التدفئة والتبريد باستخدام المضخة الحرارية - الجزء 2

أثناء دورة التدفئة، يتم أخذ الحرارة من الهواء الخارجي و"ضخها" إلى الداخل.

• أولاً، يمر سائل التبريد عبر جهاز التمدد، ويتحول إلى خليط سائل/بخار منخفض الضغط. ثم ينتقل بعد ذلك إلى الملف الخارجي، الذي يعمل بمثابة ملف المبخر. يمتص سائل التبريد الحرارة من الهواء الخارجي ويغلي، متحولًا إلى بخار منخفض الحرارة.
• ويمر هذا البخار عبر الصمام العكسي إلى المجمع، الذي يجمع أي سائل متبقي قبل دخول البخار إلى الضاغط. يتم بعد ذلك ضغط البخار، مما يقلل حجمه ويؤدي إلى تسخينه.
• وأخيرًا، يرسل الصمام العكسي الغاز، وهو ساخن الآن، إلى الملف الداخلي، وهو المكثف. تنتقل الحرارة من الغاز الساخن إلى الهواء الداخلي، مما يتسبب في تكثيف مادة التبريد إلى سائل. يعود هذا السائل إلى جهاز التمدد وتتكرر الدورة. يقع الملف الداخلي في مجاري الهواء، بالقرب من الفرن.

تعتمد قدرة المضخة الحرارية على نقل الحرارة من الهواء الخارجي إلى المنزل على درجة الحرارة الخارجية. ومع انخفاض درجة الحرارة هذه، تنخفض أيضًا قدرة المضخة الحرارية على امتصاص الحرارة. بالنسبة للعديد من تركيبات المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء، هذا يعني أن هناك درجة حرارة (تسمى نقطة التوازن الحراري) عندما تكون قدرة تسخين المضخة الحرارية مساوية لفقد حرارة المنزل. تحت درجة الحرارة المحيطة الخارجية هذه، يمكن للمضخة الحرارية توفير جزء فقط من الحرارة المطلوبة للحفاظ على مساحة المعيشة مريحة، ويلزم توفير حرارة إضافية.

من المهم أن نلاحظ أن الغالبية العظمى من المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء لديها الحد الأدنى من درجة حرارة التشغيل، والتي لا يمكنها العمل أقل منها. بالنسبة للموديلات الأحدث، يمكن أن يتراوح هذا بين -15 درجة مئوية إلى -25 درجة مئوية. تحت درجة الحرارة هذه، يجب استخدام نظام إضافي لتوفير التدفئة للمبنى.

دورة التبريد

يتم عكس الدورة الموصوفة أعلاه لتبريد المنزل خلال فصل الصيف. تقوم الوحدة بإخراج الحرارة من الهواء الداخلي وترفضها بالخارج.

• كما هو الحال في دورة التسخين، يمر سائل التبريد عبر جهاز التمدد، ويتحول إلى خليط سائل/بخار منخفض الضغط. ثم يذهب بعد ذلك إلى الملف الداخلي، الذي يعمل كمبخر. يمتص سائل التبريد الحرارة من الهواء الداخلي ويغلي، متحولًا إلى بخار منخفض الحرارة.
• ويمر هذا البخار عبر الصمام العكسي إلى المجمع، الذي يجمع أي سائل متبقي، ثم إلى الضاغط. يتم بعد ذلك ضغط البخار، مما يقلل حجمه ويؤدي إلى تسخينه.
• وأخيرًا، يمر الغاز، الذي أصبح ساخنًا الآن، عبر الصمام العكسي إلى الملف الخارجي، الذي يعمل كمكثف. يتم نقل الحرارة من الغاز الساخن إلى الهواء الخارجي، مما يتسبب في تكثيف مادة التبريد إلى سائل. يعود هذا السائل إلى جهاز التمدد، وتتكرر الدورة.

