مضخة الحرارة الابتكارية تكنولوجيات التدفئة الحرارية الأرضية السكنية

وقد أدى البحث عن تدفئة وتبريد منزليين موثوقين وكفؤين ومسؤولين بيئيا إلى قيام العديد من أصحاب المنازل بالنظر تحت أقدامهم، وقد أعاق التاريخ استخدام التدفئة الحرارية الأرضية، وهو معيار ذهبي طويل في كفاءة الطاقة، بسبب ارتفاع التكاليف الأولية ومتطلبات التركيب المعقدة، واليوم، فإن جيلا جديدا من تكنولوجيات المضخات الحرارية هو إزالة تلك الحواجز، مما يؤدي إلى زيادة فعالية النظم القائمة على التكوين المضغي، والتشكيلات، والاستخبارات المحلية، والتصنيع.

The Fundamentals of Geothermal Heat Pumps

ومن أجل تقدير ما هو جديد، يساعد على فهم ما تبقى دون تغيير، كما أن مضخات الحرارة الأرضية، تسمى أيضا مضخات الحرارة الأرضية، وتزيد درجة الحرارة الثابتة في الأرض من 45 درجة شرقا إلى 75 درجة ف، تبعا للخط العرض والعمق - كمصدر حراري في الشتاء ووعة حرارية في الصيف، وخلافا للمضخات الحرارية التي يجب أن تكافح مع تقلبات درجات الحرارة الخارجية، تعمل بيئات الطاقة الحرارية الحرارية في جوية.

وتشمل العناصر الحاسمة حلقة أرضية )شبكة من الأنابيب المدفونة في الأرض أو المغمورة في بركة(، ودائرة التبريد داخل وحدة المضخات الحرارية، ونظام توزيع )عادة ما تكون مقتنيات أو طابقا مشعا(، وتستوعب العناصر المبردة التي تدور عبر الحلقة الأرضية الحرارة أو ترفضها، وتزيد من قدرة مضخة الحرارة على التكيف مع الطاقة داخلها.

Innovative Technologies Reshaping Residential Geothermal

المكثفات المتقلبة السرعة والمنحرفة

ومن أهم الانجازات في تكنولوجيا المضخات الحرارية، الاعتماد الواسع النطاق لحاملي النفايات المتغيرة (المحركة بواسطة الحاسوب) حيث تستخدم الوحدات الحرارية الأرضية القديمة مضغطات ذات سرعة واحدة تعمل بكامل طاقتها حتى تصل نقطة الانطلاق، ثم تغلق تماماً، وهذا في حالة الطاقة المزودة بالنفايات، ويخلق تقلباتات في درجة الحرارة، ويولد ضجة.

وقد أدمجت عوامل التصنيع مثل ووترنات وبوستش مكثفات للزجاجات مع صمامات التوسع الإلكتروني التي تزيد من تعظيم تدفق التبريد وتسهم هذه الابتكارات في تقييمات نجمية مثيرة للإعجاب ] مع قيم معامل الأداء التي تتجاوز 5.0 في بعض النماذج.

تعزيز تصميمات اللوبي الأرضية

وكثيرا ما تكون الحلقة الأرضية أكثر الأجزاء تكلفة وهبطا من تركيبة الحرارة الأرضية، إذ تتطلب النظم التقليدية خنادق أفقية طويلة )تراوح بين ٤٠٠ و ٦٠٠ قدم لكل طن من القدرات( أو ثقوب عمودية عميقة )١٥٠-٥٠٠ قدما( وتركز الابتكارات الأخيرة على زيادة نقل الحرارة لكل وحدة من طول الأنابيب، مما يقلل من التكلفة والحفر.

اللوبيات الكوسية والروحية

وتستخدم الحلقات التاكسية تصميماً من الأنابيب داخل التوبي يزيد من التدفق المضطرب، ويعزز النقل الحرفي إلى التربة المحيطة، وتضع حلقات " سلكية " عدة فحم من الأنابيب في خندق من المستوى، وتحزم مساحة سطحية أكبر إلى حد أدنى، أما بالنسبة للممتلكات ذات المساحة المحدودة، فيمكن لهذه التصاميم أن تقطع المساحة المطلوبة من الخنادق بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، مقارنة بالقطعة التقليدية.

