هیت پمپ
هیت‌پمپ یا پمپ حرارتی دستگاهی است که می‌تواند با انتقال انرژی حرارتی از بیرون با استفاده از چرخه تبرید، ساختمان (یا بخشی از ساختمان) را گرم کند. بسیاری از پمپ‌های حرارتی نیز می‌توانند در جهت مخالف عمل کنند و با حذف گرما از فضای بسته و دفع آن در خارج، ساختمان را خنک کنند.
هیت پمپ چیست؟
عملکرد یک دستگاه هیت پمپ چگونه است؟
نویسنده: زهرا شادرام
عملکرد یک دستگاه هیت‌پمپ اصولا بر پایه سیکل تبرید است. این دستگاه در تابستان با گرفتن گرما از محیط توسط اواپراتور و انتقال آن به محیط خارج توسط کندانسور محیط را خنک نگه می‌دارد. اما در زمستان نقش این دو قطعه اصلی که همان اواپراتور و کندانسور است، تغییر پیدا می‌کند و اواپراتور در نقش کندانسور ظاهر شده و با گرمادهی به محیط باعث گرم کردن آن می‌شود. در این بین مبرد به عنوان واسطه برای گرفتن و انتقال گرما از یک محیط به محیط دیگر انجام وظیفه می‌کند.
هنگامی که دستگاه در حالت گرمایش کار می‌کند، مبرد در دمای بیرون فشرده شده و داغ می‌شود. این انرژی حرارتی می‌تواند به یک واحد داخلی منتقل شود. پس از انتقال مجدد به خارج از منزل، مبرد از حالت فشرده خارج شده و تبخیر می شود. در واقع مقداری از انرژی حرارتی خود را از دست داده و سردتر از محیط، به آن باز می گردد. اکنون می‌تواند انرژی اطراف را از هوا یا زمین قبل از تکرار فرآیند بگیرد.
هیت‌پمپ و به طور کلی چرخه تبرید از چهار بخش اصلی تشکیل شده و شامل کمپرسور، اواپراتور، کندانسور و شیر انبساط است که همگی با انرژی الکتریکی کار می‌کنند.
راندمان سیستم‌های هیت‌پمپ
راندمان یک پمپ حرارتی به صورت ضریب عملکرد (COP) یا ضریب عملکرد فصلی (SCOP) بیان می‌شود. هرچه این عدد بیشتر باشد، پمپ حرارتی کارآمدتر است و انرژی کمتری مصرف می‌کند.
انواع سیستم‌های هیت‌پمپ
انواع متداول پمپ‌های حرارتی:
الف) منبع هوا (air source heat pumps): پمپ‌های حرارتی منبع هوا برای انتقال گرما بین دو مبدل حرارتی استفاده می‌شود، یکی در خارج از ساختمان که مجهز به پره‌هایی است که هوا با استفاده از یک فن از آن عبور می‌کند و دیگری که هوای داخل ساختمان را گرم می‌کند. این دستگاه‌ها همچنین می‌توانند در حالت خنک‌کننده کار کنند که در آن گرما را از طریق مبدل حرارتی داخلی استخراج کرده و با استفاده از مبدل حرارتی خارجی آن را به هوای محیط خارج می‌کنند.
نصب پمپ‌های حرارتی منبع هوا نسبتا آسان و ارزان است و بدین جهت در طول تاریخ پرمصرف‌ترین نوع پمپ حرارتی بوده است. در هوای معتدل، ضریب عملکرد (COP) ممکن است حدود 4 باشد، در حالی که در دمای کمتر از 7- درجه سانتیگراد (19 درجه فارنهایت) یک پمپ حرارتی منبع هوا ممکن است به COP 3 برسد.
در حالی که پمپ‌های حرارتی منبع هوای قدیمی‌تر در دماهای پایین عملکرد نسبتا ضعیفی داشتند و برای آب و هوای گرم مناسب‌تر بودند، مدل‌های جدیدتر با کمپرسورهای با سرعت متغیر در شرایط انجماد بسیار کارآمد هستند و امکان کارکرد گسترده و صرفه‌جویی در هزینه‌ها را فراهم می‌کنند.
ب) پمپ های حرارتی منبع زمینی (ground source heat pumps): یک پمپ حرارتی منبع زمینی، گرما را از خاک یا از آب‌های زیرزمینی زیر عمق حدود 30 فوت (1/9 متر) که در تمام طول سال در دمای نسبتا ثابتی باقی می‌ماند، می‌گیرد. یک پمپ حرارتی منبع زمینی که به خوبی نگهداری می‌شود معمولا دارای COP 4 در آغاز فصل گرما و COP فصلی حدود 3 است. نصب پمپ‌های حرارتی منبع زمینی به دلیل نیاز به حفاری چاه‌ها برای قرار دادن عمودی لوله‌های مبدل حرارتی یا حفر گودال برای قرار دادن افقی لوله‌هایی که سیال را جهت تبادل حرارت حمل می‌کنند (آب با کمی ضد یخ) هزینه بیشتری دارد.
