التدفئة الكهربائية

التسخين الكهربائي عملية يتم فيها تحويل الطاقة الكهربائية مباشرةً إلى طاقة حرارية . تشمل تطبيقاته الشائعة تدفئة المساحات ، والطهي ، وتسخين المياه ، والعمليات الصناعية. السخان الكهربائي جهاز كهربائي يحول التيار الكهربائي إلى حرارة. ^{[ 1 ]} عنصر التسخين داخل كل سخان كهربائي عبارة عن مقاوم كهربائي ، ويعمل وفق مبدأ التسخين الجولي : حيث يحول التيار الكهربائي المار عبر المقاوم الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. تستخدم معظم أجهزة التسخين الكهربائي الحديثة سلك النيكروم كعنصر فعال؛ عنصر التسخين الموضح على اليمين يستخدم سلك النيكروم المدعوم بعوازل خزفية.

بدلاً من ذلك، يمكن لمضخة الحرارة أن تحقق كفاءة تتراوح بين 150% و600% في التدفئة، أو معامل أداء يتراوح بين 1.5 و6.0 ، لأنها تستخدم الطاقة الكهربائية فقط لنقل الطاقة الحرارية الموجودة. تستخدم مضخة الحرارة محركًا كهربائيًا لتشغيل دورة تبريد عكسية ، تسحب الطاقة الحرارية من مصدر خارجي كالأرض أو الهواء الخارجي (أو داخل الثلاجة) وتوجه هذه الحرارة إلى المكان المراد تدفئته (المطبخ في حالة الثلاجة). هذا يوفر استخدامًا أفضل للطاقة الكهربائية مقارنةً بالتدفئة الكهربائية المباشرة، ولكنه يتطلب معدات أغلى ثمنًا، بالإضافة إلى أعمال السباكة. يمكن تشغيل بعض أنظمة التدفئة بشكل عكسي لتكييف الهواء، بحيث يتم تبريد المساحة الداخلية، ويتم تصريف هواء أو ماء أكثر سخونة إلى الخارج أو إلى الأرض.

تُستخدم أنظمة التدفئة المركزية لتدفئة المساحات الداخلية للمباني. وتُعدّ هذه الأنظمة مفيدة في الأماكن التي يصعب فيها التحكم في التهوية، مثل المختبرات. وتُستخدم عدة طرق للتدفئة المركزية الكهربائية.

سخانات الأشعة تحت الحمراء

تستخدم أنظمة التدفئة الإشعاعية بالأشعة تحت الحمراء الكهربائية عناصر تسخين تصل إلى درجة حرارة عالية. عادةً ما يكون العنصر مُغلفًا داخل غلاف زجاجي يُشبه المصباح الكهربائي ، مع عاكس لتوجيه الطاقة بعيدًا عن جسم المدفأة. يُصدر العنصر إشعاعًا بالأشعة تحت الحمراء ينتقل عبر الهواء أو الفضاء حتى يصطدم بسطح ماص، حيث يتحول جزء منه إلى حرارة وينعكس الجزء الآخر. تُدفئ هذه الحرارة الأشخاص والأشياء في الغرفة مباشرةً، بدلًا من تدفئة الهواء. يُعد هذا النوع من المدفآت مفيدًا بشكل خاص في المناطق التي يتدفق فيها هواء غير مُدفأ. كما أنها مثالية للأقبية والجراجات التي تتطلب تدفئة موضعية. وبشكل عام، تُعد خيارًا ممتازًا للتدفئة المُخصصة لمهام مُحددة.

تعمل السخانات الإشعاعية بصمت، لكنها تشكل خطراً كبيراً لاشتعال الأثاث المجاور نظراً لتركيز حرارتها الشديدة وعدم وجود نظام حماية من الحرارة الزائدة. في المملكة المتحدة، تُسمى هذه الأجهزة أحياناً بالمواقد الكهربائية، لأنها كانت تُستخدم في الأصل كبديل للمواقد التقليدية.

الوسط النشط للسخان الموضح في هذا القسم عبارة عن ملف من سلك مقاومة النيكروم داخل أنبوب من السيليكا المنصهرة ، مفتوح للغلاف الجوي عند الأطراف، على الرغم من وجود نماذج حيث يتم إغلاق السيليكا المنصهرة عند الأطراف ولا تكون سبيكة المقاومة من النيكروم.

