5 أنواع من المضخات الحرارية للتدفئة المنزلية والتبريد

إذا كنت تفكر في ملف نظام المضخة الحرارية بدلاً من الفرن التقليدي (أو المرجل) ومكيف الهواء لتدفئة منزلك وتبريده ، سيكون لديك عدة أنواع من مضخات الحرارة للاختيار من بينها. تختلف المضخات الحرارية عن أنظمة التدفئة / التبريد التقليدية لأنها مصممة لنقل الحرارة من الخارج إلى الداخل (أو العكس) بدلاً من توليد الحرارة. لهذا السبب ، فهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من أنظمة حرق الوقود - لكن لها قيودًا لأنها قد لا تعمل بشكل جيد في المناخات شديدة الحرارة أو الباردة.

ضمن هذا المبدأ العام لتحريك الحرارة ، تختلف أنواع المضخات الحرارية في التصميم ، مع بعضها استخدام الهواء الخارجي كمصدر للحرارة والبعض الآخر يستخدم الأرض نفسها أو جسم مائي كحرارة مصدر.

1. مضخات حرارية مصدر الهواء

يشبه مبدأ تشغيل مضخة تسخين مصدر الهواء تمامًا تشغيل مكيف الهواء المركزي أو مكيف هواء النافذة أو حتى الثلاجة. تقوم كل هذه الأجهزة بنقل الحرارة من خلال المبدأ الذي يتم بموجبه تبريد السائل المتوسع إلى غاز (بنفس الطريقة هذا العرق الذي يتبخر من بشرتك يوفر التبريد) ، بينما يسخن نفس الغاز عند ضغطه مرة أخرى في سائل. حلقات من الأنابيب مملوءة بمبرد كيميائي ويتم تشغيلها بواسطة ضواغط وموسعات ميكانيكية تتحكم في كيفية ومكان تمدد السائل إلى غاز ويتم ضغطه مرة أخرى في سائل.

الفرق بين مكيف الهواء العادي أو الثلاجة و مضخة حرارية مصدر الهواء هو أن المضخة الحرارية قابلة للعكس بحيث يمكن للآلية إما نقل الحرارة الداخلية إلى الخارج (دورة التبريد) أو نقل الحرارة الخارجية إلى الداخل (عند التشغيل كمدفأة). من ناحية أخرى ، فإن مكيف الهواء التقليدي عبارة عن مضخة حرارية بسيطة أحادية الاتجاه مصممة لامتصاص الحرارة الداخلية فقط وطردها إلى الخارج.

تعد المضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي هي الشكل الأكثر شيوعًا لمضخات الحرارة لأنظمة التدفئة / التبريد السكنية. في الأصل ، كانت بعض المضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي ، خاصة الأنظمة الصغيرة الحجم ، عبارة عن أنظمة تبريد في المقام الأول ولم تكن فعالة للغاية في توفير الحرارة في المناطق ذات التجمد الفرعي لفترات طويلة درجات الحرارة. ومع ذلك ، توفر أنظمة المضخات الحرارية التي تعمل بمصدر الهواء حاليًا بديلاً قابلاً للتطبيق للأفران الكهربائية أو أنظمة التدفئة اللوح عند درجات حرارة تصل إلى صفر درجة فهرنهايت. في وضع التسخين ، يمكن أن تكون المضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي أرخص بنسبة 50 في المائة تقريبًا من تدفئة المنزل عن طريق تدفئة اللوح الكهربائي أو بفرن كهربائي يعمل بالهواء المضغوط. تعد مضخات الحرارة من مصدر الهواء أكثر كفاءة إلى حد ما من أنظمة تكييف الهواء التقليدية في إزالة الرطوبة من المنزل.

عادةً ما تكلف المضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي المزودة بنظام منفاخ الهواء القسري من 4000 دولار إلى 8000 دولار. هذا أكثر بكثير من متوسط ​​تكلفة استبدال فرن الهواء القسري ، ولكن توفير الطاقة سيعوض الاستثمار الإضافي بسرعة. بالمقارنة مع فرن الهواء القسري الكهربائي ، توفر المضخات الحرارية 30 إلى 70 بالمائة من تكاليف التشغيل ، وتدفع تكاليفها في غضون خمس إلى 12 عامًا.

