المضخات الحرارية

يمكن فهم درجة الحرارة على أنها تركيز الطاقة الحرارية في أي مادة أو حيز معيّن. إذا كانت هناك طاقة كثيرة محشورة في حيز أو جسم معيّن، فهو ساخن. وإذا كانت الطاقة موزعة نسبياً، فهو بارد.

تعني درجة الحرارة الأعلى أن جزيئات المادة تمتلك طاقة حركية أكبر - أي إنها تهتز أسرع في المادة الصلبة، أو تتحرك أسرع وتصطدم بوتيرة أعلى في السائل أو الغاز. وعندما تهتز أو تتصادم، نشعر بهذه الطاقة الحركية على أنها طاقة حرارية (أي حرارة). لذلك يمكن رفع درجة الحرارة بإضافة مزيد من الطاقة بنشاط من مصدر خارجي أو بتركيز تلك الطاقة عبر حشر جزيئات (أكثر) في حيز أصغر.

وفقاً للقوانين الأساسية للديناميكا الحرارية، تميل الطاقة دائماً إلى الانتشار أو الانتقال من مناطق تركيز الطاقة العالي إلى تركيز الطاقة المنخفض، إلى أن تصبح كل الأشياء متوازنة ومتساوية (وهذا يسمى الإنتروبيا - انظر فيديوهات إضافية). لهذا، في الأيام الباردة، تتبدد الطاقة الحرارية من المنزل الدافئ إلى الخارج البارد. يمكن إبطاء انتقال الحرارة هذا بالعزل، لكن المضخات الحرارية تعكس هذا الانتقال بالكامل عبر استخدام ذكي للمبادئ نفسها ولسائل خاص مضغوط يسمى مادة التبريد.

ما يجعل مواد التبريد مفيدة بشكل خاص هنا هو أنه يمكننا تغيير نقطة غليانها بسهولة.

نقاط الغليان

لنغص في علم نقاط الغليان. يشير الغليان إلى تحوّل السائل بالتبخر إلى غاز، عندما تكتسب الجزيئات طاقة حركية كافية للتحرر من القوى بين الجزيئات التي تبقي السائل متماسكاً. في السائل، تنكسر هذه القوى وتتكوّن من جديد باستمرار، مما يتيح للجزيئات المرور بجانب بعضها. ويتطلب تحويل السائل إلى غاز طاقة كافية لكي تنفصل جزيئاته تماماً. ولا يلزم أن يحدث هذا عند 100°م (212°ف) بالضبط كما يحدث عادة للماء، ولا حتى عندما تكون الحرارة مرتفعة…

مثلاً، إذا سخّنت غلاية على جبل، ستجد أنها تغلي فعلياً عند درجة حرارة أقل. ذلك لأن الضغط الجوي على الارتفاعات العالية أقل منه عند مستوى سطح البحر، ما يتيح للجزيئات الانتشار والتحرر بسهولة أكبر، ولذلك تحتاج المياه إلى طاقة أقل كي تغلي. وعلى العكس، تحت ضغط أعلى، تنضغط جزيئات الماء معاً وتحتاج طاقة أكبر - وبالتالي درجات حرارة أعلى - كي تغلي وتتحرر. لذلك، يمكن للضغط أن يغيّر نقطة غليان الماء.

الحرارة المحسوسة مقابل الحرارة الكامنة

عادةً، عندما تسخّن (أو تبرّد) شيئاً مثل الماء، فإن إضافة الطاقة (أو إزالتها) تغيّر درجة حرارته أولاً، بزيادة (أو خفض) الطاقة الحركية لجزيئاته وجعلها تتحرك أو تهتز أسرع (أو أبطأ). تسمى هذه الطاقة الحرارة المحسوسة، وهي ما نشعر به عندما يبدو شيء ساخناً أو بارداً عند لمسه.

لكن هناك حيلة أخرى - ما إن يصل الماء إلى نقطة غليانه، تتوقف درجة حرارته عن الارتفاع. وبدلاً من ذلك، تُستخدم كل تلك الطاقة الحرارية فجأة لكسر الروابط التي تمسك الجزيئات معاً وفصلها عن بعضها، فتحوّل الماء إلى بخار. لن تبدأ درجة حرارة الماء (أو بالأحرى، بخار الماء الناتج) بالارتفاع مجدداً حتى يتبخر كل الماء. وينطبق الأمر نفسه على ذوبان الجليد من الحالة الصلبة إلى السائلة. تسمى هذه الحرارة الكامنة وهي كمية هائلة من الطاقة. في الواقع، يتطلب تبخير الماء طاقة تعادل 7 أضعاف الطاقة اللازمة أصلاً لرفع حرارة الماء إلى نقطة غليانه.