سخانات الحمل الحراري

الحمل الحراري الطبيعي

في المدفأة الحرارية، يقوم عنصر التسخين بتسخين الهواء الملامس له عن طريق التوصيل الحراري . الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد، لذا يرتفع بفعل قوة الطفو ، مما يسمح بتدفق المزيد من الهواء البارد ليحل محله. هذا يُنشئ تيارًا حراريًا من الهواء الساخن يرتفع من المدفأة، فيسخن المكان المحيط، ثم يبرد، وتتكرر الدورة. تُملأ هذه المدفآت أحيانًا بالزيت أو السائل الحراري. وهي مثالية لتدفئة الأماكن المغلقة. تعمل بهدوء تام، كما أنها أقل عرضة لخطر الاشتعال في حال ملامستها غير المقصودة للأثاث، مقارنةً بالمدفآت الكهربائية الإشعاعية.

الحمل الحراري القسري

المدفأة المروحية، أو ما يُسمى أيضًا بمدفأة الحمل الحراري القسري، هي نوع من أنواع المدفآت التي تعمل بالحمل الحراري وتتضمن مروحة كهربائية لتسريع تدفق الهواء. تُصدر هذه المدفآت ضجيجًا ملحوظًا بسبب المروحة، كما أنها تنطوي على خطر اشتعال متوسط ​​في حال ملامستها غير المقصودة للأثاث. تتميز هذه المدفآت بصغر حجمها مقارنةً بالمدفآت التي تعمل بالحمل الحراري الطبيعي، بالإضافة إلى كونها اقتصادية ومناسبة لأنظمة التدفئة المحمولة والغرف الصغيرة.

تعتمد كفاءة أي نظام على تحديد حدوده. بالنسبة لمستهلك الطاقة الكهربائية، تبلغ كفاءة التدفئة الكهربائية 100% لأن جميع الطاقة المشتراة تُحوّل إلى حرارة. مع ذلك، إذا أُضيفت محطة توليد الكهرباء، تنخفض الكفاءة الإجمالية بشكل كبير. على سبيل المثال، لا تُنتج محطة توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري سوى 3-5 وحدات من الطاقة الكهربائية مقابل كل 10 وحدات من طاقة الوقود المُستخدمة. ^{[ 11 ]} على الرغم من أن السخان الكهربائي يتمتع بكفاءة 100%، إلا أن كمية الوقود اللازمة لإنتاج الحرارة أكبر مما لو تم حرقه في فرن أو غلاية في المبنى المراد تدفئته. إذا أمكن استخدام نفس الوقود للتدفئة، فسيكون حرقه في مبنى المستخدم النهائي أكثر كفاءة بشكل عام. من ناحية أخرى، لا يُعد استبدال التدفئة الكهربائية بسخانات تعمل بالوقود الأحفوري أمرًا جيدًا بالضرورة، لأنه يُلغي إمكانية الحصول على تدفئة كهربائية متجددة، والتي يُمكن تحقيقها من خلال الحصول على الكهرباء من مصدر متجدد.

تؤثر الاختلافات بين الدول المنتجة للطاقة الكهربائية على المخاوف المتعلقة بالكفاءة والبيئة. ففي عام 2015، لم تُنتج فرنسا سوى 6% من كهربائها من الوقود الأحفوري ، بينما استمدت أستراليا أكثر من 86% من كهربائها من الوقود الأحفوري. ^{[ 12 ]} وتعتمد نظافة وكفاءة الكهرباء على مصدرها.

في السويد، تم تقييد استخدام التدفئة الكهربائية المباشرة منذ ثمانينيات القرن الماضي لهذا السبب، وهناك خطط للتخلص منها نهائياً - انظر التخلص التدريجي من النفط في السويد - بينما حظرت الدنمارك تركيب أنظمة التدفئة الكهربائية المباشرة في المباني الجديدة لأسباب مماثلة. ^{[ 13 ]} في حالة المباني الجديدة، يمكن استخدام تقنيات بناء منخفضة الطاقة تُغني فعلياً عن الحاجة إلى التدفئة، مثل تلك المبنية وفقاً لمعيار "باسيفهاوس" .

