তাপ পাম্প

তাপমাত্রাকে কোনো পদার্থ বা জায়গায় তাপশক্তির ঘনত্ব হিসেবে বোঝা যায়। কোনো নির্দিষ্ট জায়গা বা বস্তুর মধ্যে অনেক শক্তি ঠাসাঠাসি করে থাকলে, সেটি গরম। শক্তি তুলনামূলকভাবে ছড়িয়ে থাকলে, সেটি ঠান্ডা।

বেশি তাপমাত্রা মানে কোনো পদার্থের অণুগুলোর গতিশক্তি বেশি - অর্থাৎ কঠিন পদার্থে তারা আরও দ্রুত কম্পন করে, আর তরল কিংবা গ্যাসে আরও দ্রুত চলাফেরা করে ও আরও ঘন ঘন ধাক্কা খায়। তারা যখন কম্পন করে বা ধাক্কা খায়, আমরা এই গতিশক্তিকে তাপশক্তি (অর্থাৎ তাপ) হিসেবে অনুভব করি। তাই বাইরে থেকে সক্রিয়ভাবে আরও শক্তি যোগ করে, বা কম জায়গায় (আরও) অণু চেপে ঢুকিয়ে সেই শক্তি ঘনীভূত করে তাপমাত্রা বাড়ানো যায়।

তাপগতিবিদ্যার মৌলিক সার্বজনীন নিয়ম মেনে, শক্তি সবসময় ছড়িয়ে পড়তে চায় বা শক্তির বেশি ঘনত্বের জায়গা থেকে কম ঘনত্বের জায়গায় যেতে চায়, যতক্ষণ না সবকিছু ভারসাম্যপূর্ণ ও সমান হয় (একে এনট্রপি বলে - পরের ভিডিওগুলো দেখুন)। এ কারণেই, ঠান্ডার দিনে উষ্ণ ঘর থেকে তাপশক্তি ঠান্ডা বাইরের দিকে ছড়িয়ে যায়। নিরোধক দিয়ে এই তাপ সঞ্চালন ধীর করা যায়, কিন্তু হিট পাম্প একই নীতির চতুর ব্যবহার আর রেফ্রিজারেন্ট নামে বিশেষ চাপযুক্ত তরল দিয়ে পুরো সঞ্চালনটাকেই উল্টে দেয়।

এখানে রেফ্রিজারেন্টকে বিশেষভাবে কাজে লাগানো যায় কারণ আমরা সহজেই এর স্ফুটনাঙ্ক বদলাতে পারি।

স্ফুটনাঙ্ক

চলুন স্ফুটনাঙ্কের বিজ্ঞানটা একটু খুঁটিয়ে দেখি। স্ফুটন বলতে তরল থেকে গ্যাসে বাষ্পীভবন বোঝায়, যখন অণুগুলো তরলকে একসঙ্গে ধরে রাখা আন্তঃআণবিক বল থেকে বেরিয়ে আসার মতো যথেষ্ট গতিশক্তি পায়। তরলে, এই বলগুলো ক্রমাগত ভাঙে ও আবার তৈরি হয়, ফলে অণুগুলো একে অপরকে পেরিয়ে চলতে পারে। তরলকে গ্যাসে বদলাতে এর অণুগুলোর পুরোপুরি আলাদা হয়ে যাওয়ার মতো যথেষ্ট শক্তি দরকার। সাধারণত পানির ক্ষেত্রে যেমন ঠিক ১০০°C (২১২°F)-এ হয়, এমনটা ঠিক সেখানেই হতে হবে এমন নয়, এমনকি গরম থাকলেই যে হতে হবে তাও নয়…

উদাহরণ হিসেবে, পাহাড়ে কেটলি গরম করলে দেখবেন সেটি আসলে কম তাপমাত্রায় ফুটে। কারণ বেশি উচ্চতায় বায়ুমণ্ডলীয় চাপ সমুদ্রপৃষ্ঠের চেয়ে কম থাকে, যা অণুগুলোকে আরও সহজে ছড়িয়ে পড়তে ও বেরিয়ে যেতে দেয়, তাই পানি ফোটাতে কম শক্তি লাগে। উল্টো দিকে, বেশি চাপে পানির অণুগুলো একসঙ্গে চেপে থাকে এবং ফুটে বেরিয়ে আসতে আরও শক্তি - আর তাই বেশি তাপমাত্রা - দরকার হয়। তাই চাপ পানির স্ফুটনাঙ্ক বদলাতে পারে।

সংবেদী বনাম সুপ্ত তাপ

এখন, সাধারণত পানি জাতীয় কিছু গরম (বা ঠান্ডা) করলে, শক্তি যোগ করা (বা সরানো) প্রথমে তার তাপমাত্রা বদলায়, অণুগুলোর গতিশক্তি বাড়িয়ে (বা কমিয়ে) এবং তাদের দ্রুততর (বা ধীরতর) চলা বা কম্পন করিয়ে। এই শক্তিকে সংবেদী তাপ বলা হয়, আর কোনো কিছু ছুঁলে গরম বা ঠান্ডা লাগার সময় আমরা এটিই অনুভব করি।

কিন্তু আরেকটা কৌশল আছে - পানি স্ফুটনাঙ্কে পৌঁছালে তার তাপমাত্রা আর বাড়ে না। বরং, সেই সব তাপশক্তি হঠাৎ করে অণুগুলোকে ধরে রাখা বন্ধন ভাঙতে এবং একে অপরের থেকে আলাদা করতে ব্যবহৃত হয়, ফলে পানি বাষ্পে বদলে যায়। সব পানি বাষ্পীভূত না হওয়া পর্যন্ত পানির (বা বলা ভালো, তৈরি হওয়া জলীয় বাষ্পের) তাপমাত্রা আবার বাড়তে শুরু করবে না। কঠিন থেকে তরলে বরফ গলার ক্ষেত্রেও একই কথা। একে সুপ্ত তাপ বলা হয় এবং এটি বিপুল পরিমাণ শক্তি। আসলে, পানি বাষ্পীভূত করতে যত শক্তি লাগে, প্রথমে পানির তাপমাত্রা তার স্ফুটনাঙ্ক পর্যন্ত বাড়াতে যত শক্তি লেগেছিল তার ৭ গুণ লাগে।

