مضخات حرارية أرضية المصدر

في عام 2017، أغلقت جامعة بول ستيت في إنديانا آخر المراجل الأربعة التي تعمل بالفحم والتي كانت تدفئة حرمها لعقود من الزمن. In their place it drilled about 3,600 boreholes under its grounds and connected them, through two energy stations, to heat pumps that warm and cool the campus. وقد كلف النظام حوالي 65 مليون دولار، والتزمت الجامعة بخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنحو 80,000 طن سنويا (Wikipedia, Ball State University).

A ground-source heat pump is not a new source of energy. إنه المضاعف: يستخدم الكهرباء لنقل الحرارة الموجودة بالفعل في الأرض إلى داخل المبنى، ويوفر ما بين ثلاث وخمس وحدات حرارية مقابل كل وحدة كهرباء يستخدمها (الوكالة الدولية للطاقة، 2022). إنه ناضج، وموثوق به، وهادئ. كما أن تركيبه مكلف، وهذا هو السبب في أن هذه الصفحة تقضي وقتاً طويلاً على التكلفة مثلما تفعل على الفيزياء.

ما هو

A ground-source heat pump has three parts: a ground loop of plastic pipe buried in trenches or dropped into boreholes, filled with water and antifreeze; a heat pump the size of a fridge, usually indoors; and a heat distribution system, such as radiators or underfloor heating. وفي فصل الشتاء، يأخذ السائل في الحلقة الحرارة من الأرض وتركزها المضخة الحرارية إلى درجة تتراوح بين 35 و55 درجة مئوية للمنزل. وفي الصيف، يمكن أن تعمل نفس الآلة في الاتجاه المعاكس، لتبريد المبنى وإعادة الحرارة إلى الأرض.

Small homes with gardens can use horizontal loops laid 1 to 2 m deep. وتستخدم معظم المباني الأخرى ثقوباً عمودية، عادةً ما يكون عمقها من 15 إلى 150 متراً؛ وقد يحتاج منزل مستقل يحتاج إلى 10 كيلووات من الحرارة إلى ثلاثة ثقوب عمقها من 80 إلى 110 متراً (Wikipedia, Ground source heat pump). ويمكن أن تتقاسم شوارع وجامعات بأكملها حقل حفر واحدا من خلال نظام اتصالات شبكة حرارية: دائرة مياه بدرجة حرارة محيطة تربط بين العديد من المباني، كل منها بمضخة حرارية خاصة به.

كيف يعمل

المضخة الحرارية هي ثلاجة معكوسة. ويتبخر سائل تشغيلي (المادة المبردة) عند درجة حرارة منخفضة في مبدل للحرارة موصول بدائرة الأرض، مما يمتص الحرارة. ويقوم ضاغط بضغط البخار، مما يزيد من درجة حرارته. وفي مبدل حراري ثانٍ، يتكثف ويطلق تلك الحرارة في الماء الذي يذهب إلى المبردات. ويقوم صمام تمدد بتخفيض الضغط وتبدأ الدورة من جديد.

المضاعف ويمثل معامل الأداء الحرارة المولدة مقسومة على الكهرباء المستخدمة، COP. أفضل ما يمكن لأي مضخة حرارية أن تفعله هو COP كارنو:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold)، مع درجات حرارة مقدرة بالكلفن.

إن توصيل المياه عند درجة حرارة 40 درجة مئوية (313 كلفن) من الأرض عند درجة حرارة 5 درجات مئوية (278 كلفن) بعد فقدان التبادل الحراري ينتج 313 / 35 ≈ 8.9. الآلات الحقيقية تصل تقريبا النصف من رقم كارنو، لذا حوالي 4.5. وهناك أمران ينبعان مباشرة من هذه المعادلة:

• المصعد مهم أكثر من أي شيء كل درجة بين المصدر والمشععات تكلف الكفاءة. Raising the flow temperature from 35 °C to 55 °C drops our modelled ground-source COP from about 4.5 to 3.0. والمراوح الكبيرة أو التدفئة الأرضية، التي تعمل في درجات حرارة منخفضة، تجعل كل مضخة حرارية أفضل.
• درجة حرارة المصدر مهمة. الهواء الخارجي هو الأكثر برودة بالضبط عندما تكون هناك حاجة ماسة للحرارة. وعند درجة حرارة تدفق تبلغ -7 درجات مئوية و55 درجة مئوية، تنخفض وحدة مصدر الهواء في نموذجنا إلى حوالي 2.3؛ أما الأرض، عند درجة حرارة تبلغ نحو 10 درجات مئوية، فتعطي 3.0 عند نفس درجة حرارة التدفق. هذه هي ميزة الأرض كلها