أثناء دورة التبريد، تعمل المضخة الحرارية أيضًا على إزالة الرطوبة من الهواء الداخلي. تتكثف الرطوبة الموجودة في الهواء الذي يمر فوق الملف الداخلي على سطح الملف ويتم تجميعها في وعاء في الجزء السفلي من الملف. يربط استنزاف المكثفات هذه المقلاة بمصرف المنزل.

دورة تذويب الجليد

إذا انخفضت درجة الحرارة الخارجية إلى درجة قريبة من درجة التجمد أو أقل منها عند تشغيل المضخة الحرارية في وضع التسخين، فإن الرطوبة في الهواء التي تمر فوق الملف الخارجي سوف تتكثف وتتجمد عليها. تعتمد كمية تراكم الصقيع على درجة الحرارة الخارجية وكمية الرطوبة في الهواء.

يؤدي تراكم الصقيع إلى تقليل كفاءة الملف عن طريق تقليل قدرته على نقل الحرارة إلى مادة التبريد. في مرحلة ما، يجب إزالة الصقيع. للقيام بذلك، تتحول المضخة الحرارية إلى وضع تذويب. النهج الأكثر شيوعا هو:

• أولاً، يقوم الصمام العكسي بتحويل الجهاز إلى وضع التبريد. يؤدي ذلك إلى إرسال الغاز الساخن إلى الملف الخارجي لإذابة الصقيع. وفي الوقت نفسه، يتم إيقاف تشغيل المروحة الخارجية، التي تنفخ الهواء البارد عادة فوق الملف، من أجل تقليل كمية الحرارة اللازمة لإذابة الصقيع.
• أثناء حدوث ذلك، تقوم المضخة الحرارية بتبريد الهواء في مجاري الهواء. يقوم نظام التدفئة عادة بتدفئة هذا الهواء حيث يتم توزيعه في جميع أنحاء المنزل.

يتم استخدام إحدى الطريقتين لتحديد متى تنتقل الوحدة إلى وضع إزالة الجليد:

• تقوم أدوات التحكم في الصقيع عند الطلب بمراقبة تدفق الهواء وضغط سائل التبريد ودرجة حرارة الهواء أو الملف وفرق الضغط عبر الملف الخارجي للكشف عن تراكم الصقيع.
• يتم بدء عملية تذويب درجة الحرارة الزمنية وإنهائها بواسطة مؤقت فاصل محدد مسبقًا أو مستشعر درجة الحرارة الموجود على الملف الخارجي. يمكن بدء الدورة كل 30 أو 60 أو 90 دقيقة، حسب المناخ وتصميم النظام.

تؤدي دورات إزالة الجليد غير الضرورية إلى تقليل الأداء الموسمي للمضخة الحرارية. ونتيجة لذلك، تعد طريقة التجميد حسب الطلب أكثر كفاءة بشكل عام لأنها تبدأ دورة إزالة التجميد فقط عند الحاجة إليها.

مصادر الحرارة التكميلية

نظرًا لأن المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء لديها حد أدنى لدرجة حرارة التشغيل الخارجية (بين -15 درجة مئوية إلى -25 درجة مئوية) وقدرة تسخين منخفضة عند درجات حرارة شديدة البرودة، فمن المهم التفكير في مصدر تسخين إضافي لعمليات المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء. قد تكون هناك حاجة أيضًا إلى تسخين إضافي عند إزالة الجليد من المضخة الحرارية. تتوفر خيارات مختلفة:

• كهربائي بالكامل: في هذا التكوين، يتم استكمال عمليات المضخة الحرارية بعناصر مقاومة كهربائية موجودة في مجاري الهواء أو بألواح أساسية كهربائية. عناصر المقاومة هذه أقل كفاءة من المضخة الحرارية، لكن قدرتها على توفير التدفئة مستقلة عن درجة الحرارة الخارجية.
• النظام الهجين: في النظام الهجين، تستخدم المضخة الحرارية ذات مصدر الهواء نظامًا إضافيًا مثل الفرن أو المرجل. يمكن استخدام هذا الخيار في التركيبات الجديدة، وهو أيضًا خيار جيد حيث يتم إضافة مضخة حرارية إلى نظام موجود، على سبيل المثال، عند تركيب مضخة حرارية كبديل لمكيف الهواء المركزي.

