ปั๊มความร้อน

อุณหภูมิอาจมองได้ว่าเป็น ความเข้มข้นของพลังงานความร้อน ในสสารหรือพื้นที่หนึ่ง ๆ ถ้ามีพลังงานอัดแน่นอยู่มากในพื้นที่หรือวัตถุชิ้นหนึ่ง มันก็ร้อน ถ้าพลังงานกระจายตัวค่อนข้างมาก มันก็เย็น

อุณหภูมิที่สูงขึ้นหมายความว่าโมเลกุลของสสารมี พลังงานจลน์ มากขึ้น - กล่าวคือ ในของแข็งมันสั่นเร็วขึ้น หรือในของเหลวหรือก๊าซมันเคลื่อนที่เร็วขึ้นและชนกันบ่อยขึ้น เมื่อมันสั่นหรือชนกัน เราจะรับรู้พลังงานจลน์นี้เป็น พลังงานความร้อน (กล่าวคือ ความร้อน) ดังนั้นอุณหภูมิจึงเพิ่มได้ด้วยการเติมพลังงานจากภายนอกเข้าไปโดยตรง หรือทำให้พลังงานนั้นเข้มข้นขึ้นด้วยการอัดโมเลกุล (ให้มากขึ้น) ลงในพื้นที่ที่เล็กลง

ตามกฎพื้นฐานสากลของอุณหพลศาสตร์ พลังงานมักมีแนวโน้มจะแผ่กระจายหรือเคลื่อนจากบริเวณที่พลังงานเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่เข้มข้นต่ำ จนทุกอย่างสมดุลและเท่าเทียมกัน (เรียกว่า เอนโทรปี - ดูวิดีโอเพิ่มเติม) นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมในวันที่หนาว พลังงานความร้อนจึงกระจายจากบ้านอุ่น ๆ ออกไปสู่ภายนอกที่เย็น การถ่ายเทความร้อนนี้ชะลอได้ด้วยฉนวน แต่ปั๊มความร้อนกลับทิศทางการถ่ายเทนี้ได้เลย ด้วยการใช้หลักการเดียวกันอย่างชาญฉลาดและของไหลพิเศษที่มีแรงดัน เรียกว่า สารทำความเย็น

สิ่งที่ทำให้สารทำความเย็นมีประโยชน์มากในเรื่องนี้คือ เราเปลี่ยนจุดเดือดของมันได้ง่าย

จุดเดือด

มาดูวิทยาศาสตร์ของ จุดเดือด กัน การเดือดคือการระเหยของของเหลวให้กลายเป็นก๊าซ เมื่อโมเลกุลมีพลังงานจลน์มากพอที่จะหลุดพ้นจากแรงระหว่างโมเลกุลที่ยึดของเหลวไว้ด้วยกัน ในของเหลว แรงเหล่านี้จะแตกและก่อตัวใหม่อยู่ตลอด ทำให้โมเลกุลเคลื่อนผ่านกันได้ การเปลี่ยนของเหลวเป็นก๊าซต้องใช้พลังงานมากพอให้โมเลกุลหลุดออกจากกันโดยสมบูรณ์ เรื่องนี้ไม่จำเป็นต้องเกิดที่ 100 °C (212 °F) พอดีเหมือนที่มักเกิดกับน้ำ และไม่จำเป็นต้องเกิดตอนร้อนด้วยซ้ำ…

ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณต้มน้ำในกาบนภูเขา คุณจะพบว่ามันเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่าเดิมจริง ๆ นั่นเพราะความดันบรรยากาศบนที่สูงต่ำกว่าที่ระดับน้ำทะเล ทำให้โมเลกุลกระจายตัวและหลุดออกได้ง่ายกว่า จึงใช้พลังงานน้อยลงในการทำให้น้ำเดือด ในทางกลับกัน เมื่อความดันสูงขึ้น โมเลกุลน้ำจะถูกอัดเข้าหากันและต้องใช้พลังงานมากขึ้น - และจึงต้องใช้อุณหภูมิสูงขึ้น - เพื่อเดือดและหลุดออก ดังนั้นความดันจึงเปลี่ยนจุดเดือดของน้ำได้

ความร้อนสัมผัสกับความร้อนแฝง

ปกติแล้ว เมื่อคุณทำให้อะไรอย่างน้ำร้อนขึ้น (หรือเย็นลง) การเพิ่ม (หรือนำออก) พลังงานจะเปลี่ยนอุณหภูมิก่อน โดยเพิ่ม (หรือลด) พลังงานจลน์ของโมเลกุล ทำให้มันเคลื่อนที่หรือสั่นเร็วขึ้น (หรือช้าลง) พลังงานนี้เรียกว่า ความร้อนสัมผัส และเป็นสิ่งที่เรารู้สึกเมื่อของบางอย่างร้อนหรือเย็นเมื่อสัมผัส

แต่ยังมีอีกทริกหนึ่ง - เมื่อน้ำถึงจุดเดือดแล้ว อุณหภูมิของมันจะหยุดสูงขึ้น พลังงานความร้อนทั้งหมดจะถูกใช้เพื่อทำลายพันธะที่ยึดโมเลกุลไว้ด้วยกันและแยกมันออกจากกัน เปลี่ยนน้ำเป็นไอน้ำแทน อุณหภูมิของน้ำ (หรือให้แม่นกว่านั้น คือไอน้ำที่เกิดขึ้น) จะไม่เริ่มสูงขึ้นอีกจนกว่าน้ำทั้งหมดจะระเหยไป เช่นเดียวกับการละลายน้ำแข็งจากของแข็งเป็นของเหลว สิ่งนี้เรียกว่า ความร้อนแฝง และเป็นพลังงานปริมาณมหาศาล จริง ๆ แล้ว การระเหยน้ำใช้พลังงานมากกว่าพลังงานที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิน้ำให้ถึงจุดเดือดตั้งแต่แรกถึง 7 เท่า