الأرض بطارية بطيئة وعلى عمق بضعة أمتار، تختفي التقلبات اليومية؛ وعند ارتفاع يتراوح بين 10 و20 متراً، تصبح الأرض قريبة من متوسط درجة حرارة الهواء السنوي المحلي، وتزداد حرارتها في أعماق أكبر بنحو 0.025 درجة مئوية لكل متر (ويكيبيديا، مضخة حرارية أرضية المصدر). الحرارة في ذلك تأتي في معظمها من الشمس تسخين السطح، وليس من قلب الأرض. فالحفرة التي لا تستخرج سوى الحرارة تبرد الصخور المحيطة بها ببطء على مر السنين، ويمكن لحقل الحفرات المكتظ أن يبرد بسرعة أكبر من سرعة انتعاش التربة. وإعادة التدفئة في الصيف، بتبريد المباني، تحافظ على التوازن. ولهذا السبب تعمل الشبكات المشتركة التي تجمع بين حمولات التدفئة والتبريد بشكل جيد للغاية.

الرقم الموسمي. يقاس عامل التبريد الموسمي على صحيفة المواصفات في حالة اختبار واحدة. والمهم هو عامل الأداء الموسمي: أي الحرارة التي يتم توفيرها على مدار سنة كاملة مقسومة على كل الكهرباء المستخدمة، بما في ذلك المضخات وأجهزة التسخين الاحتياطية. وتقاس الاختبارات الميدانية معامل التثبيت الحراري، وهو دائماً أقل من عامل التثبيت الحراري المختبري.

الحدود

• الفيزياء ويحدد حد كارنو سقفاً لمعدل التبريد المرتفع بالنسبة لرفعة معينة؛ ولا يخرج منه أي مبرد أو مضغوط. الآلات الحقيقية بالفعل في حوالي نصف ذلك، وأفضل قليلا أكثر.
• القدرة الأرضية. كل متر من الحفرة يمكن أن ينتج فقط بضعة عشرات من الواط من الحرارة، اعتمادا على الصخر والمياه الجوفية، وبالتالي فإن الطلب على حرارة المبنى يحدد عدد الأمتار التي يجب حفرها. ويمثل الحفر أكبر تكلفة منفردة.
• Space and access. Drilling rigs need access; dense city blocks, listed buildings and small plots may have nowhere to drill.
• نوعية المباني. ويحتاج منزل يتسرب فيه الهواء وله راديوات صغيرة إلى درجة حرارة تدفق عالية، مما يقلل من معامل التبريد؛ وغالبا ما يأتي العزل والمصدر الأكبر للانبعاثات أولا.
• أسعار الكهرباء. وتتوقف التكلفة التشغيلية على سعر الكهرباء مقسوما على سعر الوقود الذي تحل محله. وحيثما تكلف الكهرباء أكثر من ثلاثة أضعاف تكلفة الغاز لكل كيلووات ساعة، كما هو الحال في المملكة المتحدة، تحتاج المضخة الحرارية إلى عامل تشغيل سنوي يقارب 3 لمجرد تحقيق التعادل في التكاليف الجارية.
• المهارات. ويؤدي التصميم الجيد والتعيين إلى فرق كبير في جودة المرافق الصحية، كما أن مهارات المركبين نادرة في العديد من البلدان.

