پمپ حرارتی (Heat Pump) سیستمی است که قادر است انرژی حرارتی (گرما) را از یک مکان به مکان دیگر منتقل کند. این سیستم شبیه به یخچال یا کولر گازی عمل می‌کند، اما می‌تواند جهت انتقال گرما را معکوس کند و هم برای سرمایش (انتقال گرما از داخل به خارج) و هم برای گرمایش (انتقال گرما از خارج یا منابع دیگر به داخل) مورد استفاده قرار گیرد. در خودروهای برقی (EVs)، به‌خصوص در مناطقی با آب و هوای سرد، پمپ حرارتی نقش بسیار مهمی در بهبود راندمان انرژی و حفظ برد پیمایش ایفا می‌کند.
نحوه عملکرد پمپ حرارتی
پمپ حرارتی از یک چرخه ترمودینامیکی با استفاده از یک ماده مبرد (مانند گازهای خنک‌کننده) برای انتقال گرما بهره می‌برد. فرآیند اصلی شامل چهار مرحله است:
- تبخیر (Evaporation): ماده مبرد مایع در دمای پایین و فشار کم، گرما را از منبع (مثلاً هوای بیرون خودرو یا سایر قطعات خودرو) جذب کرده و تبخیر می‌شود (به گاز تبدیل می‌شود).
- فشرده‌سازی (Compression): گاز مبرد توسط کمپرسور فشرده می‌شود که این امر باعث افزایش دما و فشار آن می‌شود.
- چگالش (Condensation): گاز مبرد داغ و پرفشار به محلی که قرار است گرما به آن منتقل شود (مثلاً داخل کابین خودرو) رفته و گرمای خود را از دست می‌دهد و دوباره به مایع تبدیل می‌شود.
- انبساط (Expansion): مایع مبرد پرفشار از یک شیر انبساط عبور کرده، فشار و دمای آن کاهش یافته و برای شروع مجدد چرخه آماده می‌شود.
با معکوس کردن جهت چرخه (عملکرد شیر انبساط و کمپرسور)، می‌توان جهت انتقال گرما را نیز معکوس کرد و سیستم را از حالت گرمایش به سرمایش (عملکرد به عنوان کولر) یا برعکس تغییر داد.
نقش پمپ حرارتی در خودروهای برقی
در خودروهای سنتی با موتور احتراق داخلی، گرمای مورد نیاز برای گرمایش کابین عمدتاً از گرمای هدر رفته موتور تأمین می‌شود که یک منبع گرمای “مجانی” و فراوان است. اما خودروهای برقی فاقد چنین منبع گرمای هدر رفته قابل توجهی هستند. استفاده از هیترهای مقاومتی ساده (مانند المنت برقی) برای گرم کردن کابین در خودروهای برقی بسیار ناکارآمد است، زیرا این هیترها مستقیماً انرژی الکتریکی زیادی را از باتری خودروی برقی برای تولید گرما مصرف می‌کنند.
اینجاست که پمپ حرارتی وارد می‌شود:
- گرمایش کارآمد کابین: پمپ حرارتی برای گرم کردن کابین، به جای تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی به گرما، گرما را از منابع دیگر (مانند هوای بیرون، گرمای تولید شده توسط موتور الکتریکی یا قطعات الکترونیک قدرت، یا حتی گرمای خود باتری) جذب کرده و با صرف مقدار کمی انرژی الکتریکی برای کمپرسور و فن‌ها، آن گرما را به داخل کابین منتقل می‌کند. این فرآیند بسیار کارآمدتر از گرمایش مقاومتی است.
- سرمایش کابین (عملکرد کولر): پمپ حرارتی می‌تواند در حالت معکوس عمل کرده و به عنوان یک سیستم تهویه مطبوع (کولر) برای سرمایش کابین، گرما را از داخل کابین به بیرون منتقل کند.
