ปั๊มความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานกลหรือพลังงานความร้อน ในการ ถ่ายโอนความร้อนจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง ปั๊มความร้อนแบบกลไกใช้พลังงานไฟฟ้าในการถ่ายโอนความร้อนโดยการอัดโดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยใช้ปั๊มความร้อนและวงจรทำความเย็นทำให้พื้นที่หนึ่งเย็นลงและอีกพื้นที่หนึ่งอุ่นขึ้น^{[ 1 ]}ปั๊มความร้อนที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานความร้อนเรียกว่าปั๊มความร้อนแบบดูดซับ

ในฤดูหนาว ปั๊มความร้อนสามารถเคลื่อนย้ายความร้อนจากภายนอกที่เย็นเพื่อทำให้บ้านอบอุ่น ในฤดูร้อน อาจออกแบบมาเพื่อเคลื่อนย้ายความร้อนจากบ้านไปยังภายนอกที่อุ่นกว่า เนื่องจากเป็นการถ่ายเทความร้อนแทนที่จะสร้างความร้อน จึงมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าการทำความร้อนด้วยหม้อต้มแก๊ส^{[ 2 ]}

ในเครื่องปั๊มความร้อนแบบอัดไอ ทั่วไป สารทำความเย็น ที่เป็นก๊าซ จะถูกอัดเพื่อให้ความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น เมื่อปั๊มทำงานเป็นเครื่องทำความร้อนในสภาพอากาศหนาวเย็น ก๊าซที่อุ่นขึ้นจะไหลไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในพื้นที่ภายในอาคาร ซึ่งพลังงานความร้อนบางส่วนจะถูกถ่ายเทไปยังพื้นที่นั้น ทำให้ก๊าซ ควบแน่น กลายเป็นของเหลว สารทำความเย็นที่เป็นของเหลวจะไหลไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในพื้นที่ภายนอกอาคาร ซึ่งความดันจะลดลง ของเหลวจะระเหยและอุณหภูมิของก๊าซจะลดลง เมื่อเย็นกว่าอุณหภูมิของพื้นที่ภายนอกอาคารที่ใช้เป็นแหล่งความร้อนแล้ว ก๊าซจึงสามารถรับพลังงานจากแหล่งความร้อนได้อีกครั้ง ถูกอัด และเริ่มต้นวงจรใหม่

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศเป็นรุ่นที่พบได้บ่อยที่สุด ในขณะที่ประเภทอื่นๆ ได้แก่ปั๊มความร้อนจากแหล่งดินปั๊มความร้อนจากแหล่งน้ำและปั๊มความร้อนจากอากาศเสีย^{[ 3 ]}ปั๊มความร้อนขนาดใหญ่ยังใช้ในระบบทำความร้อนส่วนกลาง อีกด้วย ^{[ 4 ​​]}

เนื่องจากประสิทธิภาพสูงและสัดส่วนที่เพิ่มขึ้นของ แหล่งพลังงานที่ไม่ใช้ เชื้อเพลิงฟอสซิลในโครงข่ายไฟฟ้า ปั๊มความร้อนจึงมีบทบาทในการบรรเทาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ [ ^{5 ] [ 6 ] ด้วย}ต้นทุนไฟฟ้า 1 kWh ปั๊มความร้อนสามารถถ่ายโอนพลังงานความร้อนได้ 1 ^{[ 7 ]}ถึง 4.5 kWh เข้าสู่อาคารคาร์บอนฟุตพริ้นท์ของปั๊มความร้อนขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตไฟฟ้าแต่โดยทั่วไปแล้วจะช่วยลดการปล่อยมลพิษ^{[ 8 ]} ปั๊มความร้อนสามารถตอบสนองความต้องการความร้อนในพื้นที่และน้ำทั่วโลกได้มากกว่า 80% ด้วยคาร์บอนฟุตพริ้นท์ที่ต่ำกว่า หม้อไอน้ำแบบควบแน่นที่ใช้ก๊าซอย่างไรก็ตาม ในปี 2021 ปั๊มความร้อนตอบสนองได้เพียง 10% เท่านั้น^{[ 4 ]}การคว่ำบาตรก๊าซธรรมชาติของรัสเซียได้เร่งความจำเป็นในการเปลี่ยนไปใช้ทางเลือกอื่น^{[ 9 ]}ปั๊มความร้อนในยุโรปขายได้ 3 ล้านเครื่องในปี 2023 ^{[ 10 ]}แม้ว่ายอดขายจะเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ แต่การนำไปใช้ยังคงมีจำกัด^{[ 11 ]}ในปี 2025 REPowerEU จัดทำแผนงานเพื่อเปลี่ยนไปใช้ระบบปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพและยืดหยุ่นนี้^{[ 12 ]}

ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าโดยธรรมชาติ ความร้อนจะไม่ไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าโดยธรรมชาติ แต่สามารถทำให้ไหลไปในทิศทางนี้ได้หาก มี การทำงานการทำงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนความร้อนในปริมาณที่กำหนดมักจะน้อยกว่าปริมาณความร้อนที่ได้รับมาก นี่คือแรงจูงใจในการใช้ปั๊มความร้อนในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การทำความร้อนน้ำและภายในอาคาร^{[ 13 ]}

เครื่องปั๊มความร้อนทำงานโดยใช้ระบบปรับอากาศแบบวงจรย้อนกลับ สารทำความเย็นเหลวไหลผ่านขดลวดในชุดทำความเย็นและดูดซับความร้อน กลายเป็นก๊าซ จากนั้นจึงถูกอัดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น สารทำความเย็นที่เป็นก๊าซนี้จะถูกปั๊มเข้าไปในขดลวดอีกชุดในชุดทำความร้อน โดยมีพัดลมเป่าลมผ่านขดลวดเพื่อดูดซับความร้อนและทำให้สารทำความเย็นกลายเป็นของเหลว เครื่องปั๊มความร้อนส่วนใหญ่สามารถถ่ายเทความร้อนได้ทั้งสองทิศทาง หมายความว่า ตัวอย่างเช่น สามารถทำความร้อนและทำความเย็นให้กับพื้นที่ได้

ปริมาณงานที่จำเป็นในการให้ความร้อนปริมาณ Q แก่แหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า เช่น ภายในอาคาร ในขณะที่ดึงความร้อนออกจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น อากาศโดยรอบ คือ: โดยที่ $${\displaystyle W={\frac {Q}{\mathrm {COP} }}}$$

• ${\displaystyle W}$คือปริมาณงานที่คอมเพรสเซอร์ของปั๊มความร้อนกระทำต่อสารทำงาน
• ${\displaystyle Q}$คือความร้อนที่ถูกปล่อยออกมาจากแหล่งเก็บความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า
• ${\displaystyle \mathrm {COP} }$คือค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ ทันที ของปั๊มความร้อนที่อุณหภูมิในแหล่งเก็บความร้อน ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง

ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนมีค่ามากกว่าหนึ่ง ดังนั้นงานที่ต้องการจึงน้อยกว่าความร้อนที่ปล่อยออกมา ทำให้ปั๊มความร้อนเป็นรูปแบบการทำความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากกว่าการทำความร้อนด้วยความต้านทานไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิของแหล่งเก็บความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นเพิ่มขึ้นตามการไหลของความร้อนเข้าไป ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพจะลดลง ทำให้ต้องใช้แรงงานมากขึ้นสำหรับความร้อนแต่ละหน่วยที่ถ่ายโอน^{[ 13 ]}

ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพและปริมาณงานที่จำเป็นสำหรับปั๊มความร้อนสามารถคำนวณได้ง่ายๆ โดยพิจารณาจากปั๊มความร้อนในอุดมคติที่ทำงานบนวัฏจักรคาร์โนต์แบบย้อนกลับ :

