كيف تعمل المضخة الحرارية؟

قراءة في 5 دقيقة

تقوم المضخة الحرارية بسحب الطاقة الحرارية المجانية من البيئة المحيطة (الهواء، التربة، أو المياه الجوفية) وتستخدم جزءاً صغيراً من الكهرباء لرفع مستوى درجة حرارة هذه الطاقة واستخدامها في تدفئة المبنى [1]. تعمل المضخة الحرارية بشكل أساسي مثل ثلاجة معكوسة: بينما تقوم الثلاجة بنقل الحرارة من الداخل إلى الخارج، تقوم المضخة الحرارية بضخ حرارة البيئة إلى داخل المنزل [2].

تعتبر دورة التبريد (أو دورة المضخة الحرارية) هي القلب النابض للنظام. حيث يدور فيها سائل تبريد خاص يغير حالته الفيزيائية، وضغطه، ودرجة حرارته باستمرار لنقل الحرارة من المستوى المنخفض إلى المستوى المرتفع. يتم ذلك عبر أربع خطوات:

1. التبخير (امتصاص الحرارة): في المبخر، يمتص سائل التبريد السائل الحرارة من مصدر البيئة. وبسبب نقطة الغليان المنخفضة جداً، يتبخر السائل حتى في درجات الحرارة المنخفضة ويتحول إلى غاز. تأتي الطاقة الممتصة في معظمها بشكل مجاني من البيئة [1].

2. الضغط (رفع درجة الحرارة): يقوم الضاغط (Kompressor) بسحب سائل التبريد الغازي وضغطه تحت ضغط عالٍ. يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير. تتطلب هذه الخطوة طاقة كهربائية وهي حاسمة لرفع الحرارة إلى مستوى التدفئة [2].

3. التكثيف (إطلاق الحرارة): في المكثف، يقوم سائل التبريد الساخن وعالي الضغط بتسليم حرارته إلى نظام التدفئة (مثل المشعاعات أو تدفئة الأرضيات). عندها يبرد السائل، ويتكثف، ويعود إلى الحالة السائلة. تقوم الحرارة المنطلقة بتدفئة المبنى [1].

4. التمدد (خفض الضغط): من خلال صمام التمدد، يتم خفض الضغط فجأة، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في درجة حرارة سائل التبريد. يصبح السائل الآن بارداً وسائلاً مرة أخرى، وجاهزاً للدورة التالية في المبخر [2].

خصوصية الهواء الخارجي البارد: حتى في درجات الحرارة السالبة (مثل -5 درجة مئوية)، لا يزال الهواء يحتوي على طاقة حرارية يمكن الاستفادة منها، لأن البرودة المطلقة لا تتحقق إلا عند -273.15 درجة مئوية. يكون سائل التبريد حينها أكثر برودة (مثل -15 درجة مئوية) ويمكنه امتصاص الحرارة، لأن الحرارة تتدفق دائماً من الجسم الأكثر دفئاً إلى الأبرد. تتيح نقطة الغليان المنخفضة لسائل التبريد (غالباً أقل من -20 درجة مئوية) القيام بذلك. ومع ذلك، تنخفض الكفاءة عند الصقيع الشديد لأن الضاغط يضطر للعمل بجهد أكبر [2].

يقيس معامل الأداء السنوي (JAZ) الكفاءة الفعلية على مدار عام كامل: فهو يوضح كمية الحرارة (بالكيلوواط ساعة) التي يتم إنتاجها مقابل كل كيلوواط ساعة من الكهرباء المستهلكة. وعلى عكس COP (معامل الأداء) في ظروف الاختبار، يأخذ JAZ في الاعتبار جميع التأثيرات الواقعية مثل تقلبات درجات الحرارة ودورات إذابة الجليد. القيم الجيدة للمضخات الحرارية (هواء-ماء) تتراوح بين 3.5–4.0، وللمضخات (محلول-ماء) بين 4.0–5.0، وللمضخات (ماء-ماء) بين 4.5–5.5+. ويُنصح بقيمة JAZ تبدأ من 3.0 لضمان الجدوى الاقتصادية. كما أن درجات حرارة التدفق المنخفضة (كما في تدفئة الأرضيات) ومصادر الحرارة المستقرة تحسن من قيمة JAZ بشكل كبير [2].