راجع القسم الأخير من هذا الكتيب، المعدات ذات الصلة، لمزيد من المعلومات حول الأنظمة التي تستخدم مصادر التدفئة الإضافية. هناك، يمكنك العثور على مناقشة حول الخيارات المتعلقة بكيفية برمجة نظامك للانتقال بين استخدام المضخة الحرارية واستخدام مصدر الحرارة الإضافي.

اعتبارات كفاءة الطاقة

لدعم فهم هذا القسم، راجع القسم السابق المسمى مقدمة لكفاءة المضخة الحرارية للحصول على شرح لما تمثله HSPFs وSEERs.

في كندا، تنص لوائح كفاءة الطاقة على الحد الأدنى من الكفاءة الموسمية في التدفئة والتبريد التي يجب تحقيقها حتى يتم بيع المنتج في السوق الكندية. بالإضافة إلى هذه اللوائح، قد يكون لمقاطعتك أو إقليمك متطلبات أكثر صرامة.

يتم تلخيص الحد الأدنى للأداء في كندا ككل، والنطاقات النموذجية للمنتجات المتاحة في السوق، أدناه فيما يتعلق بالتدفئة والتبريد. من المهم أيضًا التحقق لمعرفة ما إذا كانت هناك أي لوائح إضافية معمول بها في منطقتك قبل اختيار نظامك.

أداء التبريد الموسمي، SEER:

• الحد الأدنى لـ SEER (كندا): 14
• النطاق، SEER في المنتجات المتاحة في السوق: 14 إلى 42

الأداء الموسمي للتدفئة، HSPF

• الحد الأدنى لـ HSPF (كندا): 7.1 (للمنطقة V)
• النطاق، HSPF في المنتجات المتوفرة في السوق: 7.1 إلى 13.2 (للمنطقة V)

ملاحظة: يتم توفير عوامل HSPF للمنطقة المناخية الخامسة لـ AHRI، التي تتمتع بمناخ مماثل لأوتاوا. قد تختلف الكفاءة الموسمية الفعلية حسب منطقتك. ويجري حاليًا تطوير معيار أداء جديد يهدف إلى تمثيل أداء هذه الأنظمة بشكل أفضل في المناطق الكندية.

تعتمد قيم SEER أو HSPF الفعلية على مجموعة متنوعة من العوامل المرتبطة بشكل أساسي بتصميم المضخة الحرارية. لقد تطور الأداء الحالي بشكل ملحوظ على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، مدفوعًا بالتطورات الجديدة في تكنولوجيا الضاغط، وتصميم المبادل الحراري، وتحسين تدفق سائل التبريد والتحكم فيه.

مضخات حرارية أحادية السرعة ومتغيرة السرعة

من المهم بشكل خاص عند النظر في الكفاءة دور تصميمات الضاغط الجديدة في تحسين الأداء الموسمي. عادةً، تتميز الوحدات التي تعمل بالحد الأدنى المحدد من SEER وHSPF بمضخات حرارية أحادية السرعة. تتوفر الآن مضخات حرارية ذات مصدر هواء متغيرة السرعة تم تصميمها لتغيير قدرة النظام لتتوافق بشكل أوثق مع طلب التدفئة / التبريد للمنزل في لحظة معينة. ويساعد ذلك في الحفاظ على أعلى مستويات الكفاءة في جميع الأوقات، بما في ذلك خلال الظروف الأكثر اعتدالًا عندما يكون الطلب أقل على النظام.

في الآونة الأخيرة، تم طرح المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء في السوق والتي تم تكييفها بشكل أفضل للعمل في المناخ الكندي البارد. تجمع هذه الأنظمة، والتي تسمى غالبًا مضخات حرارة المناخ البارد، بين الضواغط ذات السعة المتغيرة مع تصميمات وأدوات تحكم محسنة للمبادلات الحرارية لزيادة قدرة التسخين إلى أقصى حد في درجات حرارة الهواء الباردة، مع الحفاظ على كفاءات عالية أثناء الظروف الأكثر اعتدالًا. تحتوي هذه الأنواع من الأنظمة عادةً على قيم SEER وHSPF أعلى، حيث تصل بعض الأنظمة إلى SEERs حتى 42، وتقترب HSPFs من 13.

