پمپ حرارتی چگونه کار می‌کند؟

6 دقیقه مطالعه

یک پمپ حرارتی، انرژی گرمایی رایگان را از محیط (هوا، خاک یا آب‌های زیرزمینی) جذب کرده و از مقدار کمی برق برای رساندن این گرما به سطح دمایی بالاتر و استفاده از آن برای گرمایش ساختمان بهره می‌برد [1]. در اصل، این دستگاه مانند یک یخچال معکوس عمل می‌کند: در حالی که یخچال گرما را از داخل به بیرون منتقل می‌کند، پمپ حرارتی گرمای محیط را به داخل خانه پمپ می‌کند [2].

چرخه سرمایشی (یا چرخه پمپ حرارتی) قلب این سیستم است. یک ماده مبرد مخصوص در آن گردش می‌کند و به‌طور مداوم حالت تجمعی، فشار و دمای خود را تغییر می‌دهد تا گرما را از سطح پایین به سطح بالا منتقل کند. این فرآیند در چهار مرحله اتفاق می‌افتد:

1. تبخیر (جذب گرما): در تبخیرکننده (Evaporator)، مبرد مایع گرمای منبع محیطی را جذب می‌کند. به دلیل نقطه جوش بسیار پایین، مبرد حتی در دماهای پایین تبخیر شده و به گاز تبدیل می‌شود. انرژی جذب شده عمدتاً به‌صورت رایگان از محیط تامین می‌شود [1].

2. فشرده‌سازی (افزایش دما): کمپرسور (فشرده‌کننده)، مبرد گازگونه را مکیده و آن را تحت فشار زیاد فشرده می‌کند. در نتیجه، دما به شدت افزایش می‌یابد. این مرحله به انرژی الکتریکی نیاز دارد و برای رساندن گرما به سطح دمای مورد نیاز برای گرمایش، حیاتی است [2].

3. میعان (تخلیه گرما): در کندانسور (میعان‌کننده)، مبرد داغ و تحت فشار، گرمای خود را به سیستم گرمایشی (مثلاً رادیاتور یا گرمایش از کف) منتقل می‌کند. مبرد خنک شده، متراکم می‌شود و دوباره به حالت مایع در می‌آید. گرمای آزاد شده، ساختمان را گرم می‌کند [1].

4. انبساط (کاهش فشار): از طریق شیر انبساط، فشار به‌طور ناگهانی کاهش می‌یابد که باعث افت شدید دمای مبرد می‌شود. اکنون مبرد دوباره سرد و مایع است و برای چرخه بعدی در تبخیرکننده آماده است [2].

ویژگی خاص در هوای سرد بیرونی: حتی در دماهای زیر صفر (مثلاً 5- درجه سانتی‌گراد)، هوا همچنان حاوی انرژی گرمایی قابل استفاده است، زیرا سرمای مطلق تنها در 273.15- درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. در این حالت، مبرد حتی سردتر است (مثلاً 15- درجه سانتی‌گراد) و می‌تواند گرما را جذب کند، زیرا گرما همیشه از محیط گرم‌تر به سردتر جریان می‌یابد. نقطه جوش پایین مبرد (اغلب زیر 20- درجه سانتی‌گراد) این امر را ممکن می‌سازد. با این حال، در یخبندان شدید، بازدهی کاهش می‌یابد زیرا کمپرسور باید بیشتر کار کند [2].

ضریب عملکرد سالانه (JAZ) بازده واقعی را در طول یک سال کامل اندازه‌گیری می‌کند: این عدد نشان می‌دهد که به ازای هر کیلووات ساعت برق مصرفی، چه مقدار گرما (به kWh) تولید می‌شود. بر خلاف COP (ضریب عملکرد) در شرایط آزمایشگاهی، JAZ تمام تأثیرات واقعی مانند نوسانات دما و چرخه‌های یخ‌زدایی را در نظر می‌گیرد. مقادیر خوب برای پمپ‌های حرارتی هوا-به-آب بین 3.5 تا 4.0، برای زمین-به-آب بین 4.0 تا 5.0 و برای آب-به-آب بین 4.5 تا 5.5+ است. برای توجیه اقتصادی، JAZ بالای 3.0 توصیه می‌شود. دمای پایین رفت (مثلاً در گرمایش از کف) و منابع گرمایی پایدار، JAZ را به‌طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند [2].

