हीट पंप्स

तापमान को किसी पदार्थ या जगह में ऊष्मा ऊर्जा की सांद्रता के तौर पर समझा जा सकता है। अगर किसी खास जगह या वस्तु में बहुत सारी ऊर्जा ठुंसी हो, तो वह गर्म होती है। अगर ऊर्जा तुलनात्मक रूप से फैली हुई हो, तो वह ठंडी होती है।

ज़्यादा तापमान का मतलब है कि किसी पदार्थ के अणुओं में ज़्यादा गतिज ऊर्जा होती है - यानी ठोस में वे ज़्यादा तेज़ी से कंपन करते हैं, या द्रव या गैस में ज़्यादा तेज़ी से घूमते हैं और ज़्यादा बार टकराते हैं। जब वे कंपन करते हैं या टकराते हैं, तो हम इस गतिज ऊर्जा को तापीय ऊर्जा (यानी गर्मी) के रूप में महसूस करते हैं। इसलिए तापमान को बाहरी स्रोत से सक्रिय रूप से और ऊर्जा जोड़कर, या (ज़्यादा) अणुओं को छोटी जगह में दबाकर उस ऊर्जा को केंद्रित करके बढ़ाया जा सकता है।

ऊष्मागतिकी के बुनियादी सार्वभौमिक नियमों के अनुसार, ऊर्जा हमेशा फैलने या ऊर्जा की ज़्यादा सांद्रता वाले क्षेत्रों से कम सांद्रता वाले क्षेत्रों की ओर जाने की कोशिश करती है, जब तक सब कुछ संतुलित और बराबर न हो जाए (इसे एंट्रॉपी कहते हैं - अन्य वीडियो देखें)। यही वजह है कि ठंडे दिनों में ऊष्मा ऊर्जा गर्म घर से ठंडी बाहर की हवा में फैल जाती है। इन्सुलेशन से इस ऊष्मा हस्तांतरण को धीमा किया जा सकता है, लेकिन हीट पंप इन्हीं सिद्धांतों और रेफ्रिजरेंट नाम के खास, दबाव वाले द्रव के चतुर इस्तेमाल से इस हस्तांतरण को पूरी तरह उलट देते हैं।

रेफ्रिजरेंट को यहाँ खास तौर पर उपयोगी बनाने वाली बात यह है कि हम उनका क्वथनांक आसानी से बदल सकते हैं।

क्वथनांक

आइए क्वथनांकों के विज्ञान को समझें। क्वथन का मतलब है किसी द्रव का गैस में वाष्पीकरण, जब अणु द्रव को एक साथ रखने वाले अंतराअणुक बलों से मुक्त होने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा पा लेते हैं। द्रव में ये बल लगातार टूटते और फिर बनते रहते हैं, जिससे अणु एक-दूसरे के पास से निकल सकते हैं। द्रव को गैस में बदलने के लिए उसके अणुओं को पूरी तरह अलग होने लायक पर्याप्त ऊर्जा चाहिए। यह ज़रूरी नहीं कि ठीक 100°C (212°F) पर ही हो, जैसा आम तौर पर पानी के साथ होता है, और न ही यह तब होना ज़रूरी है जब बहुत गर्मी हो…

मिसाल के लिए, अगर आप पहाड़ पर केतली गर्म करें, तो आपको पता चलेगा कि वह वास्तव में कम तापमान पर उबलती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ऊँची जगहों पर वायुमंडलीय दबाव समुद्र तल से कम होता है, जिससे अणु आसानी से फैल और निकल सकते हैं, इसलिए पानी को उबलने के लिए कम ऊर्जा चाहिए। इसके उलट, ज़्यादा दबाव में पानी के अणु एक साथ दब जाते हैं और उन्हें उबलने व मुक्त होने के लिए ज़्यादा ऊर्जा - और इसलिए ज़्यादा तापमान - चाहिए। इसलिए दबाव पानी का क्वथनांक बदल सकता है।

संवेद्य बनाम गुप्त ऊष्मा

अब, आम तौर पर आप पानी जैसी किसी चीज़ को गर्म (या ठंडा) करें, तो ऊर्जा जोड़ने (या हटाने) पर पहले उसका तापमान बदलता है, क्योंकि उसके अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ती (या घटती) है और वे तेज़ (या धीमे) चलते या कंपन करते हैं। इस ऊर्जा को संवेद्य ऊष्मा कहते हैं और यही हम तब महसूस करते हैं जब कोई चीज़ छूने पर गर्म या ठंडी लगती है।

लेकिन यहाँ एक और तरकीब है - जैसे ही पानी अपने क्वथनांक पर पहुँचता है, उसका तापमान बढ़ना रुक जाता है। इसके बजाय, सारी ऊष्मा ऊर्जा अचानक अणुओं को एक साथ रखने वाले बंधनों को तोड़ने और उन्हें एक-दूसरे से अलग करने में लग जाती है, जिससे पानी भाप बन जाता है। पानी का तापमान (या यूँ कहें, बनी हुई जलवाष्प का) तब तक फिर नहीं बढ़ेगा जब तक सारा पानी वाष्पित न हो जाए। ठोस बर्फ के द्रव में पिघलने पर भी यही होता है। इसे गुप्त ऊष्मा कहते हैं और यह बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा होती है। दरअसल, पानी को वाष्पित करने में उतनी ऊर्जा से 7x ज़्यादा ऊर्जा लगती है, जितनी उसे पहले उसके क्वथनांक तक गर्म करने में लगी थी।

