ऊष्मा पम्प (हीट पम्प)



ऊष्मा पम्प एक ऐसा उपकरण है जो एक प्रशीतन चक्र का उपयोग करके बाहर से तापीय ऊर्जा को स्थानांतरित करके एक भवन (या भवन का हिस्सा) को गर्म कर सकता है। कई ऊष्मा पम्प विपरीत दिशा में भी काम कर सकते हैं, भवन को संलग्न स्थान से ऊष्मा को हटाकर और इसे बाहर खारिज करके ठंडा कर सकते हैं। केवल शीतलन प्रदान करने वाली इकाइयों को वातानुकूलक कहा जाता है।

तापन विधा में होने पर, बाहरी तापमान पर एक प्रशीतक को संक्षिप्त किया जाता है। नतीजतन, प्रशीतक गर्म हो जाता है। यह तापीय ऊर्जा एक भीतरी इकाई में स्थानांतरित हो सकती है। फिर से बाहर ले जाने के बाद, प्रशीतक विघटित हो जाता है - वाष्पित हो जाता है। इसने अपनी कुछ तापीय ऊर्जा खो दी है और पर्यावरण की तुलना में ठंडा हो गया है। यह अब प्रक्रिया को दोहराने से पहले आसपास की ऊर्जा को हवा या जमीन से ले सकता है। संपीड़क, पंखे और पंप विद्युत ऊर्जा से चलते हैं।

वायु स्रोत ऊष्मा पम्प सबसे सामान्य प्रतिरूप हैं, जबकि अन्य प्रकारों में भू स्रोत ऊष्मा पम्प, जल स्रोत ऊष्मा पम्प और निकास वायु ऊष्मा पम्प सम्मिलित हैं। जिला तापन प्रणाली में बड़े पैमाने पर ऊष्मा पम्प का भी उपयोग किया जाता है।

ऊष्मा पम्प की दक्षता को प्रदर्शन के गुणांक (COP), या प्रदर्शन के समयानुकूल गुणांक (SCOP) के साथ व्यक्त किया जाता है। संख्या जितनी अधिक होती है, ऊष्मा पम्प उतना ही अधिक कुशल होता है और ऊर्जा की खपत कम होती है। जब अंतरिक्ष तापन के लिए उपयोग किया जाता है, तो ताप पंप सामान्यतः साधारण विद्युतीय ऊष्मा की तुलना में अधिक ऊर्जा कुशल होते हैं।

उनकी उच्च दक्षता और विद्युत ग्रिड में जीवाश्म मुक्त स्रोतों की बढ़ती हिस्सेदारी के कारण, ताप पंप जलवायु परिवर्तन शमन में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। 1 kWh बिजली के साथ, वे एक भवन में 3 से 6 kWh तापीय ऊर्जा स्थानांतरित कर सकते हैं। ताप के कार्बन पदचिह्न ऊर्जा स्रोतों के जीवन-चक्र ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को पंप करते हैं, लेकिन वे सामान्यतः हल्के जलवायु में उत्सर्जन को कम करते हैं। गैस से चलने वाले संघनक वाष्‍पयँत्र की तुलना में कम कार्बन पदचिन्ह के साथ ऊष्मा पंप 80% से अधिक वैश्विक अंतरिक्ष और पानी की तापन जरूरतों को पूरा कर सकते हैं: हालांकि, 2021 तक वे केवल 10% मिलते हैं।

संचालन का सिद्धांत
ऊष्मा अनायास उच्च तापमान वाले क्षेत्र से कम तापमान वाले क्षेत्र में प्रवाहित होगी। ऊष्मा का प्रवाह कम तापमान से अधिक तापमान की ओर स्वत: नहीं होगा, लेकिन अगर कार्य (भौतिकी) किया जाए तो इसे इस दिशा में प्रवाहित किया जा सकता है। ऊष्मा की दी गई मात्रा को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक कार्य सामान्यतः ऊष्मा की मात्रा से बहुत कम होता है; यह पानी को गर्म करने और भवनों के भीतर जैसे अनुप्रयोगों में ताप पंपों का उपयोग करने के लिए प्रेरणा है।

कम तापमान वाले जलाशय जैसे परिवेशी वायु से उच्च तापमान वाले जलाशय जैसे किसी भवन के आंतरिक भाग में ऊष्मा Q की मात्रा को चलाने के लिए आवश्यक कार्य की मात्रा है: $$W = \frac{ Q}{\mathrm{COP}}$$ जहाँ पर
 * $$W $$ ऊष्मा पम्प के संपीड़क द्वारा कार्यशील द्रव के चयन पर किया जाने वाला यांत्रिक कार्य है।
 * $$ Q $$ निम्न तापमान जलाशय से उच्च तापमान जलाशय में स्थानांतरित ऊष्मा है।
 * $$\mathrm{COP}$$ एक पल में जलाशयों में प्रचलित तापमान पर ऊष्मा पम्प के प्रदर्शन का तात्कालिक गुणांक है।

ऊष्मा पम्प के प्रदर्शन का गुणांक एकता (गणित) से अधिक होता है, इसलिए आवश्यक कार्य हस्तांतरित ऊष्मा से कम होता है, जिससे ऊष्मा पम्प विद्युत प्रतिरोध ताप की तुलना में ताप का अधिक कुशल रूप बन जाता है। चूंकि उच्च तापमान जलाशय का तापमान उसमें बहने वाली ऊष्मा के जवाब में बढ़ता है, प्रदर्शन का गुणांक कम हो जाता है, जिससे ऊष्मा की प्रत्येक इकाई को स्थानांतरित करने के लिए काम की बढ़ती मात्रा की आवश्यकता होती है।