Energy Piles and Foundation Loops

ويدمج خيار جديد الحلقة مباشرة في الأساس أو الأكوام الهيكلية للتشييد الجديد، ويمكن تركيب أكوام محددة معززة بالفولاذ مع أنابيب التبادل الحراري المدمجة، باستخدام العناصر الهيكلية للمبنى كجامعات حرارية، وهذا النهج يلغي الحاجة إلى الخندق بشكل منفصل ويمكن أن يقلل من تكاليف المشروع الإجمالية بنسبة ١٥-٢٠ في المائة في البنى التجارية والسكنية المرتفعة.

نظم التبادل المباشر (د-X)

(د) النظم الحرارية الأرضية DX، بدلاً من حلقة التحلل الثانوي للمياه، توزع التبريد مباشرة عن طريق الأنابيب النحاسية المدفونة في الأرض، وتحقق نظم الـ دي إكس كفاءة أكبر في نقل الحرارة وحجم أقل من الثغرات الأرضية، وقد حسّنت أوجه التقدم في حماية التآكل وتصميم الضغط مصداقية هذه النظم، مما يجعلها خياراً قاهراً لمشاريع إعادة التصريف حيث تكون الحيز المتاح للفرنك الحديدية في أقسط.

التحكم في الذكاء والتعلم في الآلة

فالنظم الحرارية الأرضية أصبحت الآن أذكى من أي وقت مضى، إذ أن أجهزة التحكم الحديثة تضم أجهزة استشعار للشغل، وبيانات الطقس في الهواء الطلق، بل وأجهزة التكوين الآلي التي تحلل أنماط التدفئة والتبريد في المنزل بمرور الوقت، ويمكن لهذه الضوابط الذكية أن تتوقع بدء عمليات التمزق في درجات الحرارة، وأن تعدل النقاط أثناء الغياب، بل وأن تنسق مع معدلات انقطاع الكهرباء عن العمل.

وهناك نظم كثيرة تتكامل الآن مع برامج منزلية ذكية شعبية، تسمح للمالكين لرصد استهلاك الطاقة، ودرجات الحرارة، و ساعات الضغط عن طريق جهاز هاتف ذكي، ويمكن لبعض أجهزة التحكم المتقدمة أن تكتشف تدهور النظام قبل أن يصبح فشلا، وأن تخطر مالك المنزل أو المصاب بالعدوى على مسائل محتملة مثل انخفاض تكلفة التبريد، أو تقييد تدفق الثوابت، أو عدم تحقق الصمامات، وهذه القدرة على الصيانة التنبؤية تمتد إلى الحياة وتمنع.

النظم الحرارية الأرضية الهجينة

وهناك نهج ابتكاري آخر هو نظام " المصدر المزدوج " الذي يربط بين مضخة حرارية حرارية حرارية ذات مصادر جوية أصغر أو فرن الغاز، وفي أثناء أكثر الطبقات برودة، عندما لا تحافظ درجات الحرارة الأرضية وحدها على ارتفاع الوحدات التكميلية لتغطية الحمولة القصوى، وفي الوقت نفسه، تتولى وحدة الحرارة الأرضية معالجة الغالبية العظمى من التدفئة والتبريد على مدى السنة.

الاستحقاقات الرئيسية لمالكي المنازل

كفاءة الطاقة الاستثنائية

وحتى مع التكنولوجيا القديمة، تحقق النظم الحرارية الأرضية بصورة روتينية كفاءة تتراوح بين 300 و 40 في المائة، حيث يمكن أن يرتفع هذا العدد إلى 500 في المائة أو أكثر، ونظرا لأن درجة الحرارة الأرضية مستقرة، فإن الكفاءة لا تتراجع في أبشع الليالي الشتوية أو في أكثر فترات العصر الصيفي الساخنة، خلافا للمضخات الحرارية من مصادر الهواء، وهذا الأداء المتسق يترجم مباشرة إلى فواتير أقل فائدة.