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	أين ومتى	الجدول	ما يبلغ عنه
اختبار Fraunhofer ISE الميداني، WPsmart في المخزون	ألمانيا، المساكن القائمة المبنية بين عامي 1850 و2001، الرصد من عام 2017	نظم المصادر الجوية والأرضية في المنازل المأهولة	عامل الحماية من الأشعة فوق البنفسجية السنوي: مصدر أرضي حوالي 4.1 (نطاق حوالي 3.3 إلى 4.7)، مصدر هوائي حوالي 3.1 (نطاق حوالي 2.5 إلى 3.8) (Fraunhofer ISE)
نظام الحرارة الأرضية بجامعة بول ستيت	مونسي، إنديانا، الولايات المتحدة الأمريكية، اكتمل في عام 2017	About 3,600 boreholes, two energy stations, about $65 million	استبدال جميع المراجل الأربعة التي تعمل بالفحم؛ والتزمت الجامعة بتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنحو 80,000 طن سنوياً (Wikipedia)
شبكة إيفرسورس التجريبية للحرارة الأرضية	فرامينغهام، ماساشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية، 2024	حوالي ثلاثة عشر منزلاً ومبنى بلدي على مسافة ميل	First utility-run thermal network in the US; a school administration building, a fire station and public housing among the users; about $18.6 million; the network is planned to double in size (PBS NewsHour, 2025)
التبادل الجغرافي لجامعة كولورادو ميسا	غراند جونكشن، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية	16 مبنى، 1.2 مليون قدم مربع، على دائرة مشتركة للتهوية	يوفر 90% من التدفئة والتبريد في الحرم الجامعي؛ وتفيد الجامعة بتحقيق وفورات في الطاقة تبلغ قيمتها 1.5 مليون دولار سنوياً (دراسة حالة إفرادية لوزارة الطاقة الأمريكية)
خطة تحسين المرجل	إنكلترا وويلز، 2022 إلى 2026	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	وتشكل المصادر الأرضية أقلية صغيرة: 98 في المائة من التطبيقات هي للمضخات الحرارية الهواء - الماء (إدارة الأغذية والعقاقير، 2026)

تم استعراض شبكات التدفئة من الجيل الخامس في أوروبا، وهي حلقات حرارة محيطة تتقاسم الحرارة بين المباني عن طريق مضخات حرارية فردية، عبر عشرات المواقع (Buffa et al., 2019). وتعتمد كفاءتها اعتماداً كبيراً على مدى التوازن بين متطلبات التدفئة والتبريد.

ما هي تكلفتها

A heat pump does not generate electricity, so the comparison with our site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in the Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) is indirect: a ground-source heat pump turns each kWh of that solar electricity into about four kWh of heat. The direct competitor is a gas boiler, and the fair measure is the cost per kWh of heat, including the installation.

We use UK figures because they are public and recent: median installed costs from the Boiler Upgrade Scheme for January to March 2026 (£27,352 for ground source, £13,100 for air source, both including VAT) (DESNZ); the £7,500 grant; price-cap unit rates for October to December 2026 of 26.32p per kWh of electricity and 7.97p per kWh of gas (Ofgem); the Fraunhofer field SPFs; a home using 12,000 kWh of heat a year; and 20 years at a 7% real discount rate, as on our wind page. For the gas boiler we assume £3,000 installed and 90% efficiency.

نظام التدفئة	التكلفة المركبة	تكلفة التشغيل لكل كيلووات ساعة من الحرارة	مجموع التكلفة لكل كيلوواط ساعة من الحرارة، بدون إعانة	With the £7,500 grant
مرجل غاز	£3,000 (assumed)	8.9 ع	11.2 ع	غير مؤهلة
مضخة حرارية من مصدر هوائي، SPF 3.1	£13,100	8.5 ع	18.8 ع	13.9 ع
مضخة حرارية أرضية، SPF 4.1	£27,352	6.4 ع	27.9 ع	22.0 ع

حساباتنا. وقد أُغفلت الرسوم الدائمة والصيانة؛ فهي متشابهة في جميع الخيارات.

The table is uncomfortable, and it should be. At UK prices, a ground-source heat pump for a single home costs about twice as much per kWh of heat as gas, even with the grant, almost entirely because of the installation. وتكاليف التشغيل أقل بالفعل. وتتغير الصورة عندما:

• Electricity is cheaper relative to gas, as in Sweden, Norway and France, or with a time-of-use tariff.
• وتدوم الدائرة الأرضية أكثر من 20 عاما. ومن المتوقع أن تدوم آبار المياه المركبة جيدا أكثر من عدة مضخات حرارية؛ وإذا امتدت على مدى 50 سنة بدﻻ من 20 سنة، فإن التكلفة السنوية للدورة تنخفض بحوالي الربع.
• Many buildings share one borefield, cutting design, mobilisation and drilling cost per home, and letting cooling loads recharge the ground.
• The alternative is oil, LPG or direct electric heating, which cost more than gas.
• The building needs cooling as well as heating, which the same system provides at little extra cost.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• Campuses, hospitals, offices and new housing estates, where one borefield serves many buildings and both heating and cooling are needed.
• المنازل والمزارع غير المرتبطة بشبكة الغاز (ب) استبدال الزيت أو الغاز المسيل للدموع.
• Cold climates, where air-source heat pumps struggle in the coldest weeks and the ground keeps its temperature.
• الشوارع تعيد بناء شبكة الغاز الخاصة بها الشبكات الحرارية التي تديرها المرافق، مثل شبكات فرامينغهام، يمكن أن تحل محل أنابيب الغاز القديمة بدوائر مياه مشتركة.
• New buildings, where boreholes can be drilled before foundations and underfloor heating keeps the flow temperature low.

