في ظل الوضع البيئي المتدهور في العالم (والأهم من ذلك بالنسبة للمستهلك العادي) الزيادة السريعة في تعريفة الغاز والكهرباء ، يحاول المزيد من الأوروبيين إدخال أنظمة تستخدم مصادر بديلة للطاقة في حياتهم اليومية. أحد الخيارات المتاحة لمثل هذه الأنظمة هو ما يسمى المضخة الحرارية ، والتي يمكنك من خلالها تسخين منزلك في الشتاء وتسخين المياه للأغراض المنزلية ، وإنفاق حد أدنى من الكهرباء عليها.
في منازل مواطنينا في السنوات الأخيرة أيضًا ، يمكنك مواجهة هذه المعجزة الهندسية بشكل متزايد. بالطبع ، بالنسبة إلى الروس ، فإن مشكلة ارتفاع الأسعار لمصادر الطاقة التقليدية ليست حادة كما هي الحال في أوروبا ، لكن أولاً ، إنها فقط في الوقت الحالي ، وثانياً ، لا أريد أن أتخلف عن العالم المتحضر ...
لذلك مضخة الحرارة ... ما هو؟ ما هو مبدأ عملها على أساس؟ أين وأين وكيف ينقل الحرارة؟ هيا بنا
المحتويات:
مبدأ تشغيل المضخة الحرارية
يعتمد مبدأ تشغيل المضخات الحرارية على قدرة مادة ما (مادة التبريد) على امتصاص أو إطلاق الحرارة عندما تتغير حالة التجميع. في جوهرها ، هذه المضخات لا تختلف كثيرا عن وحدات التبريد. (هذا البيان الغريب ، للوهلة الأولى ، لن يفاجئك على الإطلاق إذا كنت قد لمست الحائط الخلفي لثلاجة منزلية عادية.)
بشكل تخطيطي ، يمكن تمثيل المضخة الحرارية كنظام يتكون من ثلاث دوائر. الأول هو سائل تبريد ينقل الطاقة من مصدر الحرارة المنخفضة المحتملة. في الدائرة الثانية ، يدور مادة التبريد (الفريون) ، التي تتبخر بشكل دوري ، وتتسبب في تسخين من الدائرة الأولى ، ثم تتكثف مرة أخرى ، وتعيدها إلى الدائرة الثالثة. وأخيراً ، "يدير" المشتت الحراري على طول الدائرة الثالثة ، في حالتنا ، الماء الذي ينقل الحرارة من خلال نظام التدفئة.
يمكن وصف دورة التشغيل لمضخة الحرارة بشكل عام على النحو التالي. يدخل سائل التبريد إلى المبخر ، حيث يمر إلى الحالة الغازية. يتم الحصول على الطاقة اللازمة لتدفق هذه العملية من سائل التبريد المتداول في الدائرة الأولية. علاوة على ذلك ، يتم امتصاص مادة التبريد الغازية التي يتم تسخينها بعدة درجات في الضاغط ، والغرض الرئيسي منها هو ضغط الغاز (وهذا يستهلك الكهرباء بالطبع).
يزداد ضغط الغاز عدة مرات ، في حين ترتفع درجة حرارته بشكل كبير: إذا كانت درجة حرارة المبرد عند مدخل الضاغط تتراوح من 6 إلى 10 درجات مئوية ، فعندئذ يكون في درجة الحرارة حوالي 60 درجة مئوية. في المرحلة التالية ، يتم إرسال الغاز المسخن إلى المكثف ، حيث يمنح الحرارة المستقبلة إلى نظام التدفئة ، بينما يتكثف بنفسه ، أي يذهب إلى الحالة السائلة. ثم يتم تخفيف الضغط الزائد عن طريق صمام الخانق وتبدأ الدورة مرة أخرى.
كما ترون ، لا يختلف جهاز المضخة الحرارية بشكل أساسي عن جهاز آلة التبريد. إن الهدف الرئيسي لوحدات التبريد هو توليد البرد ، وبالتالي يتم نقل الحرارة إلى هناك بواسطة المبخر ، ولا يقوم المكثف بإلقاء هذه الحرارة إلا في المساحة المحيطة.في المضخة الحرارية ، يكون العكس هو الصحيح: المكثف هو مبادل حراري يعطي الحرارة للمستهلك ، والمبخر عبارة عن مبادل حراري يستخدم الحرارة المنخفضة المحتملة لموارد الطاقة الثانوية.