تخفيض مخططات كربون الكربون

ولا تنتج نظم الطاقة الحرارية الأرضية انبعاثات مباشرة من غازات الدفيئة، ولأنها تستخدم الكهرباء بكفاءة كبيرة، فإن الانبعاثات غير المباشرة من الشبكة أقل بكثير من الانبعاثات المرتبطة بحرق الوقود الأحفوري، ووفقا لما ذكرته وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة، يمكن لمضخات الحرارة الحرارية الأرضية أن تقلل من استهلاك الطاقة وما يقابلها من انبعاثات بنسبة 44 في المائة مقارنة بمضخات الحرارة في الهواء وبنسبة تصل إلى 72 في المائة مقارنة بالنهج المبرد في مجال المقاومة الكهربائية.

طول العمر وانخفاض الصيانة

ولا توجد مكونات الحلقة الأرضية )الأنابيب المحترقة أو النحاس( أجزاء متحركة، وهي عادة ما تكون مسوغة لمدة ٢٥-٥٠ سنة، ويمكن أن تستمر وحدة المضخات الحرارية نفسها، مع الصيانة المناسبة، لمدة ٢٠-٢٥ سنة - أطول من العمر المتوقع لفرن تقليدي أو مكيف هواء، وعادة ما تنطوي الصيانة السنوية على عدد قليل من المرشات المتغيرة، وتدقيق التركيز المضاد للزجاج، والتحقق من ضغط الثلاجات في الهواء.

عملية هدوء وراحة

ونظرا لأن الشريك والمعجبين موجودان داخل الغرفة الميكانيكية (أو في خزانة مغلقة) لا توجد وحدة للمكثفات الخارجية المزعجة تعمل في 70 ديسبلا، وتنتج النظم الحرارية الأرضية رطوبة دقيقة تقريبا، وتزيل التكنولوجيا المتغيرة السرعة من الانفجارات المفاجئة للبدء والتوقف، كما أن تدفق الهواء المتسق والمنخفض السرعة يعني أقل مقارنة بنظم الحرارة التقليدية.

اعتبارات التكاليف والحوافز

الاستثمار المباشر

ولا يزال الحاجز الرئيسي هو التكلفة الأولى، إذ يتراوح تركيب الطاقة الحرارية الأرضية الاعتيادية بين ٠٠٠ ١٨ دولار و ٠٠٠ ٣٥ دولار لنظام ٤ طن، تبعا لتشكيل العوالق، وظروف التربة، وحجم المنازل، وهذا أعلى بكثير من تكلفة الاستبدال العالي الكفاءة والمكيف، وقدره ٠٠٠ ٤ دولار و ٠٠٠ ٨ دولار، غير أن الفجوة تضيق بسبب ابتكارات تصميمات العوارض والحوافز الاتحادية/الدولية.

المدخرات الطويلة الأجل

ويزيد معظم أصحاب المنازل من التكاليف المرتفعة من خلال انخفاض فواتير المرافق خلال فترة تتراوح بين ٥ و ١٢ سنة، وتقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن المضخة الحرارية الأرضية يمكن أن تقلل فواتير التدفئة بنسبة ٣٠-٦٠ في المائة وفواتير التبريد بنسبة ٢٠-٥٠ في المائة، ومع ارتفاع أسعار الطاقة، فإن فترة الانتكاس تتقلص، وفي الولايات التي تتحمل تكاليف كهرباء عالية مثل هاواي، كاليفورنيا، أو نيو إنكلترا، يمكن أن تدفع ثلاث سنوات.

الائتمانات الضريبية الاتحادية والمبالغ المقيدة

وقد استعاد قانون تخفيض التضخم لعام 2022 ووسع نطاق الائتمان الضريبي الاتحادي بنسبة 30 في المائة لمنشآت المضخات الحرارية الأرضية التي لا توجد بها سقف أعلى، وذلك بالنسبة لنظام يبلغ 000 25 دولار، وهو تخفيض فوري قدره 500 7 دولار، ويوفر العديد من الولايات والمرافق مزيدا من إعادة البطاقات، أو القروض المنخفضة الفائدة، أو الحوافز القائمة على الأداء، وعلى سبيل المثال، توفر قاعدة بيانات قابلة للبحث عن الحوافز حسب الموقع.