الاختلافات بين الأنواع: تستخدم جميعها نفس دورة التبريد، لكنها تختلف في مصدر الحرارة. مضخات (هواء-ماء) منخفضة التكلفة عند الشراء (حوالي 25,000–45,000 يورو)، سهلة التركيب ومرنة، ولكن كفاءتها متغيرة ولها وحدة خارجية مسموعة. مضخات (محلول-ماء) (الطاقة الحرارية الأرضية) أكثر كفاءة واستقراراً (JAZ 4.0–5.0)، لكنها تتطلب أعمال حفر أو ثقب في الأرض (التكلفة 35,000–60,000 يورو) وتصاريح. أما مضخات (ماء-ماء) (المياه الجوفية) فتقدم أعلى كفاءة (JAZ أعلى من 5.0)، ولكنها الأكثر تكلفة (40,000–65,000 يورو) وتتطلب تصاريح صارمة بسبب الآبار [3].

الملاءمة للمباني القديمة غير المجددة: نعم، غالبًا ما يكون ذلك ممكنًا، ولكنه يمثل تحديًا بسبب الاحتياجات الحرارية العالية وضرورة توفر درجات حرارة تدفق عالية (تصل إلى 60-70 درجة مئوية). وتعد المضخات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية أو الأنظمة الهجينة (الدمج مع غلاية غاز أو زيت موجودة) مناسبة في هذه الحالة. وتعتبر أنظمة التدفئة الأرضية مثالية (درجات حرارة تدفق منخفضة 30-35 درجة مئوية)، إلا أن تحديثها في المباني القديمة غالبًا ما يكون مكلفًا. وفي حالة استخدام المشعات (Radiators)، تساعد الموديلات الأكبر حجمًا، أو مشعات درجة الحرارة المنخفضة، أو الموازنة الهيدروليكية، أو تدابير العزل الصغيرة (مثل السقف والنوافذ) في خفض درجة حرارة التدفق. ويعد حساب الحمل الحراري المهني أمرًا أساسيًا [4].

التكاليف والدعم: تتراوح تكاليف الشراء بين 25,000 و65,000 يورو حسب النوع (شاملة التركيب). تعتمد تكاليف التشغيل على معامل الأداء السنوي (JAZ) وسعر الكهرباء - فعند معامل أداء 4 واحتياج حراري قدره 15,000 كيلوواط ساعة، غالبًا ما تكون التكلفة أقل من 1,300 يورو/سنة باستخدام كهرباء المضخات الحرارية. في ألمانيا، يدعم برنامج "التمويل الفيدرالي للمباني الكفوءة" (BEG) ما يصل إلى 70% من التكاليف (دعم أساسي 30%، بالإضافة إلى مكافآت لاستبدال أنظمة التدفئة القديمة، أو الكفاءة، أو الدخل؛ بحد أقصى 21,000 يورو). يجب تقديم الطلب إلى BAFA/KfW قبل بدء الإجراءات؛ ويوصى بالاستعانة بمستشار طاقة. كما يمكن الحصول على مكافأة ضريبية كبديل [3].

مستوى الضوضاء والتركيب: الموديلات التي تعمل بنظام (المحلول الملحى/الماء) و(الماء/الماء) هادئة جدًا (قابلة للمقارنة مع الثلاجة). أما أجهزة (الهواء/الماء) فتصل ضوضاؤها إلى 35-50 ديسيبل (A) على مسافة 1 متر. ملاحظة هامة: يجب الالتزام بالمسافة الفاصلة عن الجيران والنوافذ (مراعاة TA Lärm)، وتجنب الزوايا والأسطح الصلبة العاكسة للصوت، واستخدام مخمدات الاهتزاز وقاعدة ثابتة. كما يقلل "الوضع الليلي" من الضوضاء [1].

توفير ثاني أكسيد الكربون (CO₂): مقارنة بتدفئة الغاز (حوالي 200 جم CO₂/كيلوواط ساعة)، توفر المضخة الحرارية بمعامل أداء 4 ومزيج الكهرباء الألماني (حوالي 380 جم CO₂/كيلوواط ساعة) أكثر من 50% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ومع استخدام الكهرباء الخضراء أو نظام الطاقة الشمسية (PV)، تنخفض الانبعاثات التشغيلية بنسبة تقارب 100%. ويزداد التوفير مع زيادة حصة الطاقة الخضراء في الشبكة [3].

الخلاصة لأصحاب المنازل: المضخات الحرارية كفوءة، وصديقة للبيئة، ومواكبة للمستقبل. يعتمد الاختيار على قطعة الأرض، والمبنى، والميزانية. وتعد الاستشارة الفردية من شركة متخصصة ومستشار طاقة، بما في ذلك حساب الحمل الحراري، أمرًا لا غنى عنه للتخطيط الأمثل، والحصول على الدعم، وتحقيق الكفاءة.