پمپ حرارتی زمین گرمایی:
اگر منحنی تغییرات دمای هوا و دمای زمین در اعماق را در طول یک سال رسم نماییم مشاهده می شود که هرچه به عمق زمین بیشتر شود، میزان تغییرات دمای زمین در طول سال دارای تغییرات کمتری خواهد بود. به طوری که از حدود عمق 3 الی 4 متری از سطح زمین تغییرات دما و نوسانات آن در طول یک سال بسیار ناچیز می‌باشد. این در حالی است که میزان تغییرات دمای هوا دارای نوسانات بسیار زیادی می‌باشد. این امر بدین معنی است که زمین منبع خوبی برای تامین گرمایش در ماه‌های سرد سال است و می‌توان از حرارت زمین برای تامین گرمایش ساختمان‌ها استفاده نمود و همچنین از آن می‌توان برای تامین سرمایش در ماه‌های گرم سال استفاده بهینه نمود. تکنولوژی پمپ‌های حرارتی بر این اصل استوار است که در عمق 2 تا 3 متری زمین، درجه دما ثابت بوده و در زمستان گرم‌تر از هوای بیرون و در تابستان سردتر از هوای محیط است. سیستم‌های سرمایش وگرمایش "ژئوترمال" که با نام‌های دیگری هم مانند پمپ‌های حرارتی با منبع زمین یا سیستم‌های مبدل زمین گرمایی و یا سیستم‌های انرژی زمینی شناخته می‌شوند، شامل پمپ‌های حرارتی هستند که با استفاده از انرژی برق، گرما را از زیر زمین جمع‌آوری و توسط سیالی که از لوله‌های کارگذاشته شده می‌گذرد به واحد نصب شده در داخل ساختمان منتقل می‌کنند.این واحد گرمای سیال درون لوله‌ها را جذب کرده و با استفاده از قوانین متراکم سازی حرارت را تشدید و افزایش داده و به دمای مطلوب جهت گرمایش ساختمان می‌رساند. گرمای حاصل از پمپ‌های حرارتی به واسطه احتراق ایجاد نشده و فقط گرما را از محلی به محل دیگر منتقل می‌کنند. همچنین به طور معکوس در تابستان هوای گرم داخل ساختمان  از طریق یک مکنده  وارد دستگاه شده  و پس از سرد شدن مجددا به داخل اتاق دمیده می‌شود. در داخل دستگاه حرارت به مبرد منتقل شده و پس از عبور مبرد از سیکل مربوطه، حرارت موجود در آن توسط یک مبدل دو لوله‌ای به آب داخل کویل زمینی که داخل لوله‌های پلی اتیلنی نصب شده در داخل زمین منتقل می‌شود.سیکل کاری این سیستم کاملا مانند یخچال بوده و فقط به جای انتقال گرمای درون یخچال به اطراف یخچال، گرمای درون ساختمان را به زمین منتقل می‌کند. راندمان انرژی این سیستم ها 300 تا 400 درصد بوده (در مقایسه با مدرن‌ترین سیستم‌های گازی با 98 درصد راندمان) و به ازای هر 1 دلار برق مصرفی در این سیستم ،3 تا 4 دلار صرفه‌جویی مصرف داریم. در واقع یک سیستم منفرد، کار دو سیستم گرمایش و سرمایش را انجام می‌دهد. استفاده از این سیستم‌ها تا 66 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داده و 75 درصد کمتر از سیستم‌های گرمایش و سرمایش سنتی، الکتریسیته مصرف می‌کنند.
الف : تقسیم‌بندی بر اساس سیکل حرارتی:
پمپ‌های حرارتی با توجه به سیکل حرارتی به انواع مختلفی تقسیم می‌گردند که عبارتند از:
1-پمپ حرارتی با سیستم تراکمی
2-پمپ حرارتی با سیستم جذبی
***
پمپ حرارتی با سیستم تراکمی:
اکثر پمپ‌های حرارتی با سیستم تراکم، از نوع پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار است. ساختار اصلی پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار از تبخیر‌کننده، چگالنده، کمپرسور و شیر انبساط تشکیل شده است.
پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار:
در کمپرسور، مبرد گازی متراکم شده و به گازی با فشار و دمای بالا تبدیل می‌شود. این گاز دارای فشار و دمای بالا در کندانسور، حرارت را به خارج دفع کرده و به سیال مایع تبدیل می‌شود. این سیال مایع مبرد دارای فشار بالا با عبور از شیر انبساط، منبسط شده و به سیال با فشار و دمای پایین تبدیل می‌شود. این سیال مایع مبرد در اواپراتور، حرارت محیط دما پایین را جذب می‌کند و به بخار تبدیل می‌شود‌ و در نتیجه توسط این سیکل امکان انتقال حرارت دما پایین به دما بالا وجود خواهد داشت.