এই কারণেই বাইরে একই তাপমাত্রা থাকলেও আর্দ্র দিনে বাতাস বেশি গরম লাগে (বা আবহাওয়ার খবরে এক তাপমাত্রা বলা হয়, কিন্তু ‘অনুভূত তাপমাত্রা’ আরেকটা) - বাতাসে বাড়তি জলীয় বাষ্পে শুষ্ক বাতাসের চেয়ে বেশি তাপশক্তি থাকে (অর্থাৎ এতে এই বাড়তি সুপ্ত তাপ থাকে)।

ঘাম আমাদের ঠান্ডা করে এভাবেই: ঘাম বাষ্পীভূত হলে, এটি সুপ্ত শক্তি হিসেবে শরীরের বিপুল তাপ শোষণ করে এবং সেই তাপ ত্বক থেকে দূরে নিয়ে যায়। আর্দ্র অবস্থায়, যখন বাতাসে আগেই অনেক বাষ্পীভূত পানি থাকে, এই প্রক্রিয়া ধীর হয়ে যায়, ফলে পরিবেশটা অনেক বেশি গরম লাগে।

জলীয় বাষ্প আবার তরলে ঘনীভূত হলে উল্টোটা ঘটে। পানি ফোটাতে তাপ যোগ করার মতোই, ঘনীভূত হওয়ার সময় এটি বিপুল শক্তি আবার ছেড়ে দেয়। এভাবে, কোনো কিছু অবস্থার পরিবর্তন করলে - অর্থাৎ ফোটে, গলে, ঘনীভূত হয় বা জমে - বন্ধন ভাঙা বা তৈরি হওয়ার সময় তাকে ‘সুপ্ত’ তাপশক্তি শোষণ বা ছেড়ে দিতে হয়।

তাপমাত্রা বনাম চাপ

তাই তাপ যোগ বা অপসারণে তাপমাত্রা বদলায়, তবে চাপ বদলালেও একই রকম কিছু ঘটে।

কঠিন, তরল ও গ্যাসে চাপ প্রয়োগ করা যায়, কিন্তু গ্যাস সহজে সংকুচিত করা যায় কারণ তাদের অণুগুলোর মধ্যে ফাঁকা জায়গা থাকে এবং তারা তুলনামূলকভাবে ছড়িয়ে থাকে। অন্যদিকে তরল ও কঠিনকে একইভাবে সংকুচিত করা যায় না, কারণ তাদের অণুগুলোকে যতটা কাছাকাছি আছে তার চেয়ে আরও কাছে চেপে আনা যায় না। তরলের ক্ষেত্রে, চাপ প্রয়োগ করলে বরং অণুগুলোর গ্যাসে আলাদা হওয়া কঠিন হয়। বাষ্প হলো এমন এক ধরনের গ্যাস, যা সংকট তাপমাত্রার নিচে সক্রিয়ভাবে ঠান্ডা না করেও সরাসরি সংকুচিত করে তরলে বদলানো যায়। সব গ্যাসের ক্ষেত্রে এটি সম্ভব নয় অর্থাৎ সব বাষ্প গ্যাস, কিন্তু সব গ্যাস বাষ্প নয়।

আমরা জানি, চাপের মধ্যে থাকলে জলীয় বাষ্প আরও সহজে ঘনীভূত হয়, কারণ এতে অণুগুলোকে আরও কাছাকাছি চেপে আনা যায়। কিন্তু যথেষ্ট চাপ দিয়ে, ঠান্ডা না করেই জলীয় বাষ্পকে সরাসরি আবার তরলে সংকুচিত করা যায়। তারপর, বাষ্প তরলে ঘনীভূত হলে এটি তার সব সুপ্ত শক্তি ছেড়ে দেয়। উল্টো দিকে, যথেষ্ট কম চাপে তরলের অণুগুলো কোনো তাপ ছাড়াই ছড়িয়ে পড়বে। তারপর তারা আলাদা হয়ে বাষ্পীভূত হলে, আশপাশ থেকে সুপ্ত শক্তি শোষণ করে।

তবে এতে একটু টানাটানি তৈরি হয়। গ্যাস ও বাষ্পকে সংকুচিত করার সময়, চাপ প্রয়োগ করলে তাদের তাপমাত্রাও বাড়ে। অণুগুলোকে কম জায়গায় চেপে ঢোকালে (বা একই জায়গায় আরও অণু ঢোকালে) অণুর ঘনত্ব বাড়ে - অণুগুলো আরও কাছাকাছি থাকে, ধাক্কা আরও ঘন ঘন হয়, আর সেই জায়গার মধ্যে আরও গতিশক্তি ঘনীভূত হয়।

তাই এখানেই ব্যাপারটা জটিল হয় - চাপ বাড়ালে বিপরীতধর্মী প্রভাব দেখা যায়: বাষ্পের অণুগুলো একসঙ্গে চেপে যায়, তাই তাদের ঘনীভূত হওয়ার সম্ভাবনা বাড়ে, কিন্তু এতে তাপমাত্রাও বাড়ে, ফলে তাদের ঘনীভূত হওয়ার সম্ভাবনা কমে।

চাপের কারণে বাষ্পের স্ফুটনাঙ্ক (বা ঘনীভবনাঙ্ক) এখন বেড়েছে, অর্থাৎ এই নতুন উচ্চ-চাপের অবস্থায় বাষ্পকে গ্যাস হিসেবে রাখতে আরও শক্তি দিতে হবে এবং আরও বেশি তাপমাত্রা লাগবে।

তাই, এর নিজের তাপমাত্রা অপরিবর্তিত থাকলে, বাড়তি চাপে এটি নতুন স্ফুটনাঙ্কের নিচে নেমে গিয়ে ঘনীভূত হওয়ার অনেক কাছাকাছি থাকত।

কিন্তু অবশ্যই, এর নিজের তাপমাত্রা বদলেছে, চাপের কারণে সেটিও বেড়েছে। তাই চাপ স্ফুটনাঙ্ক বাড়ালেও, এটি বাষ্পের তাপমাত্রাও বাড়ায়, আর তাপমাত্রার এই একসঙ্গে বৃদ্ধি ঘনীভবন প্রক্রিয়াকে ঠেকায় এবং বাষ্পকে ক্রমাগত বাড়তে থাকা স্ফুটনাঙ্কের ওপরে গ্যাসীয় অবস্থায় রাখে।