ولهذا السبب يبدو الهواء أدفأ في الأيام الرطبة حتى عندما تكون درجة الحرارة نفسها في الخارج (أو عندما تقول تقارير الطقس إنها درجة معيّنة، لكنها ‘تبدو وكأنها’ درجة أخرى) - إذ يحتوي بخار الماء الإضافي في الهواء على طاقة حرارية أكثر مما في الهواء الجاف (أي إنه يحتوي على كل هذه الحرارة الكامنة الإضافية).

وهكذا أيضاً يبرّدك التعرّق: فعندما يتبخر العرق، يمتص كمية هائلة من حرارة الجسم كطاقة كامنة ويحمل تلك الحرارة بعيداً عن جلدك. وفي الظروف الرطبة، حيث يوجد الكثير من الماء المتبخر في الهواء أصلاً، تتباطأ هذه العملية، فتبدو الظروف أشد حرارة بكثير.

ويحدث العكس عندما يتكثف الماء من بخار عائداً إلى سائل. فكما أضفت حرارة لغلي الماء، يعيد إطلاق كمية هائلة من الطاقة عندما يتكثف. وبهذه الطريقة، عندما يغيّر أي شيء حالته - أي يغلي أو يذوب أو يتكثف أو يتجمد - فإنه يحتاج إلى امتصاص أو إطلاق طاقة حرارية ‘كامنة’ أثناء ذلك، مع تكسّر تلك الروابط أو تكوّنها.

درجة الحرارة مقابل الضغط

إذن، إضافة الحرارة أو إزالتها تغيّر درجة الحرارة، لكن شيئاً مشابهاً يحدث عندما تغيّر الضغط.

يمكن تطبيق الضغط على المواد الصلبة والسوائل والغازات، لكن يمكن ضغط الغازات بسهولة لأن بين جزيئاتها فراغاً، وهي متباعدة نسبياً. أما السوائل والمواد الصلبة فلا يمكن ضغطها بالطريقة نفسها، لأنك لا تستطيع حشر جزيئاتها أقرب مما هي عليه بالفعل. وبالنسبة للسائل، فإن تطبيق الضغط يجعل بدلاً من ذلك انفصال الجزيئات إلى غاز أصعب. البخار نوع من الغاز يمكن، تحت درجة حرارة حرجة، ضغطه مباشرة إلى سائل من دون تبريده بنشاط. وهذا غير ممكن لكل الغازات، أي إن كل البخارات غازات، لكن ليست كل الغازات بخارات.

نعرف أن بخار الماء يتكثف بسهولة أكبر عندما يكون تحت الضغط، لأن ذلك يساعد على حشر الجزيئات أقرب إلى بعضها. لكن مع ضغط كافٍ، يمكنك ضغط بخار الماء مباشرةً ليعود سائلاً من دون الحاجة إلى تبريده. ثم، عندما يتكثف البخار إلى سائل، يطلق كل طاقته الكامنة. وعلى العكس، عند ضغط منخفض بما يكفي، ستنتشر جزيئات السائل من دون الحاجة فعلياً إلى أي حرارة. ثم عندما تنفصل وتتبخر، تمتص طاقة كامنة من محيطها.

لكن هذا يخلق نوعاً من شد الحبل. فعند ضغط الغازات والأبخرة، يؤدي تطبيق الضغط أيضاً إلى زيادة درجة حرارتها. حشر الجزيئات في حيز أصغر (أو حشر جزيئات أكثر في الحيز نفسه) يزيد تركيز الجزيئات - تصبح الجزيئات أقرب إلى بعضها، وتحدث التصادمات بوتيرة أعلى، وتتركز طاقة حركية أكبر داخل ذلك الحيز.

وهنا يصبح الأمر معقداً - فعند رفع الضغط، تحصل على تأثيرات متعارضة: تنحشر جزيئات البخار معاً فتزداد احتمالات تكثفها، لكن هذا يرفع أيضاً درجة الحرارة، ما يجعل تكثفها أقل احتمالاً.

لقد ارتفعت الآن نقطة غليان (أو تكثف) البخار بسبب الضغط، أي إنه سيتطلب إدخال طاقة أكبر ودرجة حرارة أعلى للحفاظ على البخار كغاز في ظروف الضغط المرتفع الجديدة هذه.

لذلك، لو بقيت درجة حرارته نفسها، فمع الضغط الإضافي سيصبح أقرب بكثير إلى الهبوط تحت نقطة الغليان الجديدة والتكثف.

