هیت پمپ(پمپ حرارتی)

هیت پمپ(پمپ حرارتی) چیست؟ بررسی فنی و کاربرد

یک پمپ حرارتی به عنوان بخشی از سیستم گرمایش و سرمایش مرکزی، از هوای بیرون برای گرم کردن خانه در زمستان و خنک کردن آن در تابستان استفاده می کند.

پمپ­ های حرارتی می توانند گزینه ای کم مصرف برای تهویه مطبوع به حساب بیایند. پمپ های حرارتی مانند یخچالِ شما از توانی برای انتقال گرما از یک مکان سرد به یک مکان گرم استفاده می کنند و این چنین فضای دما پایین را خنک و فضای دما بالا را گرم می کنند. پمپ های حرارتی در طول فصل سرما، گرما را از هوای سرد بیرون به خانۀ گرم شما و در طول فصل گرما، گرما را از خانۀ شما به فضای بیرون منتقل می کنند. پمپ های حرارتی می توانند به طور مؤثر دمای مناسبی را برای خانه شما تولید کنند؛ زیرا به جای تولید گرما، گرما را انتقال می دهند.

در واقع، یک پمپ حرارتی (Heat pump) گرما را از نقطۀ دما پایین به نقطۀ دما بالا منتقل می کند. برای انجام این کار، پمپ حرارتی به نیروی محرکه نیاز دارد. این نیروی محرکه می تواند مکانیکی، الکتریکی یا حرارتی باشد. معمولاً، از پمپ های حرارتی که بر اساس سیکل تبرید تراکمی بخار کار می کنند، استفاده می شود. آن دسته از پمپ های حرارتی که مبنای کار آنها سیکل جذبی است، بمراتب کمتر بکار می روند.

پیشنهاد مطالعه:

چیلر چیست؟ بررسی فنی انواع چیلر

چیلر تراکمی چیست؟ بررسی و شناخت انواع چیلر تراکمی

هیت پمپ چگونه کار می کند؟

از نظر فنی، پمپ حرارتی سیستمی است مبتنی بر سیکل تبرید تراکمی بخار که می تواند برای گرم کردن یا خنک کردن یک فضای کنترل شده، معکوس شود. پمپ حرارتی را به عنوان یک انتقال دهندۀ گرما در نظر بگیرید که دائماً گرما را از مکانی به مکان دیگر، به جایی که به آن نیاز است یا نه، بسته به فصل منتقل می کند. حتی در هوایی که خیلی سرد به نظر می رسد، انرژی گرمایی وجود دارد. وقتی بیرون سرد است، یک پمپ حرارتی، گرمای بیرونی موجود را استخراج کرده و به داخل منتقل می کند. وقتی بیرون گرم است، جهت ها را معکوس می کند و گرما را از خانۀ شما خارج می کند.

بمنظور درک نحوۀ کارکرد هیت پمپ ها، نیاز است مروری بر اساس کار سیکل تبرید تراکمی بخار داشته باشیم.

بمنظور درک نحوۀ کارکرد هیت پمپ ها، نیاز است مروری بر اساس کار سیکل تبرید تراکمی بخار داشته باشیم.

سیکل تبرید تراکمی بخار از چهار مؤلفه اصلی تشکیل شده اند:

• کمپرسور (واحد تراکم)
• کندانسور (واحد چگالش)
• شیر انبساط (واحد اختناق)
• اواپراتور (واحد تبخیر)

از نظر فنی، پمپ حرارتی سیستمی است مبتنی بر سیکل تبرید تراکمی بخار که می تواند برای گرم کردن یا خنک کردن یک فضای کنترل شده، معکوس شود. پمپ حرارتی را به عنوان یک انتقال دهندۀ گرما در نظر بگیرید که دائماً گرما را از مکانی به مکان دیگر، به جایی که به آن نیاز است یا نه، بسته به فصل منتقل می کند. حتی در هوایی که خیلی سرد به نظر می رسد، انرژی گرمایی وجود دارد. وقتی بیرون سرد است، یک پمپ حرارتی، گرمای بیرونی موجود را استخراج کرده و به داخل منتقل می کند. وقتی بیرون گرم است، جهت ها را معکوس می کند و گرما را از خانۀ شما خارج می کند.