بمعنى آخر ، مضخة الحرارة عبارة عن "ثلاجة في الاتجاه المعاكس". في الوقت نفسه ، "العكس بالعكس" ليس فقط جهازًا ، ولكنه أيضًا نتيجة. في حالة وجود هدر في حالة الثلاجة ، تضيع الحرارة المستخرجة من المنتجات المخزنة داخلها ، فإن الطاقة الناتجة عن المضخة الحرارية تحقق فوائد حقيقية - يتم إنفاقها على التدفئة المستهدفة للمنزل.
أنواع المضخات الحرارية والأنظمة
الطاقة الحرارية المستهلكة في تسخين المبنى ونظام الماء الساخن هو نتيجة لتحويل الطاقة البيئية باستخدام مضخة حرارية. تركز المضخة هذه الطاقة ذات الإمكانات المنخفضة (درجة الحرارة المنخفضة) وتنقلها إلى نظام التدفئة.
يبقى أن نفهم ما هو المقصود في هذه الحالة من طاقة البيئة. تتيح لك معظم مضخات الحرارة المنزلية استخدام حرارة الشمس والحرارة الداخلية للأرض ، والتي تتراكم بواسطة الطبقات العليا من قشرة الأرض والمياه طوال العام.
حسب نوع تصميم الدائرة الأولى للمبادل الحراري ، يتم تقسيم جميع مضخات الحرارة إلى تربة وماء وهواء.
مضخات الحرارة الأرضية
تتلقى مضخات الحرارة الأرضية الحرارة اللازمة لتسخين مادة التبريد في المبخر من الأرض. درجة حرارة هذا الأخير على عمق عدة أمتار لا تخضع عمليا للتقلبات الموسمية. في نظام مغلق من الأنابيب الموضوعة على الأرض ، يدور "محلول ملحي". ليس من قبيل المصادفة أننا أخذنا كلمة "مخلل" بعلامات اقتباس: الملح ، كما قد يتوقع المرء من الاسم ، لا يحتوي عليه. في الواقع ، إنه مضاد للتجمد يعتمد على الإيثيلين جليكول أو البروبيلين غليكول ، وغالبًا ما يكون الإيثانول المائي أقل. يمكن وضع أنابيب المبادلات الحرارية في الأرض على حد سواء أفقيًا (المجمع الأفقي) وعموديًا (مسبار الطاقة الحرارية الأرضية).
وضعت أنابيب المجمع الأفقي في الأرض على عمق أقل من مستوى تجميد التربة في هذه المنطقة (عادة 1.5-2 متر). يحتل نظام التبادل الحراري من هذا النوع مساحة كبيرة إلى حد ما. على سبيل المثال ، لتوفير الحرارة لمنزل صغير نسبيا بمساحة 100 م2 سيكون من الضروري تخصيص 2-3 فدان من الأرض. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في الأراضي التي يشغلها المجمع ، لا يمكن إلا زراعة تلك الأشجار والشجيرات التي لا تمتد جذورها إلى عمق التربة ، ومن المستحيل تمامًا وضع أي مبانٍ هنا.
مسبار الطاقة الحرارية الأرضية هو مبادل حراري ، حيث تقع الأنابيب عموديا وتغمر في التربة على عمق 100-200 متر ، ويعتمد عدد المجسات المثبتة على السعة المطلوبة للتركيب. لتدفئة المنزل ، الذي سبق أن ذكرناه أعلاه كمثال ، سيكون من الكافي استخدام تحقيقين بطول حوالي 80 مترًا ، على مسافة 5 أمتار من بعضنا البعض.
كما ترى ، لا يتطلب هذا النظام مساحات كبيرة ، يمكنك حفر آبار في أي جزء من موقعك - أينما كان مناسبًا لك. العيب الرئيسي لمضخات حرارة التربة مع تحقيقات الطاقة الحرارية الأرضية هو التكلفة العالية لحفر الآبار. ومع ذلك ، على الرغم من ذلك ، فإن معظم المستخدمين يفضلون هذه الأنظمة على وجه التحديد ، لأن تحقيقات الطاقة الحرارية الأرضية أكثر كفاءة من المجمعات الأفقية ، ولديها قيود أقل.
حفر بئر لمسبار الطاقة الحرارية الأرضية.
مضخات تسخين المياه
تعمل مضخة تسخين المياه على "سحب" طاقة المياه الجوفية ، التي تضخها من خلال المبخر. يتميز هذا النظام بزيادة الكفاءة والاستقرار الجيد: السمة الأولى هي نتيجة نقل الحرارة العالية للمياه ، والثاني يرجع إلى ثبات درجة حرارة المياه الجوفية.
