ما هي العوامل التي تسبب انخفاض كفاءة المضخة الحرارية؟
تُعتبر تقنية المضخات الحرارية حلاً رئيسياً لاستبدال الوقود الأحفوري للتدفئة، وهي تنتشر بسرعة في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك، ونظراً لفشل العديد من المنشآت في تحقيق مستويات الكفاءة النظرية في التشغيل الفعلي، فإن الأسباب الكامنة وراء ذلك تخضع للتدقيق.
كشفت دراسة استقصائية أجرتها مؤسسة توفير الطاقة في المملكة المتحدة (EST) عن حقيقة مذهلة: 83% من المضخات الحرارية المثبتة في المملكة المتحدة لا تحقق الأداء المطلوب، مع فشل 87% منها في تلبية الحد الأدنى من معيار كفاءة الطاقة وهو تصنيف 3 نجوم.
أجرى المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، بالتعاون مع عدة جامعات، دراسة تحليلية لبيانات تشغيلية واقعية من 1023 مضخة حرارية في 10 دول بوسط أوروبا. ووجد الباحثون اختلافات كبيرة في الأداء بين الوحدات - في ظل ظروف درجات حرارة متطابقة، وصلت فجوة معامل الأداء (شرطي) بين بعض الأجهزة إلى 2-3 مراتوقد دفع هذا الاكتشاف الصناعة إلى إعادة النظر في العوامل الحاسمة التي تؤثر على كفاءة المضخة الحرارية.
01 مشاكل المعدات والتركيب
تكمن الأسباب الرئيسية لانخفاض كفاءة مضخة الحرارة في المعدات نفسها وجودة التركيب. وقد حدد مسح EST إدارة الصناعة غير المنظمة داخل قطاع التركيبات كمشكلة أساسية.
صرح سيمون جرين، رئيس تطوير الأعمال في شركة EST، بصراحة: عند تركيبها واستخدامها بشكل صحيح، يمكن لتقنية المضخات الحرارية أن تُخفّض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في المملكة المتحدة بشكل كبير. ومع ذلك، يختلف الوضع الحالي اختلافًا كبيرًا عن تقديراتنا.
في المملكة المتحدة، أقر مجلس صناعة التدفئة والمياه الساخنة (HHIC)، المسؤول عن تركيبات مضخات الحرارة السكنية، علنًا عدم وجود القوى العاملة الكافية لمساعدة المستهلكين في اختيار المنتجات المناسبةويؤدي هذا الغياب للإرشادات المتخصصة إلى أخطاء متكررة في الاختيار، حيث يشتري المستخدمون في كثير من الأحيان معدات غير متوافقة مع خصائص المبنى الذي يعيشون فيه.
يُعدّ تقادم المعدات عاملاً آخر يُضعف الكفاءة. يُشير مُصنّعو مضخات الحرارة الهوائية الحديثة في أدلة الصيانة الخاصة بهم إلى أن المكونات الرئيسية مثل الضواغط ومولدات الحرارة تتآكل بمرور الوقتيؤدي ضعف عملية الإغلاق إلى تسرب مادة التبريد، مما يقلل من كفاءة التدفئة/التبريد، في حين تؤثر الأنظمة الكهربائية القديمة بشكل مباشر على الاستقرار التشغيلي.
02 العوامل البيئية والتصميمية
الظروف البيئية هي ثاني أهم متغير يؤثر على الكفاءة. تؤثر درجة الحرارة المحيطة بشكل حاسم على كفاءة تدفئة مضخات الحرارة الهوائية. تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى انخفاض الكفاءة بشكل كبير.
موقع التركيب بالغ الأهمية. فوضعه بالقرب من مصادر الحرارة أو المشعات يحد من تدفق الهواء، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة تبادل الحرارة. كما أن الرطوبة الداخلية وجودة الهواء تؤثران بشكل كبير على أداء التدفئة.
