ساختمانها
پمپهای حرارتی
علم عجیب پمپهای حرارتی: چگونه هوای سرد میتواند خانه شما را گرم کند
آیا پمپهای حرارتی میتوانند جای گرمایش با سوختهای فسیلی را بگیرند؟ خیلی از خانهها هنوز به گاز، نفت یا زغالسنگ وابستهاند، اما پمپهای حرارتی جایگزینی پاکتر و کارآمدتر هستند. آنها میتوانند زمستان خانهها را گرم و تابستان خنک کنند و نسبت به دیگهای گرمایشی، کورهها یا گرمایش مقاومتی برقی انرژی خیلی کمتری مصرف میکنند. اما پمپهای حرارتی چطور کار میکنند و چه چیزی آنها را اینقدر کارآمد میکند؟ ما پمپهای حرارتی منبع هوا، منبع زمین و آب-منبع را مقایسه میکنیم، از جمله هزینهها، مبردها، چالشهای نصب و عملکرد در هوای سرد.
(راهنمای تصویری به زودی میآید)
۴٫۲کلی
امتیاز این راهحل
- تأثیر4 / 5جلوی بخش بزرگی از انتشار گازهای ناشی از گرمایش با نفت و گاز را میگیرد.
- سرعت5 / 5یک خانه را میشود در یک یا دو روز تبدیل کرد.
- هزینه4 / 5نصبش گرانتر است، اما هزینهٔ کارکردش خیلی کمتر است.
- بلوغ فناوری5 / 5بهطور گسترده نصب شدهاند و از همان فناوری یخچالها و کولرها استفاده میکنند.
- طبیعت3 / 5هوای محلی پاکتر میشود، اما مبردها باید با دقت استفاده شوند.
آزمون
سوال 1 از 10
سوزاندن سوخت برای گرمایش حدوداً چه سهمی از انتشارهای جهانی را ایجاد میکند؟
امتیاز 0 / 10
متن گفتار
کلبههای پیشاتاریخی، خانههای بلند وایکینگها، خانههای حومه شهر - آدمها همیشه عاشق سوزاندن چیزها برای گرم ماندن بودهاند. متأسفانه، سوزاندن سوخت برای گرمایش حالا حدود ۱۰٪ از انتشار کربن جهانی را تشکیل میدهد [1,2]، پس تا وقتی آدمها دست از بازی با آتش نکشند، سیاره هیچوقت خنک نمیشود!
اما اگر راه دیگری وجود داشت… راهی که کلاً نیازی به سوزاندن چیزی نداشت؟ اگر میتوانستی انرژی گرمایی را از هوای بیرون، آب یا زمین بگیری، با آن تمام خانه را گرم کنی، و هنوز هم برای یک حمام داغ بهاندازه کافی گرما داشته باشی؟
و اگر میشد این کار را با انتشار کربن کمتر و هزینه پایینتر از گرمایش معمولی انجام داد؟
آدمها معمولاً با سوزاندن چیزها گرما تولید میکنند، اما انرژی گرمایی همهجا هست: در هوا، در آب، و در زمین. شاید حسش نکنید، اما حتی وقتی دما زیر صفر است، کمی گرما هنوز وجود دارد - و از همه بهتر، رایگان است!
پس چطور آن را میگیرید؟
خب، مرد باهوشی به اسم رودلف کلازیوس در دهه ۱۸۵۰ اصول پایه انتقال گرما را توضیح داد [3-8]. او نشان داد که انرژی گرمایی بهطور طبیعی از جاهای گرمتر، مثل یک فنجان قهوه بخاردار، به جاهای سردتر، مثل هوای زمستانی جریان پیدا میکند [9-12]. و اگر یک لیوان آب و یخ از هوا سردتر باشد، گرما از هوا به لیوان میرود و آن را گرم میکند تا یخ آب شود.
مثل یک فنجان قهوه داغ، وقتی خانهای را گرم میکنید، مدام گرمایش را به سرمای بیرون از دست میدهد... خیلی هم ایدئال نیست!
اما اگر میتوانستید فرایند را برعکس کنید: گرما را از بیرون به داخل خانهتان بکشید، حتی در زمستان. غیرممکن به نظر میرسد، نه؟
خب، دقیقاً همین کاری است که امروز بیش از ۱۸۰ میلیون پمپ حرارتی انجام میدهند [13,14]. اما پمپهای حرارتی بهجای یخ، از یک مایع مبرد بسیار سرد استفاده میکنند تا گرمای هوایی را که یک فن به داخل میکشد جذب کنند [15-21]. چون مایع مبرد از هوا هم سردتر است، هر گرمایی را راحت جذب میکند. و وقتی گرم میشود، بخار شده و به گاز تبدیل میشود.
اما این گاز هنوز نسبتاً سرد است، پس چطور یک خانه را گرم میکند؟
خب، اینجاست که کمپرسور وارد میشود: با فشردن گاز و انرژی گرماییاش در فضای کوچکتر، حسابی داغ میشود [22,23,24]. و وقتی بهاندازه کافی داغ شد، گرما وارد خانه میشود. انرژی را میتوان به یک مخزن آب هم منتقل کرد تا برای رادیاتورها و حمامهای بخاردارتان آب گرم فراهم شود [25,26].
در آخر، وقتی گرما را آزاد میکند، مبرد دوباره به مایع چگالیده میشود و از یک شیر عبور میکند و منبسط میشود، تا آنقدر خنک شود که چرخه را دوباره شروع کند [15-21].
پس با اینکه شبیه جادو به نظر میرسد، فقط فیزیک است.
اما فنها و کمپرسورها هر دو انرژی مصرف میکنند، پس چرا همان انرژی را مستقیم برای گرم کردن خانهتان استفاده نکنید؟
خب، با گرمایش معمولی گازی یا برقی، برای تولید حداکثر یک واحد گرما، یک واحد انرژی لازم است.
پمپهای حرارتی فرق دارند. چون گرمایی را میگیرند که از قبل وجود دارد، همان یک واحد انرژی میتواند ۳ تا ۵ واحد گرما جابهجا کند. این باعث میشود پمپهای حرارتی ۳ تا ۵ برابر از دیگهای گازی یا برقی کارآمدتر باشند، چون گرما را جابهجا میکنند نه اینکه بسازند [15,18,19,20,27].
حتی بهتر، در تابستان خیلی از پمپهای حرارتی میتوانند برعکس کار کنند و تهویه مطبوع فراهم کنند تا خنک بمانید! [15,16,17,20,27]
از همه بهتر، میتوانند هزینه انرژی را کم کنند، تقاضا برای سوختهای فسیلی را پایین بیاورند و انتشار کربن را ۳۰٪ یا بیشتر کاهش دهند [28-32]. اگر با برق تجدیدپذیر کار کنند، حتی میتوانند انتشار ناشی از گرمایش را کاملاً حذف کنند و احتمالاً میلیاردها تن CO2 را در سراسر دنیا کاهش دهند [15,33,34].
اما برای گرفتن گرما راههای بهتری از کشیدن آن از هوا هم هست…
مثلاً زمین: [35-37]
دمای زمین نهتنها در طول سال ثابتتر است، بلکه در زمستان، زمین اغلب از هوای سرد بالایش گرمتر است [38-43]. پس با اینکه هزینه اولیهاش بالاست، نصب لوله زیر زمین باعث میشود پمپهای حرارتی راحتتر گرما جذب کنند، بازدهشان بیشتر شود و هزینههای کارکردشان کمتر شود [15,17,20,35-44].
اما یک منبع گرمای دیگر هم هست که از هوا و زمین هر دو بهتر است: آب!
چون آب گرما را فوقالعاده خوب منتقل میکند، رد کردن لولهها از میان یک پهنه آبی مثل دریاچه یا برکه بزرگ، منبعی مطمئن از گرمای قابلدسترسی فراهم میکند [45,46,47]. با اینکه نصبش میتواند بهاندازه پمپهای حرارتی منبع زمین سخت باشد، این پمپها میتوانند انتخابی عالی باشند، بهخصوص برای ساختمانهای تجاری بزرگ [15,20,27].
واضح است که پمپهای حرارتی پتانسیل خیلی زیادی دارند، اما چند ایراد هم هست…
اول از همه، مایعات مبرد: اگر وارد هوا شوند، اثر گلخانهای قدرتمندی دارند که میتواند بیش از ۲٬۰۰۰ برابر بدتر از CO2 باشد [27,48-52]. اما با استفاده درست، مزایای پمپهای حرارتی خیلی بیشتر از این خطرهاست [52]، و مبردهای جدید و کمضررتری هم از همین حالا در دست توسعهاند [27,53,54,55].
مشکل بعدی مکان است - هر خانهای برای پمپ حرارتی مناسب نیست. پمپهای حرارتی نهتنها معمولاً برای یک واحد بیرونی جا میخواهند، بلکه برای بهترین کارکرد، بهتر است در خانههای مدرن و خوب عایقشده نصب شوند [15,27,56,57,58].
