مضخة حرارية
مضخة حرارية heat pump آلة حرارية تقوم بنقل الحرارة من الوسط البارد إلى الوسط الساخن نسبياً. وتشبه المضخة الحرارية المكيف التقليدي للهواء لكنها تستطيع تقديم الحرارة عند انخفاض درجة الحرارة (في الشتاء مثلاً). ففي الشتاء تقوم المضخة الحرارية باستخلاص الحرارة من الجو الخارجي ونفثها داخل المنزل، أما في الصيف فإنها تقوم بنقل الحرارة من داخل المنزل وطرحها خارجه. وتعمل المضخة الحرارية جيداً ما دامت درجة حرارة الجو الخارجي أعلى من الصفر سليسيوس. وعندما تنخفض درجة الحرارة أكثر من ذلك تقتضي الحاجة إلى حرارة مساعدة. وتُمَكِّن المضخة الحرارية من توفير نسبة تراوح بين 30 - 60 في المئة من الطاقة الكهربائية اللازمة لتأمين الكمية نفسها من الحرارة عن طريق السخانات الكهربائية ذات المقاومة.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
مبدأ عمل المضخة الحرارية
وهو يشبه كثيراً مبدأ عمل البراد. فوسيط التشغيل refrigerant مائع طيار يَتَبَخر (يغلي) عند درجات حرارة منخفضة. ويدور هذا المائع في أنابيب تنقله عبر المضخة الحرارية في دارة مغلقة.
آلية عمل المضخة الحرارية
تتضح آلية عمل المضخة الحرارية في حالة التدفئة. عند النقطة A يكون وسيط التشغيل مائعاً بارداً, درجة حرارته أخفض من درجة حرارة الجو الخارجي. وعند مروره عبر الوشيعة الخارجية outdoor coil عند النقطة B - التي هي عبارة عن مبادل حراري heat exchanger ذي سطح تبادل كبير - يمتص الحرارة اللازمة لتحوله الطوري (مائع- بخار) من الوسط الخارجي فيتبخر؛ مما دفع إلى تسمية المبادل الحراري بوشيعة المبخر evaporator coil في دارة التدفئة. وعند النقطة C يكون وسيط التشغيل بارداً ولا يستطيع تدفئة المنزل، وهذا يستدعي استخدام الضاغط compressor (النقطة D) الذي يرفع ضغط الغاز؛ مما يجعل درجة حرارته ترتفع, ويدفعه باتجاه المنزل (النقطة E). يقوم الضاغط إذاً بدور القلب في المضخة الحرارية. وفي الوشيعة الداخلية indoor coil عند النقطة F يقوم وسيط التشغيل بتقديم الحرارة إلى الهواء داخل المنزل. وتقوم مروحة بنفث الهواء باتجاه الوشيعة الداخلية لتوزيع الحرارة في المنزل وهذا يؤدي إلى تبريد وسيط التشغيل لدرجة يتكاثف معها القسم الأعظم منه متحولاً إلى سائل. لذا تدعى الوشيعة الداخلية بالمكثف condenser coil في حالة التدفئة. ويؤدي ذلك إلى طرح كمية كبيرة من الطاقة في المنزل. ويتابع المزيج الدافئ - عند النقطة G- من السائل والغاز الدورة ليدخل جهاز التمدد expansion device، عند النقطة H، الذي يقوم بتخفيض ضغط المزيج جاعلاً إياه بارداً على نحو كافٍ لامتصاص الحرارة من الجو الخارجي ومتابعة الدورة من جديد.
انتقال الحرارة
مصادر الحرارة / المصارف
التطبيقات
التكييف بالمضخة الحرارية
في هذه الحالة تكون الدورة المبينة في الشكل معكوسةً تماماً. فتقوم المضخة بسحب الحرارة من الوسط الداخلي وطرحها في الوسط الخارجي. ولهذا الغرض تُزَوَّد المضخة الحرارية بصمام عاكس reversing valve لعكس جهة تدفق وسيط التشغيل.