• หากแหล่งเก็บความร้อนอุณหภูมิต่ำมีอุณหภูมิ 270 K (−3 °C) และภายในอาคารมีอุณหภูมิ 280 K (7 °C) ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดคือ 28 ซึ่งหมายความว่างาน 1 จูลจะส่งความร้อน 28 จูลไปยังภายในอาคาร งาน 1 จูลจะกลายเป็นพลังงานความร้อนภายในอาคาร และความร้อน 27 จูลจะถูกถ่ายเทจากแหล่งเก็บความร้อนอุณหภูมิต่ำ^{[หมายเหตุ 1 ]}
• เมื่ออุณหภูมิภายในอาคารสูงขึ้นเรื่อยๆ จนถึง 300 K (27 °C) ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพจะลดลงเรื่อยๆ จนเหลือ 10 ซึ่งหมายความว่างาน 1 จูลจะถ่ายเทความร้อน 9 จูลจากแหล่งเก็บความร้อนอุณหภูมิต่ำเข้าสู่อาคาร และในที่สุดงาน 1 จูลก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนภายในอาคาร ดังนั้นจึงมีการเพิ่มความร้อน 10 จูลเข้าไปในอาคาร^{[หมายเหตุ 2 ]}

นี่คือปริมาณความร้อนที่สูบฉีดตามทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติจะน้อยกว่าด้วยเหตุผลหลายประการ เช่น หากติดตั้งหน่วยภายนอกในบริเวณที่มีการไหลเวียนของอากาศไม่เพียงพอ การแบ่งปันข้อมูลเพิ่มเติมกับเจ้าของและนักวิชาการ—อาจมาจากมิเตอร์วัดความร้อน —อาจช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในระยะยาวได้^{[ 15 ]}

เหตุการณ์สำคัญ:

1748

วิลเลียม คัลเลนสาธิตการทำความเย็นเทียม^{[ 16 ]}

1834

Jacob Perkinsจดสิทธิบัตรการออกแบบตู้เย็น^ที่ ใช้งานได้จริง โดยใช้ไดเมทิลอีเทอร์^{[ 17} ]

1852

ลอร์ดเคลวินอธิบายทฤษฎีพื้นฐานของปั๊มความร้อน^{[ 18 ]}

1855–1857

Peter von Rittingerพัฒนาและสร้างปั๊มความร้อนเครื่องแรก^{[ 19 ]}

พ.ศ. 2420

ก่อนปี 1875 มีการพัฒนาปั๊มความร้อนสำหรับการระเหยแบบอัดไอ (กระบวนการปั๊มความร้อนแบบเปิด) ในโรงงานผลิตเกลือ เนื่องจากมีข้อดีที่เห็นได้ชัดในการประหยัดไม้และถ่านหิน ในปี 1857 ปีเตอร์ ฟอน ริตทิงเกอร์ เป็นคนแรกที่พยายามนำแนวคิดการอัดไอมาใช้ในโรงงานนำร่องขนาดเล็ก สันนิษฐานว่าได้รับแรงบันดาลใจจากการทดลองของริตทิงเกอร์ในเอเบนเซ อองตวน-ปอล ปิคคาร์ด จากมหาวิทยาลัยโลซานน์ และวิศวกร เจ.เอช. ไวเบล จากบริษัทไวเบล-บริเกต์ ในเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ได้สร้างระบบอัดไอที่ใช้งานได้จริงระบบแรกของโลกด้วยคอมเพรสเซอร์ลูกสูบสองขั้นตอน ในปี 1877 ปั๊มความร้อนเครื่องแรกในสวิตเซอร์แลนด์นี้ได้รับการติดตั้งใน โรงงาน ผลิตเกลือเบ็กซ์^{[ 18 ] [ 20 ]}

1928

Aurel Stodolaสร้างปั๊มความร้อนแบบวงปิด (แหล่งน้ำจากทะเลสาบเจนีวา ) ซึ่งให้ความร้อนแก่ ศาลาว่าการเมือง เจนีวาจนถึงทุกวันนี้^{[ 21 ]}

พ.ศ. 2480–2488

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่งราคาน้ำมันเชื้อเพลิงในสวิตเซอร์แลนด์สูง แต่สวิตเซอร์แลนด์มีพลังงานน้ำเหลือเฟือ [ ^{18 ] : 18} ในช่วงเวลาก่อนและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเมื่อสวิตเซอร์แลนด์ที่เป็นกลางถูกล้อมรอบด้วยประเทศที่ปกครองโดยลัทธิฟาสซิสต์ การขาดแคลนถ่านหินก็กลับมาน่าเป็นห่วงอีกครั้ง ด้วยความเป็นผู้นำด้านเทคโนโลยีพลังงาน บริษัทสวิสอย่างSulzer , Escher WyssและBrown Boveriได้สร้างและใช้งานปั๊มความร้อนประมาณ 35 เครื่องระหว่างปี 1937 ถึง 1945 แหล่งความร้อนหลักคือน้ำในทะเลสาบ น้ำในแม่น้ำ น้ำบาดาล และความร้อนเหลือทิ้ง ที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือปั๊มความร้อนประวัติศาสตร์ 6 เครื่องจากเมืองซูริคที่มีกำลังความร้อนตั้งแต่ 100 กิโลวัตต์ถึง 6 เมกะวัตต์ ความสำเร็จระดับนานาชาติคือปั๊มความร้อนที่สร้างโดย Escher Wyss ในปี 1937/38 เพื่อทดแทนเตาไม้ในศาลาว่าการเมืองซูริค เพื่อหลีกเลี่ยงเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน จึงได้ใช้คอมเพรสเซอร์ลูกสูบหมุนที่เพิ่งพัฒนาขึ้นในขณะนั้น เครื่องปั๊มความร้อนโบราณนี้ให้ความร้อนแก่ศาลาว่าการเมืองเป็นเวลา 63 ปีจนถึงปี 2001 หลังจากนั้นจึงถูกแทนที่ด้วยเครื่องปั๊มความร้อนรุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า^{[ 18 ]}

พ.ศ. 2488

จอห์น ซัมเนอร์ วิศวกรไฟฟ้าประจำเมืองนอริชได้ติดตั้งระบบทำความร้อนส่วนกลางแบบใช้ปั๊มความร้อนจากแหล่งน้ำแบบทดลอง โดยใช้แม่น้ำใกล้เคียงในการให้ความร้อนแก่อาคารบริหารใหม่ของสภา ระบบดังกล่าวมีอัตราส่วนประสิทธิภาพตามฤดูกาลที่ 3.42 การส่งความร้อนเฉลี่ย 147 กิโลวัตต์ และผลผลิตสูงสุด 234 กิโลวัตต์^{[ 22 ]}

1948

Robert C. Webber ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้พัฒนาและสร้างปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดินเครื่องแรก^{[ 23 ]}

1951

การติดตั้งขนาดใหญ่ครั้งแรก— รอยัลเฟสติวัลฮอลล์ในลอนดอนเปิดใช้งานด้วยปั๊มความร้อนจากแหล่งน้ำแบบย้อนกลับที่ใช้พลังงานก๊าซในเมือง ซึ่งได้รับน้ำจากแม่น้ำ เทมส์เพื่อตอบสนองความต้องการทั้งการทำความร้อนในฤดูหนาวและการทำความเย็นในฤดูร้อน^{[ 22 ]}

2019

ข้อตกลงคิกาลีว่าด้วยการทยอยเลิกใช้สารทำความเย็นที่เป็นอันตรายมีผลบังคับใช้แล้ว

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ (ASHP) ซึ่งเป็นปั๊มความร้อนประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด^{[ 24 ]}สามารถดูดซับพลังงาน ( ความร้อน ) จากอากาศเย็นโดยรอบภายนอกอาคาร และปล่อยพลังงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นเพื่อทำความร้อนให้กับอาคาร ไม่ว่าจะผ่านทางอากาศร้อนหรือน้ำร้อน ไฟฟ้าจะขับเคลื่อนปั๊มเชิงกล (คอมเพรสเซอร์) โดยพลังงานไฟฟ้าที่ใช้จะให้พลังงานความร้อนที่สูบได้มากกว่าการทำความร้อนแบบจูลด้วย ความต้านทานธรรมดาถึง 3 หรือ 4 เท่า

