كل ما تحتاج إلى معرفته عن عالم المضخات الحرارية

تعتبر آلية عمل هذه الأجهزة بسيطة؛ إذ إنها تعمل بالطاقة الكهربائية، وتقوم بنقل الحرارة إلى المباني الباردة أو المُدفأة. هذه التكنولوجيا ليست جديدة، إذ تم اختراعها في خمسينيات القرن التاسع عشر واستخدمت في المنازل منذ ستينيات القرن الماضي. ولكن فجأة، ازداد رواج استخدام المضخات الحرارية كأجهزة منزلية؛ إذ إنها قد تساعد في توفير المال والتخفيف من آثار التغير المناخي، كما أسهمت بعض الحوافز السياسية الحديثة في ازدياد معدل استخدامها.

على الرغم من أن آلية عمل المضخات الحرارية الأساسية بسيطة، فإن تفاصيل هذه الآلية مذهلة. يبدو أن هذه الأجهزة تخرق قوانين الفيزياء عند استخدامها في التحكم في درجة حرارة المنازل. من ناحية أخرى، تزداد جودة تكنولوجيا المضخات الحرارية مع الزمن؛ إذ أصبحت الطرازات الجديدة أكثر كفاءة وقدرة على تحمّل الطقس البارد.

اقرأ أيضاً: ما مستقبل الهندسة الجيولوجية الشمسية؟

سنستعرض في هذا المقال الآليات العميقة التي تعمل وفقها هذه الأجهزة.

كيف تعمل المضخات الحرارية؟

بشكل أساسي، تعمل المضخات الحرارية على جمع الحرارة من مكان ونقلها إلى مكان آخر. سنتحدث بشكل أساسي عن المضخات الحرارية التي تستخدم للتدفئة، ولكن يمكن أيضاً استخدام هذه الأجهزة للتبريد؛ إذ إنها يمكن أن تجمع الحرارة في مكان مغلق وتنقلها إلى مكان مفتوح تماماً مثل مكيّفات الهواء. يمكن استخدام العديد من طرازات المضخات الحرارية إما للتدفئة أو للتكييف اعتماداً على الحاجة.

المكونات الأساسية في المضخات الحرارية هي وسائط التبريد (أو المبرّدات)، وهي سوائل تتحرك في دورات وتمتص الحرارة وتطلقها في أثناء حركتها. تعمل هذه الأجهزة بالطاقة الكهربائية، التي تحرّك المادة المبردة ضمن دورتها.

مع تحرّك المبرد في المضخة الحرارية، فهو ينضغط ويتمدد وينتقل من الحالة السائلة إلى الغازية، ما يتيح له امتصاص الحرارة وإطلاقها في مراحل مختلفة من دورته. (إذا اكتفيت بهذه التفاصيل، يمكنك الانتقال مباشرة إلى الفقرة التالية. بخلاف ذلك، انضم لي في رحلة داخل المضخات الحرارية لفهم آلية عملها بدقة أكبر).

تخيل أنك تجلس على أريكة في منزلك في يوم بارد في الشتاء (بدرجة حرارة 5- درجة مئوية مثلاً)، وتقرأ كتاباً. قُمت بضبط منظّم الحرارة على 20 درجة مئوية، وهي درجة حرارة ملائمة ولكنها منخفضة قليلاً. قد تُزيد عندها درجة حرارة الغرفة إلى 21 على سبيل المثال.

عملت المضخة الحرارية في منزلك طوال هذا الوقت. لكنها ستعمل بجهد أكبر قليلاً لرفع درجة الحرارة. ستزداد عندها سرعة كل من الجهاز الضاغط والمروحة، وسيبدأ المبرد بالتحرك بسرعة أكبر لنقل المزيد من الحرارة من الخارج إلى الداخل.

قد تبدو عملية جمع الحرارة من الوسط الخارجي البارد للغاية مناقضة للحدس. لذلك، لنفصّل قليلاً في دورة المبرد لنتعلم آلية عمله. تستغرق دورة المبرّد في معظم المضخات الحرارية بضع دقائق فقط.