لكن بالطبع، درجة حرارته قد تغيّرت، إذ ارتفعت أيضاً نتيجة الضغط. لذلك، بينما يرفع الضغط نقطة الغليان، فإنه يرفع أيضاً درجة حرارة البخار، وهذه الزيادة المتزامنة في الحرارة تقاوم عملية التكثف وتحافظ على البخار في حالته الغازية فوق نقطة الغليان التي ترتفع باستمرار.

ولكي تجعل البخار يتكثف فعلاً، تحتاج إما إلى رفع الضغط أكثر - حتى تتجاوز نقطة الغليان الصاعدة الارتفاع المتزامن في درجة الحرارة - أو تبريده، بسحب الحرارة منه بنشاط، مما يتيح لكل تلك الطاقة الحركية الإضافية أن تتبدد وتهبط درجة الحرارة تحت نقطة غليانه الجديدة.

يوضح هذا مدى الترابط الوثيق بين درجة الحرارة ونقاط الغليان والضغط. يمكنك إجبار شيء على تغيير درجة حرارته (أو حالته) إما عبر 1) إضافة أو إزالة طاقة حرارية محسوسة (أو كامنة) بنشاط أو 2) تغيير الضغط، الذي يمكن بدوره أن يؤدي إلى امتصاص الحرارة الكامنة أو إطلاقها. وزيادة ضغط سائل أو غاز ترفع نقطة غليانه (أي درجة الحرارة التي يتبخر أو يتكثف عندها).

وبالطبع، ينطبق كل هذا على مركبات أخرى غير الماء: ولهذا يبدو رش عبوة مزيل عرق مضغوط بارداً على الجلد - فالانخفاض السريع في الضغط عند إطلاقه يتيح لجزيئات الرذاذ السائلة (وطاقتها) الانتشار إلى غاز ويجعل درجة حرارتها تهبط بشدة.

لا تولّد المضخة الحرارية الحرارة كما تفعل الغلايات أو الأفران أو المدافئ الكهربائية التقليدية. بل تستخدم هذه المبادئ الديناميكية الحرارية لنقل الحرارة الموجودة أصلاً بعكس تدفقها الطبيعي، أي تلتقط طاقة حرارية منخفضة الدرجة (أي منتشرة) من الخارج وتُركّزها في الداخل. ويتحقق ذلك باستخدام مادة تبريد في نظام مغلق، تشغّله أربعة مكوّنات أساسية: ضاغط، وصمام تمدد، ومبادلان حراريان يُعرفان باسم المبخر والمكثف. في الواقع، هذا هو بالضبط النظام المستخدم في الثلاجات ومكيفات الهواء، لكنه يعمل بالاتجاه المعاكس (أي يركّز الحرارة داخل المنزل بدلاً من طردها). سنبدأ بالنظر إلى مضخة حرارية هواء-إلى-هواء، وهي في الأساس مكيف هواء يعمل بالعكس:

• الخطوة 1: عند الضغط الجوي العادي، تكون نقطة غليان مادة التبريد منخفضة جداً، نحو -50°C (-58°F). تبدأ الدورة كمزيج شديد البرودة من سائل وبخار عند ضغط منخفض جداً قريب من نقطة غليانها.
  تمر عبر ملف من الأنابيب يُعرف باسم المبخر وتبدأ بامتصاص الحرارة من الهواء الخارجي (الذي تدفعه مروحة عبر الملف). وبما أن مادة التبريد باردة جدًا، فإنها تمتص الحرارة حتى عندما يكون الجو باردًا نسبيًا في الخارج - حتى في درجات حرارة هواء تحت الصفر (°C)^† - طالما ظل الهواء أدفأ من مادة التبريد نفسها. ومع امتصاصها للحرارة، ترتفع حرارتها، وسرعان ما تتجاوز نقطة غليانها المنخفضة وتتبخر إلى غاز. وعندما يحدث ذلك، تمتص طاقة أكبر أي حرارتها الكامنة.
• الخطوة 2: الآن صارت مادة التبريد بخاراً غازياً بالكامل تحت ضغط منخفض. وما زالت باردة نسبياً (في أقصى حد بدرجة حرارة الهواء في الخارج)، لكنها تحمل قدراً كبيراً من الطاقة بفضل الحرارة الكامنة الإضافية التي امتصتها.
  ثم يمر غاز التبريد عبر الضاغط. يؤدي ذلك إلى رفع ضغط الغاز وضغطه، فيقرّب الجزيئات من بعضها ويحشر طاقتها كلها في حيز أصغر (أي إن الجزيئات تتصادم أكثر، فتزداد طاقتها الحركية)، وترتفع درجة الحرارة.
  إن ضغط البخار هو ما يسخّنه. والآن تصبح مادة التبريد ساخنة إلى حدّ ما، عادةً نحو 50-70°م (120-160°ف) - ساخنة بما يكفي لتبقى غازاً، رغم أن نقطة غليانها ارتفعت أيضاً.
• الخطوة 3: تمر مادة التبريد بعد ذلك إلى الوحدة الداخلية وعبر ملف آخر يُعرف باسم المكثف. تكون مادة التبريد الآن أسخن بكثير (طاقتها أكثر تركيزاً) من الهواء في الداخل، لذا تتحرر الحرارة طبيعياً وتتدفق إلى الغرفة. وبينما يحدث ذلك، تبرد. ولا تحتاج إلى أن تبرد كثيراً قبل أن تنخفض تحت نقطة غليانها الجديدة، التي ارتفعت بسبب الضغط المتزايد في ملف المكثف. ثم تتكثف بسهولة من جديد إلى سائل وتطلق تلك الكمية الهائلة من الطاقة الكامنة - ما يكفي لتدفئة غرفة أو منزل كامل.
• الخطوة 4: أصبحت مادة التبريد الآن سائلاً بارداً (قريباً من حرارة الغرفة) تحت ضغط مرتفع، وقد فقدت معظم طاقتها الحرارية، وتمر عبر صمام تمدد يخفض الضغط. يقلل هذا الضغط في الأنبوب ويسمح لمادة التبريد بالتمدد - وبذلك تنتشر جزيئاتها وتسمح للطاقة المتبقية بالتبدد إلى الخارج. يعيد هذا مادة التبريد إلى خليط من سائل وبخار ويجعلها باردة جداً فجأة، جاهزة لبدء الدورة من جديد والمرور عبر المبخر لجمع مزيد من الحرارة.