اساس کارکرد سیکل تبرید تراکمی بخاربه این ترتیب است که سیال مبرد به شکل بخار داغ (Super Heat) وارد کمپرسور شده و تا فشار بالاتری متراکم می گردد؛ در نتیجه، افزایش دما نیز در جریان مبرد ایجاد خواهد شد. سپس بخار داغ خروجی از کمپرسور، به کمک کندانسور در فشار ثابت (با افت فشار قابل اغماض) ابتدا تا دمای اشباع خنک شده و با ادامه دفع حرارت به مایع اشباع یا مادون سرد تبدیل می شود. مایع مبرد حاصل از چگالش، با عبور از شیر انبساط، افت فشار قابل توجهی پیدا می کند. به طوری که مقداری از مایع مبرد تبخیر شده و باعث کاهش بیشتر دمای جریان عبوری (مضاف بر کاهش دمای ناشی از افت فشار) خواهد شد.

این گونه بواسطه وجود اختلاف دمای ایجاد شده بین جریانِ دو فازی(مخلوط مایع و بخار) مبرد و سیال هدف (آب یا هوا) در اواپراتور، سرمایش (جذب گرما) اتفاق می افتد؛ لذا جریان دو فازی ورودی به اواپراتور در فشار ثابت (با افت فشار قابل اغماض) کاملاً تبخیر شده و با ادامه جذب گرما به بخار داغ تبدیل می گردد. نهایتاً جریان بخار خروجی از اواپراتور مجدداً وارد کمپرسور شده تا این چنین سیکل تبرید تراکمی بخار تکمیل گردد.

انواع مختلفی از پمپ های حرارتی در صنایع گرمایش و سرمایش مدرن ما استفاده می شود. در این مقاله به سه دستۀ عمده دسته بندی می شوند:

1. هیت پمپ های هوا به هوا
2. هیت پمپ های زی زمینی یا زیرآبی
3. پمپ های حرارتی هیبریدی

هیت پمپ هوا به هوا

پمپ های حرارتی هوا به هوا، همانطور که از نامشان مشخص است، گرما را از هوای آزاد بیرون به هوای داخل اتاق منتقل می کنند؛ بنابراین، در این نوع پمپ حرارتی، لازمۀ کارکرد سیستم، نصب یک یونیت در داخل اتاق و اتصال لوله های آن به یونیت دیگری در خارج از اتاق (هوای آزاد) می­باشد. چیلرهای چرخه معکوس (هیت پمپی) به روش مشابه پمپ های حرارتی هوا به هوای معمولی عمل می کنند، با این تفاوت که به جای مبرد تبخیر شده، آب سیال واسطۀ انتقال حرارت است.

در واقع اتفاقی که در یک چیلر هیت پمپی می افتد اینست که جریان مبرد در سیکل تبرید به کمک یک شیر چهارراهه معکوس می شود. به طوریکه جریان مبرد داغِ خروجی از کمپرسور به جای کندانسور وارد اواپراتور شده و سیکل تبرید به یک سیکل گرمایشی تبدیل می شود.

پیشنهاد مطالعه:

مینی چیلر چیست؟ بررسی فنی انواع مینی چیلر

بررسی فنی و شناخت چیلر تراکمی آب خنک و چیلر تراکمی هوا خنک

همانطور که در تصویر فوق مشهود است، خروجی کمپرسور از طریق شیر چهار راهه به سمت یونیت خارجی (کندانسور در وضعیت سرمایش) هدایت می گردد. اما در وضعیت گرمایش (تصویر بعدی) خروجی کمپرسور راهیِ یونیت داخلی (کندانسور در وضعیت گرمایش) می شود. به این ترتیب در فصل تابستان جریان سرد خروجی از شیر انبساط وارد یونیت داخلی (اواپراتور در وضعیت سرمایش) شده و در فصل زمستان، جریان داغ خروجی از کمپرسور وارد یونیت داخلی (کندانسور در وضعیت گرمایش) می شود.