یک پمپ حرارتی منبع زمینی همچنین می‌تواند برای خنک کردن ساختمان‌ها در روزهای گرم استفاده شود، در نتیجه گرما را از خانه از طریق سیکل ایجاد شده با زمین به داخل خاک منتقل می‌کند.
ج) پمپ های حرارتی منبع آب (water source heat pumps): پمپ حرارتی منبع آب به روشی مشابه پمپ حرارتی منبع زمینی عمل می‌کند، با این تفاوت که گرما را از آب‌های سطحی می‌گیرد. لازم به ذکر است در این نوع از دستگاه‌ها حجم منبع آب باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند در برابر اثر خنک‌کننده دستگاه بدون یخ زدن یا ایجاد اثرات نامطلوب برای حیات وحش، مقاومت کند.
مزایای سیستم‌های هیت‌پمپ
مزایای اصلی پمپ‌های حرارتی:
- یکی از مزایای اصلی پمپ‌های حرارتی این است که هم به عنوان منبع سرمایش و هم گرمایش عمل می‌کنند و قادر به تامین آب گرم مصرفی نیز هستند. به عنوان یک سیستم سه در یک که در آب و هوای معتدل – به ویژه آب و هوای با زمستان های معتدل – بهترین عملکرد را دارد، یک پمپ حرارتی می‌تواند نیاز به سیستم تهویه مطبوع و بویلر را مرتفع سازد.
- سیستم‌های هیت‌پمپ به علت مصرف انرژی الکتریکی و عدم نیاز به گاز طبیعی به عنوان سوخت، این امکان را دارد که در مناطق بدون گاز شهری علاوه بر سرمایش، نیاز به گرمایش ساختمان‌ها را نیز فراهم سازد.
- پمپ‌های حرارتی معمولا دارای گرید انرژی بالا بوده (گرید انرژی +++A و ++A بسته به دمای عملکرد سیستم در سیستم‌های ایمرگس) و با استفاده از انرژی رایگان باد، آب و یا گرمایش زمین باعث ایجاد صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش قبوض نیز می‌گردد.
- این پمپ‌ها عموما قابلیت اتصال به پنل‌های خورشیدی را داشته و با استفاده از انرژی رایگان و تجدیدپذیر خورشید موجب صرفه‌جویی بیشتر در مصرف انرژی و هزینه‌ها می‌شود. لازم به ذکر است امکان استفاده از هر دو نوع پنل‌های حرارتی و سلول‌های خورشیدی در هیت‌پمپ‌های ایمرگس وجود دارد.
- به علت عدم استفاده از سوخت‌های فسیلی، پمپ‌های حرارتی تولید آلایندگی بسیار کمی داشته و دوستدار محیط زیست به شمار می‌روند.
- پمپ‌های حرارتی در مقایسه با سیستم‌های تهویه مطبوع سنتی معمولا بی‌صداتر هستند. این امر سبب می‌شود استفاده از آن‌ها در مقایسه با سیستم‌های سنتی راحت‌تر باشد، کمپرسور سیستم در بیرون قرار می‌گیرد و ایجاد صدای بسیار کمی دارد.
معرفی سیستم‌های هیت‌پمپ ایمرگس
هیت‌پمپ ایمرگس از نوع هیت‌پمپ هوا به آب با عملکرد تراکمی (کمپرسوری) است که از هوای بیرون به عنوان منبع تبادل گرمای تجدیدپذیر استفاده می‌کند. یونیت خارجی در بیرون از ساختمان نصب شده و با لوله‌کشی (مسی، فولاد گالوانیزه و لوله پنج لایه)، به یونیت‌های متعدد داخل ساختمان یعنی فن‌کوئل‌ها متصل می‌گردد. در این سیستم برخلاف سیستم‌های vrf و گازی، به جای گاز در لوله‌ها و انشعابات تهویه مطبوع، آب جریان دارد که از مزایای این سیستم به شمار می‌آید.
هیت‌پمپ‌های ایمرگس علاوه بر سرمایش، گرمایش و بخشی از آب گرم بهداشتی و مصرفی را نیز تامین می‌کنند.
هیبرید چیست؟
هیبرید (Hybrid) در لغت به معنای ترکیبی است، یعنی ترکیبی که از دو عنصر مجزا تشکیل شده باشد و در صنعت به سیستم‌هایی اطلاق می‌شود که در آن‌ها از ترکیب منابع مختلف انرژی بهره برده می‌شود.
