ما هو الفرق بين المضخات الحرارية ومضخات الحرارة الحرارية الأرضية؟
في عصرنا الحالي، الذي يشهد سعيًا حثيثًا نحو استخدام الطاقة بكفاءة وصديقة للبيئة، بدأت المضخات الحرارية ومضخات الحرارة الأرضية، كجهازين مهمين للتدفئة والتبريد، تكتسبان رواجًا متزايدًا. وتختلفان اختلافًا كبيرًا من حيث مبادئ العمل، ومصادر الطاقة، والكفاءة، وتكاليف التركيب. ويساعد فهم هذه الاختلافات المستخدمين على اختيار أنسب المعدات وفقًا لاحتياجاتهم وظروفهم.
مبادئ العمل: مسارات مختلفة لنقل الحرارة
المضخة الحرارية، في جوهرها، هي جهاز يستخدم الطاقة يمكنه استخراج الحرارة من الأجسام منخفضة الحرارة ونقلها إلى الأجسام عالية الحرارة. يعتمد مبدأ عملها على مفهوم مضخة الماء دي دي اتش. تمامًا كما ترسل مضخة الماء الماء من مكان أقل إلى مكان أعلى، تحقق المضخة الحرارية التدفق العكسي للحرارة من منطقة منخفضة الحرارة إلى منطقة عالية الحرارة عن طريق استهلاك كمية معينة من الطاقة الخارجية. وبأخذ مضخة الحرارة الانضغاطية الشائعة كمثال، فإنها تتكون بشكل أساسي من أربعة مكونات أساسية: ضاغط ومكثف ومكون خانق ومبخر. أثناء التشغيل، يمتص المبخر الحرارة من مصدر حرارة منخفض الحرارة (مثل الهواء الخارجي)، مما يتسبب في تبخر وسط العمل منخفض الحرارة والضغط إلى بخار؛ يتم امتصاص البخار وضغطه بواسطة الضاغط ليصبح بخارًا عالي الحرارة والضغط؛ يُطلق البخار عالي الحرارة والضغط حرارةً إلى جسمٍ عالي الحرارة (مثل الهواء الداخلي) في المكثف، ويتكثف إلى سائل. يُخفَّف ضغط السائل عبر مُكوِّن الخنق، ثم يعود إلى المُبخِّر لإكمال دورة. تتكرر هذه الدورة لتحقيق انتقال حراري مستمر.
تعتمد مضخات الحرارة الجوفية، المعروفة أيضًا باسم مضخات الحرارة الأرضية (جي اتش اس بي)، على المبدأ الأساسي لمضخات الحرارة، إلا أنها تستخدم موارد حرارية أرضية ضحلة على سطح الأرض كمصادر للبرودة والحرارة. تشبه آلية عملها مضخات الحرارة العادية، إلا أن مصدر الحرارة يأتي من باطن الأرض. عند استخدام مضخة الحرارة الجوفية للتدفئة، يمتص المبادل الحراري الجوفي الحرارة من مصادر حرارية منخفضة الحرارة، مثل التربة والمياه الجوفية والمياه السطحية، وينقلها إلى وحدة المضخة الحرارية عبر وسيط العمل الدائري، ثم ترفع وحدة المضخة الحرارية درجة حرارة الحرارة وتنقلها إلى الداخل لتحقيق التدفئة. في وضع التبريد، تنعكس العملية، وتُنقل الحرارة الداخلية إلى باطن الأرض.
مصادر الطاقة: الاختيار بين الهواء والأرض
تتنوع مصادر الطاقة في المضخات الحرارية. من بينها، المضخة الحرارية الهوائية الشائعة التي تستمد الحرارة من الهواء المحيط. الهواء، كمصدر للحرارة، منتشر على نطاق واسع ولا ينضب. وما دام الهواء موجودًا، تؤدي المضخة الحرارية الهوائية دورها. ومع ذلك، تتأثر درجة حرارة الهواء بشكل كبير بالفصول، والليل والنهار، وتغيرات الطقس. ففي فصول الشتاء الباردة، تكون درجة حرارة الهواء منخفضة، مما يزيد من صعوبة حصول المضخة الحرارية على الحرارة من الهواء، وقد تنخفض كفاءتها في التدفئة.
