المضخات الحرارية الهوائية المصدر

يمكن أن توفر المضخة الحرارية من مصدر الهواء تدفئة وتبريداً فعالاً لمنزلك، خاصةً إذا كنت تعيش في مناخ دافئ. عندما يتم تركيبها بشكل صحيح، يمكن للمضخة الحرارية من مصدر الهواء أن توفر طاقة حرارية للمنزل تزيد بمقدار مرة ونصف إلى ثلاثة أضعاف عن الطاقة الكهربائية التي تستهلكها. وهذا ممكن لأن المضخة الحرارية تنقل الحرارة بدلاً من تحويلها من الوقود، كما هو الحال في أنظمة التدفئة بالاحتراق.

على الرغم من أنه يمكن استخدام المضخات الحرارية من مصدر الهواء في جميع أنحاء الولايات المتحدة تقريبًا، إلا أنها لا تعمل بشكل جيد بشكل عام على مدى فترات طويلة من درجات الحرارة دون درجة التجمد. في المناطق التي تقل فيها درجات الحرارة في فصل الشتاء عن درجة التجمد، قد لا يكون من الفعال من حيث التكلفة تلبية جميع احتياجات التدفئة بمضخة حرارية قياسية مصدرها الهواء.

ومع ذلك، فإن الأنظمة الجديدة المزودة بتدفئة الغاز كاحتياطي قادرة على التغلب على هذه المشكلة. وهناك أيضاً “المضخة الحرارية ذات المناخ البارد” التي تبشر بالخير، ولكنها تواجه حالياً مشاكل في التصنيع. وبالإضافة إلى ذلك، هناك نسخة تدعى “مبرد الدورة العكسية” تدعي أنها قادرة على العمل بكفاءة في درجات حرارة أقل من درجة التجمد.

في وضع التبريد، تقوم المضخة الحرارية من مصدر الهواء بتبخير سائل التبريد في الملف الداخلي؛ وعندما يتبخر السائل يسحب الحرارة من الهواء في المنزل. بعد أن يتم ضغط الغاز، ينتقل إلى الملف الخارجي ويتكثف ويطلق الحرارة إلى الهواء الخارجي. تسمح تغيرات الضغط الناتجة عن الضاغط وصمام التمدد للغاز بالتكثف عند درجة حرارة عالية في الخارج والتبخر عند درجة حرارة أقل في الداخل.

كيفية عملها

يتألف نظام التبريد في المضخة الحرارية من ضاغط وملفين مصنوعين من أنابيب نحاسية (أحدهما في الداخل والآخر في الخارج)، وهما محاطان بزعانف من الألومنيوم للمساعدة في نقل الحرارة. في وضع التسخين، يستخرج المبرد السائل في الملفات الخارجية الحرارة من الهواء ويتبخر إلى غاز. وتطلق الملفات الداخلية الحرارة من غاز التبريد عندما يتكثف مرة أخرى إلى سائل. يمكن للصمام العكسي، بالقرب من الضاغط، تغيير اتجاه تدفق المبرد للتبريد وكذلك لإزالة الجليد من الملفات الخارجية في الشتاء.

عندما تنخفض درجات الحرارة الخارجية إلى أقل من 40 درجة مئوية فإن لوحة أقل كفاءة من لفائف المقاومة الكهربائية، على غرار تلك الموجودة في محمصة الخبز الخاصة بك، تبدأ في توفير التدفئة الداخلية. هذا هو السبب في أن المضخات الحرارية مصدر الهواء ليست دائماً فعالة جداً للتدفئة في المناطق ذات الشتاء البارد. تحتوي بعض الوحدات الآن على أفران احتياطية تعمل بالغاز بدلاً من لفائف المقاومة الكهربائية، مما يسمح لها بالعمل بكفاءة أكبر

إن كفاءة وأداء المضخات الحرارية التي تعمل بمصادر الهواء اليوم أكبر بمرة ونصف إلى مرتين من تلك التي كانت متوفرة قبل 30 عاماً. وقد نتج هذا التحسن في الكفاءة عن التطورات التقنية والخيارات مثل:

في وضع التدفئة، تقوم المضخة الحرارية من مصدر الهواء بتبخير سائل التبريد في الملف الخارجي؛ وعندما يتبخر السائل يسحب الحرارة من الهواء الخارجي. بعد أن يتم ضغط الغاز، يمر إلى الملف الداخلي ويتكثف ويطلق الحرارة إلى داخل المنزل. وتسمح تغيرات الضغط الناتجة عن الضاغط وصمام التمدد للغاز بالتبخر عند درجة حرارة منخفضة في الخارج والتكثيف عند درجة حرارة أعلى في الداخل.

