ہیٹ پمپس

درجۂ حرارت کو کسی مادّے یا جگہ میں حرارتی توانائی کے ارتکاز کے طور پر سمجھا جا سکتا ہے۔ اگر کسی خاص جگہ یا چیز میں بہت زیادہ توانائی ٹھونس دی جائے، تو وہ گرم ہوتی ہے۔ اگر توانائی نسبتاً پھیلی ہوئی ہو، تو وہ ٹھنڈی ہوتی ہے۔

زیادہ درجۂ حرارت کا مطلب ہے کہ کسی مادّے کے سالمات میں زیادہ حرکی توانائی ہوتی ہے - یعنی ٹھوس میں وہ زیادہ تیزی سے تھرتھراتے ہیں، یا مائع یا گیس میں زیادہ تیزی سے حرکت کرتے اور زیادہ بار ٹکراتے ہیں۔ جب وہ تھرتھراتے یا ٹکراتے ہیں، تو ہم اس حرکی توانائی کو حرارتی توانائی (یعنی حرارت) کے طور پر محسوس کرتے ہیں۔ اس لیے درجۂ حرارت بیرونی ذریعے سے مزید توانائی فعال طور پر شامل کر کے، یا (زیادہ) سالمات کو کم جگہ میں دبا کر اس توانائی کو مرتکز کر کے بڑھایا جا سکتا ہے۔

حر حرکیات کے بنیادی عالمگیر قوانین کے مطابق، توانائی ہمیشہ پھیلنے یا توانائی کے زیادہ ارتکاز والی جگہوں سے کم ارتکاز والی جگہوں کی طرف جانے کا رجحان رکھتی ہے، یہاں تک کہ سب کچھ متوازن اور برابر ہو جائے (اسے اینٹروپی کہتے ہیں - مزید ویڈیوز دیکھیں)۔ اسی لیے، سرد دنوں میں حرارتی توانائی گرم گھر سے باہر کی ٹھنڈ میں بکھر جاتی ہے۔ موصلیت سے حرارت کی اس منتقلی کو سست کیا جا سکتا ہے، مگر ہیٹ پمپ انہی اصولوں اور ایک خاص، دباؤ والے سیال جسے ریفریجرنٹ کہتے ہیں، کے ہوشیار استعمال سے اس منتقلی کو بالکل الٹ دیتے ہیں۔

یہاں ریفریجرنٹس کو خاص طور پر مفید بنانے والی بات یہ ہے کہ ہم ان کا نقطۂ ابال آسانی سے بدل سکتے ہیں۔

نقطۂ ابال

آئیے نقطۂ ابال کی سائنس میں ذرا گہرائی سے جائیں۔ ابلنے سے مراد مائع کا گیس میں بخارات بننا ہے، جب سالمات اتنی حرکی توانائی حاصل کر لیتے ہیں کہ مائع کو جوڑے رکھنے والی بین سالماتی قوتوں سے آزاد ہو جائیں۔ مائع میں، یہ قوتیں مسلسل ٹوٹتی اور دوبارہ بنتی رہتی ہیں، جس سے سالمات ایک دوسرے کے پاس سے گزر سکتے ہیں۔ مائع کو گیس میں بدلنے کے لیے اتنی توانائی درکار ہوتی ہے کہ اس کے سالمات مکمل طور پر الگ ہو جائیں۔ یہ لازمی نہیں کہ عین 100°C (212°F) پر ہو، جیسا کہ عام طور پر پانی کے ساتھ ہوتا ہے، اور نہ ہی یہ ضروری ہے کہ یہ تب ہو جب گرمی ہو…

مثال کے طور پر، اگر آپ پہاڑ پر کیتلی گرم کریں، تو آپ دیکھیں گے کہ وہ دراصل کم درجۂ حرارت پر ابلتی ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ زیادہ بلندی پر فضائی دباؤ سطح سمندر کے مقابلے میں کم ہوتا ہے، جس سے سالمات زیادہ آسانی سے پھیل اور نکل سکتے ہیں، لہٰذا پانی کو ابلنے کے لیے کم توانائی چاہیے ہوتی ہے۔ اس کے برعکس، زیادہ دباؤ میں پانی کے سالمات ایک دوسرے کے قریب دب جاتے ہیں اور ابلنے اور آزاد ہونے کے لیے زیادہ توانائی - اور یوں زیادہ درجۂ حرارت - درکار ہوتا ہے۔ اس لیے دباؤ پانی کا نقطۂ ابال بدل سکتا ہے۔

محسوس ہونے والی بمقابلہ مخفی حرارت

اب، عموماً جب آپ پانی جیسی کسی چیز کو گرم (یا ٹھنڈا) کرتے ہیں، تو توانائی شامل کرنے (یا نکالنے) سے سب سے پہلے اس کا درجۂ حرارت بدلتا ہے، کیونکہ اس کے سالمات کی حرکی توانائی بڑھتی (یا گھٹتی) ہے اور وہ تیزی سے (یا آہستہ) حرکت یا تھرتھراہٹ کرتے ہیں۔ اس توانائی کو محسوس ہونے والی حرارت کہتے ہیں اور یہی ہم محسوس کرتے ہیں جب کوئی چیز چھونے پر گرم یا ٹھنڈی لگتی ہے۔

لیکن ایک اور کرتب ہے - جب پانی اپنے نقطۂ ابال تک پہنچتا ہے، تو اس کا درجۂ حرارت بڑھنا رک جاتا ہے۔ اس کے بجائے، ساری حرارتی توانائی اچانک سالمات کو جوڑے رکھنے والے بند توڑنے اور انہیں ایک دوسرے سے الگ کرنے میں لگتی ہے، اور پانی بھاپ بن جاتا ہے۔ پانی کا درجۂ حرارت (یا یوں کہیں، بننے والے آبی بخارات کا) تب تک دوبارہ بڑھنا شروع نہیں ہوگا جب تک سارا پانی بخارات نہ بن جائے۔ یہی بات برف کے ٹھوس سے مائع بننے پر بھی لاگو ہوتی ہے۔ اسے مخفی حرارت کہتے ہیں اور یہ توانائی کی بہت بڑی مقدار ہے۔ حقیقت میں، پانی کو بخارات بنانے کے لیے اتنی توانائی لگتی ہے جو پانی کو پہلے اس کے نقطۂ ابال تک پہنچانے والی توانائی سے 7x زیادہ ہے۔