در طراحی این سیستم‌ها با توجه به خصوصیات ساختمان، هزینه حامل‌های انرژی در منطقه و خصوصیات جغرافیایی آن می‌توان ترکیبی مناسب دستگاه‌های مختلف و مصارف انرژی گوناگون را برنامه‌ریزی نمود.
مزیت کلیدی برای یک سیستم هیبریدی کارایی است. این سیستم بین سوخت‌های تجدیدپذیر و فسیلی سوئیچ می‌کند و در هر زمان دستگاهی را جهت فعالیت انتخاب می‌کند که کارآمدترین باشد.
هیت‌پمپ-هیبرید چیست؟
اصطلاح “هیت‌پمپ-هیبرید” به سیستمی اطلاق می‌شود که هیت‌پمپ در کنار منبع حرارتی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور معمول، این سیستم عملکرد یک پمپ حرارتی را در کنار یک دیگ بخار با سوخت فسیلی (گاز، نفت یا LPG) توصیف می‌کند.
همانطور که پیش‌تر به آن اشاره شد هیت‌پمپ‌ها قادر به تولید سرمایش، گرمایش و تولید آب گرم مصرفی هستند. در عملکرد هیت‌پمپ به عنوان سیستم‌گرمایشی محدودیت‌هایی وجود دارد نظیر اینکه قادر است گرمایش را تنها تا دمای حدودا 60-65 درجه سانتیگراد تامین کند و در مناطق سردسیر ممکن است در ایجاد دمای مطلوب برای ساکنین به یک سیستم پشتیبان نیاز داشته باشد. در این چنین شرایطی سیستم‌های هیبریدی با ترکیبی از هیت‌پمپ و بویلرهای چگالشی طراحی شده‌اند که در در صورت عدم توانایی هیت‌پمپ در ایجاد دمای مطلوب در زمان مشخص وارد مدار شده و دمای مورد نظر را تامین می‌کند.
نحوه کار این سیستم جهت تامین گرمایش بدین صورت است که اگر دمای بیرون ایده‌آل باشد، پمپ حرارتی برای گرم نگه داشتن خانه و مصرف انرژی کمتر شروع به کار می‌کند. هنگامی که دمای هوای بیرون کاهش می‌یابد و به زیر صفر می‌رسد، پمپ حرارتی خاموش شده و سیستم گرمایش منزل به بویلر تغییر وضعیت می‌دهد و به این روش گرمای مورد نظر را در فصل‌های سرد سال برای منازل فراهم می‌آورد. در واقع اگر شرایط بیرونی برای عملکرد کارآمد پمپ حرارتی مناسب نباشد، سیستم بویلر برای رفع کمبود و کاهش فشار وارد عمل می‌شود.
طول عمر نیز یکی از مزیت‌های سیستم‌های هیت‌پمپ-هیبرید به شمار می‌رود. ماهیت یک سیستم هیبریدی سبب می‌شود که دستگاه هیت‌پمپ و بویلر نیازی به کار سخت و عملکرد full load نداشته باشند. در نتیجه، به لحاظ روند تعمیر و نگهداری ساده‌تر و به طور کلی از طول عمر بالاتری برخوردار هستند.
به طور کلی یک سیستم گرمایش هیبریدی بازده انرژی بهتری نسبت به مصرف‌کننده‌های گاز، نفت یا LPG ارائه می‌کند و در نهایت کمک می‌کند با تغییر از سیستمی که صرفا با سوزاندن سوخت فسیلی کار می‌کند، تولید آلاینده‌های محیط زیست خصوصا کربن کاهش پیدا کند. در حالی که پمپ های حرارتی در تمام طول سال موثر هستند و اگرچه می‌توانند گرمایش و آب گرم را در ماه‌های سردتر پشتیبانی کنند اما در این زمان‌ها کمترین کارایی را دارند. بنابراین یک سیستم ترکیبی از منبع مختلف انرژی عملکرد صحیح و کارآمد دستگاه‌های مختلف تامین نیاز به موقع مصرف‌کننده را تضمین می‌کند.
فن‌کوئل‌ها
در سیستم‌های هیت‌پمپ و هیت‌پمپ-هیبرید فن‌کوئل در داخل ساختمان قرار گرفته و هوای سرد یا گرم را در داخل منزل تامین می‌کند. فن‌کوئل از یک فن (دمنده) و یک مبدل هوا-آب به نام کوئل تشکیل شده است. در فن‌کوئل‌ها آب سرد یا گرم تولید شده در هیت‌پمپ در داخل کوئل‌ها حرکت کرده و پمپی که در قسمت پشت کوئل قرار دارد با دمیدن بر روی آن، باد سرد یا گرم را به داخل فضای خانه انتقال می‌دهد.