• صمامات التمدد الثرموستاتي للتحكم الأكثر دقة في تدفق المبرد إلى الملف الداخلي
• منفاخ متغير السرعة، وهو أكثر كفاءة ويمكنه تعويض بعض الآثار الضارة للقنوات المقيدة والمرشحات المتسخة والملفات المتسخة
• تصميم محسّن للملف المحسّن
• محرك كهربائي محسّن وتصميمات ضاغط ثنائي السرعات
• أنابيب نحاسية، محزوزة من الداخل لزيادة مساحة السطح.

معظم المضخات الحرارية المركزية عبارة عن أنظمة منفصلة، أي أن لكل منها ملف واحد في الداخل وآخر في الخارج. تتصل أنابيب الإمداد والعودة بمروحة مركزية موجودة في الداخل.

بعض المضخات الحرارية عبارة عن أنظمة معبأة. وعادةً ما تحتوي هذه المضخات على كل من اللفائف والمروحة في الهواء الطلق. يتم توصيل الهواء الساخن أو المبرد إلى الداخل من أنابيب تبرز من خلال الجدار أو السقف.

اختيار المضخة الحرارية

تحتوي كل مضخة حرارية سكنية تباع في هذا البلد على ملصق EnergyGuide، والذي يعرض تصنيف أداء كفاءة التدفئة والتبريد للمضخة الحرارية ومقارنتها بالموديلات والطرازات الأخرى المتاحة.

يُشار إلى كفاءة التدفئة لمضخات التدفئة الكهربائية من مصدر الهواء بمعامل أداء موسم التدفئة (HSPF)، وهو نسبة ناتج التدفئة الموسمية بالوحدة الحرارية البريطانية مقسومة على استهلاك الطاقة الموسمية بالواط. يُشار إلى كفاءة التبريد من خلال نسبة كفاءة الطاقة الموسمية (SEER)، وهي نسبة الحرارة الموسمية التي يتم إزالتها بالوحدة الحرارية البريطانية في الساعة إلى استهلاك الطاقة الموسمية بالواط.

يقيّم عامل الأداء الموسمي للتدفئة (HSPF) كلاً من كفاءة الضاغط وعناصر المقاومة الكهربائية. وتتراوح كفاءة المضخات الحرارية الأكثر كفاءة بين 8 و10.

تُقيِّم نسبة كفاءة الطاقة الموسمية (SEER) كفاءة التبريد للمضخة الحرارية. بشكل عام، كلما ارتفعت نسبة SEER، ارتفعت التكلفة. ومع ذلك، فإن توفير الطاقة يمكن أن يعيد الاستثمار الأولي الأعلى عدة مرات خلال عمر المضخة الحرارية. إن استبدال مضخة حرارية مركزية عتيقة تعود إلى سبعينيات القرن الماضي (SEER = 6) بوحدة جديدة (SEER=12) سيسمح باستخدام نصف الطاقة لتوفير نفس كمية التبريد، مما يقلل تكاليف تكييف الهواء إلى النصف. تتراوح كفاءة المضخات الحرارية الأكثر كفاءة بين 14 و18 من SEER.

