بواسطة مولي ريتيج

عندما تهب الرياح الشمالية على ديلينجهام في منتصف الشتاء ، يمكن أن تغوص بما يزيد عن 15 درجة تحت الصفر فهرنهايت على الشريط النائي من الساحل الجنوبي لألاسكا. في هذه الأيام ، يجب أن تعمل دفايات الزيت في العديد من المنازل إلى حد كبير دون توقف للحفاظ على دفء الناس.

أثناء المشي في بلدة الصيد الصغيرة ، التي تطفو في مصايد السلمون العالمية في خليج بريستول ، يمكنك أن تشم رائحة النفاذة من مواقد الحطب. لكن منزلًا واحدًا يبرز عن الآخرين: يقع على حافة المدينة ، حيث تتلاشى غابات التنوب في مساحة لا نهاية لها من التندرا المتجمدة المغطاة بالثلوج ، ولا تحتوي على مدخنة ، ولا خزان وقود ، ولا احتراق من أي نوع.

كيف تحافظ على دفء المنزل عندما تصل درجة الحرارة بانتظام إلى أقل من -15 درجة فهرنهايت؟
هذا هو التحدي علماء NREL في تضمين التغريدة يعالجون.
انظر كيف يمكن أن تصنع المضخة الحرارية مصدر الهواء #energy أكثر بأسعار معقولة ومنصفة وصديقة للبيئة في https://t.co/6L9YoROtxx pic.twitter.com/szYCsZmTVi

- NREL (NREL) 9 آذار، 2021

كانت المضخة الحرارية من مصدر الهواء التي ركبها توم مارسيك في منزله قبل ثماني سنوات نادرة بالنسبة لألاسكا. تأخذ المضخات الحرارية من مصدر الهواء الحرارة من الهواء الخارجي ، وتقوم بتشغيلها من خلال دورة التبريد لزيادة درجة الحرارة (تمامًا مثل الثلاجة الخاصة بك ، ولكن في الاتجاه المعاكس) ، وتوصيلها إلى المبنى. لأنها تعتمد على "الحرارة" من الهواء الخارجي ، لم تكن شائعة جدًا في المناخات شبه القطبية. ومع ذلك ، لمدة خمس سنوات ، حافظت المضخة الحرارية لمارسيك على دفء أسرته حتى في أكثر أيام السنة برودة. بفضل ما تعلمه الباحثون من أنظمة مثل هذه ، تنطلق المضخات الحرارية في ألاسكا وغيرها من الأماكن الباردة كبديل لأنظمة التدفئة التقليدية مثل النفط والغاز الطبيعي.

قال مارسيك: "إنه أمر مثير لأنهم يعملون في درجات حرارة أقل مما كانت عليه في الماضي ، مما يعني أن لديهم القدرة على تقليل استهلاك الوقود الأحفوري في المناخات الباردة". "كانت المساعدة في دفع حدود الطاقة النظيفة وتطوير مستقبل مستدام أمرًا مهمًا بالنسبة لي ، خاصة في منزلي ، حيث كنا نربي ابنتنا."

مضخة حرارية مصدر الهواء ، مثل الجزء الخارجي من المضخة الحرارية بدون مجاري من Marsik الموضحة هنا ، تأخذ الحرارة من الهواء الخارجي ، وتقوم بتشغيلها خلال دورة التبريد لزيادة درجة الحرارة (تمامًا مثل الثلاجة الخاصة بك ، ولكن في الاتجاه المعاكس) ، و يسلمها إلى مبنى. الصورة مقدمة من توم مارسيك عبر NREL

يعيش مارسيك اليوم في فيربانكس وهو كبير العلماء في مركز أبحاث الإسكان البارد (CCHRC) التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL). على الرغم من أنه لم يعد يعيش في منزل مدفأ بمضخة هواء ومضخة حرارية بعد الآن ، إلا أنه لا يزال يقضي الكثير من الوقت في التفكير فيها ، وحساب أوقات التشغيل ودورات إزالة الجليد ، وتذكر كيف سيأتي يركض في الطابق السفلي عندما يسمع ضوضاء جديدة من وحدته الخاصة ، والبحث في كيفية جعل المضخات الحرارية تعمل بشكل أفضل لعدد أكبر من سكان ألاسكا ، الذين يواجهون مناخًا شديدًا ، ونقصًا في البنية التحتية ، وفواتير طاقة أعلى بخمس مرات من المتوسط ​​الأمريكي.