ऊष्मा पम्प और प्रशीतन चक्र प्रदर्शन का गुणांक, और एक ऊष्मा पम्प द्वारा आवश्यक कार्य की गणना कार्नाट चक्र पर चलने वाले एक आदर्श ऊष्मा पम्प पर विचार करके आसानी से की जा सकती है :
 * यदि निम्न तापमान जलाशय के तापमान 270 K पर है और भवन का आंतरिक भाग पर 280 K है तो प्रदर्शन का प्रासंगिक गुणांक 27 है। इसका मतलब है कि 270 K पर एक जलाशय से 280 K पर दूसरे जलाशय से 27 जूल ताप को स्थानांतरित करने के लिए केवल 1 जूल कार्य की आवश्यकता होती है। भवन के भीतर 28 जूल ऊष्मा जोड़ी जाती है, जिससे दक्षता के दृष्टिकोण से ऊष्मा स्पंदन और भी अधिक आकर्षक हो जाता है।
 * जैसे-जैसे भवन के आंतरिक भाग का तापमान 300 K उत्तरोत्तर बढ़ता जाता है प्रदर्शन का गुणांक उत्तरोत्तर 9 तक गिर जाता है। इसका मतलब है कि कार्य का प्रत्येक जूल कम तापमान वाले जलाशय से 9 जूल ऊष्मा को भवन में स्थानांतरित करने के लिए जिम्मेदार है। फिर से, 1 जूल कार्य अंततः भवन के आंतरिक भाग में तापीय ऊर्जा के रूप में समाप्त होता है, इसलिए भवन के आंतरिक भाग में 10 जूल ऊष्मा जोड़ी जाती है।

इतिहास
मील के पत्थर:


 * 1748: विलियम कुलेन ने कृत्रिम प्रशीतन प्रदर्शित किया।
 * 1834: याकूब पर्किन्स ने डाइमिथाइल ईथर के साथ एक व्यावहारिक प्रशीतक बनाया।
 * 1852: विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन ने ऊष्मा पम्पों के अंतर्निहित सिद्धांत का वर्णन किया।
 * 1855-1857: पीटर वॉन रिटिंगर ने पहला ताप पंप विकसित किया और बनाया।
 * 1877: 1875 से पहले की अवधि में, लकड़ी और कोयले को बचाने के लिए अपने स्पष्ट लाभों के साथ लवण के कार्यों में वाष्प-संपीड़न वाष्पीकरण (खुली ऊष्मा स्पंदन प्रक्रिया) के लिए ऊष्मा पम्पों का अनुसरण किया जा रहा था। 1857 में, पीटर वॉन रिटिंगर एक छोटे पायलट संयंत्र में वाष्प संपीड़न के विचार को लागू करने का प्रयास करने वाले पहले व्यक्ति थे। संभवत: एबेन्सी में रिटिंगर के प्रयोगों से प्रेरित, लुसाने विश्वविद्यालय से एंटोनी-पॉल पिकार्ड और इंजीनियर जे.एच. जिनेवा में वेइबेल-ब्रिकेट कंपनी के वेइबेल ने दो-चरण पिस्टन संपीड़क के साथ दुनिया का पहला वास्तव में कार्यशील वाष्प संपीड़न प्रणाली का निर्माण किया। 1877 में स्विट्जरलैंड में यह पहला ऊष्मा पम्प बेक्स में स्थापित किया गया था।
 * 1928: ऑरेल स्टोडोला ने एक बंद-लूप ऊष्मा पंप (जिनेवा झील से जल स्रोत) का निर्माण किया जो आज तक जिनेवा सिटी सभागृह के लिए तापन प्रदान करता है।
 * 1937-1945: प्रथम विश्व युद्ध के दौरान और उसके बाद, स्विट्ज़रलैंड को ऊर्जा के भारी आयात का सामना करना पड़ा और बाद में उसने अपने जलविद्युत संयंत्रों का विस्तार किया। पहले और विशेष रूप से द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, जब तटस्थ स्विट्ज़रलैंड फासीवादी शासित देशों से पूरी तरह से घिरा हुआ था, कोयले की कमी फिर से भयप्रद हो गई। ऊर्जा प्रौद्योगिकी में अपनी अग्रणी स्थिति के लिए स्विस कंपनियों सुल्जेर (निर्माता), एस्चेर वाइस एंड सी और ब्राउन, बोवेरी एंड सी का धन्यवाद उन्होंने 1937 और 1945 के बीच लगभग 35 ऊष्मा पम्पों का निर्माण और संचालन किया। मुख्य ताप स्रोत झील का पानी, नदी का पानी, भूजल और अपशिष्ट ऊष्मा थे। ज्यूरिख शहर के छह ऐतिहासिक ताप पंप विशेष रूप से उल्लेखनीय हैं, जिनका ताप उत्पादन 100 kW से 6 MW तक है। एक अंतरराष्ट्रीय मील का पत्थर 1937/38 में ज्यूरिख के नगर सभागृह में लकड़ी के चूल्हे को बदलने के लिए एस्चर वाइस द्वारा बनाया गया ऊष्मा पंप है। शोर और कंपन से बचने के लिए हाल ही में विकसित चक्रीय मुषली संपीड़क का उपयोग किया गया था। इस ऐतिहासिक ऊष्मा पंप ने टाउन सभागृह को 2001 तक 63 साल तक गर्म किया। तभी इसे एक नए, अधिक कुशल ऊष्मा पंप से बदल दिया गया, * 1945: जॉन सुमनेर, नॉर्विच के नगर विद्युत् इंजीनियर, नई परिषद प्रशासनिक भवनों को गर्म करने के लिए एक पड़ोसी नदी का उपयोग करते हुए एक प्रायोगिक जल-स्रोत ताप पंप केंद्रीय तापन प्रणाली स्थापित करता है। मौसमी क्षमता अनुपात 3.42। औसत ऊष्मीय डिलीवरी 147 kW और उच्च उत्पादन 234 kW है।
 * 1948: रॉबर्ट सी. वेबर को पहले भूमि ऊष्मा पंप के विकास और निर्माण का श्रेय दिया जाता है।
 * 1951: पहली बड़े पैमाने पर स्थापना-लंदन में रॉयल फेस्टिवल सभागृह को कोयला गैस संचालित प्रतिवर्ती जल-स्रोत ताप पंप के साथ खोला गया है, जो दोनों शीतकालीन ताप और ग्रीष्मकालीन शीतलन आवश्यकताओं के लिए टेम्स नदी द्वारा सिंचित है।