ปั๊มความร้อนใช้ กระบวนการ ทำความเย็นแบบอัดไอและอุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกับเครื่องปรับอากาศแต่ในทิศทางตรงกันข้าม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีการแลกเปลี่ยนระหว่างแหล่งกำเนิดและเป้าหมาย เนื่องจากอากาศโดยรอบสามารถเข้าถึงได้เกือบทุกที่ ปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่อากาศ (ASHP) จึงเป็นปั๊มความร้อนประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด และโดยทั่วไปมีขนาดเล็ก จึงมักใช้ในการให้ความร้อนแก่บ้านหรืออพาร์ตเมนต์แต่ละหลังมากกว่าอาคาร เขต หรือกระบวนการทางอุตสาหกรรม^{[ 25 ]}

ปั๊มความร้อน แบบอากาศต่ออากาศจะส่งอากาศร้อนหรือเย็นไปยังห้องแต่ละห้องโดยตรง แต่โดยทั่วไปจะไม่ให้ความร้อนแก่น้ำ ส่วนปั๊มความร้อน แบบอากาศต่อน้ำจะใช้ท่อน้ำและหม้อน้ำหรือระบบทำความร้อนใต้พื้นเพื่อทำความร้อนให้กับบ้านทั้งหลัง และมักใช้ในการผลิตน้ำร้อนสำหรับ ใช้ในครัวเรือนด้วย

โดยทั่วไป ASHP สามารถผลิตพลังงานความร้อนได้ 4 kWh จากพลังงานไฟฟ้า 1 kWh ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพหรือ COP จึงเท่ากับ 4 ASHP ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับอุณหภูมิการไหลระหว่าง 30 ถึง 40 °C (86 ถึง 104 °F) ซึ่งเหมาะสำหรับอาคารที่มีเครื่องปล่อยความร้อนที่มีขนาดสำหรับอุณหภูมิการไหลต่ำ แม้จะมีการสูญเสียประสิทธิภาพ ASHP ก็สามารถให้ความร้อนส่วนกลางได้อย่างเต็มที่ด้วยอุณหภูมิการไหลสูงถึง 80 °C (176 °F) ^{[ 26 ]}

ณ ปี 2023 ประมาณ 10% ของการทำความร้อนในอาคารทั่วโลกมาจาก ASHP ซึ่งเป็นวิธีหลักในการเลิกใช้หม้อต้มและเตาเผาแก๊สในบ้าน เพื่อหลีกเลี่ยง การ ปล่อยก๊าซเรือนกระจก^{[ 27 ]}

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศใช้ในการเคลื่อนย้ายความร้อนระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่อง เครื่องหนึ่งอยู่นอกอาคารซึ่งติดตั้งครีบที่อากาศถูกบังคับผ่านโดยใช้พัดลม และอีกเครื่องหนึ่งซึ่งให้ความร้อนแก่อากาศภายในอาคารโดยตรงหรือให้ความร้อนแก่น้ำซึ่งจะถูกหมุนเวียนไปทั่วอาคารผ่านหม้อน้ำหรือระบบทำความร้อนใต้พื้นซึ่งจะปล่อยความร้อนสู่อาคาร อุปกรณ์เหล่านี้ยังสามารถทำงานในโหมดทำความเย็นได้ โดยจะดึงความร้อนผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในและปล่อยความร้อนออกสู่อากาศโดยรอบโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก บางชนิดสามารถใช้ให้ความร้อนแก่น้ำสำหรับซักผ้าซึ่งเก็บไว้ในถังน้ำร้อนภายในบ้านได้^{[ 28 ]}

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศค่อนข้างติดตั้งง่ายและราคาไม่แพง จึงเป็นประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ในสภาพอากาศที่ไม่รุนแรงค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) อาจอยู่ระหว่าง 2 ถึง 5 ในขณะที่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ −8 °C (18 °F) ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศยังคงสามารถทำ COP ได้ 1 ถึง 4 ^{[ 29 ]}

ในขณะที่ปั๊มความร้อนแบบใช้แหล่งอากาศรุ่นเก่าทำงานได้ค่อนข้างแย่ในอุณหภูมิต่ำและเหมาะกับสภาพอากาศอบอุ่นมากกว่า แต่รุ่นใหม่ที่มีคอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วได้ยังคงมีประสิทธิภาพสูงในสภาวะเยือกแข็ง ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างแพร่หลายและประหยัดค่าใช้จ่ายในสถานที่ต่างๆ เช่น มินนิโซตาและเมนในสหรัฐอเมริกา^{[ 30 ]}

ในยุโรป การคว่ำบาตรก๊าซรัสเซียได้เร่งให้เกิดการเปลี่ยนไปใช้ทางเลือกอื่น^{[ 31 ]}หาก 14 ล้านคนเปลี่ยนมาใช้ปั๊มความร้อน การบริโภคก็จะลดลงได้ถึง 13 พันล้านลูกบาศก์เมตร ปั๊มความร้อนมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่าหม้อไอน้ำแบบดั้งเดิมถึง 5 เท่า^{[ 32 ]}และในสหราชอาณาจักร ปัจจุบัน ระบบปรับอากาศมีค่าใช้จ่ายในการใช้งานถูกกว่าหม้อไอน้ำที่ใช้ก๊าซประมาณ 27 เปอร์เซ็นต์^{[ 33 ]}

ปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดิน (หรือปั๊มความร้อนใต้พิภพ) คือระบบทำความร้อน/ความเย็นสำหรับอาคารที่ใช้ปั๊มความร้อนชนิดหนึ่งในการถ่ายเทความร้อนจากใต้ดินหรือจากพื้นดิน โดยใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิที่ค่อนข้างคงที่ของพื้นดินตลอดฤดูกาล ปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดิน (GSHP) หรือปั๊มความร้อนใต้พิภพ (GHP) ซึ่งเป็นชื่อที่ใช้กันทั่วไปในอเมริกาเหนือ เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากที่สุดสำหรับการให้ ความร้อนและระบบ ปรับอากาศและการทำน้ำอุ่นโดยใช้พลังงานน้อยกว่าเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าแบบ ต้านทาน

ประสิทธิภาพจะแสดงเป็นค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (CoP) ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 3–6 หมายความว่าอุปกรณ์จะให้ความร้อน 3–6 หน่วยต่อหน่วยไฟฟ้าที่ใช้ ต้นทุนการติดตั้งจะสูงกว่าระบบทำความร้อนอื่นๆ เนื่องจากต้องติดตั้งท่อใต้ดินในพื้นที่ขนาดใหญ่หรือต้องเจาะรู ดังนั้นแหล่งความร้อนใต้ดินจึงมักติดตั้งเมื่อมีการสร้างอาคารชุดใหม่^{[ 34 ]}ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศมีต้นทุนการติดตั้งต่ำกว่า แต่มี CoP ต่ำกว่าในสภาพอากาศที่หนาวจัดหรือร้อนจัด

ปั๊มความร้อนจากอากาศเสียจะดึงความร้อนจากอากาศเสียของอาคารและต้องใช้ระบบระบายอากาศแบบกลไกมีสองประเภท:

• เครื่องปั๊มความร้อนแบบอากาศไอเสียถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศที่ดูดเข้า
• ปั๊มความร้อนแบบอากาศ-น้ำเสียจะถ่ายเทความร้อนไปยังวงจรทำความร้อนซึ่งรวมถึงถังเก็บน้ำร้อนสำหรับใช้ในบ้าน