الشهادات والمعايير ومقاييس التقييم

تقوم جمعية المعايير الكندية (CSA) حاليًا بالتحقق من جميع المضخات الحرارية من أجل السلامة الكهربائية. يحدد معيار الأداء الاختبارات وظروف الاختبار التي يتم من خلالها تحديد قدرات وكفاءة تسخين وتبريد المضخة الحرارية. معايير اختبار أداء المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء هي CSA C656، والتي (اعتبارًا من عام 2014) تمت مواءمتها مع ANSI/AHRI 210/240-2008، تقييم أداء معدات تكييف الهواء الأحادية ومعدات المضخات الحرارية من مصدر الهواء. كما أنه يحل محل CAN/CSA-C273.3-M91، معيار الأداء لمكيفات الهواء المركزية ذات النظام المنفصل والمضخات الحرارية.

اعتبارات الحجم

لتحديد حجم نظام المضخة الحرارية بشكل مناسب، من المهم فهم احتياجات التدفئة والتبريد لمنزلك. يوصى بالاستعانة بمتخصص في التدفئة والتبريد لإجراء الحسابات المطلوبة. يجب تحديد أحمال التدفئة والتبريد باستخدام طريقة تحديد الحجم المعترف بها مثل CSA F280-12، "تحديد السعة المطلوبة لأجهزة التدفئة والتبريد في الأماكن السكنية".

يجب أن يتم تحديد حجم نظام المضخة الحرارية الخاص بك وفقًا للمناخ الخاص بك، وأحمال التدفئة والتبريد في المبنى، وأهداف التثبيت (على سبيل المثال، زيادة توفير طاقة التدفئة إلى الحد الأقصى مقابل إزاحة النظام الحالي خلال فترات معينة من السنة). للمساعدة في هذه العملية، طورت NRCan دليلًا لتحديد حجم واختيار المضخة الحرارية لمصدر الهواء. هذا الدليل، بالإضافة إلى أداة برمجية مصاحبة، مخصص لمستشاري الطاقة والمصممين الميكانيكيين، وهو متاح مجانًا لتقديم إرشادات حول الحجم المناسب.

إذا كانت المضخة الحرارية صغيرة الحجم، ستلاحظ أنه سيتم استخدام نظام التدفئة الإضافي بشكل متكرر. في حين أن النظام صغير الحجم سيظل يعمل بكفاءة، فقد لا تحصل على توفير الطاقة المتوقع بسبب الاستخدام العالي لنظام التدفئة الإضافي.

وبالمثل، إذا كانت المضخة الحرارية كبيرة الحجم، فقد لا يتم تحقيق توفير الطاقة المطلوب بسبب التشغيل غير الفعال أثناء الظروف المعتدلة. بينما يعمل نظام التدفئة الإضافي بشكل أقل تكرارًا، في ظل الظروف المحيطة الأكثر دفئًا، تنتج المضخة الحرارية الكثير من الحرارة وتدور الوحدة بين التشغيل والإيقاف مما يؤدي إلى عدم الراحة، وتآكل المضخة الحرارية، وسحب الطاقة الكهربائية الاحتياطية. لذلك من المهم أن يكون لديك فهم جيد لحمل التدفئة الخاص بك وما هي خصائص تشغيل المضخة الحرارية لتحقيق توفير الطاقة الأمثل.