لا يمكن أن يفوز:

• Single existing homes where gas is cheap and electricity dear, as the cost table shows, unless the installation price falls sharply.
• كثيفة، ووحدات المدينة القديمة مع عدم وجود مساحة للحفر.
• Poorly insulated buildings with small radiators, until the building is improved.
• كمصدر للكهرباء. يستخدم الكهرباء؛ لا يصنعها.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: حد كارنو وأهمية ارتفاع درجات الحرارة المنخفضة؛ استقرار درجات حرارة الأرض؛ عوامل تقليل الانبعاثات السنوية المقيسة ميدانيا حوالي 4 بالنسبة للنظم الأرضية المصممة تصميما جيدا؛ عقود من التشغيل الموثوق به في السويد وسويسرا وألمانيا وأمريكا الشمالية؛ نظم على نطاق الجامعات تحل محل الفحم والغاز.

معقول: :: شبكات حرارية مملوكة للمرافق العامة تجعل مصادر الحرارة الأرضية في متناول الشوارع العادية؛ عمليات حفر أرخص بكثير من خلال أجهزة حفر أفضل وتصاميم موحدة ونطاقات أكبر؛ حقول حفر تخزن حرارة الصيف لاستخدامها في الشتاء.

المضاربة: وتكاليف تركيب المضخات الحرارية تكاد تكون مماثلة لتكاليف تركيب مراجل الغاز في المنازل الفردية؛ والمضخات الحرارية تتجاوز بكثير نسبة 60 في المائة من حد كارنو في الحقل؛ وأصبحت الآبار العميقة (500 متر أو أكثر) رخيصة بما فيه الكفاية للاستخدام في المدن الكثيفة.

أسئلة البحث المفتوحة

• الحفر الأرخص. ويمكن أن يكون الحفر أكبر تكلفة لنظام من المصادر الأرضية. وتحتاج الأجهزة الأسرع، والمصفوفات الكثيفة الأقل عمقاً، وأكوام الطاقة في الأسس، والحفر الأفقي الموجه إلى بيانات عن التكاليف الحقيقية.
• تصميم الشبكة. (ب) كيفية تحديد حجم الدوائر والحقول المشتركة بحيث يتوازن التدفئة والتبريد على مدى عقود، ومن ينبغي أن يكون مالكاً لها.
• الأداء الحقيقي على نطاق واسع. الرصد المستقل لشبكات مثل (فرامينغهام): السنوي SPF، الطاقة الضخ، اتجاهات درجة حرارة الأرض وفواتير العملاء.
• Low-GWP refrigerants. Propane and CO2 heat pumps with high efficiency and safe installation indoors.
• (ج) آثار الشبكة. كيف تغير ملايين المضخات الحرارية الطلب في ذروة فصل الشتاء، وكيف تقلل منه النظم الأرضية بالمقارنة مع مصدر الهواء.
• تحسين مسارات النقل. أرخص طلب للعزل، وتحسينات للمراوح والمضخات الحرارية لمختلف أنواع المنازل.

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

والمضخات الحرارية نفسها ناضجة؛ والأفكار المفيدة هي في الدوائر الأرضية الأرخص، والشبكات المشتركة والتحكم الأكثر ذكاء. وينبغي أن ينتج النموذج العامل حرارة مقيسة، مع إدخال كهرباء مقيسة وإخراج حرارة مقيسة.