اقرأ أيضاً: لماذا يعد إيقاف أبحاث التعديل المناخي الشمسي خطوةً غير محسوبة النتائج

تتمتع المبردات التي تستخدم في المضخات الحرارية بنقطة غليان منخفضة غالباً ما تكون أقل من 25- درجة مئوية. لذلك، تكون درجة حرارة المبرد قريبة من الدرجة السابقة في بداية الدورة، ويكون في الحالة السائلة. حتى في الأماكن الباردة، يكون المبرد في هذه الحالة أكثر برودة بكثير من الهواء الخارجي.

في المرحلة الأولى من الدورة، يتدفّق المبرد عبر المبادل الحراري ويمر بالهواء الخارجي وتزداد درجة حرارته بما يكفي ليبدأ بالغليان، ما يتسبب في تحوله من الحالة السائلة إلى الغازية.

في المرحلة الثانية، يمر المبرد بالضاغط. يقوم هذا الجهاز بكبس المبرد والتقليل من حجمه، ما يزيد من ضغطه ويرفع نقطة غليانه (تذكّر هذه الفكرة لأنها مهمة لاحقاً). يرفع ذلك من درجة حرارة الغاز المبرد، وبحلول مروره عبر الجهاز الضاغط، ستصبح درجة حرارته أكبر من درجة حرارة الغرفة.

اقرأ أيضاً: شركات تحاول تسهيل عملية إعادة تدوير الألواح الشمسية

في المرحلة الثالثة، يمر المبرد في مبادل حراري آخر. ولكن أصبحت حالة المبرد الآن غازية، كما أن درجة حرارته وصلت إلى 38 درجة مئوية تقريباً، وهو سيمر عبر غرفة أبرد نسبياً. مع نقل المبرد لكمية من الحرارة إلى هذه الغرفة بواسطة مروحة، سينتقل مجدداً إلى الحالة السائلة.

أخيراً، وفي المرحلة الرابعة، يمر المبرد في صمام التمدد، ما يتسبب في انخفاض ضغطه. تماماً كما يؤدي ضغط مادة ما إلى تسخينها، فإن تمدد المادة يخفض من درجة حرارتها. لذلك، تنخفض درجة حرارة المبرد مجدداً، ويصبح جاهزاً لامتصاص المزيد من الحرارة لنقلها إلى الغرفة من جديد.

هل تعمل المضخات الحرارية في الطقس البارد؟

عادة ما يتم الترويج للادعاء الذي ينص على أن المضخات الحرارية لا تعمل في الطقس البارد للغاية من قبل شركات الوقود الأحفوري، والتي تفعل ذلك لأنها تبيع منتجات منافسة لهذه المضخات.

يعتبر هذا الادعاء صحيحاً نوعاً ما؛ إذ إن كفاءة المضخات الحرارية تنخفض في الطقس البارد للغاية. مع ازدياد التفاوت بين درجة الحرارة في الداخل والخارج، سيتعين على المضخات الحرارية أن تعمل بجهد أكبر لجمع الحرارة من الهواء الخارجي وتوزيعها في الغرف. لذلك، ستنخفض كفاءتها.

يقول مدير المشاريع الخاصة في منظّمة ريوايرينغ أميركا (Rewiring America) غير الربحية، التي تعمل على زيادة الاعتماد على الطاقة الكهربائية، سام كاليش (Sam Calisch)، إنه على الرغم من أن فاعلية المضخات الحرارية تنخفض في الطقس البارد، "فإنها تعمل في أي طقس".

اقرأ أيضاً: جامعة إم آي تي تقترح إنشاء فقاعات فضائية لحجب الشمس وتبريد كوكب الأرض

يستخدم البشر المضخات الحرارية في مختلف المناطق من العالم. على سبيل المثال، يستخدم الأميركيون هذه الأجهزة في العديد من المناطق من ولاية ألاسكا إلى ولاية مين. تتم تدفئة نحو 60% من المباني في النرويج باستخدام المضخات الحرارية، وتبلغ هذه النسبة 40% في كل من السويد وفنلندا.