بالطبع ، من أجل استخدام هذا النوع من التثبيت ، يلزم توفر هذه المياه الجوفية نفسها في منطقتك وبكميات كبيرة كافية. من المرغوب فيه للغاية ألا تقع طبقة المياه الجوفية هذه على عمق لا يتجاوز 30-40 مترًا ، كما أن الوفاء المتزامن لهذين الشرطين يعد ظاهرة نادرة الحدوث. وهناك شرط آخر ، قد يصبح فشله عقبة أمام تثبيت مضخة تسخين المياه في منزلك أو كوخك ، وهو انخفاض محتوى أملاح الحديد وغيرها من الشوائب في المياه الجوفية.
سيؤدي استخدام المياه منخفضة الجودة إلى تعطل الجهاز بسرعة ، حيث إن المبادل الحراري يسد ببساطة. وجود الكثير من القيود هو السبب في أن مضخات الحرارة هذه ، على الرغم من جاذبيتها ، يتم تركيبها بشكل غير منتظم (حوالي 5٪ من جميع المشاريع المنفذة).
مضخات حرارة الهواء
من حيث سهولة التركيب ، تتمتع مضخات تسخين الهواء بميزة كبيرة على "إخوانهم". لاستخدام الهواء المحيط كمصدر للحرارة ، لا يتعين عليك حفر الآبار أو القيام بأي أعمال أخرى على نطاق واسع في التربة. كنتيجة لذلك ، إذا وضعت في تقدير تكلفة تركيب المعدات ، فإن تكلفة مضخة الهواء سوف تكلفك أقل بكثير من مضخة المياه أو الأرض.
على الرغم من هذه الميزة الكبيرة ، لا يمكن اعتبار هذا النوع من المعدات المناخية مثاليًا ، نظرًا لأنه يحتوي أيضًا على عيب كبير. تعمل هذه المضخة بكفاءة فقط عندما تكون درجة الحرارة المحيطة أعلى من -15 درجة مئوية ... -20 درجة مئوية يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون هذا الحد ، وهو أمر غير شائع في معظم مناطق بلدنا في فصل الشتاء ، إلى انخفاض كبير في معامل الكفاءة لمضخة تسخين الهواء.
مضخة كفاءة الحرارة
أعلى قليلاً ، استخدمنا المصطلح الجديد - "معامل الكفاءة". قد يكون من الخطأ عدم شرح ماهية الأمر ، خاصةً أنه من الخصائص المهمة لمضخات الحرارة التي تسمح لك بمقارنة أنواع مختلفة من المضخات مع بعضها البعض.
معامل الكفاءة (وتسمى أيضًا معامل التحويل) هو نسبة الطاقة الحرارية الناتجة عن المضخة إلى الطاقة الكهربائية التي تستهلكها. في الواقع ، هذه هي كفاءة المضخة الحرارية. في حالة مضخات تسخين المياه ، يكون هذا المعامل 5 ، بغض النظر عن الوقت من السنة. هذا يعني أنه عندما يتم استهلاك 1 كيلوواط * ساعة من الكهرباء ، يولد التركيب 5 كيلو واط * ساعة من الطاقة الحرارية.
في مضخات التربة ، يكون معامل الكفاءة أقل قليلاً - من 4 إلى 4.5. وأخيرًا ، تتميز مضخات حرارة الهواء بأصغر معامل ، وكفاءتها تعتمد بشدة على درجة الحرارة المحيطة: عند 0 درجة مئوية ، يكون المعامل ~ 3.5 ، وعند درجة حرارة -20 درجة مئوية لا يتجاوز 1.5 (عند هذه الكفاءة المنخفضة ، تكون المضخة إنه ببساطة لا يُؤتي ثماره ، ومن المنطقي التفكير في شراء معدات مناخية أرخص ، مثل غلاية كهربائية).
يؤكد بعض المديرين ، الذين يعلنون عن المضخات الحرارية التي يبيعونها ، للعملاء المحتملين أن هذه المعدات تتمتع بالكفاءة من 400 إلى 500٪. بالطبع ، لا يوجد أي حديث عن أي انتهاك لقوانين الديناميكا الحرارية. إنه في هذه الحالة يتم إجراء حسابات خاطئة بشكل متعمد: لا يتم أخذ مصادر الطاقة غير الكهرباء المستهلكة في الاعتبار - الهواء أو الماء أو التربة ، ويتم تسخينها بواسطة الشمس والعمليات الحرارية الأرضية. عند حساب الكفاءة ، يتم أخذ الكهرباء فقط في الاعتبار وينسىون مصدر الحرارة المنخفضة الدرجة ، وتكون النتيجة أكثر من 100٪.