يوضح هذا كيف يمكن للتحكم بالضغط وتغيرات الحالة والحرارة الكامنة نقل كميات كبيرة من الطاقة، أكبر بكثير مما يمكن نقله عبر فروق الحرارة الأساسية باستخدام الحرارة المحسوسة وحدها. في المقابل، يبدد الماء الساخن في المشعاع بسرعة حرارته المحسوسة التي يمكنك الشعور بها (والتي نعرف أنها قليلة نسبياً مقارنة بالحرارة الكامنة)، لذا تحتاج تدفئة غرفة كاملة إلى إمداد مستمر بمزيد من الماء الساخن عبر المشعات. يمكن أن يكون معدل تدفق مادة التبريد في المضخة الحرارية أقل بكثير لتوفير الكمية نفسها من الحرارة. ولحسن الحظ، يمكن أيضاً دمج المضخات الحرارية مع الغلايات وأنظمة التدفئة المائية لنقل الحرارة إلى الماء المتدفق عبر المشعات والتدفئة تحت الأرضية وإمدادات المياه المنزلية (انظر أنواع المضخات الحرارية).

^† ملاحظة: تبقى الحرارة أو الطاقة الحرارية موجودة حتى عندما تكون الحرارة أقل من 0°C - لكنها تكون منتشرة جداً. و0°C نفسها علامة اعتباطية على مقياس حرارة متصل (مقياس سيليسيوس)، يستند إلى نقطة انصهار/تجمد الماء تحت الضغط الجوي العادي. لذلك، يمكن أن ينخفض مقياس سيليسيوس تحت الصفر إلى أرقام سالبة.

يعتمد «الصفر المطلق» الحقيقي على مقياس مطلق للطاقة (مقياس كلفن)، يحدد أدنى درجة حرارة ممكنة نظرياً لأي مركب، حيث تكون الطاقة عند حدها الأدنى المطلق. لا ينخفض مقياس كلفن تحت 0K، الذي يعادل -273°C، لأنه لا يمكن أن توجد طاقة سالبة. نظرياً، يمكن أن تعمل المضخة الحرارية عند أي درجة حرارة أعلى من ذلك. عملياً، تستطيع المضخات الحرارية الحديثة استخراج الطاقة من هواء بارد حتى -20°C (أي 253K). وإذا كان الأداء ضعيفاً فوق هذه الظروف، فعادة ما يكون السبب التصميم أو التركيب لا التكنولوجيا نفسها.

تستخدم المضخات الحرارية الكهرباء لنقل الحرارة من مكان إلى آخر، بدلًا من توليدها. أما أنظمة التدفئة التقليدية فتولّد الحرارة، إما عبر المقاومة الكهربائية («التدفئة المقاومة»، المستخدمة في المدافئ الكهربائية) أو بحرق الوقود الأحفوري مثل الفحم أو الغاز في فرن أو غلاية.