اسی وجہ سے نم دنوں میں ہوا زیادہ گرم محسوس ہوتی ہے، چاہے باہر درجۂ حرارت ایک ہی ہو (یا موسم کی رپورٹ ایک درجۂ حرارت بتائے، مگر ‘محسوس ایسا ہو’ کچھ اور) - ہوا میں اضافی آبی بخارات خشک ہوا کے مقابلے میں زیادہ حرارتی توانائی رکھتے ہیں (یعنی ان میں یہ ساری اضافی مخفی حرارت ہوتی ہے)۔

پسینہ بھی اسی طرح آپ کو ٹھنڈا کرتا ہے: جب پسینہ بخارات بنتا ہے، تو وہ مخفی توانائی کے طور پر جسم کی بہت سی حرارت جذب کرتا ہے اور اسے آپ کی جلد سے دور لے جاتا ہے۔ مرطوب حالات میں، جہاں ہوا میں پہلے ہی بہت سا بخارات بنا ہوا پانی موجود ہو، یہ عمل سست پڑ جاتا ہے، اور حالات بہت زیادہ گرم محسوس ہوتے ہیں۔

اس کا الٹ تب ہوتا ہے جب پانی بھاپ سے واپس مائع میں تکثیف ہوتا ہے۔ جیسے آپ نے پانی کو ابالنے کے لیے حرارت شامل کی تھی، ویسے ہی جب وہ تکثیف ہوتا ہے تو بہت بڑی مقدار میں توانائی واپس خارج کرتا ہے۔ اس طرح، جب کوئی چیز حالت بدلتی ہے - یعنی ابلتی، پگھلتی، تکثیف ہوتی یا جمتی ہے - تو ان بندوں کے ٹوٹنے یا بننے کے دوران اسے ‘مخفی’ حرارتی توانائی جذب یا خارج کرنی پڑتی ہے۔

درجۂ حرارت بمقابلہ دباؤ

لہٰذا حرارت شامل کرنے یا نکالنے سے درجۂ حرارت بدلتا ہے، مگر جب آپ دباؤ بدلتے ہیں تو کچھ ایسا ہی ہوتا ہے۔

دباؤ ٹھوس، مائعات اور گیسوں پر لگایا جا سکتا ہے، مگر گیسیں آسانی سے دب سکتی ہیں کیونکہ ان کے سالمات کے درمیان جگہ ہوتی ہے، جو نسبتاً پھیلے ہوئے ہوتے ہیں۔ دوسری طرف مائعات اور ٹھوس اسی طرح نہیں دب سکتے، کیونکہ آپ ان کے سالمات کو ان کی موجودہ حالت سے زیادہ قریب نہیں دبا سکتے۔ مائع کے لیے، دباؤ لگانا اس کے سالمات کا گیس میں الگ ہونا مشکل بنا دیتا ہے۔ بخار گیس کی ایک قسم ہے جسے ایک نازک درجۂ حرارت سے نیچے، فعال طور پر ٹھنڈا کیے بغیر براہِ راست دبا کر مائع بنایا جا سکتا ہے۔ یہ تمام گیسوں کے لیے ممکن نہیں یعنی تمام بخارات گیسیں ہیں، مگر تمام گیسیں بخارات نہیں ہوتیں۔

ہم جانتے ہیں کہ دباؤ میں ہونے پر آبی بخارات زیادہ آسانی سے تکثیف ہوتے ہیں، کیونکہ اس سے سالمات ایک دوسرے کے قریب دبنے میں مدد ملتی ہے۔ مگر کافی دباؤ سے، آپ آبی بخارات کو ٹھنڈا کیے بغیر سیدھا واپس مائع میں دبا سکتے ہیں۔ پھر، جب بخار مائع میں تکثیف ہوتا ہے، تو وہ اپنی ساری مخفی توانائی خارج کرتا ہے۔ اس کے برعکس، کافی کم دباؤ پر مائع کے سالمات کسی حرارت کے بغیر ہی پھیل جائیں گے۔ پھر جب وہ الگ ہوتے اور بخارات بنتے ہیں، تو وہ اپنے گرد و پیش سے مخفی توانائی جذب کرتے ہیں۔

مگر اس سے ایک طرح کی کھینچا تانی پیدا ہوتی ہے۔ گیسوں اور بخارات کو دباتے وقت، دباؤ لگانے سے ان کا درجۂ حرارت بھی بڑھتا ہے۔ سالمات کو کم جگہ میں دبانے سے (یا اسی جگہ میں زیادہ سالمات بھرنے سے) سالمات کا ارتکاز بڑھتا ہے - سالمات زیادہ قریب ہوتے ہیں، ٹکراؤ زیادہ بار ہوتے ہیں، اور اس جگہ میں زیادہ حرکی توانائی مرتکز ہو جاتی ہے۔

تو یہاں معاملہ پیچیدہ ہو جاتا ہے - دباؤ بڑھانے سے آپ کو متضاد اثرات ملتے ہیں: بخار کے سالمات ایک ساتھ دب جاتے ہیں اور اس لیے ان کے تکثیف ہونے کا امکان بڑھتا ہے، مگر اس سے درجۂ حرارت بھی بڑھتا ہے، جس سے ان کے تکثیف ہونے کا امکان کم ہوتا ہے۔

اب دباؤ نے بخار کا نقطۂ ابال (یا نقطۂ تکثیف) بڑھا دیا ہے، یعنی ان نئے زیادہ دباؤ والے حالات میں بخار کو گیس کی صورت میں برقرار رکھنے کے لیے زیادہ توانائی اور زیادہ درجۂ حرارت درکار ہوگا۔

لہٰذا، اگر اس کا اپنا درجۂ حرارت نہ بدلا ہو، تو اضافی دباؤ کے ساتھ وہ نئے نقطۂ ابال سے نیچے آ کر مائع بننے کے بہت زیادہ قریب ہوگا۔