يمكن أن تعمل هذه الأجهزة بكفاءة حتى في أبرد المناطق. مع ذلك، يقول كبير مدراء البرامج في وكالة إيفيشنسي مين (Efficiency Maine)، التي تدير برامج كفاءة الطاقة في ولاية مين الأميركية، آندي ماير (Andy Meyer)، إن اختيار الطراز المناسب عامل أساسي في ضمان كفاءة عمل المضخات عند انخفاض درجات الحرارة.

يقول ماير إن بعض المضخات الحرارية غير قادرة على تدفئة الغرف عندما تنخفض درجة الحرارة عن صفر درجة مئوية، ولكن هناك بعض الطرازات التي تعمل بكفاءة في درجات الحرارة الأخفض من ذلك. يضيف ماير أنه يمكن استخدام المدافئ المخصصة للغرف الصغيرة لدعم المضخات الحرارية في الأيام الشديدة البرودة. ولكن إذا اخترت نظام ضخ حراري مناسب من ناحية الحجم، فلا يفترض أن تحتاج إلى استخدام هذه المدافئ.

ما الجديد في تكنولوجيا المضخات الحرارية؟

يقول ماير إن التحسينات في العديد من مكونات المضخات الحرارية ساعدت في زيادة كفاءة هذه الأجهزة وتحسين أدائها، وخاصة في الطقس البارد.

يتمثّل أحد التحسينات الكبيرة في زيادة جودة المبردات. تم استخدام غاز الفريون (Freon) (وهو الاسم التجاري لمزيج من المواد الكيميائية المستخدمة في مختلف المجالات من الهندسية والطبية إلى الفنية)، الذي يحمل اسم آي-22 أيضاً، بشكل واسع من قبل، ولكن تم التوقف عن استخدامه في الولايات المتحدة والأسواق الكبيرة الأخرى نظراً لأنه يبدد الأوزون.

اليوم، يعتبر المزيج من المواد الكيميائية الذي يحمل اسم آي-410 أيه (R-410A)، أحد أكثر المبردات استخداماً في المضخات الحرارية. بالإضافة إلى أن هذا المزيج أقل ضرراً بقليل بطبقة الأوزون، فهو يتمتع بنقطة غليان أخفض مقارنة بغاز آر-22، ما يعني أنه يمتص كمية أكبر من الحرارة عند درجات الحرارة الأخفض، ما يؤدي إلى زيادة كفاءة المضخات الحرارية في الطقس البارد.

تم إجراء التحسينات على مكونات أخرى في هذه التكنولوجيا. تستطيع الأجهزة الضاغطة الجديدة والمستخدمة في المضخات الحرارية اليوم زيادة ضغط المبردات باستهلاك كمية أقل من الطاقة الكهربائية. تم أيضاً تطوير نوع مختلف من الأجهزة الضاغطة يحمل اسم الأجهزة الضاغطة المتغيرة السرعات التي تتيح زيادة قدرة المضخات الحرارية أو خفضها. أخيراً، أصبحت المبادلات الحرارية التي تنقل الحرارة من الهواء إلى المبرد أكبر حجماً وأعلى جودة، ما زاد من قدرتها على نقل الحرارة بفعالية.

هناك العديد من أنواع المضخات الحرارية المتوفرة حالياً. وتعتبر نسبة 85% من المضخات الحرارية التي يتم تركيبها حالياً من المضخات الحرارية هوائية المصدر، كالتي شرحت آلية عملها أعلاه. كما يتوفر العديد من الأشكال والأحجام لهذه المضخات. تجمع المضخات من طرازات أخرى، والتي تحمل اسم المضخات الحرارية أرضية المصدر أو المضخات الجيوحرارية، الحرارة من الطبقات تحت الأرضية بدلاً من جمعها من الهواء.