و بعد هم هزینه:
هزینه نصب در کوتاهمدت میتواند بالا باشد [18,59,60]، اما در بلندمدت، پمپهای حرارتی صرفهجویی ثابتی در هزینه انرژی ایجاد میکنند [15,18,61,62]. بسته به سیستم (و قیمت محلی برق)، میتوانند حدود ۵ تا ۱۵ ساله هزینه خودشان را جبران کنند [63-68].
حتی بهتر، هرچه برق تجدیدپذیر ارزانتر شود، پمپهای حرارتی که با آن کار میکنند هم ارزانتر میشوند! [69,70]
خیلی از کشورها هم کمکهزینه، طرح و یارانههایی میدهند که هزینه اولیه را حسابی پایین میآورند، و در بعضی موارد بیش از ۹۰٪ کمش میکنند [71-79].
و آخرین نکته، سرمای شدید است. بیشتر پمپهای حرارتی در شرایط یخبندان خوب کار میکنند، اما زیر -۲۵°C ممکن است به مشکل بخورند - ولی در زمستانهای خیلی سخت میشود از سیستمهای گرمایشی پشتیبان یا ترکیبی استفاده کرد [80,81,82].
خوشبختانه دماهای به این پایینی نادرند، پس پمپهای حرارتی برای بیشتر اقلیمها مناسباند [83-86]. در واقع، کشورهای سرد اسکاندیناوی سه رتبه اول را دارند، با بیشترین تعداد پمپ حرارتی بهازای هر خانه در جهان! [13,87,88] به لطف دوراندیشی هوشمندانه دولت، ۶۰٪ از خانههای نروژی حالا از پمپ حرارتی بهعنوان منبع اصلی گرمایش استفاده میکنند [13,30,89].
پس با کمک دولت، کمی برنامهریزی، و گسترش برق تجدیدپذیر برای تأمین انرژیشان، پمپهای حرارتی بالاخره میتوانند جای سوزاندن چیزها برای گرما را بگیرند، و در این مسیر بخش بزرگی از انتشار جهانی را کم کنند.
مشاوران متخصص
3
مایلیم از این افراد تشکر کنیم
Prof. Richard Fitton
دانشگاه سالفورد
استاد عملکرد ساختمان، دانشکده علوم، مهندسی و محیط زیست
Prof. Zhibin Yu
دانشگاه لیورپول
استاد مهندسی انرژی
Prof. Rajat Gupta
دانشگاه آکسفورد بروکس
استاد معماری پایدار و تغییرات اقلیمی، دانشکده معماری
ویدیوهای بیشتر
22 لینک
این منابع مستقل هستند. همهچیزهایی که اینجا لینک شدهاند به انگلیسی هستند.
بررسی کلی
نگاهی عمیق به نقش و علم پمپهای حرارتی
راهنمای سریع درباره علم، کارایی و نصب پمپهای حرارتی
نمونههای واقعی و تحقیقات
۳۰ روز با یک پمپ حرارتی Octopus گذراندم و از هزینههای جاریاش شوکه شدم!Jonathan Tracey
پمپهای حرارتی، توضیح دادهشده: از تبخیر تا میعانSkill Builder (Ft. HeatGeek)- پمپهای حرارتی: واقعاً ارزشش را دارند؟UK Channel 5 (UK only)
- واقعاً چه معنایی برای شما دارند - پمپهای حرارتیBBC One (UK only)
ITV Tonight - نجات سیاره: صرفهجویی در پول؟HPT Heat Pump Technologies
گرمایش منطقهای
عایقکاری
مطالعه بیشتر
23 لینک
این منابع مستقل هستند. همهچیزهایی که اینجا لینک شدهاند به انگلیسی هستند.
پمپهای حرارتی چگونه کار میکنند؟
- پمپهای حرارتی: نحوه کار، هزینهها و صرفهجویی - Energy Saving Trust
- پمپهای حرارتی چطور بیش از ۱۰۰٪ بازده دارند؟ - HeatGeek
- پمپ حرارتی چطور کار میکند؟ راهنمای بریتانیا ۲۰۲۵ - The Renewable Energy Hub UK
- آیا پمپهای حرارتی در دمای زیر صفر کار میکنند؟ | پمپهای حرارتی - The Guardian
- «میتوانید با تیشرت اینطرف و آنطرف بروید»: نروژ چطور پمپهای حرارتی را از سرما به خانه آورد | انرژی - The Guardian
نکات نصب، هزینهها و صرفهجوییها
- هزینه نصب، استفاده و نگهداری پمپ حرارتی منبع هوا چقدر است؟ - The Renewable Energy Hub UK
- آیا پمپ حرارتی از دیگ ارزانتر است؟ راهنمای مقایسه هزینه - iHeat
- آیا پمپهای حرارتی در بریتانیا میارزند؟ - The Eco Experts
- ۵ نکته برای جایگذاری پمپ حرارتی منبع هوا - Heat Different
- با پمپ حرارتی چقدر میتوانید صرفهجویی کنید؟ - Octopus Energy
- دورههای بازگشت هزینه برای راهکارهای صرفهجویی انرژی - Retrofit West
- پمپ حرارتی شاید خیلی ارزانتر از چیزی باشد که فکر میکنید: اینطوری - Which? News
نکات نصب، هزینهها و صرفهجوییها - همچنین ببینید:
انواع پمپ حرارتی - هوا، زمین، آب
- پمپهای حرارتی زمینگرمایی در برابر پمپهای حرارتی منبع هوا - Energy Saving Trust
- پمپهای حرارتی زمینگرمایی - US Department of Energy
- پمپهای حرارتی زمینگرمایی: مزایا و معایب - GreenMatch
- پمپهای حرارتی منبع آب در بریتانیا: هزینهها، نصب و مزایا - GreenMatch
- آب در برابر هوا: درک انتقال حرارت و نقش آن در طراحی سیستمهای HVAC - MTS
مبردها
- مبرد پمپ حرارتی: انواع و نکتهها - SPRSUN Heat Pump Manufacturer
راهنماهای جامع
منابع
93 لینک
همهچیزهایی که اینجا لینک شدهاند به انگلیسی هستند.
- [1] پمپهای حرارتی: فناوری کلیدی برای گرمایش پایدار | International Institute of Refrigeration (به [14] ارجاع میدهد)
- [2] انتشار گازهای گلخانهای همه کشورهای جهان | EDGAR - The Emissions Database for Global Atmospheric Research
- [3] قانون دوم ترمودینامیک | Chemistry LibreTexts
- [4] Rudolf Clausius | ترمودینامیک، انتقال حرارت، آنتروپی | Britannica
- [5] Rudolph Clausius - پیشگام نظریه مدرن گرما | Vacuum
- [6] درباره نیروی محرک گرما و قوانینی درباره ماهیت خود گرما که از آن قابل استنتاجاند | The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science
- [7] درباره شکلی تغییریافته از دومین قضیه بنیادی در نظریه مکانیکی گرما | The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science
- [8] William Thomson و شکلگیری ترمودینامیک: 1840-1855 | University of Notre Dame
- [9] ترمودینامیک - بررسی پیشرفته برای شیمیدانها و فیزیکدانها (ویرایش هفتم) | ETDEWEB | US Department of Energy Office of Scientific and Technical Information
- [10] بینظمی - عصای زیر بغل ترکخوردهای برای پشتیبانی از بحثهای آنتروپی | Journal of Chemical Education
- [11] A Modern Course in Statistical Physics | Google Books
- [12] ترمودینامیک مهندسی شیمی | Google Books
- [13] داغ شدن بازار جهانی پمپهای حرارتی | Nature Energy
- [14] COP27: گرمایش پاک نقشی کلیدی در مهار تغییرات اقلیمی دارد | European Heat Pump Association (بهروزرسانیها را ببینید: Heat Pump Monitor 2026 - Analysis | IEA)
- [15] آینده پمپهای حرارتی - تحلیل | IEA (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [16] تبرید و تهویه مطبوع مدرن، ویرایش بیستویکم | The Goodheart-Willcox Company, Inc.