ปั๊มความร้อนที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ช่วย (SAHP) คือระบบที่รวมปั๊มความร้อนและแผงโซลาร์เซลล์ความร้อนและ/หรือแผงโซลาร์เซลล์ PVเข้าไว้ในระบบเดียว^{[ 35 ]}ปั๊มความร้อนต้องการแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ ซึ่งสามารถจัดหาได้จากพลังงานแสงอาทิตย์ โดยทั่วไป เทคโนโลยีทั้งสองนี้จะถูกใช้แยกกัน (หรือวางขนานกันเท่านั้น) เพื่อผลิตอากาศอุ่นหรือน้ำร้อน [ ^{36 ] ใน}ระบบนี้ แผงโซลาร์เซลล์ความร้อนทำหน้าที่เป็นแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ และความร้อนที่ผลิตได้จะป้อนให้กับเครื่องระเหยของปั๊มความร้อน^{[ 37 ]}เป้าหมายของระบบนี้คือการได้ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพสูง ( COP ) จากนั้นจึงผลิตพลังงานใน วิธีที่ มีประสิทธิภาพและประหยัดค่าใช้จ่ายมากขึ้น ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ ซึ่งอุ่นล่วงหน้าด้วยตัวเก็บรวบรวมอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ มีข้อดีเพิ่มเติมคือการบำรุงรักษาน้อยลง เนื่องจากสามารถปกป้องหน่วยพัดลมภายนอกจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในฤดูหนาวได้

พลังงานแสงอาทิตย์ PV สามารถขับเคลื่อนปั๊มความร้อนด้วยไฟฟ้าเพื่อเปิดใช้งานการใช้ไฟฟ้าในการทำความร้อนอาคาร^{[ 38 ]}และเรือนกระจก [ ^{39 ] ระบบ}เหล่านี้ช่วยให้การใช้ไฟฟ้า^{[ 40 ]}ในการทำความร้อน/ความเย็นเป็นไปได้ และโดยปกติจะขับเคลื่อนด้วยเศรษฐศาสตร์^{[ 41 ]}และเป้าหมายการลดคาร์บอน^{[ 42 ]}ระบบดังกล่าวได้รับการพิสูจน์แล้วว่าคุ้มค่าในตะวันออกกลาง^{[ 43 ]}อเมริกาเหนือ^{[ 44 ]}เอเชีย^{[ 45 ]}และยุโรป^{[ 46 ]}

สามารถใช้ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบใดก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นแบบใช้ตัวเก็บความร้อนแบบอากาศหรือของเหลว (แผ่นและท่อ, แบบม้วนเชื่อม, ท่อความร้อน, แผ่นความร้อน) หรือ แบบไฮบ ริด ( โมโน / โพ ลีคริสตัลไลน์ , ฟิล์มบาง ) ร่วมกับปั๊มความร้อน อย่างไรก็ตาม การใช้แผงไฮบริดเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากช่วยให้สามารถตอบสนองความต้องการไฟฟ้าบางส่วนของปั๊มความร้อน ลดการใช้พลังงาน และลดต้นทุนผันแปรของระบบได้

ปั๊มความร้อนจากแหล่งน้ำทำงานในลักษณะเดียวกับปั๊มความร้อนจากแหล่งดิน ยกเว้นว่าจะดึงความร้อนจากแหล่งน้ำแทนที่จะเป็นพื้นดิน อย่างไรก็ตาม แหล่งน้ำนั้นจำเป็นต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะทนต่อผลกระทบจากการทำความเย็นของหน่วยได้โดยไม่แข็งตัวหรือก่อให้เกิดผลเสียต่อสัตว์ป่า^{[ 47 ]}ปั๊มความร้อนจากแหล่งน้ำที่ใหญ่ที่สุดได้รับการติดตั้งในเมืองเอสบเยิร์ก ประเทศเดนมาร์กในปี 2023 ^{[ 48 ] [ 49 ]}

ปั๊มความร้อนเทอร์โมอะคูสติกทำงานเหมือนเครื่องยนต์ความร้อนเทอร์โมอะคูสติกโดยไม่ต้องใช้สารทำความเย็น แต่ใช้คลื่นนิ่งในห้องปิดผนึกที่ขับเคลื่อนด้วยลำโพงเพื่อสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งห้อง^{[ 50 ]}

ปั๊มความร้อนแบบอิเล็กโทรแคลอริกเป็นแบบโซลิดสเตท^{[ 51 ]}

สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศประเมินว่า ณ ปี 2021 เครื่องปั๊มความร้อนที่ติดตั้งในอาคารมีกำลังการผลิตรวมกันมากกว่า 1,000 GW ^{[ 4 ]} เครื่องปั๊มความร้อน เหล่านี้ใช้สำหรับทำความร้อน ระบายอากาศ และปรับอากาศ (HVAC) และอาจใช้สำหรับน้ำร้อนในครัวเรือนและอบผ้าได้ด้วย^{[ 52 ]}ต้นทุนการซื้อได้รับการสนับสนุนในหลายประเทศด้วยส่วนลดสำหรับผู้บริโภค^{[ 53 ]}

ในงานระบบปรับอากาศ (HVAC) ปั๊มความร้อนโดยทั่วไปเป็น อุปกรณ์ ทำความเย็นแบบอัดไอที่มีวาล์วกลับทิศทางและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ได้รับการปรับแต่งมาเป็นอย่างดี เพื่อให้สามารถกลับทิศทาง การ ไหลของความร้อน (การเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อน) ได้ วาล์วกลับทิศทางจะสลับทิศทางการไหลของสารทำความเย็นผ่านวงจร ดังนั้นปั๊มความร้อนจึงสามารถให้ความร้อนหรือความเย็นแก่ตัวอาคารได้

เนื่องจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่อง คือ คอนเดนเซอร์และอีวาพอเรเตอร์ ต้องสลับหน้าที่กัน จึงได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ทำงานได้เพียงพอในทั้งสองโหมด ดังนั้นค่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามฤดูกาล (SEER ในสหรัฐอเมริกา) หรืออัตราส่วนประสิทธิภาพการใช้พลังงานตามฤดูกาลของยุโรปของปั๊มความร้อนแบบกลับทิศทางได้จึงมักจะน้อยกว่าเครื่องที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมแยกกันสองเครื่องเล็กน้อย สำหรับอุปกรณ์ที่จะได้รับ การรับรองมาตรฐาน Energy Star ของสหรัฐอเมริกาจะต้องมีค่า SEER อย่างน้อย 14 ปั๊มที่มีค่า SEER 18 ขึ้นไปถือว่ามีประสิทธิภาพสูง ปั๊มความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ผลิตได้มีค่า SEER สูงถึง 24 ^{[ 54 ]}

ปัจจัยประสิทธิภาพการทำความร้อนตามฤดูกาล (ในสหรัฐอเมริกา) หรือปัจจัยประสิทธิภาพตามฤดูกาล (ในยุโรป) คือการจัดอันดับประสิทธิภาพการทำความร้อน SPF คือผลผลิตความร้อนทั้งหมดต่อปี / ปริมาณไฟฟ้าที่ใช้ทั้งหมดต่อปี หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพการทำความร้อน (COP) เฉลี่ยตลอดทั้งปี^{[ 55 ]}

เครื่องปั๊มความร้อนแบบติดตั้งบนหน้าต่างในสหรัฐอเมริกาทำงานโดยใช้เต้ารับไฟฟ้ากระแสสลับ 120 โวลต์มาตรฐาน และให้ความร้อน ความเย็น และการควบคุมความชื้น มีประสิทธิภาพมากกว่า มีระดับเสียงต่ำกว่า มีการจัดการการควบแน่น และมีขนาดเล็กกว่าเครื่องปรับอากาศแบบติดตั้งบนหน้าต่างที่ให้ความเย็นเพียงอย่างเดียว^{[ 56 ]}