इसीलिए नम दिनों में, बाहर का तापमान वही होने पर भी हवा ज़्यादा गर्म लगती है (या मौसम रिपोर्ट एक तापमान बताए, लेकिन ‘महसूस होने वाला’ दूसरा) - हवा में अतिरिक्त जलवाष्प में सूखी हवा की तुलना में ज़्यादा ऊष्मा ऊर्जा होती है (यानी इसमें यह सारी अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा होती है)।

पसीना आपको ठंडा भी इसी तरह करता है: जब पसीना वाष्पित होता है, तो वह गुप्त ऊर्जा के रूप में शरीर की बहुत सारी गर्मी सोख लेता है और उस गर्मी को आपकी त्वचा से दूर ले जाता है। नम परिस्थितियों में, जहाँ हवा में पहले से बहुत सारा वाष्पित पानी होता है, यह प्रक्रिया धीमी हो जाती है, जिससे हालात कहीं ज़्यादा गर्म महसूस होते हैं।

उलटी प्रक्रिया तब होती है जब पानी भाप से फिर द्रव में संघनित होता है। जैसे आपने पानी उबालने के लिए गर्मी डाली थी, वैसे ही संघनित होने पर वह बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा वापस छोड़ता है। इस तरह, जब कोई भी चीज़ अवस्था बदलती है - यानी उबलती, पिघलती, संघनित होती या जमती है - तो उसे ‘गुप्त’ ऊष्मा ऊर्जा सोखनी या छोड़नी पड़ती है, क्योंकि ये बंधन टूटते या बनते हैं।

तापमान बनाम दबाव

तो गर्मी जोड़ने या हटाने से तापमान बदलता है, लेकिन दबाव बदलने पर भी कुछ ऐसा ही होता है।

दबाव ठोसों, द्रवों और गैसों पर लगाया जा सकता है, लेकिन गैसों को आसानी से दबाया जा सकता है क्योंकि उनके अणुओं के बीच जगह होती है और वे तुलनात्मक रूप से फैले होते हैं। दूसरी ओर, द्रवों और ठोसों को इसी तरह दबाया नहीं जा सकता, क्योंकि आपके लिए उनके अणुओं को जितना वे पहले से हैं उससे ज़्यादा पास दबाना संभव नहीं है। द्रव पर दबाव डालने से उसके अणुओं का गैस में अलग होना मुश्किल हो जाता है। वाष्प एक ऐसी गैस है जिसे एक अहम तापमान से नीचे, सक्रिय रूप से ठंडा किए बिना सीधे द्रव में दबाया जा सकता है। यह सभी गैसों के लिए संभव नहीं है यानी सभी वाष्प गैस हैं, लेकिन सभी गैसें वाष्प नहीं हैं।

हम जानते हैं कि दबाव में जलवाष्प ज़्यादा आसानी से संघनित होती है, क्योंकि इससे अणुओं को पास-पास दबने में मदद मिलती है। लेकिन पर्याप्त दबाव से आपके लिए जलवाष्प को ठंडा किए बिना सीधे वापस द्रव में दबाना संभव है। फिर, जब वाष्प द्रव में संघनित होती है, तो वह अपनी सारी गुप्त ऊर्जा छोड़ती है। इसके उलट, पर्याप्त कम दबाव पर द्रव के अणु बिना किसी गर्मी के फैल जाएँगे। फिर जब वे अलग होकर वाष्पित होते हैं, तो वे अपने आसपास से गुप्त ऊर्जा सोख लेते हैं।

लेकिन इससे थोड़ा खींचतान वाला हाल बनता है। गैसों और वाष्पों को दबाने पर, दबाव डालने से उनका तापमान भी बढ़ता है। अणुओं को छोटी जगह में दबाने से (या उसी जगह में ज़्यादा अणु भरने से) अणुओं की सांद्रता बढ़ती है - अणु पास होते हैं, टकराव ज़्यादा बार होते हैं, और उस जगह में ज़्यादा गतिज ऊर्जा केंद्रित होती है।

तो यहीं बात पेचीदा होती है - दबाव बढ़ाने पर विपरीत असर होते हैं: वाष्प के अणु एक साथ दबते हैं और इसलिए उनके संघनित होने की संभावना बढ़ती है, लेकिन इससे तापमान भी बढ़ता है, जिससे उनके संघनित होने की संभावना घटती है।

दबाव के कारण वाष्प का क्वथनांक (या संघनन बिंदु) अब बढ़ गया है, यानी इन नई उच्च-दबाव वाली परिस्थितियों में वाष्प को गैस बनाए रखने के लिए ज़्यादा ऊर्जा और ज़्यादा तापमान चाहिए होगा।

तो, अगर उसका अपना तापमान न बदला होता, तो बढ़े हुए दबाव के साथ वह नए क्वथनांक से नीचे जाकर संघनित होने के कहीं ज़्यादा करीब होती।

लेकिन बेशक, उसका अपना तापमान बदल गया है, और दबाव के कारण वह भी बढ़ा है। इसलिए जहाँ दबाव क्वथनांक बढ़ाता है, वहीं वह वाष्प का तापमान भी बढ़ाता है, और तापमान में यह साथ-साथ बढ़ोतरी संघनन की प्रक्रिया का विरोध करती है और वाष्प को लगातार बढ़ते क्वथनांक से ऊपर उसकी गैसीय अवस्था में बनाए रखती है।