- [17] پمپهای حرارتی چطور کار میکنند؟ | National Grid Group
- [18] پمپهای حرارتی: چطور کار میکنند، هزینهها و صرفهجویی | Energy Saving Trust
- [19] پمپهای حرارتی چطور بیش از ۱۰۰٪ بازده دارند؟ | HeatGeek
- [20] پمپ حرارتی چطور کار میکند؟ راهنمای بریتانیا ۲۰۲۵ | The Renewable Energy Hub UK
- [21] مروری بر پمپهای حرارتی خانگی | Energy & Environmental Science
- [22] Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester | Google Books
- [23] Annales de chimie ou Recueil de mémoires concernant la chimie et les arts ... | Google Books
- [24] درباره معادل مکانیکی گرما نوشته James Prescott Joule | The McGraw Center for Teaching and Learning
- [25] مروری بر بهرهوری انرژی و عملکرد سیستم آبگرمکنهای پمپ حرارتی خانگی | Energy and Buildings
- [26] مروری بر سیستمهای گرمایش آب با پمپ حرارتی | Renewable and Sustainable Energy Reviews
- [27] کربنزدایی سامانههای گرمایی ساختمان: راهنمای عملی برای سامانههای پمپ حرارتی و فراتر از آن | NLR (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [28] آیا پمپ حرارتی از دیگ ارزانتر است؟ راهنمای مقایسه هزینه | iHeat
- [29] راهنمای پمپهای حرارتی - فرصتهایی برای گرمایش کمکربنتر | The Carbon Trust
- [30] Executive Summary - The Future of Heat Pumps - Analysis | IEA (خلاصه اجراییِ [15])
- [31] انتشار نسبی CO2 ناشی از کارکرد پمپهای حرارتی هوا-منبع در مقایسه با کارآمدترین دیگهای گازی چگالشی، بر اساس منطقه در Net Zero Scenario، 2010-2030 | IEA
- [32] چطور میتوان از پمپهای حرارتی و ذخیرهسازی انرژی گرمایی برای مدیریت برق بادی استفاده کرد: مطالعهای درباره ایرلند | Energy
- [33] نصب حدود ۶۰۰ میلیون پمپ حرارتی برای پوشش ۲۰٪ از نیاز گرمایشی ساختمانها تا سال ۲۰۳۰ لازم است - تحلیل | IEA (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [34] Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector | IEA (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [35] پمپهای حرارتی زمینمنبع در برابر پمپهای حرارتی هوامنبع | Energy Saving Trust
- [36] سیستمهای پمپ حرارتی زمینمنبع افقی در برابر عمودی | YES Energy Solutions
- [37] حلقه افقی در برابر حلقه عمودی | Vitt Heating & Cooling
- [38] مبدلهای حرارتی زمین-مروری بر سیستمها، مدلها و کاربردها | Renewable Energy
- [39] سیستمهای انرژی در ساختمانها | Energy Services Fundamentals and Financing
- [40] عملکرد شبیهسازیشده Earthtube برای سرمایش ساختمانهای اداری در جنوبشرق بریتانیا | International Conference on Sustainability in Energy and Buildings
- [41] پمپهای حرارتی زمینگرمایی | US Department of Energy
- [42] سیستمها و کاربردهای پمپ حرارتی زمینمنبع | Renewable and Sustainable Energy Reviews
- [43] مروری کلی بر سیستمهای پمپ حرارتی زمینمنبع برای گرمایش و سرمایش ساختمانها | Energy and Buildings
- [44] پمپهای حرارتی زمینمنبع: مزایا و معایب | GreenMatch
- [45] آب در برابر هوا: درک انتقال گرما و نقش آن در طراحی سیستمهای HVAC | MTS
- [46] هوا در برابر آب: بازده انتقال گرما | Farr Mechanical (بایگانیشده)
- [47] ۲٫۱۴: آب - ظرفیت گرمایی بالا | General Biology (Boundless)
- [48] مقادیر پتانسیل گرمایش جهانی IPCC | Greenhouse Gas Protocol (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [49] علتها و راهحلهای رایج برای نشت مبرد از پمپ حرارتی | HVAC.com (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [50] مبرد پمپ حرارتی: انواع و نکتهها | SPRSUN Heat Pump Manufacturer (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [51] مقایسه مبردهای منتخب مورد استفاده در پمپهای حرارتی خانگی | Greengauge (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [52] نشتی پمپ حرارتی | Will Brownsberger (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [53] جایگزینهای سازگار با اقلیم برای HFCها | European Commission
- [54] نسل بعدی مبردها - مرور تاریخی، ملاحظات و چشمانداز | International Journal of Refrigeration
- [55] مبرد نسل بعد | Daikin America
- [56] مطالعات میدانی پمپهای حرارتی منبع هوا: یک مرور نظاممند منابع علمی | Renewable and Sustainable Energy Reviews
- [57] ۵ نکته برای جانمایی پمپ حرارتی منبع هوا | Heat Different
- [58] نوسازی با پمپ حرارتی در لندن | Carbon Trust (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [59] کاهش هزینههای نصب پمپ حرارتی: بررسی روندهای گذشته و ارزیابی چشماندازهای آینده | Applied Energy
- [60] نصب، استفاده و نگهداری از پمپ حرارتی منبع هوا چقدر هزینه دارد؟ | The Renewable Energy Hub UK
- [61] با پمپ حرارتی چقدر میتوانید پسانداز کنید؟ | Octopus Energy
- [62] آیا پمپهای حرارتی در بریتانیا میارزند؟ | The Eco Experts (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [63] دوره بازگشت هزینه برای اقدامهای صرفهجویی انرژی | Retrofit West (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [64] پمپهای حرارتی | Confused About Energy (بایگانیشده) (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [65] پمپهای حرارتی و بهرهوری انرژی - انتخاب درست | Star Refrigeration (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [66] پمپهای حرارتی منبع آب در بریتانیا: راهنمای کامل ۲۰۲۵ | GreenMatch (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [67] دوره بازگشت هزینه یک پمپ حرارتی منبع هوا چقدر است؟ | Saltire (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [68] روشن کردن فرصتها در محیط ساختهشده اتحادیه اروپا | McKinsey
- [69] Lazard LCOE+ | June 2025 (در: چرا انرژیهای تجدیدپذیر اینقدر سریع ارزان شدند؟ | Our World in Data) (به یادداشتهای مرجع* مراجعه کنید)
- [70] نسبت قیمت برق به گاز چیست و چرا مهم است؟ | Nesta
- [71] طرح ارتقای دیگ گرمایشی | GOV.UK کمکهزینه پیدا کنید
- [72] یک پمپ حرارتی بگیرید | توضیح پمپهای حرارتی | Octopus Energy
- [73] پمپ حرارتی شاید خیلی ارزانتر از چیزی باشد که فکر میکنید: اینطوری | Which? News
- [74] یونان در سال ۲۰۲۵ برای پمپهای حرارتی کمکهزینه میدهد | tovima.com
- [75] ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΩ ۲۰۲۵ | دولت یونان
- [76] برای بهینهسازی مصرف انرژی در خانهتان کمک مالی بگیرید (Exoikonomo ۲۰۲۵) | دولت یونان
- [77] برنامه مقرونبهصرفهسازی جایگزینی نفت با پمپ حرارتی | Natural Resources Canada
- [78] میانگین هزینه یک پمپ حرارتی در BC | Green Building
- [79] هزینه نصب پمپ حرارتی: میانگین قیمت در کانادا در ۲۰۲۳ | The HVAC Service Solutions
- [80] بازگشت از سرما: بازده پمپ حرارتی در دماهای پایین | Joule
- [81] آیا پمپهای حرارتی در دماهای یخبندان کار میکنند؟ | پمپهای حرارتی | The Guardian
- [82] پمپهای حرارتی هیبریدی | IRENA
- [83] شکل S2. میانگین سالانه دمای هوای سطح زمین در جهان برای ۱۹۵۰-۲۰۰۰ (WorldClim)، میانگینگیریشده در نوارهای عرض جغرافیایی ۰٫۱ درجهای (شکل از گرادیانهای دمایی عرضی و ارتفاعی در سراسر گستره برای پرندگان خشکیزی جهان: پیامدها در تغییر اقلیم جهانی | PLoS One)
- [84] شکل ۵ - منشأ تفاوت دمای هوای سطحی میان نیمکرهها در اقلیم امروزی زمین (شکل از منشأ تفاوت دمای هوای سطحی میان نیمکرهها در اقلیم امروزی زمین | Journal of Climate)
- [85] دمای جهانی - محیط طبیعی | University of Hawai'i
- [86] دمای هوای سطحی (میانگین سالانه) | National Geographic MapMaker
- [87] گزارش بازار و آمار پمپ حرارتی ۲۰۲۴ | EHPA
- [88] کدام کشورها در رقابت پمپ حرارتی پیشتازند؟ | Eco Experts
- [89] «میتوانید با تیشرت راه بروید»: نروژ چطور پمپهای حرارتی را از سرما به خانه آورد | انرژی | The Guardian
یادداشتهای مرجع
5
حذف انتشار گازهای گلخانهای گرمایش
پمپهای حرارتی در خود ساختمان سوخت نمیسوزانند. اگر برق مورد نیاز برای کارکرد آنها بهطور کامل از منابع تجدیدپذیر تأمین شود، انتشار مستقیم ناشی از گرمایش در زمان کارکرد آنها میتواند حذف شود. اما این بهتنهایی به این معنی نیست که کل چرخهعمر سامانه گرمایش بدون انتشار است: انتشارها همچنان میتوانند از ساخت پمپ حرارتی و زیرساخت انرژی پشتیبان، و همینطور تولید مبرد و نشت احتمالی آن باقی بمانند [27,48-52].