ใน การใช้งาน ทำความร้อนน้ำปั๊มความร้อนอาจใช้ในการทำความร้อนหรืออุ่นน้ำสำหรับสระว่ายน้ำ บ้าน หรืออุตสาหกรรม โดยปกติความร้อนจะถูกดึงมาจากอากาศภายนอกและถ่ายเทไปยังถังเก็บน้ำภายในอาคาร^{[ 57 ] [ 58 ]}

ปั๊มความร้อนขนาดใหญ่ (ระดับเมกะวัตต์) ใช้สำหรับ ระบบ ทำความร้อนส่วนกลาง^{[ 59 ]}อย่างไรก็ตาม ณ ปี 2022 ประมาณ 90% ของระบบทำความร้อนส่วนกลางมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล [ ^{60 ] ใน}ยุโรป ปั๊มความร้อนคิดเป็นเพียง 1% ของปริมาณความร้อนที่จ่ายในเครือข่ายทำความร้อนส่วนกลาง แต่หลายประเทศมีเป้าหมายที่จะลดการปล่อยคาร์บอนในเครือข่ายระหว่างปี 2030 ถึง 2040 ^{[ 4 ]}แหล่งความร้อนที่เป็นไปได้สำหรับการใช้งานดังกล่าว ได้แก่น้ำเสีย น้ำ ในสิ่งแวดล้อม (เช่น น้ำทะเล น้ำในทะเลสาบ และน้ำในแม่น้ำ) ความร้อนเหลือทิ้ง จากอุตสาหกรรม พลังงาน ความร้อนใต้ พิภพ ก๊าซไอเสียความร้อนเหลือทิ้งจากระบบทำความเย็นส่วนกลางและความร้อนจากระบบกักเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาลจากพลังงานแสงอาทิตย์[ 61 ^{]ปั๊มความ}ร้อนขนาดใหญ่สำหรับระบบทำความร้อนส่วนกลางที่รวมกับระบบกักเก็บพลังงานความร้อนให้ความยืดหยุ่นสูงสำหรับการบูรณาการพลังงานหมุนเวียนที่ผันแปรได้ดังนั้นจึงถือเป็นเทคโนโลยีสำคัญในการจำกัดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโดยการเลิกใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 61 ] [ 62 ]}นอกจากนี้ยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของระบบที่สามารถให้ความร้อนและความเย็นแก่เขตต่างๆ ได้อีกด้วย^{[ 63 ]}

มีศักยภาพอย่างมากในการลดการใช้พลังงานและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เกี่ยวข้องในภาคอุตสาหกรรมโดยการประยุกต์ใช้ปั๊มความร้อนอุตสาหกรรม เช่น สำหรับความร้อนในกระบวนการผลิต [ ^{64 ] [ 65 ] สามารถ}คืนทุนได้ในระยะเวลาสั้นกว่า 2 ปี ในขณะที่สามารถลดการปล่อย CO2 ได้อย่างมาก₍ในบางกรณีมากกว่า 50%) ^{[ 66 ] [ 67 ]}ปั๊มความร้อนอุตสาหกรรมสามารถให้ความร้อนได้ถึง 200 °C และสามารถตอบสนองความต้องการความร้อนของอุตสาหกรรมเบา หลายแห่ง ได้^{[ 68 ] [ 69 ]}เฉพาะในยุโรป สามารถติดตั้งปั๊มความร้อนได้ถึง 15 GW ในโรงงาน 3,000 แห่งในอุตสาหกรรมกระดาษ อาหาร และเคมีภัณฑ์^{[ 4 ]}

ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนถูกกำหนดโดยความสามารถของปั๊มในการดึงความร้อนจากสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ (แหล่งกำเนิด ) และส่งไปยังสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ( แหล่งรับ ) ^{[ 70 ]}ประสิทธิภาพจะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับรายละเอียดการติดตั้ง ความแตกต่างของอุณหภูมิ ระดับความสูงของพื้นที่ ตำแหน่งที่ตั้งในพื้นที่ การเดินท่อ อัตราการไหล และการบำรุงรักษา

ปั๊มความร้อนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและตัวรับความร้อนมีน้อยที่สุด ดังนั้นจึงทำงานได้ดีที่สุดในสภาพอากาศปานกลาง และในกรณีของการทำความร้อน ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออุณหภูมิภายนอกลดลง การจัดอันดับประสิทธิภาพสำหรับผู้บริโภคได้รับการออกแบบมาเพื่อสะท้อนถึงความแปรผันเหล่านี้ภายใต้สภาวะต่างๆ

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพทั่วไป ได้แก่ SEER (ในโหมดทำความเย็น) และสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพตามฤดูกาล (SCOP) (โดยทั่วไปใช้เฉพาะในโหมดทำความร้อน) แม้ว่า SCOP จะสามารถใช้ได้ทั้งสองโหมดการทำงาน^{[ 70 ]}ค่าที่มากขึ้นของตัวชี้วัดใดตัวชี้วัดหนึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้น^{[ 70 ]}เมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน คำว่าประสิทธิภาพเป็นที่นิยมมากกว่า คำว่า ประสิทธิผลโดย ใช้ สัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) เพื่ออธิบายอัตราส่วนของการเคลื่อนย้ายความร้อนที่เป็นประโยชน์ต่องานที่ป้อนเข้า^{[ 70 ]}เครื่องทำความร้อนแบบต้านทานไฟฟ้ามี COP เท่ากับ 1.0 ซึ่งต่ำกว่าปั๊มความร้อนที่ออกแบบมาอย่างดีซึ่งโดยทั่วไปจะมี COP อยู่ที่ 3 ถึง 5 ที่อุณหภูมิภายนอก 10 °C และอุณหภูมิภายใน 20 °C เนื่องจากพื้นดินเป็นแหล่งอุณหภูมิคงที่ ปั๊มความร้อนจากแหล่งพื้นดินจึงไม่ได้รับผลกระทบจากความผันผวนของอุณหภูมิมากนัก ดังนั้นจึงเป็นปั๊มความร้อนที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากที่สุด^{[ 70 ]}

"ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพตามฤดูกาล" (SCOP) เป็นการวัดประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวมในช่วงระยะเวลาหนึ่งปี ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพภูมิอากาศในแต่ละภูมิภาค^{[ 70 ]}กรอบการคำนวณนี้กำหนดไว้ในระเบียบข้อบังคับของคณะกรรมาธิการ (EU) เลขที่ 813/2013 ^{[ 71 ]}

ในสหรัฐอเมริกา ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มความร้อนในโหมดทำความเย็นจะถูกระบุด้วยอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงาน (EER) หรืออัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงานตามฤดูกาล (SEER) ซึ่งทั้งสองมีหน่วยเป็น BTU/(h·W) (โปรดทราบว่า 1 BTU/(h·W) = 0.293 W/W) และค่าที่สูงกว่าแสดงถึงประสิทธิภาพที่ดีกว่า

ปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนของปั๊มความร้อนขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของแต่ละเครื่องและวิธีการผลิตไฟฟ้า การเพิ่มสัดส่วนของแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำ เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ จะช่วยลดผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศได้

ในสภาพแวดล้อมส่วนใหญ่ ปั๊มความร้อนจะช่วยลดการปล่อย CO2 _{เมื่อ} เทียบกับระบบทำความร้อน ที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 78 ]}ในภูมิภาคที่คิดเป็น 70% ของการบริโภคพลังงานทั่วโลกการประหยัดการปล่อยมลพิษของปั๊มความร้อนเมื่อเทียบกับหม้อไอน้ำก๊าซประสิทธิภาพสูงโดยเฉลี่ยสูงกว่า 45% และสูงถึง 80% ในประเทศที่มีส่วนผสมของไฟฟ้าที่สะอาดกว่า^{[ 4 ]}ค่าเหล่านี้สามารถปรับปรุงได้ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ตามลำดับ ด้วยสารทำความเย็นทางเลือก ในสหรัฐอเมริกา บ้าน 70% สามารถลดการปล่อยมลพิษได้โดยการติดตั้งปั๊มความร้อน^{[ 79 ] [ 4 ]}ส่วนแบ่งที่เพิ่มขึ้นของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนในหลายประเทศมีแนวโน้มที่จะเพิ่มการประหยัดการปล่อยมลพิษจากปั๊มความร้อนเมื่อเวลาผ่านไป^{[ 4 ]}