वायु-स्रोत ऊष्मा पम्प
वायु-स्रोत ऊष्मा पम्पों का उपयोग दो ताप विनिमायकों के बीच ऊष्मा को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है, एक भवन के बाहर जो पंखों से सुसज्जित है जिसके माध्यम से पंखे का उपयोग करके हवा को प्रणोदित किया जाता है और दूसरा जो भवन के चारों ओर परिचालित होता है या तो सीधे भवन के अंदर हवा को गर्म करता है या पानी को रेडिएटर या अंडरफ्लोर तापन के माध्यम से गर्म करता है जो भवन को ऊष्मा जारी करता है। ये उपकरण शीतलन वृत्ति में भी काम कर सकते हैं जहां वे आंतरिक ऊष्मा विनिमयक के माध्यम से ऊष्मा निकालते हैं और बाहरी ऊष्मा विनिमयक का उपयोग करके इसे परिवेशी वायु में बाहर निकाल देते हैं। कुछ का उपयोग धोने के लिए पानी गर्म करने के लिए किया जा सकता है जिसे घरेलू गर्म पानी की टंकी में संग्रहित किया जाता है।

वायु-स्रोत ऊष्मा पम्प स्थापित करने के लिए अपेक्षाकृत आसान और सस्ते हैं और इसलिए ऐतिहासिक रूप से सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ऊष्मा पम्प प्रकार रहे हैं। हल्के मौसम में, प्रदर्शन का गुणांक (COP) लगभग 4 हो सकता है, जबकि नीचे के तापमान -7 C पर एक वायु-स्रोत ऊष्मा पम्प अभी भी 3 का COP प्राप्त कर सकता है।

जबकि पुराने वायु-स्रोत ताप पंपों ने कम तापमान पर अपेक्षाकृत खराब प्रदर्शन किया और गर्म जलवायु के लिए बेहतर अनुकूल थे, चर-गति संपीड़क के साथ नए प्रतिरूप मिनेसोटा और मेन जैसे स्थानों में व्यापक अपनाने और लागत बचत की अनुमति देने वाली ठंड की स्थिति में अत्यधिक कुशल बने हुए हैं।

भू-स्रोत ऊष्मा पम्प
एक भू-स्रोत ऊष्मा पम्प मिट्टी से या भूजल से ऊष्मा खींचता है जो वर्ष भर अपेक्षाकृत स्थिर तापमान पर लगभग 30 feet की गहराई से नीचे रहता है। एक अच्छी तरह से बनाए रखा भू-स्रोत ताप पंप में सामान्यतः तापन काल की शुरुआत में 4.0 का COP होगा और लगभग 3.0 का मौसमी COP होगा क्योंकि जमीन से ऊष्मा खींची जाती है। ऊष्मा विनिमयक नलिकायन के ऊर्ध्वाधर नियोजन के लिए बोरहोल के वेधन की आवश्यकता या नलिकायन के क्षैतिज नियोजन के लिए खाइयों की खुदाई की आवश्यकता के कारण भू-स्रोत ऊष्मा पम्प स्थापित करना अधिक महंगा है, जिसमें ऊष्मा-विनिमय तरल पदार्थ (थोड़ा प्रतिहिम के साथ पानी) होता है।

एक भू-स्रोत ऊष्मा पम्प का उपयोग गर्म दिनों के दौरान भवनों को ठंडा करने के लिए भी किया जा सकता है, जिससे आवास से ऊष्मा वापस मिट्टी में भू पाश के माध्यम से स्थानांतरित हो जाती है। सौर तापीय संग्राहक या पार्किंग स्थल के पक्की सड़क के भीतर रखे नलिकायन का उपयोग भूमिगत ऊष्मा को फिर से भरने के लिए भी किया जा सकता है।

निकास वायु ऊष्मा पंप
निर्वात वायु ऊष्मा पंप एक बिल्डिंग की निर्वात वायु से ऊष्मा निकालते हैं और इसके लिए संवातन (वास्तुकला) की जरूरत होती है। दो वर्ग मौजूद हैं:
 * निर्वात वायु-वायु ऊष्मा पंप ग्राह्यता वायु में ऊष्मा हस्तान्तरित करते हैं।
 * निर्वात वायु-जल ऊष्मा पंप ऊष्मा को एक तापन परिपथ में हस्तान्तरित करते हैं जिसमें घरेलू गर्म पानी का कुंड सम्मिलित होता है।

