پمپ حرارتی یا Heat Pump که به پمپ گرمایی نیز معروف است ابزاری است که به انتقال حرارت و انرژی گرمایی در جهت عکس حالت معمول کمک می کند. مطابق قوانین فیزیک گرما از اجسام گرم به اشیای سرد انتقال می یابد درحالی که در پمپ حرارتی انتقال انرژی به شکل عکس اتفاق می افتد و شاهد منتقل شدن انرژی از جسم سرد یا فضایی با دمای پایین تر به جسم گرم یا فضایی با دمای بالا هستیم. عمده تفاوت پمپ حرارتی و تجهیزات تهویه مطبوع این است که پمپ های حرارتی به تولید حرارت و برودت می پردازند. در اقلیم‌های سرد از پمپ های گرمایشی برای ایجاد حرارت کافی در فضا کمک می کنند و این درحالی است که ایجاد گرمایش به واسطه این نوع پمپ ها از طریق احتراق انجام نمی شود و این پمپ‌ها با منتقل کردن جریان های هوای گرم از محیطی به فضای دیگر مانند یک دستگاه گرمایشی به ایجاد گرمای کافی می پردازند.
نحوه عملکرد پمپ حرارتی
در پمپ حرارتی یک سیستم به تنهایی به جای دو سیستم حرارتی و برودتی به فعالیت می پردازد و به همین جهت در قیاس با سیستم های معمولی و قدیمی به میزان 75 درصد در مصرف انرژی الکتریکی صرفه جویی می کند.
علاوه بر این راندمان کارکرد و بازدهی انرژی پمپ حرارتی بین 300 تا 400 درصد است و این درحالی است که در پیشرفته ترین و باکیفیت ترین سیستم های گازی شاهد ایجاد بازدهی حداکثر 98 درصدی هستیم. بنابراین پمپ های حرارتی در ازای مصرف هر یک واحد مصرف برق حدود 3 تا 4 واحد صرفه جویی دارند.
در پمپ های گرمایی از ماده مبرد به میزان کافی استفاده شده است. این مبرد که داخل چرخه پمپ وجود دارد با عبور از بخش اواپراتور تبخیر می شود. مبرد تبخیر شده با ورود به کمپروسور منجر به افزایش میزان دما و فشار می شود. زمانی که مبرد به درون کندانسور وارد شد، از میزان دمای آن کاسته شده و این افت دما سبب تبخیر مبرد و تغییر آن به حالت مایع می گردد.
پس از آن مایع مبرد به سوی شیر انبساط انتقال می یابد تا در نتیجه منبسط شدن از حرارتش کاسته شود. مطابق فرایند یاد شده، تولید حرارت در پمپ حرارتی چرخه ای شبیه به سیکل تبرید را طی می کند و نقطه تمایز این دو در این است که به جای انتقال گرمای درون یخچال به پیرامون آن، حرارتی که داخل فضای ساختمان وجود دارد به زمین انتقال می یابد. به این شکل که پمپ حرارتی گرما را از منبعی خارجی به سمت داخل هدایت می کند.
به عبارت دیگر کویل هایی که به اواپراتور اتصال دارند گرما را از منبع سرد دریافت نموده و کویل هایی که با کمپرسور در ارتباط هستند به انتقال گرما در محیط می پردازند. در زمانی که عکس این فرایند رخ می دهد و پمپ حرارتی قصد تولید سرما را دارد، جای کویل های کندانسور و اواپراتور عوض می شود. به این ترتیب کویل های مرتبط با کندانسور حرارت را به منبع خارجی منتقل می کنند و کویل های اواپراتور به ایجاد جریان های هوای سرد در محیط می پردازند.
کاربردهای پمپ حرارتی
از جمله مهم ترین کاربردهای پمپ های حرراتی می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- از پمپ های حرارتی در انواع ساختمان های اداری، مسکونی، تجاری و یا فضاهای بزرگی مانند درمانگاه ها و بیمارستان ها استفاده می شود.
- پمپ های حرارتی چند کیلوواتی که میزان قدرت کمتری دارند در تامین آب گرم مصرفی ساختمان ها کاربرد دارند.