ระบบทำความร้อนที่ใช้พลังงานจากไฮโดรเจนสีเขียวก็มีคาร์บอนต่ำและอาจกลายเป็นคู่แข่งได้ แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามากเนื่องจากการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการแปลง การขนส่ง และการใช้ไฮโดรเจน นอกจากนี้ คาดว่าจะมีไฮโดรเจนสีเขียวไม่เพียงพอก่อนปี 2030 หรือ 2040 ^{[ 80 ] [ 81 ]}

ระบบปั๊มความร้อนขนาดใหญ่สำหรับอาคารพาณิชย์

การเดินสายไฟและการเชื่อมต่อกับชุดเครื่องปรับอากาศส่วนกลางภายใน

ระบบทำความเย็น แบบอัดไอใช้สารทำความเย็น หมุนเวียน เป็นตัวกลางในการดูดความร้อนจากพื้นที่หนึ่งแล้วอัดให้เพิ่มอุณหภูมิ ก่อนที่จะปล่อยความร้อนนั้นในอีกพื้นที่หนึ่ง ระบบนี้โดยปกติจะมีส่วนประกอบหลักแปดส่วน ได้แก่คอมเพรสเซอร์ถังเก็บสารทำความเย็น วาล์วเปลี่ยนทิศทางซึ่งใช้เลือกโหมดการทำความร้อนหรือทำความเย็นวาล์วขยายตัวทางความร้อน สองตัว (ตัวหนึ่งใช้ในโหมดทำความร้อนและอีกตัวใช้ในโหมดทำความเย็น) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองตัว ตัวหนึ่งเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อน/ตัวดูดความร้อนภายนอก และอีกตัวเชื่อมต่อกับภายใน ในโหมดทำความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอกจะเป็นตัวระเหย และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในจะเป็นตัวควบแน่น ในโหมดทำความเย็น บทบาทจะสลับกัน

สารทำความเย็นที่ไหลเวียนเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ในสถานะทางเทอร์โมไดนามิกที่เรียกว่าไออิ่มตัว^{[ 82 ]}และถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้นด้วย ไอที่ถูกอัดร้อนจะอยู่ในสถานะทางเทอร์โมไดนามิกที่เรียกว่าไอเหนือความร้อน และมีอุณหภูมิและความดันที่สามารถควบแน่นได้โดยใช้น้ำหล่อเย็นหรืออากาศหล่อเย็นที่ไหลผ่านขดลวดหรือท่อ ในโหมดทำความร้อน ความร้อนนี้จะถูกนำไปใช้ในการทำความร้อนอาคารโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน และในโหมดทำความเย็น ความร้อนนี้จะถูกระบายออกทางเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก

สารทำความเย็นเหลวที่ควบแน่นแล้ว ซึ่งอยู่ในสถานะทางเทอร์โมไดนามิกที่เรียกว่าของเหลวอิ่มตัวจะถูกส่งผ่านวาล์วขยายตัว ซึ่งจะทำให้ความดันลดลงอย่างฉับพลัน การลดลงของความดันนี้ส่งผลให้เกิดการระเหยแบบฉับพลัน ตามหลักการอะเดียแบติก ของสารทำความเย็นเหลวบางส่วน ผลการทำความเย็นอัตโนมัติจากการระเหยแบบฉับพลันตามหลักการอะเดียแบติกนี้จะลดอุณหภูมิของส่วนผสมของสารทำความเย็นเหลวและไอลงจนเย็นกว่าอุณหภูมิของพื้นที่ปิดที่ต้องการทำความเย็น

จากนั้นส่วนผสมเย็นจะถูกส่งผ่านขดลวดหรือท่อในเครื่องระเหย พัดลมจะหมุนเวียนอากาศอุ่นในพื้นที่ปิดผ่านขดลวดหรือท่อที่บรรจุส่วนผสมของสารทำความเย็นเหลวและไอ อากาศอุ่นนั้นจะ ทำให้ส่วนที่เป็นของเหลวของส่วนผสมสารทำความเย็นเย็น ระเหยในขณะเดียวกัน อากาศที่หมุนเวียนจะเย็นลง จึงลดอุณหภูมิของพื้นที่ปิดลงจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ เครื่องระเหยเป็นที่ที่สารทำความเย็นที่หมุนเวียนดูดซับและกำจัดความร้อน ซึ่งจะถูกระบายออกในเครื่องควบแน่นและถ่ายเทไปยังที่อื่นโดยน้ำหรืออากาศที่ใช้ในเครื่องควบแน่น

เพื่อให้วงจรการทำความเย็น สมบูรณ์ ไอสารทำความเย็นจากเครื่องระเหยจะกลายเป็นไออิ่มตัวอีกครั้งและถูกส่งกลับเข้าไปในคอมเพรสเซอร์

เมื่อเวลาผ่านไป คอยล์เย็นอาจเกิดการสะสมของน้ำแข็งหรือน้ำจากความชื้น ในอากาศ น้ำแข็งจะละลายผ่าน กระบวนการ ละลายน้ำแข็งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในจะใช้ในการทำความร้อน/ความเย็นให้กับอากาศภายในโดยตรง หรือใช้ในการทำความร้อนให้กับน้ำแล้วหมุนเวียนผ่านหม้อน้ำหรือระบบทำความร้อนใต้พื้นเพื่อทำความร้อนหรือความเย็นให้กับอาคาร

ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสามารถดีขึ้นได้หากสารทำความเย็นเข้าสู่เครื่องระเหยด้วยปริมาณไอที่ต่ำกว่า ซึ่งสามารถทำได้โดยการทำให้สารทำความเย็นเหลวเย็นลงหลังจากควบแน่น สารทำความเย็นที่เป็นก๊าซจะควบแน่นบนพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องควบแน่น เพื่อให้เกิดการไหลของความร้อนจากจุดศูนย์กลางการไหลของก๊าซไปยังผนังของเครื่องควบแน่น อุณหภูมิของสารทำความเย็นเหลวต้องต่ำกว่าอุณหภูมิการควบแน่น

การลดอุณหภูมิเพิ่มเติมสามารถทำได้โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารทำความเย็นเหลวที่ค่อนข้างอุ่นซึ่งออกจากคอนเดนเซอร์และไอสารทำความเย็นที่เย็นกว่าซึ่งออกมาจากอีวาพอ เรเตอร์ ความแตกต่าง ของเอนทาลปีที่จำเป็นสำหรับการลดอุณหภูมิจะนำไปสู่การเพิ่มอุณหภูมิของไอที่ถูกดึงเข้าไปในคอมเพรสเซอร์ เมื่อการเพิ่มขึ้นของการทำความเย็นที่ได้จากการลดอุณหภูมิมีมากกว่ากำลังขับของคอมเพรสเซอร์ที่จำเป็นในการเอาชนะการสูญเสียความดันเพิ่มเติม การแลกเปลี่ยนความร้อนดังกล่าวจะช่วยปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ^{[ 83 ]}

ข้อเสียประการหนึ่งของการลดอุณหภูมิของของเหลวคือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิการควบแน่นและอุณหภูมิของตัวระบายความร้อนจะต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างของความดันที่ค่อนข้างสูงระหว่างความดันการควบแน่นและความดันการระเหย ส่งผลให้พลังงานของคอมเพรสเซอร์เพิ่มขึ้น^{[ 84 ]}