المرحلة	العمل	القرار الذي يمكِّنه	التكلفة الإجمالية	الوقت
1- الدراسة المكتبية	الطلب على الحرارة في المباني الفعلية، وبيانات الأرض من المسوحات الجيولوجية، وتصميم الدائرة باستخدام برمجيات موحدة، وأسعار التكلفة المقدمة من الحفارين	هل الفكرة أرخص لكل كيلوواط من آبار اليوم؟	$5k to $20 ألف	2 to 3 months
2- حلقة الاختبار	حفر حفرة واحدة أو تصميم مبادل حراري جديد مع اختبار استجابة حرارية، ومضخة حرارية صغيرة، ومقاييس للحرارة والكهرباء، وجهاز استشعار لدرجة حرارة الأرض	الحرارة المقيسة لكل متر ومعامل الحماية من الشمس خلال فصل شتاء	$30k to $80 ألف	من 6 إلى 12 شهرا
3 - المشروع التجريبي للشوارع	5 إلى 20 مبنى على حلقة مشتركة، وبيانات القياس لسنة واحدة، وفواتير العملاء	التكلفة الحقيقية لكل منزل ولكل كيلووات ساعة من التدفئة	$0.5M to $3M المعدات المملوكة للوحدات	18 إلى 24 شهرا

من نحتاجه

• الجيولوجيون والجيولوجيون المائيون لقراءة حقول الحفر الأرضية والنموذجية.
• مقاولو الحفر :: الرغبة في اختبار أساليب جديدة وتقاسم التكاليف الحقيقية.
• مهندسو المضخات الحرارية والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (ج) التصميم والتعيين والرصد.
• مخططو الطاقة والمرافق في المقاطعات )ب( لنماذج الشبكات والملكية المشتركة.
• أخصائيو فيزياء البناء (ب) لإعادة تجهيز أجهزة التسلسل والبث المنخفضة الحرارة.
• الاقتصاديون ومصممو التعريفات تسعير الحرارة بصورة عادلة ومكافأة المرونة.

هل لديك فكرة أفضل؟

وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة اتصالات يمكنهم أن يستمعوا إلى دعوة لفكرة قوية في مجال الطاقة. لكي تطرح الفكرة، فإنها تحتاج إلى نموذج عملي، حقيقي ينتج الطاقة فعلاً؛ وبالنسبة لفكرة حرارية مثل هذه، يعني ذلك نموذجا ينتج حرارة مقيسة، مع تسجيل ناتجه واستخدامه للكهرباء على الأجهزة، دون المطالبة بها. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. ولكن جمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يوجد هنا وعد بالتمويل أو العائدات أو العرض.

أرسل فكرتك من خلال نموذج المساهمة مع المشكلة التي تحلها، والتحقق الفيزيائي، والتكلفة التقريبية لكل كيلووات ساعة من الحرارة، وأرخص اختبار يمكن أن يثبت أنها خاطئة. إذا كان لديك نموذج عامل، يدرج ناتجه المقيس وكيف قمت بقياسه. صفحة مصادر الطاقة تقارن هذا والبدائل الأخرى على رادار الفكرة.

المصادر

1. ويكيبيديا. جامعة بول ستيت: نظام حراري جوي يُستكمل في عام 2017.
2. الوكالة الدولية للطاقة (2022). مستقبل مضخات الحرارة.
3. فريدريك إيه. WPsmart im Bestand: مضخات حرارية في المباني القائمة، اختبار ميدان.
4. ويكيبيديا. مضخة حرارية من مصدر أرضي: أعماق الحفر، ودرجة حرارة التربة، والانحدار الحراري الأرضي.
5. إدارة أمن الطاقة وصافي الصفر (2026). Boiler Upgrade Scheme statistics, April 2026, tables Q1.1A and 1.1.
6. Ofgem (2026). أسعار وحدات الحد الأقصى لأسعار الطاقة، من 1 تشرين الأول/أكتوبر إلى 31 كانون الأول/ديسمبر 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Unlikely alliance builds cleaner geothermal energy network in Massachusetts community.  الوسيط |العنوان= تم تجاهله (مساعدة); الوسيط |المسار= تم تجاهله (مساعدة); الوسيط |العمل= تم تجاهله (مساعدة)
8. وزارة الطاقة الأمريكية. دراسة حالة عن مضخات الحرارة الأرضية: جامعة كولورادو ميسا.
9. بوفا، س.، وكوزيني، م.، ودانتوني، م.، باراتييري، م.، وفيدريزي، ر. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. استعراضات الطاقة المتجددة والمستدامة 104، 504-522.
10. ستافل، إي.، وبريت، د.، وبراندون، ن.، وهوكس، أ. (2012). استعراض المضخات الحرارية المنزلية. العلوم البيئية والطاقة 5، 9291.
11. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19.
12. Local Solar System المؤسسة. النموذج المفتوح للجدار المروحي: النقطة المرجعية للطاقة الشمسية على الأسطح وهي 0.19 دولار لكل كيلووات/ساعة.