سیستم های گرمایش هوا به هوا و همچنین نوع تابشی، هر دو نسبت به سایر انواع گرمایش، به لحاظ مصرف انرژی کارآمدتر هستند. از آنجایی که سیستم های هوا به هوا در بالای زمین قرار دارند، هزینه نصب آنها نیز نسبت به سایر انواع پمپ های حرارتی کمتر است و با توجه به اینکه  پمپ های حرارتی نیازی به احتراق سوخت های فسیلی ندارند، ممکن است سالم تر باشند؛ چراکه، در نتیجۀ فرآیند احتراق ممکن است دی اکسید کربن یا اکسید نیتروژن منتشر شود.

توجه داشته باشید که پمپ های حرارتی هوا به هوا، برای مناطقی با آب و هوای معتدل می­توانند بهترین کارایی را داشته باشند و در مناطقی با سرمای شدید که به دمای انجماد نزدیک می‌شوند، ممکن است که نتوانند گرمای کافی را ارائه دهند؛ به همین علت در مواقع این چنینی شاید نیاز به یک منبع گرمایش مکمل (نوعی گرمایش اضطراری مقاومتی یا مبتنی بر روغن) وجود داشته باشد که البته نه مقرون به صرفه است و نه برای استفاده طولانی مدت مناسب است.

پمپ های حرارتی زیر زمینی(زیر آبی)

پمپ های حرارتی زیر آبی ممکن است جایگزینی برای سازه های نزدیک به منابع آب عمیق باشند. پمپ های حرارتی مبتنی بر آب مانند پمپ های حرارتی مبتنی بر هوا عمل می کنند. فقط آنها از آب به عنوان واسطه تبادل حرارت استفاده می کنند. آنها گرما را از آب جذب می کنند تا فضای داخلی سازه را گرم کنند و گرما را به آب برمی گردانند تا همان فضای داخلی خنک شود.

آب همچنین به عنوان مبرد در انواع خاصی نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد. بطوریکه آب از طریق شبکه ای از لوله ها تا حد امکان در عمق زیر آب جریان می یابد. دمای آب داخل لوله تا زمانی که به دمای محیطی آب جریان آزاد برسد، افزایش یا کاهش می یابد. پس از آن، آب در لوله ها به فضای داخلی سازه پمپ می شود. در تابستان، آب گرما را از داخل ساختمان جذب می کند و به طور موثر آن را خنک می کند. همچنین آب گرما را در زمستان به فضای داخلی خنک‌تر تخلیه می کند.

این روش ممکن است در مناطقی با اقلیم نا متعادل نیز مورد استفاده قرار گیرد؛ زیرا دمای عمیق زیر آب در طول سال به طوری منطقی ثابت است و این یک مزیت قابل توجه نسبت به سیستم های مبتنی بر هوا است که استفاده از آنها به اقلیم های معتدل محدود می شوند.

هزینۀ ساخت سیستم های زیر آبی نسبت به سیستم های زیر زمینی کمتر است؛ زیرا نیازی به حفاری عمده نیست. از سوی دیگر، فناوری‌های زیر آبی ممکن است هزینه‌های اولیۀ بسیار بالاتری نسبت به روش‌های مبتنی بر هوا داشته باشند. البته، مهم‌ترین عیب پمپ‌های حرارتی زیر آبی این است که نیاز به نزدیکی به یک منبع آبی دارند. هرچند که چاه‌های بیرونی می‌توانند مفید باشند، اما حجم‌های بزرگ‌تر آبی با جریان آزاد ترجیح داده می‌شوند.

دو نوع سیستم زیر آبی وجود دارد: حلقه های بسته (Closed loops) و حلقه های باز (Open loops). حلقه های بسته، مانند انواع دیگر، مبرد را از طریق یک مسیر بسته به گردش در می آورند. از سوی دیگر، حلقه‌های باز، آب سطحی را جمع‌آوری کرده و آن را از طریق ساختار داخلی سیستم انتقال می‌دهند. گرما متعاقباً بسته به موقعیت ساطع یا جذب می شود. پس از آن، آب در منطقه دیگری به محیط باز می گردد. این روش خطر اضافی رسوبات معدنی در داخل خط را به همراه دارد؛ زیرا با آب معمولی از خارج سروکار دارد. این رسوبات ممکن است جریان آب را مسدود کرده و در نتیجه کارایی سیستم را کاهش دهند.