وهذا يجعل المضخات الحرارية أكثر كفاءة بكثير. في أفضل الأحوال، قد تصل كفاءة فرن أو غلاية غاز عاديين إلى نحو 90% - إذ تفلت حتمًا بعض طاقة الاحتراق مع الدخان الساخن عند إطلاق بخار الماء (على شكل طاقة كامنة غير مستعادة). أما المدافئ الكهربائية، فتشغيلها بكهرباء الشبكة - التي تُنتج بحرق الوقود الأحفوري وتُنقل عبر المحولات وأميال من خطوط النقل من محطات الطاقة - لا يوفّر سوى نحو 40% من الطاقة الكيميائية الأصلية الموجودة في ذلك الوقود الأحفوري المحروق بعيدًا عن الموقع.

في المقابل، تستهلك المضخات الحرارية كمية صغيرة نسبيًا من الكهرباء لتشغيل المراوح في الوحدتين الداخلية والخارجية وتشغيل الضاغط. يتغير طور مادة التبريد داخل الدائرة في عملية طبيعية وتلقائية - فالمضخة الحرارية تهيئ فقط الظروف المناسبة لحدوث ذلك. لذلك، تستطيع مضخة حرارية مصممة ومركبة جيدًا نقل أكثر من 3 أضعاف كمية الطاقة التي تستهلكها من الكهرباء (أي 300%). وفي الظروف المثالية (انظر أنظمة التدفئة)، قد ترتفع إلى أكثر من 5 أضعاف، أو حتى 8 أضعاف (500-800%).

الكفاءة = الطاقة الناتجة (الحرارة التي تحصل عليها) ÷ الطاقة أو الوقود الداخل (ما تدفع ثمنه)

بحسب مكان سكنك، تكون أسعار الكهرباء عادة أعلى بكثير من أسعار الغاز. ففي المملكة المتحدة مثلًا، تكلف الكهرباء نحو 3 أضعاف سعر الغاز. لكن لأن المضخات الحرارية يمكن أن تعمل بكفاءة تتجاوز 300%، فقد يكون تشغيلها أرخص من غلايات الغاز - خصوصًا مع تقلص فرق السعر بين الكهرباء والغاز مع التحول إلى شبكات وسياسات أكثر خضرة، وانخفاض سعر الكهرباء.

الخيار الأرخص والأكثر كفاءة هو تشغيل المضخات الحرارية بالكهرباء المتجددة. لكن حتى لو كانت المضخة الحرارية تعمل بكهرباء مولدة من الوقود الأحفوري، فقد تظل أكثر كفاءة وأقل كلفة من أنظمة التدفئة التقليدية. قد لا تتمكن مضخة حرارية تعمل بمعامل كفاءة يبلغ 2.5 فقط من الاستفادة إلا من 40% من الطاقة الأصلية في الغاز الطبيعي المحروق في محطة الطاقة، لكن باستخدام تلك الكهرباء لنقل طاقة تعادل 2.5 ضعف الطاقة التي تستهلكها، ترفع تلك الـ40% إلى 100% - وبذلك تتجاوز حتى كفاءة 90% التي يحققها حرق الغاز في الموقع.

تعتمد كيفية تحوّل كفاءة المضخة الحرارية إلى أداء فعلي وتكاليف تشغيل على:

• حجم المنزل: تحتاج المنازل الأكبر إلى طاقة أكثر للتدفئة.
• العزل: تحتفظ المنازل المعزولة جيدًا بالحرارة وتسمح للمضخات بالعمل عند درجات حرارة أقل وأكثر كفاءة.
• تصميم النظام وتركيبه: قد يؤدي التركيب السيئ أو قِدم الوحدات إلى ضعف الأداء وزيادة التكلفة مقارنة بالغلاية، لكن الوحدات الحديثة المركبة جيدًا قد توفّر مبلغًا كبيرًا من المال.

هناك عدة أنواع مختلفة من المضخات الحرارية، لكنها كلها تستخدم المبادئ الأساسية نفسها. أكثر الأنواع شيوعًا تستخرج الحرارة من الهواء:

• هواء إلى هواء مضخات الحرارة هي في الأساس أنظمة تكييف تعمل بالعكس. كلاهما يستخدم مبدلين حراريين بملف ومروحة، حيث تدفع مروحة الهواء عبر كل ملف يحتوي على مادة التبريد لتمتص الحرارة أو تطلقها. لا فرق يُذكر بينها وبين المكيفات، إلا أن مادة التبريد تنقل الحرارة في الاتجاه المعاكس - ففي المكيفات، يكون المبخر في الداخل لامتصاص الحرارة، والمكثف في الخارج لإطلاقها.
  يمكن للمضخات الحرارية هواء-إلى-هواء تدفئة الغرف أسرع، ويمكن أحياناً عكس عملها لتوفير التبريد. هنا، يمكن تبديل المبخر والمكثف، ويعكس صمام إضافي تدفق مادة التبريد من دون الحاجة إلى عكس الضاغط. ويمكن أن يوفر هذا أيضاً مزايا تكييف الهواء وإزالة الرطوبة: يمتص ملف المبخر الحرارة من محيطه، فيجعل كل ما حوله شديد البرودة - يتكثف بخار الماء من الهواء عند ملامسته للملف، ما يقلل بذلك رطوبة الغرفة.
  هي أرخص وأسهل في وضعها حول الأثاث؛ لكنها عموماً أقل راحة في أماكن المعيشة (قد تكون مزعجة وصاخبة وتنفخ الهواء وتسبب حركات هواء مضطربة، كما ترفع الحرارة وتخفضها مراراً فوق المستوى المطلوب وتحته)، ويصعب معها توزيع الحرارة بالتساوي في المنزل، وغالباً ما تحتاج إلى عدة وحدات داخلية في غرف مختلفة، أو إلى نظام قنوات يوصل الهواء الدافئ إلى أنحاء المبنى. بالإضافة إلى ذلك، ستظل بحاجة إلى شكل من أشكال التدفئة الإضافية لمياهك الساخنة المنزلية.
• تستخدم المضخات الحرارية هواء-إلى-ماء ملفًا أو مبادلًا حراريًا بلوح معدني لنقل الحرارة من مادة التبريد إلى الماء الجاري عبر مشعاتك وتدفئة الأرضية، أو إلى الماء داخل خزان مياه الاستخدام الساخنة (وهذان نظامان منفصلان؛ فلا تريد الاستحمام بماء المشعات!). تسخن هذه الأنظمة وتبرد ببطء أكبر. لذلك تناسب بيئة أكثر راحة واستقرارًا. ويتيح ذلك أيضًا استخدام خزان الماء الساخن كشكل من أشكال تخزين الطاقة. لكنها أغلى بكثير، وقد تتطلب تحديثات كبيرة للأنابيب والمشعات (التي تشغل مساحة على الجدار وقد يحجبها الأثاث). كما أن بعض الأماكن، مثل الولايات المتحدة، قد لا تكون فيها أنظمة مائية مركبة أصلًا.
• يمكن للأنظمة المشتركة استخدام المشعات وملفات-المراوح معًا، بحسب الغرفة، مثلًا مشعات في الحمامات ووحدات مروحة في الغرف الأخرى. وفي الوقت نفسه، تستطيع أنظمة استرداد الحرارة استخدام الحرارة التي تستخرجها أنظمة تكييف الهواء، والتي كانت ستُطرد عادة إلى الخارج في الصيف، لتسخين مياه الاستخدام الساخنة بدلًا من ذلك.

تأتي وحدات المضخات الحرارية من مصدر الهواء أيضًا بتصميمات مختلفة:

• كانت وحدات الكتلة-المنفصلة الأكثر شيوعًا تاريخيًا، إذ تضم وحدة مبادل حراري في الداخل وأخرى في الخارج. يكون الضاغط وصمام التمدد عادة في الوحدة الخارجية للحد من إزعاج الضوضاء وشغل مساحة أقل داخل المنزل. ثم تمتد أنابيب مادة التبريد من الخارج إلى الداخل، حيث يمكن وضع الوحدات بعيدًا عن بعضها لتحسين استخدام المساحة.
• أصبحت وحدات مونو بلوك أكثر شيوعًا الآن. وهي عادة مضخات حرارية هواء-إلى-ماء، إذ يوجد المبدلان الحراريان ودائرة مادة التبريد كاملة في وحدة خارجية واحدة، مع أنابيب توصل الماء الساخن إلى المشعات في الداخل. وهذا يلغي الحاجة إلى أنابيب مادة تبريد مصنوعة-خصيصًا تدخل المنزل وتخرج منه، فيوفر الوقت والتكلفة ويقلل المخاطر.

تعمل المضخات الحرارية من مصدر الهواء بفعالية في معظم الظروف، لكنها قد تواجه صعوبة تحت -20°C. وكما تستطيع أجهزة تكييف الهواء إزالة الرطوبة من الهواء، يمكن أن يتكثف الماء في الشتاء ويتجمد على الملف أو الوحدة الخارجية، مسببًا تراكم الصقيع. وقد يكون إصلاح ذلك سهلًا (مثلًا، تعكس الأنظمة دورة التبريد تلقائيًا ومؤقتًا للسماح بذوبان الصقيع) لكن هذا قد يقلل الكفاءة المتوسطة مع الوقت (مع وجود تقنيات جديدة ونشطة لإزالة الصقيع أو منعه).

