المضخات الحرارية الأرضية: التشغيل والتركيبات والمزايا التي تحتاج إلى معرفتها

في الكفاح من أجل كفاءة استخدام الطاقةتتيح لنا التكنولوجيا الاستفادة من مصادر الطاقة مثل الشمس أو الرياح أو الماء لإضاءة منازلنا وتحريكها وتدفئةها أو تبريدها. قد تكون الخطوة التالية هي النظر إلى أسفل أقدامنا، على ارتفاع بضعة أمتار فوق سطح الأرض، حيث تكون درجة الحرارة دافئة وثابتة في جميع الأوقات. مرة أخرى، يتعلق الأمر بتسخير الطاقة من حولنا. معظم الحرارة التي تصل إلينا من الشمس تمتصها القشرة الأرضية وتبقى تحت الأرض. شكرا ل مضخات الحرارة الجوفيةيمكننا الاستفادة من الحرارة القادمة من باطن الأرض لتدفئة أو تبريد منزلنا.

سنشرح في هذه المقالة ما هي المضخات الحرارية الأرضية وخصائصها وتشغيلها وكفاءتها وغير ذلك الكثير.

ما هي المضخات الحرارية الأرضية

ل مضخة الحرارة الجوفية هو نظام تدفئة وتبريد يستخدم الطاقة الحرارية المخزنة في الأرض لتنظيم درجة الحرارة في المبنى أو المنزل. على عكس الأنظمة التقليدية التي تحرق الوقود الأحفوري أو تستخدم الكهرباء لتوليد الحرارة أو البرودة، فإن مضخات الحرارة الأرضية أكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

وتستفيد هذه المضخات من حقيقة أن درجة الحرارة، على بعد أمتار قليلة تحت الأرض، تظل ثابتة طوال العام، بغض النظر عن الظروف الجوية الخارجية. وهذا يعني أن المضخات الحرارية الأرضية يمكن أن توفر التدفئة في الشتاء والتبريد في الصيف بكفاءة وبشكل مستدام.

كيف تعمل المضخات الحرارية الأرضية

El تشغيل مضخة الحرارة الحرارية الأرضية وهو يعتمد على الدورة الديناميكية الحرارية ويتشارك التكنولوجيا مع أنواع أخرى من المضخات الحرارية، مثل تلك المستخدمة في معدات تكييف الهواء التقليدية. ومع ذلك، بدلًا من استخلاص الحرارة من الهواء، تستخرجها المضخات الحرارية الأرضية من تحت الأرض. وللقيام بذلك، يستخدمون دائرة مغلقة من الأنابيب المدفونة التي تتبادل الحرارة مع الأرض.

ويمكن للنظام أن يعمل بطريقتين رئيسيتين:

• في وضع التدفئة: تستخرج المضخة الحرارة من الأرض وتنقلها إلى نظام التدفئة في المنزل.
• في وضع التبريد: وفي فصل الصيف، تنعكس العملية، حيث يتم استخراج الحرارة من داخل المنزل ونقلها إلى الأرض.

تتكون الدورة من العناصر الأساسية التالية:

• ضاغط: وهو المسؤول عن زيادة ضغط سائل نقل الحرارة وتسخينه لتوليد درجة الحرارة المطلوبة داخل المنزل.
• المبخر: جهاز يعمل على تقليل ضغط السائل، وخفض درجة حرارته حتى يتمكن من التقاط الحرارة من الأرض.
• مكثف: حيث يتم نقل الحرارة إلى نظام التدفئة أو التبريد في المنزل.
• صمام توسع: الصمام الذي ينظم تدفق سائل التبريد، مما يسمح باستمرار الدورة.

هذه العملية الدورية للتبخر والتكثيف هي ما يسمح للنظام بالعمل في كل من التدفئة والتبريد، والتكيف مع احتياجات المنزل في كل موسم من السنة.

المنشآت مع مضخات الطاقة الحرارية الأرضية

هناك عدة أنواع من منشآت الطاقة الحرارية الأرضية اعتمادًا على ترتيب المجمعات التي تتبادل الحرارة مع الأرض. ويجب أن نأخذ في الاعتبار عوامل مثل توفر المساحة وخصائص التضاريس لاختيار النوع الأنسب. التكوينات الأكثر شيوعًا هي:

التقاط الطاقة الحرارية الأرضية الأفقية

ويتميز هذا النوع من التثبيت بـ وضع أفقي من الأنابيب في جميع أنحاء قطعة الأرض. يتم وضع الأنابيب عادة على عمق يتراوح بين 1 و 2 متر.