सौर-सहायता प्राप्त ताप पंप
एक सौर-सहायता प्राप्त ऊष्मा पम्प या तो एकल प्रणाली में ऊष्मा पम्प और सौर तापीय संग्राहक या प्रकाशवोल्टीय सौर ऊर्जा को एकीकृत करता है। ऊष्मीय सौर की स्तिथि में, सामान्यतः इन दो तकनीकों का उपयोग जल तापन के उत्पादन के लिए अलग-अलग (या समानांतर में संचालित) किया जाता है। इस प्रणाली में सौर तापीय प्रपट्ट निम्न-तापमान ऊष्मा स्रोत है, और उत्पन्न ऊष्मा ऊष्मा पम्प के बाष्पीकरणकर्ता को खिलाती है। इस प्रणाली का लक्ष्य उच्च COP प्राप्त करना है और फिर अधिक ऊर्जा रूपांतरण दक्षता और कम खर्चीले तरीके से ऊर्जा का उत्पादन करना है। प्रकाशवोल्टीय सोलर ऊष्मा पंप, या सोलर वायु अनुकूलन के मामले में, ऊष्मा पंप को चलाने के लिए बिजली सूर्य से उत्पन्न होती है। बादलों या रात की अवधि के दौरान चलाने के लिए उत्पन्न अतिरिक्त सौर ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए या तो बैटरी का उपयोग किया जा सकता है, या इन अवधि के दौरान ग्रिड ऊर्जा का उपयोग किया जा सकता है।

जल-स्रोत ताप पंप
एक जल-स्रोत ऊष्मा पम्प भू-स्रोत ऊष्मा पम्प के समान तरीके से काम करता है, तथापि यह जमीन के स्थान पर जलाशय से ऊष्मा लेता है। हालाँकि, पानी के शरीर को पर्याप्त रूप से बड़ा होना चाहिए ताकि वह इकाई के शीतलन प्रभाव को ठंड के बिना या वन्यजीवों के लिए प्रतिकूल प्रभाव पैदा करने में सक्षम हो सके।

संवातन तंत्र ऊष्मा पंप
एक ऊष्मा पम्प जो प्रशीतक के बिना एक तापध्वनिक ऊष्मा इंजन के रूप में संचालित होता है, लेकिन इसके स्थान पर लाउडस्पीकर द्वारा संचालित सीलबंद कक्ष में एक स्थायी तरंग का उपयोग करके पूरे कक्ष में तापमान अंतर प्राप्त किया जाता है।

अनुप्रयोग
अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा संस्था का अनुमान है कि, 2021 तक, भवनों में स्थापित ताप पंपों की संयुक्त क्षमता 1,000 GW से अधिक है। वे मध्यम ताप, संवातन और वायु अनुकूलन (HVAC) की जरूरतों के साथ जलवायु में उपयोग किए जाते हैं और घरेलू गर्म पानी और कपड़े सुखाने के कार्यों को भी प्रदान कर सकते हैं। विभिन्न देशों में उपभोक्ता छूट द्वारा खरीद लागत का समर्थन किया जाता है।

स्थल तापन और कभी-कभी शीतलन भी
HVAC अनुप्रयोगों में, एक ऊष्मा पम्प सामान्यतः एक वाष्प-संपीड़न प्रशीतन उपकरण होता है जिसमें एक प्रतिवर्ती वाल्व और अनुकूलित ताप विनिमायक सम्मिलित होते हैं ताकि ताप प्रवाह (तापीय ऊर्जा गति) की दिशा को उलटा किया जा सके। उलटा वाल्व चक्र के माध्यम से शीतलक की दिशा बदलता है और इसलिए ऊष्मा पंप एक भवन को गर्म या ठंडा कर सकता है। शीतल जलवायु में, उत्क्रमी अभिद्वार की स्वतः निर्धारित समंजन गर्म होती है।

गर्म जलवायु में निर्धारित समंजन शीतलन है। क्योंकि दो ताप विनिमायक, संघनित्र और बाष्पीकरणकर्ता, को कार्यों की अदला-बदली करनी चाहिए, वे दोनों प्रणाली में पर्याप्त रूप से प्रदर्शन करने के लिए अनुकूलित हैं। इसलिए, एक उत्क्रमणीय ऊष्मा पम्प की सीर (SEER) अनुमतांकन, जो कि सीर है, सामान्यतः दो अलग-अलग अनुकूलित मशीनों से थोड़ी कम होती है। ऊर्जा सितारा अनुमतांकन प्राप्त करने के लिए उपकरणों के लिए, इसकी कम से कम 14 सीर और 18 सीर या उससे अधिक की अनुमतांकन होनी चाहिए, इसे अत्यधिक कुशल माना जाता है और निर्मित उच्चतम दक्षता वाले ऊष्मा पंप 24 सीर तक के होते हैं।

जल तापन
जल तापन अनुप्रयोगों में, ऊष्मा पंप का उपयोग तरण ताल के लिए पानी गर्म करने या पहले से गरम करने या घरों और उद्योगों द्वारा उपयोग के लिए पीने योग्य पानी को गर्म करने के लिए किया जा सकता है। सामान्यतः ऊष्मा को बाहरी हवा से निकाला जाता है और एक भीतरी पानी के टंकी में स्थानांतरित किया जाता है, एक अन्य प्रकार अंतरिक्ष को ठंडा करने में सहायता करने के लिए भीतरी हवा से ऊष्मा निकालती है।