كيف يمكن أن تساعد المضخات الحرارية على التخفيف من آثار التغير المناخي؟

تعتمد تدفئة المباني عادة على الغاز الطبيعي أو زيوت التدفئة. نتيجة لذلك، ينتج قطاع التدفئة نحو 10% من انبعاثات الغازات الدفيئة العالمية حالياً. يتوقّع المحلل المختص بمسائل الطاقة في الوكالة الدولية للطاقة، يانيك مونشاور (Yannick Monschauer)، أن المضخات الحرارية ستمثّل التكنولوجيا الأساسية التي ستستخدم للتخفيف من تأثير قطاع التدفئة في المناخ.

تعمل المضخات الحرارية بالطاقة الكهربائية المستمدة من شبكة التغذية الكهربائية. وعلى الرغم من أن محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تعمل بالوقود الأحفوري تسهم في تزويد هذه الشبكة بالكهرباء، يتم أيضاً استخدام مصادر الطاقة المتجددة وتلك التي لا يتطلب توليدها إطلاق كميات كبيرة من الكربون. لذلك، وفقاً لمونشاور، نظراً لاستخدام مصادر الطاقة المتعددة في جميع الأسواق الكبيرة، فإن المضخات الحرارية تعتبر أقل ضرراً بالمناخ من طرق التدفئة الأخرى التي تعتمد حصرياً على الوقود الأحفوري.

مع ذلك، فالميزة الأهم للمضخات الحرارية من ناحية الآثار المناخية هي كفاءتها. يمكن أن تتراوح كفاءة المضخات الحرارية المستخدمة حالياً بين 300% و400% أو أكثر، ما يعني أنها تطلق كمية من الطاقة على شكل حرارة تبلغ 3 إلى 4 أضعاف كمية الطاقة الكهربائية التي تستهلكها. أما بالنسبة للمدافئ العادية، يبلغ الحد الأعلى النظري للكفاءة نسبة 100%، وتصل أفضل الطرازات المنتشرة حالياً إلى كفاءة بنسبة 95%.

اقرأ أيضاً: هل ستتمكن الجهات المسؤولة عن قطاع الوقود الأحفوري من تنظيف انبعاثاته؟

ينتج هذا الفرق الشاسع في الكفاءة بين المضخات الحرارية والمدافئ التقليدية عن آلية عملها. تعمل المدافئ التقليدية من خلال تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية.

أما المضخات الحرارية، فهي لا تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، بل إنها تستخدم الطاقة الكهربائية لجمع الحرارة ونقلها. إنه فرق بسيط، ولكنه يتيح للمضخات الحرارية أن تطلق كمية أكبر بكثير من الحرارة باستخدام الكمية نفسها من الكهرباء.

تعتمد الكفاءة القصوى للمضخات الحرارية على نوع المبرد والنظام الذي تم تركيبه، بالإضافة إلى الفرق في درجة الحرارة بين الغرفة التي تتم تدفئتها والوسط الخارجي.

ما الحقائق الأخرى التي يجب أن تعرفها إذا رغبت في شراء مضخة حرارية؟

تعتبر التكاليف الأولية للمضخات الحرارية العائق الرئيسي أمام انتشارها الواسع النطاق؛ إذ يكلف شراء مضخة حرارية وتركيبها حالياً بين 3,000 و6,000 دولار أو أكثر، وذلك اعتماداً على نوع النظام.

لكن وفقاً لمونشاور، فعلى مدار عمرها المتوقع الذي يبلغ نحو 15 سنة، يعتبر شراء المضخات الحرارية وتشغيلها أقل تكلفة مقارنة بالأنظمة الأخرى بالنسبة لبعض المستهلكين، وخاصة إذا تم استخدام هذه المضخات لتدفئة المنازل وتبريدها خلال فترات مختلفة من العام.

أطلقت أكثر من 30 دولة حول العالم برامج الحوافز الخاصة بالمضخات الحرارية، التي تتضمن عادة مكافآت للأسر ذات الدخول المنخفضة أو الأشخاص الذين يشترون المعدات العالية الكفاءة. تقدّم الحكومة الإيطالية أشكال دعمٍ سخية بشكل خاص لشراء المضخات الحرارية التي يتم تركيبها عند تجديد المباني بهدف زيادة كفاءتها الطاقية؛ إذ قد يستعيد الزبائن ما يصل إلى 110% من سعر شراء المضخات على شكل ائتمان ضريبي.