توصل تحليل البيانات واسع النطاق الذي أجرته إيثريوم زيورخ إلى أن حققت مضخات الحرارة الأرضية متوسط معامل أداء قدره 4.90، وهو ما يتجاوز بكثير متوسط 4.03 لوحدات مصدر الهواءوالأمر الحاسم هو أن كفاءة المصدر الأرضي تتأثر بدرجة أقل بتقلبات درجات الحرارة الخارجية، مما يدل على أداء أكثر استقرارًا.
كشف البحث أيضًا عن عيب رئيسي في التصميم: تقريبًا 7-11% من أنظمة المضخات الحرارية كبيرة الحجم، في حين أن حوالي 1% منها صغيرة الحجميؤدي عدم التوافق في الحجم إلى منع التشغيل في الظروف المثالية، مما يتسبب في هدر الطاقة.
03 التشغيل والصيانة غير السليمة
إن حالة الصيانة لنظام المضخة الحرارية تؤثر بشكل مباشر على كفاءته على المدى الطويل. الصيانة المنتظمة هي المفتاح لضمان التشغيل الطبيعيومع ذلك، فإن هذا المطلب الأساسي غالبا ما يتم إهماله في الممارسة العملية.
قد يؤدي سوء الصيانة إلى انسداد المكونات أو تلفها، بينما تُسبب طرق الصيانة غير القياسية مشاكل جديدة. كما أن مستويات شحن غاز التبريد غير الصحيحة - سواءً كانت زائدة أو ناقصة - تُقلل بشكل كبير من كفاءة التدفئة. كما أن استخدام مواد تنظيف غير مناسبة للمبادلات الحرارية يُلحق الضرر بالأداء.
تشير الأبحاث الأوروبية إلى أن يمكن أن يؤدي تقليل إعداد منحنى التسخين بمقدار 1 درجة مئوية إلى زيادة متوسط كفاءة مضخة الحرارة بمقدار 0.11 شرطي وتقليل استهلاك الطاقة المنزلية بنسبة 2.61%لا يدرك العديد من المستخدمين مثل هذه الطرق للتحسين، مما يؤدي إلى تشغيل غير مثالي لفترة طويلة.
تُعد مشاكل سائل التبريد سببًا شائعًا آخر لانخفاض الكفاءة. فضعف قدرة سائل التبريد على حمل الحرارة يُقلل من فعالية التبادل الحراري في كل دورة. ويستخدم بعض المصنّعين سوائل تبريد دون المستوى المطلوب لخفض التكاليف، أو يحدث تسرب أثناء النقل، مما يؤدي إلى عدم الوصول إلى درجات حرارة الماء المُصممة.
04 مشكلات تكوين النظام والحجم
يُعدّ سوء تكوين النظام سببًا أساسيًا لانخفاض الكفاءة. تُظهر المضخات الحرارية المُخصصة لإنتاج الماء الساخن المنزلي (الماء الساخن المنزلي) قيم معامل أداء أقل بكثير من تلك المُستخدمة في تدفئة المساحات، وذلك لأن يتطلب الماء الساخن المنزلي درجات حرارة تدفق أعلىغالبًا ما يتم تجاهل هذا الاختلاف في خصائص الطلب على الطاقة أثناء التصميم.
تُعد مشاكل تحديد المقاسات حادةً بشكل خاص في التطبيقات السكنية. وقد طوّر فريق المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ مقاييس استخدام لتقييم ملاءمة المقاسات، ووجد أن الأنظمة كبيرة الحجم أو صغيرة الحجم شائعة بشكل ملحوظ.
في الصناعة، تؤثر أساليب تكامل الأنظمة بشكل حاسم على الكفاءة الكلية. تُظهر الدراسات التي أُجريت على مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون في مصانع الأسمنت أن يمكن أن يؤدي دمج مضخات الحرارة عالية الحرارة إلى تقليل تكلفة الكلنكر المتزايدة بنسبة 32٪ومع ذلك، فإن تحقيق مثل هذا التحسين يتطلب تصميمًا دقيقًا للنظام وقدرات التكامل، مما يفرض تحديات على العديد من المثبتين.