لیکن ظاہر ہے، اس کا اپنا درجۂ حرارت بدل چکا ہے، اور دباؤ کے نتیجے میں وہ بھی بڑھتا ہے۔ تو اگرچہ دباؤ نقطۂ ابال بڑھاتا ہے، یہ بخار کا درجۂ حرارت بھی بڑھاتا ہے، اور درجۂ حرارت میں یہ بیک وقت اضافہ تکثیف کے عمل کی مزاحمت کرتا ہے اور بخار کو مسلسل بڑھتے نقطۂ ابال سے اوپر اپنی گیسی حالت میں رکھتا ہے۔

بخار کو واقعی تکثیف کرنے کے لیے، آپ کو یا تو دباؤ مزید بڑھانا ہوگا - یہاں تک کہ بڑھتا ہوا نقطۂ ابال بیک وقت بڑھتے درجۂ حرارت سے آگے نکل جائے - یا اسے ٹھنڈا کرنا ہوگا، فعال طور پر حرارت نکال کر، تاکہ وہ ساری اضافی حرکی توانائی بکھر جائے اور درجۂ حرارت اس کے نئے نقطۂ ابال سے نیچے آ جائے۔

یہ دکھاتا ہے کہ درجۂ حرارت، نقطۂ ابال اور دباؤ آپس میں بہت گہرے جڑے ہوئے ہیں۔ آپ کسی چیز کا درجۂ حرارت (یا حالت) یا تو 1) محسوس ہونے والی (یا مخفی) حرارتی توانائی فعال طور پر شامل یا نکال کر یا 2) دباؤ بدل کر تبدیل کر سکتے ہیں، جو بدلے میں مخفی حرارت کو جذب یا خارج ہونے پر مجبور کر سکتا ہے۔ اور مائع یا گیس پر دباؤ ڈالنے سے اس کا نقطۂ ابال بڑھتا ہے (یعنی وہ درجۂ حرارت جس پر وہ بخارات بنتا یا تکثیف ہوتا ہے)۔

یقیناً، یہ سب پانی کے علاوہ دوسرے مرکبات پر بھی لاگو ہوتا ہے: یہی وجہ ہے کہ دباؤ والے کین سے ڈیوڈرینٹ چھڑکنے سے جلد پر ٹھنڈک محسوس ہوتی ہے - نکلتے وقت دباؤ میں تیزی سے کمی مائع ایروسول کے سالمات (اور ان کی توانائی) کو گیس میں پھیلنے دیتی ہے اور اس کا درجۂ حرارت بہت تیزی سے گرا دیتی ہے۔

ہیٹ پمپ روایتی بوائلروں، بھٹیوں یا برقی ہیٹروں کی طرح حرارت پیدا نہیں کرتا۔ بلکہ، یہ حراری حرکیات کے ان اصولوں سے پہلے سے موجود حرارت کو اس کے قدرتی بہاؤ کے الٹ منتقل کرتا ہے یعنی باہر سے کم درجے کی (یعنی پھیلی ہوئی) حرارتی توانائی پکڑ کر اسے گھر کے اندر مرتکز کرتا ہے۔ یہ ایک بند چکر والے نظام میں ریفریجرنٹ کے ذریعے ہوتا ہے، جسے چار اہم اجزا چلاتے ہیں: ایک کمپریسر، ایک ایکسپینشن والو، اور دو حرارتی مبدل، جنہیں ایواپوریٹر اور کنڈینسر کہا جاتا ہے۔ درحقیقت، یہ بالکل وہی نظام ہے جو فریجوں اور ایئر کنڈیشنروں میں استعمال ہوتا ہے، بس الٹی سمت میں کام کر رہا ہوتا ہے (یعنی حرارت کو باہر نکالنے کے بجائے گھر کے اندر مرتکز کرنا)۔ ہم ہوا-سے-ہوا ہیٹ پمپ سے شروع کریں گے، جو بنیادی طور پر الٹا چلتا ہوا ایئر کنڈیشنر ہے:

• مرحلہ 1: عام فضائی دباؤ میں، ریفریجرنٹ کا نقطۂ ابال بہت کم، تقریباً -50°C (-58°F) ہوتا ہے۔ یہ چکر کی شروعات بہت کم دباؤ میں اپنے نقطۂ ابال کے قریب انتہائی ٹھنڈے مائع-بخاری آمیزے کے طور پر کرتا ہے۔
  یہ پائپ کی ایک کنڈلی سے گزرتا ہے جسے ایواپوریٹر کہتے ہیں اور باہر کی ہوا سے حرارت جذب کرنا شروع کرتا ہے (جسے پنکھا کنڈلی پر پھونکتا ہے)۔ چونکہ ریفریجرنٹ بہت ٹھنڈا ہوتا ہے، اس لیے یہ نسبتاً ٹھنڈے موسم میں بھی حرارت جذب کر لیتا ہے - حتیٰ کہ صفر سے کم (°C) ہوا کے درجہ حرارت میں بھی^† - جب تک ہوا خود ریفریجرنٹ سے گرم ہو۔ حرارت جذب کرتے ہوئے یہ گرم ہوتا ہے، اور جلد ہی اپنے کم نقطۂ ابال سے اوپر جا کر بخارات بن جاتا ہے۔ ایسا کرتے ہوئے، یہ مزید توانائی یعنی اپنی مخفی حرارت جذب کرتا ہے۔
• مرحلہ 2: اب ریفریجرنٹ کم دباؤ میں مکمل طور پر گیس نما بخار ہے۔ یہ اب بھی نسبتاً ٹھنڈا ہے (زیادہ سے زیادہ باہر کی ہوا جتنا گرم)، مگر جذب کی گئی اضافی مخفی حرارت کی بدولت اس میں خاصی توانائی موجود ہے۔
  پھر ریفریجرنٹ گیس ایک کمپریسر۔ سے گزرتی ہے یہ گیس پر دباؤ ڈال کر اسے دباتا ہے، سالمات کو قریب اور ان کی ساری توانائی کو چھوٹی جگہ میں سمیٹ دیتا ہے (یعنی سالمات زیادہ بار ٹکراتے ہیں، اس لیے ان کی حرکی توانائی بڑھتی ہے)، اور درجہ حرارت بڑھ جاتا ہے۔
  یہی دبانے کا عمل بخار کو گرم کرتا ہے۔ اب ریفریجرنٹ کافی گرم، عموماً تقریباً 50-70°C (120-160°F) ہوتا ہے - اتنا گرم کہ اب نقطۂ ابال بڑھ جانے کے باوجود یہ گیس ہی رہتا ہے۔
• مرحلہ 3: پھر ریفریجرنٹ اندرونی یونٹ میں اور ایک دوسری کنڈلی سے گزرتا ہے جسے کنڈینسر۔ کہتے ہیں ریفریجرنٹ اب اندر کی ہوا سے خاصا زیادہ گرم ہے (اس کی توانائی زیادہ مرتکز ہے)، اس لیے حرارت قدرتی طور پر خارج ہو کر کمرے میں پھیلتی ہے۔ ایسا ہوتے ہوئے، یہ ٹھنڈا ہوتا ہے۔ اسے زیادہ ٹھنڈا ہونے کی ضرورت نہیں پڑتی کہ یہ اپنے نئے نقطۂ ابال سے نیچے چلا جائے، جو کنڈینسر کنڈلی میں بڑھتے دباؤ سے اوپر ہو چکا ہے۔ پھر یہ آسانی سے دوبارہ مائع بن جاتا ہے اور اتنی بڑی مقدار میں مخفی توانائی خارج کرتا ہے - جو پورے کمرے یا گھر کو گرم کرنے کے لیے کافی ہے۔
• مرحلہ 4: ریفریجرنٹ اب زیادہ تر حرارتی توانائی خرچ کر چکا، زیادہ دباؤ میں ٹھنڈا (کمرے کے درجہ حرارت کے قریب) مائع ہے، اور دباؤ کم کرنے والے ایکسپینشن والو سے گزرتا ہے۔ اس سے پائپ میں دباؤ کم ہوتا ہے اور ریفریجرنٹ پھیل سکتا ہے - یوں اس کے سالمات پھیل کر باقی توانائی کو باہر کی طرف بکھرنے دیتے ہیں۔ اس سے ریفریجرنٹ دوبارہ مائع-بخاری آمیزے میں آ جاتا ہے اور اچانک بہت ٹھنڈا ہو جاتا ہے، پھر سے چکر شروع کرنے اور مزید حرارت جمع کرنے کے لیے ایواپوریٹر سے گزرنے کو تیار۔

یہ دکھاتا ہے کہ دباؤ، حالت کی تبدیلیوں اور مخفی حرارت میں ردوبدل سے بڑی مقدار میں توانائی منتقل کی جا سکتی ہے، جو صرف محسوس ہونے والی حرارت کے ذریعے بنیادی درجہ حرارت کے فرق سے منتقل ہونے والی توانائی سے کہیں زیادہ ہے۔ اس کے برعکس، آپ کے ریڈی ایٹر کا گرم پانی اپنی محسوس ہونے والی حرارت، جسے آپ محسوس کر سکتے ہیں (اور جو مخفی حرارت کے مقابلے میں نسبتاً کم ہوتی ہے)، جلدی کھو دیتا ہے، اس لیے پورا کمرہ گرم رکھنے کے لیے ریڈی ایٹروں میں مسلسل مزید گرم پانی آنا ضروری ہے۔ ہیٹ پمپ میں ریفریجرنٹ کے بہاؤ کی شرح اتنی ہی حرارت دینے کے لیے بہت کم ہو سکتی ہے۔ خوش قسمتی سے، ہیٹ پمپوں کو بوائلروں اور پانی پر مبنی حرارتی نظاموں کے ساتھ بھی جوڑا جا سکتا ہے تاکہ حرارت آپ کے ریڈی ایٹروں، زیرِ فرش حرارت اور گھریلو پانی کی فراہمی میں گردش کرتے پانی تک پہنچے (دیکھیں ہیٹ پمپوں کی اقسام)۔

^† نوٹ: حرارت یا حرارتی توانائی 0°C سے کم درجہ حرارت پر بھی موجود ہوتی ہے - بس بہت زیادہ پھیلی ہوئی ہوتی ہے۔ خود 0°C ایک مسلسل درجہ حرارت پیمانے (سیلسیس پیمانہ) پر من مانا نشان ہے، جو عام فضائی دباؤ میں پانی کے پگھلنے/جمنے کے نقطے کے گرد بنایا گیا ہے۔ اسی لیے سیلسیس پیمانہ صفر سے نیچے منفی نمبروں تک جا سکتا ہے۔

حقیقی ‘مطلق صفر’ توانائی کے ایک مطلق پیمانے (کیلون پیمانہ) پر مبنی ہے، جو کسی بھی مرکب کے لیے نظریاتی طور پر ممکن کم ترین درجہ حرارت بتاتا ہے، جہاں توانائی بالکل کم سے کم ہوتی ہے۔ کیلون پیمانہ 0K سے نیچے نہیں جاتا، جو -273°C کے برابر ہے، کیونکہ منفی توانائی نہیں ہو سکتی۔ اس درجہ حرارت سے اوپر، ہیٹ پمپ نظریاتی طور پر کام کر سکتا ہے۔ عملی طور پر، جدید ہیٹ پمپ -20°C (یعنی 253K) جتنی ٹھنڈی ہوا سے بھی توانائی نکال سکتے ہیں۔ اگر ان حالات سے اوپر کارکردگی خراب ہو، تو عموماً وجہ خود ٹیکنالوجی نہیں بلکہ ڈیزائن یا تنصیب ہوتی ہے۔

ہیٹ پمپ بجلی سے حرارت کو ایک جگہ سے دوسری جگہ منتقل کرتے ہیں، اسے پیدا نہیں کرتے۔ اس کے برعکس، روایتی ہیٹنگ سسٹم حرارت پیدا کرتے ہیں، یا تو برقی مزاحمت کے ذریعے (‘مزاحمتی ہیٹنگ’، جو الیکٹرک ہیٹروں میں استعمال ہوتی ہے) یا فرنس یا بوائلر میں کوئلہ یا گیس جیسے فوسل فیول جلا کر۔