مضخات حرارية صغيرة بدون مجاري

شكل شائع جدًا من المضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي للاستخدام السكني يوصف عمومًا بأنه بدون مجاري ، أو نظام الانقسام المصغر. تعمل هذه الأنظمة عن طريق وحدتين ميكانيكيتين: ضاغط خارجي / وحدة مكثف وواحدة أو أكثر من وحدات معالجة الهواء الداخلية التي تحتوي على مبخر. عادة ما تكون مناولات الهواء عبارة عن صناديق مستطيلة توضع على الحائط أو السقف. تحمل الأنابيب البلاستيكية مادة التبريد من الضاغط إلى معالج الهواء ، والذي يمكن أن يقع على بعد 50 قدمًا. مضخات حرارية صغيرة تتضمن أيضًا خط تصريف للسماح للرطوبة المكثفة بالتصريف في الخارج ، وتتطلب توصيل كابل كهربائي لتشغيل معالج (معالجات) الهواء الداخلي والضاغط الخارجي.

في وضع التبريد ، يتم امتصاص الحرارة داخل المنزل حيث يتمدد المبرد داخل الملفات داخل وحدة معالجة الهواء. بعد ذلك ، يتم إطلاق هذه الحرارة عندما يتدفق المبرد إلى الوحدة الخارجية ويتم ضغطه. هذا مشابه تمامًا للطريقة التي يستخدمها المعيار مكيف شباك يعمل ، باستثناء الضاغط ومكونات المبخر يمكن أن تقع على مسافة بعيدة. Minisplits هي أيضًا أكثر هدوءًا من مكيفات هواء الشباك. يمكن عكس المضخة الحرارية المصغرة بحيث يمكن للوحدات امتصاص الحرارة من الهواء الخارجي وإطلاقها في الداخل خلال الأيام الباردة.

تعد أنظمة Minisplit ممتازة لإعادة التهيئة في المنزل دون وجود مجاري الهواء ، مثل المنزل الذي يحتوي على غلاية بخار أو ماء ساخن ومشعات. يتيح لك ذلك إضافة تكييف الهواء إلى المنزل حيث يكون من غير العملي إضافة مجاري الهواء لـ نظام دفع الهواء ، وله فائدة إضافية تتمثل في توفير مصدر حرارة لتخفيف الحمل على المرجل أو الفرن.

توفر هذه الأنظمة مرونة كبيرة ، حيث يمكن أن يعمل ضاغط / مكثف خارجي منفرد أربع وحدات معالجة هواء داخلية ، تعمل كل منها كمنطقة منفصلة مع منظم الحرارة الخاص بها و مراقب. يتطلب الأنبوب الذي ينقل مادة التبريد بين المكونات الخارجية والداخلية ثقبًا مقاس 3 بوصات فقط في الحائط ، وبما أنه لا توجد مجاري لإشعاع الطاقة الحرارية ، فهذه هي أنظمة فعالة للغاية أكثر كفاءة بنسبة تصل إلى 30 في المائة من مكيفات الهواء المركزية التي تعمل بالهواء القسري ، والتي تفقد قدرًا كبيرًا من الطاقة في مجاري الهواء التي تمر عبر الجدران أو السندرات.

على الجانب السلبي ، يمكن أن يكون تركيب الوحدات الصغيرة أكثر تكلفة من ضاغط مكيف الهواء المركزي الذي يستخدم الهواء القسري مجاري الهواء ، وتتطلب عامل تركيب ماهر في اختيار الحجم المناسب ووضع معالجات الهواء الداخلية بشكل صحيح. سيكون تشغيل النظام الكبير جدًا أو الذي يتم وضع معالجات الهواء فيه بشكل سيئ مكلفًا.

