پمپ‌های حرارتی

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.

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.

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.

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.

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)