สารทำความเย็นบริสุทธิ์สามารถแบ่งออกเป็นสารอินทรีย์ ( ไฮโดรคาร์บอน (HCs), คลอ โรฟลูออโรคาร์บอน (CFCs ), ไฮโดรคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (HCFCs), ไฮโดร ฟลูออโรคาร์บอน (HFCs), ไฮโดรฟลูออโรโอเลฟิน (HFOs) และ HCFOs) และสารอนินทรีย์ ( แอมโมเนีย ( NH₃))₃คาร์บอนไดออกไซด์ ( CO₂ )₂) และน้ำ ( H )₂O ) ^{[ 85 ]} ). ^{[ 86 ]}จุดเดือดของพวกมันมักจะต่ำกว่า −25 °C ^{[ 87 ]}

ในช่วง 200 ปีที่ผ่านมา มาตรฐานและข้อกำหนดสำหรับสารทำความเย็นใหม่ได้เปลี่ยนแปลงไป ปัจจุบันนี้ จำเป็นต้องมีศักยภาพใน การทำให้เกิดภาวะโลกร้อน (GWP) ต่ำ นอกเหนือจากข้อกำหนดเดิมด้านความปลอดภัย ความเหมาะสมในการใช้งาน ความเข้ากันได้ของวัสดุ อายุการใช้งานในชั้นบรรยากาศที่เหมาะสม และความเข้ากันได้กับผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ภายในปี 2022 อุปกรณ์ที่ใช้สารทำความเย็นที่มี GWP ต่ำมากจะมีส่วนแบ่งการตลาดน้อย แต่คาดว่าจะมีบทบาทเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากกฎระเบียบที่บังคับใช้^{[ 88 ]}เนื่องจากประเทศส่วนใหญ่ได้ให้สัตยาบันต่อข้อแก้ไขคิกาลีเพื่อห้ามใช้ HFC แล้ว^{[ 89 ]}ไอโซบิวเทน (R600A)และโพรเพน (R290)เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน (HFC) ทั่วไป และกำลังถูกนำไปใช้ในปั๊มความร้อนแบบใช้แหล่งอากาศ อยู่ แล้ว^{[ 90 ]}โพรเพนอาจเหมาะสมที่สุดสำหรับปั๊มความร้อนอุณหภูมิสูง^{[ 91 ]}แอมโมเนีย (R717) และคาร์บอนไดออกไซด์ ( R-744 ) ก็มี GWP ต่ำเช่นกัน ณ ปี 2023 บริษัท CO ขนาดเล็ก₂ปั๊มความร้อนยังไม่แพร่หลาย และการวิจัยและพัฒนายังคงดำเนินต่อไป^{[ 92 ]}รายงานปี 2024 ระบุว่าสารทำความเย็นที่มีค่า GWP มีความเสี่ยงที่จะถูกจำกัดเพิ่มเติมในระดับสากล^{[ 93 ]}

จนกระทั่งถึงช่วงทศวรรษ 1990 เครื่องปั๊มความร้อน รวมถึงตู้เย็นและผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง ใช้คลอโรฟลูออโรคาร์บอน (CFC) เป็นสารทำความเย็น ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อชั้นโอโซนเมื่อปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศการใช้สารเคมีเหล่านี้ถูกห้ามหรือจำกัดอย่างเข้มงวดโดยพิธีสารมอนทรีออลในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2530 ^{[ 94 ]}

สารทดแทน เช่นR-134aและR-410Aเป็นไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน (HFC) ที่มีคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์คล้ายกัน มีศักยภาพในการทำลายโอโซน (ODP) น้อยมาก แต่มีค่า GWP ที่เป็นปัญหา^{[ 95 ]} HFC เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีฤทธิ์รุนแรงซึ่งก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ^{[ 96 ] [ 97 ]}ไดเมทิลอีเทอร์ (DME) ก็ได้รับความนิยมมากขึ้นในฐานะสารทำความเย็นเมื่อใช้ร่วมกับ R404a ^{[ 98 ]}สารทำความเย็นรุ่นใหม่กว่า ได้แก่ไดฟลูออโรมีเทน (R32)ซึ่งมีค่า GWP ต่ำกว่า แต่ก็ยังสูงกว่า 600

คาดว่าอุปกรณ์ที่ใช้สารทำความเย็น R-290 (โพรเพน) จะมีบทบาทสำคัญในอนาคต^{[ 91 ] [ 102 ]}ค่า GWP 100 ปีของโพรเพนอยู่ที่ 0.02 ซึ่งต่ำมากและต่ำกว่า R-32 ประมาณ 7000 เท่า อย่างไรก็ตาม ความไวไฟของโพรเพนทำให้ต้องมีมาตรการความปลอดภัยเพิ่มเติม: ปริมาณสารทำความเย็นที่ปลอดภัยสูงสุดถูกกำหนดไว้ต่ำกว่าสารทำความเย็นที่มีความไวไฟต่ำกว่าอย่างมาก (อนุญาตให้ใช้สารทำความเย็นในระบบได้น้อยกว่า R-32 ประมาณ 13.5 เท่า) ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]}ซึ่งหมายความว่า R-290 ไม่เหมาะสมสำหรับทุกสถานการณ์หรือทุกสถานที่ ถึงกระนั้น ภายในปี 2022 จำนวนอุปกรณ์ที่ใช้ R-290 สำหรับการใช้งานในครัวเรือนก็เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะในยุโรป^{[ 106 ] [ 107 ]}

อย่างไรก็ตาม สารทำความเย็น HFC ยังคงครองตลาดอยู่ คำสั่งของรัฐบาลเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้กำหนดให้มีการเลิกใช้ สารทำความเย็น R-22มีการส่งเสริมสารทดแทน เช่น R-32 และ R-410A ว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่ก็ยังมีค่า GWP สูง^{[ 108 ]}โดยทั่วไปแล้ว ปั๊มความร้อนจะใช้สารทำความเย็น 3 กิโลกรัม หากใช้ R-32 ปริมาณนี้จะมีผลกระทบในระยะเวลา 20 ปี เทียบเท่ากับ CO2 7 ตัน_ซึ่งเทียบเท่ากับการทำความร้อนด้วยก๊าซธรรมชาติในครัวเรือนโดยเฉลี่ยเป็นเวลาสองปี สารทำความเย็นที่มีค่า ODP สูงได้ถูกเลิกใช้ไปแล้ว^{[ 109 ]}

^{แรงจูงใจทางการเงินมีจุดมุ่งหมายเพื่อปกป้องผู้ บริโภค}จากต้นทุนก๊าซฟอสซิลที่สูงและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก [ ^{110 ]}และปัจจุบันมีให้บริการในกว่า 30 ประเทศทั่วโลก ครอบคลุมความต้องการความร้อนทั่วโลกมากกว่า 70% ในปี 2021 ^{[ 4 ]}

ผู้ผลิตอาหาร โรงเบียร์ ผู้ผลิตอาหารสัตว์เลี้ยง และผู้ใช้พลังงานในภาคอุตสาหกรรมอื่นๆ กำลังสำรวจความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานหมุนเวียนเพื่อผลิตความร้อนในระดับอุตสาหกรรม การให้ความร้อนในกระบวนการผลิตคิดเป็นสัดส่วนที่ใหญ่ที่สุดของการใช้พลังงานในสถานที่ผลิตของออสเตรเลีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการดำเนินงานที่อุณหภูมิต่ำ เช่น การผลิตอาหาร เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียน

เพื่อช่วยให้ผู้ผลิตเข้าใจว่าพวกเขาจะได้รับประโยชน์อย่างไรจากการเปลี่ยนมาใช้พลังงานหมุนเวียน หน่วยงานพลังงานหมุนเวียนแห่งออสเตรเลีย (ARENA) ได้ให้เงินทุนแก่ Australian Alliance for Energy Productivity (A2EP) เพื่อดำเนินการศึกษาความเป็นไปได้เบื้องต้นในสถานที่ต่างๆ ทั่วประเทศออสเตรเลีย โดยสถานที่ที่มีแนวโน้มดีที่สุดจะดำเนินการศึกษาความเป็นไปได้เต็มรูปแบบต่อไป^{[ 111 ]}

