پمپ حرارتی چیست؟ همه چیز درباره Heat Pump

پمپ حرارتی چیست ؟

پمپ حرارتی (Heat Pump) وسیله ایست که حرارت را در جهت مخالف حرکت همیشگی آن منتقل می کند. (یعنی از جسم یا فضای سرد به جسم یا فضای گرم تر) گرما همیشه از سمت جسم گرم تر به سمت جسم سرد تر در حال حرکت است ولی پمپ حرارتی گرما را از جسم یا فضای سرد گرفته و به جسم یا فضای گرم تر منتقل می کند.

پمپ حرارتی و اصول کارکرد

تمام هیت پمپ ها چه در نوع هوایی و چه در نوع آبی دارای عملکرد مشابه بهم هستند. هیت پمپ های اولیه دستگاه های هوایی بودند که بطور ساده از سیکل تراکمی تبرید، مبدل و یک شیرREVERSING در ساختمان خود برای تامین سرمایش و گرمایش استفاده می کردند.
بدین معنا که سیستم از دو بخش مجزای داخلی و خارجی تشکیل شده و مبرد توسط کمپرسور در سیستم در جریان است و با جذب کردن و دفع کردن گرما به محیط ، تامین سرمایش و گرمایش را انجام می دهد. شیر REVERSING نیز جهت سیکل را در مدهای سرمایش و گرمایش تعویض میکند.

معرفی انواع پمپ حرارتی

هیت پمپ هوایی در حالت گرمایش

مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور، و عبور از شیر معکوس کننده، توسط انتقال حرارتی که با هوای سرد محیط انجام می دهد، کندانس شده (تغییر فاز به مایع) و سپس با عبور از شیر انبساط، دمای آن افت می کند. حال مبرد در اواپراتور با گرفتن دمای محیط، تبخیر شده و با حالت گازی کم فشار به کمپرسور برمی گردد

هیت پمپ هوایی در حالت سرمایش

مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور، توسط انتقال حرارتی که با هوای خارج انجام می دهد، کندانس شده (تغییر فاز به مایع) و با عبور از شیر انبساط، دمای آن افت می کند. حال مبرد در اواپراتور با گرفتن دمای اتاق، تبخیر شده و با حالت گازی کم فشار به کمپرسور برمی گردد

در مرحله بعدی، هیت پمپ های آبی وارد بازار تاسیسات شدند که همان ساختمان قبلی را دارند اما به جای هوا از سیال آب به عنوان سیال واسط استفاده می کنند. هیت پمپ های زمین گرمایی در واقع نسل جدید همین هیت پمپ های آبی هستند اما با راندمان خیلی بیشتر.

هیت پمپ آبی در حالت سرمایش

همانطور که در شکل مشخص است مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور وارد یک مبدل آب به مبرد جهت انتقال حرارت و کندانس شده و بعد از گذشتن از بقیه متعلقات وارد اواپراتور جهت تبخیر و تامین سرمایش می گردد. توسط سیکل تبرید، گرما از هوای اتاق گرفته شده و هوای سرد جایگزین آن می گردد .

درجه حرارت آب تغذیه جهت انتقال حرارت و کندانس مبرد در کندانسور، ماکزیمم ۹۰ درجه فارنهایت درنظر گرفته می شود. دلیل استفاده از برج خنک کن در این سیستم اینست که در روزهای خیلی گرم سال، درجه حرارت آب تغذیه از مقدار طراحی تجاوز ننماید.

هیت پمپ آبی در حالت گرمایش

در مد گرمایشی، مبرد گازی پر فشار وارد کندانسور شده و بعد از انتقال حرارت و عمل کندانس و تامین گرمایش فضا، برای تبخیر به اواپراتور دستگاه باز می گردد. در این حالت برای تبخیر از یک مبدل آب به مبرد استفاده می شود. در این حالت، از آب جهت تبخیر مبرد در اواپراتور و برگشت آن به شکل گازی با فشار کم به کمپرسور استفاده می شود. دلیل استفاده از بویلر در فصل سرد سال اینست که مطمئن شویم که درجه حرارت آب تغذیه از مینیمم دمای طراحی پایین تر نخواهد آمد.