پمپ حرارتی باسیستم جذبی:
فرق پمپ حرارتی جذبی با پمپ حرارتی تراکمی، به غیر از کندانسور و تبخیر‌کننده (اواپراتور) معمولی در این است که پمپ حرارتی جذبی دارای دو نوع مبدل حرارتی بنام مولد و جاذب است که در واقع کار کمپرسور را انجام می‌دهند. پمپ حرارتی جذبی به پمپ حرارتی با سیستم جذبی نوع اول و دوم تفکیک می‌شود. در نوع اول‌ ماده جاذب و مبرد در بین جاذب و ژنراتور به گردش در می‌آید.
در تبخیر‌کننده، فشار بخار توسط بخار مبرد کاهش یافته و سپس در داخل جاذب توسط مایع، جذب شده و در نتیجه حرارت تولید می‌شود. فشار مایع توسط پمپ افزایش یافته و سپس وارد مولد می‌شود. در داخل آن، مبرد داخل مایع بواسطه یک منبع حرارتی از خارج نظیر هیتر، افزایش حرارت پیدا کرده و در نتیجه بخار جدا شده و به کندانسور هدایت می‌شود. بخار مبرد پس از تقطیر شدن حرارت را آزاد می‌کند. حرارت ایجاد شده در جاذب مورد استفاده قرار می‌گیرد. مایع غلیظ شده از طریق شیر انبساط به جاذب برگردانده می‌شود.
پمپ حرارتی با سیستم جذبی نوع دوم از نظر ساختاری با نوع اول یکسان است، اما گردش مایع را برعکس کرده، حرارت دما پایین نظیر اگزوز را به ژنراتور و تبخیرکننده اضافه می‌کند، سپس حرارت دما بالا از جاذب را خارج کرده سیکل را تشکیل می‌دهد. در این حالت، انرژی محرک فقط حرارت دما پایین بوده، اگزوز دما پایین را به انرژی خودش به دما بالا افزایش دما می‌دهد.
ب : تقسیم‌بندی بر اساس منبع:
پمپ‌های حرارتی بر اساس منبعی که از آن جهت تبادل گرما و سرما استفاده می‌کنند، به دو دسته اصلی پمپ حرارتی هوایی و زمینی تقسیم می‌گردند.
پمپ‌های حرارتی با منبع هوایی:
در زمستان، گرما را از هوای بیرون دریافت کرده و در تابستان، گرما را به محیط بیرون می‌دهد دو نوع اصلی از پمپ‌های حرارتی هوایی وجود دارد که متداول‌ترین نوع ان پمپ حرارتی "هوا به هوا‌" می‌باشد. این سیستم در زمستان، حرارت را از هوای محیط دریافت کرده، و آن را به هوای داخل ساختمان، و تابستان ، حرارت را از هوای ساختمان به هوای محیط، انتقال می‌دهد.
نوع دیگر، پمپ حرارتی "هوا به آب" می‌باشد که در ساختمان، با سیستم توزیع حرارت رادیاتوری یا فن‌کویل، کار می‌کند. در فصل سرد، پمپ حرارتی، گرما را از هوای خارج دریافت کرده، و آنرا به آب سیستم گرمایش می‌دهد. در فصل گرم، پمپ حرارتی، گرما را از سیستم توزیع آب داخل ساختمان به محیط انتقال می‌دهد. یک پمپ حرارتی هوایی در سه سیکل کار می‌کند: سیکل ‌گرمایش، سیکل سرمایش و سیکل دیفراست.
سیکل گرمایش:
در سیکل گرمایش، حرارت از هوای خارج، گرفته شده و به فضای داخل داده می‌شود. در ابتدا مبرد مایع، از شیر انبساط عبور کرده و به یک مخلوط مایع بخار فشار کم تبدیل می‌شود. سپس این مخلوط با عبور از کویل خارجی (کویل اواپراتور)، گرم شده، و در فشار کم به مایع و بخار تبدیل می‌گردد. در اکومولاتور، بخش ‌مایع مبرد دو فاز، جدا شده و بخش بخار، پس از تراکم در کمپرسور، به کندانسور ارسال می‌شود. گرمای دفع شده از مبرد داغ در کندانسور، هوای خانه را گرم می‌نماید.