استخدام المضخات الحرارية في المناخ الروسي
بعد التعرف على الأوصاف السابقة للأنواع المختلفة من المضخات الحرارية ، يمكنك بسهولة الإجابة على السؤال حول أي مضخة هي الأكثر ملاءمة للتشغيل في المناخ الروسي.
مضخات حرارة الهواء مناسبة للاستخدام فقط في عدد محدود من المناطق في بلدنا - حيث لا تنخفض درجة حرارة الهواء في الشتاء تقريبًا عن الصفر. بطبيعة الحال ، لا ينبغي لسكان سيبيريا ، الشرق الأقصى ، شمال الجزء الأوروبي من روسيا حتى التفكير في مضخات الحرارة الجوية.
هناك العديد من القيود على استخدام مضخات تسخين المياه. لقد تحدثنا بالفعل عن بعضها ؛ يبقى أن نذكر واحدًا آخر. أكثر من نصف أراضي بلدنا في المنطقة دائمة التجمد. إذا كان بعض سكان شرق سيبيريا أو شمال الشرق الأقصى "محظوظين" وهناك مياه جوفية في قسمها لا يكمن عميقًا ، فلا تزال هذه المياه الجوفية في شكل جليد ، مما يعني أنها غير مناسبة للاستخدام في نظام التدفئة .
وبالتالي ، يتعين على معظم مواطنينا الاعتماد على الخيار الوحيد المربح للجانبين - مضخة الحرارة الأرضية. في الوقت نفسه ، في المناخ الروسي ، تكون المضخة ذات المجمع الأفقي ، ولكن باستخدام مسبار الطاقة الحرارية الأرضية ، والذي يسمح بالوصول إلى عمق حيث تكون درجة حرارة التربة أكثر استقرارًا ، أكثر ملاءمة.
تطبيق مضخة الحرارة للتبريد
ميزة كبيرة لمضخات التسخين هي أنها ليست فقط قادرة على تدفئة المنزل ، ولكن أيضًا لتبريده إذا لزم الأمر. يكون الصيف الروسي القصير ساخنًا في بعض الأحيان ، وعندما يصبح منزلك ساخنًا بالفعل ، سيكون اقتراح تحويل السخان إلى مكيف هواء مفيدًا للغاية.
يمكن دمج حل تقني لهذه المشكلة في مضخة الحرارة في البداية ، في مرحلة التصنيع ، ويوجد لدى جميع الشركات المصنعة تقريبًا مجموعة من المضخات التي يمكنها تكييف الغرفة (وضع التبريد الطبيعي). إذا لم يكن لدى مضخة التسخين هذه القدرات ، فلا يزال كل شيء غير مفقود - يمكن أن تعمل المضخة العادية من أجل التبريد. سيتم تركيب المعدات الإضافية الضرورية في شكل فك هيدروليكي خارج المضخة. كلا الخيارين لا يتطلب استثمارات كبيرة.
يمكنك حمل البرد الناتج عن المضخة الحرارية مباشرة إلى الغرفة بطرق مختلفة. يمكن تخصيص هذه الوظيفة للألواح الباردة على الجدران أو الأسقف أو تبريد التدفئة تحت الأرضية أو مشعات مع تدفق هواء جيد أو ملف مروحة - حيث يتم دمج جهاز يتم فيه تبديل المبادل الحراري للوحة بواسطة المروحة.
استخدام مضخة الحرارة للمياه الساخنة
لا يمكن لأي مضخة حرارة تسخين منزلك فحسب ، بل تزودك بالماء الساخن على مدار السنة. ومع ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن هذا النظام هو درجة حرارة منخفضة ، مما يعني أن درجة حرارة الماء في الغلاية لن تتجاوز 45-55 درجة مئوية. ويترتب على ذلك أن حجم المرجل يجب أن يكون أكبر من عند استخدام نظام التدفئة القياسي ، وإلا فسيتعين عليك أنت وعائلتك العيش في ظروف تقشف من الماء الساخن.