اسی لیے ہیٹ پمپ کہیں زیادہ مؤثر ہوتے ہیں۔ ایک عام گیس فرنس یا بوائلر زیادہ سے زیادہ لگ بھگ 90% مؤثریت تک پہنچ سکتا ہے - دہن کی کچھ توانائی لازماً گرم دھوئیں کے ساتھ نکل جاتی ہے جب آبی بخارات خارج ہوتے ہیں (غیر حاصل کی گئی پوشیدہ توانائی کی صورت میں)۔ الیکٹرک ہیٹروں کے لیے، گرڈ کی بجلی استعمال کرنا - جو فوسل فیول جلا کر بنتی ہے اور پاور اسٹیشنوں سے ٹرانسفارمروں اور میلوں لمبی ٹرانسمیشن لائنوں کے ذریعے آتی ہے - ان دور دراز فوسل فیولز میں موجود اصل کیمیائی توانائی کا صرف لگ بھگ 40% رہ جاتا ہے۔

دوسری طرف، ہیٹ پمپ اندرونی اور بیرونی یونٹوں کے پنکھے چلانے اور کمپریسر کو طاقت دینے کے لیے نسبتاً کم بجلی استعمال کرتے ہیں۔ لوپ کے اندر ریفریجرنٹ قدرتی اور خودبخود ہونے والے عمل میں اپنی حالت بدلتا ہے - ہیٹ پمپ بس اس کے لیے درست حالات بناتا ہے۔ اس لیے، اچھی طرح ڈیزائن اور نصب کیا گیا ہیٹ پمپ جتنی بجلی استعمال کرتا ہے، اس سے 3 گنا سے زیادہ توانائی منتقل کر سکتا ہے (یعنی 300%)۔ مثالی حالات میں (ہیٹنگ سسٹمز دیکھیں)، یہ 5 یا حتیٰ کہ 8 گنا زیادہ مؤثر ہو سکتا ہے (500-800%)۔

مؤثریت = توانائی کا حاصل (جو حرارت آپ کو ملتی ہے) ÷ توانائی یا ایندھن کی مقدار (جس کی آپ قیمت دیتے ہیں)

آپ کہاں رہتے ہیں، اس کے لحاظ سے بجلی کی قیمت عموماً گیس سے کافی زیادہ ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، برطانیہ میں بجلی کی قیمت گیس سے لگ بھگ 3 گنا زیادہ ہے۔ لیکن چونکہ ہیٹ پمپ 300% سے زیادہ مؤثریت پر چل سکتے ہیں، اس لیے انہیں چلانا گیس بوائلروں سے سستا ہو سکتا ہے - خاص طور پر جب زیادہ ماحول دوست گرڈز اور پالیسیوں کی طرف منتقلی سے بجلی اور گیس کی قیمت کا فرق کم ہو، اور بجلی سستی ہو جائے۔

سب سے سستا اور مؤثر آپشن یہ ہے کہ ہیٹ پمپ قابل تجدید بجلی سے چلائے جائیں۔ لیکن اگر ہیٹ پمپ فوسل فیول سے بنی بجلی پر بھی چلے، تب بھی وہ روایتی ہیٹنگ سسٹمز سے زیادہ مؤثر اور سستا ہو سکتا ہے۔ صرف 2.5 کی مؤثریت پر چلنے والا ہیٹ پمپ پاور اسٹیشن میں جلائی گئی قدرتی گیس کی اصل توانائی کا شاید صرف 40% ہی استعمال کر پائے، مگر اس طاقت سے استعمال ہونے والی توانائی سے 2.5 گنا زیادہ توانائی منتقل کر کے، وہ اس 40% کو بڑھا کر 100% کر دیتا ہے - اور یوں گیس کو موقع پر جلا کر حاصل ہونے والی 90% مؤثریت سے بھی آگے نکل جاتا ہے۔

ہیٹ پمپ کی مؤثریت اصل کارکردگی اور چلانے کی لاگت میں کیسے بدلتی ہے، یہ ان چیزوں پر منحصر ہے:

• گھر کا سائز: بڑے گھروں کو گرم کرنے کے لیے زیادہ توانائی چاہیے۔
• انسولیشن: اچھی انسولیشن والے گھر حرارت سنبھال کر رکھتے ہیں اور پمپوں کو کم، زیادہ مؤثر درجہ حرارت پر چلنے دیتی ہے۔
• سسٹم کا ڈیزائن اور تنصیب: خراب تنصیب یا پرانے یونٹ بری کارکردگی دکھا سکتے ہیں اور بوائلر سے زیادہ مہنگے پڑ سکتے ہیں، لیکن اچھی طرح نصب جدید یونٹ کافی پیسے بچا سکتے ہیں۔

ہیٹ پمپ کی کئی مختلف قسمیں ہیں، مگر سب ایک ہی بنیادی اصولوں پر کام کرتے ہیں۔ سب سے عام قسمیں ہوا سے حرارت کھینچتی ہیں:

• ہوا-سے-ہوا ہیٹ پمپ بنیادی طور پر الٹے چلنے والے ایئر-کنڈیشننگ سسٹم ہیں۔ دونوں میں دو فین-کوائل ہیٹ ایکسچینجر ہوتے ہیں، جہاں پنکھا ریفریجرنٹ والی ہر کوائل پر ہوا پھینکتا ہے تاکہ حرارت جذب یا خارج ہو سکے۔ ایئر کنڈیشنر سے ان کا فرق بہت کم ہے، بس ریفریجرنٹ حرارت کو الٹی سمت میں لے جاتا ہے - ایئر کنڈیشنر میں ایواپوریٹر حرارت جذب کرنے کے لیے اندر ہوتا ہے، جبکہ کنڈینسر اسے خارج کرنے کے لیے باہر ہوتا ہے۔
  ہوا-سے-ہوا ہیٹ پمپ کمروں کو زیادہ تیزی سے گرم کر سکتے ہیں اور کبھی کبھی ٹھنڈک دینے کے لیے الٹے بھی چل سکتے ہیں۔ یہاں ایواپوریٹر اور کنڈینسر ایک دوسرے کی جگہ لے سکتے ہیں، اور ایک اضافی والو کمپریسر کو الٹا چلائے بغیر ریفریجرنٹ کا بہاؤ پلٹ دیتا ہے۔ اس سے ایئر کنڈیشننگ اور نمی کم کرنے کے فائدے بھی مل سکتے ہیں: ایواپوریٹر کوائل اپنے اردگرد سے حرارت جذب کرتی ہے اور یوں اپنے آس پاس کی ہر چیز کو بہت ٹھنڈا کر دیتی ہے - پانی کے بخارات کوائل سے ٹکرا کر ہوا سے گاڑھے ہو جاتے ہیں، جس سے کمرے کی نمی کم ہوتی ہے۔
  یہ سستے ہوتے ہیں اور فرنیچر کے آس پاس لگانے میں لچکدار ہوتے ہیں؛ مگر عام طور پر رہائشی جگہوں کے لیے کم آرام دہ ہوتے ہیں (یہ شور والے، تیز ہوا پھینکنے والے اور ہوا میں ہلچل پیدا کرنے والے ہو سکتے ہیں، اور درجہ حرارت کو بار بار حد سے اوپر اور نیچے لے جاتے ہیں)، اور پورے گھر میں حرارت کو متوازن کرنا مشکل ہوتا ہے، جس کے لیے اکثر مختلف کمروں میں کئی اندرونی یونٹ، یا عمارت بھر میں گرم ہوا پہنچانے کے لیے ڈکٹ سسٹم چاہیے ہوتا ہے۔ اس کے علاوہ، گھریلو گرم پانی کے لیے پھر بھی کسی اضافی ہیٹنگ کی ضرورت ہوگی۔
• ہوا-سے-پانی ہیٹ پمپ کوائل یا دھاتی پلیٹ ہیٹ ایکسچینجر سے ریفریجرنٹ کی حرارت آپ کے ریڈی ایٹروں اور انڈر فلور ہیٹنگ میں گردش کرتے پانی، یا گھریلو گرم پانی کے ٹینک کے اندر موجود پانی تک پہنچاتے ہیں (یہ الگ سسٹم ہیں - آپ ریڈی ایٹر کے پانی میں نہانا نہیں چاہیں گے!)۔ یہ سسٹم گرم ہونے میں سست ہوتے ہیں مگر ٹھنڈے ہونے میں بھی۔ اس لیے یہ زیادہ آرام دہ اور مستقل ماحول کے لیے موزوں ہیں۔ اس سے آپ کے گرم پانی کے ٹینک کو توانائی ذخیرہ کرنے کے ایک طریقے کے طور پر بھی استعمال کیا جا سکتا ہے۔ مگر یہ بہت مہنگے ہوتے ہیں اور پائپوں اور ریڈی ایٹروں میں بڑی تبدیلیاں مانگ سکتے ہیں (جو دیوار کی جگہ لیتے ہیں اور فرنیچر سے ڈھک سکتے ہیں)۔ اور کچھ جگہوں، جیسے امریکہ، میں شاید پہلے سے واٹر-بیسڈ سسٹم لگے ہی نہ ہوں۔
• مشترکہ سسٹم کمرے کے حساب سے ریڈی ایٹر اور فین-کوائل، دونوں استعمال کر سکتے ہیں، مثلاً باتھ روم میں ریڈی ایٹر اور دوسرے کمروں میں فین یونٹ۔ اسی دوران، ہیٹ ریکوری سسٹم ایئر کنڈیشننگ سسٹم سے نکالی گئی اس حرارت کو استعمال کر سکتے ہیں جو عام طور پر گرمیوں میں باہر نکال دی جاتی ہے، اور اسے گھریلو گرم پانی کو گرم کرنے میں لگا سکتے ہیں۔

ہوا سے حرارت لینے والے ہیٹ پمپ یونٹ بھی مختلف ترتیبوں میں آتے ہیں:

• اسپلٹ بلاک یونٹ تاریخی طور پر سب سے عام ہیں، جن میں ایک ہیٹ ایکسچینجر یونٹ اندر اور ایک باہر ہوتا ہے۔ شور کی پریشانی کم رکھنے اور اندر کم جگہ لینے کے لیے کمپریسر اور ایکسپینشن والو عموماً بیرونی یونٹ میں ہوتے ہیں۔ پھر ریفریجرنٹ کی پائپنگ باہر سے اندر گردش کرتی ہے، جہاں جگہ کا بہتر استعمال کرنے کے لیے یونٹ ایک دوسرے سے دور لگائے جا سکتے ہیں۔
• مونو بلاک یونٹ اب تیزی سے مقبول ہو رہے ہیں۔ عموماً یہ ہوا-سے-پانی ہیٹ پمپ ہوتے ہیں، جن میں دونوں ہیٹ ایکسچینجر اور پورا ریفریجرنٹ لوپ ایک ہی بیرونی یونٹ میں ہوتا ہے، جبکہ پائپنگ اندر کے ریڈی ایٹروں تک گرم پانی پہنچاتی ہے۔ اس سے گھر کے اندر اور باہر جانے والی خاص طور پر بنائی گئی ریفریجرنٹ پائپنگ کی ضرورت نہیں رہتی، وقت اور خرچ بچتے ہیں اور خطرہ کم ہوتا ہے۔

ہوا سے حرارت لینے والے ہیٹ پمپ زیادہ تر حالات میں مؤثر کام کرتے ہیں، اگرچہ -20°C سے نیچے انہیں مشکل پیش آ سکتی ہے۔ جس طرح ایئر کنڈیشنر ہوا کی نمی کم کر سکتے ہیں، اسی طرح سردیوں میں پانی بیرونی کوائل یا یونٹ پر گاڑھا ہو کر جم سکتا ہے، جس سے برف کی تہہ بن جاتی ہے۔ اسے ٹھیک کرنا آسان ہو سکتا ہے (مثلاً سسٹم برف پگھلانے کے لیے خودکار طور پر اور عارضی طور پر ریفریجریشن سائیکل الٹا چلا دیتے ہیں) مگر اس سے وقت کے ساتھ اوسط کارکردگی کم ہو سکتی ہے (اگرچہ نئی، فعال ڈی فراسٹنگ یا برف بننے سے روکنے والی ٹیکنالوجیز موجود ہیں)۔