जिला तापन
जिला तापन के लिए ऊष्मा पंप का उपयोग ऊष्मा संभरक के रूप में भी किया जा सकता है। यूरोप में, जिला तापन संजाल में ऊष्मा पंप ऊष्मा की आपूर्ति का मात्र 1% है, लेकिन कई देशों ने 2030 और 2040 के बीच अपने संजाल को डीकार्बोनाइज करने का लक्ष्य रखा है। ऐसे अनुप्रयोगों के लिए ऊष्मा के संभावित स्रोत मल का पानी, परिवेशी पानी (जैसे समुद्र, झील और नदी का पानी), औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा, भूतापीय ऊर्जा, फ्लू गैस, जिला शीतलन से अपशिष्ट ऊष्मा और सौर मौसमी तापीय ऊर्जा भंडारण से ऊष्मा हैं। यूरोप में, 1980 के दशक से 1500 मेगावाट से अधिक बड़े पैमाने पर ताप पंप स्थापित किए गए थे, जिनमें से लगभग 1000 मेगावाट स्वीडन में 2017 में उपयोग में थे। ऊष्मीय ऊर्जा भंडारण के साथ संयुक्त जिला तापन के लिए बड़े पैमाने पर ताप पंप परिवर्तनीय अक्षय ऊर्जा के एकीकरण के लिए उच्च लचीलापन प्रदान करते हैं। इसलिए, उन्हें 100% तक नवीकरणीय ऊर्जा के उच्च हिस्सों और उन्नत चौथी पीढ़ी के जिला तापन प्रणाली के साथ स्मार्ट ऊर्जा प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक माना जाता है।  वे ठंडा जिला ताप प्रणाली का एक महत्वपूर्ण तत्व भी हैं।

औद्योगिक ताप
औद्योगिक ताप पंपों के उपयोग से उद्योग में ऊर्जा की खपत और संबंधित ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने की काफी संभावना है। 2015 में पूरी हुई एक अंतरराष्ट्रीय सहयोग परियोजना ने दुनिया भर में R&D-परियोजनाओं और 115 स्तिथियों के अध्ययन के पूरी तरह से 39 उदाहरण एकत्र किए। अध्ययन से पता चलता है कि 2 साल से कम की छोटी भुगतान अवधि संभव है, जबकि उच्च उत्सर्जन कटौती प्राप्त करना संभव है (कुछ स्तिथियों में 50% से अधिक)।  औद्योगिक ताप पंप 200 डिग्री सेल्सियस तक गर्म कर सकते हैं, और कई प्रकाश उद्योग की तापन मांगों को पूरा कर सकते हैं।  अकेले यूरोप में, कागज, खाद्य और रसायन उद्योगों में 3,000 सुविधाओं में 15 GW ताप पंप स्थापित किए जा सकते हैं।

[MYIE1] IEA प्रतिवेदन का उद्धरण https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps

प्रदर्शन
ताप पंपों के प्रदर्शन की तुलना करते समय 'प्रदर्शन' शब्द को 'दक्षता' के लिए प्राथमिकता दी जाती है, प्रदर्शन के गुणांक (COP) का उपयोग प्रति कार्य आगत उपयोगी ताप गति के अनुपात का वर्णन करने के लिए किया जाता है। एक विद्युत प्रतिरोध ऊष्मार में 1.0 का COP होता है, जो एक अच्छी तरह से अभिकल्पना किए गए ताप पंप से काफी कम होता है, जो सामान्यतः 10 डिग्री सेल्सियस के बाहरी तापमान और 20 डिग्री सेल्सियस के आंतरिक तापमान के साथ 3 से 5 के COP के बीच होता है। एक भू-स्रोत ऊष्मा पम्प का सामान्यतः वायु-स्रोत ऊष्मा पम्प की तुलना में उच्च प्रदर्शन होगा।

प्रदर्शन का मौसमी गुणांक (SCOP) एक वर्ष की अवधि में कुल ऊर्जा दक्षता माप का एक उपाय है जो क्षेत्रीय जलवायु पर बहुत निर्भर है। इस गणना के लिए एक ढांचा आयोग विनियम (EU) संख्या 813/2013 द्वारा दिया गया है:

शीतलन प्रणाली में एक ताप पंप के परिचालन प्रदर्शन को US में या तो इसके ऊर्जा दक्षता अनुपात (EER) या मौसमी ऊर्जा दक्षता अनुपात (SEER) द्वारा चित्रित किया जाता है, जिनमें से दोनों में BTU/(h.W) की इकाइयां हैं (ध्यान दें कि 1 BTU/ (h·W) = 0.293 W/W) और बड़े मान बेहतर प्रदर्शन का संकेत देते हैं। वास्तविक प्रदर्शन भिन्न होता है, और यह स्थापना विवरण, तापमान अंतर, स्थल ऊंचाई और रखरखाव जैसे कई कारकों पर निर्भर करता है।

कार्बन पदचिह्न
ऊष्मा पम्पों का कार्बन पदचिह्न उनकी व्यक्तिगत दक्षता और बिजली के उत्पादन के तरीके पर निर्भर करता है। हवा और सौर ऊर्जा जैसे निम्न-कार्बन ऊर्जा स्रोतों की बढ़ती हिस्सेदारी से जलवायु पर प्रभाव कम होगा।

अधिकांश समायोजन में, ऊष्मा पंप कम हो जाएंगे जीवाश्म ईंधन द्वारा संचालित तापन प्रणाली की तुलना में उत्सर्जन। वैकल्पिक प्रशीतक के साथ इन मूल्यों में क्रमशः 10 प्रतिशत अंकों का सुधार किया जा सकता है। संयुक्त राज्य अमेरिका में, 70% घरों में ऊष्मा पम्प स्थापित करके उत्सर्जन को कम किया जा सकता है। कई देशों में नवीकरणीय बिजली उत्पादन का बढ़ता हिस्सा समय के साथ ताप पंपों से उत्सर्जन बचत को बढ़ाने के लिए तैयार है।

