداية، الدورة التشغيلية لمضخة الحرارة الهوائية.

مبادئ تشغيل المضخات الحرارية

في وضع التبريدتمتص المضخات الحرارية الحرارة الداخلية وتطلقها في الخارج.
في وضع التدفئة، فهي تمتص الحرارة من الأرض أو الهواء الخارجي وتطلقها في الداخل.
لا تخضع أنظمة المضخات الحرارية المتقدمة هذه لدرجات حرارة البيئة وتحافظ على عمليات مستقرة حتى في الظروف القاسية.

ما هي مزايا المضخة الحرارية؟

• كفاءة:يمكن لمضخات الحرارة الهوائية توفير التدفئة والماء الساخن بكفاءة حتى في المناخات الباردة، على الرغم من أن فعاليتها قد تنخفض مع انخفاض درجات الحرارة.
• التأثير البيئي:إنها تستخدم الحرارة من الهواء، وهي مورد متجدد، مما يجعلها صديقة للبيئة مقارنة بأنظمة التدفئة التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري.
• التنوع:يمكن لمضخات الحرارة الهوائية أيضًا أن تعمل في الاتجاه المعاكس خلال الأشهر الأكثر دفئًا، حيث تعمل كمكيفات هواء عن طريق إزالة الحرارة من المساحات الداخلية ونقلها إلى الخارج.

الاتجاهات المستقبلية في المضخات الحرارية

تجعل التكنولوجيا المتطورة أنظمة المضخات الحرارية أكثر صداقةً للبيئة وكفاءةً. ومع تطور التكنولوجيا، ستصبح أنظمة المضخات الحرارية المستقبلية أكثر ذكاءً وكفاءةً وصديقةً للبيئة.

في السنوات الأخيرة، ازدادت شعبية سخانات المياه ذات المضخات الحرارية كحلول فعالة وصديقة للبيئة لتسخين المياه. بعض مضخات الحرارة ATW قادرة على العمل في نطاق درجات حرارة يتراوح بين من -25 درجة مئوية إلى 43 درجة مئوية.

تطور هذه المضخات الحرارية، مثل مضخة الحرارة هيتابرو ثيرمالوكس R290 ATWلقد رفعت التكنولوجيا إلى مستويات غير مسبوقة. مجهزة بـ مبردات R290, عاكس التيار المستمر الضواغط، و حقن البخار المعزز (EVI) بفضل التكنولوجيا الحديثة، يمكن لهذه المضخات الحرارية الحديثة تحقيق درجات حرارة مذهلة تصل إلى 75 درجة مئويةومن المثير للدهشة أنها تحافظ على التشغيل المستمر حتى في الظروف القاسية، وتتحمل درجات حرارة منخفضة تصل إلى -35 درجة مئوية.

خاتمة

تستخدم مضخات الحرارة الهوائية آلية ذكية وصديقة للبيئة لتسخير الحرارة الكامنة من الهواء، مما يوفر حلاً فعالاً لاحتياجات التدفئة والمياه الساخنة في مختلف الإعدادات.
أصبحت أنظمة المضخات الحرارية المتطورة خيارًا مثاليًا لتدفئة المنازل وتبريدها وتزويدها بالماء الساخن. ولا تقتصر أحدث سخانات المياه الحرارية المزودة بمبردات R290 على توفير كفاءة عالية فحسب، بل تُمثل أيضًا نموذجًا يُحتذى به في تطوير التقنيات الصديقة للبيئة.