वाष्प को सच में संघनित करने के लिए, आपको या तो दबाव और भी बढ़ाना होगा - जब तक बढ़ता क्वथनांक तापमान में साथ-साथ होने वाली बढ़ोतरी से आगे न निकल जाए - या उसे ठंडा करना होगा, सक्रिय रूप से गर्मी निकालनी होगी, ताकि सारी अतिरिक्त गतिज ऊर्जा फैल सके और तापमान उसके नए क्वथनांक से नीचे आ जाए।

इससे पता चलता है कि तापमान, क्वथनांक और दबाव आपस में कितने गहराई से जुड़े हैं। आपके लिए किसी चीज़ का तापमान (या अवस्था) 1) सक्रिय रूप से संवेद्य (या गुप्त) ऊष्मा ऊर्जा जोड़कर या हटाकर या 2) दबाव बदलकर बदलना संभव है, जो बदले में गुप्त ऊष्मा को सोखने या छोड़ने पर मजबूर कर सकता है। और किसी द्रव या गैस पर दबाव डालने से उसका क्वथनांक बढ़ता है (यानी वह तापमान जिस पर वह वाष्पित या संघनित होती है)।

बेशक, यह सब पानी के अलावा दूसरे यौगिकों पर भी लागू होता है: यही वजह है कि दबाव वाले डियोडरेंट कैन का स्प्रे त्वचा पर ठंडा लगता है - बाहर निकलते ही तेज़ी से दबाव घटने पर द्रव एरोसोल अणु (और उनकी ऊर्जा) फैलकर गैस बन जाते हैं और उसका तापमान बहुत नीचे गिर जाता है।

हीट पंप पारंपरिक बॉयलर, भट्ठियों या इलेक्ट्रिक हीटरों की तरह गर्मी पैदा नहीं करता। बल्कि, यह इन ऊष्मागतिक सिद्धांतों का इस्तेमाल पहले से मौजूद गर्मी को उसके प्राकृतिक प्रवाह के उलट स्थानांतरित करने के लिए करता है यानी बाहर की कम-स्तरीय (यानी फैली हुई) ऊष्मा ऊर्जा को लेकर उसे घर के अंदर केंद्रित करता है। यह एक बंद-लूप प्रणाली में रेफ्रिजरेंट के जरिए होता है, जिसे चार अहम हिस्से चलाते हैं: एक कंप्रेसर, एक एक्सपैंशन वाल्व, और दो हीट एक्सचेंजर, जिन्हें इवैपोरेटर और कंडेंसर कहा जाता है। दरअसल, यह बिल्कुल वही प्रणाली है जो फ्रिज और एयर कंडीशनर में इस्तेमाल होती है, बस उलटी दिशा में काम करती है (यानी गर्मी को बाहर निकालने के बजाय घर के अंदर केंद्रित करती है)। हम एयर-टू-एयर हीट पंप से शुरू करेंगे, जो असल में उल्टा चलता एयर कंडीशनर है:

• चरण 1: सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर, रेफ्रिजरेंट का क्वथनांक बहुत कम होता है, करीब -50°C (-58°F)। यह चक्र की शुरुआत अपने क्वथनांक के करीब बहुत कम दबाव पर एक बेहद ठंडे तरल-वाष्प मिश्रण के रूप में करता है।
  यह पाइप की एक कुंडली से गुजरता है, जिसे इवैपोरेटर कहा जाता है, और बाहर की हवा से गर्मी सोखना शुरू करता है (जिसे एक पंखा कुंडली के ऊपर से बहाता है)। रेफ्रिजरेंट इतना ठंडा होता है कि बाहर अपेक्षाकृत ठंड होने पर भी यह गर्मी सोख लेता है - यहां तक कि शून्य से नीचे (°C) हवा के तापमान^† में भी - जब तक हवा खुद रेफ्रिजरेंट से गर्म है। गर्मी सोखने पर यह गर्म होता है, और जल्द ही अपने कम क्वथनांक से ऊपर पहुंचकर गैस में वाष्पित हो जाता है। ऐसा करते हुए, यह और भी ऊर्जा सोखता है यानी अपनी गुप्त ऊष्मा।
• चरण 2: अब रेफ्रिजरेंट कम दबाव पर पूरी तरह गैसीय वाष्प है। यह अब भी अपेक्षाकृत ठंडा है (अधिकतम बाहर की हवा के तापमान जितना), लेकिन सोखी हुई अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा की वजह से इसमें काफी ऊर्जा होती है।
  फिर रेफ्रिजरेंट गैस एक कंप्रेसर से गुजरती है। यह गैस पर दबाव डालकर उसे संपीड़ित करता है, अणुओं और उनकी सारी ऊर्जा को छोटी जगह में करीब लाता है (यानी अणु ज्यादा बार टकराते हैं, इसलिए उनकी गतिज ऊर्जा बढ़ती है), और तापमान बढ़ जाता है।
  संपीड़न की यही क्रिया वाष्प को गर्म करती है। अब रेफ्रिजरेंट काफी गर्म होता है, आम तौर पर करीब 50-70°C (120-160°F) - इतना गर्म कि अब उसका क्वथनांक बढ़ जाने के बावजूद यह गैस ही रहता है।
• चरण 3: फिर रेफ्रिजरेंट अंदर वाली यूनिट में जाता है और एक दूसरी कुंडली से गुजरता है, जिसे कंडेंसर कहा जाता है। रेफ्रिजरेंट अब अंदर की हवा से काफी ज्यादा गर्म है (इसकी ऊर्जा ज्यादा केंद्रित है), इसलिए गर्मी स्वाभाविक रूप से निकलकर कमरे में बहती है। ऐसा करते हुए, यह ठंडा होता है। कंडेंसर कुंडली में बढ़े दबाव से बढ़े अपने नए क्वथनांक से नीचे आने के लिए इसे ज्यादा ठंडा नहीं होना पड़ता। फिर यह आसानी से वापस तरल में संघनित हो जाता है और उतनी बड़ी मात्रा में गुप्त ऊर्जा छोड़ता है - जो पूरे कमरे या घर को गर्म करने के लिए काफी है।
• चरण 4: रेफ्रिजरेंट अब उच्च दबाव पर ठंडा (कमरे के तापमान के करीब) तरल है, जिसकी ज्यादातर ऊष्मा ऊर्जा खर्च हो चुकी है, और यह दबाव घटाने वाले एक्सपैंशन वाल्व से गुजरता है। इससे पाइप में दबाव कम होता है और रेफ्रिजरेंट फैल पाता है - इस तरह उसके अणु फैल सकते हैं और बची हुई ऊर्जा को बाहर की ओर बिखरने देते हैं। इससे रेफ्रिजरेंट फिर तरल-वाष्प मिश्रण बन जाता है और अचानक बहुत ठंडा हो जाता है, ताकि चक्र फिर शुरू कर सके और ज्यादा गर्मी लेने के लिए वापस इवैपोरेटर से गुजर सके।