پمپ های حرارتیِ منبع زمین

این سیستم ها که به عنوان پمپ های حرارتی زمین گرمایی نیز شناخته می شوند، از دماهای ثابتی در اعماق زمین برای گرم و یا خنک کردن فضای داخلی سازه استفاده می کنند. اینها، مانند پمپ های آب های عمیق، اغلب از آب به عنوان مبرد استفاده می کنند و نیازی به تراکم یا تبخیر ندارند. با این حال، انواع تراکمی و تبخیریِ معمول وجود دارند.

نوع مبرد آب، مانند پمپ های حرارتی مبتنی بر آب که از انرژی زیرِ آب های عمیق استفاده می کنند، متکی به شبکه ای از خطوط لوله کشی است که در اعماق زمین مدفون شده اند. آب در لوله ها به گردش در آمده و گرما را آزاد کرده و جمع آوری می کند تا زمانی که به دمای محیط زمین برسد. سپس آب به ساختار بالای زمین پمپ می شود، جایی که برای دفع یا جذب گرما استفاده می گردد.

در حالی که لوله کشی آب در زیر آب های عمیق به طور معمول بصورت افقی است، لوله کشی زیرزمینی اشکال و اندازه های مختلفی دارد. هنگامی که فضای افقی محدود است، می توان لوله ها را به صورت حلقه های عمودی U شکل قرار داد. چندین حفره عمیق در زمین حفر می شود و برای بهبود تبادل دما، هر یک از سوراخ های حفاری را می توان با آب زیرزمینی یا محیط دیگری پر کرد.

لوله‌ها را همچنین می‌توان در یک شبکه افقی U شکل که در سطحی زیر خط یخبندان قرار داشته باشد، جایی که فضای بیشتری وجود دارد، سازماندهی نمود. لوله های افقی را می توان با استفاده از تکنیکی به نام حفاری جهت دار افقی به صورت شعاعی مرتب کرد. این روش ترجیح داده می شود؛ زیرا می توان آن را بدون ایجاد اختلال در مسیرهای عبور و مرور یا سایر ویژگی های سطحی جاساز کرد.

هیت پمپ هیبریدی

مشکل اصلی سیستم‌های پمپ حرارتیِ دو دستۀ اول این است که نمی توانند گرمای کافی را در مکان‌های واقعاً سرد فراهم کنند. در دماهای انجماد یا کمتر از آن، پمپ های هوا به هوا عملاً قادر نیستند به درستی کار کنند. در نتیجه، سیستم ها باید به گرمای اضطراری گران قیمت در صورت وجود سرمای شدید متکی باشند.

سرمایش با سیستم های زمین گرمایی و زیر آبی بسیار کارآمدتر از گرمایش آنها است. دمای عمیق زیرزمین / زیر آب می تواند به پنجاه تا شصت درجه فارنهایت برسد. این دما در خنک کردن یک اتاق گرم بسیار موثرتر از گرم کردن یک فضای سرد است.

در نتیجه، انواع پمپ های حرارتی هیبریدی برای کمک به فرآیند گرمایش در دسترس قرار گرفته اند. این پمپ ها به عنوان پمپ های حرارتی منبع هوا عمل می کنند که از منابع انرژی اضافی برای ایجاد گرمای بیشتر برای انتشار در داخل خانه استفاده می کنند. در اینجا به چند نمونه اشاره می گردد:

• گاز طبیعی به عنوان منبع گرما در پمپ های حرارتی گاز سوز استفاده می شود که گرمای بیشتری را در مکان های سرد فراهم می کند. این نوع پمپ حرارتی همچنین ممکن است گرمایش و سرمایش را با استفاده از سیستم تبرید آب-آمونیاک تامین کند.
• پمپ های حرارتی با انرژی خورشیدی ممکن است سیستم را با استفاده از پنل های خورشیدی به عنوان منبع انرژی هدایت و گرم کنند. علاوه بر این، آنها ممکن است از نور مستقیم خورشید به عنوان منبع گرما استفاده کنند.

ویژگی های پیشرفته هیت پمپ

عملکرد هیت پمپ یا پمپ های حرارتی با چندین نوآوری بهبود یافته است.