زمان تولید انرژی تجدیدپذیر هم مهم است. مثلاً پنلهای خورشیدی معمولاً در تابستان بیشترین برق را تولید میکنند، در حالی که نیاز به گرمایش در زمستان بالاترین میزان را دارد. بنابراین یک ساختمان میتواند در ماههای آفتابی برق پاک مازاد را به شبکه صادر کند، اما همچنان در زمستان، زمانی که تولید برق خورشیدی کم و تقاضای گرمایش زیاد است، به دریافت برق از شبکه نیاز داشته باشد. صادرات سالانه انرژی شاید برای تراز کردن/جبران واردات در محاسبات کلی کافی باشد، اما مستقیماً آن نیاز زمستانی را تأمین نمیکند مگر اینکه آن انرژی بتواند ذخیره و بین فصلها جابهجا شود. بدون ذخیرهسازی کافی بلندمدت یا میانفصلی، یا تولید کافی کمکربن در زمستان برای جبران کمبود، اوج مصرف زمستانی ممکن است همچنان به مقداری تولید برق با سوخت فسیلی نیاز داشته باشد. در نتیجه برق واردشده برای کار پمپهای حرارتی با انتشارهای مرتبط همراه خواهد بود، یعنی انتشارهای گرمایش کم میشوند اما کاملاً حذف نمیشوند A,B; [32].
یادداشتهایی درباره اثر گلخانهای (پتانسیل گرمایش جهانی) مبردها
پمپهای حرارتی در سراسر جهان از انواع زیادی مبرد با GWPهای متفاوت استفاده میکنند. GWP یعنی پتانسیل گرمایش جهانی - اثر گرمکنندگی یک گاز در مقایسه با CO2، معمولاً در بازه ۱۰۰ ساله، که GWPِ CO2 برابر ۱ است. مثلاً یکی از مبردهای رایج در پمپهای حرارتی R-410A است که GWP آن ۲٬۰۸۸ است. این سیال ترکیبی از CH2F2، که R-32 هم نامیده میشود، و CHF2CF3، که R-125 نام دارد، است. یکی دیگر از مبردهای رایج R-134A است که با نام ۱،۱،۱،۲-تترافلوئورواتان یا HFC-134a هم شناخته میشود (HFC یعنی هیدروفلوئوروکربن). GWP این ماده ۱٬۴۳۰ است (- این GWPها مقادیر ۱۰۰ ساله تثبیتشده از گزارش ارزیابی چهارم IPCC هستند؛ مقادیر گزارشهای جدیدتر ممکن است فرق داشته باشند).
اما با تغییر مقررات و سیاستها در سراسر جهان، مبردهای متفاوتی بر اساس GWP پایینتر انتخاب میشوند. مثلاً در بریتانیای کبیر، قوانین اجرایی از ۲۰۲۵ میگویند مبردهای استفادهشده در پمپهای حرارتی و سیستمهای تهویه مطبوع تک-اسپلیت جدید نباید GWP بالاتر از ۷۵۰ داشته باشند (این قانون برای سیستمهایی با کمتر از ۳ کیلوگرم مبرد است؛ سیستمهای بزرگتر و دستههای مشخص، از جمله سیستمهای تک-اسپلیت هوا-به-آب، فعلاً معافاند) C. رایجترین مبردی که از این حد بالاتر نمیرود R-32 (یا HFC-32) است که GWP آن ۶۷۵ است. ترکیبهای جدیدی مثل R-454B هم در حال بررسی هستند (GWP آن ۴۶۶ است). از R-290 و R-744 (که بهترتیب فقط پروپان و CO2 هم نامیده میشوند) نیز استفاده شده و GWP را بهترتیب به ۳ و ۱ رساندهاند.
اما چون این سیاستها کشور-به-کشور اجرا میشوند، و اغلب فقط برای سیستمهای جدید هستند، بسیاری از پمپهای حرارتی در جهان هنوز از مبردهایی با GWP تا ۲٬۰۰۰ و حتی بیشتر استفاده میکنند. اگر این سیستمها نادرست نصب شوند، آسیب ببینند، نشتی پیدا کنند یا در پایان عمرشان درست مدیریت نشوند، این مبردها میتوانند به شکل گاز وارد جو شوند و در مقایسه با حالتی که حجم مشابهی از CO2 منتشر شده باشد، تأثیر بسیار زیادی بر گرمایش جهانی و پیامدهای آن بگذارند.
نیازهای خانه برای نصب پمپ حرارتی
پمپهای حرارتی را میتوان در طیف گستردهای از ساختمانهای موجود نصب کرد. تجهیز خانههای مدرن و خوب عایقکاریشده برای کارکرد بهینه با پمپ حرارتی شاید آسانتر باشد، اما سن ساختمان بهتنهایی مناسببودنش را تعیین نمیکند و خانههای قدیمیتر هم میتوانند با موفقیت به پمپ حرارتی مجهز شوند. مناسببودن و عملکرد آنها به عواملی از جمله اتلاف گرمای ساختمان، فضای موجود، طراحی گرمارسانها و سیستم، و کیفیت نصب بستگی دارد؛ بهبود بهرهوری انرژی اغلب میتواند عملکردشان را بهتر کند [58].
زمان بازگشت سرمایه سیستمهای پمپ حرارتی
زمان بازگشت هزینه (یا ROI - بازگشت سرمایه) یک پمپ حرارتی یعنی مدتزمانی که طول میکشد صرفهجویی حاصل از قبضهای انرژی کمتر، با هزینه اولیه خرید و نصب پمپ حرارتی برابر شود. این مدت میتواند بسته به عوامل مختلف تفاوت زیادی داشته باشد: نوع سیستم پمپ حرارتی نصبشده، هزینه اولیه، بهرهوری انرژی خانه، نوع و هزینه انرژی مصرفی پیشین از جمله قیمت نسبی برق و سوختی که جایگزین میشود، و هرگونه مشوق، تخفیف یا تأمین مالی مورد استفاده برای خرید سیستم. پمپهای حرارتی منبع زمین معمولاً زمان بازگشت طولانیتری از مدلهای آبی و مدلهای منبع هوا دارند، و مدلهای منبع هوا کوتاهترین زمان را دارند. منابع ارائهشده معمولاً زمان بازگشت را بین ۵-۱۵ سال نشان میدهند، و [63,64] سناریوهایی را مطرح میکنند که در آنها دوره بازگشت ممکن است کوتاهتر یا طولانیتر باشد.
مهم است بدانیم که دورههای بازگشت میتوانند با تغییر هزینه تجهیزات و نصب، قیمت انرژی، مشوقها و عملکرد سیستم عوض شوند. با گسترش انرژی تجدیدپذیر ارزان، انتظار میرود قیمت برق کاهش یابد (در حالی که قیمت نفت/گاز همچنان بالا میرود)، و با استفاده بیشتر از پمپهای حرارتی (که احتمالاً با سیاست و/یا مقررات حمایت میشود)، هزینههای اولیه هم میتواند کمتر شود. بنابراین، جایگزین کردن یک دیگ گازی با یک پمپ حرارتی منبع هوا که با انرژی تجدیدپذیر کار میکند، میتواند زمان بازگشت خیلی کمتری داشته باشد. با این حال، روشن نیست گسترش تجدیدپذیرها تا چه حد به کاهش قیمت برق منجر میشود. هزینههای عمدهفروشی تولید ممکن است پایین بیاید، اما قیمت برق برای مصرفکننده همچنان به شبکهها، مالیاتها، عوارض، سیاست کلی کربن، نرخهای حاشیهای و طراحی بازار بستگی دارد D,E; [69,70].
نمودار هزینه ترازشده انرژی (LCOE)
نمودار اصلی، جمعبندیای از نمودارهای منتشرشده در گزارش LCOE+ لازارد در ژوئن ۲۰۲۵ است و میانگین مقادیر LCOE بدون یارانه را برای بررسیهای سالانه LCOE نشان میدهد. این نمودار بیشتر به وضعیت انرژی در آمریکای شمالی مربوط است، اما روندهای گستردهتر/جهانی هزینهها را هم بازتاب میدهد. روندهای میانگین جهانی LCOE در مقیاس نیروگاهی برای دیگر فناوریهای تجدیدپذیر در منبع F در دسترس است.
مطالب اضافی
5
ترمودینامیک: انرژی، دما و فشار
دما را میتوان غلظت انرژی گرمایی در هر ماده یا فضای مشخصی دانست. اگر انرژی زیادی در یک فضا یا جسم جمع شده باشد، داغ است. اگر انرژی نسبتاً پخش شده باشد، سرد است.
دمای بالاتر یعنی مولکولهای یک ماده انرژی جنبشی بیشتری دارند - یعنی در جامد سریعتر میلرزند، یا در مایع و گاز سریعتر حرکت میکنند و بیشتر با هم برخورد میکنند. وقتی میلرزند یا برخورد میکنند، ما این انرژی جنبشی را به شکل انرژی گرمایی (یعنی گرما) حس میکنیم. پس دما را میشود با افزودن فعالانه انرژی بیشتر از یک منبع بیرونی بالا برد، یا با فشردن مولکولهای (بیشتر) در فضایی کوچکتر، آن انرژی را متمرکز کرد.