لاختيار مضخة حرارية كهربائية تعمل بمصدر الهواء، ابحث عن ملصق ENERGY STAR®، الذي يُمنح لتلك الوحدات التي تبلغ كفاءة SEER 12 أو أكثر وHSPF 7 أو أكثر. إذا كنت تشتري مضخة حرارية كهربائية مصدرها الهواء ولم تكن متأكدًا مما إذا كانت تفي بمؤهلات ENERGY STAR، فابحث عن ملصق EnergyGuide الأصفر اللامع عن كفاءة 12 SEER/7HSPF أو أكثر. أما بالنسبة للوحدات ذات تصنيفات HSPF المماثلة، تحقق من تصنيف الحالة المستقرة عند -8.3 درجة مئوية، وهو إعداد درجة الحرارة المنخفضة. ستكون الوحدة ذات التصنيف الأعلى أكثر كفاءة.

ضع في اعتبارك شراء مضخة حرارية ذات معيار HSPF لا يقل عن 7.7. في سبتمبر 2006، ستبدأ وزارة الطاقة الأمريكية في تطبيق معيار جديد يتطلب أن يكون للمضخات الحرارية المركزية حد أدنى من التصنيف 7.7 HSPF. في المناخات الأكثر دفئاً، يكون SEER أكثر أهمية من HSPF؛ أما في المناخات الأكثر برودة، فينبغي التركيز على الحصول على أعلى معدل ممكن من HSPF.

هذه بعض العوامل الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار وتركيب المضخات الحرارية الهوائية المصدر:

• اختر مضخة حرارية مزودة بجهاز تحكم في إزالة الصقيع عند الطلب. سيؤدي ذلك إلى تقليل دورات إزالة الصقيع، وبالتالي تقليل استخدام الطاقة التكميلية والمضخة الحرارية.
• إذا كنت تضيف مضخة حرارية إلى فرن كهربائي، فيجب عادةً وضع ملف المضخة الحرارية على الجانب البارد (العلوي) من الفرن لتحقيق أكبر قدر من الكفاءة.
• تصدر المراوح والضواغط ضوضاء. حدد موقع الوحدة الخارجية بعيدًا عن النوافذ والمباني المجاورة، واختر مضخة حرارية ذات معدل صوت خارجي يبلغ 7.6 بيلز أو أقل. يمكنك أيضًا تقليل هذه الضوضاء عن طريق تركيب الوحدة على قاعدة ممتصة للضوضاء.
• قد يؤثر موقع الوحدة الخارجية على كفاءتها. يجب حماية الوحدات الخارجية من الرياح العاتية، والتي يمكن أن تسبب مشاكل في إزالة الجليد. ويمكنك وضع شجيرة أو سياج في اتجاه الريح في اتجاه الريح من الملفات لحجب الوحدة عن الرياح العاتية.

انظر القسم الخاص ب اختيار أنظمة التدفئة والتبريد واستبدالها للحصول على معلومات حول اختيار المقاول، وراجع القسم الخاص بـ تحديد حجم نظام التدفئة والتكييف الخاص بك لتقنيات التحجيم المناسبة.

مشاكل الأداء في المضخات الحرارية

ووفقًا لتقرير عن بحث ممول من ENERGY STAR، فإن أكثر من 501 تيرابايت من جميع المضخات الحرارية تعاني من مشاكل كبيرة في تدفق الهواء المنخفض، والقنوات المتسربة، وشحن المبردات غير الصحيح.

يجب أن يكون هناك حوالي 400؟ C500 قدم مكعب في الدقيقة (cfm) تدفق هواء لكل طن من سعة تكييف الهواء في المضخة الحرارية. تتدهور الكفاءة والأداء إذا كان تدفق الهواء أقل بكثير من 350 قدم مكعب في الدقيقة لكل طن. يمكن للفنيين زيادة تدفق الهواء عن طريق تنظيف ملف المبخر أو زيادة سرعة المروحة، ولكن غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى بعض التعديلات في مجاري الهواء. انظر الأقسام الخاصة ب تقليل فاقد الطاقة في مجاري الهواء إلى الحد الأدنى وعلى الأنابيب العازلة.