سیکل سرمایش:
برای سرمایش در تابستان، پمپ حرارتی، حرارت را از هوای داخل ساختمان جذب نموده و آن را به محیط انتقال می‌دهد. مشابه سیکل گرمایش، مبرد مایع، از شیر انبساط عبور کرده و به مخلوط مایع‌ بخار فشار کم، تبدیل می‌شود. مبرد سپس به کویل داخلی‌ که به عنوان اواپراتور عمل می‌کند رفته، و با جذب حرارت ‌داخل اطاق، مبرد به بخار با دمای کم تبدیل می‌گردد. شیر معکوس‌کننده، این بخار را به یک اکومولاتور می‌فرستد، در آنجا، قسمت مایع جریان دو فازی، جدا شده و بخار اشباع یا قدری سوپر هیت، در کمپرسور متراکم می‌شود. سرانجام شیر معکوس‌کننده، گازی را که اکنون گرم است به یک کویل خارجی که به عنوان کندانسور عمل می‌کند‌ می‌فرستد. گرمای منتقل شده به هوای خارج در کندانسور، باعث می‌شود که بخار مبرد به مایع تبدیل شود. این مایع به شیر انبساط برمی‌گردد و سیکل تکرار می‌گردد. در طول سیکل سرمایش، رطوبت موجود در هوا پس از عبور از روی کویل داخلی، تقطیر شده و در ظرفی درزیر کویل جمع‌آوری می‌شود و یا از خانه خارج می‌گردد.
سیکل دیفراست (برفک زدا)
اگر دمای هوای خارج، وقتی که پمپ حرارتی در حالت گرمایش کار می‌کند، نزدیک یا کم‌تر از نقطه انجماد برسد، رطوبت موجود در هوای عبوری از روی کویل خارجی، تقطیر شده و روی کویل مربوطه، برفک‌تشکیل می‌شود. برفک تولید شده، به دلیل اینکه انتقال حرارت به مبرد را کاهش می‌دهد، باعث کاهش بازده کویل می‌گردد.
برای دفع برفک، پمپ حرارتی باید در حالت دیفراست عمل کند. ابتدا دستگاه توسط شیر معکوس‌کننده، در حالت سرمایش قرار می‌گیرد. این عمل، گاز داغ را برای ذوب کردن برفک، به کویل خارجی می‌فرستد، و فن خارجی نیز خاموش می‌شود. در این حالت پمپ حرارتی، هوای سرد را به خانه می‌دهد. قبل از اینکه این هوا در سرتاسر خانه پخش شود، سیستم گرمایشی کمکی برای گرم کردن آن به کارمی‌رود.
پمپ حرارتی با منبع زمینی:
دمای زمین، برخلاف هوای محیط، تقریباً ثابت است. پمپ‌های حرارتی زمینی، از زمین یا آب‌های زیرزمینی و یا هر دو، به عنوان منبع حرارت در زمستان و به عنوان چاه حرارتی در تابستان، استفاده می‌کنند. بنابراین پمپ‌های حرارتی زمینی، به عنوان سیستم‌های انرژی زمینی نیز نامیده می‌شوند.در زمستان حرارت گرفته شده از زمین، به کمک سیالی نظیر آب‌های زیرزمینی یا محلول آب و ضدیخ توسط‌ پمپ حرارتی، به هوای داخل خانه منتقل می‌شود. در تابستان، عکس این فرآیند رخ می‌دهد، یعنی حرارت از هوای داخل، گرفته شده و توسط آب‌های زیرزمینی یا محلول آب و ضدیخ، به زمین منتقل می‌گردد.
پمپ‌های حرارتی زمینی دو بخش عمده دارند. یک مدار لوله‌کشی زیرزمینی در خارج ساختمان، و یک دستگاه پمپ حرارتی در داخل ساختمان. دستگاه پمپ حرارتی زمینی، در داخل ساختمان قرار می‌گیرد. سیستم لوله‌کشی خارج می‌تواند یک سیستم باز یا یک حلقه بسته باشد.
در یک پمپ حرارتی با سیکل باز، انتقال حرارت بین‌ آب‌های زیرزمینی و هوای داخل ساختمان انجام می‌شود و این امر بدین صورت است که آب‌های زیرزمینی توسط یک پمپ با توان مصرفی کم از داخل چاه بیرون کشیده شده و سپس این آب به داخل دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمائی جهت تامین سرمایش یا گرمایش هدایت می‌شود‌. مثلاً در حالت گرمایش، آب چاه به یک مبدل حرارتی وارد شده و حرارت آنگرفته می‌شود. این آب سپس به داخل آب‌های سطحی مانند رودخانه و یا برکه، تخلیه می‌شود و یا به داخل یک چاه آب دیگر می‌ریزد.