বাষ্পকে সত্যি ঘনীভূত করতে হলে, হয় চাপ আরও বাড়াতে হবে - যতক্ষণ না বাড়তে থাকা স্ফুটনাঙ্ক একই সঙ্গে বাড়া তাপমাত্রাকে ছাড়িয়ে যায় - অথবা এটিকে ঠান্ডা করতে হবে, সক্রিয়ভাবে তাপ সরিয়ে নিতে হবে, যাতে সেই সব বাড়তি গতিশক্তি ছড়িয়ে যেতে পারে এবং তাপমাত্রা তার নতুন স্ফুটনাঙ্কের নিচে নেমে যায়।

এতে বোঝা যায় তাপমাত্রা, স্ফুটনাঙ্ক ও চাপ কতটা ঘনিষ্ঠভাবে যুক্ত। ১) সক্রিয়ভাবে সংবেদী (বা সুপ্ত) তাপশক্তি যোগ বা সরিয়ে অথবা ২) চাপ বদলে, যা আবার সুপ্ত তাপ শোষণ বা নিঃসরণে বাধ্য করতে পারে, কোনো কিছুর তাপমাত্রা (বা অবস্থা) বদলাতে বাধ্য করা যায়। আর কোনো তরল বা গ্যাসে চাপ দিলে তার স্ফুটনাঙ্ক বাড়ে (অর্থাৎ যে তাপমাত্রায় এটি বাষ্পীভূত বা ঘনীভূত হয়)।

অবশ্য, এসব শুধু পানি নয়, অন্য যৌগের ক্ষেত্রেও প্রযোজ্য: চাপযুক্ত ডিওডোরেন্টের ক্যান স্প্রে করলে ত্বকে ঠান্ডা লাগে এ কারণেই - বের হওয়ার সময় দ্রুত চাপ কমে গেলে তরল অ্যারোসল অণুগুলো (এবং তাদের শক্তি) ছড়িয়ে গ্যাসে পরিণত হতে পারে এবং এর তাপমাত্রা হুড়মুড়িয়ে কমে যায়।

হিট পাম্প প্রচলিত বয়লার, ফার্নেস বা বৈদ্যুতিক হিটারের মতো তাপ তৈরি করে না। বরং, এটি এই তাপগতিবিদ্যার নীতিগুলো ব্যবহার করে আগে থেকেই থাকা তাপকে তার স্বাভাবিক প্রবাহের বিপরীতে সরায় অর্থাৎ বাইরে থেকে নিম্ন-মানের (অর্থাৎ ছড়িয়ে থাকা) তাপশক্তি ধরে ঘরের ভেতরে ঘনীভূত করে। এটি করা হয় একটি বন্ধ-লুপ সিস্টেমে রেফ্রিজারেন্ট ব্যবহার করে, যা চারটি মূল অংশে চলে: একটি কম্প্রেসর, একটি এক্সপ্যানশন ভালভ, এবং দুটি হিট এক্সচেঞ্জার, যেগুলো ইভাপোরেটর ও কনডেনসার নামে পরিচিত। আসলে, এটি ফ্রিজ ও এয়ার কন্ডিশনারে ব্যবহৃত সিস্টেমের হুবহু একই জিনিস, শুধু উল্টো দিকে কাজ করে (অর্থাৎ তাপ বাইরে বের করে দেওয়ার বদলে ঘরের ভেতরে ঘনীভূত করে)। আমরা একটি এয়ার-টু-এয়ার হিট পাম্প দিয়ে শুরু করব, যা মূলত উল্টো দিকে চলা একটি এয়ার কন্ডিশনার:

• ধাপ ১: স্বাভাবিক বায়ুমণ্ডলীয় চাপে, রেফ্রিজারেন্টের স্ফুটনাঙ্ক খুবই কম, প্রায় -৫০°C (-৫৮°F)। চক্রের শুরুতে এটি তার স্ফুটনাঙ্কের কাছাকাছি খুব কম চাপে অত্যন্ত ঠান্ডা তরল-বাষ্প মিশ্রণ হিসেবে থাকে।
  এটি ইভাপোরেটর নামে পরিচিত পাইপের একটি কুণ্ডলীর ভেতর দিয়ে যায় এবং বাইরের বাতাস থেকে তাপ শোষণ করতে শুরু করে (একটি ফ্যান বাতাসকে কুণ্ডলীর ওপর দিয়ে প্রবাহিত করে)। রেফ্রিজারেন্ট এত ঠান্ডা যে বাইরে তুলনামূলক ঠান্ডা থাকলেও এটি তাপ শোষণ করে - এমনকি শূন্যের নিচের (°C) বায়ু তাপমাত্রাতেও^† - যতক্ষণ বাতাস রেফ্রিজারেন্টের চেয়ে উষ্ণ থাকে। তাপ শোষণের সঙ্গে সঙ্গে এটি উষ্ণ হয়, এবং শিগগিরই তার কম স্ফুটনাঙ্কের ওপরে উঠে গ্যাসে পরিণত হয়। এ সময় এটি আরও বেশি শক্তি অর্থাৎ তার সুপ্ত তাপ শোষণ করে।
• ধাপ ২: এখন রেফ্রিজারেন্ট কম চাপে পুরোপুরি গ্যাসীয় বাষ্প। এটি এখনও তুলনামূলক ঠান্ডা (সর্বোচ্চ বাইরের বাতাসের তাপমাত্রার সমান), কিন্তু শোষণ করা অতিরিক্ত সুপ্ত তাপের কারণে এতে যথেষ্ট শক্তি থাকে।
  এরপর রেফ্রিজারেন্ট গ্যাস একটি কম্প্রেসরের. ভেতর দিয়ে যায়। এটি গ্যাসকে চাপ দেয় ও সংকুচিত করে, অণুগুলোকে কাছাকাছি ঠেলে এবং তাদের সব শক্তিকে ছোট জায়গায় গুঁজে দেয় (অর্থাৎ অণুগুলোর সংঘর্ষ বেশি হয়, তাই তাদের গতিশক্তি বাড়ে), আর তাপমাত্রা বেড়ে যায়।
  এই সংকোচনই বাষ্পকে গরম করে। এখন রেফ্রিজারেন্ট বেশ গরম, সাধারণত প্রায় ৫০-৭০°C (১২০-১৬০°F) - এতটাই গরম যে স্ফুটনাঙ্কও বেড়ে যাওয়া সত্ত্বেও এটি গ্যাসই থাকে।
• ধাপ ৩: এরপর রেফ্রিজারেন্ট ইনডোর ইউনিটে যায় এবং কনডেনসার. নামে আরেকটি কুণ্ডলীর ভেতর দিয়ে প্রবাহিত হয়। রেফ্রিজারেন্ট এখন ঘরের বাতাসের চেয়ে অনেক বেশি গরম (এর শক্তি বেশি ঘনীভূত), তাই তাপ স্বাভাবিকভাবেই বেরিয়ে ঘরে ছড়িয়ে পড়ে। এ সময় এটি ঠান্ডা হয়। কনডেনসার কুণ্ডলীতে বেড়ে যাওয়া চাপের কারণে নতুন স্ফুটনাঙ্কের নিচে নামতে এটিকে খুব বেশি ঠান্ডা হতে হয় না। এরপর এটি সহজেই আবার তরলে ঘনীভূত হয় এবং বিপুল পরিমাণ সুপ্ত শক্তি ছেড়ে দেয় - যা একটি পুরো ঘর বা বাড়ি গরম করার জন্য যথেষ্ট।
• ধাপ ৪: রেফ্রিজারেন্ট এখন উচ্চ চাপে থাকা ঠান্ডা (ঘরের তাপমাত্রার কাছাকাছি) তরল, যার বেশিরভাগ তাপশক্তি শেষ হয়ে গেছে, এবং এটি চাপ কমানো এক্সপ্যানশন ভালভের ভেতর দিয়ে যায়। এতে পাইপের চাপ কমে এবং রেফ্রিজারেন্ট প্রসারিত হতে পারে - ফলে এর অণুগুলো ছড়িয়ে পড়ে এবং অবশিষ্ট শক্তি বাইরের দিকে অপসৃত হতে পারে। এতে রেফ্রিজারেন্ট আবার তরল-বাষ্প মিশ্রণে ফিরে যায় ও হঠাৎ খুব ঠান্ডা হয়ে পড়ে, আবার চক্র শুরু করতে এবং আরও তাপ সংগ্রহের জন্য ইভাপোরেটরের ভেতর দিয়ে ফিরে যেতে প্রস্তুত হয়।

এতে দেখা যায় কীভাবে চাপ, দশার পরিবর্তন ও সুপ্ত তাপ নিয়ন্ত্রণ করে বিপুল পরিমাণ শক্তি সরানো যায়, যা শুধু সংবেদী তাপ ব্যবহার করে সাধারণ তাপমাত্রার পার্থক্যের মাধ্যমে সরানো শক্তির চেয়ে অনেক বেশি। বিপরীতে, আপনার রেডিয়েটরের গরম পানি দ্রুত তার অনুভব করা যায় এমন সংবেদী তাপ ছড়িয়ে ফেলে (যা আমরা জানি সুপ্ত তাপের তুলনায় বেশ কম), তাই পুরো ঘর গরম রাখতে রেডিয়েটরের মাধ্যমে ক্রমাগত আরও গরম পানি দিতে হয়। একই পরিমাণ তাপ দিতে হিট পাম্পে রেফ্রিজারেন্টের প্রবাহের হার অনেক কম হতে পারে। ভালো ব্যাপার হলো, হিট পাম্পকে বয়লার ও পানি-ভিত্তিক হিটিং সিস্টেমের সঙ্গেও জোড়া যায়, যাতে এটি আপনার রেডিয়েটর, আন্ডারফ্লোর হিটিং ও গৃহস্থালি পানির সরবরাহে ঘুরতে থাকা পানিতে তাপ দিতে পারে (হিট পাম্পের ধরন দেখুন)।

^† নোট: তাপমাত্রা ০°C-এর নিচে হলেও তাপ বা তাপশক্তি থাকে - শুধু খুব ছড়িয়ে থাকে। ০°C নিজেই একটি অবিচ্ছিন্ন তাপমাত্রা স্কেলে (সেলসিয়াস স্কেল) ইচ্ছামতো নির্ধারিত একটি চিহ্ন, যা স্বাভাবিক বায়ুমণ্ডলীয় চাপে পানির গলন/হিমাঙ্কের ওপর ভিত্তি করে তৈরি। তাই সেলসিয়াস স্কেল শূন্যের নিচে ঋণাত্মক সংখ্যায় নামতে পারে।

সত্যিকারের ‘পরম শূন্য’ নির্ধারিত হয় শক্তির একটি পরম স্কেল (কেলভিন স্কেল) দিয়ে, যা যেকোনো যৌগের জন্য তাত্ত্বিকভাবে সম্ভব সর্বনিম্ন তাপমাত্রা বোঝায়, যেখানে শক্তি একেবারে সর্বনিম্নে থাকে। কেলভিন স্কেল ০K-এর নিচে নামে না, যা -২৭৩°C-এর সমান, কারণ ঋণাত্মক শক্তি হতে পারে না। এই তাপমাত্রার ওপরে যেকোনো অবস্থায়, তাত্ত্বিকভাবে একটি হিট পাম্প কাজ করতে পারে। বাস্তবে, আধুনিক হিট পাম্প -২০°C (অর্থাৎ ২৫৩K) পর্যন্ত ঠান্ডা বাতাস থেকে শক্তি নিতে পারে। এই অবস্থার ওপরে কর্মদক্ষতা খারাপ হলে, সাধারণত তার কারণ প্রযুক্তি নিজে নয় বরং নকশা বা ইনস্টলেশন।

তাপ পাম্প বিদ্যুৎ ব্যবহার করে এক জায়গা থেকে আরেক জায়গায় তাপ সরায়, তাপ তৈরি করে না। বিপরীতে, প্রচলিত হিটিং সিস্টেম তাপ তৈরি করে, হয় বৈদ্যুতিক রোধের মাধ্যমে (‘রেজিস্টিভ হিটিং’, যা ইলেকট্রিক হিটারে ব্যবহৃত হয়) অথবা ফার্নেস বা বয়লারে কয়লা বা গ্যাসের মতো জীবাশ্ম জ্বালানি পুড়িয়ে।