هیت پمپ آبی در حالت سرمایش و گرمایش همزمان

در شرایطی که فضاهای داخلی یا فضاهای سمت جنوب ساختمان نیاز به سرما دارند و برعکس فضاهای که در سمت شمال ساختمان واقع شده اند ممکن است نیاز به گرما داشته باشند، می توان از پمپ های حرارتی آبی در حالت سرمایش و گرمایش همزمان استفاده کرد.
این حالت در روزهایی از سال مثل بهار یا اوایل پاییز که به هر دو مد سرمایش گرمایش نیاز داریم، استفاده زیادی دارد. جهت توزیع هوای گرم یا سرد نیز از طراحی کانال Low Pressure در سقف کاذب و برای برگشت نیز از یک Return Grill استفاده می شود. پمپ های مورد استفاده جهت پمپاژ آب نیز در موتورخانه قرار دارند.
توجه :
تامین سرمایش و گرمایش برای فضا توسط یک سیکل انجام می گردد. منتهی معکوس کردن این سیکل توسط شیر معکوس کننده است که در شکل ها نشان داده شده است.

سیستم زمین گرمایی

برای تامین سرمایش و گرمایش توسط هیت پمپ های آبی، به منبعی نیاز داریم که:
۱- از آن گرما بگیریم جهت تبخیر مبرد در اواپرتو در سیکل گرمایش
۲- یا گرما را به آن پس بدیم جهت کندانس مبرد در کندانسور در سیکل سرمایش
لذا برای استفاده از چنین منبعی میتوان از خاک در اعماق زمین استفاده کرد که دارای دمای مناسبی هست. طبق مطالعات زمین شناسی، از ارتفاع ۲۰ الی ۳۰ فوتی به پایین، درجه حرارت خاک شروع به ثابت شدن می نماید. این دما براساس ارتفاع از سطح دریا و مشخصات لایه های زمین در نقاط مختلف، متفاوت است. برای مثال جدول زیر، دمای خاک را برای شهرهای مختلف امریکا و تعدادی از کشورهای دیگر نشان میدهد که از ارتفاعی مشخص، ثابت هستند.

دقت کنید:

به چنین سیستمی GSHP و یا هیت پمپ زمین گرمایی و یا GROUND SOURCE HEAT PUMP می گویند. در این حالت برای انتقال آب از ساختمان به اعماق زمین از لوله های HDPE استفاده می شود که همین لوله ها خود در اعماق زمین به عنوان مبدلی برای انتقال حرارت بین آب و خاک بکار می روند. بدین معنا که:

در فصل گرمایش: گرما از زمین گرفته شده و به هیت پمپ منتقل می گردد .
در فصل سرمایش: گرمایی که از محیط توسط هیت پمپ گرفته شده است را به زمین منتقل میکنند .
در صورت صحیح طراحی شدن سیستم زمین گرمایی، نیاز به بویلر و برج خنک کن مانند سیستم قبلی نیست که این خود کاهش مصرف انرژی بالایی را به همراه دارد. سالانه بیش از پنجاه هزار دستگاه هیت پمپ زمین گرمایی در آمریکا به فروش میرسد.

مزایای استفاده از سیستم های هیت پمپ آبی

سیستم پیشنهادی ( هیت پمپ آبی ) در هر لحظه میتواند بار گرمایش یا سرمایش هر فضا را تأمین کند. اغلب در فصلهای میانی ( بهار و پاییز ) بخشی از ساختمان نیاز به گرمایش و بخش دیگر نیاز به سرمایش دارند که این سیستم بصورت اتوماتیک یا دستی میتواند روی گرمایش یا سرمایش سوئیچ کند.

توجه نمایید:

در صورتیکه هیت پمپ آبی روی سرمایش باشد به دفع گرما نیاز دارد و در صورتیکه روی گرمایش باشد به جذب گرما نیاز دارد. این تبادل گرما و سرما توسط یک لوپ آبی در ساختمان تأمین میگردد.
سیستم توسط یک لوپ به برج خنک کن و بویلر اتصال پیدا می کند ، که هر موقع درجه حرارت لوپ پائین آمد از لوپ بویلر به لوپ هیتر پمپ، حرارت منتقل می گردد و در صورتی که درجه حرارت لوپ بالا رفت ( فصل تابستان ) برج بصورت اتوماتیک عمل خواهد کرد.
در ساختماهای که مصارف ترکیبی دارند ( تجاری، اداری، مسکونی ) توسط لوپ هیت پمپ گرمای ایجاد شده در قسمت های تجاری به قسمت های مسکونی و اداری منتقل می گردد و بدیهی است بویلر کمتر فعال خواهد بود.
هر فضا یک سیستم مستقل خواهد داشت که نگهداری هزینه و مصرف برق بعهده مالک واحد یا مستأجر خواهد بود.
هزینه برق نسبت به داکت اسپلیت حدود ۴۰ درصد کمتر است.
هزینه برق نسبت به سیستم وی آر اف حدود ۲۵ درصد کمتر است.
هزینه برق نسبت به چیلرفنکویل حدود ۲۰ درصد کمتر است.
در موقع بهره برداری ساختمان نیازی به اجرای کامل سیستم نمی باشد که بدیهی است در شروع کار از لحاظ مالی به مالک فشاری نخواهد آمد، از ابتدا فقط بویلر و برج خنک کننده مورد نیاز است و به تدریج که ساختمان مورد بهره برداری قرار می گیرد می توان مابقی سیستم را به تناسب بهره برداری تجهیز و نصب کرد.
لوپ اصلی می تواند از جنس لوله های با کیفیت ولی هم هزینه مانند ppو یا مشابه باشد زیرا در جه حرارت آب در گردش در لوله های سیستم بین ۱۸ الی ۳۰ درجه سانتی گراد می باشد پس نیازی به حتی عایق کردن این لوله ها نیست.

توجه کنید:

در ساختمانهایی مانند همین پروژه که سطح آب های تحت العرضی (آب های زیر زمینی ) بالا است، می توان از این جریان آب جهت مصرف در برج خنک کن (تبخیر) و همچنین بمنظور تبادل انرژی در سیستم لوپ استفاده کرد. دمای آبهای زیر زمینی معمولا حدود ۱۵ الی ۲۰ درجه است که بعنوان یک منبع کمکی قابل استفاده است.
با عنایت به اینکه طبقات ۳- و ۴- جهت انبار محصولات دخانیات استفاده می گردد لذا نیاز به درجه حرارت های پایین حدود ۵ الی ۸ درجه سانتی گراد و همچنین رطوبت نسبی حدود ۴۰ الی ۵۵ درصد جهت نگهداری محصولات است لذا نیاز به سردکن های مخصوص دارد و این سیستم با توجه به تبادل انرژی در مدولهای مختلف قابلیت تامین این درجه حرارت را نیز دارد.
گرمای حاصله از رطوبت زدائی و برودت فضاهای انبارها به لوپ هیت پمپ منتقل میگردد در نتیجه نیاز به دسترسی به هوای بیرون نیست که این خود صرفه جوئی در فضاهای تاسیساتی خواهد بود.
بویلرها و برج ها روی پشت بام ها قابل نصب هستند چون سایز آنها نسبت به سیستم های چیلر تراکمی و جذبی بمراتب کوچکتر هستند در نتیجه فضای مفید پشت بام ساختمان دست شما را برای طراحی های معماری خاص و زیبا باز نگه میدارد. استفاده از بویلرها در فضای پشت بام نیاز موضوع کشیدن دودکش از طبقه زیر زمینی را منتفی خواهد کرد که خود معضل انبساط و انقباض دودکش و خطر نشست گازهای سمی رادر ساختمان از بین می برد.

محاسبه ضریب عملکرد پمپ های حرارتی

ضریب عملکرد که به اختصار به آن COP می گویند، ملاکی برای تعیین بازدهی و عملکرد یک پمپ حرارتی می باشد. این عدد شاخصی جهت تعیین میزان بهینه بودن مصرف انرژی یخچال، کولر گازی و به طور کلی سایر وسایل سرمایشی و گرمایشی است. از آنجا که صورت و مخرج فرمول ضریب عملکرد هردو بر حسب یک واحد (ژول) بیان می‌شوند، واحد این ضریب یک می‌باشد.

برای مثال، ضریب عملکرد یک پمپ حرارتی عبارت است از نسبت میزان گرمای گرفته شده از اتاق به کار مصرفی (کمپرسور). بالاتر بودن ضریب عملکرد نشان‌ دهنده عملکرد و بازدهی بالاتر یک پمپ حرارتی است. این کمیت بدون بعد بوده و به صورت زیر تعریف می شود:

وبلاگ