ด้วยเหตุนี้ อากาศจึงรู้สึกอุ่นกว่าในวันที่ชื้น แม้อุณหภูมิภายนอกจะเท่ากัน (หรือทำไมรายงานอากาศอาจบอกว่าอุณหภูมิหนึ่ง แต่ ‘รู้สึกเหมือน’ อีกอุณหภูมิหนึ่ง) - ไอน้ำที่เพิ่มขึ้นในอากาศมีพลังงานความร้อนมากกว่าอากาศแห้ง (กล่าวคือ มีความร้อน แฝง เพิ่มเติมทั้งหมดนี้อยู่)

นี่ก็เป็นวิธีที่เหงื่อช่วยให้คุณเย็นลง: เมื่อเหงื่อระเหย มันจะดูดซับความร้อนจากร่างกายจำนวนมากเป็นพลังงานแฝง และพาความร้อนนั้นออกไปจากผิวหนังของคุณ ในสภาพอากาศชื้น ที่มีน้ำระเหยอยู่ในอากาศมากแล้ว กระบวนการนี้จะช้าลง ทำให้รู้สึกร้อนกว่ามาก

สิ่งตรงข้ามเกิดขึ้นเมื่อน้ำควบแน่นจากไอกลับเป็นของเหลว เช่นเดียวกับตอนที่คุณเติมความร้อนเพื่อต้มน้ำ มันจะปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลกลับออกมาเมื่อควบแน่น ด้วยวิธีนี้ เมื่ออะไรก็ตามเปลี่ยนสถานะ - กล่าวคือ เดือด หลอมเหลว ควบแน่น หรือแข็งตัว - มันต้องดูดซับหรือปล่อยพลังงานความร้อน ‘แฝง’ ระหว่างนั้น เพราะพันธะเหล่านั้นถูกทำลายหรือก่อตัวขึ้น

อุณหภูมิกับความดัน

ดังนั้นการเพิ่มหรือนำความร้อนออกจึงเปลี่ยนอุณหภูมิ แต่สิ่งคล้ายกันก็เกิดขึ้นเมื่อคุณเปลี่ยนความดัน

ความดันใช้กับของแข็ง ของเหลว และก๊าซได้ แต่ก๊าซอัดตัวได้ง่าย เพราะมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลซึ่งกระจายห่างกันพอสมควร ส่วนของเหลวและของแข็งไม่สามารถอัดได้แบบเดียวกัน เพราะคุณไม่อาจบีบโมเลกุลให้ชิดกันกว่าที่เป็นอยู่ได้ สำหรับของเหลว การเพิ่มความดันจะทำให้โมเลกุลแยกตัวเป็นก๊าซได้ยากขึ้นแทน ไอเป็นก๊าซชนิดหนึ่งที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต สามารถอัดให้กลายเป็นของเหลวได้โดยตรงโดยไม่ต้องทำให้เย็นลง นี่ไม่ได้เป็นไปได้กับก๊าซทุกชนิด กล่าวคือ ไอทุกชนิดเป็นก๊าซ แต่ก๊าซไม่ใช่ทุกชนิดเป็นไอ

เรารู้ว่าไอน้ำควบแน่นได้ง่ายขึ้นเมื่ออยู่ใต้ความดัน เพราะมันช่วยอัดโมเลกุลให้ชิดกันมากขึ้น แต่ถ้ามีความดันมากพอ คุณอัดไอน้ำกลับเป็นของเหลวได้เลยโดยไม่ต้องทำให้เย็น จากนั้น เมื่อไอควบแน่นเป็นของเหลว มันจะปล่อยพลังงานแฝงทั้งหมดออกมา ในทางกลับกัน ที่ความดันต่ำพอ โมเลกุลของเหลวจะกระจายตัวได้โดยไม่ต้องใช้ความร้อนเลย จากนั้นเมื่อมันแยกออกและระเหย มันจะดูดซับพลังงานแฝงจากสิ่งรอบตัว

แต่เรื่องนี้ทำให้เกิดแรงดึงคนละทางอยู่หน่อย เมื่ออัดก๊าซและไอ การเพิ่มความดันก็จะเพิ่มอุณหภูมิของมันด้วย การบีบโมเลกุลลงในพื้นที่เล็กลง (หรือใส่โมเลกุลมากขึ้นในพื้นที่เท่าเดิม) จะเพิ่มความเข้มข้นของโมเลกุล - โมเลกุลอยู่ชิดกันขึ้น การชนเกิดบ่อยขึ้น และพลังงานจลน์จะกระจุกอยู่ในพื้นที่นั้นมากขึ้น

ตรงนี้เองที่เรื่องเริ่มซับซ้อน - เมื่อเพิ่มความดัน คุณจะได้ผลที่ตีกัน: โมเลกุลของไอถูกบีบให้อยู่ชิดกัน จึงมีแนวโน้มควบแน่นมากขึ้น แต่สิ่งนี้ก็เพิ่มอุณหภูมิด้วย ทำให้มันมีแนวโน้มควบแน่นน้อยลง

ตอนนี้จุดเดือด (หรือจุดควบแน่น) ของไอถูกความดันยกให้สูงขึ้น กล่าวคือ ต้องป้อนพลังงานมากขึ้นและใช้อุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อคงไอไว้เป็นก๊าซภายใต้สภาวะความดันสูงใหม่นี้

ดังนั้น ถ้าอุณหภูมิของมันเองไม่เปลี่ยน เมื่อมีความดันเพิ่มเข้ามา มันก็จะเข้าใกล้จุดที่จะต่ำกว่าจุดเดือดใหม่และควบแน่นมากขึ้น