النظر في تركيب مواقع معينة وصلاحيتها

الاحتياجات من الأراضي

وتتطلب نظم الحلقات الأفقية نحو 400-600 قدم مربع من الأراضي المفتوحة لكل طن من القدرات، وتحتاج الحلقات العمودية إلى مساحة أقل بكثير من سطح الأرض فقط، مما يجعلها مناسبة للحفر في المناطق الحضرية الأصغر حجماً، ويمكن أن تؤدي تصميمات حلقات محسنة مثل الفحم النحيل إلى خفض الاحتياجات الأفقية من الأراضي بنسبة 30 في المائة، وسيقيّم تقييم الموقع مدى سلامة تصريف التربة، وتوافر المياه الجوفية، وعمق الأعماق.

Retrofit vs. New Construction

وكثيرا ما يكون تركيب الطاقة الحرارية الأرضية في منزل قائم أكثر صعوبة بسبب تعطيل الغطاء الأرضي، والقيود المفروضة على الأماكن الداخلية لوحدة المضخات الحرارية، والأعمال التي قد تحتاج إلى إعادة تركيبها، غير أن الوحدات الحرارية الأرضية ذات النمط المصغر أو النظم الهجينة يمكن أن تعمل أحيانا حول هذه المسائل، والبناء الجديد مثالي، حيث يمكن تركيب الحلقة الأرضية قبل أن تهبط وتؤسس العمل.

العوامل المتعلقة بالقيود والبيئة

وتختلف الأنظمة البيئية حسب البلديات، وتحتاج نظم فتح المياه الجوفية التي تستخرج وتعود إلى المياه الجوفية إلى السماح بتنفي تلوث المياه الجوفية أو استنفادها.() وتعاني نظم الصومعة المغلقة (الخطية أو الأفقية) من أدنى تأثير بيئي عندما يتم تركيبها، ولكن الحفر يجب أن يتجنب المرافق الجوفية ومصادر المياه المحمية.() ويضمن الامتثال لنظم المعلومات البيئية الدولية ذات الخبرة، .

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا التسخين الحرارية الأرضية

مضخات الحرارة الأرضية مع المبردات ذات القدرة الحرارية العالمية الدنيا

وتنتقل الصناعة من R-410A (GWP of 2,088) إلى بدائل ذات قدرة منخفضة على إحداث الاحترار العالمي مثل R-32 (GWP of 675) وR-290 (propane, GWP of 3). وتصمم نظم جديدة لاستيعاب هذه الثلاجات مع الحفاظ على الكفاءة العالية. وفي أوروبا، تم بالفعل تسويق وحدات الحرارة الأرضية القائمة على الدفع، ومن المتوقع أن تتقيد شركات تصنيع اليورانيوم بالقيود المفروضة على الطاقة.

الإدماج مع تخزين الشمس والبطاريات

إن مقياس الحرارة الأرضية مع ألواح التصوير الفلكي الشمسية السطحية هو تآزر طبيعي، إذ أن حجم الطاقة الكهربائية التي تحملها مضخة الحرارة يتراوح بين ٠٠٠ ٥ و ٠٠٠ ٨ كيلوواط/سنة لسرقة قدرها ٠٠٠ ٢ متر مربع، ويقابل الاختناق النافذ تماما بنظام كهربائي متواضع يتراوح بين ٥ و ٧ كيلوواط، ويتيح تخزين البطاريات للنظام تحويل استهلاكه من الطاقة الكهربائية إلى أوقات توفر فيها برامج الضخ الذاتي.

نظام دريفن للبيانات

ومع ارتفاع شبكة الإنترنت في الأمور، أصبحت النظم الحرارية الأرضية ذاتية التشغيل، وتقوم أجهزة التحكم ذات الصلة بالكلاود بجمع البيانات من آلاف المنشآت لتنقيح الخوارزميات لدورات الخردل، والجدول الزمني لمضخات العوالق، والتقويم الضغطي، وتتعلم هذه النظم بمرور الوقت الاستجابة الحرارية المحددة للبيت والأرض، وتكيف الأداء بالنسبة إلى الحد الأقصى من الكفاءة.