- مدیریت حرارتی باتری و قطعات: در بسیاری از خودروهای برقی پیشرفته، پمپ حرارتی بخشی از یک سیستم مدیریت حرارتی جامع‌تر است که علاوه بر کابین، دمای باتری خودروی برقی و سایر اجزای حساس مانند موتور الکتریکی و اینورتر را نیز تنظیم می‌کند. پمپ حرارتی می‌تواند گرما را بین این اجزا و کابین جابجا کند، مثلاً از گرمای تولید شده توسط موتور یا باتری برای کمک به گرمایش کابین در هوای سرد استفاده کند یا باتری را در هوای گرم خنک کند.
تأثیر پمپ حرارتی بر برد پیمایش
مهم‌ترین مزیت پمپ حرارتی برای خودروهای برقی، تأثیر مثبت آن بر برد پیمایش در آب و هوای سرد است. گرمایش کابین با هیتر مقاومتی می‌تواند در دماهای زیر صفر به میزان قابل توجهی (تا ۴۰ درصد یا بیشتر) برد خودروی برقی را کاهش دهد. اما پمپ حرارتی به دلیل راندمان بسیار بالاتر در تولید گرما (معمولاً با ضریب عملکرد (COP) بین ۲ تا ۴ در دماهای متوسط، به این معنی که به ازای هر واحد انرژی الکتریکی مصرفی، ۲ تا ۴ واحد گرما تولید می‌کند، در حالی که هیتر مقاومتی COP برابر ۱ دارد)، مصرف انرژی برای گرمایش را به شکل چشمگیری کاهش داده و در نتیجه برد خودروی برقی در فصل سرما را حفظ می‌کند. با این حال، راندمان پمپ حرارتی در دماهای بسیار پایین (مثلاً زیر ۱۰- درجه سانتی‌گراد) کاهش می‌یابد و ممکن است در این شرایط، سیستم به استفاده کمکی از هیتر مقاومتی نیز نیاز پیدا کند.
پمپ حرارتی در خودروهای برقی در ایران
با توجه به تنوع اقلیمی در ایران و وجود مناطق سردسیر و همچنین فصول سرد در بسیاری از نقاط کشور، قابلیت گرمایش کارآمد کابین از اهمیت بالایی برخوردار است. بسیاری از خودروهای برقی وارداتی به ایران که از مدل‌های جدید و پیشرفته هستند، مجهز به سیستم پمپ حرارتی هستند. وجود این سیستم در خودروهای برقی که قرار است در مناطق سردسیر ایران تردد کنند یا در فصول سرد سال مورد استفاده قرار گیرند، یک مزیت بزرگ محسوب شده و مستقیماً بر برد واقعی پیمایش آن‌ها در این شرایط تأثیر می‌گذارد. برای خریداران خودروهای برقی در ایران، به‌خصوص کسانی که در مناطق سرد زندگی می‌کنند یا قصد سفرهای بین‌شهری در فصل سرما را دارند، بررسی وجود سیستم پمپ حرارتی در مشخصات فنی خودرو توصیه می‌شود.
نتیجه‌گیری
پمپ حرارتی (Heat Pump) یک فناوری مدیریت حرارتی بسیار کارآمد است که نقشی حیاتی در بهینه‌سازی راندمان انرژی خودروهای برقی ایفا می‌کند. این سیستم با انتقال گرما به جای تولید آن، به‌خصوص در فصل سرما، مصرف انرژی برای گرمایش کابین را به شکل چشمگیری کاهش داده و به حفظ برد پیمایش کمک می‌کند. پمپ حرارتی همچنین بخشی از سیستم مدیریت حرارتی جامع خودرو برای تنظیم دمای باتری و سایر اجزا است. با توجه به تأثیر مستقیم این سیستم بر کاربردپذیری خودروهای برقی در آب و هوای سرد، وجود آن در خودروهای برقی موجود و آتی در بازار ایران یک مزیت فنی و عملیاتی مهم محسوب می‌شود.