แต่แน่นอนว่า อุณหภูมิของมันเองเปลี่ยนไปแล้ว และเพิ่มขึ้นจากความดันด้วย ดังนั้นแม้ความดันจะเพิ่มจุดเดือด แต่มันก็เพิ่มอุณหภูมิของไอเช่นกัน และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นพร้อมกันนี้จะต้านกระบวนการควบแน่นและคงไอไว้ในสถานะก๊าซเหนือจุดเดือดที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ

หากจะทำให้ไอควบแน่นจริง ๆ คุณต้องเพิ่มความดันให้มากขึ้นอีก - จนจุดเดือดที่สูงขึ้นแซงหน้าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นพร้อมกัน - หรือทำให้มันเย็นลง โดยดึงความร้อนออกโดยตรง ปล่อยให้พลังงานจลน์ส่วนเกินทั้งหมดกระจายไป และให้อุณหภูมิลดต่ำกว่าจุดเดือดใหม่

นี่แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิ จุดเดือด และความดันเชื่อมโยงกันแน่นมาก คุณบังคับให้บางอย่างเปลี่ยนอุณหภูมิ (หรือสถานะ) ได้ด้วย 1) การเพิ่มหรือนำพลังงานความร้อนสัมผัส (หรือความร้อนแฝง) ออกโดยตรง หรือ 2) การเปลี่ยนความดัน ซึ่งจะบังคับให้ความร้อนแฝงถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาได้ และการเพิ่มความดันให้ของเหลวหรือก๊าซจะเพิ่มจุดเดือดของมัน (กล่าวคือ อุณหภูมิที่มันระเหยหรือควบแน่น)

แน่นอนว่าทั้งหมดนี้ใช้กับสารประกอบอื่นนอกจากน้ำด้วย: นี่คือเหตุผลที่การฉีดสเปรย์ระงับกลิ่นกายกระป๋องแรงดันให้ความรู้สึกเย็นบนผิว - การลดความดันอย่างรวดเร็วเมื่อมันถูกปล่อยออกมา ทำให้โมเลกุลแอโรซอลของเหลว (และพลังงานของมัน) กระจายตัวเป็นก๊าซ และทำให้อุณหภูมิดิ่งลง

ปั๊มความร้อนไม่ได้สร้างความร้อนเหมือนหม้อต้ม เตาเผา หรือฮีตเตอร์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิม แต่ใช้หลักอุณหพลศาสตร์เหล่านี้เพื่อย้ายความร้อนที่มีอยู่แล้วสวนทางกับการไหลตามธรรมชาติ กล่าวคือ ดักพลังงานความร้อนระดับต่ำ (หรือความร้อนที่กระจายตัว) จากภายนอก แล้วรวมมันไว้ในบ้าน ระบบนี้ทำงานด้วย สารทำความเย็น ในวงจรปิด ซึ่งขับเคลื่อนโดย 4 ส่วนหลัก: คอมเพรสเซอร์, วาล์วขยายตัว และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน 2 ตัว ที่เรียกว่า เครื่องระเหย และ เครื่องควบแน่น จริง ๆ แล้วนี่คือระบบเดียวกับที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ เพียงทำงานกลับทิศกัน (กล่าวคือ รวมความร้อนไว้ในบ้าน แทนที่จะระบายออกไป) เราจะเริ่มจากปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่อากาศ ซึ่งก็คือแอร์ที่ทำงานย้อนกลับนั่นเอง:

• ขั้นที่ 1: ภายใต้ความดันบรรยากาศปกติ สารทำความเย็นมีจุดเดือดต่ำมาก ราว -50 °C (-58 °F) มันเริ่มวงจรในรูปของผสมระหว่างของเหลวกับไอที่เย็นจัด มีความดันต่ำมาก และเกือบถึงจุดเดือดของมัน
  มันไหลผ่านคอยล์ที่เรียกว่า เครื่องระเหย และเริ่มดูดความร้อนจากอากาศภายนอก (ซึ่งพัดผ่านคอยล์ด้วยพัดลม) เพราะสารทำความเย็นเย็นมาก มันจึงดูดความร้อนได้แม้ข้างนอกจะค่อนข้างหนาว - แม้ในอุณหภูมิอากาศต่ำกว่าศูนย์ (°C)^† - ตราบใดที่อากาศยังอุ่นกว่าตัวสารทำความเย็นเอง เมื่อมันดูดความร้อนเข้าไป มันจะอุ่นขึ้น และไม่นานก็สูงกว่าจุดเดือดต่ำ ๆ ของตัวเอง จึงระเหยกลายเป็นก๊าซ ระหว่างนั้นมันยังดูดพลังงานเพิ่มเข้าไปอีก กล่าวคือ ความร้อนแฝงของมัน
• ขั้นที่ 2: ตอนนี้สารทำความเย็นเป็นไอก๊าซเต็มตัวภายใต้ความดันต่ำ มันยังค่อนข้างเย็น (อุ่นได้มากสุดเท่ากับอุณหภูมิอากาศภายนอก) แต่ด้วยความร้อนแฝงที่ดูดมาเพิ่ม มันจึงกักพลังงานไว้ได้มากพอสมควร
  จากนั้นก๊าซสารทำความเย็นจะผ่าน คอมเพรสเซอร์. ส่วนนี้เพิ่มความดันและอัดก๊าซ ทำให้โมเลกุลอยู่ชิดกันขึ้น และอัดพลังงานทั้งหมดไว้ในพื้นที่เล็กลง (กล่าวคือ โมเลกุลชนกันบ่อยขึ้น พลังงานจลน์จึงเพิ่มขึ้น) ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น
  การอัดนี่เองที่ทำให้ไอร้อนขึ้น ตอนนี้สารทำความเย็นค่อนข้างร้อน โดยปกติราว 50-70 °C (120-160 °F) - ร้อนพอที่ยังเป็นก๊าซ แม้ตอนนี้จุดเดือดของมันจะสูงขึ้นแล้วก็ตาม
• ขั้นที่ 3: จากนั้นสารทำความเย็นจะเข้าสู่ยูนิตภายในและผ่านคอยล์อีกชุดที่เรียกว่า เครื่องควบแน่น. ตอนนี้สารทำความเย็นร้อนกว่าอากาศในบ้านมาก (พลังงานของมันเข้มข้นกว่า) ดังนั้นความร้อนจึงถูกปล่อยออกมาและไหลเข้าสู่ห้องตามธรรมชาติ ระหว่างนั้นมันก็เย็นลง มันไม่ต้องเย็นลงมากนักก่อนจะต่ำกว่าจุดเดือดใหม่ของตัวเอง ซึ่งสูงขึ้นจากความดันที่เพิ่มในคอยล์เครื่องควบแน่น จากนั้นมันจะควบแน่นกลับเป็นของเหลวได้ง่าย และปล่อยพลังงานแฝงมหาศาลนั้นออกมา - มากพอจะทำให้ทั้งห้องหรือทั้งบ้านอุ่นขึ้น
• ขั้นที่ 4: ตอนนี้สารทำความเย็นเป็นของเหลวเย็น (ใกล้อุณหภูมิห้อง) ภายใต้ความดันสูง ใช้พลังงานความร้อนส่วนใหญ่ไปแล้ว และไหลผ่านวาล์วขยายตัวเพื่อลดความดัน สิ่งนี้ลดความดันในท่อและเปิดทางให้สารทำความเย็นขยายตัว - โมเลกุลจึงกระจายออกได้ และปล่อยให้พลังงานที่เหลือกระจายออกไปด้านนอก สิ่งนี้ทำให้สารทำความเย็นกลับเป็นของผสมระหว่างของเหลวกับไอ และทำให้มันเย็นจัดอย่างรวดเร็ว พร้อมเริ่มวงจรอีกครั้งและไหลกลับผ่านเครื่องระเหยเพื่อเก็บความร้อนเพิ่ม

นี่แสดงให้เห็นว่าการควบคุมความดัน การเปลี่ยนสถานะ และความร้อนแฝง สามารถย้ายพลังงานปริมาณมากได้ มากกว่าที่จะย้ายได้ด้วยความต่างอุณหภูมิธรรมดาโดยใช้เพียงความร้อนสัมผัส ในทางตรงกันข้าม น้ำร้อนในหม้อน้ำของคุณจะคายความร้อนสัมผัสที่คุณรู้สึกได้ออกไปอย่างรวดเร็ว (ซึ่งเรารู้ว่าเมื่อเทียบกับความร้อนแฝงแล้วมีค่อนข้างน้อย) ดังนั้นการจะทำให้ทั้งห้องอุ่นจึงต้องเติมน้ำร้อนผ่านหม้อน้ำอยู่ตลอด อัตราการไหลของสารทำความเย็นในปั๊มความร้อนอาจต่ำกว่ามาก แต่ส่งความร้อนได้เท่าเดิม โชคดีที่ปั๊มความร้อนยังใช้ร่วมกับหม้อต้มและระบบทำความร้อนด้วยน้ำ เพื่อถ่ายเทความร้อนไปสู่น้ำที่หมุนเวียนผ่านหม้อน้ำ ระบบทำความร้อนใต้พื้น และน้ำใช้ในบ้านของคุณได้ (ดู ประเภทของปั๊มความร้อน)

^† หมายเหตุ: ความร้อนหรือพลังงานความร้อนยังมีอยู่แม้อุณหภูมิจะต่ำกว่า 0 °C - เพียงแค่กระจายตัวมาก 0 °C เองเป็นจุดกำหนดตามอำเภอใจบนสเกลอุณหภูมิแบบต่อเนื่อง (สเกลเซลเซียส) ที่อิงกับจุดหลอมเหลว/แข็งตัวของน้ำภายใต้ความดันบรรยากาศปกติ ดังนั้นสเกลเซลเซียสจึงลดต่ำกว่าศูนย์ไปเป็นค่าลบได้

‘ศูนย์สัมบูรณ์’ ที่แท้จริงอิงจากสเกลพลังงานสัมบูรณ์ (สเกลเคลวิน) ซึ่งกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎีสำหรับสารทุกชนิด ซึ่งเป็นจุดที่พลังงานต่ำสุดอย่างแท้จริง สเกลเคลวินไม่ต่ำกว่า 0 K ซึ่งเท่ากับ -273 °C เพราะพลังงานติดลบไม่ได้ อะไรก็ตามที่อุ่นกว่าอุณหภูมินี้ ปั๊มความร้อนก็ทำงานได้ในทางทฤษฎี ในทางปฏิบัติ ปั๊มความร้อนสมัยใหม่ดึงพลังงานจากอากาศที่เย็นถึง -20 °C (กล่าวคือ 253 K) ได้ หากประสิทธิภาพไม่ดีในสภาวะที่อุ่นกว่านี้ ก็มักเป็นเพราะการออกแบบหรือการติดตั้ง มากกว่าตัวเทคโนโลยีเอง

ปั๊มความร้อนใช้ไฟฟ้าย้ายความร้อนจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง แทนที่จะสร้างความร้อนขึ้นมาเอง ต่างจากระบบทำความร้อนทั่วไปที่สร้างความร้อน ไม่ว่าจะด้วยความต้านทานไฟฟ้า (‘การทำความร้อนแบบความต้านทาน’ ที่ใช้ในเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า) หรือการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างถ่านหินหรือก๊าซในเตาเผาหรือหม้อต้ม