طبق قوانین بنیادی و جهانی ترمودینامیک، انرژی همیشه تمایل دارد پخش شود یا از نواحی با غلظت بالای انرژی به نواحی با غلظت پایین برود، تا همهچیز متعادل و برابر شود (به این آنتروپی میگویند - ویدئوهای بیشتر را ببین). به همین دلیل در روزهای سرد، انرژی گرمایی از خانه گرم به هوای سرد بیرون پخش میشود. عایقکاری میتواند این انتقال گرما را کند کند، اما پمپهای حرارتی با استفاده هوشمندانه از همین اصول و مایعی ویژه و پرفشار به نام مبرد، جهت انتقال را کاملاً برعکس میکنند.
چیزی که مبردها را اینجا بهخصوص کاربردی میکند، این است که میتوانیم نقطه جوششان را بهراحتی تغییر دهیم.
نقطههای جوش
بیایید کمی وارد علم نقطههای جوش شویم. جوشیدن به تبخیر شدن مایع به گاز گفته میشود، وقتی مولکولها آنقدر انرژی جنبشی میگیرند که از نیروهای بینمولکولیِ نگهدارنده مایع کنار هم، رها شوند. در مایع، این نیروها مدام میشکنند و دوباره شکل میگیرند و به مولکولها اجازه میدهند از کنار هم رد شوند. تبدیل مایع به گاز به انرژی کافی نیاز دارد تا مولکولهایش کاملاً جدا شوند. لازم نیست این اتفاق دقیقاً در ۱۰۰°C (۲۱۲°F) بیفتد، همانطور که معمولاً برای آب رخ میدهد، یا حتی وقتی مایع داغ است رخ بدهد…
مثلاً اگر کتری را بالای کوه گرم کنید، میبینید که در واقع در دمای پایینتری میجوشد. دلیلش این است که فشار جو در ارتفاعات از سطح دریا کمتر است، و همین به مولکولها اجازه میدهد راحتتر پخش و فرار کنند، پس برای جوشیدن آب انرژی کمتری لازم است. برعکس، در فشار بالاتر، مولکولهای آب به هم فشرده میشوند و برای جوشیدن و رها شدن به انرژی بیشتر - و در نتیجه دمای بالاتر - نیاز دارند. پس فشار میتواند نقطه جوش آب را تغییر دهد.
گرمای محسوس در برابر گرمای نهان
حالا، معمولاً وقتی چیزی مثل آب را گرم (یا سرد) میکنید، افزودن (یا گرفتن) انرژی اول دمای آن را تغییر میدهد، چون انرژی جنبشی مولکولهایش را زیاد (یا کم) میکند و باعث میشود سریعتر (یا آهستهتر) حرکت یا لرزش کنند. به این انرژی گرمای محسوس میگویند و همان چیزی است که وقتی چیزی در تماس با پوست داغ یا سرد حس میشود، احساسش میکنیم.
اما یک ترفند دیگر هم هست - وقتی آب به نقطه جوش میرسد، دمایش دیگر بالا نمیرود. در عوض، تمام آن انرژی گرمایی ناگهان صرف شکستن پیوندهایی میشود که مولکولها را کنار هم نگه داشتهاند و آنها را از هم جدا میکند تا آب به بخار تبدیل شود. دمای آب (یا دقیقتر، بخار آب تولیدشده) تا وقتی همه آب تبخیر نشده، دوباره بالا نمیرود. برای ذوب شدن یخ از جامد به مایع هم همینطور است. به این گرمای نهان میگویند و مقدار انرژی بسیار بزرگی است. در واقع، تبخیر کردن آب ۷ برابر بیشتر از انرژی لازم برای رساندن دمای آب به نقطه جوشش انرژی میخواهد.
به همین دلیل است که در روزهای مرطوب، حتی وقتی دمای بیرون همان است، هوا گرمتر حس میشود (یا چرا گزارشهای هواشناسی یک دما را میگویند، اما میگویند «حس میشود مثل» دمایی دیگر) - بخار آب اضافی در هوا نسبت به هوای خشک انرژی گرمایی بیشتری دارد (یعنی همه این گرمای نهان اضافی را در خود دارد).
عرق کردن هم همینطور شما را خنک میکند: وقتی عرق تبخیر میشود، مقدار زیادی از گرمای بدن را به شکل انرژی نهان جذب میکند و آن گرما را از پوستتان دور میبرد. در شرایط مرطوب، که از قبل آب تبخیرشده زیادی در هوا هست، این فرایند کند میشود و هوا خیلی گرمتر حس میشود.
برعکسش وقتی رخ میدهد که آب از بخار دوباره به مایع چگالیده میشود. درست مثل وقتی که برای جوشاندن آب به آن گرما دادید، هنگام چگالش مقدار زیادی انرژی پس میدهد. به این شکل، وقتی هر چیزی تغییر فاز میدهد - یعنی میجوشد، ذوب میشود، چگالیده میشود یا یخ میزند - همزمان با شکستن یا شکلگیری آن پیوندها، باید انرژی گرمایی «نهان» جذب یا آزاد کند.
دما در برابر فشار
پس افزودن یا گرفتن گرما دما را تغییر میدهد، اما وقتی فشار را تغییر میدهید هم اتفاق مشابهی میافتد.
میتوان به جامدها، مایعات و گازها فشار وارد کرد، اما گازها چون بین مولکولهای نسبتاً پراکندهشان فضا وجود دارد، بهراحتی فشرده میشوند. اما مایعات و جامدات را نمیتوان به همان شکل فشرده کرد، چون نمیتوانید مولکولهایشان را بیشتر از آنچه هستند به هم نزدیک کنید. برای یک مایع، وارد کردن فشار در عوض جدا شدن مولکولها به شکل گاز را سختتر میکند. بخار نوعی گاز است که زیر یک دمای بحرانی، بدون سرد کردن فعالانه میتواند مستقیماً به مایع فشرده شود. این برای همه گازها ممکن نیست، یعنی همه بخارها گاز هستند، اما همه گازها بخار نیستند.
میدانیم که بخار آب وقتی تحت فشار است آسانتر چگالیده میشود، چون فشار کمک میکند مولکولها به هم نزدیکتر شوند. اما با فشار کافی، میتوانید بخار آب را بدون نیاز به سرد کردن، مستقیم دوباره به مایع فشرده کنید. بعد، وقتی بخار به مایع چگالیده میشود، تمام انرژی نهانش را آزاد میکند. برعکس، در فشار بهاندازه کافی پایین، مولکولهای مایع بدون اینکه واقعاً به گرما نیاز داشته باشند پخش میشوند. بعد وقتی از هم جدا و تبخیر میشوند، انرژی نهان را از محیط اطرافشان جذب میکنند.
اما این کمی کشمکش ایجاد میکند. هنگام فشرده کردن گازها و بخارها، وارد کردن فشار دمایشان را هم بالا میبرد. فشردن مولکولها در فضایی کوچکتر (یا مولکولهای بیشتر در همان فضا) غلظت مولکولها را بالا میبرد - مولکولها به هم نزدیکترند، برخوردها بیشتر رخ میدهند و انرژی جنبشی بیشتری در آن فضا متمرکز میشود.
پس اینجاست که قضیه پیچیده میشود - با بالا بردن فشار، به اثرهای متضادی میرسید: مولکولهای بخار به هم فشرده میشوند و بنابراین احتمال چگالششان بیشتر است، اما این کار دما را هم بالا میبرد و احتمال چگالش را کمتر میکند.
نقطه جوش (یا چگالش) بخار حالا با فشار بالا رفته است، یعنی برای نگه داشتن بخار به شکل گاز در این شرایط جدیدِ پرفشار، به انرژی ورودی بیشتر و دمای بالاتری نیاز است.
پس اگر دمای خودش تغییر نکرده بود، با فشار اضافه خیلی بیشتر به افتادن زیر نقطه جوش جدید و چگالش نزدیک میشد.
اما البته دمای خودش تغییر کرده و در نتیجه فشار، بالا هم رفته است. پس درحالیکه فشار نقطه جوش را بالا میبرد، دمای بخار را هم بالا میبرد، و این افزایش همزمان دما در برابر فرایند چگالش مقاومت میکند و بخار را در حالت گازیاش بالاتر از نقطه جوشِ مدام در حال افزایش نگه میدارد.
برای اینکه بخار واقعاً چگالیده شود، یا باید فشار را باز هم بیشتر کنید - تا جایی که بالا رفتن نقطه جوش از افزایش همزمان دما جلو بزند - یا آن را سرد کنید و فعالانه گرما را بیرون بکشید تا همه آن انرژی جنبشی اضافی پخش شود و دما به زیر نقطه جوش جدیدش برسد.