معايير الاختيار الأخرى

وبصرف النظر عن الحجم، ينبغي النظر في العديد من عوامل الأداء الإضافية:

• HSPF: حدد وحدة ذات HSPF مرتفع قدر الإمكان. بالنسبة للوحدات ذات تصنيفات HSPF المماثلة، تحقق من تصنيفات الحالة المستقرة عند -8.3 درجة مئوية، وهو تصنيف درجة الحرارة المنخفضة. ستكون الوحدة ذات القيمة الأعلى هي الأكثر كفاءة في معظم مناطق كندا.
• إزالة الجليد: حدد وحدة ذات التحكم في إزالة الجليد عند الطلب. وهذا يقلل من دورات إزالة الجليد، مما يقلل من استخدام الطاقة الإضافية والمضخات الحرارية.
• تصنيف الصوت: يتم قياس الصوت بوحدات تسمى الديسيبل (ديسيبل). كلما انخفضت القيمة، انخفضت طاقة الصوت المنبعثة من الوحدة الخارجية. كلما ارتفع مستوى الديسيبل، كلما زادت الضوضاء. تتمتع معظم المضخات الحرارية بتصنيف صوت يبلغ 76 ديسيبل أو أقل.

اعتبارات التثبيت

يجب تركيب المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء بواسطة مقاول مؤهل. استشر متخصصًا محليًا في التدفئة والتبريد لتحديد حجم معداتك وتركيبها وصيانتها لضمان عمليات فعالة وموثوقة. إذا كنت تتطلع إلى استخدام مضخة حرارية لتحل محل الفرن المركزي أو تكمله، فيجب أن تدرك أن المضخات الحرارية تعمل بشكل عام عند تدفقات هواء أعلى من أنظمة الفرن. اعتمادًا على حجم المضخة الحرارية الجديدة، قد تكون هناك حاجة لبعض التعديلات على مجاري الهواء لتجنب الضوضاء الإضافية واستخدام طاقة المروحة. سيكون المقاول الخاص بك قادرًا على إعطائك إرشادات بشأن حالتك المحددة.

تعتمد تكلفة تركيب مضخة حرارية مصدر الهواء على نوع النظام وأهداف التصميم الخاصة بك وأي معدات تدفئة ومجاري هواء موجودة في منزلك. في بعض الحالات، قد تكون هناك حاجة إلى تعديلات إضافية على مجاري الهواء أو الخدمات الكهربائية لدعم تركيب المضخة الحرارية الجديدة.

اعتبارات التشغيل

يجب عليك ملاحظة عدة أشياء مهمة عند تشغيل المضخة الحرارية:

• تحسين المضخة الحرارية ونقاط ضبط النظام التكميلي. إذا كان لديك نظام كهربائي إضافي (على سبيل المثال، الألواح الأساسية أو عناصر المقاومة في القناة)، فتأكد من استخدام نقطة ضبط درجة حرارة أقل لنظامك الإضافي. سيساعد ذلك على زيادة كمية التدفئة التي توفرها المضخة الحرارية لمنزلك، مما يقلل من استخدام الطاقة وفواتير الخدمات. يوصى بوضع نقطة ضبط تتراوح بين 2 درجة مئوية إلى 3 درجات مئوية تحت نقطة ضبط درجة حرارة تسخين المضخة الحرارية. استشر مقاول التثبيت الخاص بك بشأن نقطة الضبط المثالية لنظامك.
• قم بالإعداد لعملية تذويب فعالة. يمكنك تقليل استخدام الطاقة عن طريق إعداد النظام الخاص بك لإيقاف تشغيل المروحة الداخلية أثناء دورات إزالة الجليد. يمكن تنفيذ ذلك بواسطة المثبت الخاص بك. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن إزالة الجليد قد تستغرق وقتًا أطول قليلاً مع هذا الإعداد.
• تقليل انتكاسات درجة الحرارة. تتميز المضخات الحرارية باستجابة أبطأ من أنظمة الأفران، لذا فهي أكثر صعوبة في الاستجابة لانتكاسات درجات الحرارة العميقة. يجب استخدام ارتدادات معتدلة لا تزيد عن 2 درجة مئوية أو استخدام منظم حرارة "ذكي" يقوم بتشغيل النظام مبكرًا، تحسبًا للتعافي من الانتكاسة. مرة أخرى، استشر مقاول التثبيت الخاص بك بشأن درجة حرارة الارتداد المثالية لنظامك.
• تحسين اتجاه تدفق الهواء الخاص بك. إذا كان لديك وحدة داخلية مثبتة على الحائط، فكر في تعديل اتجاه تدفق الهواء لتحقيق أقصى قدر من الراحة. توصي معظم الشركات المصنعة بتوجيه تدفق الهواء إلى الأسفل عند التسخين، وإلى الركاب أثناء التبريد.
• تحسين إعدادات المروحة. تأكد أيضًا من ضبط إعدادات المروحة لتحقيق أقصى قدر من الراحة. لتعظيم الحرارة التي يتم توصيلها من المضخة الحرارية، يوصى بضبط سرعة المروحة على سرعة عالية أو "تلقائية". أثناء التبريد، ولتحسين إزالة الرطوبة أيضًا، يوصى باستخدام سرعة المروحة "المنخفضة".