تُركز مضخات الحرارة الجوفية على استغلال موارد الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة على سطح الأرض. تُخزّن التربة الضحلة والمياه الجوفية والسطحية كميات كبيرة من الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، وتتميز بثبات درجات حرارتها نسبيًا. على سبيل المثال، في فصل الشتاء، تكون درجة حرارة باطن الأرض عادةً أعلى من درجة حرارة الهواء الخارجي، مما يُمكّن مضخات الحرارة الجوفية من الحصول على الحرارة من باطن الأرض بكفاءة أكبر للتدفئة؛ أما في الصيف، فتكون درجة حرارة باطن الأرض أقل من درجة حرارة الهواء الخارجي، مما يُتيح استخدامها كمصدر بارد للتبريد. يوفر هذا المصدر الحراري المستقر ظروف عمل جيدة لمضخات الحرارة الجوفية، مما يجعلها غير مُتأثرة بالتغيرات الحادة في درجة حرارة الهواء الخارجي.
مقارنة الكفاءة: مضخات الحرارة الحرارية الأرضية لها الأفضلية
يتم قياس كفاءة المضخات الحرارية من خلال مؤشرات مثل معامل الأداء (شرطي) وعامل الأداء الموسمي (عامل الحماية من الشمس). يمثل معامل الأداء (شرطي) كمية الحرارة المولدة لكل وحدة كهرباء. كلما زادت القيمة، زادت الحرارة التي تولدها المضخة الحرارية في ظل استهلاك الطاقة للوحدة، وزادت الكفاءة. بشكل عام، تتراوح كفاءة المضخات الحرارية الهوائية عادةً بين 200٪ و 400٪، مما يعني أنه لكل 1 كيلو واط في الساعة من الكهرباء المستهلكة، يمكن توليد 2 - 4 كيلو واط في الساعة من الحرارة الناتجة. تتأثر كفاءتها بالعديد من العوامل مثل درجة الحرارة الخارجية، وفرق درجة الحرارة الداخلية والخارجية، وأداء المضخة الحرارية نفسها. في الطقس البارد للغاية، من أجل الحصول على حرارة كافية من الهواء منخفض درجة الحرارة، قد تحتاج المضخات الحرارية الهوائية إلى استهلاك المزيد من الكهرباء للحفاظ على التشغيل، مما يؤدي إلى انخفاض قيمة شرطي.
تتميز مضخات الحرارة الجوفية بكفاءة عالية لأنها تستخدم مصادر حرارة جوفية مستقرة نسبيًا. تتراوح كفاءة الطاقة لمضخات الحرارة الجوفية بين 300% و600%، مما يقلل استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 25% و50% مقارنةً بمضخات الحرارة الهوائية. في ليالي الشتاء الباردة، عندما تنخفض درجة حرارة الهواء الأرضي إلى مستويات منخفضة للغاية، تبقى درجة الحرارة الجوفية مستقرة نسبيًا، مما يُمكّن مضخات الحرارة الجوفية من العمل بشكل مستمر وفعال وتوفير التدفئة الداخلية بشكل مستقر. من حيث متوسط قيمة معامل الأداء (شرطي) المحسوبة خلال موسم التدفئة بأكمله (أي معامل الأداء الموسمي عامل الحماية من الشمس)، تتميز مضخات الحرارة الجوفية أيضًا بنطاق عالٍ، مما يُثبت كفاءتها العالية على المدى الطويل.
تكاليف التثبيت: الاختلافات في الاستثمار الأولي
من حيث تكاليف التركيب، هناك فرق كبير بين مضخات الحرارة ومضخات الحرارة الجوفية. على سبيل المثال، مضخة الحرارة الهوائية الشائعة، تركيبها بسيط نسبيًا ولا يتطلب هندسة أرضية معقدة. عمومًا، تتراوح تكلفة تركيب مضخة الحرارة الهوائية المنزلية العادية بين 3800 و8200 يوان (حوالي 27000 و58000 يوان). يشمل ذلك تكاليف شراء المعدات وتكاليف التركيب الأساسية. تشغل مضخات الحرارة الهوائية مساحة صغيرة ومتطلبات مساحة التركيب منخفضة. يمكن لمعظم شرفات المنازل أو أسطح المنازل أو ساحاتها تلبية شروط التركيب.
