در این مطلب، به چگونگی کارکرد انواع هیت پمپ های مورد استفاده در صنعت تهویه مطبوع به همراه محاسن، معایب، راندمان سیستم، هزینه ها، نوع طراحی و محاسبات آنها پرداخته شده است.
سیستم های زمین گرمایی نیز که جزیی از هیت پمپ ها با راندمان است در زمره سیستم های نوین در صنعت تاسیسات دنیا محسوب شده اما متاسفانه در ایران به گستردگی دیگر سیستم ها نیست و یا به صورت آزمایشی اجرا شده است.
1- هیت پمپها و اصول کارکرد :

تمام هیت پمپ ها چه در نوع هوایی و چه در نوع آبی دارای عملکرد مشابه بهم هستند. هیت پمپ های اولیه دستگاه های هوایی بودند که بطور ساده از سیکل تراکمی تبرید، مبدل و یک شیرREVERSING در ساختمان خود برای تامین سرمایش و گرمایش استفاده می کردند.
بدین معنا که سیستم از دو بخش مجزای داخلی و خارجی تشکیل شده و مبرد توسط کمپرسور در سیستم در جریان است و با جذب کردن و دفع کردن گرما به محیط ، تامین سرمایش و گرمایش را انجام می دهد. شیر REVERSING نیز جهت سیکل را در مدهای سرمایش و گرمایش تعویض میکند.
هیت پمپ هوایی در حالت گرمایش:
مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور، و عبور از شیر معکوس کننده، توسط انتقال حرارتی که با هوای سرد محیط انجام می دهد، کندانس شده (تغییر فاز به مایع) و سپس با عبور از شیر انبساط، دمای آن افت می کند. حال مبرد در اواپراتور با گرفتن دمای محیط، تبخیر شده و با حالت گازی کم فشار به کمپرسور برمی گردد (شکل زیر).

هیت پمپ هوایی در حالت سرمایش:
مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور، توسط انتقال حرارتی که با هوای خارج انجام می دهد، کندانس شده (تغییر فاز به مایع) و با عبور از شیر انبساط، دمای آن افت می کند. حال مبرد در اواپراتور با گرفتن دمای اتاق، تبخیر شده و با حالت گازی کم فشار به کمپرسور برمی گردد (شکل زیر).

 

در مرحله بعدی، هیت پمپ های آبی وارد بازار تاسیسات شدند که همان ساختمان قبلی را دارند اما به جای هوا از سیال آب به عنوان سیال واسط استفاده می کنند. هیت پمپ های زمین گرمایی در واقع نسل جدید همین هیت پمپ های آبی هستند اما با راندمان خیلی بیشتر.
هیت پمپ آبی در حالت سرمایش:
همانطور که در شکل مشخص است مبرد گازی پرفشار پس از خروج از کمپرسور وارد یک مبدل آب به مبرد جهت انتقال حرارت و کندانس شده و بعد از گذشتن از بقیه متعلقات وارد اواپراتور جهت تبخیر و تامین سرمایش می گردد. توسط سیکل تبرید، گرما از هوای اتاق گرفته شده و هوای سرد جایگزین آن می گردد (شکل زیر).

درجه حرارت آب تغذیه جهت انتقال حرارت و کندانس مبرد در کندانسور، ماکزیمم 90 درجه فارنهایت درنظر گرفته می شود. دلیل استفاده از برج خنک کن در این سیستم اینست که در روزهای خیلی گرم سال، درجه حرارت آب تغذیه از مقدار طراحی تجاوز ننماید.
هیت پمپ آبی در حالت گرمایش:

در مد گرمایشی، مبرد گازی پر فشار وارد کندانسور شده و بعد از انتقال حرارت و عمل کندانس و تامین گرمایش فضا، برای تبخیر به اواپراتور دستگاه باز می گردد. در این حالت برای تبخیر از یک مبدل آب به مبرد استفاده می شود. در این حالت، از آب جهت تبخیر مبرد در اواپراتور و برگشت آن به شکل گازی با فشار کم به کمپرسور استفاده می شود. دلیل استفاده از بویلر در فصل سرد سال اینست که مطمئن شویم که درجه حرارت آب تغذیه از مینیمم دمای طراحی پایین تر نخواهد آمد.

هیت پمپ آبی در حالت سرمایش و گرمایش همزمان:
در شرایطی که فضاهای داخلی یا فضاهای سمت جنوب ساختمان نیاز به سرما دارند و برعکس فضاهای که در سمت شمال ساختمان واقع شده اند ممکن است نیاز به گرما داشته باشند، می توان از پمپ های حرارتی آبی در حالت سرمایش و گرمایش همزمان استفاده کرد.
این حالت در روزهایی از سال مثل بهار یا اوایل پاییز که به هر دو مد سرمایش گرمایش نیاز داریم، استفاده زیادی دارد. جهت توزیع هوای گرم یا سرد نیز از طراحی کانال Low Pressure در سقف کاذب و برای برگشت نیز از یک Return Grill استفاده می شود. پمپ های مورد استفاده جهت پمپاژ آب نیز در موتورخانه قرار دارند.
توجه :
تامین سرمایش و گرمایش برای فضا توسط یک سیکل انجام می گردد. منتهی معکوس کردن این سیکل توسط شیر معکوس کننده است که در شکل ها نشان داده شده است.
2- سیستم زمین گرمایی:

تا اینجا بدین مطلب رسیدیم که برای تامین سرمایش و گرمایش توسط هیت پمپ های آبی، به منبعی نیاز داریم که:
1- از آن گرما بگیریم جهت تبخیر مبرد در اواپرتو در سیکل گرمایش
2- یا گرما را به آن پس بدیم جهت کندانس مبرد در کندانسور در سیکل سرمایش
لذا برای استفاده از چنین منبعی میتوان از خاک در اعماق زمین استفاده کرد که دارای دمای مناسبی هست. طبق مطالعات زمین شناسی، از ارتفاع 20 الی 30 فوتی به پایین، درجه حرارت خاک شروع به ثابت شدن می نماید. این دما براساس ارتفاع از سطح دریا و مشخصات لایه های زمین در نقاط مختلف، متفاوت است. برای مثال جدول زیر، دمای خاک را برای شهرهای مختلف امریکا و تعدادی از کشورهای دیگر نشان میدهد که از ارتفاعی مشخص، ثابت هستند.
 

 
به چنین سیستمی GSHP و یا هیت پمپ زمین گرمایی و یا GROUND SOURCE HEAT PUMP می گویند. در این حالت برای انتقال آب از ساختمان به اعماق زمین از لوله های HDPE استفاده می شود که همین لوله ها خود در اعماق زمین به عنوان مبدلی برای انتقال حرارت بین آب و خاک بکار می روند. بدین معنا که:

در فصل گرمایش: گرما از زمین گرفته شده و به هیت پمپ منتقل می گردد . 
در فصل سرمایش: گرمایی که از محیط توسط هیت پمپ گرفته شده است را به زمین منتقل میکنند .
در صورت صحیح طراحی شدن سیستم زمین گرمایی، نیاز به بویلر و برج خنک کن مانند سیستم قبلی نیست که این خود کاهش مصرف انرژی بالایی را به همراه دارد. سالانه بیش از پنجاه هزار دستگاه هیت پمپ زمین گرمایی در آمریکا به فروش میرسد. 

نوید ژیانی 

کارشناس ارشد مکانیک - عضو تخصصی سازمان اشری

در مقاله آینده به محاسن، معایب، راندمان و نحوه طراحی سیستم اشاره خواهد شد.(اینجا)