على النقيض من ذلك، تعمل المضخة الحرارية عن طريق تدوير مواد التبريد وتغيير ضغطها، وبالتالي درجة حرارتها، وذلك لانتزاع الطاقة الحرارية من الهواء الخارجي ثم القيام بالعكس في الصيف لتكون بمثابة مكيف الهواء. على مر السنين، أصبحت الأجهزة أكثر كفاءة من أي وقت مضى مع تحسن مكوناتها المختلفة ومواد التبريد. تقول كاتي ديفيس، نائبة رئيس الهندسة والتكنولوجيا لقسم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في شركة Trane Technologies، التي تنتج المضخات الحرارية: “إن الأمر كله يتعلق بغاز التبريد”. “نحن نتوسع ونتقلص – لذلك ننتقل من السائل إلى الغاز، ومن السائل إلى الغاز، ومن السائل إلى الغاز – أو العكس، اعتمادًا على الدورة التي تعمل فيها.”
بالنسبة للمناخات ذات الشتاء البارد جدًا، تتراوح نقطة غليان مادة التبريد عادةً بين -55 درجة و-59 درجة فهرنهايت. لذا، حتى لو كان الهواء الخارجي أقل من درجة التجمد، “فإنه سيظل يغلي مادة التبريد”، كما يقول ديفيس. “سوف تقوم بنقل الحرارة بشكل جيد حقًا.”
يصنع المصنعون مضخات حرارية مصممة خصيصًا للمناخات الباردة، والتي يمكن أن تعمل بشكل مستمر عندما تنخفض درجات الحرارة إلى السالب. تعمل شركة Trane على تطوير مضخة حرارية خاصة بها للمناخ البارد، ومن المتوقع أن يتم إطلاقها في عام 2025، والتي تستخدم تقنية حقن البخار. يعمل هذا مثل حقن الوقود في محركات السيارات، ولكنه فقط يحقن مادة التبريد في دورة مغلقة في الضاغط. وهذا يعزز قدرة المضخة الحرارية على استخلاص الطاقة الحرارية. يقول ديفيس: “مع إضافة ضاغط حقن البخار هذا، أصبح لدينا الآن القدرة الإضافية التي نحتاجها لكي تعمل أنظمتنا في درجات الحرارة شديدة البرودة.” أثناء الاختبار، تم تشغيل النموذج الأولي لترين عند -23 درجة فهرنهايت.
عندما يعمل العلماء على حساب كفاءة تقنيات التدفئة المختلفة، فإنهم يأخذون في الاعتبار “معامل الأداء”، أو COP، وهي نسبة الطاقة المستهلكة إلى الحرارة المنتجة. إذا كانت تقنية ما فعالة بنسبة 100%، فإن لديها COP يساوي 1، مما يعني دخول وحدة واحدة من الطاقة ووحدة واحدة من الحرارة الخارجة. فرن الغاز، على سبيل المثال، ينتج الحرارة التي تنفخ في المنزل، ولكن بعضًا من هذه الحرارة يتم فقده أيضًا أثناء الاحتراق، لذلك حتى النماذج الأكثر كفاءة لها COP أقل من 1.
بشكل عام، تعد مضخة الحرارة أكثر كفاءة في نقل الحرارة من توليدها، كما يفعل فرن الغاز. من خلال تشغيلها بالكهرباء بدلاً من الوقود الأحفوري، يمكن للمضخة الحرارية إدارة COP بمقدار 3، مما يعني ثلاث وحدات من الحرارة لكل وحدة واحدة من الطاقة، ولكن في الحالات القصوى يمكنها الحصول على ما يصل إلى COP 6، اعتمادًا على الظروف و الموديل.
وفي دراسة نشرت العام الماضي، نظر روزناو وزملاؤه في البيانات لمعرفة كيف يمكن أن تنخفض كفاءة المضخة الحرارية مع انخفاض درجات الحرارة. ووجدوا أنه حتى عند درجة حرارة -10 درجة مئوية، أو 14 درجة فهرنهايت، لا تزال الأجهزة تدير COP بقيمة 2، أو كفاءة بنسبة 200 بالمائة. نظرت الدراسة أيضًا إلى المضخات الحرارية للمناخ البارد في بيئات أكثر قسوة: عند درجة حرارة -30 درجة مئوية (-22 درجة فهرنهايت)، أنتج نموذج ميتسوبيشي COP بين 1.5 و2، ونموذج توشيبا بين 1 و1.5.