ग्रीन हाइड्रोजन द्वारा संचालित तापन प्रणाली भी कम कार्बन हैं और प्रतिस्पर्धी बन सकते हैं, लेकिन हाइड्रोजन रूपांतरण, परिवहन और उपयोग से जुड़ी ऊर्जा हानि के कारण बहुत कम कुशल हैं। इसके अलावा, 2030 या 2040 के दशक से पहले पर्याप्त हरित हाइड्रोजन उपलब्ध होने की उम्मीद नहीं है।

ऑपरेशन
वाष्प-संपीड़न एक परिसंचारी प्रशीतक का उपयोग माध्यम के रूप में करता है जो एक स्थान से ऊष्मा को अवशोषित करता है, इसे संपीड़ित करता है जिससे इसका तापमान दूसरे स्थान पर छोड़ने से पहले बढ़ जाता है। प्रणाली में सामान्यतः 8 मुख्य घटक होते हैं: एक गैस संपीड़क, एक जलाशय, एक उत्क्रमी छिद्र जो तापन और शीतलन प्रणाली के बीच चयन करता है, दो ऊष्मीय विस्तार वाल्व (एक तापन प्रणाली में और दूसरा शीतलन प्रणाली में उपयोग किए जाने पर) और दो ऊष्मा विनिमयक्स, एक बाहरी ताप स्रोत/सिंक से जुड़ा है और दूसरा भीतरी के साथ। तापन प्रणाली में बाहरी ऊष्मा विनिमयक बाष्पीकरणकर्ता है और आंतरिक संघनित्र है; शीतलन प्रणाली में भूमिकाएं उलट जाती हैं।

परिसंचारी प्रशीतक ऊष्मागतिक अवस्था में संपीड़क में प्रवेश करता है जिसे संतृप्ति तापमान और दबाव के रूप में जाना जाता है और एक उच्च दबाव के लिए संकुचित होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान भी होता है। गर्म, संपीड़ित वाष्प तब ऊष्मागतिक अवस्था में होता है जिसे अतितापित वाष्प के रूप में जाना जाता है और यह एक तापमान और दबाव पर होता है, जिस पर यह ठंडा पानी या कुंडल या नलिकाओं में बहने वाली ठंडी हवा के साथ संघनन हो सकता है। तापन प्रणाली में इस ऊष्मा का उपयोग आंतरिक ऊष्मा विनिमयक का उपयोग करके भवन को गर्म करने के लिए किया जाता है, और शीतलन प्रणाली में इस ऊष्मा को बाहरी ऊष्मा विनिमयक के माध्यम से अस्वीकृत कर दिया जाता है।

संक्षिप्त तापमान और दबाव के रूप में जानी जाने वाली ऊष्मागतिक अवस्था में संघनित, तरल प्रशीतक को अगले विस्तार वाल्व के माध्यम से भेजा जाता है, जहां यह दबाव में अचानक कमी से गुजरता है। उस दबाव में कमी के परिणामस्वरूप तरल प्रशीतक के एक हिस्से का स्थिरोष्म दमक वाष्पीकरण होता है। रुद्धोष्म दमक वाष्पीकरण का स्वत: प्रशीतन प्रभाव तरल के तापमान को कम करता है और-

वाष्प प्रशीतक मिश्रण जहां यह प्रशीतित होने वाले संलग्न स्थान के तापमान से अधिक ठंडा है।

फिर ठंडे मिश्रण को बाष्पीकरणकर्ता में वक्र या नालिका के माध्यम से भेजा जाता है। एक पंखा ठंडे प्रशीतक तरल और वाष्प मिश्रण को ले जाने वाली वक्र या नलिकाओं में संलग्न स्थान में गर्म हवा प्रसारित करता है। वह गर्म हवा ठंडे सर्द मिश्रण के तरल भाग को वाष्पित कर देती है। उसी समय, परिसंचारी हवा को ठंडा किया जाता है और इस प्रकार संलग्न स्थान के तापमान को वांछित तापमान तक कम कर देता है। बाष्पीकरणकर्ता वह जगह है जहां परिसंचारी प्रशीतक ऊष्मा को अवशोषित करता है और हटाता है जिसे बाद में संघनित्र में खारिज कर दिया जाता है और संघनित्र में इस्तेमाल होने वाले पानी या हवा द्वारा कहीं और स्थानांतरित कर दिया जाता है।

प्रशीतन चक्र को पूरा करने के लिए, बाष्पीकरणकर्ता से प्रशीतक वाष्प फिर से एक संतृप्त वाष्प होता है और संपीड़क में वापस चला जाता है।

समय के साथ, बाष्पीकरणकर्ता परिवेशी आर्द्रता से बर्फ या पानी एकत्र कर सकता है। बर्फ को स्वत: वितुषारण चक्र से पिघलाया जाता है। एक आंतरिक ऊष्मा विनिमयक का उपयोग या तो आंतरिक हवा को सीधे गर्म/ठंडा करने के लिए किया जाता है या फिर पानी को गर्म करने के लिए किया जाता है जिसे बाद में विकिरक या अधःप्रवाह तापन परिपथ के माध्यम से भवनों को ठंडा करने के लिए प्रसारित किया जाता है।

अवशीतलन द्वारा प्रदर्शन के गुणांक (COP) में सुधार
यदि प्रशीतक बाष्पीकरणकर्ता में कम वाष्प सामग्री के साथ प्रवेश करता है तो ऊष्मा आगत में सुधार किया जा सकता है। यह संघनन के बाद तरल प्रशीतक को ठंडा करके प्राप्त किया जा सकता है। गैसीय प्रशीतक संघनित्र की ऊष्मा विनिमय सतह पर संघनित होता है। गैसीय प्रवाह केंद्र से संघनित्र की दीवार तक ऊष्मा प्रवाह प्राप्त करने के लिए, तरल प्रशीतक का तापमान संक्षेपण तापमान से कम होना चाहिए।

