كل ما تحتاج لمعرفته حول المضخات الحرارية الأرضية: التشغيل والخصائص

في المقالات السابقة تحدثنا عنها التدفئة الجوفية. ونذكر فيه أن أحد المكونات الضرورية لاستخدام هذا النوع من التدفئة هو مضخة الحرارة الجوفية، الذي يشبه تشغيله تشغيل المضخة الحرارية الشائعة. ومع ذلك، فإن الاختلاف الرئيسي هو أنه يستخدم الطاقة الحرارية المستخرجة من الأرض لتشغيله.

هل تريد أن تعرف بالتفصيل كيف تعمل المضخة الحرارية الأرضية وما هي خصائصها؟ ستكون هذه المعلومات مفيدة جدًا إذا كنت تفكر في تثبيت هذا النوع من النظام في منزلك.

المضخة الحرارية الجوفية

لفهم ما هي المضخة الحرارية الأرضية بالتفصيل، من الضروري أن نتذكر أولاً ما هي التدفئة الحرارية الأرضية. تستخدم هذه التقنية الحرارة المستخرجة من باطن الأرض، إما من الصخور أو المياه الجوفية، لتدفئة المبنى. يتم نقل الحرارة عن طريق الماء الساخن المتداول من خلال نظام من الأنابيب تحت الأرض المثبتة خصيصًا.

تعد المضخة الحرارية الأرضية عنصرًا أساسيًا في هذا النظام. في الواقع، توسع استخدامه إلى درجة أن نما سوق المضخات الحرارية بنسبة 20٪ سنويًا في السنوات الأخيرة. إذا سبق لك أن لاحظت الحرارة المنبعثة من الأنابيب الخلفية للثلاجة، فلديك بالفعل فكرة عامة عن كيفية عملها: تقوم الثلاجة بطرد الحرارة من الداخل إلى الخارج. تقوم المضخة الحرارية الأرضية بشيء مماثل، ولكن في الاتجاه المعاكس؛ أي أنها تأخذ الحرارة من الخارج (تحت الأرض) وتنقلها إلى داخل المنزل.

تشغيل المضخة الحرارية الأرضية

مبدأ تشغيل المضخة الحرارية الأرضية مشابه لمبدأ أي نظام تبريد، مثل الثلاجة أو مكيف الهواء. المفتاح في كلا النظامين هو استخدام سائل التبريد الذي يدور عبر نظام من الأنابيب. يتمتع هذا السائل بخاصية التسخين عند الضغط والتبريد عند التمدد.

خلال فصل الشتاء، يدور سائل التبريد، الذي تم ضغطه وتسخينه، من خلال مبادل حراري ينقل تلك الطاقة إلى نظام التدفئة في المنزل. ثم يبرد السائل ويتوسع، وهي العملية التي يتلامس فيها مرة أخرى مع مصدر الطاقة الحرارية الأرضية (الحرارة المنبعثة من باطن الأرض) لإعادة شحنها بالطاقة الحرارية. تتكرر هذه الدورة باستمرار للحفاظ على درجة حرارة المنزل مريحة.

على الرغم من أن المضخة الحرارية تستخدم الكهرباء لتحريك السوائل عبر النظام، إلا أن كفاءتها عالية بشكل ملحوظ. يمكن لأنظمة المضخات الحرارية الأرضية الحديثة أن تولد ما يصل إلى 4 كيلو واط من الحرارة لكل كيلو واط من الكهرباء المستهلكة. هذه الكفاءة ممكنة لأنه ليس من الضروري توليد الحرارة، ولكن ببساطة استخراجها من الأرض، حيث تكون درجات الحرارة دائمًا أكثر استقرارًا من تلك الموجودة على السطح.

بالإضافة إلى ذلك، توجد مضخات قابلة للعكس يمكنها أيضًا تبريد المنزل خلال فصل الصيف. تعمل هذه المضخات بشكل عكسي، حيث تقوم بطرد الحرارة من داخل المنزل إلى باطن الأرض. ويتم تحقيق ذلك من خلال صمام يتحكم في اتجاه تدفق الحرارة.

طرق استخراج الطاقة الحرارية الجوفية

هناك طرق مختلفة للاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية باستخدام المضخات الحرارية. عادة ما يكون المستخدمون على دراية باستخدام الهواء الخارجي للتدفئة، ولكن في حالة مضخات الطاقة الحرارية الأرضية، فإن مصدر الطاقة هو الحرارة المخزنة تحت الأرض. ويعتبر هذا النوع من الطاقة قابل للتجديد y عمليا لا نهاية لهاوالتي توفر التدفئة طوال العام بطريقة فعالة ومستدامة.