برخلاف کمپرسورهای معمولی که فقط با ظرفیت کامل کار می‌کنند، کمپرسورهای دو سرعته و یا اساساً کمپرسورهایی با قابلیت کنترل ظرفیت، پمپ‌های حرارتی را قادر می‌سازند تا نزدیک به ظرفیت گرمایش یا سرمایش مورد نیاز در هر دمای خارجی مشخصی کار کنند و انرژی را حفظ کرده و استهلاک کمپرسور را به حداقل برسانند. پمپ های حرارتی با چنین کمپرسوری با سیستم های کنترل زون به خوبی کار می کنند. در سیستم‌های کنترل زون که معمولاً در ساختمان های بزرگ‌تر یافت می‌شوند، دمپرهای خودکار به پمپ حرارتی اجازه می‌دهند تا اتاق‌های مختلف را در دماهای مختلف نگه دارد.

فن های داخلی (دمنده ها)، فن های خارجی (فن کندانسور) یا هر دو با موتورهای سرعت متغیر یا دو سرعته در برخی از انواع پمپ حرارتی عرضه می شوند. با کنترل سرعت چرخش این فن ها تلاش می شود تا جریان هوا را در سرعت مناسبی تثبیت کند و صرفه جویی در انرژی را افزایش دهد. همچنین میزان نویز ایجاد شده توسط دمنده را در حین کار کاهش می دهد.

در پمپ‌های حرارتی با راندمان بالا، یک دی‌سوپرهیتر، گرمای تلف شده را از فاز خنک‌کنندۀ پمپ حرارتی بازیابی می‌کند و از آن برای گرم کردن آب استفاده می‌کند. یک پمپ حرارتی با دی سوپرهیتر ممکن است آب را ۲ تا ۳ برابر سریعتر از آبگرمکن برقی استاندارد گرم کند.

کمپرسور اسکرال که از دو اسکرول مارپیچی شکل تشکیل شده است، یکی دیگر از پیشرفت‌های فناوری پمپ حرارتی است. چنانکه یکی ثابت مانده و دیگری دور آن می چرخد و مبرد را با فشار دادن به فضاهای کوچکتر و کوچکتر متراکم می کند. کمپرسورهای اسکرال عمر عملیاتی بیشتری داشته و نسبت به کمپرسورهای پیستونی سنتی بی صداتر هستند. طبق برخی منابع، در مقایسه با پمپ های حرارتی معمولی با کمپرسورهای پیستونی، پمپ های حرارتی با کمپرسورهای اسکرال، 10 تا 15 درجه فارنهایت هوای گرم تری را در حالت گرمایش ارائه می دهند.

اگرچه بیشتر پمپ‌های حرارتی از هیترهای برقی به عنوان پشتیبان برای فصل سرما استفاده می‌کنند، اما می توان پمپ‌های حرارتی را با یک کورۀ گازی نیز در قالب سیستم کمکی نصب نمود که در این صورت اغلب به عنوان یک سیستم دوگانه سوز یا هیبریدی از این پمپ حرارتی یاد می‌شود. اینها به کاهش مشکل پمپ حرارتی ناشی از کارکرد ناکارآمد در دماهای پایین کمک می کند و مصرف برق آن را به حداقل می رساند. از آنجایی که تعداد کمی از تولیدکنندگان پمپ حرارتی هر دو منبع گرما را در یک واحد ترکیب می کنند، غالباً دو سیستم معمولی کوچکتر در کنار هم قرار گرفته تا فضای یکسانی را تغذیه کنند.

پیشنهاد مطالعه:

بررسی و عملکرد انواع دستگاه هواساز

بررسی و شناخت انواع فن کویل

نتیجه گیری

برخلاف کوره ها یا سیستم های رایج تهویه مطبوع، پمپ های حرارتی برای همه آب و هواها از نظر انرژی کارآمد هستند. پمپ های حرارتی مانند یخچال شما از برق برای انتقال گرما از یک مکان سرد به یک مکان گرم استفاده می کنند، فضای خنک را خنک و فضای گرم را گرم می کنند. اگرچه در اینجا به انواع پمپ های حرارتی به اختصار اشاره شده است، اما برای درک درست مزایا و معایب هر فناوری، بررسی عمیق تری از هر یک مورد نیاز است.