يجب فحص أنظمة التبريد عند التركيب وأثناء كل مكالمة خدمة. يتم شحن المضخات الحرارية للغرف والمضخات الحرارية المعبأة بغاز التبريد في المصنع. ونادراً ما يتم شحنها بشكل غير صحيح. من ناحية أخرى، يتم شحن المضخات الحرارية ذات النظام المنفصل في الحقل، مما قد يؤدي في بعض الأحيان إلى وجود كمية كبيرة جدًا أو قليلة جدًا من المبردات. عادةً ما يكون أداء المضخات الحرارية ذات الأنظمة المنفصلة التي تحتوي على شحن المبردات وتدفق الهواء الصحيحين قريبًا جدًا من أداء SEER و HSPF المدرجين من الشركة المصنعة. ومع ذلك، فإن الكثير أو القليل جدًا من سائل التبريد يقلل من أداء المضخة الحرارية وكفاءتها.

للحصول على أداء وكفاءة مُرضية، يجب أن تكون المضخة الحرارية ذات النظام المنفصل في حدود بضع أونصات من الشحنة الصحيحة التي تحددها الشركة المصنعة. يجب على الفني قياس تدفق الهواء قبل فحص شحنة غاز التبريد لأن قياسات غاز التبريد لا تكون دقيقة ما لم يكن تدفق الهواء صحيحًا. عندما تكون الشحنة صحيحة، فإن درجات حرارة وضغط المبردات المحددة المدرجة من قبل الشركة المصنعة سوف تتطابق مع درجات الحرارة والضغط التي يقيسها فني الخدمة. تحقق من هذه القياسات مع الفني. إذا لم تتطابق درجات الحرارة والضغوط التي حددتها الشركة المصنعة مع درجات الحرارة والضغوط التي تم قياسها، فيجب إضافة أو سحب المبردات وفقًا للمعايير التي حددتها وكالة حماية البيئة.

التقنيات المتقدمة: مبردات الدورة العكسية

أحد الابتكارات الأكثر بروزاً في المضخات الحرارية مصدر الهواء يسمى مبرد الدورة العكسية (RCC). وهو يوفر مزايا السماح لصاحب المنزل بالاختيار من بين مجموعة واسعة من أنظمة توزيع التدفئة والتبريد، من أنظمة الأرضية المشعة إلى أنظمة الهواء القسري ذات المناطق المتعددة. كما أنه يوفر إمكانية خفض فواتير الكهرباء في فصل الشتاء وهواء أكثر سخونة من فتحات الإمداد لتوفير راحة أكبر.

يعتبر خيار التدفئة بالوقود المخصّص للتدفئة الكهربائية أو في المناطق التي لا يتوفر فيها الغاز الطبيعي. واعتمادًا على أسعار الوقود الأخرى، قد يكون خيار التدفئة الأقل تكلفة على جميع خيارات وقود التدفئة المتبقية.

يتألف النظام من مضخة حرارية قياسية أحادية السرعة بقدرة 12 SEER وسرعة واحدة ومضخة حرارية أحادية المصدر، بحجم يتناسب مع حمل التدفئة بدلاً من حمل التبريد الصيفي الأصغر المعتاد. يتم توصيل المضخة الحرارية بخزان كبير معزول بشدة من الماء تقوم المضخة الحرارية بتسخينه أو تبريده، حسب فصل السنة. تستخدم معظم الأنظمة لفائف مروحة مع قنوات، وتستخدم المياه المخزنة لتسخين أو تبريد الهواء وتوزيعه على المنزل. خلال موسم التدفئة، يمكن توزيع الماء الساخن من خلال نظام أرضي مشع.

يقضي نظام RCC على واحدة من أكبر الشكاوى المتعلقة بالمضخات الحرارية لمصدر الهواء، وهي النفخ الدوري للهواء البارد أثناء دورة إزالة الصقيع وأثناء البداية الأولية لدورة التسخين مع ارتفاع درجة حرارة قنوات التوزيع. يحل نظام RCC هذه المشاكل عن طريق استخدام الحرارة المخزنة في خزان المياه لإذابة ملفات التبريد، بدلاً من هواء الغرفة.