এতে তাপ পাম্প অনেক বেশি দক্ষ হয়। সাধারণ একটি গ্যাস ফার্নেস বা বয়লারের দক্ষতা সর্বোচ্চ প্রায় ৯০% হতে পারে - দহন থেকে কিছু শক্তি গরম ধোঁয়ার সঙ্গে জলীয় বাষ্প হিসেবে বেরিয়ে যায় (ধরা না-পড়া সুপ্ত শক্তির আকারে)। ইলেকট্রিক হিটারের ক্ষেত্রে, গ্রিডের বিদ্যুৎ দিয়ে চালানো - যা জীবাশ্ম জ্বালানি পুড়িয়ে তৈরি হয় এবং পাওয়ার স্টেশন থেকে ট্রান্সফরমার ও মাইলের পর মাইল ট্রান্সমিশন লাইনের মাধ্যমে আসে - ওই দূরের জীবাশ্ম জ্বালানিতে থাকা মূল রাসায়নিক শক্তির মাত্র প্রায় ৪০% ব্যবহার করতে পারে।

অন্যদিকে তাপ পাম্প ঘরের ভেতর ও বাইরের ইউনিটের ফ্যান চালাতে এবং কম্প্রেসর চালাতে তুলনামূলক কম বিদ্যুৎ খরচ করে। লুপের ভেতরের রেফ্রিজারেন্ট স্বাভাবিক, স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়ায় অবস্থার পরিবর্তন করে - তাপ পাম্প শুধু এর জন্য ঠিক পরিবেশ তৈরি করে। তাই, ভালোভাবে ডিজাইন ও ইনস্টল করা তাপ পাম্প যে পরিমাণ বিদ্যুৎ খরচ করে তার ৩x-এর বেশি শক্তি সরাতে পারে (অর্থাৎ ৩০০%)। আদর্শ পরিস্থিতিতে (দেখুন হিটিং সিস্টেম), এটি ৫-এর বেশি বা ৮x পর্যন্ত বেশি দক্ষ হতে পারে (৫০০-৮০০%)।

দক্ষতা = শক্তির আউটপুট (আপনি যে তাপ পান) ÷ শক্তি বা জ্বালানির ইনপুট (যার জন্য আপনি টাকা দেন)

আপনি কোথায় থাকেন তার ওপর নির্ভর করে, বিদ্যুতের দাম সাধারণত গ্যাসের দামের চেয়ে অনেক বেশি। যেমন, যুক্তরাজ্যে বিদ্যুতের দাম গ্যাসের প্রায় ৩x। কিন্তু তাপ পাম্প ৩০০%-এর বেশি দক্ষতায় চলতে পারে বলে, এগুলো গ্যাস বয়লারের চেয়ে চালাতে সস্তা হতে পারে - বিশেষ করে আরও সবুজ গ্রিড ও নীতির দিকে যাওয়ার সঙ্গে বিদ্যুৎ-গ্যাসের দামের ফারাক কমলে এবং বিদ্যুতের দাম নামলে।

সবচেয়ে সস্তা ও দক্ষ উপায় হলো নবায়নযোগ্য বিদ্যুতে তাপ পাম্প চালানো। তবে তাপ পাম্প জীবাশ্ম জ্বালানি থেকে তৈরি বিদ্যুতে চললেও, তা প্রচলিত হিটিং সিস্টেমের চেয়ে বেশি দক্ষ ও সস্তা হতে পারে। মাত্র ২.৫ দক্ষতার মানে চলা একটি তাপ পাম্প পাওয়ার স্টেশনে পোড়ানো প্রাকৃতিক গ্যাসের মূল শক্তির মাত্র ৪০% ব্যবহার করতে পারলেও, সেই বিদ্যুৎ দিয়ে খরচ হওয়া শক্তির ২.৫x শক্তি সরিয়ে ওই ৪০%-কে ১০০%-এ তুলে দেয় - আর এভাবে জায়গাতেই গ্যাস পুড়িয়ে পাওয়া ৯০% দক্ষতাকেও ছাড়িয়ে যায়।

তাপ পাম্পের দক্ষতা বাস্তবে কতটা কাজে আসে এবং চালানোর খরচে কী প্রভাব ফেলে, তা নির্ভর করে:

• বাড়ির আকার: বড় বাড়ি গরম করতে বেশি শক্তি লাগে।
• ইনসুলেশন: ভালো ইনসুলেশন করা বাড়ি তাপ ধরে রাখে এবং পাম্পকে আরও কম তাপমাত্রায় আরও দক্ষভাবে চলতে দেয়।
• সিস্টেমের নকশা ও ইনস্টলেশন: খারাপ ইনস্টলেশন বা পুরোনো ইউনিট বাজেভাবে কাজ করতে পারে এবং বয়লারের চেয়ে বেশি খরচ করাতে পারে, তবে ভালোভাবে বসানো আধুনিক ইউনিট বেশ ভালো টাকা বাঁচাতে পারে।

হিট পাম্পের কয়েকটি ধরন আছে, কিন্তু সবই একই মৌলিক নীতি ব্যবহার করে। সবচেয়ে সাধারণ ধরনগুলো বাতাস থেকে তাপ নেয়:

• এয়ার-টু-এয়ার হিট পাম্প আসলে উল্টোভাবে চলা এয়ার-কন্ডিশনিং সিস্টেম। দুটিতেই দুটি ফ্যান-কয়েল হিট এক্সচেঞ্জার থাকে, যেখানে একটি ফ্যান রেফ্রিজারেন্টভরা প্রতিটি কয়েলের ওপর দিয়ে বাতাস চালায়, যাতে তাপ শোষণ বা ছাড়তে পারে। এয়ার কন্ডিশনারের সঙ্গে পার্থক্য খুবই কম, শুধু রেফ্রিজারেন্ট তাপকে উল্টো দিকে সরায় - এয়ার কন্ডিশনারে তাপ শোষণের জন্য ইভাপোরেটর ভেতরে থাকে, আর তাপ ছাড়ার জন্য কনডেনসার বাইরে থাকে।
  এয়ার-টু-এয়ার হিট পাম্প ঘর দ্রুত গরম করতে পারে এবং কখনও ঠান্ডা করার জন্য উল্টোদিকেও চলতে পারে। এখানে ইভাপোরেটর ও কনডেনসার অদলবদল করা যায়, আর একটি অতিরিক্ত ভালভ কম্প্রেসরকে উল্টো না ঘুরিয়েই রেফ্রিজারেন্টের প্রবাহ উল্টে দেয়। এতে এয়ার কন্ডিশনিং ও আর্দ্রতা কমানোর সুবিধাও পাওয়া যায়: ইভাপোরেটর কয়েল আশপাশ থেকে তাপ শোষণ করে, ফলে এর চারপাশের সবকিছু খুব ঠান্ডা হয়ে যায় - কয়েলের সংস্পর্শে বাতাসের জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হয়, এতে ঘরের আর্দ্রতা কমে।
  এগুলো সস্তা এবং আসবাবের আশপাশে বসানোও সহজ; তবে সাধারণত থাকার জায়গার জন্য কম আরামদায়ক (শব্দ হতে পারে, বাতাসের ঝাপটা দেয় ও অস্থির বায়ুপ্রবাহ তৈরি করে, আর বারবার তাপমাত্রাকে বেশি বা কম করে ফেলে), এবং পুরো বাড়িতে তাপ সমান রাখা কঠিন, তাই প্রায়ই বিভিন্ন ঘরে একাধিক ইনডোর ইউনিটের ব্যবস্থা, বা পুরো ভবনে গরম বাতাস পৌঁছানোর জন্য ডাক্ট সিস্টেম লাগে। তাছাড়া, ঘরোয়া গরম পানির জন্য আলাদা কোনো হিটিং ব্যবস্থাও লাগবে।
• এয়ার-টু-ওয়াটার হিট পাম্প কয়েল বা ধাতব প্লেট হিট এক্সচেঞ্জার দিয়ে রেফ্রিজারেন্ট থেকে আপনার রেডিয়েটর ও আন্ডারফ্লোর হিটিংয়ে ঘোরা পানিতে, অথবা ঘরোয়া গরম পানির ট্যাঙ্কের ভেতরের পানিতে তাপ সরায় (এগুলো আলাদা সিস্টেম - আপনি নিশ্চয়ই রেডিয়েটরের পানিতে গোসল করতে চান না!)। এই সিস্টেমগুলো গরম হতে ধীর, তবে ঠান্ডা হতেও ধীর। তাই, এগুলো আরও আরামদায়ক ও স্থিতিশীল পরিবেশের জন্য উপযোগী। এতে আপনার গরম পানির ট্যাঙ্কও এক ধরনের শক্তি সঞ্চয় হিসেবে ব্যবহার করা যায়। তবে, এগুলো অনেক বেশি ব্যয়বহুল এবং পাইপলাইন ও রেডিয়েটরে বড় ধরনের উন্নয়ন লাগতে পারে (যেগুলো দেয়ালের জায়গা নেয় এবং আসবাবপত্রে ঢাকা পড়তে পারে)। আর যুক্তরাষ্ট্রের মতো কিছু জায়গায় হয়তো আগে থেকেই ওয়েট সিস্টেম বসানো নেই।
• সমন্বিত সিস্টেম ঘরভেদে রেডিয়েটর ও ফ্যান-কয়েল দুটোই ব্যবহার করতে পারে, যেমন বাথরুমে রেডিয়েটর, আর অন্য ঘরে ফ্যান ইউনিট। অন্যদিকে, হিট রিকভারি সিস্টেম গ্রীষ্মে এয়ার কন্ডিশনিং সিস্টেম যে তাপ সাধারণত বাইরে ফেলে দিত, তা নিয়ে ঘরোয়া গরম পানি গরম করতে পারে।

এয়ার সোর্স হিট পাম্প ইউনিটও নানা বিন্যাসে পাওয়া যায়:

• স্প্লিট ব্লক ইউনিটই ঐতিহাসিকভাবে সবচেয়ে সাধারণ, যেখানে একটি হিট এক্সচেঞ্জার ইউনিট ভেতরে এবং একটি বাইরে থাকে। শব্দের ঝামেলা কমাতে ও ভেতরে কম জায়গা নিতে কম্প্রেসর ও এক্সপ্যানশন ভালভ সাধারণত বাইরের ইউনিটে থাকে। এরপর রেফ্রিজারেন্টের পাইপ বাইরে থেকে ভেতর পর্যন্ত যায়, আর জায়গার সবচেয়ে ভালো ব্যবহার করতে ইউনিটগুলো একে অন্যের থেকে দূরে বসানো যায়।
• মনোব্লক ইউনিট এখন ক্রমেই জনপ্রিয় হচ্ছে। সাধারণত এয়ার-টু-ওয়াটার হিট পাম্পে, দুটি হিট এক্সচেঞ্জার এবং পুরো রেফ্রিজারেন্ট লুপ একটি বাইরের ইউনিটে থাকে, আর পাইপ দিয়ে ভেতরের রেডিয়েটরে গরম পানি যায়। এতে বাড়ির ভেতরে-বাইরে যাওয়ার জন্য আলাদাভাবে বানানো রেফ্রিজারেন্ট পাইপিংয়ের দরকার হয় না, ফলে সময় ও খরচ বাঁচে, আর ঝুঁকি কমে।

বেশিরভাগ অবস্থায় এয়ার সোর্স হিট পাম্প ভালোই কাজ করে, যদিও -২০°C-এর নিচে এগুলো হিমশিম খেতে পারে। এয়ার কন্ডিশনার যেমন বাতাসের আর্দ্রতা কমাতে পারে, তেমনি শীতে বাইরের কয়েল বা ইউনিটে পানি ঘনীভূত হয়ে জমে যেতে পারে, ফলে তুষারের স্তর তৈরি হয়। এটি সহজেই ঠিক করা যায় (যেমন সিস্টেম স্বয়ংক্রিয়ভাবে ও সাময়িকভাবে রেফ্রিজারেশন চক্র উল্টে দেয়, যাতে তুষার গলে যায়) কিন্তু সময়ের সঙ্গে এতে গড় দক্ষতা কমতে পারে (যদিও নতুন, সক্রিয় ডিফ্রস্টিং বা তুষার-প্রতিরোধ প্রযুক্তি আছে)।