وفقًا للإحصاءات الوطنية ، فإن تكلفة تركيب نظام minisplit أعلى بنسبة 30 بالمائة تقريبًا من نظام الأنبوب التقليدي للبناء الجديد ، على الرغم من أنه يمكن أن يكون أكثر تكلفة للتركيبات التحديثية ، حيث يمكن أن يكون تركيب مجاري الهواء الجديدة أمرًا بالغ الأهمية معقد. يبلغ المتوسط ​​الوطني حوالي 3000 دولار إلى 4000 دولار لوحدة صغيرة أساسية سعة 12000 وحدة حرارية بريطانية مع معالج هواء داخلي واحد. خطط لإنفاق حوالي 1000 دولار إضافي لكل معالج هواء داخلي إضافي. واحد مسح وطني يُظهر متوسط ​​5600 دولار للتثبيت الاحترافي لنظام minisplit.

في حين أن هذا قد يبدو مكلفًا ، إلا أنه على مدار عمر النظام ، يمكنك تعويض التكلفة الأعلى من خلال توفير الطاقة.

مضخات الحرارة النافذة

دخول جديد نسبيًا في عالم المضخات الحرارية هو مضخة حرارية بوحدة النافذة، الذي يشبه إلى حد كبير مكيف هواء النافذة ، مع اختلاف واحد مهم: إنه قابل للعكس ، لذا يمكنه إما تبريد أو تدفئة الغرفة. أصغر الوحدات تكلف ما بين 500 دولار إلى 700 دولار ، في حين أن الوحدات الأكبر ذات تصنيفات BTU التي تصل إلى 25000 يمكن أن تكلف ما يقرب من 2000 دولار. يمكن أن تكون هذه الوحدات خيارًا جيدًا لسكان الشقق الذين يبحثون عن وحدة لتبريد وتدفئة غرفة أو من أجلها أصحاب المنازل الذين يبحثون عن طريقة لتوفير التبريد والتدفئة الإضافية لإضافة غرفة جديدة أو منتهية علبه. يقوم العديد من الشركات المصنعة الرائدة الآن بتصنيع وحدات نوافذ التدفئة / التبريد ، بما في ذلك Amana و LG و Comfort Aire و General Electric. غالبًا ما يتم تسويقها على أنها "مكيفات هواء ساخنة / باردة" ، لكن التصميم هو تصميم مضخة حرارية تقليدية مصدر الهواء.

2. مضخات حرارية أرضية

تعمل المضخات الحرارية الأرضية عادةً عن طريق تدوير محلول مضاد للتجمد / مبرد يمر عبر حلقة أنابيب ممتدة مدفونة في التربة أسفل خط الصقيع. هناك مجموعة متنوعة من الطرق لتشغيل هذا الأنبوب بناءً على الخدمات اللوجستية لموقع البناء. كما هو الحال مع أنظمة المضخات الحرارية بمصدر الهواء ، يمتص مانع التجمد ويطلق حرارته بسبب دورة التمدد / الانضغاط التي يمليها ضاغط ميكانيكي وصمام تمدد ومبخر. يقوم النظام بتجميع الحرارة من أحد الأطراف ويطلقها من الطرف الآخر. خلال فصل الشتاء ، يمتص النظام الحرارة من الأرض ويطلقها في الداخل ؛ تنعكس العملية خلال موسم التبريد الصيفي.

هناك العديد من الاختلافات في كيفية توصيل هذه الأنظمة بالأنابيب. تستخدم أنظمة الحلقة المغلقة عمومًا مانعًا للتجمد يتدفق عبر نظام أنابيب مغلق ، ولكن يوجد أيضًا أنظمة الحلقة المفتوحة التي تستخدم المياه الجوفية أو مياه البحيرة / البركة كسائل متداول عبر المدفون أنابيب. هذه الأنظمة ممكنة فقط عندما تسمح بذلك اللوائح المحلية ونوعية المياه.

تكلف المضخات الحرارية الأرضية أكثر بكثير للتركيب من الأنواع الأخرى من المضخات الحرارية لأنها تنطوي على حفر مكثف لتشغيل الأنابيب تحت الأرض. توقع إنفاق 15000 دولار إلى 25000 دولار لتركيب مضخة حرارية جديدة من مصدر أرضي مع أنابيب تحت الأرض. ومع ذلك ، فإنها تكلف أقل بكثير للعمل على أساس مستمر ، مما يؤدي إلى تحقيق وفورات طويلة الأجل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض هذه الأنظمة أيضًا تسخين الماء من أجل أنظمة الأرضيات المشعة أو لحنفيات الصنابير في المنزل.

