מיזוג ממעבה האדמה

מיזוג ממעבה האדמה

משאבות חום מבוססות אדמה (גיאותרמיות) מתאימות לסוגי מבנה רבים ומנצלות את חוקי התרמודינמיקה כדי להוות אלטרנטיבה ראויה וירוקה למערכות מיזוג האוויר, חימום מים וכמקור מים חמים להסקה

אהוד ציגלמן ואלון גני
בזמן שאוכלוסיית העולם הולכת וגדלה בקצב מסחרר והדרישה לחשמל גדלה בהתאמה, מקורות האנרגיה הקונבנציונלית הולכים ופוחתים ושינויי האקלים מורגשים היטב ברחבי תבל.  התייעלות אנרגטית היא כורח חיוני להפחתת צריכת האנרגיה בכלל והחשמל בפרט, לצד שימוש מוגבר באנרגיה מתחדשת.
במציאות שבה מערכות מיזוג אוויר הן חלק בלתי נפרד מחיינו בבית ובמקום העבודה ולמעשה בכל מקום סגור שבו אנו נמצאים, ראוי לשקול חלופה ראויה, יעילה לא פחות והרבה יותר ידידותית לסביבה:  משאבות חום מבוססות אדמה (Ground Source Heat Pump).
 
מתאימה לסוגי מבנים רבים 
המשאבה עושה שימוש באנרגיה מתחדשת הטמונה במאגר, ובכך יוצרת מערכת בעלת נצילות שיא למיזוג מבנים. כלומר, המשאבה מעבירה חום ממקור חום תת- קרקעי כלשהו שיכול להיות מים או מוצק, באמצעות צינורות המכילים נוזל וטמונים במעבה האדמה, לתוך מים המצויים במיכל או למערכת מיזוג אוויר. את הצנרת התת- קרקעית של משאבת החום ניתנת לפריסה בשתי דרכים. אפשרות ראשונה היא למקם את הצינורות אנכית מתחת לבית, דבר שיעיל יחסית לעשות תוך כדי הבניה, או אופקית, מתחת למשטחים כאספלט שחור הקולט חום.
ראוי לציין כי המערכת מתאימה לסוגי מבנים רבים, ובמיוחד לפרויקטים בעלי מגמה סביבתית ירוקה.  המערכת אינה זקוקה לקידוח בקרקע לעומקים בהם מחלצים אנרגיה גיאו-תרמית בטמפרטורה ולחצים גבוהים, אלא קידוח בורות בקרקע לעומקים של עד 180 מ’, חפירת תעלות או השמת לולאות צנרת באגמים או מאגרי מים. בכל המקרים מדובר בלולאות צנרת סגורות אשר מכילות מים ומשמשות לתהליכי החלפת אנרגיה עם המאגר. אנרגיה חשמלית במערכת מסוג זה נצרכת בעיקר במשאבות המים והמדחס.
משאבת חום מסוגלת להפיק חום, גם כאשר הטמפרטורה של הקרקע ממנה שואבים חום הנה נמוכה. כלומר, ביכולתה לשמש בחימום בית ל-21° צלזיוס תוך שימוש בחום מקרקע בה 5°.  הדבר נעשה, כאשר הטמפרטורה מחוץ לבית נמוכה מ-5°. מערכת יכולה לתרום חום באופן זה גם למערכת חימום הבית וגם למערכת חימום המים בהם נעשה שימוש בבית.
 