จึงทำให้ปั๊มความร้อนมีประสิทธิภาพกว่ามาก อย่างมากที่สุด เตาเผาหรือหม้อต้มก๊าซทั่วไปอาจมีประสิทธิภาพราว 90% - พลังงานบางส่วนจากการเผาไหม้เล็ดลอดออกไปกับควันร้อนอย่างเลี่ยงไม่ได้ เมื่อไอน้ำถูกปล่อยออกมา (ในรูปของพลังงานแฝงที่ไม่ได้เก็บกลับมา) สำหรับเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า การใช้ไฟจากโครงข่ายไฟฟ้า - ที่ผลิตจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล แล้วส่งผ่านหม้อแปลงและสายส่งหลายไมล์จากโรงไฟฟ้า - ให้พลังงานได้เพียงราว 40% ของพลังงานเคมีตั้งต้นที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิลที่อยู่ไกลออกไปนั้น

ขณะเดียวกัน ปั๊มความร้อนใช้ไฟฟ้าค่อนข้างน้อยเพื่อเดินพัดลมในเครื่องภายในและภายนอกอาคาร และจ่ายไฟให้คอมเพรสเซอร์ สารทำความเย็นในวงจรจะเปลี่ยนสถานะด้วยกระบวนการธรรมชาติที่เกิดขึ้นเอง - ปั๊มความร้อนแค่สร้างเงื่อนไขที่เหมาะให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ดังนั้น ปั๊มความร้อนที่ออกแบบและติดตั้งอย่างดีจึงย้ายพลังงานได้มากกว่าไฟฟ้าที่ใช้เกิน 3 เท่า (กล่าวคือ 300%) ในสภาวะที่เหมาะสม (ดู ระบบทำความร้อน) ตัวเลขนี้อาจเพิ่มเป็นมากกว่า 5 เท่า หรือสูงสุดถึง 8 เท่า (500-800%)

ประสิทธิภาพ = พลังงานที่ได้ออกมา (ความร้อนที่คุณได้รับ) ÷ พลังงานหรือเชื้อเพลิงที่ใส่เข้าไป (สิ่งที่คุณจ่ายเงินซื้อ)

ราคาไฟฟ้ามักสูงกว่าราคาก๊าซมาก ขึ้นอยู่กับว่าคุณอยู่ที่ไหน ตัวอย่างเช่น ในสหราชอาณาจักร ไฟฟ้ามีราคาราว 3 เท่าของก๊าซ แต่เพราะปั๊มความร้อนทำงานได้ที่ประสิทธิภาพเกิน 300% มันจึงอาจมีค่าใช้จ่ายในการใช้งานต่ำกว่าหม้อต้มก๊าซ - โดยเฉพาะเมื่อช่องว่างระหว่างราคาไฟฟ้ากับก๊าซแคบลงจากการเปลี่ยนไปใช้โครงข่ายไฟฟ้าที่สะอาดขึ้นและนโยบายต่าง ๆ และราคาไฟฟ้าลดลง

ทางเลือกที่ถูกและมีประสิทธิภาพที่สุดคือใช้ปั๊มความร้อนกับไฟฟ้าหมุนเวียน แต่แม้ปั๊มความร้อนจะใช้ไฟฟ้าที่มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ก็ยังมีประสิทธิภาพกว่าและถูกกว่าระบบทำความร้อนแบบเดิมได้ ปั๊มความร้อนที่ทำงานด้วยค่าประสิทธิภาพเพียง 2.5 อาจใช้พลังงานตั้งต้นจากก๊าซธรรมชาติที่เผาในโรงไฟฟ้าได้แค่ 40% แต่ด้วยการใช้ไฟฟ้านั้นย้ายพลังงานได้ 2.5 เท่าของที่ใช้ไป มันจึงดัน 40% นั้นขึ้นเป็น 100% - และมีประสิทธิภาพเหนือกว่า 90% ที่ได้จากการเผาก๊าซในสถานที่เสียอีก

ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนจะส่งผลต่อการทำงานจริงและค่าใช้จ่ายในการใช้งานอย่างไร ขึ้นอยู่กับ:

• ขนาดบ้าน: บ้านที่ใหญ่กว่าต้องใช้พลังงานทำความร้อนมากกว่า
• ฉนวน: บ้านที่มีฉนวนดีเก็บความร้อนได้ และช่วยให้ปั๊มทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าและมีประสิทธิภาพกว่า
• การออกแบบและการติดตั้งระบบ: การติดตั้งที่ไม่ดีหรือเครื่องรุ่นเก่าอาจทำงานได้แย่และแพงกว่าหม้อต้ม แต่เครื่องรุ่นใหม่ที่ติดตั้งดีสามารถช่วยประหยัดเงินได้มาก

ปั๊มความร้อนมีหลายแบบ แต่ทุกแบบใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน แบบที่พบบ่อยที่สุดจะดึงความร้อนจากอากาศ:

• ปั๊มความร้อนแบบ อากาศสู่อากาศ ก็คือระบบแอร์ที่ทำงานกลับทางนั่นเอง ทั้งคู่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์พัดลม 2 ตัว โดยพัดลมจะเป่าลมผ่านคอยล์แต่ละตัวที่มีสารทำความเย็นอยู่ เพื่อดูดซับหรือปล่อยความร้อน แทบไม่ต่างจากเครื่องปรับอากาศเลย ยกเว้นว่าสารทำความเย็นขนส่งความร้อนไปคนละทิศทาง - ในเครื่องปรับอากาศ เครื่องระเหยจะอยู่ด้านในเพื่อดูดซับความร้อน ส่วนเครื่องควบแน่นจะอยู่ด้านนอกเพื่อปล่อยความร้อน
  ปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่อากาศทำให้ห้องอุ่นได้เร็วกว่า และบางครั้งสลับมาทำความเย็นได้ด้วย ตรงนี้เครื่องระเหยและเครื่องควบแน่นสลับหน้าที่กันได้ และมีวาล์วเพิ่มอีกตัวเพื่อกลับทิศทางการไหลของสารทำความเย็นโดยไม่ต้องกลับทิศทางคอมเพรสเซอร์ ระบบนี้ยังให้ประโยชน์เรื่องแอร์และการลดความชื้นได้ด้วย: คอยล์เครื่องระเหยดูดซับความร้อนจากรอบตัว จึงทำให้ทุกอย่างรอบมันเย็นจัด - ไอน้ำในอากาศจะควบแน่นเมื่อสัมผัสคอยล์ จึงช่วยลดความชื้นในห้อง
  ราคาถูกกว่าและวางตำแหน่งรอบเฟอร์นิเจอร์ได้ยืดหยุ่น; แต่โดยทั่วไปอยู่ในพื้นที่ใช้ชีวิตแล้วสบายตัวน้อยกว่า (อาจเสียงดัง ลมแรง และทำให้อากาศหมุนวน ทั้งยังทำให้อุณหภูมิสูงหรือต่ำเกินเป้าซ้ำ ๆ) และทำให้กระจายความร้อนทั่วบ้านได้สมดุลยากกว่า มักต้องมีชุดเครื่องภายในหลายตัวตามห้องต่าง ๆ หรือมีระบบท่อลมเพื่อส่งลมอุ่นทั่วอาคาร แถมคุณยังต้องมีระบบทำความร้อนเพิ่มสำหรับน้ำร้อนใช้ในบ้านอยู่ดี
• ปั๊มความร้อนแบบ อากาศสู่น้ำ ใช้คอยล์หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นโลหะเพื่อถ่ายเทความร้อนจากสารทำความเย็นสู่น้ำที่หมุนเวียนผ่านหม้อน้ำและระบบทำความร้อนใต้พื้น หรือสู่น้ำในถังน้ำร้อนใช้ในบ้านของคุณ (นี่เป็นคนละระบบกัน - คงไม่อยากอาบน้ำหม้อน้ำหรอก!). ระบบเหล่านี้ทำให้ร้อนช้ากว่า แต่ก็เย็นลงช้ากว่าด้วย เพราะฉะนั้นจึงเหมาะกับสภาพแวดล้อมที่สบายและอุณหภูมิคงที่กว่า นอกจากนี้ยังใช้ถังน้ำร้อนเป็นที่เก็บพลังงานได้ด้วย แต่ระบบนี้แพงกว่ามาก และอาจต้องปรับปรุงท่อและหม้อน้ำครั้งใหญ่ (ซึ่งกินพื้นที่ผนังและอาจถูกเฟอร์นิเจอร์บังได้) แถมบางพื้นที่ เช่น สหรัฐฯ อาจยังไม่ได้ติดตั้งระบบน้ำไว้
• ระบบผสม ใช้ได้ทั้งหม้อน้ำและคอยล์พัดลม ขึ้นอยู่กับห้อง เช่น ติดหม้อน้ำในห้องน้ำ และติดชุดพัดลมในห้องอื่น ๆ ขณะเดียวกัน ระบบกู้คืนความร้อนสามารถนำความร้อนที่ระบบแอร์ดึงออกมา ซึ่งปกติจะปล่อยทิ้งไว้นอกบ้านในฤดูร้อน มาใช้ทำน้ำร้อนใช้ในบ้านแทนได้

ชุดปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศก็มีการจัดวางหลายแบบ:

• ชุด แยกส่วน เป็นแบบที่พบมากที่สุดมานาน โดยมีชุดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหนึ่งชุดอยู่ในบ้าน และอีกชุดอยู่นอกบ้าน โดยทั่วไปคอมเพรสเซอร์และวาล์วขยายตัวจะอยู่ในชุดภายนอก เพื่อลดเสียงรบกวนและใช้พื้นที่ในบ้านน้อยลง จากนั้นท่อสารทำความเย็นจะเดินจากนอกบ้านเข้าสู่ในบ้าน โดยสามารถวางชุดต่าง ๆ ให้ห่างกันเพื่อใช้พื้นที่ให้คุ้มที่สุด
• ชุด โมโนบล็อก กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยปกติเป็นปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่น้ำ ซึ่งมีทั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและวงจรสารทำความเย็นทั้งหมดอยู่ในชุดเดียวที่ติดตั้งนอกบ้าน แล้วมีท่อส่งน้ำร้อนไปยังหม้อน้ำด้านใน วิธีนี้ไม่ต้องทำท่อสารทำความเย็นเฉพาะที่ต้องเข้าออกบ้าน จึงประหยัดเวลาและค่าใช้จ่าย และลดความเสี่ยง

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศทำงานได้ดีในสภาพส่วนใหญ่ แม้เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า -20 °C อาจทำงานลำบาก เช่นเดียวกับที่แอร์ช่วยลดความชื้นในอากาศได้ ในฤดูหนาวน้ำอาจควบแน่นและแข็งตัวบนคอยล์หรือชุดภายนอก จนเกิดน้ำค้างแข็งสะสม เรื่องนี้แก้ได้ง่าย (เช่น ระบบจะกลับวงจรทำความเย็นโดยอัตโนมัติชั่วคราวเพื่อให้น้ำค้างแข็งละลาย) แต่ก็อาจลดประสิทธิภาพเฉลี่ยเมื่อเวลาผ่านไป (แม้จะมีเทคโนโลยีใหม่สำหรับละลายน้ำแข็งหรือป้องกันน้ำค้างแข็งแบบทำงานเชิงรุกแล้ว)