في الولايات المتحدة، يوفّر قانون الحد من التضخم ائتماناً ضريبياً بنسبة 30% على سعر شراء كل مضخة حرارية، مع تقديم حسومات إضافية للأسر ذات الدخل المنخفض والمتوسط. بالنسبة لبعض الأسر، يمكن أن يغطي التمويل بموجب هذا القانون 100% من التكلفة. يحتوي موقع منظمة ريوايرينغ أميركا على أداة تساعد المستخدمين على تحديد ما إذا كانوا مؤهلين للحصول على الدعم الحكومي بموجب قانون الحد من التضخّم.

ما هو مستقبل تكنولوجيا المضخات الحرارية؟

على الرغم من إجراء الكثير من التحسينات على تكنولوجيا المضخات الحرارية في العقد الأخير، فهناك إمكانية كبيرة لتطوير هذه التكنولوجيا أكثر.

يمكن أن تساعد التصميمات الجديدة التي تصدرها الشركة الناشئة، غريديانت (Gradient)، مثل وحدات النوافذ المستقلة، على تخفيض تكاليف التركيب. وبدأت شركات أخرى، مثل ميديا (Midea) وإل جي (LG) بتوفير الوحدات الأصغر حجماً والأقل تكلفة. يمكن أن يتم استخدام هذه الطرازات الجديدة من المضخات الحرارية في أماكن لم تستخدم فيها من قبل مثل المباني السكنية القديمة حيث يكون تركيب الطرازات التقليدية مكلفاً للغاية أو غير ممكن.

يعتبر تحسين المبردات أحد الجوانب التي من المرجح أن تشهد تقدّماً في المستقبل. على الرغم من أن المبردات المستخدمة حالياً أكثر تقدّماً من تلك المستخدمة في الطرازات الأقدم، فهي تعتبر من الغازات الدفيئة البليغة التأثير. لتجنّب حدوث التسربات، يجب التعامل مع المضخات التي تحتوي على هذه المبردات بحذر، كما يجب تصنيعها بدقة. تفوق الفوائد البيئية للمضخات الحرارية مخاطر تسرب المبردات التي تسهم في الاحتباس الحراري، ولكن يمكن الاستفادة من المبردات البديلة للتخفيف من هذه المخاطر بشكل أكبر.

اقرأ أيضاً: هل سيكون الحل المناسب للاحتباس الحراري العالمي هو تعتيم الشمس؟

على سبيل المثال، تستخدم شركة غريديانت مبرداً يحمل اسم آر-32، يسهم في الاحتباس الحراري بشكل أقل مقارنة بالمبرد آر-410 أيه وتمثّل بعض المبردات الأخرى، مثل الهيدروكربونات كالبروبان والبوتان، خطراً أقل حتى على المناخ. مع ذلك، تميل بعض أنواع المبردات الأكثر رفقاً بالبيئة إلى أن تكون شديدة الاشتعال، ما يفرض الحاجة إلى استخدام أنظمة الأمان.

ستساعد التطورات التكنولوجية الجديدة في توسيع مجموعة المضخات الحرارية المتوفرة في السوق التي تعتبر واسعة بالفعل. ومن المفترض أن تنخفض تكلفة المضخات الحرارية بمرور الزمن مع ازدياد رواج هذه التكنولوجيا.

ازدادت المبيعات العالمية للمضخات الحرارية بنسبة 15% في عام 2021. شهدت الدول الأوروبية بعضاً من أسرع معدّلات النمو، إذ ازدادت المبيعات بنسبة 35% في عام 2021، ومن المرجح أن يستمر هذا الازدياد نتيجة لأزمة الطاقة التي تمر بها هذه الدول. لا يزال عدد المنازل التي تم تركيب المضخات الحرارية فيها في أميركا الشمالية هو الأكبر حالياً، ولكن تحتل الصين المركز الأول من ناحية المبيعات الجديدة. 

في جميع أنحاء العالم، يبدو أن عصر المضخات الحرارية بدأ بشكل رسمي.