यह दिखाता है कि दबाव, अवस्था परिवर्तन और गुप्त ऊष्मा में हेरफेर करके बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा स्थानांतरित की जा सकती है, जो सिर्फ संवेद्य ऊष्मा से बुनियादी तापमान अंतर के जरिए स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा से कहीं ज्यादा है। इसके उलट, आपके रेडिएटर का गर्म पानी अपनी महसूस होने वाली संवेद्य ऊष्मा जल्दी बिखेर देता है (जो गुप्त ऊष्मा के मुकाबले, जैसा हम जानते हैं, काफी कम है), इसलिए पूरे कमरे को गर्म करने के लिए आपके रेडिएटरों से लगातार और गर्म पानी पहुंचाना पड़ता है। हीट पंप में रेफ्रिजरेंट की प्रवाह दर उतनी ही गर्मी देने के लिए काफी कम हो सकती है। अच्छी बात यह है कि हीट पंप को बॉयलरों और पानी-आधारित हीटिंग प्रणालियों के साथ भी जोड़ा जा सकता है, ताकि यह आपके रेडिएटरों, फर्श के नीचे की हीटिंग और घरेलू पानी की आपूर्ति में घूमते पानी तक गर्मी पहुंचा सके (हीट पंप के प्रकार देखें)।

^† नोट: 0°C से नीचे तापमान होने पर भी गर्मी या ऊष्मा ऊर्जा मौजूद रहती है - बस बहुत फैली हुई होती है। 0°C खुद एक सतत तापमान पैमाने (सेल्सियस पैमाने) पर मनमाना निशान है, जो सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर पानी के पिघलने/जमने के बिंदु पर आधारित है। इसलिए, सेल्सियस पैमाना शून्य से नीचे ऋणात्मक संख्याओं तक जा सकता है।

सच्चा ‘परम शून्य’ ऊर्जा के एक निरपेक्ष पैमाने (केल्विन पैमाने) पर आधारित है, जो किसी भी यौगिक के लिए सैद्धांतिक रूप से संभव सबसे कम तापमान बताता है, जहां ऊर्जा बिल्कुल न्यूनतम होती है। केल्विन पैमाना 0K से नीचे नहीं जाता, जो -273°C के बराबर है, क्योंकि ऋणात्मक ऊर्जा नहीं हो सकती। इस तापमान से ऊपर किसी भी तापमान पर, हीट पंप सैद्धांतिक रूप से काम कर सकता है। व्यवहार में, आधुनिक हीट पंप -20°C (यानी 253K) जितनी ठंडी हवा से ऊर्जा निकाल सकते हैं। अगर इन स्थितियों से ऊपर प्रदर्शन खराब हो, तो आम तौर पर वजह तकनीक खुद नहीं बल्कि डिजाइन या स्थापना होती है।

हीट पंप गर्मी पैदा करने के बजाय, उसे एक जगह से दूसरी जगह ले जाने के लिए बिजली इस्तेमाल करते हैं। इसके उलट, पारंपरिक हीटिंग सिस्टम गर्मी पैदा करते हैं, या तो विद्युत प्रतिरोध से (‘प्रतिरोधी हीटिंग’, जो इलेक्ट्रिक हीटरों में होता है) या भट्ठी या बॉयलर में कोयला या गैस जैसे जीवाश्म ईंधन जलाकर।

