אילו גורמים גורמים לירידה ביעילות משאבת חום?
טכנולוגיית משאבות חום, אשר נחשבת לפתרון מפתח להחלפת חימום באמצעות דלקים מאובנים, נפרסת במהירות ברחבי העולם. עם זאת, מכיוון שמתקנים רבים אינם מצליחים להשיג רמות יעילות תיאורטיות בהפעלה בעולם האמיתי, הסיבות הבסיסיות לכך נמצאות תחת בדיקה.
סקר של קרן חיסכון האנרגיה של בריטניה (שעון EST) חשף עובדה מדהימה: 83% ממשאבות החום המותקנות בבריטניה אינן מתפקדות כראוי, כאשר 87% לא עמדו בסטנדרט המינימלי ליעילות אנרגטית של דירוג 3 כוכבים.
מחקר של ETH ציריך, בשיתוף פעולה עם מספר אוניברסיטאות, ניתח נתוני תפעול מהעולם האמיתי מ-1,023 משאבות חום ב-10 מדינות במרכז אירופה. הם מצאו הבדלים משמעותיים בביצועים בין יחידות - בתנאי טמפרטורה זהים, פער מקדם הביצועים (שׁוֹטֵר) בין מכשירים מסוימים הגיע פי 2-3ממצא זה הניע את התעשייה לבחון מחדש את הגורמים הקריטיים המשפיעים על יעילות משאבות חום.
01 בעיות ציוד והתקנה
הגורמים העיקריים ליעילות נמוכה של משאבות חום טמונים בציוד עצמו ובאיכות ההתקנה. סקר שעון EST זיהה ניהול לא מאורגן בתעשייה בתוך מגזר ההתקנה כבעיה מרכזית.
סיימון גרין, ראש פיתוח עסקי ב-שעון EST, הצהיר בגילוי לב: דדהה כאשר טכנולוגיית משאבות חום מותקנת ומשתמשת בה נכון, היא יכולה להפחית משמעותית את פליטות ה-מְשׁוּתָף₂ בבריטניה. עם זאת, המצב הנוכחי שונה במידה ניכרת מההערכות שלנו.דדהה
בבריטניה, מועצת תעשיית החימום והמים החמים (HHIC), האחראית על התקנות משאבות חום למגורים, הכירה בפומבי חוסר בכוח אדם מספיק כדי לסייע לצרכנים לבחור מוצרים מתאימיםהיעדר הדרכה מקצועית מוביל לטעויות בחירה תכופות, כאשר משתמשים רוכשים לעתים קרובות ציוד שאינו תואם למאפייני הבניין שלהם.
הזדקנות ציוד היא עוד גורם לפגיעה ביעילות. יצרני משאבות חום מודרניות מציינים במדריכי התחזוקה שלהם כי רכיבים מרכזיים כמו מדחסים ומחלפי חום נשחקים עם הזמןאיטום לקוי גורם לדליפות של חומרי קירור, מה שמפחית את יעילות החימום/קירור, בעוד שמערכות חשמל ישנות משפיעות ישירות על יציבות התפעול.
02 גורמים סביבתיים ועיצוביים
תנאי הסביבה הם המשתנה העיקרי השני המשפיע על היעילות. טמפרטורת הסביבה משפיעה באופן מכריע על יעילות החימום של משאבות חום ממקור אוויר – טמפרטורות נמוכות יותר מובילות לירידה משמעותית ביעילות.
מיקום ההתקנה הוא קריטי באותה מידה. מיקום ליד מקורות חום או רדיאטורים מגביל את זרימת האוויר, ופוגעים ישירות ביעילות חילופי החום. לחות ואיכות אוויר בתוך הבית יוצרים גם הם השפעות מדורגות על ביצועי החימום.
ניתוח נתונים בקנה מידה גדול של ETH ציריך מצא כי משאבות חום ממקור קרקע השיגו שׁוֹטֵר ממוצע של 4.90, הרבה מעבר לממוצע של 4.03 עבור יחידות מקור אוויר.באופן מכריע, יעילות מקורות הקרקע מושפעת פחות מתנודות הטמפרטורה בחוץ, מה שמוכיח ביצועים יציבים יותר.
המחקר חשף גם פגם תכנוני מרכזי: בערך 7-11% ממערכות משאבות החום הן גדולות מדי, בעוד שכ-1% הן קטנות מדי.אי התאמה זו בגודל מונעת פעולה בתנאים אופטימליים, וגורמת לבזבוז אנרגיה.
03 תפעול ותחזוקה לא נאותים
מצב התחזוקה של מערכת משאבת חום משפיע ישירות על יעילותה לטווח ארוך. תחזוקה שוטפת היא המפתח להבטחת פעולה תקינה, אך דרישה בסיסית זו מוזנחת לעתים קרובות בפועל.
תחזוקה לקויה עלולה לגרום לסתימה או נזק לרכיבים, בעוד ששיטות תחזוקה לא סטנדרטיות מציגות בעיות חדשות. רמות טעינה שגויות של נוזל קירור - בין אם טעונות יתר או חסרות - מפחיתות משמעותית את יעילות החימום. שימוש בחומרי ניקוי לא מתאימים במחלפי חום פוגע באופן דומה בביצועים.
מחקר אירופאי מצביע על כך הפחתת הגדרת עקומת החימום ב-1°C יכולה להגדיל את יעילות משאבת החום הממוצעת ב-0.11 שׁוֹטֵר ולהפחית את צריכת האנרגיה הביתית ב-2.61%משתמשים רבים אינם מודעים לשיטות אופטימיזציה כאלה, מה שמוביל לפעולה תת-אופטימלית ממושכת.
