أنواع وخصائص مضخات الحرارة الهوائية منخفضة الكربون

ملخص: تتمتع مضخات الحرارة الهوائية بآفاق تطبيقية واعدة، وقد طُوّرت أنواع مختلفة منها بفضل سهولة تحملها لدرجات الحرارة المنخفضة. ولكل نوع من هذه المضخات خصائصه وتطبيقاته الخاصة، ويمكن اختيار المنتجات المناسبة وفقًا لظروف الاستخدام. 

تُستمد الحرارة المنخفضة لمضخات الحرارة الهوائية من الهواء المنتشر، لذا تُستخدم على نطاق واسع في المشاريع ذات موارد الحرارة المهدرة النادرة، وتتمتع بآفاق تطبيقية واسعة. كما شهدت مضخات الحرارة الهوائية تطورًا سريعًا، مع ظهور أنواع مختلفة من المنتجات في السوق.

تتمتع الأنواع المختلفة من مضخات الحرارة الهوائية بخصائصها الخاصة، وتقدم هذه المقالة بعض مضخات الحرارة الهوائية الشائعة.

مضخة حرارية مصدر الهواء المضغوط

تعتبر مضخة الحرارة التي تعمل بالضغط الهوائي الكهربائي النوع الأكثر شيوعًا والتكنولوجيا الأساسية للعديد من المناطق لتحويل الفحم إلى كهرباء.

تستخدم مضخة الحرارة الهوائية الكهربائية المضغوطة محركًا كهربائيًا لتشغيل الضاغط، مما يرفع ضغط بخار المبرد منخفض الضغط إلى ضغط مرتفع، ويرفع درجة حرارة التكثيف. في المكثف، يتكثف بخار المبرد ويطلق حرارة، محققًا تسخينًا خارجيًا، بينما يتحول إلى مبرد سائل. بعد تخفيف ضغط المبرد السائل بواسطة صمام الخانق، تنخفض درجة حرارة التبخر. يمتص المبخر حرارة الهواء الخارجي، ويتبخر المبرد السائل إلى بخار مبرد منخفض الضغط، والذي يدخل بعد ذلك إلى الضاغط للدورة التالية.

تستخدم مضخة الحرارة الكهربائية ضاغطًا وصمامًا خانقًا لتقسيم مادة التبريد إلى قسمين عالي الضغط ومنخفض الضغط، مما يُحقق وظيفة التسخين من هواء منخفض الحرارة. خلال هذه العملية، تُستهلك كمية صغيرة من الكهرباء، وتُضاف هذه الطاقة أيضًا إلى نظام التدفئة. تتميز مضخة الحرارة الكهربائية بوحدة صغيرة السعة، وهي مناسبة لتدفئة المنازل. عند استخدامها للتدفئة المركزية (مثل توفير التدفئة للمناطق السكنية، إلخ)، فإنها تتطلب تركيبات كثيرة وتشغل مساحة كبيرة.

المشكلة الرئيسية في مضخات الحرارة الكهربائية التي تعمل بضغط الهواء هي التجمد. فعندما تكون درجة حرارة تبخر مادة التبريد أقل من درجة حرارة نقطة الندى للهواء، يتشكل الصقيع على سطح سخان الهواء، مما يؤثر على كفاءة نقل الحرارة. كما أن عملية إزالة التجمد تزيد من استهلاك الطاقة وتؤثر على راحة المستخدم. على الرغم من تطوير العديد من الشركات المصنعة لتقنيات مثل جزر الطاقة والمبادلات الحرارية متعددة المناطق للمعالجة، إلا أنه لا توجد طريقة لحل هذه المشكلة جذريًا.

تتميز مضخات الحرارة الهوائية الكهربائية المضغوطة بارتفاع كبير في درجة الحرارة، ويمكن تقسيمها، وفقًا لأنواع الضاغط المختلفة، إلى أنواع مختلفة مثل الضغط أحادي المرحلة، والضغط متعدد المراحل، وإمدادات الهواء المتوسطة. وخاصةً مع استخدام سائل عمل ثاني أكسيد الكربون، تتوافر خيارات أكثر لمضخات الحرارة الهوائية الكهربائية عالية الحرارة.

مضخة الحرارة بمصدر هواء ضغط الغاز

تستخدم مضخة الحرارة الهوائية المضغوطة بالغاز محركًا غازيًا لتوفير الطاقة الحركية، مما يُحفّز الضاغط على الدوران. يشبه تشغيل الأجزاء الأخرى تشغيل مضخة الحرارة الهوائية المضغوطة الكهربائية. وحدة مضخة الحرارة الهوائية المضغوطة صغيرة نسبيًا، وقوة محرك الغاز ليست عالية. يمكن تشغيلها بواسطة محرك سيارة.

تعاني المضخات الحرارية لمصدر الهواء المضغوط أيضًا من مشكلة الصقيع. بسبب استخدام الغاز كطاقة دافعة، يمكن إذابة الجليد باستخدام غاز المداخن، مما يؤدي إلى راحة حرارية أعلى مقارنة بالمضخات الحرارية ذات مصدر الهواء المضغوط. ومع ذلك، فإن تكلفة المضخات الحرارية لمصدر ضغط الهواء بالغاز مرتفعة نسبيًا.