ปั๊มความร้อนจาก แหล่งใต้ดิน มักมีประสิทธิภาพดีกว่าและทำงานได้ดีกว่าในอุณหภูมิต่ำ เพราะอุณหภูมิใต้ดินเสถียรและคงที่กว่าในอากาศ โดยเฉพาะช่วงฤดูหนาวที่ต้องการความร้อนมากที่สุด ระบบนี้ใช้วงจรปิดอีกวงของของเหลวหมุนเวียน (โดยทั่วไปเป็นส่วนผสมของน้ำและสารป้องกันการแข็งตัว) ที่เรียกว่า ตัวเก็บความร้อน ซึ่งดูดซับความร้อนจากพื้นดิน (หรือปล่อยความร้อนลงพื้นดินหากทำงานกลับทางเพื่อทำความเย็น) แล้วถ่ายเทความร้อนไปยังสารทำความเย็นผ่านเครื่องระเหย ตัวเก็บความร้อนมี 2 แบบหลัก:

• แบบแนวนอน ใช้ท่อวางผ่านร่องตื้น ๆ ยิ่งท่อกระจายออกกว้าง (ไม่รวมเป็นกลุ่ม) ก็ยิ่งดึงความร้อนได้มาก จึงมีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีนี้ยังลดความเสี่ยงที่จะดึงความร้อนออกมากจนพื้นดินแข็งตัว (ซึ่งอาจสร้างความเสียหายมาก) ตัวเก็บความร้อนที่มีประสิทธิภาพที่สุดจะครอบคลุมพื้นที่ดินให้มากที่สุดด้วยวงจรต่อเนื่องวงเดียว
• แบบแนวตั้ง ใช้พื้นที่น้อยกว่ามากและเจาะลึกลงไปในดิน (ลึกได้เท่าที่โครงสร้างใต้ดินเดิมจะอนุญาต - ต้องสำรวจดินก่อน!). มีการจัดวางอยู่ 2 แบบ:
• • วงจรปิด - เจาะหลุมลึกแล้วใส่ท่อยาวเป็นวงเดียว จากนั้นกลบกลับ อาจต้องเจาะหลายหลุมสำหรับบ้านทั่วไป ขึ้นอยู่กับความลึกของแต่ละหลุม
  • วงจรเปิดใช้ชั้นหินอุ้มน้ำ กล่าวคือ ใช้น้ำใต้ดินโดยตรงเป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนที่ไหลวนรอบวงจรตัวเก็บความร้อน มีประสิทธิภาพกว่า (มีจุด/อุปสรรคในการถ่ายเทความร้อนน้อยกว่า 1 จุด) แต่ต้องใช้ความเชี่ยวชาญและการดูแลมากกว่า (น้ำสกปรกทำให้ต้องล้างไส้กรองของระบบเป็นประจำ)

ปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดินมักพึ่งน้ำในดินเพื่อนำและเติมความร้อนกลับมา ซึ่งขึ้นอยู่กับความพรุนและการซึมผ่านของดิน ทางเลือกที่ง่ายกว่าคือดึงความร้อนตรงจากแหล่งน้ำแทน

ปั๊มความร้อนจาก แหล่งน้ำ อาจมีประสิทธิภาพและเสถียรยิ่งกว่าปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดิน และใช้วงจรปิดหรือเปิดในลักษณะเดียวกัน: ใช้วงจรปิดแยกต่างหากที่มีของเหลวในตัวเก็บความร้อนไหลผ่านน้ำ หรือใช้น้ำจากแหล่งนั้นโดยตรง (ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอีกเช่นกัน แต่ต้องทำความสะอาดเป็นประจำ) อัตราที่น้ำ (และความร้อนที่มีอยู่) ถูกเติมกลับมานั้นสำคัญ - น้ำไหลอาจได้ผลดีกว่าน้ำนิ่งที่ไม่มีกระแสน้ำคอยเติมน้ำบริเวณข้างเคียง ควรดึงความร้อนจากต้นน้ำและปล่อยน้ำที่ใช้แล้วซึ่งสูญเสียความร้อนลงทางปลายน้ำด้วย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและหลีกเลี่ยงการหมุนเวียนนํ้าที่เย็นลงและถูกใช้ไปแล้วกลับมา

ปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดินและแหล่งน้ำมีค่าใช้จ่ายติดตั้งเริ่มต้นสูงกว่ามาก และต้องเข้าถึงพื้นที่หรือน้ำที่เพียงพอ แต่ด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่า ก็มีโอกาสช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการใช้งานได้มากกว่าเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศพัฒนาไปมากจนช่องว่างแทบหายไป - ตอนนี้จึงเน้นอุณหภูมิและความเสถียรของแหล่งความร้อนน้อยลง และเน้นการออกแบบระบบน้ำและระบบทำความร้อนเองให้เหมาะที่สุดมากขึ้น

เซ็นเซอร์และการควบคุมระบบ:

• เทอร์โมสแตตอัจฉริยะ - ช่วยให้ความร้อนคงที่ได้ด้วยการปรับอุณหภูมิทีละนิดอย่างแม่นยำ แทนที่จะเปิดปิดระบบทำความร้อนซ้ำไปมา
• การชดเชยตามสภาพอากาศ - ระบบจะปรับความร้อนล่วงหน้าโดยใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิภายนอก ก่อนที่มันจะส่งผลต่ออุณหภูมิในบ้านของคุณ