כיצד המערכת מחממת בית?
מים חמים יחסית ובהם חומר אנטי- קפיאה, עולים באמצעות צינורות מעומק האדמה, שם הטמפרטורה יחסית חמה, עד למשאבת החום, שם הם נכנסים למְאַיֵּד. במְאַיֵּד מצוי מחלף חום, משמע ממשק בין הצינורות בהם המים שעלו מהאדמה וצינורות ובהם נוזל קירור (העשוי לשמש גם לחימום), המצוי בטמפרטורה נמוכה מזו של המים, כך שנוזל הקירור סופג חום מועט ומתאדה בתוך המערכת בה הוא מצוי. כעת, מדחס חשמלי דוחס את גז הקירור, שהיה מצוי בטמפרטורה נמוכה יחסית ובלחץ נמוך, כך שנוזל הקירור עובר להיות בלחץ גבוה.                                                                                                              
העלאת הלחץ של נוזל הקירור מעלה את הטמפרטורה שלו, מכיוון שהמולקולות בו מתנגשות זו בזו יותר בתכיפות. בשלב זה יש במערכת גז קירור בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. גז זה מועבר למחלף חום שני המכונה מעבה. במעבה ישנם מאווררים המפיצים אויר על הצינורות מבחוץ. מגע האוויר בצינורות מחמם את האוויר, כך שנוצר חימום לבית. כאשר גז הקירור מאבד מעט מן החום עם אוורור הצנרת הוא הופך בחזרה לנוזל חם. הנוזל עובר בבוכנה ייחודית המרחיבה אותו וכך מורידה ממנו לחץ. הנוזל מתקרר משמעותית בעקבות הורדת הלחץ. נוזל קר זה זורם למְאַיֵּד והמעגל מתחיל מחדש בצורה זו, החום מהמים שמגיעים מהקרקע מועבר לאוויר שמשמש לשם חימום. זוהי אם כן, משאבת חום מסוג מים לאוויר.
ההבדל מרכזי בין משאבת חום שמקורה בקרקע למקרר רגיל, טמון בכך שהמשאבהערוכה לעבוד בשני הכיוונים. כאשר היא מצויה במצב קירור, אזי מחלף החום המחבר את הקרקע והמערכת בה נוזל הקירור הופך להיות מעבה ואילו מחלף החום השני המחבר את נוזל הקירור לאוויר הבית הופך להיות מְאַיֵּד. הדבר מושג באמצעות בוכנה הפיכה בתוך משאבת החום, ובעקבות היות המים המצויים בקרקע קרים מן הטמפרטורה בבית בתקופת הקיץ.
במקום להפעיל מאוורר וליצור חימום לאוויר בבית, צנרת נוזל הקירור עוברת בתוך דוד מים,  אזי המערכת תחמם מים אלה.
בנוסף, לחום שהמערכת מפיקה באופן ישיר, ניתן להשתמש גם בחום הנפלט מהמדחס החשמלי. בחום זה ניתן להשתמש לחימום המים בהם נעשה שימוש בבית, גם כאשר המערכת פועלת במצב של קירור. מכאן שמערכת משאבת חום המשמשת לחימום וקירור הבית, יכולה לספק מים חמים לבית לאורך כל ימות השנה. 
כתוצאה מכךהמערכת נחשבת לשקטה במיוחד מכיוון שאינה מכילה הרבהחלקים נעים, וגם נחשבת למאוד בטיחותית היותשאינה מצריכה פעילות שריפה לשם חימום.
אמבט חום 
המערכת עשויה להיות מחוברת לקרקע ממאפיינים שונים: קרקע מוצקה, קרקע ובה מאגר מים, או למאגר מים פתוח כאגם. הקרקע למעשה מהווה אמבטיה של חום בעבור המערכת. המערכות הטיפוסיות עשויות לכלול צינורות המונחים אופקית מתחת לקרקע, או אנכית מתחת לבית. נוזל מעביר חום ובו נוזל אנטי- קפיאה מוזרם במעגל סגור, ובאמצעות מחלף חום מחממים מים או אוויר המצויים בתוך הבית, ואז חוזרים למעבה האדמה כשהם קרים יותר לסיבוב נוסף, ולמעשה דוחפים למשאבת החום נוזל חם יותר ממעבה האדמה. במעבה האדמה הנוזל הקר מתחמם בשנית מהחום האגור בקרקע.
מחקר שנערך בשוויץ, מצא כי השימוש במערכת שאיבת חום גיאו-תרמית בעומק של מעבר ל-15 מטר, באזור בו הייתה קודם לכן טמפרטורה יציבה של כ-12-8° קירר אך במעט את הקרקע, עד שלאחר מספר שנים של פעולה, המערכת והקרקע הגיעו לשיווי משקל חדש בו מטמפרטורת הקרקע הייתה של כ-8-10°. זוהי טמפרטורה שגם איתה ניתן להשיג בעזרת משאבת חום גיאו-תרמית, חסכון באנרגיה.
מטבע הדברים, כיוון שלאחר ההתקנה, קשה להגיע אל חלקי המערכת המצויים מתחת לקרקע, בעת ההתקנה יש להשתמש בחלקי מערכת איכותיים ביותר, בכדי להקטין את ההסתברות לכשל בעתיד. כמעט בצורה בלעדית נעשה שימוש בצנרת מפוליאתילן בעל דחיסות גבוהה,הנחשב לחומר סינטטי חזק יחסית.
 
