משאבת חום

משאבת חום (באנגלית: Heat pump) היא מכונה או מתקן שמניע חום ממיקום אחד (ה"מקור") למיקום אחר ("כיור החום" Heat sink) באמצעות עבודה מכאנית. שימוש נפוץ במשאבות חום הוא כדי לספח חום שמצוי בסביבה (בדרך כלל מהאוויר או מהאדמה) ומקורו באנרגיה סולארית, ובאמצעות חום זה לחמם או לקרר אוויר או מים בתוך מבנים.

ניתן לחשוב על משאבת חום כעל מנוע-חום (או מנוע קורנו) הפועל ברוורס. היא פועלות בניגוד למפל הטמפרטורות (מעבירה חום ממאגר קר למאגר חם) ולכן חייבת לצרוך אקסרגיה.

דרך פעולה

הסבר על דרך הפעולה של משאבת חום שלוקחת חום מהאוויר.

חימום

משאבת החום גורמת לאידוי של נוזל קירור (Refrigerant) בתוך סליל שנמצא בחוץ. כאשר הנוזל מתאדה הוא שואב חום מהאוויר החיצוני. לאחר מכן דוחסים את הגז על ידי מדחס. הגז עובר בתוך סליל שנמצא בתוך המבנה, מתעבה לנוזל, ומשחרר על ידי כך חום לתוך הבית. שינויי הלחץ שנגרמים על ידי המדחס ושסתום ההתפשטות מאפשרים לגז להתפשט בטמפרטורה הנמוכה שיש בחוץ ולהתעבות בטמפרטורה הגבוהה יותר שיש בתוך הבית.

קירור

משאבת החום גורמת לאידוי של נוזל הקירור בסליל שבתוך הבית. כאשר הנוזל מתאדה לגז הוא סופח חום מהאוויר בתוך הבית. לאחר מכן הגז נדחס על ידי מדחס. הוא עובר לסליל החיצוני ושם הוא מתאבה לנוזל ומשחרר חום לאוויר החיצוני. הפרשי הלחץ שנגרמו על המדחס ושסתום ההתפשטות מאפשרים לגז להתעבות בטמפרטורה הגבוהה שיש בחוץ ולהתפשט בטמפרטורה הנמוכה יותר שיש בבית.

היעילות האנרגטית של משאבות חום

משאבות חום אינן ספק של אקסרגיה, כי אם מכשיר לשיפור היעילות האנרגטית שמנצל את אנרגיית השמש, לשם הגדלת היעילות של פעולות חימום וקירור.

כאשר מחממים חדר באמצעות תנור סליל להט, החשמל זורם בסליל וגורם לחיכוך שהופך את האקסרגיה לחום. לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה יש שימור של כמות האנרגיה (אנרגיה חשמלית-> אנרגיית חום), לכן מקדם היעילות האנרגטית (COP) המקסימלי של תנור כזה היא 1. כלומר וואט אחד של אנרגיה חשמלית שנכנס לתנור נותן וואט אחד של חום.

לעומת זאת, משאבת חום משתמשת באנרגיה שמוזרמת לתוכה (חשמל לדוגמה), כדי לבצע פעולה מכאנית שאוספת חום מהסביבה, לכן מקדם היעילות האנרגטית שלה יכול להיות גבוה יותר מ-1. במכשירים מסחריים שקיימים כיום (2009) בשוק, ניתן להגיע למקדם יעילות אנרגטית של 3.7 - כלומר וואט אחד שנכנס למערכת מאפשר לספק חום בהיקף של 3.7 וואט. אין כאן הפרה של החוק השני של התרמודינמיקה, שכן מקור האנרגיה שמספק את החום הזה הוא באנרגיה הסולארית שמחממת את האוויר ואת האדמה ומאפשרת קיום של מאגר חום זמין.

היעילות התאורטית המקסימלית של משאבת חום מתקבלת על ידי הנוסחה: הטמפרטורה (במעלות קלווין) ביעד (המקום אליו שואבים את החום) חלקי הפרש הטמפרטורות בין מקור החום ליעד החום.

היות ובדרך כלל בני אדם מעוניינים להשתמש במשאבת החום כדי להביא את המאגר הפנימי לטמפרטורה מסויימת - כמו מים חמים או אוויר נעים, היעילות האנרגטית של משאבת החום תלויה בעיקר בהפרש הטמפרטורות או במילים אחרות בטמפרטורה החיצונית. כמה משאבות חום המבוססות על אוויר לא עובדות היטב כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת למינוס חמש מעלות צלזיוס.

שימושים של משאבות חום

חימום

משאבות חום לוקחות חום ממקום קר ומזרימות אותו למקום חם. סוג שימושים אחד הוא כדי להעביר חום מתוך הסביבה החיצונית לתוך הבית. שימושים אלה כוללים חימום של בתים באיזור או בתקופה קרה - באמצעות מיזוג האוויר, רדיאטורים או חימום תת רצפתי. סוג שימוש דומה הוא שימוש במשאבת החום כדי לחמם מים לרחצה או לפעילות אחרת.

אפשר לחלק את משאבות החום ל-2 סוגים. משאבות חום שלוקחות חום מהאוויר, ומשאבות חום שלוקחות חום מהאדמה. הטכנולוגיה של לקיחת חום מהאוויר היא זולה יותר, ולכן משתמשים בה באקלים ממוזג. עם זאת, טכנולוגיה זו אינה מתאימה לאיזורים קרים יותר, ולכן משתמשים בהם בטכנולוגיה של לקיחת חום מהאדמה, ששומרת על טמפרטורה יציבה יותר במשך עונות השנה.

קירור

משאבות החום יכולות לשמש גם כדי להעביר חום מתוך הבית או המפעל, אל הסביבה החיצונית, ובכך להשיג קירור. דוגמאות נפוצות הן מקררים ומקפיאים, מזגנים ומשאבות חום בעלות מחזור חום שניתן להיפוך כדי לספק טמפרטורה נעימה.

סוג נפוץ של משאבת חום עובד על ידי ניצול של התכונות הפיזיקליות של אידוי והתעבות של נוזל הידועים כ-Refrigerant. ביישומים של חימום, איוורור ומיזוג אוויר, המונח משאבת חום מתייחס בדרך כלל למתקן קירור על של אידוי-דחיסה שכולל שסתום היפוך ופולטי חום אופטימליים כך שניתן להפוך את כיוון של זרימת החום.

השפעות סביבתיות

יש צורך בהשקעת אקסרגיה כדי להפעיל את משאבת החום, אבל היעילות האנרגטית שלה גדולה בהרבה יחסית לאפשרויות אחרות כמו חימום על ידי שריפת דלק מחצבי בצורה ישירה או חימום של תנור סליל להט, מסיבה זו משאבות חום מומלצות לצורכי שימור אנרגיה, חסכון בכסף (בעיקר לארגונים גדולים) וחסכון בזיהום אוויר או פליטה של גזי חממה שמקורם בשריפת דלק מחצבי.

בנוסף, קיימות משאבות חום שמשתמשות באנרגיה מתחדשת כדי לבצע הפעולה המכאנית משפעילה את שאיבת החום עצמה. דוגמה אחת למשאבת חום כזו היא ארובה סולארית שמשתמשת בחום השמש כדי ליצור זרימת אוויר שעובר מתחת לאדמה, מתקרר בה ומשמש למיזוג הבית.

ראו גם

• מיזוג אוויר
• ארובה סולארית

קישורים חיצוניים

• משאבת חום בוויקיפדיה האנגלית
• משאבות חום באתר חברת "סולארי"