این نشان میدهد که دما، نقطههای جوش و فشار چقدر به هم گره خوردهاند. میتوانید چیزی را وادار به تغییر دما (یا فاز) کنید، یا با ۱) افزودن یا گرفتن فعالانه انرژی گرمایی محسوس (یا نهان) یا ۲) تغییر فشار، که به نوبه خود میتواند گرمای نهان را وادار به جذب یا آزاد شدن کند. و پرفشار کردن یک مایع یا گاز، نقطه جوش آن را بالا میبرد (یعنی دمایی که در آن یا تبخیر یا چگالیده میشود).
البته همه اینها برای ترکیبهای دیگری غیر از آب هم صدق میکند: به همین دلیل است که پاشیدن دئودورانت از یک قوطی پرفشار روی پوست سرد حس میشود - کاهش سریع فشار هنگام آزاد شدن، به مولکولهای آئروسل مایع (و انرژیشان) اجازه میدهد به شکل گاز پخش شوند و باعث میشود دمایش بهشدت پایین بیاید.
چرخه پمپ حرارتی
پمپ حرارتی مثل دیگهای سنتی، کورهها یا بخاریهای برقی گرما تولید نمیکند. بلکه از این اصول ترمودینامیکی استفاده میکند تا گرمایی را که از قبل وجود دارد، برخلاف جریان طبیعیاش جابهجا کند، یعنی انرژی گرمایی کمکیفیت (یعنی پخششده) را از بیرون بگیرد و در داخل خانه متمرکز کند. این کار با استفاده از یک مبرد در یک سامانه حلقهبسته انجام میشود که چهار بخش اصلی آن را به حرکت درمیآورند: یک کمپرسور، یک شیر انبساط و دو مبدل حرارتی به نامهای تبخیرکننده و چگالنده. در واقع، این دقیقاً همان سامانهای است که در یخچالها و کولرهای گازی استفاده میشود، فقط در جهت برعکس کار میکند (یعنی گرما را داخل خانه متمرکز میکند، نه اینکه آن را بیرون براند). از یک پمپ حرارتی هوا-به-هوا شروع میکنیم که در اصل یک کولر گازی برعکس است:
- مرحله ۱: در فشار معمول جو، مبرد نقطه جوش بسیار پایینی دارد، حدود -۵۰°C (-۵۸°F). چرخه را به شکل مخلوطی بسیار سرد از مایع-بخار، با فشاری بسیار پایین و نزدیک به نقطه جوشش شروع میکند.
از میان لولهای مارپیچ به نام تبخیرکننده میگذرد و شروع به جذب گرما از هوای بیرون میکند (که یک فن آن را از روی لوله عبور میدهد). چون مبرد خیلی سرد است، حتی وقتی بیرون نسبتاً سرد است هم گرما جذب میکند - حتی در دمای هوای زیر صفر (°C)† - تا وقتی که هوا هنوز از خود مبرد گرمتر باشد. با جذب گرما، گرم میشود و خیلی زود با گذشتن از نقطه جوش پایینش، به گاز تبخیر میشود. هنگام این کار، انرژی بیشتری هم جذب میکند، یعنی گرمای نهانش را. - مرحله ۲: حالا مبرد بخاری کاملاً گازی و تحت فشار پایین است. هنوز نسبتاً خنک است (در بیشترین حالت همدمای هوای بیرون)، اما به لطف گرمای نهان اضافی که جذب کرده، مقدار قابلتوجهی انرژی در خود دارد.
سپس گاز مبرد از یک کمپرسور. عبور میکند. این کار گاز را پرفشار و فشرده میکند، مولکولها و همه انرژیشان را در فضای کوچکتری میفشارد (یعنی مولکولها بیشتر با هم برخورد میکنند، پس انرژی جنبشیشان بیشتر میشود) و دما بالا میرود.
همین عمل فشردهسازی است که بخار را گرم میکند. حالا مبرد نسبتاً داغ است، معمولاً حدود ۵۰-۷۰°C (۱۲۰-۱۶۰°F) - آنقدر داغ که با وجود بالا رفتن نقطه جوشش، هنوز گاز باقی میماند. - مرحله ۳: سپس مبرد وارد واحد داخلی میشود و از لوله مارپیچ دیگری به نام چگالنده. میگذرد. حالا مبرد خیلی داغتر از هوای داخل است (انرژیاش متمرکزتر شده)، پس گرما بهطور طبیعی آزاد میشود و وارد اتاق میشود. همزمان، خنک میشود. لازم نیست خیلی خنک شود تا از نقطه جوش جدیدش، که فشار بیشتر در لوله چگالنده آن را بالا برده، پایینتر بیاید. بعد بهراحتی دوباره به مایع چگالیده میشود و آن مقدار عظیم انرژی نهان را آزاد میکند - به اندازهای که یک اتاق یا خانه کامل را گرم کند.
- مرحله ۴: حالا مبرد مایعی خنک (نزدیک دمای اتاق) و تحت فشار بالاست که بیشتر انرژی گرماییاش را از دست داده، و از یک شیر انبساط کاهنده فشار عبور میکند. این کار فشار در لوله را کم میکند و به مبرد اجازه انبساط میدهد - در نتیجه مولکولهایش میتوانند پخش شوند و بگذارند انرژی باقیمانده به بیرون پراکنده شود. این کار مبرد را دوباره به مخلوط مایع-بخار برمیگرداند و ناگهان خیلی سردش میکند، آماده برای شروع دوباره چرخه و گذر دوباره از تبخیرکننده برای گرفتن گرمای بیشتر.
این نشان میدهد که دستکاری فشار، تغییر فاز و گرمای نهان چطور میتواند مقدار زیادی انرژی را جابهجا کند، خیلی بیشتر از چیزی که فقط با گرمای محسوس و از راه اختلاف دمای ساده جابهجا میشود. در مقابل، آب داغ داخل رادیاتور شما خیلی زود گرمای محسوس قابللمسش را از دست میدهد (که میدانیم در مقایسه با گرمای نهان نسبتاً کم است)، پس برای گرم کردن یک اتاق کامل باید مدام از راه رادیاتورها آب داغ بیشتری به آن اضافه شود. دبی مبرد در یک پمپ حرارتی میتواند خیلی کمتر باشد و همان مقدار گرما را برساند. خوشبختانه، پمپهای حرارتی را میتوان با دیگها و سامانههای گرمایشی آبی هم همراه کرد تا گرما را به آب در گردش در رادیاتورها، گرمایش از کف و آب مصرفی خانه منتقل کنند (رجوع کنید به انواع پمپهای حرارتی).
† نکته: گرما یا انرژی گرمایی حتی وقتی دما زیر ۰°C است هم وجود دارد - فقط خیلی پراکنده است. خود ۰°C یک نشانگر قراردادی روی یک مقیاس پیوسته دما (مقیاس سلسیوس) است که بر پایه نقطه ذوب/انجماد آب در فشار معمول جو تعیین شده است. بنابراین، مقیاس سلسیوس میتواند از صفر پایینتر برود و به عددهای منفی برسد.
«صفر مطلق» حقیقی بر پایه یک مقیاس مطلق انرژی (مقیاس کلوین) است که پایینترین دمایی را مشخص میکند که از نظر تئوری برای هر مادهای ممکن است، جایی که انرژی در کمترین مقدار مطلق است. مقیاس کلوین از ۰K پایینتر نمیرود، که برابر با -۲۷۳°C است، چون انرژی منفی نمیتواند وجود داشته باشد. از هر دمایی بالاتر از این، پمپ حرارتی از نظر تئوری میتواند کار کند. در عمل، پمپهای حرارتی مدرن میتوانند از هوایی به سردی -۲۰°C (یعنی ۲۵۳K) انرژی بگیرند. اگر عملکرد در دماهای بالاتر از این شرایط ضعیف باشد، معمولاً مشکل از طراحی یا نصب است، نه خود فناوری.
بازده (در مقایسه با گرمایش سنتی)
پمپهای حرارتی بهجای تولید گرما، از برق برای جابهجا کردن گرما از جایی به جای دیگر استفاده میکنند. در مقابل، سیستمهای گرمایشی سنتی گرما تولید میکنند، یا با مقاومت الکتریکی («گرمایش مقاومتی»، که در بخاریهای برقی استفاده میشود) یا با سوزاندن سوختهای فسیلی مثل زغالسنگ یا گاز در کوره یا دیگ.
همین باعث میشود پمپهای حرارتی خیلی کارآمدتر باشند. یک کوره یا دیگ گازی معمولی در بهترین حالت شاید به حدود ۹۰٪ بازده برسد - بخشی از انرژی حاصل از احتراق ناگزیر همراه دود داغ، وقتی بخار آب آزاد میشود (به شکل انرژی نهانِ جذبنشده)، فرار میکند. برای بخاریهای برقی، برق شبکه - که با سوزاندن سوختهای فسیلی تولید میشود و از نیروگاهها، از راه ترانسفورماتورها و کیلومترها خط انتقال میآید - فقط حدود ۴۰٪ از انرژی شیمیایی اولیه موجود در آن سوختهای فسیلیِ خارج از محل را به دست میدهد.