- از پمپ های گرمایی که توان 12 تا 20 کیلیواتی دارند برای مصارفی مانند انبار کردن اجناس، نگهداری کالاها و کرم کردن آب استخرها استفاده می شود.
- پمپ های حرارتی برای تولید حرارت و برودت مناسب در منطقه، پرورش طیور و دام، صنایع و گلخانه ها نیز گزینه ای کاربردی هستند.
- این پمپ ها در واحدهای صنعتی که از سیستم های وسیع تامین گرما بهره دارند به منظور بهینه سازی بیشتر به کار گرفته می شوند.
- از این نوع پمپ ها در فضاهای کم دما که مجهز به منبع تخلیه گرما هستند و به مصرف انرژی گرمایی در آن ها نیاز است نیز بهره گرفته می شود.
- همچنین در مواقعی که نیاز دوجانبه به گرما و سرما باشد نیز استفاده از پمپ حرارتی بهترین انتخاب محسوب می شود.
انواع پمپ حرارتی
پمپ های حرارتی در انواع مختلفی تولید و عرضه می شوند و با توجه به انواعی که دارند از کاربردهای گوناگونی برخوردار هستند. پمپ های حرارتی با توجه به منبعی که به منظور تبادل گرما و سرما مورد استفاده قرار می دهند به دو دسته پمپ های حرارتی زمینی و هوایی تقسیم می شوند:
پمپ حرارتی زمینی: این نوع پمپ ها از یک پمپ حرارتی، سیستم انتقال هوا و آب سرد و گرم به محیط درونی و همچنین مبدل گرمایی واسطه یعنی سیستم حلقه باز یا بسته ساخته شده اند. پمپ حرارتی زمینی زمین، منابع آب زیر زمینی یا هر دوی آن ها به منظور تولید گرمایش کافی در فصل های سرد سال و همچنین به عنوان چاه حرارتی در فصول گرم سال مورد استفاده قرار می دهد. از این رو چنین پمپ هایی به سیستم انرژی زمینی یا EES نیز شهرت دارند.
پمپ حرارتی هوایی: پمپ های گرمایشی هوایی در روزهای سرد سال به دریافت جریان های گرم هوا از محیط خارجی می پردازند و در فصل های گرم سال نیز گرما را به فضای خارجی منتقل می کنند. از متداول ترین پمپ های حرارتی هوایی می توان به پمپ حرارتی هوایی هوا-آب و پمپ حرارتی هوایی هوا-هوا اشاره نمود. همچنین این نوع دستگاه ها دارای سه نوع چرخه هستند:
- چرخه سرمایش
- چرخه گرمایش
- چرخه برفک زدایی (دیفراست)
پمپ های حرارتی با توجه به چرخه حرارتی به دو دسته سیستم جذبی و سیستم تراکمی تقسیم می شوند:
پمپ گرمایشی با سیستم جذبی: در این نوع پمپ ها دو نوع مبدل گرمایشی جاذب و مولد وجود دارد که کار کمپرسور را در دستگاه انجام می دهند. این پمپ های حرارتی از نظر تبخیر کننده و کندانسور با هم متفاوت هستند.
پمپ گرمایشی با سیستم تراکمی: اساس کار چنین پمپ هایی سیستم متراکم سازی بخار است. پمپ حرارتی با سیستم تراکمی از کمپرسور، تبخیر کننده، چگالنده و شیر انبساط تشکیل شده است.
مزایای استفاده از پمپ های حرارتی
از جمله مهم ترین فواید و مزایایی که در استفاده از پمپ های حرارتی وجود دارد این است که این نوع دستگاه ها اثرات مخرب و زیان بار محیط زیستی برای طبیعت را کاهش می دهند و به جهت جایگزین کردن استفاده از انرژی های نو به جای سوخت های مخرب فسیلی در این دستگاه ها مقدار تولید آلودگی های زیستی کاهش یافته و از انتشار گازهای گلخانه های نیز به میزان چشمگیری ممانعت می شود.