इससे हीट पंप कहीं ज़्यादा दक्ष बनते हैं। आम तौर पर, एक गैस भट्ठी या बॉयलर अधिकतम करीब 90% दक्षता तक पहुँच सकता है - दहन की कुछ ऊर्जा गर्म धुएँ के साथ अनिवार्य रूप से निकल जाती है, क्योंकि जल वाष्प निकलती है (बिना पकड़ी गई गुप्त ऊर्जा के रूप में)। इलेक्ट्रिक हीटरों के लिए, बिजली ग्रिड की उस बिजली से चलना - जो जीवाश्म ईंधन जलाकर बनाई जाती है और बिजलीघरों से ट्रांसफॉर्मरों व कई मील लंबी संचरण लाइनों के ज़रिए पहुँचती है - उन दूर स्थित जीवाश्म ईंधनों में मौजूद मूल रासायनिक ऊर्जा का केवल करीब 40% ही काम में ला पाता है।

वहीं, हीट पंप अंदरूनी और बाहरी यूनिटों के पंखे चलाने और कंप्रेसर को बिजली देने के लिए अपेक्षाकृत कम बिजली लेते हैं। लूप के भीतर मौजूद रेफ्रिजरेंट एक प्राकृतिक, स्वतः होने वाली प्रक्रिया में अवस्था बदलता है - हीट पंप बस इसके होने के लिए सही स्थितियाँ बनाता है। इसलिए, अच्छी तरह डिज़ाइन किया गया और लगाया गया हीट पंप जितनी बिजली लेता है, उससे 3x से ज़्यादा ऊर्जा स्थानांतरित कर सकता है (यानी 300%)। आदर्श स्थितियों में (हीटिंग सिस्टम देखें), यह बढ़कर 5 से अधिक या 8x तक ज़्यादा दक्ष हो सकता है (500-800%)।

दक्षता = ऊर्जा आउटपुट (आपको मिलने वाली गर्मी) ÷ ऊर्जा या ईंधन इनपुट (जिसके लिए आपको भुगतान करना पड़ता है)

आपका घर कहाँ है, इसके हिसाब से बिजली की कीमत आम तौर पर गैस की कीमत से काफी ज़्यादा होती है। उदाहरण के लिए, यूके में बिजली की कीमत गैस से करीब 3x ज़्यादा है। लेकिन हीट पंप 300% से अधिक दक्षता पर चल सकते हैं, इसलिए उन्हें चलाना गैस बॉयलरों से सस्ता हो सकता है - खासकर जब हरित बिजली ग्रिडों और नीतियों की ओर बढ़ने से बिजली-गैस कीमतों का अंतर कम हो, और बिजली सस्ती हो जाए।

सबसे सस्ता, सबसे दक्ष विकल्प हीट पंपों को नवीकरणीय बिजली से चलाना है। लेकिन अगर हीट पंप को जीवाश्म ईंधन से बनी बिजली मिल रही हो, तब भी वह पारंपरिक हीटिंग सिस्टमों से अधिक दक्ष और सस्ता हो सकता है। केवल 2.5 की दक्षता पर चलने वाला हीट पंप बिजलीघर में जलाई गई प्राकृतिक गैस की मूल ऊर्जा का केवल 40% ही इस्तेमाल कर पाए, लेकिन उस बिजली से ली गई ऊर्जा से 2.5x ऊर्जा स्थानांतरित करके, वह उस 40% को 100% तक बढ़ा देता है - और इस तरह गैस को मौके पर जलाकर मिलने वाली 90% दक्षता से भी आगे निकल जाता है।

हीट पंप की दक्षता असल प्रभावशीलता और चलाने की लागत में कैसे बदलती है, यह इन बातों पर निर्भर करता है:

• घर का आकार: बड़े घरों को गर्म करने के लिए ज़्यादा ऊर्जा चाहिए।
• इन्सुलेशन: अच्छे इन्सुलेशन वाले घर गर्मी रोककर रखते हैं और पंपों को कम, अधिक दक्ष तापमान पर चलने देते हैं।
• सिस्टम डिज़ाइन और स्थापना: खराब स्थापना या पुरानी यूनिटें खराब काम कर सकती हैं और बॉयलर से ज़्यादा महंगी पड़ सकती हैं, लेकिन अच्छी तरह लगाई गई आधुनिक यूनिटें काफी पैसे बचा सकती हैं।

हीट पंप के कई अलग-अलग प्रकार हैं, लेकिन सभी एक ही बुनियादी सिद्धांतों पर काम करते हैं। सबसे आम प्रकार हवा से गर्मी लेते हैं:

• एयर-टू-एयर हीट पंप मूल रूप से उलटे चलने वाले एयर-कंडीशनिंग सिस्टम हैं। दोनों में दो फैन-कॉइल हीट एक्सचेंजर होते हैं, जिनमें पंखा रेफ्रिजरेंट वाली हर कॉइल पर हवा फेंकता है ताकि गर्मी को सोखा या छोड़ा जा सके। एयर कंडीशनर से इनमें बहुत कम फर्क है, बस रेफ्रिजरेंट गर्मी को उलटी दिशा में ले जाता है - एयर कंडीशनर में गर्मी सोखने वाला इवैपोरेटर अंदर होता है, और उसे छोड़ने वाला कंडेंसर बाहर होता है।
  एयर-टू-एयर हीट पंप कमरों को जल्दी गर्म कर सकते हैं और कभी-कभी ठंडक देने के लिए उलटे भी चल सकते हैं। इसमें इवैपोरेटर और कंडेंसर एक-दूसरे की भूमिका निभा सकते हैं, और एक अतिरिक्त वाल्व कंप्रेसर को उलटा चलाए बिना रेफ्रिजरेंट का प्रवाह पलट देता है। इससे एयर कंडीशनिंग और नमी कम करने के फायदे भी मिल सकते हैं: इवैपोरेटर कॉइल अपने आसपास से गर्मी सोखती है और इसलिए आसपास की चीजों को बहुत ठंडा कर देती है - कॉइल के संपर्क में आते ही हवा की जलवाष्प संघनित हो जाती है, जिससे कमरे की नमी घटती है।
  ये सस्ते होते हैं और इन्हें फर्नीचर के आसपास आसानी से लगाया जा सकता है; लेकिन रहने की जगहों के लिए आम तौर पर कम आरामदायक होते हैं (इनसे शोर हो सकता है, हवा तेज लग सकती है और अशांत वायु प्रवाह बन सकता है, साथ ही ये बार-बार तापमान को जरूरत से ऊपर और नीचे ले जा सकते हैं), और पूरे घर में गर्मी को संतुलित करना भी मुश्किल होता है, इसलिए अक्सर अलग-अलग कमरों में कई इनडोर यूनिटों या इमारत भर में गर्म हवा पहुंचाने के लिए डक्ट सिस्टम की जरूरत पड़ती है। साथ ही, घरेलू गर्म पानी के लिए आपको फिर भी किसी अतिरिक्त हीटिंग की जरूरत होगी।
• एयर-टू-वॉटर हीट पंप कॉइल या धातु की प्लेट वाले हीट एक्सचेंजर से रेफ्रिजरेंट की गर्मी को आपके रेडिएटरों और अंडरफ्लोर हीटिंग में घूम रहे पानी, या घरेलू गर्म पानी की टंकी के अंदर के पानी तक पहुंचाते हैं (ये अलग सिस्टम हैं; रेडिएटर के पानी में नहाना आपको पसंद नहीं होगा!)। इन सिस्टमों को गर्म होने में ज्यादा समय लगता है, लेकिन ठंडा होने में भी। इसलिए, ये ज्यादा आरामदायक और स्थिर माहौल के लिए ठीक रहते हैं। इससे आपकी गर्म पानी की टंकी ऊर्जा भंडारण के रूप में भी काम कर सकती है। लेकिन, ये काफी महंगे होते हैं और पाइपों व रेडिएटरों में बड़े बदलाव की जरूरत पड़ सकती है (जो दीवार की जगह लेते हैं और फर्नीचर से ढक सकते हैं)। साथ ही अमेरिका जैसी कुछ जगहों पर हो सकता है कि पहले से जल-आधारित सिस्टम न लगे हों।
• मिश्रित सिस्टम कमरे के हिसाब से रेडिएटर और फैन-कॉइल, दोनों का इस्तेमाल कर सकते हैं, जैसे बाथरूम में रेडिएटर और दूसरे कमरों में फैन यूनिट। वहीं, हीट रिकवरी सिस्टम गर्मियों में एयर कंडीशनिंग सिस्टम द्वारा निकाली गई उस गर्मी का इस्तेमाल कर सकते हैं जो आम तौर पर बाहर फेंक दी जाती, और उसकी जगह उससे घरेलू गर्म पानी गर्म कर सकते हैं।

एयर सोर्स हीट पंप यूनिट भी अलग-अलग व्यवस्थाओं में आते हैं:

• स्प्लिट ब्लॉक यूनिट ऐतिहासिक रूप से सबसे आम रहे हैं, जिनमें एक हीट एक्सचेंजर यूनिट अंदर और एक बाहर होती है। शोर की परेशानी कम करने और अंदर कम जगह लेने के लिए कंप्रेसर और एक्सपैंशन वाल्व आम तौर पर बाहरी यूनिट में होते हैं। फिर रेफ्रिजरेंट की पाइपें बाहर से अंदर तक जाती हैं, जहां जगह का बेहतर उपयोग करने के लिए यूनिटों को एक-दूसरे से दूर लगाया जा सकता है।
• मोनोब्लॉक यूनिट अब तेजी से लोकप्रिय हो रहे हैं। ये आम तौर पर एयर-टू-वॉटर हीट पंप होते हैं, जिनमें दोनों हीट एक्सचेंजर और पूरा रेफ्रिजरेंट लूप एक ही बाहरी यूनिट में होता है, और पाइपें गर्म पानी को अंदर के रेडिएटरों तक ले जाती हैं। इससे घर के अंदर-बाहर जाने वाली खास तौर पर बनी रेफ्रिजरेंट पाइपिंग की जरूरत नहीं पड़ती, जिससे समय और लागत बचते हैं और जोखिम घटता है।

एयर सोर्स हीट पंप ज्यादातर स्थितियों में अच्छे से काम करते हैं, हालांकि -20°C से नीचे इन्हें दिक्कत हो सकती है। जिस तरह एयर कंडीशनर हवा की नमी कम कर सकते हैं, उसी तरह सर्दियों में बाहरी कॉइल या यूनिट पर पानी संघनित होकर जम सकता है, जिससे पाले की परत बनती है। इसे ठीक करना आसान हो सकता है (मिसाल के लिए, सिस्टम पाले को पिघलने देने के लिए रेफ्रिजरेशन चक्र को अपने-आप और थोड़ी देर के लिए उलटा कर देते हैं) लेकिन समय के साथ इससे औसत दक्षता घट सकती है (हालांकि नई, सक्रिय डीफ्रॉस्टिंग या पाला-रोकने वाली तकनीकें मौजूद हैं)।