تُحسّن أنظمة التبريد والتدفئة المتكاملة (دددددد) الصينية الشائعة ذات التزويد المزدوج كفاءة الطاقة الإجمالية من خلال تصميمها المبتكر. في الصيف، يُوزّع المُبرّد عبر وحدات داخلية مُثبّتة على الحائط؛ وفي الشتاء، يدور الماء الساخن عبر أنظمة التدفئة الأرضية المُشعّة، مُتماشياً مع المبدأ الصحي الصيني التقليدي "أقدام دافئة، رأس بارد". تُحقق التكوينات المُحسّنة مكاسب كبيرة في الكفاءة.
05 الحلول والتوقعات المستقبلية
إن معالجة تحديات كفاءة المضخات الحرارية تتطلب الابتكار التكنولوجي وتعديل السياسات. حقق باحثون من جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا (جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا) إنجازًا يتضمن سبيكة مرنة تي₇₈ملاحظة₂₂، مما يحقق كفاءة تغيير درجة الحرارة أكبر بعشرين مرة من المعادن التقليدية، حيث يصل إلى 90% من حد كفاءة كارنو.
تسخن هذه المادة وتبرد من خلال التشوه المرن، مما يفتح آفاقًا جديدة لتكنولوجيا مضخات الحرارة ذات الحالة الصلبة. ويعمل الفريق حاليًا على تطوير نموذج أولي لمضخة حرارية صناعية تعتمد على هذه السبائك.
يوفر الرصد التشغيلي والتعديل الذكي مكاسب عملية في الكفاءة. يوصي باحثون أوروبيون بإنشاء إجراءات تقييم الأداء الموحدة بعد التثبيت وتطوير أدوات رقمية لمساعدة المستخدمين على تحسين الإعدادات. تعديلات بسيطة، مثل خفض منحنى التدفئة، تُحقق وفورات كبيرة في الطاقة.
يحتاج تصميم السياسات إلى تحسين. تُظهر التجربة الألمانية أن ارتفاع أسعار الكهرباء قد يعيق اعتماد المضخات الحراريةإن التعديلات العقلانية على هياكل الضرائب على الطاقة، والتي تجعل الكهرباء أكثر قدرة على المنافسة في مواجهة الغاز الطبيعي، من شأنها أن تعمل على تسريع استبدال الوقود الأحفوري للتدفئة.
التطبيقات الصناعية تنطوي على إمكانات هائلة. تُظهر مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون في مصانع الأسمنت، التي تُدمج مضخات الحرارة عالية الحرارة، قدرة هذه التقنية على خفض الانبعاثات مع خفض تكاليف الكلنكر المتزايدة بنسبة 32%. مع توسع الكهرباء المتجددة وتطور تقنية مضخات الحرارة عالية الحرارة، قد تُصبح هذه الحلول تقنيات أساسية لإزالة الكربون في الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة.
أصبح مسار التطوير المستقبلي لتكنولوجيا المضخات الحرارية أكثر وضوحًا. تتميز سبيكة تي₇₈ملاحظة₂₂ المرنة، التي طورها علماء المواد في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا، بأداء استثنائي في المختبر. تستكشف المجالات الصناعية آفاقًا جديدة. وقد أدت مشاريع احتجاز الكربون في مصانع الأسمنت، التي تجمع بين مضخات الحرارة عالية الحرارة وإعادة الضغط الميكانيكي للبخار (ام في ار)، إلى خفض... تكاليف احتجاز ثاني أكسيد الكربون تصل إلى 125.9 يورو للطنومع انتقال هذه الابتكارات من المختبر إلى السوق، ستصبح المضخات الحرارية قوة محورية في التحول العالمي في مجال الطاقة.