संघनित्र छोड़ने वाले अपेक्षाकृत गर्म तरल प्रशीतक और बाष्पीकरणकर्ता से निकलने वाले शीतलक प्रशीतक वाष्प के बीच ऊष्मा विनिमय द्वारा अतिरिक्त उप-शीतलन प्राप्त किया जा सकता है। उपशीतलन के लिए आवश्यक तापीय धारिता अंतर संपीड़क में खींची गई वाष्प के अतितापन की ओर जाता है। जब शीतलन में वृद्धि, अवशीतलन द्वारा प्राप्त की जाती है, तो अतिरिक्त दबाव के नुकसान को दूर करने के लिए संपीड़क अभियान आगत की आवश्यकता होती है, ऐसे ऊष्मा विनिमय प्रदर्शन के गुणांक में सुधार करते हैं।

तरल पदार्थों के अवशीतलन होने का एक नुकसान यह है कि संघनक तापमान और ऊष्माशोषी तापमान के बीच का अंतर बड़ा होना चाहिए। इससे संघनक और वाष्पीकरण दबाव के बीच मामूली उच्च दबाव अंतर होता है, जिससे संपीड़क ऊर्जा बढ़ जाती है।

सर्द विकल्प
शुद्ध प्रशीतक को कार्बनिक पदार्थों (हाइड्रोकार्बन (HC), क्लोरोफ्लोरोकार्बन (CFC), हाइड्रोक्लोरोफ्लोरोकार्बन (HCFC), हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFC), हाइड्रोफ्लोरोलेफिन्स (HFO) और HCFO) और अकार्बनिक पदार्थ (अमोनिया (NH3), कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) और पानी (H₂O) में विभाजित किया जा सकता है।

पिछले 200 वर्षों में, नए प्रशीतक के मानक और आवश्यकताएं बदल गई हैं। अगली पीढ़ी के प्रशीतक के चयन को नियंत्रित करने वाले इन मानकों में सुरक्षा, व्यावहारिकता, भौतिक अनुकूलता, उपयुक्त वायुमंडलीय जीवन और उच्च दक्षता वाले उत्पादों के साथ अनुकूलता के लिए पिछली सभी आवश्यकताओं के अलावा निम्न ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (GWP) की आवश्यकता सम्मिलित है। 2022 तक, बहुत कम भूमण्डलीय तापक्रम क्षमता (GWP) वाले प्रशीतक का उपयोग करने वाले उपकरणों का अभी भी एक छोटा बाजार हिस्सा है, लेकिन लागू नियमों के कारण बढ़ती भूमिका निभाने की उम्मीद है, जैसा कि अधिकांश देशों ने अब HFC पर प्रतिबंध लगाने के लिए किगाली संशोधन की पुष्टि कर दी है। आइसोबुटेन (R600A) और प्रोपेन (R290) पारंपरिक हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFC) की तुलना में पर्यावरण के लिए बहुत कम हानिकारक हैं और पहले से ही वायु-स्रोत ताप पंपों में उपयोग किए जा रहे हैं। अमोनिया (R717) और कार्बन डाइऑक्साइड (R744) में भी कम GWP है।

1990 के दशक तक, ऊष्मा पंप, फ्रिज और अन्य संबंधित उत्पादों के साथ प्रशीतक के रूप में क्लोरोफ्लोरोकार्बन (CFC) का उपयोग करते थे जो पृथ्वी के वायुमंडल में जारी होने पर ओजोन परत को बड़ी क्षति पहुंचाते थे। अगस्त 1987 के मॉन्ट्रियल विज्ञप्ति द्वारा इन रसायनों के उपयोग पर प्रतिबंध लगा दिया गया था या गंभीर रूप से प्रतिबंधित कर दिया गया था।

R-134a और R-410A सहित प्रतिस्थापन, समान ऊष्मागतिक गुणों वाले हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFC) हैं, जिनमें नगण्य ओजोन रिक्तीकरण क्षमता है, लेकिन समस्याग्रस्त भूमण्डलीय तापक्रम क्षमता थी। HFC एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है जो जलवायु परिवर्तन में योगदान करती है। डाइमिथाइल ईथर (DME) ने भी R404a के संयोजन में प्रशीतक के रूप में लोकप्रियता प्राप्त की।

हाल ही के प्रशीतक में डिफ्लुओरोमीथेन (R32) सम्मिलित हैं, जिसमें GWP अभी भी 600 से अधिक है।

सरकारी प्रोत्साहन
वित्तीय प्रोत्साहन वर्तमान में दुनिया भर के 30 से अधिक देशों में उपलब्ध हैं, जो 2021 में वैश्विक ताप मांग के 70% से अधिक को समाविष्ट करते हैं।

ऑस्ट्रेलिया
खाद्य संसाधक, मद्य निर्माता, पेटफूड उत्पादक और अन्य औद्योगिक ऊर्जा उपयोगकर्ता इस बात की खोज कर रहे हैं कि औद्योगिक-श्रेणी ऊष्मा का उत्पादन करने के लिए नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करना संभव है या नहीं। ऑस्ट्रेलिया के निर्माण में ऑनसाइट ऊर्जा उपयोग के सबसे बड़े हिस्से के लिए प्रक्रिया तापन खाते, खाद्य उत्पादन जैसे कम तापमान के संचालन के साथ विशेष रूप से नवीनीकरण के लिए संक्रमण के लिए उपयुक्त हैं।