الأنواع الرئيسة للمضخات الحرارية
تصنف المضخات الحرارية بحسب المصدر الخارجي للحرارة، فهناك مضخات تستخدم الهواء الخارجي air-to-air heat pumps، ومضخات أخرى تستخدم مياه الآبار water source heat pumps، ومضخات ثالثة تستخدم حرارة التربة على أعماق مناسبة ground source heat pumps. ومردود النوعين الأخيرين عالٍ.[1]
الكفاءة
معامل الأداء (COP) والرفع
| Pump type and source | Typical use | COP variation with output temperature | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 35 °C (e.g. heated screed floor) |
45 °C (e.g. heated screed floor) |
55 °C (e.g. heated timber floor) |
65 °C (e.g. radiator or DHW) |
75 °C (e.g. radiator and DHW) |
85 °C (e.g. radiator and DHW) | ||
| High-efficiency air source heat pump (ASHP), air at −20 °C[2] | 2.2 | 2.0 | ‐ | ‐ | ‐ | ‐ | |
| Two-stage ASHP, air at −20 °C[3] | Low source temperature | 2.4 | 2.2 | 1.9 | ‐ | ‐ | ‐ |
| High efficiency ASHP, air at 0 °C[2] | Low output temperature | 3.8 | 2.8 | 2.2 | 2.0 | ‐ | ‐ |
| Prototype transcritical CO 2 (R744) heat pump with tripartite gas cooler, source at 0 °C[4] | High output temperature | 3.3 | ‐ | ‐ | 4.2 | ‐ | 3.0 |
| Ground source heat pump (GSHP), water at 0 °C[2] | 5.0 | 3.7 | 2.9 | 2.4 | ‐ | ‐ | |
| GSHP, ground at 10 °C[2] | Low output temperature | 7.2 | 5.0 | 3.7 | 2.9 | 2.4 | ‐ |
| Theoretical Carnot cycle limit, source −20 °C | 5.6 | 4.9 | 4.4 | 4.0 | 3.7 | 3.4 | |
| Theoretical Carnot cycle limit, source 0 °C | 8.8 | 7.1 | 6.0 | 5.2 | 4.6 | 4.2 | |
| Theoretical Lorentzen cycle limit (CO 2 pump), return fluid 25 °C, source 0 °C[4] | 10.1 | 8.8 | 7.9 | 7.1 | 6.5 | 6.1 | |
| Theoretical Carnot cycle limit, source 10 °C | 12.3 | 9.1 | 7.3 | 6.1 | 5.4 | 4.8 | |
Compression vs. absorption types
مصدر الحرارة في مضخات الهواء (ASHP)
مقالة مفصلة: مصدر الهواء في المضخات الحرارية
| Air Source Heat Pump Type | Full heat output at or above this temperature | Heat output down to 60% of maximum at |
|---|---|---|
| Conventional | 47 °F (8.3 °C) | 17 °F (-8.3 °C) |
| Low Temp Optimized | 14 °F (-10 °C) | -13 °F (-25 °C) |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ground source heat pumps (GSHP)
- مقالة مفصلة: Ground-source heat pump
Exhaust air heat pumps (EAHP)
- مقالة مفصلة: Exhaust air heat pump
مضخات الحرارة الهجين (HHP)
- مقالة مفصلة: مضخة الحرارة الهجين
توزيع الحرارة
مضخات الحرارة الحالة الصلبة
التبريد المغناطيسي
- مقالة مفصلة: التبريد المغناطيسي
Thermoelectric heat pumps
- مقالة مفصلة: المواد الحرارية
}
Thermoacoustic hot air engine
- مقالة مفصلة: Thermoacoustic hot air engine
التطور التاريخي
انظر أيضاً
- EcoCute domestic heat pump water heater
- Flash evaporation
- Geothermal heat pump
- Heat exchanger
- Renewable heat
- Thermoelectric heat pumps that use the Peltier effect
- Vapor-compression refrigeration
- Vortex tube
- IEA-ECBCS Annex 48 : Heat Pumping and Reversible Air Conditioning
المصادر
- ^ سليمان سليمان. "المضخة الحرارية". الموسوعة العربية.
- ^ أ ب ت ث The Canadian Renewable Energy Network 'Commercial Earth Energy Systems', Figure 29. . Retrieved December 8, 2009.
- ^ Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences 'State of the Art of Air-source Heat Pump for Cold Region', Figure 5. . Retrieved April 19, 2008.
- ^ أ ب SINTEF Energy Research 'Integrated CO2 Heat Pump Systems for Space Heating and DHW in low-energy and passive houses', J. Steen, Table 3.1, Table 3.3. . Retrieved April 19, 2008.