تعد المضخات الحرارية من مصدر الهواء جزءًا من مجموعة الحلول التي يمكن أن تعزز مهمة NREL في جعل الطاقة ميسورة التكلفة ومنصفة وصديقة للبيئة. ومع ذلك ، فإن دورهم يختلف عبر تضاريس الأمة الشاسعة للمناخات والموارد الطبيعية وأنواع المساكن. يبحث باحثو NREL في كيفية مساعدة الناس في المناخات الباردة ، بناءً على كل هذه العوامل وأكثر.

في ألاسكا ، التكنولوجيا التي تبشر بالخير هي مضخة حرارية بدون مجاري ، والتي تتضمن وحدة خارجية تمتص الحرارة من الهواء ، ووحدة داخلية على الجانب الآخر من الجدار توصلها إلى الغرفة. نظرًا لعدم وجود نظام توزيع لنشر الحرارة في جميع أنحاء المنزل ، فإن الأنظمة الخالية من مجاري الهواء مناسبة تمامًا للمنازل الصغيرة الموفرة للطاقة والتي توجد غالبًا في ألاسكا.

"لقد اكتسبت الكثير من الضجة بسبب التكلفة المنخفضة نسبيًا للتركيب مقارنة بالأنظمة الأخرى. قال مارسيك: "لأنهم ينفثون الهواء في مكان مفتوح ، لا يتعين عليك دفع تكلفة نظام التوزيع".

في مركز أبحاث الإسكان المناخ البارد التابع لـ NREL في فيربانكس ، ألاسكا ، يتم استخدام غرفة باردة لتقييم كيفية تصمد أجهزة التدفئة وتصميمات الجدران في ألاسكا - بما في ذلك دراسة مضخة تسخين مصدر الهواء التي تبدأ الآن. تصوير فانيسا ستيفنز ، NREL

بالطبع ، هناك تحديات فريدة في مكان مثل ألاسكا. على الرغم من تحسن مضخات الحرارة على مدار العقد الماضي ، إلا أنها لا تزال تتأثر بدرجات الحرارة المنخفضة: فكلما زادت البرودة ، زادت صعوبة استخلاص الحرارة ، وقل كفاءة النظام. ولكن إلى أي مدى تنخفض كفاءتها؟ للإجابة على هذا السؤال ، يدرس فريق Marsik مضخة حرارية داخل حجرة اختبار 20 تحت الصفر في مختبر فيربانكس. ستنظر الدراسة أيضًا في تأثير التحميل الحراري ، أو الطلب الحراري للمبنى ، على أداء المضخة الحرارية.

قال مارسيك: "في درجات الحرارة شديدة البرودة ، تنخفض الكفاءة نسبيًا ، وعند هذه النقطة ليس من المنطقي استخدام مضخة حرارية بعد الآن". "وغالبًا ما يكون من الأفضل استخدام تقنيات أخرى."

إن فهم حدود تشغيل المضخات الحرارية سيلقي الضوء على كيفية توسيعها على المستوى الوطني. يوجد سوق أكبر بكثير للمضخات الحرارية ذات المصدر الهوائي في منطقة 48 السفلى ، حيث يبحث سكان المناخ البارد أيضًا عن طرق أنظف وبأسعار معقولة لتدفئة منازلهم. إحدى فوائد المضخات الحرارية في المناخات الأقل تطرفًا هي أنها يمكن أن توفر كلا من التدفئة و  التبريد ، بمفتاح بسيط للصمام. يقود الباحث في NREL Jon Winkler بحثًا لمعرفة كيفية إدخال مضخات الحرارة في المزيد من هذه المنازل.