تكون المضخات الحرارية من مصدر أرضي عادة أكثر كفاءة وفعالية عند درجات الحرارة المنخفضة، لأن درجات حرارة الأرض أكثر استقرارًا وثباتًا من الهواء، خصوصًا في الشتاء حين تكون الحاجة إلى التدفئة أكبر. تستخدم دائرة مغلقة أخرى من سائل متداول (عادة خليط من الماء وسائل مضاد للتجمد) تسمى المجمّع، تمتص الحرارة من الأرض (أو تودع الحرارة إذا عملت بالعكس للتبريد) وتنقل الحرارة إلى مادة التبريد عبر المبخر. وهناك نوعان رئيسيان من المجمّعات:

• تتضمن المصفوفات الأفقية أنابيب موضوعة في خنادق ضحلة. وكلما كانت الأنابيب أكثر انتشارًا (وأقل تكتلًا)، زادت الحرارة التي يمكنها استخراجها، وبالتالي زادت كفاءتها. كما يقلل هذا خطر سحب حرارة كبيرة إلى حد تجميد الأرض (ما قد يكون ضارًا جدًا). تغطي أكثر المجمّعات كفاءة أكبر مساحة ممكنة من الأرض ضمن دائرة واحدة متصلة.
• تتطلب المصفوفات الرأسية مساحة أقل بكثير وتمتد عميقًا داخل الأرض (بقدر ما تسمح به أي بنية تحتية موجودة تحت الأرض - يلزم إجراء مسوحات للأرض!). وهي تأتي بترتيبين مختلفين:
• • دائرة مغلقة - حفرة عميقة تُحفر مع حلقة أنبوب واحدة طويلة، ثم يُعاد ردمها. وقد يحتاج المنزل العادي إلى عدة حفر، بحسب عمق كل منها.
  • تستخدم الدوائر المفتوحة طبقات المياه الجوفية، أي تستخدم المياه الجوفية مباشرة كسائل نقل-للحرارة يمر حول دائرة المجمّع. وهي أكثر كفاءة (لديها نقطة-أو حاجز واحد أقل لنقل الحرارة) لكنها تحتاج إلى خبرة وصيانة أكثر (المياه المتسخة تتطلب تنظيف مرشحات النظام بانتظام).

تعتمد المضخات الحرارية من مصدر أرضي غالبًا على المياه الموجودة في الأرض لتوصيل الحرارة وتجديدها، وهذا يعتمد على مسامية التربة ونفاذيتها. وخيار أسهل هو استخراج الحرارة مباشرة من مسطح مائي بدلًا من ذلك.

يمكن للمضخات الحرارية من مصدر مائي أن تكون أكثر كفاءة واستقرارًا حتى من المضخات الحرارية من مصدر أرضي، وتتضمن دوائر مغلقة أو مفتوحة بالطريقة نفسها: باستخدام دائرة مغلقة منفصلة من سائل المجمّع تمر عبر الماء، أو باستخدام ماء المصدر مباشرة (ما يحسن الكفاءة مجددًا لكنه يتطلب تنظيفًا منتظمًا). ومعدل تجدد الماء (وبالتالي الحرارة المتاحة) مهم - فقد يكون الماء الجاري أكثر فعالية من الماء الراكد بلا تيارات نشطة تجدد المياه المجاورة. ومن الأفضل أيضًا أخذ الحرارة من أعلى المجرى وإخراج الماء المستخدم والمستنزف حراريًا إلى أسفل المجرى، لزيادة الكفاءة وتجنب إعادة تدوير ماء أبرد استُخدم بالفعل.

تتطلب المضخات الحرارية من مصدر أرضي ومائي تكاليف تركيب أولية أكبر بكثير، وتحتاج إلى مساحة أو مياه كافية، لكنها، بفضل كفاءتها الأعلى، يمكن أن تحقق توفيرًا أكبر في تكاليف التشغيل مع الوقت. لكن المضخات الحرارية من مصدر الهواء تحسنت كثيرًا وأصبحت أكثر قدرة على منافسة الأنواع الأخرى - إذ أصبح التركيز أقل على درجة حرارة مصدر الحرارة واستقراره، وأكثر على تحسين التصميم المائي ونظام التدفئة نفسه.

حساسات النظام والتحكم:

• منظمات الحرارة الذكية - يمكن أن تساعد في الحفاظ على تدفئة مستقرة عبر ضبط الحرارة بعناية وبخطوات صغيرة، بدل إيقاف التدفئة وتشغيلها مراراً.
• التعويض حسب الطقس - تُضبط التدفئة بشكل استباقي باستخدام حساسات ترصد درجة الحرارة الخارجية، قبل أن تؤثر في درجة الحرارة داخل منزلك.