في كيبيك ، لا تزال التدفئة الكهربائية هي الشكل الأكثر شيوعًا لتدفئة المنازل. ووفقًا لمسح أجرته هيئة الإحصاء الكندية عام 2003 ، يستخدم 68% من الأسر في المقاطعة الكهرباء للتدفئة. ويتم توليد أكثر من 90% من إجمالي الطاقة المستهلكة في كيبيك من السدود الكهرومائية ، التي تتميز بانخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري مقارنةً بمحطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري . وتفرض شركة هيدرو-كيبيك ، وهي شركة المرافق المملوكة للمقاطعة، أسعارًا منخفضة ومستقرة. ^{[ 14 ]}

شهدت السنوات الأخيرة توجهاً ملحوظاً لدى الدول نحو توليد الكهرباء منخفضة الكربون من مصادر متجددة، إضافةً إلى الطاقة النووية والطاقة الكهرومائية اللتين تُعدّان من المصادر منخفضة الكربون منذ زمن طويل. فعلى سبيل المثال، كان البصمة الكربونية للكهرباء في المملكة المتحدة لكل كيلوواط/ساعة في عام 2019 أقل من نصف ما كانت عليه في عام 2010. ^{[ 11 ]} ومع ذلك، ونظراً لارتفاع التكلفة الرأسمالية، لم تنخفض تكلفة الكهرباء، بل هي عادةً ما تتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف تكلفة حرق الوقود. وبالتالي، قد تُنتج التدفئة الكهربائية المباشرة الآن بصمة كربونية مماثلة للتدفئة بالغاز أو النفط، لكن التكلفة لا تزال أعلى، على الرغم من أن تعريفات خارج أوقات الذروة الأرخص قد تُخفف من هذا الفرق.

لتحسين كفاءة التدفئة، يمكن لمضخة حرارية تعمل بالكهرباء رفع درجة الحرارة الداخلية عن طريق استخلاص الطاقة من الأرض أو الهواء الخارجي أو من مصادر النفايات مثل هواء العادم. وهذا من شأنه أن يقلل استهلاك الكهرباء إلى 35% فقط من استهلاك التدفئة التقليدية. ^{[ 15 ]} عندما يكون المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية هو الطاقة الكهرومائية أو النووية أو طاقة الرياح، يصبح نقل الكهرباء عبر الشبكة الكهربائية خيارًا مناسبًا، نظرًا لبُعد المصدر عن تطبيقات التدفئة المباشرة (باستثناء الطاقة الشمسية الحرارية ).

يُقترح استخدام الكهرباء في تدفئة المنازل والمياه بشكل متزايد كحلٍّ لخفض انبعاثات الكربون في نظام الطاقة الحالي، لا سيما باستخدام المضخات الحرارية . وفي حالة التوسع في استخدام الكهرباء على نطاق واسع، يجب مراعاة تأثيرات ذلك على شبكة الكهرباء نتيجةً للزيادة المحتملة في ذروة الطلب على الكهرباء والتعرض لظواهر جوية متطرفة . ^{[ 16 ]}

يُعدّ تشغيل سخانات المقاومة الكهربائية لتدفئة منطقة ما لفترات طويلة مكلفًا في العديد من المناطق. ومع ذلك، قد يكون الاستخدام المتقطع أو الجزئي خلال اليوم أكثر فعالية من حيث التكلفة من تدفئة المبنى بأكمله نظرًا للتحكم المتفوق في المناطق.

على سبيل المثال: غرفة الطعام في المكاتب تعمل لساعات محدودة. خلال فترات انخفاض الاستخدام، يُوفر نظام التدفئة المركزية مستوى حرارة "مراقبة" (10 درجات مئوية). أما في أوقات ذروة الاستخدام بين الساعة 11:00 و2:00 ظهرًا، فتُسخن الغرفة إلى مستوى حرارة "مريح" ( 21 درجة مئوية ) . يمكن تحقيق وفورات كبيرة في استهلاك الطاقة الإجمالي، نظرًا لانخفاض فقدان الطاقة الناتج عن الإشعاع الحراري بسبب الأشعة تحت الحمراء ، وانخفاض فرق درجة الحرارة بين هذه الغرفة والهواء الخارجي غير المُدفأ، وكذلك بين الثلاجة وغرفة الطعام (التي أصبحت الآن أكثر برودة).    