تفاوت انواع مدل‌ها: همه آن‌ها از یک چرخه سرمایشی مشابه استفاده می‌کنند، اما در منبع گرمایی متفاوت هستند. پمپ‌های حرارتی هوا-به-آب قیمت خرید مناسبی دارند (حدود 25,000 تا 45,000 یورو)، نصب آن‌ها ساده و منعطف است، اما بازدهی متغیر و واحد خارجی پرصدایی دارند. پمپ‌های حرارتی زمین-به-آب (گرمای زمین) کارآمدتر و پایدارتر هستند (JAZ 4.0–5.0)، اما نیاز به عملیات خاکی یا حفاری (هزینه 35,000 تا 60,000 یورو) و اخذ مجوز دارند. پمپ‌های حرارتی آب-به-آب (آب‌های زیرزمینی) بالاترین بازدهی را ارائه می‌دهند (JAZ بالای 5.0)، اما گران‌ترین نوع هستند (40,000 تا 65,000 یورو) و به دلیل نیاز به چاه، سخت‌گیرانه‌ترین مجوزها را می‌طلبند [3].

مناسب بودن برای ساختمان‌های قدیمی بازسازی نشده: بله، اغلب امکان‌پذیر است، اما به دلیل نیاز گرمایشی بالا و ضرورت دمای رفت بالا (تا ۶۰-۷۰ درجه سانتی‌گراد) چالش‌برانگیز است. پمپ‌های حرارتی با دمای بالا یا سیستم‌های هیبریدی (ترکیب با پکیج‌های گازسوز یا نفت‌سوز موجود) در اینجا مناسب هستند. گرمایش از کف ایده‌آل است (دمای رفت پایین ۳۰-۳۵ درجه سانتی‌گراد)، اما در ساختمان‌های قدیمی اغلب هزینه نصب مجدد آن زیاد است. در مورد رادیاتورها، مدل‌های بزرگ‌تر، رادیاتورهای دمای پایین، تنظیم هیدرولیکی یا اقدامات عایق‌بندی کوچک (مثلاً سقف، پنجره‌ها) برای کاهش دمای رفت کمک می‌کنند. محاسبه حرفه‌ای بار گرمایشی ضروری است [4].

هزینه‌ها و حمایت‌های مالی: هزینه‌های خرید بسته به نوع دستگاه (شامل نصب) بین ۲۵,۰۰۰ تا ۶۵,۰۰۰ یورو است. هزینه‌های بهره‌برداری به JAZ (ضریب عملکرد سالانه) و قیمت برق بستگی دارد – با JAZ ۴ و نیاز گرمایشی ۱۵,۰۰۰ کیلووات ساعت، هزینه سالانه با برق مخصوص پمپ‌های حرارتی اغلب زیر ۱,۳۰۰ یورو است. در آلمان، برنامه حمایت فدرال برای ساختمان‌های بهینه (BEG) تا ۷۰٪ هزینه‌ها را پوشش می‌دهد (حمایت پایه ۳۰٪، به علاوه پاداش برای جایگزینی سیستم‌های گرمایشی قدیمی، بهره‌وری یا درآمد؛ حداکثر ۲۱,۰۰۰ یورو). درخواست باید پیش از شروع اقدامات به BAFA/KfW ارائه شود؛ توصیه می‌شود از مشاور انرژی کمک بگیرید. به عنوان جایگزین، تخفیف‌های مالیاتی نیز امکان‌پذیر است [3].

میزان صدا و جایگذاری: مدل‌های زمین-آب (Sole) و آب-آب بسیار کم‌صدا هستند (قابل مقایسه با یخچال). دستگاه‌های هوا-آب در فاصله ۱ متری به ۳۵-۵۰ دسی‌بل (A) می‌رسند. نکته مهم: رعایت فاصله از همسایگان و پنجره‌ها (رعایت استانداردهای TA Lärm)، اجتناب از قرار دادن در گوشه‌ها و سطوح سخت بازتاب‌دهنده صدا، و استفاده از ضربه‌گیرهای لرزش و فونداسیون مستحکم. حالت شب (Nachtmodus) صداها را کاهش می‌دهد [1].

کاهش CO₂: در مقایسه با گرمایش گازی (حدود ۲۰۰ گرم CO₂/kWh)، یک پمپ حرارتی با JAZ ۴ و ترکیب برق آلمان (حدود ۳۸۰ گرم CO₂/kWh) بیش از ۵۰٪ در انتشار CO₂ صرفه‌جویی می‌کند. با استفاده از برق سبز یا سیستم‌های فتوولتائیک (PV)، انتشار آلاینده‌های مربوط به بهره‌برداری تقریباً ۱۰۰٪ حذف می‌شود. این صرفه‌جویی با افزایش سهم برق سبز در شبکه افزایش می‌یابد [3].

نتیجه‌گیری برای صاحبان خانه‌ها: پمپ‌های حرارتی بهینه، دوست‌دار محیط زیست و آینده‌دار هستند. انتخاب مدل به زمین، ساختمان و بودجه بستگی دارد. مشاوره فردی توسط شرکت‌های تخصصی و مشاور انرژی، به همراه محاسبه بار گرمایشی، برای برنامه‌ریزی بهینه، دریافت حمایت‌های مالی و بهره‌وری حداکثری ضروری است.