3. مضخات حرارية مصدر المياه

شكل مختلف من المضخات الحرارية الأرضية هو الذي يستخدم جسمًا مائيًا ، مثل بحيرة أو بركة كبيرة ، كمصدر للحرارة. يتم ربط نظام مغلق ومختوم من الأنابيب المملوءة بمواد التبريد على بعد 8 أقدام على الأقل تحت سطح جسم مائي مناسب ، وتوفر هذه البحيرة أو البركة مصدر الحرارة الذي يستخدمه النظام. مثل أنظمة المصدر الأرضي ، يقوم الضاغط والمبخر بتغيير مادة التبريد داخل الأنابيب من الغاز إلى السائل لنقله الحرارة - من الماء إلى المنزل لموسم التدفئة ومن المنزل إلى الماء أثناء التبريد الموسم.

يمكن أن تكون أنظمة مصادر المياه أرخص في التركيب حيث لا توجد حاجة لأعمال حفر واسعة لدفن الأنابيب في الأرض ، لكنها تخضع للعديد من اللوائح حيث يتم الاحتفاظ بالأنابيب المملوءة بغاز التبريد محكمة الغلق ومعزولة عن الماء أساسى.

4. مضخات حرارية هجينة

توجد أنظمة تدفئة / تبريد سكنية تشتمل على مضخة حرارية ومكونات HVAC التقليدية للهواء القسري. بالإضافة إلى فرن الهواء القسري ، يتميز النظام بوحدة مضخة حرارية خارجية (عادةً من نوع مصدر الهواء) التي تتولى مهام التدفئة والتبريد خلال فترات انخفاض الطلب. خلال الفترات شديدة البرودة أو شديدة الحرارة ، يتم تنشيط نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التقليدي.

الخيار الجيد في المناخات القاسية هو أ نظام هجين في الحالات التي قد لا يتمكن فيها نظام المضخات الحرارية فقط من التعامل مع المهام في جميع الأوقات. إنها أيضًا خيار جيد عندما يكون الفرن التقليدي كهربائيًا وليس غازًا طبيعيًا. يمكن أن يكون التسخين بفرن كهربائي وحده عرضًا مكلفًا.

5. مضخات امتصاص الحرارة

هناك تصميم آخر أقل شيوعًا لمضخة الحرارة لا يتناسب مع فئة مصدر الهواء ، أو نوعي الطاقة الحرارية الأرضية أو الفئة الهجينة. يعرف هذا التصميم بمضخة امتصاص الحرارة ، ويستخدم دورة امتصاص الأمونيا والمياه لتوفير التدفئة والتبريد. بنفس طريقة المضخة الحرارية القياسية ، يتم تكثيف مبرد الأمونيا في ملف واحد لتحرير الحرارة ، ثم يتم تحرير ضغطه من خلال آلية التمدد لامتصاص الحرارة. عندما يمتص النظام الحرارة من داخل منزلك ، فإنه يوفر التبريد ؛ عندما تطلق الحرارة إلى داخل منزلك ، فإنها توفر التدفئة.

الفرق في التصميم هو أنه في المضخة الحرارية الامتصاصية ، الأمونيا المتبخرة ليست مباشرة مضغوط بواسطة ضاغط ولكن بدلاً من ذلك يتم امتصاصه في الماء قبل ضغطه نسبيًا مضخة منخفضة الطاقة. لإطلاق الأمونيا الذائبة من الماء في الطرف الآخر من الدورة ، يتطلب النظام مصدر حرارة ، مثل موقد غاز أو مصدر حرارة كهربائي.

هذه الأنظمة نادرة نسبيًا لجميع المنازل باستثناء أكبرها. إنها منطقية فقط للمنازل التي تزيد مساحتها عن 4000 قدم مربع.