من الناحية الاقتصادية، يمكن مقارنة التدفئة الكهربائية بمصادر التدفئة المنزلية الأخرى بضرب التكلفة المحلية لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء في عدد الكيلوواط التي يستهلكها السخان. على سبيل المثال: سخان بقدرة 1500 واط بتكلفة 12 سنتًا لكل كيلوواط ساعة، 1.5 × 12 = 18 سنتًا في الساعة. ^{[ 17 ]} عند المقارنة بحرق الوقود، قد يكون من المفيد تحويل الكيلوواط ساعة إلى وحدات حرارية بريطانية (BTU) : 1.5  كيلوواط ساعة × 3412.142 = 5118 وحدة حرارية بريطانية.

يُستخدم التسخين الكهربائي على نطاق واسع في الصناعة. ^{[ 18 ]}

تشمل مزايا طرق التسخين الكهربائي مقارنةً بالطرق الأخرى التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتوزيع الطاقة الحرارية، وعدم استخدام الاحتراق لتوليد الحرارة، والقدرة على الوصول إلى درجات حرارة يصعب تحقيقها بالاحتراق الكيميائي. يمكن تطبيق الحرارة الكهربائية بدقة في النقطة المطلوبة في العملية، مع تركيز عالٍ للطاقة لكل وحدة مساحة أو حجم. يمكن تصنيع أجهزة التسخين الكهربائي بأي حجم مطلوب، ويمكن وضعها في أي مكان داخل المصنع. تتميز عمليات التسخين الكهربائي عمومًا بالنظافة والهدوء، ولا تُصدر الكثير من الحرارة الثانوية إلى البيئة المحيطة. تتميز معدات التسخين الكهربائي بسرعة استجابة عالية، مما يجعلها مناسبة لمعدات الإنتاج الضخم ذات الدورات السريعة.

تشمل عيوب ومحدوديات التدفئة الكهربائية في الصناعة ارتفاع تكلفة الطاقة الكهربائية مقارنةً بالاستخدام المباشر للوقود، والتكلفة الرأسمالية لكلٍ من جهاز التدفئة الكهربائية نفسه والبنية التحتية اللازمة لتوصيل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية إلى موقع الاستخدام. ويمكن تعويض ذلك جزئيًا من خلال تحسين كفاءة التشغيل داخل المصنع (في الموقع) باستخدام طاقة أقل إجمالًا لتحقيق النتيجة نفسها.

يبدأ تصميم نظام التدفئة الصناعية بتقييم درجة الحرارة المطلوبة، وكمية الحرارة اللازمة، والطرق الممكنة لنقل الطاقة الحرارية. فبالإضافة إلى التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، يمكن لأساليب التسخين الكهربائي استخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية لتسخين المواد.

تشمل طرق التسخين الكهربائي التسخين المقاوم، والتسخين بالقوس الكهربائي، والتسخين الحثي، والتسخين العازل. في بعض العمليات (مثل لحام القوس الكهربائي )، يُطبَّق التيار الكهربائي مباشرةً على قطعة العمل. وفي عمليات أخرى، تُنتَج الحرارة داخل قطعة العمل عن طريق الحث أو الفقد العازل . كما يمكن إنتاج الحرارة ثم نقلها إلى قطعة العمل عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع.

يمكن تصنيف عمليات التسخين الصناعية بشكل عام إلى ثلاث فئات: عمليات التسخين منخفضة الحرارة (حتى حوالي 400 درجة مئوية أو 752 درجة فهرنهايت )، وعمليات التسخين متوسطة الحرارة (بين 400 و1150 درجة مئوية أو 752 و2102 درجة فهرنهايت )، وعمليات التسخين عالية الحرارة (أعلى من 1150 درجة مئوية أو 2102 درجة فهرنهايت ). تشمل عمليات التسخين منخفضة الحرارة الخبز والتجفيف، ومعالجة التشطيبات ، واللحام ، وتشكيل البلاستيك. أما عمليات التسخين متوسطة الحرارة فتشمل صهر البلاستيك وبعض المواد غير المعدنية للصب أو إعادة التشكيل، بالإضافة إلى تلدين المعادن، وتخفيف الإجهاد، والمعالجة الحرارية. وتشمل عمليات التسخين عالية الحرارة صناعة الصلب ، واللحام بالنحاس ، واللحام ، وصب المعادن، والقطع، والصهر ، وتحضير بعض المواد الكيميائية.