يتمتع هذا النوع من الأنظمة بميزة واضحة على طرق التدفئة الأخرى التي تعتمد على المناخ الخارجي، مثل الطاقة الحرارية الجوية. في حين أن المضخة الحرارية التقليدية تقلل من فعاليتها عندما تكون درجة الحرارة الخارجية شديدة البرودة، فإن المضخة الحرارية الأرضية لا تفقد كفاءتها أبدًا، حيث تحافظ باطن الأرض على درجة حرارة ثابتة، بغض النظر عن الظروف الجوية على السطح.

أنواع المضخات الحرارية الأرضية: الرأسية والأفقية

هناك نوعان رئيسيان من المضخات الحرارية الأرضية، ويختلفان في طريقة تركيب الأنابيب التي تستخرج الحرارة من الأرض:

• المضخات الحرارية الأرضية العمودية: وهي الأكثر شعبية ويتم تركيبها على أعماق تتراوح بين 150 و200 قدم تحت السطح. في هذا التكوين، يتم إدخال الأنابيب في ثقوب عمودية في الأرض، والتي من خلالها يدور سائل مضاد للتجمد يرفع الحرارة إلى سائل تبريد النظام.
• المضخات الحرارية الأرضية الأفقية: وفي هذه الحالة، يتم وضع الأنابيب بالقرب من السطح، بعمق حوالي 6 أقدام، موزعة أفقياً. يتطلب هذا النوع من التثبيت مساحة أكبر، مما يجعله مثاليًا لقطع الأراضي الكبيرة. على الرغم من أنها أقل تكلفة من المضخة العمودية، إلا أنها قد تكون أيضًا أقل كفاءة من حيث نقل الحرارة.

وفي كلا النظامين يمكن تركيب مجسات التبادل في الأراضي القريبة من المسطحات المائية مثل الأنهار أو البحيرات أو البحيرات، دون أن يؤثر ذلك على كفاءة النظام.

التقاط الطاقة الحرارية الأرضية في الماء

أحد الأشكال المثيرة للاهتمام لأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية هو جمع المياه الحرارية الأرضية، حيث يتم إدخال الأنابيب مباشرة إلى المسطحات المائية، مثل البحيرات أو الأنهار. ويعتبر هذا النظام أبسط وأرخص من حيث التركيب ويوفر كفاءة كبيرة طالما أن المورد المائي متوفر.

الاستثمار الأولي والعائد الاقتصادي

إحدى العوائق الرئيسية التي يواجهها أولئك الذين يفكرون في تركيب مضخة حرارية تعمل بالطاقة الحرارية الأرضية هي تكلفتها الأولية. تتطلب أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية استثمارًا كبيرًا في البداية، حيث من الضروري إجراء دراسات سابقة للتضاريس والحفر واقتناء المعدات المتخصصة.

في منزل العائلة، على سبيل المثال، يمكن أن يكلف تركيب نظام الطاقة الحرارية الأرضية ما بين 6.000 و 13.000 يورو. ومع ذلك، من المهم تسليط الضوء على أنه على الرغم من ارتفاع الاستثمار الأولي، فإن أنظمة المضخات الحرارية الأرضية تسمح بتوفير كبير على المدى الطويل. وتشير التقديرات إلى أنه يمكن للمستخدمين تقليل استهلاك الطاقة في التدفئة بنسبة تتراوح بين 30% و70%، وفي حالة التبريد بين 20% و50%. واعتمادًا على الاستخدام، تسمح هذه المدخرات بإطفاء الاستثمار الأولي في فترة تتراوح بين 5 و10 سنوات.

إن استخدام هذه التكنولوجيا لا يعود بالنفع على مالك النظام فحسب، بل على البيئة أيضًا، نظرًا لانخفاض استهلاك مصادر الطاقة غير المتجددة بشكل كبير، ومعه انخفاض انبعاثات الغازات الدفيئة.

تعد المضخات الحرارية الأرضية خيارًا مثاليًا لأولئك الذين يتطلعون إلى تقليل تأثيرها البيئي على المدى الطويل مع ضمان نظام تدفئة وتبريد فعال واقتصادي.