يجب أن تؤخذ هذه الحقيقة في الاعتبار عند تخصيص مساحة لغرفة المرجل ، أي حتى في مرحلة تصميم المنزل. أيضًا ، عند اختيار المرجل ، يجب أن تأخذ في الاعتبار أن هذا يجب أن يكون معدات خاصة مصممة للعمل مع منشآت المضخات الحرارية. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذا المرجل والماء المعتاد في زيادة مساحة المبادل الحراري الضرورية لنقل الحرارة الأكثر كفاءة من المضخة الحرارية.
مضخات الحرارة مع عنصر التدفئة المتكاملة
في كثير من الأحيان يدمج المصنعون سخانات كهربائية إضافية في مضخات الحرارة الخاصة بهم. يسمح السخان المدمج ، إذا لزم الأمر ، بالانتقال إلى مصدر بديل للطاقة من وجهة نظر المضخة الحرارية - الكهرباء. ما هذا؟ في أي الحالات هناك حاجة لاستخدام TEN؟
يتم اختيار مضخة الحرارة لتدفئة المنزل مع الأخذ بعين الاعتبار المعايير المختلفة ، بما في ذلك الخصائص المناخية في المنطقة. في هذه الحالة ، من غير العملي تثبيت مضخة ذات طاقة زائدة.والحقيقة هي أن الأيام الباردة للغاية لا تحدث في كثير من الأحيان ، على الأقل في الجزء الأوروبي المركزي من روسيا. تدل الممارسة على أن الخيار الأكثر اقتصادا هو "الحصول" على الطاقة اللازمة بالكهرباء خلال هذه الفترات الصقيعية بدلاً من تركيب مضخة أقوى في البداية. يلغي وجود عنصر التسخين الحاجة إلى جعل النظام أكثر قوة مما يتطلبه معظم موسم التدفئة.
بالنسبة لأصحاب مضخات المياه والحرارة الأرضية ، يكون سخان متكامل أكثر من ضرورة. الوضع مع مضخات حرارة الهواء تبدو مختلفة تماما. عند درجة حرارة الهواء التي تصل إلى -20 درجة مئوية أو أقل ، فإن هذه المضخة ، إذا لم تنطفئ ، ستكون غير فعالة. وعلى الرغم من عدم وجود الكثير من الأيام والليالي الباردة في السنة ، إلا أنني لا أريد البقاء في منزل سريع التجمد في لحظة واحدة. لا يمكن أن يسمى وجود مولد حرارة مكرر في هذه الحالة ترفا.
مضخة حرارة الهواء.
نصائح والخدع
مضخة الحرارة هي معدات متطورة تقنيًا ومكلفة للغاية ، لذلك يجب عليك التعامل معها بمسؤولية كبيرة. حتى لا تكون بلا أساس ، فإننا نقدم بعض التوصيات المحددة للغاية.
1. لا تبدأ أبدًا في اختيار مضخة الحرارة دون إجراء العمليات الحسابية أولاً وإنشاء مشروع. يمكن أن يؤدي عدم وجود مشروع إلى أخطاء فادحة ، والتي لا يمكن تصحيحها إلا بمساعدة استثمارات مالية إضافية ضخمة.
2. ينبغي للمهنيين فقط أن يعهدوا إلى تصميم وتركيب وصيانة المضخة الحرارية ونظام التدفئة. كيف تتأكد من أن المحترفين يعملون في هذه الشركة؟ أولاً وقبل كل شيء ، ووفقًا لتوفر جميع الوثائق اللازمة ، مجموعة من الأشياء المباعة ، وشهادات من موردي المعدات. من المرغوب فيه للغاية توفير مجموعة كاملة من الخدمات اللازمة من قبل شركة واحدة ، والتي ستكون في هذه الحالة مسؤولة بالكامل عن تنفيذ المشروع.
3. ننصحك بإعطاء الأفضلية لمضخة حرارة أوروبية الصنع. لا تنزعج من كونها أغلى من المعدات الصينية أو الروسية. عندما تدرج في تقدير تكلفة التركيب والتشغيل والتصحيح لنظام التدفئة بأكمله ، فإن الفرق في سعر المضخات سيكون غير محسوس تقريبًا. ولكن من ناحية أخرى ، فإن وجود "أوروبي" تحت تصرفك ، سوف تكون على يقين من موثوقيتها ، لأن ارتفاع سعر المضخة هو فقط نتيجة لاستخدام التقنيات الحديثة والمواد عالية الجودة عند إنشائها.