تكلفة تركيب مضخات الحرارة الجوفية مرتفعة نسبيًا. نظرًا لأنها تحتاج إلى استخدام مصادر حرارة تحت الأرض، فمن الضروري إنشاء نظام تبادل حراري تحت الأرض. إذا تم اعتماد طريقة وضع الأنابيب الرأسية، فمن الضروري حفر ثقوب تحت الأرض، بعمق يتراوح عادةً بين 60 مترًا و150 مترًا. يعتمد عدد ثقوب الحفر على احتياجات التدفئة والتبريد للمبنى وظروف الموقع. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري أيضًا تركيب مضخات المياه المتداولة وأنظمة التحكم وغيرها من المعدات. تؤدي هذه العوامل إلى زيادة كبيرة في تكلفة تركيب مضخات الحرارة الجوفية، بمتوسط تكلفة تركيب تتراوح بين 15000 و35000 (حوالي 106000 يوان إلى 247000 يوان). بالإضافة إلى تكلفة التركيب الأولية، فإن تكلفة صيانة مضخات الحرارة الجوفية أثناء التشغيل منخفضة نسبيًا لأن عمر خدمة نظام التبادل الحراري تحت الأرض طويل، يصل إلى 40 إلى 60 عامًا، وعمر خدمة المعدات الداخلية أيضًا حوالي 20 إلى 25 عامًا؛ في حين أن العمر الافتراضي لمضخات الحرارة الهوائية يتراوح عادةً بين 10 و15 عامًا، وهو عمر قصير نسبيًا. في هذه الفترة، قد يتطلب الأمر استبدال المعدات بشكل متكرر، مما يزيد من تكلفة الاستخدام على المدى الطويل.
السيناريوهات القابلة للتطبيق: الاختيار بناءً على الظروف المحلية
تتميز مضخات الحرارة، وخاصةً مضخات الحرارة الهوائية، بنطاق استخدام واسع. وبفضل سهولة تركيبها وقلة متطلباتها للموقع، فهي مناسبة لمختلف أنواع المباني. سواءً كانت شققًا سكنية، أو مجمعًا سكنيًا في المدينة، أو منازل ذاتية البناء في الريف، يُمكن تركيبها واستخدامها بسهولة طالما توفرت مساحة خارجية مناسبة. في بعض المناطق ذات المناخ المعتدل، تُحقق مضخات الحرارة الهوائية أقصى استفادة من مزاياها المتمثلة في الكفاءة العالية وتوفير الطاقة، مما يوفر للمستخدمين خدمات تدفئة وتبريد مريحة. ومع ذلك، في المناطق الباردة، عندما تكون درجة الحرارة الخارجية منخفضة جدًا، قد يتأثر تأثير مضخات الحرارة الهوائية في التدفئة، وقد يلزم استخدام معدات تدفئة إضافية لتلبية احتياجات التدفئة الداخلية.
تُعدّ مضخات الحرارة الجوفية أكثر ملاءمةً للمستخدمين الذين لديهم ظروف موقعية معينة ومتطلبات عالية لكفاءة الطاقة. على سبيل المثال، تتوفر في الفلل العائلية أو المنازل ذات الحدائق الواسعة مساحة كافية لبناء أنظمة تبادل حراري تحت الأرض. في بعض المناطق التي تفرض متطلبات صارمة لحماية البيئة وتسعى إلى كفاءة استخدام الطاقة، ستُطبّق الحكومة أيضًا سياساتٍ مناسبة لتشجيع استخدام مضخات الحرارة الجوفية وتقديم بعض الدعم المالي. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لبعض المباني التجارية الكبيرة أو المرافق العامة، مثل الفنادق والمستشفيات والمدارس، نظرًا لاحتياجاتها الكبيرة للتدفئة والتبريد وطول مدة تشغيلها، فإن خصائص الكفاءة العالية وتوفير الطاقة لمضخات الحرارة الجوفية يمكن أن تُوفّر الكثير من تكاليف الطاقة على المدى الطويل، مما يُتيح جدوى اقتصادية عالية. ومع ذلك، إذا كان موقع البناء صغيرًا ولا يُمكنه تنفيذ أعمال بناء تحت الأرض على نطاق واسع، أو كانت الظروف الجيولوجية الجوفية مُعقدة وغير مناسبة للحفر ومدّ الأنابيب، فسيكون استخدام مضخات الحرارة الجوفية محدودًا.
باختصار، هناك اختلافات واضحة بين المضخات الحرارية والجيوحرارية في جوانب عديدة. عند الاختيار، ينبغي على المستخدمين مراعاة احتياجاتهم الخاصة، وظروف الموقع، والميزانية، بالإضافة إلى المناخ المحلي والسياسات المتبعة، وموازنة الإيجابيات والسلبيات، واتخاذ القرار الأنسب لأنفسهم. سواءً اختاروا مضخة حرارية أو جيوحرارية، فإن ذلك يُسهم في تحقيق ترشيد الطاقة وخفض الانبعاثات، وتوفير بيئة عمل ومعيشة مريحة.