إنه التنسيق الأرخص والأسهل في التثبيت، ولكنه يتطلب مساحة كبيرة. ولذلك، فهو أكثر شيوعا في منازل الأسرة الواحدة التي لديها قطع كبيرة من الأرض. في قطع الأراضي الصغيرة، لا يكون هذا الخيار قابلاً للتطبيق دائمًا.

التقاط الطاقة الحرارية الأرضية العمودية

في المناطق التي لا توجد فيها مساحة كافية للتركيب الأفقي، يتم الاختيار التقاط عمودي. وفي هذه الحالة يتم حفر آبار عميقة يتراوح عمقها بين 50 و150 متراً، حيث يتم تركيب مجسات الطاقة الحرارية الأرضية.

على الرغم من أنه يتطلب المزيد من الاستثمار الأولي بسبب الآلات المتخصصة للحفر، إلا أن هذا الخيار عادة ما يكون أكثر كفاءة، لأنه في العمق الأكبر، تحافظ الأرض على درجة حرارة أكثر ثباتًا وأعلى.

الالتقاط في الماء (البحيرات أو الأنهار)

إذا كان لديك إمكانية الوصول إلى بحيرة أو نهر أو خزان مياه قريب، فمن الممكن أيضًا تركيب مجمعات الطاقة الحرارية الأرضية في هذه المسطحات المائية. ومن خلال هذه التقنية، يقوم النظام بتبادل الحرارة مع الماء، وهو ما يمكن أن يكون فعالاً للغاية بسبب القدرة الحرارية للمياه.

إلا أن العيب الرئيسي لهذا النظام هو أنه ليس متوفرا دائما، لأنه يعتمد على القرب من مصدر مياه مناسب.

مزايا وعيوب المضخات الحرارية الأرضية

ميزة

• كفاءة الطاقة: تتميز المضخات الحرارية الأرضية بالكفاءة العالية، حيث يمكن أن تصل نسب الأداء (COP) إلى 4 أو 5. وهذا يعني أنه مقابل كل كيلووات ساعة من الكهرباء المستهلكة، فإنها تولد ما بين 4 و5 كيلووات ساعة من الطاقة الحرارية.
• الاستدامة: يستخدم هذا النظام مصدر طاقة متجدد متاح على مدار السنة، مما يساهم في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واستخدام الوقود الأحفوري.
• التنوع: لا تُستخدم المضخات الحرارية الأرضية للتدفئة فحسب، بل تُستخدم أيضًا للتبريد وإنتاج الماء الساخن المنزلي (DHW).
• متانة: تُعرف أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية بطول عمرها، حيث تتجاوز بسهولة 20 إلى 30 عامًا من العمر الإنتاجي.
• الاستثمار على المدى الطويل: وعلى الرغم من أن الاستثمار الأولي قد يكون مرتفعا، إلا أن تكاليف التشغيل والصيانة منخفضة، لذلك يتم إطفاؤها في فترة معقولة.

عيوب

• ارتفاع التكلفة الأولية: يمكن أن يكون الاستثمار الأولي كبيرًا، خاصة في الأنظمة ذات التجميع الرأسي. ومع ذلك، فإنها عادة ما تغطي تكاليفها في أقل من 10 سنوات بفضل توفير الطاقة.
• المساحة المطلوبة: قد يتطلب هذا النوع من التثبيت مساحة كبيرة لأنظمة التجميع الأفقية.
• الدراسة الجيوتقنية: اعتمادا على خصائص التضاريس، من الضروري إجراء دراسات سابقة يمكن أن تزيد من التكاليف.
• وقت دفع الثمن: على الرغم من أن المضخات الحرارية الأرضية فعالة للغاية، إلا أنها قد تستغرق في بعض الحالات ما يصل إلى 7 إلى 10 سنوات لتغطية تكاليفها.

على أية حال، تعتبر المضخات الحرارية الأرضية استثمارًا ممتازًا على المدى الطويل، سواء من الناحية الاقتصادية أو البيئية. بفضل أدائه العالي واستهلاكه المنخفض للطاقة، يختار المزيد والمزيد من الأشخاص هذا النظام لمنازلهم.