درجات حرارة المياه في نظام التدفئة المائي:

• مشعات أكبر وخزانات مياه أكبر يمكنها أن تحتوي على ماء أكثر، وبالتالي طاقة حرارية أكبر عند درجة حرارة معيّنة. وهذا يعني أنها تستطيع إبقاء الماء عند درجات حرارة أقل لتخزين كمية الحرارة نفسها التي تخزنها الخزانات أو المشعّات الأصغر (أي بكثافة حرارية أقل). وهذا يقلل فروق درجات الحرارة بين الماء وما حوله، فيبطئ انتقال الحرارة. ورغم أن هذا يبطئ سرعة تدفئة النظام لمنزلك، توفر المشعّات الأكبر أيضاً مساحة سطح أكبر تطلق عبرها الحرارة، ما يعوّض بطء انتقالها. كما يزيد ذلك الاستقرار عبر توفير الحرارة بوتيرة أكثر ثباتاً وإبطاء فقدان الحرارة غير المرغوب فيه والمهدِر من الخزانات وأنابيب التوصيل.
  وفوق ذلك، يتيح هذا لنظام التدفئة أن يعمل بدرجات حرارة تدفق أقل عموماً. ولأن مادة التبريد يجب أن تكون أسخن من الماء لكي تنتقل الحرارة إليه، يتيح الماء الأبرد أن تبقى درجة حرارة مادة التبريد المستهدفة أقل. يجب أن يكون مصدر الحرارة دائماً أسخن لدفع انتقال الحرارة، لذا فإن ارتفاع درجة حرارة التدفق أو الخزان يجبر المضخة الحرارية على العمل بحرارة أعلى، بينما تعني درجات حرارة التدفق أو الخزان الأقل أن درجة حرارة مادة التبريد يمكن أن تبقى أقل أيضاً.
  كما أن انخفاض درجة الحرارة المستهدفة لمادة التبريد يعني فرقاً أصغر في الحرارة بينها وبين مصدر الحرارة الخارجي، وهو الفرق الذي يجب على المضخة الحرارية التغلب عليه. لذلك يكون أمام الضاغط عمل أقل لرفع ضغط مادة التبريد وحرارتها، ما يقلل استهلاك الكهرباء ويحسن الكفاءة.
• يمكن أن يساعد التطبّق (أي التكوّن الطبيعي لتدرّج حراري - أو «الثرموكلين» - داخل خزان المياه) على خفض حرارة الماء الذي يتلقى الحرارة من مادة التبريد، مما يزيد معدل نقل الحرارة أو يقلل الحاجة إلى مادة تبريد أسخن. لذلك، من الأفضل وضع ملف المبادل الحراري في قاع الخزان، حيث يستقر الماء الأثقل والأبرد تحت الماء الأدفأ.
  لهذا السبب، من الأفضل استخدام أسطوانات أطول وأنحف تبرز هذا التدرج الحراري، وتوجيه الماء البارد العائد من المشعات في أنحاء المنزل إلى قاع الخزان مع بقية الماء البارد (بضغط وسرعة منخفضين لتجنب تحريك الماء الموجود بالفعل في الخزان).

الأنابيب والمبادلات الحرارية:

• مبادلات حرارية أقوى يمكنها تسخين المياه أسرع أو بفروق حرارة أصغر في أنحاء النظام. مثلاً، تتمتع الملفات الأطول أو المضلعة بمساحة سطح أكبر، ولذلك يمكنها تحسين انتقال الحرارة. لكن:
• • إذا كان مسار التدفق طويلاً أو ضيقاً أكثر من اللازم، فسيحدّ من معدل تدفق مادة التبريد وبالتالي من نقل الحرارة. سيتعين على المضخة عندها أن تعمل بجهد أكبر، ما يرفع درجة حرارة الدخول المطلوبة من مادة التبريد في المضخة الحرارية.
  • إذا جعلت تجويف الملف واسعًا جدًا، سينخفض الضغط وسيتحرك السائل ببطء شديد، ما سيسمح بتكوّن طبقة عازلة حول جدار الأنبوب فتحدّ من انتقال الحرارة.
  
  وينطبق هذا أيضاً على أنابيب المياه والملفات التي تصل إلى مشعاتك وتمر عبرها. ويجب ضبط الأنابيب بدقة وموازنتها لتحقيق أقصى انتقال للحرارة عند المشع، مع تقليل فقدان الحرارة من أي أنابيب توصيل.

(مواد إضافية تستند إلى معلومات من Technology Connections وHeat Geek)