ग्राउंड सोर्स हीट पंप आम तौर पर कम तापमान पर ज्यादा दक्ष और असरदार होते हैं, क्योंकि जमीन का तापमान हवा के मुकाबले ज्यादा स्थिर और एक-जैसा रहता है, खासकर सर्दियों में जब हीटिंग की सबसे ज्यादा जरूरत होती है। इनमें घूमते हुए तरल का एक और बंद लूप होता है (आमतौर पर पानी और एंटीफ्रीज का मिश्रण), जिसे कलेक्टर कहते हैं और जो जमीन से गर्मी सोखता है (या ठंडक के लिए उलटा चलने पर गर्मी छोड़ता है) और इवैपोरेटर के जरिए गर्मी को रेफ्रिजरेंट तक पहुंचाता है। कलेक्टर के दो मुख्य प्रकार हैं:

• क्षैतिज ऐरे में उथली खाइयों में बिछाई गई पाइपिंग होती है। पाइपिंग जितनी ज्यादा फैली हुई (कम गुच्छों में) होगी, उतनी ज्यादा गर्मी निकाल सकेगी, इसलिए वे उतने ही ज्यादा दक्ष होंगे। इससे इतनी ज्यादा गर्मी खींच लेने का खतरा भी घटता है कि जमीन जम जाए (जो बहुत नुकसानदेह हो सकता है)। सबसे दक्ष कलेक्टर एक ही लगातार लूप में जितना संभव हो उतना बड़ा जमीन का क्षेत्र ढकते हैं।
• ऊर्ध्वाधर ऐरे को बहुत कम जगह चाहिए और वे जमीन में गहराई तक जाते हैं (जितनी मौजूदा भूमिगत संरचना अनुमति दे - भूमि सर्वेक्षण जरूरी हैं!)। ये दो अलग व्यवस्थाओं में आते हैं:
• • बंद लूप - एक गहरा बोरहोल खोदा जाता है, जिसमें पाइप का एक लंबा लूप डालकर फिर उसे भर दिया जाता है। हर बोरहोल कितना गहरा है, इस पर निर्भर करते हुए एक सामान्य घर के लिए कई बोरहोल की जरूरत हो सकती है।
  • खुले लूप एक्विफर का इस्तेमाल करते हैं, यानी वे कलेक्टर लूप के चारों ओर घूमने वाले ऊष्मा-स्थानांतरण तरल के रूप में सीधे भूमिगत पानी का इस्तेमाल करते हैं। ये ज्यादा दक्ष होते हैं (ऊष्मा-स्थानांतरण का एक बिंदु/रुकावट कम होता है) लेकिन ज्यादा विशेषज्ञता और रखरखाव मांगते हैं (गंदे पानी के लिए सिस्टम फिल्टरों की नियमित सफाई चाहिए)।

ग्राउंड सोर्स हीट पंप अक्सर गर्मी को पहुंचाने और फिर से भरने के लिए जमीन के पानी पर निर्भर होते हैं, जो मिट्टी की सरंध्रता और पारगम्यता पर निर्भर करता है। इससे आसान विकल्प किसी जलाशय से सीधे गर्मी लेना है।

वॉटर सोर्स हीट पंप ग्राउंड सोर्स हीट पंप से भी ज्यादा दक्ष और स्थिर हो सकते हैं और इनमें भी उसी तरह बंद या खुले लूप होते हैं: पानी से होकर गुजरने वाले कलेक्टर तरल के अलग बंद लूप का उपयोग, या स्रोत के पानी का सीधे उपयोग (जिससे फिर दक्षता बढ़ती है लेकिन नियमित सफाई चाहिए)। जिस दर से पानी (और इसलिए उपलब्ध गर्मी) फिर से भरता है, वह अहम है - पास के पानी को फिर से भरने वाली सक्रिय धाराओं के बिना स्थिर पानी के मुकाबले बहता पानी ज्यादा असरदार हो सकता है। दक्षता बढ़ाने और पहले इस्तेमाल हो चुका ठंडा पानी फिर से न घुमाने के लिए, गर्मी को धारा के ऊपर की ओर से लेना और इस्तेमाल किया हुआ, गर्मी गंवा चुका पानी धारा के नीचे की ओर छोड़ना भी बेहतर है।

ग्राउंड और वॉटर सोर्स हीट पंप में शुरू में लगाने की लागत काफी ज्यादा होती है और पर्याप्त जगह या पानी तक पहुंच चाहिए, लेकिन ज्यादा दक्षता के साथ समय के साथ चलाने की लागत में ज्यादा बचत की संभावना होती है। हालांकि, एयर सोर्स हीट पंप बहुत बेहतर हुए हैं और मुकाबला बराबर कर दिया है - अब गर्मी के स्रोत के तापमान और स्थिरता पर कम, और हाइड्रॉनिक डिजाइन तथा हीटिंग सिस्टम को बेहतर बनाने पर ज्यादा जोर है।

सिस्टम सेंसर और नियंत्रण:

• स्मार्ट थर्मोस्टैट - हीटिंग को बार-बार बंद और चालू करने के बजाय, छोटे बदलावों से तापमान को बारीकी से नियंत्रित करके स्थिर गर्मी बनाए रखने में मदद कर सकते हैं।
• मौसम के अनुसार समायोजन - बाहर के तापमान को पहचानने वाले सेंसर से हीटिंग को पहले ही नियंत्रित किया जाता है, इससे पहले कि उसका असर आपके घर के अंदर के तापमान पर पड़े।