בעיות בקירור הן סיבה נפוצה נוספת לאובדן יעילות. קיבולת נשיאת חום לא מספקת של נוזל הקירור מפחיתה את חילופי החום האפקטיביים לכל מחזור. חלק מהיצרנים משתמשים בקררים באיכות ירודה כדי לקצץ בעלויות, או שמתרחשת דליפה במהלך ההובלה, וכתוצאה מכך לא ניתן להגיע לטמפרטורות המים המתוכננות.
04 בעיות תצורת מערכת וגודל
תצורת מערכת לא מתאימה היא סיבה עמוקה לחוסר יעילות. משאבות חום המיועדות לייצור מים חמים ביתיים (מים חמים) מציגות ערכי שׁוֹטֵר נמוכים משמעותית מאלה המשמשות לחימום חללים, מכיוון מים חמים דורשים טמפרטורות זרימה גבוהות יותרההבדל הזה במאפייני צריכת האנרגיה לעתים קרובות מתעלמים ממנו במהלך התכנון.
בעיות גודל חמורות במיוחד ביישומים למגורים. צוות ה-ETH ציריך פיתח מדדי ניצול כדי להעריך את התאמת הגודל, ומצא כי מערכות גדולות או קטנות יותר נפוצות באופן יוצא דופן.
בתעשייה, שיטות אינטגרציה של מערכות משפיעות באופן קריטי על היעילות הכוללת. מחקרים בפרויקטים של לכידת מְשׁוּתָף₂ במפעלי מלט מראים ש שילוב משאבות חום בטמפרטורה גבוהה יכול להפחית את עלות הקלינקר הנוספת ב-32%עם זאת, השגת אופטימיזציה כזו דורשת יכולות תכנון ואינטגרציה מדויקות של המערכת, מה שמציב אתגרים עבור מתקינים רבים.
מערכות האספקה הכפולה הפופולריות של סין (קירור וחימום משולבים) משפרות את יעילות האנרגיה הכוללת באמצעות עיצוב חדשני. בקיץ, נוזל הקירור מופץ דרך יחידות פנימיות המותקנות על הקיר; בחורף, מים חמים זורמים דרך מערכות חימום תת רצפתי, בהתאם לעקרון הבריאות הסיני המסורתי של רגליים חמות, ראש קריר. תצורות אופטימליות מניבות רווחי יעילות משמעותיים.
05 פתרונות ותחזית עתידית
התמודדות עם אתגרי יעילות משאבות חום דורשת הן חדשנות טכנולוגית והן התאמות מדיניות. פריצת דרך של חוקרים מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של הונג קונג (HKUST) כוללת סגסוגת אלסטית טי₇₈הערה₂₂, ומשיג יעילות שינוי טמפרטורה גדולה פי 20 ממתכות קונבנציונליות, ומגיעה ל-90% ממגבלת היעילות של קרנו.
חומר זה מתחמם ומקרר באמצעות דפורמציה אלסטית, ופותח נתיב חדש לטכנולוגיית משאבות חום במצב מוצק. הצוות מפתח כעת אב טיפוס של משאבת חום תעשייתית המבוססת על סגסוגת זו.
ניטור תפעולי והתאמה חכמה מציעים יתרונות מעשיים ביעילות. חוקרים אירופאים ממליצים על הקמתם. נהלי הערכת ביצועים סטנדרטיים לאחר התקנה ופיתוח כלים דיגיטליים שיסייעו למשתמשים לייעל את ההגדרות. התאמות פשוטות, כמו הנמכת עקומת החימום, מניבות חיסכון משמעותי באנרגיה.
עיצוב המדיניות זקוק לחידוד. הניסיון הגרמני מראה ש מחירי חשמל גבוהים עלולים לעכב את אימוץ משאבות חוםהתאמות רציונליות במבני מס האנרגיה, שיהפכו את החשמל לתחרותי יותר מול גז טבעי, יאיצו את החלפת החימום המופעל על ידי דלקים מאובנים.
ליישומים תעשייתיים פוטנציאל עצום. פרויקטים של לכידת פליטות מְשׁוּתָף₂ במפעלי מלט, המשלבים משאבות חום בטמפרטורה גבוהה, מדגימים את יכולתה של הטכנולוגיה להפחית פליטות תוך קיצוץ של 32% בעלויות קלינקר. ככל ששימוש בחשמל מתחדש מתרחב וטכנולוגיית משאבות החום בטמפרטורה גבוהה מתבגרת, פתרונות כאלה יכולים להפוך לטכנולוגיות ליבה של הפחתת פחמן עבור תעשיות עתירות אנרגיה.
נתיב הפיתוח העתידי של טכנולוגיית משאבות חום הולך ומתבהר. סגסוגת האלסטית טי₇₈הערה₂₂ שפותחה על ידי מדעני חומרים מ-HKUST מציגה ביצועים יוצאי דופן במעבדה. שדות תעשייתיים חוקרים חזיתות חדשות. פרויקטים של לכידת פחמן במפעלי מלט המשלבים משאבות חום בטמפרטורה גבוהה עם דחיסה מכנית של אדים (MVR) הפחיתו עלויות לכידת מְשׁוּתָף₂ עומדות על 125.9 אירו לטוןככל שהחידושים הללו יעברו מהמעבדה לשוק, משאבות חום יהפכו באמת לכוח מרכזי במעבר האנרגטי העולמי.