গ্রাউন্ড সোর্স হিট পাম্প সাধারণত বেশি দক্ষ এবং কম তাপমাত্রায় বেশি কার্যকর, কারণ মাটির তাপমাত্রা বাতাসের তুলনায় বেশি স্থিতিশীল ও একইরকম থাকে, বিশেষ করে শীতে যখন গরমের সবচেয়ে বেশি দরকার হয়। এগুলো চলমান তরলের আরেকটি বন্ধ লুপ ব্যবহার করে (সাধারণত পানি ও অ্যান্টিফ্রিজের মিশ্রণ), যাকে কলেক্টর বলা হয়, যা মাটি থেকে তাপ শোষণ করে (বা ঠান্ডা করার জন্য উল্টোভাবে চললে তাপ জমা করে) এবং ইভাপোরেটরের মাধ্যমে রেফ্রিজারেন্টে তাপ দেয়। কলেক্টরের দুটি প্রধান ধরন আছে:

• হরাইজন্টাল অ্যারে-তে অগভীর খাঁজের মধ্যে পাইপ বসানো হয়। পাইপ যত বেশি ছড়ানো থাকে (কম গুচ্ছাকারে), তত বেশি তাপ নিতে পারে, ফলে তত বেশি দক্ষ হয়। এতে এত বেশি তাপ টেনে নেওয়ার ঝুঁকিও কমে যে মাটি জমে যায় (যা খুব ক্ষতিকর হতে পারে)। সবচেয়ে দক্ষ কলেক্টর একটি টানা লুপে যতটা সম্ভব বেশি জমি ঢেকে রাখে।
• ভার্টিক্যাল অ্যারে-র অনেক কম জায়গা লাগে এবং মাটির অনেক গভীরে যায় (যতটা বিদ্যমান ভূগর্ভস্থ অবকাঠামো অনুমতি দেয় - ভূমি জরিপ দরকার!)। এগুলো দুটি ভিন্ন বিন্যাসে আসে:
• • ক্লোজড লুপ - একটি গভীর বোরহোল খুঁড়ে তাতে একটিমাত্র লম্বা পাইপ লুপ বসানো হয়, তারপর সেটি ভরাট করা হয়। প্রতিটির গভীরতার ওপর নির্ভর করে একটি সাধারণ বাড়ির জন্য কয়েকটি বোরহোল লাগতে পারে।
  • ওপেন লুপ জলাধার স্তর ব্যবহার করে, অর্থাৎ এগুলো কলেক্টর লুপে ঘোরা তাপ-সঞ্চালনকারী তরল হিসেবে সরাসরি ভূগর্ভস্থ পানি ব্যবহার করে। এগুলো বেশি দক্ষ (তাপ সঞ্চালনের একটি ধাপ/বাধা কম থাকে) কিন্তু বেশি বিশেষজ্ঞ জ্ঞান ও রক্ষণাবেক্ষণ লাগে (নোংরা পানির জন্য সিস্টেমের ফিল্টার নিয়মিত পরিষ্কার করতে হয়)।

গ্রাউন্ড সোর্স হিট পাম্প প্রায়ই মাটির পানির ওপর নির্ভর করে তাপ পরিবহন ও পুনরায় পূরণ করার জন্য, যা মাটির ছিদ্রতা ও ভেদ্যতার ওপর নির্ভরশীল। এর চেয়ে সহজ বিকল্প হলো সরাসরি কোনো জলাশয় থেকে তাপ নেওয়া।

ওয়াটার সোর্স হিট পাম্প গ্রাউন্ড সোর্স হিট পাম্পের চেয়েও বেশি দক্ষ ও স্থিতিশীল হতে পারে এবং একইভাবে বন্ধ বা খোলা লুপ ব্যবহার করে: পানির মধ্য দিয়ে যাওয়া কলেক্টর তরলের আলাদা বন্ধ লুপ, অথবা উৎসের পানি সরাসরি ব্যবহার করে (যা আবার দক্ষতা বাড়ায় কিন্তু নিয়মিত পরিষ্কার দরকার)। পানি যে হারে (এবং তাই পাওয়া তাপ) নতুন করে আসে, তা গুরুত্বপূর্ণ - পাশের পানি পুনরায় ভরার কোনো সক্রিয় স্রোত না থাকা স্থির পানির চেয়ে প্রবাহিত পানি বেশি কার্যকর হতে পারে। দক্ষতা বাড়াতে এবং আগে ব্যবহার হওয়া ঠান্ডা পানি আবার ঘুরে আসা এড়াতে, উজান থেকে তাপ নেওয়া ও ব্যবহৃত, তাপ-কমে যাওয়া পানি ভাটিতে ছেড়ে দেওয়াও ভালো।

গ্রাউন্ড ও ওয়াটার সোর্স হিট পাম্প বসাতে শুরুতে অনেক বেশি খরচ হয় এবং যথেষ্ট জায়গা বা পানির উৎস দরকার, কিন্তু বেশি দক্ষতার কারণে সময়ের সঙ্গে চলতি খরচে বেশি সাশ্রয় আনতে পারে। তবে, এয়ার সোর্স হিট পাম্প ব্যাপকভাবে উন্নত হয়েছে এবং প্রতিযোগিতার ক্ষেত্র সমান করেছে - এখন তাপ উৎসের তাপমাত্রা ও স্থিতিশীলতার চেয়ে হাইড্রনিক নকশা এবং হিটিং সিস্টেমকেই সবচেয়ে ভালোভাবে সাজানোর ওপর বেশি জোর দেওয়া হয়।

সিস্টেম সেন্সর ও নিয়ন্ত্রণ:

• স্মার্ট থার্মোস্ট্যাট - বারবার হিটিং বন্ধ-চালু না করে, ছোট ছোট সমন্বয়ের মাধ্যমে তাপমাত্রা সতর্কভাবে নিয়ন্ত্রণ করে স্থির উষ্ণতা বজায় রাখতে সাহায্য করতে পারে।
• ওয়েদার কম্পেনসেশন - বাইরের তাপমাত্রা শনাক্ত করা সেন্সর ব্যবহার করে, তা ঘরের ভেতরের তাপমাত্রাকে প্রভাবিত করার আগেই হিটিং আগেভাগে নিয়ন্ত্রণ করা হয়।