อุณหภูมิน้ำในระบบน้ำ:

• หม้อน้ำขนาดใหญ่ขึ้นและถังน้ำขนาดใหญ่ขึ้น บรรจุน้ำได้มากกว่า จึงเก็บพลังงานความร้อนได้มากกว่าที่อุณหภูมิเท่ากัน. นั่นหมายความว่าสามารถเก็บน้ำไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า เพื่อสะสมความร้อนในปริมาณเท่ากับถังหรือหม้อน้ำขนาดเล็กกว่า (กล่าวคือ มีความหนาแน่นความร้อนต่ำกว่า). สิ่งนี้ช่วยลดความต่างอุณหภูมิระหว่างน้ำกับสภาพแวดล้อม จึงทำให้การถ่ายเทความร้อนช้าลง. แม้จะทำให้ระบบทำความร้อนบ้านได้ช้าลง แต่หม้อน้ำที่ใหญ่กว่าก็มีพื้นที่ผิวปล่อยความร้อนมากกว่า ซึ่งชดเชยอัตราการถ่ายเทที่ช้าลงได้. นอกจากนี้ยังเพิ่มความเสถียร ด้วยการส่งความร้อนอย่างสม่ำเสมอขึ้น และชะลอการสูญเสียความร้อนจากถังและท่อเชื่อมต่อที่ไม่ต้องการและสิ้นเปลือง
  ยิ่งไปกว่านั้น ระบบทำความร้อนจึงทำงานด้วยอุณหภูมิขาออกที่ต่ำลงโดยรวมได้. เพราะสารทำความเย็นต้องร้อนกว่าน้ำเพื่อให้ความร้อนถ่ายเทเข้าสู่น้ำได้ น้ำที่เย็นกว่าจึงทำให้อุณหภูมิเป้าหมายของสารทำความเย็นต่ำลงได้. แหล่งความร้อนต้องร้อนกว่าเสมอเพื่อขับเคลื่อนการถ่ายเทความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิขาออกหรืออุณหภูมิถังที่สูงกว่าจะบังคับให้ปั๊มความร้อนทำงานร้อนขึ้น ขณะที่อุณหภูมิขาออกหรืออุณหภูมิถังที่เย็นกว่าทำให้อุณหภูมิสารทำความเย็นต่ำลงได้เช่นกัน
  อุณหภูมิเป้าหมายของสารทำความเย็นที่ต่ำลง ยังหมายถึงความต่างอุณหภูมิกับแหล่งความร้อนภายนอกที่ปั๊มความร้อนต้องเอาชนะน้อยลง. ดังนั้นคอมเพรสเซอร์จึงใช้แรงน้อยลงในการเพิ่มความดันและอุณหภูมิของสารทำความเย็น ช่วยลดการใช้ไฟฟ้าและเพิ่มประสิทธิภาพ
• การแยกชั้น (กล่าวคือ การเกิดระดับอุณหภูมิที่ต่างกันตามธรรมชาติ - หรือ ‘เทอร์โมไคลน์’ - ภายใน ถังน้ำของคุณ) ช่วยลดอุณหภูมิของน้ำที่รับความร้อนจากสารทำความเย็น จึงเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อน หรือลดความจำเป็นต้องใช้สารทำความเย็นที่ร้อนกว่าได้. เพราะฉะนั้น ควรวางคอยล์แลกเปลี่ยนความร้อนไว้ก้นถัง ซึ่งเป็นจุดที่น้ำเย็นซึ่งหนักกว่าจะอยู่ใต้ชั้นน้ำอุ่น
  ด้วยเหตุนี้ ถังทรงกระบอกที่สูงและแคบกว่าซึ่งช่วยเน้นเทอร์โมไคลน์นี้จึงดีกว่า และควรส่งน้ำเย็นที่ไหลกลับจากหม้อน้ำทั่วบ้านลงสู่ก้นถังพร้อมกับน้ำเย็นส่วนที่เหลือ (ด้วยความดันและความเร็วต่ำ เพื่อไม่ให้น้ำที่อยู่ในถังแล้วถูกกวน)

ท่อและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน:

• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทรงพลังกว่า ทำให้น้ำร้อนได้เร็วขึ้น หรือใช้ความต่างอุณหภูมิที่น้อยกว่าทั่วทั้งระบบได้. ตัวอย่างเช่น คอยล์ที่ยาวกว่าหรือมีครีบมีพื้นที่ผิวมากกว่า จึงช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนได้. อย่างไรก็ตาม:
• • หากทางไหลยาวหรือแคบเกินไป จะจำกัดอัตราการไหลของสารทำความเย็น และทำให้ส่งความร้อนได้น้อยลง. จากนั้นปั๊มจะต้องทำงานหนักขึ้น ทำให้อุณหภูมิขาเข้าที่จำเป็นจากสารทำความเย็นในปั๊มความร้อนสูงขึ้น
  • หากรูในคอยล์กว้างเกินไป ความดันจะลดลงและของไหลจะเคลื่อนที่ช้าเกินไป ซึ่งเปิดโอกาสให้เกิดชั้นฉนวนรอบขอบท่อที่ขัดขวางการถ่ายเทความร้อน
  
  หลักการนี้ใช้กับท่อน้ำและคอยล์ที่วิ่งไปยังและผ่านหม้อน้ำของคุณด้วย. ท่อต้องปรับและบาลานซ์อย่างละเอียด เพื่อช่วยให้การถ่ายเทความร้อนที่หม้อน้ำสูงสุด แต่ลดการสูญเสียความร้อนจากท่อเชื่อมต่อให้ต่ำสุด

(เนื้อหาโบนัสอ้างอิงจากข้อมูลของ Technology Connections & Heat Geek)