در پمپ‌های حرارتی با سیستم‌های بسته، انتقال حرارت با زمین، به وسیله یک حلقه لوله‌کشی که در زیرزمین مدفون شده، انجام می‌پذیرد و مثلاً در حالت گرمایش، حرارت توسط یک محلول آب و ضدیخ و یا مبرد در سیستم انبساط مستقیم که بوسیله سیستم تبرید پمپ حرارتی چندین درجه از خاک اطراف خنک‌تر شده است، از خاک گرفته می‌شود. این پمپ‌ها، دارای سه قسمت عمده هستند. خود دستگاه پمپ حرارتی، مبدل حرارتی واسطه (سیستم‌های حلقه باز یا حلقه بسته)، و سیستم‌های انتقال دهنده هوا (کانال‌کشی) و با آب گرم و سرد به فضای اتاق‌ها.
سیکل گرمایش:
در سیکل گرمایش، آب‌های زیرزمینی (در سیکل باز) و یا مخلوط آب و ضد یخ (در سیستم‌های بسته)، و یا مبرد (که توسط سیستم لوله‌کشی زیرزمینی به گردش درآمده)، حرارت را از زمین دریافت می‌دارند و آن را در یک مبدل حرارتی واسط (اواپراتور)، به مبرد در سیکل تبرید، منتقل می‌نمایند. در یک سیستم باز، آب پس از انتقال انرژی به مبرد، به برکه و یا چاه، تخلیه می‌‌گردد. در یک سیستم بسته، مخلوط ضدیخ به سیستم لوله‌کشی زیرزمینی در خارج ساختمان ارسال می‌گردد، تا حرارت را از زمین دریافت نماید.
سیکل سرمایش:
در سیکل سرمایش جهت جریان مبرد، توسط شیر کنترل، عوض می‌شود. مبرد، گرمای موجود در ساختمان را گرفته و مستقیماً آن را به آب‌های زمینی و یا مخلوط آب و ضدیخ، منتقل می‌نماید. سپس حرارت‌به خارج منتقل شده، به یک منبع آب و یا به چاه (در سیستم باز) یا به مدار لوله‌کشی زیرزمینی (در سیستم بسته) انتقال می‌یابد. در برخی مواقع، قسمتی از این حرارت اضافی، برای پیش گرم کردن آب گرم مصرفی نیز، استفاده می‌شود.
برخلاف پمپ‌های حرارتی هوایی، پمپ‌های حر‌ارتی زمینی، به سیکل دیفراست احتیاج ندارند. زیرا دمای زمین بسیار پایدارتر از دمای هوا است، و دستگاه پمپ حرارتی، عموماً در داخل ساختمان قرار دارد بنابراین مشکلات مربوط به تشکیل برفک بوجود نمی‌آید.
انواع سیستم‌های پمپ حرارتی زمینی:
در سیستم‌های زمینی، پمپ حرارتی توسط سیستم لوله‌کشی به زمین متصل می‌شود، و باعث تبادل حرارتی با زمین و یا آب‌های موجود در زمین می‌گردد. این سیستم‌ها به دو نوع عمده سیستم‌های باز و بسته تقسیم می‌شوند .
بنابراین برخلاف پمپ‌های حرارتی هوایی، سیستم‌های پمپ حرارتی زمینی، به یک چاه یا یک سیستم حلقه بسته، برای دریافت و یا بیرون دادن حرارت به زمین، نیاز دارند.
سیستم‌ها با حلقه باز:
یک سیستم باز، از آب‌های زیرزمینی که مثلا در یک چاه معمولی وجود دارد، به عنوان یک منبع حرارت استفاده می‌کند. بنابراین با کمک سیستم‌های باز (آبی) از یک منبع عظیم و نسبتاً ارزان، انرژی بهره‌برداری می‌شود.
سیستم‌ها با حلقه بسته :
یک سیستم حلقه بسته، حرارت را از زمین، با استفاده از حلقه پیوسته‌ای از لوله‌های پلاستیکی مخصوص، که در زیر خاک قرار دارد، می‌گیرد. در حالی که در یک سیستم باز، آب به چاه تخلیه می‌شود، در سیستم بسته، سیال عامل در لوله‌های تحت فشار دوباره به گردش در می‌آید. لوله‌کشی در دو آرایش اصلی عمودی و افقی انجام می‌گیرد.