জলভিত্তিক সিস্টেমের পানির তাপমাত্রা:

• বড় রেডিয়েটর ও বড় পানির ট্যাঙ্কে নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় বেশি পানি, আর তাই বেশি তাপশক্তি রাখা যায়। এর মানে, ছোট ট্যাঙ্ক বা রেডিয়েটরের সমান তাপ রাখতে এগুলো পানি কম তাপমাত্রায় রাখতে পারে (অর্থাৎ কম তাপীয় ঘনত্বে)। এতে পানি ও তার আশপাশের তাপমাত্রার পার্থক্য কমে, ফলে তাপ সঞ্চালন ধীর হয়। এতে সিস্টেমটি আপনার ঘর গরম করার গতি কমলেও, বড় রেডিয়েটরের তাপ ছাড়ার জন্য বেশি পৃষ্ঠতল থাকে, যা ধীর সঞ্চালনের হার পুষিয়ে দেয়। এটি আরও স্থিতিশীলতা বাড়ায়, কারণ তাপ আরও ধারাবাহিকভাবে দেয় এবং ট্যাঙ্ক ও সংযোগকারী পাইপ থেকে অনাকাঙ্ক্ষিত ও অপচয়কারী তাপক্ষয় ধীর করে।
  এ ছাড়া, এতে হিটিং সিস্টেমটি সামগ্রিকভাবে কম ফ্লো তাপমাত্রায় চলতে পারে। পানিতে তাপ যাওয়ার জন্য রেফ্রিজারেন্টকে পানির চেয়ে বেশি গরম হতে হয়, তাই ঠান্ডা পানি রেফ্রিজারেন্টের লক্ষ্য তাপমাত্রা কম রাখতে দেয়। তাপ সঞ্চালন ঘটাতে তাপের উৎসকে সব সময় বেশি গরম হতে হয়, তাই বেশি ফ্লো বা ট্যাঙ্ক তাপমাত্রা হিট পাম্পকে বেশি গরম হয়ে চলতে বাধ্য করে, আর কম ফ্লো বা ট্যাঙ্ক তাপমাত্রা মানে রেফ্রিজারেন্টের তাপমাত্রাও কম রাখা যায়।
  কম রেফ্রিজারেন্ট লক্ষ্য তাপমাত্রা মানে বাইরের তাপ উৎসের সঙ্গে তাপমাত্রার পার্থক্যও কম, যা হিট পাম্পকে অতিক্রম করতে হয়। তাই কম্প্রেসরকে রেফ্রিজারেন্টের চাপ ও তাপমাত্রা বাড়াতে কম কাজ করতে হয়, ফলে বিদ্যুৎ খরচ কমে এবং দক্ষতা বাড়ে।
• স্তরবিন্যাস (অর্থাৎ আপনার পানির ট্যাঙ্কের ভেতরে তাপমাত্রার ঢাল - বা ‘থার্মোক্লাইন’ - স্বাভাবিকভাবে তৈরি হওয়া) রেফ্রিজারেন্ট থেকে তাপ নেওয়া পানির তাপমাত্রা কমাতে সাহায্য করতে পারে, ফলে তাপ সঞ্চালনের হার বাড়ে বা বেশি গরম রেফ্রিজারেন্টের দরকার কমে। তাই ট্যাঙ্কের নিচে হিট এক্সচেঞ্জার কয়েল বসানো ভালো, যেখানে ভারী ঠান্ডা পানি গরম পানির নিচে থাকে।
  এই কারণে, এই থার্মোক্লাইনকে জোরালো করে এমন লম্বা, সরু সিলিন্ডার রাখা ভালো, এবং ঘরের রেডিয়েটর থেকে ফেরা ঠান্ডা পানিকে বাকি ঠান্ডা পানির সঙ্গে ট্যাঙ্কের নিচে পাঠানো ভালো (কম চাপ ও গতিতে, যাতে ট্যাঙ্কে থাকা পানি নড়ে না যায়)।

পাইপওয়ার্ক ও হিট এক্সচেঞ্জার:

• আরও শক্তিশালী হিট এক্সচেঞ্জার দ্রুত পানি গরম করতে পারে বা পুরো সিস্টেমজুড়ে কম তাপমাত্রার পার্থক্যে কাজ করতে পারে। যেমন, লম্বা বা খাঁজকাটা কয়েলের পৃষ্ঠতল বেশি হয়, তাই সেগুলো তাপ সঞ্চালন বাড়াতে পারে। তবে:
• • ফ্লো পথ খুব লম্বা বা সরু করলে রেফ্রিজারেন্ট প্রবাহের হার, আর তাই তাপ সরবরাহ, সীমিত হয়ে যাবে। তখন পাম্পকে আরও জোরে কাজ করতে হবে, ফলে হিট পাম্পের রেফ্রিজারেন্ট থেকে প্রয়োজনীয় ইনপুট তাপমাত্রা বাড়বে।
  • কয়েলের ভেতরের ব্যাস খুব চওড়া করলে চাপ কমে যাবে এবং তরল খুব ধীরে চলবে, এতে পাইপের কিনারায় একটি নিরোধক স্তর তৈরি হবে যা তাপ সঞ্চালন সীমিত করবে।
  
  এটি আপনার রেডিয়েটরের দিকে যাওয়া এবং রেডিয়েটরের ভেতর দিয়ে চলা পানির পাইপ ও কয়েলের ক্ষেত্রেও প্রযোজ্য। রেডিয়েটরে তাপ সঞ্চালন সর্বোচ্চ করতে, কিন্তু সংযোগকারী পাইপওয়ার্ক থেকে তাপক্ষয় সর্বনিম্ন রাখতে পাইপগুলোকে সূক্ষ্মভাবে ঠিকঠাক ও ভারসাম্যপূর্ণ করতে হবে।

(Technology Connections & Heat Geek-এর তথ্যের ভিত্তিতে অতিরিক্ত উপকরণ)