زمین-سے-حرارت ہیٹ پمپ عموماً کم درجہ حرارت پر زیادہ مؤثر اور کارآمد ہوتے ہیں، کیونکہ زمین کا درجہ حرارت ہوا کے مقابلے میں زیادہ مستحکم اور یکساں رہتا ہے، خاص طور پر سردیوں میں جب ہیٹنگ کی سب سے زیادہ ضرورت ہوتی ہے۔ یہ گردش کرتے سیال کے ایک اور بند لوپ (عموماً پانی اور اینٹی فریز کے آمیزے) کو استعمال کرتے ہیں جسے کلیکٹر کہا جاتا ہے، جو زمین سے حرارت جذب کرتا ہے (یا ٹھنڈک کے لیے الٹا چلنے پر حرارت زمین میں چھوڑتا ہے) اور ایواپوریٹر کے ذریعے حرارت ریفریجرنٹ تک پہنچاتا ہے۔ کلیکٹر کی دو بنیادی قسمیں ہیں:

• افقی ارے میں پائپنگ اتھلی خندقوں میں بچھائی جاتی ہے۔ پائپنگ جتنی زیادہ پھیلی ہوئی (کم گچھوں میں) ہو، اتنی ہی زیادہ حرارت نکال سکتی ہے، اور یوں وہ اتنے ہی زیادہ مؤثر ہوتے ہیں۔ اس سے اتنی زیادہ حرارت کھینچ لینے کا خطرہ بھی کم ہوتا ہے کہ زمین جم جائے (جو بہت نقصان دہ ہو سکتا ہے)۔ سب سے مؤثر کلیکٹر ایک مسلسل لوپ میں جتنی ممکن ہو اتنی زمین کو ڈھانپتے ہیں۔
• عمودی ارے کو بہت کم جگہ چاہیے ہوتی ہے اور یہ زمین میں گہرائی تک جاتے ہیں (جتنی موجود زیر زمین انفراسٹرکچر اجازت دے - زمینی سروے ضروری ہوتے ہیں!)۔ ان کی دو مختلف ترتیبیں ہوتی ہیں:
• • بند لوپ - ایک گہرا بورہول کھودا جاتا ہے جس میں پائپ کا ایک لمبا لوپ ہوتا ہے، پھر اسے بھر دیا جاتا ہے۔ ایک عام گھر کے لیے کئی بورہول درکار ہو سکتے ہیں، اس بات پر منحصر ہے کہ ہر ایک کتنا گہرا ہے۔
  • کھلے لوپ زیر زمین آبی ذخائر استعمال کرتے ہیں، یعنی وہ کلیکٹر لوپ کے گرد گردش کرنے والے حرارت منتقل کرنے کے سیال کے طور پر براہ راست زیر زمین پانی استعمال کرتے ہیں۔ یہ زیادہ مؤثر ہوتے ہیں (حرارت کی منتقلی کا ایک مرحلہ/رکاوٹ کم ہوتی ہے) مگر زیادہ مہارت اور دیکھ بھال مانگتے ہیں (گندے پانی کے لیے سسٹم فلٹرز کی باقاعدہ صفائی ضروری ہوتی ہے)۔

زمین-سے-حرارت ہیٹ پمپ اکثر حرارت کو منتقل کرنے اور دوبارہ بھرنے کے لیے زمین میں موجود پانی پر انحصار کرتے ہیں، جو مٹی کے مسام دار ہونے اور پانی گزارنے کی صلاحیت پر منحصر ہے۔ اس سے آسان راستہ یہ ہے کہ حرارت براہ راست کسی آبی ذخیرے سے لی جائے۔

پانی-سے-حرارت ہیٹ پمپ زمین-سے-حرارت ہیٹ پمپوں سے بھی زیادہ مؤثر اور مستحکم ہو سکتے ہیں اور اسی طرح بند یا کھلے لوپ استعمال کرتے ہیں: پانی میں سے گزرتے کلیکٹر سیال کے الگ بند لوپ کو استعمال کرنا، یا براہ راست منبع کا پانی استعمال کرنا (جو پھر کارکردگی بہتر بناتا ہے مگر باقاعدہ صفائی مانگتا ہے)۔ پانی (اور یوں دستیاب حرارت) جس رفتار سے دوبارہ بھرتا ہے وہ اہم ہے - بہتا پانی اس ساکن پانی سے زیادہ مؤثر ہو سکتا ہے جس میں پانی کے بہاؤ سے آس پاس کا پانی مسلسل تبدیل نہیں ہوتا۔ کارکردگی بڑھانے اور پہلے استعمال ہو چکے ٹھنڈے پانی کو دوبارہ گردش میں لانے سے بچنے کے لیے بہتر یہ بھی ہے کہ حرارت اوپر کی سمت سے لی جائے اور استعمال شدہ، حرارت سے خالی پانی نیچے کی سمت چھوڑا جائے۔

زمین اور پانی سے حرارت لینے والے ہیٹ پمپ لگانے کے ابتدائی اخراجات کہیں زیادہ ہوتے ہیں اور ان کے لیے کافی جگہ یا پانی تک رسائی چاہیے ہوتی ہے، مگر زیادہ کارکردگی کے ساتھ وقت کے ساتھ چلانے کے خرچ میں زیادہ بچت لا سکتے ہیں۔ تاہم، ہوا سے حرارت لینے والے ہیٹ پمپ بہت بہتر ہو چکے ہیں اور مقابلہ برابر کر دیا ہے - اب حرارت کے منبع کے درجہ حرارت اور استحکام پر کم، جبکہ ہائیڈرونک ڈیزائن اور خود ہیٹنگ سسٹم کو بہتر بنانے پر زیادہ زور ہے۔

نظام کے سینسر اور کنٹرول:

• سمارٹ تھرموسٹیٹس - حرارت کو بار بار بند اور دوبارہ چالو کرنے کے بجائے، چھوٹی تبدیلیوں سے درجہ حرارت کو احتیاط سے ایڈجسٹ کر کے مستقل گرمائش برقرار رکھنے میں مدد دے سکتے ہیں۔
• موسم کے مطابق ایڈجسٹمنٹ - باہر کا درجہ حرارت معلوم کرنے والے سینسرز سے، گھر کے اندر کے درجہ حرارت پر اثر پڑنے سے پہلے ہی، گرمائش کو پیشگی طور پر معتدل کیا جاتا ہے۔