المجموعة الفرعية من المساكن التي يركز عليها هي تلك التي تحتوي على تدفئة مركزية تعمل بالهواء القسري - أو ما يقرب من 35 مليون منزل في الولايات المتحدة. يمكن لهذه المنازل أن تتحول إلى مضخة حرارية بسهولة إلى حد ما لأن لديها بالفعل مجاري الهواء. ترتبط المضخة الحرارية ببساطة بهذه القنوات الموجودة ، مثل مكيف الهواء المركزي ، لتوفير هواء مكيف في جميع أنحاء المنزل. في الأماكن التي بها مجاري الهواء و  ارتفاع تكاليف الطاقة ، والمضخات الحرارية جذابة بشكل خاص - مثل شمال غرب المحيط الهادئ ، على سبيل المثال.

"لديهم بالفعل مجاري الهواء ، لكنهم يستخدمون سخانات مقاومة كهربائية ، والتي تحصل على أقل كفاءة تسخين ممكنة. قال وينكلر: "إن تركيب مضخة حرارية في هذه المنازل منطقي للغاية من الناحية المالية".

يراقب حاليًا عشرات المضخات الحرارية في شرق واشنطن ومونتانا للحصول على نظرة دقيقة على فعاليتها. على غرار دراسة ألاسكا ، يبحث وينكلر في كيفية انخفاض كفاءة المضخة الحرارية في درجات الحرارة الباردة ، وكيفية تحديد الحجم المناسب لمضخة الحرارة للمنزل. ومع ذلك ، هناك تحريف: يجب أن تكون هذه المضخات الحرارية في الحجم لتوفير الكمية المناسبة من الحرارة و  تكيف.

"إذن ، بالنسبة لهذه المنازل ، ما هو الحجم الأمثل لمضخة الحرارة من منظور كفاءة الطاقة ومن منظور التكلفة وأيضًا من منظور الراحة؟" قال وينكلر.

علاوة على ذلك ، كيف يمكن الجمع بين المضخات الحرارية والأجهزة الأخرى لتحقيق أقصى استفادة؟

"هل تحتاج إلى توفير 100٪ من الحرارة باستخدام هذه المضخة الحرارية؟" قال وينكلر. "أم أنه أكثر فعالية من حيث التكلفة لتوفير 90٪ من التدفئة باستخدام المضخة الحرارية واستخدام سخان مقاومة كهربائي احتياطي للأيام القليلة من العام التي يصبح الجو باردًا فيها حقًا؟

يقوم مهندس الأبحاث في NREL-CCHRC Robbin Garber-Slaght بمعايرة منظم الحرارة الداخلي للغرفة الباردة عن طريق اختبار قدرة الغرفة على تكرار درجات حرارة ألاسكا المتجمدة البالغة -20 درجة. تقوم بفحص البيانات من مستشعرات درجة الحرارة المنتشرة في جميع أنحاء الغرفة للتأكد من أن درجات الحرارة متساوية. تصوير فانيسا ستيفنز ، NREL

هذا ما فعله مارسيك في منزله في ديلينجهام ، وما يمكن أن تفعله ملايين المنازل الأخرى في المناخات الباردة أيضًا. مع ظهور نتائج الدراسة ، سيقوم مشروع Winkler بإنشاء خرائط أداء توضح كيفية عمل المضخات الحرارية في مناطق مختلفة من الدولة حيث قد يرغب المستهلكون في الحصول عليها.

قال وينكلر إنه في حين أن الطلب المتزايد في السوق يقود أبحاث NREL حول المضخات الحرارية ، فإن الأمر لا يتعلق فقط بتوفير المال للمستهلكين. يتمثل أحد الأجزاء الحاسمة في التحرك نحو اقتصاد الطاقة النظيفة في كهربة التدفئة - نقل المباني إلى الشبكة للتدفئة وتكييف الهواء بدلاً من الاعتماد على أجهزة مثل غلايات الزيت أو أفران الغاز. يسمح هذا للإلكترونات الخضراء - سواء أتت من الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الحرارية الأرضية أو أي شيء آخر - بتوفير الراحة الحرارية بالإضافة إلى الطاقة.

قال وينكلر: "إذا أردنا أن نكون متجددًا تمامًا ، فسنضطر إلى إمداد التدفئة بالمنازل بالكهرباء ، والمضخات الحرارية هي حاليًا أفضل طريقة للقيام بذلك."

معرفة المزيد عن أبحاث المباني في NREL و مركز أبحاث الإسكان المناخ البارد.

المقال بإذن من وزارة الطاقة الأمريكية ، المختبر الوطني.