تخزين الطاقة الحرارية

ويستكشف الباحثون استخدام مواد التغيير التدريجي لتخزين الطاقة الحرارية، مما يتيح لثبات المياه الجوفية أن تسبق حرارة المبنى أو ما قبل إشعاله خلال ساعات العمل، وقد يؤدي مفهوم " التحميل " هذا إلى زيادة تخفيض تكاليف الكهرباء والتخفيف من الضغط على الشبكة، وفي حين أن الحلقات التجريبية المدمجة في تركيبات PCM قد أظهرت تحسنا بنسبة تتراوح بين 15 و 20 في المائة في فعالية كفاءة النظام خلال ذروة الطلب.

Comparative Analysis: Geothermal vs. Alternatives

حرائق حرارية جيولوجية ضد مضخات الحرارة الجوية - السائلة

وتزداد تكلفة المضخات الحرارية التي تستخدمها مصادر الهواء لتثبيتها )٠٠٠ ٤ دولار - ٠٠٠ ٨ دولار( وأبسطها لإعادة استخدامها، ولكن كفاءتها تقل عن ٢٥ درجة ف. وحتى في آخر صراعات صغيرة ذات أبعاد باردة للحفاظ على مؤتمر الأطراف فوق ٢ درجة - ٠١ درجة ف.

Geothermal vs. Natural Gas

ولا تزال أفران الغاز الطبيعي شائعة في مناطق كثيرة، حيث تقل تكاليف التشغيل أحيانا عن الطاقة الحرارية الأرضية بعد الحصول على قروض ضريبية للتركيب، وذلك حسب أسعار الغاز المحلية مقابل أسعار الكهرباء، غير أن أسعار الغاز متقلبة، وتنتج عن احتراق الميثان وتلوثا محليا، فالحيوان الحراري، عندما يقترن بالكهرباء المتجددة، يوفر حلا خاليا من الأحفوريات دون الاحتراق في الموقع، وعلى مدى فترة عشرين عاما، تكون انبعاثات الكربون كبيرة.

Geothermal vs. Mini-Split Heat Pumps

وتشكل مضخات الحرارة التي لا تُستخدم في الطوابق الصغيرة حلا ممتازا للمنازل التي لا توجد فيها قنوات، مما يوفر كفاءة جيدة ومراقبة مستقلة للمناطق، ولكنها تعتمد على التبادل الحرفي للوحدة الخارجية مع الهواء المحيط، بحيث تفقد الكفاءة في الجو البارد، وتوفر الطاقة الحرارية الأرضية التي يتم توزيعها بشكل أكثر إنصافا ويمكن أن تدمج مع النظم الحالية التي تعمل في الهواء القسري، مما يجعلها خيارا أفضل للمنازل الأكبر أو التي تتطلب تهدئة في البيت بأكمله.

الخلاصة: الغطاء الحراري الجغرافي الجديد

فالابتكارات المفصلة في هذه المادة ليست تحسينات تدريجية - فهي تمثل تحولا أساسيا في ما يمكن أن يحدث في التدفئة الحرارية الأرضية السكنية، إذ أن المكثفات ذات السرعة المتغيرة، والضوابط الأذكى، والتصميمات المعززة للثغرات تؤدي إلى تضاؤل تكاليف التركيب، وزيادة الكفاءة إلى مستويات لا يمكن تصورها قبل عقد من الزمان، وجعل الطاقة الحرارية الأرضية عملية بالنسبة لمجموعة واسعة من المنازل، مع وجود حوافز ضريبية وهبوطة في الوقت الحاضر.

وبالنسبة للمالكين الذين ينظرون في نظام جديد للتدفئة والتبريد، لم يعد السؤال هو هل يعمل في مجال الطاقة الحرارية الأرضية؟ ولكن بالأحرى كيف سيدفع بسرعة لنفسه؟ مع أحدث التكنولوجيات، فإن الإجابة تزداد في حدود ما بين خمس وعشر سنوات، وأحياناً في المستقبل.

Editors’ note:] For up-to-date incentive information and installer directories, consult the ]DOE Geothermal Heat Pumps]] page and the Geothermal Exchange Organization.