اعتبارات الصيانة

تعد الصيانة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لضمان تشغيل المضخة الحرارية بكفاءة وموثوقية وعمر خدمة طويل. يجب أن يكون لديك مقاول مؤهل لإجراء الصيانة السنوية لوحدتك للتأكد من أن كل شيء في حالة عمل جيدة.

وبصرف النظر عن الصيانة السنوية، هناك بعض الأشياء البسيطة التي يمكنك القيام بها لضمان عمليات موثوقة وفعالة. تأكد من تغيير أو تنظيف فلتر الهواء الخاص بك كل 3 أشهر، لأن انسداد المرشحات سيقلل من تدفق الهواء ويقلل من كفاءة النظام الخاص بك. تأكد أيضًا من عدم انسداد فتحات التهوية ومسجلات الهواء في منزلك بواسطة الأثاث أو السجاد، حيث أن تدفق الهواء غير الكافي من وإلى وحدتك يمكن أن يؤدي إلى تقصير عمر المعدات وتقليل كفاءة النظام.

تكاليف التشغيل

يمكن أن يساعد توفير الطاقة الناتج عن تركيب مضخة حرارية في تقليل فواتير الطاقة الشهرية. يعتمد تحقيق خفض في فواتير الطاقة الخاصة بك إلى حد كبير على سعر الكهرباء مقارنة بأنواع الوقود الأخرى مثل الغاز الطبيعي أو زيت التدفئة، وفي تطبيقات التعديل التحديثي، على نوع النظام الذي سيتم استبداله.

تأتي المضخات الحرارية بشكل عام بتكلفة أعلى مقارنة بالأنظمة الأخرى مثل الأفران أو الألواح الكهربائية نظرًا لعدد المكونات الموجودة في النظام. وفي بعض المناطق والحالات، يمكن استرداد هذه التكلفة الإضافية في فترة زمنية قصيرة نسبيًا من خلال توفير تكاليف المرافق. ومع ذلك، في مناطق أخرى، يمكن أن تؤدي معدلات المرافق المتفاوتة إلى تمديد هذه الفترة. من المهم العمل مع المقاول أو مستشار الطاقة الخاص بك للحصول على تقدير لاقتصاديات المضخات الحرارية في منطقتك، والوفورات المحتملة التي يمكنك تحقيقها.

العمر المتوقع والضمانات

تتمتع المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء بعمر خدمة يتراوح بين 15 و20 عامًا. الضاغط هو العنصر الحاسم في النظام.

تتم تغطية معظم المضخات الحرارية بضمان لمدة عام واحد على الأجزاء والعمالة، بالإضافة إلى ضمان إضافي لمدة تتراوح من خمس إلى عشر سنوات على الضاغط (للأجزاء فقط). ومع ذلك، تختلف الضمانات بين الشركات المصنعة، لذا تحقق من التفاصيل الدقيقة.

ملاحظة:

بعض المقالات مأخوذة من الإنترنت. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها. إذا كنت مهتمًا بمنتجات المضخات الحرارية، فلا تتردد في الاتصال بشركة المضخات الحرارية OSB، فنحن خيارك الأفضل.