उत्पादकों को यह समझने में मदद करने के लिए कि वे बदलाव करने से कैसे लाभान्वित हो सकते हैं, ऑस्ट्रेलियाई अक्षय ऊर्जा अभिकरण (ARENA) ने ऊर्जा उत्पादकता के लिए ऑस्ट्रेलियाई गठबंधन (A2EP) को ऑस्ट्रेलिया के आस-पास कई जगहों पर पूर्ण व्यवहार्यता अध्ययन के लिए आगे बढ़ने वाले सबसे आशाजनक स्थानों के साथ धन उपलब्ध कराया।।

कनाडा
2022 में, कनाडा ग्रीनर होम्स अनुदान उन्नयन के लिए $5000 तक प्रदान करता है (कुछ ताप पंपों सहित), और ऊर्जा दक्षता मूल्यांकन के लिए $600।

यूनाइटेड किंगडम
2022 तक: ताप पंपों पर कोई वैट नहीं है, हालांकि उत्तरी आयरलैंड में अधिकांश अन्य उत्पादों के लिए वैट के सामान्य स्तर 20% के स्थान पर 5% की कम दर पर कर लगाया जाता है। 2022 तक ताप पंप की स्थापना लागत गैस वाष्‍पयँत्र से अधिक है, लेकिन सरकारी अनुदान और बिजली/गैस की लागत समान रहने के साथ उनकी जीवन भर की लागत समान होगी।

संयुक्त राज्य
यूनाइटेड स्टेट्स कांग्रेस द्वारा मुद्रास्फीति न्यूनीकरण अधिनियम पारित किए जाने और 16 अगस्त, 2022 को राष्ट्रपति जो बिडेन द्वारा कानून में हस्ताक्षर किए जाने के बाद, राज्य ऊर्जा कार्यालयों और भारतीय जनजातियों को स्थापित करने के लिए अनुदान देने के लिए उच्च दक्षता वाले इलेक्ट्रिक गृह छूट कार्यक्रम बनाया गया था। तत्काल प्रभाव से, अमेरिकी परिवार $2,000 तक के ऊष्मा पंप को खरीदने और स्थापित करने की लागत को समाविष्ट करने के लिए कर आभार के पात्र हैं। 2023 से शुरू होकर, निम्न और मध्यम स्तर की आय वाले परिवार $8,000 तक के ऊष्मा-पंप छूट के पात्र होंगे। कुछ अमेरिकी राज्यों और नगर पालिकाओं ने पहले वायु-स्रोत ऊष्मा पम्पों के लिए प्रोत्साहन की पेशकश की थी:
 * कैलिफ़ोर्निया: 2022 में, कैलिफोर्निया सार्वजनिक उपयोगिता आयोग ने 2023 गैस कैप-एंड-ट्रेड भत्ता नीलामी आय से 40 मिलियन डॉलर अतिरिक्त आवंटित किए, जो स्व-उत्पादन प्रोत्साहन कार्यक्रम (SGIP) ऊष्मा पंप जल ऊष्मार (HPWH) के वर्तमान $44.7 मिलियन बजट के लिए है। ) कार्यक्रम, जिसमें एकल-परिवार आवासीय ग्राहक HPWH स्थापित करने के लिए $3,800 तक का प्रोत्साहन प्राप्त कर सकते हैं। प्रोत्साहन राशि का आधा कम आय वाले उपादेयता ग्राहकों के लिए आरक्षित है, जो $4,885 के अधिकतम प्रोत्साहन के लिए पात्र हैं।
 * मेन: दक्षता मेन संगठन $1,200 तक के आवासीय ऊष्मा-पंप छूट की पेशकश करता है, साथ ही ऊष्मा-पंप कम और मध्यम आय वाले मेनर्स के लिए उनके पहले पात्र ऊष्मा पंप के लिए $2,000 की छूट और दूसरे पात्र ऊष्मा पंप के लिए $400 तक की छूट प्रदान करता है।
 * मैसाचुसेट्स : मास सेव, मैसाचुसेट्स की प्राकृतिक गैस और बिजली उपयोगिताओं और ऊर्जा दक्षता सेवा प्रदाताओं के बीच एक सहयोगी पहल है, जो $10,000 तक का वायु-स्रोत ऊष्मा-पंप छूट प्रदान करता है, जिसमें ऊष्मा पंप की खरीद मूल्य और स्थापना लागत सम्मिलित है।
 * मिनेसोटा : यदि मिनेसोटा पावर सहभागी संस्पर्शित्र द्वारा पंप खरीदा और स्थापित किया जाता है, तो मिनेसोटा पावर $ 1,200 तक का वायु-सोर्स ऊष्मा-पंप छूट प्रदान करता है।
 * दक्षिण कैरोलिना : प्रभुत्व ऊर्जा साउथ कैरोलिना एक एनर्जी स्टार प्रमाणित ऊष्मा पंप या वायु-अनुकूलन ईकाई खरीदने और स्थापित करने के लिए $ 400- $ 500 की छूट प्रदान करता है।

यह भी देखें

 * इकोक्यूट

आईपीसीसी की रिपोर्ट

 * (पंजाब: ). हत्तपः://आर्काइव.िपक्क.च/रिपोर्ट/ार5/वग़1/




 * हत्तपः://ववव.िपक्क.च/स्र15/.



बाहरी कड़ियाँ

 * U.S. Department of Energy: Practical information on setting up geothermal heat pump systems at home
 * IEA Technology Collaboration Programme on Heat Pumping Technologies
 * Carbon Brief guest post: How heat pump sales are starting to take off around the world
 * Carbon Brief guest post: How heat pump sales are starting to take off around the world