مضخة الحرارة الهوائية لامتصاص الأمونيا

تعتمد مضخة الحرارة الهوائية التي تعمل بامتصاص الماء بالأمونيا مبدأ دورة الامتصاص، والسائل العامل هو محلول مائي من الأمونيا. يُسخّن محلول الأمونيا المُركّز بمصدر حرارة عالي الحرارة، مما يُبخّر غاز الأمونيا ويُشكّل محلول أمونيا مُخفّف. يُوفّر تكثّف غاز الأمونيا عالي الضغط تسخينًا خارجيًا أثناء إنتاج الأمونيا السائلة. يخضع الأمونيا السائلة للتبخر عند درجة حرارة منخفضة بعد الاختناق، ما يمتص الحرارة من الهواء الخارجي مُشكّلًا غاز الأمونيا. يُمتصّ الأمونيا بواسطة محلول الأمونيا المُخفّف، مُطلقًا الحرارة إلى الخارج، ويدخل محلول الأمونيا المُركّز الناتج في الدورة التالية.

تستخدم هذه العملية الأمونيا كمبرد والماء كمادة ماصة. درجة حرارة تبخر الأمونيا السائلة منخفضة جدًا، مما يسمح لها بامتصاص حرارة الهواء منخفض الحرارة. مع ذلك، أثناء تشغيل الوحدة، تخضع الأمونيا لعملية تحويل ثنائية الطور من غاز إلى سائل، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط الداخلي وسهولة التسرب. يُشكل غاز الأمونيا المتسرب مستوى معينًا من الخطورة، ويتطلب حماية وتهوية مناسبتين.

سعة وحدة مضخة الحرارة الهوائية الممتصة للماء بالأمونيا صغيرة نسبيًا. إذا كان الحمل الحراري كبيرًا، فيجب تشغيل عدة وحدات بالتوازي.

يعاني الجهاز أيضًا من مشكلة الصقيع. ومع ذلك، نظرًا لأن الوحدة نفسها تعمل بحرارة عالية (مثل الغاز والبخار، إلخ)، فإن إزالة الجليد سهلة نسبيًا ولا تؤثر إلا قليلاً على راحة التدفئة.

مضخة حرارية مصدرها الهواء تعمل بامتصاص بروميد الليثيوم

جميع مضخات الحرارة الهوائية المذكورة أعلاه تعاني من مشاكل التجمد وإزالة التجمد. ورغم وجود حلول خاصة بها، إلا أنها تؤثر أيضًا على راحة التدفئة، والأهم من ذلك، تؤثر على معامل أداء مضخة الحرارة وتزيد من استهلاك الطاقة. تحل مضخة الحرارة الهوائية الممتصة لبروميد الليثيوم مشكلة التجمد تمامًا.

تعتمد مضخة الحرارة الهوائية الممتصة لبروميد الليثيوم على دورة امتصاص لاستعادة الحرارة المفقودة. في دورة امتصاص بروميد الليثيوم التقليدية، يُستخدم الماء كمبرد ومحلول بروميد الليثيوم كممتص. الماء هو المبرد، ويجب أن تكون درجة حرارة التبريد أعلى من 0 درجة مئوية، وإلا سيتجمد الماء ويتسبب في توقف الوحدة عن العمل. وهذا هو أيضًا سبب عدم قدرة مضخات الحرارة الممتصة لبروميد الليثيوم التقليدية على امتصاص الحرارة التي تقل عن 0 درجة مئوية.

ولحل هذه المشكلة، يستخدم مصدر هواء امتصاص بروميد الليثيوم طريقة رش المحلول لاستخراج الحرارة من الهواء، وتجنب مشكلة تجميد الماء عند 0 درجة مئوية وتحقيق استعادة الحرارة المهدرة في درجات الحرارة المنخفضة.

تتميز المضخة الحرارية لمصدر الهواء بامتصاص بروميد الليثيوم بسعة وحدة كبيرة وغير مناسبة للتدفئة المنزلية. إنه أكثر ملاءمة للتدفئة المركزية، خاصة في التجديد الموفر للطاقة لغرف الغلايات. تعتمد المضخة الحرارية لمصدر الهواء بامتصاص بروميد الليثيوم طريقة تبادل الحرارة بالرش، والتي تستخدم محلولًا لامتصاص الحرارة من الهواء. لا يقتصر الأمر على عدم وجود مشكلة الصقيع فحسب، بل يمكنه أيضًا امتصاص الحرارة الكامنة لبخار الماء في الهواء عالي الرطوبة، مما يحسن كفاءة استخلاص الحرارة.

تُعدّ مضخات الحرارة الهوائية الممتصة لبروميد الليثيوم أكثر ملاءمةً للاستخدام في مشاريع التدفئة المركزية في الجنوب. فحتى مع ارتفاع رطوبة الهواء، لن يتجمد، بل يُعزز استعادة الحرارة المُهدرة.

ملخص

سوق مضخات الحرارة الهوائية واسع ومتنوع، ومناسب لمختلف سيناريوهات التدفئة الموفرة للطاقة. اختيار النوع المناسب من مضخة الحرارة الهوائية بناءً على خصائص سيناريو التطبيق يُحقق نتائج تدفئة أفضل.