پمپهای حرارتی اما مقدار نسبتاً کمی برق مصرف میکنند تا فنهای واحدهای داخل و بیرون را بچرخانند و کمپرسور را راه بیندازند. مبرد درون مدار، در فرایندی طبیعی و خودبهخودی تغییر فاز میدهد - پمپ حرارتی فقط شرایط مناسب رخ دادن این فرایند را فراهم میکند. بنابراین، یک پمپ حرارتی با طراحی و نصب درست میتواند بیش از ۳ برابرِ انرژیای را که به شکل برق مصرف میکند جابهجا کند (یعنی ۳۰۰٪). در شرایط ایدهآل (به سیستمهای گرمایشی مراجعه کنید)، این مقدار میتواند به بیش از ۵ یا حتی تا ۸ برابر کارآمدتر برسد (۵۰۰-۸۰۰٪).
بازده = انرژی خروجی (گرمایی که میگیرید) ÷ انرژی یا سوخت ورودی (چیزی که پولش را میدهید)
بسته به محل زندگیتان، قیمت برق معمولاً خیلی بیشتر از قیمت گاز است. مثلاً در بریتانیا، برق حدود ۳ برابر گاز قیمت دارد. اما چون پمپهای حرارتی میتوانند با بازده بالاتر از ۳۰۰٪ کار کنند، ممکن است هزینه کارکردشان از دیگهای گازی کمتر باشد - بهخصوص وقتی با حرکت به سمت شبکهها و سیاستهای سبزتر، فاصله قیمت برق و گاز کمتر شود و قیمت برق پایین بیاید.
ارزانترین و کارآمدترین گزینه این است که پمپهای حرارتی با برق تجدیدپذیر کار کنند. اما حتی اگر پمپ حرارتی با برق تولیدشده از سوخت فسیلی کار کند، باز هم میتواند از سیستمهای گرمایشی سنتی کارآمدتر و ارزانتر باشد. پمپ حرارتیای که فقط با شاخص بازده ۲٫۵ کار میکند، شاید بتواند فقط ۴۰٪ از انرژی اولیه گاز طبیعیِ سوختهشده در نیروگاه را استفاده کند، اما با استفاده از آن برق برای جابهجا کردن ۲٫۵ برابرِ انرژیِ مصرفشده، آن ۴۰٪ را به ۱۰۰٪ میرساند - و در نتیجه حتی از بازده ۹۰٪ حاصل از سوزاندن گاز در محل هم جلو میزند.
اینکه بازده پمپ حرارتی چطور به عملکرد واقعی و هزینه کارکرد تبدیل میشود، به این موارد بستگی دارد:
- اندازه خانه: خانههای بزرگتر برای گرم شدن به انرژی بیشتری نیاز دارند.
- عایقکاری: خانههای خوب عایقشده گرما را نگه میدارند و اجازه میدهند پمپها در دماهای پایینتر و کارآمدتر کار کنند.
- طراحی و نصب سیستم: نصب بد یا واحدهای قدیمی میتوانند عملکرد ضعیفی داشته باشند و از یک دیگ پرهزینهتر باشند، اما واحدهای مدرن که خوب نصب شدهاند میتوانند پول زیادی صرفهجویی کنند.
انواع پمپ حرارتی
چند نوع مختلف پمپ حرارتی وجود دارد، اما همهشان از اصول پایه یکسانی استفاده میکنند. رایجترین انواع، گرما را از هوا میگیرند:
- پمپهای حرارتی هوا به هوا در اصل سیستمهای تهویه مطبوع برعکس هستند. هر دو از دو مبدل حرارتی فن-کویل استفاده میکنند، که در آن یک فن هوا را از روی هر کویلِ حاوی مبرد عبور میدهد تا گرما را جذب یا آزاد کند. تفاوتشان با کولرهای گازی خیلی کم است، جز اینکه مبرد گرما را در جهت مخالف جابهجا میکند - در کولرهای گازی، تبخیرکننده داخل قرار دارد تا گرما را جذب کند و چگالنده بیرون قرار دارد تا آن را آزاد کند.
پمپهای حرارتی هوا به هوا میتوانند اتاقها را سریعتر گرم کنند و گاهی برگشتپذیر باشند تا سرمایش هم فراهم کنند. در اینجا، تبخیرکننده و چگالنده قابل جابهجاییاند و یک شیر اضافی جریان مبرد را برعکس میکند، بدون اینکه لازم باشد کمپرسور برعکس شود. این کار میتواند مزایای تهویه مطبوع و رطوبتگیری هم داشته باشد: کویل تبخیرکننده گرمای اطرافش را جذب میکند و در نتیجه همهچیز دوروبرش را خیلی سرد میکند - بخار آب هوا هنگام تماس با کویل چگالیده میشود و به این ترتیب رطوبت اتاق را کم میکند.
آنها ارزانترند و جایگذاریشان میان وسایل خانه انعطافپذیرتر است؛ اما معمولاً برای فضاهای زندگی راحتی کمتری دارند (میتوانند پرصدا باشند، باد بزنند و جریانهای هوای آشفته ایجاد کنند، و همچنین دما را مدام بیش از حد بالا و پایین ببرند)، و پخش متعادل گرما در سراسر خانه با آنها سختتر است و اغلب به سیستمی از چند واحد داخلی در اتاقهای مختلف، یا کانالکشی برای رساندن هوای گرم به سراسر ساختمان نیاز دارند. تازه، برای آب گرم مصرفی هم همچنان به نوعی گرمایش اضافی نیاز دارید. - پمپهای حرارتی هوا به آب از یک کویل یا مبدل حرارتی صفحهای فلزی استفاده میکنند تا گرما را از مبرد به آبی منتقل کنند که در رادیاتورها و گرمایش از کف شما گردش میکند، یا به آب داخل مخزن آب گرم مصرفیتان (اینها سیستمهای جدا هستند - که نمیخواهید با آب رادیاتور حمام کنید!). این سیستمها هم دیرتر گرم میشوند و هم دیرتر سرد. بنابراین، برای محیطی راحتتر و باثباتتر مناسباند. این کار همچنین اجازه میدهد مخزن آب گرم شما به شکلی از ذخیرهسازی انرژی تبدیل شود. اما آنها خیلی گرانترند و ممکن است به ارتقای قابلتوجه لولهکشی و رادیاتورها نیاز داشته باشند (که فضای دیوار را میگیرند و ممکن است جلویشان را وسایل خانه بگیرد). تازه بعضی جاها، مثل آمریکا، شاید از قبل سیستمهای آبی نصبشده نداشته باشند.
- سیستمهای ترکیبی بسته به اتاق میتوانند هم از رادیاتور و هم فن-کویل استفاده کنند، مثلاً رادیاتورها در حمامها باشند و واحدهای فندار در اتاقهای دیگر. در همین حال، سیستمهای بازیافت گرما میتوانند از گرمایی استفاده کنند که سیستمهای تهویه مطبوع میگیرند و معمولاً در تابستان به بیرون فرستاده میشود، و بهجایش آن را برای گرم کردن آب گرم مصرفی به کار ببرند.
واحدهای پمپ حرارتی منبع هوا هم چیدمانهای متفاوتی دارند:
- واحدهای اسپلیت از نظر تاریخی رایجتریناند و یک واحد مبدل حرارتی داخل و یکی بیرون دارند. کمپرسور و شیر انبساط معمولاً در واحد بیرونی قرار میگیرند تا مزاحمت صدا کمتر شود و فضای داخلی کمتری بگیرند. سپس لولهکشی مبرد از بیرون به داخل گردش میکند و واحدها میتوانند با فاصله از هم نصب شوند تا از فضا بهتر استفاده شود.
- واحدهای مونوبلاک حالا روزبهروز محبوبتر میشوند. اینها معمولاً پمپ حرارتی هوا به آب هستند و هر دو مبدل حرارتی و کل مدار مبرد در یک واحد بیرونی قرار دارند، و لولهها آب گرم را به رادیاتورهای داخل میرسانند. این کار نیاز به لولهکشی اختصاصی مبرد به داخل و خارج خانه را از بین میبرد، در زمان و هزینه صرفهجویی میکند و خطر را کاهش میدهد.
پمپهای حرارتی منبع هوا در بیشتر شرایط خوب کار میکنند، هرچند زیر ۲۰-°C ممکن است به مشکل بخورند. درست مثل اینکه کولرهای گازی میتوانند هوا را رطوبتگیری کنند، در زمستان آب ممکن است روی کویل یا واحد بیرونی چگالیده و یخ بزند و باعث جمع شدن برفک شود. رفع این مشکل میتواند آسان باشد (مثلاً سیستمها بهطور خودکار و موقت چرخه تبرید را برعکس میکنند تا برفک آب شود) اما این کار ممکن است بهمرور میانگین بازده را کم کند (هرچند فناوریهای جدید یخزدایی فعال یا پیشگیری از برفک وجود دارند).
