پمپ‌های حرارتی خورشیدی در مقابل پمپ‌های حرارتی هوا

یک گروه بین‌المللی از دانشمندان، به مدت یک سال، دو نوع پمپ حرارتی برای گرم کردن آب را با هم مقایسه کردند: یکی پمپ حرارتی خورشیدی با انبساط مستقیم (DX-SAHPWH) و دیگری پمپ حرارتی هوا (AHPWH). عملکرد هر دو سیستم با استفاده از مدل‌سازی عددی بررسی شد و فرض بر این بود که هر دو در تهران، پایتخت ایران، با پارامترهای یکسان به کار گرفته شده‌اند.

گروه تحقیقاتی می‌گوید: «برای اینکه بتوان این آبگرمکن‌ها را با هم مقایسه کرد، فرض می‌کنیم تمام پارامترهای طراحی برای هر دو پمپ حرارتی یکسان بوده و از قطعات مشابهی استفاده شده است.» «در سیستم آبگرمکن پمپ حرارتی خورشیدی، تبخیرکننده همان کلکتور حرارتی تخت خورشیدی است، در حالی که در آبگرمکن پمپ حرارتی هوا، تبخیرکننده یک مبدل حرارتی مایع به هوا با دمای پایین با همان مساحت و پیکربندی کلکتور بدون پوشش است، با این حال، صفحه بالایی آن برداشته شده است.»

فرض بر این بود که کلکتور حرارتی و مبدل حرارتی مایع به هوا دارای مساحت سطح 4.21 متر مربع باشند. در مورد DX-SAHPWH، کندانسور شامل یک لوله مسی مارپیچ ۶۰ متری است که در مخزن آب گرم خانگی غوطه ور شده و به عنوان مبدل حرارتی ترموسیفون عمل می کند. سیال عامل انتخاب شده R-134a است.

دانشگاهیان اضافه کردند: «در فرمول‌بندی آبگرمکن پمپ حرارتی هوا، روابط ترمودینامیکی اجزا و همچنین پارامترها مشابه پمپ حرارتی خورشیدی است. فقط معادله تبخیرکننده نیاز به اصلاح دارد، با فرض اینکه سرعت فن برابر با ۱۰ متر بر ثانیه باشد.»

دانشگاه کالج دوبلین، مجله بین‌المللی ترموسیالات، مجوز کریتیو کامنز CC BY 4.0
در این تصویر، دو نوع پمپ حرارتی برای گرم کردن آب به نمایش گذاشته شده است: پمپ حرارتی خورشیدی با انبساط مستقیم (DX-SAHPWH) و پمپ حرارتی هوا (AHPWH). source:https://www.pvmagazine.com

محققان با مدل‌سازی این دو سیستم، ضریب عملکرد ماهانه (COP) و مصرف برق آن‌ها را در طول یک دوره ۱۲ ماهه محاسبه کردند. آنها برای هر ماه، داده های میانگین روزانه در مورد فاکتور ابرناکی، تابش افقی، دمای محیط و سرعت باد را به عنوان ورودی استفاده کردند. در تمام موارد، دمای هدف آب گرم ۵۰ درجه سانتیگراد، ۶۰ درجه سانتیگراد و ۷۰ درجه سانتیگراد در نظر گرفته شد.

نتایج نشان داد: «مقایسه ضریب عملکرد (COP) بین این سیستم‌ها برای هر سه دمای آب گرم در تمام ماه‌ها نشان می‌دهد که اختلاف کمتر از ۰.۱ در COP وجود دارد. به عبارت دیگر، عملکرد هر دو سیستم در فصول مختلف و نیاز به دماهای مختلف آب تقریباً یکسان است. برای هر دو سیستم، ضریب عملکرد در سردترین ماه ژانویه کمترین مقدار ۲.۰ و در گرمترین ماه مرداد بالاترین مقدار ۲.۸ را دارد. سیستم DX-SAHPWH در تمام ماه ها از نظر ضریب عملکرد عملکرد کمی بهتر از سیستم AHPWH دارد.»

تحلیل مصرف برق نشان داد که هر دو سیستم در فصول مختلف و نیاز به دماهای مختلف آب تقریباً به یک اندازه برق مصرف می کنند. محققان گفتند: «برای هر دو سیستم، مصرف انرژی در سردترین ماه ژانویه کمترین مقدار ۳۸۵۰ مگاژول و در گرمترین ماه مرداد بالاترین مقدار ۴۹۰۰ مگاژول را دارد. سیستم DX-SAHPWH در برخی ماه ها نسبت به سیستم AHPWH کمی کمتر برق مصرف می کند، در حالی که در برخی ماه های دیگر برعکس است.»

گروه علمی با انجام تحلیل حساسیت دریافتند که هنگامی که تابش از ۵۰۰ وات بر متر مربع به ۱۰۰۰ وات بر متر مربع دو برابر می شود، افزایش حرارتی خورشیدی در DX-SAHPWH برای آب گرم با دمای ۵۰ درجه سانتیگراد ۴۹ درصد افزایش می یابد. همچنین برای همین افزایش تابش و دمای آب یکسان، دمای تبخیرکننده از ۲۲.۳۲ درجه سانتیگراد به ۳۴.۶۵ درجه سانتیگراد معادل ۵۵ درصد افزایش می یابد.

آنها افزودند: «با تغییر شرایط آب و هوایی از نظر تابش و دمای محیط در طول سال، عملکرد DX-SAHPWH برای اکثر پارامترهای عملیاتی به طور چشمگیری تغییر می کند. به عنوان مثال، اختلاف دمای تبخیرکننده بین ژانویه و مرداد برای دمای آب گرم ۵۰ درجه سانتیگراد، ۲۱.۸ درجه سانتیگراد (از ۴.۹ درجه سانتیگراد به ۲۶.۷ درجه سانتیگراد) است. به طور مشابه، کار کمپرسور بین ۲۸۵۰ تا ۵۸۶۸ مگاژول در سال متغیر است،