מערכת אופקית
מערכת אופקית מצריכה פחות עבודת קידוח ולכן עשויה להיות זולה יותר להתקנה. מערכת זו מתאימה במיוחד במקומות בהם יש מגרשי חניה מרובדים באספלט, או שממילא נערכת בהם חציבה של מספר מטרים מתחת לקרקע, דבר המאפשר את הנחת הצנרת בצורה יעילה. כלל אצבע הוא שיש לפרוס 40-50 מטר אורך של צנרת בעבור כל 1 קילוואט של יכולת חימום או קירור.
 
שימוש אפשרי במי תהום 
ישום נוסף של טכנולוגיה זו, הנו אגירת האנרגיה מתקופת הקיץ לשימוש בזמן החורף ,כאשר המערכת מחממת בתקופת הקיץ אקוויפר המצוי מתחת לבניין, ומשתמשת בחום שלו בתקופת החורף. כאשר נעשה שימוש במי האקוויפר בחורף, הם מתקררים ומועברים לאקוויפר שני בו נשמרים מים קרים, איתם ניתן למזג את האוויר בקיץ.
 
מערכת מיזוג  אוויר
מערכת מיזוג האוויר מעבירה אוויר שחומם או קורר ממשאבת החום, לפנים הבניין. בדרך כלל המערכת כוללת צנרת אוויר, אולם לעיתים נעשה שימוש בצנרת מים לשם חימום הרצפות.
 
שימוש ראשון: חימום מים
המערכת עשויה לשמש הן לחימום מי הבית והן כמקור מים חמים להסקה. מכיוון שפחות אנרגיה נדרשת להעביר חום, מאשר ליצור אותו, העברת חום אל מי הבית זולה מחימום המים באמצעות חשמל. שימוש במשאבת חום מאפשר לחמם מים, גם בימים סגריריים, כאשר החשיפה לשמש הנה מצומצמת ומערכת תרמו-סולארית לא הייתה מספיקה. את המערכת נהוג אגב למקם בחדר השירות.
 
שימוש שני: מיזוג אוויר
המערכת מהווה כאמור תחליף ראוי למערכת מיזוג אוויר, כאשר היא תקרר אויר בפנים הבית ואילו החום יועבר לנוזל המצוי בצנרת שבמעבה האדמה.
 
מערכת משולבת 
קיימות כיום מערכות משאבות חום המסוגלות לבצע את שתי המשימות גם יחד: מיזוג אוויר וחימום מים. מטבע הדברים מדובר במערכות יקרות יותר, ממערכות המבצעות רק את אחת המשימות. מערכות אלו בנויות לפעולה בשיא החום בכדי לקרר, ויש להן יכולת אנרגטית עודפת בחורף.
 
חסכון באנרגיה
משאבות החום משתמשות בפחות מחצי כמות החשמל   הדרושה לחימום מי הבית בעזרת גוף חימום חשמלי. החום המושג במים מגיע הן ממשאבת החום והן מהחום שפולט המדחס המפעיל את המשאבה.
מערכת ביתית המשמשת לחימום באמצעות רדיאטורים אשר ממוקמת במרכז אירופה, תספק חימום מקביל לזה המתקבל מ-100 קילוואט באמצעות הפעלת משאבה הצורכת כ-30 קילוואט. יתרה מכך, במשאבת חום תעשייתית, תפוקת חום כזו תתקבל מהשקעה של כ-10 קילוואט חשמל בלבד. למערכת תוחלת חיים גבוהה אף יותר.  לצנרת הפוליאתילן תוחלת חיים גבוהה אף יותר. לעיתים קרובות המדחס הוא הרכיב שמתקלקל ראשון.
 