เพื่อเป็นแรงจูงใจในการประหยัดพลังงานและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม รัฐวิกตอเรีย นิวเซาท์เวลส์ และควีนส์แลนด์ของออสเตรเลียได้ดำเนินโครงการคืนเงินโดยมุ่งเป้าไปที่การปรับปรุงระบบน้ำร้อนที่มีอยู่ โครงการเหล่านี้ส่งเสริมการเปลี่ยนจากระบบแก๊สหรือไฟฟ้าแบบดั้งเดิมไปเป็นระบบปั๊มความร้อนโดยเฉพาะ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ] [ 116 ]}

ในปี 2022 โครงการ Canada Greener Homes Grant ^{[ 117 ]}ให้เงินสนับสนุนสูงสุด 5,000 ดอลลาร์สำหรับการปรับปรุง (รวมถึงปั๊มความร้อนบางประเภท) และ 600 ดอลลาร์สำหรับการประเมินประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

เงินอุดหนุนการซื้อในพื้นที่ชนบทในช่วงทศวรรษ 2010 ช่วยลดการเผาถ่านหินเพื่อทำความร้อน ซึ่งเป็นสาเหตุของปัญหาสุขภาพ^{[ 118 ]}

ในรายงานปี 2024 ของสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) เรื่อง "อนาคตของปั๊มความร้อนในประเทศจีน" เน้นย้ำว่าจีนในฐานะตลาดปั๊มความร้อนในอาคารที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมระดับโลก ประเทศจีนมีส่วนแบ่งการขายทั่วโลกมากกว่าหนึ่งในสี่ โดยเพิ่มขึ้น 12% ในปี 2023 เพียงปีเดียว แม้ว่ายอดขายทั่วโลกจะลดลง 3% ในปีเดียวกันก็ตาม^{[ 119 ]}

ณ ปี 2022 เครื่องปั๊มความร้อนถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับอาคารในประเทศจีนประมาณ 8% และกำลังกลายเป็นมาตรฐานมากขึ้นในภาคกลางและภาคใต้สำหรับการทำความร้อนและการทำความเย็น แม้ว่าจะมีต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าและการรับรู้ที่ค่อนข้างต่ำ แต่เครื่องปั๊มความร้อนก็เป็นที่นิยมเนื่องจากประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยใช้พลังงานน้อยกว่าเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าหรือระบบที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลถึง 3-5 เท่า ปัจจุบัน เครื่องปั๊มความร้อนแบบกระจายศูนย์ที่ติดตั้งในอาคารของจีนคิดเป็นหนึ่งในสี่ของกำลังการผลิตที่ติดตั้งทั่วโลก โดยมีกำลังการผลิตรวมเกิน 250 GW ซึ่งครอบคลุมความต้องการความร้อนในอาคารประมาณ 4% ^{[ 119 ]}

ภายใต้สถานการณ์การประกาศคำมั่นสัญญา (APS) ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนของจีน คาดว่ากำลังการผลิตจะสูงถึง 1,400 GW ภายในปี 2050 ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการความร้อน 25% สถานการณ์นี้จะต้องมีการติดตั้งปั๊มความร้อนประมาณ 100 GW ต่อปีจนถึงปี 2050 นอกจากนี้ ภาคส่วนปั๊มความร้อนในจีนจ้างงานมากกว่า 300,000 คน และคาดว่าจำนวนการจ้างงานจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าภายในปี 2050 ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของการฝึกอบรมวิชาชีพเพื่อการเติบโตของอุตสาหกรรม การพัฒนาที่แข็งแกร่งในตลาดปั๊มความร้อนนี้จะมีบทบาทสำคัญในการลดการปล่อยมลพิษโดยตรงในอาคารลง 30% และลดการปล่อย PM2.5 จากการทำความร้อนในที่อยู่อาศัยลงเกือบ 80% ภายในปี 2030 ^{[ 119 ] [ 120 ]}

เพื่อเร่งอัตราการใช้งานปั๊มความร้อน คณะกรรมาธิการยุโรปได้เปิดตัวแพลตฟอร์มเร่งการใช้งานปั๊มความร้อนในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2567 ^{[ 121 ]}ซึ่งจะส่งเสริมให้ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรม ผู้กำหนดนโยบาย และผู้มีส่วนได้ส่วนเสียร่วมมือกัน แบ่งปันแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดและแนวคิด และร่วมกันหารือเกี่ยวกับมาตรการที่ส่งเสริมโซลูชันการทำความร้อนที่ยั่งยืน^{[ 122 ]}

จนถึงปี 2027 เครื่องปั๊มความร้อนแบบติดตั้งอยู่กับที่ไม่ต้องเสียภาษีมูลค่าเพิ่ม (VAT) ^{[ 123 ]}ณ ปี 2022 ค่าติดตั้งเครื่องปั๊มความร้อนสูงกว่าหม้อต้มแก๊ส แต่ด้วยเงินอุดหนุนจากรัฐบาลภายใต้โครงการ "Boiler Upgrade Scheme" ^{[ 124 ]}และสมมติว่าค่าไฟฟ้า/ค่าแก๊สยังคงใกล้เคียงกัน ค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานโดยเฉลี่ยจึงใกล้เคียงกัน^{[ 125 ]}อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานเมื่อเทียบกับหม้อต้มแก๊สจะแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น คุณภาพของการติดตั้งเครื่องปั๊มความร้อนและอัตราค่าไฟฟ้าที่ใช้^{[ 126 ]}ในปี 2024 ประเทศอังกฤษถูกวิพากษ์วิจารณ์ที่อนุญาตให้สร้างบ้านใหม่โดยใช้หม้อต้มแก๊ส ซึ่งแตกต่างจากบางประเทศที่ปัจจุบันห้ามใช้^{[ 127 ]}

ในปี 2022 มีการขายปั๊มความร้อนในสหรัฐอเมริกามากกว่าเตาเผาก๊าซธรรมชาติ^{[ 128 ]}

ตั้งแต่ปี 2022 ถึง 2025 โครงการคืนเงินสำหรับบ้านไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงได้มอบเงินอุดหนุนให้กับสำนักงานพลังงานของรัฐและชนเผ่าอินเดียนแดงเพื่อจัดตั้งโครงการคืนเงินสำหรับบ้านไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงทั่วทั้งรัฐ ครัวเรือนชาวอเมริกันมีสิทธิ์ได้รับเครดิตภาษีเพื่อครอบคลุมค่าใช้จ่ายในการซื้อและติดตั้งปั๊มความร้อน สูงสุด 2,000 ดอลลาร์ เริ่มตั้งแต่ปี 2023 ครัวเรือนที่มีรายได้ระดับต่ำและปานกลางมีสิทธิ์ได้รับส่วนลดปั๊มความร้อนสูงสุด 8,000 ดอลลาร์^{[ 129 ]}

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2566 รัฐบาลของประธานาธิบดีโจเซฟ ไบเดนแห่งสหรัฐอเมริกาได้จัดสรรเงิน 169 ล้านดอลลาร์จากพระราชบัญญัติลดเงินเฟ้อเพื่อเร่งการผลิตปั๊มความร้อน โดยใช้พระราชบัญญัติการผลิตเพื่อการป้องกันประเทศ พ.ศ. 2493เพื่อดำเนินการดังกล่าว โดยระบุว่าเป็นการส่งเสริมความมั่นคงของชาติ^{[ 130 ]}

ในปี 2025 ประธานาธิบดีโดนัลด์ ทรัมป์ ของสหรัฐฯ ได้กลับคำตัดสินที่จะใช้พระราชบัญญัติการผลิตเพื่อการป้องกันประเทศ และไม่ต่ออายุเครดิตภาษีบางส่วนที่ใช้ในการอุดหนุนปั๊มความร้อน^{[ 131 ] [ 132 ]}

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับปั๊มความร้อนในวิกิมีเดียคอมมอนส์