يسمح نظام RCC أيضًا للمضخة الحرارية بالعمل بأعلى كفاءة حتى في درجات الحرارة المنخفضة. وهذا يوفر راحة واقتصادًا أكبر دون الحاجة إلى ملفات التدفئة الكهربائية المساعدة المقاومة. على سبيل المثال، في أحد التركيبات في ميشيغان، قام نظام RCC بتزويد معالج الهواء ونظام الأرضية المشعة بالمياه بدرجة حرارة 115 درجة مئوية على الرغم من أن درجة الحرارة الخارجية كانت سالبة 15 درجة مئوية

ومن المزايا المهمة الأخرى لتوفير الطاقة أنه يمكن تجهيز جهاز RCC بجهاز استرداد حرارة التبريد (RHR). وهذا مشابه لملف إعادة التسخين الحراري الشائع الموجود في المضخات الحرارية ومكيفات الهواء المتطورة (كما هو موضح أدناه). والفرق الرئيسي هو أن RHR لا ينتج الماء الساخن خلال موسم التبريد فحسب، بل يقوم بذلك أيضًا خلال موسم التدفئة باستخدام السعة الزائدة للوحدة الخارجية خلال الطقس الشتوي المعتدل لإنتاج الماء الساخن المنزلي المجاني بشكل أساسي. أما في فصل الصيف، فينتج الماء الساخن مجانًا عن طريق استعادة الحرارة المهدرة من المنزل طالما أن النظام يقوم أيضًا بتبريد المبنى.

يكلف نظام RCC و RHR المدمج حوالي 25% أكثر من المضخة الحرارية القياسية ذات الحجم المماثل. ويصل الاسترداد البسيط للتكلفة الإضافية في المناطق التي لا يتوفر فيها الغاز الطبيعي إلى حوالي 2?.

التقنيات المتقدمة: المضخة الحرارية في المناخ البارد

طورت إحدى الشركات المضخة الحرارية ذات المناخ البارد، والتي تتميز بضاغط ثنائي السرعات ثنائي الأسطوانات للتشغيل الفعال؛ وضاغط معزز احتياطي يسمح للنظام بالعمل بكفاءة حتى 15? ㆻ ومبادل حراري صفيحي يسمى “الموفر” الذي يزيد من أداء المضخة الحرارية إلى أقل من 0? ㆬAC↩ وفقًا للشركة.

وقد تم اختبار النظام بشكل إيجابي من قبل العديد من المرافق في الشمال الغربي، والتي أعلنت أن المضخة الحرارية أظهرت تحسناً في الكفاءة بنسبة 60% مقارنة بمضخات الحرارة القياسية لمصدر الهواء في الاختبارات الأولية.

لم يتم توفير هذا المنتج للمستهلكين على نطاق واسع، ولكن يبدو أن التصنيع قد يُستأنف وأن المضخات الحرارية ستكون متاحة للمستهلكين قريباً.

التقنيات المتقدمة: المضخات الحرارية المناخية الشاملة

ومن التقنيات الأخرى التي تبشر بالخير المضخة الحرارية التي تعمل في جميع الظروف المناخية، والتي تقول الشركة المصنعة إنها يمكن أن تعمل في أبرد أيام الشتاء دون تدفئة إضافية، وتحافظ على درجات حرارة مريحة في الأماكن المغلقة حتى عندما تنخفض درجة الحرارة في الهواء الطلق إلى ما دون الصفر. يمكن للمضخة الحرارية أن تقلل من تكاليف التدفئة والتبريد 25%؟ وقد قامت كلية ويناتشي فالي في واشنطن بتركيب المضخة الحرارية في الحرم الجامعي في ويناتشي بواشنطن، وتقوم باختبارها منذ أكتوبر 2006.

في حين أن تصميم معظم المضخات الحرارية يركز على التبريد، فقد تم تصميم المضخة الحرارية من جميع الأنواع مع التركيز على التدفئة بشكل أساسي. التكاليف الأولية للمضخة الحرارية "أول كلايمت" مرتفعة، ولكن إذا استمرت في العمل كما هو متوقع، فإن وفورات الطاقة على مدى عمر النظام ستعوض أكثر من التكلفة الأولية. تتوفر المضخة الحرارية "أول كلايمت" حالياً للشراء من قبل المستهلكين.