پمپهای حرارتی منبع زمین معمولاً بازده بیشتری دارند و در دماهای پایین مؤثرترند، چون دمای زمین از هوا باثباتتر و یکنواختتر است، بهویژه در زمستان که بیشترین نیاز به گرمایش وجود دارد. آنها از یک حلقه بسته دیگر از سیال در گردش (معمولاً ترکیبی از آب و ضدیخ) به نام کلکتور استفاده میکنند که گرما را از زمین جذب میکند (یا اگر برای سرمایش برعکس کار کند، گرما را در زمین میگذارد) و از راه تبخیرکننده گرما را به مبرد منتقل میکند. دو نوع اصلی کلکتور وجود دارد:
- آرایههای افقی شامل لولهکشیای هستند که در ترانشههای کمعمق قرار میگیرد. هرچه لولهها پراکندهتر باشند (کمتر خوشهای باشند)، گرمای بیشتری میتوانند بگیرند و در نتیجه بازده بیشتری دارند. این کار همچنین خطر بیرون کشیدن آنقدر گرما که زمین یخ بزند را کمتر میکند (که میتواند خیلی آسیبزننده باشد). پربازدهترین کلکتورها تا جای ممکن زمین زیادی را در یک حلقه پیوسته پوشش میدهند.
- آرایههای عمودی فضای بسیار کمتری میخواهند و عمیقاً در زمین فرو میروند (تا جایی که زیرساختهای زیرزمینی موجود اجازه دهند - بررسی زمین لازم است!). آنها دو چیدمان متفاوت دارند:
- حلقه بسته - یک گمانه عمیق حفر میشود و یک حلقه لوله بلند در آن قرار میگیرد، سپس دوباره پر میشود. بسته به عمق هرکدام، ممکن است برای یک خانه معمولی چند گمانه لازم باشد.
- حلقههای باز از آبخوانها استفاده میکنند، یعنی مستقیماً از آب زیرزمینی بهعنوان سیال انتقال گرما که در حلقه کلکتور میچرخد استفاده میکنند. آنها بازده بیشتری دارند (یک نقطه/مانع انتقال گرما کمتر دارند) اما به تخصص و نگهداری بیشتری نیاز دارند (آب کثیف نیازمند تمیز کردن منظم فیلترهای سیستم است).
پمپهای حرارتی منبع زمین اغلب برای رساندن و جایگزین کردن گرما به آب موجود در زمین وابستهاند، که به تخلخل و نفوذپذیری خاک بستگی دارد. یک گزینه آسانتر این است که گرما را مستقیم از یک توده آبی بگیرند.
پمپهای حرارتی منبع آب میتوانند حتی از پمپهای حرارتی منبع زمین پربازدهتر و باثباتتر باشند و به همان شکل از حلقههای بسته یا باز استفاده میکنند: با استفاده از یک حلقه بسته جداگانه از سیال کلکتور که از میان آب میگذرد، یا مستقیماً آب منبع (که باز هم بازده را بهتر میکند اما به تمیزکاری منظم نیاز دارد). سرعتی که آب (و در نتیجه گرمای در دسترس) با آن جایگزین میشود مهم است - آب جاری میتواند از آب راکدی که جریان فعالی برای جایگزین کردن آبهای کناری ندارد مؤثرتر باشد. همچنین بهتر است گرما از بالادست گرفته شود و آبِ مصرفشده و کمگرما در پاییندست تخلیه شود، تا بازده بیشتر شود و آب خنکتری که قبلاً استفاده شده دوباره نچرخد.
پمپهای حرارتی منبع زمین و آب هزینه نصب اولیه بسیار بیشتری دارند و به دسترسی به فضای کافی یا آب نیاز دارند، اما با بازده بیشتر، میتوانند در طول زمان صرفهجویی بیشتری در هزینههای کارکرد ایجاد کنند. با این حال، پمپهای حرارتی منبع هوا بسیار پیشرفت کردهاند و رقابت را برابرتر کردهاند - حالا تأکید کمتری بر دما و پایداری منبع گرما و تأکید بیشتری بر بهینهسازی طراحی هیدرونیک و خود سیستم گرمایش وجود دارد.
بهینهسازی سیستمهای گرمایشی
حسگرها و کنترل سیستم:
- ترموستاتهای هوشمند - میتوانند با تنظیم دقیق دما از راه تغییرات کوچک، بهجای خاموش و روشن کردن مکرر گرمایش، به ثابت ماندن گرما کمک کنند.
- جبرانسازی آبوهوا - گرمایش با استفاده از حسگرهایی که دمای بیرون را تشخیص میدهند، پیش از آنکه روی دمای داخل خانهتان اثر بگذارد، بهطور پیشگیرانه تنظیم میشود.
دمای آب در سیستم آبی:
- رادیاتورهای بزرگتر و مخزنهای آب بزرگتر میتوانند در یک دمای مشخص، آب و در نتیجه انرژی گرمایی بیشتری در خود نگه دارند. یعنی میتوانند آب را در دمای پایینتری نگه دارند و همان مقدار گرمای مخزنها یا رادیاتورهای کوچکتر را ذخیره کنند (یعنی با چگالی گرمایی کمتر). این کار اختلاف دمای آب با محیط اطرافش را کم میکند و انتقال گرما را کندتر میسازد. گرچه این کار سرعت گرم شدن خانه توسط سیستم را پایین میآورد، رادیاتورهای بزرگتر سطح بیشتری هم برای آزاد کردن گرما دارند که این انتقال کندتر را جبران میکند. این کار همچنین با رساندن یکنواختتر گرما و کند کردن اتلاف ناخواسته و هدررفت گرما از مخزنها و لولهکشیهای متصل، پایداری را بیشتر میکند.
علاوه بر این، باعث میشود سیستم گرمایش در مجموع با دمای رفت پایینتری کار کند. چون برای انتقال گرما به آب، مبرد باید از آب داغتر باشد، آب خنکتر اجازه میدهد دمای هدف مبرد پایینتر بماند. منبع گرما همیشه باید داغتر باشد تا انتقال گرما را پیش ببرد، پس دمای رفت یا مخزن بالاتر، پمپ حرارتی را مجبور میکند داغتر کار کند، در حالی که دمای رفت یا مخزن پایینتر یعنی دمای مبرد هم میتواند پایینتر باشد.
دمای هدف پایینتر برای مبرد همچنین یعنی اختلاف دمای کمتری با منبع گرمای بیرون که پمپ حرارتی باید بر آن غلبه کند. بنابراین کمپرسور برای بالا بردن فشار و دمای مبرد کار کمتری دارد، مصرف برق کم میشود و بازده بهتر میشود. - لایهبندی (یعنی شکلگیری طبیعی یک گرادیان دما - یا «ترموکلاین» - داخل مخزن آب شما) میتواند دمای آبی را که از مبرد گرما میگیرد پایین بیاورد، و در نتیجه سرعت انتقال گرما را بالا ببرد یا نیاز به مبرد داغتر را کم کند. پس بهتر است کویل مبدل حرارتی را پایین مخزن بگذارید، جایی که آب خنکتر و سنگینتر زیر آب گرمتر قرار میگیرد.
به همین دلیل، بهتر است مخزنهای استوانهای بلندتر و باریکتری داشته باشید که این ترموکلاین را بیشتر نمایان میکنند، و آب سردی را که از رادیاتورهای سراسر خانه برمیگردد همراه بقیه آب سرد به پایین مخزن هدایت کنید (با فشار و سرعت کم تا آبی که از قبل در مخزن است بههم نخورد).
لولهکشی و مبدلهای حرارتی:
- مبدلهای حرارتی قویتر میتوانند آب را سریعتر یا با اختلاف دمای کمتر در سراسر سیستم گرم کنند. مثلاً کویلهای بلندتر یا شیاردار سطح بیشتری دارند و میتوانند انتقال گرما را بهتر کنند. با این حال:
- اگر مسیر جریان را بیش از حد بلند یا باریک کنید، سرعت جریان مبرد و در نتیجه رساندن گرما محدود میشود. آن وقت پمپ باید سختتر کار کند و دمای ورودی لازم از مبرد در پمپ حرارتی بالاتر میرود.
- اگر قطر داخلی کویل را بیش از حد بزرگ کنید، فشار پایین میآید و سیال خیلی آهسته حرکت میکند، که اجازه میدهد یک لایه عایق دور لبه لوله شکل بگیرد و انتقال گرما را محدود کند.
این موضوع برای لولهها و کویلهای آب که به رادیاتورها میروند و از آنها عبور میکنند هم صدق میکند. لولهها باید دقیق تنظیم و متعادل شوند تا انتقال گرما در رادیاتور تا حد ممکن زیاد و اتلاف گرما از هر لولهکشی متصل تا حد ممکن کم شود.
(مطالب اضافی بر اساس اطلاعات Technology Connections و Heat Geek)




