آبی نظام کے پانی کا درجہ حرارت:

• بڑے ریڈی ایٹر اور پانی کے بڑے ٹینک ایک مخصوص درجہ حرارت پر زیادہ پانی، اور یوں زیادہ حرارتی توانائی، رکھ سکتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ وہ چھوٹے ٹینکوں یا ریڈی ایٹروں جتنی حرارت ذخیرہ کرنے کے لیے پانی کو کم درجہ حرارت پر رکھ سکتے ہیں (یعنی کم حرارتی کثافت پر)۔ اس سے پانی اور اس کے اردگرد کے ماحول کے درمیان درجہ حرارت کا فرق کم ہوتا ہے، جس سے حرارت کی منتقلی سست پڑتی ہے۔ اگرچہ اس سے نظام کے تمہارے گھر کو گرم کرنے کی رفتار سست ہوتی ہے، بڑے ریڈی ایٹر حرارت خارج کرنے کے لیے زیادہ سطح بھی دیتے ہیں، جو منتقلی کی سست رفتار کی تلافی کرتی ہے۔ اس سے حرارت زیادہ یکساں طور پر پہنچا کر اور ٹینکوں اور جوڑنے والی پائپوں سے غیر ضروری اور ضائع ہونے والی حرارت کے نقصان کو سست کر کے استحکام بھی بڑھتا ہے۔
  مزید یہ کہ، اس سے گرمائش کا نظام مجموعی طور پر کم بہاؤ کے درجہ حرارت پر چل سکتا ہے۔ چونکہ حرارت کو پانی میں منتقل ہونے کے لیے ریفریجرنٹ کا پانی سے زیادہ گرم ہونا ضروری ہے، اس لیے ٹھنڈا پانی ریفریجرنٹ کے مطلوبہ درجہ حرارت کو کم رہنے دیتا ہے۔ حرارت کی منتقلی چلانے کے لیے حرارت کا منبع ہمیشہ زیادہ گرم ہونا چاہیے، اس لیے زیادہ گرم بہاؤ یا ٹینک کا درجہ حرارت ہیٹ پمپ کو زیادہ گرم چلنے پر مجبور کرتا ہے، جبکہ ٹھنڈے بہاؤ یا ٹینک کے درجہ حرارت کا مطلب ہے کہ ریفریجرنٹ کا درجہ حرارت بھی کم چل سکتا ہے۔
  کم ریفریجرنٹ مطلوبہ درجہ حرارت کا یہ مطلب بھی ہے کہ بیرونی حرارتی منبع کے ساتھ درجہ حرارت کا فرق کم ہے جسے ہیٹ پمپ کو عبور کرنا ہوتا ہے۔ اس لیے کمپریسر کو ریفریجرنٹ کا دباؤ اور درجہ حرارت بڑھانے کے لیے کم کام کرنا پڑتا ہے، جس سے بجلی کا استعمال کم اور کارکردگی بہتر ہوتی ہے۔
• درجہ بندی (یعنی تمہارے پانی کے ٹینک کے اندر درجہ حرارت کے فرق کی قدرتی تشکیل - یا ‘تھرموکلائن’ -) ریفریجرنٹ سے حرارت لینے والے پانی کا درجہ حرارت کم کرنے میں مدد دے سکتی ہے، جس سے حرارت کی منتقلی کی رفتار بڑھتی ہے یا زیادہ گرم ریفریجرنٹ کی ضرورت کم ہوتی ہے۔ اس لیے ہیٹ ایکسچینجر کی کوائل کو ٹینک کے نچلے حصے میں رکھنا بہتر ہے، جہاں بھاری ٹھنڈا پانی گرم پانی کے نیچے ہوتا ہے۔
  اسی وجہ سے، لمبے اور پتلے سلنڈر بہتر ہوتے ہیں جو اس تھرموکلائن کو نمایاں کرتے ہیں، اور گھر کے ریڈی ایٹروں سے واپس آنے والے ٹھنڈے پانی کو باقی ٹھنڈے پانی کے ساتھ ٹینک کے نچلے حصے کی طرف بھیجتے ہیں (کم دباؤ اور رفتار پر تاکہ ٹینک میں موجود پانی نہ ہلے)۔

پائپوں اور ہیٹ ایکسچینجروں:

• زیادہ طاقتور ہیٹ ایکسچینجر پانی کو زیادہ تیزی سے یا پورے نظام میں درجہ حرارت کے کم فرق کے ساتھ گرم کر سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، لمبی یا پسلی دار کوائلوں کی سطح زیادہ ہوتی ہے اور اس لیے وہ حرارت کی منتقلی بڑھا سکتی ہیں۔ تاہم:
• • بہاؤ کا راستہ بہت لمبا یا تنگ ہو تو ریفریجرنٹ کے بہاؤ کی رفتار، اور یوں حرارت کی فراہمی، محدود ہو جائے گی۔ پھر پمپ کو زیادہ محنت کرنا پڑے گی، جس سے ہیٹ پمپ میں ریفریجرنٹ کا مطلوبہ درجہ حرارت بڑھ جائے گا۔
  • کوائل کا اندرونی قطر بہت چوڑا بنا دو تو دباؤ کم ہو جائے گا اور سیال بہت آہستہ چلے گا، جس سے پائپ کے کنارے کے گرد ایک موصل تہہ بننے کا موقع ملے گا جو حرارت کی منتقلی کو محدود کر دے گی۔
  
  یہ بات تمہارے ریڈی ایٹرز تک جانے اور ان میں سے گزرنے والے پانی کے پائپوں اور کوائلز پر بھی لاگو ہوتی ہے۔ ریڈی ایٹر میں حرارت کی منتقلی زیادہ سے زیادہ کرنے، مگر جوڑنے والے پائپوں سے حرارت کا ضیاع کم سے کم رکھنے کے لیے پائپوں کو باریک بینی سے ایڈجسٹ اور متوازن کرنا ضروری ہے۔

(ٹیکنالوجی کنیکشنز اور ہیٹ گیک کی معلومات پر مبنی اضافی مواد)