שוק בצמיחה
משאבות החום הומצאה ב-1852 על ידי הפיזיקאי הבריטי לורד קלווין ושודרגה על ידי מהנדס הכרייה האוסטרי פיטר ריטר וון ריטינגר ב-1855. הפטנט הראשון בתחום משאבות החום הוגש בשוויץ בשנת 1912 ורק בשנות השבעים של המאה העשרים הוחל בשימוש נרחב בהן. בעבר חלק ניכר מהמכירות היו בשוק האמריקאי בבתים המצויים בפריפריה הרחוקה ואילו כיום משאבות החום נפוצות למדי בסקנדינביה בעיקר בשוודיה ופינלנד.
שוק משאבות החום הגיאו-תרמיות הנו שוק שאופיין עד לשנת 2000 בצמיחה מהירה, של כ- 10% בשנה, כאשר בשנים האחרונות הצמיחה הואטה משמעותית בשל ההאטה הכלכלית העולמית. האומדנים בתעשייה מדברים על כך שמעל 1.5 מיליון מערכות משאבות חום מבוססות אדמה הותקנו ברחבי תבל, מחציתן בארצות הברית.
ועדיין, גם במדינות בהן יש קיבולת מותקנת גדולה יחסית של מערכות משאבות חום, הן מהוות רק 0.5-1% ממערכות המיזוג והחימום המותקנות. עיקר המכירות נעשה במדינות המצויות באזור קר, בהן יש אוכלוסיה עשירה, וקיימת בהן מודעות ערה לאיכות הסביבה ושימוש במקורות אנרגיה חליפית.
ראוי לציין כי מרבית המערכות באירופה ניזונות ממקור חום המצוי בקרקע, והן משמשות לחימום הבית ולעיתים גם לחימום מי הבית, בעיקר בגרמניה. מיעוט המערכות עושה שימוש במקור חום שהוא מי אגם או אוויר.
 
 
חסמים לרכישה
הטכנולוגיה של משאבות החום כיום הנה בוגרת, והחסמים בפניהם היא עומדת בעיקרם אינם טכנולוגיים אלא כלכליים.  החסמים העיקריים הניצבים בדרכן של משאבות החום הם:
- העלות הראשונית הגבוהה של רכישת והתקנת המערכת, שהיא כפולה במחירה מזאת של מערכת מיזוג אויר רגילה, ללא מערכת חימום מבוססת סולֵר (נפט).
- העדר צורך בחימום בחורף או קירור בקיץ, אשר מקטין את החסכון הנובע משימוש במשאבת חום, יחסית למערכת חימום או מיזוג.
- תקופת החזר ההשקעה,הנובעת מחיסכון בתפעול, עשויה להגיע גם ל-25 שנים.
- למשתמש אין את כל המידע על הפרמטרים הפיסיים והכספיים בכדי לקבל החלטה.
- בידוד לקוי של הבית,הגורם לאיבוד אנרגיה מהיר, כאשר מערכת משאבת החום משנה טמפרטורה בצורה יחסית איטית.
החשש של המשתמשים מטכנולוגיות לא מוכרות.
 
עלות מול תועלת
בחישוב כדאיות ההתקנה של משאבת חום, יש לשקלל את הגורמים הבאים: 
- נתוני תפוקת האנרגיה של המערכת.
- נתוני גודל הבניין ובידודו.
- נתוני הטמפרטורה המצויה במעבה הקרקע.
- נתוני התפלגות הטמפרטורה מחוץ למבנה על-פני השנה.
המערכת הגיאו-תרמית משתמשת אם כן בחום הקבוע המצוי במעבה האדמה בכדי לחמם או לקרר באמצעותו מים, המשמשים למיזוג  אוויר או חימום מי הבית באופן יעיל אנרגטית. היות שבחורף הטמפרטורה במעבה האדמה חמה מאשר מעל פני הקרקע, ניתן להתחיל לחמם את הבית מטמפרטורה גבוהה יותר, מאשר זו שבבית. באופן דומה בקיץ, הטמפרטורה במעבה האדמה קרה יותר מזו שמעל פני הקרקע, ולכן ניתן לקרר את הבית מטמפרטורה נמוכה יותר.
הטכנולוגיה עשויה להתקדם, כך שלא רק שיעשה שימוש בטמפרטורה הקיימת במעבה האדמה, אלא שניתן יהיה לאגור את חום הקיץ במאגר מים תת קרקעי אחד,ואת הקור מהחורף לקיץ במאגר מים תת קרקעי שני.
החסמים הרבים כולל הצורך לחפור מתחת לקרקע, דבר שהופך אותה למתאימה לבניה החדשה בלבד, מקשים אומנם על הורדת מחיר הטכנולוגיה, עם זאת עידוד השימוש בה עשוי לחסוך משאבי אנרגיה יקרים לא רק למדינות קרות אלא גם למדינות חמות כמו ישראל. אי לכך, שווה לקובעי המדיניות בארץ האם כדאי לעודד את המעבר למשאבות חום מבוססות אדמה.
 










פי.סי.חץ