जल-आधारित प्रणाली के पानी का तापमान:

• बड़े रेडिएटर और बड़े पानी के टैंक एक तय तापमान पर ज्यादा पानी और इसलिए ज्यादा तापीय ऊर्जा रख सकते हैं। इसका मतलब है कि वे छोटे टैंकों या रेडिएटरों जितनी ही गर्मी कम तापमान पर जमा कर सकते हैं (यानी कम तापीय घनत्व पर)। इससे पानी और उसके आसपास के बीच तापमान का अंतर कम होता है, जिससे ऊष्मा का स्थानांतरण धीमा पड़ता है। इससे आपके घर को गर्म करने की प्रणाली की रफ्तार धीमी होती है, लेकिन बड़े रेडिएटरों का सतह क्षेत्र भी ज्यादा होता है, जिससे वे ज्यादा जगह पर गर्मी छोड़ते हैं और स्थानांतरण की धीमी रफ्तार की भरपाई हो जाती है। इससे गर्मी ज्यादा लगातार मिलती है और टैंकों व उन्हें जोड़ने वाली पाइपों से होने वाला अनचाहा और बेकार गर्मी नुकसान धीमा पड़ता है, जिससे स्थिरता भी बढ़ती है।
  इसके अलावा, इससे हीटिंग सिस्टम कुल मिलाकर कम प्रवाह तापमान पर चल सकता है। क्योंकि गर्मी को पानी में जाने के लिए रेफ्रिजरेंट का पानी से ज्यादा गर्म होना जरूरी है, ठंडा पानी रेफ्रिजरेंट के लक्षित तापमान को कम रख सकता है। ऊष्मा स्थानांतरण चलाने के लिए ऊष्मा स्रोत का हमेशा ज्यादा गर्म होना जरूरी है, इसलिए ज्यादा गर्म प्रवाह या टैंक तापमान हीट पंप को ज्यादा गर्म चलने पर मजबूर करता है, जबकि ठंडे प्रवाह या टैंक तापमान का मतलब है कि रेफ्रिजरेंट का तापमान भी कम रह सकता है।
  रेफ्रिजरेंट का कम लक्षित तापमान बाहरी ऊष्मा स्रोत के साथ उस तापमान अंतर को भी घटाता है जिसे हीट पंप को पार करना होता है। इसलिए कंप्रेसर को रेफ्रिजरेंट का दबाव और तापमान बढ़ाने में कम काम करना पड़ता है, जिससे बिजली की खपत घटती है और दक्षता बढ़ती है।
• स्तरीकरण (यानी आपके पानी के टैंक के अंदर तापमान ढाल का प्राकृतिक बनना - या ‘थर्मोक्लाइन’ -) रेफ्रिजरेंट से गर्मी लेने वाले पानी का तापमान कम करने में मदद कर सकता है, जिससे ऊष्मा स्थानांतरण की रफ्तार बढ़ती है या ज्यादा गर्म रेफ्रिजरेंट की जरूरत घटती है। इसलिए, हीट एक्सचेंजर की कुंडली को टैंक के नीचे रखना बेहतर है, जहाँ भारी ठंडा पानी गर्म पानी के नीचे रहता है।
  इसी कारण, ऊँचे और पतले सिलिंडर रखना बेहतर है जो इस थर्मोक्लाइन को और साफ बनाते हैं, और घर भर के रेडिएटरों से लौटते ठंडे पानी को बाकी ठंडे पानी के साथ टैंक के नीचे भेजना बेहतर है (कम दबाव और रफ्तार पर, ताकि टैंक में पहले से मौजूद पानी न हिले)।

पाइपवर्क और हीट एक्सचेंजर:

• ज्यादा शक्तिशाली हीट एक्सचेंजर पानी को तेजी से या पूरे सिस्टम में कम तापमान अंतर के साथ गर्म कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, लंबी या पसलियों वाली कुंडलियों का सतह क्षेत्र ज्यादा होता है और इसलिए वे ऊष्मा स्थानांतरण बढ़ा सकती हैं। लेकिन:
• • प्रवाह का रास्ता बहुत लंबा या बहुत संकरा कर दें और रेफ्रिजरेंट के बहाव की रफ्तार, और इसलिए ऊष्मा आपूर्ति, सीमित हो जाएगी। तब पंप को ज्यादा मेहनत करनी पड़ेगी, जिससे हीट पंप में रेफ्रिजरेंट का जरूरी इनपुट तापमान बढ़ जाएगा।
  • कुंडली का भीतरी व्यास बहुत चौड़ा कर दें और दबाव गिर जाएगा व द्रव बहुत धीरे चलेगा, जिससे पाइप के किनारे पर एक इन्सुलेटिंग परत बन सकेगी जो ऊष्मा स्थानांतरण को सीमित करेगी।
  
  यह बात आपके रेडिएटरों तक जाने वाली और उनके भीतर से गुजरने वाली पानी की पाइपों और कॉइलों पर भी लागू होती है। पाइपों को बारीकी से समायोजित और संतुलित करना जरूरी है, ताकि रेडिएटर में ऊष्मा का स्थानांतरण अधिकतम हो, लेकिन जोड़ने वाली पाइपों से ऊष्मा की हानि कम से कम हो।

(Technology Connections & Heat Geek की जानकारी पर आधारित अतिरिक्त सामग्री)